[發明專利]一種適用于超導探測器玻璃窗的制備工藝

在審

• 申請號: 202011076966.5
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112125277A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 宋艷汝;楊瑾屏;劉志
• 申請（專利權）人: 上海科技大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B7/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐俊

本發明公開了一種適用于超導探測器玻璃窗的制備工藝，其特征在于，在玻璃窗晶圓的玻璃窗一側切割出芯片邊界切割槽一，并完全刻蝕芯片邊界切割槽一內的硅或氮化硅及截止層；將玻璃窗晶圓的玻璃窗一側與承載晶圓鍵合；在鍵合晶圓的硅層一側刻蝕玻璃窗，并在對應芯片邊界切割槽一的位置刻蝕出芯片邊界切割槽二，露出截止層；采用氧氣等離子體清洗殘留的光刻膠；使用有機溶劑分離玻璃窗晶圓與承載晶圓，將含玻璃窗的芯片與玻璃窗晶圓分離。采用本發明提供的適用于宇宙微波背景輻射探測的超導探測器玻璃窗的制備方案，可將制備含探測器圖形的玻璃窗的成功率提高到100％，含玻璃窗的芯片從玻璃窗晶圓上分離的成功率同樣達到100％。

技術領域

本發明涉及一種適用于宇宙微波背景輻射探測的超導探測器玻璃窗的制備工藝，屬于超導電子學技術領域。

背景技術

超導電子學是超導物理與電子技術相結合的一門交叉學科，以超導微觀理論和多種量子效應為基礎，以約瑟夫森結、超導平面微納結構為主要結構單元，可形成無源器件、微波有源器件、傳感器/探測器等多種超導電子學器件和電路，在噪聲、速度、功耗、帶寬等方面具有傳統半導體器件和電路無可比擬的優勢，在極高限靈敏度探測、量子信息處理、量子計量、高性能計算和前沿基礎研究等領域可發揮不可替代的作用。特別地，超導探測器，如超導轉變邊探測器及微波動態電感傳感器，具備超高靈敏度，是目前國際上正在研發的用于宇宙微波背景輻射探測的一類探測器。該類探測器的研制過程非常復雜，包含十幾道工藝，如超導鈮導線、超導微帶線、超導轉變邊探測器、微波動態電感傳感器、過孔、高指數介質層(如SiN_x、SiO₂等)、超薄玻璃窗(0.5～20μm)的制備等。為保證制備出的探測器具備超高靈敏度，制備工藝的每一步都必須保證100％的成功率；第二，制備出的探測器在宇宙極限溫度(1K甚至100mK以下)都必須具備超導電性；第三，為保證超導材料不被復雜的集成電路工藝損壞，整個探測器研制過程要求所有工藝溫度不能超過150℃，這對整個集成電路工藝都提出了挑戰。其復雜度及諸多限制導致制備此類探測器的難度極大。

針對此類超導探測器，為進行阻抗匹配，接收宇宙微波背景輻射信號的探測器主體OMT(orthmode transducer)需位于超薄硅或超薄氮化硅玻璃窗上；為降低噪聲，微波動態電感傳感器需位于超薄硅玻璃窗上；為降低熱導，超導轉變邊探測器同樣需位于超薄氮化硅玻璃窗上。因此，超薄玻璃窗在這類探測器中是非常重要的一步工藝，然而，此類探測器研制的復雜性決定了傳統的玻璃窗研制方案無法應用于此類探測器的研制中，這是因為傳統的玻璃窗研制通常采用KOH溶液進行濕法刻蝕來獲得氮化硅玻璃窗，此類方法獲得的玻璃窗的側壁有一定的角度(54.7°)，而用于宇宙微波背景輻射探測的超導探測器玻璃窗的側壁需為90°或接近90°，因此濕法刻蝕工藝無法滿足要求。用于刻蝕90°側壁的工藝為bosch工藝，為保護側壁，通常采用C₄F₈氣體沉積聚合物；采用SF₆及O₂混合氣刻蝕硅，采用此種方法最終可以刻蝕出90°側壁的玻璃窗。

通常玻璃窗的厚度要求幾十微米甚至幾百微米，然而bosch工藝要求玻璃窗的厚度不能太薄。這是因為采用bosch工藝進行刻蝕時，會在晶圓的玻璃窗一側通一定氣壓的氦氣(3～20mTorr)，用于耗散bosch工藝過程中由等離子體轟擊樣品帶來的熱量，此種辦法可保證刻蝕的均一性及穩定性。然而，當玻璃窗的厚度只有幾微米甚至幾百納米時，極薄的玻璃窗無法承受背部的氦氣氣壓，從而導致玻璃窗破碎，器件研發失敗。

此外，在研制宇宙微波背景輻射探測器過程中，除了要制備玻璃窗外，還需要考慮探測器從晶圓上分離的問題。通常，制備探測器芯片的方法是首先進行工藝加工，然后采用晶圓切割機將芯片按照所需尺寸進行切割。此種方案雖簡單易操作，然而在制備帶玻璃窗的探測器時，切割機的切割力度太大，極易破壞玻璃窗，特別是針對含大陣列玻璃窗的探測器時，任何一個玻璃窗的破碎都將使得整個芯片無法使用。

發明內容