CN111884616B - 一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用 - Google Patents

一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用。方法包括：提供衬底基板和压电材料基板，衬底基板和/或压电材料基板的近表面层中具有通过离子注入形成的第一缺陷层；键合衬底基板和压电材料基板，得到包括衬底基板层和压电材料基板层的键合结构；其中，衬底基板和/或压电材料基板的、靠近第一缺陷层的表面为键合面；加工键合结构，使键合结构中的压电材料基板层形成具有预设厚度的压电材料薄膜层，以及使第一缺陷层形成多孔层，得到具有多孔层的衬底基板/压电材料薄膜结构。本公开能够减少键合面处的体声波反射，提高利用上述薄膜结构制备的声表面波器件的性能。

Description

一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及薄膜材料技术领域，特别涉及一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用。
背景技术
声表面波器件是利用声-电换能器的特征对压电材料基片表面上传播的声信号进行各种处理，并完成各种功能的固体器件，可用作滤波器、延迟线、振荡器等。由于压电材料具有较大的热膨胀系数，使所制备的声表面波器件频率的温度稳定性差，因此通常将压电材料薄膜层键合于热膨胀系数小的衬底材料上，以改善声表面器件的温度特性。然而在制备声表面波器件时，通常用叉指电极释放电信号来激发声表面波，同时也会激发材料厚度方向的体声波，体声波从压电材料薄膜层与衬底的界面处反射回压电材料薄膜层表面，进而产生对声表面波的干扰，降低声表面波器件信号传递的准确性。
综上，需要提供一种能够减少体声波反射的衬底基板上压电材料薄膜层结构，以克服上述技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本公开提供一种衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法和应用，具体技术方案如下：
一方面，本公开提供一种衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法，所述方法包括：
提供衬底基板和压电材料基板，所述衬底基板和/或所述压电材料基板的近表面层中具有通过离子注入形成的第一缺陷层；
键合所述衬底基板和所述压电材料基板，得到包括衬底基板层和压电材料基板层的键合结构；其中，所述衬底基板和/或所述压电材料基板的、靠近所述第一缺陷层的表面为键合面；
加工所述键合结构，使所述键合结构中的压电材料基板层形成具有预设厚度的压电材料薄膜层，以及使所述第一缺陷层形成多孔层，得到具有所述多孔层的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
另一方面，本公开提供一种衬底基板/压电材料薄膜结构，采用如上所述的制备方法制得；包括键合的衬底基板层和压电材料薄膜层，所述衬底基板层或所述压电材料薄膜层的、靠近键合面的近表面层内具有多孔层。
另一方面，本公开提供一种声表面波器件，包括如上所述的衬底基板/压电材料薄膜结构。
由于上述技术方案，本公开具有以下有益效果：
本公开通过在衬底基板和压电材料薄膜层的键合面附近形成多孔层，减少了键合面处的体声波反射，从而提高了利用上述薄膜结构制备的声表面波器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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发明的一些实施例，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：本公开实施例提供的衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法的流程示意图；
图2-5：本公开实施例提供的衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图；
图6-9：本公开实施例提供的另一衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图；
图10：本公开实施例提供的形成有多孔层的衬底基板的透射电子显微图；
图11-14：本公开实施例提供的另一衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图；
其中，1-衬底基板，2-压电材料基板，10-衬底基板层，20-压电材料基板层，21-压电材料薄膜层，30-第一缺陷层，31-多孔层，40-第二缺陷层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本公开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的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。
对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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，以便这里描述的本发明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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
以下介绍本公开实施例提供的衬底基板/压电材料薄膜结构及其制备方法，请参考图1，图1是所述制备方法的流程示意图。本说明书提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，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步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的制备方法执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。所述方法包括：
S100：提供衬底基板1和压电材料基板2，所述衬底基板1和/或所述压电材料基板2的近表面层中具有通过离子注入形成的第一缺陷层30。
其中，所述近表面层为接近材料表面，并与材料表面近似于平行的、厚度均匀的一层。
本一些实施例中，所述衬底基板1可以为硅衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底、蓝宝石衬底或具有氧化层的硅衬底。
本一些实施例中，所述压电材料基板2可以为LiNbO3基板或LiTaO3基板。LiNbO3和LiTaO3材料的机电耦合系数大，能够较好的应用于声表面波器件的制备。
在一些实施例中，所述衬底基板1的厚度可以为50-1000um。
S200：键合所述衬底基板1和所述压电材料基板2，得到包括衬底基板层10和压电材料基板层20的键合结构；其中，所述衬底基板1和/或所述压电材料基板2的、靠近所述第一缺陷层30的表面为键合面。
在实际应用中，键合所述衬底基板1和所述压电材料基板2的方法和条件可同现有技术，本公开不做限制。
本公开实施例中，当压电材料基板2中设置第一缺陷层30时，将压电材料基板2的靠近所述第一缺陷层30的一面键合在所述衬底基板1上；当衬底基板1中设置第一缺陷层30时，将衬底基板1的靠近所述第一缺陷层30的一面键合在所述压电材料基板2上；当压电材料基板2和衬底基板1中均设置有所述第一缺陷层30时，将二者的靠近所述第一缺陷层30的表面键合。
S300：加工所述键合结构，使所述键合结构中的压电材料基板层20形成具有预设厚度的压电材料薄膜层21，以及使所述第一缺陷层30形成多孔层31，得到具有所述多孔层31的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
在实际应用中，所述预设厚度可以根据应用需求决定。加工所述键合结构可以采用智能剥离方法Smart-cut或背减薄方法。
具体实施例中，所述多孔层31的厚度可以为小于等于1μm。所述多孔层31与键合面接触或穿过所述键合面。
在一些实施例中，所述多孔层31的厚度可以为5-1000nm。
在一些实施例中，所述预设厚度可以为0.5～20μm。
如此，通过在衬底基板1和压电材料薄膜层21的键合面附近形成多孔层31，减少了键合面处的体声波反射，从而提高了利用上述薄膜结构制备的声表面波器件的性能。
基于上述部分或全部实施方式，本公开一些实施例中，所述步骤S300可以包括：
S310：对所述键合结构中的压电材料基板层20进行背减薄，形成具有预设厚度的压电材料薄膜层21。
S320：对所述键合结构进行退火处理，使所述第一缺陷层30内的缺陷发生演化聚集，形成所述多孔层31，得到具有所述多孔层31的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
在实际应用中，通过控制离子注入过程中的离子束能量和/或注入剂量，使得所述第一缺陷层30形成在接近键合面的位置，且所述第一缺陷层30中注入的气体离子在退火过程中演化聚集，形成微型气体孔洞，但不足以使材料在所述第一缺陷层30处发生剥离，从而仅形成具有孔洞的多孔层31。其中，注入离子的剂量不超过剥离剂量。
具体实施例中，形成所述第一缺陷层30的离子束能量可以为1-100Kev，注入剂量可以为1010-1016cm-2。其中，注入离子种类的相对原子质量越大，所需的离子束能量越大。
进一步地，所述步骤S320中的退火温度可以为100-400℃。
在一些实施例中，所述背减薄可以为研磨背减薄。
基于上述部分或全部实施方式，本公开另一些实施例中，在所述步骤S100之后，所述方法还包括：通过离子注入在所述压电材料基板2内形成第二缺陷层40，当所述压电材料基板层20中具有第一缺陷层30时，所述第二缺陷层40与所述键合面间的距离大于所述第一缺陷层30与所述键合面间的距离。
在一些实施例中，若所述压电材料基板2中先通过较高能量的离子注入形成所述第二缺陷层40，再通过较低能量的离子注入形成第一缺陷层30，进而避免较低能量的离子注入过程中在压电材料基板2的键合面上形成非晶层，影响较高能量的离子注入。
进一步地，所述步骤S300可以具体为：对所述键合结构进行退火处理，使所述压电材料基板层20沿所述第二缺陷层40剥离，形成具有预设厚度的压电材料薄膜层21，以及使所述第一缺陷层30内的缺陷发生演化聚集，形成所述多孔层31，得到具有所述多孔层31的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
其中，所述第二缺陷层40的深度直接影响压电材料薄膜层21的厚度，第二缺陷层40与键合面间的距离越小，制备的压电材料薄膜层21的厚度越小。
在实际应用中，通过控制离子注入过程中的离子束的能量和剂量，使得所述第二缺陷层40在退火过程中能够实现剥离。
具体实施例中，形成所述第二缺陷层40的离子束能量可以为20kev～2000kev，注入剂量可以为1015～1017cm-2。
进一步地，所述步骤S300中的退火温度可以为100-400℃。
基于上述部分或全部实施方式，本公开实施例中，所述多孔层31厚度可以为5-1000nm，在一些实施例中，所述多孔层31厚度可以为25-1000nm。
基于上述部分或全部实施方式，本公开实施例中，所述离子注入所注入的离子包括氢离子和/或氦离子。
基于上述部分或全部实施方式，本公开实施例中，在所述步骤S300之后，所述制备方法还包括：
S400：对所述衬底基板/压电材料薄膜结构进行二次退火处理，修复所述压电材料薄膜层21的晶格缺陷。
在实际应用中，通过第二次退火处理，可以修复压电材料薄膜层21的表面和上层的晶格缺陷，提高其晶格质量。
进一步地，所述第二次退火处理的退火温度可以为150-700℃。
在一些实施例中，所述第二次退火处理的退火温度高于形成所述多孔层31的退火温度，和/或高于剥离的退火温度。
本公开实施例中，可以在所述压电材料薄膜层21上形成电极图案，如叉指电极图案等，以进一步制备电子器件，如声表面波器件等。
本公开实施例另一方面提供一种衬底基板/压电材料薄膜结构，采用如上所述的制备方法制得；包括键合的衬底基板层10和压电材料薄膜层21层，所述衬底基板层10和/或所述压电材料薄膜层21层的、靠近键合面的近表面层内具有多孔层31。
本公开实施例中，所述衬底基板层10可以为硅衬底层、玻璃衬底层、碳化硅衬底层、蓝宝石衬底层或具有氧化层的硅衬底层。
本公开实施例中，所述衬底基板层10的厚度可以为50-1000um。
本公开实施例中，所述压电材料薄膜层21层的材料可以为LiNbO3或LiTaO3。
本公开实施例中，所述压电材料薄膜层21层的厚度可以为0.5～20μm。
本公开实施例中，所述多孔层31内的气体成分可以为氢气和稀有气体中的一种或几种。
本公开实施例另一方面提供一种声表面波器件，包括上述的衬底基板/压电材料薄膜结构。
综上，本公开通过在衬底基板1和压电材料薄膜层21的键合面附近形成多孔层31，减少了键合面处的体声波反射，从而提高了利用上述薄膜结构制备的声表面波器件的性能。
实施例1
本实施例公开一种衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法，请参考图2-5，图2-5示出了本实施例提供的衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图，所述制备方法包括以下步骤：
S1：提供硅衬底基板1和LiNbO3基板，在衬底基板1的近表面层中通过离子注入形成第一缺陷层30，请参考图2，图2中的箭头方向为离子注入的方向。
其中，离子注入的能量范围为1-100Kev，注入剂量为1010-1016cm-2。
S2：将压电材料基板2键合于衬底基板1的靠近第一缺陷层30的表面，形成具有衬底基板层10和压电材料基板层20的键合结构，请参考图3。
S3：对压电材料基板层20进行研磨背减薄，形成厚度为0.5～20μm的压电材料薄膜层21，请参考图4。
S4：在100-400℃温度条件下对键合结构进行退火处理，使第一缺陷层30形成多孔层31，得到具有衬底基板/压电材料薄膜结构，请参考图5。
其中，多孔层31的厚度小于等于1μm。
S5：在150-700℃温度条件下对衬底基板/压电材料薄膜结构进行二次退火处理，修复压电材料薄膜层21的晶格缺陷。
实施例2
本实施例公开一种衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法，请参考图6-9，图6-9示出了本实施例提供的衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图，所述制备方法包括以下步骤：
S1：提供衬底基板1和压电材料基板2，压电材料基板2为LiTaO3基板，在LiTaO3基板的近表面层中通过离子注入形成第一缺陷层30，请参考图6，图6中的箭头方向为离子注入的方向。
其中，离子注入的能量范围为1-100Kev，注入剂量为1010-1016cm-2。
S2：将压电材料基板2的靠近第一缺陷层30的表面键合于衬底基板1上，形成具有衬底基板层10和压电材料基板层20的键合结构，请参考图7。
S3：对压电材料基板层20进行研磨背减薄，形成厚度为0.5～20μm的压电材料薄膜层21，请参考图8。
S4：在100-400℃温度条件下对键合结构进行退火处理，使第一缺陷层30形成多孔层31，得到具有衬底基板/压电材料薄膜结构，请参考图9。
其中，多孔层31的下表面与键合面的距离小于等于1μm，多孔层31的厚度可以为5-1000nm。
请参考图10，图10示出了本实施例提供的形成有多孔层31的衬底基板1的透射电子显微图，如图所示，在退火之后，第一缺陷层在衬底基板中形成了多孔层，其厚度约为200nm。
S5：在150-700℃温度条件下对衬底基板/压电材料薄膜结构进行二次退火处理，修复压电材料薄膜层21的晶格缺陷。
实施例3
本实施例公开一种衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法，请参考图11-14，图11-14示出了本实施例提供的一衬底基板/压电材料薄膜结构的制备过程中的结构示意图，所述制备方法包括以下步骤：
S1：提供碳化硅衬底基板1和压电材料基板2，压电材料基板2为LiNbO3基板，在LiNbO3基板中通过离子注入形成第二缺陷层40，请参考图11，图11中的箭头方向为离子注入的方向。
其中，离子注入的能量范围为20kev～2000kev，注入剂量为1015～1017cm-2。
S2：在形成有第二缺陷层40的LiNbO3基板中通过离子注入形成第一缺陷层30，请参考图12，图12中的箭头方向为离子注入的方向。
其中，离子注入的能量范围为1-100Kev，注入剂量为1010-1016cm-2。
第一缺陷层30与键合面间的距离小于第二缺陷层40与键合面间的距离。
S3：将压电材料基板2的靠近第一缺陷层30的表面键合于衬底基板1上，形成具有衬底基板层10和压电材料基板层20的键合结构，请参考图13。
S4：在100-400℃温度条件下对键合结构进行退火处理，使第一缺陷层30形成多孔层31，得到具有衬底基板/压电材料薄膜结构，请参考图14。
其中，多孔层31的厚度可以为5-1000nm。
S5：在150-700℃温度条件下对衬底基板/压电材料薄膜结构进行二次退火处理，修复压电材料薄膜层21的晶格缺陷。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (13)

1.一种衬底基板/压电材料薄膜结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底基板(1)和压电材料基板(2)，所述衬底基板(1)和/或所述压电材料基板(2)的近表面层中具有通过离子注入形成的第一缺陷层(30)；
键合所述衬底基板(1)和所述压电材料基板(2)，得到包括衬底基板层(10)和压电材料基板层(20)的键合结构；其中，所述衬底基板(1)和/或所述压电材料基板(2)的、靠近所述第一缺陷层(30)的表面为键合面；
加工所述键合结构，使所述键合结构中的压电材料基板层(20)形成具有预设厚度的压电材料薄膜层(21)，以及使所述第一缺陷层(30)形成多孔层(31)，得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
2.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述加工所述键合结构，使所述键合结构中的压电材料基板层(20)形成具有预设厚度的压电材料薄膜层(21)，以及使所述第一缺陷层(30)形成多孔层(31)，得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构，包括：
对所述键合结构中的压电材料基板层(20)进行背减薄，形成具有预设厚度的压电材料薄膜层(21)；
对所述键合结构进行退火处理，使所述第一缺陷层(30)内的缺陷发生演化聚集，形成所述多孔层(31)，得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，在所述提供衬底基板(1)和压电材料基板(2)之后，所述方法还包括：
通过离子注入在所述压电材料基板(2)内形成第二缺陷层(40)，当所述压电材料基板层(20)中具有第一缺陷层(30)时，所述第二缺陷层(40)与所述键合面间的距离大于所述第一缺陷层(30)与所述键合面间的距离。
4.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，所述加工所述键合结构，使所述键合结构中的压电材料基板层(20)形成具有预设厚度的压电材料薄膜层(21)，以及使所述第一缺陷层(30)形成多孔层(31)，得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构，包括：
对所述键合结构进行退火处理，使所述压电材料基板层(20)沿所述第二缺陷层(40)剥离，形成具有预设厚度的压电材料薄膜层(21)，以及使所述第一缺陷层(30)内的缺陷发生演化聚集，形成所述多孔层(31)，得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构。
5.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，在得到具有所述多孔层(31)的所述衬底基板/压电材料薄膜结构之后，所述制备方法还包括：
对所述衬底基板/压电材料薄膜结构进行二次退火处理，修复所述压电材料薄膜层(21)的晶格缺陷。
6.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，所述多孔层(31)的厚度小于等于1μm。
7.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，形成所述第一缺陷层(30)的离子束能量为1-100Kev，注入剂量为1010-1016cm-2。
8.根据权利要求3或4中所述的制备方法，其特征在于，形成所述第二缺陷层(40)的离子束能量为20kev～2000kev，注入剂量为1015～1017cm-2。
9.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，所述压电材料基板(2)为LiNbO3基板或LiTaO3基板。
10.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，所述离子注入所注入的离子包括氢离子和/或氦离子。
11.根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，所述预设厚度为0.5～20μm。
12.一种衬底基板/压电材料薄膜结构，其特征在于，采用如权利要求1-11中任一所述的制备方法制得；包括键合的衬底基板层(10)和压电材料薄膜层(21)层，所述衬底基板层(10)和/或所述压电材料薄膜层(21)层的、靠近键合面的近表面层内具有多孔层(31)。
13.一种声表面波器件，其特征在于，包括如权利要求12所述的衬底基板/压电材料薄膜结构。
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