CN111769040A - 一种压电晶片离子注入的方法、注入片、压电薄膜及电子元器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压电晶片离子注入的方法、由所述方法制备的注入片以及由所述注入片制备的压电薄膜及电子元器件，所述方法首先在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层，所述应力吸收层能够吸收压电晶体翘曲所产生的应力，使得压电晶体在离子注入过程中保持平整而不发生变形，从而获得注入层以及分离层均为平整度较高的注入片，基于所述注入片所制备分离层的TTV可达5nm以下。
Description
技术领域
本申请属于半导体材料领域，特别涉及一种压电晶片离子注入的方法、注入片、压电薄膜及电子元器件。
背景技术
铌酸锂、钽酸锂等压电材料单晶薄膜具有优良的非线性光学特性、电光特性、声光特性，在光信号处理、信息存储等方面具有广泛的应用，特别地，铌酸锂在材料领域被称为光学“硅”。
制备纳米尺度铌酸锂/钽酸锂单晶薄膜常用离子注入与键合相结合的方法，所制得的纳米尺度单晶薄膜具有总厚度变化(Total Thickness Variation，TTV)小的优势，其中，所述TTV是为最大厚度与最小厚度的差值，例如，采用上述方法将4inch铌酸锂晶圆分离后所获得纳米尺度铌酸锂薄膜的TTV一般为30nm。
然而，在对铌酸锂/钽酸锂等压电晶体进行离子注入过程中，由于离子注入所引起的温度变化以及离子注入对压电晶体本身所造成的损伤，会导致压电晶体翘曲，严重时，翘曲可能大于200μm，由于在一次离子注入过程中，离子注入的能量无法实时调整，因此，压电晶体翘曲难以避免，而压电晶体翘曲会导致离子注入均匀性降低，具体表现可能为注入层为曲面，进一步地，导致所得分离层的厚度不均匀，由于分离层的厚度直接影响压电器件所制备谐振器的中心频率，具体地，分离层的厚度不均匀会导致所制备谐振器的中心频率不稳定。以薄膜体声波器件为例，其中心频率与分离层厚度的关系为f＝v/2d，厚度均匀性30nm时，其中心频率的浮动为f＝v/2(d±30)，影响最终器件的使用效果。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供一种压电晶片离子注入的方法，所述方法首先在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层，所述应力吸收层能够吸收压电晶体翘曲所产生的应力，使得压电晶体在离子注入过程中保持平整不发生变形，从而获得注入层以及分离层均为平整度较高的注入片。
本申请的目的在于提供以下几个方面：
第一方面，本申请提供一种压电晶片离子注入的方法，所述方法包括：
在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层；
将所述压电晶片固定吸附于吸盘上，其中，所述吸盘与所述应力吸收层贴合；
由所述压电晶片的工艺面向所述压电晶片中进行离子注入。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层的热膨胀系数小于所述压电晶片的热膨胀系数，从而为所述压电晶片提供与其膨胀方向相反的作用力，进而降低压电晶片的翘曲程度甚至不发生翘曲。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层的弹性模量大于所述压电晶片的弹性模量，使得所述应力吸收层可吸收部分所述压电晶片由于受热膨胀而产生的应力，从而保持所述压电晶片在受热条件下降低翘曲程度甚至不发生翘曲。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层的厚度可以为0.5～40μm，优选为1～30μm，从而为所述压电晶片提供充足的应力吸收作用。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层具有导电性，使得所述压电晶片可吸附于静电吸盘上。
进一步地，所述应力吸收层的电阻率不大于105Ω.cm，以使所述压电晶片在离子注入的过程中能够稳定地吸附于静电吸盘上。
在一种可实现的方式中，制备所述应力吸收层的材料包括但不限于多晶硅、和非晶硅、氧化锌、氧化铟锡(ITO)等。
在一种可实现的方式中，所述在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层可以为在所述压电晶片的非工艺面沉积应力吸收层。
在一种可实现的方式中，将所述压电晶片固定吸附于吸盘上可以采用真空吸盘吸附所述压电晶片，也可以采用静电吸盘吸附所述压电晶片。
第二方面，本申请还提供一种根据第一方面所述方法制备的注入片，所述注入片依次包括：应力吸收层1、余料层2、注入层3和分离层4，其中，所述余料层2、注入层3和分离层4基于同一片压电晶片形成，所述分离层4的TTV小于5nm。
在一种可实现的方式中，所述压电晶片可以为由现有技术中任意一种压电材料制得的晶片，例如铌酸锂晶片、钽酸锂晶片等。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层1的热膨胀系数小于所述压电晶片的热膨胀系数，从而为所述压电晶片提供与其膨胀方向相反的作用力，从而降低压电晶片的翘曲程度甚至不发生翘曲。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层1的弹性模量大于所述压电晶片的弹性模量，使得所述应力吸收层可吸收部分所述压电晶片由于受热膨胀而产生的应力，从而保持所述压电晶片在受热条件下降低翘曲程度甚至不发生翘曲。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层的厚度可以为5～40μm，优选为10～30μm，从而为所述压电晶片提供充足的应力吸收作用。
在一种可实现的方式中，所述应力吸收层具有导电性，使得所述压电晶片可吸附于静电吸盘上。
进一步地，所述应力吸收层的电阻率不大于105Ω·cm，以使所述压电晶片在离子注入的过程中能够稳定地吸附于静电吸盘上。
在一种可实现的方式中，制备所述应力吸收层的材料包括但不限于低阻硅、多晶硅、和非晶硅、氧化锌、ITO等。
第三方面，本申请还提供一种压电薄膜，所述压电薄膜由第二方面所述注入片制备而得。
在一种可实现的方式中，所述压电薄膜中分离层TTV小于5nm，经过化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺后的由分离层所形成薄膜层TTV小于20nm。
在一种可实现的方式中，制备所述压电薄膜的方法包括：
将所述分离层与衬底材料键合，形成键合体；
对所述键合体进行热处理；
剥离余料层。
第四方面，本申请还提供一种电子元器件，所述电子元器件包括第三方面所述压电薄膜，即，所述电子元器件中所用压电薄膜为第三方面所述压电薄膜，或者，所述电子元器件中涉及压电薄膜的构件由基于第三方面所述压电薄膜制造而得。
与现有技术相比，本申请提供的方法在进行离子注入前首先在待注入的压电晶片的非工艺面制备应力吸收层，使得所述压电晶片在离子注入过程中保持平坦状态，从而获得平坦度较高的注入层和分离层，进而降低分离层的TTV，进一步地，本申请所制备的应力吸收层具有一定的导电性，使得绝缘性的压电晶片可吸附于静电吸盘，便于与现有设备对接应用。
附图说明
图1示出本实例一种压电晶片离子注入方法的流程图；
图2示出本实施一种根据前述方法所制备注入片的剖面结构示意图。
附图标记说明
1-应力吸收层，2-余料层，3-注入层，4-分离层，5-压电晶片。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致方法的例子。
下面通过具体的实施例对本申请提供的压电晶片离子注入的方法、注入片和压电薄膜进行详细阐述。
为便于理解本申请的技术方案，首先简要介绍本申请的场景。压电薄膜可通过离子注入转移的方法制备，具体地，首先以压电晶片为基础进行离子注入获得注入片，所述注入片包括分离层、注入层和余料层，其中，分离层用于形成压电薄膜，注入层用于将余料层从分离层上剥离下来，在剥离前，分离层与衬底材料键合，剥离后分离层仍键合于衬底材料上，再对所述分离层进行CMP处理，最终获得薄膜层。在对分离层进行CMP处理后，薄膜层的TTV可能进一步增大，即，薄膜层的TTV＝TTV1+TTV2，其中，TTV1表示分离层的TTV，TTV2表示CMP处理引入的TTV，因此，减小薄膜层的TTV可减小分离层的TTV和/或减小CMP引入的TTV，本申请提供的方案为减小薄膜层的TTV。
图1示出本实例一种压电晶片离子注入方法的流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤S101至步骤S103：
步骤S101，在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层。
在本实例中，所述应力吸收层用于吸收在离子注入过程中压电晶片由于受热膨胀而产生的应力，从而降低压电晶片的翘曲程度，甚至避免翘曲发生。
在本实例中，应力吸收层的作用方式可以为，应力吸收层与压电晶片合为一体，如果所述压电晶片受热膨胀而产生导致其翘曲的弹力，则所述应力吸收层向压电晶片与其翘曲方向相反的作用力，压电晶片所产生的弹力与所述应力吸收层所提供的作用力，在应力吸收层-压电晶片结合体中是一对相互抵消的内力，从而使得所述压电晶片降低压电晶片的翘曲程度，甚至避免翘曲发生。
在本实例中，所述应力吸收层的热膨胀系数小于所述压电晶片的热膨胀系数，具体地，在一种方式中，所述压电晶片的热膨胀系数与应力吸收层的热膨胀系数均为正，但是，所述应力吸收层的热膨胀系数小于所述压电晶片的热膨胀系数，从而，在离子注入过程中，当压电晶片将所受的热传导给所述应力吸收层后，应力吸收层膨胀的速度小于所述压电晶片的膨胀速度，从而应力吸收层为所述压电晶片提供与其膨胀方向相反的作用力。
在另一种方式中，所述应力吸收层的热膨胀系数为负，而所述压电晶片的热膨胀系数为正，这使得在离子注入过程中，所述压电晶片将所受到的热传导给所述应力吸收层后，所述应力吸收层体积回缩，而压电晶片膨胀，从而应力吸收层为所述压电晶片提供与其膨胀方向相反的作用力。
在本实例中，所述应力吸收层的弹性模量大于所述压电晶片的弹性模量，使得在受到相同力的作用下，所述应力吸收层产生的形变量小于所述压电晶片产生的形变量，从而在所述压电晶片受热膨胀后，所述应力吸收层能够为所述压电晶片提供与其膨胀方向相反的作用力，来抑制所述压电单晶层膨胀，进而保持所述压电晶片在受热条件下降低翘曲程度甚至不发生翘曲。
在本实例中，所述应力吸收层的厚度可以为0.5～40μm，优选为1～30μm，一方面制备较为方便，另一方面，该厚度的应力吸收层能够为所述压电晶片提供充足的应力吸收作用。
在本实例中，所述应力吸收层具有导电性，进一步地，所述应力吸收层的电阻率不大于105Ω.cm，使得所述压电晶片离子注入的过程中能够稳定地吸附于静电吸盘上，便于固定操作。
在本实例中，制备所述应力吸收层的材料包括但不限于低阻硅、多晶硅、和非晶硅、氧化锌、ITO等。即，所述应力吸收层为包括但不限于低阻硅、多晶硅、和非晶硅、氧化锌、ITO等。
在本实例中，所述在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层可以通过沉积的方式制备于所述压电晶片的非工艺面上。
在本实例中，对沉积所述应力吸收层的方法不做特别限定，可以采用现有技术任意一种在压电晶片上沉积低阻硅、多晶硅或者非晶硅等前述应力吸收层的方式。
步骤S102，将所述压电晶片固定吸附于吸盘上，其中，所述吸盘与所述应力吸收层贴合。
在本实例中，所述吸盘可以为真空吸盘，也可以为静电吸盘，可以理解的是，所述真空吸盘既适用于具有非导电性的应力吸收层的压电晶片，也适用于具有导电性的应力吸收层的压电晶片；所述静电吸盘适用于具有导电性的应力吸收层的压电晶片。
本申请人发现，使用静电吸盘吸附压电晶片所获得压电晶体注入片平坦度更高；由于离子注入的环境通常为低压环境，压力一般小于10-2Pa，因此，使用真空吸盘吸附压电晶片所获得压电晶体注入片的平坦度小于采用静电吸盘吸附压电晶片所获得压电晶体注入片的平坦度。
所述压电晶片通过所述应力吸收层固定于所述吸盘上，使得其工艺面外露，以便进行离子注入操作。
步骤S103，由所述压电晶片的工艺面向所述压电晶片中进行离子注入。
在本实例中，对所述压电晶片进行离子注入的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种对压电晶片进行离子注入的方式，离子注入的具体参数可根据对压电薄膜的需求而具体设定。
本申请人发现，采用本申请提供的方法能够解决离子注入过程中压电晶片翘曲的问题，改善离子注入所得注入层以及分离层的厚度均匀性，在去除余料层后所得压电薄膜的TTV可以降低至2nm。
图2示出本实施一种根据前述方法所制备注入片的剖面结构示意图，所述注入片依次包括：应力吸收层1、余料层2、注入层3和分离层4。
在本实例中，所述余料层2、注入层3和分离层4基于同一片压电晶片5形成，所述压电晶片5可以为由现有技术中任意一种压电材料制得的晶片，例如铌酸锂晶片、钽酸锂晶片等。
在本实例中，所述注入层3为通过离子注入的方法注入的氢、氦等可形成气体的离子所形成，即，气体离子停留层，所述注入层3中的气体离子在加热后可形成气泡，所述气泡可将分离层4转移至衬底材料上，从而制备成纳米尺度的压电单晶薄膜。
在本实例中，所述分离层4的TTV小于5nm。
本实例还提供一种基于图2所示注入片制备的压电薄膜，所述压电薄膜的TTV小于5nm。在本实例中，所述压电薄膜在CMP工艺前的TTV小于5nm，在CMP后，其TTV小于25nm。
在本实例中，制备所述压电薄膜的方法可以为现有技术中任意一种基于注入片制备压电薄膜的方法，例如，制备方法可以包括：
将所述分离层与衬底材料键合，形成键合体；
对所述键合体进行热处理；
剥离余料层。
在本实例中，对各步骤的具体参数不做特别限定，可以根据具体情形而具体设定。
进一步地，本申请还提供一种电子元器件，所述电子元器件包括第三方面所述压电薄膜，即，所述电子元器件中所用压电薄膜为第三方面所述压电薄膜，或者，所述电子元器件中涉及压电薄膜的构件由基于第三方面所述压电薄膜制造而得。
实施例
实施例1
取4英寸铌酸锂晶圆进行清洗；
在所述铌酸锂晶圆的非工艺面上沉积非晶硅层，所述非晶硅层作为应力吸收层，所述非晶硅层的厚度为0.5μm；
将所得铌酸锂晶圆固定于静电吸盘上，并由所述铌酸锂晶圆的工艺面进行离子注入，所注入的离子为H离子，离子注入的剂量为2×1016ions/cm2，获得注入片；
将所述注入片的工艺面与衬底键合，获得键合体；
对所述键合体加热，使得所述键合体沿分离层分离，分离后所得分离层的TTV小于2nm；
对所获得压电薄膜进行抛光，使其表面粗糙度降低至小于2nm，压电薄膜层的TTV小于20nm。
实施例2
取6英寸钽酸锂晶圆进行清洗；
在所述钽酸锂晶圆的非工艺面上沉积多晶硅层，所述多晶硅层作为应力吸收层，所述多晶硅层的厚度为40μm；
将所得铌酸锂晶圆固定于真空吸盘上，并由所述钽酸锂晶圆的工艺面进行离子注入，所注入的离子为H离子，离子注入的剂量为2.5×1016ions/cm2，获得注入片；
将所述注入片的工艺面与衬底键合，获得键合体；
对所述键合体加热，使得所述键合体沿分离层分离，分离后分离层的TTV小于5nm；
对所获得压电薄膜进行抛光，使其表面粗糙度降低至小于2nm，压电薄膜层的TTV小于20nm。
实施例3
取8英寸钽酸锂晶圆进行清洗；
在所述钽酸锂晶圆的非工艺面上沉积低阻硅层，所述低阻硅层作为应力吸收层，所述低阻硅层的厚度为30μm；
将所得铌酸锂晶圆固定于静电吸盘上，并由所述钽酸锂晶圆的工艺面进行离子注入，所注入的离子为He离子，离子注入的剂量为2.5×1016ions/cm2，获得注入片；
将所述注入片的工艺面与衬底键合，获得键合体；
对所述键合体加热，使得所述键合体沿分离层分离，分离后分离层的的TTV小于3nm；
对所获得压电薄膜进行抛光，使其表面粗糙度降低至小于2nm，压电薄膜层的TTV小于18nm。
对比例
对比例1
本对比例与实施例1的方法相似，区别仅在于不在铌酸锂晶片的非工艺面沉积非晶硅层。
本对比例所得分离层的TTV为30nm，CMP处理后压电薄膜层的TTV约为45nm。
对比例2
本对比例与实施例2的方法相似，区别仅在于不在钽酸锂晶片的非工艺面沉积多晶硅层。
本对比例所得分离层的TTV为40nm，CMP处理后压电薄膜层的TTV约为60nm。
对比例3
本对比例与实施例3的方法相似，区别仅在于不在钽酸锂晶片的非工艺面沉积低阻硅层。
本对比例所得分离层压电薄膜的TTV为35nm，CMP处理后压电薄膜层的TTV约为50nm。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种压电晶片离子注入的方法，其特征在于，所述方法包括：
在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层；
将所述压电晶片固定吸附于吸盘上，其中，所述吸盘与所述应力吸收层贴合；
由所述压电晶片的工艺面向所述压电晶片中进行离子注入。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应力吸收层的热膨胀系数小于所述压电晶片的热膨胀系数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述应力吸收层的弹性模量大于所述压电晶片的弹性模量。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述应力吸收层的厚度可以为0.5～40μm，优选为1～30μm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述应力吸收层具有导电性，所述应力吸收层的电阻率不大于105Ω·cm，和/或所述吸盘为静电吸盘。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，制备所述应力吸收层的材料包括但不限于多晶硅、非晶硅、氧化锌、氧化铟锡。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述在压电晶片的非工艺面制备应力吸收层为在所述压电晶片的非工艺面沉积应力吸收层。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述方法制备的注入片，所述注入片依次包括：应力吸收层(1)、余料层(2)、注入层(3)和分离层(4)，其中，所述余料层(2)、注入层(3)和分离层(4)基于同一片压电晶片形成，所述分离层(4)的TTV小于2nm。
9.一种压电薄膜，其特征在于，所述压电薄膜由权利要求9所述注入片制备而得。
10.一种电子元器件，其特征在于，包括权利要求9所述的压电薄膜。
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