用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法
2024-02-21 05:22:15 1
專利名稱：用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法
技術領域：
本發明屬於一種半導體材料低溫直接鍵合方法。特別是一種可用於多結太陽電池結構的GaAs/lnP晶片低溫(300°C以下)直接鍵合方法，屬於半導體器件工藝領域。
背景技術：
由於晶格匹配三結太陽電池的轉換效率已經接近其理論極限，所以人們開始考 慮採用晶格失配材料構造三結以及四結太陽電池。採用漸變緩衝層結構的晶格失配Ge/ Ga。.35InQ.65P/Ga(1.83InQ.17AS三結太陽電池創造了太陽電池轉換效率的新紀錄，達到41. (AMI. 5)。然而緩衝層的設計目前僅適用於三結太陽電池，對於四結太陽電池，由於緩衝層 之上仍要外延生長至少兩結電池，複雜的電池結構使得緩衝層的設計無能為力。理論上四 結太陽電池的最佳結構應由GaAs基、InP基兩類材料實現，然而其晶格失配高達3. 8%。如 果能夠採用某種方法使得GaAs基、InP基兩類材料在同一個多結太陽電池中採用，多結太 陽電池的效率還有望進一步提升。通過低溫鍵合方法可以將晶格失配的材料直接連接在一起。雖然GaAs/ InP晶片的直接鍵合方法在以往也有報導，「Tunabl印hotodetector based on GaAs/ InP wafer bonding,」IEEE ELECTRON DEVICELETTERS，Vol. 27 :10，pp.827-829(2006)， 「Low-temperature InP/GaAswafer bonding using sulfide-treated surface，，， APPLIED PHYSICSLETTERS, Vol. 88 :6，No. 061104(2006)，然而他們所採用的 GaAs/lnP 晶片直接鍵合 方法往往採用較高的鍵合退火溫度(400-600°C )，同時在鍵合前GaAs表面的化學清洗過程 中多採用了 H2S04:H202:H20溶液。這樣一方面過高的退火溫度有可能導致太陽電池疊層材 料的組分發生改變；另一方面H2SO4 H2O2 H2O溶液對GaAs表面的處理會導致GaAs表面粗糙 度大幅上升(均方根粗糙度超過2nm)，從而嚴重影響到鍵合的成功率，也影響了太陽電池 的轉換效率。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種可用於多結太陽電池的GaAs/lnP晶片低溫直接鍵 合方法，實現GaAs、InP晶片的低粗糙度化學清洗(粗糙度小於0. 5nm)，並在300°C的退火 溫度下實現GaAs/lnP直接鍵合。由於退火溫度不超過300°C，使得在退火過程中GaAs、InP 晶片的外延結構得到了更好的保護，不會因為過高的退火溫度而發生組分變化，因而本發 明的鍵合方法可以應用於GaAs基、InP基多結太陽電池的直接鍵合工藝。本發明提供提供一種用於多結太陽電池的GaAs/lnP晶片低溫直接鍵合方法，包 括如下步驟步驟1 將單面拋光的GaAs、InP晶片在多種有機溶劑中反覆煮洗，以去掉晶片表 面的殘留有機物分子，並初步提高晶片表面的親水性；步驟2 將步驟1處理後的GaAS、InP晶片，分別進行去金屬氧化物處理、去C元素 處理和親水性處理；
步驟3 在鍵合夾具的協助下，將親水處理後的GaAs、InP晶片在去離子水中對準 晶向並貼合；步驟4:將貼合後的晶片置於乾燥箱中烘乾，除去貼合晶片表面水份和界面部分 水氣，形成晶片間範德瓦耳斯結合；步驟5 進行低溫退火，退火後對GaAs晶片單面減薄；步驟6 進行高溫退火，最終實現鍵合界面的原子原子鍵結合，完成GaAs、InP晶片 低溫鍵合過程。其中多種有機溶劑是採用乙醇、丙酮和三氯乙烯三種有機溶劑順序煮洗，以清洗 GaAs晶片表面的有機汙染物。其中對GaAs晶片進行去金屬氧化物處理是採用1 % _40%的HF溶液，處理時間為 lO-lOOs。其中對GaAs晶片進行去C元素處理，是採用0. 5% -5%的H2O2溶液，處理時間為 10-60so其中對GaAs晶片進行親水性處理，是採用1 %-20 %的HF溶液，處理時間為 10-200so其中乾燥箱中的烘乾溫度為80°C，烘乾時間為10-20個小時，同時於乾燥箱中對 貼合晶片施加10N/Cm2-20N/Cm2的正壓力。其中低溫退火的溫度為160°C，並在退火過程中對晶片施加10N/Cm2-50N/Cm2的正 壓力。其中對GaAs晶片單面減薄至50-150 μ m。其中高溫退火的溫度為300°C。
下面結合附圖和實施例對本發明的結構和特徵作進一步的詳細描述，其中圖1為本發明的步驟流程圖；圖2為不同比例HF溶液處理後的GaAs表面均方根粗糙度；圖3為不同比例H2O2溶液處理後的GaAs表面粗糙度；圖4為再次經過不同比例HF溶液處理後的GaAs表面均方根粗糙度；圖5為鍵合所用的夾具。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵 合方法，包括如下步驟步驟1 將單面拋光的GaAs、InP晶片在多種有機溶劑中反覆煮洗，以去掉晶片表 面的殘留有機物分子，並初步提高晶片表面的親水性。其中多種有機溶劑是採用乙醇、丙酮 和三氯乙烯三種有機溶劑，按照乙醇一丙酮一三氯乙烯一丙酮一乙醇的順序，每步均要煮 沸，每步煮洗3-5min，隨後再用大量的去離子水衝洗晶片，去掉可能殘留的有機溶劑。之所 以考慮採取這樣的有機溶劑選擇和有機溶劑處理順序，是考慮到有機溶劑之間的互溶性以 及有機溶劑與水的互溶性，既能把沾汙在晶片表面的有機物分子去除掉，同時處理後這些有機溶劑也容易被水清除掉。步驟2 將步驟1處理後的GaAS、InP晶片，分別進行去金屬氧化物處理、去C元素處理和親水性處理。其中對GaAs晶片進行去金屬氧化物處理是採用-40%的HF溶液， 處理時間為lO-lOOs，圖2示出了原子力顯微鏡下我們採取不同濃度HF溶液對GaAs晶片處 理時的表面均方根粗糙度變化；對GaAs晶片進行去C元素處理，是採用0.的H2O2溶 液，處理時間為10-60s，圖3示出了原子力顯微鏡下我們採取不同濃度H2O2溶液對GaAs晶 片處理時的表面均方根粗糙度變化；對GaAs晶片進行親水性處理，是採用-20%的HF 溶液，處理時間為10-200S，圖4示出了原子力顯微鏡下我們採取不同濃度HF溶液對GaAs 晶片再進行親水性處理時的表面均方根粗糙度變化。最終我們每步均選擇了處理後均方根 粗糙度小於0. 5nm的方案，而經過上述處理後的GaAs晶片表面均方根粗糙度在0. 3-0. 5nm 之間。對於InP晶片的處理，我們首先採用濃度僅為的HF溶液處理l-20s，以除去其 表面可能存在的金屬氧化物。然後將InP晶片放入濃度為20% -50%的H2O2溶液中，在 30-120°C的條件下反覆處理兩遍，每遍Ι-lOmin，用於氧化並去除其表面可能存在的C元素 汙染。最後採用RCAl溶液(NH4OH H2O2 H2O = 1 1 5)處理InP晶片l_20min，以 提高InP晶片表面的親水性，便於之後親水鍵合的實現。經過上述處理後的InP晶片表面 均方根粗糙度在0. 32-0. 45nm之間。經過步驟2處理後，GaAS、InP晶片表面均方根粗糙度 均小於0. 5nm，這樣低的粗糙度非常有利於後續鍵合步驟的實施，降低了偽鍵合出現的可能 性，也在一定程度上降低了對後續退火溫度和退火時間的要求，提高了鍵合成功率。步驟3 在鍵合夾具的協助下，將親水處理後的GaAs、InP晶片在去離子水中對準 貼合；其中所採用的鍵合夾具，如圖5所示，夾具上端為用於手持的手柄，下端主體部分為 一方格凹槽，用於盛放貼合晶片並對準晶片晶向。在凹槽的下端開兩個排水口，當晶片貼合 完成後從去離子水中取出時，兩個排水口可將方格凹槽中的絕大部分水分排出。該自製夾 具採用聚四氟材料。步驟4 將貼合後的晶片置於乾燥箱中烘乾，除去貼合晶片表面水份和界面部分 水氣，形成晶片間範德瓦耳斯結合；其中乾燥箱中的烘乾溫度為80°C，烘乾時間為10-20個 小時，同時於乾燥箱中對貼合晶片施加10N/Cm2-20N/Cm2的正壓力。通過正壓力的施加，一 方面協助了界面水氣的排出，另一方面也有利於鍵合界面分子初步形成範德瓦耳斯結合。步驟5 進行低溫退火，退火後對GaAs晶片單面減薄；其中低溫退火的溫度為 160°C，並在退火過程中對晶片施加10-50N/cm2的正壓力。隨後對GaAs晶片單面減薄至 50-150 μ m0 160°C低溫退火的時間要求稍長，為100-200小時，這是由於160°C退火產生的 熱應力應在臨界應力以下，而增加退火時間可以增加鍵合能，100-200小時的退火時間能夠 實現該溫度下的飽和鍵合能。而隨後進行的減薄處理，其目的在於相同的退火溫度條件下， 鍵合晶片越薄，其界面鍵合能越高，同時界面熱應力越小。因而對GaAs晶片的減薄處理對 於後續退火步驟的實施非常有利。步驟6 進行高溫退火，最終實現鍵合界面的原子鍵結合，完成GaAs、InP晶片低 溫鍵合過程。其中高溫退火的溫度為300°C，整個退火過程持續60-120個小時，首先在 120-160°C的溫度中恆溫10-30個小時，以進一步排出鍵合界面的氣體，隨後升溫至300°C， 退火約30-60個小時，在此過程中鍵合界面的成鍵方式伴隨溫度的上升和氣體的逸出從範 德瓦耳斯結合逐漸轉變為原子鍵結合。這樣便最終實現了 3001以下退火溫度的6^8、11^晶片直接鍵合，其鍵合強度非常高， 經過減薄、溼法襯底腐蝕等後工藝後，鍵合界面仍然完 好。同時由於鍵合過程中步驟1和步驟2所採用的化學清洗過程著重注意了控制晶片表 面的粗糙度，處理好的晶片其表面粗糙度不超過0. 5nm，這樣提高了鍵合強度，也降低了偽 鍵合產生的概率，通過紅外透射觀察比較多組實驗結果，鍵合後晶片的有效鍵合面積均在 90%以上。同時，這樣低溫度的直接鍵合實現，使得在退火過程中GaAs基、InP基外延片的 外延結構得到了更好的保護，不會因為較高的退火溫度而發生組分變化，因而本發明的鍵 合方法可以應用於GaAs基、InP基多結太陽電池的直接鍵合工藝。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
一種用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，包括如下步驟步驟1將單面拋光的GaAs、InP晶片在多種有機溶劑中反覆煮洗，以去掉晶片表面的殘留有機物分子，並初步提高晶片表面的親水性；步驟2將步驟1處理後的GaAs、InP晶片，分別進行去金屬氧化物處理、去C元素處理和親水性處理；步驟3在鍵合夾具的協助下，將親水處理後的GaAs、InP晶片在去離子水中對準晶向並貼合；步驟4將貼合後的晶片置於乾燥箱中烘乾，除去貼合晶片表面水份和界面部分水氣，形成晶片間範德瓦耳斯結合；步驟5進行低溫退火，退火後對GaAs晶片單面減薄；步驟6進行高溫退火，最終實現鍵合界面的原子原子鍵結合，完成GaAs、InP晶片低溫鍵合過程。
2.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 多種有機溶劑是採用乙醇、丙酮和三氯乙烯三種有機溶劑順序煮洗，以清洗GaAs晶片表面 的有機汙染物。
3.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 對GaAs晶片進行去金屬氧化物處理是採用-40%的HF溶液，處理時間為10_100s。
4.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 對GaAs晶片進行去C元素處理，是採用0. 5% -5%的H2O2溶液，處理時間為10_60s。
5.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 對GaAs晶片進行親水性處理，是採用-20%的HF溶液，處理時間為10_200s。
6.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 乾燥箱中的烘乾溫度為80°C，烘乾時間為10-20個小時，同時於乾燥箱中對貼合晶片施加 10N/cm2-20N/cm2 的正壓力。
7.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 低溫退火的溫度為160°C，並在退火過程中對晶片施加10N/Cm2-50N/Cm2的正壓力。
8.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 對GaAs晶片單面減薄至50-150 μ m。
9.根據權利要求1所述的用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，其中 高溫退火的溫度為300°C。
全文摘要
一種用於多結太陽電池的GaAs/InP晶片低溫直接鍵合方法，包括如下步驟步驟1將單面拋光的GaAs、InP晶片在多種有機溶劑中反覆煮洗，以去掉晶片表面的殘留有機物分子，並初步提高晶片表面的親水性；步驟2將步驟1處理後的GaAs、InP晶片，分別進行去金屬氧化物處理、去C元素處理和親水性處理；步驟3在鍵合夾具的協助下，將親水處理後的GaAs、InP晶片在去離子水中對準晶向並貼合；步驟4將貼合後的晶片置於乾燥箱中烘乾，除去貼合晶片表面水份和界面部分水氣，形成晶片間範德瓦耳斯結合；步驟5進行低溫退火，退火後對GaAs晶片單面減薄；步驟6進行高溫退火，最終實現鍵合界面的原子原子鍵結合，完成GaAs、InP晶片低溫鍵合過程。
文檔編號H01L31/18GK101807626SQ201010128380
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者於麗娟, 晏磊 申請人:中國科學院半導體研究所