铌酸锂单晶薄膜芯片及其制作方法
阅读说明：本技术 铌酸锂单晶薄膜芯片及其制作方法 (Lithium niobate single crystal thin film chip and manufacturing method thereof ) 是由 周赤 吉贵军 刘昆 张大鹏 王兴龙 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种铌酸锂单晶薄膜芯片及其制作方法。制作方法包括在支撑晶圆上依次制备介质层和铌酸锂薄层；对介质层与铌酸锂薄层之间的键合界面进行缺陷检测；分析并记录二维尺寸大于预先设定值的缺陷的位置；在缺陷的周围设置隔离槽,隔离槽在周向上包围缺陷,隔离槽的深度大于或等于铌酸锂薄层的厚度。通过该制作方法制作的铌酸锂单晶薄膜芯片不仅能够有效地防止缺陷的扩大和扩散,而且能够有效地释放大片铌酸锂薄层在晶圆上的应力积累。(The invention provides a lithium niobate single crystal thin film chip and a manufacturing method thereof. The manufacturing method comprises the steps of sequentially preparing a dielectric layer and a lithium niobate thin layer on a support wafer; detecting the defects of the bonding interface between the dielectric layer and the lithium niobate thin layer; analyzing and recording the position of the defect with the two-dimensional size larger than a preset value; and arranging an isolation groove around the defect, wherein the isolation groove surrounds the defect in the circumferential direction, and the depth of the isolation groove is greater than or equal to the thickness of the lithium niobate thin layer. The lithium niobate single crystal thin film chip manufactured by the manufacturing method not only can effectively prevent the defects from expanding and diffusing, but also can effectively release the stress accumulation of a large lithium niobate thin layer on the wafer.)
技术领域
本发明涉及光电半导体材料领域，具体地说，是涉及一种铌酸锂单晶薄膜芯片及其制作方法。
背景技术
铌酸锂单晶具有优良的透过性能、电光性能、非线性光学性能和压电性能，广泛应用于光通讯、数据中心光互连和高频滤波器件中。在其它材料基底上的纳米级厚度薄膜铌酸锂单晶，除具备以上优良特性外，还可以用于集成化的器件，是一种极具希望的新型集成光学材料。然而在其它基底材料上生长铌酸锂单晶薄膜被证明是难以实现，而机械切片技术难以制备纳米级厚度的薄膜。
近年来出现的利用Smart-Cut技术制备铌酸锂单晶薄膜，使得大规模制备量产薄膜铌酸锂晶圆成为可能。其通常步骤是：首先将原料铌酸锂晶圆的表面抛光到符合晶圆键合的要求，同时准备另一个承载晶圆，例如硅(Si)晶圆，并在承载晶圆上制备一层缓冲层，例如二氧化硅(SiO2)，抛光使其满足晶圆键合的要求，然后对原料铌酸锂晶圆的抛光表面进行特定能量和特定计量的离子注入，例如氦离子(He+)，之后将原料晶圆的抛光表面与承载晶圆的抛光表面键合，在两晶圆键合后将其加热使注入的离子复合成微小气泡，膨胀后分离原料铌酸锂晶圆，留下铌酸锂薄膜在承载晶圆上。
这种制备铌酸锂薄膜晶圆的方法中，铌酸锂晶圆与承载晶圆上的介质膜层之间的键合，是依靠非常接近的两个极其平整的键合面之间的范德瓦尔斯力的吸引作用来实现的。而这种极其平整的键合面只是理想条件，实际情况由于研磨和抛光工艺的限制，总会有个别局部无法达到极其平整的条件，以至于两个被键合的表面无法足够接近，使得范德瓦尔斯力无法发挥吸引力。这种缺陷在晶圆键合界面中体现为空隙(void)，这种空隙在后续制程工艺步骤中可能收到热、压力、应力等外部或内部因素的影响而进一步扩大，在晶圆键合面中导致更大面积的间隙或分离区。
后续制作的光波导是基于这个键合界面的，如果键合不完整或有分离区，会破坏光波导结构。所以如何保证这个界面键合质量，有效地防止键合面的空隙扩大导致键合面分离和开裂，一直是影响晶圆键合良率的关键因素。并且导致缺陷扩大和扩散的诸多因素中，很多是芯片制程工艺引起的，如何采取措施保证铌酸锂光子芯片制程中减小缺陷扩大风险，对于提高芯片制程良率至关重要。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种铌酸锂单晶薄膜芯片的制作方法，不仅能够有效地防止缺陷的扩大和扩散，而且能够有效地释放大片铌酸锂薄层在晶圆上的应力积累。
本发明的第二目的是提供一种采用上述制作方法制作而成的铌酸锂单晶薄膜芯片。
为实现上述第一目的，本发明提供一种铌酸锂单晶薄膜芯片的制作方法，包括在支撑晶圆上依次制备介质层和铌酸锂薄层；对介质层与铌酸锂薄层之间的键合界面进行缺陷检测；分析并记录二维尺寸大于预先设定值的缺陷的位置；在缺陷的周围设置隔离槽，隔离槽在周向上包围缺陷，隔离槽的深度大于或等于铌酸锂薄层的厚度。
由上述方案可见，在晶圆进入芯片制程之前，利用隔离槽将铌酸锂薄层与介质层之间的缺陷区域隔离，从而可以有效地防止缺陷的扩大和扩散导致光波导遭到破坏，同时还可以有效地释放大片铌酸锂薄层在晶圆上的应力积累。该制作方法可以使铌酸锂单晶薄膜芯片在光刻、清洗、烘烤、刻蚀等工序中能承受更多外力和温度等因素的影响，防止缺陷扩大和扩散造成芯片良率下降，同时可以避免芯片成品中隐性缺陷对最终产品带来的质量和可靠性风险。
一个优选的方案是，采用表面刻划的方式形成隔离槽。
进一步的方案是，表面刻划的工具为半导体晶圆钻石切刀或激光切刀。
一个优选的方案是，在支撑晶圆上依次制备介质层和铌酸锂薄层的步骤包括：在支撑晶圆上通过镀膜或直接氧化的方法制备介质层，并对介质层的表面进行抛光处理。
进一步的方案是，介质层的材料的折射率小于铌酸锂材料的折射率。
由此可见，介质层的材料的折射率小于铌酸锂材料的折射率，从而便铌酸锂波导的形成。
进一步的方案是，在支撑晶圆上依次制备介质层和铌酸锂薄层的步骤包括：向原料铌酸锂晶圆的光学级表面注入离子，离子穿透光学级表面后形成离子层，离子层将原料铌酸锂晶圆分成原料铌酸锂晶圆主体和铌酸锂薄层，对铌酸锂薄层的表面进行抛光处理；将铌酸锂薄层与介质层键合。
由此可见，对注入了离子的原料铌酸锂晶圆表面即对铌酸锂薄层的表面进行光学抛光，以去除离子轰击可能造成的表面不平整，达到晶圆键合的要求。
进一步的方案是，在将铌酸锂薄层与介质层键合之后，在支撑晶圆上依次制备介质层和铌酸锂薄层的步骤还包括：加热至第一预设温度；加热至第二预设温度，使铌酸锂薄层与原料铌酸锂晶圆主体分离并存留在介质层上，第二预设温度大于第一预设温度。
更进一步的方案是，第一预设温度为200℃至230℃，第二预设温度为250℃至350℃。
由此可见，对键合后的合体晶圆加热到第一预设温度，使得键合面得到足够的退火加强。然后再对键合后的合体晶圆加热至第二预设温度，使注入的离子气化，使得原料铌酸锂晶圆中离子注入层开裂，原料铌酸锂晶圆主体与合体晶圆分离，留下一层单晶铌酸锂薄层在支撑晶体表面。
一个优选的方案是，对介质层与铌酸锂薄层之间的键合界面进行缺陷检测的步骤包括：采用光学显微镜检测键合界面的缺陷，并采用扫描方式记录键合界面的成像。
为实现上述第二目的，本发明提供一种由上述制作方法制作而成的铌酸锂单晶薄膜芯片，铌酸锂单晶薄膜芯片包括依次叠层布置的铌酸锂薄层、介质层和支撑晶圆，介质层与铌酸锂薄层之间的键合界面上的缺陷的周围设置有隔离槽，隔离槽在周向上包围缺陷。
附图说明
图1是本发明铌酸锂单晶薄膜芯片制作方法实施例中步骤S11至步骤S16的流程图。
图2是本发明铌酸锂单晶薄膜芯片制作方法实施例中步骤S17至步骤S12的流程图。
图3是本发明铌酸锂单晶薄膜芯片制作方法实施例中键合后合体晶圆的结构示意图。
图4是本发明铌酸锂单晶薄膜芯片实施例的结构示意图。
图5是本发明铌酸锂单晶薄膜芯片实施例表面观察到的缺陷和隔离槽的示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1至图3，执行铌酸锂单晶薄膜芯片的制作方法时，首先执行步骤S11，在支撑晶圆1上通过镀膜或直接氧化的方法制备介质层2。介质层2的材料的折射率小于铌酸锂材料的折射率，本实施例中介质层2的材料为二氧化硅。
然后执行步骤S12，对作为缓冲层的介质层2的表面进行光学抛光处理，使之具备非常平整光洁的光学平面。
然后执行步骤S13，向原料铌酸锂晶圆3的光学级表面注入离子，离子穿透光学级表面后在该晶圆表面预设深度后停留，继而形成离子层4，离子层4将原料铌酸锂晶圆3分成原料铌酸锂晶圆主体5和铌酸锂薄层6。铌酸锂薄层6的厚度由离子能量决定，通常为500纳米至1000纳米，注射的离子必须具有足够窄的能量分布，以便使离子进入原料铌酸锂晶圆3表面后，经过材料减速停留在一定窄的深度范围，本实施例中的离子采用氦离子(He+)。
然后执行步骤S14，在完成离子注入后，对介质层2进行光学抛光处理，以去除离子轰击可能造成的表面不平整，达到晶圆键合的要求。
然后执行步骤S15，将铌酸锂薄层6与介质层2进行晶圆键合。
然后执行步骤S16，将键合后的合体晶圆加热至第一预设温度，第一预设温度为200℃至230℃，使得铌酸锂薄层6与介质层2之间的键合界面60得到足够的退火加强。
然后执行步骤S17，将键合后的合体晶圆加热至第二预设温度，第二预设温度为250℃至350℃，使得注入的离子气化并聚合成微小气泡，在气泡的作用下，离子层4在原料铌酸锂晶圆主体5处分离，在支撑晶圆1的介质层2上存留有特定厚度的铌酸锂薄层6。
然后执行步骤S18，对铌酸锂薄层6的表面进行光学抛光处理，使得其厚度和表面光洁度达到光波导的要求。
然后执行步骤S19，采用光学显微镜对介质层2与铌酸锂薄层6之间的键合界面60进行缺陷检测。键合缺陷7一般表现为局部的空隙或分离，可以在足够倍率的光学显微镜下观察到。对于大面积晶圆，可以用扫描方式记录全晶圆的键合界面60的成像，并将显微图像记录在电脑的存储介质中。
然后执行步骤S20，对记录下来的显微图像进行分析，判断出二维尺寸大于预先设定值的缺陷7并记录其位置，同时作出所有缺陷7的分布图。预先设定值不大于光子芯片的波导宽度。
然后执行步骤S21，对检测后的每个缺陷7周边划分如图5所示的隔离槽8，且隔离槽8在周向上包围对应的缺陷7。隔离槽8将缺陷7与其它非缺陷7区分隔开。隔离槽8位置的确定可以由现有的图像处理软件完成，同时作出隔离槽版图。
最后执行步骤S22，根据隔离槽版图对铌酸锂薄层6进行表面刻划，刻划深度等于铌酸锂薄层6厚度，实现对缺陷7的隔离。表面刻划的工具可以是半导体晶圆钻石切刀或激光切刀，刻划工具可以由软件控制并按照前面工序生成的隔离槽版图进行。
通过上述制作方法形成如图4所示的铌酸锂单晶薄膜芯片，该铌酸锂单晶薄膜芯片包括依次叠层布置的铌酸锂薄层6、介质层2和支撑晶圆1，介质层2与铌酸锂薄层6之间的键合界面60上的缺陷7的周围设置有隔离槽8，隔离槽8在周向上包围缺陷7。
后续的芯片光刻制程可以有多种方法，例如当采用无掩膜光刻(例如电子束或激光扫描光刻)时，扫描束可以跟据隔离槽版图进行控制，选择性曝光。当采用有掩膜光刻时，其工艺流程不受影响，只是后续分切时无需分切隔离区域。光刻后其它工序不受影响。
由上可见，在晶圆进入芯片制程之前，利用隔离槽将铌酸锂薄层与介质层之间的缺陷区域隔离，从而可以有效地防止缺陷的扩大和扩散导致光波导遭到破坏，同时还可以有效地释放大片铌酸锂薄层在晶圆上的应力积累。该制作方法可以使铌酸锂单晶薄膜芯片在光刻、清洗、烘烤、刻蚀等工序中能承受更多外力和温度等因素的影响，防止缺陷扩大和扩散造成芯片良率下降，同时可以避免芯片成品中隐性缺陷对最终产品带来的质量和可靠性风险。
隔离槽的深度也可以略大于铌酸锂薄层的厚度，且隔离槽的深度与铌酸锂薄层的厚度的差值小于或等于100纳米。上述改变也能实现本发明的目的。
最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。