应用于非制冷红外焦平面的硅锗薄膜平行转移方法

摘要

本发明公开了一种应用于非制冷红外焦平面的硅锗薄膜平行转移方法，包括清洗晶圆，对晶圆进行涂胶和前烘，用夹具固定晶圆形成晶圆对，对晶圆对进行热压键合，去除SI支撑层和BOX层等步骤，本发明无需考虑敏感材料沉积条件与CMOS晶圆的工艺兼容性问题，可以使用沉积温度在600℃以上的硅锗/硅量子阱材料，拓展了非制冷红外焦平面可使用的敏感材料范围；免去了对晶圆键合面的抛光工艺，平行转移后的材料黏附的也更好，更适应于大规模生产；本发明直接以键合胶作为牺牲层存在，无论是键合胶的涂布工艺还是去除工艺都更为简单，牺牲层的厚度也更加灵活可控。

说明书

 

技术领域

本发明属于微电子加工技术应用在红外成像器件制造领域，特别是一种应用于非制冷红外焦平面的硅锗薄膜平行转移方法。

背景技术

红外成像技术在军事和民用领域有着广泛的应用与需求。红外成像反应了物体表面热辐射及其内部热耗散的信息，是人们在可见光波段范围外的视觉延伸，是观察和感知客观世界的一种新手段。随着红外敏感材料技术的突破以及MEMS（微电子机械系统）制造技术的飞速发展和日益成熟，微型测辐射热仪已经被广泛应用于军事和民用领域，如热像仪、夜视摄像机、热传感器、监控像机等产品。这些仪器的主要性能是由测辐射热计阵列像元的红外吸收率、电阻温度系数(TCR)、热绝缘性和噪声性能等多因素共同决定的。在这些参数中电阻温度系数特性以及电阻特性是影响微型测辐射热仪(microbolometers)性能的重要因素。因此寻找各种测辐射热材料的开发研究工作非常活跃，这些材料包括金属、氧化物，半导体和超导体材料等。其中硅锗/硅型量子阱材料由于其较高的TCR及相对传统TCR材料（氧化钒、非晶硅）较低的噪音特征，非常适合应用于微测辐射热仪，因此备受瞩目。但是由于硅锗/硅量子阱材料的沉积温度（600℃以上）远大于CMOS（互补金属氧化物半导体）读出电路的耐受温度（475℃），难以直接在CMOS读出电路上直接沉积敏感材料然后制造出阵列，其中一种解决方案是在SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）晶圆上沉积敏感材料，再将敏感材料转移到CMOS电路上。但如何将SOI晶圆上沉积的敏感材料转移到CMOS晶圆上，是硅锗/硅量子阱材料在侧辐射热计阵列上应用的关键问题。

将SOI晶圆上的敏感材料转移到CMOS晶圆上，现有的平行转移方法一般是采用基于离子辅助直接键合的平行转移工艺。这种方法一般是先采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）的方法在SOI晶圆和CMOS晶圆的键合面上分别沉积一层二氧化硅牺牲层，然后使用抛光或者其他方法将二氧化硅表面粗糙度降至<0.2nmRMS，再用等离子体处理键合表面并加热加压键合SOI晶圆和CMOS晶圆，最后去除SOI晶圆上的硅支撑层和BOX层(SOI晶圆中的埋层氧化物，一般是二氧化硅)，完成平行转移。

在使用离子辅助直接键合时，常常由于离子能量和键合表面间形貌的不均匀，导致键合区域键合强度不一，甚至无法键合。由于这些问题的存在，特别是其对表面粗糙度的高要求（<0.2nmRMS），导致这种键合方法仅在实验室内有相应的设备可以实现，难以适应于大规模的阵列制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需考虑敏感材料沉积条件与CMOS晶圆的工艺兼容性问题, 可以使用沉积温度在600℃以上的硅锗/硅量子阱材料，拓展了非制冷红外焦平面可使用的敏感材料范围,且键合强度高、键合均匀、设备要求低、工艺流程简单的应用于非制冷红外焦平面的硅锗薄膜平行转移方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种应用于非制冷红外焦平面的硅锗薄膜平行转移方法，包括以下步骤：

步骤一：按1比5的比例混合25%的NH3溶液和去离子水，沸腾后，按1比6的比例加入H2O2，然后将SOI晶圆和CMOS晶圆在溶液中浸没10分钟，并用氮气吹干，然后置于烘箱中，在150-200℃下，烘烤15-30分钟；

步骤二：将SOI晶圆和CMOS晶圆置于甩胶机上，在SOI晶圆和CMOS晶圆的背面旋转涂布键合胶，形成SOI晶圆键合胶层和CMOS晶圆键合胶层，单层键合胶的厚度在0.5-2μm之间；

步骤三：将SOI晶圆和CMOS晶圆置于加热板上，在一定温度下前烘一定时间，以去除溶剂，前烘的温度和时间由胶的型号决定；

步骤四：将涂覆了键合胶的SOI晶圆和CMOS晶圆的SOI晶圆键合胶层和CMOS晶圆键合胶层相对，并固定在键合夹具上形成晶圆对，晶圆间用垫片隔离开；然后将夹具连同晶圆移入键合机的真空操作室内上压板和下压板之间，将夹具固定在夹具固定装置上，关闭真空操作室，抽真空至1*10-4Torr以下；

步骤五：移除晶圆间的垫片，通过键合机的压力传输装置对晶圆施加3.5-4.0*105Pa的压强；

步骤六：通过上下压板上的加热盘加热晶圆对，平缓升温到110-200℃，持续30-60分钟，之后通过上下压板上的制冷盘降温，平缓降温至50℃；

步骤七：压力传输装置停止施加键合压力，真空操作室通气，打开操作室，取出晶圆对，移除键合夹具，获得键合好的晶圆对；

步骤八：用氮气吹洗晶圆对，然后将晶圆对移入ICP深硅刻蚀机中，去除SOI晶圆的硅支撑层；

步骤九：将除去硅支撑层的晶圆对浸没入稀氢氟酸溶液中，去除SOI晶圆上的BOX层，取出晶圆对，完成硅锗薄膜的平行转移；其中稀氢氟酸溶液是指水和氢氟酸按5：1的比例配制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、本发明和传统的非制冷红外焦平面敏感材料转移技术相比无需考虑敏感材料沉积条件与CMOS晶圆的工艺兼容性问题，可以使用沉积温度在600℃以上的硅锗/硅量子阱材料，拓展了非制冷红外焦平面可使用的敏感材料范围；

2、本发明的方法所需要的工艺设备更简单，免去了对晶圆键合面的抛光工艺，平行转移后的材料黏附的也更好，更适应于大规模生产；

3、本发明中是直接以键合胶作为牺牲层存在，无论是键合胶的涂布工艺还是去除工艺都更为简单，牺牲层的厚度也更加灵活可控。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为平行转移键合工艺所使用的固定晶圆对的键合夹具的原理图。

图2为平行转移键合工艺所使用的键合装置的原理图。

图3为平行转移键合工艺实施的工艺流程示意图，分为(a)清洗、(b)涂胶、(c)键合、(d)减薄四个步骤。

图4为平行转移键合工艺实施的流程图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3，本发明是应用于非制冷红外焦平面制造的硅锗薄膜平行转移键合技术，分别以mr-i 9100m胶和ULTRA-i 300胶为例，简述平行转移过程。

其中使用mr-i 9100m胶的工艺步骤如下：

步骤一：如图3中的清洗步骤所示，按照RCA1步骤（按1比5的比例混合25%的NH3溶液和去离子水，沸腾后，按1比6的比例加入H2O2，然后将晶圆在溶液中浸没10分钟）清洗SOI晶圆2和CMOS晶圆3，并用氮气吹干，然后置于烘箱中，在200℃下，烘烤30分钟；其中SOI晶圆2依次包括硅支撑层12、BOX层13、硅锗薄膜14,CMOS晶圆包括金属电极17、CMOS电路18，金属电极17分布在CMOS电路18的背面。

步骤二：如图3中的涂胶步骤所示，将SOI晶圆2和CMOS晶圆3置于涂胶机上，旋转涂布mr-i 9100m纳米压印胶,形成SOI晶圆键合胶层15和CMOS晶圆键合胶层16。（胶厚由涂胶机转速决定。mr-i 9100m胶，在涂胶机转速为3000rpm时，胶厚1μm）

步骤三：将SOI晶圆2和CMOS晶圆3置于加热板上，在100℃下软烘2分钟，以去除溶剂。

步骤四：将SOI晶圆2和CMOS晶圆3置于烘箱中，加热至一定温度预固化键合胶层15和键合胶层1630分钟。（本步骤可选。一般来说，是否预固化以及预固化的温度，是根据胶的类型以及厚度来确定，mr-i 9100m胶，在160℃下预固化30分钟）

步骤五：如图1所示,将晶圆对固定在键合夹具1上，晶圆间用垫片4隔离开。如图2所示，然后将夹具连同晶圆移入键合机的真空操作室11内上压板8和下压板9之间，将夹具固定在夹具固定装置7上，关闭真空操作室11，抽真空至1.5*10-4Torr。

步骤六：如图1、2所示，移除晶圆间的垫片4，通过键合机的气动或者液压执行机构5对晶圆施加3.5-4.0*105Pa的压强。

步骤七：如图2所示，通过上下压板上的加热盘10加热晶圆，以7.5℃/min的速率升温到200℃，持续50分钟，之后通过上下压板上的制冷盘6降温，以4℃/min的速率降温至50℃。

步骤八：如图2所示，执行机构5停止施加键合压力，真空操作室11通气，打开操作室11，取出晶圆对，移除键合夹具1。获得如图3中键合步骤所示的键合好的晶圆对。

步骤九：如图3中的减薄步骤所示，用N2吹洗晶圆对，然后将晶圆对移入ICP深硅刻蚀机中，去除SOI晶圆的硅支撑层12。

步骤十：将去除硅支撑层的晶圆对浸没入BHF（HF与去离子水的比例为1比5）溶液中（浸没时间由BOX层13厚度决定，典型情况下，BHF溶液对SiO2的刻蚀速率为1000埃/分），去除SOI晶圆上的BOX层13，取出晶圆对，这样就完成了量子阱材料由SOI晶圆向CMOS晶圆的平行转移。

其中使用ULTRA-i 300胶的工艺步骤如下：

步骤一：如图3中的清洗步骤所示，按照RCA1步骤清洗SOI晶圆2和CMOS晶圆3，并用氮气吹干，然后置于烘箱中，在200℃下，烘烤30分钟。

步骤二：如图3中的涂胶步骤所示，将SOI晶圆2和CMOS晶圆3置于涂胶机上，旋转涂布ULTRA-i 300胶,形成键合胶层15和键合胶层16。（胶厚由涂胶机转速决定。ULTRA-i 300胶，在涂胶机转速为3000rpm时，胶厚2μm）

步骤三：将SOI晶圆2和CMOS晶圆3置于加热板上，在70℃下软烘2分钟，以去除溶剂。

步骤四：如图1所示,将晶圆对固定在键合夹具1上，晶圆间用垫片4隔离开。如图2所示，然后将夹具连同晶圆移入键合机的真空操作室11内上压板8和下压板9之间，将夹具固定在夹具固定装置7上，关闭真空操作室11，抽真空至1.5*10-4Torr。

步骤五：如图1、2所示，移除晶圆间的垫片4，通过键合机的气动或者液压执行机构5对晶圆施加3.5-4.0*105Pa的压强。

步骤七：如图2所示，通过上下压板上的加热盘10加热晶圆，以4℃/min的速率升温到110℃，持续30分钟，之后通过上下压板上的制冷盘6降温，以3℃/min的速率降温至50℃。

步骤八：如图2所示，执行机构5停止施加键合压力，真空操作室11通气，打开操作室11，取出晶圆对，移除键合夹具1。获得如图3中键合步骤所示的键合好的晶圆对。

步骤九：如图3中的减薄步骤所示，用氮气吹洗晶圆对，然后将晶圆对移入ICP深硅刻蚀机中，去除SOI晶圆的硅支撑层12。

步骤十：将去除硅支撑层的晶圆对浸没入BHF溶液中，去除SOI晶圆上的BOX层13，取出晶圆对，这样就完成了量子阱材料由SOI晶圆向CMOS晶圆的平行转移。

以上工艺流程分别以两种可以用氧等离子去胶机去除的B型热固性聚合物键合胶（mr-i 9100m和ULTRA-i 300）作为范例讲解了本发明的平行转移工艺流程。通过一系列工艺步骤，获得了如图3减薄步骤所示的以键合胶为牺牲层，顶端有硅锗量子阱材料的CMOS晶圆。