CN111519255A - 一种钽酸锂晶片异质键合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种钽酸锂晶片异质键合的方法，包括以下步骤：将单晶硅片与钽酸锂晶片相对设置，保持单晶硅片表面的薄膜层与钽酸锂晶片相对设置，放入键合机；中温加热，并维持至少1h，完成一次键合，形成一次键合体；将一次键合体放入退火炉，高温加热退火，完成二次键合；其中，单晶硅片表面的薄膜层与碳酸锂晶片层为异种材质；发明采用中温一次键合之后，又基于两种材质热膨胀系数不同的特性，设计了高温二次键合，即退火工艺，通过退火改变两层之间的结合键的类型，增强两层之间的结合力，避免层与层之间的剥离。

Description

一种钽酸锂晶片异质键合的方法

技术领域

本发明涉及晶体键合技术领域，尤其涉及一种钽酸锂晶片异质键合的方法。

背景技术

钽酸锂单晶是现阶段制作声表面波器件性价比最好的材料之一，但其较高的温度漂移系数限制了其在高频领域的应用。现阶段好的解决方案为钽酸锂晶片通过二氧化硅过渡层与单晶硅片键合，钽酸锂晶片为负温度漂移，二氧化硅为正温度漂移，起到相互补偿的功能。同时通过硅片高刚性的抑制，达到降低温度漂移的目的。

然后将硅片与钽酸锂单晶片键合操作中，由于二者膨胀系数相差较大，造成二者的分层、撕裂或剥落，不能实现很好的薄膜键合结合。

发明内容

有必要提出一种钽酸锂晶片异质键合的方法。

一种钽酸锂晶片异质键合的方法，包括以下步骤：

将单晶硅片与钽酸锂晶片相对设置，保持单晶硅片表面的薄膜层与钽酸锂晶片相对设置，放入键合机；

中温加热，并维持至少1h，完成一次键合，形成一次键合体；

将一次键合体放入退火炉，高温加热退火，完成二次键合；其中，单晶硅片表面的薄膜层与碳酸锂晶片层为异种材质。

优选的，单晶硅片表面的薄膜层为二氧化硅层。

优选的，中温加热的温度为80-150℃和/或高温加热的温度为200-240℃。

优选的，对基体的单晶硅片表面进行单面抛光，通过退火钝化，使表面形成二氧化硅层。

优选的，还将所述二氧化硅层放入氨水、双氧水混合溶液处理，使硅片表面处于亲水状态。

优选的，对钽酸锂表面进行抛光，形成光滑表面。

优选的，放入键合机之前，先对单晶硅片表面和钽酸锂表面使用氮气吹干。

本发明采用中温一次键合之后，又基于两种材质热膨胀系数不同的特性，设计了高温二次键合，即退火工艺，通过退火改变两层之间的结合键的类型，增强两层之间的结合力，避免层与层之间的剥离。

附图说明

图1为键合示意图。

图中：单晶硅片10、二氧化硅过渡层11、钽酸锂晶片20。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，本发明实施例提供了一种钽酸锂晶片20异质键合的方法，包括以下步骤：将单晶硅片10与钽酸锂晶片20相对设置，保持单晶硅片10表面的薄膜层与钽酸锂晶片20相对设置，放入键合机；

中温加热，并维持至少1h，完成一次键合，形成一次键合体；

将一次键合体放入退火炉，高温加热退火，完成二次键合；其中，单晶硅片10表面的薄膜层与碳酸锂晶片层为异种材质。

鉴于现有技术中存在的问题，本发明采用的解决方案为钽酸锂晶片20通过二氧化硅过渡层11（即薄膜层）与单晶硅片10键合，钽酸锂晶片20为负温度漂移，二氧化硅为正温度漂移，起到相互补偿的功能。同时通过硅片高刚性的抑制，达到降低温度漂移的目的。

理论上任何两种物质，在具有非常好的光洁度和平整度的情况下，在高真空和一定的压力下，都可以形成分子间引力而结合在一起，在一定的温度下，可以变为更强的共价键等，这个过程就叫键合。

本发明键合的具体的过程分为两步法：将钽酸锂晶片20表面与二氧化硅层紧密贴合，在高真空条件下，通过压力使二者之间形成分子间引力，实现一次键合。

该键合过程是通过-OH-键结合，二者之间形成范德华力：

Si-OH+HO-LT

由于该键的分子间引力比较弱，处于不稳定状态，需要进一步的退火处理，退火提供较高的温度，形成更强的键合键：

Si-OH+HO-LT→Si-O-LT+H2O

经过退火后，形成的键为-O-，结合力更强，这个过程需要在一定的温度下进行，通常适合的温度为200-300℃之间，由于钽酸锂与单晶硅温度膨胀系数差异比较大，在这个过程完成后，降低温度到室温时，钽酸锂晶片20收缩较大，会出现晶片碎裂或者键合剥离的问题。为此我们发现了中温键合，高温退火的方法，通过高温时结合键的方式由较弱的-OH-键转化为较强的-O-键，从而避免这类问题的出现。

现有技术中，与钽酸锂或铌酸锂形成键合的薄膜是通过离子注入至基板层，之后再与基板层分离，再与待键合的钽酸锂或铌酸锂基底层键合，该键合过程至公开了形成共价键结合的键合方法，在专利号为CN201510520492.1的专利中，公开了硅薄膜与钽酸锂或铌酸锂之后也需要退伙处理，但是并未记载退伙时的工艺要求。如说明书中记载“此外，为了消除离子注入对硅薄膜所造成的损伤，可以在对键合体进行 加热之后对硅薄膜进行退火处理。”

在专利号为“CN201410252349.4将形成的键合体在低于键合体的碎裂温度(一般低于190℃) 下加热一定时间，使薄膜层转移到基底上。以低于碎裂温度的加热的过程中，原始基板和基 底间的键合力会得到大幅度提高；分布在分离层内的离子随着加热的进行继续变成气泡， 使得分离层附近的结构更加疏松；由于加热造成两种热膨胀系数不同的原始基板和基底之 间产生相互作用的应力；进而在这三种因素的影响下，在低于碎裂温度的条件下薄膜层转 移到基底上，有效地避免了出现键合体被拉裂拉碎的问题，实现了在与原始基板的热膨胀 系数不同的基底上制作薄膜。”该专利中，公开了将薄膜与基底层键合的方法，但当二者键合之后仍然存在缺陷，且无退伙工艺。

实施例：

钽酸锂晶体片为Y42° 4寸，厚度为0.25mm的晶片，正面抛光，背面研磨；硅片为4寸本征无掺杂高阻硅片，方向＜100＞，钝化氧化层后300nm，晶片厚度500μm；通过双氧水和氨水混合溶液浸泡20分钟（H₂O₂：NH₄·H₂O=1:2），然后纯氮气吹干，然后放入键合机，抽空到10-4Pa以下，加温到100℃，然后将晶片抛光面相对放置加压，压力为1个大气压，维持30分钟，降温到室温，取出晶片。

然后将键合的晶片，放入真空退火炉，抽空到10-4Pa以下，然后加温到220℃，维持10h，降温到室温，完成键合的整个过程。

进一步，单晶硅片10表面的薄膜层为二氧化硅层。

进一步，中温加热的温度为80-150℃和/或高温加热的温度为200-240℃。

进一步，对基体的单晶硅片10表面进行单面抛光，通过退火钝化，使表面形成二氧化硅层。

进一步，还将所述二氧化硅层放入氨水、双氧水混合溶液处理，使硅片表面处于亲水状态。

进一步，对钽酸锂表面进行抛光，形成光滑表面。

进一步，放入键合机之前，先对单晶硅片10表面和钽酸锂表面使用氮气吹干。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本专利文件较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，而且在不背离本发明的精神或 基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将 实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说 明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明 内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：

将单晶硅片与钽酸锂晶片相对设置，保持单晶硅片表面的薄膜层与钽酸锂晶片相对设置，放入键合机；

中温加热，并维持至少1h，完成一次键合，形成一次键合体；

将一次键合体放入退火炉，高温加热退火，完成二次键合；其中，单晶硅片表面的薄膜层与碳酸锂晶片层为异种材质。

2.如权利要求1所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：单晶硅片表面的薄膜层为二氧化硅层。

3.如权利要求2所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：中温加热的温度为80-150℃和/或高温加热的温度为200-240℃。

4.如权利要求1所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：对基体的单晶硅片表面进行单面抛光，通过退火钝化，使表面形成二氧化硅层。

5.如权利要求4所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：还将所述二氧化硅层放入氨水、双氧水混合溶液处理，使硅片表面处于亲水状态。

6.如权利要求1所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：对钽酸锂表面进行抛光，形成光滑表面。

7.如权利要求1所述的钽酸锂晶片异质键合的方法，其特征在于：放入键合机之前，先对单晶硅片表面和钽酸锂表面使用氮气吹干。

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