CN115125618A - 一种改善铌酸锂薄膜晶圆稳定性的工艺方法 - Google Patents

一种改善铌酸锂薄膜晶圆稳定性的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种的工艺制备过程，用来制作耐高温的单晶薄膜铌酸锂或钽酸锂晶圆。在进行离子注入之后，在晶片和硅衬底旋涂氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶，然后在进行晶圆键合，通过调整热退火的温度、时间以及气体，使晶片内部形成损伤层膨胀，进而将薄膜剥离，同时将氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶变性成为致密的二氧化硅薄膜，之后对单晶铌酸锂晶圆另一面进行抛光打磨，得到耐高温的铌酸锂薄膜。利用此工艺制备的铌酸锂或钽酸锂薄膜晶圆的耐高温性能将会大大提高，极大拓展了铌酸锂或者钽酸锂薄膜材料在微纳器件领域的应用。

Description

一种改善铌酸锂薄膜晶圆稳定性的工艺方法
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，具体为一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的制作方法。
背景技术
具有“光学硅”之称的铌酸锂是一种集光折变效应、非线性效应、声光效应、电光效应、压电效应和热电效应等于一体的材料，可以制备集成光子回路中的光波导、光开关、分/合束器、压电调制器和电光调制器等片上器件。其中铌酸锂电光调制器是光子集成和是现代通信的核心器件，已经成为当前电光调制器市场的主流产品。
目前主要采用智能剥离技术（Smart-Cut）来大规模制备单晶薄膜铌酸锂晶圆，该工艺主要步骤是：首先对衬底晶圆（通常是单晶硅）进行高温氧化，形成一层二氧化硅，然后对铌酸锂晶片进行离子注入，再将衬底晶圆和铌酸锂晶片一起键合，最后通过热退火使得铌酸锂晶片在特定厚度下断裂，同时增强铌酸锂和衬底硅晶圆之间的键合力。这种技术的核心是利用薄膜铌酸锂与硅衬底上二氧化硅介质层的分子间范德华力来实现晶圆键合。
采用上述智能剥离技术可以实现薄膜铌酸锂晶圆的大规模制备。但是由于后续光集成加工的器件都是基于晶圆界面分子间的范德华力。而这种利用范德华力的晶圆键合，通常其键合强度不高，很容易在微纳加工的高温退火过程中发生开裂或者剥离，破坏集成光路结构。因此，如何增加铌酸锂薄膜与载体晶圆表面之间的键合强度，制备耐高温的铌酸锂薄膜晶圆，对扩大铌酸锂薄膜在集成芯片领域起着关键的作用。
发明内容
为解决上述问题，一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的制作方法，具体包括：
S1、在所述晶片上进行离子注入；
S2、在所述晶片上旋涂光刻胶，形成一层薄膜；
S3、在所述衬底上旋涂光刻胶，形成一层薄膜；
S4、将所述旋涂有光刻胶的晶片和衬底进行晶圆键合；
S5、通过热退火加热至第一退火温度，使得所述铌酸锂薄膜与铌酸锂单晶分离；
S6、通过热退火加热至第二退火温度，所述第二退火温度大于第一退火温度，同时在退火过程中持续通入气体；
S7、采用化学机械抛光工艺来得到最终铌酸锂薄膜晶圆。
进一步地，在对晶片离子注入之前，所述工艺还包括：
对所述晶片进行化学机械抛光处理；
进一步地，在步骤S2中，所述晶片为单晶铌酸锂或者单晶钽酸锂；
进一步地，在步骤S2中，所述光刻胶为氢倍半硅氧烷聚合物，并且旋涂在晶圆抛光面，光刻胶厚度为500纳米至1500纳米；
进一步地，在步骤S3中，所述衬底为单晶硅，并且至少一面经过抛光处理；
进一步地，在步骤S3中，所述光刻胶为氢倍半硅氧烷聚合物，并且旋涂在硅晶圆的抛光面，光刻胶厚度为500纳米至1500纳米；
进一步地，在步骤S4中，将晶片的光刻胶面和衬底晶圆的光刻胶面进行键合；
进一步地，在步骤S5中，所述第一退火温度为200℃至350℃；
进一步地，在步骤S6中，所述第二退火温度为1000℃至1300℃；
进一步地，在步骤S7中，所述气体为高纯度氧气；
进一步地，进行化学机械抛光处理后，所述制备方法还包括：晶圆清洁处理。
采用本发明制备的铌酸锂薄膜晶圆具有以下特点：利用氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶来作为晶圆键合时中间的缓冲介质，这种柔性介质在晶圆键合时可以减小应力，提高键合的良品率；通过高温氧化处理，可以将铌酸锂晶圆和硅衬底之间的光刻胶介质发生变性，形成二氧化硅缓冲层，这种化学键合方式避免了使用范德华力来进行晶圆键合，极大提高了铌酸锂薄膜晶圆的高温稳定性。
附图说明
图1示出了本发明实施例中铌酸锂晶片的结构图；
图2示出了本发明实施例中铌酸锂晶片离子注入的示意图；
图3示出了本发明实施例中铌酸锂晶片和光刻胶层的示意图；
图4示出了本发明实施例中衬底硅晶圆和光刻胶层的示意图；
图5示出了本发明实施例中晶圆键合键合后的结构示意图；
图6示出了本发明实施例中经过热退火后的键合晶圆结构示意图。
具体实施方式
薄膜铌酸锂拥有可观的电光效用，物理化学性能稳定，可以在芯片上实现大色散的调制，进而实现大规模的集成应用。基于此，本发明提出一种新型工艺来进一步提升薄膜铌酸锂晶圆的耐高温性能。以下将结合具体实施例来详细介绍本发明。本实施例将有助于加深相关领域人员对本发明的理解，但是在本发明基础上进行的一些改进和变形，都属于本发明的保护范畴。
图1为单晶铌酸锂晶片，并在其上表面进行抛光处理形成光滑表面101，其下表面102不进行抛光处理。随后对单晶铌酸锂晶片进行离子注入（通常为氦离子），离子穿过晶片光滑表面101后在特定深度聚集，形成损伤层201。损伤层的厚度可以通过调节离子注入的能量和速度来调节。随后在图3中，在离子注入后的铌酸锂晶片的101表面旋涂一层氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶301。之后再对图4中衬底硅晶圆401的抛光过的上表面402旋涂一层氢倍半硅氧烷聚合物光刻胶403，然后如图5将铌酸锂晶片和硅衬底的光刻胶表面403和301进行晶圆键合，对键合后的晶圆进行第一次退火，退火加热至200℃以上，使得铌酸锂晶片在离子注入损伤层201断裂，并与单晶铌酸锂102分离，形成如图6所示的单晶铌酸锂薄膜601。之后对图6中的铌酸锂薄膜晶圆进行第二次退火，退火温度为1000℃以上，同时持续通入氧气，使得光刻胶层403和301融为一体，并且变性为二氧化硅介质层薄膜。最后再对退火后的铌酸锂薄膜601进行化学机械抛光处理。

Claims (11)

1.本发明提出一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，该方法通过离子注入，光刻胶旋涂、晶圆键合和热退火等工艺来实现，所述方法包括晶片、衬底和光刻胶，其特征在于，包括：
在所述晶片上进行离子注入；
在所述晶片上旋涂光刻胶，形成一层薄膜；
在所述衬底上旋涂光刻胶，形成一层薄膜；
将所述旋涂有光刻胶的晶片和衬底进行晶圆键合；
通过热退火加热至第一退火温度，使得所述铌酸锂薄膜与铌酸锂单晶分离；
通过热退火加热至第二退火温度，所述第二退火温度大于第一退火温度，同时在退火过程中持续通入气体；
采用化学机械抛光工艺来得到最终铌酸锂薄膜晶圆。
2.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：在对晶片离子注入之前，所述工艺还包括：
对所述晶片进行化学机械抛光处理。
3.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：光刻胶为氢倍半硅氧烷聚合物，并且旋涂在晶圆抛光面，光刻胶厚度为500纳米至1500纳米。
4.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：衬底为单晶硅。
5.如权利要求4所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：硅晶圆至少一面经过抛光处理。
6.如权利要求5所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：所述光刻胶为氢倍半硅氧烷聚合物，并且旋涂在硅晶圆的抛光面，光刻胶厚度为500纳米至1500纳米。
7.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：将晶片的光刻胶面和衬底晶圆的光刻胶面进行键合。
8.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：所述第一退火温度为200℃至350℃。
9.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：所述第二退火温度为1000℃至1300℃。
10.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：所述气体为高纯度氧气。
11.如权利要求1所述的一种改善铌酸锂薄膜晶圆高温稳定性的工艺方法，其特征在于：进行化学机械抛光处理后，所述制备方法还包括：晶圆清洁处理。
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