CN103058129B - 一种制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导，将绝缘体上半导体衬底的顶层半导体刻蚀成间隔排列的半导体条结构；采用HF溶液将埋氧层腐蚀成多个支撑结构，使各该半导体条结构的两侧形成悬空的半导体带结构；将一PDMS衬底与各该半导体条结构进行保角性接触；将所述PDMS衬底朝预设方向掀起，使各该半导体带结构与各该半导体条结构脱离而转移至所述PDMS衬底；可通过所制备的半导体亚微米带制作柔性衬底上硅光波导。本发明首次提出通过控制绝缘体上半导体材料边缘腐蚀的方法实现半导体亚微米带向柔性衬底的转移；半导体亚微米带的宽度、排列可控性非常高，可应用于较高精度的器件的制作；方法简易有效且成本较低。

Description

一种制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导

技术领域

本发明涉及一种半导体结构及制备方法，特别是涉及一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导。

背景技术

1965年，Gordon Moore指出：“随着晶体管尺寸的降低，每18-24个月硅微处理器上的晶体管数目将会翻一番”。这一说法被发展为广为人知的摩尔定律，摩尔规律也被业界视为整个微电子产业发展的驱动力，使得集成电路的芯片集成度日益提高，器件特征尺寸亦越来越小。在现代微电子技术发展的40年后，宏电子技术开始出现，并如雨后春笋般迅速发展，占领了市场的相当一部分份额。由于在宏电子技术的所要求的覆盖面积远远大于当今的半导体晶圆尺寸。在宏电子技术中，最主要的衡量标准是全部的区域面积而不是单个器件的特征尺寸或者集成度。然而，无论在微电子技术领域还是宏电子技术领域，当今电子技术发展的趋势是通过一定的手段，使系统避免刚性、易碎以及平面等特征，从而达到柔性、弹性、可拉伸、可扭曲以及可形变至曲面形状等特点。因此，柔性电子技术开始渐渐引起科学家们的关注。

当今，柔性技术主要通过将传统刚性衬底上的功能材料及器件转移到柔性衬底上来实现。近年来，为了增强系统的柔性度，科学家们一直沿着从可弯曲、可拉伸、可折叠以及可扭曲这一技术路线发展。然而，在以往的科研工作中，人们更多的是将几十微米至几百微米的硅纳米薄膜转移到柔性衬底并制作相关柔性功能器件。大尺寸硅纳米薄膜相较于小尺寸硅纳米薄膜显然在某种程度上阻碍了柔性技术的进一步发展。因此，将小尺寸的硅纳米薄膜转移到柔性衬底上显得格外重要。同时，近年来硅基光子学将传统的铜互连变为光互连，具有高速、低功耗等特点而引起人们的广泛关注，被认为能够使摩尔定律有效延续。光波导作为取代传统铜互连的无源器件在硅光子学中具有举足轻重的作用。因此，如何低成本的制作低损耗的光波导显得越来越重要。

应用于柔性技术的传统的转移方法主要通过对绝缘体上半导体材料的埋氧层利用HF溶液进行彻底腐蚀，使顶层半导体纳米薄膜脱落至硅衬底，两者之间以范德瓦耳斯力相连接。进而用PDMS等有机聚合物作为中介转移至柔性衬底。然而，这种方法仅仅适用于大尺寸的纳米薄膜的转移而无法实现小尺寸的纳米薄膜的转移。这是由于顶层半导体纳米薄膜的尺寸越大，其与衬底硅的范德瓦耳斯力就越大。小尺寸的纳米薄膜与硅衬底的吸引力不足，造成在腐蚀掉埋氧层并从溶液取出的过程中，薄膜由于溶液表面张力的破坏导致排序混乱甚至团聚成簇。因此，本发明提出一种全新简单有效的方法实现小尺寸纳米薄膜——半导体亚微米带向柔性衬底上的转移，并利用这种方法制备柔性衬底上低损耗、制备成本较低的硅光波导。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导，解决了应用于柔性技术的传统转移方法在转移小尺寸纳米薄膜时所面对的技术难题，同时较低成本、简单有效的转移方法以及亚微米带线宽精确可控的特点满足了柔性电子技术在追求更高柔性度的材料需求，此外，利用该种方法可简单有效的制作柔性衬底上低损耗的光波导。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，至少包括以下步骤：

1）提供一包括硅衬底、埋氧层及顶层半导体的绝缘体上半导体衬底，于所述顶层半导体表面形成间隔排列的多个条状的光刻胶图形；

2）依据所述光刻胶图形采用干法刻蚀将所述顶层半导体刻蚀成间隔排列的多个半导体条结构，并去除所述光刻胶图形；

3）采用HF溶液将所述埋氧层腐蚀成多个宽度小于所述半导体条结构宽度的支撑结构，使各该半导体条结构的两侧形成悬空的半导体带结构；

4）提供一PDMS衬底，将该PDMS衬底与各该半导体条结构进行保角性接触；

5）将所述PDMS衬底朝预设方向掀起，在剪切应力的作用下使各该半导体带结构与各该半导体条结构脱离而转移至所述PDMS衬底。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，步骤1）所述的条状为矩形条状、哑铃条状或马蹄条状。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，步骤3）中，通过控制腐蚀时间及HF溶液的浓度控制所述半导体带结构的宽度。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，所述半导体亚微米带结构最小的宽度可达500nm。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，步骤4）中，所述的保角性接触为PDMS衬底与各该半导体条结构的接触不改变最初顶层半导体的图形化排列顺序，且接触面无气泡结构。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，步骤5）中，所述转移方法为干法转移，其中所述半导体带结构与PDMS之间的范德瓦耳斯力的大小与PDMS的提拉速度呈正相关。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，步骤5）中，在脱离半导体条结构时，所述半导体带结构沿解理面在剪切力的作用下裂开而转移至PDMS衬底，以获得边缘整齐的半导体带结构。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，所述顶层半导体为锗或三五族化合物半导体材料。

作为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法的一种优选方案，所述顶层半导体为硅。

本发明还提供一种基于上一方案所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法制备的柔性光波导，即所述顶层半导体为硅时，该基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法可直接制备出柔性光波导。

如上所述，本发明提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导，先将绝缘体上半导体衬底的顶层半导体刻蚀成间隔排列的半导体条结构；然后采用HF溶液将绝缘体上半导体衬底的埋氧层腐蚀成多个宽度小于所述半导体条结构宽度的支撑结构，使各该半导体条结构的两侧形成悬空的半导体带结构；接着将一PDMS衬底与各该半导体条结构进行保角性接触；最后将所述PDMS衬底朝预设方向掀起，在剪切应力的作用下使各该半导体带结构与各该半导体条结构脱离而转移至所述PDMS衬底。本发明具有以下有益效果：1）首次提出通过控制绝缘体上半导体衬底边缘腐蚀的方法实现半导体亚微米带向柔性衬底的转移；2）基于本方法，即边缘转移方法所制备的柔性衬底上的半导体亚微米带，由于不是传统转移方法中的完全腐蚀埋氧层，剩余的埋氧层可作为固定点来固定半导体亚微米带的排序，因此排序与最初绝缘体上半导体衬底图形化结构完全一致，可直接应用于柔性电子技术中；3）利用本方法制备的柔性衬底上的半导体亚微米带，可通过控制HF溶液的浓度以及腐蚀时间精确控制半导体亚微米带的线宽；4）由于半导体亚微米带的裂开方向沿着顶层半导体的解理面，所以所制备的半导体亚微米带边缘整齐，可应用于较高精度的器件的制作，本发明利用该方法制作柔性光波导；5）本方法简易有效且成本较低。

附图说明

图1~2显示为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法步骤1）所呈现的结构示意图。

图3~图4显示为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法步骤2）所呈现的结构示意图。

图5显示为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法步骤3）所呈现的结构示意图。

图6显示为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法步骤4）所呈现的结构示意图。

图7~图8b显示为本发明的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法步骤5）所呈现的结构示意图，其中，图8b为最终半导体亚微米带或柔性光波导的平面结构图。

元件标号说明

101          硅衬底

102          埋氧层

103          顶层半导体

104          光刻胶图形

105          半导体条结构

106          支撑结构

107          半导体带结构

108          PDMS衬底

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1~图8b。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1~图8b所示，本实施例提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，至少包括以下步骤：

如图1~图2所示，首先进行步骤1），提供一包括硅衬底101、埋氧层102及顶层半导体103的绝缘体上半导体衬底，于所述顶层半导体103表面形成间隔排列的多个条状的光刻胶图形104。

在本实施例中，所述绝缘体上半导体衬底为SOI衬底，所述顶层半导体103在实际应用时，可根据材料需求利用本项发明将任意材料的微米带结构转移至柔性衬底，例如锗、三五族化合物半导体材料等。

具体地，提供一包括硅衬底101、埋氧层102及顶层半导体103的绝缘体上半导体衬底，然后于所述顶层半导体103表面涂覆光刻胶，通过制作好的掩膜版对所述光刻胶进行曝光，然后去除已被曝光的光刻胶，形成间隔排列的多个条状的光刻胶图形104。各该光刻胶的间隔可根据需求进行调整。所述条状为矩形条状、哑铃条状或马蹄条状，在本实施例中，所述条状为矩形条状。

如图3~图4所示，然后进行步骤2），依据所述光刻胶图形104采用干法刻蚀将所述顶层半导体103刻蚀成间隔排列的多个半导体条结构105，并去除所述光刻胶图形104。

在本实施例中，采用反应离子刻蚀法RIE对所述顶层半导体103进行刻蚀，形成与所述光刻胶图形104相对应的多个半导体条结构105。

如图5所示，接着进行步骤3），采用HF溶液将所述埋氧层102腐蚀成多个宽度小于所述半导体条结构105宽度的支撑结构106，使各该半导体条结构105的两侧形成悬空的半导体带结构107。

在本实施例中，将具有半导体条结构105的绝缘体上半导体衬底置于HF溶液中进行腐蚀，首先腐蚀各该硅条间隔下方的埋氧层102，然后从侧面腐蚀所述埋氧层102形成多个宽度小于所述半导体条结构105宽度的支撑结构106，使各该半导体条结构105的两侧形成悬空的半导体带结构107，并通过控制腐蚀时间及HF溶液的浓度控制所述半导体带结构107的宽度以及间隔。

为保证后续PDMS与半导体带结构107结合的稳定性以及顺利使所述半导体带结构107与所述半导体条结构105分离，在本实施例中，所述半导体带结构的宽度任意可调，最小可调至500nm，当然，在其它的实施例中，所述半导体带结构的宽度可以小于500nm。

如图6所示，然后进行步骤4），提供一PDMS衬底108，将该PDMS衬底108与各该半导体条结构105进行保角性接触。

固态的二甲基硅氧烷PDMS为一种硅胶，为无毒、具有疏水性的惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷PDNS的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量，从而导致其结构具有高弹性等特点。

将所述PDMS衬底108与各该半导体条结构105进行保角性接触，所述的保角性接触为PDMS衬底与各该半导体条结构的接触不改变最初顶层半导体的图形化排列顺序，且接触面无气泡结构。通过该方法可以有效增强PDMS与悬空的半导体带结构107的边缘的结合力，以保证后续工艺的稳定性。

如图7~图8b所示，最后进行步骤5），将所述PDMS衬底108朝预设方向掀起，在剪切应力的作用下使各该半导体带结构107与各该半导体条结构105脱离而转移至所述PDMS衬底108。

所述转移方法为干法转移，其中所述半导体带结构与PDMS之间的范德瓦耳斯力的大小与PDMS的提拉速度呈正相关。在所述半导体带结构脱离半导体条结构时，所述半导体带结构沿解理面在剪切力的作用下裂开而转移至PDMS衬底，以获得边缘整齐的半导体带结构。在本实施例中，朝垂直所述半导体条结构105向上的方向将所述PDMS衬底108掀起。由于所述PDMS衬底108与所述半导体带结构107的边缘通过范德瓦耳斯力作用相粘结，当掀起所述PDMS衬底108时，所述半导体带结构107由于剪切应力的作用从支撑结构106侧壁的位置沿着晶向与所述半导体条结构105分离，并转移所述PDMS衬底108。

当然，在掀起的过程中，也可以根据实际条件（如半导体带结构107的宽度等）改变掀起的方向，以使所述半导体带结构107达到良好的分离效果。

实施例2

如图1~图8b所示，本实施例提供一种基于边缘转移法制备的柔性光波导，当所述绝缘体上半导体衬底为SOI衬底，即所述顶层半导体为硅，且所述条状为矩形条状时，由实施例1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法所制备出来的柔性衬底上半导体亚微米带可以直接作为柔性光波导材料，故其基本步骤如实施例1，当然，也可以通过对所述柔性衬底上半导体亚微米带进行一定的加工以获得所需功能的柔性光波导。

综上所述，本发明提供一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法及柔性光波导，先将绝缘体上半导体衬底的顶层半导体103刻蚀成间隔排列的半导体条结构105；然后采用HF溶液将绝缘体上半导体的埋氧层102腐蚀成多个宽度小于所述半导体条结构105宽度的支撑结构106，使各该半导体条结构105的两侧形成悬空的半导体带结构107；接着将一PDMS衬底108与各该半导体条结构105进行保角性接触；最后将所述PDMS衬底108朝预设方向掀起，在剪切应力的作用下使各该半导体带结构107与各该半导体条结构105脱离而转移至所述PDMS衬底108。本发明具有以下有益效果：1）首次提出通过控制绝缘体上半导体材料边缘腐蚀的方法实现半导体亚微米带向柔性衬底的转移；2）基于本方法，即边缘转移方法所制备的柔性衬底上的半导体亚微米带，由于不是传统转移方法中的完全腐蚀埋氧层102，剩余的埋氧层102可作为固定点来固定半导体亚微米带的排序，因此排序与最初绝缘体上半导体图形化结构完全一致，可直接应用于柔性电子技术中；3）利用本方法制备的柔性衬底上的半导体亚微米带，可通过控制HF溶液的浓度以及腐蚀时间精确控制半导体亚微米带的线宽；4）由于半导体亚微米带的裂开方向沿着顶层半导体的解理面，所以所制备的半导体亚微米带边缘整齐，可应用于较高精度的器件的制作，本发明利用该方法制作柔性光波导；5）本方法简易有效且成本较低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

1)提供一包括硅衬底、埋氧层及顶层半导体的绝缘体上半导体衬底，于所述顶层半导体表面形成间隔排列的多个条状的光刻胶图形；

2)依据所述光刻胶图形采用干法刻蚀将所述顶层半导体刻蚀成间隔排列的多个半导体条结构，并去除所述光刻胶图形；

3)采用HF溶液将所述埋氧层腐蚀成多个宽度小于所述半导体条结构宽度的支撑结构，使各该半导体条结构的两侧形成悬空的半导体带结构；

4)提供一PDMS衬底，将该PDMS衬底与各该半导体条结构进行保角性接触；

5)将所述PDMS衬底朝预设方向掀起，在剪切应力的作用下使各该半导体带结构与各该半导体条结构脱离而转移至所述PDMS衬底。

2.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：步骤3)中，通过控制腐蚀时间及HF溶液的浓度控制所述半导体带结构的宽度。

3.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：所述半导体亚微米带结构最小的宽度可达500nm。

4.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：步骤4)中，所述的保角性接触为PDMS衬底与各该半导体条结构的接触不改变最初顶层半导体的图形化排列顺序，且接触面无气泡结构。

5.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：步骤5)中，所述转移方法为干法转移，其中，所述半导体带结构与PDMS之间的范德瓦耳斯力的大小与PDMS的提拉速度呈正相关。

6.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：步骤5)中，在脱离半导体条结构时，所述半导体带结构沿解理面在剪切力的作用下裂开而转移至PDMS衬底，以获得边缘整齐的半导体带结构。

7.根据权利要求1所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：所述顶层半导体为三五族化合物半导体材料或锗。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的基于边缘转移法制备柔性衬底上半导体亚微米带的方法，其特征在于：所述顶层半导体为硅。