CN109950392A - 具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器 - Google Patents

具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单晶薄膜制备技术领域，尤其是涉及一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器；包括制备步骤：在单晶晶圆的下表面开设沟槽，得到具有沟槽的单晶晶圆；在具有沟槽的单晶晶圆的下表面注入高能量离子，且高能量离子的注入深度小于沟槽的深度，使得单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的单晶晶圆；将损伤的单晶晶圆键合于衬底上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜；通过提供具有沟槽的单晶薄膜制备方法制得的单晶薄膜以解决现有的薄膜器件的大面积制备过程中，薄膜中的应力容易导致薄膜发生开裂、脱落的现象的技术问题。

Description

具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器
技术领域
本发明涉及单晶薄膜制备技术领域，尤其是涉及一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器。
背景技术
为了满足无线移动通信的高度集成化，薄膜器件开始广泛应用，薄膜器件有集成度高、应用频段更宽、成本相对较低、对现有MEMS制备技术相兼容的众多优点。
薄膜器件的大面积制备过程中，薄膜中的应力容易导致薄膜发生开裂、脱落的现象。离子注入剥离法转移制备单晶薄膜材料，需要对单晶晶圆进行高剂量离子注入，离子辐照损伤会在晶圆中引入内应力，易引起晶圆开裂。此外，单晶薄膜的异质键合转移需要在一定温度下对键合的晶圆进行热处理，增强界面的键合强度，但由于两种材料热膨胀系数的差异，会导致升温和降温的过程中在界面处产生热失配应力，对于晶圆级的键合，会由于应力的累积效应导致晶圆开裂。
因此，针对上述问题本发明急需提供一种具有沟槽的单晶薄膜的制备方法、具有沟槽的单晶薄膜及谐振器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法、单晶薄膜及谐振器，通过提供具有沟槽的单晶薄膜的制备方法制得的具有沟槽的单晶薄膜以解决现有的薄膜器件的大面积制备过程中，薄膜中的应力容易导致薄膜发生开裂、脱落的现象的技术问题。
本发明提供的一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，包括如下制备步骤：
在单晶晶圆的下表面开设沟槽，得到具有沟槽的单晶晶圆；
在具有沟槽的单晶晶圆的下表面注入高能量离子，且高能量离子的注入深度小于沟槽的深度，使得单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的单晶晶圆；
将损伤的单晶晶圆键合于衬底上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜。
本发明还提供一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，包括如下制备步骤：
在单晶晶圆的下表面注入高能量离子，使得单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的单晶晶圆；
在损伤的单晶晶圆的下表面开设沟槽，且开设的沟槽的深度大于高能量离子的注入深度，得到具有沟槽的损伤的单晶晶圆；
将具有沟槽的损伤的单晶晶圆键合于衬底上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜。
优选地，单晶晶圆下表面至少开设有一个沟槽。
优选地，沟槽的宽度50μm-200μm。
优选地，键合方法包括亲水性键合、聚合物键合、共晶键合、扩散键合中的一种。
优选地，开设沟槽的方法包括刻蚀法或刀刻任一。
优选地，高能量离子包括氢离子(H+)、氦离子(He+)、硼离子(B3+)、砷离子(AS3+)中的至少一种；高能量离子的注入能量选用范围为150keV-1000keV；高能量离子的注入深度0.6μm-2.2μm。
优选地，单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石中的一种；
衬底的材质包括硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石中的一种。
优选地，键合温度为150℃-500℃；键合时间为10min-600min；单晶晶圆劈裂温度为180℃-500℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
优选地，单晶晶圆劈裂温度为150℃-220℃或者220℃-260℃或者260℃-300℃或者300℃-400℃或者400℃-500℃；单晶晶圆劈裂时间为180min-600min或者120min-180min或者80min-120min或者30min-80min或者10min-30min。
本发明还包括一种具有沟槽的单晶薄膜，基于如上述中任一所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法制得；从上到下依次包括单晶薄膜层、键合层和衬底，其中，单晶薄膜层上设有沟槽。
本发明一种谐振器，包括如上述所述的具有沟槽的单晶薄膜。
本发明提供的一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法、具有沟槽的单晶薄膜及谐振器与现有技术相比具有以下进步：
1、本发明注入前在单晶晶圆表面设置沟槽，可以使晶格畸变产生的应力在沟槽处释放，避免离子注入后对单晶晶圆产生破坏，以防止大剂量高能量离子注入过程中，高能离子与单晶晶圆原子产生碰撞，导致单晶晶圆产生晶格畸变，并产生很大的应力，容易产生翘曲、开裂、剥落等现象的发生。
2、本发明键合前在单晶晶圆表面设置沟槽，可以使热失配产生的应力在沟槽处释放，避免退火过程对单晶薄膜产生破坏，以防止由于单晶晶圆与衬底或键合层材料热膨胀系数的差异，导致升温和降温的过程中在界面处产生热失配应力，对于晶圆级的键合，会由于应力的累积效应导致单晶薄膜开裂现象发生。
3、本发明可以调节沟槽的数量，从而始终将应力控制在较低的水平。
4、本发明由于沟槽的设置，单晶薄膜层被沟槽分割开形成了多个独立的区域，即使某个区域的单晶薄膜由于应力或其它原因造成了损伤，则该区域的损伤并不会影响其它独立区域的薄膜质量，大大提高大尺寸晶圆的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤框图；
图2为实施例一所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图3为实施例一所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图4为实施例一所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图5为实施例一所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图6为实施例一所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图7为实施例二中所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤框图；
图8为实施例二所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图9为实施例二所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图10为实施例二所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图11为实施例二所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图；
图12为实施例二所述具有沟槽的单晶薄膜制备方法步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
实施例一
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本实施例提供一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，包括如下制备步骤：
S1)在单晶晶圆的下表面开设沟槽6，得到具有沟槽的单晶晶圆；
S2)在具有沟槽的单晶晶圆的下表面注入高能量离子A，且高能量离子A的注入深度小于沟槽的深度，使得单晶晶圆内部形成损伤层4，损伤层4将单晶晶圆分隔成上压电层5和单晶薄膜层1，得到损伤的单晶晶圆；
S3)将损伤的单晶晶圆键合于衬底3上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层5，得到具有沟槽的单晶薄膜。
本实施例单晶晶圆下表面至少开设有一个沟槽，具体的，在单晶晶圆的下表面开设5个间隔设置的沟槽。
本实施例沟槽的宽度50μm-200μm，具体的，各沟槽的宽度为50μm槽的深度为100μm；
本实施例的键合方法包括亲水性键合、聚合物键合、共晶键合、扩散键合中的一种；具体的选用聚合物键合，在衬底上旋涂苯并环丁烯形成键合层2；其中旋涂的苯并环丁烯的厚度为50nm。
本实施例开设沟槽的方法包括刻蚀法或刀刻任一，具体的，本实施例选用刀刻。
本实施例高能量离子包括氢离子(H+)、氦离子(He+)、硼离子(B3+)或砷离子(As3+)中的至少一种；高能量离子的注入能量选用范围为150keV-1000keV；高能量离子的注入深度0.6μm-2.2μm；具体的，选用B3+离子注入，注入深度为2.2μm；注入能量为1000keV。
本实施例单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石中的一种，具体的，选用4英寸铌酸锂晶片。
本实施例衬底的材质包括硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石中的一种；具体的，选用硅作为衬底。
本实施例，键合温度为150℃-500℃，；键合时间为10min-600min；单晶晶圆劈裂温度为180℃-500℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；或者单晶晶圆劈裂温度为150℃-220℃或者220℃-260℃或者260℃-300℃或者300℃-400℃或者400℃-500℃；单晶晶圆劈裂时间为180min-600min或者120min-180min或者80min-120min或者30min-80min或者10min-30min；具体的，键合温度为260℃；键合时间为30min；单晶晶圆劈裂温度为220℃；晶圆劈裂时间为30min。
通过上述方法制备得到的具有沟槽的单晶薄膜B1，从上到下依次包括单晶薄膜层、键合层和衬底，其中，单晶薄膜层上设有沟槽；制备得到的性能见表1。
本实施例还包括一种谐振器，包括如上述所述的具有沟槽的单晶薄膜。
针对单晶薄膜B1制备对照样品单晶薄膜A1,具体制备过程包括，选用铌酸锂单晶晶圆，在铌酸锂单晶晶圆表面注入B3+，注入深度为2.2μm；注入能量为1000keV，旋涂苯并环丁烯，将旋涂有苯并环丁烯的铌酸锂单晶晶圆与Si键合,单晶劈裂处理，冷却，剥离劈裂层，得到单晶薄膜A1，其中旋涂的苯并环丁烯的厚度为50nm；键合温度为260℃；键合时间为30min；单晶晶圆劈裂温度为220℃；晶圆劈裂时间为30min，制备得到的性能见表1。
从表1中，制备得到的B1相比A1，表面无裂纹，光滑，由此说明，在单晶晶圆表面开设沟槽，沟槽深度大于损伤层深度，相当于在高能量离子注入前，将单晶晶圆表面进行了分割；大尺寸的晶圆进行键合时，由于晶圆表面各个区域相对独立，产生的应力在沟槽处会得到充分的释放，并不会积累和传播，可以缓解由于应力的集中，导致在单晶晶圆劈裂过程中单晶薄膜层出现裂纹或开裂现象的发生。
还可以调节分割区域的面积，从而始终将应力控制在较低的水平。
实施例二
如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，本实施例还提供一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，包括如下制备步骤：
S101)在单晶晶圆的下表面注入高能量离子A，使得单晶晶圆内部形成损伤层401，损伤层401将单晶晶圆分隔成上压电层501和单晶薄膜层101，得到损伤的单晶晶圆；
S102)在损伤的单晶晶圆的下表面开设沟槽601，且开设的沟槽601的深度大于高能量离子A的注入深度，得到具有沟槽的损伤的单晶晶圆；
S103)将具有沟槽的损伤的单晶晶圆键合于衬底301上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜。
本实施例单晶晶圆下表面至少开设有一个沟槽，具体的，在单晶晶圆的下表面开设5个间隔设置的沟槽。
本实施例沟槽的宽度50μm-200μm，具体的，各沟槽的宽度为50μm槽的深度为100μm；
本实施例的键合方法包括亲水性键合、聚合物键合、共晶键合、扩散键合中的一种；具体的选用聚合物键合，在衬底上旋涂苯并环丁烯形成键合层2；其中旋涂的苯并环丁烯的厚度为50nm。
本实施例开设沟槽的方法包括刻蚀法或刀刻任一，具体的，本实施例选用刀刻。
本实施例高能量离子包括氢离子(H+)、氦离子(He+)、硼离子(B3+)或砷离子(As3+)中的至少一种；高能量离子的注入能量选用范围为150keV-1000keV；高能量离子的注入深度0.6μm-2.2μm；具体的，选用B3+离子注入，注入深度为2.2μm；注入能量为1000keV。
本实施例单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石中的一种，具体的，选用4英寸铌酸锂晶片。
本实施例衬底的材质包括硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石中的一种；具体的，选用硅作为衬底。
本实施例，键合温度为150℃-500℃，；键合时间为10min-600min；单晶晶圆劈裂温度为180℃-500℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；或者单晶晶圆劈裂温度为150℃-220℃或者220℃-260℃或者260℃-300℃或者300℃-400℃或者400℃-500℃；单晶晶圆劈裂时间为180min-600min或者120min-180min或者80min-120min或者30min-80min或者10min-30min；具体的，键合温度为260℃；键合时间为30min；单晶晶圆劈裂温度为220℃；晶圆劈裂时间为30min。
通过上述方法制备得到的具有沟槽的单晶薄膜B3，从上到下依次包括单晶薄膜层、键合层和衬底，其中，单晶薄膜层上设有沟槽,具体性能见表1。
本发明还包括一种谐振器，包括如上述所述的具有沟槽的单晶薄膜。
应力释放机理：
在单晶晶圆表面开设沟槽，沟槽深度大于损伤层深度，相当于在与衬底键合前，将单晶晶圆表面进行了分割。大尺寸的晶圆进行键合时，由于晶圆表面各个区域相对独立，产生的应力在沟槽处会得到充分的释放，并不会积累和传播。可以缓解由于应力的集中，导致在单晶晶圆劈裂过程中单晶薄膜层出现裂纹或开裂现象的发生。
根据单晶晶圆和衬底材料热失配的差异程度，可以调节分割区域的面积，从而始终将应力控制在较低的水平。
表1实施例一中的这边的单晶薄膜的性能
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
在单晶晶圆的下表面开设沟槽，得到具有沟槽的单晶晶圆；
在具有沟槽的单晶晶圆的下表面注入高能量离子，且高能量离子的注入深度小于沟槽的深度，使得单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的单晶晶圆；
将损伤的单晶晶圆键合于衬底上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜。
2.一种具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
在单晶晶圆的下表面注入高能量离子，使得单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的单晶晶圆；
在损伤的单晶晶圆的下表面开设沟槽，且开设的沟槽的深度大于高能量离子的注入深度，得到具有沟槽的损伤的单晶晶圆；
将具有沟槽的损伤的单晶晶圆键合于衬底上，键合后进行晶圆劈裂处理，冷却后去除上压电层，得到具有沟槽的单晶薄膜。
3.根据权利要求1或2中任一所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于:单晶晶圆下表面至少开设有一个沟槽。
4.根据权利要求3所述的具有沟槽的单晶薄膜的制备方法，其特征在于:沟槽的宽度50μm-200μm。
5.根据权利要求4所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于:高能量离子包括氢离子(H+)、氦离子(He+)、硼离子(B3+)、砷离子(AS3+)中的至少一种；高能量离子的注入能量选用范围为150keV-1000keV；高能量离子的注入深度0.6μm-2.2μm。
6.根据权利要求5所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于：键合方法包括亲水性键合、聚合物键合、共晶键合、扩散键合中的一种。
7.根据权利要求6所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于:
单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石中的一种；
衬底的材质包括硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石中的一种。
8.根据权利要求7所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于:键合温度为150℃-500℃；键合时间为10min-600min；单晶晶圆劈裂温度为180℃-500℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
9.根据权利要求8所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法，其特征在于:开设沟槽的方法包括刻蚀法或刀刻任一。
10.一种具有沟槽的单晶薄膜，其特征在于：基于如权利要求3-9中任一所述的具有沟槽的单晶薄膜制备方法制得；从上到下依次包括单晶薄膜层、键合层和衬底，其中，单晶薄膜层上设有沟槽。
11.一种谐振器，其特征在于：包括如权利要求10所述的具有沟槽的单晶薄膜。
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