KR20200045540A - 복합 단결정 필름 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 단결정 필름을 제공하는 바, 상기 복합 단결정 필름은, 기판(110); 기판에 위치하는 제 1 전이층(115); 제 1 전이층에 위치하는 제 1 격리층(120); 제 1 격리층에 위치하는 제 2 전이층(125); 제 2 전이층에 위치하는 제 1 필름층(130); 제 1 필름층에 위치하는 제 3 전이층(135); 및 제 3 전이층에 위치하는 제 2 필름층(140), 이 7층 구조를 포함할 수 있되, 여기서, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층은 H와 Ar를 포함할 수 있다.

Description

복합 단결정 필름
본 공개는 복합 단결정 필름에 관한 것이다.
니오브산리튬, 탄탈산리튬 단결정 필름은 우수한 비선형 광학 특성, 전기 광학 특성, 음향 광학 특성을 가지며, 광신호 처리, 정보 저장 등 분야에 널리 응용되고 있다. 실리콘 재료는 우수한 전기학 특성으로 인해, 현재 반도체 업계에서 가장 많이 응용되고 있는 재료로 되었다. 그러나, 실리콘 재료는 광학 방면의 성능이 결여되었기 때문에, 광전 분야에서의 실리콘 재료의 응용은 제한을 받고 있다.
종래기술에 존재하는 상기 기술적 난제를 해결하기 위하여, 본 공개는 니오브산리튬 또는 탄탈산리튬 단결정 필름과 실리콘 (규소) 재료 이 양자의 장점을 결합한 복합 단결정 필름(박막)을 제공하는데 목적이 있으며, 상기 복합 단결정 필름은 니오브산리튬 또는 탄탈산리튬 단결정 필름의 광학특성과 실리콘 단결정 필름의 전기학 특성을 동시에 이용하여, 성능이 우수한 소자를 획득할 수 있다. 상기 복합 단결정 필름은 안정적이고 효율적인 산업화 생산을 이룩할 수 있으며, 매우 광범위한 응용 전망을 갖는다.
본 공개에 따르면, 복합 단결정 필름(박막)을 제공하며, 상기 복합 단결정 필름은, 기판; 기판에 위치하는 제 1 전이층; 제 1 전이층에 위치하는 제 1 격리층; 제 1 격리층에 위치하는 제 2 전이층; 제 2 전이층에 위치하는 제 1 필름층; 제 1 필름층에 위치하는 제 3 전이층; 및 제 3 전이층에 위치하는 제 2 필름층 등 7층 구조를 포함할 수 있되, 여기서, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층은 H와 Ar를 포함할 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름은, 제 1 필름층과 제 2 필름층 사이에 위치하는 제 2 격리층을 더 포함할 수 있고, 제 1 격리층과 제 2 격리층은 모두 실리카(이산화규소)층 또는 질화규소층일 수 있으며, 그 두께는 모두 0.005μm 내지 4μm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층 중의 H의 농도는 1×1019원자/cc 내지 1×1022원자/cc일 수 있고, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층 중의 Ar의 농도는 1×1020원자/cc 내지 1×1023원자/cc일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 2 전이층 중의 H의 농도는 각각 제 1 격리층과 제 1 필름층 중의 H의 농도보다 높을 수 있고, 제 3 전이층 중의 H의 농도는 각각 제 1 필름층과 제 2 필름층 중의 H의 농도보다 높을 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 전이층의 두께는 0.5nm~15nm일 수 있고, 제 2 전이층의 두께는 0.5nm~10nm일 수 있으며, 제 3 전이층의 두께는 0.5nm~15nm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 3 전이층은 제 1 필름층에 인접하는 제 1 서브전이층과 제 2 필름층에 인접하는 제 2 서브전이층을 포함할 수 있다. 제 1 서브전이층에서, 제 1 필름층의 원소의 농도는 제 2 필름층 중의 원소의 농도보다 높을 수 있고, 제 1 필름층의 원소의 농도는 제 1 서브전이층으로부터 제 2 서브전이층을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다. 제 2 서브전이층에서, 제 2 필름층의 원소의 농도는 제 1 필름층의 원소의 농도보다 높을 수 있고, 제 2 필름층의 원소의 농도는 제 2 서브전이층으로부터 제 1 서브전이층을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 필름층과 제 2 필름층은 모두 나노(나노미터)급 두께를 갖는 단결정 필름일 수 있으며, 그 두께는 10nm~2000nm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 필름층은 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름일 수 있으며, 제 2 필름층은 실리콘 단결정 필름일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 3 전이층은, 전체 제 3 전이층에 분포되며, 농도가 실리콘 단결정 필름층으로부터 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름층을 향하여 점차적으로 낮아지는 Si; 전체 제 3 전이층에 분포되는 것이 아니되, 농도가 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름층으로부터 실리콘 단결정 필름층을 향하여 점차적으로 낮아지는 Ta 또는 Nb를 포함할 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 기판은 실리콘 기판, 니오브산리튬 기판 또는 탄탈산리튬 기판일 수 있으며, 기판의 두께는 0.1mm~1mm일 수 있다.
이하 도면과 결부하여 실시예를 기술함으로써, 이러한 실시예 및/또는 기타 양태는 명확해지고 보다 쉽게 이해될수 있는바, 도면에서,
도 1은 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름의 구조를 나타내는 개략도이고;
도 2는 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름을 나타내는 투과형전자현미경(TEM)도 이고;
도 3은 도 2에 나타난 영역 A의 확대도 이고;
도 4는 도 2에 나타난 영역 A의 원소분포도 이고;
도 5는 도 2에 나타난 영역 B의 확대도 이고;
도 6은 도 2에 나타난 영역 B의 원소분포도 이고;
도 7은 도 2에 나타난 영역 C의 확대도이며;
도 8은 도 2에 나타난 영역 C의 원소분포도 이고;
도 9는 도 2에 나타난 영역 A와 영역 B의 이차 이온 질량스펙트럼 (SIMS) 이다.
아래에 도면을 참조하여 본 공개의 실시예를 보다 상세히 기술하고, 도면에 본 공개의 실시예를 예시한다. 그러나, 본 공개는 여러 상이한 형태로 실시될 수 있고, 여기서 서술한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이며; 반대로, 이러한 실시예를 제공하여 본 개시가 철저하고 완전하도록 하며, 이러한 실시예는 본 분야의 당업자들에게 본 공개의 실시예의 구상을 충분히 전달하게 된다. 이하의 상세한 기술에서는, 예시적인 방식으로 다수의 구체적인 세부 사항을 서술함으로써, 관련 교시에 대한 충분한 이해를 제공하게 된다. 그러나, 본 분야의 당업자들에게 있어서, 본 교시가 이러한 세부 사항 없이 실시될 수 있음은 명백한 것이다. 기타 경우에는, 비교적 높은 수준으로, 세부 사항 없이, 공지의 방법, 단계와 부품을 기술하여, 본 교시의 복수의 양태가 불필요하게 흐려질 수 있는 것을 방지하게 된다. 도면에서 같은 도면부호는 같은 소자를 나타내므로, 이들에 대하여 반복하여 기술하지 않는다. 도면에서는, 명확하게 나타내기 위하여, 층과 영역의 크기와 상대 크기가 과장될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 공개를 보다 충분하게 기술하도록 한다.
도 1은 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름(박막)은 기판(110); 기판(110)에 위치하는 제 1 전이층(115); 제 1 전이층(115) 에 위치하는 제 1 격리층(120); 제 1 격리층(120)에 위치하는 제 2 전이층(125); 제 2 전이층(125)에 위치하는 제 1 필름층(130); 제 1 필름층(130)에 위치하는 제 3 전이층(135); 및 제 3 전이층(135)에 위치하는 제 2 필름층(140)을 포함할 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름은 웨이퍼를 제조할 수 있되, 이의 직경은 2인치~12인치일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름의 기판(110)은 주로 지지작용을 할 수 있다. 본 공개의 실시예에 따르면, 기판(110)은 실리콘 기판, 니오브산리튬 기판 또는 탄탈산리튬 기판일 수 있으나, 본 공개는 이에 한정되지 않고, 기타 적합한 재료를 사용하여 제조할 수 있다. 이외에, 본 공개의 실시예에 따른 기판(110)의 두께는 0.1mm~1mm일 수 있다. 바람직하게는, 기판(110)의 두께는 0.1mm~0.2mm, 0.3mm~0.5mm 또는 0.2mm~0.5mm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름의 제 1 격리층(120)은 기판(110)과 제 1 필름층(130)을 분리하기 위한 것이다. 예를 들어 실리콘 기판(110)의 굴절율이 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름의 굴절율보다 크고, 이 두 가지 재료의 굴절율이 모두 실리카 또는 질화규소의 굴절율보다 크기 때문에, 실리카 또는 질화규소를 사용하여 제 1 격리층(120)을 제조함으로써, 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름과 기판을 분리시켜, 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름의 광 필드가 기판(110)에 잘못 결합(커플링)되는 것을 방지할 수 있다. 본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 격리층(120)은 굴절율이 기판(110)의 굴절율과 제 1 필름층(130)의 굴절율보다 작은 재료(예를 들면, 실리카 또는 질화규소)로 제조할 수 있으나, 본 공개는 이에 한정되는 않는다. 본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 격리층(120)의 두께는 0.005μm 내지 4μm일 수 있으며, 바람직하게는, 100nm 내지 2μm이다.
본 공개의 다른 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름은 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이에 위치하는 제 2 격리층(미도시)을 더 포함할 수 있되, 제 2 격리층은 실리카층 또는 질화규소층일 수 있고, 제 2 격리층의 두께는 0.005μm 내지 4μm일 수 있으며, 바람직하게는, 100nm 내지 2μm이지만, 본 공개는 이에 한정되지 않는다. 제 2 격리층은 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)에 광학 격리 작용을 할 뿐만 아니라, 제 1 필름층(130)의 원소와 제 2 필름층(140)의 원소가 서로 확산되는 것을 저지할 수 있어, 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)이 불순물에 의해 오염되는 것을 방지하여, 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)의 품질을 보장함으로써, 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)의 특성이 영향 받지 않도록 보장한다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 격리층(120)과 제 2 격리층은 증착과 산화 등과 같은 방법을 통하여 기판(110)과 제 1 필름층(130) 또는 제 2 필름층(140)에 각각 형성될 수 있으나, 본 공개는 이에 한정되지 않는다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름은 상이한 재료를 갖는 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)을 포함하되, 제 1 필름층(130)은 우수한 광학 성질을 갖는 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름일 수 있고, 제 2 필름층(140)은 우수한 전기학 성질을 갖는 실리콘 단결정 필름일 수 있다. 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)은 모두 나노급 두께를 가질 수 있으며, 그 두께는 10nm~2000nm이다. 바람직하게는, 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)의 두께는 10~200nm, 300nm~900nm 또는 1000nm~1500nm일 수 있다. 이외에, 제 2 필름층(140)의 상면은 폴리싱면 또는 마이크로미터 또는 서브마이크로미터급 거칠기를 갖는 거친 표면일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 및 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)은 플라즈마 결합방법에 의해 함께 결합될 수 있으나, 본 공개는 이에 한정되지 않는다.
본 공개의 실시예에 따르면, 복합 단결정 필름은 세 개의 전이층을 포함할 수 있으며, 각각의 전이층은 모두 그 자체의 특성을 갖는다.
본 공개의 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 전이층(115)은 기판(110)과 제 1 격리층(120) 사이에 위치할 수 있으며, 그 두께는 0.5nm~15nm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 전이층(115)은 기판(110)과 제 1 격리층(120) 중의 고유 원소를 포함할 수 있다. 제 1 전이층(115)에서, 기판(110)의 원소의 농도는 기판(110)으로부터 제 1 격리층(120)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있고, 제 1 격리층(120)의 원소의 농도는 제 1 격리층(120)으로부터 기판(110)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 2 전이층(125)은 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이에 위치할 수 있으며, 그 두께는 0.5nm~10nm일 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 2 전이층(125)은 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 중의 고유 원소를 포함할 수 있다. 제 2 전이층(125)에서, 제 1 격리층(120)의 원소의 농도는 제 1 격리층(120)으로부터 제 1 필름층(130)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있고, 제 1 필름층(130)의 원소의 농도는 제 1 필름층(130)으로부터 제 1 격리층(120)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 3 전이층(135)은 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이에 위치할 수 있으며, 그 두께는 0.5nm~15nm일 수 있다.
이외에, 본 공개의 실시예에 따르면, 제 3 전이층(135)은 제 1 필름층(130)에 인접하는 제 1 서브전이층(135a)과 제 2 필름층(140)에 인접하는 제 2 서브전이층(135b)을 포함할 수 있다. 제 1 서브전이층(135a)의 두께는 0~5nm일 수 있고, 제 2 서브전이층(135b)의 두께는 0~10nm일 수 있으나, 본 공개의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 1 서브전이층(135a)과 제 2 서브전이층(135b)의 두께는 후속 공정의 온도(예를 들어, 어닐링 온도)가 변화함에 따라 달라질 수 있다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 서브전이층(135a)은 주로 제 1 필름층(130) 중의 고유 원소를 포함하고, 제 1 서브전이층(135a)에서, 제 1 필름층(130)의 원소의 농도는 제 1 필름층(130)으로부터 제 2 필름층(140)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다. 제 2 서브전이층(135b)은 주로 제 2 필름층(140) 중의 고유 원소를 포함하고, 제 2 서브전이층(135b)에서, 제 2 필름층(140)의 원소의 농도는 제 2 필름층(140)으로부터 제 1 필름층(130)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다.
이외에, 본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 필름층(130)은 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름이고, 제 2 필름층(140)은 실리콘 단결정 필름인 경우, 제 3 전이층(135)은 Si원소 및 Ta원소 또는 Nb원소를 포함할 수 있다. 이 경우, Si원소는 전체 제 3 전이층(135)에 분포되고, 즉 Si원소는 전체 제 1 서브전이층(135a)과 제 2 서브전이층(135b)에 분포될 수 있고, Si원소의 농도는 제 2 필름층(140)으로부터 제 1 필름층(130)을 향하여 점차적으로 낮아질 수 있다. Ta원소 또는 Nb원소는 전체 제 3 전이층(135)에 분포되는 것이 아닐 수 있으며, 예를 들면, Ta원소 또는 Nb원소는 제 1 필름층(130)과 인접하는 서브전이층(제 1 서브전이층(135a))에만 존재하거나, 소량의 Ta원소 또는 Nb원소는 제 2 필름층(140)과 인접하는 서브전이층(제 2 서브전이층(135b))의 제 1 필름층(130)에 근접한 부분 두께에 존재하며, Ta원소 또는 Nb원소의 농도는 제 1 필름층(130)으로부터 제 2 필름층(140)을 향하여 점차적으로 낮아진다. 그러나, 본 공개의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 전이층(115), 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)은 H원소와 Ar원소를 더 포함한다. 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135) 중의 Ar원소는 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 또는 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)을 플라즈마 결합할 때 사용되는 플라즈마로부터 유래되고, 제 1 전이층(115) 중의 Ar원소는 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135) 중의 Ar원소의 확산으로부터 유래된다. 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)이 높은 농도의 H원소를 갖는 이유는, 플라즈마를 사용하여 제 1 격리층(120), 제 1 필름층(130) 또는 제 2 필름층(140)의 표면을 처리할 때, 플라즈마가 그 표면에 가한 충격으로 인해 표면 상황이 개변되어, 표면이 대량의 활성기를 생성하도록 하게 됨으로써, 표면이 비교적 높은 활성을 갖기 때문이다. 따라서 플라즈마 처리 후 공기에 노출될 경우, 대량의 공기 중의 물분자를 흡착하게 되므로, 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 또는 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)이 결합한 후, 이들의 결합 경계면은 높은 농도의 H원소를 가지게 된다. 이외에, 제 1 전이층(115) 중의 H원소는 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135) 중의 H원소의 확산으로부터 유래된다. 이 경우, 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135) 중의 높은 농도의 H원소는 수소결합을 형성할 수 있어, 결합을 촉진하여 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이의 결합 경계면 또는 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이의 결합 경계면의 결합력이 증가되도록 한다.
본 공개의 실시예에 따르면, 제 1 전이층(115)에서, Ar원소와 H원소의 농도는 그 최대농도 부분으로부터 각각 기판(110)과 제 1 격리층(120)의 방향을 향하여 점차적으로 낮아지는데, 이는 재료 표면의 격자상수가 일반적으로 재료 내부의 격자상수보다 조금 크기 때문이며, 다시 말해서, 재료 표면의 밀도가 재료 내부의 밀도보다 작고, 상이한 재료를 갖는 기판(110)과 제 1 격리층(120) 사이의 경계면(즉, 제 1 전이층(115)) 부분에서, 밀도가 기판(110)과 제 1 격리층(120) 내부보다 작으며, 즉 제 1 전이층(115) 부분에서, 보다 많은 틈을 가져 불순물 원자를 수용하여, 전이층 내의 H, Ar의 원소 농도가 기판(110)과 제 1 격리층(120) 내부 보다 크게 되기 때문이다. 제 2 전이층(125)에서, Ar원소와 H원소의 농도는 그 최대농도 부분으로부터 각각 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130)의 방향을 향하여 점차적으로 낮아지며, 제 3 전이층(135)에서, Ar원소와 H원소의 농도는 그 최대농도 부분으로부터 각각 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140)의 방향을 향하여 점차적으로 낮아진다. 제 1 전이층(115), 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)에서, H원소의 농도는 1×1019원자/cc 내지 1×1022원자/cc일 수 있고, Ar원소의 농도는 1×1020원자/cc 내지 1×1023원자/cc이며, 바람직하게는, Ar원소의 농도는 1×1020원자/cc 내지 1×1022원자/cc, 1×1021원자/cc 내지 1×1022원자/cc와 1×1022원자/cc 내지 1×1023원자/cc이다.
본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름은 제 1 전이층(115), 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)을 가지므로, 단결정 필름 사이의 응력을 분산시킬 수 있으며, 응력의 분산은 단결정 필름의 결함을 줄여, 단결정 필름의 품질을 향상시켜, 전송손실을 감소하는 역할을 할 수 있다. 이외에, 제 1 전이층(115), 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)의 표면은 비교적 평평하며, 평평한 표면은 신호가 전파되는 과정에서 산란되는 것을 줄여, 전송손실을 줄일 수 있다.
이하의 예시를 통하여 본 공개를 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이러한 예시들은 어떠한 의미로든 본 공개의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
복합 단결정 필름의 제조
실시예 1: 실리콘 기판/SiO2층/니오브산리튬 단결정 필름/실리콘 단결정 필름 복합 단결정 필름
크기가 3인치이고, 두께가 0.4mm이며 매끄러운 표면을 갖는 단결정 실리콘 기판 웨이퍼를 준비하고, 실리콘 기판을 세척한 후, 열산화법을 사용하여 단결정 실리콘 기판 웨이퍼의 매끄러운 표면에 두께가 2μm인 한 층의 실리카층을 형성한다.
크기가 3인치인 니오브산리튬 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여, 헬륨 이온(He+)을 니오브산리튬 웨이퍼에 주입하되, 여기서 헬륨 이온의 주입 에너지는 200KeV이고, 선량은 4×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 니오브산리튬 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여 이온을 주입한 후의 니오브산리튬웨이퍼의 필름층과 실리콘 기판의 실리카층을 결합함으로써, 결합체를 형성하고; 다음 결합체를 가열장비 내에 넣어 350℃에서 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 니오브산리튬 단결정 필름을 형성할 때 까지 보온한다. 그후 니오브산리튬 단결정 필름을 폴리싱하여 400nm까지 엷게 함으로써, 나노급 두께를 갖는 니오브산리튬 단결정 필름을 얻는다.
크기가 3인치인 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여 수소 이온(H+)을 실리콘 웨이퍼에 주입하되, 수소 이온의 주입 에너지는 40KeV이고, 선량은 6×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여, 이온을 주입한 실리콘 웨이퍼의 필름층과 위에서 얻은 니오브산리튬 단결정 필름 웨이퍼를 결합함으로써, 다른 결합체를 얻는다. 다음 상기 결합체를 가열장비 내에 넣어 400℃에서, 실리콘 단결정 필름 웨이퍼의 필름층이 결합체로부터 분리되어 최상부층이 실리콘 단결정 필름인 복합 구조를 형성할 때 까지 보온하고, 다음 얻은 복합 구조를 오븐 내에 넣어 500℃에서 보온하여, 주입 손상을 없애며; 마지막으로 실리콘 단결정 필름을 폴리싱하여, 220nm까지 엷게 함으로써, 2층 나노급 두께 필름을 갖는 복합 단결정 필름 제품을 얻는다.
실시예2: 실리콘 기판/SiO2층/니오브산리튬 단결정 필름/SiO2층/실리콘 단결정 필름 복합 단결정 필름
기판으로서 크기가 3인치이고, 두께가 0.4mm이며 매끄러운 표면을 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 기판 웨이퍼를 세척한 후, 열산화법을 사용하여 기판 웨이퍼의 매끄러운 표면에 두께가 2.5μm인 한 층의 실리카층을 형성한다.
크기가 3인치인 니오브산리튬 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여, 헬륨 이온(He2+)을 니오브산리튬 웨이퍼에 주입하되, 헬륨 이온의 주입 에너지는 200KeV이고, 선량은 4×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 니오브산리튬 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여 이온을 주입한 후의 니오브산리튬 웨이퍼의 필름층과 실리콘 기판의 실리카층을 결합함으로써, 결합체를 형성한다. 다음 결합체를 가열장비 내에 넣어 350℃에서 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 니오브산리튬 단결정 필름을 형성할 때 까지 보온하고 가열한다. 그후 니오브산리튬 단결정 필름을 폴리싱하여, 300nm까지 두께가 감소되게 함으로써, 나노급 두께를 갖는 니오브산리튬 단결정 필름의 결합체를 얻는다.
크기가 3인치인 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 그 표면에 두께가 50nm인 한 층의 SiO2를 덮으며, 이온 주입 방법을 사용하여, 수소 이온(H+)을 SiO2로 덮여 있는 실리콘 웨이퍼에 주입하되, 수소 이온의 주입 에너지는 40KeV이고, 선량은 6×1016ions/cm2이며, 필름층, 분리층과 잔여물층 3층 구조의 실리콘 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여, 이온을 주입한 후의 실리콘 웨이퍼의 필름층과 위에서 얻은 니오브산리튬 단결정 필름을 결합함으로써, 다른 결합체를 얻고; 다음 상기 결합체를 가열장비 내에 넣어 400℃에서 실리콘 웨이퍼의 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 최상부층이 실리콘 단결정 필름인 복합 구조를 형성할 때 까지 보온하고 가열하며, 그 다음, 얻은 복합 구조를 오븐 내에 넣어 600℃에서 보온하여, 주입 손상을 없앤다. 마지막으로 실리콘 단결정 필름을 폴리싱하여, 220nm까지 두께가 엷어지게 함으로써, 2층 나노급 두께 필름을 갖는 복합 단결정 필름 제품을 얻는다.
실시예 3: 실리콘 기판/SiO2층/탄탈산리튬 단결정 필름/실리콘 단결정 필름 복합 단결정 필름
크기가 3인치이고, 두께가 0.4mm이며 매끄러운 표면을 갖는 단결정 실리콘 기판 웨이퍼를 준비하고, 기판 웨이퍼를 세척한 후, 열산화 방법을 사용하여 기판 웨이퍼의 매끄러운 표면에 산화로 두께가 600nm인 한 층의 실리카층을 형성한다.
크기가 3인치인 탄탈산리튬 단결정 필름 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여, 헬륨 이온(He+)을 탄탈산리튬 웨이퍼에 주입하되, 헬륨 이온의 주입 에너지는 200KeV이고, 선량은 4×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 탄탈산리튬 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여 이온을 주입한 후의 탄탈산리튬 웨이퍼의 필름층과 실리콘 기판 웨이퍼의 실리카층을 결합함으로써, 결합체를 형성하고; 다음 결합체를 가열장비 내에 넣어 350℃에서, 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 탄탈산리튬 단결정 필름을 형성할 때 까지 보온한다. 그후 탄탈산리튬 단결정 필름을 폴리싱하여 400nm까지 두께가 감소되게 함으로써, 나노급 두께를 갖는 탄탈산리튬 단결정 필름의 결합체를 얻는다.
크기가 3인치인 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여 수소 이온(H+)을 실리콘 웨이퍼에 주입하되, 수소 이온의 주입 에너지는 80KeV이고, 선량은 6×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여, 실리콘 웨이퍼의 필름층과 위에서 얻은 탄탈산리튬 단결정 필름을 결합함으로써, 다른 결합체를 얻고; 그 다음, 상기 결합체를 가열장비 내에 넣어 400℃에서, 실리콘 웨이퍼의 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 최상부층이 실리콘 단결정 필름인 복합 구조를 형성할 때 까지 보온하며, 그 다음, 얻은 복합 구조를 오븐 내에 넣어 500℃에서 보온하여, 주입 손상을 없애며; 마지막으로 실리콘 단결정 필름을 폴리싱하여, 500nm되기 까지 엷어지게 함으로써, 2층 나노급 두께 필름을 갖는 복합 단결정 필름 제품을 얻는다.
실시예 4: 탄탈산리튬 기판/SiO2층/탄탈산리튬 단결정 필름/실리콘 단결정 필름 복합 단결정 필름
크기가 3인치이고, 두께가 0.4mm이며 매끄러운 표면을 갖는 탄탈산리튬 기판 웨이퍼를 준비하고, 기판 웨이퍼를 세척한 후, 증착법을 사용하여 기판 웨이퍼의 매끄러운 표면에 두께가 1.0μm인 한 층의 실리카층을 층착시키며, 그후 실리카층이 증착되어 있는 기판 웨이퍼에 대하여 어닐링 처리를 진행하고; 다음 실리카층을 600nm인 목표 두께로 폴리싱한다.
크기가 3인치인 탄탈산리튬 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여, 헬륨 이온(He2+)을 탄탈산리튬 웨이퍼에 주입하되, 헬륨 이온의 주입 에너지는 400KeV이고, 선량은 4×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 탄탈산리튬 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여, 이온을 주입한 후의 탄탈산리튬 웨이퍼의 필름층과, 실리카층이 증착되어 있는 실리콘 기판 웨이퍼의 실리카층을 결합함으로써, 결합체를 형성하고; 다음 결합체를 가열장비 내에 넣어 350℃에서, 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 탄탈산리튬 단결정 필름을 형성할 때 까지 보온한다. 그후 탄탈산리튬 단결정 필름을 폴리싱하여 800nm으로 두께가 감소되게 함으로써, 나노급 두께를 갖는 탄탈산리튬 단결정 필름을 얻는다.
크기가 3인치인 단결정 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 이온 주입 방법을 사용하여 수소 이온(H+)을 실리콘 웨이퍼에 주입하되, 수소 이온의 주입 에너지는 80KeV이고, 선량은 6×1016ions/cm2이다. 필름층, 분리층과 잔여물층 등 3층 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼를 형성한다.
플라즈마 결합 방법을 사용하여, 이온을 주입한 후의 실리콘 웨이퍼의 필름층과 위에서 얻은 탄탈산리튬 단결정 필름을 결합함으로써, 다른 결합체를 얻고; 다음 상기 결합체를 가열장비 내에 넣어 400℃에서, 실리콘 웨이퍼의 잔여물층이 결합체로부터 분리되어 최상부층이 실리콘 단결정 필름인 복합 구조를 형성할 때 까지 보온하며, 마지막으로 실리콘 단결정 필름을 폴리싱하여 500nm으로 두께가 엷어지게 함으로써, 2층 나노급 두께 필름을 갖는 복합 단결정 필름 제품을 얻고; 마지막으로 상기 복합 단결정 필름 제품을 오븐 내에 넣어 500℃에서 보온하여, 주입 손상을 없앤다.
도 2는 본 공개의 실시예 1에 따른 복합 단결정 필름을 나타내는 투과형 전자 현미경(TEM)도이다.
도 2를 참조하면, 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름의 기판(110)은 실리콘 기판이고, 제 1 격리층(120)은 실리카층이며, 제 1 필름층(130)은 니오브산리튬 단결정 필름이고, 제 2 필름층(140)은 실리콘 단결정 필름이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름은 기판(110)과 제 1 격리층(120) 사이에 위치하는 제 1 전이층(115), 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이에 위치하는 제 2 전이층(125) 및 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이에 위치하는 제 3 전이층(135)을 포함한다. 본 공개의 실시예에 따른 복합 단결정 필름 중의 결합 경계면은 뚜렷하고 경계선은 비교적 평평하므로, 음파와 광파에 대한 경계면 손실을 대폭 줄여, 소자의 성능을 향상시킨다.
도 3은 도 2에 나타난 영역 A의 확대도이고, 도 4는 도 2에 나타난 영역 A의 원소 분포도이다.
도 3을 참조하면, 복합 단결정 필름의 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이에 위치하는 영역 A는 경계면이 뚜렷한 4층, 즉 제 1 필름층(130), 제 1 서브전이층(135a)과 제 2 서브전이층(135b)을 포함하는 제 3 전이층(135) 및 제 2 필름층(140)을 포함한다. 제 1 서브전이층(135a)은 제 1 필름층(130)과 인접하고, 제 2 서브전이층(135b)은 제 2 필름층(140)과 인접하며, 제 1 서브전이층(135a)에 위치한다. 제 1 서브전이층(135a)과 제 2 서브전이층(135b)의 두께는 복합 단결정 필름의 어닐링 온도와 관련된다.
도 4를 참조하면, 복합 단결정 필름의 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 사이의 경계면 영역 A에서, 제 1 필름층(130)이 니오브산리튬 단결정 필름이고 제 2 필름층(140)이 실리콘 단결정 필름인 경우, Si원소는 제 2 필름층(140)에서 농도 최고값을 가지며, Si원소의 농도는 제 1 필름층(130)으로부터 제 2 필름층(140)을 향하여 점차적으로 높아지고, Si원소는 전체 제 3 전이층(135)에 분포된다. Nb원소와 O원소는 제 1 필름층(130)에서 농도 최고값을 가지며, Nb원소와 O원소의 농도는 제 2 필름층(140)으로부터 제 1 필름층(130)을 향하여 점차적으로 높아지고, Nb원소는 전체 제 3 전이층(135)에 분포되는 것이 아니다. 이외에, 제 3 전이층(135)에는 소량의 Ar원소가 존재한다.
도 5와 도 7은 각각 도 2에 나타난 영역 B와 영역 C의 확대도이고, 도 6과 도 8은 각각 도 2에 나타난 영역 B와 영역 C의 원소 분포도이다.
도 5과 도 7을 참조하면, 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이 및 기판(110)과 제 1 격리층(120) 사이에는 모두, 두께가 얇으며 경계면이 뚜렷하고 평평한 전이층이 존재하며, 즉 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이에는 제 2 전이층(125)이 존재하고, 기판(110)과 제 1 격리층(120) 사이에는 제 1 전이층(115)이 존재한다.
도 6을 참조하면, 제 1 필름층(130)이 니오브산리튬 단결정 필름이고 제 1 격리층(120)이 실리카층인 경우, 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 사이의 제 2 전이층(125)에서, Si원소는 제 1 격리층(120)에서 농도 최대값을 가지며, Si원소의 농도는 제 1 격리층(120)으로부터 제 1 필름층(130)을 향하여 점차적으로 낮아진다. Nb원소는 제 1 필름층(130)에서 농도 최대값을 가지며, Nb원소의 농도는 제 1 필름층(130)으로부터 제 1 격리층(120)을 향하여 점차적으로 낮아진다. 이외에, 제 2 전이층(125)에는 비교적 높은 농도의 O원소와 소량의 Ar원소가 더 존재한다.
도 8을 참조하면, 제 1 격리층(120)이 실리카층이고 기판(110)이 실리콘 기판인 경우, 제 1 격리층(120)과 기판(110) 사이의 제 1 전이층(115)에서, O원소는 제 1 격리층(120)에서 농도 최대값을 가지며, O원소의 농도는 제 1 격리층(120)으로부터 기판(110)을 향하여 점차적으로 낮아진다. Si원소는 기판(110)에서 농도 최대값을 가지며, Si원소의 농도는 기판(110)으로부터 제 1 격리층(120)을 향하여 점차적으로 낮아진다. 이외에, 제 1 전이층(115)에는 소량의 Ar원소가 더 존재한다.
도 9는 도 2에 나타난 영역 A와 영역 B의 이차이온 질량 스펙트럼(SIMS)이다.
도 9를 참조하면, 제 2 전이층(125)과 제 3 전이층(135)에는 높은 농도의 H원소가 포함되되, H원소의 농도는 1×1020원자/cc 내지 1×1021원자/cc이고, 제 2 전이층(125) 중의 H의 농도는 각각 제 1 격리층(120)과 제 1 필름층(130) 중의 H의 농도보다 높을 수 있으며, 제 3 전이층(135) 중의 H의 농도는 각각 제 1 필름층(130)과 제 2 필름층(140) 중의 H의 농도보다 높을 수 있다. 높은 농도의 H원소는 경계면을 결합하는 결합력을 증가시킨다.
본 공개는 복합 단결정 필름을 제공하며, 상기 복합 단결정 필름은 니오브산리튬 또는 탄탈산리튬 단결정 필름의 우수한 광학 성능과 실리콘 재료의 우수한 전기학 성능을 함께 결합하여, 복합 단결정 필름의 성능을 향상시킨다. 이외에, 상기 복합 단결정 필름은 표면이 비교적 평평한 전이층을 가지므로 단결정 필름 사이의 응력을 분산할 수 있고 신호가 전파되는 과정에서 산란되는 것을 줄여, 단결정 필름의 결함을 줄이고 단결정 필름의 품질을 향상시켜, 전송손실을 감소하는 작용을 한다.
본 공개의 예시적인 실시예를 참조하여 본 공개를 구체적으로 예시하고 기술하였으나, 본 분야의 당업자라면, 첨부된 청구항과 이들의 균등물에 의해 한정된 본 공개의 사상과 범위를 벗어나지 않은 상황에서, 형태와 세부 사항에 대한 각종 변경이 가능함을 이해할 것이다. 실시예는 한정의 목적이 아닌 서술의 의미로만 고려되어야 한다. 따라서, 본 공개의 범위는 본 공개의 구체적인 실시형태에 의해 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 의해 한정되며, 상기 범위 내의 모든 차이는 본 공개에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 기판;
    기판 상에 위치하는 제 1 전이층;
    제 1 전이층 상에 위치하는 제 1 격리층;
    제 1 격리층 상에 위치하는 제 2 전이층;
    제 2 전이층 상에 위치하는 제 1 필름층;
    제 1 필름층 상에 위치하는 제 3 전이층; 및
    제 3 전이층 상에 위치하는 제 2 필름층을 포함하되,
    여기서, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층은 H와 Ar를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 단결정 필름은, 제 1 필름층과 제 2 필름층 사이에 위치하는 제 2 격리층을 더 포함하고, 제 1 격리층과 제 2 격리층은 이산화규소층 또는 질화규소층이며, 그 두께는 0.005μm 내지 4μm인 것을 특징으로 하는 복합 단결정 필름.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층 중의 H의 농도는 1×1019원자/cc 내지 1×1022원자/cc이고, 제 1 전이층, 제 2 전이층과 제 3 전이층 중의 Ar의 농도는 1×1020원자/cc 내지 1×1023원자/cc인 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2 전이층 중의 H의 농도는 각각 제 1 격리층과 제 1 필름층 중의 H의 농도 보다 높고, 제 3 전이층 중의 H의 농도는 각각 제 1 필름층과 제 2 필름층 중의 H의 농도 보다 높은 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 전이층의 두께는 0.5nm~15nm이고, 제 2 전이층의 두께는 0.5nm~10nm이며, 제 3 전이층의 두께는 0.5nm~15nm인 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 3 전이층은 제 1 필름층에 인접하는 제 1 서브전이층과 제 2 필름층에 인접하는 제 2 서브전이층을 포함하되,
    여기서, 제 1 서브전이층에서, 제 1 필름층의 원소의 농도는 제 2 필름층 중의 원소의 농도 보다 높고, 제 1 필름층의 원소의 농도는 제 1 서브전이층으로 부터 제 2 서브전이층을 향하여 점차적으로 낮아지며,
    제 2 서브전이층에서, 제 2 필름층의 원소의 농도는 제 1 필름층의 원소의 농도 보다 높고, 제 2 필름층의 원소의 농도는 제 2 서브전이층으로 부터 제 1 서브전이층을 향하여 점차적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 필름층과 제 2 필름층은 모두 나노급 두께를 갖는 단결정 필름이며, 그 두께는 10nm~2000nm인 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 1 필름층은 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름이며, 제 2 필름층은 실리콘 단결정 필름인 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 3 전이층은,
    전체 제 3 전이층에 분포되며 농도가 실리콘 단결정 필름층으로 부터 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름층을 향하여 점차적으로 낮아지는 Si;
    전체 제 3 전이층에 분포되는 것은 아니되, 농도가 니오브산리튬 단결정 필름 또는 탄탈산리튬 단결정 필름층으로 부터 실리콘 단결정 필름층을 향하여 점차적으로 낮아지는 Ta 또는 Nb를 포함하는 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    기판은 실리콘 기판, 니오브산리튬 기판 또는 탄탈산리튬 기판이며, 기판의 두께는 0.1mm~1mm인 것을 특징으로 하는, 복합 단결정 필름.
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