專利名稱：掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基片鍵合技術(shù)。特別涉及掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，以此制作窄帶高效共振腔增強型探測器，尤其是制作硅基高效高速共振腔增強型探測器。
背景技術(shù)：
隨著信息時代的到來，全球通信業(yè)務(wù)量迅猛增長，通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。早在60年代光纖通訊就開始得到發(fā)展，單信道光纖通信已經(jīng)不能滿足通信量的日益增長的需求，人們開始要求在一根光纖中同時傳輸多個波長的光信號，這就是波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，90年代中期摻鉺光纖放大器的成熟更是促進(jìn)了波分復(fù)用器件的商品化，發(fā)展到今天波分復(fù)用技術(shù)已演化到密集波分技術(shù)。
波分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵性器件之一下載話路用的解復(fù)用接收器，商用上目前普遍采用解復(fù)用(濾波器)+光電探測器的分立組合方式。目前常用的解復(fù)用器主要包括薄膜干涉濾波器，反射型衍射光柵，陣列波導(dǎo)光柵，波導(dǎo)光柵型解復(fù)用器件，光纖耦合型解復(fù)用器件。這種分立組合方式的解復(fù)用接收器存在諸多缺點，比如插入損耗，體積大，穩(wěn)定性差等。而解復(fù)用與探測器集成于一身的諧振腔增強型(Resonant CavityEnhanced，RCE)探測器是一種首選的方案。諧振腔增強型探測器不但具備了解復(fù)用器所具有的波長選擇性，而且由于諧振腔的增強作用在一定程度上解決了在傳統(tǒng)光電探測器中存在的量子效率和響應(yīng)速度之間相互制約的矛盾。光通訊用的長波長共振腔增強型探測器和面發(fā)射激光器在市場上之所以沒有成熟的產(chǎn)品，其關(guān)鍵在于難以把高效的有源區(qū)集成到具有高反射率的上下布拉格反射鏡中。
制作諧振腔增強型探測器的方法可歸結(jié)為三大類第一類是一次性生長共振腔結(jié)構(gòu)，第二類是在具有一定反射率的基片上外延探測器有源區(qū)，而后在外延層上生長另一反射鏡，構(gòu)成諧振腔結(jié)構(gòu)，第三類是利用鍵合技術(shù)把探測器有源區(qū)和反射鏡鍵合在一起。第一類的典型情況是在InP基片上以InP/InGaAsP為反射鏡一次性生長共振腔結(jié)構(gòu)。它的缺點是InP/InGaAsP的折射率差別小，生長高反射率的反射鏡需要30對以上，生長困難，成本昂貴。第二類的典型情況是在SOI(silicon on insulator)(包括SIMOX，Separation by Implantation of Oxygen，注入氧隔離)基片上生長有源區(qū)。它們的共同特點是下反射鏡的反射率很受限制，最大也只能是60％左右。與此相相似的是SOR(silicon on reflector)技術(shù)(見中國專利99119469.1)，它解決了反射率低的問題，但是由于采用smart-cut(智能剝離)技術(shù)外加拋光工藝，因此工藝要求較高，難以降低成本。而第三類是利用鍵合技術(shù)把具有直接帶隙結(jié)構(gòu)的III-V族，II-VI族材料和其他具有高反射率的反射鏡材料鍵合在一起。這是一種有希望用到實際光通訊應(yīng)用中的技術(shù)，設(shè)計空間廣。其中采用的鍵合技術(shù)可以是直接鍵合，也可以是介質(zhì)鍵合。目前報道的介質(zhì)鍵合基本上采用金屬作為粘合劑，例子有A.Salvadoretc.Appl.Phys.Lett.1994，65(15)1880，H.C.Lin etc.Electronics Letters，2002，38(11)516。用金屬介質(zhì)作為鍵合粘合劑的共同缺點是金屬對長波長(1.3μm～1.5μm)的光具有強烈的吸收作用，無法進(jìn)行光垂直方向的集成，無法配合使用波導(dǎo)耦合等技術(shù)，極大局限了器件的設(shè)計空間。另一種鍵合技術(shù)是直接鍵合技術(shù)。它的基本要求是鍵合界面必須具有原子級的平整度(1nm左右)，而高反射率布拉格反射鏡的起伏度往往難以達(dá)到要求，像硅工藝中常用的SiO2/Si反射鏡，雖然三對半反射鏡就可以獲得高達(dá)99.5％以上的反射率，但其生長的材料是多晶或非晶，粗糙度更是在10nm以上。這要求在鍵合之前先對反射鏡進(jìn)行拋光，極大的增加了工藝成本，提高了工藝難度。
本發(fā)明揭示了一種新型的高反射率布拉格反射鏡的直接鍵合方法，它有效的解決了SiO2/Si反射鏡表面粗糙度大無法直接鍵合的問題，同時無需引入拋光工藝，降低了工藝成本，也降低了工藝難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，巧妙的方法把掩埋有高反射率的布拉格反射鏡的基片和功能優(yōu)異的另一基片鍵合在一起，該方法可以用于制作掩埋有高反射率的SiO2/Si布拉格反射鏡的硅基片、GaAs、InP基片，可用于進(jìn)一步后繼材料生長，可以把高性能的III-V族，II-VI族外延層材料轉(zhuǎn)移到掩埋有高反射率的布拉格反射鏡的硅基片上以制作高量子效率的共振腔增強型探測器，硅基面發(fā)射激光器和其他所需光電子器件，從而實現(xiàn)硅基探測器、硅基激光器和硅基其他器件的集成，大大提高在光通訊中使用的硅基器件的系統(tǒng)集成度，擴展集成系統(tǒng)的功能。
本發(fā)明一種掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，包括如下步驟a)在第一基片上進(jìn)行掩模光刻，刻蝕出溝槽；b)在溝槽中帶膠生長高反射率布拉格反射鏡；c)用帶膠剝離的方法除去光刻膠和溝槽外的反射鏡；以及d)對第一基片和第二基片進(jìn)行清洗處理后鍵合在一起。
其中第一基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者藍(lán)寶石基片。
其中第二基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片，藍(lán)寶石基片，外延層材料，或者經(jīng)過離子注入處理的基片。
其中布拉格反射鏡材料是SiO2/Si，Si3N4/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，GaAs/AlAs。
其中鍵合是直接鍵合，介質(zhì)鍵合，或者陽極鍵合。
其中刻蝕出溝槽后，生長反射鏡之前不去除光刻膠。
其中刻蝕第一基片的方法是濕法腐蝕或者干法刻蝕。
其工藝步驟可以應(yīng)用于硅基探測器和硅基光電子器件集成。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下將結(jié)合實施例及附圖，詳細(xì)說明如后，其中
圖1A～圖1E是利用本發(fā)明制作掩埋有高反射率布拉格反射的高反射率基片的工藝過程示意圖；圖2A～圖2C是利用本發(fā)明制作可用于后繼材料生長的高反射率基片的工藝過程示意圖；圖3A～圖3C是利用本發(fā)明把外延層材料轉(zhuǎn)移到另一高反射率基片上的工藝過程示意圖；圖4是硅基片中H離子的注入深度和注入能量之間的關(guān)系圖。
具體實施例方式
請參閱圖1A～圖1E，該實施例揭示了利用本發(fā)明揭示的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合技術(shù)來制作掩埋有高反射率布拉格反射鏡的高反射率基片的工藝過程示意圖。其工藝步驟包括a)在第一基片100上掩模光刻，腐蝕出溝槽101，保留光刻膠150(圖1A中)；b)在溝槽101中生長高反射率布拉格反射鏡102(圖1B中)；c)利用帶膠剝離的辦法剝除溝槽101外的布拉格反射鏡151和光刻膠150，溝槽中的反射鏡102被保留(圖1C中)；d)對該第一基片100和第二基片110進(jìn)行化學(xué)清洗處理，然后在室溫條件下貼合在一起，進(jìn)行預(yù)鍵合(圖1D中)；e)進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚?，提高鍵合強度(圖1E中)。
在該鍵合工藝過程中參與鍵合的部分不涉及反射鏡的表面，從而避開了反射鏡的粗糙度問題。值得注意的是在本發(fā)明中涉及到的鍵合包括直接鍵合，介質(zhì)鍵合和陽極鍵合。
在一個最佳實施例中，第一基片100是硅基片，刻蝕硅基片使用HF∶HNO3∶HAC系列腐蝕液。為保證刻蝕后的表面的平整度，刻蝕的速度應(yīng)該控制在2μ/min以下。否則腐蝕后的表面的粗糙度會影響上面生長反射鏡的質(zhì)量。硅基片的刻蝕也可以使用干法刻蝕進(jìn)行。在另一最佳實施例中，第一基片100和第二基片110都是硅基片，預(yù)鍵合之后在兩個基片之間施加一定的壓力，在氮氣氣氛中，在退火爐中加熱，升溫速率小于1℃/min。為了提高鍵合強度，退火溫度應(yīng)升高到800～1200℃之間。然后慢速降到室溫。
圖2揭示了本發(fā)明的和圖1類似的另一個實施例。該實施例揭示了一種可以用于后繼材料生長的高反射率基片的制作方法。在該實施例中，其工藝步驟包括a)～c)同圖1揭示的工藝步驟；d)在第二基片210中注入H離子(圖2A中)；e)對第一基片200和第二基片210進(jìn)行清洗處理，然后在室溫條件下鍵合在一起，之后進(jìn)行熱退火處理，提高鍵合強度(圖2B中)；f)進(jìn)行熱退火處理之后，第二基片210在注H界面剝離(圖2C中)，形成高反射率基片，進(jìn)行拋光處理之后，可以進(jìn)一步用于后繼材料生長，制作需要高反射率布拉格反射鏡的器件，比如共振腔增強型探測器等。
在一個最佳實施例中，第一基片200和第二基片210都是硅基片。H離子在硅中的注入深度和注入能量之間的關(guān)系見圖4。注入劑量為5～7×1016/cm2，注入能量160Kev。
預(yù)鍵合之后，在氮氣氣氛中進(jìn)行高溫退火處理，升溫速率不超過1℃/min，在400～600℃之間，第二硅基片210在注入界面處剝離。為了提高鍵合強度，退火溫度應(yīng)升高到800～1200℃之間。然后慢速降到室溫，退火完成。
在另一個最佳實施例中，第二基片210是InP基片或者GaAs基片，第一基片200是硅基片，布拉格反射鏡材料是SiO2/Si。這樣利用本發(fā)明制作的基片將是高反射率InP或者GaAs基片，可以用于后繼材料外延用，從而制作高性能半導(dǎo)體器件。
圖3A～圖3C揭示了利用本發(fā)明把外延層材料轉(zhuǎn)移到另一高反射率基片上的工藝過程示意圖。其步驟如下a)～c)同圖1揭示的工藝步驟；d)在第二基片310上生長外延層311(圖3A中)；e)對第一基片300和外延層311進(jìn)行清洗處理，然后在室溫條件下鍵合在一起(圖3B中)；f)進(jìn)行熱退火處理，提高鍵合強度；g)利用化學(xué)腐蝕或者減薄的方法去除第二基片310(圖3C中)。
外延層轉(zhuǎn)移到高反射率第一基片300上后可以進(jìn)一步用于后繼工藝。
在一個最佳實施例中第一基片300是硅基片，第二基片310是InP基片，311是InGaAsP外延層。預(yù)鍵合后為防止在高溫退火過程中InP和Si之間因為熱膨脹系數(shù)差別過大而損傷外延層，調(diào)換步驟g)和步驟f)。在預(yù)鍵合后，先進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，比?00℃兩個小時。低溫?zé)嵬嘶鹛幚砗?，用HCl∶H3PO4＝1∶1腐蝕液去除InP第二基片310。之后進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹛幚恚?00～600℃之間。所獲得的高反射率外延片可以用于制作硅基高效共振腔增強型探測器。
圖3所揭示的實施例中第二基片310是InP基片，GaAs基片，GaN基片，或者其他基片。鍵合是直接鍵合或者介質(zhì)鍵合。清洗工藝包括化學(xué)清洗，或者等離子體清洗。
圖1、圖2和圖3所揭示的實施例中，其退火環(huán)境是氮氣氣氛，氫氣氣氛，惰性氣體或者真空環(huán)境中。
概括的說，本發(fā)明揭示了一種巧妙的方法把高反射率的布拉格反射鏡掩埋到基片中，避開了反射鏡的表面粗糙度問題，從而實現(xiàn)了制作反射率可以高達(dá)99.9％的基片，可以用于進(jìn)一步制作上下反射率都可以高達(dá)99.9％的硅基共振腔增強型探測器，制作硅基面發(fā)射激光器，實現(xiàn)硅基探測器、硅基激光器和其他硅基器件的集成。
盡管本發(fā)明是通過各個實施例描述的，這不應(yīng)該就認(rèn)為它是本發(fā)明的所有內(nèi)容或內(nèi)涵。閱讀完上面對本發(fā)明的詳細(xì)闡述后，毫無疑問能夠?qū)Ρ景l(fā)明的那些技術(shù)進(jìn)行各種各樣的替換和修正。因此，可將本申請案底權(quán)利要求解釋成涵蓋在本發(fā)明原始精神與領(lǐng)域下的所有改變與修正。
權(quán)利要求
1.一種掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，包括如下步驟a)在第一基片上進(jìn)行掩模光刻，刻蝕出溝槽；b)在溝槽中帶膠生長高反射率布拉格反射鏡；c)用帶膠剝離的方法除去光刻膠和溝槽外的反射鏡；以及d)對第一基片和第二基片進(jìn)行清洗處理后鍵合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中第一基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者藍(lán)寶石基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中第二基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片，藍(lán)寶石基片，外延層材料，或者經(jīng)過離子注入處理的基片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中布拉格反射鏡材料是SiO2/Si、Si3N4/Si、Al2O3/Si、SiNxOy/Si、GaAs/AlAs。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中鍵合是直接鍵合，介質(zhì)鍵合，或者陽極鍵合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中刻蝕出溝槽后，生長反射鏡之前不去除光刻膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其中刻蝕第一基片的方法是濕法腐蝕或者干法刻蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，其特征在于，其工藝步驟可以應(yīng)用于硅基探測器和硅基光電子器件集成。
全文摘要
一種掩埋有高反射率布拉格反射鏡的基片鍵合方法，包括如下步驟a)在第一基片上進(jìn)行掩模光刻，刻蝕出溝槽；b)在溝槽中帶膠生長高反射率布拉格反射鏡；c)用帶膠剝離的方法除去光刻膠和溝槽外的反射鏡；以及d)對第一基片和第二基片進(jìn)行清洗處理后鍵合在一起。
文檔編號H01S5/10GK1674374SQ20041003027
公開日2005年9月28日 申請日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月23日
發(fā)明者毛容偉, 滕學(xué)公, 王啟明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所