用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法与流程

本发明涉及半导体工艺和微制造领域，尤其是涉及一种用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法。

背景技术：
超薄硅片(厚度≤80μm)在射频识别标签、视网膜下植入技术、微能源系统、器件封装等微纳米材料和器件中有着广泛的运用，对其性能有着至关重要的影响。先通过物理或者化学减薄硅片，后采用化学机械抛光技术对减薄后的硅片表面进行抛光，是目前制备超薄硅片的优先方案。与制备标准硅片相比，制备超薄硅片的成品率低，其中一个重要原因在于减薄后的超薄硅片的夹持困难。在化学机械抛光过程中，如果直接将抛光压力作用在超薄硅片的背面或者夹具当中的真空吸附对于薄硅片产生不均衡内外压力差，都极易导致超薄硅片的破裂。因此要获得圆片级高品质的超薄硅片，必须解决超薄硅片的夹持问题。公开号为CN104858806A的中国发明专利提供一种用于夹持超薄硅片的真空夹具，在夹具本体上开设有数段凹槽，每段凹槽内开设有贯穿夹具本体的第一真空孔，各段凹槽内分别设置有密封件，每一密封件开设有第二真空孔，第二真空孔与该段凹槽内的第一真空孔相连通，各第一真空孔分别与一组管路结构相连接，每一组管路结构包括排气管路和进气管路。通过设置数段彼此独立的凹槽，确保即使其中一段凹槽发生真空泄漏，也不会影响真空夹具夹持硅片，同时通过设置进气管路，实现了硅片上下两个平面之间的气体压强差可调，使真空夹具能够稳固、安全地夹持超薄硅片。成清校等(单晶硅片超精密磨削减薄技术试验研究[D].大连理工大学硕论文：2009.12)设计用于装夹超薄硅片的真空吸盘，利用真空产生的负压将硅片有效吸持。吸盘的基体采用有机玻璃材料，透明的有机玻璃可以清楚地观察到在吸持硅片时是否与硅片的边缘对齐。同时在硅片吸盘的接触面粘上一层抛光垫,平整而柔软的抛光垫可以防止超薄硅片在吸附时发生碎裂。公开号为CN103035483B的中国发明专利了公开一种应用于薄硅片的临时键合和解离工艺方法，属于超薄硅片的临时黏合方法。包括步骤如下：1)在硅片的键合面涂布第一粘合剂，并对其烘烤；2)在载片的键合面涂布第二粘合剂，并对其烘烤；3)将硅片和载片进行临时键合；4)对硅片背面进行研磨减薄；5)进行硅片背面工艺；6)将减薄后的硅片和载片进行解离；7)去除减薄后的硅片键合面上的第一粘合剂；8)去除载片键合面上的第二粘合剂。该工艺方法既具备室温下即可解离的优点，又解决了传统激光或紫外光照射解离法中由于粘合剂不能太厚而导致的不能完全覆盖硅片键合面上图形的台阶高度的问题。针对超薄硅片的夹持，目前主要包括研制特制夹具和超薄硅片的临时黏合两种方案。特制夹具解决了真空吸附对于超薄硅片产生不均衡内外压力差的问题，同时确保超薄硅片与夹具中心一致，减少超薄硅片后续抛光的不均匀性。但是特制夹具仍旧无法避免抛光压力直接作用在超薄硅片背面导致超薄硅片易破裂的问题，同时特制夹具也存在着研制费用高、无法适应不同型号化学机械抛光机的缺陷。超薄硅片临时黏合方法相比较于研制用于夹持超薄硅片特制夹具的方案，则具有能适应于不同型号化学机械抛光机，避免抛光压力直接作用在硅片背面的优点。但是超薄硅片临时黏合方法目前就存在着以下缺陷：涂覆两层黏合胶，不仅增加了工艺的复杂性，而且胶厚增加势必加大后续超薄硅片抛光加工误差；选用特制的黏合胶和专门的激光设备进行解离，虽可有效避免解离时的应力，但无疑也大幅度增加了相应的工艺成本；黏附超薄硅片时，无法在承载片上准确定位超薄硅片，导致承载片中心与超薄硅片的中心偏离，加大超薄硅片后续抛光的不均匀性。

技术实现要素：
本发明的目的是针对现有超薄硅片临时黏合方法存在的上述问题，提供不仅可解决超薄硅片在化学机械抛光过程中难以夹持，易破碎的问题，同时能有效减小超薄硅片后续抛光时累积加工误差的用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法。本发明包括以下步骤：1)在承载片上加工出比超薄硅片外径略大三段等径同心圆弧槽，并开设三段溢流槽，溢流槽与圆弧槽相连；2)采用旋涂的方法，把黏胶涂覆于圆弧槽底，用于圆弧槽定位和承载超薄硅片；3)对整体硅片进行热压；4)当超薄硅片完成后续化学机械抛光后，先后采用冷却后硫酸和双氧水混合液与热丙酮即可完全溶解并去除黏胶，实现超薄硅片与承载片的无破损、无应力分离。在步骤1)中，所述在承载片上加工出比超薄硅片外径略大三段等径同心圆弧槽可采用微加工工艺，所述微加工工艺包括热氧化、光刻和超声湿法腐蚀等；所述承载片的直径比超薄硅片的直径大25～50mm；所述三段等径同心圆弧槽的直径比超薄硅片的直径大80～150μm，圆弧槽的深度为10～30μm，圆弧槽的中心与承载片的中心一致；所述承载片上的溢流槽比圆弧槽低10～25μm，以利后续旋涂黏胶和黏附超薄硅片时，多余的黏胶能够通过溢流槽排出；所述圆弧槽的总周长为超薄硅片周长的1/8～1/12，以利后续去胶；所述超声各向异性湿法刻蚀选用质量百分比浓度为40％～60％的氢氧化钾溶液，刻蚀温度为75～80℃，超声频率大于80KHz，超声功率为120～250W，以获得表面粗糙度小于8nm的光滑圆弧槽底面。在步骤2)中，所述黏胶可采用半导体工艺中常用的光刻胶；所述旋涂后黏胶的厚度为0.6～1.8μm，所述旋涂后黏胶的厚度的不均匀性小于0.3％。在步骤3)中，所述热压可采用预固化热压和完全固化热压两个步骤；所述预固化热压的温度可为50～70℃，压强可为0.8～2N/cm2，时间可为15～60min；所述完全固化的温度可为130～170℃，压强可为0.5～1.2N/cm2，时间可为120～240min。在步骤4)中，所述硫酸和双氧水混合液的温度可为40～50℃，以松动部分已经交联的胶层。与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：在确保超薄硅片临时黏合方法相对优势的基础上，通过相关工艺创新和改进，使得超薄硅片临时黏合方法与微加工工艺具有良好的兼容性，替代现有超薄硅片临时黏合方法所采用的特种耗材以及特种工艺设备的需求，并降低后续抛光工艺累积的加工误差，以获得高品质的超薄硅片。正是基于上述目的，提出一种全新的用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法。本发明基于微加工工艺，所提出的用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法，不仅解决了超薄硅片在微纳加工中难于夹持的问题，而且在化学机械抛光过程中可避免抛光压力直接作用在超薄硅片背面而导致超薄硅片易破裂的问题。同时无需订制特制的夹具，可满足不同型号化学机械抛光机夹持超薄硅片的需求。本发明相对现有的技术，其进步体现在通过超声各向异性湿法刻蚀获得光滑圆弧槽底，和光刻胶旋涂后所获得超薄且厚度均匀的黏胶层有利于减小超薄硅片后续抛光时累积的加工误差；通过三段等径同心圆弧槽定位超薄硅片，确保超薄硅片与承载片中心一致，有利于降低超薄硅片后续抛光的不均匀性；在确保超薄硅片与承载片的无应力分离的前提下，采用微加工工艺中常用的光刻胶作为黏胶，和常用的化学溶剂进行去胶，以替代特制的黏合胶和专门的激光解离设备，显著降低了工艺成本。附图说明图1(a)～(h)为承载片微加工步骤说明图。图2为承载片。图3为在承载片涂覆光刻胶。图4为通过光刻胶在承载片上黏附超薄硅片。图5为去除光刻胶后超薄硅片与承载片无应力分离。具体实施方式以下实施例以最终获得厚度为75±3μm的3″超薄硅片为例。通过化学减薄后薄硅片厚度为83±3μm，薄硅片临时黏合后进行化学机械抛光，去胶后获得超薄硅片。参见图1～5，本发明实施例所述用于化学机械抛光圆片级超薄硅片的临时黏合方法，包括以下步骤：(1)热氧化，在承载片1上外延一层厚度为300nm的SiO2薄膜2。参见图1(a)；(2)光刻出溢流槽位置，并以光刻胶3为掩膜，湿法刻蚀SiO2。参见图1(b)；(3)去除光刻胶，以SiO2为掩膜层，采用质量百分比浓度为60％KOH，温度为78℃，超声频率为100KHz，超声功率为200W，进行第一部分的溢流槽各向异性湿法刻蚀，腐蚀时间为0.75h，腐蚀深度为16.8μm。参见图1(c)；(4)去除SiO2为掩膜层。参见图1(d)；(5)热氧化，在承载片上外延一层厚度为1μm的SiO2薄膜。参见图1(e)；(6)光刻出圆弧槽和溢流槽位置，并以光刻胶为掩膜，湿法刻蚀SiO2。参见图1(f)；(7)去除光刻胶，以SiO2为掩膜层，采用质量百分比浓度为60％KOH，温度为78℃，超声频率为100KHz，超声功率为200W，进行圆弧槽和第二部分的溢流槽各向异性湿法刻蚀，腐蚀时间为1h，腐蚀深度为33.6μm。即圆弧槽的深度为33.6μm，而溢流槽的深度为50.4μm。参见图1(g)；(8)去除SiO2，获得承载片，参见图1(h)和图2。每段圆弧槽4的半径为38.15mm，每段圆弧所对应的圆弧角为10°，每段圆弧周长约为8mm，圆弧槽表面粗糙度小于7.8nm；在图2中，标记5为溢流槽；(9)选用BP212光刻胶3作为黏胶，进行旋涂。转速3000rpm，时间为40s，胶厚为1.3μm(不均匀性小于0.2％)。参见图3；在图3中，标记1为承载片；(10)黏附超薄硅片6，先后进行预固化热压和完全固化热压。预固化热压时温度为60℃，压强为1N/cm2，时间30min。完全固化热压时温度为150℃，压强为0.8N/cm2，时间为3h。参见图4；(11)超薄硅片化学机械抛光后，对整体硅片进行去胶。去胶时，先配制浓硫酸和双氧水混合液(体积比为3∶1)，并冰浴冷却至45℃，以松动部分已经交联的胶层。后采用水浴加热至50℃热丙酮溶液，去除已经松动的胶层，实现超薄硅片6和承载片1无破损、无应力分离。参见图5。本发明基于微加工工艺，先研制出承载片，可准确定位和承载超薄硅片。其次采用半导体常用的光刻胶作为黏胶，通过预固化热压和完全固化热压，提高黏附性能和黏胶的抗腐蚀能力，最后改进常用去胶溶液的温度，实现化学机械抛光后的超薄硅片与承载片无破损、无应力分离。本发明采用微加工工艺包括超声各向异性湿法刻蚀在承载片上加工出比超薄硅片外径略大的三段等径同心圆弧槽，并开设三段溢流槽。光刻胶作为黏胶旋涂于圆弧槽底，承载超薄硅片，通过热压，提高黏附性能，和黏胶的抗腐蚀能力。当超薄硅片完成抛光后，选用冷却后的浓硫酸和双氧水混合液与热丙酮溶解黏胶，实现超薄硅片与承载片无破损分离。本发明所提出的超薄硅片临时黏合方法有效解决超薄硅片难于夹持的问题，操作简单，适用范围广。承载片上光滑槽底以及超薄且厚度均匀的黏胶层有利于减小超薄硅片后续抛光时的累积误差，超薄硅片与承载片中心一致，有利于降低后续抛光的不均匀性。