CN109103079A - 一种纳米级单晶薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级单晶薄膜及其制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前的键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；在键合过程中，当键合波从晶片中心向边缘扩散时，气体会随着键合波的扩散而逸出，从而减少甚至完全消除键合体中气泡类缺陷的数量，将气泡类缺陷数降低至少于0.13个/cm2；本发明通过三个方面进行改进，第一，减少目标晶片的厚度，采用厚度为0.1~0.3mm的目标晶片进行离子注入；第二，增大离子注入的剂量；第三，在键合工艺时将位于下方的晶片吸附在吸附平台上。
Description
技术领域
本发明涉及单晶薄膜技术领域，具体说是一种纳米级单晶薄膜及其制备方法。
背景技术
单晶薄膜具有优异的光学特性，比如电光、声光、非线性光学等特性，利用这些特性，可以制备许多光学器件，比如光纤通讯电光调制器、光波导分支器、光学频率转换器等器件，用于光纤通讯等信息传输，这种光传输具有传输速度快、传输容量大等特点。在这些器件的制造过程中，晶片的键合工艺是其中的关键步骤，键合效果的好坏将直接影响键合体的质量，比如键合体内的缺陷数量，键合力的大小等。其中，键合体内的缺陷数量不但会影响制备单晶薄膜的成品率和最终单晶薄膜的厚度均匀性，还会在制造器件的切割过程中造成薄膜碎裂和脱落，从而影响单晶薄膜的利用率。
在使用室温直接键合工艺进行键合时，采用等离子体对键合晶片进行活化处理后，晶片在氢键、范德瓦耳斯力等分子间作用力的作用下，不施加外力或仅轻敲便可使晶片自动键合。但是在键合的过程中，随着键合波从晶片中心向边缘的扩散，若晶片间的空气不能完全排出，则键合体内会存在气泡而形成缺陷，这些气泡类缺陷会影响目标晶片的厚度均匀性、削弱键合体的键合力、降低制备薄膜的成品率。在后续的晶片加工工序中容易造成目标晶片的碎裂和剥落严重影响器件质量和成品率，因此键合过程中去除键合体的气泡类缺陷成了亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种纳米级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：
一种纳米级单晶薄膜，目标晶片为铌酸锂、钽酸锂或石英，衬底晶片为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石或碳化硅，并且纳米级单晶薄膜中直径大于0.3μm的气泡类缺陷少于0.13个/cm2。
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前的键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.1~0.3mm；
②对目标晶片进行离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为0.05~4μm的隔离层；所述隔离层的材料为碳化硅或氧化硅；隔离层的制备工艺采用现有的沉积法或热氧化法；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
优选的，目标晶片的厚度为0.15~0.2mm。
优选的，离子注入时采用He离子或H离子；采用He离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2~9×1016ions/cm2；采用H离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2~8×1016ions/cm2。
优选的，在进行键合时，使位于下方的晶片吸附在吸附平台上，使位于下方的晶片产生100~300μm翘曲的形状；吸附平台为表面上凸的弧形结构，弧形结构和衬底晶片的底面相配合。
优选的，退火处理的温度为180~280℃，时间为1~4小时。
优选的，二次退火处理的温度是350~450℃，时间为2~5小时。
优选的，目标晶片为铌酸锂、钽酸锂或石英，衬底晶片为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石或碳化硅。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使目标晶片和/或衬底晶片产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；在键合过程中，当键合波从晶片中心向边缘扩散时，气体会随着键合波的扩散而逸出，从而减少甚至完全消除键合体中气泡类缺陷的数量，将直径大于0.3μm的气泡类缺陷数降低至少于0.13个/cm2；
本发明通过三个方面进行改进，使目标晶片和衬底晶片在键合前的键合面翘曲的总和为100~300μm，第一，减少目标晶片的厚度，采用厚度为0.1~0.3mm的目标晶片进行离子注入；第二，增大离子注入的剂量，因为常规的离子注入剂量会使分离后的薄膜具有一定的翘曲，并且薄膜的注入面为凸面，但是该翘曲的程度较小，无法达到总和为100μm，因此本申请创造性的增加了离子注入的剂量，使得翘曲的总和在100~300μm之间；第三，在键合工艺时将位于下方的晶片吸附在吸附平台上，使位于下方的晶片产生100~300μm翘曲的形状。
附图说明
图1为仅目标晶片有翘曲的示意图；
图2为仅衬底晶片有翘曲的示意图；
图3为目标晶片和衬底晶片均有翘曲的示意图；
附图标记：1 目标晶片，2衬底晶片，3键合面。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种纳米级单晶薄膜及其制备方法，通过以下技术方案实现：
纳米级单晶薄膜的目标晶片为铌酸锂、钽酸锂或石英，衬底晶片为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石或碳化硅，并且纳米级单晶薄膜中直径大于0.3μm的气泡类缺陷少于0.13个/cm2。
采用本发明的制备方法所得的纳米级单晶薄膜从上到下包括薄膜层、隔离层和衬底层，其中薄膜层的厚度为10~2000nm，隔离层的厚度为0.05~4μm，衬底层的厚度为0.1~1mm。
在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；包括3类情况，第一类如图1所示，仅目标晶片产生翘曲；第二类如图2所示，仅衬底晶片产生翘曲；第三类，如图3所示，目标晶片和衬底晶片均有翘曲；图2和3中，衬底晶片的下方即为具有表面上凸弧形结构的吸附平台，可使衬底晶片产生翘曲。
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
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.1mm；
②对目标晶片进行离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为0.05μm的隔离层；所述隔离层的材料为碳化硅；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.12个/cm2。
实施例2
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.3mm；
②对目标晶片进行离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为4μm的隔离层；所述隔离层的材料为氧化硅；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.12个/cm2。
实施例3
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.15mm；目标晶片为铌酸锂；衬底晶片为铌酸锂；
②对目标晶片进行He离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为0.1μm的隔离层；所述隔离层的材料为碳化硅；采用He离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为180℃，时间为1小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是350℃，时间为2小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.11个/cm2。
实施例4
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.2mm；目标晶片为钽酸锂；衬底晶片为钽酸锂；
②对目标晶片进行He离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为1μm的隔离层；所述隔离层的材料为氧化硅；采用He离子时的注入剂量为9×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为280℃，时间为4小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是450℃，时间为5小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.10个/cm2。
实施例5
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.25mm；目标晶片为石英；衬底晶片为蓝宝石；
②对目标晶片进行He离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为1μm的隔离层；所述隔离层的材料为碳化硅；采用He离子时的注入剂量为8.5×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为220℃，时间为2小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是380℃，时间为3小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.11个/cm2。
实施例6
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.15mm；目标晶片为铌酸锂；衬底晶片为碳化硅；
②对目标晶片进行H离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为0.05μm的隔离层；所述隔离层的材料为氧化硅；采用H离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为250℃，时间为3小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是400℃，时间为4小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.09个/cm2。
实施例7
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.18mm；目标晶片为钽酸锂；衬底晶片为硅；
②对目标晶片进行H离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为4μm的隔离层；所述隔离层的材料为氧化硅；采用H离子时的注入剂量为8×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为260℃，时间为2.5小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是420℃，时间为4.5小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.10个/cm2。
实施例8
一种纳米级单晶薄膜的制备方法，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.18mm；目标晶片为石英；衬底晶片为铌酸锂；
②对目标晶片进行H离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为2μm的隔离层；所述隔离层的材料为氧化硅；采用H离子时的注入剂量为7.2×1016ions/cm2；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，退火处理的温度为200℃，时间为3.5小时，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤，二次退火处理的温度是380℃，时间为2.5小时；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.10个/cm2。
实施例9
其余步骤同实施例5，只是在进行键合时，使位于下方的衬底晶片吸附在吸附平台上，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总和为100~300μm的翘曲；吸附平台为表面上凸的弧形结构，弧形结构和衬底晶片的底面相配合。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.08个/cm2。
实施例10
其余步骤同实施例8，只是在进行键合时，使位于下方的衬底晶片吸附在吸附平台上，在目标晶片和衬底晶片键合前使键合面产生总和为100~300μm的翘曲；吸附平台为表面上凸的弧形结构，弧形结构和衬底晶片的底面相配合。
经检测，直径大于0.3μm的气泡类缺陷为0.08个/cm2。
Claims (7)
1.一种纳米级单晶薄膜，其特征在于：目标晶片为铌酸锂、钽酸锂或石英，衬底晶片为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石或碳化硅，并且纳米级单晶薄膜中直径大于0.3μm的气泡类缺陷少于0.13个/cm2。
2.一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：在目标晶片和衬底晶片键合前的键合面产生总和为100~300μm的翘曲，并且目标晶片和衬底晶片的键合面为凸面；具体包括以下步骤：
①准备清洗后的目标晶片和衬底晶片，备用；目标晶片的厚度为0.1~0.3mm；
②对目标晶片进行离子注入，使目标晶片形成注入层、分离层和余料层；在衬底晶片上制备一层厚度为0.05~4μm的隔离层；所述隔离层的材料为碳化硅或氧化硅；
③对目标晶片的键合面和衬底晶片的键合面进行等离子处理，然后进行键合，键合时使目标晶片和衬底晶片直接接触键合，或者对目标晶片和衬底晶片进行敲击键合，得到键合体；其中目标晶片的键合面为注入层，衬底晶片的键合面为隔离层的上表面；
④对键合体进行退火处理，使余料层从分离层上剥离，得到剩余薄膜键合体，然后对剩余薄膜键合体进行二次退火处理，消除注入损伤；
⑤对薄膜的上表面进行化学机械抛光，得到纳米级单晶薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：目标晶片的厚度为0.15~0.2mm。
4.根据权利要求2所述的一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：离子注入时采用He离子或H离子；采用He离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2~9×1016ions/cm2；采用H离子时的注入剂量为7×1016ions/cm2~8×1016ions/cm2。
5.根据权利要求2所述的一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：在进行键合时，使位于下方的晶片吸附在吸附平台上，使位于下方的晶片产生100~300μm翘曲的形状；吸附平台为表面上凸的弧形结构，弧形结构和衬底晶片的底面相配合。
6.根据权利要求2所述的一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：退火处理的温度为180~280℃，时间为1~4小时。
7.根据权利要求2所述的一种纳米级单晶薄膜的制备方法，其特征在于：二次退火处理的温度是350~450℃，时间为2~5小时。
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