铌酸锂晶片的键合减薄及热释电性能研究.doc

铌酸锂晶片的键合减薄及热释电性能研究杨绪军 梁庭 牛坤旺 刘岗 张文栋(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，电子测试技术国防重点实验室，山西 太原 030051)摘要：铌酸锂(LN)作为一种热释电材料，可以制作为光电探测器敏感单元的敏感层。通常LN晶片厚度为0.5mm远大于光电敏感单元厚度的要求，所以需要用键合减薄及抛光技术对LN晶片进行加工处理。该键合减薄技术主要包含：RZJ-304键合、铣磨、抛光、剥离液剥离和丙酮清洗RZJ-304胶。经过加工后可得到面积为10mm10mm，厚度为50um，表面质量比较光滑，粗糙度为1.63nm的LN晶片。最后还测试验证了经该方法减薄抛光后的LN晶片热释电特性良好。关键词：LN晶片; 键合; 减薄; 抛光; 热释电中图分类号: TN305文献标识码:AStudying pyroelectric performance of lithium niobatewafer prepared by wafer bonding and thinningYang Xujun, Liang Ting, Niu Kunwang, Han Yu, Liu Gang, Zhang Wendong(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education, shanxi，030051,chinaNational Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Shanxi, 030051, China)Abstract: Lithium niobate(LN)as a kind of pyroelectricmaterialcan be madeinto a sensitivelayer of sensitive element ofPhotoelectric detector. Since the thickness of LN wafer is typical 0.5mm, LN wafer is processed by bonding, thinning and polishing process. The process mainly includes RZJ-304 photoresist bonding, grinding, polishing, stripping liquid stripping and acetone cleaning. After processing, the dimension of LN wafer is 10mm10mm50um, the surface of LN is very smooth, and the roughness of LN is 1.63nm. Finally, testing thepyroelectriceffect of thinning and polishingLN wafer is good.Keywords: LN wafer; bonding; thinning; polishing; pyroelectric铌酸锂1-2(LiNbO3,简称LN)晶体作为一种多功能材料具有优良的热电、压电、介电、铁电、非线性光学、光弹性、机械以及物理性能，并且价格低廉、耐高温、耐腐蚀、易加工，在光电技术产业中获得广泛应用。 以LN晶体热电性能为例进行研究。LN晶体热释电系数虽然比许多热释电晶体小，但是由于它的居里温度高（1260oC），硬度低(莫氏5)易加工，相对介电常数较小，而且化学、物理性能稳定，所以在光电探测3一直备受关注。因此，它在光电探测器中作为敏感层具有很好的发展前景。要制备光电敏感层，晶体就必须减薄到几十微米的级别，但通常LN晶体的厚度是0.5mm，所以就需要进行减薄处理。收稿日期： 基金项目：国家863重大项目（2006AA040101）作者简介：杨绪军（1985），男，山西朔州人，研究生，主要从事光电探测器的理论和工艺研究，Tel:E-mail:晶体的减薄方法4-5通常有：铣磨、反应离子刻蚀、离子铣、湿法刻蚀等。考虑到要快速去除大量的LN晶体，获得LN薄膜，我们选择利用铣磨原理。本文介绍了了一种LN晶片减薄抛光的方法，通过SKCH-1型精密测厚仪测试了减薄晶片的厚度，并采用CMPS-5500原子力显微镜对减薄后晶体的表面形貌进行测试和分析，最后测试了减薄抛光后LN晶体的热释电信号，说明经该工艺减薄抛光后的LN晶片没有造成内部损伤。1 实验方法图1 加工工艺流程图Fig1. Flow chart of the progress图1加工工艺流程图介绍了一种晶体新的键合6、减薄及抛光的方法。1） 利用RZJ-304胶将硅片和LN晶片热压键合，匀胶速度为2000 r/min, 键合温度为100 oC，键合时间为90s；2） 利用科晶公司UNIPOL-802和GPC-50精密抛光控制仪，对LN晶片进行加工。其中利用抛光膏作为抛光料，合成树脂模作为抛光盘，对LN晶体进行抛光处理；3） 利用RZJ-304胶相应剥离液浸泡，将减薄的LN晶片从硅片上剥离下来；4） 通过丙酮两次超声清洗；以上工艺具有如下优点：1） 工艺简单，成本低，易于实现；2） 可以制备大面积薄LN晶片；3） 键合后的晶片剥离清洗方便；4） RZJ-304胶具有高的热学稳定性，用于晶片键合时有如下优点：固化温度低；平整化能力强；固化过程不需要催化剂，且没有副产品；高的黏贴性；固化过程收缩率很小。所以利用RZJ-304键合后的LN晶片受到的应力小，剥离下来不会产生碎裂。2实验结果与分析完成以上LN晶片减薄和抛光后，分别对LN晶片的厚度、表面粗糙度进行了测试，并设计前置放大电路7对LN晶片热释电性能进行测试。2.1 厚度测试厚度作为LN晶片减薄的目的有着重要的意义，厚度越小晶体的热容值就越小，制作成热释电敏感单元后，响应时间就会越短。我们在这里利用SKCH-1型精密测厚仪对其测量，在10mm10mm的晶片表面上取5个点进行测试，如表1所示，LN晶片的厚度都在50um左右，说明晶片减薄后厚度比较均匀。表1 研磨后不同点厚度Table 1 Thickness at different points after Grinding位置位置1位置2位置3位置4位置5厚度50515250512.2 表面形貌测试图2和图3是利用CMPS-5500型原子力显微镜8测试LN晶片的二维和三维表面形貌图。通过CSPM imager 4.60软件对其进行观察和分析，我们看到减薄抛光后的LN晶体表面比较光滑，质量良好，表面粗糙度是1.63nm。图4显示减薄和抛光后的LN晶片表面形貌最大的峰峰值是16nm。LN晶片研磨损伤层9-10深度大致有6种原因：一是LN材料的晶体取向；二是磨料粒度的大小；三是研磨时的压强；四是磨料曲率半径；五是研磨时间；六是研磨速度。图2 减薄后LN晶片的原子力二维形貌图Fig2. 2D morphology figure images by AFM in LN wafer after thinning 图3 减薄后LN晶片的原子力三维形貌图Fig3. 3D morphology figure images by AFM in LN wafer after thinning图4 LN晶片减薄后表面的高度分析Fig4. The altitudinal analysis in LN wafer 为了解次这些问题，选择玻璃研磨盘减小研磨压强，抛光时，要选硬度小、形貌好的磨料作为抛光料，并且配置合适的磨料浓度，在研磨抛光过程中要保证磨料的充足供给，同时尽量减小磨料曲率半径和研磨速度，从而减少磨盘对LN晶片的直接划伤。2.3热释电性能测试LN晶体作为一种很有应用前景的热释电材料11，减薄和抛光后是否仍具有热释电特性，这是我们主要关注的问题。图5是LN晶片热释电特性测试的示意图。测量原理是，当热释电材料吸收红外辐射后，自身会有微小的温度变化，自发极化强度就会发生变化，从而在晶片两侧产生电荷变化，既产生了热释电现象。我们通过前置放大电路把热释电电流转化为电压信号并放大，然后在示波器上进行显示。其中，热释电电流表达式为: (1) 式中：为热释电电流；为晶片的热释电系数；为晶片的电极面积；为晶片温度随时间的变化率。由（1）式可知当变化时即可测的热释电电流的变化。 图5 LN晶片热释电特性测试的示意图Fig5. Schematic diagram of LN wafer pyroelectric characteristics本次测试的LN晶片厚度为50um，电极面积为25mm2。通过信号发生器给IR715红外灯一个频率为1Hz,峰峰值为5V的正弦信号，在示波器上测得LN晶片的热释电信号为176mv，如图6所以。在相同条件下，测试未经减薄500um厚的LN晶片时，则没有信号输出。测试结果表明：经过该工艺减薄和抛光后的LN晶体，没有对晶体内部造成损伤，热释电特性良好。结论本文介绍了一种晶体键合、减薄和抛光的工艺。该方法工艺简单，成本低，易于实现；可以实现大面积的LN晶片的减薄抛光；LN晶片的厚度可以减到50um；抛光后表面粗糙度可以达到1.63nm；RZJ-304胶的应用使键合减薄后的LN晶片和硅片更好的剥离分开且不会对LN晶片造成任何损伤。最后通过具体的测试方法，验证了减薄抛光后的LN晶片热释电特性的存在性。该工艺以后可以在晶片的键合减薄和抛光方面提供一定的参考。参考文献1 师丽红，阎文博. 纯铌酸锂晶体红外光谱的低温研究.物理学报.2009,7:49874991.2 夏宗仁，催坤，徐家跃. 弱热释电效应黑色铌酸锂、钽酸锂晶体研究.压电与声光. 2004，4：126128.3 金娜,刘卫国. 单晶热释电探测器混合集成制造方法研J.应用光学, 2010，31(2):13-316.4 姚瑞明. 铌酸锂切磨抛工艺探讨J. 江苏冶金，1991,4: 4851.5 刘立新，张学建，张莹，吕凯，张志斌，张辉荣，官周国，刘景和. 铌酸锂晶体的抛光机理及精密加工工艺. 硅酸盐学报，2008,11:10691614.6 劳燕锋，吴惠桢. 直接键合InP-GaAs 结构界面的热性研究J. 物理学报,，2005, 9: 44344439.7 Zhang Wen dong, Tan Qiu lin, Liu Jun，et al. Two-channel IR gas sensor with two detectors based on LiTaO3 single-crystal wafer J. Optics Laser Technology. 42(2010)12231228.8 Ting Liang, Jianjun Tang, Jijun Xiong, et al. Synthesis and characterization of heteroepitaxial GaN films on Si(111) J. Vacuum, 84 (2010)11541158.9 孙尚倩，夏海瑞. 近化学计量比的铌酸锂晶体的晶格振动和相变软模研究J. 光散射学报，2006,