CN113544869A - 制备薄铁电材料层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备单畴铁电材料薄层的方法。所述方法包括：在铁电供体基板的第一面中注入轻物质，以便形成脆弱平面并限定位于该脆弱平面与基板的第一面之间的第一层；借助于介电组装层将供体基板的第一面与支承基板组装在一起；以及在脆弱平面处使供体基板断裂。介电组装层(7b)包括氧化物，该氧化物的氢浓度低于第一层(3)的氢浓度或防止氢扩散到第一层，或者介电组装层(7b)包括阻挡件，该阻挡件防止氢扩散到第一层。所述制备方法还包括：对第一层的自由面进行热处理，以便使第一层中包含的氢扩散，并引起该第一层的表面部分的多畴转变，然后对第一层进行减薄，以便至少去除该表面部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备薄铁电材料层的方法。更具体地，本发明涉及一种能够在最终产品的薄层中保持铁电材料的单畴性质的制备方法。例如，该制备方法用于微电子、微机械、光子学等领域。
背景技术
在序言中，注意到铁电材料是在自然状态下具有电极化的材料，该极化可以通过施加外部电场来反转。“铁电畴”是指单片材料中的各个区域，其中极化是均匀的(所有偶极矩在给定方向上彼此平行排列)。因此，在铁电材料由极化均匀的单个区域形成的情况下，该材料可以表征为“单畴”，或者在铁电材料包括具有可以是不同的极性的多个区域的情况下，该材料可以表征为“多畴”。
根据现有技术已知用于形成薄铁电材料层的各种方法。例如，可以是一种使用分子束外延、等离子溅射、激光脉冲沉积甚至是Smart CutTM技术的应用的技术，从而通过在植入轻物质而在固体基板中形成的易碎区域(或脆化平面)上发生断裂，从铁电材料的该固体基板去除薄层。
本发明更具体地涉及通过应用这种方法获得的薄铁电层的制备。文献US20100088868指出，通过实现氢植入的方法转移的钽酸锂铁电层导致形成多畴层。这种特征使得该层不适合使用，因为它会影响要在薄层上/中形成的器件(例如，表面声波器件(SAW))的性能。
文献FR3068508公开了借助于中间层并通过应用Smart Cut方法对转移至支承件上的薄铁电层进行精加工。在一个示例中，该精加工包括对薄层进行热处理，然后是抛光。根据该文献，该顺序将允许恢复薄铁电层的初始单畴特性。然而，申请人进行的另外分析表明，仅这种精加工顺序不能保证该层在其整个厚度(也就是说，从其与中间层的界面到其自由表面)上的单畴性质。更具体地，使用PFM(“压电响应力显微镜”)测量进行的这些分析(所述分析通常从测量表面延伸超过约50nm的深度)已证实薄层的表面部分确实是单畴的，但可以证明与中间层并列的掩埋部分是多畴的。为了进行这种“掩埋”PFM测量，通过化学机械抛光逐渐减薄该层，以接近该中间层的测量表面。
文献FR2914492还公开了一种使用Smart Cut技术制造薄铁电材料层的方法。在该文献中，如前述文献US20100088868中那样，通过使被去除并转移至支承基板上的层经受电场以改进或恢复其单畴铁电特性来制备该层。这种处理需要存在一对电极，该对电极位于待处理的铁电层的任一侧上(例如，与该层电接触)。并非总是可以具有这样的一对电极，特别是当铁电层转移至电绝缘基板上或电绝缘层上时。
发明目的
本发明的目的是提出一种制备薄铁电材料层的方法，所述方法至少部分解决了上述缺点。更具体地，本发明涉及一种通过实施注入轻物质的步骤来转移铁电材料层的方法，所述方法保持或能够恢复转移层在其整个厚度上的单畴品质。因此，在层制备方法中，不需要使该层经受电场来恢复其单畴品质，并且可以将该层转移至电绝缘基板上或使该层设有介电层。
发明内容
为了实现该目的，本发明的主题提出了一种薄制备铁电材料单畴层的方法，所述方法包括以下步骤：
-在铁电供体基板的第一面中植入轻物质以形成脆化平面，并限定位于所述脆化平面与所述供体基板的所述第一面之间的第一层；
-借助于介电组装层将所述供体基板的所述第一面组装至支承基板；
-在所述脆化平面处使所述供体基板断裂，以将所述第一层转移至所述支承基板上并使所述第一层的自由面暴露；
-对所述第一层进行精加工，该精加工包括对所述第一层的所述自由面进行热处理，然后对所述第一层进行减薄，以形成所述薄单畴层；
根据本发明，所述介电组装层包括氧化物，该氧化物的氢浓度低于所述第一层的氢浓度或防止氢朝向所述第一层扩散，或者所述介电组装层包括阻挡件，所述阻挡件防止氢朝向所述第一层扩散。
令人惊讶的是，这一系列精确的制备步骤结合组装层的特定性质使得可以形成在其整个厚度上具有单畴极化并具有令人满意的晶体和表面品质的最终薄层。
根据本发明的单独地或以任何技术上可行的组合采用的其它有利且非限制性的特征：
-所述减薄包括施加至所述第一层的所述自由面的化学机械抛光；
-所述热处理是在介于300℃与构成所述第一层的所述铁电材料的居里温度之间的温度下进行的，并且持续介于30分钟至10小时之间的时段；
-所述热处理是在氧化或中性气态气氛下进行的；
-所述供体基板包括选自LiTaO3或LiNbO3的铁电材料；
-所述铁电材料具有介于30°RY至60°RY之间的晶体方向；
-所述支承基板的材料是硅；
-所述供体基板是固体材料块；
-所述供体基板包括位于操纵基板上的厚铁电材料层；
-其中，所述操纵基板的热膨胀系数与所述支承件的热膨胀系数相同或接近；
-所述第一层的材料和所述支承基板的材料具有不同的热膨胀系数；
-所述支承基板设有电荷俘获层；
-所述介电组装层包括具有氮的氧化物，所述氧化物的氮/氧比大于或等于0.01或0.05；
-所述介电组装层包括具有氮的硅氧化物，所述硅氧化物的氮/氧比介于0.01至0.25之间或介于0.05至0.01之间；
-所述介电组装层是由叠层形成的，所述叠层包括设置在所述支承基板那一侧的第一氧化物层和设置在所述第一层那一侧的硅氮化物层；
根据另一方面，本发明提出了一种器件，所述器件包括：
-铁电材料层的薄完全单畴层；
-介电组装层，所述介电组装层与所述薄层接触，并且包括防止氢朝向所述薄层扩散的氧化物，或者包括防止氢朝向所述第一层扩散的阻挡件；
-支承件，所述支承件与所述介电层接触。
根据本发明的该方面的单独地或以任何技术上可行的组合采用的其它有利且非限制性的特征：
-所述支承基板设有位于所述支承件的固体部分与所述介电组装层之间的电荷俘获层；
-所述介电组装层包括具有氮的氧化物，所述氧化物的氮/氧比大于或等于0.01或0.05；
-所述介电组装层包括具有氮的硅氧化物，所述硅氧化物的氮/氧比介于0.01至0.25之间或介于0.05至0.01之间；
-所述介电组装层是由叠层形成的，所述叠层包括设置在所述支承基板那一侧的第一氧化物层和设置在所述第一层那一侧的硅氮化物层。
附图说明
根据以下参考附图的本发明的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中：
图1A至图1D示出了根据本发明的方法的第一实施方式；
图2A至图2D示出了根据本发明的方法的第二实施方式；
图3示意性地示出了根据本发明的制备层的方法；
图4示出了可以使用根据本发明的方法制造的表面声学器件。
具体实施方式
为了简化以下描述，相同的附图标记用于相同的元件或用于在所描述的方法的不同实施方式中执行相同功能的元件。
附图是示意表示图，为了可读性，所述示意表示图未按比例绘制。具体地，关于层的横向尺寸，这些层的厚度不成比例。
在本说明书的其余部分中使用的与层或基板相关的表述“热膨胀系数”是指在限定该层或基板的主平面中限定的方向上的膨胀系数。如果材料是各向异性的，则系数的保留值将是幅度最大的值。所述系数的值是在室温下测量的值。
图4示出了可以使用根据本发明的方法制造的表面声学器件。
薄铁电层10被放置成经由介电层7b与支承件7直接接触。金属电极11a、11b被布置在薄铁电层10上。如本身众所周知的，施加至电极中的一者的高频电信号以将在所述一者中处理(例如，过滤)并在另一电极上恢复的表面波的形式在薄铁电层10中传播。薄铁电层10的特征并且更一般地形成薄铁电层10所在的叠层的所有层的特征对于执行电信号的期望处理而言是决定性的，具体是薄铁电层10的厚度和单畴晶体品质。
支承件7的特征可以通过声耦合来影响薄层10中的波的传播。因此，这些层的性质和厚度对于执行电信号的期望处理而言也可以是决定性的，或者至少影响该处理。在图4所示的示例中，支承件7包括固体硅部分7a和介电组装层7b，该介电组装层优选地包括氧化物、与薄铁电层10直接接触。通过示例的方式，组装层7b可以由硅氧化物或硅氮化物制成，或者由这些材料组成的层的叠层形成。优选地，支承件7是电阻性的，以便避免与施加至电极11a、11b的高频信号电耦合，所述电耦合会影响高频信号的传播。固体部分7a因此可以由高电阻率的硅基板形成，也就是说，固体部分7a的电阻率大于1000欧姆-厘米，并且更优选地大于3000欧姆-厘米。
为了支持支承件7的电阻性质，在图4的示例中，已在固体部分7a与组装层7b之间插入了例如由多晶硅构成的电荷俘获层7c。这种层的形成及其对支承基板7的电阻率的贡献本身是众所周知的，并且其详细描述可以在文献FR2860341、FR2933233、FR2953640、US2015115480中找到。当然，可以使用除了提供由多晶硅构成的层的技术之外的技术来形成该电荷俘获层7c。该层还可以包括碳或由碳化硅或硅与碳的合金组成或者包括碳化硅或硅与碳的合金。另选地，可以通过相对重的物质(例如，氩)对支承件的表面部分进行离子轰击以在其中产生能够俘获电荷的晶体缺陷来在层7c中产生电陷阱。还可以提供由多孔材料制成的电荷俘获层7c，例如，当基板7由硅制成时，通过使基板7的表面部分多孔化。
已注意到，图4所示的器件在薄铁电层10下方未设有电极。介电组装层7b的存在不允许与薄铁电层10的背面接触。因此，不可能存在这种电极或形成电接触来对薄铁电层10进行极化，如在本申请的介绍中引用的现有技术中所记载的。
因此，重要的是提出一种制备薄铁电层10的方法，该方法可以保留或恢复该层10的单畴特征，而无需施加复极化电压。
参考图1和图2，并且为了允许制造图4所示的器件，本发明通常将第一铁电层3转移至支承基板7上，通过基于植入轻物质(诸如，氢物质)的转移技术从单畴铁电供体基板1获取第一层3。
根据该技术，在供体基板1的第一面4中植入氢，以在其中形成掩埋脆化平面2。以这种方式在脆化平面2与供体基板1的第一面4之间限定第一层3。然后将供体基板1的第一面4与支承件7组装在一起，在这种情况下借助于介电组装层7b来进行组装。然后在脆化平面2处使供体基板1断裂，例如，使用适度的热处理和/或施加机械力。然后第一层3从供体基板1脱离，以使第一层的自由面8暴露，薄层的另一面4与支承基板7的组装层7b直接接触。
通常需要提供制备如此转移至支承件7上以形成“有用的”薄层10的第一转移层3的步骤。这些步骤通常旨在改善薄层10的晶体品质及其表面状况(例如，薄层10的粗糙度)。这些制备步骤可以包括(例如，通过在下表中表示为“CMP”的化学机械抛光)对第一层3进行减薄的步骤和/或热处理的步骤(在铁电材料的情况下，该热处理的步骤可以是在中性或包含氧气的气氛中进行的约500℃的热处理，其在下表中表示为“TTH”)。将注意，对层3的自由面8进行热处理的该步骤与导致供体基板断裂的步骤是分开的。实际上，由于层3在断裂退火期间尚未完全释放，所以该热处理无法对该层的自由面进行处理。
然而，申请人已观察到，用于制备转移至支承基板7上的旨在形成薄层10的第一层3的方法可能导致在薄层10内产生多个铁电畴，从而赋予该薄层多畴性质。如前所述，这样的特征使得该层不适合其使用，因为它会影响要在转移薄层上/中形成的器件(例如，类似于图4所示的表面声学器件)的性能。
本申请的发明人已观察到制备第一层3的性质和步骤的顺序可以显著影响薄层10的铁电特性。根据这些最初观察结果，本申请的发明人已使用压电力显微镜(PFM)技术表征薄层10的表面的单畴或多畴性质对各种顺序的制备步骤进行了分析。下表总结了这些实验结果。
表1
可以看出(表的第1行)，在分离步骤结束时和在任何制备之前获得的第一层3表现出顺应铁电质量(也就是说，单畴)。然而，该层的表面状况和晶体品质需要应用制备步骤。
表的第4行对应于链接减薄和热处理(CMP+TTH)的方法，可以看出，在该处理结束时，薄层具有多畴铁电性质。
第2行和第3行分别表示减薄CMP或热处理TTH的单个步骤的应用。这两个步骤都会导致薄层3的特性不符合要求。
申请人意识到，通过顺序地应用热处理步骤TTH，随后进行减薄步骤CMP，所获得的薄层10具有铁电极化的单畴分布(如通过PFM在该层的表面上观察到的)和可接受的晶体和表面品质。
由申请人进行的另外分析使得可以确定薄层10中的多个铁电畴的形成可能与第一层3在其制备之前存在强氢浓度梯度有关。事实上，已观察到在具有这种梯度的层上施加热处理导致形成多个铁电畴。在限定第一层3的步骤期间植入在供体基板1中的氢根据在脆化平面2处具有浓度峰值的曲线(profile)分布在该基板中。断裂之后，转移至支承基板7上的第一铁电层3因此在其自由面8处具有显著的氢浓度(约为10^21at/cm^3)。该浓度在薄层的厚度上沿支承件7的方向减小，以达到约10^19at/cm^3的水平。
当制备步骤包括对第一层3进行减薄以使其厚度达到薄层10的目标厚度的第一步骤随后是热处理时，在减薄层(特别是减薄层的表面部分)仍然具有强氢梯度时施加热处理。这导致薄层10的氢梯度很大的厚度或表面部分转变成多个铁电畴。
当这两个步骤颠倒时，第一层3的具有强氢浓度梯度的表面部分转变成具有多个铁电畴。然而，第一层3的该多畴表面部分通过以下减薄步骤被消除。这使得可以提供具有所需单畴品质的薄层10。
应注意，热处理(无论是在减薄步骤之前还是之后进行)会导致扩散氢(该层的氢是饱和的)，并降低了沿该层厚度的梯度。可以随后应用于制备薄层10的热处理因此不太可能影响该层的单畴性质。
在薄层10被减薄之后，使用压电力显微镜观察薄层10的非常详细的分析还表明，该薄层10可能具有与组装层接触的掩埋多畴部分。使用测量限于约50nm的深度的简单的PFM表面观察不容易看到该掩埋多畴部分。
根据对多个样品的减薄层的PFM观察，申请人已确定介电组装层7b的性质对于在制备薄层10的方法的热处理期间在铁电层中重新分布氢而言起着重要作用。
当组装层7b富含氢时，如某些沉积氧化物或电介质的情况，该组装层形成氢源，热处理可以导致氢迁移到与该组装层接触的铁电层中。该氢尤其可以在该层与组装层7b的界面处积聚在铁电层中。这种迁移和这种积聚可以构成氢浓度梯度，使得铁电层的与组装层接触的部分能够在热处理期间发生多畴转变。
相比之下，当组装层7b相对贫氢(也就是说，组装层的氢浓度低于转移铁电层中的氢浓度)时，在由热处理引起的扩散期间，铁电层中多余的氢可以被吸收到组装层7b中。因此，这防止了氢在组装界面处的积累，并避免了铁电层的靠近该界面的部分中的多畴转变。
本发明利用这些结果和观察结果提出了一种制备薄层10的方法。更具体地，本发明涉及一种制备铁电材料的通过包括植入轻物质(诸如，氢物质)的转移技术(如前文大致所述)而从供体基板1转移至支承基板7上的薄层10的方法。存在多个实施方式来执行该转移。
根据图的1A至1D所示的第一实施方式，供体基板1由铁电材料(例如，LiTaO3、LiNbO3、LiAlO3、BaTiO3、PbZrTiO3、KNbO3、BaZrO3、CaTiO3、PbTiO3或KTaO3)的固体单畴块组成。供体基板1可以采用标准化大小(例如，直径为150mm或200mm)的圆形晶片的形式。然而，本发明绝不限于这些尺寸或这种形状。供体基板1可能已从铁电材料锭中去除，执行该去除使得供体基板1具有预定晶体取向。根据预期应用选择取向。因此，在旨在利用薄层的特性来形成SAW滤波器的情况下，通常的做法是选择介于30°RY至60°RY之间或介于40°RY至50°RY之间的取向。然而，本发明绝不限于特定晶体取向。
不管供体基板1的晶体取向如何，该方法包括将氢引入该供体基板1中。该引入可以对应于氢的植入，也就是说，供体基板1的平面4的氢离子轰击。自然可以预期通过引入其它轻物质(诸如，氦)来补充这种氢引入(例如，通过植入)。
以本身已知的方式并且如图1的1B所示，植入离子的目的是形成脆化平面2，该脆化平面对位于面4的一侧上的、待转移的铁电材料的第一层3以及形成基板的其余部分的另一部分5进行界定。
根据旨在转移的层的厚度和供体基板1的物理化学特性来选择植入物质的性质、剂量和植入能量。在供体基板1由LiTaO3制成的情况下，因此可以选择以介于30keV至300keV之间的能量植入介于1E16 at/cm2至5E17 at/cm2之间的氢剂量，以界定约200nm至2000nm的第一层3。
在如图1的1C所示的接下来的步骤中，将供体基板1的平坦面4与支承基板7的面6组装在一起。支承基板7可以与供体基板1具有相同的大小和相同的形状。出于可用性和成本原因，支承基板7是硅单晶晶片或多晶晶片。然而，更一般地，支承基板7可以由任何材料(例如，硅)甚至是电绝缘材料(诸如，蓝宝石或玻璃)形成，并且可以是任何形状。为了形成图4所示的器件，将选择由固体部分7a(该固体部分7a由高电阻硅制成)形成、设有电荷俘获层7b(例如，该电荷俘获层由多晶硅制成)的支承基板。
在组装步骤之前，可以考虑使用清洁、刷洗、干燥、抛光步骤或使用例如基于氧气或氮气的等离子体活化来制备待组装的基板的面。
组装步骤可以对应于通过分子粘附和/或静电接合使供体基板1与支承基板7紧密接触。为了便于两个基板1、7的组装，规定在待组装的支承基板7的面6上形成至少一个介电组装层7b。还可以或另选地还可以设置在待组装的供体基板1的面4上形成组装层，优选地在形成脆化平面2之前。换言之，可以至少部分地在两个基板1、7中的一者和/或另一者上形成介电组装层7。
介电组装层7b例如由硅氧化物形成，或更一般地由诸如Ta2O5、ZrO2或HfO的氧化物(这些氧化物能够像SiO2一样通过沉积而形成)或硅氮化物形成，并且厚度介于几纳米至几微米之间。组装层7b可以由不同类型的介电层的叠层构成。可以根据现有技术中已知的各种技术(诸如，热氧化或氮化处理、化学沉积(PECVD、LPCVD等))等来制造介电组装层7b。
通常，用于沉积或形成组装层的技术将是有利的，从而导致在其中结合了少量氢。应注意，形成该组装层的材料、其厚度及其形成技术的选择并非完全自由。这种选择可以特别地由电绝缘的特性、声波的传播和/或该层在最终结构中的附着力粘附以及根据预期应用来决定。最后，应注意，通过沉积特别是氧化物沉积来形成组装层通常是更容易且更普遍的，因为这种形成方法可以独立于支承件的性质并且在相对适中的温度(低于1000℃或950℃或甚至低于900℃(所述温度有时可能是由支承件7a的固体部分的性质或由俘获层7c的存在所强加的))下进行。
根据一个实施方式的重要特征，将注意确保介电组装层7b的氢浓度低于第一层3中的平均氢浓度。通过估计第一层3的大部分氢来自于被植入以形成脆化平面2的氢，可以通过将植入剂量(以at/cm^2为单位)除以第一层的厚度(以cm为单位)来确定氢的平均浓度。所述平均浓度通常介于10^20at/cm^3至10^22at/cm^3之间。通过示例的方式，在组装层7b由沉积在支承基板上的硅氧化物形成的情况下，该氧化物将在组装步骤之前被退火，以使其包含的大部分氢向外扩散(exodiffuse)。
通常，可以提供对组装层7b进行退火的步骤，其旨在使该介电层达到比用于制备第一转移层的热处理更高的温度，稍后这将在本说明书中进行描述。因此，该层可以遇到600℃、700℃或甚至800℃或更高的温度。在该外扩散步骤之后，组装层7b中的平均氢浓度因此可以小于5.10^20at/cm^3，或有利地小于10^18at/cm^3，或更有利地小于10^18at/cm^3。将注意，除了组装层的氢浓度之外，退火还可以改变组装层的特征。退火尤其可以降低氢的扩散率(也就是说，这种物质在形成组装层的材料中进行扩散的能力)，使得即使在相对高的浓度(约10^20at/cm^3)下氢也不太可能朝向第一层3扩散。
作为该实施方式的另选或补充，可以规定提供具有防止氢朝向第一层3扩散的阻挡层的介电组装层7b。通过示例的方式，组装层7b可以由如下叠层形成，该叠层由位于支承基板7a(或俘获层7c，当存在俘获层时)那一侧的第一氧化物(例如，硅氧化物)层和位于第一铁电层3那一侧的硅氮化物层形成。该氮化物层防止可能存在于硅氧化物层中的任何氢朝向第一铁电层3扩散。
根据又一种方法，可以规定介电组装层具有任何氢浓度，但是该层具有非常低的氢扩散率，因此氢保持充分地俘获在该层中，从而不会显著朝向薄层3扩散。
这种层可以由氧化物形成，例如，具有氮的、氮/氧比大于或等于0.01、0.05或0.1的硅氧化物SiON。当组装介电层7b基于硅氧化物SiON(这是非常常见的)时，因为这种材料具有众所周知的形成、粘附、电绝缘和声波传播的特征，所以可以决定不超过任何大于0.1或0.25的氮/氧比，以免过度改变这些特征并保持与简单硅氧化物SiO2的行为等效或接近的行为。应注意，这种富氮氧化物层可以很容易地通过沉积技术(例如，PECVD)形成，该沉积技术的载气中的至少一种载气可以选择为氮，氮可以以受控方式结合到氧化物层中。氮/氧比可以通过称为EDX(“能量色散X射线光谱法”)的技术进行测量，或者根据氧化层4中的通过SIMS(二次离子质谱)测量确定的氮和氧测量结果来确定。
介电组装层7b可以在其整个厚度上由具有低扩散率的材料(例如，如上所述的包含氮的氧化物)形成。
另选地，可以仅提供防止氢扩散至第一层3的阻挡层，该阻挡层由具有低扩散率的这种材料制成，如先前另选方案中所描述的。例如，可以通过在支承基板上进行沉积来形成具有高氢浓度的硅氧化物层，其中使用基于氮的等离子体来制备该层，以采用表面方式吸收该氮。因此，在该表面厚度上形成了富氮SiO阻挡层，其防止了氧化物的其余部分中所含的氢的扩散。
当支承件7a的固体部分设在具有包含硅的电荷俘获层7c的表面上时，可以设想通过在氧化性气氛中在低于950℃且优选地介于800℃至900℃之间的适中温度下对俘获层进行处理以对该俘获层的表面部分进行热氧化来形成介电组装层7b。这因此避免了例如通过使电荷俘获层7c经受高于950℃或900℃的高温而再结晶来损坏电荷俘获层7c。可选地，可以引入对如此氧化的俘获层7c的表面进行抛光的步骤，以使其与随后的组装步骤兼容。
不管介电组装层7b的性质和它所经历的处理如何，在该组装步骤结束时，提供了图1的1C中所示的组装件，该组装件包括两个相关联的基板，支承基板7的平坦面6借助于介电组装层7b粘附至供体基板1的平坦面4。
然后对该组装件进行处理，以通过脆化平面2处的断裂将铁电材料的第一层3与供体基板1分离。
因此，该分离步骤可以包括在约80℃至300℃的温度范围内对组装件应用热处理，以允许第一层3转移至支承基板7上。代替热处理或除了热处理之外，该步骤可以包括在脆化平面2处应用刀片或喷射气态或液态流体，或施加机械性质的任何其它力。
在该分离步骤之后，获得了图1的1D所示的结构9。该结构9包括铁电材料的第一层3，该第一层3包括第一自由面8和位于支承基板7上的第二面4(对应于供体基板的第一面)，介电组装层7b位于第一层3与支承件7的其余部分之间。
图2的2A至2D示出了特别适用于制造异质结构9的第二实施方式，其中第一层3的热膨胀系数与支承件的热膨胀系数非常不同，例如，相差超过10％。
参考图2的2A，在这种情况下，供体基板1由厚铁电材料层1a和操纵基板1b组成，该厚铁电材料层具有与关于第一实施方式针对铁电材料固体块描述的特性相同的特性。
有利地，操纵基板1b由提供有与构成支承基板7的材料的热膨胀系数接近的热膨胀系数的材料(或多种材料)形成。“接近”意味着操纵基板1b的热膨胀系数与支承件的热膨胀系数的差作为绝对值小于铁电材料固体块的热膨胀系数与支承基体7的热膨胀系数的差。
优选地，操纵基板1b和支承基板7具有相同的热膨胀系数。在供体基板1和支承件7的组装期间，形成了能够承受相对高温度下的热处理的结构。为了实现的简单性，这可以通过将操纵基板1b选择成使其由与支承基板7的材料相同的材料形成来获得。
为了形成本实施方式的供体基板1，首先例如根据如上所述的通过分子粘附的接合技术将铁电材料固体块与操纵基板1b组装在一起。然后，通过减薄(例如，通过研磨和/或化学机械抛光和/或刻蚀)来形成铁电材料层1a。在组装之前，可以规定在要接触的面中的一者和/或另一者上形成粘附层(例如，通过沉积硅氧化物和/或硅氮化物)。所述组装件可以包括应用低温热处理(例如，介于50℃至300℃之间，通常为100℃)，从而允许充分加强键合能，以允许进行下一步的减薄。
操纵基板1b的厚度被选择成与支承基板7的厚度基本相同。进行减薄步骤，使得厚层1a的厚度足够小以针对在方法的其余部分中施加的热处理期间生成的应力具有较低的强度。同时，该厚度是足够大的以能够去除第一层3或多个这样的层。例如，该厚度可以介于5微米至400微米之间。
该第二实施方式的方法的以下步骤与第一实施方式中描述的步骤相同。将氢植入厚层1a内，以生成脆化平面2，这标志着第一层3与供体基板1的其余部分5的分离，如图2的2B所示。该步骤之后是将供体基板1组装在支承基板7上的步骤，如图2的2C所示。将在供体基板1与支承基板7之间提供介电组装层7b，该组装层具有与在第一实施方式的上下文中提供的特性相同的特性。应注意，如果决定在本实施方式的待组装的供体基板1的面上形成硅氧化物层(或需要氢的向外扩散退火的任何其它性质的电介质)，则该硅氧化物层的厚度将限于几纳米(例如，小于10nm或50nm)，因为很难对该层应用向外扩散退火而不会有损坏由具有非常不同的热膨胀系数的材料的组装件组成的供体基板1的风险。
然后将第一层3与基板5的其余部分分离，以便获得图2的2D所示的结构9。
该实施方式的优点在于，由供体基板1和支承件7形成的组装件可以暴露于比第一实施方式中应用的温度高得多的温度，而没有基板中的一个基板不受控制地断裂或供体基板1的分层的风险。就该组装件的热膨胀系数而言，平衡结构因此使得可以通过将组装件暴露于相对高的温度(例如，介于100℃至600℃之间)来促进分离第一层3的步骤。
不管选择的实施方式如何并且如上所述，然后需要制备第一层3的步骤，以形成具有令人满意的晶体和表面质量的薄层10。
如图3的3A所示，该方法最初包括对第一转移层3的自由面8进行热处理。该热处理允许矫正第一层3中存在的晶体缺陷。另外，这有助于巩固该层3与支承件7之间的接合。上述研究表明，如果温度足够高，则这种热处理也具有使包含在第一层3特别是其表面部分中的氢发生扩散并引起该表面部分的多畴转变的效果。表面部分的厚度可以是约50nm或更小，并且可以建立在层3的整个范围内。在热处理结束时，铁电层10在其厚度上具有相对恒定并且介于10^18at/cm^3与10^19at/cm^3之间的氢浓度。应注意，由于上述组装层7b的特性，所以该组装层中所含的氢在退火期间不太可能朝向薄层3扩散和/或被困在存在于组装层7b与该层之间的界面处。因此，这避免了在该界面附近的该掩埋区中形成氢浓度梯度，并且以这种方式防止了该区域转化成具有多畴特性。
用于制备顺应薄层10的热处理使结构处于介于300℃与铁电材料的居里温度之间的温度(并且优选地大于或等于450℃、500℃或550℃以促进氢的扩散)长达介于30分钟至10小时之间的时段。热处理可以提供缓和的斜坡。该热处理优选地通过将第一层3的自由面8暴露于氧化性或中性气态气氛(也就是说，没有用可以防止氢的向外扩散的保护层覆盖薄层的该面)来进行。
参考图3的3B，所述制备方法还包括在热处理之后对薄层3进行减薄。这种减薄可以对应于薄层3的自由面8的抛光，例如，通过机械、化学-机械减薄技术和/或化学刻蚀。这使得能够制备自由面8以使其呈现低粗糙度，例如，通过原子力测量(AFM)小于0.5nm RMS 5×5μm，并且薄层10的多畴表面部分将被去除。通常提供100nm至300nm厚度的去除，以达到薄层10的目标厚度，并且在所有情况下是大于多畴表面部分的厚度的厚度。
因此，这构成了其整个厚度上的薄单畴层，该薄单畴层具有表面状况品质、晶体品质所需的品质。氢浓度低于第一层3的氢浓度或包括阻挡氢朝向第一层3扩散的阻挡件的介电组装层7b避免在薄层10的位于组装界面附近的掩埋区域中积聚过量的氢。这防止了该区域的多畴转变，所述多畴转变是不可能消除的。
当然，本发明不限于所描述的实施方式并且可以在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下添加变型。
Claims (19)
1.一种制备铁电材料的薄单畴层(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
-在铁电供体基板(1)的第一面(4)中植入轻物质，以形成脆化平面(2)并限定位于所述脆化平面(2)与所述供体基板(1)的所述第一面(4)之间的第一层(3)；
-借助于介电组装层(7b)将所述供体基板(1)的所述第一面(4)组装至支承基板(7)；
-在所述脆化平面(2)处使所述供体基板(1)断裂，以便将所述第一层(3)转移至所述支承基板(7)上并使所述第一层(3)的自由面(8)暴露；
-对所述第一层(3)进行精加工，该精加工包括对所述第一层(3)的所述自由面(8)进行热处理，然后对所述第一层(3)进行减薄，以形成所述薄单畴层(10)；
所述介电组装层(7b)包括氧化物，该氧化物的氢浓度低于所述第一层(3)的氢浓度或该氧化物防止氢朝向所述第一层扩散，或者所述介电组装层(7b)包括阻挡件，所述阻挡件防止氢朝向所述第一层(3)扩散。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述减薄包括施加至所述第一层(3)的所述自由面(8)的化学机械抛光。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述热处理是在介于300℃与构成所述第一层(3)的所述铁电材料的居里温度之间的温度下进行的，并且持续介于30分钟至10小时之间的时段。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述热处理是在氧化或中性气态气氛下进行的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述供体基板(1)包括选自LiTaO3或LiNbO3的铁电材料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述铁电材料具有介于30°RY至60°RY之间的晶体方向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述支承基板(7)的材料是硅。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述供体基板(1)是固体材料块。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述供体基板(1)包括位于操纵基板(1b)上的厚铁电材料层(1a)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述操纵基板(1b)的热膨胀系数与所述支承件(7)的热膨胀系数相同或接近。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第一层(3)的材料和所述支承基板(7)的材料具有不同的热膨胀系数。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述介电组装层(7b)包括具有氮的氧化物，所述氧化物的氮/氧比大于或等于0.01或0.05。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述介电组装层(7b)包括具有氮的硅氧化物，所述硅氧化物的氮/氧比介于0.01至0.25之间或介于0.05至0.01之间。
14.根据权利要求中1至13中任一项所述的方法，其中，所述介电组装层(7b)是由叠层形成的，所述叠层包括设置在所述支承基板(7a)那一侧的第一氧化物层和设置在所述第一层(3)那一侧的硅氮化物层。
15.一种器件，所述器件包括：
-铁电材料层的完全单畴的薄层(10)；
-介电组装层(7b)，所述介电组装层与所述薄层(10)接触，并且包括防止氢朝向所述薄层(10)扩散的氧化物，或者包括防止氢朝向所述第一层(3)扩散的阻挡件；
-支承件(7)，所述支承件与介电层接触。
16.根据权利要求15所述的器件，其中，所述支承基板(7)设有定位在所述支承件的固体部分(7a)与所述介电组装层(7b)之间的电荷俘获层(7c)。
17.根据权利要求15或16所述的器件，其中，所述介电组装层(7b)包括具有氮的氧化物，所述氧化物的氮/氧比大于或等于0.01或0.05。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的器件，其中，所述介电组装层(7b)包括具有氮的硅氧化物，所述硅氧化物的氮/氧比介于0.01至0.25之间或介于0.05至0.01之间。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的器件，其中，所述介电组装层(7b)是由叠层形成的，所述叠层包括设置在所述支承基板(7a)那一侧的第一氧化物层和设置在所述第一层(3)那一侧的硅氮化物层。
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