CN108172502B - 应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法 - Google Patents

应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，步骤如下：将晶圆粘附于托盘上；将托盘吸附在晶圆减薄机载片台上，将载片台固定在减薄机主轴，将磨刀固定在磨刀轴，将晶圆上的硅衬底层减薄至预定厚度；将托盘倒置于晶圆抛光机磨盘，硅衬底层与抛光机磨盘接触，将托盘与抛光机旋转轴相连，进行抛光处理；去除硅衬底层至BOX层的二氧化硅完全露出；去除BOX层至敏感材料薄膜层，完成晶圆减薄；本方法工艺时间更短，对工艺设备的要求较低、成本低，且不会引入额外的工艺热应力。

Description

应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法
技术领域
本发明属于微电子加工技术领域，特别是一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法。
背景技术
近年来，随着红外敏感材料技术的突破以及MEMS(微电子机械系统)制造技术的飞速发展和日益成熟，非制冷红外焦平面(Uncooled Infrared Focal Plane)在军事、工业、交通、安防等诸多领域有了广泛的应用，如热像仪、夜视摄像机、热传感器、监控像机等产品。这些仪器的工作性能主要受非制冷红外焦平面的红外吸收率、电阻温度系数(TCR)、热绝缘性和材料噪声性能等因素影响。在这些参数中，电阻温度系数特性以及材料噪声性能是决定非制冷红外焦平面性能的重要因素。因此，寻找具有优良性能的测辐射热材料已经成为了开发研究工作的一大热点。目前，已获得应用的红外敏感材料主要包括金属、氧化物、半导体和超导体材料等。其中，硅锗/硅型量子阱材料由于其较高的TCR及相对传统TCR材料(氧化钒、非晶硅)较低的噪音特征，非常适合应用于非制冷红外焦平面。但是由于硅锗/硅量子阱材料的沉积温度(600℃以上)远大于CMOS(互补金属氧化物半导体)读出电路的耐受温度(475℃)，难以直接在CMOS读出电路上直接沉积敏感材料从而制造出阵列。为了解决这一问题，可采用的方案是在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)晶圆上沉积敏感材料，再将敏感材料承载晶圆键合到CMOS电路晶圆上，最后减薄承载晶圆，完成阵列制造。但如何实现SOI承载晶圆的快速减薄，是硅锗/硅量子阱材料等新材料在非制冷红外焦平面应用的关键问题。
现有的SOI承载晶圆减薄方法一般有两种，一种是采用氢氧化钾溶液腐蚀SOI晶圆的硅衬底至BOX层(埋层氧化物)，再用BHF(稀氢氟酸)溶液腐蚀去除BOX层；另一种是采用基于ICP(电感耦合等离子体)深硅刻蚀的减薄方法。这种方法是先采用ICP深硅刻蚀的方法刻蚀SOI晶圆的硅衬底至BOX层(埋层氧化物)，再用BHF(稀氢氟酸)溶液腐蚀去除BOX层。
这两种晶圆减薄方法都存在较为显著的缺点。其中，采用氢氧化钾溶液腐蚀SOI晶圆的工艺往往需要数十小时，时间成本高且对正面保护较为困难；而采用ICP刻蚀SOI晶圆的工艺时间需要数小时，耗能较大，且会引入额外的热应力。这些问题的存在导致了新型热敏材料难以在非制冷红外焦平面阵列大规模制造中得到广泛应用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，以解决现有的非制冷红外焦平面的承载晶圆减薄时间长的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，包括以下步骤：
S10、将晶圆粘附于托盘上；
S20、将托盘吸附在晶圆减薄机载片台上，将载片台固定在减薄机主轴，将磨刀固定在磨刀轴，将晶圆上的硅衬底层减薄至预定厚度；
S30、将托盘倒置于晶圆抛光机磨盘，硅衬底层与抛光机磨盘接触，将托盘与抛光机旋转轴相连，进行抛光处理；
S40、去除硅衬底层至BOX层的二氧化硅完全露出；
步骤S50、去除BOX层至敏感材料薄膜层，完成晶圆减薄。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明和传统的SOI承载晶圆减薄方法相比，工艺时间更短，根据硅衬底厚度和BOX层厚度不同，工艺时间最短可以降至1小时以内。
(2)本发明的方法对工艺设备的要求较低，ICP刻蚀时间较短，成本远低于传统方法，且不会引入额外的工艺热应力。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为晶圆黏附于大理石托盘的示意图。
图3为晶圆硅衬底物理减薄的原理图。
图4为晶圆硅衬底抛光的原理图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，包括以下步骤：
S00、清洗薄膜承载晶圆：
将晶圆浸没于丙酮溶液中；取出放入异丙醇溶液中；取出用去离子水冲洗，惰性气体吹干。薄膜承载晶圆如图2所示，包括三层，硅衬底层1、BOX层2和敏感材料薄膜层3。
S10、将晶圆粘附于托盘4上：
优选的，如图2所示，使用石蜡将薄膜承载晶圆黏附在大理石托盘4上，便于压平。
S20、将托盘4吸附在晶圆减薄机载片台6上，将载片台固定在减薄机主轴5，将磨刀固定在磨刀轴8，将晶圆上的硅衬底层1减薄至预定厚度。
优选的，调整磨刀与晶圆的距离约5-10微米，设定主轴转速为130-170rpm，磨刀轴转速为1300-1700rpm，预进刀速率8-12微米/分，预进刀时间设置为1.5-2.5分钟，进刀速率25-35微米；
优选的，所述晶圆上的硅衬底层1减薄至50微米左右。
优选的，所述主轴转速为150rpm，磨刀轴转速为1500rpm，预进刀速率10微米/分，进刀速率30微米/分。
S30、将托盘4倒置于晶圆抛光机磨盘，硅衬底层1与抛光机磨盘11接触，将托盘4与抛光机旋转轴10相连，进行抛光处理；
优选的，设定旋转轴10转速为125-175rpm，主轴12转速为25-35rpm，抛光25-35分钟；调整抛光液滴管9的硅抛光液流量12-18毫升/分。
优选的，旋转轴转速为150rpm，主轴转速为30rpm，抛光时间30分钟，调整抛光液滴管9的硅抛光液流量15毫升/分。
S40、去除硅衬底层1至BOX层2的二氧化硅完全露出；
优选的，使用ICP刻蚀机刻蚀硅衬底至BOX层2的二氧化硅完全露出。
步骤S50、去除BOX层2至敏感材料薄膜层，完成晶圆减薄；
优选的，使用BHF溶液(水：氢氟酸＝10：1的体积比)腐蚀BOX层2至敏感材料薄膜层3停止，完成晶圆减薄。
实施例1、以4寸晶圆为例，简述本发明的晶圆快速减薄过程：
S00、清洗薄膜承载晶圆：
清洗薄膜承载晶圆，将晶圆浸没于丙酮溶液中，超声清洗8-12分钟；取出放入异丙醇溶液中，超声清洗8-12分钟；取出用去离子水冲洗，氮气吹干。薄膜承载晶圆包括三层：厚度约为400-700微米的硅衬底层1、厚度约为500-2000纳米的BOX层2、厚度约为300-2000纳米的敏感材料薄膜层3。
S10、将晶圆粘附于托盘4上：
使用石蜡将薄膜承载晶圆黏附在大理石托盘4上，压平。
S20、将托盘4吸附在晶圆减薄机载片台6上，将载片台固定在减薄机主轴5，将磨刀固定在磨刀轴8，将晶圆上的硅衬底层1减薄至预定厚度。
如图3所示，将大理石托盘4真空吸附在晶圆减薄机载片台6上，载片台6固定在减薄机主轴5，将磨刀7固定在磨刀轴8，调整磨刀与晶圆的距离约5-10微米，设定主轴5转速为130-170rpm，磨刀轴8转速为1300-1700rpm，预进刀速率8-12微米/分，预进刀时间设置为1.5-2.5分钟，进刀速率25-35微米/分，进刀时间约为11-21分钟，减薄至硅衬底层1还剩50微米左右时停止。
优选主轴转速为150rpm，磨刀轴转速为1500rpm，预进刀速率10微米/分，预进刀时间设置为2分钟，进刀速率30微米/分。
S30、将托盘4倒置于晶圆抛光机磨盘，硅衬底层1与抛光机磨盘11接触，将托盘4与抛光机旋转轴10相连，进行抛光处理；
如图4所示，将大理石托盘4倒置于晶圆抛光机磨盘11上，硅衬底层1与抛光机磨盘11接触，将大理石托盘与抛光机旋转轴10相连，调整抛光液滴管9的硅抛光液流量12-18毫升/分，设定旋转轴10转速为125-175rpm，主轴12转速为25-35rpm，抛光25-35分钟停止。
优选旋转轴转速为150rpm，主轴转速为30rpm，抛光时间30分钟，抛光液流量15毫升/分。
S40、去除硅衬底层1至BOX层[2]的二氧化硅完全露出；
使用ICP深硅刻蚀机刻蚀硅衬底至BOX层2的二氧化硅完全露出。ICP刻蚀硅衬底的速率约为5微米/分，所需时间约为8-12分钟。
步骤S50、去除BOX层2至敏感材料薄膜层，完成晶圆减薄；
使用BHF溶液(水：氢氟酸＝10：1的体积比)腐蚀BOX层2(BOX层二氧化硅厚度约为0.5-2微米)至敏感材料薄膜层3停止，完成晶圆减薄，所需时间约为10-40分钟。
本发明的应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，和传统的SOI承载晶圆减薄方法相比，工艺时间更短，根据硅衬底厚度和BOX层厚度不同，工艺时间最短可以降至1小时以内；达到缩短了减薄时间，且耗能小。本发明的方法对工艺设备的要求较低，ICP刻蚀时间较短，成本远低于传统方法，且不会引入额外的工艺热应力。

Claims (5)

1.一种应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，其特征在于，对由厚度为400-700微米的硅衬底层、厚度为500-2000纳米的BOX层、厚度为300-2000纳米的敏感材料薄膜层组成的薄膜承载晶圆进行减薄，包括以下步骤：
S10、将晶圆粘附于托盘上；
S20、将托盘吸附在晶圆减薄机载片台上，将载片台固定在减薄机主轴，将磨刀固定在磨刀轴，调整磨刀与晶圆的距离5-10微米，设定主轴转速为130-170rpm，磨刀轴转速为1300-1700rpm，预进刀速率8-12微米/分，预进刀时间设置为1.5-2.5分钟，进刀速率25-35微米/分，将晶圆上的硅衬底层减薄至50微米；
S30、将托盘倒置于晶圆抛光机磨盘，硅衬底层与抛光机磨盘接触，将托盘与抛光机旋转轴相连，设定旋转轴转速为125-175rpm，主轴转速为25-35rpm，抛光25-35分钟，调整抛光液滴管的硅抛光液流量12-18毫升/分，进行抛光处理，抛光过程加入抛光液；
S40、利用ICP刻蚀硅衬底层至BOX层的二氧化硅完全露出；
S50、利用BHF溶液去除BOX层至敏感材料薄膜层，完成晶圆减薄。
2.根据权利要求1所述的应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，其特征在于，步骤S10中使用石蜡将薄膜承载晶圆黏附在大理石托盘上。
3.根据权利要求1所述的应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，其特征在于，所述主轴转速为150rpm，磨刀轴转速为1500rpm，预进刀速率10微米/分，进刀速率30微米/分。
4.根据权利要求1所述的应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，其特征在于，旋转轴转速为150rpm，主轴转速为30rpm，抛光时间30分钟，调整抛光液滴管的硅抛光液流量15毫升/分。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的应用于非制冷红外焦平面的承载晶圆快速减薄方法，其特征在于，减薄前还包括清洗步骤。
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