[发明专利]制备超导探测器玻璃窗时所需的晶圆键合装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种制备超导探测器玻璃窗时所需的晶圆键合装置及使用方法。所述晶圆键合装置包括晶圆对准装置及承重砝码，所述晶圆对准装置上设有晶圆放置槽，所述承载晶圆贴于玻璃窗晶圆的玻璃窗一侧，晶圆槽的边缘设有夹取晶圆的镊子槽。使用方法为：首先，在玻璃窗晶圆及承载晶圆上旋涂粘合物；然后，将承载晶圆、玻璃窗晶圆先后放入晶圆槽，晶圆切边与镊子槽对齐放置；第三，将承重砝码放置在玻璃窗晶圆上，并配合加热来赶走两片晶圆之间的气泡，从而实现晶圆键合。本发明在玻璃窗晶圆的玻璃窗一侧键合一片承载晶圆，利用承载晶圆来承受玻璃窗制备时的背部氦气气压，以此来解决玻璃窗破裂的难题。

技术领域

本发明涉及一种制备宇宙微波背景辐射探测的超导探测器玻璃窗时所需的晶圆键合装置及其使用方法，属于超导电子技术领域。

背景技术

超导电子学是超导物理与电子技术相结合的一门交叉学科，以超导微观理论和多种量子效应为基础，以约瑟夫森结、超导平面微纳结构为主要结构单元，可形成无源器件、微波有源器件、传感器/探测器等多种超导电子学器件和电路，在噪声、速度、功耗、带宽等方面具有传统半导体器件和电路无可比拟的优势，在极高限灵敏度探测、量子信息处理、量子计量、高性能计算和前沿基础研究等领域可发挥不可替代的作用。特别地，超导探测器，如超导转变边探测器及微波动态电感传感器，具备超高灵敏度，是目前国际上正在研发的用于宇宙微波背景辐射探测的一类探测器。该类探测器的研制过程非常复杂，包含十几道工艺，如超导铌导线、超导微带线、超导转变边探测器、微波动态电感传感器、过孔、高指数介质层(如SiNx、SiO₂等)、超薄玻璃窗(0.5～20μm)的制备等。为保证制备出的探测器具备超高灵敏度，制备工艺的每一步都必须保证100％的成功率；第二，制备出的探测器在宇宙极限温度(1K甚至100mK以下)都必须具备超导电性；第三，为保证超导材料不被复杂的集成电路工艺损坏，整个探测器研制过程要求所有工艺温度不能超过150℃，这对整个集成电路工艺都提出了挑战。其复杂度及诸多限制导致制备此类探测器的难度极大。

针对此类超导探测器，为进行阻抗匹配，接收宇宙微波背景辐射信号的探测器主体OMT(orthmode transducer)需位于超薄硅或超薄氮化硅玻璃窗上；为降低噪声，微波动态电感传感器需位于超薄硅玻璃窗上；为降低热导，超导转变边探测器同样需位于超薄氮化硅玻璃窗上。因此，超薄玻璃窗在这类探测器中是非常重要的一步工艺，然而，此类探测器研制的复杂性决定了传统的玻璃窗研制方案无法应用于此类探测器的研制中。这是因为传统的玻璃窗研制通常采用KOH溶液进行湿法刻蚀来获得氮化硅玻璃窗，此类方法获得的玻璃窗的侧壁有一定的角度(54.7°)，而用于宇宙微波背景辐射探测的超导探测器玻璃窗的侧壁需为90°或接近90°，因此湿法刻蚀工艺无法满足要求。用于刻蚀90°侧壁的工艺为bosch工艺，此类工艺通过采用C₄F₈气体沉积聚合物的方式来保护侧壁，采用SF₆及O₂混合气刻蚀硅底部，最终采用此种方法可以刻蚀出90°侧壁的玻璃窗。

然而，bosch工艺要求玻璃窗的厚度不能太薄，通常玻璃窗的厚度要求几十微米甚至几百微米。这是因为采用bosch工艺进行刻蚀时，会在玻璃窗晶圆的玻璃窗一侧通一定气压的氦气(3～10mTorr)，用于传导bosch工艺过程中由等离子体轰击玻璃窗晶圆带来的热量，此种办法可保证刻蚀的均一性及稳定性。然而，当玻璃窗的厚度只有几微米甚至几百纳米时，极薄的玻璃窗无法承受背部的氦气气压，从而导致玻璃窗破碎，器件研发失败。

为解决这个难题，一个可行的办法是在玻璃窗晶圆的玻璃窗一侧键合一片承载晶圆，用于承受背部的氦气气压；与此同时，将承载晶圆与玻璃窗晶圆键合还可保护玻璃窗一侧的探测器结构不被划伤，从而可将探测器的成品率提高到100％。此外，为保证刻蚀的均一性及稳定性，等离子体轰击玻璃窗晶圆时带来的热量需能通过承载晶圆及时有效的传导出去，因此承载晶圆要有良好的热传导性。另外，为保证热量能快速从玻璃窗晶圆传导到承载晶圆上，玻璃窗晶圆与承载晶圆之间的键合要有良好的热接触。为保证键合后的承载晶圆可以放入bosch工艺所用的深硅刻蚀机中，在键合过程中需将玻璃窗晶圆与承载晶圆进行对准。