[发明专利]装配薄膜光电子器件的工艺

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月11日提交的美国临时申请第61/902,775号的权益，将其全文以引用的方式并入本文中。

关于联邦资助研究的声明

在美国政府支持下在由美国陆军研究实验室授予的合同No.W911NF下进行了本发明。政府对本发明享有一定权利。

联合研究协议

本公开的主题是以代表和/或联合以下各方中的一方或多方达成联合大学-公司研究协议来进行：密歇根大学董事会(The Regents of the University of Michigan)和NanoFlex Power公司。该协议在本公开的主题准备日期当天及提前生效，并作为在协议范畴内所进行活动的成果制定。

技术领域

本发明一般地涉及一种用于薄膜器件的接合工艺，且特别涉及一种热辅助冷焊接合工艺。

背景技术

电子领域中需要诸如单晶半导体基器件的薄膜技术，因为它们具有柔性、轻重量和高性能特性。与直接在主基板上形成有源区的诸如化学气相沉积(CVD)、溅射和蒸发的基于溶液及沉积技术的薄膜制造工艺不同，诸如外延剥离(ELO)、剥落(spalling)及脱落(exfoliation)的薄膜剥离法需要将薄的有源区转移至处理的或柔性的主基板的接合工艺。

在常规ELO工艺中，通常使用诸如热脱离带、蜡或胶等粘着物将剥离层附着至柔性二级处理(secondary handle)。这些粘着物能够是体积大、沉重、易碎和易于降解的，同时还需要在分离外延后另外转移至中间处理。为完全消除使用粘着物和中间处理转移的必要性，已开发了在层生长后直接将外延表面附着至最终柔性基板的接合工艺。

一些直接附着接合工艺涉及到：将金属层添加至有源区与柔性主基板的邻接表面，并使用冷焊使它们接合。冷焊接合工艺通常包括在相对高的压力(例如50MPa)下、在室温下将两个表面压在一起，以获得均匀接合的界面。在这种高压下，如果压力不均匀或如果器件具有意料之外的特征或缺陷，诸如连接表面上的点缺陷、错位或粉尘，则冷焊接合可损伤半导体晶圆。对器件的损伤可降低制造速度并阻止晶圆重复使用。

替代性的直接附着接合工艺包括热压接合，其通常涉及到在高温(即，高于金属再结晶温度)下施加较低压力。然而，典型的柔性基板的玻璃化转变和/或熔化温度低于常用于直接附着接合工艺中的金属层的再结晶温度。在这种高温下，柔性基板可变形或变成熔化的，并与其金属层分离。在高温下，由于半导体材料与柔性基板之间的热膨胀系数不同，所以还能引发大量应力。

发明内容

在此公开了一种关于ELO工艺的特别有前景的用于接合金属层的直接附着技术。具体地，公开了一种热辅助冷焊接合工艺，所述工艺使用低于典型冷焊工艺的压力及低于典型热压接合工艺的温度。特别地，热辅助冷焊可降低损伤半导体晶圆的可能性，从而提高晶圆的重复使用率，以生长额外的有源区。为实现该工艺的益处，本发明人已确定减少由压力和热量所引起的对生长结构的损伤的热辅助冷焊参数。

因此，在此公开了一种用于装配薄膜光电子器件的工艺，其中该工艺可包括在高于室温且低于柔性基板的玻璃化转变温度或熔化温度下使用热辅助冷焊接合工艺将生长于晶圆上的有源区接合至柔性基板。该接合工艺还可使用低于典型冷焊工艺的压力，从而减少对生长结构和/或主基板的损伤。

一方面，本公开包括一种用于装配薄膜光电子器件的工艺。该工艺可包括提供生长结构，所述生长结构包括具有生长表面的晶圆、牺牲层和器件区，其中所述牺牲层置于晶圆与器件区之间，且其中，器件区具有最远离晶圆的表面。所述工艺可进一步包括提供主基板，其中所述主基板包含聚合物材料。所述工艺可进一步包括在器件区的表面上沉积第一金属层和在主基板上沉积第二金属层。所述工艺可进一步包括通过在接合温度下将第一和第二金属层压在一起使第一金属层接合至第二金属层，其中接合温度高于室温且低于主基板的玻璃化转变温度和主基板的熔化温度中的较低者。

另一方面，本公开包括一种用于装配薄膜光电子器件的工艺。所述工艺可包括提供生长结构，所述生长结构包括具有生长表面的晶圆、牺牲层和器件区，其中所述牺牲层置于晶圆与器件区之间，且其中，器件区具有最远离晶圆的表面。所述工艺可进一步包括提供主基板，其中主基板包含金属箔。所述工艺可进一步包括在器件区的表面上沉积第一金属层和在主基板上沉积第二金属层。所述工艺可进一步包括通过在接合温度下将第一和第二金属层压在一起使第一金属层接合至第二金属层，其中接合温度高于室温且低于主基板的熔化温度。