（光学工程专业论文）利用薄膜转移工艺的传感器制造技术.pdf

利用薄膜转移工艺的传感器制造技术 学科：光学工程 研究生签字： 力9 军风 指导教师签字： 摘要 钽酸锂( “t a 0 3 ，l ，t ) 晶体具有良好的热释电性能，在制造红外热释电探测器阵列 过程中，需要利用超薄钽酸锂晶片作为红外热释电探测器件的敏感层。 通过理论计算获得了钽酸锂晶片的电压响应度及噪声电压同探测器单元电容之间的 关系，从而确定了钽酸锂薄膜的厚度。通常钽酸锂晶片的厚度远厚于红外热释电探测器件 要求的厚度，所以通过薄膜转移的方法，利用键合减薄技术( w a f e r b o n d i n ga n d m e c h a n i c a l t h i n n i n g ) 获得需要的超薄钽酸锂薄膜。主要工艺包括：裁片、清洗、聚合物键合( p o l y m e r b o n d i n g ) 、减薄( m e c h a n i c a lt h i n n i n g ) 、抛光( p o l i s h i n g ) 、剥离( l i f t - o f f ) 、等离子 体刻蚀( p l a s m ae t c h i n g ) 苯并环丁烯( b e n z o c y l o - b u t 目n e 简称b c b ) 、测试钽酸锂块体 和薄膜的介电特性。实验使用的基片是l t 晶片、单面抛光的n 型( 1 0 0 ) 硅片，面积为 1 0 m m x l o m m 。在进行聚合物键合时，通过正交设计来安排试验，将原来的大量试验简化 为9 组试验。通过偏光显微镜对键合后的聚合物薄膜表面形貌的观察，发现在键合过程中 恒温温度、恒温时间、升温斜率、匀胶速率是影响键合性能的主要因素。获得了b c b 键 合的一组最佳参数：恒温温度2 0 0 、恒温时间5 0 s 、升温速率2 k s 、匀胶速率2 5 0 0 r m i n l 。 利用铣磨( g r i n d i n g ) 加手工抛光的方法得到钽酸锂薄膜的厚度2 1 o 岫、表面粗糙度 2 6 5 r i m 、面形精度为0 2 1 u m 。采用材料超低频介电特性测试系统和热释电系数测试系统 对钽酸锂薄膜的介电特性进行测量，得到l t 薄膜相对介电常数( 4 8 3 0 4 ) 、介电损耗 ( 1 7 6 _ + 0 0 3 ) x 1 0 0 、热释电系数( 1 6 0 0 3 ) x 1 0 4 c m k 1 。 测试表明l t 薄膜具有良好的介电特性并且满足红外热释电探测器敏感层的要求。 关键词：红外热释电探测器；薄膜转移：l i t a 0 3 晶片；键合减薄技术；相对介电常数： 介电损耗；热释电系数 s e n s o rf a b r i c a t i o nb yf i l mt r a n s f e rp r o c e s s d i s c i p l i n e ：o p t i ce n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e 2 ；a 厶厶棚 s u p e r v i s o rs i g n a u r e ： 厶吃圯舻一 a b s t r a c t l i t a o a ( l t ) c r y s t a lh a st h ew e l lp y r o e l e c t r i cr e s p o n s e u l t r a t h i nl i t a 0 3w a f e ri sn e e d e d f o rt h ed e v e l o p m e n to f h i g hp e r f o r m a n c ep y r o e l e c t r ci n f r a r e ds c l l s o ra r r a y 1 1 1 er e l a t i o n s h i po f v o l t a g er e s p o n s i b i l i t y , n o i s ev o l t a g ea n dc a p a c i t a n c eo fs e n s o rc e l lw a s a c q u i r e db yt h e o r yc a l c u l a t i o na n dt h et h i c k n e s so f l i t a 0 3w a f e rw a sa c q u i r e d t h et h i c k n e s so f l i t a 0 3w a f e rw a st h i c k e rt h a nt h i c k n e s sr e q u i r e d u l t r a t h i nl i t a 0 3w a f e rw a sa c q u i r e db y u s i n gan o v e lw a f e rb o n d i n ga n dm e c h a n i c a lt h i n n i n gp r o c e s s e sw i t hl a r g e a r e am e m b r a n e r e l e a s ea n dt r a n s f e r - l a m r t t h em a i np r o c e s s e si n c l u d e d s l i c i n gc u t t i n g ，c l e a n i n g ，p o l y m e r b o n d i n g , m e c h a n i c a lt h i n n i n g ，p o l i s h i n g ，l i f t o f f , p l a s m ae t c h i n gb e n z o - c y l o b u t e n ea n dt e s t i n g t h e e l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c o ft h eb u l kc r y s m la n du l t r a t h i nw a f e r s u b s t r a t eu s e di n e x p e r i m e n t sa r el o m m x l o m ms i n g l e s i d ep o l i s h e ds i l i c o n ( 1 0 0 ) a n dl tc r y s t a l e x p e r i m e n t so f p o l y m e rb o n d i n gw e r ea r r a n g e di no r t h o g o n a ld e s i g nm o d ei no r d e rt os i m p l i f yt h e m ，t h u s r e s u l t i n gi n9t i m e se x p e r i m e n t so u to fm a n ye x p e r i m e n t s f j l i i ls u r f a c et o p o g r a p h yh a sb e e n a n a l y z e db yp o l a r i z a t i o nm i c r o s c o p ea f t e rp o l y m e rb o n d i n g i tw a sf o u n dt h a t c o n s t a n t t e m p e r a t u r e ，c o n s t a n tt i m e ，h e a t i n g u pr a t e ，c o a t i n gr a t eo fs p e e dw e r em u c hd o m i n a n tf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ep o l y m e rb o n d i n gc h a r a c t e r t h r o u 【曲c o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，t h ep r e f e r a b l e b c bb o n d i n gp a r a m e t e r sw e r ef o u n da s ：c o n s t a n t t e m p e r a t u r e 2 0 0 c o n s t a n tt i m e 5 0 s , h e a t i n g u p r a t e2 k s lg c o a t i n gr a t eo fs p e e d2 5 0 0 r m i n - i a f t e r u s i n gg r i n d i n ga n d p o l i s h i n g ，u l t r a t h i n l tw a f e rh a st h o s ec h a r a c t e r s ：t h i c k n e s s 2 1 0 p m ，s u r f a c er o u g h n e s s 2 6 5 n m s u r f a c ep r i m a r y0 2 1t t m b yu s i n gm a t e r i a ll o w f r e q u e n c yd i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s t c s f i n gs y s t e ma n dp y r o e l e c t r cc o e f f i c i e n tt e s t i n gs y s t e m ，u l a t r a t h i nl tw a f e rh a sf o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i e s ：r e l a t i v ed i e l e c t r i e c o n s t a n t ( 4 8 3 0 4 ) ，d i e l e c t r i cl o s s ( 1 7 6 o 0 3 ) x 1 0 ， p y r o e l e c t r cc o e f f i c i e n tn 6 + 0 0 3 ) x 1 0 。4c m - 2 k 1 1 1 et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eu l t r a t h i nl i t a 0 3w a f e rh a sp e r f e c tc h a r a c t e r i s t i c sa n d s a t i s f i e dt h en e e d e do f p y r o e l e c t r ci n f r a r e ds e n s o ra r r a y k e yw o r d s ：p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r ；f i l mt r a n s f e r ；l i t a 0 3w a f e r ；w a f e rb o n d i n ga n d m e c h a n i c a lt h i n n i n g ；r e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n t ；d i e l e c t r i cl o s s ；p y r o e l e c t r i c c o e f f i c i e n t 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学院有权保留送交的学 位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：交9 罕汊 指导教师签名：_ 力哪害列 、 ，一 日期： z o o t 了玎 擎整论文熬刳蛙声费 学位论文独创性零明 秉承学校严谨静学风与谯蠢的科学道德，本久声嘲所星交豹学位论文是我个入在簿 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标浊和致谢的 缝方乡 ，学位论文不包禽其谴入已经发表或撰写过韵研究成采，不包含零天已审请学餐缓 他人已咿请学位域其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 蚜己在谂文孛 乍了饔确鹃谎翻势表示了致滚。 学能论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学德论文伟喾签名：雳0 琴沃 指罨老师签名： 爵 勿硐 彗。 三# 嚣7 。，。阵 删： 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题来源 课题来源：西安工业大学光电微系统研究所。 1 1 2 课题背景及意义 早在公元前3 1 5 年，古希腊学者在论石头一书曾有这样的叙述【l 】：电气石不仅能 吸引小木片，而且也能够吸引铜或铁的薄片。这可能是有关热释电现象的最早记录。 热释电探测器的核心材料是作为热释电效应的载体一热释电材料是极为重要的，而 且具有优异热释电性能并获得应用的热释电材料中，大部分是铁电体。铁电晶体是一类能 在一定温度范围内，电偶极子自发定向排列( 自发极化) 的材料，并且可以随着外加电场 方向的反向而使其极化强度发生反转。电偶极子之间的相互作用，导致极化强度p 和外加 电场强度e 之间存在着滞后现象，形成电滞回线。这种电滞回线和铁磁铁的磁滞回线相 似，所以称这类极性介电材料为铁电体。这些铁电材料中，外电场使其发生的自发极化强 度的数值，从钽酸锂( l i t a o z ) 的5 o x l 0 5 c m 2 到非常规铁电体木钼酸钆 g d 2 ( m 0 0 4 ) 3 1 的1 7 x 1 0 3 c m 2 。从晶体结构可以说明，没有对称中心是铁电晶体的必要条件。同时，对 大多数铁电体来说，当晶体的温度低于居里( c u r i e ) 温度t c 时，铁电晶体必然具有压电 性和热释电性。 利用热释电效应作为探测电磁辐射的原理，最初是1 9 3 8 年由泰( t a ) 提出来的【2 】。 他在辐射对热释电晶体的作用一文中，建议用小块电气石晶体【化学式为( n a , c a ) ( m g f e ) 3 8 3 a 1 6s i6 ( 0 ，o h ，f ) 3 l 】制作红外探测器。四年后，沙文( s i v i a n ) 在他的专利 能量转换器件中提出用热释电探测器检测经调制的红外辐射。1 9 5 0 年，劳珊梯 ( r o s s e t t i ) 用硫酸锂和酒石酸钾制成热释电红外探测器( 简称热释电探测器) 。1 9 5 6 年， 奇诺维斯( c h y n o w e t h ) p 】用动态方法测量了钛酸钡的热学和电学性能，指出热释电晶体 只对温度的变化率有响应，从而揭示了把热释电应用于探测快速变化的红外辐射的可能的 途径，促进了热释电红外探测器的深入研究。1 9 6 2 年，库伯( c o o p e r ) 1 4 1 系统地分析了热 释电红外探测器的最小可探测功率，用集总参数模式导出了电压响应率的表达式。1 9 6 7 年，用硫酸三甘肽【分子式为( c h 2 n h 2 c o o h ) 3 h 2 s 0 4 ，又称为三甘氨酸硫酸盐】晶体制 作热释电探测器的性能达到一个新的水平【5 l ，推动了热释电探测器实用化的研究进程。 集成电路制造技术【6 】的发展，为集成非制冷热探测器的发展提供了条件。热探测器种 类繁多，按照目前发展的状况，适于集成制造的阵列探测器主要的一类是热释电探测器。 热释电成像探测的真正障碍，在于高性能材料的制备及器件的集成制造技术两个方面。早 西安工业大学硕七学位论文 期利用块状陶瓷或单晶材料制备薄膜的关键问题是：薄膜材料无法表现出与块体材料 相当的性能：薄膜制备方法不适于集成器件的制备。对集成制造的尝试围绕t g s 外延单 晶、p v d f 及减薄单晶等，无法适应高性能期间的要求，只有p v d f 在一些低性能阵列中 得到应用【7 s 】。随后溅射、m o c v d 、p l d 等方法的应用，均没有像溶胶凝胶技术那样被 广泛应用，因为它以设备简单、成本低廉等特点，大大降低了薄膜制备的困难，使多种材 料的薄膜化及新材料的研究成为可能。 热成像探测器件的制造也经历了一些有代表性的发展阶段。最早的成功实例是热释电 摄像管，仅在t g s 类材料中取得成功，其性能指标并不突出，性能改进空间很小，应用 受到限制，研究也停顿了。随后，t i 和p l e s s e y 独立发展出混合集成热释电探测阵列，在 经历一系列发展完善后，t i 研制的b s t 陶瓷阵列的性能优于p l e s s e y 采用正常热释电材 料p z t 陶瓷阵列。这两种器件均不能采用标准硅集成工艺制造，因而成本高、性能提高 空间小。热释电材料的薄膜化及器件制造的集成化成为发展的必然。 在2 0 世纪9 0 年代，测辐射热计集成器件取得的发展、微机电系统和硅微加工技术的 迅速发展和成熟，给热释电探测阵列的集成制造提供了新思想。b a e 的研究小组围绕p s t 和p z t 薄膜的沉积，发展两条不同的工艺路线p “l ：一是尝试在低于4 7 0 的温度下沉积 p z t 薄膜，实现与硅信号处理电路的直接集成；二是过渡基片上沉积p s t ，随后再将此 过渡基片与硅信号处理电路混合集成，这是基于陶瓷混合集成阵列制造技术的成功经验提 出的折衷方案，可以避免热释电薄膜高温沉积对硅信号处理电路的影响。在与r a y t h e o n 合并后，t i 的红外探测器分布也开始了单片集成热释电探测器阵列的研究。从而验证了 热释电材料实现热成像探测器的单片集成的可行性。 热释电材料和器件研究过程的主要成果有：1 9 9 5 年前后，西安交通大学的研究小组 和美国t u f f n e r 等独立提供了利用多孔二氧化硅薄膜为绝热层，改善热释电探测器低频响 应器件的方案【1 1 4 1 ；西安交通大学在国家8 6 3 计划资助下，完成了6 4 x l 阵列的制造； r u f f i a e r 的等则验证了这一方案与硅集成制造的兼容性；f u f l y i g i n 等【15 】在2 0 0 1 年获得了具 有自制成结构的p s t 薄膜。围绕器件结构和薄膜制备及性能研究的成果，为最终获得热 释电探测器阵y i j g , j 造了条件。 目前热释电成像探测阵列的最佳性能指标包括：利用混合集成陶瓷热释电2 4 5 x 3 2 8 阵列的n e t d 达o 0 4 7 k ，而初步演示的同等规模热释电薄膜阵列器件的n e t d 达o 2 k 。 研究的重点将沿着优化薄膜制备方法及薄膜性能方面展开。 热释电探测器具有三大功能： 将人眼的观察范围扩展到光谱红外区； 极大的提高人眼观察的灵敏度； 获得了客观世界与热运动相关的信息。 早期的主动红外夜视仪很容易暴露目标，现已经基本淘汰。微光夜视仪发展的很成熟， 但受天气的影响仍然很大。热释电探测器的出现是夜视技术中的一次革命，其具有五大优 2 西安工业大学硕士学位论文 点： 环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下，并具有较好的穿透烟雾和尘 埃的能力； 隐蔽性好，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰； 识别伪装目标的能力优于可见光，具有较强的反隐身能力： 具有较远的作用距离； 与雷达系统相比，体积小，重量轻，功耗低。 1 2 薄膜转移工艺的概念 阵列探测器的薄膜转移制造技术的主要研究内容是： 将发展一种适用于传感器集成制造的新技术薄膜转移集成制造技术。根据微机 电系统发展的经验和积累的技术成果，传感器制造技术中遇到的一个大困难，是各种传感 器的制造工艺性之间缺乏良好的兼容性，特别当各种传感器用不同的敏感材料时，兼容性 问题更加突出。为此提出采用大面积薄膜转移制造技术( l a r g e a r c a m e m b r a n er e l e a s ea n d t r a n s f e r - l a m r t ) 来制造阵列探测器件。薄膜转移制造技术的核心，是在分离敏感薄膜材 料，通过微加工手段，将大面积薄膜从衬底上剥离下来，实现阵列器件的集成制造。 微小型阵列探测器的薄膜转移于赝单片集成制造技术的核心是薄膜转移工艺。实现 多种传感器的单片集成，将遇到制造工艺不兼容的关键技术问题，使用的基片，传感器材 料，制造工艺均不受限制，因而可以优化传感器的性能。薄膜转移的作用是将传感器薄膜 从其沉积的基片上剥离下来，通过转移工艺集成到另外一个芯片上。这种剥离与转移工艺 可以重复进行，从而保证了传感器芯片的集成制造。 在研制多元热释电探测器时，采用热释电薄膜材料有很多优点，可用多种热释电薄膜 制备工艺制成大面积、性能均匀的材料，这样可以减少制作探测器的工艺步骤。另外热释 电探测器的理论分析表明，器件的厚度减薄到微米数量级，才能使热敏探测器达到理论极 限水平。通过薄膜转移工艺把块状材料减薄到微米数量级，是制各热释电薄膜材料的重要 步骤。 薄膜转移工艺是传感器芯片集成制造技术中的一部分，主要是利用m e m s 微加工 陋1 h o j 的方法将以硅片为基底上的大面积的图形化薄膜转移到另一硅片上。对传感器的集 成化起到了基础性作用。它可以实现传感器的单片集成，将遇到制造工艺不兼容的关键技 术问题，利用薄膜转移的赝单片集成的思想，可以分别独立的制造不同种类的传感器，使 用的基片、传感器材料、制造工艺均不受限制，从而分别优化传感器的性能。薄膜转移的 作用是将传感器薄膜从其沉积的基片上剥离下来，通过转移工艺集成到另外一个芯片上。 这种剥离与转移工艺可以重复进行，从而保证了传感器芯片的集成制造。 西安工业大学硕士学位论文 1 3 薄膜转移工艺的国内外状况 本研究领域的成果主要有s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术。经过近l o 年的发展，目前s o i 材料的主要制造技术有：离子注入隔离- - s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) ： 硅片直接键合与背面腐蚀- b e s o i ；离子注入与键合法相结合u i l i b o n d ：多孔外延 键合- - e l t r a n ( e p i t a x i a l l a y e r t r a n s l ) ；太阳能板制造中的薄膜转移技术。具体包括 以下几个方面： 1 3 1 离子注入隔离s i m o x ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) 1 2 1 1 自从1 9 7 8 年日本n t 公司l s i 实验室的k i z u m i 等首次引入s i m o x ( s e p a r a t i o n b y i m p l a n t e do x y g e n ) 术语，报道了利用o + 注入并结合外延工艺制作成功第一块s i m o x 电路 以来，各国学者经过十余年的努力，对s i m o x 材料制备工艺，材料结构和物理性质进行 了大量的系统的研究工作，目前，国际上有美国的i b i s 公司，法国的s o i t e c 公司等提供 s i m o x 材料。注氧隔离技术( s “0 x ) 原理非常简单，即氧离子注入到硅片表面下，并 形成埋层，在氧化物上面留有一层单晶硅。s i m o x 技术主要包括两个步骤：注氧和高温 退火。用单晶6 h s i c ( 0 0 0 1 ) 作基片，基片的法线方向与离子束入射方向偏离5 0 ，以减小沟道 效应；注氧离子束电流密度约为1 0 v a c m 2 ，能量1 8 0 k e v ，温度6 5 0 c ；最后进行高温退火 处理，其原理如图1 1 所示。 伊 幽辩目 a 注氧 b 高温退火 图1 1 注氧隔离工艺原理图 1 3 2 键合加选择性腐蚀工艺( b e s o i ) 1 1 7 l 这种工艺是利用了各向异性腐蚀液对不同材料或同一材料不同晶面的选择腐蚀性。 健合加选择性腐蚀硅薄膜0 3 e s o i ) 材料的制作工艺具有典型性。首先在硅衬底上外延或扩 散高浓度硼掺杂层( 硼掺杂浓度大t 7 x 1 0 ”c m 4 ) 作为刻蚀阻挡层，再生长所需厚度的低掺杂 单晶硅膜，然后将外延片与氧化硅衬底键合起来。最后利用腐蚀液选择刻蚀外延片，在氧化 硅衬底上留下需要的薄层硅。腐蚀液对掺杂浓度不同的硅材料具有不同的腐蚀速率。k o h 和e p w ( 乙二胺，邻苯二酚和水) 对轻掺杂硅比重掺杂硅( 掺硼浓度大于5 x 1 0 1 9g i l l 。) 的腐蚀速 率高数百倍。而h f ：3 h n 0 3 ：8 c h 3 c o o h 可腐蚀重掺杂硅，但不腐蚀轻掺杂硅。工艺过程如 图1 2 所示。 4 西安工业大学硕士学位论文 e 瑶 e 了吼嘱e 幕蚀 i c l 1 3 3 注氢智能剥离工艺2 抛卅 i b ) e z m s - m 皈s l 图1 2b e s o i t 艺过程 这种工艺是由法国l e t i 公司的m b r u e l 等提出用于制作s o l 的一种转移薄膜材料的 新工艺。l e t i 与s o i t e c 公司共同发展制作u n i b o n ds o i ，并将这个工艺称为智能剥离。 该工艺利用氢离子注入和硅片键合来制备s 0 1 材料，具有硅薄膜厚度容易控制、晶体质 量高、材料利用率高等优点。工艺过程分为三个步骤：首先在室温下以一定能量的氢离子 注入硅片，注入能量取值对应离子注入深度，然后将注氢硅片与氧化硅衬底片在室温下键 合，再在4 5 0 5 5 0 c 范围内退火，使注氢硅片表层下产生气泡层。由于键合的氧化硅衬 底作为支撑片，补偿了表层硅膜的不均匀形变，使气泡沿表层互相扩展，注氢硅片从氢气泡 层分开。剥离下来的硅片可以重复利用，大大节约了源材料。最后通过高温退火加强 u n i b o n ds o i 结构的硅薄膜与氧化硅衬底间的键合强度。为了转移热失配的薄膜材料以及 获得更为光滑的断裂表面，就必须降低剥离温度。采用氢离子与硼离子注入工艺，解决了 这一问题。智能剥离的具体工艺过程如图1 3 所示。 e 三孑筹嬲层 e 了s ，哺底片 注氢离子损伤层 s i 薄层 s l q 衬底片 图1 3 注氢智能剥离工艺过程 1 3 4 多孔外延键合技术i 2 4 i 在c a n o n 的外延转移( e i 肌t a 工艺中，通过在键合之前在结构中引入多孔硅以获得 5 西安工业大学硕士学位论文 可控的键合晶片的分裂。首先在硅晶片表面形成两个不同多孔率和机械特性的多孔硅层， 因此晶片会正好在这两层之间裂开。氢气氛中热处理之后，在单晶多孔硅上外延生长硅， 在整个工艺中，硅都保留原来晶向。随后，这个晶片被键合到第二块氧化晶片的表面，室 温下在高压纯水的喷射下开始裂开。开裂之后，原来晶片可以循环使用，表面呈原子级光 滑。其工艺流程如下图1 4 。 多孔筠 鼢 图1 4 多孔外延键合技术流程 1 3 5 薄膜太阳能板 目前德国斯图加特大学的r b b e r g r n a n n 等人利用大面积薄膜转移技术制造出来了单 晶硅的薄膜太阳能板。太阳能板的薄膜移过程如图1 5 所示2 ”引。 图i 5 太阳能板的薄膜转移过程 太阳能板的薄膜转移过程在硅基上淀积分离层( s e p a r a t i o nl a y e r ) 后再淀积一层单晶 6 西安工业大学硕士学位论文 s i ( q u a s i m o n o c r y s t a l l i n es if i l m ) ；再在单晶s i 上图像化吸收层，再在吸收层上淀积一层 s i m 作为防反膜( a r c ) ，在( a r c ) 上还要图形化一层器件的连接层( e m i t t e rc o n t a c t ) ： 再最上面再淀积一层3 5 9 m 的银膜；分离层裂开，实现薄膜转移。 1 4 本课题研究主要内容 为了制备红外热释电探测器，通常需要经过各种工艺步骤：切割、减薄、抛光、制 备电极及介电特性的测试等。本课题的主要工作是利用薄膜转移制造技术将l 1 晶片进行 减薄，然后对它的介电特性进行测试。具体内容包括： 研究了l t 晶片与s i 片的聚合物键合技术，用正交分析的方法获得了一组最佳试验参 数； 研究了l t 晶片的减薄技术，利用光学冷加工的方法获得超薄l t 薄膜。并对薄膜的 厚度、面形和粗糙度进行测试； 利用材料超低频介电特性测试系统和热释电系数测试系统对l t 块体、l t 薄膜的相 对介电常数、介电损耗及热释电系数进行测试。 1 5 本文内容安排 第一章绪论 第二章实验材料与方法 第三章钽酸锂晶片的b c b 键合研究 第四章钽酸锂薄膜的获得 第五章介电特性测试 第六章结论 7 2 实验材料与方法 2 实验材料与方法 本章主要介绍实验所选用材料的结构与性能、实验工艺的选择、钽酸锂薄膜的厚度计 算及工艺流程的设计。 2 1 钽酸锂晶片的结构与性能 比较常用的热释电材料是钽酸锂【2 9 1 ，它从高温熔体中生长得到，用这种材料制成的 单元和多元红外探测器，用在入侵报警、火车热轴检测、激光监控和焦平面探测器热像仪 等方面，并取得了很好的效果。 钽酸锂1 3 1 1 ( l i t a 0 3 简称l t ) 晶片具有优良的铁电、电光、机械以及物理性能，并 且成本低，从而作为非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、声光晶体和双折射晶体，它 可以在以光技术产业为中心的r r 产业中得到广泛的应用。l t 晶片有如下加工特点【3 i 】：硬 度低( 莫氏5 5 ) 易出划痕；韧性高，加工速度慢；易开裂，主解理面为 0 1 2 ) 面族：对温度 敏感，易产生微畴反转。 早在1 9 4 9 年，就发现了钽酸锂的铁电性。1 9 6 5 年用提拉法从熔体中成功的生长出大 单晶，这对钽酸锂的研究工作起到了很大的推进作用。由于钽酸锂晶体的居里温度在 5 1 0 到6 9 0 范围内。居里温度的高低随生长工艺的不同而有差异，所以称钽酸锂为高 温铁电体。用它制作的红外探测器可以在较高温度下工作，不会引起退极化。另外钽酸锂 晶体化学性能稳定，不溶于水，广泛应用于非接触测温、火车热轴监测等领域作为辐射传 感器。图2 1 给出钽酸锂晶体三维结构示意图及其三维结构片段图。 u t a o ( - 】 ( b ) 图2 1 钽酸锂晶体的三维结构示意图及其三维结构片段图 8 西安工业大学硕士学位论文 钽酸锂晶体是略显淡绿色或浅棕色的透明晶体，熔点高达1 6 5 0 c ，一般采用提拉法 生长。只要选择合适的单晶体制备工艺可以生长出品质优良的大单晶。钽酸锂晶体在居里 点以下，属于非中心对称点群3 m ，为三角晶系。可以看出在沿c 轴方向上，这个晶体都 可视为氧八面体的堆积，基本的重复单元为，0 6 一“0 6 t a 0 6 。图中给出了l i 0 6 和t a 0 6 八面体中各组成原子间的化学键结合情况，键长和键价的数值显示t a 5 + 和l i + 离子倾向于 相互远离，它们与共用氧平面上的氧离子结合得较松弛，而和该结构片段的上下两端氧平 面中的氧离子结合得较紧密。图2 1 ( b ) 是一个t a 0 6 l i 0 6 八面体周期性片段。在八面体 中组成原子间的化学键特性由其键长和键价来标识，键长的单位是n l n ，键价的单位是v u 。 表2 1 给出了光学钽酸锂单晶参数【3 m 引。 表2 1 钽酸锂晶片性能参数值 基本物理常数 钽酸锂( l i t a 0 3 ) 晶系 点群 空间群 晶格常数 熔点 密t g g e m - 3 居里温度 硬度m o h s 折射率 相对介电常数( 1 0 3 h z ) 介电损耗( 1 0 3 h z ) 热释电系数c m - 2 k 1 比热容j c l i l 一k 1 三方 3 m r 3 e a 5 1 5 1 7 e 1 3 7 7 8 1 6 5 0 7 4 2 8 6 3 0 5 5 n 0 2 1 7 6 ，1 1 e 2 1 8 0 4 7 5 x l o - 3 2 3 x 1 0 4 3 2 实验所用的钽酸锂晶片为z 轴切向晶片，样品直径0 7 6 2 o 5 m m ，厚度为 0 5 m m _ + 0 0 0 5 r a m ，粗糙度为土1 6 n m 。 2 2 硅片的结构与性能 硅是具有半导体性质的重要元素【3 6 1 。在自然界没有呈游离状态的单质硅，而是以化 合物形态存在，通常为二价和四价化合物。在常温下化学性质稳定，不溶于单一强酸中， 但易溶于碱。在高温下性质活泼，易与各种材料发生反应。 硅晶体中原子以共价键结合，具有正四面体特征。在常压下硅晶体为金刚石结构，其 晶格常数是萨吣5 4 3 0 7 1 0 n m ，当压力加至1 5 g p a 时则可变成为简单的面心立方型结构，晶 格常数是萨旬6 6 3 6 n m 。 硅晶体的结果图和实物图如图2 2 所示。 9 西安工业大学硕士学位论文 ( a ) 图2 2 硅片的具体参数见表2 2 。 ( b ) 硅片结构图( a ) 和硅晶棒( b ) 表2 2 硅片性能参数值 基本物理常数硅片( s i ) 晶系 晶格常数n m 熔点 沸点 密度詹c l l l 3 硬宣m o h s 热膨胀系数。 弹性模量g p a 泊松比 本征电阻率qc m 实验所采用的硅片为n ( 1 0 0 ) 5 0 r a m ，厚度为o 3 8 m m 。 2 3 聚合物的选择 近些年来口h 9 】一些低分子量的活性化合物或聚合物引起人们的极大兴趣，如光刻胶、 聚酰亚胺( p i ) 、旋涂玻璃介质膜( s o g ) 、苯并环丁烯( b c b ) 等。这些聚合物处于流动 态时黏度低，易加工，且聚合固化时往往不放出低分子产物( 如水分和气体) ；固化反应 快，极易满足高速成型的要求；在一定条件下可形成耐热高分子材料。 p i 【”】树脂是最早用于绝缘隔离和平坦化的材料。它的性能与光刻胶相近，旋涂均匀性 好，光敏性的p i 树脂工艺上更简单，缺陷是：吸湿性大、平坦性能差、固化温度高等。 s o g 3 9 也是采用旋涂的方式成膜，经固化后形成性能类似s i 0 2 的介质膜，具有平坦 效果好、工艺简单等优点，缺点是：厚度薄、易裂纹、固化温度高、粘附性差。 1 0 羔=一，翟 西安工业大学硕士学位论文 苯并环丁烯【3 8 】( b e n z o - e y l o - b u t e n e ，简称b c b ) 的结构式为l 三口，系统法命名为双环 【4 2 ，o 1 ，3 ，5 三烯。b c b 树脂是继聚酰亚胺树脂( p i ) 、旋涂玻璃介质膜( s o g ) 后新一代 介质材料，是目前比较常用的圆片级有机粘结材料，通常用于集成电路的重布线，最近开 始用于m e m s 器件中的粘结工艺( 与i c 工艺相兼容) ，b c b 具有低的介电常数，出色的 热学、化学和力学稳定性，用于圆片级键合时，其优点如下：( 1 ) 高度的平整化能力：( 2 ) 固化温度低，固化过程中不需要催化剂、没有副产品，固化过程收缩率可以忽略；( 3 ) 良 好的粘结性能：( 4 ) b c b 还可以进行光刻或刻蚀，可以进行选择性粘结；( 5 ) 固化的b c b 对可见光透明，可用于光学器件；( 6 ) 固化的b c b 能抵抗多种酸、碱和溶剂的侵蚀，适 合流体方面的应用；( 7 ) 吸水率很低，对气密封装有力；( 8 ) 介电常数比较低，对r f m e m s 等圆片及封装有利。p i 、s o g 、b c b 的性能指标见表2 3 。 表2 3p i ，s o g 、b c b 性能的典型值 通过对比p i 、s o g 、b c b 三种聚合物的性能，本文采用的b c b 作为粘结剂实现钽酸 锂晶片和硅片的聚合物键合。 2 4 实验工艺的选择 各种热释电材料制成以后，通常都需要经过多种工艺步骤，如切割、极化、减薄、抛 光和制作电极，才能用来制备热释电探测器【2 9 1 。以下介绍切割、键合、减薄、抛光、剥 离、刻蚀b c b 等工艺的选择。 2 4 1 切割 要制备单元面积为a = 4 5 x 4 5 m 2 、阵列为1 6 0 x 1 2 0 的红外热释电探测器，需要其读出 电路的尺寸为7 2 r n m x 5 4 m m 。因为在制备的过程中可能会使读出电路的边缘受损，所以 我们将热释电材料的尺寸放大为1 0 m m x l o m m ，从而保证了读出电路的制备。市场上提供 的钽酸锂晶片的尺寸为* 5 0 m m ，所以就需要对钽酸锂晶片进行切割处理。 由于钽酸锂是一种硬脆性材料，用一般的金刚石刀切割容易破裂，所以要先将u 晶 片用柏油粘在微晶玻璃上，然后再用单点金刚石切割机将其切割成需要的大小。 西安工业大学硕士学位论文 2 4 2 键合( w a f e rb o n d i n g ) 键合【4 0 慨是指通过一定的手段将两种相同或者不同材料接合在一起的过程。它可能 是一个物理过程，也可能是一个化学过程。键合技术种类很多，在m e m s 领域常用的有阳 极键合技术、硅硅直接键合技术，低温玻璃熔焊技术和粒子表面活化键合技术等，依次 介绍如下： 1 ) 阳极键合技术 阳极键合又称为场助键合1 。当被键合的物体在一定的高温和电场作用下，玻璃与 金属、合金或半导体键合在一起，而不用任何粘结剂。阳极键合的键合温度低、界面有良 好的气密性、长期稳定性好。图2 3 为硅玻璃阳极键合的示意图。 图2 3 硅玻璃阳极键合示慝图 阳极键合的工艺过程主要如下： 将硅片的抛光面与玻璃的抛光面清洗干净，必要时作亲水处理； 将两抛光面相互紧密接触，完成图2 3 所示的装配形式； 将温度逐渐上升至1 j 3 5 0 4 0 0 c ； 在阴极和阳极之间加上4 0 0 v 左右的流电压，时间掌握在1 0 分钟左右； 待温度降至室温时，撤去静电场。 这种键合工艺有如下特点：它无需玻璃的“熔化”来粘结，而只需要将玻璃加热n n a + 可以摆脱玻璃网格的束缚即可，因而其键合温度低，并且气密性好，键合强度高，便于工 艺重复。 2 ) 硅硅直接键合( s d b ) 技术 硅硅直接键合( s d b ，s i l i c o n d i r e c t b o n d i n g ) 4 0 1 技术s d b 是指不在中间使用任何粘结 剂，将两块硅片直接键合在一起。它的基本原理是：衬底硅片经过常规清洗后，必须经过 亲水处理，使要键合的硅表面吸附高浓度的o h 基团。在室温下将己吸附o h 基团的两块 硅片的表面互相接触，则上下表面上的一o h 基团会迅速形成氢键的作用，这种作用使上下 两块硅片无需加压就能结合在一起。当温度升高时，一o h 基团之间发生脱水聚合反应，硅 醇键转化成硅氧键，反应式如下： s i 0 h + h o s i 哼s i 一0 一s i + h 2 0 ( 2 1 ) 当温度不断升高时，加热所产生的水蒸气压力会在晶片的一些区域形成未键合区( 以下简 西安工业大学硕士学位论文 称气孔) 。当温度很高时，水蒸气中的氧转化为s i 0 2 ，氢则通过硅的晶格扩散掉，这就是 所谓的l a s k y 原理。l a s k y 认为这个临界温度由导致两块硅片紧密结合的“反应密封”过程决 定。一般来说，键合温度必须高于水汽的分解温度，这样由水汽引起的气孔才会消失，从 而完成良好的键合。 s d b 的主要工艺过程如下： 按照常规的清洗要求依次将晶硅片上的有机物、金属离子及其氧化物和灰尘粒子清 洗干净： 对硅片表面进行亲水处理，然后烘干； 在室温下将两块硅片对准，然后进行预键合； 在高于1 0 0 0 c 的氧化炉中退火处理。 我们可以看出s d b 技术具有以下优点：没有热膨胀系数不匹配的中间层，几乎不引 入热应力；可用s d b 技术将精确加工的各种结构实行密封或者连接；膜的厚度可以通 过腐蚀技术加以精确控制，能由几微米到几百微米的范围任意控制；与其他高温过程完 全兼容，不需要增加复杂装置；通过对硅片预先的加工，s d b 技术可实现硅的一体化结 构，因此适合用来制m e m s 器件。用s d b 技术制造的m e m s 器件，在高温和大应力下，能 保持长期的稳定性，其线性和电压补偿的稳定性都很好。 3 ) 低温玻璃熔焊技术 熔焊技术m j 与前两类键合技术在机理上完全不同，它只是一种纯粹的物理过程。常 用焊料有金、铝、锡以及各种玻璃等。考虑到用金属作为焊料来对硅片进行键合会对器件 的电学性能造成很大影响，因而采用一种硼玻璃作为焊料。 这种键合技术，首先需要在一块硅片上热生长一层l t t m 厚的s i 0 2 层，然后再热淀积 0 1 t u n 厚的硼玻璃，当加温至1 j 4 5 0 时它就能强有力地与另一块洁净的硅片或具有热生长 s i 0 2 层的硅片键合在一起，键合时间只须3 0 分钟。 其特点是：键合时间短、键合强度高、密封性好。它既不需要高温，也不需要加电场， 然而它的工艺过程比较复杂，环境条件要求高。 4 ) 离子表面活化键合技术 晶片表面活化【删主要是通过离子对晶片表面的机械撞击及溅射来增加悬键，对晶片 表面赋能。电离过程中产生的原子和离子各异，如a r ，0 2 ，n 2 ，n h 3 等，但他们对晶片表 面化效果并无显著影响。活化了的表面具有很强的吸附能力，在较低的温度下，晶片键合 界面就可具有较高的键