用于纳米光子技术的单晶硅纳米膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种用于纳米光子技术的单晶硅纳米膜的制备方法，在完成将具有数百到数纳米厚度的绝缘体上硅片和衬底片进行清洗、烘干后，将绝缘体上硅片的顶层硅一侧和衬底片进行键合，并去除键合后的绝缘体上硅片的底层硅，获得单晶硅纳米膜。采用本发明制备的硅纳米膜材料的单晶硅层厚度可以从数纳米到数百纳米，厚度均匀性高；材料的光下限制层有足够的厚度可以实现光隔离，可以进行纳米尺寸硅光子器件研制；还可以根据实际器件制作过程中的需要，在绝缘体上硅片和衬底片的键合面上进行预处理，设置电极，实现特定图案等。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备方法，特别是涉及一种用于纳米光子技术的单晶硅纳米膜的制备方法。

背景技术

基于硅材料的纳米光子技术是实现高密度光子集成和高速光互连的重要技术手段。进行硅纳米光子技术研究，硅纳米光子材料的制备是基础。制备硅纳米光子材料的基本思路包括自下而上的方法与自上而下的方法。自下而上的方法主要是采用化学生长的方法，制备包括硅纳米线、硅纳米带和硅纳米管等的硅基纳米光子材料，虽然这是重要的发展方向，但在目前，从纳米光子技术要求的角度上来看，这些硅纳米光子材料无论在光传输特性、结构尺寸，还是器件加工手段上，都远不能够用于实际器件与模块化的研究与开发。自上而下的方法是目前大规模生产的主流技术手段，主要利用已经发展起来的微细加工手段。目前用于硅纳米光子技术研究的材料主要为绝缘体上硅(SOI：Silicon-on-Insulator)材料。虽然基于智敏分离(Smart Cut)技术的绝缘体上硅材料一定程度上可以用于硅纳米光子器件的研究，但是由于绝缘体上硅材料中的氧化隔离层的有限厚度限制了硅纳米线的尺寸，当硅层极薄时，无法保证光隔离作用。为了消除绝缘体上硅材料有限厚度的氧化隔离层对硅纳米光子技术研究的限制，本发明提出了利用绝缘体上硅键合与选择性自停止腐蚀制备单晶硅纳米膜的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于纳米光子技术的单晶硅纳米膜的制备方法，所制备的单晶硅纳米膜可以用于进行硅纳米光子技术的研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用的步骤如下：

1)将具有数百到十几纳米厚度的绝缘体上硅片和衬底片进行清洗后烘干；

2)将绝缘体上硅片的顶层硅一侧和衬底片进行键合；

3)去除键合后的绝缘体上硅片的底层硅。

采用的衬底片为折射率小于硅材料的至少一面抛光的体材料，键合时抛光面与绝缘体上硅片进行键合；或者，采用的衬底片为至少具有一层折射率小于硅材料的薄膜的材料，薄膜的厚度大于光隔离所要求的厚度，键合时薄膜一侧与绝缘体上硅片进行键合。

采用的衬底片为至少一面抛光的玻璃片，或者为至少一面抛光的石英片，或者为至少一面抛光的铌酸锂片，或者为具有氧化硅层的硅片，或者为具有氮化硅的硅片，或者为具有氮氧化硅的硅片。

采用的绝缘体上硅片的顶层硅上有一层折射率小于硅材料折射率的薄膜材料，薄膜的厚度大于光隔离所要求的厚度；采用的衬底片为至少一面抛光的体材料，或者具有薄膜的材料。

采用的绝缘体上硅片的顶层硅上有一层二氧化硅薄膜，或者氮化硅薄膜，或者氮氧化硅薄膜；采用的衬底片为至少一面抛光的硅片，或者至少一面抛光的玻璃片，或者至少一面抛光的石英片。

采用的键合方法是静电键合，键合温度为200-600℃，键合电压为50-1500伏；或者，采用的键合方法是热键合，键合温度为200-1000℃。

去除绝缘体上硅片的底层硅的方法为干法刻蚀，或者湿法腐蚀，或者是结合研磨抛光，再干法刻蚀或湿法腐蚀的组合方法；相对于二氧化硅材料，要求刻蚀或腐蚀过程对硅有强的选择性。

在进行步骤3)的硅选择性腐蚀之后，采用干法刻蚀，或者湿法腐蚀，或者是结合研磨抛光，再干法刻蚀或湿法腐蚀的组合方法去除绝缘体上硅片的氧化隔离层；相对于硅材料，要求刻蚀或腐蚀过程对二氧化硅有强的选择性。

在进行步骤2)的键合之前，采用氧化的方法将绝缘体上硅的顶层硅进行减薄，减薄的厚度值由所需要的纳米膜厚度决定。

在进行步骤2)的键合之前，对绝缘体上硅片和衬底片的键合面一侧进行预处理，制作金属电极，刻蚀结构。

本发明具有的有益的效果是：

1、采用本发明制备的硅纳米膜材料的光下限制层有足够的厚度可以实现光隔离，可以进行纳米尺寸硅光子器件研制，这是普通绝缘体上硅片材料的中间氧化层所无法保证的；

2、采用本发明制备的硅纳米膜材料的单晶硅层厚度可以从十几纳米到几百纳米，厚度均匀性高；

3、采用本发明的制备过程，可以根据实际器件制作过程中的需要，在绝缘体上硅片和衬底材料的键合面上进行预处理，设置电极，实现特定图案等，这是直接采用绝缘体上硅片材料所无法进行的。

具体实施方式

实施例1：采用一片具有200nm厚顶层硅的绝缘体上硅片，以有着15μm厚二氧化硅层的硅片为衬底片，进行常规清洗后烘干。将绝缘体上硅片的顶层硅和硅片的二氧化硅层这一面相对叠放，置于键合机上进行热键合，键合温度为800℃间。键合后，将键合的片子放入40％浓度的氢氧化钾溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀掉绝缘体上硅片的底层硅。片子进一步放入氢氟酸溶液中进行湿法腐蚀，去除绝缘体上硅片的氧化隔离层。最终可以制备出以硅为衬底的、有着15μm厚二氧化硅层的光隔离层的、具有约200nm硅膜的硅纳米膜材料。

实施例2：采用一片具有100nm顶层硅的绝缘体上硅片，以玻璃片为衬底片，进行常规清洗后烘干。将绝缘体上硅片的顶层硅和玻璃片的抛光面相对叠放，置于静电键合机上进行静电键合，键合温度为300℃间，键合电压900伏。键合后，将键合的片子的绝缘体上硅一面朝上，置于干法刻蚀设备中，用干法刻蚀方法刻蚀掉绝缘体上硅片的底层硅。由此，制备出以玻璃为衬底的、顶层尚有一层二氧化硅层为上限制层的、具有约100nm硅膜的硅纳米膜材料。

实施例3：采用一片具有50nm顶层硅的绝缘体上硅片，以硅片为衬底片，进行常规清洗后烘干。首先在绝缘体上硅片上生长15μm厚氮化硅层，然后将生长后的绝缘体上硅片和硅片的抛光面相对叠放，置于键合机上进行热键合，键合温度为900℃间。键合后，采用组合方法，首先对键合的片子绝缘体上硅一面进行研磨抛光，当硅层厚度在50-100μm时，放入40％浓度的氢氧化钾溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀掉绝缘体上硅片的底层硅。由此，制备出以硅为衬底的、有着15μm厚氮化硅层的光隔离层的、顶层尚有一层二氧化硅层为上限制层的、具有约50nm硅膜的硅纳米膜材料。

实施例4：采用一片具有200nm顶层硅的绝缘体上硅片，以玻璃片为衬底片，进行常规清洗后烘干。首先将绝缘体上硅片进行湿氧氧化，在表面氧化出约250nm的二氧化硅，在此二氧化硅层下的顶层硅将为约100nm。然后绝缘体上硅片的顶层硅和玻璃片的抛光面相对叠放，置于静电键合机上进行静电键合，键合温度为500℃间，键合电压1200伏。键合后，对键合的片子绝缘体上硅一面进行研磨抛光，当硅层厚度在50-100μm时，将键合的片子的绝缘体上硅一面朝上，置于干法刻蚀设备中，用干法刻蚀方法刻蚀掉绝缘体上硅片的底层硅。由此，制备出以玻璃为衬底的、顶层尚有一层二氧化硅层为上限制层的、具有约100nm硅膜的硅纳米膜材料。

实施例5：采用一片具有200nm顶层硅的绝缘体上硅片，以石英片为衬底片，进行常规清洗后烘干。在绝缘体上硅片表面进行光刻和腐蚀，制作出宽度为200nm的硅纳米直线。再将绝缘体上硅片的顶层硅和石英片的抛光面相对叠放，置于键合机上进行热键合，键合温度为700℃间。键合后，将键合的片子放入40％浓度的氢氧化钾溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀掉绝缘体上硅片的底层硅。片子进一步放入氢氟酸溶液中进行湿法腐蚀，去除绝缘体上硅片的氧化隔离层。由此，制备出以石英为衬底的、具有约200nm厚和200nm宽的硅纳米膜材料。

本发明的实施方式有多种，以上列举了5个实施例，用来解释说明本发明，但决非仅限于此5个实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。