专利名称：掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法
技术领域：
本发明涉及一种基片键合技术。特别涉及掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，以此制作窄带高效共振腔增强型探测器，尤其是制作硅基高效高速共振腔增强型探测器。
背景技术：
随着信息时代的到来，全球通信业务量迅猛增长，通信网络的发展面临着前所未有的机遇和挑战。早在60年代光纤通讯就开始得到发展，单信道光纤通信已经不能满足通信量的日益增长的需求，人们开始要求在一根光纤中同时传输多个波长的光信号，这就是波分复用(WDM)技术，90年代中期掺铒光纤放大器的成熟更是促进了波分复用器件的商品化，发展到今天波分复用技术已演化到密集波分技术。
波分复用系统关键性器件之一下载话路用的解复用接收器，商用上目前普遍采用解复用(滤波器)+光电探测器的分立组合方式。目前常用的解复用器主要包括薄膜干涉滤波器，反射型衍射光栅，阵列波导光栅，波导光栅型解复用器件，光纤耦合型解复用器件。这种分立组合方式的解复用接收器存在诸多缺点，比如插入损耗，体积大，稳定性差等。而解复用与探测器集成于一身的谐振腔增强型(Resonant CavityEnhanced，RCE)探测器是一种首选的方案。谐振腔增强型探测器不但具备了解复用器所具有的波长选择性，而且由于谐振腔的增强作用在一定程度上解决了在传统光电探测器中存在的量子效率和响应速度之间相互制约的矛盾。光通讯用的长波长共振腔增强型探测器和面发射激光器在市场上之所以没有成熟的产品，其关键在于难以把高效的有源区集成到具有高反射率的上下布拉格反射镜中。
制作谐振腔增强型探测器的方法可归结为三大类第一类是一次性生长共振腔结构，第二类是在具有一定反射率的基片上外延探测器有源区，而后在外延层上生长另一反射镜，构成谐振腔结构，第三类是利用键合技术把探测器有源区和反射镜键合在一起。第一类的典型情况是在InP基片上以InP/InGaAsP为反射镜一次性生长共振腔结构。它的缺点是InP/InGaAsP的折射率差别小，生长高反射率的反射镜需要30对以上，生长困难，成本昂贵。第二类的典型情况是在SOI(silicon on insulator)(包括SIMOX，Separation by Implantation of Oxygen，注入氧隔离)基片上生长有源区。它们的共同特点是下反射镜的反射率很受限制，最大也只能是60％左右。与此相相似的是SOR(silicon on reflector)技术(见中国专利99119469.1)，它解决了反射率低的问题，但是由于采用smart-cut(智能剥离)技术外加抛光工艺，因此工艺要求较高，难以降低成本。而第三类是利用键合技术把具有直接带隙结构的III-V族，II-VI族材料和其他具有高反射率的反射镜材料键合在一起。这是一种有希望用到实际光通讯应用中的技术，设计空间广。其中采用的键合技术可以是直接键合，也可以是介质键合。目前报道的介质键合基本上采用金属作为粘合剂，例子有A.Salvadoretc.Appl.Phys.Lett.1994，65(15)1880，H.C.Lin etc.Electronics Letters，2002，38(11)516。用金属介质作为键合粘合剂的共同缺点是金属对长波长(1.3μm～1.5μm)的光具有强烈的吸收作用，无法进行光垂直方向的集成，无法配合使用波导耦合等技术，极大局限了器件的设计空间。另一种键合技术是直接键合技术。它的基本要求是键合界面必须具有原子级的平整度(1nm左右)，而高反射率布拉格反射镜的起伏度往往难以达到要求，像硅工艺中常用的SiO2/Si反射镜，虽然三对半反射镜就可以获得高达99.5％以上的反射率，但其生长的材料是多晶或非晶，粗糙度更是在10nm以上。这要求在键合之前先对反射镜进行抛光，极大的增加了工艺成本，提高了工艺难度。
本发明揭示了一种新型的高反射率布拉格反射镜的直接键合方法，它有效的解决了SiO2/Si反射镜表面粗糙度大无法直接键合的问题，同时无需引入抛光工艺，降低了工艺成本，也降低了工艺难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，巧妙的方法把掩埋有高反射率的布拉格反射镜的基片和功能优异的另一基片键合在一起，该方法可以用于制作掩埋有高反射率的SiO2/Si布拉格反射镜的硅基片、GaAs、InP基片，可用于进一步后继材料生长，可以把高性能的III-V族，II-VI族外延层材料转移到掩埋有高反射率的布拉格反射镜的硅基片上以制作高量子效率的共振腔增强型探测器，硅基面发射激光器和其他所需光电子器件，从而实现硅基探测器、硅基激光器和硅基其他器件的集成，大大提高在光通讯中使用的硅基器件的系统集成度，扩展集成系统的功能。
本发明一种掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，包括如下步骤a)在第一基片上进行掩模光刻，刻蚀出沟槽；b)在沟槽中带胶生长高反射率布拉格反射镜；c)用带胶剥离的方法除去光刻胶和沟槽外的反射镜；以及d)对第一基片和第二基片进行清洗处理后键合在一起。
其中第一基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者蓝宝石基片。
其中第二基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片，蓝宝石基片，外延层材料，或者经过离子注入处理的基片。
其中布拉格反射镜材料是SiO2/Si，Si3N4/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，GaAs/AlAs。
其中键合是直接键合，介质键合，或者阳极键合。
其中刻蚀出沟槽后，生长反射镜之前不去除光刻胶。
其中刻蚀第一基片的方法是湿法腐蚀或者干法刻蚀。
其工艺步骤可以应用于硅基探测器和硅基光电子器件集成。
为进一步说明本发明的技术内容，以下将结合实施例及附图，详细说明如后，其中
图1A～图1E是利用本发明制作掩埋有高反射率布拉格反射的高反射率基片的工艺过程示意图；图2A～图2C是利用本发明制作可用于后继材料生长的高反射率基片的工艺过程示意图；图3A～图3C是利用本发明把外延层材料转移到另一高反射率基片上的工艺过程示意图；图4是硅基片中H离子的注入深度和注入能量之间的关系图。
具体实施例方式
请参阅图1A～图1E，该实施例揭示了利用本发明揭示的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合技术来制作掩埋有高反射率布拉格反射镜的高反射率基片的工艺过程示意图。其工艺步骤包括a)在第一基片100上掩模光刻，腐蚀出沟槽101，保留光刻胶150(图1A中)；b)在沟槽101中生长高反射率布拉格反射镜102(图1B中)；c)利用带胶剥离的办法剥除沟槽101外的布拉格反射镜151和光刻胶150，沟槽中的反射镜102被保留(图1C中)；d)对该第一基片100和第二基片110进行化学清洗处理，然后在室温条件下贴合在一起，进行预键合(图1D中)；e)进行高温热退火处理，提高键合强度(图1E中)。
在该键合工艺过程中参与键合的部分不涉及反射镜的表面，从而避开了反射镜的粗糙度问题。值得注意的是在本发明中涉及到的键合包括直接键合，介质键合和阳极键合。
在一个最佳实施例中，第一基片100是硅基片，刻蚀硅基片使用HF∶HNO3∶HAC系列腐蚀液。为保证刻蚀后的表面的平整度，刻蚀的速度应该控制在2μ/min以下。否则腐蚀后的表面的粗糙度会影响上面生长反射镜的质量。硅基片的刻蚀也可以使用干法刻蚀进行。在另一最佳实施例中，第一基片100和第二基片110都是硅基片，预键合之后在两个基片之间施加一定的压力，在氮气气氛中，在退火炉中加热，升温速率小于1℃/min。为了提高键合强度，退火温度应升高到800～1200℃之间。然后慢速降到室温。
图2揭示了本发明的和图1类似的另一个实施例。该实施例揭示了一种可以用于后继材料生长的高反射率基片的制作方法。在该实施例中，其工艺步骤包括a)～c)同图1揭示的工艺步骤；d)在第二基片210中注入H离子(图2A中)；e)对第一基片200和第二基片210进行清洗处理，然后在室温条件下键合在一起，之后进行热退火处理，提高键合强度(图2B中)；f)进行热退火处理之后，第二基片210在注H界面剥离(图2C中)，形成高反射率基片，进行抛光处理之后，可以进一步用于后继材料生长，制作需要高反射率布拉格反射镜的器件，比如共振腔增强型探测器等。
在一个最佳实施例中，第一基片200和第二基片210都是硅基片。H离子在硅中的注入深度和注入能量之间的关系见图4。注入剂量为5～7×1016/cm2，注入能量160Kev。
预键合之后，在氮气气氛中进行高温退火处理，升温速率不超过1℃/min，在400～600℃之间，第二硅基片210在注入界面处剥离。为了提高键合强度，退火温度应升高到800～1200℃之间。然后慢速降到室温，退火完成。
在另一个最佳实施例中，第二基片210是InP基片或者GaAs基片，第一基片200是硅基片，布拉格反射镜材料是SiO2/Si。这样利用本发明制作的基片将是高反射率InP或者GaAs基片，可以用于后继材料外延用，从而制作高性能半导体器件。
图3A～图3C揭示了利用本发明把外延层材料转移到另一高反射率基片上的工艺过程示意图。其步骤如下a)～c)同图1揭示的工艺步骤；d)在第二基片310上生长外延层311(图3A中)；e)对第一基片300和外延层311进行清洗处理，然后在室温条件下键合在一起(图3B中)；f)进行热退火处理，提高键合强度；g)利用化学腐蚀或者减薄的方法去除第二基片310(图3C中)。
外延层转移到高反射率第一基片300上后可以进一步用于后继工艺。
在一个最佳实施例中第一基片300是硅基片，第二基片310是InP基片，311是InGaAsP外延层。预键合后为防止在高温退火过程中InP和Si之间因为热膨胀系数差别过大而损伤外延层，调换步骤g)和步骤f)。在预键合后，先进行低温热处理，比如200℃两个小时。低温热退火处理后，用HCl∶H3PO4＝1∶1腐蚀液去除InP第二基片310。之后进行高温热退火处理，300～600℃之间。所获得的高反射率外延片可以用于制作硅基高效共振腔增强型探测器。
图3所揭示的实施例中第二基片310是InP基片，GaAs基片，GaN基片，或者其他基片。键合是直接键合或者介质键合。清洗工艺包括化学清洗，或者等离子体清洗。
图1、图2和图3所揭示的实施例中，其退火环境是氮气气氛，氢气气氛，惰性气体或者真空环境中。
概括的说，本发明揭示了一种巧妙的方法把高反射率的布拉格反射镜掩埋到基片中，避开了反射镜的表面粗糙度问题，从而实现了制作反射率可以高达99.9％的基片，可以用于进一步制作上下反射率都可以高达99.9％的硅基共振腔增强型探测器，制作硅基面发射激光器，实现硅基探测器、硅基激光器和其他硅基器件的集成。
尽管本发明是通过各个实施例描述的，这不应该就认为它是本发明的所有内容或内涵。阅读完上面对本发明的详细阐述后，毫无疑问能够对本发明的那些技术进行各种各样的替换和修正。因此，可将本申请案底权利要求解释成涵盖在本发明原始精神与领域下的所有改变与修正。
权利要求
1.一种掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，包括如下步骤a)在第一基片上进行掩模光刻，刻蚀出沟槽；b)在沟槽中带胶生长高反射率布拉格反射镜；c)用带胶剥离的方法除去光刻胶和沟槽外的反射镜；以及d)对第一基片和第二基片进行清洗处理后键合在一起。
2.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中第一基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片或者蓝宝石基片。
3.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中第二基片是IV族基片，III-V族，II-VI族基片，蓝宝石基片，外延层材料，或者经过离子注入处理的基片。
4.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中布拉格反射镜材料是SiO2/Si、Si3N4/Si、Al2O3/Si、SiNxOy/Si、GaAs/AlAs。
5.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中键合是直接键合，介质键合，或者阳极键合。
6.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中刻蚀出沟槽后，生长反射镜之前不去除光刻胶。
7.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其中刻蚀第一基片的方法是湿法腐蚀或者干法刻蚀。
8.根据权利要求1所述的掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，其特征在于，其工艺步骤可以应用于硅基探测器和硅基光电子器件集成。
全文摘要
一种掩埋有高反射率布拉格反射镜的基片键合方法，包括如下步骤a)在第一基片上进行掩模光刻，刻蚀出沟槽；b)在沟槽中带胶生长高反射率布拉格反射镜；c)用带胶剥离的方法除去光刻胶和沟槽外的反射镜；以及d)对第一基片和第二基片进行清洗处理后键合在一起。
文档编号H01S5/10GK1674374SQ20041003027
公开日2005年9月28日 申请日期2004年3月23日 优先权日2004年3月23日
发明者毛容伟, 滕学公, 王启明 申请人:中国科学院半导体研究所