一种玻璃和晶体键合器件的制备方法

本发明属于室温键合器件，具体涉及一种玻璃和晶体键合器件的制备方法。

背景技术：

1、键合技术可分为无中间层键合与含中间层键合两大类，具体包括：高温热退火直接晶圆键合、基于表面活化原理的直接键合技术、阳极晶圆键合、粘合剂晶圆键合、玻璃晶圆键合、共晶晶圆键合、瞬态液相晶圆键合、金属热压晶圆键合、基于表面活化原理的室温键合技术。

2、键合工艺一般经历表面处理、预键合及热处理三个过程。首先，采用化学机械抛光方式去除晶体或玻璃在制备过程中引入的缺陷包括大晶界、晶格错位、双尖峰；通过抛光处理，同时去除表面金属、有机物杂质，达到键合所需的表面平整度、洁净度，包括表面平整度与弹性模量的差异要小、表面粗糙度优于1nm。其次，施加键合压力使待键合样品贴合在一起，通过范德华力或以其它成键方式粘合在一起实现预键合。第三，在热处理环节，在气氛或真空中通过高温热处理促使材料表面的分子相互扩散、融合，最终形成更稳定的化学键，从而形成键合器件。影响键合质量的内在因素主要包括待键合表面的光洁度、平整度、粗糙度及表面化学状态；外在因素主要包括等离子体表面处理时间、键合压力、键合温度、键合时间、热处理温度。

3、直接晶圆键合可将不同的材料系统和器件结构直接键合在一起，可降低集成校准的要求、增加批量生产；但技术工艺流程较多，通过需要克服异质集成面临的材料失配和热失配问题。

4、高温热退火直接晶圆键合对超精密加工要求较高。传统高温热扩散键合方法中，通常将两块精密加工贴合在一起，施加垂直于键合面的外部压力，然后升温至晶体熔点附近，实现键合面处离子的相互渗透，最终达到键合目的。但高温热退火直接晶圆键合过程中，高温会引起材料间的热失配问题，主要表现为：键合面内气体难以扩散出来，压力不均匀易使键合面产生裂纹，过高的温度易使晶格结构发生变化，长时间高温热处理对键合面光学性能产生影响，增大传输损耗，尤其对于具有不同热膨胀系数的玻璃和晶体之间，在高温热处理过程中，热膨胀改变量差异在键合面形成应力，引入热应力形变，导致键合面断裂，进而导致成品率不可控。

5、基于表面活化原理的直接键合技术，待键合表面的粗糙度小于0.5nm，退火温度范围通常是室温至400℃，退火温度和退火时间低于高温热退火直接键合工艺。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种玻璃和晶体键合器件的制备方法，该方法能使玻璃和晶体在室温下实现高质量键合，增强异质键合强度，并可避免传统高温键合工艺过程中由于高温引起的材料间热失配问题，提高成品率；同时可避免高温退火与降温环节，可缩短制备时间，实现高效率制备。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种玻璃和晶体键合器件的制备方法，包括以下步骤：

4、将玻璃的待键合面和晶体的待键合面依次在第一有机溶剂进行超声波清洗、采用蒸馏水冲洗干净、采用第二有机溶剂进行表面洗净，得到清洗后玻璃的待键合面和晶体的待键合面；

5、在真空环境中，将所述清洗后玻璃的待键合面和晶体的待键合面分别进行等离子体表面活化处理后，将所得表面处理后玻璃的待键合面和晶体的待键合面贴合进行压力键合，得到玻璃和晶体键合器件。

6、优选的，所述玻璃包括氧化物玻璃和/或非氧化物玻璃。

7、优选的，所述晶体包括热沉晶体或陶瓷、调q晶体、磁光晶体、电光晶体、声光晶体、高温超导体、介电晶体、铁电体、热电晶体、金属间化合物、合金单晶或高熵合金。

8、优选的，所述玻璃的边长为1～300mm，厚度为0.1～100mm；所述晶体的边长为1～300mm，厚度为0.1～100mm。

9、优选的，所述超声波清洗的频率为20～400khz；每次超声波清洗的时间为1～30min。

10、优选的，所述第一有机溶剂为无水乙醇；所述第二有机溶剂包括丙酮、甲醇、乙醇、二甲基甲酰胺、甲苯、二氯甲烷、正庚烷、环己烷、乙酸乙酯、氯仿、丁酮和氯化甲烷中的一种或几种。

11、优选的，所述等离子体表面活化处理的时间为60s～12h；所述等离子体表面活化处理所用等离子的能流密度为1～10000w/cm2。

12、优选的，所述等离子体表面活化处理所用气体的流量为1～100sccm；所述等离子体表面活化处理所用气体包括氮气、氩气、四氟化碳、六氟化硫、六氟化二碳、八氟化三碳、三氟甲烷或碘气。

13、优选的，所述压力键合的参数包括：键合压力为1～100000n，键合时间为1min～12h。

14、优选的，所述真空环境的真空度为10-3～10-7pa。

15、本发明提供了一种玻璃和晶体键合器件的制备方法，包括以下步骤：将玻璃的待键合面和晶体的待键合面依次在第一有机溶剂进行超声波清洗、采用蒸馏水冲洗干净、采用第二有机溶剂进行表面洗净，得到清洗后玻璃的待键合面和晶体的待键合面；在真空环境中，将所述清洗后玻璃的待键合面和晶体的待键合面分别进行等离子体表面活化处理后，将所得表面处理后玻璃的待键合面和晶体的待键合面贴合进行压力键合，得到玻璃和晶体键合器件。

16、本发明利用等离子体对玻璃和晶体的待键合面进行活化处理，既可清洗待键合面的氧化物膜及污染物(如吸附的水汽、气体、有机物杂质)，又可在待键合表面形成悬浮键(包括阳离子、阴离子在内的孤电子对)，生成的悬浮键使得待键合面具有强吸附力，在压力键合过程中待键合面结合，两个待键合面之间的悬浮键在压力的作用下进一步重组并形成更加稳定的孤电子对成键(包括离子键、共价键、金属键)，从而实现高质量键合，提高异质键合强度，还可以避免传统高温键合工艺过程中由于高温引起的材料间热失配问题，提高成品率；同时可避免高温退火与降温环节，可缩短制备时间，实现高效率制备。

技术特征：

1.一种玻璃和晶体键合器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃包括氧化物玻璃和/或非氧化物玻璃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述晶体包括热沉晶体或陶瓷、调q晶体、磁光晶体、电光晶体、声光晶体、高温超导体、介电晶体、铁电体、热电晶体、金属间化合物、合金单晶或高熵合金。

4.根据权利要求1或2或3所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃的边长为1～300mm，厚度为0.1～100mm；所述晶体的边长为1～300mm，厚度为0.1～100mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声波清洗的频率为20～400khz；每次超声波清洗的时间为1～30min。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述第一有机溶剂为无水乙醇；所述第二有机溶剂包括丙酮、甲醇、乙醇、二甲基甲酰胺、甲苯、二氯甲烷、正庚烷、环己烷、乙酸乙酯、氯仿、丁酮和氯化甲烷中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体表面活化处理的时间为60s～12h；所述等离子体表面活化处理所用等离子的能流密度为1～10000w/cm2。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体表面活化处理所用气体的流量为1～100sccm；所述等离子体表面活化处理所用气体包括氮气、氩气、四氟化碳、六氟化硫、六氟化二碳、八氟化三碳、三氟甲烷或碘气。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压力键合的参数包括：键合压力为1～100000n，键合时间为1min～12h。

10.根据权利要求1或7或9所述的制备方法，其特征在于，所述真空环境的真空度为10-3～10-7pa。

技术总结
本发明属于室温键合器件技术领域，具体涉及一种玻璃和晶体键合器件的制备方法。本发明利用等离子体对玻璃和晶体的待键合面进行活化处理，既可清洗待键合面的氧化物膜及污染物，又可在待键合表面形成悬浮键，生成的悬浮键使得待键合面具有强吸附力，在室温键合过程中待键合面结合，两个待键合面之间的悬浮键进一步重组并形成更加稳定的孤对电子之间成键，从而实现高质量键合，提高异质间的键合强度，还可以避免传统高温键合工艺过程中由于高温引起的材料间热失配问题，提高成品率，实现高效率制备。

技术研发人员：郑丽和,孙豹,吴鑫昌,赵建斌,吴敏,赵文浩,陈一彤,闫育辉,冯威达,唐方颖,王锦红,李家伟
受保护的技术使用者：云南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/17