CN105957831A - 一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，包括：提供单晶衬底，以所述单晶衬底的一表面为注入面，在所述单晶衬底内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底的预设深度形成缺陷层；提供支撑衬底，使所述单晶衬底的注入面与所述支撑衬底的表面紧密接触；沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底，使所述单晶衬底的一部分转移到所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成薄层结构。本发明在单晶衬底内采用两种不同类型离子进行共注入，可以制备出单晶材料薄膜，有效地降低剥离及转移单晶材料薄膜层所需的离子总注入剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本；还可以解决部分材料使用单一离子注入无法实现剥离的问题。

Description

一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法
技术领域
本发明属于单晶材料制备技术领域，特别涉及一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法。
背景技术
单晶材料薄膜在减小器件体积，降低功耗以及扩展材料应用等方面具有广泛的用途。目前通过机械切割与研磨抛光的方法加工薄膜材料的方法，受到材料本身机械强度的限制，薄膜被限制在几十微米以上，无法达到一微米左右的厚度。利用物理或化学方法在支撑衬底上生长薄膜得到了广泛的应用，但这种方法极大地受到衬底材料的限制。生长的薄膜与衬底之间经常存在晶格失配与热膨胀系数失配，薄膜通常为多晶结构或非晶结构，严重的降低了材料的性能。
离子注入剥离及键合工艺是一种转移薄层结构材料的方法。通过在单晶材料注入一定能量与剂量的H离子，在单晶材料一定的深度处定义一层缺陷层。将半导体材料的离子注入面与支撑衬底紧密结合，并通过一定的方法使单晶材料在缺陷层剥离，就可以形成单晶材料薄层结构转移到支撑衬底的结构。缺陷的深度由离子注入的能量确定，而能否形成剥离所需的缺陷密度由注入的剂量决定。这种技术已经用于制备绝缘体上硅(SOI)等材料结构，广泛应用于微电子电子、光电子领域。
因为不同材料本身的性质，单一种类例子的注入并不能使材料发生剥离，或使材料发生剥离所需要的剂量非常大。例如，在磷化铟材料中注入H离子，剂量达到1E17仍不能发生剥离。在Applied Physics Express上发表的Layer-Transferred GaN Template by Ion Cut forNitride-Based Light-Emitting Diodes中，证实形成GaN薄层结构需要的注入剂量为3.5E17ions-cm-2。过高的注入剂量意味着过长的生产周期与过大的生产成本，只有降低注入剂量才能实现产业化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，用于解决现有技术中无法在支撑衬底上制备高质量单晶材料薄膜的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，至少包括以下步骤：
提供单晶衬底，以所述单晶衬底的一表面为注入面，在所述单晶衬底内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底的预设深度形成缺陷层；
提供支撑衬底，使所述单晶衬底的注入面与所述支撑衬底的表面紧密接触；
沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底，使所述单晶衬底的一部分转移到所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成薄层结构。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述第一类型离子为H离子，所述第二类型离子为C离子、N离子、He离子、Ne离子、Ar离子及Xe离子中的一种或多种。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之前进行。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之后进行。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述第一类型离子及所述第二类型离子同时注入。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述支撑衬底的材料与所述单晶衬底的材料相同，均为单晶材料.
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述单晶衬底及所述第二单晶衬底的材料均为砷化镓，磷化铟，碳化硅，氮化镓，金刚石，铌酸锂，钽酸锂。
作为本发明的用于制造质层衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述支撑衬底的材料为异质材料。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述支撑衬底的材料为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、锗、锗硅、金刚石或铜。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，所述单晶衬底键合于所述支撑衬底表面。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，在所述单晶衬底内，所述第一类型离子注入的深度与所述第二类型离子注入的深度相同或相近。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，在所述单晶衬底内执行第一类型离子及第二类型离子的共注入的过程中，所述单晶衬底的温度范围为室温至700℃；所述第一类型离子的注入能量为1KeV～3MeV，注入剂量为1E15cm-2-5E17cm-2；所述第二类型离子的注入剂量为1E16cm-2-5E17cm-2。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法为将形成有缺陷层的所述单晶衬底进行退火处理。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，退火工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为300℃～1000℃，退火时间为1分钟～10小时。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法还包括在将所述单晶衬底进行退火处理后，在所述缺陷层处施加横向机械力的步骤。
作为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的一种优选方案，沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法还包括在将所述单晶衬底进行退火处理后，保持退火温度，在所述单晶衬底的表面沉积辅助材料层后快速冷却的步骤；其中，所述辅助材料层与所述单晶衬底具有不同的热膨胀系数。
本发明的一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的有益效果为：在第一半导体衬底内采用两种不同类型离子进行共注入，一种离子用于形成缺陷，另一种离子用于将形成的缺陷扩大并结合，或用于生成形成缺陷的离子的捕获层，可以有效地降低剥离及转移单晶材料薄膜层所需的离子总注入剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本；同时，使用该方法还可以解决部分材料使用单一离子注入无法实现剥离的问题。
附图说明
图1显示为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法的流程图。
图2显示为本发明的用于制造支撑衬底上的半导体材料薄层结构的方法中在所述单晶衬底内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底的预设深度形成缺陷层的结构示意图。
图3显示为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法中提供支撑衬底，使所述单晶衬底的注入面与所述支撑衬底的表面紧密接触的结构示意图。
图4显示为本发明的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法中沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底，使所述单晶衬底的一部分转移到所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成薄层结构的结构示意图。
元件标号说明
1 单晶衬底
11 注入面
12 缺陷层
13 薄膜结构层
14 主体层
15 薄层结构
2 支撑衬底
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4。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，虽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。
如图1至图4所示，本实施例提供一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，至少包括以下步骤：
S1：提供单晶衬底1，以所述单晶衬底1的一表面为注入面11，在所述单晶衬底1内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底1的预设深度形成缺陷层12；
S2：提供支撑衬底2，使所述单晶衬底1的注入面11与所述支撑衬底2的表面紧密接触；
S3：沿所述缺陷层12剥离部分所述单晶衬底1，使所述单晶衬底1的一部分转移到所述支撑衬底2上，以在所述支撑衬底2上形成薄层结构15。
执行步骤S1，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供单晶衬底1，以所述单晶衬底1的一表面为注入面11，在所述单晶衬底1内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底1的预设深度形成缺陷层12。
作为示例，所述单晶衬底1的材料可以为现有已知的单晶材料中的任一种，譬如，砷化镓，磷化铟，碳化硅，氮化镓，金刚石，铌酸锂，钽酸锂等；优选地，所述单晶衬底1的材料为氮化镓，更为优选地，所述单晶衬底1为氮化镓体材料或氮化镓外延片。所述缺陷层12将所述单晶衬底1分离为位于其上下两侧的薄层结构层13和主体层14。
作为示例，所述第一类型离子的作用为在所述单晶衬底1内形成缺陷，所述第二类型离子的作用为占据所形成的缺陷，使得所述缺陷扩大并与相连的缺陷相结合，或用于形成所述第一类型离子的捕获层，将所述第一类型离子限制在一个窄的深度范围内，提高所述第一类型离子在该深度范围内的最大浓度，进而形成可以剥离部分所述单晶衬底1的裂痕。优选地，本实施例中，所述第一类型离子为H(氢)离子，所述第二类型离子为C(碳)离子、N(氮)离子、He(氦)离子、Ne(氖)离子、Ar(氩)离子及Xe(氙)离子中的一种或多种。
所述H离子及共注入离子可以将所述单晶衬底1部分剥离的原理为利用H离子和共注入离子对剥离深度处(即缺陷层12处)的晶格不同的破坏作用而实现。以所述单晶衬底1的材料为氮化镓材料为例，H离子可以与氮化镓材料中的Ga-N键产生化学作用，将所述Ga-N键打开并进入原子间隙产生压强，形成平台型的缺陷，所述缺陷在所述缺陷层12内呈高斯分布；而He、Ne、Ar及Xe等属于惰性元素，与氮化镓不产生化学作用，但它们可以被H离子形成的平台缺陷捕获并通过物理作用使这些平台型缺陷扩大并相互结合，最终形成可以分离氮化镓材料的裂痕；同时，共注入的C离子及N离子可以形成注入H离子的捕获层，将注入的H离子限制在氮化镓材料内一个窄的深度范围内，这就提高了该深度范围内注入H离子的最大浓度，在较低的H离子注入剂量下即可实现从缺陷浓度最大处剥离。由此可以看出，在氮化镓材料内同时注入H离子和C离子、N离子、He离子、Ne离子、Ar离子及Xe离子中的一种或多种组成的共注入离子，可以有效地促进氮化镓材料在离子注入剂量较低的情况下剥离，即可以有效地降低离子注入的总剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本。
作为示例，所述第一类型离子及所述第二类型离子共注入的方式可以依次进行注入，也可以同时进行注入，即在一实施例中，所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之前进行；在另一实施例中，所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之后进行；在另一实施例中，所述第一类型离子与所述第二类型离子的注入同时进行。图2中所示的垂直于所述单晶衬底1的注入面11的箭头表示离子注入的方向。
作为示例，在所述单晶衬底1内进行离子共注入的过程中，由于缺陷的深度由离子注入的能量决定，而能否形成分离所需的缺陷密度由离子注入的剂量决定，因此，在共注入的过程中要选择合适的离子注入剂量和离子注入能量；在以一定的离子注入剂量和离子注入能量注入一种类型的离子后，另一种离子注入的注入剂量和注入能量应以先注入类型离子的注入剂量和注入能量为依据，尤其是离子注入能量，以确保两种离子注入于所述单晶衬底1内相同或相近的深度处。以依次注入H离子和H离子和C离子、N离子、He离子、Ne离子、Ar离子及Xe离子中的一种或多种组成的共注入离子为例，在所述单晶衬底1内执行H离子及共注入离子的共注入的过程中，所述单晶衬底1的温度范围为室温至700℃；所述H离子的注入能量为1KeV～3MeV，注入剂量为1E15cm-2-5E17cm-2；所述共注入离子的注入剂量为1E16cm-2-5E17cm-2，所述共注入离子的注入能量取决于所述H离子注入的深度，保证所述共注入离子的射程(Rp)在所述H离子注入的射程附近，即所述共注入离子注入的深度与所述H离子注入的深度相同或相近。
执行步骤S2，请参阅图1中的S2步骤及图3，提供支撑衬底2，使所述单晶衬底1的注入面11与所述支撑衬底2的表面紧密接触。
作为示例，所述支撑衬底2作为后续工艺中形成的薄层结构的支撑衬底，所述支撑衬底2的材料可以与所述单晶衬底1相同，也可以与所述单晶衬底1的材料不同，优选地，所述支撑衬底2的材料为异质材料，更为优选地，本实施例中，可以为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、锗、锗硅、金刚石或铜。
作为示例，所述单晶衬底1的注入面11可以现有技术中的任一工艺实现与所述支撑衬底2表面的紧密接触，优选地，本实施例中，所述单晶衬底1键合于所述支撑衬底2的表面。
执行步骤S3，请参阅图1中的S3步骤及图3，沿所述缺陷层12剥离部分所述单晶衬底1，使所述单晶衬底1的一部分转移到所述支撑衬底2上，以在所述支撑衬底2上形成薄层结构15。
在一实施例中，沿所述缺陷层12剥离部分所述单晶衬底1的具体方法为：将形成有缺陷层12的所述单晶衬底1进行退火处理，以实现部分所述单晶衬底1沿所述缺陷层12剥离。具体的，退火工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为300℃～1000℃，退火时间为1分钟～10小时。在300℃～1000℃的退火过程中，注入离子(即H离子、He离子、Ne离子、Ar离子及Xe离子)会受热膨胀，增大其对原子施加的压强，进而促进所述衬底1从缺陷浓度最大处实现剥离。
在另一实施例中，沿所述缺陷层12剥离部分所述单晶衬底1的具体方法为：首先，将形成有缺陷层12的所述单晶衬底1进行退火处理，退火工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为300℃～1000℃，退火时间为1分钟～10小时；其次，退火处理后，在所述缺陷层12处施加横向机械力，以实现部分所述单晶衬底1沿所述缺陷层12剥离。由于所述单晶衬底1能否形成分离所需的缺陷密度由离子注入的剂量决定，因此，若只通过退火实现所述单晶衬底1自所述缺陷层12处分离，就需要在所述单晶衬底1内注入特定剂量的离子；而在所述缺陷层12处施加横向机械力，即使所述单晶衬底1内离子注入的剂量比较小，未能形成分离所需的缺陷密度，在外力的作用下亦可以实现所述单晶衬底1自所述缺陷层12处分离，即在所述缺陷层12处施加横向机械力可以降低离子总注入剂量，促进所述单晶衬底1自所述缺陷层12处剥离，进而缩短了制备周期，节约了生产成本。
在另一实施例中，沿所述缺陷层12剥离部分所述单晶衬底1的具体方法为：首先，将形成有缺陷层12的所述单晶衬底1进行退火处理，退火工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为300℃～1000℃，退火时间为1分钟～10小时；其次，退火处理后，保持退火温度，在所述单晶衬底1的表面沉积辅助材料层后快速冷却；其中，所述辅助材料层与所述单晶衬底1具有不同的热膨胀系数。
作为示例，所述辅助材料可以为与所述单晶衬底1热膨胀系数不同的任一种物质，优选地，本实施例中，所述辅助材料为高聚物。由于所述辅助材料与所述单晶衬底1具有不同的热膨胀系数，尤其是二者的热膨胀系数差异较大时，在快速冷却的过程中会在二者组成的结构中产生热应力，产生的热应力会使所述单晶衬底1在注入缺陷浓度最大处实现剥离。快速冷却的方式可以为但不仅限于随炉冷却。
由于所述单晶衬底1能否形成分离所需的缺陷密度由离子注入的剂量决定，因此，若只通过退火实现所述单晶衬底1自所述缺陷层12处分离，就需要在所述单晶衬底1内注入特定剂量的离子；而在所述单晶衬底1的表面沉积辅助材料层后快速冷却，使得二者形成的结构中产生热应力，即使所述单晶衬底1内离子注入的剂量比较小，未能形成分离所需的缺陷密度，在所述热应力的作用下亦可以实现所述单晶衬底1自所述缺陷层12处分离，即在所述单晶衬底1的表面沉积辅助材料层并快速冷却可以降低离子总注入剂量，促进所述单晶衬底1自所述缺陷层12处剥离，进而缩短了制备周期，节约了生产成本。
本发明一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法制备的键合于支撑衬底上的薄层结构可以用作制造微电子、光电子及光伏器件的衬底。
综上所述，本发明提供一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，至少包括以下步骤：提供单晶衬底，以所述单晶衬底的一表面为注入面，在所述单晶衬底内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底的预设深度形成缺陷层；提供支撑衬底，使所述单晶衬底的注入面与所述支撑衬底的表面紧密接触；沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底，使所述单晶衬底的一部分转移到所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成薄层结构。
本发明提供的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法通过在单晶衬底内采用两种不同类型离子进行共注入，一种离子用于形成缺陷，另一种离子用于将形成的缺陷扩大并结合，或用于生成形成缺陷的离子的捕获层，将形成缺陷的离子限制在一个窄的深度范围内，提高形成缺陷的离子在该深度范围内的最大浓度，可以有效地降低剥离及转移单晶材料薄膜层所需的离子总注入剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本；同时，使用该方法还可以解决部分材料使用单一离子注入无法实现剥离的问题。
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 (16)

1.一种用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
提供单晶衬底，以所述单晶衬底的一表面为注入面，在所述单晶衬底内进行第一类型离子及第二类型离子的共注入，以在所述单晶衬底的预设深度形成缺陷层；
提供支撑衬底，使所述单晶衬底的注入面与所述支撑衬底的表面紧密接触；
沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底，使所述单晶衬底的一部分转移到所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成薄层结构。
2.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述第一类型离子为H离子，所述第二类型离子为C离子、N离子、He离子、Ne离子、Ar离子及Xe离子中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之前进行。
4.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述第一类型离子的注入在所述第二类型离子的注入之后进行。
5.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述第一类型离子及所述第二类型离子同时注入。
6.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述支撑衬底的材料与所述单晶衬底的材料相同，均为单晶材料。
7.根据权利要求6所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述单晶衬底及所述第二单晶衬底的材料均为砷化镓，磷化铟，碳化硅，氮化镓，金刚石，铌酸锂，钽酸锂。
8.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述支撑衬底的材料为异质材料。
9.根据权利要求8所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述支撑衬底的材料为硅、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、锗、锗硅、金刚石或铜。
10.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：所述单晶衬底键合于所述支撑衬底表面。
11.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：在所述单晶衬底内，所述第一类型离子注入的深度与所述第二类型离子注入的深度相同或相近。
12.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：在所述单晶衬底内执行第一类型离子及第二类型离子的共注入的过程中，所述单晶衬底的温度范围为室温至700℃；所述第一类型离子的注入能量为1KeV～3MeV，注入剂量为1E15cm-2-5E17cm-2；所述第二类型离子的注入剂量为1E16cm-2-5E17cm-2。
13.根据权利要求1所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法为将形成有缺陷层的所述单晶衬底进行退火处理。
14.根据权利要求13所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：退火工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，退火温度为300℃～1000℃，退火时间为1分钟～10小时。
15.根据权利要求13或14所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法还包括在将所述单晶衬底进行退火处理后，在所述缺陷层处施加横向机械力的步骤。
16.根据权利要13或14所述的用于制造支撑衬底上的单晶材料薄层结构的方法，其特征在于：沿所述缺陷层剥离部分所述单晶衬底的具体方法还包括在将所述单晶衬底进行退火处理后，保持退火温度，在所述单晶衬底的表面沉积辅助材料层后快速冷却的步骤；其中，所述辅助材料层与所述单晶衬底具有不同的热膨胀系数。
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