JP2021508088A - 複合単結晶薄膜 - Google Patents
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Abstract
本発明は複合単結晶薄膜を提供する。当該複合単結晶薄膜は基板１１０、基板上に配置される第１の遷移層１１５、第１の遷移層上に配置される第１の隔離層１２０、第１の隔離層上に配置される第２の遷移層１２５、第２の遷移層上に配置される第１の薄膜層１３０、第１の薄膜層上に配置される第３の遷移層１３５、第３の遷移層上に配置される第２の薄膜層１４０の７層の構造を含んでもよく、第１の遷移層、第２の遷移層、第３の遷移層はＨ、Ａｒを含んでもよい。
Description
本発明は、複合単結晶薄膜に関する。
ニオブ酸リチウム単結晶薄膜、タンタル酸リチウム単結晶薄膜は非線形の光学的特性、電気光学的特性、音響光学的特性に優れているため、光信号処理、情報記憶等の分野で幅広く利用されている。シリコン材料はその優れた電気的特性から、現在半導体業界で最も多く用いられる材料である。一方、シリコン材料は光学的性能が不足するため、光エレクトロニクス分野でその使用が制限されている。
本発明は、従来技術に存在する上記の技術的課題を解決することを目的とし、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜及びシリコン材料の両者の利点を組み合わせる複合単結晶薄膜を提供する。当該複合単結晶薄膜は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜の光学的特性及びシリコン単結晶薄膜の電気的特性の両方を利用して、性能が優れる部品を得ることができる。当該複合単結晶薄膜は安定的で、効率的な大量製造を実現できるため、幅広い利用が期待できる。
本発明は、複合単結晶薄膜を提供する。当該複合単結晶薄膜は、基板、基板上に配置される第１の遷移層、第１の遷移層上に配置される第１の隔離層、第１の隔離層上に配置される第２の遷移層、第２の遷移層上に配置される第１の薄膜層、第１の薄膜層上に配置される第３の遷移層、第３の遷移層上に配置される第２の薄膜層の７層の構造を含んでもよく、第１の遷移層、第２の遷移層、第３の遷移層はＨとＡｒを含んでもよい。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜は第１の薄膜層と第２の薄膜層との間に配置される第２の隔離層をさらに含んでもよく、且つ、第１の隔離層、第２の隔離層はいずれも二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層であってもよく、その厚さはいずれも０．００５μｍ〜４μｍであってもよい。
本発明の実施例において、第１の遷移層、第２の遷移層、第３の遷移層におけるＨの濃度は１×１０１９原子／ｃｃ〜１×１０２２原子／ｃｃであってもよく、第１の遷移層、第２の遷移層、第３の遷移層におけるＡｒの濃度は１×１０２０原子／ｃｃ〜１×１０２３原子／ｃｃであってもよい。
本発明の実施例において、第２の遷移層におけるＨの濃度は第１の隔離層、第１の薄膜層におけるＨの濃度のそれぞれより高くてもよく、第３の遷移層におけるＨの濃度は第１の薄膜層、第２の薄膜層におけるＨの濃度のそれぞれより高くてもよい。
本発明の実施例において、第１の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍであってもよく、第２の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍであってもよく、第３の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍであってもよい。
本発明の実施例において、第３の遷移層は第１の薄膜層に隣接する第１の下位遷移層と、第２の薄膜層に隣接する第２の下位遷移層とを含んでもよい。第１の下位遷移層において、第１の薄膜層の元素の濃度は第２の薄膜層の元素の濃度より高くてもよく、且つ、第１の薄膜層の元素の濃度は第１の下位遷移層から第２の下位遷移層に向けて漸次低減してもよい。第２の下位遷移層において、第２の薄膜層の元素の濃度は第１の薄膜層の元素の濃度より高くてもよく、且つ、第２の薄膜層の元素の濃度は第２の下位遷移層から第１の下位遷移層に向けて漸次低減してもよい。
本発明の実施例において、第１の薄膜層、第２の薄膜層はいずれもナノメートルレベルの厚さの単結晶薄膜であってもよく、その厚さは１０ｎｍ〜２０００ｎｍであってもよい。
本発明の実施例において、第１の薄膜層はニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜であってもよく、第２の薄膜層はシリコン単結晶薄膜であってもよい。
本発明の実施例において、第３の遷移層は、濃度がシリコン単結晶薄膜層からニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜層に向けて漸次低減するように第３の遷移層の全体に遍在するＳｉと、濃度がニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜層からシリコン単結晶薄膜層に向けて漸次低減し且つ第３の遷移層の全体に遍在するのではないＴａ又はＮｂとを含んでもよい。
本発明の実施例において、基板はシリコン基板、ニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸リチウム基板であってもよく、基板の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであってもよい。
次に、図面を参照して実施例を説明する。本発明に係る上記の構成及びその他の内容は明瞭かつ理解しやすくなる。
本発明の実施例の複合単結晶薄膜の構造を概略的に示す図である。
本発明の実施例の複合単結晶薄膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
図２に示す領域Ａの拡大図である。
図２に示す領域Ａの元素分布図である。
図２に示す領域Ｂの拡大図である。
図２に示す領域Ｂの元素分布図である。
図２に示す領域Ｃの拡大図である。
図２に示す領域Ｃの元素分布図である。
図２に示す領域Ａ及び領域Ｂの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の結果図である。
次に、図面を参照して本発明の実施例をより具体的に説明する。図面に本発明の実施例を示している。ただし、本発明は、以下に記載の実施例に限定されず、他にも様々な形態で実施することができる。これらの実施例を示すことで本発明は完全に理解され、且つ当業者が本発明の実施例の発想を十分に把握することができる。次の詳細の説明において、例を挙げる方式で多くの具体的な詳細を示すことで、その対象内容を十分に理解させる。一方、当業者はこれらの詳細がなくても本発明を実施できることが理解できる。そのため、従来の方法のステップ、要素を説明する際は本発明に係る多くの事項が不明瞭になることを避けるため、その詳細ではなく全体的に説明する。図面で同じ符号が同一の要素を示すため、重複する説明は省略される。図面の部分で、記載が明瞭になるように、各層又は領域のサイズ、その相対的なサイズを実際より誇張して記載する場合がある。
次に、図面を参照して本発明を十分に説明する。
図１は、本発明の実施例の複合単結晶薄膜の構造を概略的に示す図である。
図１に示すように、本発明の実施例の複合単結晶薄膜は、基板１１０と、基板１１０上に配置される第１の遷移層１１５と、第１の遷移層１１５上に配置される第１の隔離層１２０と、第１の隔離層１２０上に配置される第２の遷移層１２５と、第２の遷移層１２５上に配置される第１の薄膜層１３０と、第１の薄膜層１３０上に配置される第３の遷移層１３５と、第３の遷移層１３５上に配置される第２の薄膜層１４０とを含んでもよい。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜は、直径が２インチ〜１２インチのウェハー（ｗａｆｅｒ）として製造することができる。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜の基板１１０は主に支持物の役割を果たす。本発明の実施例において、基板１１０はシリコン基板、ニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸リチウム基板であってもよいが、本発明はこれらに限定されず、その他の適切な材料で製造することができる。さらに、本発明の実施例の基板１１０の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍであってもよい。好ましくは、基板１１０の厚さは０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ又は０．２ｍｍ〜０．５ｍｍである。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜の第１の隔離層１２０は基板１１０と第１の薄膜層１３０を隔離させるように構成される。シリコン等からなる基板１１０の屈折率はニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜の屈折率より大きく、且つ、この２種の材料の屈折率はいずれも二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の屈折率より大きいため、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素を用いて、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜と基板を隔離させるための第１の隔離層１２０を製造することができ、これによってニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜のライトフィールドが基板１１０に誤って結合することは避けられる。本発明の実施例において、第１の隔離層１２０は基板１１０及び第１の薄膜層１３０より屈折率が小さい材料（例えば、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素）で製造できるが、本発明はこれに限定されない。本発明の実施例において、第１の隔離層１２０の厚さは０．００５μｍ〜４μｍであってもよく、好ましくは、１００ｎｍ〜２μｍである。
本発明の別の実施例において、複合単結晶薄膜は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０との間に配置される第２の隔離層をさらに含んでもよく（図示せず）、第２の隔離層は二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層であってもよく、且つ、第２の隔離層の厚さは０．００５μｍ〜４μｍであってもよく、好ましくは、１００ｎｍ〜２μｍであるが、本発明はこれらに限定されない。第２の隔離層は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０の光学的な隔離の役割を果たすだけでなく、第１の薄膜層１３０の元素と第２の薄膜層１４０の元素の相互拡散を防ぐことで、第１の薄膜層１３０及び第２の薄膜層１４０が不純物に汚染されることを避け、第１の薄膜層１３０及び第２の薄膜層１４０の品質を確保することにより、第１の薄膜層１３０及び第２の薄膜層１４０の特性が影響を受けないことを確保する。
本発明の実施例において、第１の隔離層１２０及び第２の隔離層は例えば、堆積、酸化等の方法で基板１１０、第１の薄膜層１３０又は第２の薄膜層１４０にそれぞれ形成させることができるが、本発明はこれに限定されない。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜は材料が異なる第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０とを含み、第１の薄膜層１３０は光学特性に優れるニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜であってもよく、第２の薄膜層１４０は電気的特性に優れるシリコン単結晶薄膜であってもよい。第１の薄膜層１３０、第２の薄膜層１４０はいずれもナノメートルレベルの厚さを有してもよく、その厚さは１０ｎｍ〜２０００ｎｍである。好ましくは、第１の薄膜層１３０及び第２の薄膜層１４０の厚さは１０〜２００ｎｍ、３００ｎｍ〜９００ｎｍ又は１０００ｎｍ〜１５００ｎｍである。また、第２の薄膜層１４０の上面は研磨(ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ)面、又はマイクロメートルレベルもしくはサブマイクロメートルレベルの表面粗さを有する粗面である。
本発明の実施例において、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０、第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０はプラズマ結合の方法で結合することができるが、本発明はこれに限定されない。
本発明の実施例において、複合単結晶薄膜は、それぞれ独自の特性を有する３つの遷移層を含んでもよい。
本発明の実施例において、図１に示すように、第１の遷移層１１５は基板１１０と第１の隔離層１２０との間に配置されてもよく、その厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍであってもよい。
本発明の実施例において、第１の遷移層１１５は基板１１０及び第１の隔離層１２０の固有の元素を含んでもよい。第１の遷移層１１５において、基板１１０の元素の濃度は基板１１０から第１の隔離層１２０に行く方向に漸次低減してもよく、第１の隔離層１２０の元素の濃度は第１の隔離層１２０から基板１１０に行く方向に漸次低減してもよい。
本発明の実施例において、第２の遷移層１２５は第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０との間に配置されてもよく、その厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍであってもよい。
本発明の実施例において、第２の遷移層１２５は第１の隔離層１２０及び第１の薄膜層１３０の固有の元素を含んでもよい。第２の遷移層１２５において、第１の隔離層１２０の元素の濃度は第１の隔離層１２０から第１の薄膜層１３０に行く方向に漸次低減してもよく、第１の薄膜層１３０の元素の濃度は第１の薄膜層１３０から第１の隔離層１２０に行く方向に漸次低減してもよい。
本発明の実施例において、第３の遷移層１３５は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０との間に配置されてもよく、その厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍであってもよい。
さらに、本発明の実施例において、第３の遷移層１３５は第１の薄膜層１３０に隣接する第１の下位遷移層１３５ａと、第２の薄膜層１４０に隣接する第２の下位遷移層１３５ｂとを含んでもよい。第１の下位遷移層１３５ａの厚さは０〜５ｎｍであってもよく、第２の下位遷移層１３５ｂの厚さは０〜１０ｎｍであってもよいが、本発明の実施例はこれに限定されない。例えば、第１の下位遷移層１３５ａ及び第２の下位遷移層１３５ｂの厚さは後続のプロセス温度（例えば、アニーリング温度）の変化に応じて変更してもよい。
本発明の実施例において、第１の下位遷移層１３５ａは主に第１の薄膜層１３０の固有の元素を含み、第１の下位遷移層１３５ａにおいて、第１の薄膜層１３０の元素の濃度は第１の薄膜層１３０から第２の薄膜層１４０に行く方向に漸次低減してもよい。第２の下位遷移層１３５ｂは主に第２の薄膜層１４０の固有の元素を含み、第２の下位遷移層１３５ｂにおいて、第２の薄膜層１４０の元素の濃度は第２の薄膜層１４０から第１の薄膜層１３０に行く方向に漸次低減してもよい。
さらに、本発明の実施例において、第１の薄膜層１３０がニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜であり、且つ、第２の薄膜層１４０がシリコン単結晶薄膜である場合は、第３の遷移層１３５はＳｉ元素と、Ｔａ元素又はＮｂ元素とを含んでもよい。これにより、Ｓｉ元素が第３の遷移層１３５の全体に遍在し、即ちＳｉ元素は、濃度が第２の薄膜層１４０から第１の薄膜層１３０に行く方向に漸次低減するように第１の下位遷移層１３５ａ及び第２の下位遷移層１３５ｂの全体に遍在してもよい。Ｔａ元素又はＮｂ元素は第３の遷移層１３５の全体に遍在しなくてもよい。例えば、Ｔａ元素又はＮｂ元素は第１の薄膜層１３０に隣接する下位遷移層（第１の下位遷移層１３５ａ）のみに存在するか、少量のＴａ元素又はＮｂ元素は第１の薄膜層１３０から第２の薄膜層１４０に行く方向に漸次低減するように、第２の薄膜層１４０に隣接する下位遷移層（第２の下位遷移層１３５ｂ）の第１の薄膜層１３０に近い部分の厚さにおいて存在する。ただし、本発明の実施例はこれに限定されない。
本発明の実施例において、第１の遷移層１１５、第２の遷移層１２５、第３の遷移層１３５はＨ元素とＡｒ元素をさらに含む。第２の遷移層１２５と第３の遷移層１３５におけるＡｒ元素は第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０又は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０のプラズマ結合を行う時に使用されるプラズマに由来し、第１の遷移層１１５におけるＡｒ元素は第２の遷移層１２５と第３の遷移層１３５におけるＡｒ元素の拡散に由来する。第２の遷移層１２５及び第３の遷移層１３５が高い濃度のＨ元素を有するのは以下の原因が考えられる。プラズマを利用して第１の隔離層１２０、第１の薄膜層１３０又は第２の薄膜層１４０の表面を処理する時、プラズマがその表面に衝撃すると表面の状態を変え、前記表面に大量の活性官能基を生成させることで、表面が高い活性を有するからである。そのため、プラズマ処理後、空気に暴露されると、空気から大量の水分子を吸着するため、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０又は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０が結合すると、それらの接結合面に比較的高い濃度のＨ元素を有する。また、第１の遷移層１１５におけるＨ元素は第２の遷移層１２５と第３の遷移層１３５におけるＨ元素の拡散に由来する。これにより、第２の遷移層１２５及び第３の遷移層１３５における高い濃度のＨ元素は水素結合を形成して、結合を促進することで、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０の結合界面又は第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０の結合界面の結合力を増大させることができる。
本発明の実施例において、第１の遷移層１１５において、Ａｒ元素及びＨ元素の濃度はその最大濃度位置から基板１１０に行く方向と第１の隔離層１２０に行く方向にそれぞれ漸次低減し、その原因として以下のことが考えられる。材料表面の格子定数は一般に材料内部の格子定数よりわずか大きく、即ち材料表面の密度が材料内部の密度より小さい。異なる材料の基板１１０と第１の隔離層１２０の界面（即ち、第１の遷移層１１５）で、基板１１０及び第１の隔離層１２０の内部より密度が小さい。即ち、第１の遷移層１１５においてより多くの隙間があり、不純物原子を収容できる。そのため、遷移層内で基板１１０及び第１の隔離層１２０の内部よりＨ、Ａｒ元素の濃度が高い。第２の遷移層１２５において、Ａｒ元素及びＨ元素の濃度はその最大濃度位置から第１の隔離層１２０に行く方向と第１の薄膜層１３０に行く方向にそれぞれ漸次低減し、第３の遷移層１３５において、Ａｒ元素及びＨ元素の濃度はその最大濃度位置から第１の薄膜層１３０に行く方向と第２の薄膜層１４０に行く方向にそれぞれ漸次低減する。第１の遷移層１１５、第２の遷移層１２５、第３の遷移層１３５において、Ｈ元素の濃度は１×１０１９原子／ｃｃ〜１×１０２２原子／ｃｃであってもよく、Ａｒ元素の濃度は１×１０２０原子／ｃｃ〜１×１０２３原子／ｃｃである。好ましくは、Ａｒ元素の濃度は１×１０２０原子／ｃｃ〜１×１０２２原子／ｃｃ、１×１０２１原子／ｃｃ〜１×１０２２原子／ｃｃ、１×１０２２原子／ｃｃ〜１×１０２３原子／ｃｃである。
本発明の実施例の複合単結晶薄膜は第１の遷移層１１５と、第２の遷移層１２５と、第３の遷移層１３５とを有し、単結晶薄膜間の応力を分散することができる。応力の分散により単結晶薄膜の欠陥が減少し、単結晶薄膜の品質が向上するため、伝送損失を低減する効果がある。さらに、第１の遷移層１１５、第２の遷移層１２５、第３の遷移層１３５の表面が比較的平坦であり、平坦の表面により信号の伝送過程における散乱を軽減し、伝送損失を低減することができる。
次に、例を挙げて本発明をより詳細に説明する。ただし、これらの例は本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
複合単結晶薄膜の製造
実施例１：シリコン基板／ＳｉＯ２層／ニオブ酸リチウム単結晶薄膜／シリコン単結晶薄膜複合単結晶薄膜
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコン基板ウェハーを使用し、シリコン基板を洗浄した後、熱酸化法を利用して単結晶シリコン基板ウェハーの滑面に厚さが２μｍの二酸化ケイ素層を形成する。
実施例１：シリコン基板／ＳｉＯ２層／ニオブ酸リチウム単結晶薄膜／シリコン単結晶薄膜複合単結晶薄膜
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコン基板ウェハーを使用し、シリコン基板を洗浄した後、熱酸化法を利用して単結晶シリコン基板ウェハーの滑面に厚さが２μｍの二酸化ケイ素層を形成する。
サイズが３インチのニオブ酸リチウムウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して、ヘリウムイオン（Ｈｅ＋）をニオブ酸リチウムウェハーに注入し、ヘリウムイオンの注入エネルギーは２００ＫｅＶとし、注入量は４×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するニオブ酸リチウムウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたニオブ酸リチウムウェハーの薄膜層とシリコン基板の二酸化ケイ素層を結合することにより、結合体を形成する。次に、結合体を加熱装置に入れ、余剰層が結合体から分離してニオブ酸リチウム単結晶薄膜が形成されるまで３５０℃で保温する。次に、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）して４００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さのニオブ酸リチウム単結晶薄膜を得る。
サイズが３インチの単結晶シリコンウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して水素イオン（Ｈ＋）をシリコンウェハーに注入し、水素イオンの注入エネルギーは４０ＫｅＶとし、注入量は６×１０１６イオン／平方センチメートルとする。薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するシリコンウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたシリコンウェハーの薄膜層と上記のように得たニオブ酸リチウム単結晶薄膜ウェハーを結合して、別の結合体を得る。次に、当該結合体を加熱装置に入れ、シリコン単結晶薄膜ウェハーの薄膜層が結合体から分離してシリコン単結晶薄膜を上層とする複合構造が形成されるまで４００℃で保温し、次にこのように得た複合構造をオーブンに入れて５００℃で保温することで、注入損傷を解消する。最後に、シリコン単結晶薄膜を研磨し、２２０ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さの薄膜を２層有する複合単結晶薄膜製品を得る。
実施例２：シリコン基板／ＳｉＯ２層／ニオブ酸リチウム単結晶薄膜／ＳｉＯ２層／シリコン単結晶薄膜複合単結晶薄膜
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコンウェハーを基板として使用し、基板ウェハーを洗浄した後、熱酸化法を利用して基板ウェハーの滑面に厚さが２．５μｍの二酸化ケイ素層を形成する。
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコンウェハーを基板として使用し、基板ウェハーを洗浄した後、熱酸化法を利用して基板ウェハーの滑面に厚さが２．５μｍの二酸化ケイ素層を形成する。
サイズが３インチのニオブ酸リチウムウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して、ヘリウムイオン（Ｈｅ２＋）をニオブ酸リチウムウェハーに注入し、ヘリウムイオンの注入エネルギーは２００ＫｅＶとし、注入量は４×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するニオブ酸リチウムウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたニオブ酸リチウムウェハーの薄膜層とシリコン基板の二酸化ケイ素層を結合することにより、結合体を形成する。次に、結合体を加熱装置に入れ、余剰層が結合体から分離してニオブ酸リチウム単結晶薄膜が形成されるまで３５０℃で加熱して保温する。次に、ニオブ酸リチウム単結晶薄膜を研磨し、３００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さのニオブ酸リチウム単結晶薄膜を有する結合体を得る。
サイズが３インチの単結晶シリコンウェハーを使用し、その表面に厚さが５０ｎｍのＳｉＯ２を被覆し、イオン注入の方法を利用して、ＳｉＯ２に被覆されたシリコンウェハーに水素イオン（Ｈ＋）を注入し、水素イオンの注入エネルギーは４０ＫｅＶとし、注入量は６×１０１６イオン／平方センチメートルとし、これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するシリコンウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたシリコンウェハーの薄膜層と上記のように得たニオブ酸リチウム単結晶薄膜を結合して、別の結合体を得る。次に、当該結合体を加熱装置に入れ、シリコンウェハーの余剰層が結合体から分離してシリコン単結晶薄膜を上層とする複合構造が形成されるまで４００℃で加熱して保温し、次に、このように得た複合構造をオーブンに入れて６００℃で保温することで、注入損傷を解消する。最後に、シリコン単結晶薄膜を研磨し、２２０ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さの薄膜を２層有する複合単結晶薄膜製品を得る。
実施例３：シリコン基板／ＳｉＯ２層／タンタル酸リチウム単結晶薄膜／シリコン単結晶薄膜複合単結晶薄膜
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコン基板ウェハーを使用し、基板ウェハーを洗浄した後、熱酸化の方法を利用して基板ウェハーの滑面に厚さが６００ｎｍの二酸化ケイ素層を酸化形成する。
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有する単結晶シリコン基板ウェハーを使用し、基板ウェハーを洗浄した後、熱酸化の方法を利用して基板ウェハーの滑面に厚さが６００ｎｍの二酸化ケイ素層を酸化形成する。
サイズが３インチのタンタル酸リチウム単結晶薄膜ウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して、ヘリウムイオン（Ｈｅ＋）をタンタル酸リチウムウェハーに注入し、ヘリウムイオンの注入エネルギーは２００ＫｅＶとし、注入量は４×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するタンタル酸リチウムウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたタンタル酸リチウムウェハーの薄膜層とシリコン基板ウェハーの二酸化ケイ素層を結合して、結合体を形成する。次に、結合体を加熱装置に入れ、余剰層が結合体から分離してタンタル酸リチウム単結晶薄膜が形成されるまで３５０℃で保温する。次に、タンタル酸リチウム単結晶薄膜を研磨し、４００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さのタンタル酸リチウム単結晶薄膜を有する結合体を得る。
サイズが３インチの単結晶シリコンウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して水素イオン（Ｈ＋）をシリコンウェハーに注入し、水素イオンの注入エネルギーは８０ＫｅＶとし、注入量は６×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するシリコンウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、シリコンウェハーの薄膜層と上記のように得たタンタル酸リチウム単結晶薄膜を結合して、別の結合体を得る。次に、当該結合体を加熱装置に入れ、シリコンウェハーの余剰層が結合体から分離してシリコン単結晶薄膜を上層とする複合構造が形成されるまで４００℃で保温し、次に、このように得た複合構造をオーブンに入れて５００℃で保温することで、注入損傷を解消する。最後に、シリコン単結晶薄膜を研磨し、５００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さの薄膜を２層有する複合単結晶薄膜製品を得る。
実施例４：タンタル酸リチウム基板／ＳｉＯ２層／タンタル酸リチウム単結晶薄膜／シリコン単結晶薄膜複合単結晶薄膜
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有するタンタル酸リチウム基板ウェハーを使用し、基板ウェハーを洗浄した後、堆積法を用いて基板ウェハーの滑面に厚さが１．０μｍの二酸化ケイ素層を堆積させる。次に、二酸化ケイ素層が堆積された基板ウェハーにアニーリング処理を行う。次に、二酸化ケイ素層を所定の厚さ６００ｎｍに研磨する。
サイズが３インチで、厚さが０．４ｍｍであり且つ滑面を有するタンタル酸リチウム基板ウェハーを使用し、基板ウェハーを洗浄した後、堆積法を用いて基板ウェハーの滑面に厚さが１．０μｍの二酸化ケイ素層を堆積させる。次に、二酸化ケイ素層が堆積された基板ウェハーにアニーリング処理を行う。次に、二酸化ケイ素層を所定の厚さ６００ｎｍに研磨する。
サイズが３インチのタンタル酸リチウムウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して、ヘリウムイオン（Ｈｅ２＋）をタンタル酸リチウムウェハーに注入し、ヘリウムイオンの注入エネルギーは４００ＫｅＶとし、注入量は４×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するタンタル酸リチウムウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたタンタル酸リチウムウェハーの薄膜層と二酸化ケイ素層が堆積されたシリコン基板ウェハーの二酸化ケイ素層を結合して、結合体を形成する。次に、結合体を加熱装置に入れ、余剰層が結合体から分離してタンタル酸リチウム単結晶薄膜が形成されるまで３５０℃で保温する。次に、タンタル酸リチウム単結晶薄膜を研磨し、８００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さのタンタル酸リチウム単結晶薄膜を得る。
サイズが３インチの単結晶シリコンウェハーを使用し、イオン注入の方法を利用して水素イオン（Ｈ＋）をシリコンウェハーに注入し、水素イオンの注入エネルギーは８０ＫｅＶとし、注入量は６×１０１６イオン／平方センチメートルとする。これによって薄膜層、分離層、余剰層の３層の構造を有するシリコンウェハーを形成する。
プラズマ結合の方法を利用して、イオン注入されたシリコンウェハーの薄膜層と上記のように得たタンタル酸リチウム単結晶薄膜を結合して、別の結合体を得る。次に、当該結合体を加熱装置に入れ、シリコンウェハーの余剰層が結合体から分離してシリコン単結晶薄膜を上層とする複合構造が形成されるまで４００℃で保温する。最後に、シリコン単結晶薄膜を研磨し、５００ｎｍに薄肉化させることにより、ナノメートルレベルの厚さの薄膜を２層有する複合単結晶薄膜製品を得る。最後に、当該複合単結晶薄膜製品をオーブンに入れて５００℃で保温することで、注入損傷を解消する。
図２は、本発明の実施例１の複合単結晶薄膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。
図２に示すように、本発明の実施例の複合単結晶薄膜の基板１１０はシリコン基板であり、第１の隔離層１２０は二酸化ケイ素層であり、第１の薄膜層１３０はニオブ酸リチウム単結晶薄膜であり、第２の薄膜層１４０はシリコン単結晶薄膜である。図２から分かるように、本発明の実施例の複合単結晶薄膜は、基板１１０と第１の隔離層１２０との間に配置される第１の遷移層１１５と、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０との間に配置される第２の遷移層１２５と、第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０との間に配置される第３の遷移層１３５とを含む。本発明の実施例の複合単結晶薄膜で結合界面が明瞭であり、しかも境界線が平坦であるため、音波、光波の界面損失を大幅に低減し、部品の性能を向上させることができる。
図３は図２に示す領域Ａの拡大図であり、図４は図２に示す領域Ａの元素分布図である。
図３に示すように、複合単結晶薄膜の第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０との間に位置する領域Ａは、第１の薄膜層１３０、第１の下位遷移層１３５ａと第２の下位遷移層１３５ｂとを含む第３の遷移層１３５、第２の薄膜層１４０の、界面が明瞭な４層を含む。第１の下位遷移層１３５ａは第１の薄膜層１３０に隣接し、第２の下位遷移層１３５ｂは第２の薄膜層１４０に隣接し、且つ、第１の下位遷移層１３５ａ上に配置される。第１の下位遷移層１３５ａ及び第２の下位遷移層１３５ｂの厚さは複合単結晶薄膜のアニーリング温度に関係がある。
図４に示すように、複合単結晶薄膜の第１の薄膜層１３０と第２の薄膜層１４０との間の界面領域Ａにおいて、第１の薄膜層１３０がニオブ酸リチウム単結晶薄膜であり且つ第２の薄膜層１４０がシリコン単結晶薄膜である場合は、Ｓｉ元素は第２の薄膜層１４０に濃度最大値を有し、且つ、Ｓｉ元素の濃度が第１の薄膜層１３０から第２の薄膜層１４０に行く方向に漸次上昇し、且つ、Ｓｉ元素が第３の遷移層１３５の全体に遍在する。Ｎｂ元素及びＯ元素は第１の薄膜層１３０に濃度最大値を有し、Ｎｂ元素及びＯ元素の濃度が第２の薄膜層１４０から第１の薄膜層１３０に行く方向に漸次上昇し、且つ、Ｎｂ元素は第３の遷移層１３５の全体に遍在しない。さらに、第３の遷移層１３５に少量のＡｒ元素が存在する。
図５と図７はそれぞれ図２に示す領域Ｂと領域Ｃの拡大図である。図６と図８はそれぞれ図２に示す領域Ｂと領域Ｃの元素分布図である。
図５及び図７に示すように、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０との間、基板１１０と第１の隔離層１２０との間にいずれも厚さが非常に薄く、界面が明瞭で且つ平坦な遷移層を有し、即ち第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０との間の第２の遷移層１２５、基板１１０と第１の隔離層１２０との間の第１の遷移層１１５を有する。
図６に示すように、第１の薄膜層１３０がニオブ酸リチウム単結晶薄膜であり且つ第１の隔離層１２０が二酸化ケイ素層である場合は、第１の隔離層１２０と第１の薄膜層１３０との間の第２の遷移層１２５において、Ｓｉ元素は第１の隔離層１２０に濃度最大値を有し、且つ、Ｓｉ元素の濃度が第１の隔離層１２０から第１の薄膜層１３０に行く方向に漸次低減する。Ｎｂ元素は第１の薄膜層１３０に濃度最大値を有し、且つ、Ｎｂ元素の濃度が第１の薄膜層１３０から第１の隔離層１２０に行く方向に漸次低減する。さらに、第２の遷移層１２５に比較的高い濃度のＯ元素及び少量のＡｒ元素が存在する。
図８に示すように、第１の隔離層１２０が二酸化ケイ素層であり且つ基板１１０がシリコン基板である場合は、第１の隔離層１２０と基板１１０との間の第１の遷移層１１５において、Ｏ元素は第１の隔離層１２０に濃度最大値を有し、且つ、Ｏ元素の濃度が第１の隔離層１２０から基板１１０に行く方向に漸次低減する。Ｓｉ元素は基板１１０に濃度最大値を有し、且つ、Ｓｉ元素の濃度が基板１１０から第１の隔離層１２０に行く方向に漸次低減する。さらに、第１の遷移層１１５に少量のＡｒ元素が存在する。
図９は、図２に示す領域Ａ及び領域Ｂの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の結果図である。
図９に示すように、第２の遷移層１２５及び第３の遷移層１３５は高い濃度のＨ元素を含み、Ｈ元素の濃度は１×１０２０原子／ｃｃ〜１×１０２１原子／ｃｃであり、第２の遷移層１２５におけるＨの濃度は第１の隔離層１２０、第１の薄膜層１３０におけるＨの濃度のそれぞれより高くてもよく、第３の遷移層１３５におけるＨの濃度は第１の薄膜層１３０、第２の薄膜層１４０におけるＨの濃度のそれぞれより高くてもよい。高い濃度のＨ元素は結合界面の結合力を高めることができる。
本発明は複合単結晶薄膜を提供する。当該複合単結晶薄膜はニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜の優れた光学性能とシリコン材料の優れた電気的性能を組み合わせることで、複合単結晶薄膜の性能を向上させることができる。さらに、当該複合単結晶薄膜は表面が比較的平坦な遷移層を有するため単結晶薄膜間の応力を分散させ信号の伝送過程における散乱を軽減することができ、これによって単結晶薄膜の欠陥を減少し単結晶薄膜の品質を高め、伝送損失を低減する効果がある。
本明細書で例示的な実施例を用いて本発明を具体的に説明しているが、当業者にとって自明なように、特許請求の範囲及びその均等物によって限定される本発明の主旨と範囲から逸脱しなければ、実施形態と発明の詳細な事項に様々な変更をすることができる。上記の実施例は説明目的のものであり本発明を限定するためのものではない。よって、本発明の範囲は本発明の具体的な実施形態により限定されるのではなく、特許請求の範囲で限定される。当該範囲に該当する差異を含む内容も、そのすべてが本発明に含まれるように解釈される。
Claims (10)
- 基板と、
基板上に配置される第１の遷移層と、
第１の遷移層上に配置される第１の隔離層と、
第１の隔離層上に配置される第２の遷移層と、
第２の遷移層上に配置される第１の薄膜層と、
第１の薄膜層上に配置される第３の遷移層と、
第３の遷移層上に配置される第２の薄膜層とを含み、
第１の遷移層と、第２の遷移層と、第３の遷移層はＨとＡｒを含む、複合単結晶薄膜。 - 第１の薄膜層と第２の薄膜層との間に配置される第２の隔離層をさらに含み、且つ、第１の隔離層及び第２の隔離層は二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層であり、その厚さは０．００５μｍ〜４μｍである、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第１の遷移層と、第２の遷移層と、第３の遷移層におけるＨの濃度は１×１０１９原子／ｃｃ〜１×１０２２原子／ｃｃであり、第１の遷移層と、第２の遷移層と、第３の遷移層におけるＡｒの濃度は１×１０２０原子／ｃｃ〜１×１０２３原子／ｃｃである、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第２の遷移層におけるＨの濃度は第１の隔離層と第１の薄膜層におけるＨの濃度よりそれぞれ高く、第３の遷移層におけるＨの濃度は第１の薄膜層と第２の薄膜層におけるＨの濃度よりそれぞれ高い、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第１の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍであり、第２の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍであり、第３の遷移層の厚さは０．５ｎｍ〜１５ｎｍである、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第３の遷移層は第１の薄膜層に隣接する第１の下位遷移層と、第２の薄膜層に隣接する第２の下位遷移層とを含み、
第１の下位遷移層において、第１の薄膜層の元素の濃度は第２の薄膜層における元素の濃度より高く、且つ、第１の薄膜層の元素の濃度が第１の下位遷移層から第２の下位遷移層に向けて漸次低減し、
第２の下位遷移層において、第２の薄膜層の元素の濃度は第１の薄膜層の元素の濃度より高く、且つ、第２の薄膜層の元素の濃度が第２の下位遷移層から第１の下位遷移層に向けて漸次低減する、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。 - 第１の薄膜層と、第２の薄膜層はいずれもナノメートルレベルの厚さの単結晶薄膜であり、その厚さは１０ｎｍ〜２０００ｎｍである、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第１の薄膜層はニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜であり、第２の薄膜層はシリコン単結晶薄膜である、請求項１に記載の複合単結晶薄膜。
- 第３の遷移層は、
濃度がシリコン単結晶薄膜層からニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜層に向けて漸次低減するように第３の遷移層の全体に遍在するＳｉと、
濃度がニオブ酸リチウム単結晶薄膜又はタンタル酸リチウム単結晶薄膜層からシリコン単結晶薄膜層に向けて漸次低減し、且つ、第３の遷移層の全体に遍在しないＴａ又はＮｂとを含む、請求項８に記載の複合単結晶薄膜。 - 基板はシリコン基板、ニオブ酸リチウム基板又はタンタル酸リチウム基板であり、基板の厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍである、請求項１又は２に記載の複合単結晶薄膜。
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