CN111900106B - 一种大面积柔性衬底InP HBT器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积柔性衬底InP HBT器件及其制备方法，制备方法包括：在InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构；完成器件及电路制备；InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合；对InP衬底背面选择性去除直至停止层；通过滚轴压印的方法实现InP HBT外延层背面与柔性衬底贴合；通过加热的方法加强InP HBT外延层背面与柔性衬底的贴合；将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性衬底InP HBT器件。本发明通过外延层剥离和滚轴压印的方式，实现大面积柔性衬底InP HBT器件的制备，该制备方法能够与现有化合物半导体工艺和微纳加工工艺兼容，具备批量化制备潜力。

Description

一种大面积柔性衬底InP HBT器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种大面积柔性衬底InP HBT器件及其制备方法。
背景技术
InP HBT具有优异的频率特性、良好的器件一致性以及击穿特性，是实现超高速、超高频电路的最佳选择，在无线通信、高频传输等方面具有重要的应用前景。通常InP HBT器件制备在刚性的InP衬底外延片上，而且InP衬底极为易碎，一定程度上制约了InP HBT器件的发展。如果InP HBT器件具有可拉伸、可延展等柔性特点，则其将具有更大的灵活性，能够适应非平面、小体积等不同复杂的工作环境，满足未来电子信息设备小型化、高集成化和智能化的发展需求。
针对刚性衬底电子器件的柔性化需求，国际上主流方法是将刚性衬底薄膜化，使其具有弯曲、延展等柔性特性，然后再将其直接贴附到PDMS、PI、PET等高分子聚合物柔性衬底上。这种方式还存在许多问题有待解决，例如柔性衬底与半导体晶体管器件之间的界面接触不紧密，界面性质不稳定等问题，导致器件性能在柔性衬底上及大变形环境下性能退化甚至失效。此外目前公开报道的所有超高速、超高频柔性电子器件的制备面积都比较小，尚无法一次制备大面积的柔性晶体管器件，而且在转移过程中容易出现破损现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，用于解决现有传统刚性衬底电子器件柔性化过程中器件性能退化严重和大面积批量制备困难等问题，制备出高性能大面积柔性衬底InP HBT器件。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种大面积柔性衬底InP HBT器件，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的热固性粘附层和InP HBT器件，带有热固性粘附层的柔性衬底通过滚轴压印的方法与InP HBT器件贴合。
进一步的，所述的柔性衬底为柔性金属、聚酰亚胺、聚乙烯乙二醇或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述的热固性粘附层材料为苯并环丁烯或高温蜡。
一种制备大面积柔性衬底InP HBT器件的方法，包括以下步骤；
1)InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延片；
2)在带有停止层的InP HBT外延片上完成器件及电路制备；
3)在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料；
4)将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合；
5)对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层；
6)将带有热固性粘附层的柔性衬底通过滚轴压印的方法实现InP HBT外延层背面与柔性衬底贴合；
7)通过加热的方法加强InP HBT外延层背面与柔性衬底的贴合；
8)将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性衬底InP HBT器件。
进一步的，步骤2)中，所述InP衬底为半绝缘衬底，停止层材料为InGaAs或InGaP；InP HBT外延层为InP/InGaAs/InP，外延层厚度不超过10μm。
进一步的，步骤3)中，所述临时载片为蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片，所述可逆临时键合材料为光刻胶、粘合剂、固态蜡类中的一种。
进一步的，步骤4)中临时键合温度为100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，时间为5-30分钟。
进一步的，步骤5)中，衬底减薄方法为机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀和干法刻蚀中的任意一种或几种；InP衬底可以通过上述几种减薄方式相结合来选择性去除，并利用腐蚀停止层或者刻蚀停止层得到厚度不超过10μm的InP外延层。
进一步的，步骤6)中，所述的热固性粘附层材料为苯并环丁烯或高温蜡。
进一步的，步骤7)中所述的加热温度为RT-300℃，时间为10-180分钟。
进一步的，步骤8)中，所述InP HBT外延层与临时载片分离采用光解或热解方式。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)通过外延层剥离和滚轴压印的方式，能够与现有化合物半导体工艺和微纳加工工艺兼容，具备批量化制备潜力，解决传统刚性衬底半导体电子器件柔性化制备过程中器件性能退化严重和大面积批量制备困难等问题，具备批量化制备潜力，为电子器件的小型化、集成化和智能化发展奠定基础；(2)热固性粘附层结合了滚动压印的方法，相比金属、聚合物、介质等材料键合来说，柔性衬底与InP HBT结合更加简单，不需要高端的键合机，成本低，工艺简单，机械滚轴就可实现大面积柔性衬底InP HBT器件的制备。
附图说明
图1是InP衬底示意图。
图2是InP衬底上正向外延带有停止层的InP HBT外延层示意图。
图3是InP器件及电路制备示意图。
图4是完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片临时键合示意图。
图5是InP衬底背面选择性去除示意图。
图6是InP HBT外延层背面与柔性衬底滚轴压印示意图。
图7是InP HBT外延层背面与柔性衬底加热强化示意图。
图8是InP HBT外延层与临时载片分离示意图。
图中：1是InP衬底，2是InP HBT外延层，3是停止层，4是InP HBT器件及电路结构，5是临时键合材料，6是临时键合载片，7是热固性粘附层，8是柔性衬底，9是滚轴装置。
具体实施方式
本发明提供一种大面积柔性衬底InP HBT器件及制备方法，大面积柔性衬底InPHBT器件，包括柔性衬底、热固性粘附层和InP HBT器件及电路，所述InP HBT器件位于柔性衬底上。通过外延层剥离和滚轴压印的方式，实现大面积柔性衬底InP HBT超高速、超高频器件的制备，同时具有良好的弯曲性和延展性等柔性特点。该制备方法能够与现有化合物半导体工艺和微纳加工工艺兼容，具备批量化制备潜力，为柔性电子器件的高频化、高速化发展奠定重要基础。
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案。
一种大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，包括以下步骤：
①在InP衬底1上正向生长带有停止层的InP HBT外延结构2：其中InP衬底1为半绝缘衬底，通过MBE或MOCVD等方法在InP衬底1上先异质外延一层InGaAs、InGaP等材料作为停止层3，停止层3厚度在20nm-1μm，然后依次外延InP/InGaAs/InP等常见InP HBT结构，外延层厚度在1-10μm，如图1、2所示。
②在带有停止层的InP HBT外延片上完成器件及超高速电路4制备：在带有停止层的InP HBT外延片正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及电路的制备，如图3所示。
③在临时载片6正面旋涂可逆临时键合材料5：其中临时载片6为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化铝等刚性衬底，可逆临时键合材料5为光刻胶、粘合剂、高温蜡类中的一种，且在一定条件下与临时载片6的粘附程度可逆，临时键合材料厚度在10-50μm，旋涂转速设置为1000-5000转/分钟，旋涂时间为30秒-1分钟，将涂好可逆临时键合材料的临时载片6正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为100-200℃，时间为1-5分钟。
④将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合：将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，键合时间为5-30分钟，如图4所示。
⑤对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层3：通过机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀和干法刻蚀等几种减薄方式中的一种或几种相结合，对InP外延片衬底进行减薄，并将衬底全部去除，直到表面露出停止层3为止，如图5所示。
⑥将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行滚轴压印贴合：在InP HBT外延层背面旋涂一层热固性粘附层7，此热固性粘附层7包括但不限于苯并环丁烯、高温蜡等常用聚合物材料，厚度1-10μm，将InP HBT外延片背面与柔性衬底8贴合在一起，此柔性衬底8包括但不限于柔性金属、聚酰亚胺、聚乙烯乙二醇和聚对苯二甲酸乙二醇酯等材料，然后通过滚轴装置9将InP HBT外延片背面与柔性衬底8固定并进行滚动压印，如图6所示。
⑦将InP HBT外延层背面与柔性衬底进行加热强化贴合：将InP HBT外延片背面与柔性衬底贴合在一起后放入烘箱进行加热强化，使热固性粘附层材料能够完全固化，温度RT-300℃，时间为10-180分钟，如图7所示。
⑧将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性InP HBT器件：将键合后的结构通过光解或热解等方式，实现与临时载片的分离，得到柔性衬底InP HBT器件，如图8所示。
热固性粘附层结合了滚动压印的方法，相比金属、聚合物、介质等材料键合来说，柔性衬底与InP HBT结合更加简单，不需要高端的键合机，成本低，工艺简单，机械滚轴就可实现大面积柔性衬底InP HBT器件的制备。
下面通过实施例对本发明内容做进一步说明。
实施例
一种大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，包括以下步骤：
①在半绝缘InP衬底上，通过MBE制备出厚度200nm的InGaAs停止层，然后依次外延厚度为200nm的InP、1μm的InGaAs和100nm的InP HBT外延层结构。
②在该InP HBT外延层正面通过光刻、蒸发、刻蚀、沉积等工艺完成器件及超高速电路的制备。
③在碳化硅临时载片正面旋涂25μm的临时键合材料粘合剂，旋涂转速为3000转/分钟，旋涂时间为45s，将涂好临时键合材料的碳化硅临时载片正面朝上放在热板上预烘烤，热板温度设置为110℃，时间为2分钟。
④将完成电路工艺的InP外延片与碳化硅临时载片正面相对贴合在一起，放入粘片机中进行临时键合，键合温度设置在190℃，压力为200MPa，键合时间为20分钟。
⑤通过机械研磨将以碳化硅载片为支撑的InP HBT外延片从背面减薄至100μm，然后放入湿法腐蚀液中进行腐蚀，直至InP衬底完全去除，露出InGaAs停止层。
⑥在InP HBT外延层背面旋涂一层苯并环丁烯聚合物材料，厚度5μm，将InP HBT外延片背面与聚酰亚胺柔性衬底贴合在一起，然后通过滚轴将InP HBT外延片背面与聚酰亚胺柔性衬底固定并进行滚动压印。
⑦将InP HBT外延片背面与聚酰亚胺柔性衬底贴合在一起后放入烘箱进行加热强化，使苯并环丁烯聚合物材料能够完全固化，温度250℃，时间为60分钟。
⑧将该碳化硅载片、超薄InP HBT电路和聚酰亚胺柔性衬底构成的键合结构放置在加热台上进行加热，加热温度为200℃，通过热滑动剥离法将碳化硅载片分离，并用去胶剂、丙酮、酒精清洗，得到柔性衬底InP HBT器件。
经过以上步骤，就实现了一种大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大面积柔性衬底InP HBT器件，其特征在于，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的热固性粘附层和InP HBT器件，带有热固性粘附层的柔性衬底通过滚轴压印的方法与InP HBT器件贴合；所述的热固性粘附层材料为苯并环丁烯或高温蜡。
2.根据权利要求1所述的大面积柔性衬底InP HBT器件，其特征在于，所述的柔性衬底为柔性金属、聚酰亚胺、聚乙烯乙二醇或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.一种制备大面积柔性衬底InP HBT器件的方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)InP衬底上正向生长带有停止层的InP HBT外延片；
2)在带有停止层的InP HBT外延片上完成器件及电路制备；
3)在临时载片正面旋涂可逆临时键合材料；
4)将完成电路工艺的InP HBT外延片与临时载片正面相对进行临时键合；
5)对InP衬底背面进行选择性去除直至停止层；
6)将带有热固性粘附层的柔性衬底通过滚轴压印的方法实现InP HBT外延层背面与柔性衬底贴合，所述的热固性粘附层材料为苯并环丁烯或高温蜡；
7)通过加热的方法加强InP HBT外延层背面与柔性衬底的贴合；
8)将InP HBT外延层与临时载片分离，得到柔性衬底InP HBT器件。
4.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述InP衬底为半绝缘衬底，停止层材料为InGaAs或InGaP；InP HBT外延层为InP/InGaAs/InP，外延层厚度不超过10μm。
5.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述临时载片为蓝宝石、硅片、碳化硅片或氮化铝片，所述可逆临时键合材料为光刻胶、粘合剂、固态蜡类中的一种。
6.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤4)中临时键合温度为100-350℃，压力为100Mpa-5000MPa，时间为5-30分钟。
7.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤5)中，衬底减薄方法为机械研磨、机械抛光、化学抛光、湿法腐蚀和干法刻蚀中的任意一种或几种；并利用腐蚀停止层或者刻蚀停止层得到厚度不超过10μm的InP外延层。
8.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤7)中所述的加热温度为RT-300℃，时间为10-180分钟。
9.根据权利要求3所述的大面积柔性衬底InP HBT器件的制备方法，其特征在于，步骤8)中，所述InP HBT外延层与临时载片分离采用光解或热解方式。
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