CN111864054B - 一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法，包括：获取待优化的异质集成压电单晶薄膜衬底，所述压电单晶薄膜衬底包括支撑层和压电单晶薄膜层；对所述压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物，所述第一产物的压电单晶薄膜层表面形成有腐蚀层；对所述第一产物进行抛光处理得到第二产物。经过腐蚀处理的压电单晶薄膜表面会形成一定厚度的均匀腐蚀层，然后通过低背压的化学机械抛光即可将腐蚀层除去，实现压电单晶薄膜表面的优化。本申请实施例所述的表面优化方法可以提高异质集成压电单晶薄膜衬底的表面平整度和薄膜近表面区域的晶格质量，同时，又能保证压电单晶薄膜厚度的均匀性。

Description

一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法。
背景技术
钽酸锂(LiTaO3)具有非常优异的压电、热释电性质，被广泛的用于射频前端滤波器、热释电探测器的制造。钽酸锂属于三方晶系，3m点群，R3c空间群，由于晶格结构的各向异性，所以在应用上也体现出随切型不同，具有不同的应用领域，比如在射频前端器件领域，主要有38度Y-X、42度Y-X、50度Y-X等切型的钽酸锂单晶晶片，热释电领域则主要是Z切的钽酸锂。随着第五代移动通信和物联网的普及，射频前端滤波器正朝着更高的工作频率，更大的带宽，更加小的体积发展。这拓展了移动通讯的频谱分布，也对更高性能的滤波器提出非常明确的需求。将钽酸锂和硅基衬底集成制备硅基钽酸锂压电单晶薄膜衬底(POI)将为高Q值(质量因数)，低TCF(频率温度系数)的SAW(声表面波)滤波器的制造提供新的材料平台；此外，基于特殊基底的钽酸锂单晶薄膜也有望实现激发和利用具有更高声速的表面声波模式，这对于提高滤波器的工作频率，满足5G对频谱的扩展需求具有重要意义。此外铌酸锂(LiNbO3)单晶薄膜也因其优异的压电性质，较高的机电耦合系数和较高的声速而被广泛的研究用于高频段的声波滤波器件；不仅如此，硅基铌酸锂单晶薄膜亦是高性能光电调制器的未来之路，该领域的研究方兴未艾，佳作频出。
为了实现钽酸锂、铌酸锂单晶薄膜同硅基衬底和其他特殊衬底的异质集成，传统的外延生长方法由于晶格匹配等问题正被离子注入剥离和晶圆键合转移的方法取代。但是通过离子注入剥离和晶圆键合转移得到的钽酸锂、铌酸锂压电单晶薄膜表面却有一层因离子注入剥离而导致的损伤层。这导致剥离的压电单晶薄膜的表面粗糙度较高，通常Ra在10nm左右；如此高的表面粗糙度，不利于声波滤波器压电层表面叉指电极的生长和电声能量转化的效率的提高，也使声表面波在传播过程中发生反射，直接导致器件损耗提高并影响滤波器通带波纹特性。而在压电单晶薄膜表面以下一定范围内，由于离子注入导致的晶格损伤也较为严重，一般的后退火处理也难以将这些缺陷恢复到较高水平，这对于利用表面波传播的声学滤波器而言是不利的，会导致声波传播损耗的增加。为此必须将这一离子注入损伤层去除，提高压电薄膜的表面平整度和近表面区域的晶格质量。
通常对于体材料，我们采用化学机械抛光的方法来实现这一目标。但是对于晶圆级的异质集成的钽酸锂、铌酸锂压电单晶薄膜衬底，必须要在提高压电薄膜的表面平整度和近表面区域的晶格质量的同时又保证薄膜厚度的均匀性。然而，单纯采用化学机械抛光的方法又无可避免的会大幅度恶化衬底的薄膜厚度均匀性这一指标，因为化学机械抛光的机械压力和机械旋转线速度在衬底上分布不均匀，时间较长的化学机械抛光工艺过程导致压电薄膜表面不同区域的抛光去除量不一致，恶化了薄膜面型，抛光时间越长，恶化程度也越高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有对异质集成压电单晶薄膜衬底的抛光方法会影响单晶薄膜厚度均匀性的问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法，包括：
获取待优化的异质集成压电单晶薄膜衬底，所述压电单晶薄膜衬底包括支撑层和压电单晶薄膜层；
对所述压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物，所述第一产物的压电单晶薄膜层表面形成有腐蚀层；
对所述第一产物进行抛光处理得到第二产物。
进一步的，所述压电单晶薄膜层为钽酸锂压电单晶薄膜或铌酸锂压电单晶薄膜。
进一步的，所述支撑层为硅衬底、氧化硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种。
进一步的，所述钽酸锂压电单晶薄膜层的切型为30-50度Y-X切型。
进一步的，所述压电单晶薄膜层的厚度为400nm-1000nm。
进一步的，所述对所述压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物，包括：
将所述压电单晶薄膜衬底静置于腐蚀溶液中，在预设温度下腐蚀预设时长得到第一产物。
进一步的，所述腐蚀溶液为柠檬酸水溶液。
进一步的，所述柠檬酸水溶液的质量分数为30％-60％；和/或，
所述腐蚀层的厚度为10nm-100nm。
进一步的，所述对所述第一产物进行抛光处理得到第二产物，包括：
采用预设浓度的抛光液和预设抛光压力对所述第一产物进行化学机械抛光。
进一步的，所述预设浓度的抛光液的固体干重占溶液总质量的百分比为15％-30％；和/或，
所述预设抛光压力为100g/cm2-120g/cm2。
采用上述技术方案，本申请实施例所述的异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法具有如下有益效果：
本申请实施例所述的异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法，对异质集成压电单晶薄膜衬底的表面先进行腐蚀处理，再用化学机械抛光处理。经过腐蚀处理的压电单晶薄膜表面会形成一定厚度的均匀腐蚀层，然后通过低背压的化学机械抛光即可将腐蚀层除去，实现压电单晶薄膜表面的优化。抛光去除量由腐蚀层厚度决定，因此不会恶化薄膜厚度均匀性。本申请实施例所述的表面优化方法可以提高异质集成压电单晶薄膜衬底的表面平整度和薄膜近表面区域的晶格质量，同时，又能保证压电单晶薄膜厚度的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法流程图；
图2为本申请一个实施例的异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化结构流程图；
以下对附图作补充说明：
201-支撑层；202-压电单晶薄膜层；203-腐蚀层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，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“一个实施例”或“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。此外，术语“第一”、“第二”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”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”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的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
射频前端技术的发展也对晶片材料提出了更高的要求，获得良好的表面平整度和近表面区域的晶格质量的压电薄膜，对射频前端声波滤波器的性能有更好的帮助。异质集成压电单晶薄膜衬底的加工过程一般包括离子注入、键合、退火、抛光、清洗等加工工序，其中抛光过程的作用在于进一步提高压电单晶薄膜的表面平整度和晶格质量，以满足器件的要求。现有技术，因为化学机械抛光速率的不均匀性，导致压电单晶薄膜不同区域的抛光去除量不一致，恶化了薄膜面型，使获得的压电单晶薄膜均匀性较差，影响异质集成压电单晶薄膜衬底的使用性能。
如图1和图2所示，本申请实施例公开了一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法，包括：
S101：获取待优化的异质集成压电单晶薄膜衬底。
本申请实施例中，如图2所示，异质集成压电单晶薄膜衬底包括支撑层201和压电单晶薄膜层202，支撑层201用于支撑压电单晶薄膜层202，可选的，支撑层201为硅衬底、氧化硅衬底、碳化硅衬底等中的任意一种。压电单晶薄膜层202设置在支撑层201上，压电单晶薄膜层202为钽酸锂压电单晶薄膜或铌酸锂压电单晶薄膜。由于钽酸锂或铌酸锂晶体的晶格结构均具有各向异性，故不同方法、角度、精度切割的晶片，其频率温度特性、使用频率范围、声波传播损耗以及等效电路的各项参数也有所不同。可选的，钽酸锂压电单晶薄膜的切型为30-50度Y-X切型。压电单晶薄膜层202的厚度可根据最终所需薄膜厚度和抛光去除厚度来选择，可选的，压电单晶薄膜层202的厚度为400nm-1000nm。
S103：对压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物。
本申请实施例中，如图2所示，在对异质集成压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理之前，对异质集成压电单晶薄膜衬底进行清洗、干燥，除去衬底表面的灰尘污物，以免影响腐蚀效果。腐蚀处理可以采用腐蚀溶液或腐蚀气体对压电单晶薄膜衬底进行腐蚀，腐蚀溶液或腐蚀气体能够腐蚀压电单晶薄膜层202，且对支撑层201无腐蚀作用，压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理后在压电单晶薄膜层202上形成一定厚度的、均匀的腐蚀层203，该腐蚀层203相较于压电单晶薄膜层202上未被腐蚀区域是疏松多孔的，其晶格结构由于化学腐蚀作用而被严重破坏，从而可以采用低浓度抛光液、低背压的化学机械抛光除去腐蚀层203，提高压电薄膜的表面平整度和近表面区域的晶格质量。最终除去腐蚀层203的厚度为10nm-100nm，不同压电单晶薄膜层202的材质的表面初始状态不同，其表面优化目标不尽相同，因此腐蚀层203的厚度根据压电单晶薄膜层202的材质种类确定，腐蚀层203厚度控制可通过控制腐蚀条件，如腐蚀剂的种类、浓度、腐蚀温度、腐蚀时长等。在一些实施例中，采用腐蚀溶液对压电单晶薄膜层202进行腐蚀，可选的，腐蚀溶液为柠檬酸水溶液、氢氧化钾溶液等。在一个可选的实施方式中，将异质集成压电单晶薄膜衬底静置于柠檬酸水溶液中，在保持恒温50℃下对压电单晶薄膜衬底腐蚀48h-120h，得到具有腐蚀层203的第一产物。柠檬酸水溶液的浓度可根据压电单晶薄膜材质的不同采用不同浓度，例如，若压电单晶薄膜为钽酸锂压电单晶薄膜时，可采用质量分数为30％-60％的柠檬酸水溶液，腐蚀处理后形成的腐蚀层203厚度为15nm-20nm；若压电单晶薄膜为铌酸锂压电单晶薄膜时，可采用质量分数为35％-45％柠檬酸水溶液，腐蚀处理后形成的腐蚀层203厚度为20nm-25nm。
S105：对第一产物进行抛光处理得到第二产物。
现有技术中，一般采用高浓度、高背压的化学机械抛光对压电单晶薄膜衬底进行抛光，采用的抛光液的固体干重占总溶液质量的百分比为40％以上，压电单晶薄膜衬底被抛光时所受背压为180g/cm2以上，高浓度、高背压化学机械抛光的机械压力和机械旋转线速度在衬底上分布不均匀，导致抛光速率分布不均，使压电薄膜表面不同区域的抛光去除量不一致，恶化了薄膜面型，且抛光时间越长，恶化程度也越高。本申请实施例中，如图2所示，压电单晶薄膜衬底经过腐蚀处理后在压电单晶薄膜层202上形成一定厚度的均匀腐蚀层203，通过抛光处理除去腐蚀层203。由于腐蚀层203相较于薄膜未被腐蚀区域是疏松多孔的，且晶格结构由于化学腐蚀作用而被严重破坏，因此对于腐蚀后的化学机械抛光处理过程，可以采用低浓度的抛光液，通过低背压的化学机械抛光将整个腐蚀层203均匀的除去。并且由于抛光液的浓度低、抛光背压不高，当腐蚀层203被除去后，抛光进行至压电单晶薄膜层202中单晶质量优良的未被腐蚀的薄膜层处，抛光将受制于抛光速率的不足而自动截止，因此不会对压电单晶薄膜层202的厚度均匀性造成破坏。本申请实施例中，抛光液的固体干重占总溶液质量的百分比为15％-30％，其中固体成份为氧化硅、氧化铝、金刚石等，压电单晶薄膜衬底被抛光时所受背压为100g/cm2-120g/cm2，抛光时长为0.5min-5min。具体的，抛光时长可根据腐蚀层203的厚度以及抛光压力等因素灵活调整。在一些实施例中，为保证压电单晶薄膜衬底的表面质量，还可以通过多次腐蚀，多次抛光的方式对压电单晶薄膜衬底进行表面优化。具体的，用去离子水清洗抛光处理后得到的第二产物，然后对第二产物进行腐蚀处理、抛光处理，如此循环若干次，得到表面优化后的异质集成压电单晶薄膜衬底。
本申请实施例中，如图2所示，对异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化没有直接用化学机械抛光处理，而是先用50℃的柠檬酸恒温水溶液腐蚀，然后再用化学机械抛光处理。柠檬酸水溶液对钽酸锂和铌酸锂具有腐蚀性，经过其腐蚀的钽酸锂或铌酸锂压电单晶薄膜的表面会形成一定厚度的、均匀的腐蚀层203，厚度10nm-30nm左右，该腐蚀层203相较于压电单晶薄膜未被腐蚀区域是疏松多孔的，晶格结构由于化学腐蚀作用而被严重破坏，因此对于腐蚀后的压电单晶薄膜衬底的化学机械抛光处理，即使在抛光液固含量较低，被抛光衬底的背压设置较小，抛光处理时间设置较短的情况下，也能将整个腐蚀层203均匀的抛除，并且在压电单晶薄膜层202中单晶质量优良的未被腐蚀的深度处，抛光将受制于抛光速率的不足而自动截止，至此，腐蚀层203被完全去除，压电单晶薄膜衬底的薄膜厚度均匀性也并不恶化。如果将柠檬酸水溶液腐蚀和低背压化学机械抛光这一工艺组合重复进行，则能在不断提高异质集成压电单晶薄膜衬底的表面平整度和薄膜近表面区域的晶格质量的同时又保证其薄膜厚度的均匀性符合器件生产流片的要求。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种异质集成压电单晶薄膜衬底的表面优化方法，其特征在于，包括：
获取待优化的异质集成压电单晶薄膜衬底，所述压电单晶薄膜衬底包括支撑层(201)和压电单晶薄膜层(202)；所述支撑层(201)为硅衬底、氧化硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种；压电单晶薄膜层(202)为钽酸锂压电单晶薄膜或铌酸锂压电单晶薄膜；
对所述压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物，所述第一产物的压电单晶薄膜层(202)表面形成有腐蚀层(203)；所述腐蚀层(203)疏松多孔；
对所述第一产物进行抛光处理得到第二产物；
所述对所述压电单晶薄膜衬底进行腐蚀处理得到第一产物，包括：
将所述压电单晶薄膜衬底静置于腐蚀溶液中，在预设温度下腐蚀预设时长得到第一产物；
所述对所述第一产物进行抛光处理得到第二产物，包括：
采用预设浓度的抛光液和预设抛光压力对所述第一产物的腐蚀层(203)进行化学机械抛光，去除所述腐蚀层(203)，得到第二产物；
所述预设浓度的抛光液的固体干重占溶液总质量的百分比为15％-30％；所述预设抛光压力为100g/cm2-120g/cm2。
2.根据权利要求1所述的表面优化方法，其特征在于，所述钽酸锂压电单晶薄膜的切型为30-50度Y-X切。
3.根据权利要求1或2所述的表面优化方法，其特征在于，所述压电单晶薄膜层(202)的厚度为400nm-1000nm。
4.根据权利要求1所述的表面优化方法，其特征在于，所述腐蚀溶液为柠檬酸水溶液。
5.根据权利要求4所述的表面优化方法，其特征在于，所述柠檬酸水溶液的质量分数为30％-60％；和/或，
所述腐蚀层(203)的厚度为10nm-100nm。
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