CN109671618B - 一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法，包括提供具有注入面的单晶晶片；从注入面向单晶晶片进行离子注入形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成单晶薄膜；将注入面与支撑衬底直接键合，得到包括单晶晶片和支撑衬底的第一复合结构；对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构沿着注入缺陷层剥离，得到包括损伤层、单晶薄膜和支撑衬底的第二复合结构；通过离子束对第二复合结构进行表面处理以除去损伤层并进行抛光，得到包括单晶薄膜和支撑衬底的高平坦度异质集成薄膜结构。本发明的制备方法得到的集成薄膜结构不存在晶格失配的问题，单晶薄膜致密而具有高的质量，同时解决了异质集成薄膜结构的表面粗糙度难以处理的问题。

Description

一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法
技术领域
本发明涉及信息功能材料的制备，更具体地涉及一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法。
背景技术
由于硅材料优秀的电学，光学和机械性能，硅被广泛应用于微机电系统(MEMS)和微纳光学器件中。然而，由于硅材料的禁带宽度只有1.2eV左右，限制硅基微机电系统的工作环境。例如，在150℃以上硅材料的电学性能衰退，在600℃以上，硅材料的弹性系数也出现严重退化。硅基微机电系统只能在200℃以下才能保持较高的器件性能。而折射率和低禁带宽度又限制了其在光学器件领域中的应用，例如硅光器件在中红外和远红外波段的光损耗十分严重。
因此，在硅(薄膜)材料器件失效的情形下，硅(薄膜)的代替材料就是不可或缺的。例如在超高温条件或强腐蚀环境下，Si器件完全失去性能，而SiC是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度为2.3-3.4eV，在高温环境中仍然具有稳定的电学性能。SiC的努氏硬度达到2480kg/mm2，杨氏模量达到700GPa，具有出色的机械性能。此外，SiC材料化学性质稳定，可以工作在具有强腐蚀性的环境中，是Si的代替材料的有力候选。
此外，再例如，考虑到SiC或LiNbO3的光学特性，SiC或LiNbO3是集成光学，非线性和光机械器件的理想材料，目前国际上Lipson教授课题组已有关于SiC波导性能的报道。与其他材料相比，上述两种材料结合了高折射率，宽禁带，高二阶和三阶非线性系数。高折射率实现了光学模式的高限制，在色散领域将带来更大的灵活性。宽带隙使得在大功率下的光吸收损失最小化，高二阶和三阶使得两种材料在非线性应用中具有出色的性能，弥补了硅光器件的不足。
但是，传统薄膜沉积异质外延的方法由于薄膜制备过程中的晶格不匹配，膜质量不够致密，以及需要经过高温过程等原因，薄膜结构会有晶格失配，以及热失配造成的衬底曲翘情况，为传统的化学机械抛光方法造成许多障碍。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的异质集成薄膜结构由于存在晶格失配而无法抛光的问题，本发明旨在提供一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法。
本发明提供一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法，包括步骤：S1，提供具有注入面的单晶晶片；S2，从所述注入面向单晶晶片进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成单晶薄膜；S3，将所述注入面与一支撑衬底直接键合，得到包括单晶晶片和支撑衬底的第一复合结构；S4，对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构沿着注入缺陷层剥离，得到第二复合结构，其中，注入缺陷层形成损伤层，第二复合结构包括损伤层、单晶薄膜和支撑衬底；S5，通过离子束对第二复合结构进行表面处理以除去损伤层并进行抛光处理，得到包括单晶薄膜和支撑衬底的高平坦度异质集成薄膜结构。
优选地，所述单晶晶片为SiC单晶晶片、LiNbO3单晶晶片、LiTaO3单晶晶片、InP单晶晶片、GaAs单晶晶片、或Ge单晶晶片中的至少一种。优选地，所述单晶晶片的尺寸为毫米级晶片或晶圆级晶片。
在所述步骤S2中，优选地，从所述注入面注入H离子和/或He离子。
优选地，离子注入的能量为20keV-2MeV，剂量为1×1016cm-2-1×1017cm-2，预设深度为100nm-2μm，即所述单晶薄膜的厚度为100nm-2μm。在一个优选的实施例中，该单晶薄膜的厚度为500nm。
优选地，所述支撑衬底为硅衬底和/或蓝宝石衬底。优选地，所述支撑衬底为衬底晶圆。优选地，所述支撑衬底的厚度为200μm-1mm。
在所述步骤S3中，优选地，所述支撑衬底上生长一层介质层，所述注入面与所述介质层键合，键合温度介于20℃和800℃之间。优选地，所述介质层为氧化硅、氧化铝、或氮化硅中的至少一种。优选地，所述介质层的生长方法包括但不限于热氧化、或气相沉积。优选地，所述介质层的厚度介于0nm-5μm之间。
在所述步骤S4中，在真空、氮气、氩气或氢气的环境下进行退火处理以使得单晶薄膜通过退火处理被转移到支撑衬底上。而且，通过该退火处理，单晶薄膜与支撑衬底的键合强度被进一步加强。优选地，退火温度为500℃-1300℃，退火时间为1分钟-24小时。
在所述步骤S5中，利用离子束轰击单晶薄膜的表面以去除损伤层，同时利用溅射原理对单晶薄膜进行平坦化处理。优选地，所述离子束为氩离子束。
优选地，该抛光处理包括利用500ev-10kev的第一离子束进行初步平坦化处理。优选地，该抛光处理的工艺温度为100-500摄氏度，过程时间1-120min，第一离子束的入射角度为40°-90°，单晶薄膜去除量为50nm-500nm，表面粗糙度达到1.5nm-10nm。
优选地，该抛光处理还包括利用1ev-500ev的第二离子束进行精修平坦化处理，其中，第二离子束的能量小于第一离子束的第一能量，以利用更小能量的离子束进行精密修形，满足微纳器件的要求。优选地，该抛光处理的工艺温度为100-500摄氏度，过程时间为1-120min，第二离子束的入射角度40°-90°，单晶薄膜去除量为1nm-300nm，表面粗糙度达到0.1nm-1nm。
根据本发明的制备方法，通过离子注入在注入面下的预设深度处形成注入缺陷层，然后与支撑衬底键合，键合后的结构进行退火，从而将单晶薄膜转移到支撑衬底上，然后通过低能离子束对单晶薄膜进行抛光形成高平坦度异质集成薄膜结构。如此，本发明的制备方法得到的集成薄膜结构解决了表面粗糙度难以处理的问题，可以将薄膜的平坦度提高至微纳器件，尤其是微纳光学器件的水平。
附图说明
图1是根据本发明的制备方法提供的未注入的单晶晶片的剖面图；
图2是根据本发明的制备方法提供的注入后的单晶晶片的剖面图；
图3是根据本发明的制备方法提供的注入后的单晶晶片与支撑衬底键合得到的第一复合结构的剖面图；
图4是根据本发明的制备方法提供的第一复合结构沿着注入缺陷层剥离的剖面图；
图5是根据本发明的制备方法提供的第二复合结构进行表面处理的剖面图；
图6是根据本发明的制备方法提供的高平坦度异质集成薄膜结构的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
根据本发明的高平坦度异质集成薄膜结构的制备方包括：
1)提供具有注入面1a的单晶晶片1，如图1所示；
2)从注入面1a沿着图2的箭头方向向单晶晶片1进行离子注入，单晶晶片1在距离注入面1a的预设深度处形成注入缺陷层11，该注入缺陷层11的上方形成单晶薄膜12；
3)支撑衬底2上生长一层介质层21，将注入面1a与介质层21键合，如图3所示，得到包括单晶晶片1和支撑衬底2的第一复合结构；
4)对第一复合结构进行退火处理，如图4所示，使得第一复合结构沿着注入缺陷层11剥离得到第二复合结构，其中，注入缺陷层11形成损伤层111，第二复合结构包括损伤层111、单晶薄膜12和支撑衬底2；
5)如图5所示，通过离子束轰击进行表面处理除去第二复合结构中的损伤层111并进行抛光，得到如图6所示的包括单晶薄膜12和支撑衬底2的高平坦度异质集成薄膜结构。
实施例1
提供毫米级的SiC单晶晶片。从注入面进行H离子注入，注入能量为100keV，注入剂量为5×1016ions/cm2，在距离注入面约500nm处形成注入缺陷层。在500μm厚的硅衬底上生长一层2μm厚的SiO2介质层，将注入面与SiO2介质层键合，键合温度为20℃。真空下退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为1h。在300℃下，入射角为45°的1kev的低能离子束轰击10min除去损伤层并去除100nm的单晶薄膜以进行初步平坦化，表面粗糙度达到1.5nm，然后入射角为45°的300ev的低能离子束轰击10min去除50nm的单晶薄膜以进行精修平坦化，表面粗糙度达到0.5nm，得到高平坦度异质集成薄膜结构。
实施例2
提供晶圆级的LiNbO3单晶晶片。从注入面进行He离子注入，注入能量为20keV，注入剂量为1×1016ions/cm2，在距离注入面约100nm处形成注入缺陷层。将注入面与200μm厚的硅衬底直接键合，键合温度为200℃。氮气气氛下退火处理，退火温度为500℃，退火时间为30分钟。在100℃下，入射角为40°的700ev的低能离子束轰击14min除去损伤层并去除120nm的单晶薄膜以进行初步平坦化，表面粗糙度达到1.5nm，然后入射角为40°的200ev的低能离子束轰击5min去除30nm的单晶薄膜以进行精修平坦化，表面粗糙度达到0.6nm，得到高平坦度异质集成薄膜结构。
实施例3
提供晶圆级的GaAs单晶晶片。从注入面进行He离子注入，注入能量为1MeV，注入剂量为4×1016ions/cm2，在距离注入面约4μm处形成注入缺陷层。在1mm厚的蓝宝石衬底上生长一层5μm厚的氧化铝介质层，将注入面与氧化铝介质层键合，键合温度为800℃。氩气气氛下退火处理，退火温度为1300℃，退火时间为24h。在500℃下，入射角为90°的2kev的低能离子束轰击60min除去损伤层并去除700nm的单晶薄膜以进行初步平坦化，表面粗糙度达到10nm，然后入射角为90°的500ev的低能离子束轰击120min去除300nm的单晶薄膜以进行精修平坦化，表面粗糙度达到1nm，得到高平坦度异质集成薄膜结构。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种高平坦度异质集成薄膜结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括步骤：
S1，提供具有注入面的单晶晶片；
S2，从所述注入面向单晶晶片进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成注入缺陷层，该注入缺陷层的上方形成单晶薄膜；
S3，将所述注入面与一支撑衬底直接键合，得到包括单晶晶片和支撑衬底的第一复合结构；
S4，对第一复合结构进行退火处理，使得第一复合结构沿着注入缺陷层剥离，得到第二复合结构，其中，注入缺陷层形成损伤层，第二复合结构包括损伤层、单晶薄膜和支撑衬底；
S5，通过离子束对第二复合结构进行表面处理以除去损伤层并进行抛光处理，得到包括单晶薄膜和支撑衬底的高平坦度异质集成薄膜结构，其中，利用离子束轰击单晶薄膜的表面以去除损伤层，同时利用溅射原理对单晶薄膜进行平坦化处理，该抛光处理包括利用500ev-10kev的第一离子束进行初步平坦化处理以使其表面粗糙度达到1.5nm-10nm，该抛光处理还包括利用1ev-500ev的第二离子束进行精修平坦化处理以使其表面粗糙度达到0.1nm-1nm，其中，第二离子束的能量小于第一离子束的第一能量。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单晶晶片为SiC单晶晶片、LiNbO3单晶晶片、LiTaO3单晶晶片、InP单晶晶片、GaAs单晶晶片、或Ge单晶晶片中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，从所述注入面注入H离子和/或He离子。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，离子注入的能量为20keV-2MeV，剂量为1×1016cm-2-1×1017cm-2，预设深度为100nm-2μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑衬底为硅衬底和/或蓝宝石衬底。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述支撑衬底上生长一层介质层，所述注入面与所述介质层键合，键合温度介于20℃和800℃之间。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在真空、氮气、氩气或氢气的环境下进行退火处理以使得单晶薄膜通过退火处理被转移到支撑衬底上。
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