CN107059128B - 一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法，该薄膜包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜；制备方法采用将键合体先研磨再退火，然后抛光的方式制备出目标厚度的硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，采用该方法制备的单晶薄膜不仅能够保持钽酸锂或铌酸锂材料的特性，薄膜与硅基底的键合界面清晰，而且能制备出大尺寸、微米级厚度、低残余应力和低缺陷密度的单晶薄膜；该制备方法克服了当前技术中键合体是不同材质退火时产生的形变。

Description

一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备 方法
技术领域
本发明涉及半导体材料和光电材料技术领域，具体说是一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法。
背景技术
钽酸锂单晶薄膜和铌酸锂单晶薄膜拥有非常广阔的应用前景，可以广泛的应用在光信号处理、信息存储、电子器件等领域。使用钽酸锂/铌酸锂单晶薄膜作为基础材料，不仅在制作高频、高带宽、高集成度、大容量、低功耗的光电子学器件和集成光路等方面具备独特的优势，极大的扩充光通讯系统的传输能力和集成度，而且还可被应用在制作滤波器，光波导调制器、光波导开关、空间光调制器和光学倍频器、表面声波发生器、红外探测器、铁电体存储器等方面，带来极大的经济效益和社会效益。以硅材料作为基底材料制备钽酸锂/铌酸锂单晶薄膜，可移植已经成熟的硅材料生产工艺和经验，实现钽酸锂/铌酸锂单晶薄膜更高的可加工性和更广的应用范围。
现有的制备硅基钽酸锂/铌酸锂单晶薄膜具有明显优势的方法是直接键合制备技术，因为该技术不仅能够很好的保持体材料的特性，而且薄膜和硅基底的键合界面清晰。但是采用这种工艺制备的硅基钽酸锂/铌酸锂单晶薄膜，需要对键合体进行退火处理以增强其键合力，当键合体为不同材质时由于材料间热膨胀系数的差别，在特定温度下进行退火时两者会不同程度的形变，从而在键合体中积累很强的应力；当应力超过材料的力学极限会造成碎片，且此应力的存在非常不利于后续的研磨和抛光工序，不仅影响硅基单晶薄膜的质量，降低其可应用性，而且直接影响硅基单晶薄膜的生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜。
优选的，硅基底的厚度为300~1000μm，钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度为1~100μm。
进一步优选的，硅基底的薄膜厚度是钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度的十倍。
本发明还包括微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；所述的原始基板为单晶钽酸锂或单晶铌酸锂；
②提供目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至大于目标厚度1~5μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为120~270℃，退火时间为4~5小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至目标厚度，得到微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜。
优选的制备方法，步骤①和步骤②中抛光均为化学机械抛光。
优选的制备方法，步骤①中的光滑原始基板工艺面和步骤②中的光滑目标基板工艺面的表面粗糙程度低于1纳米。
优选的制备方法，步骤④中，功能层减薄至大于目标厚度2μm的厚度。
优选的制备方法，步骤④中的退火温度为250℃，退火时间为4小时。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明采用将键合体先研磨再退火，然后抛光的方式制备出目标厚度的硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，采用该方法制备的单晶薄膜不仅能够保持钽酸锂或铌酸锂材料的特性，薄膜与硅基底的键合界面清晰，能制备出3~6inch的大尺寸、厚度范围1~100μm，微米级厚度、低残余应力和缺陷密度小于1/cm2的低缺陷密度的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜；
本发明的制备方法克服了当前技术中键合体是不同材质退火时产生的形变，由于该形变会在键合体中积累很强的应力，当应力超过材料的力学极限时会造成碎片，并且即使不会产生碎片该应力的存在也非常不利于后续的研磨和抛光工序，影响硅基单晶薄膜的质量。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜及其制备方法，通过以下技术方案实现：
一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜。
优选的，硅基底的厚度为300~1000μm，钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度为1~100μm。
进一步优选的，硅基底的薄膜厚度是钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度的十倍，该厚度确保在退火处理引起的变形主要由键合体基底层决定，功能层和基底层的作用力非常小，且薄膜内的残余应力也比较小。
本发明还包括微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；所述的原始基板为单晶钽酸锂或单晶铌酸锂；
②提供目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；该键合体的键合力具备一定的键合强度，能够确保键合体的功能层在未经过退火处理即可被减薄至非常薄的厚度而不会在基底层上脱落；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至大于目标厚度1~5μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为120~270℃，退火时间为4~5小时；经过退火处理将功能层和基底层的范德瓦尔斯力转化为化学键，极大的增强了功能层与基底层之间的结合强度，后面工艺中即使将功能层减薄至微米级厚度也能很好的保证键合体的完整性。
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至目标厚度，得到微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜；采用化学机械抛光方式对键合体的功能层进行表面处理时，能够确保足够的抛光去除量，以完整的去除研磨面的研磨纹，从而获得表面质量较好的单晶薄膜。
优选的制备方法，步骤①和步骤②中抛光均为化学机械抛光，该抛光方式对键合体的功能层进行表面处理时，能够确保足够的抛光去除量，以完整的去除研磨面的研磨纹，从而获得表面质量较好的单晶薄膜。
优选的制备方法，步骤①中的光滑原始基板工艺面和步骤②中的光滑目标基板工艺面的表面粗糙程度低于1纳米，在该表面粗糙程度下，工艺面光滑且干净，工艺面的分子相互靠近，基于分子间的范德瓦尔斯力更好的贴合在一起成为键合体。
优选的制备方法，步骤④中，功能层减薄至大于目标厚度2μm的厚度，该厚度既能减薄功能层，降低功能层与基底层直接的相互作用力，又能保证键合体不解键合。
优选的制备方法，步骤④中的退火温度为250℃，退火时间为4小时，在该温度下进行退火处理，键合体的键合强度强。
以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜，包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜。
实施例2
一种微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜，包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为铌酸锂薄膜。
实施例3
一种微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜，包括厚度为300μm的基底层和位于基底层上厚度为1μm的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜。
实施例4
一种微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜，包括厚度为1000μm的基底层和位于基底层上厚度为100μm的的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为铌酸锂薄膜。
实施例5
一种微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜，包括厚度为800μm的基底层和位于基底层上厚度为80μm的的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜。
实施例6
一种微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜，包括厚度为200μm的基底层和位于基底层上厚度为20μm的的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为铌酸锂薄膜。
实施例7
实施例1的微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；所述的原始基板为单晶钽酸锂；
②提供目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至大于目标厚度1μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为120℃，退火时间为5小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至目标厚度，得到微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜。
实施例8
实施例2的微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；所述的原始基板为单晶铌酸锂；
②提供目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至大于目标厚度5μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为270℃，退火时间为4小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至目标厚度，得到微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜。
实施例9
实施例3的微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供单晶钽酸锂原始基板，并对原始基板进行表面化学机械抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的表面粗糙度小于1nm的光滑原始基板工艺面；
②提供厚度为350μm的目标基板，并对目标基板进行表面化学机械抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的表面粗糙度小于1nm的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；处理后目标基板的厚度为300μm；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至3μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为150℃，退火时间为4小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至1μm的厚度，得到微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜。
实施例10
实施例4的微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供单晶铌酸锂原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；
②提供厚度为1050μm的目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；处理后目标基板的厚度为1000μm；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至105μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为190℃，退火时间为4小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至100μm的厚度，得到微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜。
实施例11
实施例5的微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供单晶钽酸锂原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；
②提供厚度为850μm的目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；处理后目标基板的厚度为800μm；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至84μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为200℃，退火时间为4.5小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至80μm，得到微米级硅基底上的钽酸锂单晶薄膜。
实施例12
实施例6的微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供单晶铌酸锂原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；
②提供厚度为220μm目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；处理后目标基板的厚度为200μm；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至22μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为120~270℃，退火时间为4~5小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至20μm的厚度，得到微米级硅基底上的铌酸锂单晶薄膜。

Claims (5)

1.一种微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，其特征在于，包括基底层和位于基底层上的功能层，所述的基底层为硅基底；所述的功能层为钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜；硅基底的厚度为300～1000μm，钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度为1～100μm；
微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
①提供原始基板，并对原始基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑原始基板工艺面；所述的原始基板为单晶钽酸锂或单晶铌酸锂；光滑原始基板工艺面的表面粗糙程度低于1纳米；
②提供目标基板，并对目标基板进行表面抛光和清洗，以获得能够进行直接键合工艺的光滑目标基板工艺面；所述的目标基板为硅基板；光滑目标基板工艺面的表面粗糙程度低于1纳米；
③利用直接键合法，将步骤①所得光滑原始基板工艺面和步骤②所得光滑目标基板工艺面接触键合，得到键合体，其中原始基板为功能层，目标基板为基底层；
④利用晶片研磨工艺，将步骤③所得键合体中的功能层减薄至大于目标厚度1～5μm的厚度，然后将键合体退火处理得到退火后的键合体，退火温度为120～270℃，退火时间为4～5小时；
⑤将步骤④所得退火后的键合体采用化学机械抛光至目标厚度，得到微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，其特征在于，硅基底的薄膜厚度是钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜的厚度的十倍。
3.根据权利要求1所述的微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，其特征在于，步骤①和步骤②中抛光均为化学机械抛光。
4.根据权利要求1所述的微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，其特征在于，步骤④中，功能层减薄至大于目标厚度2μm的厚度。
5.根据权利要求1所述的微米级硅基底上的钽酸锂或铌酸锂单晶薄膜，其特征在于，步骤④中的退火温度为250℃，退火时间为4小时。
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