CN110952068A - 图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单晶薄膜制备技术领域，尤其是涉及一种图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器；包括如下步骤：从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，形成损伤层，得到损伤的压电单晶晶圆；在损伤的压电单晶晶圆的下表面对单晶薄膜层进行图形化处理；再制备图形化的键合层；将衬底叠放于键合层上，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，制备得到具有图形化的单晶薄膜。通过图形化单晶薄膜制备方法以解决现有技术中存在的整片晶圆的键合剥离时，键合压力不易控制，且应力堆积过大，容易损伤器件需要的单晶薄膜区域的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及单晶薄膜制备技术领域，尤其是涉及一种图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器。
背景技术
为了满足无线移动通信的高度集成化，单晶薄膜在MEMS制造工艺(Microfabrication Process)中需求不断的增加，在分子束外衍生长无法满足固定晶向单晶薄膜生长的条件下，发展出了离子注入剥离技术。
但是离子注入剥离技术与键合技术相结合在器件制备过程中需要依次全面积的键合、晶圆劈裂、得到单晶薄膜后再使用光刻工艺与刻蚀工艺将单晶薄膜进行图形化的处理。上述键合剥离技术中技术难度相对较高，整片晶圆的键合剥离键合压力不易控制，且应力堆积过大容易损伤器件需要的单晶薄膜区域。
其次，在对制备好的单晶薄膜进行刻蚀时，刻蚀过程中很可能损伤衬底或者薄膜下的其它结构，不利于后续工艺的兼容以及其他工艺流程的实施。
再者，可以使用拼板键合剥离的方式实现区域化单晶薄膜的制备，拼版键合剥离是利用多个离子注入小片通过拼接的手段实现多个小区域的薄膜键合剥离，这种键合剥离方式的优点在于节省材料，充分利用了整个注入晶圆，但是这种方法存在对准难度高、小片键合压力均匀性差、小片剥离单晶薄膜边缘易损坏以及剥离区域图形不易加工等缺点。
因此，针对上述问题本发明急需提供一种图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器，通过图形化单晶薄膜制备方法以解决现有技术中对制备条件要求较高的问题：整片晶圆的键合剥离，键合压力不易控制，且应力堆积过大，容易损伤器件需要的单晶薄膜区域。
本发明提供的一种图形化单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1：从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
S2：在损伤的压电单晶晶圆的下表面对单晶薄膜层进行图形化处理；
S3：单晶薄膜层图形化处理后，在压电单晶晶圆的下表面制备图形化的键合层；
S4：将衬底叠放于键合层上，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，制备得到具有图形化的单晶薄膜。
优选地，刻蚀的深度大于单晶薄膜层的厚度；刻蚀方法包括离子束溅射刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)以及电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
优选地，单晶薄膜层的图形化处理步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的单晶薄膜层进行刻蚀，去除光刻胶。
优选地，图形化的键合层的制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆制备键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层。
优选地，键合层的材质包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)或旋转涂布玻璃(SOG)中的至少一种；
压电单晶晶圆材质为石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、钛酸钡、磷酸二氢钾或铌镁酸铅-钛酸铅；
衬底的材质为硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石。
优选地，键合固化温度为150℃-500℃；键合固化时间为10min-600min；晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
优选地，高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev；高能量离子的注入深度0.3μm-8.0μm。
优选地，高能量离子为氢离子、氦离子、硼离子或砷离子。
本发明还包括一种图形化的单晶薄膜，基于如上述中任一所述的图形化单晶薄膜制备方法制得。
本发明还包括一种谐振器，包括如上述所述的图形化的单晶薄膜。
本发明提供的一种图形化单晶薄膜制备方法、图形化单晶薄膜及谐振器与现有技术相比具有以下进步：
1、对单晶薄膜层进行提前的图形化处理，可以避免在得到单晶薄膜后对其进行图形化处理后造成基片带来的损伤；同时避免了刻蚀工艺与键合层不兼容。
2、对单晶薄膜层进行提前的图形化处理，释放键合压力，缓解应力的堆积，不会造成单晶薄膜的碎裂。
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为本发明中所述图形化单晶薄膜制备方法的步骤框图；
图2为本发明中所述图形化单晶薄膜的结构示意图；
图3为本发明中所述图形化单晶薄膜的结构示意图；
图4为本发明中所述图形化单晶薄膜的结构示意图；
图5为本发明中所述图形化单晶薄膜的结构示意图；
图6为本发明中所述图形化单晶薄膜的结构示意图；
附图标记：压电单晶晶圆内部损伤层-4，被损伤层4分隔后的压电单晶晶圆上压电层-5、单晶薄膜层1，键合层-2，衬底-3。
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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种图形化单晶薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1)从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子A，高能量离子A进入压电单晶晶圆内部形成损伤层4，损伤层4将压电单晶晶圆分隔成上压电层5和单晶薄膜层1，得到损伤的压电单晶晶圆；
S2)在损伤的压电单晶晶圆的下表面对单晶薄膜层1进行图形化处理；
S3)单晶薄膜层1图形化处理后，在压电单晶晶圆的下表面制备图形化的键合层2；
S4)将衬底3叠放于键合层上，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，制备得到具有图形化的单晶薄膜。
具体地，刻蚀的深度大于单晶薄膜层1的厚度。
具体地，单晶薄膜层1的图形化处理步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的单晶薄膜层1进行刻蚀，去除光刻胶。
具体的，对单晶薄膜1进行刻蚀的技术手段包括：离子束溅射刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)以及电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
具体地，图形化的键合层2的制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆制备键合层，对键合层2涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层2进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层2。
具体地，键合层2的材质包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)或旋转涂布玻璃(SOG)中的至少一种；
压电单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、钛酸钡、磷酸二氢钾或铌镁酸铅-钛酸铅中的一种；
衬底3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。
具体地，键合固化温度为150℃-500℃；键合固化时间为10min-600min；晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
具体地，高能量离子A的注入能量选用范围为100kev-1000kev；高能量离子包括氢离子、氦离子、硼离子或砷离子中的一种；高能量离子的注入深度0.3μm-8.0μm。
具体地，高能量离子A包括氢离子(优选正一价氢离子，H+)、氦离子(优选正一价氦离子，He+)、硼离子(优选正一价的硼离子，B+)或砷离子(优选正一价的砷离子，As+)中的一种；高能量离子A的注入能量选用范围为100kev-1000kev；高能量离子A的注入深度0.3μm-8.0μm；具体的，选用B3+离子注入，注入深度为3.0μm；注入能量为1000kev。
本发明还包括一种图形化的单晶薄膜，基于如上述中任一所述的图形化单晶薄膜制备方法制得。
本发明还包括一种谐振器，包括如上述所述的图形化的单晶薄膜。
具体地，从上到下依次为单晶薄膜层1、键合层2及衬底3。
机理分析：对单晶薄膜层进行提前的图形化处理，可以避免在得到单晶薄膜后对其进行图形化处理后造成基片带来的损伤；同时避免了刻蚀工艺与键合层不兼容。同时，对单晶薄膜层进行提前的图形化处理，释放键合压力，缓解应力的堆积，不会造成单晶薄膜的碎裂。
实施例一
本实施例提出了一种图形化的铌酸锂单晶薄膜的制备过程，具体的：
1)选用铌酸锂压电单晶晶圆，在铌酸锂压电单晶晶圆的下表面注入正一价氦离子(He+)，注入深度为0.3μm；在铌酸锂压电单晶晶圆的内部形成损伤层，损伤层将铌酸锂压电单晶晶圆分为上铌酸锂压电层和铌酸锂单晶薄膜层；
2)在损伤的铌酸锂压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的铌酸锂单晶薄膜层进行离子束溅射刻蚀，刻蚀的深度大于铌酸锂单晶薄膜层的厚度，去除光刻胶；
3)在损伤的压电单晶晶圆下表面制备BCB键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行湿法刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层；
4)将衬底叠放于键合层上，衬底的材质为硅，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，键合温度为150℃，键合固化时间为10min；晶圆劈裂温度为180℃；晶圆劈裂时间为10min；-移除上压电层，制备得到具有图形化的铌酸锂单晶薄膜。
本发明还包括一种谐振器，包括如上述所述的图形化的铌酸锂单晶薄膜。
制备得到的图形化的铌酸锂单晶薄膜，表面光滑，无裂纹，且边缘无损坏。
对比样一：从上到下依次为铌酸锂单晶薄膜层、键合层和衬底，制备得到的单晶薄膜表面有裂纹，且边缘损坏严重。
实施例二
本实施例提出了一种图形化的钽酸锂单晶薄膜的制备过程，具体的：
1)选用钽酸锂压电单晶晶圆，在钽酸锂压电单晶晶圆的下表面注入正一价氢离子(H+)，注入深度为2μm；在钽酸锂压电单晶晶圆的内部形成损伤层，损伤层将钽酸锂压电单晶晶圆分为上钽酸锂压电层和钽酸锂单晶薄膜层；
2)在损伤的钽酸锂压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的钽酸锂单晶薄膜层进行反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀的深度大于钽酸锂单晶薄膜层的厚度，去除光刻胶；
3)在损伤的压电单晶晶圆下表面制备SOG键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层；
4)将衬底叠放于键合层上，衬底的材质为玻璃，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，键合温度为150℃，键合固化时间为10min；晶圆劈裂温度为200℃；晶圆劈裂时间为10min；移除上压电层，制备得到具有图形化的钽酸锂单晶薄膜。
制备得到的图形化的钽酸锂单晶薄膜，表面光滑，无裂纹，且边缘无损坏。
实施例三
本实施例提出了一种图形化的钽酸锂单晶薄膜的制备过程，具体的：
1)选用钽酸锂压电单晶晶圆，在钽酸锂压电单晶晶圆的下表面注入正一价氢离子(H+)，注入深度为2μm；在钽酸锂压电单晶晶圆的内部形成损伤层，损伤层将钽酸锂压电单晶晶圆分为上钽酸锂压电层和钽酸锂单晶薄膜层；
2)在损伤的钽酸锂压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的钽酸锂单晶薄膜层进行反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀的深度大于钽酸锂单晶薄膜层的厚度，去除光刻胶；
3)在损伤的压电单晶晶圆下表面制备HSQ键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层；
4)将衬底叠放于键合层上，衬底的材质为玻璃，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，键合温度为150℃，键合固化时间为10min；晶圆劈裂温度为200℃；晶圆劈裂时间为10min；移除上压电层，制备得到具有图形化的钽酸锂单晶薄膜。
制备得到的图形化的钽酸锂单晶薄膜，表面光滑，无裂纹，且边缘无损坏。
实施例四
本实施例提出了一种图形化的钽酸锂单晶薄膜的制备过程，具体的：
1)选用钽酸锂压电单晶晶圆，在钽酸锂压电单晶晶圆的下表面注入正一价氢离子(H+)，注入深度为2μm；在钽酸锂压电单晶晶圆的内部形成损伤层，损伤层将钽酸锂压电单晶晶圆分为上钽酸锂压电层和钽酸锂单晶薄膜层；
2)在损伤的钽酸锂压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的钽酸锂单晶薄膜层进行反应离子刻蚀(RIE)，刻蚀的深度大于钽酸锂单晶薄膜层的厚度，去除光刻胶；
3)在损伤的压电单晶晶圆下表面制备PI键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层；
4)将衬底叠放于键合层上，衬底的材质为玻璃，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，键合温度为150℃，键合固化时间为10min；晶圆劈裂温度为200℃；晶圆劈裂时间为10min；移除上压电层，制备得到具有图形化的钽酸锂单晶薄膜。
制备得到的图形化的钽酸锂单晶薄膜，表面光滑，无裂纹，且边缘无损坏。
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 (9)
1.一种图形化单晶薄膜的制备方法，其特征在于:包括如下步骤：
S1)从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，损伤层将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
S2)在损伤的压电单晶晶圆的下表面对单晶薄膜层进行图形化处理；
S3)单晶薄膜层图形化处理后，在压电单晶晶圆的下表面制备图形化的键合层；
S4)将衬底叠放于键合层上，进行键合固化处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，制备得到具有图形化的单晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：刻蚀的深度大于单晶薄膜层的厚度；刻蚀方法包括离子束溅射刻蚀、反应离子刻蚀以及电感耦合等离子体刻蚀。
3.根据权利要求2所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：单晶薄膜层的图形化处理步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的单晶薄膜层进行刻蚀，去除光刻胶。
4.根据权利要求3所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：图形化的键合层的制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆制备键合层，对键合层涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的键合层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的键合层。
5.根据权利要求4所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：键合层的材质包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、硅倍半环氧乙烷或旋转涂布玻璃中的至少一种；
压电单晶晶圆材质为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾或铌镁酸铅-钛酸铅；
衬底的材质为硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石。
6.根据权利要求5所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：键合固化温度为150℃-500℃；键合固化时间为10min-600min；晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
7.根据权利要求6所述的图形化单晶薄膜制备方法，其特征在于：高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev；高能量离子为氢离子、氦离子、硼离子或砷离子；高能量离子的注入深度0.3μm-8.0μm。
8.一种图形化的单晶薄膜，其特征在于：基于如权利要求1-7中任一所述的图形化单晶薄膜制备方法制得。
9.一种谐振器，其特征在于：包括如权利要求8所述的图形化的单晶薄膜。
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