KR20200040807A - 나노급 단결정 필름 - Google Patents
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Abstract
나노급 단결정 필름을 제공한다. 상기 나노급 단결정 필름은 나노급 단결정 필름층, 제 1 전이층, 격리층, 제 2 전이층과 기판층을 포함하되, 제 1 전이층은 나노급 단결정 필름층과 격리층 사이에 위치하고, 제 2 전이층은 격리층과 기판층 사이에 위치하는데, 여기서, 제 1 전이층은 일정한 농도의 H 원소를 포함한다.
Description
본 공개는 나노급 단결정 필름에 관한 것으로, 구체적으로, 두께가 10nm~2000nm인 필름층을 포함하는 나노미터급 단결정 필름에 관한 것이다.
탄탈산리튬 단결정 필름과 니오브산리튬 단결정 필름 등 산화물 단결정 필름은, 전기기계 결합계수가 크기에, 압전 재료일 경우, 표면 탄성파(SAW)소자에 광범위하게 적용되는 재료로서, 광신호 처리, 정보 저장 및 전자 소자 등에 광범위한 용도가 있으며, 고주파수, 고대역폭, 고집적도, 대용량, 저에너지소모율의 광전자학 소자와 집적 광로 제조를 위한 기초재료로 사용될 수 있다.
소자 에너지소모율을 낮추고, 소자 체적을 감소시키고 소자 집적도를 향상시키는 수요가 높아질 수록, 웨이퍼의 두께 역시 얇아진다.
본 공개의 예시적 실시예는 단결정 필름과 기판 결합력을 개선할 수 있는 나노급 단결정 필름을 제공하였다.
본 공개의 예시적 실시예는 나노급 단결정 필름을 제공하는 것으로서, 상기 나노급 단결정 필름은 나노급 단결정 필름층, 격리층, 기판층 및 제 1 전이층과 제 2 전이층을 포함할 수 있고, 제 1 전이층은 나노급 단결정 필름층과 격리층 사이에 위치하고, 제 2 전이층은 격리층과 기판층 사이에 위치하는데, 여기서, 제 1 전이층은 일정한 농도의 H 원소를 포함한다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층은 플라즈마 처리할 때 사용되는 원소, 예를 들어 Ar, N 등과 같은 원소를 더 포함할 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층 중의 H 원소의 농도는 1×1019개의 원자/cc~1×1022개의 원자/cc일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름층의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬 또는 석영일 수 있고, 나노급 단결정 필름층의 두께는 10nm~2000nm일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 기판층의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 실리콘, 석영, 사파이어 또는 실리콘 카바이드일 수 있고, 기판층의 두께는 0.1mm~1mm일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 격리층은 실리카층일 수 있고, 격리층의 두께는 0.05μm~4μm일 수 있으며, 제 1 전이층의 두께는 2nm~10nm일 수 있고, 제 2 전이층의 두께는 0.5nm~15nm일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층과 제 2 전이층의 두께는 다를 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름층의 재료와 기판층의 재료는 같을 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름층의 재료와 기판층의 재료는 다를 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름층으로부터 격리층을 향하는 방향에서, 제 1 전이층 중의 나노급 단결정 필름층 원소의 함량은 점차적으로 낮아질 수 있고, 격리층 원소의 함량은 점차적으로 높아질 수 있으며; 격리층으로부터 기판층을 향하는 방향에서, 제 2 전이층 중의 격리층 원소의 함량은 점차적으로 낮아질 수 있고, 기판층원소의 함량은 점차적으로 높아질 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층 중의 H 원소는 최대농도 위치를 구비할 수 있고, 또한 제 1 전이층 중의 H 원소의 농도는 최대농도 위치로부터 각각 격리층과 나노급 단결정 필름층의 방향으로 점차적으로 낮아질 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름의 제 1 전이층과 제 2 전이층은 응력을 방출할 수 있고, 단결정 필름과 격리층 내의 결함을 줄여, 단결정 필름과 격리층의 품질을 향상시켜, 전송손실을 감소시키는 작용을 할 수 있고; 이밖에, 응력을 방출하면 경계면의 매질이 보다 균일해질 수 있어, 빛이 전파되는 과정에서 산란되는 것을 줄여, 전송손실을 줄인다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층 중의 H 원소는 단결정 필름의 결합력을 향상시키는데 유리하고, 상기 나노급 단결정 필름을 사용하여 필터 소자를 제조할 때 절단공정에서 큰 면적의 디본딩 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 나노급 단결정 필름의 사용율을 향상시킬 수 있고, 필터 소자를 제조하는 완성품 수율을 보다 더 향상시킬 수 있다.
이하 도면과 결부하여 예시적 실시예를 기술함으로써, 본 공개의 상기내용과 기타 목적과 특징이 보다 명확해질 것인 바, 여기서:
도 1은 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름을 나타내는 모식도이고;
도 2는 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 실리콘 기판의 나노급 탄탈산리튬 단결정 필름(LTOISI)을 나타내는 투과형 전자 현미경(TEM) 도이고;
도 3과 도 4는 각각 도 2 중의 A영역과 B영역의 TEM 확대도이고;
도 5는 LTOISI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이고;
도 6과 도 7은 각각 LTOISI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이고;
도 8은 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 니오브산리튬 기판의 나노급 니오브산리튬 단결정 필름(LNOI)을 나타내는 투과형 전자 현미경(TEM)도이고;
도 9와 도 10은 각각 도 8 중의 C영역과 D영역의 TEM 확대도이고;
도 11은 LNOI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이고;
도 12와 도 13은 각각 LNOI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이며;
도 14는 예시적 실시예에 따른 LTOISI샘플에 대한 결합력 테스트 실험을 나타내는 모식도이다.
도 1은 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름을 나타내는 모식도이고;
도 2는 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 실리콘 기판의 나노급 탄탈산리튬 단결정 필름(LTOISI)을 나타내는 투과형 전자 현미경(TEM) 도이고;
도 3과 도 4는 각각 도 2 중의 A영역과 B영역의 TEM 확대도이고;
도 5는 LTOISI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이고;
도 6과 도 7은 각각 LTOISI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이고;
도 8은 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 니오브산리튬 기판의 나노급 니오브산리튬 단결정 필름(LNOI)을 나타내는 투과형 전자 현미경(TEM)도이고;
도 9와 도 10은 각각 도 8 중의 C영역과 D영역의 TEM 확대도이고;
도 11은 LNOI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이고;
도 12와 도 13은 각각 LNOI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이며;
도 14는 예시적 실시예에 따른 LTOISI샘플에 대한 결합력 테스트 실험을 나타내는 모식도이다.
아래에, 본 공개의 실시예와 방법을 상세하게 설명하는 바, 이러한 실시예와 방법은 발명자가 현재 알고 있는 본 공개를 구현하는 가장 바람직한 방안을 이룬다. 그러나, 이해해야 할 것은, 공개된 실시예는 단지 각종 대체형식으로 구현되는 이 공개의 예시적 설명일 뿐이다. 따라서, 여기서 공개되는 구체적인 세부사항은 한정되는 것으로 이해해서는 아니되고, 이 공개의 임의의 방면의 대표적 기초 및/또는 본 분야의 당업자들이 다양한 형식으로 본 공개를 응용하는 대표적 기초를 시사한다.
기존의 연마에 의한 두께 감소 공정은 단결정 필름 두께를 수 미크론 내지 수십 미크론으로 감소시킬 수 있으나, 이 방법은 웨이퍼의 대부분 두께를 희생하여 생산원가를 증가시킬 뿐만 아니라, 미크론급 두께의 단결정 필름은 현재 장비의 단결정 필름 두께에 대한 요구를 충족시킬 수 없다. 본 공개의 발명자는 나노급의 니오브산리튬과 탄탈산리튬 필름이 관련 소자의 소형화, 고주파수 처리, 쾌속, 에너지 절약 방면에서 현저한 우세가 있다는 것을 발견하였다. 스마트 박리방법(Smart cut)을 사용하여 나노미터급 두께의 단결정 필름(박막)을 얻을 수 있다. 스마트 박리방법은 기기의 단결정 필름 두께에 대한 요구를 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나노미터급 두께의 단결정 필름을 얻는 동시에 나머지 웨이퍼를 희생시키지 않을 수도 있어, 웨이퍼의 이용율을 현저하게 향상시키고, 생산원가를 줄일 수 있다.
스마트 박리방법의 과정에서, 보편적으로 산화물 단결정 필름과 지지 기판을 결합한 후 분리시키는데, 단결정 필름과 기판의 결합력의 크기는 후기 제조소자에 절단 공정을 진행할 때의 완성품 수율에 직접 영향을 준다. 이를 위하여, 본 공개의 예시적 실시예는 단결정 필름과 기판 결합력을 개선할 수 있는 나노급 단결정 필름을 제공한다. 상기 나노급 단결정 필름은 필름층(박막층), 격리층과 기판층(substrate layer)을 포함할 수 있고, 필름층과 격리층 사이에 제 1 전이층(transition layer)을 구비하고, 격리층과 기판층 사이에 제 2 전이층을 구비한다.
이하, 도면을 참조하여 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름을 상세하게 기술한다.
도 1은 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름(10)은 필름층(100), 제 1 전이층(310), 격리층(400), 제 2 전이층(320)과 기판층(200)을 순차적으로 포함할 수 있다. 제 1 전이층(310)은 필름층(100)과 격리층(400) 사이에 위치하고, 제 2 전이층(320)은 격리층(400)과 기판층(200) 사이에 위치한다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름(10)은 웨이퍼의 형태로 제조될 수 있되, 이의 직경은 2인치~12인치일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 필름층(100)은 나노급 단결정 필름층이고, 압전 필름층일 수 있다. 필름층(100)의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬 또는 석영일 수 있다. 필름층(100)의 표면은 폴리싱(polishing)면이다. 필름층(100)의 두께는 10nm~2000nm이다. 바람직하게는, 필름층(100)의 두께는 10nm~200nm, 300~900nm, 또는 900nm~1500nm이다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 기판층(200)의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 실리콘(Si), 석영, 사파이어(sapphire) 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)일 수 있다. 기판층(200)의 두께는 0.1mm~1mm이다. 바람직하게는, 기판층(200)의 두께는 0.1mm~0.2mm, 0.3mm~0.5mm 또는 0.2mm~0.5mm일 수 있다. 본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 기판층(200)의 재료는 필름층(100)의 재료와 같을 수 있다. 그러나, 공개는 이에 의해 한정되지 않는데, 기판층(200)의 재료와 필름층(100)의 재료는 다를 수도 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 격리층(400)은 기판층(200)에 증착법 또는 산화법으로 제조되는 실리카(silicon dioxide)층일 수 있다. 격리층(400)의 두께는 0.05μm~4μm일 수 있다. 바람직하게는, 격리층(400)의 두께는 0.05μm~0.5μm, 0.5μm~1μm, 1μm~2μm 또는 2μm~3μm일 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층(310)과 제 2 전이층(320)은 비정질상태일 수 있고, 제 1 전이층(310)과 제 2 전이층(320)은 두께가 다르다. 제 1 전이층(310)의 두께는 2nm~10nm이고, 제 2 전이층(320)의 두께는 0.5nm~15nm이다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층(310)은 일정한 농도의 H 원소를 함유한다. 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 농도는 1×1019/cc~1×1022/cc일 수 있다. H 원소는 플라즈마 처리 후의 표면에 흡착되는 물분자로부터 유래되고, 수소결합을 형성할 수 있음으로써, 결합을 촉진하여 나노급 단결정 필름의 결합력을 증가한다. 따라서, 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 농도를 증가시켜 나노급 단결정 필름의 결합력을 증가시킬 수 있다.
본 공개의 예시적 예에 따르면, 다양한 방법으로 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 농도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 플라즈마의 처리시간을 연장하여 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 농도를 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 웨이퍼(예를 들어, 목표 필름 웨이퍼 및/또는 기판 웨이퍼)의 표면에 대해 플라즈마 처리를 30s~180s동안 진행하여, 처리된 웨이퍼 표면에 보다 많은 활성 관능기(예를 들어, -OH)가 생성될 수 있는데, 활성 관능기는 결합될 때 공기 중의 물분자가 상기 웨이퍼 표면에 흡착될 수 있도록 하여, H 원소가 결합면에 인입되게 한다. 바람직하게는, 웨이퍼의 표면에 60s~120s 동안 플라즈마 처리를 수행할 수 있다.
본 공개의 다른 예시적 실시예에 따르면, 웨이퍼의 표면에 플라즈마 처리를 진행할 때, 수분 함량이 조금 높은 고순도 기체를 선택하여 플라즈마 처리를 진행할 수 있어, 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 함량을 증가시킨다. 바람직하게는, 플라즈마 처리할 때 사용되는 고순도 기체의 수분함량(용적 분율)은 2×10-6보다 크다.
본 공개의 다른 예시적 실시예에 따르면, 플라즈마 처리된 웨이퍼의 표면에 탈이온수를 사용하여 메가소닉(megasonic) 세척을 진행하여, 제 1 전이층(310) 중의 H 원소의 함량이 증가되도록 할 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층(310)에 있어서, H 원소의 농도는 최대농도 위치를 구비하고 있고, H 원소의 농도는 그 최대농도 위치로부터 각각 필름층(100)과 격리층(400)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아진다. 이밖에, 본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층(310)과 제 2 전이층(320)은 플라즈마 처리할 때 사용되는 원소를 더 함유할 수 있는데, 예를 들어 Ar원소, N원소 등이 함유될 수 있다. 여기서, 제 2 전이층(320) 중의 Ar, N 등 원소는 제 1 전이층(310)으로부터 확산되어 온다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 1 전이층(310)은 필름층(100)과 격리층(400) 중의 고유 원소를 포함한다. 제 1 전이층(310)에 있어서, 필름층(100)의 원소의 농도는 필름층(100)으로부터 격리층(400)을 향하여 점차적으로 낮아지고, 격리층(400)의 원소의 농도는 격리층(400)으로부터 필름층(100)을 향하여 점차적으로 낮아진다. 본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 제 2 전이층(320)은 기판층(200)과 격리층(400) 중의 고유 원소를 포함하고, 제 2 전이층(320)에 있어서, 기판층(200)의 원소의 농도는 기판층(200)으로부터 격리층(400)을 향하여 점차적으로 낮아지고, 격리층(400)의 원소의 농도는 격리층(400)으로부터 기판층(200)을 향하여 점차적으로 낮아진다.
도 2는 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 실리콘 기판의 나노급 탄탈산리튬 단결정 필름(LTOISI)의 투과형 전자 현미경(TEM)도이고, 도 3과 도 4는 각각 도 2 중의 A영역과 B영역의 TEM확대도이다. 도 5는 LTOISI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이다. 도 6과 도 7은 각각 LTOISI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이다.
도 2 내지 도 7 중의 실리콘 기판의 나노급 탄탈산리튬 단결정 필름(LTOISI)의 필름층(100)은 탄탈산리튬(LiTaO3)층이고, 격리층(400)은 실리카(SiO2)층이며, 기판층(200)은 실리콘(Si)층이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 2 중의 필름층(100)과 격리층(400)의 경계면에 위치하는 A영역은 경계면이 뚜렷한 세 층을 포함하는데, 즉 필름층(100), 제 1 전이층(310)과 격리층(400)이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 2 중의 격리층(400)과 기판층(200)의 경계면에 위치하는 B영역은 경계면이 뚜렷한 세 층을 포함하는데, 즉 격리층(400), 제 2 전이층(320)과 기판층(200)이고, 여기서, 필름층(100)의 두께는 300nm이고, 격리층 SiO2의 두께는 200nm이며, Si 기판의 두께는 0.5mm이다.
도 5를 참조하면, 도 5 중의 동그라미로 그려진 영역은 LTOISI의 제 1 전이층(310)을 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 전이층(310) 중에는 고농도의 H 원소가 함유되고, H 원소는 제 1 전이층(310)에서 최대농도를 구비하되, H 원소의 농도는 최대농도 위치로부터 각각 필름층(100)과 격리층(400)을 향하여 낮아진다. LTOISI의 제 1 전이층(310) 중의 고농도의 H 원소는 LTOISI의 결합력이 향상되도록 한다.
이밖에, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 격리층(400)과 기판층(200) 사이의 제 2 전이층(320)에도 일정한 농도의 H 원소가 존재하는데, 이는 어닐링(annealing) 처리로 인하여 H 원소가 확산되기 때문이다.
도 6을 참조하면, LTOISI의 제 1 전이층(310)의 두께는 대략 2nm이고, 제 1 전이층(310)에 있어서, 필름층(100)의 Ta원소의 농도는 필름층(100)으로부터 격리층(400)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아지고, 격리층의 Si원소의 농도는 격리층(400)으로부터 필름층(100)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아진다. 이밖에, LTOISI의 결합면(제 1 전이층(310))은 Ar원소를 더 포함한다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, LTOISI의 제 2 전이층(320)의 두께는 대략 1nm이다. 제 2 전이층(320)에 있어서, 격리층(400)의 O원소의 농도는 격리층(400)으로부터 기판층(200)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아지고, 기판층(200)의 Si원소의 농도는 기판층(200)으로부터 격리층(400)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아진다. 이밖에, LTOISI의 제 2 전이층(320)에는, 제 1 전이층(310)으로부터 확산되어 오는 Ar원소가 더 존재할 수 있다.
도 8은 도 1의 나노급 단결정 필름과 대응되는 니오브산리튬 기판의 나노급 니오브산리튬 단결정 필름(LNOI)의 투과형 전자 현미경(TEM)도이고, 도 9와 도 10은 각각 도 8 중의 C영역과 D영역의 TEM확대도이다. 도 11은 LNOI의 이차 이온 질량 스펙트럼(SIMS)이다. 도 12와 도 13은 각각 LNOI의 결합면과 증착면의 원소 분포도이다.
도 8 내지 도 13 중의 니오브산리튬 단결정 필름(LNOI)의 필름층(100)은 니오브산리튬(LiNbO3)층(즉, 도 9와 도 10 중의 LN필름)이고, 격리층(400)은 실리카(SiO2)층이며, 기판층(200)은 니오브산리튬층이다. 도 8 내지 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, LNOI의 전이층(300)은 제 1 전이층(310)과 제 2 전이층(320)을 포함하고, 제 1 전이층(310)의 두께는 제 2 전이층(320)의 두께보다 작으며, 필름층(100), 제 1 전이층(310), 격리층(400), 제 2 전이층(320)과 기판층(200) 사이의 경계면이 뚜렷함으로써, 광이 필름 중에서 전파할 때의 산란 손실을 대폭적으로 줄일 수 있고, 나노급 단결정 필름의 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 실시예에서, LNOI의 필름층(100)의 두께는 500nm이고, 격리층(400)의 두께는 2000nm이며, 기판층(200)의 두께는 0.35mm이다.
도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, LNOI의 제 1 전이층(310)은 고농도의 H 원소를 포함하고, H 원소의 농도는 일정한 깊이 범위내에서 최대농도(최대농도 위치라고 칭함)를 구비하고, H 원소의 농도는 최대농도 위치로부터 각각 필름층(100)과 격리층(400)을 향하여 점차적으로 낮아진다.
도 12를 참조해보면, LNOI의 제 1 전이층(310)의 두께는 대략 3nm이다. LNOI의 제 1 전이층(310)에 있어서, 필름층(100)의 Nb원소의 농도는 필름층(100)으로부터 격리층(400)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아지고, 격리층의 Si원소의 농도는 격리층(400)으로부터 필름층(100)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아진다. 이밖에, LNOI의 결합면(제 1 전이층(310))은 Ar원소를 더 포함한다.
도 13을 참조하면, LNOI의 제 2 전이층(320)의 두께는 대략 10nm이다. 제 2 전이층(320)에 있어서, 격리층(400)의 Si원소의 농도는 격리층(400)으로부터 기판층(200)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아지고, 기판층(200)의 Nb원소의 농도는 기판층(200)으로부터 격리층(400)을 향하는 방향으로 점차적으로 낮아진다. 이밖에, LNOI의 제 2 전이층(320)에는, 제 1 전이층(310)으로부터 확산되어 오는 Ar원소가 더 존재할 수 있다.
제 1 전이층 중의 H농도와 단결정 필름 결합력의 관계를 보다 더 검증하기 위하여, 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름에 대하여 결합력 테스트 실험을 진행하였다. 도 14은 예시적 실시예에 따른 LTOISI 샘플에 대해 결합력 테스트 실험을 진행한 모식도이다.
직접인장법을 사용하여 나노급 단결정 필름에 대하여 결합력 테스트 실험을 진행한다. 기타 변수의 영향을 배제하기 위하여, 결합력 테스트 실험 중의 모든 나노급 단결정 필름 샘플은 LTOISI 샘플이고, 제 1 전이층 중의 H농도와 다른 것 이외에, 테스트된 LTOISI 샘플의 두께 등과 같은 기타 특성은 기본적으로 같다.
도 14를 참조하면, LTOISI샘플을 모두 2cm×2cm의 블록으로 절단하여, 절단된 샘플을 클램프(1)와 클램프(4) 사이에 위치시킨다. 기술의 편리를 도모하기 위하여, 여기서는 LTOISI샘플의 필름층(2)과 기판층(3)만 표시한다. LTOISI샘플의 필름층(2)의 상면은 접착제에 의하여 클램프(1)의 하면에 접착되고, LTOISI샘플의 기판층(3)의 하면은 접착제에 의하여 클램프(4)의 상면에 접착된다. 클램프(1)와 클램프(4)의 직경은 모두 1.5cm이다. 접착제가 완전히 경화된 후, 도 14에 도시된 바와 같이, 수직방향으로 LTOISI샘플에 인장력(F)을 인가하여, LTOISI샘플의 나노급 단결정 필름층이 기판층으로부터 이탈될 때 수요되는 인장력 크기를 테스트하도록 한다. 인장력이 클 수록, 나노급 단결정 필름샘플의 결합력이 더욱 크다는 것이 입증된다. 표 1은 상이한 H농도의 LTOISI 샘플에 대하여 결합력 테스트 실험을 수행한 데이터이다.
<표 1 결합력 테스트 실험 데이터>
표 1에 나타난 바와 같이, 제 1 전이층 중의 H농도가 클 수록, LTOISI 샘플의 필름층(2)이 기판층(3)으로부터 떨어질 때 수요되는 인장력이 더욱 크다. 따라서, 나노급 단결정 필름의 제 1 전이층 중의 H 원소 농도를 높여, 나노급 단결정 필름의 결합력을 향상시킬 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 나노급 단결정 필름의 제조방법은 적어도 하기의 단계를 포함한다: 즉, (1)산화물 단결정 웨이퍼(목표 필름 웨이퍼)의 결합면에 이온을 주입하여, 상기 산화물 단결정 웨이퍼 내에 이온 주입층을 형성하는 공정, (2)상기 산화물 단결정 웨이퍼와 기판 웨이퍼의 결합면에 대하여 플라즈마를 사용하여 활성화하는 공정, (3)세척된 산화물 단결정 웨이퍼와 기판 웨이퍼를 실온에서 결합시켜 결합체를 얻는 공정, (4)결합체를 열처리하여 산화물 단결정 필름을 이온 주입층으로부터 박리시키는 공정을 포함한다.
이하, 본 공개의 예시적 실시예에 따른 나노급 단결정 필름을 제조하는 방법을 상세하게 기술한다.
우선, 목표 필름 웨이퍼와 기판 웨이퍼를 준비한다. 목표 필름 웨이퍼는 니오브산리튬 웨이퍼, 탄탈산리튬 웨이퍼 또는 석영 웨이퍼 등일 수 있다. 기판 웨이퍼는 니오브산리튬 웨이퍼, 탄탈산리튬 웨이퍼, 실리콘(Si) 웨이퍼, 석영 웨이퍼, 사파이어 웨이퍼 또는 실리콘 카바이드 웨이퍼 등일 수 있다. 목표 필름 웨이퍼와 기판 웨이퍼는 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 목표 필름 웨이퍼의 두께는 100μm 내지 500μm일 수 있고, 기판 웨이퍼는 50μm 내지 2000μm일 수 있다.
이어서, 이온 주입법에 의하여 이온(예를 들어, H이온 또는 He이온)을 목표 필름 웨이퍼에 주입시켜, 목표 필름 웨이퍼가 필름층, 분리층과 잔여물층(이온을 주입하는 에너지가 최종 필름층의 두께를 결정한다)을 포함하도록 형성되게 한다. 분리층은 필름층과 잔여물층 사이에 위치한다. 이온 주입에 의하여, 형성될 나노급 단결정 필름의 필름층의 두께가 10nm~2000nm으로 되도록 제어할 수 있고, 두께 제어 정확도는 5nm 이내에 있다. 후속적인 화학기계 폴리싱에 의한 제거량이 매우 작기에, 화학기계 폴리싱의 필름 불균일성에 대한 악화작용을 충분히 줄여, 필름의 균일성이 30nm보다 작아질 수 있다.
그 다음, 증착법 또는 산화법을 사용하여 기판 웨이퍼의 하나의 표면에 격리층(예를 들어, SiO2층)을 형성하고, 격리층에 대해 어닐링 처리를 진행한다. 본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 열산화 또는 증착 등 공정에 의하여 예를 들어 SiO2을 포함하는 격리층을 형성한 후, 격리층에 대하여 어닐링 처리를 진행하여 내부의 불순물을 제거하고 응력을 없앨 수 있도록 할 수 있다. 선택가능한 것은, 격리층에 대하여 화학기계적 폴리싱을 진행하여, 직접 결합 공정에 수요되는 매끄러운 표면을 얻도록 할 수도 있다. 격리층을 목표 두께까지 폴리싱하여, 표면에 일정한 두께의 격리층이 피복된 기판 웨이퍼를 얻는다.
그 다음, 목표 필름 웨이퍼와 기판 웨이퍼을 세척하고, 예를 들어 Ar기체 등을 사용하여 세척된 목표 필름 웨이퍼의, 필름층이 형성된 표면(즉, 목표 필름 웨이퍼의 이온 주입한 표면) 및, 기판 웨이퍼 상의 격리층의 표면에 대하여 플라즈마 처리를 진행한다. 실온에서 플라즈마 처리된 표면을 접촉시켜 직접 결합시킴으로써, 결합체를 형성한다. 플라즈마 표면 처리방법은 무선 주파수 플라즈마 처리, 제트 플라즈마 처리, 상압 플라즈마 처리 등을 포함할 수 있다. 결합 공정은 예를 들어 공기 환경 중의 직접 결합, 진공결합, 가압 결합 등을 포함할 수 있다.
본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 플라즈마 처리는 결합면을 활성화시켜, 낮은 온도에서 매우 높은 결합력을 얻을 수 있다. 또한, 플라즈마 처리된 표면에 수많은 활성 관능기가 생성되는데, 활성 관능기는 공기 중의 물분자를 상기 표면에 흡착시킬 수 있어, H 원소가 결합면(즉, 전이층)에 인입된다. 전이층 중의 H 원소는 수소결합을 형성할 수 있어 결합 촉진하여 결합체의 결합력이 증가되도록 한다. 플라즈마 처리 시간을 연장하고, 수분 함량이 높은 기체 및 탈이온수를 사용하여 플라즈마 처리된 웨이퍼의 표면에 대하여 메가소닉 세척을 수행하는 등 방법으로 제 1 전이층 중의 H 원소의 함량을 증가시켜, 결합체의 결합력이 향상되도록 할 수 있다.
이어서, 결합체를 가열하여, 필름층과 잔여물층을 분리시킨다. 본 공개의 예시적 실시예에 따르면, 100℃~400℃의 온도에서 결합체를 가열하여, 주입층 중의 이온이 화학반응을 일으켜 기체 분자 또는 원자로 변화되어, 미세한 기포를 발생하고, 가열시간이 연장되거나 가열온도가 높아질 수록, 기포는 점점 많아지고, 체적 역시 점점 커진다. 이러한 기포가 함께 연결될 경우, 필름층과 잔여물층이 열적으로 분리되어, 필름층, 격리층과 기판층을 포함하는 초기 나노급 단결정 필름이 제조된다.
이어서, 300℃~600℃의 온도에서 얻어진 초기 나노급 단결정 필름에 어닐링 공정을 수행하여, 필름층에서 이온 주입에 인해 인입되는 격자결함이 없어지도록 하고, 어닐링된 초기 나노급 단결정 필름의 필름층을 예정된 두께로 될 때까지 화학기계적 폴리싱하여, 최종적으로 나노급 단결정 필름을 얻는다.
본 공개는 감소된 내부 결함을 갖고 있는 나노급 단결정 필름을 제공하는 것으로서, 나노급 단결정 필름의 제 1 전이층과 제 2 전이층은 응력을 방출할 수 있고, 단결정 필름과 격리층 내의 결함을 줄여, 단결정 필름과 격리층의 품질을 향상시켜, 전송손실을 감소시키는 작용을 일으킬 수 있고; 이밖에, 응력을 방출하면 경계면의 매질이 보다 균일해질 수 있어, 빛이 전파되는 과정에서 산란되는 것을 줄여, 전송손실을 줄인다.
본 공개는 증가된 단결정 필름의 결합력을 구비하는 나노급 단결정 필름을 제공하는 것으로서, 상기 나노급 단결정 필름은 두께가 10nm~2000nm인 필름층 및 필름층과 격리층 사이에 위치하여 일정한 농도의 H 원소를 포함하는 제 1 전이층을 포함한다. 나노급 단결정 필름이 증가된 결합력을 갖고 있기에, 상기 나노급 단결정 필름을 사용하여 필터 등과 같은 전자소자를 제조할 때, 절단 공정에서 큰 면적의 디본딩(debonding) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 나노급 단결정 필름의 사용율과 전자소자의 완성품율을 향상시킬 수 있다.
Claims (11)
- 나노급 단결정 필름으로서,
나노급 단결정 필름층;
격리층;
기판층; 및
나노급 단결정 필름층과 격리층 사이에 위치하는 제 1 전이층과, 격리층과 기판층 사이에 위치하는 제 2 전이층;을 포함하고,
여기서, 제 1 전이층은 일정한 농도의 H 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
제 1 전이층은 플라즈마 처리할 때 사용되는 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제 1 전이층 중의 H 원소의 농도는 1×1019개의 원자/cc~1×1022개의 원자/cc인 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
나노급 단결정 필름층의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬 또는 석영이고, 나노급 단결정 필름층의 두께는 10nm~2000nm인 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
기판층의 재료는 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 실리콘, 석영, 사파이어 또는 실리콘 카바이드이고, 기판층의 두께는 0.1mm~1mm인 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
격리층은 실리카층이고, 격리층의 두께는 0.05μm~4μm이며, 제 1 전이층의 두께는 2nm~10nm이고, 제 2 전이층의 두께는 0.5nm~15nm인 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제 1 전이층과 제 2 전이층은 두께가 다른 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
나노급 단결정 필름층의 재료와 기판층의 재료가 같은 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
나노급 단결정 필름층의 재료와 기판층의 재료가 다른 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
나노급 단결정 필름층으로부터 격리층을 향하는 방향에서, 제 1 전이층 중의 나노급 단결정 필름층 원소의 함량은 점차적으로 낮아지고, 격리층 원소의 함량은 점차적으로 높아지며; 격리층으로부터 기판층을 향하는 방향에서, 제 2 전이층 중의 격리층 원소의 함량은 점차적으로 낮아지고, 기판층 원소의 함량은 점차적으로 높아지는 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름. - 제 1 항에 있어서,
제 1 전이층 중의 H 원소는 최대농도 위치를 갖고 있고, 제 1 전이층 중의 H 원소의 농도는 최대농도 위치로부터 각각 격리층과 나노급 단결정 필름층의 방향으로 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는, 나노급 단결정 필름.
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Publications (1)
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