Direct Wafer Bonding of Crystal-Ion-Sliced GaP Thin Films for Photonic Applications

प्रकाश की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ सूचना प्रकाश की गति से यात्रा करती है, जो "फोटोनिक सर्किट" नामक सूक्ष्म राजमार्गों से होकर गुजरती है। दशकों से, इंजीनियर इन शहरों के बेहतर, तेज़ और अधिक रंगीन संस्करण बनाने की कोशिश कर रहे हैं, जिसके लिए गैलियम फॉस्फाइड (GaP) नामक एक विशेष सामग्री का उपयोग किया जाता है। GaP को एक अत्यंत मजबूत, उच्च-गति वाले कांच के रूप में सोचें जो प्रकाश को कसकर मोड़ने और उसे उन तरीकों से घुमाने में सक्षम है जो अन्य सामग्रियां नहीं कर सकतीं, जिससे यह सुपर-फास्ट इंटरनेट से लेकर क्वांटम कंप्यूटरों तक सब कुछ के लिए एकदम सही बन जाता है। हालाँकि, इसमें एक पेच है: इस उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल को हमारे उपकरणों को चलाने वाले फ्लैट, सिलिकॉन-आधारित चिप्स पर लगाना एक नाजुक, महंगी रंगीन कांच की शीट को एक ऊबड़-खाबड़ ईंट की दीवार पर चिपकाने जैसा है बिना उसे तोड़े। आमतौर पर, आपको इस क्रिस्टल को सीधे दीवार पर उगाना पड़ता है, जो धीमा, महंगा है और यह सीमित करता है कि आप किस तरह की दीवार का उपयोग कर सकते हैं। वैज्ञानिक एक तरीका खोजने की तलाश में थे जिससे इस क्रिस्टल के एक पूर्ण, पतले टुकड़े को इसके मास्टर ब्लॉक से "छीलकर" निकाला जा सके और इसे किसी भी सतह पर चिपकाया जा सके जिसे वे चाहें, जैसे कि एक हाई-टेक स्टिकर, बिना क्रिस्टल की सुपरपावर्स को नुकसान पहुँचाए।

यह शोध पत्र एक ऐसी टीम की कहानी बताता है जिसने क्रिस्टल आयन स्लाइसिंग (CIS) को डायरेक्ट वेफर बॉन्डिंग के साथ मिलाकर इस कठिन "छीलने और चिपकाने" वाले काम को सफलतापूर्वक पूरा किया। GaP को नए चिप पर शून्य से उगाने के बजाय, उन्होंने GaP के एक ठोस ब्लॉक को लिया, उसे हीलियम और हाइड्रोजन आयनों की एक सटीक बीम से मारा ताकि उसके अंदर एक छिपा हुआ "कमजोर स्थान" बनाया जा सके, और फिर उस ऊपरी परत को साफ तरीके से अलग करने के लिए गर्मी का उपयोग किया। उन्होंने इस पतली, 800-नैनोमीटर की स्लाइस को कांच और सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर चिपकाया, ठीक वैसे ही जैसे मेज पर कागज की एक नाजुक शीट रखी जाती है। असली जादू इसके बाद हुआ: आयन बीम के कारण स्लाइस की परत शुरू में क्षतिग्रस्त हो गई थी, लेकिन 600°C पर एक लंबी, सावधानीपूर्वक "बेकिंग" प्रक्रिया के बाद, क्रिस्टल ने खुद को ठीक कर लिया। टीम ने पाया कि यह ठीक की गई फिल्म मूल, पूर्ण बल्क क्रिस्टल की तरह ही दिखती और व्यवहार करती थी, जिसमें प्रकाश का बहुत कम नुकसान होता था। उन्होंने मापा कि इस नई फिल्म के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश (एक विशिष्ट टेलीकॉम वेवलेंथ 1550 nm पर) को प्रति सेंटीमीटर केवल 0.9 dB का सिग्नल खोना होगा, एक ऐसा नंबर जो बताता है कि यह विधि सिलिकॉन पर क्रिस्टल को सीधे उगाने की सामान्य समस्याओं के बिना, अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल उपकरणों को बनाने का एक स्केलेबल और लचीला तरीका हो सकती है।

क्रिस्टल स्टिकर की कहानी

समस्या: उगाना बनाम चिपकाना
लंबे समय से, गैलियम फॉस्फाइड (GaP) से फोटोनिक डिवाइस बनाना एक विशिष्ट, महंगे ओवन में एक आदर्श केक बनाने जैसा रहा है। आप केक (GaP क्रिस्टल) तभी बना सकते हैं जब आपके पास सही ओवन (एक विशिष्ट ग्रोथ सबस्ट्रेट) हो, और एक बार बेक होने के बाद, यह वहीं फंस जाता है। यदि आप उस केक को किसी अलग प्लेट (जैसे कंप्यूटर के लिए सिलिकॉन चिप) पर रखना चाहते हैं, तो आप किस्मत के भरोसे हैं। अधिकांश पिछले तरीकों ने या तो सिलिकॉन पर सीधे GaP उगाने की कोशिश की या एक "सैक्रिफिशियल लेयर" (एक अस्थायी गोंद जिसे हटा दिया जाता है) का उपयोग करके फिल्म को स्थानांतरित करने का प्रयास किया। लेकिन ये विधियाँ कठोर हैं; ये सीमित करती हैं कि आप किन सामग्रियों का उपयोग कर सकते हैं और अक्सर क्रिस्टल को तनाव या दोषों से भर देती हैं, जैसे कि ठंडा होते समय फटने वाला केक।

समाधान: आयन बीम "छीलना"
इस शोध के शोधकर्ताओं ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाने का निर्णय लिया। कल्पना कीजिए कि आपके पास GaP का एक मोटा, पूर्ण ब्लॉक है। किसी और चीज़ के ऊपर एक नई परत उगाने के बजाय, वे ऊपर से एक पतला टुकड़ा काटना चाहते थे। ऐसा करने के लिए, उन्होंने एक पार्टिकल एक्सेलेरेटर का उपयोग करके GaP ब्लॉक में आयन (हीलियम और हाइड्रोजन के छोटे, तेज़ चलते परमाणु) दागे। इसे एक ब्लॉक ऑफ जेली (Jell-O) में छोटे, अदृश्य डार्ट्स मारने की तरह समझें ताकि सतह के ठीक नीचे एक छिपी हुई कमजोर परत बनाई जा सके।

उन्होंने दो प्रकार के आयन दागे:

1. 105 keV ऊर्जा पर हीलियम आयन।
2. 70 keV ऊर्जा पर हाइड्रोजन आयन।

उन्होंने एक विशिष्ट मात्रा में आयन (1 × 10¹⁷ आयन प्रति cm²) का उपयोग किया। लक्ष्य लगभग 800 नैनोमीटर गहरा एक "डैमेज लेयर" बनाना था। यह परत क्रिस्टल में एक पूर्व-निर्धारित कट लाइन की तरह कार्य करती है।

स्थानांतरण: पॉप और स्टिक
एक बार "कमजोर रेखा" बन जाने के बाद, उन्हें पतली स्लाइस को एक नए घर में ले जाना था। उन्होंने GaP को सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO₂) की एक परत से कोट किया और फिर इसे लक्षित सबस्ट्रेट से चिपकाने के लिए "प्लाज्मा-एक्टिवेटेड डायरेक्ट बॉन्डिंग" नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने दो प्रकार के लक्ष्यों का उपयोग किया: SiO₂ की परत वाला एक सिलिकॉन वेफर, और फ्यूज्ड सिलिका (कांच) का एक टुकड़ा।

उन्हें आपस में चिपकाने के बाद, उन्होंने "सैंडविच" को 350°C तक गर्म किया। इस गर्मी ने कमजोर परत में फंसे गैस को फैला दिया, जिससे बुलबुले (ब्लिस्टरिंग) बने और अंततः पूर्व-निर्धारित रेखा के साथ दरार आ गई। GaP की ऊपरी स्लाइस मूल ब्लॉक से "पॉप" होकर निकल गई और नए कांच या सिलिकॉन सबस्ट्रेट से चिपकी रही। यह एक शीट से स्टिकर निकालकर खिड़की पर चिपकाने जैसा था।

हीलिंग: नुकसान को दूर करने के लिए बेकिंग
यहाँ सबसे कठिन हिस्सा है: क्रिस्टल में आयन दागने से उसकी पूर्ण संरचना को नुकसान पहुँचता है। स्लाइस की गई फिल्म शुरू में अव्यवस्थित थी, जिसमें बहुत सारे दोष और तनाव थे, जैसे कि एक टूटा हुआ दर्पण। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने नई फिल्म को दूसरे, अधिक गर्म ओवन में रखा। उन्होंने इसे वैक्यूम में 12 घंटों के लिए 600°C पर बेक किया।

यह "हीलिंग" प्रक्रिया अत्यंत महत्वपूर्ण थी। गर्मी ने GaP के परमाणुओं को खुद को पुनर्गठित करने की अनुमति दी, जिससे आयन बीम द्वारा किए गए नुकसान की मरम्मत हुई। परिणाम प्रभावशाली थे:

• संरचना: क्रिस्टल लैटिस (परमाणुओं का आंतरिक ग्रिड) शिथिल हो गया और मूल, पूर्ण बल्क क्रिस्टल के बहुत करीब की स्थिति में वापस आ गया।
• सतह: सतह चिकनी हो गई, जिसकी खुरदरापन (roughness) लगभग 4.9 नैनोमीटर थी, जो सूक्ष्म ऑप्टिकल डिवाइस बनाने के लिए पर्याप्त चिकनी है।
• ऑप्टिकल गुणवत्ता: फिल्म फिर से पारदर्शी हो गई। बेक करने से पहले, फिल्म बहुत अधिक प्रकाश सोख रही थी (उच्च एक्सटिंक्शन कोएफिशिएंट)। बेक करने के बाद, प्रकाश अवशोषण एक से दो ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड कम हो गया, जिसका अर्थ है कि फिल्म बहुत अधिक स्पष्ट हो गई।

परिणाम: एक उच्च-गुणवत्ता वाली फिल्म
टीम ने कई उपकरणों का उपयोग करके अपने काम की जाँच की:

• एक्स-रे विवर्तन (X-ray Diffraction): उन्होंने देखा कि एक्स-रे क्रिस्टल से कैसे टकराकर वापस आते हैं। बेक करने से पहले, पैटर्न धुंधला और विस्थापित था, जो दिखा रहा था कि क्रिस्टल तनाव में था। बेक करने के बाद, पैटर्न तीक्ष्ण हो गया और एक पूर्ण क्रिस्टल की स्थिति में वापस आ गया, जिससे सिद्ध हुआ कि तनाव समाप्त हो गया है।
• रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Raman Spectroscopy): यह मापता है कि क्रिस्टल कैसे कंपन करता है। बेक करने से पहले, कंपन अस्त-व्यस्त और विस्तृत थे। बेक करने के बाद, कंपन तीक्ष्ण और स्पष्ट हो गए, जिससे पुष्टि हुई कि क्रिस्टल संरचना बहाल हो गई है।
• प्रकाश हानि (Light Loss): उन्होंने गणना की कि फिल्म के माध्यम से यात्रा करते समय कितना प्रकाश नष्ट होगा। हील की गई फिल्म के लिए, 1550 nm की वेवलेंथ पर नुकसान का अनुमान 0.9 dB/cm लगाया गया था (टेलीकम्युनिकेशन के लिए एक मानक रंग)। यह बहुत कम नुकसान है, जो बताता है कि सामग्री वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए तैयार है।

उन्होंने क्या नहीं पाया (और जिसे उन्होंने खारिज कर दिया)
शोधकर्ता अपने निष्कर्षों को बढ़ा-चढ़ाकर बताने से सावधान रहे।

• को-इम्प्लांटेशन बनाम सिंगल इम्प्लांटेशन: उन्होंने दो विधियों का परीक्षण किया: एक जिसमें केवल हीलियम आयन थे और एक जिसमें हीलियम और हाइड्रोजन का मिश्रण था। हीलियम-ओनली सैंपल अंत में पैची और असंतत (ढेर सारे छेद के साथ) निकला, जबकि मिश्रित-आयन वाला सैंपल बहुत अधिक निरंतर था। हालाँकि, उन्होंने स्पष्ट रूप से कहा कि वे केवल आयनों को देखकर यह साबित नहीं कर सकते कि मिश्रित सैंपल बेहतर क्यों था। यह अलग लक्षित सबस्ट्रेट (कांच बनाम सिलिकॉन) या सतह की सफाई के तरीके के कारण भी हो सकता था। उन्होंने यह दावा नहीं किया कि मिश्रित आयन ही सफलता का एकमात्र कारण थे, बल्कि यह कि वे उनके विशिष्ट सेटअप में बेहतर काम करते थे।
• पूर्ण बल्क गुणवत्ता: हालांकि फिल्म ने लगभग सभी गुणों को वापस पा लिया, लेकिन यह मूल ब्लॉक के बिल्कुल समान नहीं थी। एक्स-रे डेटा में अभी भी कुछ मामूली अंतर (थोड़े व्यापक पीक्स) थे, जो सुझाव देते हैं कि कुछ सूक्ष्म तनाव या विकार शेष रह गया था। उन्होंने यह दावा नहीं किया कि यह त्रुटिहीन था, बल्कि यह कि यह "नियर-बल्क" गुणवत्ता का था।
• "बल्क" संदर्भ: दिलचस्प बात यह है कि जब उन्होंने उस मूल "पूर्ण" ब्लॉक को मापा जिससे उन्होंने शुरुआत की थी, तो उसमें कुछ अप्रत्याशित प्रकाश अवशोषण पाया गया। उन्होंने नोट किया कि यह माप त्रुटियों या सतह के मुद्दों के कारण हो सकता है, इसलिए उन्होंने यह दावा नहीं किया कि उनकी नई फिल्म मूल से खराब थी; उन्होंने बस मूल को एक संदर्भ बिंदु के रूप में उपयोग किया।

यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह शोध पत्र केवल एक शानदार तकनीक नहीं दिखाता है; यह प्रकाश-आधारित तकनीक के निर्माण के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है। यह सिद्ध करके कि आप एक उच्च-गुणवत्ता वाले क्रिस्टल को काटकर उसे लगभग किसी भी सतह (जैसे कांच या सिलिकॉन) पर चिपका सकते हैं और फिर उसे ठीक कर सकते हैं, वे उन तरीकों के द्वार खोलते हैं जो पहले संभव नहीं थे। इसका अर्थ है कि हम संभावित रूप से उन ऑप्टिकल चिप्स को बना सकते हैं जो कंप्यूटर चिप्स के मौजूदा विनिर्माण लाइनों (CMOS) के साथ काम करते हैं, बिना सिलिकॉन पर क्रिस्टल को शून्य से उगाने की आवश्यकता के। यह अगली पीढ़ी के क्वांटम और संचार प्रौद्योगिकियों के लिए तैयार, सस्ते और अधिक लचीले फोटोनिक डिवाइस बनाने की दिशा में एक कदम है।