CN102986046A - 用于注入压电材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由压电材料制成的结构的制造方法，包括：a）在由压电材料制成的基板（20）上制造包括至少一个金属层（22）和至少一个导电层（26）的叠层，其中，在导电层（26）和叠层外部的金属元件（29）之间建立至少一个电接触（31），b）通过所述导电层（26）和所述金属层（22）注入离子和/或原子，c）使所述基板转移至转移基板（30）上，随后使转移的压电基板的脆化区（27）破裂。
Description
技术领域和背景技术
射频通信增长的几十年以来，已经导致授权频段的拥挤。为了利用可用的频率范围，系统必需包含具有窄过渡带的带滤波。只有利用材料的压电性质的SAW（表面声波，surface acoustic wave）或BAW（体声波，bulkacoustic wave）技术谐振器，使得低损耗和紧凑的结构能够符合这些规范。目前，用于这些滤波器的压电层是通过沉积制成的（BAW滤波器）或来自于体（大块，bulk）基板（SAW滤波器）。
在图1中示意性地示出了BAW：它包含设置在两个电极4、6之间的厚度为1μm数量级的精密压电层2。
组合件设置在基板12上，而且可以通过装置10隔音。可以通过在空腔上方悬置压电膜（FBAR技术）或通过经由布拉格网格从基板上分离它（SMR技术）而获得隔音。
用于这种类型器件的压电材料层通常是通过PVD类的沉积技术制造的。用这种方法制造的层的厚度在几百nm至1μm之间。
除沉积技术之外，在注入之后的转移技术已经形成各种研究的对象。
题为“fabrication of single-crystal lithium niobate films by crystal ionslicing”，M.Levy等，Applied Physics Letters，vol73，nb16（1998）2293的文献描述了高能注入（3.8MeV）剂量为5x1016He+离子/cm2，能够使9μm数量级的LiNbO3厚层转移的实例。然而，由于使用的注入能量为几MeV，所以将该技术工业化是困难的，而且还没有显示出薄膜（小于一微米）的转移。
题为“Integration of single-crystal LiNbO3thin film on silicon by laserirradiation and ion implantation-induced layer transfer”，Y.B.Park等，Advanced Materials，vol18（2006）1533的另一个研究，描述了在注入方面的其他情况（条件，condition）。这篇文献指出通过在80keV下的H+离子以5x1016离子/cm2的剂量和在115keV下的氦以1017离子/cm2的剂量共注入，转移800nm的LiNbO3。在该文献中，利用cw-CO2激光（功率密度为100MW.m-2）用作热源实现转移。
文献US2010/0088868A1和Q.Wan等的题为“Investigation ofH+andB+/H+implantation in LiTaO3single crystals”，Nuclear Instruments andMethods in Physics Research”，B184（2001）p.53的文章也描述了通过转移，形成由LiTaO3和LiNbO3制成的层。
但是已知技术中没有一个使得包含压电层和埋藏金属层（掩埋金属层，buried metal layer）的元件叠层转移。
然而考虑到制造其它由压电材料制成的部件，例如，如上面给出的那些滤波器，以及可能的其他类型的部件，这种元件叠层的形成将是必要的。
发明内容
首先，本发明提出了一种由压电材料制成的结构的制造方法，包括：
a）在由压电材料（例如LiNbO3或LiTaO3）制成的基板上制造包含至少一个金属层和/或至少一个导电的表面层的叠层，其中，在导电层和叠层外部的金属元件之间建立至少一个电接触，
b）注入一种或多种气态物质，至少通过所述导电层和金属层，以在压电基板中形成脆化区（embrittlement area），
c）用这种方式获得具有转移基板的叠层的组合件，随后使该压电基板的脆化区破裂，以形成包含至少一个由压电材料制成的层、金属层和转移基板的组合件。
从而本发明提出了一种能够制造具有埋藏电极（其可由金属层构成）和压电表面层（例如由压电材料（例如LiNbO3或LiTaO3类）的体基板获得）的基板的方法。
有利地，导电的层也是导热的。
注入（优选低于500keV的能级）通过埋藏于至少一个表面导电层之下的金属层实现。在注入束的通路上没有表面导电层的情况下，发明人发现不能获得破裂，甚至是所获得的板也在注入期间破损。
在金属之中，特别可以用作表面传导层的是过渡金属（包括Mo、或Ni、或Pt、或Cr、或Ru、或Ti、或W、或Co、Ta、Cu）或贫金属（包含Al、或Sn、或Ga，等）以及它们的合金。还包括AlSi或还有AlCu。优选地，所用的金属分别具有大于10W/m.k和106S/m的导热率和导电率（对于Ti：21W/m.k和2.4x106S/m）。
对于可以用于埋藏电极的金属：除先前的参数之外，可以将声学相容性（声阻抗大于1.105g/cm2.s；就Al而言是13.8x105g/cm2.s）加入之前提到的列举中（尤其是如果涉及的应用是RF滤波器的应用）。
优选地，它具有小于10Ω或进一步小于1Ω的平方电阻率（squaredelectrical resistivity）。
每一个金属层和导电层的厚度可以在10nm至200nm之间。
根据本发明的方法，在步骤b）之前还可以包括使叠层材料致密化的步骤。
在一个实施方式中，金属层和表面导电层形成单独的、独特的层。
然后，在注入步骤之后和结合步骤之前，除去该金属层的部分厚度是可能的。
在另一个实施方式中，埋藏金属层和表面导电层形成隔离层。然后在注入步骤b）之后和组装步骤c）之前除去表面导电层是可能的。此外，在这种情况下，该方法可以包括在所述金属层上形成结合层或牺牲层（sacrificial layer）、或布拉格网格。
可以在由压电材料制成的基板和/或转移基板上形成至少一个结合层以便于组装。作为变型，可以制备金属层以实现该功能。
有利地，可以在金属层与导电层或叠层外部的金属元件之间建立电接触。该外部的金属元件可以形成注入器件的部分；它可以是支持注入器件的基板，考虑到注入，将叠层设置在注入器件上。
附图说明
-图1示出了BAW类型的部件；
-图2A至图2E示出了根据本发明的方法制备第一基板的步骤；
-图3示出了转移基板的制备；
-图4A和图4B示出了具有埋藏电极的由压电材料制成的层转移至转移基板上的步骤。
具体实施方式
根据本发明的方法使用由压电材料制成的基板。
在本文档中，多次提及了基于注入和破裂技术的薄膜转移方法。例如，在专利FR2681472或在B.Aspar和A.J.Auberton–Hervé的论文“SiliconWafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications”，由S.S.Iyer和A.J.Auberton-Hervé编辑，2002，INSPEC，London，Chapter3，pages35-52中描述了这种方法。
其余参考文献也涉及分子结合，也被称为直接结合。特别是Q.Y.Tong在“Silicon Wafer Bonding Technology for VLSI and MEMS applications”，由S.S.Iyer和A.J.Auberton-Hervé编辑，2002，INSPEC，London，Chapter 1,pages1-20中描述了该组装技术。
下面所讨论的压电材料，例如，选自块磷铝矿（AlPO4）、氧化锌（ZnO）、石英、黄玉、正磷酸镓（GaPO4晶体）、硅酸镧镓（langasite）（La3Ga5SiO14）、钛酸钡（BaTiO3晶体）、或钛酸铅（PbTiO3）、或锆钛酸铅（Pb(ZrTi)O3）（PZT）、或铌酸钾（KNbO3）、或铌酸锂（LiNbO3）、或钽酸锂（LiTaO3）、或钨酸钠（NaxWO3）、或Ba2NaNb5O5、或Pb2KNb5O15之中。
在图4B中示出了根据本发明或通过根据本发明的方法获得的器件的实施例。
在该结构中，压电材料的薄层200位于埋藏金属电极22上。该组合件本身位于主基板30上。可能包括一个或多个结合层24、32的结合区连接基板30和金属电极层22。作为变型，将金属电极直接组装在基板30上。
换言之，该叠层以此顺序包括：
-基板30，
-可能的一个或多个结合层，
-电极22，
-以及最后，由如上面指出的那些材料中的一种制成的压电层200。
其他未示出的层（例如形成布拉格镜（Bragg mirror）或牺牲层，等等）可以包含在基板30和电极22之间。
现在将结合图2A-图2E描述根据本发明的方法的应用。
这涉及图4B的那种类型的基板的制造，其中压电材料层200（例如，LiNbO3）已经转移至任何具有金属埋藏电极的基底30上。
选择体压电基板20（例如LiNbO3类、或LiTaO3类，等等）。将根据所寻找的应用选择材料，尤其是材料的晶体取向（排列，alignment）。
在该基板20的一个面上形成金属层22（图2A）。
将形成埋藏电极的层22可以是简单的金属层。作为变型，在层22上也形成至少一个另外的层23（在图2A中用虚线显示）。例如，该另外的层可以是牺牲层或可替换的布拉格网格（其可以包括W/SiO2的交替层），如之前所描述的，该另外的层的作用最终将是（特别是在局部除去牺牲层之后）使压电层隔绝来自基板的声音。
例如，金属层22的金属可以选自下列金属中的一种：Cu、AlCu、AlSi、W、Mo、Pt、Cr，等等。上文中给出了材料和选择标准的其他实例（导热率和/或导电率分别大于10W/m.k和/或106S/m和/或具有大于1.105g/cm2.s的声阻抗）。
然后，在该实例中，用被称为结合层的层24覆盖由基板20和层22（以及，如果适用，另外的层23）组成的叠层组合件（图2B）。结合层可以由电绝缘和/或热绝缘材料制成。
例如，结合层是厚度为几百nm（例如在10nm和500nm之间，再次，例如等于约200nm）的二氧化硅层（SiO2）。作为变型，结合层的作用可以直接通过用来形成电极的金属层22提供。
可能在结合层24中制造导电层25，例如通过蚀刻该层24随后沉积适当的传导材料。该区25的功能将在下面说明。
然后将至少导电的层26设置在结合层24上（图2C）。有利地，该层26也是导热的。例如，它可以是由Mo、或Ti、或Al、或AlSi、或AlCu、或W制成的层。该层的导电性质赋予它小于约10Ω的平方电阻率。有利地，将采用小于约1Ω或0.5Ω数量级的平方电阻率。从而，如果采用电阻率为5μΩ.cm的材料，那么100nm的厚度将适用于该层。一般而言，优选该层的厚度在约10nm至200nm之间。有利地，该层的导热率大于10W/m.K，优选接近于50W/m.K。
作为变型，传导表面层的作用可以直接由用来形成电极的金属层22带来，特别是如果后者具有之前限定的该传导层的所要求的传导性质。然后不用另外的层将它覆盖，因此也用作结合层。
取决于所沉积的材料的性质，在该传导层26沉积之前或之后，可以使所制造的叠层致密化，例如，通过在300°C至600°C之间的温度下热处理几个小时。
使该叠层与通常由铝制成的支持注入器件的基板29接触（图2D）：在传导层26和支持基板29的表面（或任何其他可以起到电接地参考作用的元件）之间建立至少一个接触31。
可以借助于至少部分导电支架（臂，arm）建立接触31，该至少部分导电支架也起到机械地将该叠层保持在支持基板29上的作用。在这种情况下，可以用在叠层上的支架的微小机械压力建立接触，在注入步骤期间用这种方法也能使叠层保持垂直。
可以在电极层22和支架29之间建立另一个接触31’。作为变型，可以在层22和接触31之间建立接触31”（在图2D中用虚线表示）。
该接触或这些接触使得能够在层22和/或层26与用作电接地参照物的叠层外部的元件之间提供导电性。
根据又一种变型，可以借助于在之前结合图2B描述的步骤中在结合层中制造的传导区25获得电极层22和导电层26之间的电接触。
然后将一种或多种气态物质注入，对于LiNbO3优选至少为氦，平均深度p接近于对于待转移的压电材料的薄层200所希望的厚度（图2D）。通过该方法形成脆化区27。取决于注入束的能量，注入深度可以是任何值。
例如，取决于待转移的厚度，可以使用氦或氢，或氢和氦的混合物，以1016at/cm2至1017at/cm2之间的剂量，并且具有50keV至240keV之间的能量值完成注入。
在注入之后，除去传导层26，例如通过化学蚀刻技术，或通过干蚀刻或通过抛光。有利地，将选取选择性蚀刻技术，在没有蚀刻下面的层（结合层24或金属层22，如果应用）的情况下蚀刻传导层。
如果金属层22起到表面传导层26的作用，那么为了除去可能已经被注入步骤损坏的表面部分，可以在它的部分厚度内部分地蚀刻。
此外，在其上可以沉积有价值的层（例如，形成布拉格镜或牺牲层的层）的表面上制备第二基板30（其可以是压电的，例如由LiNbO3或另一种物质，例如硅或蓝宝石或石英，等等制成），可能地，连同结合层32一起制备，优选介电层，例如由SiO2制成（图3）。此处再次地，结合层的厚度可以在10nm至500nm之间；优选接近于200nm。
随后可使以这种方式制备的两个基板经受特定的处理以便结合：例如使意在接触然后组装的表面经受（CMP类的）机械-化学抛光。特别地，该处理能够获得所希望的用于结合的粗糙度，以及足够的表面活化。
然后通过直接结合将两个基板结合（图4A）。考虑到结合，使结合层24、32和/或已经受特定处理的面相互接触。
通过热处理，可能地通过施加机械力辅助，通过沿着脆化区27的破裂，引发压电薄膜200的转移（图4B）。例如，为了引发薄膜200的转移，在100°C至500°C之间进行热处理，优选约250°C。该热处理使得在注入步骤期间能够在待开发的区27形成微空腔（microcavity），这引起所希望的破裂。在注入步骤期间导电层的存在，使得能够在没有断裂叠层的情况下获得转移。
可以进行修整（finishing）层或膜200的表面的方法（如热处理和/或抛光，以获得与随后在层200的表面上制造组合件相适应的粗糙度）。
通过这种方法，在主基板30上获得具有埋藏金属电极22的精密压电材料层200。由层24、32限定的结合区可以连接基板30和金属电极层22。如上所述，也可以在电极层和主基板之间存在其他层。换言之，获得至少包含基板30的叠层，在基板30上形成由层24、32两者组成的结合区，电极22设置在结合区上，压电层200设置在电极22上。
特别地，有可能在层200的表面200’上制造第二电极22’（在图4B中用虚线显示）。
此外，破裂之后除去的基板20的部分30’可以再使用以形成另一个压电材料层。
Claims (16)
1.一种由压电材料制成的结构的制造方法，包括：
a）在由压电材料制成的基板（20）上制造包括至少一个埋藏金属层（22）和至少一个表面导电层（26）的叠层，其中，在所述传导层（26）和所述叠层外部的金属元件（29）之间建立至少一个电接触（31），
b）注入一种或多种气态物质，至少通过所述传导层（26）和所述金属层（22），以在所述压电基板中形成脆化区（27），
c）从而形成具有转移基板（30）的所述叠层的组合件，随后使所述压电基板的脆化区（27）破裂，以形成包含至少一个由压电材料制成的层（200）、金属层（22）和所述转移基板（30）的叠层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面导电层（26）也是导热性的。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述传导层（26）是由选自过渡金属中的一种材料制成的，例如选自下列材料中：Mo、Ni、Pt、Cr、Ru、Ti、W、Co、Ta、Cu、或贫金属，例如选自Al、Sn、Ga、以及它们的合金中，和/或具有分别大于10W/m.k和/或106S/m的导热率和/或导电率，和/或具有大于1.105g/cm2.s的声阻抗。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述传导层（26）的平方电阻率低于10Ω。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述传导层（26）的平方电阻率低于1Ω。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中每个所述传导层（26）的厚度在10nm至200nm之间。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，在步骤b）之前包括使所述叠层的材料致密化的步骤。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述金属层和所述表面传导层（26）形成单独的、独特的层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述注入步骤之后和所述结合步骤之前，除去所述金属层的部分厚度。
10.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中所述埋藏金属层（22）和所述表面传导层（26）形成隔离层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在注入步骤b）的注入之后和组装步骤c）之前，除去所述表面传导层。
12.根据权利要求10或11之一所述的方法，包括在所述金属层（22）上形成结合层（24）或牺牲层（23），或布拉格网格。
13.根据权利要求10至12中之一所述的方法，包括在所述金属层（22）与所述传导层（26）或所述叠层外部的金属元件（29）之间建立电接触（31’、31”、25）。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其中所述叠层外部的金属元件（29）是支持所述注入器件的基板。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，包括在组装之前，在所述转移基板上形成牺牲层、或布拉格网格、或结合层（32）的步骤。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述压电材料由LiNbO3或LiTaO3制成。
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