CN111799366B - 一种异质衬底薄膜的制备方法 - Google Patents

一种异质衬底薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请实施例所公开的一种异质衬底薄膜的制备方法，包括获取第一衬底和第二衬底，对第一衬底进行第一离子注入，在第一预设深度处形成第一损伤层，将第一衬底和第二衬底键合，基于第一预设温度对键合后的结构进行退火处理，沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底，对第二异质衬底进行第二离子注入，在第二预设深度处形成第二损伤层，第二离子注入比第一离子注入的注入剂量小，注入能量低，第二预设深度小于第一预设深度，基于第二预设温度对二次注入后的结构进行退火处理，得到第三异质衬底，第二预设温度高于第一预设温度，对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。基于本申请实施例，可以减薄损伤层，提高异质薄膜的表面均匀性。

Description

一种异质衬底薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种异质衬底薄膜的制备方法。
背景技术
由于钽酸锂晶体和铌酸锂晶体具有压电、铁电、声学、热释电、非线性光学、光电等性能，硅基钽酸锂薄膜和硅基铌酸锂薄膜可以为射频滤波器、热释电探测器、声表面滤波器等器件提供材料支撑。目前，主要利用离子束剥离技术来实现硅衬底与钽酸锂、铌酸锂等压电衬底的异质集成，现有的制备方法中，通常是将离子注入到钽酸锂或者铌酸锂等压电衬底中，得到具有损伤层的压电衬底，再将其与硅衬底进行键合，继而通过退火剥离的方法得到硅基钽酸锂薄膜或者硅基铌酸锂薄膜，进而应用于相应的滤波器件或者探测器件的制备。
通过该方法得到的硅基钽酸锂薄膜或者硅基铌酸锂薄膜，需要利用化学机械抛光去除由于离子注入而生成的薄膜表面损伤层，厚度较厚的表面损伤层不仅会增加机械抛光时间，而且还会降低抛光后的薄膜的表面均匀性，进而将会影响相应的滤波器件或者探测器件的性能。
发明内容
本申请实施例提供一种异质衬底薄膜的制备方法，可以减薄损伤层，进而减少抛光所需的抛光去除量，可以减少抛光时间，提高异质薄膜的表面均匀性。
本申请实施例提供一种异质衬底薄膜的制备方法，该方法包括：
获取第一衬底和第二衬底；第一衬底具有注入面，第二衬底具有键合面；
从注入面对第一衬底进行第一离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层；
对第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合，得到第一异质衬底；
基于第一预设温度对第一异质衬底进行退火处理，且沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底；第二异质衬底远离第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜；
从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，使得在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层；第二离子注入比第一离子注入的注入剂量小，且注入能量低，第二预设深度的深度值小于第一预设深度的深度值；
基于第二预设温度对第二异质衬底进行退火处理，且沿第二损伤层对第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底；第二预设温度高于第一预设温度；
对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。
进一步地，
第一离子注入中注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～5×1017cm-2；
第二离子注入中注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～2×1017cm-2。
进一步地，第一离子注入中注入能量的设定区间为10KeV～200KeV；
第二离子注入中注入能量的设定区间为10KeV～80KeV。
进一步地，第一预设温度的设定区间为100℃～600℃；
第二预设温度的设定区间为300℃～600℃；
进一步地，第一衬底包括但不限于钽酸锂压电衬底和铌酸锂压电衬底；
第二衬底自上而下包括二氧化硅层和硅基底层；二氧化硅层的上表面为键合面。
进一步地，从注入面对第一衬底进行第一离子注入，包括以下任意一项：
从注入面对第一衬底进行氢离子注入；或者；
从注入面向第一衬底进行氦离子注入；或者；
从注入面向第一衬底进行氢、氦离子共注。
进一步地，从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，包括以下任意一项：
从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行氢离子注入；或者；
从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行氦离子注入；或者；
从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行氢、氦离子共注注入。
进一步地，对第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合的键合方式包括但不限于直接键合、金属键合、聚合物键合和阳极键合。
进一步地，基于第二预设温度对第二异质衬底进行退火处理，且沿第二损伤层对第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底，包括：
基于第二预设温度对第二异质衬底进行高温退火处理，使得第二异质衬底中离子浓度高的上部区域形成碎屑；
利用氮气枪或者洗耳球对碎屑进行吹净，得到第三异质衬底。
进一步地，对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜，包括：
对第三异构衬底进行化学机械抛光，得到异构衬底薄膜；异构衬底薄膜中含有第一衬底的部分区域和第二衬底的全部区域，异构衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度小于初始异质衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例所公开的一种异质衬底薄膜的制备方法，该方法包括获取第一衬底和第二衬底，其中，第一衬底具有注入面，第二衬底具有键合面，从注入面对第一衬底进行第一离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层，并对第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合，得到第一异质衬底，基于第一预设温度对第一异质衬底进行退火处理，且沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底，其中，第二异质衬底远离第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜，从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，使得在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层，其中，第二离子注入比第一离子注入的注入剂量小，且注入能量低，第二预设深度的深度值小于第一预设深度的深度值，基于第二预设温度对第二异质衬底进行退火处理，且沿第二损伤层对第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底，其中，第二预设温度高于第一预设温度，并对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。基于本申请实施例，通过对异质衬底的二次离子注入，可以减薄损伤层，进而减少抛光所需的抛光去除量，可以减少抛光时间，提高异质薄膜的表面均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它附图。
图1是本申请实施例所提供的一种异质衬底薄膜的制备方法的流程示意图；
图2是本申请实施例所提供的一种异质衬底薄膜的制备方法的工艺流程图；
图3是本申请实施例所提供的一种SRIM仿真图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置/系统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申请的限制。术语“第一”、“第二”和“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤的方法、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些方法、产品或设备固有的其它步骤。
下面介绍本申请一种异质衬底薄膜的制备方法的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种异质衬底薄膜的制备方法的流程示意图，图2是本申请实施例所提供的一种异质衬底薄膜的制备方法的工艺流程图，本说明书提供了如实施例或流程图所示的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行。具体的如图1和图2所示，该方法包括：
S101：获取第一衬底和第二衬底；第一衬底具有注入面，第二衬底具有键合面。
本申请实施例中，上文中所描述的第一衬底可以是钽酸锂压电衬底，也可以是铌酸锂压电衬底，第一衬底具有上表面和下表面，该上表面和下表面均可以作为注入面，这里，选择其上表面作为注入面。如图2中a示例了第一衬底的结构示意图。
本申请实施例中，上文中所描述的第二衬底可以自上而下包括二氧化硅层和硅基底层，二氧化硅层的上表面即为键合面。
S103：从注入面对第一衬底进行第一离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层。
本申请实施例中，从注入面对第一衬底进行第一离子注入，其中，第一离子注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～5×1017cm-2，注入能量的设定区间为10KeV～200KeV，离子注入的剂量、能量足以使得注入离子达到第一预设深度处，并在第一预设深度处形成第一损伤层。如图2中a内箭头示意了从注入面对第一衬底进行第一离子注入的操作示意图，a内的虚线示例了在第一衬底的第一预设深度处形成的第一损伤层的位置示意图。
本申请实施例中，自第一衬底的注入面对第一衬底进行第一离子注入，注入的离子包括H离子、He离子及H、He离子共注。一种可选的对第一衬底进行第一离子注入的实施方式中，从第一衬底的注入面对第一衬底进行H离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层。
另一种可选的对第一衬底进行第一离子注入的实施方式中，从第一衬底的注入面对第一衬底进行He离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层。
另一种可选的对第一衬底进行第一离子注入的实施方式中，从第一衬底的注入面对第一衬底进行H、He离子共注注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层，其中，具体对第一衬底进行H、He离子共注注入的顺序可以是先注入He离子，再注入H离子。
S105：对第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合，得到第一异质衬底。
本申请实施例中，对第一衬底进行第一离子注入后，需要将注入后的第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合，其中，键合方式可以是直接键合，也可以是金属键合，也可以是聚合物键合，还可以是阳极键合。如图2中b示例了将注入面与键合面进行键合的操作示意图。
S107：基于第一预设温度对第一异质衬底进行退火处理，且沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底；第二异质衬底远离第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜。
本申请实施例中，在得到第一异质衬底之后，基于第一预设温度对第一异质衬底进行退火剥离处理，其中，第一预设温度的设定区间为100℃～600℃，基于退火后的第一异质衬底，沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，使得第一衬底的一部分转移至第二衬底上，得到第二异质衬底，该第二异质衬底包括第二衬底的全部区域和转移至第二衬底上的部分第一异质衬底区域。如此，可以得到第二异质衬底远离第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜，该初始异质衬底薄膜可以是硅基钽酸锂薄膜，也可以是硅基铌酸锂薄膜，薄膜的具体类型是由获取的第一衬底决定的。如图2中c示例了第二异质衬底的结构示意图。
S109：从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，使得在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层；第二离子注入比第一离子注入的注入剂量小，且注入能量低，第二预设深度的深度值小于第一预设深度的深度值。
本申请实施例中，对退火剥离后得到的第二异质衬底进行二次离子注入，即从初始异质薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，使得在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层，其中，第二离子注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～2×1017cm-2，注入能量的设定区间为10KeV～80KeV。需要进行说明的是，从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入比从注入面对第一衬底进行第一离子注入的注入计量小，且注入能量低，如此，可以使得第二预设深度的深度值小于第一预设深度的深度值，也就是说可以使得第二次离子注入所形成的损伤层的位置高于第一离子注入所形成的损伤层的位置。如图2中d内示例了从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入的操作示意图，d内的虚线示例了在第二异质衬底的第二预设深度处形成的第二损伤层的位置示意图。
本申请实施例中，对退火剥离后得到的第二异质衬底进行二次离子注入的离子也为轻离子，即上文中所描述的H离子、He离子或者H、He离子共注，需要进行说明的是，从初始异质薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入和从注入面对第一衬底进行第一离子注入所注入的离子可以是一样的，也可以是不一样的。
一种可选的对第二衬底进行第二离子注入的实施方式中，从第二衬底的注入面对第一衬底进行H离子注入，在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层。
另一种可选的对第二衬底进行第二离子注入的实施方式中，从第二衬底的注入面对第一衬底进行He离子注入，在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层。
另一种可选的对第二衬底进行第二离子注入的实施方式中，从第二衬底的注入面对第一衬底进行H、He离子共注注入，在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层。其中，具体对第一衬底进行H、He离子共注注入的顺序可以是先注入He离子，再注入H离子。
S111：基于第二预设温度对第二异质衬底进行退火处理，且沿第二损伤层对第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底；第二预设温度高于第一预设温度。
本申请实施例中，在得到第二离子注入的第二异质衬底之后，基于第二预设温度对第二离子注入的第二异质衬底进行高温退火剥离处理，第二预设温度是在设定区间300℃～600℃内且高于第一预设温度的任意温度值，这样，第二异质衬底中离子浓度较高的上部区域，即远离第二衬底的上表面将形成碎屑，利用氮气枪或者洗耳球对碎屑进行吹净，即利用氮气枪或者洗耳球吹去碎屑，第二异质衬底中离子浓度较低的下部区域通过高温退火将恢复晶格质量，如此，可以得到第三异质衬底，该第三异质衬底包括第二衬底的全部区域和吹净后留在第二衬底上的部分第二异质衬底区域。
S113：对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。
本申请实施例中，对得到的第三异质衬底进行化学机械抛光，可以得到含有第一衬底部分区域和第二衬底全部区域的异构衬底薄膜，该异构衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度小于上文中所描述的初始异构衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度。
采用本申请实施例所提供的异质衬底薄膜的制备方法，通过对异质衬底的二次离子注入，可以减薄损伤层，进而减少抛光所需的抛光去除量，可以减少抛光时间，提高异质薄膜的表面均匀性。
下面基于上文中所描述的异质衬底薄膜的制备方法，假设从注入面对第一衬底进行He离子注入，注入剂量的设定剂量为2×1016cm-2，注入能量为115KeV，从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行He离子注入，注入剂量的设定剂量为1×1016cm-2，注入能量为50KeV。通过SRIM仿真可以得到如图3所示的SRIM仿真图，图中，实线表示第一离子注入在第一衬底内产生的辐照损伤dpa分布，实线框内表示在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层的厚度，也表示沿第一损伤层对第一衬底进行剥离后转移至第二衬底上的初始异质衬底薄膜的厚度，虚线表示第二离子注入在第一衬底内产生的dpa分布，虚线框内表示第二离子注入后在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层的厚度。根据图3所提供的仿真图不难得到，第一次离子注入后得到的初始异质衬底薄膜的厚度约为480nm，通过第二次离子注入后得到的第三异质衬底上薄膜的厚度约为220nm，如此可以减薄损伤层，便于后续的抛光处理，可以减少抛光时间，提高异质薄膜的均匀性。
由上述本申请提供的异质衬底薄膜的制备方法的实施例可见，本申请中方法包括获取第一衬底和第二衬底，其中，第一衬底具有注入面，第二衬底具有键合面，从注入面对第一衬底进行第一离子注入，使得在第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层，并对第一衬底的注入面和第二衬底的键合面进行键合，得到第一异质衬底，基于第一预设温度对第一异质衬底进行退火处理，且沿第一损伤层对第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底，其中，第二异质衬底远离第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜，从初始异质衬底薄膜对第二异质衬底进行第二离子注入，使得在第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层，其中，第二离子注入比第一离子注入的注入剂量小，且注入能量低，第二预设深度的深度值小于第一预设深度的深度值，基于第二预设温度对第二异质衬底进行退火处理，且沿第二损伤层对第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底，其中，第二预设温度高于第一预设温度，并对第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。基于本申请实施例，通过对异质衬底的二次离子注入，可以减薄损伤层，进而减少抛光所需的抛光去除量，可以减少抛光时间，提高异质薄膜的表面均匀性。
需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种异质衬底薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
获取第一衬底和第二衬底；所述第一衬底具有注入面，所述第二衬底具有键合面；
从所述注入面对所述第一衬底进行第一离子注入，使得在所述第一衬底的第一预设深度处形成第一损伤层；
对所述第一衬底的注入面和所述第二衬底的键合面进行键合，得到第一异质衬底；
基于第一预设温度对所述第一异质衬底进行退火处理，且沿所述第一损伤层对所述第一衬底进行剥离，得到第二异质衬底；所述第二异质衬底远离所述第二衬底的表面为初始异质衬底薄膜；
从所述初始异质衬底薄膜对所述第二异质衬底进行第二离子注入，使得在所述第二异质衬底的第二预设深度处形成第二损伤层；所述第二离子注入比所述第一离子注入的注入剂量小，且注入能量低，所述第二预设深度的深度值小于所述第一预设深度的深度值；
基于第二预设温度对所述第二异质衬底进行退火剥离处理，所述第二预设温度高于所述第一预设温度的任意温度值，使得所述第二异质衬底中离子浓度高的上部区域形成碎屑，且沿所述第二损伤层对所述第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底；
对所述第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一离子注入中注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～5×1017cm-2；
所述第二离子注入中注入剂量的设定区间为1×1016cm-2～2×1017cm-2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一离子注入中注入能量的设定区间为10KeV～200KeV；
所述第二离子注入中注入能量的设定区间为10KeV～80KeV。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一预设温度的设定区间为100℃～600℃；
所述第二预设温度的设定区间为300℃～600℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一衬底包括但不限于钽酸锂压电衬底和铌酸锂压电衬底；
所述第二衬底自上而下包括二氧化硅层和硅基底层；所述二氧化硅层的上表面为所述键合面。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述从所述注入面对所述第一衬底进行第一离子注入，包括以下任意一项：
从所述注入面对所述第一衬底进行氢离子注入；或者；
从所述注入面向所述第一衬底进行氦离子注入；或者；
从所述注入面向所述第一衬底进行氢、氦离子共注。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述从所述初始异质衬底薄膜对所述第二异质衬底进行第二离子注入，包括以下任意一项：
从所述初始异质衬底薄膜对所述第二异质衬底进行氢离子注入；或者；
从所述初始异质衬底薄膜对所述第二异质衬底进行氦离子注入；或者；
从所述初始异质衬底薄膜对所述第二异质衬底进行氢、氦离子共注注入。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述第一衬底的注入面和所述第二衬底的键合面进行键合的键合方式包括但不限于直接键合、金属键合、聚合物键合和阳极键合。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基于第二预设温度对所述第二异质衬底进行退火处理，且沿所述第二损伤层对所述第二异质衬底进行吹净，得到第三异质衬底，包括：
基于所述第二预设温度对所述第二异质衬底进行高温退火处理，使得所述第二异质衬底中离子浓度高的上部区域形成碎屑；
利用氮气枪或者洗耳球对所述碎屑进行吹净，得到第三异质衬底。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述第三异质衬底进行抛光，得到异质衬底薄膜，包括：
对所述第三异质 衬底进行化学机械抛光，得到所述异质衬底薄膜；所述异质 衬底薄膜中含有所述第一衬底的部分区域和所述第二衬底的全部区域，所述异质衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度小于所述初始异质衬底薄膜所含有的第一衬底的厚度。
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