CN110828653B - 压电复合薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种压电复合薄膜及其制备方法，所述方法包括：准备预压电复合薄膜，预压电复合薄膜包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层；对压电晶体薄膜层执行离子注入工艺，其中，注入离子穿过压电晶体薄膜层并停留在隔离层中，以使压电晶体薄膜层的注入离子所穿过的区域的极化方向反转；以及在注入离子工艺之后对预压电复合薄膜执行退火工艺，以获得压电复合薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电复合薄膜及其制备方法，更具体地，涉及一种包括极化反转图形的压电复合薄膜及其制备方法。
背景技术
在光学和声学领域中，由于对通信要求越来越高，因此也相应提高了对光学和声学器件(诸如光波长转换器件、光学参量振荡器、量子光学器件、声子学器件等)的要求。在这种情况下，对光学和声学器件中具有极化反转图形的压电薄膜也提出了更高的要求。
含有极化反转图形的压电衬底，是在压电单晶薄膜上将特定区域的极化方向反转，从而制备出含有极化反转图形的压电单晶薄膜，其中，极化是指晶体中分子正负电荷中心存在规律性偏移的现象，压电单晶可以自发极化，并且极化方向具有统一性；极化反转是指极化的方向变成相反的方向，对特定区域的极化方向反转是指将这些特定区域的极化方向反转，从而得到含有极化反转图形的单晶压电薄膜。
在现有技术中，往往通过电极对压电晶体施加较高的电压来使压电晶体的特定区域的极化方向反转，从而使压电晶体形成有极化反转图形。然后，通过利用离子注入、键合、剥离和研磨等工艺来制备包括含有极化反转图形的压电薄膜的压电复合薄膜。
然而，在上述极化反转的工艺中，由于通电电压产生的电场方向分布是发散的且与电极图形并不完全一致，从而导致相应的极化反转图形发生畸变。另外，在极化反转区域的边缘附近，电场与极化方向偏离较大，这导致此处极化反转状态不稳定，容易反复，同时也会导致极化反转图形边缘畸变。由于图形的畸变，使得压电薄膜的极化反转图形的精度，在电极线度越小时，电场的分散程度和偏离程度会越明显，进而使得极化反转图形的畸变程度越大。另一方面，在通高电压时需要在电极间填充高介电常数的介质来防止电击穿。因此，现有技术中的极化反转工艺存在危险性高、工艺复杂、可控性差、可重复性差等缺陷，并且限制了相应图形的精细度和复杂度，这使得只能设计并制备相对较宽和相对简单的图形。
此外，由于极化反转区域的物理特性与其它区域存在差异(如腐蚀速率)，使得晶圆无法通过简单的CMP(化学机械抛光)工艺来获得良好的光滑表面，进而影响后序的键合工艺并导致无法获得具有良好的光滑表面的压电薄膜。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种压电复合薄膜及其制备方法。
本发明的目的在于提供一种能够解决以上问题中的至少一个问题的压电复合薄膜及其制备方法。
根据本发明的实施例的制备压电复合薄膜的方法可以包括：准备预压电复合薄膜，预压电复合薄膜包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层；对压电晶体薄膜层执行离子注入工艺，其中，注入离子穿过压电晶体薄膜层并停留在隔离层中，以使压电晶体薄膜层的注入离子所穿过的区域的极化方向反转；以及在注入离子工艺之后对预压电复合薄膜执行退火工艺，以获得压电复合薄膜。
在根据本发明的实施例中，所述方法还可以包括在执行离子注入工艺的步骤之前执行掩模工艺，所述掩模工艺可以包括：在压电晶体薄膜层上设置保护层；以及对保护层执行图案化工艺以形成与极化反转图形对应的保护层图案。在执行离子注入工艺的步骤期间，保护层图案可以作为掩模来阻挡注入的离子。
在根据本发明的实施例中，所述方法还可以包括在执行退火工艺的步骤之前去除保护层图案。
在根据本发明的实施例中，保护层可以包括氧化硅、氮化硅或光致抗蚀剂。
在根据本发明的实施例中，压电晶体薄膜层可以包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾或石英。
在根据本发明的实施例中，隔离层可以是由氧化硅、氮化硅和/或多晶硅形成的单层或多层。
在根据本发明的实施例中，注入的离子可以选自质子、氢离子、氦离子或氩离子。
在根据本发明的实施例中，准备预压电复合薄膜的步骤可以包括对压电晶体薄膜层的离子注入表面执行腐蚀或化学机械抛光处理，以获得光滑的离子注入表面。
在根据本发明的实施例中，注入能量可以为大约100～800KeV。
在根据本发明的实施例中，注入能量可以为大约150～600KeV。
在根据本发明的实施例中，注入剂量可以为大约1×1015～1×1017ions/cm2。
在根据本发明的实施例中，注入剂量可以为大约1×1015～6×1016ions/cm2。
在根据本发明的实施例中，退火温度可以为大约300～大约600℃。
在根据本发明的实施例中，退火温度可以为大约350～大约500℃。
隔离层的厚度可以为大约100nm至大约20μm。
压电晶体薄膜层的厚度可以为大约100nm至大约100μm。
在根据本发明的实施例中，保护层的厚度可以为大约100nm至大约50μm。
根据本发明的实施例的压电复合薄膜可以包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层。压电晶体薄膜层可以具有通过离子注入工艺或者离子注入工艺和掩模工艺两者形成的极化反转区域。
根据本发明的实施例还提供了一种根据上述方法制备的压电复合薄膜。
在根据本发明的实施例中，通过离子注入工艺，可以容易地实现压电晶体薄膜的极化反转，进而来解决传统工艺的危险性高、工艺复杂、可控性差、可重复性差等缺陷。另外，通过离子注入工艺和掩模工艺的结合，可以避免或减少传统工艺中反转图形畸变的发生，进而可以容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形，并且提高反转图形精度。此外，在根据本发明的实施例中，在进行极化反转工艺之前已经通过对压电晶体薄膜层的与其接触隔离层的表面背对的表面进行腐蚀或化学机械抛光处理来获得光滑或平整的表面，进而解决了传统极化反转工艺中压电晶体难以通过简单的化学机械抛光或腐蚀工艺来获得良好的光滑或平整表面的问题。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明构思的示例性实施例的包含极化反转图形的压电复合薄膜的平面图；
图2是沿图1的线I-I'截取的压电复合薄膜的剖视图；
图3是根据本发明构思的另一示例性实施例的包含极化反转图形的压电复合薄膜的平面图；以及
图4A至图4C是示意性地示出根据本发明构思的示例性实施例的制备图1的压电复合薄膜的方法的剖视图。
附图标号：1、2-压电复合薄膜；100、200-压电晶体薄膜层；110、210-极化反转图形；300-隔离层；400-保护层；400'-保护层图案；500-衬底。
具体实施方式
以下结合附图及示例性实施例，进一步详细描述本发明的原理，以使本发明的技术解决方案更加清晰。
图1是根据本发明构思的示例性实施例的包含极化反转图形的压电复合薄膜的平面图。图2是沿图1的线I-I'截取的压电复合薄膜的剖视图。图3是根据本发明构思的另一示例性实施例的包含极化反转图形的压电复合薄膜的平面图。
参照图1和图2，根据本发明构思的示例性实施例的压电复合薄膜1可以包括压电晶体薄膜层100、隔离层300和衬底500。
如图1和图2中所示，压电晶体薄膜层100可以与衬底500叠置。衬底500可以由Si、LN(铌酸锂，LiNiO3)或LT(钽酸锂，LiTaO3)单晶片形成，并且可以具有从微米级到毫米级的厚度。隔离层300可以设置在压电晶体薄膜层100与衬底500之间。隔离层300可以是由氧化硅、氮化硅和/或多晶硅形成的单层或多层，并且可以具有大约100nm至大约20μm的厚度、大约200nm至大约16μm的厚度、大约300nm至大约12μm的厚度、大约400nm至大约8μm的厚度、大约500nm至大约4μm的厚度、大约600nm至大约1μm的厚度，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约500nm至大约20μm的厚度或大约300nm至大约4μm的厚度等等。
如图2中所示，压电晶体薄膜层100可以设置在隔离层300上。压电晶体薄膜层100可以包括LN、LT、KDP(磷酸二氢钾)、DKDP(磷酸二氘钾)或石英等，并且可以具有大约100nm至大约100μm的厚度、大约200nm至大约80μm的厚度、大约300nm至大约60μm的厚度、大约400nm至大约40μm的厚度、大约500nm至大约20μm的厚度、大约600nm至大约1μm的厚度，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约500nm至大约60μm的厚度或大约300nm至大约40μm的厚度等等。
如图1和图2中所示，压电晶体薄膜层100可以包括极化反转图形110。图2中示出的极化反转图形110可以是彼此分隔开的具有矩形形状的多个极化反转图形110。在压电晶体薄膜层100中，包含极化反转图形110的区域中的极化方向(由-Z表示)与其它区域中的极化方向(由+Z表示)相反。
虽然图2中示出的极化反转图形110具有矩形形状，但根据本发明的实施例的极化反转图形的形状不限于此，其形状可以根据实际需要来进行具体设定。例如，如图3中所示压电复合薄膜2的压电晶体薄膜层200可以包括具有同心圆环形状的极化反转图形210。
不同于传统的通过施加电压来实现极化反转的工艺，在根据本发明的实施例中，可以通过离子注入工艺来实现压电晶体薄膜的极化反转，进而来解决传统工艺的危险性高、工艺复杂、可控性差、可重复性差等缺陷。另外，还可以通过离子注入工艺和掩模工艺的结合来容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形，进而提高反转图形精度。下面将参照图4A至图4C来描述根据本发明的实施例的制备上述压电复合薄膜1的方法。
如图4A中所示，首先制备包括顺序堆叠的衬底500、隔离层300和压电晶体薄膜层100的预压电复合薄膜。在预压电复合薄膜中，衬底500、隔离层300和压电晶体薄膜层100可以彼此堆叠以形成三层堆叠结构。然而，根据本发明的实施例不限于此，预压电复合薄膜还可以包括其他功能层。
在根据本发明的实施例中，可以通过利用离子注入、键合、剥离和研磨抛光或腐蚀等工艺来制备预压电复合薄膜。具体地，可以通过以下步骤来制备上述预压电复合薄膜：准备衬底基板和压电晶体；对压电晶体的一个表面执行离子注入；在衬底基板上形成隔离层，并对隔离层进行化学机械抛光；使压电晶体的离子注入表面与衬底基板的隔离层的抛光表面接触，以形成键合体；对键合体进行退火，使键合体分离；以及对位于隔离层上的压电晶体薄膜层进行腐蚀或化学机械抛光处理，以获得光滑或平整的表面。因此，在根据本发明的实施例中，在进行极化反转工艺之前，压电晶体薄膜层100的与其接触隔离层300的表面背对的表面(即，后续离子注入工艺中的离子注入表面)已经进行了腐蚀或化学机械抛光处理，因此，该表面可以是光滑或平整的表面，例如，可以是具有粗糙度Ra小于0.5nm的表面。
然而，在现有技术中，需要先在压电晶体的表面上形成相应的金属电极图案，然后通过利用电极图案对压电晶体施加电压来获得极化反转图形，最后执行上述工艺。在这种情况下，由于极化反转区域的物理特性与其它区域存在差异(如腐蚀速率不同)，导致压电晶体无法通过简单的化学机械抛光或腐蚀工艺来获得良好的光滑表面，这对后期的键合工艺等造成不利的影响，从而影响其在光学方面的应用。
在根据本发明的实施例中，在执行极化反转工艺之前，通过利用离子注入、键合、剥离和研磨抛光或腐蚀等工艺来制备预压电复合薄膜，并且预压电复合薄膜的压电晶体薄膜层具有光滑或平整的表面。因此，可以解决或避免上述问题的发生。
接着，如图4B中所示，可以通过沉积或涂覆工艺来在预压电复合薄膜的压电晶体薄膜层100上设置保护层(或称为掩模层)400。保护层400可以包括氧化硅、氮化硅或光致抗蚀剂等。保护层400的厚度可以为大约100nm至大约50μm的厚度、大约200nm至大约40μm的厚度、大约300nm至大约30μm的厚度、大约400nm至大约20μm的厚度、大约500nm至大约10μm的厚度、大约600nm至大约5μm的厚度，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约500nm至大约5μm的厚度或大约300nm至大约10μm的厚度等等。
接着，如图4C中所示，可以通过光刻工艺或蚀刻工艺来对保护层400执行图案化工艺以形成保护层图案400'。当保护层400包括光致抗蚀剂时，可以通过光刻工艺来获得保护层图案400'。当保护层400包括氧化硅或氮化硅等时，可以通过蚀刻工艺来获得保护层图案(或称为掩模图案)400'。
然后，在形成保护层图案400'之后，可以对预压电复合薄膜执行离子注入工艺以获得上述极化反转图形110。当执行离子注入工艺时，保护膜图案400'可以用于阻挡注入的离子，以使得压电晶体薄膜层100的与保护膜图案400'叠置的区域不发生极化反转，而压电晶体薄膜层100的未被保护膜图案400'覆盖的区域可以发生极化反转，进而可以获得极化反转图形。
在根据本发明的实施例的离子注入工艺中，可以使用质子、H+、He+或Ar+离子等来作为注入离子，并且通过上述高能离子将压电晶体薄膜层100的未被保护层图案400'覆盖的区域的极化方向轰击成反方向。在根据本发明的实施例中，执行离子注入工艺可以改变压电晶体薄膜层100的未被保护层图案400'覆盖的区域的晶格结构，进而使压电晶体薄膜层100的注入离子所经过的区域的极化方向反转，这不同于在制备压电复合薄膜时为了剥离薄膜而执行的离子注入工艺，后者会破坏晶格结构，从而使得薄膜被剥离。
在根据本发明的实施例的离子注入工艺中，可以根据压电晶体薄膜层100的厚度和切向等来调整注入的离子种类、离子注入深度、离子注入能量和离子注入剂量等离子注入参数，以获得预期的极化反转图形。
具体地，离子种类可以影响极化反转效果，例如，离子越重，极化反转效果越好，但同时对压电晶体薄膜层100的晶格损伤也会越大。在根据本发明的实施例中，离子注入深度可以设置为保证离子贯穿压电晶体薄膜层100并使得离子基本停留在隔离层300中。此外，随着离子注入能量越大，极化反转效果可以相对变得越好，同时离子注入能量应当使得离子贯穿压电晶体薄膜层100。离子注入剂量则可以影响极化反转的程度，即，随着离子注入剂量的增大，极化反转的程度可以变大(例如，从50％的极化方向反转转变为100％的极化方向反转)。例如，在根据本发明的示例性实施例中，离子注入能量可以为大约100～800KeV、大约150～750KeV、大约170～700KeV、大约180～650KeV、大约190～600KeV、大约200～550KeV、大约210～500KeV、大约220～450KeV、大约230～400KeV、大约240～350KeV、大约250～300KeV，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约160～400KeV、大约180～600KeV或大约200～750KeV等等。在根据本发明的示例性实施例中，离子注入剂量可以为大约1×1015～1×1017ions/cm2、大约1×1015～6×1016ions/cm2、大约1×1015～4×1016ions/cm2、大约2×1015～1×1017ions/cm2、大约4×1015～1×1017ions/cm2，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约2×1015～6×1016ions/cm2或大约2×1015～4×1016ions/cm2等等。
在根据本发明的实施例中，通过利用离子注入工艺和掩模工艺(形成保护膜(掩模层)400和保护膜图案(掩模图案)400'的工艺)来获得极化反转图形，可以避免或减少传统工艺中反转图形畸变的发生，进而可以容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形。此外，根据本发明的实施例的极化反转工艺也克服了传统工艺的危险性高、工艺复杂、可控性差、可重复性差等缺陷。接着，在完成上述离子注入工艺之后，可以利用蚀刻工艺来去除保护膜图案400'。这里，蚀刻工艺可以是湿法蚀刻工艺或等离子体蚀刻工艺等。
然后，对去除了保护膜图案400'且包括极化反转图形的预压电复合薄膜进行退火处理，以恢复离子注入工艺期间对预压电复合薄膜造成的损伤。同时，通过退火处理还可以将停留在隔离层300中的注入离子去除，从而避免注入离子对隔离层300的性能的影响。在根据本发明的实施例中，可以在大约300～大约600℃的温度下执行退火工艺。然而，退火工艺的温度不限于此，例如，退火工艺的温度可以为大约320～大约580℃、大约340～大约560℃、大约360～大约540℃、大约380～大约520℃、大约400～大约500℃、大约420～大约480℃，或者这些数字限定的任意范围内，例如，大约400～大约600℃或大约340～大约480℃等等。
通过上述工艺，最终可以获得图1中所示的包含极化反转图形的压电复合薄膜1。
下面将描述根据参照图4A至图4C描述的制备方法制备压电复合薄膜的具体实施例。
实施例1
首先制备包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层的预压电复合薄膜。在预压电复合薄膜中，压电晶体薄膜层/隔离层/衬底的堆叠结构可以是例如厚度分别为500nm/3um/400um的LT/SiO2/Si，其中，LT层的极化方向是+Z。
接着，利用光致抗蚀剂在压电晶体薄膜层上形成保护层，并通过光刻工艺来对保护层进行图案化以获得保护层图案。保护层的厚度为3um～6um。
接着，对预压电复合薄膜的被保护层暴露的(或未被保护层覆盖的)区域执行离子注入工艺。具体地，在本实施例中，注入离子可以是He+，注入能量可以为大约150kev，注入剂量可以为大约6×1016ions/cm2。
然后，去除保护层图案并对预压电复合薄膜进行退火处理。具体地，在本实施例中，可以在大约450℃的温度下执行退火工艺。在执行完退火工艺之后，可以对压电复合薄膜结构进行测量以确定LT层形成有对应的极化方向为-Z的极化反转图形。
通过上述工艺，可以容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形，并且提高反转图形精度。
实施例2
首先制备包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层的预压电复合薄膜。在预压电复合薄膜中，压电晶体薄膜层/隔离层/衬底的堆叠结构可以是例如厚度分别为500nm/3um/400um的LN/SiO2/Si，其中，LN层的极化方向是+Z。
接着，在压电晶体薄膜层上沉积氧化硅层以形成保护层，并通过蚀刻工艺来对保护层进行图案化以获得保护层图案。保护层的厚度为3um～6um。
接着，对预压电复合薄膜的被保护层暴露的(或未被保护层覆盖的)区域执行离子注入工艺。具体地，在本实施例中，注入离子可以是He+，注入能量可以为大约150kev，注入剂量可以为大约6×1016ions/cm2。
然后，去除保护层图案并对预压电复合薄膜进行退火处理。具体地，在本实施例中，可以在大约350℃的温度下执行退火工艺。在执行完退火工艺之后，可以对压电复合薄膜结构进行测量以确定LN层形成有对应的极化方向为-Z的极化反转图形。
通过上述工艺，可以容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形，并且提高反转图形精度。
在根据本发明的另一实施例中，除了省略掩模工艺(即，形成保护膜和保护膜图案的工艺)之外，其它工艺步骤可以与参照图4A至图4C描述的工艺基本相同。下面将结合具体地实施例来描述该方法。
实施例3
首先，可以根据如图4A中所述的方法来制备预压电复合薄膜。在预压电复合薄膜中，压电晶体薄膜层/隔离层/衬底的堆叠结构可以是例如厚度分别为300nm/2um/500um的LT/SiO2/Si，其中，LT层的极化方向是+Z。
接着，与上述图4B和图4C不同的是，在本实施例中省略了形成保护层和保护层图案的工艺，并且可以对预压电复合薄膜直接执行离子注入工艺以使LT层的极化方向反转为-Z。具体地，在本实施例中，注入离子可以是H+，注入能量可以为大约100kev，注入剂量可以为大约8×1016ions/cm2。
然后，对上述经过离子注入处理的预压电复合薄膜进行退火处理。具体地，在本实施例中，可以在大约400℃的温度下执行退火工艺。在执行完退火工艺之后，可以对压电复合薄膜结构进行测量以确定LT层的极化方向整体反转为-Z。
通过上述工艺，最终可以使得压电晶体薄膜层的极化方向整体反转。
根据本发明的实施例，上述制备包含极化反转图形的压电复合薄膜的方法可以实现以下效果中的至少一种：提供了容易地实现更精细和更复杂的极化反转图形的方法；克服了传统工艺的危险性高、工艺复杂、可控性差、可重复性差等缺陷，提供了一种安全、简单、可控性和可重复性高的极化反转工艺；解决了传统工艺中难以通过简单的化学机械抛光或腐蚀等工艺来使压电复合薄膜的压电晶体薄膜层具有光滑或平整的表面的问题，使得在容易地获得压电晶体薄膜层的光滑表面的同时不影响后续工艺的执行。
虽然上面参照附图描述了根据本发明构思的示例性实施例的包括极化反转图形的压电复合薄膜及其制备方法，但是本发明不限于此。本领域技术人员理解的是，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，可以对其做出形式上和细节上的各种改变。
Claims (18)
1.一种制备压电复合薄膜的方法，所述方法包括以下步骤：
准备预压电复合薄膜，所述预压电复合薄膜包括顺序堆叠的衬底、隔离层和压电晶体薄膜层；
对压电晶体薄膜层执行离子注入工艺，其中，注入离子穿过压电晶体薄膜层并停留在隔离层中，以使压电晶体薄膜层的注入离子所穿过的区域的极化方向反转；以及
在离子注入工艺之后对预压电复合薄膜执行退火工艺，使得停留在隔离层中的注入离子被去除，从而获得压电复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在执行离子注入工艺的步骤之前执行掩模工艺，所述掩模工艺包括：
在压电晶体薄膜层上设置保护层；以及
对保护层执行图案化工艺以形成与极化反转图形对应的保护层图案，
其中，在执行离子注入工艺的步骤期间，保护层图案作为掩模来阻挡注入的离子。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括在执行退火工艺的步骤之前去除保护层图案。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，保护层包括氧化硅、氮化硅或光致抗蚀剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，压电晶体薄膜层包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾或石英。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，隔离层是由氧化硅、氮化硅和/或多晶硅形成的单层或多层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，注入的离子选自质子、氢离子、氦离子或氩离子。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，准备预压电复合薄膜的步骤包括对压电晶体薄膜层的离子注入表面执行腐蚀或化学机械抛光处理，以获得光滑的离子注入表面。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，注入能量为100～800KeV。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，注入能量为150～600KeV。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，注入剂量为1×1015～1×1017ions/cm2。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，注入剂量为1×1015～6×1016ions/cm2。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，退火温度为300～600℃。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，退火温度为350～500℃。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，压电晶体薄膜层的厚度为100nm至100μm。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，隔离层的厚度为100nm至20μm。
17.根据权利要求2所述的方法，其中，保护层的厚度为100nm至50μm。
18.一种通过权利要求1至17中任一项所述的方法制备的压电复合薄膜。
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