一种基于封装结构的低维光电器件测试系统及方法

1.本发明涉及一种基于封装结构的低维光电器件测试系统及方法，属于半导体器件领域。


背景技术：

2.低维材料是指至少一个维度上以原子尺度稳定存在的新型材料，其在电子、光学和机械方面都表现出了优良的性能。低维材料一般拥有高电可调性，如石墨烯、过渡金属硫化物等二维层状材料，其载流子浓度可经过栅压调控，从而使得用这些低维材料制作而成的器件在光电测试中输出电流可随着栅压调控而调节。
3.实验室中的器件光电测试一般是使用可导电凝胶将硅片连在金属片上，金属片与芯片底座相连；通过打线的方式将漏极和源极连接到金属底座，从而制作而成的。用这种方法进行的测试方式可以通过底座对器件进行栅压调控，从而实现电学及光电测试。但是，这种测电方式需要通过bonding机打线的方式连接器件和底座，不止bonding机器本身比较昂贵，而且bonding的过程比较复杂，还容易造成电极的损伤甚至将氧化硅薄膜打穿，从而造成材料的电学击穿。


技术实现要素：

4.[技术问题]
[0005]
目前实验室常用的光电测试方法需要借助芯片底座，需要bonding技术，而bonding机比较昂贵且bonding过程较为复杂，并且使用bonding机容易对电极造成损伤甚至导致材料发生电学击穿。
[0006]
[技术方案]
[0007]
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明提供一种基于封装结构的低维光电器件测试系统及方法，技术方案如下：
[0008]
本发明的第一个目的在于提供一种低维光电器件测试系统，包括：源表、样品台、光镜和测试板；
[0009]
所述测试板为：由玻璃晶圆制备得到的方形玻璃板，设有贯穿玻璃板上下表面的铜柱，所述铜柱排列并依次设于玻璃板两端，并通过导线两两对应连接；所述玻璃板的下表面设有阵列排布的金属柱，所述金属柱沿所述导线排布并嵌入所述玻璃板的下表面与所述导线导通；
[0010]
所述测试板的金属柱和待测试器件上的电极在所述光镜下互连，用探针连接所述测试板上和电极对应的铜柱，通过所述源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。
[0011]
可选的，所述测试板的制备过程包括：使用光刻、刻蚀、pvd沉积、电镀、切割工艺在玻璃晶圆的基础上制造出两侧带有铜柱的透明玻璃板，然后在透明玻璃板下表面上使用光刻、电镀工艺制作阵列排布的金属柱。
[0012]
可选的，所述测试板的制备过程包括：
[0013]
(1)将光刻胶均匀旋涂在清洗干净的玻璃晶圆上并进行烘烤，使用光刻技术曝光出所需图形；
[0014]
(2)将步骤(1)光刻后的晶圆刻蚀出所需孔洞；
[0015]
(3)将步骤(2)得到的玻璃晶圆使用pvd技术沉积种子层；
[0016]
(4)对步骤(3)得到的晶圆进行电镀工艺，填充孔洞；
[0017]
(5)对步骤(4)得到的晶圆去胶、刻蚀种子层、减薄并切割成所需长方体玻璃板；
[0018]
(6)利用pvd技术在步骤(5)制备的玻璃板上沉积种子层；
[0019]
(7)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(6)制备的玻璃板上并进行烘烤，将所需金属部分用光刻胶保护，其余部分光刻胶去除；
[0020]
(8)刻蚀多余的种子层；去除所有光刻胶，得到两侧铜柱互连的玻璃板；
[0021]
(9)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(8)制备的玻璃板上并进行烘烤，利用光刻在玻璃板表面刻出阵列排布的圆形图案，曝光完成后烘烤并保留光刻胶；
[0022]
(10)用电镀的方法将步骤(9)中玻璃板上的圆形图案上电镀出金属柱，得到一种封装结构的低维光电器件测试板。
[0023]
可选的，所述步骤(1)中玻璃晶圆为4寸玻璃晶圆，厚约为0.5mm。清洗步骤为用氨水和双氧水的比例为1:1.5的混合药液冲洗3分钟后用氮气吹干。
[0024]
可选的，所述步骤(1)中光刻胶型号为：azp4620，旋涂转速为3000
±
30rpm持续5s，2200rpm持续25s，烘烤温度为100℃，烘干时间为120s。
[0025]
可选的，所述步骤(2)中刻蚀出的孔洞深为200μm。
[0026]
可选的，所述步骤(3)和步骤(6)中沉积的种子层为钛、铜；溅射沉积机台真空环境要求7
×
10-7pa以下，钛沉积速率为沉积时间为45s；铜沉积速率为沉积时间30s。
[0027]
可选的，所述步骤(4)中的电镀金属为铜，电镀时间为6h。
[0028]
可选的，所述步骤(5)中的去胶方式为湿法去胶；刻蚀种子层所用药液为铜腐蚀液(主要成分为氢氟酸)和钛腐蚀液(主要成分为过硫酸盐)。刻蚀种子层过程为：在200rpm转速下用铜腐蚀液进行铜刻蚀24s，在200rmp转速下用钛腐蚀液进行钛刻蚀50s；减薄后的晶圆厚度为200μm。
[0029]
可选的，所述步骤(7)的采用的光刻胶为jsr151，旋涂转速为630rpm，持续时间30s，烘烤温度为120℃，烘烤时间为5min。
[0030]
可选的，所述步骤(8)刻蚀种子层的方法与步骤(5)中刻蚀方法相同，使用干法去胶的方式去除保护区的光刻胶。
[0031]
可选的，所述步骤(9)的光刻胶型号及旋涂条件与步骤(7)相同，不过这一步骤的光刻胶固化后会保留下来，对接触硅片及样品时对其有一个较好的保护作用。
[0032]
可选的，所述步骤(10)的电镀步骤为：电镀速率为0.22μm/asd/min，在1asd条件下电镀4.5min，在5asd条件下电镀44.5min，最终实现电镀50μm的铜柱。
[0033]
本发明的第二个目的在于提供一种低维光电器件测试板的制备方法，采用权利要求2-8任一项所述的测试板的制备过程制备测试板。
[0034]
本发明的第三个目的在于提供一种低维光电器件测试方法，采用上述任一项所述
的低维光电器件测试系统实现，包括：测试板的金属柱和待测试器件上的电极在所述光镜下互连，用探针连接所述测试板上和电极对应的铜柱，通过所述源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。
[0035]
本发明有益效果是：
[0036]
(1)本发明基于封装结构制作了一种低维光电器件测试系统，相比于传统的器件bonding测光电的方法，本发明可以重复利用，且对材料的损伤较小。
[0037]
(2)本发明中与材料相接触的一面为阵列排布的铜柱，可按照材料大小不同来选择合适的接触电极进行测量。
[0038]
(3)本发明中选用透明玻璃板作为封装结构，可以实现器件在不同波长的可见光与近红外光的探测。
[0039]
(4)本发明中所涉及到的制作工艺：光刻、pvd沉积、电镀等较为成熟，制作简单。
[0040]
此外，实验结果证明，本发明的测试系统相比于现有测试方案，能够得到更稳定的光电流输出，且环境光强度的波动和其他干扰因素影响较小，得到的光电流强度比较高，对细微的光信号有较为快速的响应。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例中制备基于封装结构的低维光电器件测试系统流程及其应用示意图。
[0043]
图2为本发明实施例中在玻璃板上排布的金属线条与样品电极接触示意图。
[0044]
图3为本发明实施例中制备的低维光电器件测试板和电极相连后进行测电的图片，栅压从硅片底部进行调控，源极和漏极从玻璃板上进行加压，避免了和样品电极的直接接触。
[0045]
图4为对比例中通过bonding的方式制备的器件图。
[0046]
图5为实施例和对比例得到的光电响应数据图。
[0047]
图6为本发明的低维光电器件测试系统结构图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0049]
实施例一：
[0050]
本实施例提供一种低维光电器件测试系统，包括：源表、样品台、光镜和测试板；
[0051]
测试板为：由玻璃晶圆制备得到的方形玻璃板，设有贯穿玻璃板上下表面的铜柱，铜柱排列并依次设于玻璃板两端，并通过导线两两对应连接；玻璃板的下表面设有阵列排布的金属柱，金属柱沿导线排布并嵌入玻璃板的下表面与导线导通；
[0052]
测试板的金属柱和待测试器件上的电极在光镜下互连，用探针连接测试板上和电
极对应的铜柱，通过源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。
[0053]
实施例二：
[0054]
本实施例提供一种低维光电器件测试系统，包括：源表、样品台、光镜和测试板；
[0055]
测试板为：由玻璃晶圆制备得到的方形玻璃板，设有贯穿玻璃板上下表面的铜柱，铜柱排列并依次设于玻璃板两端，并通过导线两两对应连接；玻璃板的下表面设有阵列排布的金属柱，金属柱沿导线排布并嵌入玻璃板的下表面与导线导通；
[0056]
测试板的金属柱和待测试器件上的电极在光镜下互连，用探针连接测试板上和电极对应的铜柱，通过源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。
[0057]
本实施例的测试板的制备过程如下：
[0058]
(1)利用电镀技术在用氨水和双氧水的比例为1:1.5的混合药液冲洗3分钟后用氮气吹干的玻璃板上电镀出上下表面连通的铜柱；
[0059]
(2)用pvd技术在步骤(1)制备的玻璃板上沉积种子层；沉积的种子层为钛(100nm)、铜(300nm)。溅射沉积机台真空环境要求7
×
10-7pa以下。钛沉积速率为7pa以下。钛沉积速率为沉积时间为45s。铜沉积速率为沉积时间30s。
[0060]
(3)将jsr151光刻胶均匀地旋涂在步骤(2)制备的玻璃板上，旋涂转速为630rpm,持续时间30s。并在温度为120℃下烘烤5min。用光刻技术将所需金属部分用光刻胶保护，其余部分光刻胶去除；使用湿法刻蚀的方法将未被光刻胶保护的金属层去除，湿法刻蚀后，去掉所有光刻胶，完成布线。
[0061]
(4)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(3)制备的玻璃板上并进行烘烤，利用光刻的技术在玻璃板表面刻出阵列排布的圆形图案。曝光完成后烘烤并保留光刻胶。
[0062]
(5)用电镀技术在步骤(4)中通过光刻工艺完成的圆形孔洞生长出铜柱，电镀速率为0.22μm/asd/min,在1asd条件下电镀4.5min，在5asd条件下电镀44.5min，最终实现电镀50μm的铜柱，铜柱呈不等间距分布。至此完成基于封装结构的低维光电测试板的制造。
[0063]
将步骤(5)制造的测试板和在硅片上制造好的电极通过光镜连接在一起，通过测电装置进行测电。如图3所示。
[0064]
对比例：
[0065]
本对比例提供一种通过bonding的方式制备器件的方法，包括如下步骤：
[0066]
(1)采用镀有285nm二氧化硅层的硅片作为衬底，将衬底分别依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗各5分钟，之后用氮气枪吹干，得到清洗之后的硅基衬底；
[0067]
(2)利用机械剥离技术得到少层的mote2薄膜；
[0068]
(3)利用pdms干法转移技术将步骤(2)中少层的mote2转移至硅基衬底表面；
[0069]
(4)用光刻技术在样品两侧刻画出电极形状，然后整体放入热蒸镀腔体内，进行电极材料的制备，电极制备好之后，就构成了两边为电极，中间为沟道的硅基mote2异质结；
[0070]
(5)将步骤(4)的硅基mote2异质结在器件底座上进行bonding制作成器件。
[0071]
图4为步骤(5)在硅基bonding后的图片，电极受损严重，不可进行重复性bonding，而且可能会导致氧化层受损，进行电学测试时会发生电学击穿。
[0072]
图5分为本发明实施例(a)及对比例(b)通过光学测试得到的数据。对比两种方式下得到的光电流数据，使用封装结构的低维光电器件的光电流的输出非常稳定，且环境光强度的波动和其他干扰因素影响较小，得到的光电流强度比较高，对细微的光信号有较为
快速的响应。而通过bonding技术制作的器件的光电流输出极不稳定，响应较差，得到的光电流的输出较差。
[0073]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0074]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低维光电器件测试系统，其特征在于，所述系统包括：源表、样品台、光镜和测试板；所述测试板为：由玻璃晶圆制备得到的方形玻璃板，设有贯穿玻璃板上下表面的铜柱，所述铜柱排列并依次设于玻璃板两端，并通过导线两两对应连接；所述玻璃板的下表面设有阵列排布的金属柱，所述金属柱沿所述导线排布并嵌入所述玻璃板的下表面与所述导线导通；所述测试板的金属柱和待测试器件上的电极在所述光镜下互连，用探针连接所述测试板上和电极对应的铜柱，通过所述源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。2.根据权利要求1所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述测试板的制备过程包括：使用光刻、刻蚀、pvd沉积、电镀、切割工艺在玻璃晶圆的基础上制造出两侧带有铜柱的透明玻璃板，然后在透明玻璃板下表面上使用光刻、电镀工艺制作阵列排布的金属柱。3.根据权利要求2所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述测试板的制备过程包括：(1)将光刻胶均匀旋涂在清洗干净的玻璃晶圆上并进行烘烤，使用光刻技术曝光出所需图形；(2)将步骤(1)光刻后的晶圆刻蚀出所需孔洞；(3)将步骤(2)得到的玻璃晶圆使用pvd技术沉积种子层；(4)对步骤(3)得到的晶圆进行电镀工艺，填充孔洞；(5)对步骤(4)得到的晶圆去胶、刻蚀种子层、减薄并切割成所需长方体玻璃板；(6)利用pvd技术在步骤(5)制备的玻璃板上沉积种子层；(7)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(6)制备的玻璃板上并进行烘烤，将所需金属部分用光刻胶保护，其余部分光刻胶去除；(8)刻蚀多余的种子层；去除所有光刻胶，得到两侧铜柱互连的玻璃板；(9)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(8)制备的玻璃板上并进行烘烤，利用光刻在玻璃板表面刻出阵列排布的圆形图案，曝光完成后烘烤并保留光刻胶；(10)用电镀的方法将步骤(9)中玻璃板上的圆形图案上电镀出金属柱，得到一种封装结构的低维光电器件测试板。4.根据权利要求3所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述步骤(1)光刻胶型号为：azp4620，旋涂转速为3000
±
30rpm持续5s，2200rpm持续25s，烘烤温度为100℃，烘干时间为120s。5.根据权利要求3所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述步骤(3)和步骤(6)中沉积的种子层为钛、铜；溅射沉积机台真空环境要求7
×
10-7pa以下，钛沉积速率为沉积时间为45s；铜沉积速率为沉积时间30s。6.根据权利要求3所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述步骤(4)中的电镀金属为铜，电镀时间为6h。7.根据权利要求3所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述步骤(5)刻蚀种子层过程包括：在200rpm转速下用铜腐蚀液进行铜刻蚀24s，在200rmp转速下用钛腐蚀液进行钛刻蚀50s。
8.根据权利要求3所述的低维光电器件测试系统，其特征在于，所述步骤(7)的采用的光刻胶为jsr151，旋涂转速为630rpm，持续时间30s，烘烤温度为120℃，烘烤时间为5min。9.一种低维光电器件测试板的制备方法，其特征在于，所述方法采用权利要求2-8任一项所述的测试板的制备过程制备测试板。10.一种低维光电器件测试方法，其特征在于，所述测试方法采用权利要求1-8任一项所述的低维光电器件测试系统实现，包括：测试板的金属柱和待测试器件上的电极在所述光镜下互连，用探针连接所述测试板上和电极对应的铜柱，通过所述源表给探针电学信号，从而间接测试电极结构的光学、电学性能。

技术总结
本发明公开了一种基于封装结构的低维光电器件测试系统及方法，属于半导体器件领域。本发明使用光刻、刻蚀、PVD沉积、电镀、切割等工艺在玻璃晶圆的基础上制造出两侧带有铜柱的透明玻璃板，然后在透明玻璃板下表面上使用光刻、电镀等工艺制作阵列排布的铜柱，得到一种封装结构的光电器件测试系统。本发明制备方法工艺成熟，不仅可以实现器件在不同波长的可见光与近红外光的探测，而且可以重复利用，并且避免了传统测电时使用bonding的工艺对材料造成损伤的情况发生；此外，本发明能够得到更稳定的光电流输出，且环境光强度的波动和其他干扰因素影响较小，得到的光电流强度比较高，对细微的光信号有较为快速的响应。细微的光信号有较为快速的响应。细微的光信号有较为快速的响应。


技术研发人员：南海燕 潘炳宇 丁扬 王成林 戚任贤 肖少庆 顾晓峰
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/19