CN109065508B - 一种反向台面复合结构超薄晶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反向台面复合结构超薄晶片及其制备方法，其中超薄晶片包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2~80μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，此结构不仅能有效解决超薄晶片因厚度小、力学性能较差，容易受力破碎的问题，并且衬底晶片进行选择性腐蚀，成为框架结构，不会对目标晶片产生腐蚀，从而保留了其良好的表面结构和晶体特性；本申请的制备方法，采用掩盖涂层对衬底晶片进行保护，选择合适的腐蚀液进行选择性腐蚀衬底晶片得到反向台面复合结构，本申请的制备方法对目标晶片的力学性能没有影响，表面光洁度高，厚度小，并且可以工业化批量生产，效率高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体说是一种反向台面复合结构超薄晶片及其制备方法。
背景技术
反向台面超薄晶片在一些应用领域有较大的需求，比如高频石英晶振等，器件性能与晶片的厚度往往具有决定性的关系。比如，石英谐振器需要使用5~70μm的超薄石英晶片；高灵敏度红外热释电传感器需要使用5~60μm的超薄钽酸锂晶片；零级波片根据波段的不同，需要使用9~100μm的石英晶片等。但是超薄晶片在后期加工、封装及使用过程中，常因厚度小、力学性能较差，容易受力破碎，大大影响了加工成品率以及使用的稳定性。
高基频石英谐振器为提高石英薄片的力学性能，常使用较厚石英晶片直接采用化学腐蚀或离子束刻蚀的方法制备石英反台晶体。但化学腐蚀方法存在各向异性，被腐蚀部分表面光洁度下降，等效电阻增大，为了补偿这个缺点，就需要增大电极尺寸，增加电极厚度，这样等效电阻虽然减小了，但寄生很多，只适宜作普通谐振器，不宜用于滤波器。采用离子束刻蚀方法，被刻蚀部分的表面光洁度高，晶体的等效电阻较小，可以使用较小尺寸的电极，而且电极的厚度较薄，寄生可以做得很小，但是离子束刻蚀的方法则效率低、成本高，不利于批量生产。因此，现有的反向台面复合结构超薄晶片存在厚度大，力学性能差，并且容易受力破碎，表面结构粗糙等问题，亟需解决。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种反向台面复合结构超薄晶片及其制备方法。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2~80μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片。
本发明还包括一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备目标晶片和衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体；所述目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片；
②将键合体中的目标晶片研磨至2.5~82μm后进行抛光处理，去除0.5~2μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为光刻胶或二氧化硅；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；
当衬底晶片为硅晶片时，衬底腐蚀液为TMAH，氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或混合酸溶液；其中混合酸溶液由HF、HNO3和CH3COOH组成，其中HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：3~6：2~10.5；氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液的质量百分浓度均为5~26%；
当衬底晶片为石英晶片或玻璃晶片时，衬底腐蚀液为HF；
④使用掩盖涂层腐蚀液去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片；
当掩盖涂层图形的材料为光刻胶时，掩盖涂层腐蚀液为丙酮；
当掩盖涂层图形的材料为二氧化硅时，掩盖涂层腐蚀液为氢氟酸，并且当目标晶片为石英时，腐蚀掩盖层对目标晶片贴膜保护。
优选的的制备方法，步骤①中在得到键合体后，还包括以下处理步骤：对所得键合体进行退火处理，退火温度是50~400℃，退火时间为0.5~8小时。
优选的制备方法，对目标晶片和衬底晶片进行清洗时采用RCA清洗工艺。
优选的制备方法，对衬底晶片进行清洗前先用丙酮再用无水乙醇对衬底晶片进行浸泡，除去有机物保护层。
优选的制备方法，在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形的工艺为光刻工艺或掩模气相沉积工艺。
优选的制备方法，HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：5：6。
优选的制备方法，退火温度是200~300℃，退火时间为3~4小时。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本申请的反向台面复合结构超薄晶片中目标晶片的厚度为2~80μm，能够满足各种超薄晶片的厚度范围，厚度小，力学性能好，不容易受力破碎，加工成品率和使用稳定性好，并且使用后器件的性能优异；
本申请的反向台面复合结构超薄晶片包括目标晶片和衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2~80μm，为主要的工作晶片单元，衬底晶片为框架结构，厚度可以根据实际情况自行确定，为支撑单元，此结构不仅能有效解决超薄晶片因厚度小、力学性能较差，容易受力破碎的问题，并且衬底晶片进行选择性腐蚀，成为框架结构，不会对目标晶片产生腐蚀，从而保留了其良好的表面结构和晶体特性。
本申请的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，采用掩盖涂层对衬底晶片进行保护，选择合适的腐蚀液进行选择性腐蚀衬底晶片得到反向台面复合结构，本申请的制备方法对目标晶片的力学性能没有影响，表面光洁度高，厚度小，并且可以工业化批量生产，效率高，成本低。
附图说明
图1为反向台面复合结构超薄晶片的制备方法流程示意图；
图2为目标晶片与衬底晶片进行键合的剖视图；
图3为对键合体中的目标晶片进行研磨减薄、抛光后的剖视图；
图4为对键合体中的衬底晶片形成掩盖涂层图形（局部图形）剖视图；
图5为对键合体进行选择性腐蚀后的剖视图；
图6为去除掩盖涂层后的剖视图；
图7为切割后得到反向台面复合结构超薄晶片的剖视图；
附图标记：1目标晶片；2衬底晶片；3掩盖涂层。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种反向台面复合结构超薄晶片及其制备方法，通过以下技术方案实现：
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2~80μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片；对衬底晶片的厚度无明显要求，可以根据实际需求自行决定衬底晶片的厚度。
本发明还包括一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备目标晶片和衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体；所述目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片；
准备的目标晶片可以为非抛光或具有单面、双面镜面抛光的大尺寸晶片（如3~6英寸），可以通过化学机械抛光的方式对目标晶片进行表面抛光处理，目标晶片的表面粗糙度低于1nm，以便满足直接键合的要求；也可以在抛光之前对目标晶片进行研磨减薄，调节目标晶片的TTV（厚度变化量小于1μm），以满足后续工艺的厚度需求；
准备的衬底晶片可以为非抛光或具有单面、双面镜面抛光的大尺寸晶片（如3~6英寸），可以通过化学机械抛光的方式对目标晶片进行表面抛光处理，目标晶片的表面粗糙度低于1nm，以便满足直接键合的要求；也可以在抛光之前对目标晶片进行研磨减薄，以满足后续工艺的厚度需求；
键合时，将目标晶片抛光面和衬底晶片抛光面接触，通过目标晶片和衬底晶片的抛光面的表面的分子间的作用力（例如范德华力），即可形成键合体；
②将键合体中的目标晶片研磨至2.5~82μm后进行抛光处理，去除0.5~2μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为光刻胶或二氧化硅；当对目标晶片进行表面抛光处理时，应确保足够的抛光去除量，以完全去除研磨面的研磨纹，获得比较好的超薄超平晶片表面质量；表面抛光处理可以采取化学机械抛光等方式；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；
当衬底晶片为硅晶片时，衬底腐蚀液为TMAH，氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或混合酸溶液；其中混合酸溶液由HF、HNO3和CH3COOH组成，其中HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：3~6：2~10.5；氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液的质量百分浓度均为5~26%；
当衬底晶片为石英晶片或玻璃晶片时，衬底腐蚀液为HF；
④使用掩盖涂层腐蚀液去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片；
当掩盖涂层图形的材料为光刻胶时，掩盖涂层腐蚀液为丙酮；
当掩盖涂层图形的材料为二氧化硅时，掩盖涂层腐蚀液为氢氟酸，并且当目标晶片为石英时，腐蚀掩盖层对目标晶片贴膜保护。
优选的的制备方法，步骤①中在得到键合体后，还包括以下处理步骤：对所得键合体进行退火处理，退火温度是50~400℃，退火时间为0.5~8小时；通过退火处理，可使目标晶片和衬底晶片之间的分子间的作用力转化为键能更强的氧键，这将极大地增大目标晶片和衬底晶片之间的键合力，使得在后续步骤中即使将目标晶片减薄至若干微米的厚度也能很好地保证键合体的完整性。
优选的制备方法，对目标晶片和衬底晶片进行清洗时采用RCA清洗工艺。
优选的制备方法，对衬底晶片进行清洗前先用丙酮再用无水乙醇对衬底晶片进行浸泡，除去有机物保护层。
优选的制备方法，在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形的工艺为光刻工艺或掩模气相沉积工艺；具体的，在衬底晶片所形成的掩盖涂层图形可使用光刻工艺，对衬底晶片涂覆光刻胶，通过掩模显影制备掩盖涂层图形，或者使用掩模板通过气相沉积等方式形成涂层图形。
优选的制备方法，HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：5：6。
优选的制备方法，退火温度是200~300℃，退火时间为3~4小时。
实施例1
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为石英；所述衬底晶片为硅晶片。
实施例2
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为80μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为单晶钽酸锂；所述衬底晶片为石英晶片。
实施例3
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为10μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为单晶铌酸锂；所述衬底晶片为玻璃晶片。
实施例4
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为70μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为碳化硅；所述衬底晶片为硅晶片。
实施例5
一种反向台面复合结构超薄晶片，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为20μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为砷化镓；所述衬底晶片为石英晶片。
实施例6
实施例1的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，如图1所示的制备方法流程示意图，包括以下步骤：
①准备目标晶片和衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体（如图2）；目标晶片为3英寸AT切厚度为0.5mm的石英，将目标晶片研磨去除10μm的厚度，调节目标晶片的TTV（厚度变化量）小于1μm，采用化学机械抛光进行表面抛光处理，表面粗糙度低于1nm；衬底晶片为3英寸的硅晶片；研磨至70μm的厚度，调节目标晶片的TTV小于1μm，采用化学机械抛光进行表面抛光处理，表面粗糙度低于1nm；分别清洗后将石英晶片的抛光面和单晶硅晶片的抛光面直接接触键合得到一片顶层为3英寸的石英、底层为硅晶片的键合体；
②将键合体中的目标晶片研磨至2.5μm后进行抛光处理，去除0.5μm的厚度，将目标晶片的厚度调节为2μm（如图3），然后在衬底晶片底部旋涂光刻胶，将光刻胶在掩模版作用下光照形成光刻胶涂覆图形，将光刻胶加热固化，以在单晶硅表面形成一层掩盖涂层图形，得到预处理键合体（如图4）；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液TMAH腐蚀1~12小时，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分（如图5）；其中目标晶体厚度为15μm、TTV＜0.5μm、表面粗糙度低于1nm，衬底晶体70μm；
其中衬底腐蚀液除了TMAH，也可以选择混合酸溶液、质量百分浓度均为5~26%的氢氧化钾溶液或质量百分浓度均为5~26%的氢氧化钠溶液；其中混合酸溶液中HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：3~6：2~10.5；
④使用掩盖涂层腐蚀液丙酮去除掩盖涂层（如图6），切割，得到反向台面复合结构超薄晶片（如图7）。
实施例7
实施例2的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备目标晶片为6英寸厚度为0.5mm单晶钽酸锂；目标晶片放置在研磨机的多孔陶瓷吸盘上，调节研磨机的主轴倾角，研磨去除10μm的厚度，调节目标晶片的TTV小于1μm，采用化学机械抛光进行表面抛光处理，表面粗糙度低于1nm；准备衬底晶片为6英寸石英晶片，研磨至50μm的厚度，调节目标晶片的TTV小于1μm，采用化学机械抛光进行表面抛光处理，表面粗糙度低于1nm；将目标晶片和衬底晶片，分别进行采用RCA清洗后直接键合，得到键合体；对键合体进行退火处理，退火温度为50℃，退火时间为0.5h；
②将键合体中的目标晶片研磨至82μm后进行抛光处理，去除2μm的厚度，然后在石英晶片表面放置具有特定图形的掩模版，将键合体晶片及掩模版一同进行PECVD沉积，在单晶硅表面沉积一层具有特定图形的SiO2层，以在单晶硅表面形成一层质量良好的特定图形保护层，得到预处理键合体；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液HF腐蚀1小时，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；得到目标晶片厚度为80μm，TTV＜0.5μm、表面粗糙度低于1nm，衬底晶体50μm，带有反向台面的晶片；
④使用掩盖涂层腐蚀液氢氟酸去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片。
实施例8
实施例3的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备目标晶片和衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体；所述目标晶片为3英寸单晶铌酸锂；所述衬底晶片为3英寸玻璃晶片；对键合体进行退火处理，退火温度为400℃，退火时间为8h；
②将键合体中的目标晶片研磨至11μm后进行抛光处理，去除1μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为光刻胶；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液HF，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；
④使用掩盖涂层腐蚀液丙酮去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片；其中目标晶片的厚度为10μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构。
实施例9
实施例4的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备4英寸目标晶片和4英寸衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体；所述目标晶片为碳化硅；所述衬底晶片为硅晶片；对键合体进行退火处理，退火温度为200℃，退火时间为3h；
②将键合体中的目标晶片研磨至71.5μm后进行抛光处理，去除1.5μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为二氧化硅；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液（质量百分浓度均为5%的氢氧化钾溶液），去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；
④使用掩盖涂层腐蚀液氢氟酸去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片，目标晶片的厚度为70μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构。
实施例10
实施例5的反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，包括以下步骤：
①准备大小均为5英寸的目标晶片和衬底晶片，分别清洗后键合，得到键合体；所述目标晶片为砷化镓；所述衬底晶片为石英晶片；对键合体进行退火处理，退火温度为300℃，退火时间为4h；
②将键合体中的目标晶片研磨至20.5μm后进行抛光处理，去除0.5μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为光刻胶；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液HF，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分；
④使用掩盖涂层腐蚀液丙酮去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片，目标晶片的厚度为20μm，总体厚度偏差为0.005~1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构。
Claims (7)
1.一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①准备目标晶片和衬底晶片，将目标晶片的抛光面和衬底晶片抛光面直接接触键合，得到键合体，对所得键合体进行退火处理，退火温度是50～400℃，退火时间为0.5～8小时；所述目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片；
②将键合体中的目标晶片研磨至2.5～82μm后进行抛光处理，去除0.5～2μm的厚度，然后在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形，得到预处理键合体；掩盖涂层图形的材料为光刻胶或二氧化硅；
③将步骤②所得预处理键合体浸入衬底腐蚀液，去除未掩盖涂层图形的衬底晶片部分，得到框架结构的衬底晶片；
当衬底晶片为硅晶片时，衬底腐蚀液为TMAH，氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或混合酸溶液；其中混合酸溶液由HF、HNO3和CH3COOH组成，其中HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：3～6：2～10.5；氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液的质量百分浓度均为5～26％；
当衬底晶片为石英晶片或玻璃晶片时，衬底腐蚀液为HF；
④使用掩盖涂层腐蚀液去除掩盖涂层，切割，得到反向台面复合结构超薄晶片；
当掩盖涂层图形的材料为光刻胶时，掩盖涂层腐蚀液为丙酮；
当掩盖涂层图形的材料为二氧化硅时，掩盖涂层腐蚀液为氢氟酸，并且当目标晶片为石英时，腐蚀掩盖层对目标晶片贴膜保护。
2.根据权利要求1所述的一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：在键合之前，采用RCA清洗工艺对目标晶片和衬底晶片进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：对衬底晶片进行清洗前先用丙酮再用无水乙醇对衬底晶片进行浸泡，除去有机物保护层。
4.根据权利要求1所述的一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：在衬底晶片底部制备掩盖涂层图形的工艺为光刻工艺或掩模气相沉积工艺。
5.根据权利要求1所述的一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：HF、HNO3和CH3COOH的体积比为1：5：6。
6.根据权利要求1所述的一种反向台面复合结构超薄晶片的制备方法，其特征在于：退火温度是200～300℃，退火时间为3～4小时。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的方法制备的反向台面复合结构超薄晶片，其特征在于，包括目标晶片和位于目标晶片底部具有支撑作用的衬底晶片，其中目标晶片的厚度为2～80μm，总体厚度偏差为0.005～1μm的平板薄片，衬底晶片为框架结构；目标晶片为石英、单晶钽酸锂、单晶铌酸锂、碳化硅或砷化镓；所述衬底晶片为硅晶片、石英晶片或玻璃晶片。
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