CN107749436A - 基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法。该方法包括以下步骤1：清洗处理外延层，制备第一粘附层、键合层；步骤2：在转移硅衬底上制备粘附层、阻挡层、键合层；步骤3：金锡双面共晶键合；步骤4：剥离生长衬底，得到转移后的外延层硅衬底材料。本发明提出了金锡双面共晶键合的结构，改善了键合效果；同时，表面Au层保护Sn不被氧化；Ti做阻挡层很好地阻止Sn的扩散，穿过阻挡层破坏键合结构。本发明中所述制备方法通过形成可靠的金锡合金，减小键合层空洞，提升了键合质量，避免了键合失效，实现了外延层到硅衬底的无损转移。有利于发挥理想的半导体特性，制备成大规模、功能齐全的微电子和光电子集成器件。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，特别涉及基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法。
背景技术
氮化物薄膜材料GaN、AlN由于其优越的物理化学性质被广泛应用于电子电力器件和光电领域中。目前单晶氮化物薄膜主要通过异质外延的方法在Si、蓝宝石等衬底上制备。而针对不同的器件，生长衬底往往不能满足其应用的要求，将生长衬底上的外延层转移到Si衬底上，利用其优越的电性能，可与电子电路集成的特性，能够发挥理想的半导体特性，制备成大规模、功能齐全的光电子集成器件。因此针对外延层与所需硅衬底之间的低温键合方法尤为重要。
锡系的合金熔点低，易加工，是常用的键合材料。其中又以结合强度高、不易断裂、浸润性好、其他电热性能出色的金锡合金焊料在MEMS器件的封装中使用最多，相对低的加工温度能够为器件提供很好的密封环境。而Au80Sn20的焊料一直是众多光电器件、微电子器件和敏感器件封装的首选。富金(Au重量比含量大于50％)金锡焊料使用温度高于共熔点，不需要施加很高的键合压力，相对比较硬，难以释放结构应力；而富锡(Au重量比含量小于50％)金锡焊料偏软，更容易被氧化，需要同Au层在室温下的固溶来阻止Sn的氧化。出于节省金用量以降低成本，但同时保持键合效果的考虑，需要提出一种可靠的低温下富锡金锡键合的方法来转移外延层。
发明内容
本发明提供一种基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，采用该方法可实现外延材料到合适硅衬底的无损转移，发挥理想的半导体特性，制备成大规模、功能齐全的微电子和光电子集成器件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗处理外延层，制备第一粘附层、键合层；外延层设置在生长衬底上，在所述外延层上依次蒸发Ti、Au、Sn、Au，其中Ti层为粘附层，Au/Sn/Au层的金属叠层为键合层；
步骤2：在转移硅衬底上依次蒸发Cr、Pt、Ti、Au、Sn、Au，其中Cr层为第二粘附层，Pt/Ti层为阻挡层，Au/Sn/Au层为键合层；
步骤3：利用等离子体清洁和氮气枪吹扫过的生长衬底表面的键合层和转移硅衬底表面的键合层，并且使生长衬底表面的键合层和转移硅衬底表面的键合层贴紧，送入键合机夹具，使生产衬底上的键合层与转移硅衬底上的键合层完成键合；
步骤4：剥离生长衬底，得到转移后的外延层硅衬底材料。
进一步地，生长衬底为硅衬底，其剥离方法采用机械减薄与干法刻蚀结合的方法。
进一步地，生长衬底为蓝宝石衬底，其剥离方法采用激光剥离。
进一步地，生长衬底为高分子柔性衬底，其剥离方法采用溶液或紫外光照变性方法。
进一步地，键合层中Au层和Sn层厚度范围为100～300nm；所述键合层的总厚度≤3μm。
进一步地，键合条件为键合温度为270～300℃，键合夹具压力3000～4000mBar或8000～10000mBar，腔室压力＜10-3mBar，保持时间为10min。
本发明的有益效果为：(1)打破了原有外延材料生长难度大以及质量差的限制，可以选择最匹配外延层的生长衬底；(2)本发明提出的基于金锡双面键合的外延层转移方法，与现有制备方法相比，双面键合层的结构增加了合金化的程度，改善了键合效果；表面Au层保护Sn不被氧化；Ti做阻挡层很好地阻止Sn的扩散，穿过阻挡层破坏键合结构。现有制备工艺利用富金结构的金锡焊料用于MEMS器件封装，而本发明提出富锡结构的双面金锡键合方法，通过形成可靠的金锡合金，减小键合层空洞，提升了键合质量，避免了键合失效，实现了外延层到硅衬底的无损转移。(3)利用转移硅衬底优越的电热性能，可与电子电路集成的特性，能够发挥理想的半导体特性，制备成大规模、功能齐全的光电子集成器件。本发明用于制备大规模、功能齐全的微电子和光电子集成器件。
附图说明
图1为通过本发明所述方法制备的外延层转移硅衬底的结构示意图；
图2为实施例1中通过步骤1所制备的样品结构示意图；
图3为实施例1中通过步骤2所制备的样品结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例和图1～图3对本发明进行详细说明。
实施例1
基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，通过以下制备方法制备：
步骤1：清洗处理外延层2，制备第一粘附层3、键合层：
①清洗：外延长层2为氮化铝层，生长衬底1为硅衬底，清洗设置在生长衬底1表面的外延层2表面，并依次通过浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗5min，除去表面有机物和溶于酸的杂质；
②制备第一粘附层3、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的外延层2表面依次蒸发沉积第一粘附层3，其厚度为80nm的Ti层；键合层：厚度为300nm的Au层4，厚度为1000nm的Sn层5，厚度为100nm的Au层4。
步骤2：在转移硅衬底6上制备第二粘附层7、阻挡层、键合层。
③清洗：依次用浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗5min，除去转移硅衬底6表面有机物和溶于酸的杂质；
④制备第二粘附层7、阻挡层、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯铬坩埚，铂坩埚，钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的转移硅衬底6表面依次蒸发沉积第二粘附层7：厚度为30nm的Cr层；阻挡层：厚度为100nm的Pt层8和厚度为150nm的Ti层9；键合层：厚度为300nm的Au层4，厚度为300nm的Sn层5，厚度为400nm的Au层4。
步骤3：金锡双面共晶键合。
⑤利用等离子体清洁和氮气枪吹扫过的生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层，并且使生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层贴紧，利用机械夹具固定好；然后转移至可加温加压的键合机腔室中，松开夹具并对腔室抽真空，腔室压力为10-3mBar，施加8500mBar压力，升温至300℃，保持10min，自然冷却至室温，这样就使得生产衬底1上的键合层与转移硅衬底6上的键合层完成键合。
步骤4：剥离生长衬底1：
⑥利用减薄机的金刚石刀具研磨减薄生长衬底1到剩余30～40μm，将步骤3制备好的样品送入等离子体干法刻蚀机，腔室压力10mTorr，SF6/Ar＝120/50sccm，基底温度-20℃，设置上电极功率120W，下电极功率70W，分三步刻蚀1500s，过刻100s，实现外延层2与生长衬底1的剥离。
实施例2
步骤1：清洗处理外延层2，制备第一粘附层3、键合层：
①清洗：外延长层2为GaN层，生长衬底1为蓝宝石衬底，，依次用浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗设置在生长衬底1表面的外延层2表面5min，除去外延层2表面有机物和溶于酸的杂质。
②蒸发第一粘附层3、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的基片表面依次蒸发沉积第一粘附层3，其厚度为80nm的Ti层；键合层：厚度为300nm的Au层4、厚度为1000nm的Sn层5、厚度为100nm的Au层4。
步骤2：在转移硅衬底6上制备第二粘附层7、阻挡层、键合层。
③清洗：依次用浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗转移硅衬底6表面5min，除去转移硅衬底6表面有机物和溶于酸的杂质。
④制备第二粘附层7、阻挡层、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯铬坩埚，铂坩埚，钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的转移硅衬底6表面依次蒸发沉积第二粘附层7：厚度为30nm的Cr层；阻挡层：厚度为100nm的Pt层8和厚度为150nm的Ti层9；键合层：厚度为300nm的Au层4，厚度为300nm的Sn层5，厚度为400nm的Au层4。
步骤3：金锡双面共晶键合。
⑤利用等离子体清洁和氮气枪吹扫过的生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层，并且使生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层贴紧，利用机械夹具固定好；然后转移至可加温加压的键合机腔室中，松开夹具并对腔室抽真空，腔室压力为10-3mBar，施加8500mBar压力，升温至300℃，保持10min，自然冷却至室温，取出样品。
步骤4：剥离生长衬底1：
⑥利用紫外准分子激光的激光剥离技术剥离生长衬底1，在KrF准分子激光器脉冲激光能量密度为400mJ/cm2的条件下，脉冲激光从生长衬底1一面扫描整个样品，实现外延层2和生长衬底1的分离。
实施例3
步骤1：清洗处理外延层2，制备第一粘附层3、键合层：
①清洗：外延长层2为GaN层，生长衬底1为高分子柔性衬底，依次用浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗设置在生长衬底1表面的外延层2表面5min，除去外延层2表面有机物和溶于酸的杂质。
②蒸发第一粘附层3、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的基片表面依次蒸发沉积第一粘附层3，其厚度为80nm的Ti层；键合层：厚度为300nm的Au层4、厚度为1000nm的Sn层5、厚度为100nm的Au层4。
步骤2：在转移硅衬底6上制备第二粘附层7、阻挡层、键合层。
③清洗：依次用浓H2SO4：H2O2：H2O(3:1:1)和BOE：HF(10:1)超声清洗转移硅衬底6表面5min，除去转移硅衬底6表面有机物和溶于酸的杂质。
④制备第二粘附层7、阻挡层、键合层：使用电子束蒸发系统，在不加热的条件下依次用纯铬坩埚，铂坩埚，钛坩埚，金坩埚，锡钨舟，金坩埚作为蒸发源，在光刻后的转移硅衬底6表面依次蒸发沉积第二粘附层7：厚度为30nm的Cr层；阻挡层：厚度为100nm的Pt层8和厚度为150nm的Ti层9；键合层：厚度为300nm的Au层4，厚度为300nm的Sn层5，厚度为400nm的Au层4。
步骤3：金锡双面共晶键合。
⑤利用等离子体清洁和氮气枪吹扫过的生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层，并且使生长衬底1表面的键合层和转移硅衬底6表面的键合层贴紧，利用机械夹具固定好；然后转移至可加温加压的键合机腔室中，松开夹具并对腔室抽真空，腔室压力为10-3mBar，施加8500mBar压力，升温至300℃，保持10min，自然冷却至室温，取出样品。
步骤4：剥离生长衬底1：
⑥利用紫外光照变性方法剥离生长衬底1，实现外延层2和生长衬底1的分离。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：清洗处理外延层，制备第一粘附层、键合层；外延层设置在生长衬底上，在所述外延层上依次蒸发Ti、Au、Sn、Au，其中Ti层为粘附层，Au/Sn/Au层的金属叠层为键合层；
步骤2：在转移硅衬底上依次蒸发Cr、Pt、Ti、Au、Sn、Au，其中Cr层为第二粘附层，Pt/Ti层为阻挡层，Au/Sn/Au层为键合层；
步骤3：利用等离子体清洁和氮气枪吹扫过的生长衬底表面的键合层和转移硅衬底表面的键合层，并且使生长衬底表面的键合层和转移硅衬底表面的键合层贴紧，送入键合机夹具，使生产衬底上的键合层与转移硅衬底上的键合层完成键合；
步骤4：剥离生长衬底，得到转移后的外延层硅衬底材料。
2.根据权利要求1中基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，生长衬底为硅衬底，其剥离方法采用机械减薄与干法刻蚀结合的方法。
3.根据权利要求1中基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，生长衬底为蓝宝石衬底，其剥离方法采用激光剥离。
4.根据权利要求1中基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，生长衬底为高分子柔性衬底，其剥离方法采用溶液或紫外光照变性方法。
5.根据权利要求1中基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，键合层中Au层和Sn层厚度范围为100～300nm；所述键合层的总厚度≤3μm。
6.根据权利要求1中基于金锡双面共晶键合的外延层转移方法，其特征在于，其键合条件为键合温度为270～300℃，键合夹具压力3000～4000mBar或8000～10000mBar，腔室压力＜10-3mBar，保持时间为10min。
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