CORTE DE PELÍCULAS MONOCRISTALINAS UTILIZANDO IMPLANTACIÓN IÓNICA
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere en general al campo de la fabricación de dispositivos heterogéneos de circuito integrado utilizando películas monocristalinas unidas. Más particularmente, la invención se refiere a un método para desprender películas monocristalinas delgadas del cristal para unirlas sobre substratos de crecimiento incompatible. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las técnicas de despegue epitaxial se han utilizado desde 1987 para lograr la integración heterogénea de muchos circuitos integrados semiconductores III -V y elementales. Por ejemplo, el despegue epitaxial ha demostrado ser efectivo para integrar transistores bipolares de heterounion (HBT's) y láseres de diodo sobre silicio, arseniuro de galio y otros substratos comunes. Sin embargo, a pesar de éste éxito, ha sido imposible integrar dispositivos comprendidos de otros materiales importantes, es decir, materiales no semiconductores tales como los óxidos de metal, sobre estos substratos comunes. Ha surgido la necesidad de dispositivos de circuito integrado que combinen materiales no semiconductores con sustratos convencionales en el campo de los dispositivos - - electro-ópticos y magneto-ópticos. Por ejemplo, ha surgido la necesidad de dispositivos magneto-ópticos integrados en monocircuito, tales como aisladores ópticos, para su uso en redes de telecomunicaciones de fibra óptica. Aunque los aisladores comercialmente disponibles utilizan granate de hierro de itrio sustituido en masa por bismuto (Bi-YIG) , y otros aisladores convencionales integrados requieren de crecimiento epitaxial sobre granate de galio de gadolinio (GGG) , las tecnologías convencionales de crecimiento epitaxial están sujetas a las limitaciones de la química de alta temperatura, la estequiometría del complejo y el equilibrio reticular. De manera más importante, los métodos convencionales no son efectivos para crecer estructuras monocristalinas que exhiban buenas propiedades ópticas y magnéticas para combinarse con materiales semiconductores. Por ejemplo, los esfuerzos utilizando tecnología de crecimiento por bombardeo iónico no han sido exitosos en el crecimiento de películas monocristalinas con propiedades ópticas y magnéticas aceptables. En el campo de las comunicaciones por microondas, ha surgido otra necesidad de dispositivos de circuito integrado que combinen materiales no semiconductores con sustratos convencionales. Por ejemplo, ha surgido la necesidad de resonadores de agilidad de frecuencia que - -
requieren dispositivos de circuito integrado. Los resonadores de agilidad de frecuencia convencionales, hechos de materiales poli-cristalinos tales como los sólidos ferroeléctricos , son indeseables debido a su limitada amplitud de banda y tangentes de alta pérdida. En lugar de esto, es deseable construir resonadores de agilidad de frecuencia y otros circuitos de microondas integrados que estén hechos de películas monocristalinas ferroeléctricas o magnetoópticas . Además, las técnicas convencionales de despegue epitaxial desarrolladas para semiconductores III-V, hacen uso de las grandes proporciones diferenciales por ataque químico entre una capa sacrificial profunda y la estructura epitaxial de interés para desprender a ésta última de su sustrato de crecimiento. Por ejemplo, las antiguas técnicas de despegue epitaxial se basaban en la selectividad del ataque químico de alta humedad de una capa de arseniuro de aluminio (AlAs) sobre una capa de arseniuro de galio aluminio (AlxGai_xAs) . Trabajos subsecuentes han demostrado el despegue de capas epitaxialmente crecidas en otros materiales III-V, todos en base al ataque químico selectivo de capas epitaxiales sacrificiales. Adicionalmente , las técnicas de despegue epitaxial convencionales basadas en la implantación de iones, aún cuando utilizan diferentes mecanismos de separación, se han reportado en diamante O- implantado de alta dosis-alta - -
energía y en Si H+- implantado . Ver, "Single Crystal Diamond Píate Liftoff Achieved by Ion Implantation and Subsequent Annealing," ("Despegue de Placa de Diamante Monocristalino Logrado Mediante Implantación de Ion y el Subsecuente Templado") N.R. Parikh, J.D. Hunn, E. McGucken, M. L . , Swanson, C.W. White, R.A. Ruder, D.P. Malta, J.B. Posthill y R.J. Markunas, Appl . Phys . Lett. 61 (26), 28 de Diciembre de 1992 ; M. Bruel, Electron. Lett, vol . 31 en 1201 (1995). Las técnicas convencionales de unión para capas epitexialmente crecidas han incluido el uso de adhesivos y fuerzas van der aals sobre sustratos desnudos. SUMARIO DE LA INVENCIÓN En consecuencia, es un objeto de la presente invención proporcionar un método para desprender películas monocristalinas del cristal, tal como material epicapa/ sustrato o monocristalinas en masa, para unirlas sobre sustratos de crecimiento incompatible. Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método para desprender películas delgadas monocristalinas hechas de materiales magnéticos de granate, de . sustratos de crecimiento compatible para su uso en circuitos fotonicos integrados y de microondas. Es aún otro objeto de la presente invención proporcionar un método para desprender películas delgadas monocristalinas hechas de materiales ferroeléctricos , de - -
sustratos de crecimiento compatible o de cristal en masa para su uso en circuitos fotónicos integrados y de microondas. Es todavía otro objeto de la presente invención proporcionar un método para desprender películas delgadas monocristalinas , de sustratos de crecimiento compatible sin utilizar técnicas convencionales de ataque químico. Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un método para mejorar la selectividad por ataque químico y el desprendimiento de películas delgadas monocristalinas del cristal en masa. De este modo, se describen en adelante los métodos de corte de cristal por iones que sustancialmente superan las limitaciones antes descritas e inadecuaciones de los métodos convencionales de despegue epitaxial . En un método preferido de la presente invención, por ejemplo, se proporciona un método para desprender una película monocristalina del cristal. El cristal, por ejemplo, puede ser un cristal epicapa/sustrato o un cristal en masa. El método incluye las etapas de implantar iones dentro de la estructura de cristal para formar una capa de daño dentro de la estructura del cristal a una profundidad de implantación por debajo de una superficie superior plana de la estructura de cristal y después atacar químicamente la capa de daño para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina de la etructura de cristal. El método preferido de la presente invención es - -
especialmente útil para desprender películas de óxido de metal monocristalinas a partir de estructuras de cristal de óxido de metal . De acuerdo con otro método preferido de la presente invención, se proporciona un método para desprender una película monocristalina de una estructura de cristal, el método incluye las etapas de implantar iones dentro de la estructura de cristal para formar una capa de daño dentro de la estructura de cristal a una profundidad de implantación por debajo de una superficie superior plana de la estructura de cristal y después someter a la estructura de cristal con la capa de daño a un aumento rápido de temperatura para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina del sustrato de crecimiento compatible sin ataque químico. De acuerdo con aún otro método preferido de la presente invención, se proporciona un método para desprender una película monocristalina de una estructura de cristal, el método incluye las etapas de implantar iones dentro de la estructura de cristal para formar una capa de daño dentro de la estructura de cristal a una profundidad de implantación por debajo de una superficie plana de la estructura de cristal, unir la estructura de cristal a un segundo sustrato y someter la estructura de cristal con la capa de daño a un aumento rápido de temperatura para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina de la - -
estructura de cristal sin ataque químico. Además, se proporciona un método para mejorar el desprendimiento de una película monocristalina de una estructura de cristal en masa, el método incluye las etapas de: implantar iones dentro de la estructura de cristal en masa para formar una capa de daño a una profundidad de implantación por debajo de una superficie superior plana de la estructura de cristal en masa; rápidamente templar térmicamente la estructura de cristal en masa implantada de iones; y atacar químicamente la capa de daño dentro de la estructura de cristal en masa templada para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina de la estructura de cristal en masa. Aún adicionalmente , se proporciona un método para mejorar la selectividad por ataque químico entre una estructura de cristal en masa y una capa dañada por implantación de iones formada en la estructura de cristal en masa, el método incluye las etapas de implantar iones dentro de la estructura de cristal en masa para formar una capa de daño a una profundidad de implantación por debajo de una superficie superior plana de la estructura de cristal en masa; y rápidamente templar térmicamente la estructura de cristal en masa implantada de iones. Todavía adicionalmente, se proporciona un método para mejorar el desprendimiento de una película - -
monocristalina de una estructura de cristal en masa ferroeléctrica, el método incluye las etapas de: implantar iones dentro de la estructura de cristal en masa para formar una capa de daño a una profundidad de implantación por debajo de una superficie superior plana de la estructura de cristal en masa; rápidamente templar térmicamente la estructura de cristal en masa de implantación de iones; y atacar químicamente la capa de daño dentro de la estructura de cristal en masa templada para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina de la estructura de cristal en masa . Objetos adicionales, características y ventajas de la invención serán aparentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con las figuras que la acompañan que muestran modalidades ilustrativas de la invención . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para un total entendimiento de la presente invención y sus ventajas, se hace referencia ahora a la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos que la acompañan en los cuales los números de referencia similares indican características similares y en donde: Las Figuras 1A y IB son vistas laterales que muestran una estructura de cristal epicapa/sustrato y una estructura de cristal en masa, respectivamente, para - -
proporcionar una película monocristalina de acuerdo a los métodos preferidos de corte de cristal por iones de la presente invención; La Figura 2 es un diagrama de flujo que muestra las etapas de un método preferido para el corte de cristal por iones de películas monocristalinas ; La Figura 3 es un diagrama en vista lateral que muestra una etapa de la implantación de iones de acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2 ; La Figura 4 es un diagrama en vista lateral que muestra una etapa de la implantación de iones de acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2, mediante el cual se utiliza una estructura de cristal de epicapa/sustrato para formar una película monocristalina YIG o Bi -YIG; La Figura 5 es un diagrama en vista lateral que muestra una etapa de implantación de iones de acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2 mediante el cual se utiliza una estructura de cristal en masa para formar una película monocristalina LiNb03; La Figura 6 es una representación gráfica de una distribución de implantación para iones de helio 3.8 MeV en granate de hierro de itrio; Las Figuras 7A y 7B son vistas lateral y superior, respectivamente, que muestran una etapa por ataque químico de - -
acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2; La Figura 8 es un diagrama de flujo que representa un método preferido para el corte de cristal por iones mediante el cual el daño a la película monocristalina se minimiza por encapsulación; La Figura 9 es un diagrama de flujo que representa un método preferido para el corte de cristal por iones mediante el cual el daño residual reticular y el desvastado de la superficie se minimizan mediante el rápido templado térmico ; La Figura 10 muestra un método preferido para el corte de cristal por iones mediante el cual la estructura de cristal se expone a un rápido aumento de temperatura; La Figura 11 es un diagrama de flujo que representa un método preferido para el corte de cristal por iones mediante el cual la estructura de cristal se une a un segundo sustrato y se expone a un rápido aumento de temperatura; La Figura 12 es una vista lateral que muestra una estructura de cristal modificada para su uso con el método de la Figura 11 en donde un segundo sustrato se une directamente sobre la superficie superior de una película monocristalina; La Figura 13 es una vista lateral que muestra una estructura de cristal modificada para su uso con el método de la Figura 11 en donde un segundo sustrato se une - -
indirectamente sobre la superficie superior de una película monocristalina ; La Figura 14 ilustra diagramáticamente un método de corte de cristal por iones para mejorar la selectividad por ataque químico de una película LiNb03 monocristalina; La Figura 15 ilustra diagramáticamente un ejemplo de un dispositivo optoelectrónico que tiene una película LiNb03 monocristalina fabricada de acuerdo con el método de la Figura 14 ; La Figura 16 es un micrógrafo electrónico de exploración de película LiNb03 monocristalina con el cristal cortado por iones depositada sobre un sustrato de vidrio; La Figura 17 es una vista isométrica que ilustra la dirección de implantación de iones para películas LiNb03 obtenidas del corte de LiNb03 en masa para la segunda generación armónica (SHG) en una longitud de onda de 1.55 µp\; Las Figuras 18A y 18B son vistas isométrica y superior, respectivamente, que ilustran la formación de corte sesgado en una estructura de cristal en masa de acuerdo con el método de la Figura 14; Las Figuras 19A y 19B son representaciones gráficas de la longitud de corte sesgado contra los datos de tiempo que muestran el efecto del rápido templado térmico sobre el tiempo de corte sesgado en un cristal SHG LiNb03 en masa implantado con 3.8 MeV He+ (Figura 19A, factor de incremento - -
de la proporción por ataque químico >15) y 3.18 MeV He+ (Figura 19A, factor de incremento de la proporción por ataque químico >140) , respectivamente; La Figura 20 es una micrográfica electrónica de exploración de una película LiNb03 monocristalina orientada para SHG (implantación 3.8 MeV He+ , templado térmico rápido a 300°C/60 segundos) que muestra las ranuras de corte sesgado en la dirección de equilibrio de fase; y Las Figuras 21A y 21B muestran los datos SIMS normalizados de área He+ y Li, respectivamente, con y sin templado térmico rápido en LiNb03 implantada de 3.8 MeV He+ para un cristal en masa SHG. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las Figuras 1A y IB muestran estructuras de cristal para proporcionar las películas monocristalinas 12 y 19 de acuerdo a los métodos preferidos de corte de cristal por iones de la presente invención. Ambas Figuras 1A y IB muestran las porciones 15 y 18, respectivamente, para formar las películas monocristalinas 12 y 19, respectivamente. Ventajosamente, las estructuras de cristal de las Figuras 1A y IB pueden ser estructuras de cristal de óxido de metal que tienen las porciones de óxido de metal 15 y 18 para formar películas de óxido de metal monocristalinas. La Figura 1A muestra una estructura de cristal epicapa/sustrato 10A que tiene un sustrato 14, una epicapa 15 - -
crecida sobre una superficie superior del sustrato 14, una interfase epicapa/sustrato 16 y una capa de daño 17 formada en el sustrato 14 a una profundidad d por debajo de la superficie superior plana 13 de la estructura de cristal epicapa/sustrato 10A. Aunque la capa de daño 17 de la Figura 1A muestra estar bajo la interfase epicapa/sustrato 16, alternativamente la capa de daño 17 puede formarse dentro de la epicapa 15 según se requiera. La capa de daño 17 se forma mediante la implantación de iones como se explicará abajo en detalle. La epicapa 15 de la Figura 1A puede ser una epicapa de óxido de metal utilizada para formar una película de óxido de metal monocristalina . De este modo, la epicapa 15 puede ser una capa de material de granate magnético, de preferencia granate de hierro de itrio (YIG) , granate de hierro de itrio sustituido por bismuto (Bi-YIG) u otros materiales de granate, formada sobre la superficie superior 16 del granate de galio gadolinio (GGG) u otro sustrato de crecimiento-compatible. La epicapa de óxido de metal 15 puede ser también una capa de material ferroeléctrico, tal como el niobato de litio (LiNb03) o el titanato de estroncio (SrTi03) , formada sobre la superficie superior 16 de un sustrato de crecimiento compatible. Alternativamente, la estructura de cristal epicapa/sustrato 10A puede incluir una pluralidad de las epicapas de óxido de metal crecidas sobre el sustrato.
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La Figura IB muestra una estructura de cristal en masa 10B para formar una película monocristalina 19. La estructura de cristal en masa 10B incluye también una capa de daño 17 formada en la misma a una profundidad d por debajo de la superficie superior plana 14 de la estructura de cristal en masa 10B. Ventajosamente, la estructura de cristal en masa 10B puede ser una estructura de óxido de metal utilizada para formar una película de óxido de metal monocristalina. Como se muestra adicionalmente en la Figura 5, la estructura de cristal en masa 10B de la Figura IB es la estructura de cristal preferida para formar películas monocristalinas LiNb03 de acuerdo a los métodos preferidos de corte de cristal por iones de la presente invención. La Figura 2 muestra un método 20 preferido para el corte de cristal por iones de una película monocristalina, de una estructura de cristal . El método incluye las etapas de implantar iones dentro de una estructura de cristal para formar una capa de daño dentro del sustrato (Etapa 22) y atacar químicamente la capa de daño o "sacrificial" del sustrato (Etapa 24) . De preferencia, la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. La película monocristalina se separa con esto del sustrato para transferirla y unirla sobre una estructura de crecimiento incompatible tal como el arseniuro de silicio o de galio. La Figura 3 muestra una etapa de implantación de - -
iones de acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2. Aunque se muestra con respecto a una estructura de cristal epicapa/sustrato, la etapa de implantación de iones de la Figura 3 es aplicable también para desprender películas monocristalinas de estructuras de cristal en masa. Como se muestra en la Figura 3, los iones elementales 38 tal como el helio energético o iones de hidrógeno, por ejemplo, se implantan en una energía predeterminada dentro de una estructura de cristal epicapa/sustrato 30 que tiene un sustrato 37, una epicapa 34 formada sobre el sustrato 37 y una interfase epicapa/sustrato 35. Los iones pueden ser también iones químicamente reactivos, tal como de hidrógeno o boro, que se reaccionan con el retículo de cristal después de la implantación. Los iones se implantan a través de la epicapa 34 de modo que se forma una capa de daño 36 a una profundidad d por debajo de la superficie superior plana 31 de la estructura de cristal epicapa/sustrato 30. Alternativamente, la capa de daño 36 puede formarse dentro de la epicapa 34. La etapa de implantación de iones introduce defectos reticulares dentro de la estructura de cristal 30 al formar la capa de daño 36. Los defectos reticulares se introducen mediante la transferencia de energía hacia los núcleos objetivos en el retículo de cristal y se forman cercanos al extremo de las trayectorias iónicas. Dependiendo - -
de las especies seleccionadas de implantación y de la energía cinética de los iones, los defectos reticulares y así la capa de daño 36 se introducen dentro del sustrato 37 a una profundidad d por debajo de la superficie de la estructura de cristal 30. Con referencia de nuevo a la Figura 3, el grosor de la película monocristalina 32 se determina en consecuencia mediante la energía cinética de los iones implantados 38, que puede variar por consiguiente para producir el grosor deseado de la película. La capa de daño o capa "sacrificial", permite que la película monocristalina 32 se "corte" de la parte superior de la estructura de cristal 30 para transferirla y unirla sobre un sustrato de crecimiento incompatible . La Figura 4 muestra un método preferido de la
Figura 2, en donde se implantan iones de helio de 3.8 MeV ionizados por separado 48 normales a la superficie superior plana 41 de una estructura de cristal epicapa/sustrato 40 para formar una capa de daño 46 dentro de la estructura de cristal 40. La estructura de cristal 40 incluye una epicapa 42 YIG, BI-YIG o de otro granate, un sustrato 47 GGG u otro de crecimiento compatible y una interfase epicapa/sustrato 45. Durante la implantación, la dosis de implantación para los iones de helio de 3.8 MeV cargados por separado se encuentra normalmente en el orden de 5 X 1016 iones/cm2. Las - -
muestras se montan sobre un soporte de objetivo de dos pulgadas de diámetro enfriado por agua especialmente diseñado (no mostrado) para asegurar que la temperatura del sustrato se encuentre bajo 400°C. Como una precaución adicional, la corriente de emisión durante la implantación de iones se conserva baja, e.g., menor que 0.25 µ?/cm2. Esta precaución es necesaria para evitar la modificación de la absortividad óptica y la anisotropía magnética de la muestra durante la implantación de iones. La uniformidad de la implantación se revisa mediante cuatro copas Faraday (no mostradas) fuera del soporte de objetivo. De manera similar, como se muestra en la Figura 5, los iones 58 de helio de 3.8 eV ionizados por separado pueden implantarse normales a la superficie plana 51 de una estructura de cristal en masa 50 para formar una capa de daño 56 dentro de la estructura de cristal 40. La estructura de cristal en masa 50 puede comprenderse de un granate magnético o de material ferromagnético . En el método preferido como se muestra en las
Figuras 2 a 5, se elige ventajosamente una especie de implantación de bajo peso atómico, de preferencia helio, para producir una capa de daño profunda. Adicionalmente , el helio es deseable debido al perfil resultante de implantación y a la distribución del daño reticular en el cristal, que a su - -
vez se determina mediante la pérdida de energía por longitud de trayectoria unitaria o "poder de detención" . A altas energías iónicas, el "poder de detención" es dominado por la dispersión electrónica y se caracteriza por la teoría de Lindhard-Scharff -Schiott (LSS) . La teoría LSS predice un poder de detención proporcional a ?/?, en donde E es la energía cinética del ion implantado a lo largo de su trayectoria para iones de alta energía. A bajas energías, el "poder de detención" es inversamente proporcional a E2 y se caracteriza principalmente por la dispersión de Rutherford con el núcleo base. La Figura 6 muestra un perfil de distribución de implantación para iones de helio implantados a 3.8 MeV de energía dentro de una estructura de cristal YIG/GGG. El perfil de distribución de implantación de la Figura 6 se basa en los resultados de estimulación de cálculos de transporte de iones en materia (TRIM) , que equilibran los valores verdaderos de distribución de implantación para iones de helio implantados a 3.8 MeV de energía dentro de una estructura de cristal YIG/GGG. Ventajosamente, el perfil de implantación se estrecha y se concentra a aproximadamente 9 µ?? por debajo de la superficie de la estructura de cristal. El perfil de distribución de implantación para iones de helio implantados a 3.8 MeV de energía dentro de una estructura de cristal Bi -YIG/GGG exhibe una profundidad de implantación - -
casi idéntica. De nuevo con referencia al método preferido 20 de la Figura 2, la etapa de implantación de iones 22 es seguida por una etapa de ataque químico para disolver la capa de daño o "sacrificial" del sustrato de la estructura de cristal. De preferencia, la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. Una vez que se disuelve la capa de daño mediante la etapa de ataque químico, la película monocristalina se desprende del sustrato y se hace disponible para transferirla y unirla sobre un sustrato de crecimiento incompatible. Las Figuras 7A y 7B son vistas lateral y superior, respectivamente, que muestran una etapa de ataque de acuerdo al método de corte de cristal por iones de la Figura 2. Como se muestra en la Figura 7A, se aplica un atacante químico a una estructura de cristal epicapa/sustrato 70 que tiene un sustrato 77, una epicapa 74 formada sobre una superficie superior del sustrato 77 y una capa de daño 7S. Después del periodo de ataque apropiado, el atacante químico ocasiona que la capa de daño 76 se disuelva y la película monocristalina se separe del sustrato 77. El efecto del atacante químico es el mismo ya sea que la capa de daño 76 esté formada dentro del sustrato 77 o dentro de la epicapa 74 en sí. Sin embargo, la proporción de ataque puede variar dependiendo de que la capa de daño 76 esté formada dentro del sustrato 77 o dentro de la epicapa 74.
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De preferencia, se utiliza un ácido ortofosfórico comercial a 85% de dilución como atacante químico para desprender películas monocristalinas YIG/Bi-YIG de estructuras de cristal YIG/GGG o BI-YIG/GGG. Además, para acelerar el proceso de ataque químico, el ácido ortofosfórico se agita ventajosamente y se mantiene a una temperatura constante, de preferencia a 70 °C. La temperatura del ácido puede aumentarse adicionalmente para lograr proporciones más rápidas de ataque . - Nominalmente, el atacante se aplica a la estructura de cristal 70 por 24 a 48 horas dependiendo del tamaño de la película monocristalina que vá a desprenderse. Como se muestra más adelante en la Figura 7A, un corte sesgado profundo 78 se forma en el sustrato 77 después de varias horas de exposición al atacante químico. Con referencia a las etapas de implantación como se muestra en la Figura 4, por ejemplo, el corte sesgado (no mostrado) se encuentra centrado a aproximadamente 9 µt? por debajo de la superficie superior de la estructura de cristal YIG/GGG 40 de acuerdo con el perfil de distribución de implantación de la Figura 6. Después del ataque, el sustrato 47 se separa dejando la película monocristalina con un lado inferior que es microscópicamente liso y adecuado para unirse sobre un sustrato de crecimiento incompatible. La proporción diferencial de ataque entre la capa - -
sacrificial y el resto de la estructura de cristal se determina comparando la proporción de ataque del corte sesgado 78 con la de la superficie superior bajo las mismas condiciones. Esta última se determina enmascarando una sección de la superficie superior con dióxido de silicio y midiendo la etapa de ataque químico con un rugosímetro. El grado del corte sesgado se calcula utilizando un microscopio de prisma Nomarski o agrietando una sección de la película monocristalina saliente. Se encuentra que la selectividad de ataque químico, definida como la proporción de ataque químico de la capa sacrificial a la proporción de ataque químico de la superficie superior, excede de 103. Para desprender películas monocristalinas LinB03 de estructuras de cristal en masa como la mostrada en la Figura 5, se prefiere el ácido hidrofluórico diluido al 5% para el ataque químico de la capa "sacrificial" de la estructura de cristal en masa LiNb03. El ataque se lleva a cabo a temperatura ambiente por 24 horas o menos para desprender una muestra de 1 mm2 de la película monocristalina de LiNb03. Como ejemplos ilustrativos de la presente invención, se ha utilizado el método de corte de cristal por iones de la Figura 2 para desprender capas magnéticas de material de granate de un sustrato GGG. En un ejemplo, se produjeron epicapas YIG de 10 µt? y 95 µ?? de grosor mediante epitaxia de fase líquida sobre un sustrato GGG que contiene - -
pequeñas cantidades de lantano para mejorar el equilibrio reticular al sustrato GGG. En otro ejemplo se produjeron también películas delgadas Bi-YIG de 3 µ?? de grosor sobre un sustrato GGG. En ambos casos, el método de la Figura 2 se utilizó para desprender películas monocristalinas de alta calidad de aproximadamente 9 a 10 µta de grosor de los sustratos originales. Las películas monocristalinas se unieron entonces mediante fuerza van der Waals a sustratos de crecimiento incompatible tales como sustratos de arseniuro de silicio y de galio. El examen de contraste Faraday de los dominios magnéticos de las películas monocristalinas no indicó cambio en la estructura de dominio ni en la coersividad de los materiales de granate como resultado del proceso de corte de cristal por iones. Con referencia de nuevo al método preferido de la
Figura 2, la etapa de ataque químico puede resultar sin embargo, en el daño residual reticular, el desvastado de la superficie o la fractura de las esquinas de la superficie superior de la película monocristalina . Por ejemplo, al utilizar un rugosímetro de superficie, se ha mostrado que seis horas de exposición al atacante bajo condiciones típicas de ataque químico producen un desvastado promedio de 20 nm en el ejemplo del YIG/GGG de la Figura 4. Adicionalmente , puede ocurrir la fractura de esquinas durante la etapa de ataque químico como se muestra mediante las líneas quebradas de la - -
Figura 7B. En consecuencia, se requieren medidas de protección adicionales para minimizar el daño a la película monocristalina y para asegurar la producción de películas delgadas de alta calidad. En consecuencia, la Figura 8 muestra un método preferido 80 para el corte de cristal por iones de una película monocristalina de una estructura de cristal mediante el cual el daño residual reticular y el desvastado de la superficie se minimizan por encapsulació . EL método 80 incluye las etapas de implantar iones dentro de una estructura de cristal para formar una capa de daño dentro del sustrato (Etapa 82), encapsular la superficie superior de la película monocristalina (Etapa 84) y atacar químicamente la capa de daño del sustrato (Etapa 86) . De acuerdo a un aspecto preferido de la presente invención, las esquinas de la película monocristalina 72 de la Figura 7 se encapsulan con cera fundida o con una mezcla Apiezon para evitar la fractura de la película monocristalina debida al daño residual reticular y al desvastado de la superficie ocasionados por la etapa subsecuente de ataque químico. La Figura 9 muestra un método preferido para el corte de cristal por iones de una película monocristalina de una estructura de cristal mediante el cual se minimiza el daño residual reticular y el desvastado de la superficie mediante el rápido templado térmico (RTA) . El método 90 - -
incluye las etapas de implantar iones dentro de una estructura de cristal para formar una capa de daño dentro del sustrato (Etapa 92) , rápido templado térmico (Etapa 94) y ataque químico de la capa de daño del sustrato (Etapa 96) . De preferencia, la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. Como se muestra en la Figura 9, la etapa de rápido templado térmico (Etapa 94) se lleva a cabo después de la etapa de implantación de iones (Etapa 90) , pero antes de la etapa de ataque químico (Etapa 96) . De nuevo, de preferencia la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. El rápido templado térmico sirve para reparar el daño residual sin comprometer la eficiencia del ataque húmedo subsecuente de la capa profunda de daño. De preferencia, un templado de 40 segundos a 700°C en gas de formación comprendido por 5% de hidrógeno y 95% de nitrógeno resulta en una superficie suave y así en películas monocristalinas de alta calidad. En contraste, una etapa de templado a rápida temperatura, a temperaturas sobre 800 °C es indeseable debido a que deteriora significativamente la proporción de ataque de la capa profunda al templar el daño en la capa "sacrificial" . En consecuencia, el método de la Figura 9 incluyendo la etapa de templado de rápida temperatura (Etapa 94) llevado a cabo a aproximadamente 800 °C reducirá la proporción de ataque asociada con la subsecuente etapa de ataque químico (Etapa 96) en comparación con un método que no incluya la etapa de templado de rápida temperatura (Etapa 94) . De preferencia, la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. De nuevo con referencia al método preferido de la Figura 2, la duración de la etapa de ataque químico 24 es nominalmente de 24 a 48 horas dependiendo del tamaño de la película monocristalina que va a desprenderse. Por ejemplo, para desprender completamente una sección del área de película de un milímetro cuadrado de un sustrato, la estructura de cristal debe exponerse al atacante durante aproximadamente 24 a 48 horas. Por consiguiente, como una alternativa más rápida al método de la Figura 2, la Figura 10 muestra otro método preferido 100 para el corte de cristal por iones de una película monocristalina, de una estructura ya sea epicapa/sustrato o de cristal en masa, mediante el cual la estructura de cristal se expone al aumento rápido de temperatura para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina del sustrato de crecimiento compatible sin ataque químico. El método 100 incluye las etapas de implantar iones dentro de una estructura de cristal por debajo de la interfase epicapa/sustrato para formar una capa de daño dentro del sustrato de crecimiento compatible (Etapa 102) y someter la estructura de cristal al aumento rápido de temperatura a fin de efectuar el desprendimiento o "ruptura - -
brusca" de la película monocristalina del sustrato de crecimiento compatible (Etapa 104) . La Etapa 104 de la Figura 10 incluye elevar la temperatura de la estructura de cristal desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 750 a 800 °C dentro de 60 segundos. El desprendimiento de la película monocristalina se logra por consiguiente manteniendo la temperatura de la estructura de cristal en aproximadamente 750 a 800 °C durante aproximadamente 30 segundos. Como una etapa adicional, la estructura de cristal puede tratarse químicamente durante o antes de la implantación de iones con un gas químicamente mejorado, tal como el gas o líquido de cloro para mejorar el desprendimiento de la película monocristalina. El tratamiento químico de la capa de daño puede también llevarse a cabo a fin de minimizar el grado del rápido aumento de temperatura requerido para efectuar el desprendimiento de la película monocristalina de la estructura de cristal. La Figura 11 muestra un método preferido 110 para el corte de cristal por iones de una película monocristalina de una estructura de cristal mediante el cual la estructura de cristal se une, directa o indirectamente, a un segundo sustrato y se expone a un rápido aumento de temperatura para desprender la película monocristalina del sustrato de crecimiento compatible. El método puede utilizarse con la estructura de cristal epicapa/sustrato de la Figura 1A y como - -
se muestra más adelante en las Figuras 12 y 13 o con la estructura de cristal en masa de la Figura IB sin ataque químico. Con referencia de nuevo a la Figura 11, el método 110 incluye las etapas de implantar iones dentro de una estructura de cristal para formar una capa de daño dentro de la estructura de cristal (Etapa 112) , unir la superficie superior de la película monocristalina, ya sea directa o indirectamente, a un segundo sustrato (Etapa 114) y someter la estructura de cristal a un aumento rápido de temperatura a fin de efectuar el desprendimiento o " ruptura brusca" de una película monocristalina de la estructura de cristal (Etapa 116) sin ataque químico. Como en el método de la Figura 10, la etapa de exposición (Etapa 116) incluye elevar la temperatura de la estructura de cristal desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 750 a 800 °C dentro de 60 segundos. El desprendimiento de la película monocristalina se logra por consiguiente manteniendo la temperatura de la estructura de cristal a aproximadamente 750 a 800 °C durante aproximadamente 30 segundos. El segundo sustrato de acuerdo con la etapa de unión (Etapa 112) se une de manera ventajosa directamente sobre la superficie superior de la estructura de cristal, de preferencia mediante la técnica de unión directa de contacto como lo describe Yokoi et al. en "Jmproved heat treatment for - - wafer direct bonding between semiconductors and magnetic garnets", ("Tratamiento térmico mejorado para la unión directa de placa entre semiconductores y granates magnéticos") Japan Journal of Applied Physics, vol 36, p. 2784 (1997) . El segundo sustrato puede ser un semiconductor tal como silicio o GaAs . Este método es ventajoso en que la capa de película monocristaliña permanece unida al segundo sustrato después de que la película monocristalina se desprende de la estructura de cristal . Alternativamente, el método de la Figura 11 puede incluir la etapa de aplicar una capa de unión a baja temperatura entre la superficie superior de la estructura de cristal y el segundo sustrato. La función de la capa de unión a baja temperatura es evitar el templado de la capa de daño o sacrificial durante el proceso de separación. Esta técnica es la misma sin tomar en cuenta si se utiliza una estructura de cristal en masa o epicapa/sustrato . La Figura 12 muestra una estructura de cristal 120 modificada para su uso en el método preferido de la Figura 11. A modo de ejemplo y no como limitación, la estructura de cristal 120 modificada es similar a la estructura de cristal epicapa/sustrato mostrada en la Figura 1A. La estructura de cristal 120 modificada incluye un primer sustrato de crecimiento compatible 127, el segundo sustrato 128, una epicapa 124 formada entre el primero y segundo sustratos 127 - - y 128 y una capa de daño 126 formada en el primer sustrato 127 a una profundidad d desde la interfase 125 entre la epicapa 124 y el segundo sustrato 128. La epicapa 124 se une de preferencia junto con el segundo sustrato 128 mediante unión por placas directa. La epicapa 124 es de preferencia una capa de granate magnético o de material ferroeléctrico crecida sobre el primer sustrato 127 tal como un sustrato GGG u otro de crecimiento compatible. La Figura 13 muestra otra estructura de cristal 130 modificada para su uso en el método preferido de la Figura 11 en donde el segundo sustrato 128 se une indirectamente a la epicapa 124. Como se muestra en la Figura 13, la estructura de cristal 130 modificada, a modo de ejemplo y no como limitación, incluye un primer sustrato de crecimiento compatible 127, un segundo sustrato 128, una epicapa 124 formada sobre el primer sustrato 127, una capa de unión 132 formada entre la epicapa 124 y el segundo sustrato 128 y una capa de daño 126 formada en el primer sustrato 127 a una profundidad d desde la interfase 125 entre la epicapa 124 y el segundo sustrato 128. Como se muestra en la Figura 13, la epicapa 124 es de preferencia una capa de granate magnético o de material ferroeléctrico montada entre el primer sustrato 127, que es de preferencia un sustrato GGG u otro de crecimiento compatible. La capa de unión 132 es de preferencia de un - - material de fusión a baja temperatura, tal como el vidrio de fusión a baja temperatura, que tiene un punto de fusión menor que la base de temperatura de 750 a 800 °C de las Etapas 104 y 116 de las Figuras 10 y 11, respectivamente. Además con respecto al corte de cristal por iones de estructuras de cristal en masa, se ha notado que la etapa de rápido templado térmico cuando se lleva a cabo después de una etapa de implantación de iones pero antes de la etapa de ataque químico, sirve para reparar el daño residual sin comprometer la eficiencia del sucesivo ataque químico en húmedo de la capa profunda de daño. Ventajosamente, la etapa de rápido templado térmico previa al ataque químico puede utilizarse también para mejorar la selectividad de ataque de una película monocristalina . En particular, la etapa de rápido templado térmico de acuerdo a la presente invención ha mostrado reducir dramáticamente el tiempo de fabricación y mejorar la morfología de superficie de películas monocristalinas hechas de materiales ferroeléctricos en masa tales como niobato de litio (LiNb03) y niobato de zinc de plomo (PZN) . La capacidad para producir en masa de manera eficiente películas monocristalinas LiNb03 y PZN u otras películas hechas de materiales ferroeléctricos similares o equivalentes, es importante debido a las propiedades ópticas y dieléctricas superiores de los materiales. Dadas sus - -
propiedades ópticas y dieléctricas, los materiales son especialmente útiles en sistemas de comunicaciones de fibra óptica, dispositivos piezoeléctricos sintonizables para comunicaciones inalámbricas y en aplicaciones micromecánicas . En particular el LiNb03 es especialmente útil para la modulación, conmutación óptica, amplificación y conversión de frecuencia de señales ópticas. La Figura 14 ilustra un método de corte de cristal por iones para mejorar la selectividad de ataque químico de una película de LiNb03 monocristalina . Como se muestra en la Figura 14, el método incluye las etapas de implantación de iones dentro de una estructura LiNb03 de cristal en masa para formar una capa de daño dentro de la estructura de cristal en masa (Etapa 1410) , rápido templado térmico de la estructura de cristal en masa implantada de iones (Etapa 1420) y ataque químico de la estructura de cristal en masa implantada de iones a fin de desprender la capa de daño y con ello desprender una película delgada monocristalina de la estructura de cristal en masa (Etapa 1430) . De preferencia, la etapa de ataque químico es un ataque químico líquido. Llevando a cabo la etapa de rápido templado previa al ataque químico, el tiempo requerido para desprender una película monocristalina puede reducirse a tanto como un factor de 100. De este modo, pueden desprenderse del cristal en masa grandes películas LiNb03 monocristalinas (0.5 x 1 cm2) de 5 a 10 µp? de grosor de excelente calidad en cuestión de unas pocas horas. La película LiNb03 monocristalina puede unirse entonces sobre una estructura semiconductora de crecimiento incompatible 1520 o un sustrato de vidrio 1610 como se muestra en las Figuras 15 y 16, respec ivamente. El método arriba descrito de la Figura 14 se ha utilizado para fabricar películas LiNb03 monocristalinas utilizando dos tipos de geometrías de cristal en masa; de corte c y de fase de equilibrio para cristales de segunda generación armónica (SHG) . Una masa LiNb03, de corte c en un caso y una de fase de equilibrio para SHG a 1.55 µta en el otro (?=46.9o , f=30.0°), se cortaron de una pieza monocristalina de polo c crecida mediante el método Czochralski. Para las películas SHG, como se muestra en la Figura 17, las muestras se cortaron a lo largo del plano definido por la dirección de fase de equilibrio y la dirección ordinaria de polarización del rayo (rayo o) a 1.55 µ?t?. Las muestras se implantaron entonces con He+ (dosis 5.0 x 1016 cnf2) en un ángulo de inclinación de 2-3° relativo al normal. Se utilizaron energías iónicas fluctuando desde 3.18 hasta 3.8 MeV para variar las profundidades de implantación correspondientes entre 8 a 10 µ??. Sin embargo, sin distinción de la energía iónica, la dispersión en el rango del ión proyectado permaneció casi sin cambio, i.e., la distribución de implantación extendida en la capa de daño no - -
fue una función marcada de la energía de implantación. Como resultado de la etapa de implantación, los iones de helio implantados no se vuelven una solución sólida en la matriz principal, sino que se carboniza en la capa de daño a fin de generar tensiones verticales adicionales sobre la película y la estructura en masa de la capa de daño. Otras especies de iones, tales como de hidrógeno y boro, que tienen diferentes energías y dosis de implantación pueden también utilizarse para la etapa de implantación. En seguida, los cristales LiNb03 en masa implantados de iones se sometieron al rápido templado térmico en un gas de formación de 5% H2/ 95% N2 a una temperatura de 300 a 750 °C durante más de aproximadamente 45 segundos. Sin embargo, las temperaturas de templado pueden fluctuar desde aproximadamente 250 hasta 800 °C, pero de preferencia a 300 °C para películas SHG y a 400°C para películas de corte c. Los cristales en masa templados se atacaron entonces químicamente en un ácido hidrofluórico al 5% para llevar a cabo el desprendimiento de la película LiNb03 monocristalina del sustrato en masa. Sin embargo, para fabricar películas PZN monocristalinas , un cristal en masa PZN implantado de iones se templa de preferencia a 700 hasta 750 °C durante 30 a 45 segundos y se sumerge después en un ácido hidroclórico al 38%. De este modo, se forma un corte sesgado en la capa de - -
daño de tal modo que se desprende completamente una película monocristalina PZN de mieras de grosor del PZN en masa después de sólo unas pocas horas. Por ejemplo, las películas monocristalinas PZN de 3-7 mm (longitud) x 0.4 mm (ancho) x 10 µt? (grosor) en tamaño, se desprenden completamente después de aproximadamente 4-5 horas en HCl al 38%, resultando en una proporción de ataque químico de aproximadamente 45 ^m/min/faceta de película. La dimensión de película crítica que consume más tiempo es la anchura de la película. Las Figuras 18A y 18B son vistas isométrica y superior, respectivamente, de un cristal en masa que ilustran cómo la etapa de ataque químico ocasiona que una película monocristalina se separe de una estructura de cristal en masa. Como se muestra en las Figuras 18A y 18B, se forman regiones de corte sesgado izquierda y derecha a y b a lo largo de la anchura w de la estructura de cristal en masa 1840 desde las facetas izquierda y derecha, 1810 y 1820 respectivamente, en la capa de daño 1850 de la estructura de cristal en masa 1840. Las regiones de corte sesgado a y b progresan de manera uniforme hacia el centro del cristal en masa 1840 hasta que la película monocristalina 1830 se separa del cristal en masa 1840. Las longitudes de corte sesgado correspondientes se determinan fácilmente utilizando un microscopio óptico de prisma Nomarski para medir la extensión del patrón de interferencia creado por el espacio de aire - -
entre la película parcialmente levantada y el sustrato. La Figura 19B muestra gráficas que comparan las proporciones de ataque químico, i.e., longitud de corte sesgado contra tiempo, con y sin rápido templado térmico, para cristales en masa SHG orientados y LiNb03 de 3.18 MeV implantados templados a 300°C. Como se muestra en la Figura 19B, por ejemplo, las proporciones de ataque correspondientes a los cristales en masa LiNb03 templados (exposiciones de templado de 5 a 10 segundos) se encuentran en el orden de 140 veces más rápido que sin el rápido templado térmico, i.e., aproximadamente 50 yum/día/faceta de película sin rápido templado térmico. De manera similar, como se muestra en la Figura 19A, las proporciones de ataque químico para cristales en masa LiNb03 implantados de 3.8 MeV templados son mucho más rápidas comparadas con una muestra no templada de cristal en masa LiNb03, i.e., aproximadamente 20 /¿m/hora/faceta de película sin rápido templado térmico. Las muestras templadas de hecho exhiben una formación uniforme de corte sesgado después de sólo aproximadamente 2 minutos en el atacante químico. De este modo, las proporciones de ataque incrementadas mostradas en las Figuras 19A y 19B permiten la fabricación más rápida y más controlable y confiable de películas monocristalinas . Una película monocristalina de excelente calidad de superficie y tan grande como 20 a 50 mm2 - -
puede desprenderse en sólo unas pocas horas. La Tabla 1 siguiente muestra proporciones de ataque comparativas y sugiere además que las exposiciones más largas de templado producen proporciones de ataque químico más altas:
Tabla 1: Proporciones de Ataque con y sin Rápido Templado Térmico La Tabla 1, por ejemplo, muestra que para películas LiNb03 monocristalinas de corte c que tienen una energía de implantación de 3.8 MeV, las proporciones de ataque químico de aproximadamente 0.33 xm/min/ faceta de película (20 ^m/hora/faceta de película) aumentan a aproximadamente 3 µt?/p???/ faceta de película (180 µp?/hora/faceta de película) cuando se lleva a cabo el rápido templado térmico a 400 "C durante 30 segundos. Como resultado, el corte completo de cristal por iones de una muestra en masa de 2 mm x 10 mm requiere aproximadamente 5 horas, que es aproximadamen e 1.5 - -
veces el tiempo de ataque químico de las muestras SHG templadas. De este modo, se muestra que las proporciones de ataque químico logradas mediante el rápido templado térmico son casi independientes a la orientación cristalográfica y a la energía de implantación. La Figura 20 es una micrográfica electrónica de exploración de una película estable LiNb03 monocristalina orientada para SHG (implantación de 3.8 MeV He+ , RTA a 300°C/60 segundos) con la superficie del lado inferior 2030 hacia arriba. Aunque la superficie superior 2020 permanece suave, la superficie inferior 2030 está cubierta con ranuras paralelas superficiales 2010 que son de aproximadamente 0.1 µ?t? de profundidad orientadas a lo largo de la dirección de fase de equilibrio. Las ranuras 2010 dependen de la orientación del cristal y se originan de la interacción de la carga de implantación con la polarización ferroeléctrica durante el proceso de implantación y ataque químico. Sin embargo, no se ha encontrado que este fenómeno degrade las propiedades dieléctricas y ópticas de las películas estables LiNb03 monocristalinas . Las ranuras superficiales 2010 observadas sobre el lado inferior 2030 de la película SHG de la Figura 20, se observan también en las películas de corte c y son de profundidad comparable. La diferencia, sin embargo, reside en la estructura y la orientación de las líneas, como en el - -
último caso en el que las ranuras forman un patrón trigonal . Ver M. Levy, R.M. Osgood, Jr . , R. Liu, L. E. Cross, G. S. Cargill III, A. Kumar y H. Bakhru, Appl . Phys . Lett . vol . 73, p. 2293 (1998) . Las Figuras 21A y 21B muestran los espectros de área normalizados He+ y Li , respectivamente, obtenidos como resultado de una espectroscopia secundaria de masa de iones (SIMS) llevadas a cabo sobre las orientaciones cristalinas de corte c y SHG. Los espectros de área normalizados He+ y Li se muestran con y sin RTA en LiNb03 de He+ de 3.8 MeV implantados orientados para SHG. No se asume ninguna pérdida de He+ durante el RTA y el desajuste en el espectro de Li es un artefacto de medición. Como se muestra en las Figuras 21A y 2 IB, el rápido templado térmico ocasiona un cambio en los espectros He+ y Li en muestras implantadas orientadas para SHG (los implantes de corte c tienen un espectro similar) . Las figuras muestran que la distribución de He+ post- emplado se convierte en un espectro más definido y más estrecho, produciendo así un incremento en la presión interna de la capa de daño. Debido a su baja solubilidad de sólidos, el He+ tiende a llenar los micro vacíos generados por la implantación. La alta movilidad del Li permite que se desplace y se reemplace por He+. El pico en el espectro de He+ se desplaza así más profundo dentro del cristal en masa con la exposición incrementada al templado, mientras que el baño químico de depleción en el espectro Li sigue la misma dirección. Esta migración térmica o desplazamiento espacial de vacíos internos y de acumulación de presión en la capa de daño resultan en proporciones de ataque aumentadas cuando la estructura de cristal en masa se templa previo al ataque químico . En resumen, hemos presentado varias técnicas para el corte de cristal por iones, incluyendo una nueva técnica para el procesamiento rápido de película delgada monocristalina en donde la selectividad de ataque químico de la película monocristalina aumenta a fin de reducir significativamente el tiempo requerido para que la película monocristalina se separe de la estructura de cristal en masa. Aún cuando la presente invención se ha descrito en relación con modalidades particulares de la misma, se entenderá que varias modificaciones, alteraciones y adaptaciones pueden hacerse por aquellos expertos en la técnica sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. Se pretende que la invención se limite solo mediante las reivindicaciones anexas.