CN112768354B - 一种退火方法、复合薄膜及电子元件 - Google Patents

一种退火方法、复合薄膜及电子元件 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种退火方法、复合薄膜及电子元件。本申请提供的方法包括：利用离子注入与键合相结合的方法制备复合薄膜结构体，复合薄膜结构体由下至上包括衬底层和薄膜层；在薄膜层上制备掩膜层；在掩膜层的预设位置处，对掩膜层和薄膜层进行瞬间高温处理；去除经过瞬间高温处理的掩膜层。本申请提供的方法不仅能有效消除在离子注入过程中对薄膜层造成的晶格损伤，并且由于本申请提供的退火方法是利用瞬间高温进行退火，因此衬底层不会长期处于高温环境中，进而也避免了高温对衬底层造成的各层之间相互拉扯或脱落。

Description

一种退火方法、复合薄膜及电子元件
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种退火方法、复合薄膜及电子元件。
背景技术
离子注入以及键合分离相结合的方法，是制备薄膜层(即有源层)的常用方法。具体的，首先向薄膜晶片基体(用于制成薄膜层的材料的初始状态)中注入能够产生气体的粒子，以此在薄膜晶片基体中形成分离层，以及位于分离层两侧的薄膜层和余质层。然后，将薄膜层和预先制备好的衬底晶片进行键合，形成键合体。最后，对键合体进行加热，使得分离层断裂，从而使得薄膜层与余质层的分离。
上述方法在离子注入的过程会对薄膜层中的晶格造成损伤，进而影响薄膜层所在器件的信噪比以及耦合效率等使用性能。为了保证薄膜层的使用性能，还需要在薄膜层与余质层分离后对薄膜层进行高温退火来消除晶格的损伤。
但是衬底层通常由多层材料构成，每层材料的材质各不相同。不同材质的热膨胀系数也不相同，因此在高温退火环境下，导致多层材料因膨胀系数不同而造成相互拉扯，进而导致复合薄膜的层与层之间脱落或拉裂。
发明内容
本申请提供了一种退火方法、复合薄膜及电子元件，可用于解决在现有技术中消除晶格损伤过程中，造成键合体拉裂的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种退火方法，所述方法包括：
利用离子注入与键合相结合的方法制备复合薄膜结构体，所述复合薄膜结构体由下至上包括衬底层和薄膜层；
在所述薄膜层上制备掩膜层；
在所述掩膜层的预设位置处，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理；
去除经过瞬间高温处理的掩膜层。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述预设位置靠近所述薄膜层，并且与所述薄膜层之间的距离大于或等于0.5μm，并且小于或等于3μm。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理，包括：
利用离子注入方法产生的瞬间高温，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述离子注入方法采用的离子包括氢离子、氦离子、氮离子或者碳离子中的任意一种或多种离子。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理，包括：
利用红外线或激光产生的瞬间高温，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述掩膜层的材质为光刻胶、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅或氮化铝中的任意一种。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述薄膜层的材质为铌酸锂、钽酸锂、硅、砷化镓、锗、氮化硅、碳化硅、四硼酸锂、石英或陶瓷中的任意一种。
结合第一方面，在第一方面的一种可实现方式中，所述衬底层的材质为硅、石英、蓝宝石、金刚石、铌酸锂、或钽酸锂中的任意一种。
第二方面，本申请提供了一种复合薄膜，所述复合薄膜采用权利要求1至8任一所述的退火方法制备而成。
第三方面，本申请提供了一种电子元件，所述电子元件包括权利要求8所述的复合薄膜。
通过本申请提供的退火方法，不仅能有效消除在离子注入过程中对薄膜层造成的晶格损伤，并且由于本申请提供的退火方法是利用瞬间高温进行退火，因此衬底层不会长期处于高温环境中，进而也避免了高温对衬底层造成的各层之间相互拉扯或脱落。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种退火方法的流程示意图；
图2为一种制备复合薄膜结构体的流程示意图。
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方式作进一步地详细描述。
如图1所示，为本申请实施例提供的一种退火方法的流程示意图。本申请提供的方法包括以下步骤：
步骤S101，利用离子注入与键合相结合的方法制备复合薄膜结构体，复合薄膜结构体由下至上包括衬底层和薄膜层。
需要说明的是，本申请实施例中所指的衬底层并不特定限定，可以为单层衬底层，也可以为多层材质组成的多层衬底层。
本申请实施例中，不对衬底层的材料进行任何限定，衬底层的材质为硅、石英、蓝宝石、金刚石、铌酸锂、或钽酸锂中的任意一种。
其中，单层衬底可以为单层硅衬底层。多层衬底层可以包括硅衬底、氧化硅、电荷捕获层以及氮化硅层等。
薄膜层的材质为铌酸锂、钽酸锂、硅、砷化镓、锗、氮化硅、碳化硅、四硼酸锂、石英或陶瓷中的任意一种。
具体的，如图2所示，为本申请实施例提供的一种制备复合薄膜结构体的流程示意图。具体的，制备复合薄膜结构体包括以下步骤：
步骤S1011，对薄膜晶片基体进行离子注入，获取薄膜晶片。
具体的，薄膜晶片上至下依次包括薄膜层、分离层以及余质层。
其中，本申请实施例对所述离子注入的方式不做特别限定，可以使用现有技术中任意一种离子注入的方式，所注入的离子可以为通过热处理能够生成气体的离子，例如：氢离子或者氦离子。注入氢离子时，注入剂量可以大于或等于3×1016ions/cm2并且小于或等于8×1016ions/cm2，注入能量大于或等于120KeV并且小于或等于400KeV。注入氦离子时，注入剂量可以大于或等于1×1016ions/cm2并且小于或等于1×1017ions/cm2，注入能量可以大于或等于50KeV并且小于或等于1000KeV。具体的，注入氢离子时，注入计量可以为4×1016ions/cm2，注入能量可以为180KeV；注入氦离子时，注入剂量为4×1016ions/cm2，注入能量为200KeV。
需要说明的是，本申请实施例中，可以通过调整离子注入深度来调整薄膜层的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的薄膜层的厚度越大。相反，离子注入的深度越小，所制备的薄膜层的厚度越小。
步骤S1012，将薄膜层与预先制备好的衬底晶片进行键合，得到包括薄膜晶片和衬底晶片的键合体。
本申请实施例可以采用任意一种薄膜层与衬底晶片键合的方式，例如，将薄膜层的键合面进行表面活化，将处理后的衬底晶片的键合面也进行表面活化，再将两个表面活化处理后的键合面进行键合，获得键合体。
步骤S1013，对键合体进行低温热处理，使薄膜层与余质层由分离层分离，得到复合薄膜结构体。
其中，低温热处理的温度大于或等于170℃并且小于或等于350℃。
优选的，低温热处理的温度大于或等于170℃并且小于或等于320℃时，低温热处理的效果更佳。
具体的，低温热处理过程中保温时间大于或等于1min，并且小于或等于48h。低温热处理可以将键合体的键合力提升至10Mpa，并且在一定程度上可以恢复离子注入对薄膜层造成的损伤。在低温热处理过程中，分离层内形成气泡。如果注入的是氢离子，则氢离子形成氢气，相似的，如果注入的是氦离子，则氦离子形成氦气，随着热处理进展，分离层内的气体形成的气泡连成一片，致使分离层裂开，将余质层与薄膜层分离，从而使得余质层从键合体上剥离下来，得到复合薄膜结构体。
对应的，复合薄膜结构体包括衬底层以及薄膜层。
步骤S102，在薄膜层上制备掩膜层。
在执行步骤S102之前，还可以对复合薄膜结构体进行抛光处理。
具体的，掩膜层的材质为光刻胶、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅或氮化铝中的任意一种。
步骤S103，在掩膜层的预设位置处，对掩膜层和薄膜层进行瞬间高温处理。
具体的，本申请实施例中，预设位置靠近薄膜层，并且与薄膜层之间的距离大于或等于0.5μm，并且小于或等于3μm。
所谓瞬间高温处理即将反应过程中产生的短暂的高温作用于掩膜层和薄膜层，利用短暂高温带来的能量消除薄膜层中的晶格损伤。
本申请实施例中，可以采用多种方法对掩膜层和薄膜层进行瞬间高温处理。
本申请实施例提供的一种瞬间高温处理的方法是利用离子注入方法产生的瞬间高温，对掩膜层和薄膜层进行瞬间高温处理。
其中，离子注入方法采用的离子包括氢离子、氦离子、氮离子或者碳离子中的任意一种或多种离子。
本申请实施例提供的另一种瞬间高温处理的方法是利用红外线或激光产生的瞬间高温，对掩膜层和薄膜层进行瞬间高温处理。
步骤S104，去除经过瞬间高温处理的掩膜层。
在执行步骤S104后，还可以对去除掩膜层后的复合薄膜结构体进行抛光处理，获取具有光滑表面的复合薄膜结构体。
通过本申请提供的退火方法，通过瞬间高温处理使掩膜层的温度升高，高温下的掩膜层将温度传递给薄膜层，使薄膜层在掩膜层传递的温度下进行退火，不仅能有效消除在离子注入过程中对薄膜层造成的晶格损伤，并且由于本申请提供的退火方法是利用瞬间高温进行退火，因此衬底层不会长期处于高温环境中，进而也避免了高温对衬底层造成的各层之间相互拉扯或脱落。另外，本申请与现有技术中的高温退火相比，薄膜层不需要与高温环境直接接触，并且，掩膜层所承受的瞬间高温可控性强，因此薄膜层可承受的温度可控性强，也可以避免薄膜层受损伤。
下面结合具体实施例对本申请提供的方法进行进一步阐述。
实施例一
对铌酸锂薄膜基体(一种薄膜晶片基体)进行氢离子注入，获取薄膜晶片。将薄膜晶片与衬底晶片进行键合，获取键合体，并对键合体在320℃下进行低温热处理，使得薄膜层与余质层由分离层分离，得到复合薄膜结构体。
进一步的，对薄膜层进行抛光处理，并在薄膜层上制备材质为光刻胶的掩膜层。
在掩膜层中靠近薄膜层1μm处进行氮离子注入，利用离子注入产生的瞬间高温消除薄膜层中的晶格损伤。最后，采用丙酮去除掩膜层。
实施例二
对铌酸锂薄膜基体进行氦离子注入，获取薄膜晶片。将薄膜晶片与衬底晶片进行键合，获取键合体，并对键合体在250℃下进行低温热处理，使得薄膜层与余质层由分离层分离，得到复合薄膜结构体。
进一步的，对薄膜层进行抛光处理，并在薄膜层上制备材质为氮化硅的掩膜层。
在掩膜层中靠近薄膜层2μm处进行碳离子注入，利用离子注入产生的瞬间高温消除薄膜层中的晶格损伤。最后，采用磷酸湿法腐蚀去除掩膜层，并对去除掩膜层后的薄膜层进行抛光处理。
实施例三
对铌酸锂薄膜基体进行氦离子注入，获取薄膜晶片。将薄膜晶片与衬底晶片进行键合，获取键合体，并对键合体在300℃下进行低温热处理，使得薄膜层与余质层由分离层分离，得到复合薄膜结构体。
进一步的，对薄膜层进行抛光处理，并在薄膜层上制备材质为二氧化硅的掩膜层。
在掩膜层中靠近薄膜层2.5μm处进行碳离子注入，利用离子注入产生的瞬间高温消除薄膜层中的晶格损伤。最后，采用氢氟酸腐蚀去除掩膜层，并对去除掩膜层后的薄膜层进行抛光处理。
本申请实施例提供的退火方法，可以用于制备相应的复合薄膜，采用本申请实施例提供的退火方法制备的复合薄膜避免了长期的高温退火环境，因此层与层之间比较平整服帖，也不会出现多层材料之间的脱落或拉裂，具有良好的使用性能。
采用本申请实施例提供的退火方法制备的复合薄膜，可以应用于多种电子元件中，采用本申请提供的复合薄膜的电子元件，具有良好的使用性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种退火方法，其特征在于，所述方法包括：
利用离子注入与键合相结合的方法制备复合薄膜结构体，所述复合薄膜结构体由下至上包括衬底层和薄膜层；
在所述薄膜层上制备掩膜层；
在所述掩膜层的预设位置处，利用离子注入方法产生的瞬间高温，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理；
去除经过瞬间高温处理的掩膜层；
所述预设位置靠近所述薄膜层，并且与所述薄膜层之间的距离大于或等于0.5μm，并且小于或等于3μm。
2.根据权利要求1所述的一种退火方法，其特征在于，所述离子注入方法采用的离子包括氢离子、氦离子、氮离子或者碳离子中的任意一种或多种离子。
3.根据权要要求1所述的一种退火方法，其特征在于，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理，包括：
利用红外线或激光产生的瞬间高温，对所述掩膜层和所述薄膜层进行瞬间高温处理。
4.根据权要要求1所述的一种退火方法，其特征在于，所述掩膜层的材质为光刻胶、二氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅或氮化铝中的任意一种。
5.根据权要要求1所述的一种退火方法，其特征在于，所述薄膜层的材质为铌酸锂、钽酸锂、硅、砷化镓、锗、氮化硅、碳化硅、四硼酸锂、石英或陶瓷中的任意一种。
6.根据权要要求1所述的一种退火方法，其特征在于，所述衬底层的材质为硅、石英、蓝宝石、金刚石、铌酸锂、或钽酸锂中的任意一种。
7.一种复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜采用权利要求1至6任一所述的退火方法制备而成。
8.一种电子元件，其特征在于，所述电子元件包括权利要求7所述的复合薄膜。
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