CN113053737B - 一种单晶薄膜剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种单晶薄膜的剥离方法，所述方法通过控制热处理温度低于离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度，并在离子注入层中气泡覆盖率达到预设覆盖率后向键合体施加机械力，使得薄膜材料在气体压力以及外加机械力的共同作用下完整地沿离子注入层剥离，剥离后所剩余料完整无缺陷，可重复利用，并提高剥离效率。
Description
技术领域
本申请属于半导体元件制备邻域，特别涉及一种单晶薄膜剥离方法。
背景技术
覆有铌酸锂或者钽酸锂等薄膜的硅基晶圆是制备芯片的基材，通常，在硅基片上制备铌酸锂、钽酸锂等半导体薄膜的方法包括，将铌酸锂基片、钽酸锂基片等薄膜基片的其中一面进行离子注入，使注入的离子薄膜基片内部集中于形成一层注入层；再将薄膜基片的注入层面以及硅基片分别进行表面活化，再将两活化面键合，得到键合体；再对键合体进行热处理，在热处理过程中，所述注入层内形成气泡，随着热处理进展，注入层内的气泡连成一片，最后注入层裂开，从而使薄膜基片由硅基片上剥离下来，在硅衬底上形成薄膜层。在此基础上进一步加工可得3-6寸晶圆。
然而，由于硅基片和薄膜基片材质不同，两者的热膨胀系数相差较大，因此，在热处理过程中，二者在受热后形变量不同，使硅衬底与薄膜基片的键合界面存在较大的应力，导致键合体容易碎裂，降低产品的良品率。目前，针对上述问题存在的解决方案是，硅基片与薄膜基片在键合后、热处理之前，将薄膜基片从非注入面处进行研磨减薄，即，预先将薄膜基片的主体研磨掉，例如，将厚度为0.3mm的薄膜材料研磨至30μm，减薄后的薄膜基片受热后形变量减小，从而，使薄膜基片与硅基片之间的应力变小，降低碎片率。
但是，上述方法不仅比传统工艺增加步骤，增加工艺复杂程度，而且，不利于批量化生产以及薄膜基片的重复利用。
发明内容
为解决键合体在热处理过程中易碎裂，并且无法重复利用等问题，本申请人经过锐意研究发现，在薄膜剥离热处理过程中，缩短热处理时间，降低热处理温度，在离子注入层内气泡数量达到预设数量之前停止热处理，再利用机械力作用于所述键合体，即，在物理外力作用下剥离薄膜基片，从而降低薄膜基片的碎片率，并且，剥离剩余的薄膜基片在进行简单处理后即可重复利用。
本申请的目的在于提供以下几个方面：
第一方面，一种单晶薄膜剥离方法，所述方法包括：
步骤1，向薄膜材料中进行离子注入，在所述薄膜材料中形成离子注入层；
步骤2，将离子注入后的薄膜材料与衬底材料键合；
步骤3，对键合体进行热处理，所述热处理的温度低于离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度；
步骤4，向热处理中/后的键合体施加机械力，使薄膜材料从衬底材料上剥离。
本申请提供的方法通过对离子注入层进行低温热处理，来控制离子注入层生成气体的速率，并且，在所注入的离子未完全生成气体时向键合面施加机械力，使得薄膜材料在气体压力以及外加机械力的共同作用下完整地沿离子注入层剥离，剥离后所剩余料完整无缺陷，可重复利用。
其中，步骤1中，所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离略大于薄膜层的厚度，进一步地，所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离与薄膜层的厚度之差略大于或者等于缺陷层的厚度，从而为去除所述衬底材料上所形成的单晶薄膜层上的缺陷保留余量。
在一种可实现的方式中，步骤1中，所述离子注入层中离子注入浓度可以均匀也可以不均匀。
可选地，所述离子注入层中离子注入浓度由中心向边缘逐渐增大。
进一步地，所述离子注入层中，在同周位置上的离子注入浓度相等。
在一种可实现的方式中，步骤3中，所述热处理的温度为150℃～200℃。
可选地，步骤3中，对键合体的热处理过程中，可以对所述薄膜材料均匀加热也可以不均匀加热。
进一步地，步骤3中，对键合体的热处理过程中，薄膜材料边缘处升温速度大于中心升温速度。
更进一步地，步骤3中，对键合体的热处理过程中，薄膜材料同周位置的升温速度相等。
在一种可实现的方式中，步骤4中，在离子注入层的预设区域中气泡均匀分布，并且，基于所述预设区域的总面积，如果所述预设区域中气泡覆盖率达到预设覆盖率，则向热处理中/后键合体对应所述预设区域的位置施加机械力。
可选地，所述预设覆盖率可以根据不同薄膜材料与衬底材料热膨胀系数之差而具体设置，例如，对于硅基衬底和铌酸锂薄膜，二者热膨胀系数分别为硅衬底热膨胀系数＝2.6×10-6/K；铌酸锂薄膜热膨胀系数＝2.0×10-6/K，二者之差为6×10-7/K，所述预设覆盖率可以为40％及以上。
进一步地，步骤4中，如果离子注入层中的气泡均匀分布，并且，基于所述离子注入层的总面积，所述离子注入层上的气泡覆盖率达到40％及以上，则向热处理中/后的键合体施加机械力。
可选地，步骤4中，所述机械力为垂直于键合面的拉力，并且，所述机械力的作用方向为垂直向外。
可选地，步骤4中，所述机械力可以均匀地作用于所述薄膜材料以及衬底材料，也可以不均匀地作用于所述薄膜材料以及衬底材料。
进一步地，步骤4中，在薄膜材料边缘处的机械力略大于薄膜材料中心处的机械力。
更进一步地，步骤4中，施加于同一周上的机械力相等。
可选地，步骤4中，步骤4剥离后的薄膜材料余料完整无缺陷，满足重复利用的标准。
在一种可实现的方式中，所述衬底材料的厚度为0.2～1mm。
在一种可实现的方式中，所述薄膜材料的厚度为0.2～0.6mm。
在一种可实现的方式中，在所述衬底材料上形成的单晶薄膜的厚度为10nm～2μm。
在一种可实现的方式中，所述薄膜材料可以重复利用20次以上。
在一种可实现的方式中，所述机械力可使用真空吸盘向所述薄膜材料以及衬底材料施加。
可选地，所述真空吸盘可以为一个，也可以为多个。
其中，多个真空吸盘均匀分布于所述薄膜材料和/或衬底材料表面。
进一步地，所述多个真空吸盘所施加的拉力可以相等，也可以不相等。
更进一步地，设置于同周上的真空吸盘所施加的拉力相等。
第二方面，本申请提供一种单晶薄膜，所述单晶薄膜由第一方面所述方法制备。
第三方面，本申请提供一种硅基晶圆，所述硅基晶圆包括硅基衬底和第二方面所述单晶薄膜，所述单晶薄膜附着于所述硅基衬底的表面。
与传统方案相比，本申请提供的方案在热处理中所采用的温度低于离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度，并在离子注入层中气泡达到预设气泡覆盖率后向衬底材料以及薄膜材料上施加机械力，在气泡以及机械力的共同作用下使薄膜材料沿离子注入层分离，分离后的薄膜材料余料完整无缺陷，经过简单的研磨或者抛光等后处理后即可重复利用，以0.5mm厚的薄膜材料为例，可以重复使用20次以上，极大地提高薄膜材料的利用率，降低生产成本，节约原料，并且，在衬底材料上所形成单晶薄膜与传统方法所制备的单晶薄膜性能相同。
附图说明
图1示出本申请提供一种单晶薄膜剥离方法实例的流程示意图；
图2示出热处理过程键合体形态图。
附图标记说明
1-薄膜材料，2-离子注入层，3-衬底材料，4-键合体，5-气泡层，6-单晶薄膜层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
以下详述本发明。
图1示出本申请提供一种单晶薄膜剥离方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下四个步骤：
步骤1，向薄膜材料中进行离子注入，在所述薄膜材料中形成离子注入层。
在本申请中，所述薄膜材料是指用于在衬底材料上形成单晶薄膜的原料，可选地，所述薄膜材料也为圆片，并且，其直径与衬底材料的直径相同。
所述薄膜材料包括铌酸锂、钽酸锂或者石英等，还可以是现有技术中能够采用离子注入方式在衬底材料上形成单晶薄膜的其它材料。
如图1所示，可以由所述薄膜材料1的一面向所述薄膜材料内部进行离子注入，从而在所述薄膜材料内部形成一层离子注入层2，其中，所述薄膜材料上用于离子注入的表面需要为平整光滑的表面，一种可实现的方式为通过抛光使薄膜材料的注入面达到上述粗糙度要求。
本申请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。
所述离子注入层中的离子经过热处理可以生成气体，所生成的气体能够将所述薄膜材料沿离子注入层分成两部分，其中，与衬底材料键合的部分即为单晶薄膜，因此，可以通过调整离子注入深度来调整单晶薄膜的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的单晶薄膜的厚度越大。
薄膜材料在离子注入后，在离子注入层的上下界面会形成缺陷层，即，通过离子注入制备的单晶薄膜在其表面会存在缺陷层，一般通过研磨、抛光等手段去除该缺陷层，因此，所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离略大于薄膜层的厚度，从而为去除单晶薄膜层上的缺陷层保留余量。
进一步地，所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离与单晶薄膜层的厚度之差略大于或者等于缺陷层的厚度，例如，由离子注入在所述薄膜材料中所形成缺陷层的厚度为20nm，则所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离比所述薄膜层的厚度大22～25nm，从而保证所述缺陷层能够被完全去除，并且不损失薄膜层。
由于离子注入浓度越大，所注入的离子生成气体的速度越快；离子注入浓度越小，所注入的离子生成气体的速度越小，因此，所述离子注入层中离子注入浓度可以均匀也可以不均匀，使得在离子注入层上所注入离子生成气体速率的均匀或者不均匀，以满足不同剥离方案的实施。
在本实施例中，离子注入浓度不均匀是指离子注入浓度按照某种规则规律分布，在一种可实现的方式中，所述离子注入层中离子注入浓度由中心向边缘逐渐增大，从而，在对离子注入层进行热处理后，离子注入层边缘处气体生成速度大于离子注入层中心处气体生成速度，即，离子注入层边缘先于中心处满足施加拉力的条件，可以分步骤地对薄膜材料施加机械力，具体地，可以首先对薄膜材料的边缘施加机械力，所述机械力的施加范围由薄膜材料的边缘逐渐向薄膜材料的中心扩张，从而便于薄膜材料的剥离。
进一步地，所述离子注入层中，在同周位置上的离子注入浓度相等。在本申请中，所用术语“同周”是指同心相似形的外沿边界，例如，圆片形薄膜材料以薄膜材料的中心为圆心，以特定长度(小于薄膜材料半径)为半径所划定圆形的圆周。本申请人发现，在同周位置上的离子注入浓度相等，即，离子注入层在同周上的受损程度相同，从而，在热处理过程中，薄膜材料沿离子注入层由边缘向中间渐次开裂，同周上所注入离子生成气体的速度基本一致，进而可以在同周上施加相同大小的机械力，一方面便于控制施加机械力的大小，另一方面便于薄膜材料的剥离，使得薄膜材料的余料完整。
在一种实例中，所述离子注入层中离子注入浓度由中心向周边连续均匀增加。例如，所述离子注入层中心处的离子注入浓度为2×1016ions/cm2，离子注入层最外周离子注入浓度为2.5×1016ions/cm2，则沿离子注入层的半径方向，由中心至周边，离子注入浓度由2×1016ions/cm2连续均匀地增加至2.5×1016ions/cm2。
在一种可实现的方式中，所述薄膜材料的厚度可以为0.2～0.6mm。本申请人发现，所述薄膜材料的厚度过大，例如大于0.6mm，其在后续热处理以及施加机械的过程中易碎，而薄膜材料的厚度过小，例如小于0.2mm，则会由于其过薄而难以操作。
步骤2，将离子注入后的薄膜材料与衬底材料键合。
在本申请中，所述衬底材料3如图2所示，可以为现有技术中任意一种材料的衬底，进一步地，所述衬底材料可以为单一衬底，也可以为复合衬底，具体地，包括硅衬底、具有热氧化层的硅衬底、具有沉积氧化硅层的硅衬底、具有氮化硅层的硅衬底，或者具有其它材质层的复合衬底。
本申请人发现，复合衬底中复合于基础衬底上的复合层与基础衬底的键合力通常较强，在热处理过程或者后续施加机械的过程中不会解键合。
在一种可实现的方式中，所述衬底材料的厚度可以为0.2～1mm。
本申请对薄膜材料与衬底材料键合的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种薄膜材料与衬底材料键合的方式，例如，如图1所示，将薄膜材料的注入面进行表面活化，将衬底材料的待键合面也进行表面活化，再将两个活化后的表面进行键合，获得键合体4。
本申请对薄膜材料的注入面进行表面活化的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种对薄膜材料进行表面活化的方式，例如，等离子体活化以及化学溶液活化等；同样地，本申请对衬底材料表面活化的方式也不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种可用于衬底材料待键合面进行表面活化的方式，例如，等离子体活化。
步骤3，对键合体进行热处理，所述热处理的温度低于离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度。
在本申请中，所述键合体是指薄膜材料与衬底材料键合后形成的键合体，其中，薄膜材料未从衬底上剥离。
在一种可实现的方式中，所述热处理的温度为150℃～200℃，离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度一般为240℃左右，图2示出热处理过程键合体形态示意图，如图2所示，本申请人通过大量实验发现，所注入的离子，如H、He等离子在上述温度下能够结合成相应的分子，并在离子注入层2形成由小气泡构成的气泡层5，例如，H离子形成氢气，He离子形成氦气等，并且，热处理温度在上述温度范围内，所注入的离子生成气体的速度比较缓慢，而且，气体生成的速度易于控制，从而能够使所施加的机械力与离子生成的气体协同作用，快速而稳定地剥离薄膜材料，进而在衬底材料表面形成一层单晶薄膜。
在本申请中，所述离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度是指所述键合体处理临界温度，在该临界温度下离子注入层中所注入的离子完全生成气体，使薄膜材料沿离子注入层分离，在所述衬底材料上形成单晶薄膜层。
在本申请中，一种可实现的热处理方式为，先升温至预设温度，再在此温度下恒温预定时间，如5-10小时。
在本申请中，对键合体的热处理通常为对键合体进行加热，可选地，对所述薄膜材料的加热可以是均匀的，也可以是不均匀的。
例如，对键合体的热处理过程中，薄膜材料边缘处升温速度大于中心升温速度，可选地，薄膜材料同周位置的升温速度相等。
在一种实例中，所述离子注入层的热处理温度由中心向周边连续均匀增加。例如，所述离子注入层中心处的热处理温度为180℃，离子注入层最外周热处理温度为200℃，则沿离子注入层的半径方向，由中心至周边，热处理温度由180℃连续均匀地增加至200℃。
在一种可实现方式中，对于不均匀加热可以采用在键合面上同时启动加热，但是不同位置的升温速率不同的方法；也可以采用在键合面上不同时启动加热，但是升温速率相同的方法；亦可以采用不同时启动加热，并且，不同位置升温速率不同的方法。
在一种实例中，所述离子注入层中离子注入浓度均匀，而且，热处理过程中对薄膜材料的加热也是均匀的，从而，在热处理过程中，所述离子注入层生成的气泡大致均匀分布。
在另一种实例中，所述离子注入层中离子注入浓度均匀，而且，热处理过程中对薄膜材料的加热是非均匀的，具体地，离子注入层外周的温度高于离子注入层中心的温度，并且，同周位置的升温速率相同，从而，在热处理过程中，所述离子注入层外周的气泡生成速率高于离子注入层中心处的气泡生成速率。
在另一种实例中，所述离子注入层中离子注入浓度非均匀，具体地，所述离子注入层中心处离子注入浓度小于离子注入层外周的离子注入浓度，并且，同周位置的离子注入浓度相同，在热处理过程中，对组合物均匀加热，从而，在热处理过程中，所述离子注入层外周的气泡生成速度高于离子注入层中心处的气泡生成速率。
在另一种实例中，所述离子注入层中离子注入浓度非均匀，具体地，所述离子注入层中心处离子注入浓度小于离子注入层外周的离子注入浓度，并且，离子注入浓度相同，在热处理过程中，对组合物非均匀加热，从而，离子注入层外周的温度高于离子注入层中心的温度，同周位置的温度相同，在热处理过程中，所述离子注入层外周的气泡生成速度高于离子注入层中心处的气泡生成速率。
本申请人发现，在上述温度环境下，在离子注入层内的离子所生成的气泡连成一片之前退火，例如，以2～10℃/min升温速率升温至上述温度范围，并且保温5～10小时，使得离子注入层中的气泡覆盖率达到40％以上，但是在这些小气泡融合或连接在一起之前停止加热；能够有效防止热膨胀系数不同的异质材料结合引起的碎片问题；本申请人还发现，在上述温度环境下制备单晶薄膜，不需要将薄膜材料研磨减薄就可以直接进行热处理，从而，在薄膜材料剥离后，剩下的薄膜材料余料能够被继续重复利用。
在一种可实现的方式中，所述气泡覆盖率可以通过肉眼或显微镜观察。
步骤4，向热处理中/后的键合体施加机械力，使薄膜材料从衬底材料上剥离。
在一种实例中，如果在离子注入层的预设区域中气泡均匀分布，并且，基于所述预设区域的总面积，所述预设区域中气泡覆盖率达到预设覆盖率，则向热处理中/后键合体对应所述预设区域的位置施加机械力。
本申请中所述预设区域为目标剥离区域，例如，如果离子注入层中离子注入浓度均匀，并且对键合体加热也均匀，则可以离子注入层整体作为预设区域，具体地，如果离子注入层内气泡较为均匀，并且基于所述离子注入层的总面积，气泡覆盖达到预设覆盖率，则可以向所述键合体施加机械力。
可选地，所述预设覆盖率可以根据不同薄膜材料与衬底材料的热膨胀系数之差而具体设置，具体地，薄膜材料与衬底材料的热膨胀系数之差越大，薄膜剥离的越快，因此，如果两者热膨胀系数之差越大，则预设覆盖率可以设定成较小值，反之，预设覆盖率可以设定成较大值。例如，对于硅基衬底和铌酸锂薄膜，二者热膨胀系数分别为硅衬底热膨胀系数＝2.6×10-6/K；铌酸锂薄膜热膨胀系数＝2.0×10-6/K，二者之差为6×10-7/K，所述预设覆盖率可以为40％及以上。本申请人发现，在所述离子注入层中的气泡覆盖率达到预设覆盖率，但是还没有互相融合的情况下进行剥离，能够减小所施加机械力的大小，减少由于机械力过大或者施加不均匀而导致发生碎片的可能。
例如，假定离子注入层中离子注入浓度均匀，并且对键合体加热也均匀，如果离子注入层中气泡均匀分布，并且，基于所述离子注入层的总面积，所述离子注入层上的气泡覆盖率达到40％，则向热处理中/后的键合体施加机械力。
在另一种实例中，假定离子注入层中离子注入浓度沿键合面半径方向均匀增加，对键合体加热均匀，如果离子注入层外周气泡均匀分布，并且，基于当前外周环形的总面积，所述环形离子注入层上的气泡覆盖率达到40％，则向热处理中/后的键合体对应外周环形位置施加机械力；随着满足条件的环形的半径逐渐缩小，所施加机械力的位置也逐渐靠近所述键合面的中心。
在一种实例中，在键合体中预设区域的气泡覆盖率达到预设覆盖率后，可以退火冷却所述键合体，对冷却后的键合体进行剥离；也可以使键合体继续保持于当前温度，并在当前温度下进行剥离。本申请人发现，如果使键合体保持于热处理温度进行剥离，能够提高薄膜材料的剥离进度，缩短热处理时间。
在本申请中，所述机械力为垂直于键合面的拉力，并且，所述机械力的作用方向为垂直向外，其中，所述“向外”是指由键合面向非键合面。
本申请对施加机械力的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种能够同时对薄膜材料以及衬底材料施加垂直于键合面并且向外的拉力的方式。
可选地，步骤4中，所述机械力可以均匀地施加于所述薄膜材料以及衬底材料，也可以不均匀地施加于所述薄膜材料以及衬底材料。
在一种实例中，所述机械力不均匀地施加于所述薄膜材料以及衬底材料是按照预定规则有规律地向所述薄膜材料以及衬底材料施加机械力。可选地，在薄膜材料边缘处的机械力略大于薄膜材料中心处的机械力，避免由于边缘处与中心处机械力差值过大而引起薄膜材料断裂。
例如，假定离子注入层中离子注入浓度沿键合面半径方向均匀增加，对键合体加热均匀，如果离子注入层外周气泡均匀分布，并且，基于当前外周环形的总面积，所述环形离子注入层上的气泡覆盖率达到40％，则向热处理中/后的键合体对应外周环形位置所施加的机械力大，而靠近所述键合面中心处所施加的机械力小；随着满足条件的环形的半径逐渐缩小，较大机械力的施加范围逐渐靠近所述键合面的中心。
在一种实例中，对于施加不均匀机械力，可以采用对键合面同时施机械力，但是以力度增加速率不同的方式实现，也可以采用对于不同作用点，渐次施加机械力的方式实现，亦可以采用现有技术中其它任意一项可实现该方案的方式。
在一种实例中，可以采用同时在薄膜材料以及衬底材料上分别设置一组真空吸盘组来同时向薄膜材料以及衬底材料上施加垂直于键合面并且向外的机械力。本申请人发现，真空吸盘组向薄膜材料施加的拉力大于离子注入区中分子间作用力，能够将薄膜材料沿离子注入区分开。
在一种可实现的方式中，每组真空吸盘组包括至少一个真空吸盘。
在一种实例中，所述真空吸盘组均匀分布于薄膜材料以及衬底材料的表面上。
与所施加机械力的大小相应地，所述多个真空吸盘所施加的拉力可以相等，也可以不相等，与前述实例相应地，设置于同周上的真空吸盘所施加的拉力相等。
本申请人发现，如图2所示，在剥离过程中，向所述薄膜材料以及衬底材料同时施加拉伸力进行拉伸，此时离子注入层中各分子之间的结合力相比热处理之前减小，因此，通过外力拉伸很容易将薄膜材料沿离子注入层分开，薄膜材料在沿离子注入层分开之后，离子注入层与薄膜材料表面之间的一层便停留在衬底材料上形成单晶薄膜层6。
本申请提供的方法通过对离子注入层进行低温热处理，来控制离子注入层生成气体的速率，并且，在所注入的离子未完全生成气体时向键合面施加机械力，使得薄膜材料在气体压力以及外加机械力的共同作用下完整地沿离子注入层剥离，薄膜材料的非注入面不需要经过研磨减薄就直接可剥离，剥离后所剩余料完整无缺陷，满足重复利用的标准，可重复利用。
所述薄膜材料在完成一次单晶薄膜制备后，其表面存在由离子注入层导致的缺陷层，但是所述缺陷层的厚度一般为5μm～10μm，重新研磨抛光掉10μm以下即可完成薄膜材料的表面再生。以薄膜材料厚度为0.5mm计算，所述薄膜材料可以重复利用20次以上。
在一种可实现的方式中，在所述衬底材料上形成的单晶薄膜的厚度为10nm～2μm。
第二方面，本申请提供一种单晶薄膜，所述单晶薄膜由第一方面所述方法制备，所述单晶薄膜的厚度为10nm～2μm。
第三方面，本申请提供一种硅基晶圆，所述硅基晶圆包括硅基衬底和第二方面所述单晶薄膜，所述单晶薄膜附着于所述硅基衬底的表面。
实施例
实施例1
步骤1，取直径为6英寸的硅基衬底以及一块直径为6英寸的铌酸锂薄膜材料，所述铌酸锂的厚度为0.3mm，由所述铌酸锂薄膜材料的一面向其中进行离子注入，所注入离子为氢离子，所述离子注入层的浓度均匀；
步骤2，将铌酸锂的注入面以及硅基衬底材料的表面均进行表面活化，再将两个活化面键合，得到键合体；
步骤3，将所述键合体升温至180℃，保温8小时左右，基于所述离子注入层的总面积，所述离子注入层中气泡覆盖率达到约40％，降至室温；
步骤4，在所述铌酸锂薄膜材料表面以及硅基衬底表面分别设置一个真空吸盘，所述真空吸盘的直径等于硅基衬底的直径，向所述铌酸锂薄膜材料以及硅基衬底施加均匀的拉力，所述铌酸锂薄膜材料沿离子注入层从键合体上被剥离下来；
步骤5，对硅基衬底上形成的薄膜进行抛光等后处理。
本实施例总用时10h，经检测，硅基衬底上的单晶薄膜厚度约为500nm，铌酸锂余料完整无裂痕，经抛光等表面处理后满足重复利用要求。
实施例2
步骤1，取直径为6英寸的具有热氧化层的复合硅衬底以及实施例1中铌酸锂薄膜材料余料，由所述铌酸锂余料的再生面向其中进行离子注入，所注入离子为氢离子，所述离子注入层的离子注入浓度沿铌酸锂的半径方向由中心向外周逐渐增大；
步骤2，将铌酸锂的注入面以及硅基衬底材料的表面均进行表面活化，再将两个活化面键合，得到键合体；
步骤3，将所述键合体升温至200℃，保温5小时左右，基于所述离子注入层外周环形的面积，所述环形中气泡覆盖率达到约40％，退火，所述离子注入层外周环形的外径为6英寸，内径为3英寸；
步骤4，在退火过程中，在所述铌酸锂薄膜材料表面以及硅基衬底表面分别设置真空吸盘组，在所述离子注入层外周环形对应位置均匀设置多个真空吸盘，在键合面中心对应的位置设置一个真空吸盘，起初在外周环形对应位置施加的拉力大于在键合面中心对应位置施加的拉力，随着离子注入层中心处气泡的不断增加，键合面中心对应位置施加的拉力也不断增加，直至所述铌酸锂薄膜材料沿离子注入层从键合体上被剥离下来；
步骤5，对硅基衬底上形成的薄膜进行抛光等后处理。
本实施例总用时8h，经检测，硅基衬底上的单晶薄膜厚度约为600nm，铌酸锂余料完整无裂痕，经抛光等表面处理后满足重复利用要求。
实施例3
步骤1，取直径为6英寸的具有沉积氧化硅层的复合硅衬底以及实施例1中铌酸锂薄膜材料余料，由所述铌酸锂余料的再生面向其中进行离子注入，所注入离子为氢离子，所述离子注入层的浓度均匀；
步骤2，将铌酸锂的注入面以及硅基衬底材料的表面均进行表面活化，再将两个活化面键合，得到键合体；
步骤3，将所述键合体升温至180℃-200℃，其中，沿所述键合面的半径方向，由中心向外周温度由180℃均匀地升高至200℃，保温10小时左右，基于所述离子注入层外周环形的面积，所述环形离子注入层中气泡覆盖率达到约40％，保持当前温度，所述离子注入层外周环形的外径为6英寸，内径约为3英寸；
步骤4，在所述铌酸锂薄膜材料表面以及硅基衬底表面分别设置真空吸盘组，在所述键合面外周环形对应位置均匀设置多个真空吸盘，在键合面中心对应的位置设置一个真空吸盘，起初在外周环形对应位置施加的拉力大于在键合面中心对应位置施加的拉力，随着热处理时间的延长，离子注入层中心处气泡的不断增加，键合面中心对应位置施加的拉力也不断增加，直至所述铌酸锂薄膜材料沿离子注入层从键合体上被剥离下来；
步骤5，对硅基衬底上形成的薄膜进行抛光等后处理。
本实施例总用时11h，经检测，硅基衬底上的单晶薄膜厚度约为750nm，铌酸锂余料完整无裂痕，经抛光等表面处理后满足重复利用要求。
实施例4
本实施例所述方法与实施例1相似，区别仅在于步骤3不降温，使键合体保持于180℃，在完成步骤4后再降温。
本实施例总用时8h，经检测，硅基衬底上的单晶薄膜厚度约为300nm，铌酸锂余料完整无裂痕，经抛光等表面处理后满足重复利用要求。
实施例5
本实施例所述方法与实施例2相似，区别仅在于步骤3不降温，使键合体保持于180℃，在完成步骤4后再降温。
本实施例总用时6h，经检测，硅基衬底上的单晶薄膜厚度约为400nm，铌酸锂余料完整无裂痕，经抛光等表面处理后仍然满足重复利用要求。
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 (9)
1.一种单晶薄膜剥离方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，向薄膜材料中进行离子注入，在所述薄膜材料中形成离子注入层；
步骤2，将离子注入后的薄膜材料与衬底材料键合；
步骤3，对键合体进行热处理，所述热处理的温度低于离子注入层完全气化并使薄膜材料剥离的临界温度；
步骤4，向热处理中/后的键合体施加机械力，使薄膜材料从衬底材料上剥离，所述机械力为垂直于键合面的拉力，在离子注入层的预设区域中气泡均匀分布，并且，基于所述预设区域的总面积，如果所述预设区域中气泡覆盖率达到预设覆盖率，则向热处理中/后键合体对应所述预设区域的位置施加机械力，所述预设区域为目标剥离区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述离子注入层到薄膜材料键合面之间的距离略大于薄膜层的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述离子注入层的离子注入浓度由中心向边缘逐渐增大。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述热处理的温度为150℃~200℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，对键合体进行均匀加热。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，对键合体的热处理过程中薄膜材料边缘处升温速度大于中心升温速度。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述机械力均匀施加于所述薄膜材料以及衬底材料。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤4中，施加于薄膜材料边缘处的机械力略大于施加于薄膜材料中心处的机械力。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4剥离后的薄膜材料余料满足重复利用的标准。
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