硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置

摘要

一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，包括：一下施力盖板，该下施力盖板为圆片状；一下承接托，该下承接托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下施力盖板之上；一上施力托，该上施力托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下承接托之上；其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向圆柱插置连接，在下承接托和上施力托之间还有两个保护陪片，该两个保护陪片上下叠置；一平凸透镜，其位于上施力托之上；一上施力盖板，该上施力盖板为圆片状，其位于平凸透镜之上。本发明特点在于整个轴向压力施加方法，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压，目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，进而实现更牢固的键合。

说明书

技术领域

本发明涉及光子光电子器件、芯片制作技术领域，尤其涉及一种硅基 III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，其是用于混合硅基光 子、光电子有源无源器件或芯片的制作，适于光子光电子集成应用。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在 互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件 多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微 电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

III-V(如GaAs，InP等)族材料和硅的混合集成是一种目前被认为最有 应用前景的适于高密度集成的光子或光电子芯片技术。通常采取带有波导 结构的SOI材料(Si/SiO₂/Si衬底)与III-V外延材料通过有机材料或键合 方法粘合，去掉III-V衬底，然后再进行光子或光电子器件、光路的加工， 光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，电注入采用共面电极在 III-V材料层完成。这其中键合技术非常重要。无论是直接键合还是间接 键合(如利用有机材料粘合)，都需要有均匀的施力装置。一般的做法是， 将要键合的两块晶片做各种清洗处理，在对键合面进行共价键激活，形成 悬挂键，然后贴合在一起，放入炉中，施加均匀压力，形成真空环境，做 预键合和退火处理。在实践过程中，机械加工精度、晶片本身平行度等都 会对施力均匀性产生影响。直接键合对施力系统要求极高，受力不均匀会 导致键合晶片内部产生空隙，红外透射下牛顿环明显，不能再进行下一步 器件制作。

以往采取一对平行平面对晶片施力。会导致两个问题：一是施力系统 即使绝对平行，但晶片如果平行度有偏差，受力就会不均匀。二是上下两 个晶片在施力过程中会发生晶向偏移，更严重的是非常容易碎片。为此本 专利申请提出一种自适应施力装置以用来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀 轴向力施力装置，该装置适于硅基-III-V外延材料图形异质键合，不但施 力均匀，还可以根据晶片平行度进行自适应调整，另外中间的保护陪片可 增强施力强度，获得更好的键合质量。

为达到上述目的，本发明提供了一种硅基III-V外延材料图形异质键 合均匀轴向力施力装置，包括：

一下施力盖板，该下施力盖板为圆片状；

一下承接托，该下承接托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其 位于下施力盖板之上；

一上施力托，该上施力托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其 位于下承接托之上；

其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向圆柱插置连接，在下承 接托和上施力托之间还有两个保护陪片，该两个保护陪片上下叠置；

一平凸透镜，其位于上施力托之上；

一上施力盖板，该上施力盖板为圆片状，其位于平凸透镜之上。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明施力系统可承受高温环境，预计800摄氏度以上，且可承受 高压，完全可以胜任其他的高温高压键合需要。

2)本发明提供的施力系统采取由点及面施压方式，能够实现自动找 平、轴向力均匀分布。轴向压力施加方法独特，不是采用直接的加压方式， 而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压。实验表明键 合成功率几乎100％。

3)本发明提供精巧的晶片保护技术，材料和几何尺寸选取，都是大量 实验的结果。目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，进而实现更牢固的 键合。

硅基混合激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互连、光交换中 都有极其重要的作用，目前最重要的异质材料实现技术就是键合，键合中 施力均匀性至关重要，而且还要保证足够强度和准确的晶向。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种硅基III-V外延材料图形异质键合 均匀轴向力施力装置，包括：

一下施力盖板10，该下施力盖板10为圆片状；下施力盖板10将通过 可调连接部件固定于键合设备上端气缸的活塞端。气缸中通过充气量来控 制压力大小，推动下施力盖板10运动或实现压力变化。下施力盖板10为 不锈钢材料，经过抛光而成。与向上施力盖板14为一对，特征相同。上 下施力盖板可通过调节，保证平行度。

一下承接托11，该下承接托11为圆片状，其上面均匀分布有多个圆 孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下施力盖板10之上；每个圆孔 孔径为10mm，当数量为3时，孔中心与下承接托11中心连线互成120度角。 孔中心距离下承接托11中轴线距离为30-40mm。该均匀分布圆孔深度为承 接托11厚度1/2到3/4。该多个孔主要作用是定位。

一上施力托12，该上施力托12为圆片状，其上面均匀分布有多个圆 孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下承接托11之上；每个圆孔孔 径为10mm，当数量为3时，孔中心与上施力托12中心连线互成120度角。 孔中心距离上施力托12中轴线距离为30-40mm。该均匀分布圆孔穿透上施 力托12。该多个孔主要作用是定位。

其中所述的下承接托11和上施力托12的直径为80mm，厚度为 30-50mm；

其中在下承接托11和上施力托12之间通过多个定向圆柱111插置连 接。定向圆柱111为不锈钢材质或其他硬度较高材料制成，与上施力托12 材料相同，定向圆柱111将插于上施力托12和下承接托11上的均匀分布 圆孔中，实现定位。定向圆柱111直径为10mm，高为40mm左右。要求表面 抛光，并与圆孔，紧密吻合，并可自由穿入滑动。

在下承接托11和上施力托12之间还有两个保护陪片112，该两个保 护陪片112上下叠置，所述的保护陪片112的材料为石英玻璃；保护陪片 112为厚度为5mm以上的两片石英片，尺寸将根据所键合晶片的大小不同 而不同，通常键合晶片尺寸为10mm×10mm，则保护陪片尺寸约为12mm× 12mm。保护陪片要求有镜面级平坦度。

一平凸透镜13，其位于上施力托12之上；平凸透镜13为纯石英材料， 材料均匀一致，制作工艺与常规光学透镜相同，平面部分所在圆直径约为 80mm，突出部分弧形半径约为50mm，做抛光处理。目的在于使轴向压力向下 均匀施加，由点及面。

一上施力盖板14，该上施力盖板14为圆片状，其位于平凸透镜13 之上。

其中所述的下施力盖板10和上施力盖板14的直径为80mm，厚度为 20-50mm

其中所述的下施力盖板10、下承接托11、定向圆柱111、上施力托 12和上施力盖板14的材料为不锈钢。

其中所述下施力盖板10、下承接托11、上施力托12、上施力盖板14 与平凸透镜13的直径相同。

实现自动找平、轴向力的均匀分布、目标晶片准确定位和防止碎片。 利用该施力装置在20公斤力下获得的1厘米×1厘米硅和铟磷键合实验结 果，在红外透视图中不存在牛顿环，成功率几乎100％。而用普通装置经常 会出现牛顿环，在腐蚀去衬底的过程中就会分离开，导致键合失败。本发 明特点在于整个轴向压力施加方法，不是采用直接的加压方式，而是加入 找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压，目标晶片可以给予更 大的压力而不碎裂，目的是实现更牢固的键合。

请再参阅图1，本发明的使用过程为：

1)首先准备好需要键合的晶片，如硅片(SOI晶片)和INP片(或其它 III-V族晶片)，一般尺寸为10mm×10mm，对于图形键合而言，硅片会SOI 片上分布各种波导器件，届时晶片表面出现局部凹陷，常规的加压方式会 对键合强度影响很大。晶片表面要经过复杂的清洗处理和悬挂键激活。

2)将处理好的晶片在超净环境中贴合到一起，对准晶向。放到两个保 护陪片112之间。

3)将保护好的晶片放于下承接托11之上。调整好中心位置。

4)将三个定位圆柱111插于下承接托11三个圆孔当中。

5)将上施力托12盖在上述物体组合上，通过树立起来的三个定位圆 柱111，穿过上施力托12上的三个圆孔实现，紧密压合。至此键合晶片已 经处于上下托的夹压之中。该体系要求各中心重合。

6)将平凸透镜13放于上述包含晶片的托上，平面朝下，中心重合。

7)将上述体系放于下施力盖板10之上，中心重合。

8)将上施力盖板压下，保持整个体系中心重合。

9)使整个系统处于真空环境中，加均匀轴向压力5-20公斤/平方厘米， 然后进行高温退火。

10)冷却至室温，撤掉压力，取出晶片。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。