CN105158858B - 一种消除成型plc晶圆内部残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，该方法是对由高温氧化生长及高温退火工艺在基层晶圆表面生成波导层得到的成型PLC晶圆进行包括打磨方式去除与波导层粘合的原有基层晶圆，以及在去除了原有基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆的步骤，能有效消除成型PLC晶圆内部残余应力，该方法操作简单、成本低，可以推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，属于PLC晶圆制备技术领域。
背景技术
PLC平面波导集成芯片是基于半导体平面加工技术的集成光学器件。与传统的分立式器件不同，它采用的是半导体工艺制作，能够把不同功用的光学元件集成到一块芯片上，是实现光电器件集成化、规模化、小型化的基础工艺技术。由PLC工艺设计加工的集成光纤通信器件已呈多样化，广泛被用在光纤通性网络中。
在光纤通信网络中作为信号传输介质的光导纤维即光纤是跟据光在折射率不同的两种介质界面产生全反射的原理研制的。通常是SiO2(俗称玻璃)介质作芯核的折射率稍大于同样是SiO2材料制作的外包层的折射率。PLC平面波导就是利用半导体芯片加工工艺将类似于光纤的波导结构制作在晶圆的表面。目前普遍采用的半导体芯片加工工艺。首先是通过高温氧化在硅或玻璃等基层上生成衬底层(SiO2玻璃)，然后由PECVD生成芯层(SiO2玻璃)，一般用Ge(锗)或者是P(磷)掺杂，目的是提高芯层的折光指数。芯层都要进行高温退火，加热到大约1100℃左右处理，让材料微观组织结构更为紧密，性能更稳定，材料折光指数更均匀。再经过光刻成型后，沉积覆盖层(SiO2)。在沉积覆盖层过程中由于要使得材料充分覆盖成型后的芯层的每一道尖角，窄缝，所以在加工中需要多次沉积回流操作。回流就是在高温下让这一层熔化，以便能流入到缝隙将其填满。同时还不能让芯层和衬底层熔化，一般在反应气体里掺杂B(硼)，硼能降低材料的熔点，增加流动性，但它同时也会降低材料的折光指数，为了平衡这一效应，掺杂P(磷)使得覆盖层的折光指数与衬底层一致。这一层的玻璃材料也叫BPSG(即参杂硼和磷的玻璃)。回流温度一般在850℃到1050℃之间。
目前，现有的PLC波导加工工艺都经历了高温退火及高温回流处理过程，但通过高温加工处理后，由于沉积的波导材料SiO2与晶圆基层Si(硅)热膨胀系数不一致，存在差额，容易在波导里产生很大的应力，应力在光学材料中会有光弹性效应，会使光产生双折射(Birefringence)现象，从而影响器件的工作性能(主要用PDL指标来衡量)。光的E模和M模产生相位差，出现双波峰。也就是说输入器件的信号是一个波峰，而输出的变成双波峰，严重时会出现误码错误，严重影响了光信号传输的工作性。
发明内容
针对现有的传统工艺制备的PLC晶圆的波导材料与晶圆基层材料之间存在内部应力，导致PLC波导器件存在信号传输效果较差的缺陷；本发明的目的是在于提供一种能有效消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法。
为了实现本发明的技术目的，本发明提供了一种消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，所述的成型PLC晶圆包括波导层和基层晶圆，是由包括高温氧化生长及高温退火在内的工艺在基层晶圆表面生成波导层得到；本发明的方法包括采用打磨方式去除与波导层结合的原有基层晶圆，以及在去除了原有基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆的步骤。
本发明的方案通过打磨等处理去除原有基层晶圆，再在去除了原有基层晶圆的表面粘合新基层晶圆，即能有效消除成型PLC晶圆中波导层材料与原有基层晶圆材料之间的残余应力。由于PLC晶圆在加工成型过程中，SiO2材料的沉积是在高温下进行，再经过1000℃左右的高温回流，最后冷却到室温，由于波导层材料(SiO2)与晶圆基层材料(如Si)之间的线膨胀系数不一致，存在差值，导致很大的残余应力的产生。本发明的对PLC晶圆的基层晶圆的削磨过程使残余应力逐步释放最后消除，在此基础上在常温下或低温下粘合线膨胀系数跟波导层材料相匹配的由硅、石英玻璃或炭化硅陶瓷材料等构成新基层晶圆，即实现了PLC晶圆内部应力的消除或很大程度的减少。
本发明的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法还包括以下优选的技术方案：
优选的方案包括以下步骤：
1)在成型PLC晶圆的波导层表面涂覆临时固定胶层粘接工具晶圆；
2)通过打磨结合湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除PLC晶圆的基层晶圆；
3)在去除了基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆；
4)拆除波导层表面的工具晶圆及临时固定胶层。
优选方案中包括了工具晶圆的粘接和拆除的工序。在波导层表面粘接工具晶圆一方面为后续打磨过程提供将PLC晶圆固定的支撑点，另一方面固定波导层，防止波导层打磨过程中受损；在波导层表面粘接工具晶圆能很好地解决了PLC晶圆不便于打磨加工的问题。优选方案中还包括了打磨结合湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除PLC晶圆的基层晶圆的方案，更有利于将基层晶圆完全去除，最大程度地削除全部内部应力。
较优选的方案中先将基层晶圆不断磨薄直至基层晶圆绝大部分被去除，残余的小部分基层晶圆通过湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除干净。主要是基于通过打磨处理基层晶圆时，难以控制打磨程度，不能保证全部去除基层晶圆，且不使波导层受损。再考虑成本因素，打磨过程成本相对腐蚀和刻蚀要低。所以优选的方案是通过打磨削除绝大部分基层晶圆，再通过湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除残余小部分基层晶圆。
优选的方案中打磨过程中通过粘膜框架将工具晶圆表面粘接实现PLC晶圆的固定。引入工具晶圆将PLC晶圆固定，更有利于后续打磨加工。
优选的方案中通过匀胶机在波导层表面涂覆临时固定胶层。匀胶机为市售常规的匀胶机，操作方便快捷，便于工业化生产。
较优选的方案中临时固定胶层可制成双层结构、隔离膜辅助型结构、UV光去粘力型结构或激光去粘力型结构。临时固定胶层制成这些特殊结构有利于后续临时固定胶层及工具晶圆的拆除。
进一步优选的方案中双层结构由光热转化材料层和固化胶层构成。
进一步优选的方案中隔离膜辅助型结构是在固化胶层中间区域放置隔膜形成的胶层结构，放置隔膜的区域为非胶粘接区域。即在工具晶圆表面或PLC晶圆的波导层表面涂覆一层半导体通用胶层后，在涂胶区域的中间位置放置一块面积小于涂胶区域的隔膜，使工具晶圆表面与波导层表面之间粘接面的中心区域为非粘接区域。隔膜可以采用塑料、纸片、金属片等材料。
进一步优选的方案中UV光去粘力型结构由UV光照射下可失去粘性的胶构成。
进一步优选的方案中激光去粘力型结构由采用激光照射下可失去粘性的胶构成。
最优选的方案中光热转换材料层为可在UV光或激光照下失去粘性，或在加热条件下失去粘性的胶层；所述的固化胶为低温固化胶或UV固化胶。
本发明采用的在加热条件下失去粘接力的胶如Brewer HT10.10；采在UV光照射下可失去粘性的特殊胶如3M WSS，激光照射失去粘性的材料如T-MAT；晶圆粘接通用胶层如采用市售的低温固化胶、UV固化胶，如EMI3553-HMNew2，EMCAST AC5003。
较优选的方案中在去除了基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆的过程是在真空条件下进行。在真空条件下进行粘合能有效排除波导层和新基层晶圆之间的气泡，提升粘合效果。
进一步优选的方案中新基层晶圆通过胶粘方式或贴合方式粘合在波导层表面。
最优选的方案中胶粘方式可以通过低温固化胶或UV固化胶实现。优先使用低温固化胶和UV固化胶，基于热固化温度不高，降温后不会再产生多大的应力；低温固化胶的固化温度一般在140℃左右。UV固化胶在室温或UV光照下可以固化，特别适用于透明材料的基层晶圆。低温固化胶和UV固化胶市售种类较多，如美国的EMI3553-HMNew2可在125℃下60分钟固化，(同时它也可用UV光照室温固化)EMCAST AC5003可在室温用UV波长320nm到380nm照射数秒钟即可固化)。
最优选的方案中贴合方式是将新基层晶圆和波导层待粘合表面经过CMP抛光处理后进行无缝贴合。
本发明通过真空下的胶粘或贴合方式将新基层晶圆和波导层之间界面粘合，能新基层晶圆和波导层之间完美结合成整体，新基层晶圆材料和波导层材料之间的线性膨胀系数相同，内部应力得以消除。
选的方案中新基层晶圆由硅、石英玻璃或炭化硅陶瓷材料构成。跟据波导器件的使用要求可选择不同的基层晶圆。如需要基层透明，可选玻璃等透明材料；若需要导热性能好可选导热性好的炭化硅陶瓷片材料等；如考虑价格及晶圆材料的线膨胀系数与波导层材料匹配性，可选硅晶圆或普通石英玻璃晶圆。
选的方案中工具晶圆及临时固定胶层可以根据临时固定胶层结构的不同采用机械剥离、热剥离，化学溶胶、UV光照射或激光照射方式去除。
本发明的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法包括以下步骤：
步骤一：粘接工具晶圆
在PLC晶圆的波导层表面涂覆临时固定胶层；临时固定胶的涂覆一般用匀胶机来实现；临时固定胶涂覆完成后，将工具晶圆粘接在PLC晶圆的波导层表面；工具晶圆与PLC晶圆粘接过程中可以借助垫片，将垫片置于工具晶圆与PLC晶圆之间，待两晶圆对整齐后，撤走垫片，将两晶圆粘合，烘干固化；固定胶可以采用市售的常规胶，如固化胶(低温固化胶，UV固化胶等，满足耐300℃以上高温，且不影响工具晶圆的拆除工序即可)；粘接工具晶圆的临时固定胶层可设置为双层胶结构，即涂覆一层光热转化材料层和固化胶层；也可以采用隔离膜辅助型结构，即在工具晶圆或PLC晶圆的波导层表面涂覆固化胶的区域中间区域放置一块面积小于涂胶区域的隔膜，使工具晶圆与波导层粘接面的中心区域为非粘接区域，仅让波导层表面涂胶的外围区域与工具晶圆粘接，减少粘接面积便于后续工具晶圆的拆除；也可以涂覆在UV光或激光照射下去粘接力的特殊胶；
步骤二：去除基层晶圆
采用粘膜框架与工具晶圆表面粘接，将PLC晶圆固定，将PLC晶圆的基层晶圆通过机械式打磨到一定厚度后(接近波导层)，用湿法化学腐蚀或离子束刻蚀将残余的基层晶圆彻底去除；
步骤三：粘合新基层晶圆
将新基层晶圆通过胶粘方式或贴合方式粘合在波导层表面，粘合过程优选在真空条件下进行；通过胶粘方式粘合新基层晶圆的过程可借鉴工具晶圆的粘接过程；通过贴合方式粘合新基层晶圆的过程是，先将新基层晶圆表面及波导层表面通过CMP(化学机械抛光)抛光，然后两个光滑面直接无胶贴合，两个光滑面靠范德华力吸合在一起；
步骤四：拆除工具晶圆
采用机械剥离、化学溶胶或激光照射方式去除工具晶圆；工具晶圆拆除方式根据固定胶及工具晶圆的选用方式不同而选择不同的去除方式；可采用机械式剥离法，如采用双层胶结构，里层胶在热或紫外光或激光辅助下易失去粘性，便于机械式剥离；特别是隔离膜辅助型结构的胶层由于在波导层与工具晶圆之间设有隔离膜，只有波导层与工具晶圆接触面的边缘区域有胶接，易于机械式剥离；化学法去胶：当采用的工具晶圆为多孔材料时，可以通过化学溶液浸渍溶化固定胶；激光照射法：可选用在激光照射下会失去粘接能力的胶，工具晶圆选用透明材料，激光可透过照射，进行解离，再化学溶液去胶，清洗。
相对现有技术，本发明的有益效果是：通过本发明的方法能有效消除PLC晶圆在高温沉积及回流后残余在内部的应力，从而让波导器件获得好的工作性能。该方法操作简单，成本低，适合推广应用。
附图说明
【图1】为通过现有传统方法获得的成型PLC晶圆结构示意图；
【图2】为PLC晶圆在波导层表面涂覆了临时固定胶层后的结构示意图；
【图3】为PLC晶圆粘接了工具晶圆后的结构示意图；
【图4】为PLC晶圆粘接了工具晶圆且去除了原基底晶圆后的结构示意图；
【图5】为PLC晶圆通过贴合方式粘合了新原基底晶圆后的结构示意图；
【图6】为PLC晶圆通过胶粘方式粘合了新原基底晶圆后的结构示意图；
【图7】为拆除工具晶圆后的新PLC晶圆(贴合方式)结构示意图；
【图8】为拆除工具晶圆后的新PLC晶圆(胶粘方式)结构示意图；
其中，1为波导层，2为基底晶圆；3为临时固定胶层；4为工具晶圆；5为新基层晶圆，6为胶层。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不对本发明权利要求保护的范围进行限制。
实施例1
通过计算机有限元模拟估算：成型PLC晶圆中波导内应力为150Mpa～180Mpa。
步骤1：通过匀胶机在玻璃工具晶圆上涂敷一层释放材料3MTM Light-To-HeatConversion(LTHC)，然后再涂敷一层临时固定用胶3MTM Liquid UV-Curable Adhesive。工具晶圆与PLC晶圆粘接过程中可以借助垫片，将垫片置于工具晶圆与PLC晶圆之间，带两晶圆的对整齐后，撤走垫片。
步骤2：将成型波导晶圆在真空箱里与步骤1的工具晶圆粘合，然后用紫外光将3M临时固定胶3MTM Liquid UV-Curable Adhesive固化。
步骤3：将粘合后的晶圆置于粘膜框架上将波导晶圆的Si基层进行研磨，去除绝大部分硅基层，然后用湿法腐蚀将Si材料彻底去掉。
步骤4：在去除Si材料的波导晶圆上涂敷UV胶EMCAST AC5003，在真空箱里将一玻璃晶圆粘合其上，然后用紫外光(UV)波长320nm-380nm将粘合的波导新基层晶圆固化粘接在波导层上。
步骤5：在工具玻璃晶圆用激光照射，自先在其上涂敷的3MTM Light-To-HeatConversion(LTHC)释放层材料在激光作用下很容易让工具玻璃晶圆剥离。
步骤6，在残余的3MTM Liquid UV-Curable Adhesive胶层上贴膜3MTM Wafer De-Taping Tape 3305。
步骤7：剥离3MTM Wafer De-Taping Tape 3305膜残余的3MTM Liquid UV-CurableAdhesive胶会被连带剥离。
步骤8：获得PLC波导层与新玻璃基层粘合的新晶圆。
通过工艺模拟可知成型PLC波导的最大残余内应力，通过本发明的工艺处理释放了至少90％以上，波导光学性能基本消除了双折射效应的影响。
实施例2
通过计算机有限元模拟估算：成型PLC晶圆中波导内应力为150Mpa～180Mpa。
步骤1：通过匀胶机在玻璃工具晶圆上涂敷一层临时固定用胶3MTM Liquid UV-Curable Adhesive；涂覆固化胶的区域中间区域放置一块面积小于涂胶区域的隔膜，使工具晶圆与波导层粘接面的中心区域为非粘接区域，仅让波导层表面涂胶的外围区域与工具晶圆粘接。工具晶圆与PLC晶圆粘接过程中可以借助垫片，将垫片置于工具晶圆与PLC晶圆之间，带两晶圆的对整齐后，撤走垫片。
步骤2：将成型波导晶圆在真空箱里与步骤1的工具晶圆粘合，然后用紫外光将3M临时固定胶3MTM Liquid UV-Curable Adhesive固化。
步骤3：将粘合后的晶圆置于粘膜框架上将波导晶圆的Si基层进行研磨，去除绝大部分硅基层，然后用湿法腐蚀将Si材料彻底去掉。
步骤4：将去除Si材料的波导晶圆表面及新玻璃晶圆基体表面进行机械抛光，再在真空箱里将两者无缝贴合。
步骤5：将工具玻璃晶圆进行机械剥离。
步骤6：在残余的3MTM Liquid UV-Curable Adhesive胶层上贴膜3MTM Wafer De-Taping Tape 3305。
步骤7：剥离3MTM Wafer De-Taping Tape 3305膜残余的3MTM Liquid UV-CurableAdhesive胶会被连带剥离。
步骤8：获得PLC波导层与新玻璃基层粘合的新晶圆。
通过工艺模拟可知成型PLC波导的最大残余内应力，通过本发明的工艺处理释放了至少90％以上，波导光学性能基本消除了双折射效应的影响。
Claims (13)
1.一种消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，所述的成型PLC晶圆由高温氧化生长及高温退火工艺在基层晶圆表面生成波导层得到，其特征在于，包括以下步骤：
1)在成型PLC晶圆的波导层表面涂覆临时固定胶层粘接工具晶圆；
2)通过打磨结合湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除PLC晶圆的基层晶圆；
3)在去除了基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆；
4)拆除波导层表面的工具晶圆及临时固定胶层。
2.根据权利要求1所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，先将基层晶圆不断磨薄直至基层晶圆绝大部分被去除，残余的小部分基层晶圆通过湿法化学腐蚀或离子束刻蚀去除干净。
3.根据权利要求1所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，打磨过程中通过粘膜框架将工具晶圆表面粘接实现PLC晶圆的固定。
4.根据权利要求1所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，通过匀胶机在波导层表面涂覆临时固定胶层。
5.根据权利要求1或4所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，所述的临时固定胶层可制成双层结构、隔离膜辅助型结构、UV光去粘力型结构或激光去粘力型结构。
6.根据权利要求5所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，所述的双层结构由光热转化材料层和固化胶层构成；所述的隔离膜辅助型结构是在固化胶层中间区域放置隔膜形成的胶层结构，放置隔膜的区域为非胶粘接区域；所述的UV光去粘力型结构由UV光照射下可失去粘性的胶构成；所述的激光去粘力型结构由采用激光照射下可失去粘性的胶构成。
7.根据权利要求6所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，所述的光热转化材料层为可在UV光或激光照射下失去粘性，或在加热条件下失去粘性的胶层；所述的固化胶为低温固化胶或UV固化胶。
8.根据权利要1述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，在去除了基层晶圆的波导层表面粘合新基层晶圆的过程是在真空条件下进行。
9.根据权利要8所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，新基层晶圆通过胶粘方式或贴合方式粘合在波导层表面。
10.根据权利要9所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，所述的胶粘方式可以通过低温固化胶或UV固化胶实现。
11.根据权利要9所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，所述的贴合方式是将新基层晶圆和波导层待粘合表面经过CMP抛光处理后进行无缝贴合。
12.根据权利要1所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，新基层晶圆由硅、石英玻璃或炭化硅陶瓷材料构成。
13.根据权利要5所述的消除成型PLC晶圆内部残余应力的方法，其特征在于，工具晶圆及临时固定胶层可以根据临时固定胶层结构的不同采用机械剥离、热剥离，化学溶胶、UV光照射或激光照射方式去除。
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