CN109950142B - 无需助粘剂的瞬态胶带转印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无需助粘剂的高效率和保真度的瞬态胶带转印法，主要解决现有基于PDMS的转印技术转印效率低、保真度低、操作难度大的问题。其实现方案是：1)在SOI基片上制备单晶硅薄膜；2)在单晶硅薄膜上制备光刻胶锚点，并对SOI基片的埋氧化层进行刻蚀；3)取用瞬态胶带拾取SOI基片上的单晶硅薄膜；4)将带有单晶硅薄膜的瞬态胶带与接收衬底耦合；5)将耦合后的体系放入丙酮溶液中浸泡后再捞出吹干去除其胶带溶解的残留物，完成高效率、高保真度的转印。本发明改变了传统的转印方式，增强了转印技术的可靠性，降低了工艺难度和成本，具有更高的转印效率与保真度，可用于异质集成芯片制作。

Description

无需助粘剂的瞬态胶带转印方法
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，特别涉及一种无需助粘剂的瞬态胶带转印法，可用于任意基底的器件异质集成。
技术背景
在后摩尔定律的时代背景下，通过传统的缩小晶体管尺寸的方式来提高集成度变得非常困难，因此异质集成的理念逐渐被人们所重视。尤其是单片异质集成备受关注，且有诸多报道阐述其发展与突破。单片异质集成的含义就是将不同材料集成在单颗芯片上制造各种不同功能的器件，以增加芯片的集成度与芯片的功能性。例如，氮化镓和氧化镓材料可用于制作功率器件；砷化镓材料可用于制作高频器件；硅材料可用于制作数字控制电路等。现阶段，实现异质集成有三类方法：(1)异质外延法，即：在基片上外延生长异质材料的方法；(2)晶圆键合法，即：将不同材料的基片通过键合的方式集成在一起的方法；(3)转印法，即：将纳米或亚微米级的薄膜材料转印到其他任意基片上的方法。异质外延法对材料间的晶格匹配要求较高，若晶格失配度较大，则无法外延出优质的异质材料，因此其应用的局限性很大。晶圆键合法对晶圆平整度与环境洁净度均有较高要求，且过程复杂，工艺难度大，因此其应用的局限性也很大。而转印法则对材料间的晶格匹配无要求，且其成本低、工艺简单，可靠性强，因此被认为是实现异质集成非常有前景的一种方法。
当今主流的转印方法是以PDMS作为转印媒介来对油墨进行转印。由于在微电子制造业中，掺杂后的杂质激活、欧姆接触制作中的合金化退火均为高温过程，且由于帮助转印的助粘剂不耐高温，因此转印过程中不能用在接收衬底上涂覆助粘剂的办法来提高转印效率、完成异质集成。对此人们开发了一种利用剥离速率来调控PDMS粘附力的办法，以在没有助粘剂的条件下完成转印。然而这种方法有两个严重的缺陷：(1)在“油墨获取”、“油墨释放”两个过程中难以准确地掌控剥离速率，以致无法准确地达到预期的粘附效果；(2)粘附力切换比太小，以致有很大几率不能完成有效的转印。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种无需助粘剂的瞬态胶带转印法，降低转印工艺难度和成本，提高转印效率与保真度。
为实现上述目的技术关键是：采用基于瞬态胶带的转印技术将单晶硅薄膜转印到接收基片上，完成高效率、高保真度的转印，其实现方案如下：
1)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI基片上形成100-200nm厚的单晶硅薄膜孤岛；
2)采用湿法刻蚀工艺，将含有单晶硅薄膜孤岛的基片放入BOE(6:1)溶液中浸泡5-10min，刻蚀掉基片上单晶硅薄膜孤岛以外的部分所暴露的埋氧化层；
3)采用光刻工艺，在单晶硅薄膜孤岛边缘制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜的位移和脱落；
4)采用湿法刻蚀工艺，将制有锚点的基片放入49％HF溶液中1-2h，完全刻蚀掉埋氧化层，使单晶硅薄膜掉落在衬底上,并被锚点钳位；
5)取出瞬态胶带，将瞬态胶带与4)所得基片耦合，再将瞬态胶带与基片剥离，以使瞬态胶带获取100-200nm厚的单晶硅薄膜；
6)将带有单晶硅薄膜的瞬态胶带与任意接收基片耦合，并将该耦合体系放入丙酮中浸泡3min，以使瞬态胶带溶解；
7)将浸泡后的基片用去离子水冲洗，并用氮气吹干，再采用等离子去胶工艺，去除该基片上的胶带残留物，得到洁净的基片，完成转印。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明所采用的瞬态胶带法，由于在瞬态胶带印制过程中，是放在丙酮中直接溶解，所以不存在胶带/油墨界面，只有油墨/接收衬底界面，其中不涉及界面间的粘附力竞争，所以“油墨”必然被接收衬底获取；同时由于瞬态胶带为非弹性材料，在剥离过程中的受到的应力影响较小，对转印后“油墨”的位置和完整性影响较小，所以转印后“油墨”保真度较高。
而在传统转印技术中，采用的PDMS材料在“拾取”和“印制”过程均存在界面竞争现象，使得“油墨”转印不充分，甚至存在断裂的“油墨”，而且PDMS材料为弹性材料，剥离过程中受应力影响明显，需要严格控住剥离速度与剥离角度提高转印效率，这在实验中具有很大的操作难度，因此实际应用中PDMS法转印效率和保真度较低。
对比本发明瞬态胶带法与传统转印技术，本发明极大程度地提高了转印效率与保真度，增强了转印技术的可靠性，降低了工艺难度和成本，为异质集成领域提供了一种通用的、有效的方法。
附图说明
图1本发明的实现工艺流程示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的实现给出以下三种实施例。
实施例1：利用瞬态胶带转印法转印200nm厚的单晶硅薄膜。
步骤1，在SOI基片上形成单晶硅薄膜孤岛隔离。
选取单晶硅薄膜厚度为200nm、埋氧化层厚度为200nm的SOI基片，如图1(a)；
采用光刻工艺与反应离子刻蚀工艺，并对反应离子刻蚀工艺中使用的刻蚀机其参数设置如下：气体流量BCl3:Cl2＝60：60sccm，刻蚀功率选取150W。在SOI基片的上部刻出单晶硅薄膜孤岛，如图1(b)。
步骤2，部分刻蚀暴露的埋氧化层。
首先，称取34.29g的NH4F固体和85.71ml的去离子水，混合成40％的NH4F溶液；再选取20ml的40％的HF溶液，将这两种溶液充分混合，配制总量为150ml的BOE溶液；
然后再采用湿法刻蚀工艺，将刻出单晶硅薄膜孤岛的SOI基片放入BOE(6:1)溶液中浸泡10min，刻蚀掉部分暴露的埋氧化层，如图1(c)。
步骤3，制作光刻胶锚点。
采用光刻工艺，在刻蚀掉暴露的埋氧化层的SOI基片上的单晶硅薄膜边缘，制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜位移、脱落，如图1(d)。
步骤4，完全刻蚀整个埋氧化层。
采用湿法刻蚀工艺，将上步所得样品放入49％HF溶液中2h，完全刻蚀掉SOI基片上剩余的埋氧化层，以使单晶硅薄膜落在衬底上，如图1(e)。
步骤5，瞬态胶带获取单晶硅薄膜孤岛。
选用瞬态胶带，将其与上步所得样品先进行耦合后，再将两者剥离，使瞬态胶带获取200nm厚的单晶硅薄膜，如图1(f)。
步骤6，将获取了单晶硅薄膜的瞬态胶带与AlGaN/GaN/衬底基片相耦合，得到耦合样品，将耦合样品放入丙酮中浸泡3min，去掉瞬态胶带，得到具有200nm单晶硅薄膜的AlGaN/GaN/衬底，如图1(g)。
步骤7，清洗耦合样品上的残留物，完成转印。
7a)对具有单晶硅薄膜的AlGaN/GaN/衬底，将其用去离子水冲洗，并用氮气吹干。
7b)采用等离子去胶工艺，将吹干后的样品放入去胶机中，以300W的功率，300sccm的氧气流量，在去胶机中进行胶带残留物的去胶处理5min，得到洁净带有单晶硅薄膜的AlGaN/GaN/衬底，完成转印，如图1(h)。
实施例2：利用瞬态胶带转印法转印100nm厚的单晶硅薄膜。
步骤一，在SOI基片上形成单晶硅薄膜孤岛隔离。
选取单晶硅薄膜厚度为100nm、埋氧化层厚度为200nm的SOI基片，如图1(a)；
采用光刻工艺与反应离子刻蚀工艺，并对反应离子刻蚀工艺中使用的刻蚀机其参数设置如下：气体流量BCl3:Cl2＝60：60sccm，刻蚀功率选取150W。在SOI基片的上部刻出单晶硅薄膜孤岛，如图1(b)。
步骤二，部分刻蚀暴露的埋氧化层。
首先，首先，称取34.29g的NH4F固体和85.71ml的去离子水，混合成40％的NH4F溶液；再选取20ml的40％的HF溶液，将这两种溶液充分混合，配制总量为150ml的BOE溶液；
然后再采用湿法刻蚀工艺，将刻出单晶硅薄膜孤岛的SOI基片放入BOE(6:1)溶液中浸泡5min，刻蚀掉部分暴露的埋氧化层，如图1(c)。
步骤三，制作光刻胶锚点。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同，如图1(d)。
步骤四，完全刻蚀整个埋氧化层。
采用湿法刻蚀工艺，将上步所得样品放入49％HF溶液中1h，完全刻蚀掉SOI基片上剩余的埋氧化层，以使单晶硅薄膜落在衬底上，如图1(e)。
步骤五，瞬态胶带获取单晶硅薄膜孤岛。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤5相同，如图1(f)。
步骤六，将获取了单晶硅薄膜的瞬态胶带与Ga2O3衬底基片相耦合，得到耦合样品，将耦合样品放入丙酮中浸泡3min，去掉瞬态胶带，得到具有100nm单晶硅薄膜的Ga2O3衬底，如图1(g)。
步骤七，清洗耦合样品上的残留物，完成转印。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤7相同,如图1(h)。
实施例3：利用瞬态胶带转印法转印150nm厚的单晶硅薄膜。
步骤A，在SOI基片上形成单晶硅薄膜孤岛隔离。
选取单晶硅薄膜厚度为150nm、埋氧化层厚度为200nm的SOI基片，如图1(a)；
采用光刻工艺与反应离子刻蚀工艺，并对反应离子刻蚀工艺中使用的刻蚀机其参数设置如下：气体流量BCl3:Cl2＝60：60sccm，刻蚀功率选取150W。在SOI基片的上部刻出单晶硅薄膜孤岛，如图1(b)。
步骤B，部分刻蚀暴露的埋氧化层。
首先，称取34.29g的NH4F固体和85.71ml的去离子水，混合成40％的NH4F溶液；再选取20ml的40％的HF溶液，将这两种溶液充分混合，配制总量为150ml的BOE溶液；
然后再采用湿法刻蚀工艺，将刻出单晶硅薄膜孤岛的SOI基片放入BOE(6:1)溶液中浸泡7min，刻蚀掉部分暴露的埋氧化层，如图1(c)。
步骤C，制作光刻胶锚点。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤3相同，如图1(d)。
步骤D，完全刻蚀整个埋氧化层。
采用湿法刻蚀工艺，将上步所得样品放入49％HF溶液中1.5h，完全刻蚀掉SOI基片上剩余的埋氧化层，以使单晶硅薄膜落在衬底上，如图1(e)。
步骤E，瞬态胶带获取单晶硅薄膜孤岛。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤5相同，如图1(f)。
步骤F，将获取了单晶硅薄膜的瞬态胶带与GaAs衬底基片相耦合，得到耦合样品，将耦合样品放入丙酮中浸泡3min，去掉瞬态胶带，得到具有150nm单晶硅薄膜的GaAs衬底，如图1(g)。
步骤G，清洗耦合样品上的残留物，完成转印。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤7相同，如图1(h)。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无需助粘剂的瞬态胶带转印法，其特征在于，包括如下步骤：
1）采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI基片上形成100-200nm厚的单晶硅薄膜孤岛；
2）采用湿法刻蚀工艺，将含有单晶硅薄膜孤岛的基片放入BOE溶液中浸泡5-10min，刻蚀掉基片上单晶硅薄膜孤岛以外的部分所暴露的埋氧化层；
3）采用光刻工艺，在单晶硅薄膜孤岛边缘制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜的位移和脱落；
4）采用湿法刻蚀工艺，将制有锚点的基片放入49%HF溶液中1-2h，完全刻蚀掉埋氧化层，使单晶硅薄膜掉落在衬底上,并被锚点钳位；
5）取出瞬态胶带，将该瞬态胶带与4）所得基片耦合，再将瞬态胶带与基片剥离，以使瞬态胶带获取100-200nm厚的单晶硅薄膜；所述瞬态胶带为可溶于丙酮的非弹性材料；
6）将带有单晶硅薄膜的瞬态胶带与任意接收基片直接耦合，并将该耦合获得的体系放入丙酮中浸泡3min，以使瞬态胶带溶解，形成单晶硅薄膜/接收基片界面以使得所述单晶硅薄膜被所述接收基片获取；所述接收基片包括AlGaN/GaN衬底基片或Ga2O3基片或GaAs基片；
7）将浸泡后的基片用去离子水冲洗，并用氮气吹干，再采用等离子去胶工艺，去除该基片上的胶带残留物，得到洁净的基片，完成转印。
2.根据权利要求1所述的方法，其中1）中的反应离子刻蚀工艺，其参数设置为：气体流量BCl3:Cl2=60：60sccm，刻蚀功率选取150W。
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