薄膜鈮酸鋰晶圓(LNOI)的生產制造技術與傳統SOI晶圓制造方法相同,大多基于"Smart-cut"技術實現,該項技術于1998年申請【1】,到2018年截止,目前該項技術已經不受保護,可無償使用。
LNOI晶圓制備過程如下下圖所示,包括以下五個步驟:(1)離子注入;(2)襯底準備;(3)薄膜鍵合;(4)退火及剝離;(5)CMP平坦化。
如下圖b所示,利用離子注入機,從鈮酸鋰晶體上表面打入高能的He離子,特定能量的He離子進入晶體后,受到LN晶體中原子和電子的阻撓,會逐漸減速并停留在特定深度位置,破壞該位置附近處的晶體結構,將LN晶體分成上下A/B兩層,而A區將會是我們需要制備LNOI所需要的薄膜。
第二步:襯底制備(鈮酸鋰晶圓LNOI制備技術無塵烘箱)
要做薄膜鈮酸鋰晶圓,肯定不能讓幾百nm的LN薄膜處于懸空狀態,必須有底層支撐材料。常用的SOI晶圓,襯底都是一層厚度大于500um的硅晶圓,然后在其表面制備SiO2介質層,最后將單晶硅薄膜鍵合在上表面,形成SOI晶圓。
對于LNOI晶圓一樣,常用的襯底有Si和LN這兩種材料,然后通過熱氧或PECVD沉積工藝制備SiO2介質層,如果介質層表面不平整,還需要化學機械研磨CMP工藝,使其上表面光滑平整,便于后續的鍵合工藝。
第三步:薄膜鍵合(鈮酸鋰晶圓LNOI制備技術無塵烘箱)
利用晶圓鍵合設備,將注入離子后的LN晶體反轉180度,鍵合到襯底上。對于晶圓級生產而言,襯底與LN兩者的鍵合表面都做了平整化處理,通常采用直接鍵合方式鍵合,中間不需要粘結劑材料。
而對于科學研究而言,還可以采用BCB(benzocyclobutene)作為中間層粘結劑材料,實現Die to Die的鍵合,采用BCB鍵合方式,對鍵合表面平整度要求較低,非常適合于科研實驗中。但是BCB不具有長期穩定性,所以在晶圓生產中,通常不會采用BCB鍵合。
將兩種晶體表面貼合擠壓后,還需高溫退火及剝離工藝。兩種晶體表面貼合后,首先在特定溫度下維持一定時間,加強界面鍵合力,同時使得注入離子層氣泡化,使得A,B兩層薄膜逐漸分離開,最后用機械設備將兩者剝離開,然后再逐漸降低溫度至室溫,完成整個退火及剝離工藝。退火工藝作用:
(1)較高的溫度能夠使得鍵合界面的鍵合力增加,使得鍵合的薄膜更牢固。(2)較高的溫度能偶使得注入離子層氣泡化,使得A,B兩層薄膜逐漸分離開。(3)高溫退火也會修復A層薄膜內受離子注入損傷的晶體,使其恢復單晶材料特性。
經過退火剝離后的LNOI晶圓,其表面是粗糙的,不平整的,需要進一步做CMP平坦化處理,使得晶圓表面薄膜平整,降低表面粗糙度。