薄膜铌酸锂晶圆(LNOI)的生产制造技术与传统SOI晶圆制造方法相同,大多基于"Smart-cut"技术实现,该项技术专利于1998年申请【1】,到2018年截止,目前该项专利技术已经不受专利保护,可无偿使用。
LNOI晶圆制备过程如下下图所示,包括以下五个步骤:(1)离子注入;(2)衬底准备;(3)薄膜键合;(4)退火及剥离;(5)CMP平坦化。
如下图b所示,利用离子注入机,从铌酸锂晶体上表面打入高能的He离子,特定能量的He离子进入晶体后,受到LN晶体中原子和电子的阻挠,会逐渐减速并停留在特定深度位置,破坏该位置附近处的晶体结构,将LN晶体分成上下A/B两层,而A区将会是我们需要制备LNOI所需要的薄膜。
第二步:衬底制备(铌酸锂晶圆LNOI制备技术无尘烘箱)
要做薄膜铌酸锂晶圆,肯定不能让几百nm的LN薄膜处于悬空状态,必须有底层支撑材料。常用的SOI晶圆,衬底都是一层厚度大于500um的硅晶圆,然后在其表面制备SiO2介质层,最后将单晶硅薄膜键合在上表面,形成SOI晶圆。
对于LNOI晶圆一样,常用的衬底有Si和LN这两种材料,然后通过热氧或PECVD沉积工艺制备SiO2介质层,如果介质层表面不平整,还需要化学机械研磨CMP工艺,使其上表面光滑平整,便于后续的键合工艺。
第三步:薄膜键合(铌酸锂晶圆LNOI制备技术无尘烘箱)
利用晶圆键合设备,将注入离子后的LN晶体反转180度,键合到衬底上。对于晶圆级生产而言,衬底与LN两者的键合表面都做了平整化处理,通常采用直接键合方式键合,中间不需要粘结剂材料。
而对于科学研究而言,还可以采用BCB(benzocyclobutene)作为中间层粘结剂材料,实现Die to Die的键合,采用BCB键合方式,对键合表面平整度要求较低,非常适合于科研实验中。但是BCB不具有长期稳定性,所以在晶圆生产中,通常不会采用BCB键合。
将两种晶体表面贴合挤压后,还需高温退火及剥离工艺。两种晶体表面贴合后,首先在特定温度下维持一定时间,加强界面键合力,同时使得注入离子层气泡化,使得A,B两层薄膜逐渐分离开,最后用机械设备将两者剥离开,然后再逐渐降低温度至室温,完成整个退火及剥离工艺。退火工艺作用:
(1)较高的温度能够使得键合界面的键合力增加,使得键合的薄膜更牢固。(2)较高的温度能偶使得注入离子层气泡化,使得A,B两层薄膜逐渐分离开。(3)高温退火也会修复A层薄膜内受离子注入损伤的晶体,使其恢复单晶材料特性。
经过退火剥离后的LNOI晶圆,其表面是粗糙的,不平整的,需要进一步做CMP平坦化处理,使得晶圆表面薄膜平整,降低表面粗糙度。