在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法，该方法包括通过离子注入法将离子注入到原始基板的表面；对离子注入后的原始基板进行加热；使基底与原始基板的薄膜层接触，进而在室温下利用晶片键合法将原始基板与基底键合在一起，以形成键合体，其中，基底的热膨胀系数与原始基板的热膨胀系数不同；在低于190℃的条件下对键合体加热达预定时间，使得薄膜层和余质层分离；在薄膜层和余质层分离之后，对薄膜层进行退火处理。本发明实现了在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制作薄膜，并且可以制备出大尺寸、纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方 法，具体地讲，涉及一种纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜的制造 方法。

背景技术

铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜在光信号处理、信息存储以及电子器件等领域 具有广泛的用途，其可以作为基底材料，可以用于制作高频、高带宽、高集 成度、大容量、低功耗的光电子学器件和集成光学器件，例如，滤波器、光 波导调制器、光波导开关、空间光调制器、光学倍频器、表面声波发生器、 红外探测器以及铁电体存储器等。在硅基底上形成铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜， 可实现与现有的硅基材料的生产工艺和生产线兼容，从而可提高铌酸锂薄膜 或钽酸锂薄膜的可加工性和应用范围。

1992年，Bruel提出了一种从半导体材料上剥离薄膜的方法，其主要步 骤包括：对原始基板进行离子注入；将原始基板与目标基板(即，基底)键 合，形成键合体；将键合体加热分离；对薄膜层表面抛光等工艺。这种方法 被广泛应用于绝缘体上硅(SOI)等材料的制作上。在这种方法中，热分离是 十分关键的一个步骤，热分离有两个作用，第一个作用是能够增强键合晶片 之间的键合力(即，增强原始基板与基底之间的键合力)；第二个作用是使分 布在分离层中的离子得到足以脱离原始基板材料的晶格结构的束缚以使它们 之间形成的键断开的能量，变成气体原子(例如，氦气)，或与另一脱离的注 入离子相遇，变成气体分子(例如，氢气)，从而形成直径为几个纳米的气泡， 当气泡的数量越来越多时，气泡互相连接，实现薄膜的剥离。

一般情况下，分离层内的离子形成气泡的速率与温度呈指数关系。当加 热温度高于分离温度(分离温度是指在此温度下分布在分离层内的离子会形 成大量的气泡，加热一定时间后可完成薄膜的剥离)时能迅速形成气泡，当 加热温度低于分离温度时，离子形成气泡的速率会大大降低。但是，当原始 基板和基底的热膨胀系数相差很大时，比如原始基板是铌酸锂晶片，基底是 硅晶片时，铌酸锂的热膨胀系数大约是硅的2～8倍，当这两种热膨胀系数相 差很大的材料形成键合体时，在加热温度超过一定阈值后，由于热膨胀系数 不一致，材料的膨胀强度与加热温度成线性关系，加热温度越高两种热膨胀 系数不同的材料的膨胀差值越大，当这个差值超过材料的承受极限时，就会 将键合体拉裂拉碎，称这个阈值温度为碎裂温度。另外，当原始基板为铌酸 锂晶片，基底是硅晶片时，所形成的键合体的碎裂温度低于其分离温度，从 而在保证键合体不被拉裂拉碎的前提下降低加热温度，又无法保证薄膜层从 原始基板上完整地剥离下来。因此，利用上述方法并不能在与原始基板的热 膨胀系数不同的基底上很好地制作薄膜。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种在与原始基板的热膨胀系数不同的基底 上制造薄膜的方法，所述方法能够制作出纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密 度的薄膜。

本发明提供一种制造薄膜的方法，所述方法包括：通过离子注入法将离 子注入到原始基板的表面，从而在原始基板中形成薄膜层、分离层和余质层， 其中，薄膜层位于原始基板的表面，分离层位于薄膜层和余质层之间，注入 的离子分布在分离层内；对离子注入后的原始基板进行加热，以使分布在分 离层内的离子得到以使离子形成气泡而所述气泡又不能使原始基板的薄膜层 脱落或损坏的能量；使基底与原始基板的薄膜层接触，进而在室温下利用晶 片键合法将原始基板与基底键合在一起，以形成键合体，其中，基底与原始 基板的热膨胀系数不同；在低于190℃的条件下对键合体加热达预定时间， 使得薄膜层和余质层分离；在薄膜层和余质层分离之后，对薄膜层加热，以 进行退火处理。

根据本发明的实施例，在对离子注入后的原始基板进行加热的步骤中， 将离子注入后的原始基板在200℃～450℃的条件下加热0.5h～10h。

根据本发明的实施例，在对离子注入后的原始基板进行加热的步骤中， 将离子注入后的原始基板在220℃的条件下加热3h。

根据本发明的实施例，在对键合体加热的步骤中，在50℃～190℃的条件 下加热键合体达预定时间。

根据本发明的实施例，所述预定时间为1h～150h。

根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，在250℃～550℃的条 件下对薄膜层加热以进行退火处理。

根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，在常压或大于1个大 气压且小于300个大气压的气氛条件下对薄膜层加热以进行退火处理。

根据本发明的实施例，在氧气或氮气的气氛下执行对薄膜层加热的步骤。

根据本发明的实施例，所述原始基板为铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，所述 基底为硅晶片或二氧化硅晶片。

根据本发明的实施例，所述方法还包括：在对薄膜层加热的步骤之后， 对薄膜层进行表面抛光处理。

本发明的核心是：首先降低原始基板的分离层附近的机械强度，即，对 离子注入后的原始基板进行加热，以使原始基板的分布在分离层内的离子得 到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基板的薄膜层脱落或损坏 的能量，从而使得分离层附近的结构变得疏松、机械强度降低。之后，将形 成的键合体在低于键合体的碎裂温度(一般低于190℃)下加热一定时间， 使薄膜层转移到基底上。以低于碎裂温度的加热的过程中，原始基板和基底 间的键合力会得到大幅度提高；分布在分离层内的离子随着加热的进行继续 变成气泡，使得分离层附近的结构更加疏松；由于加热造成两种热膨胀系数 不同的原始基板和基底之间产生相互作用的应力；进而在这三种因素的影响 下，在低于碎裂温度的条件下薄膜层转移到基底上，有效地避免了出现键合 体被拉裂拉碎的问题，实现了在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制作 薄膜。

本发明的有益效果是：可以制备出大尺寸、纳米级厚度、膜厚均匀、低 缺陷密度的薄膜。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其 他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出本发明的制造薄膜的方法的流程框图；

图2是示出通过离子注入法形成薄膜层、分离层和余质层的步骤的示意 图；

图3是示出对离子注入后的原始基板进行加热的步骤的示意图；

图4是示出将加热后的原始基板与基底进行键合以形成键合体的步骤的 示意图；

图5是示出对键合体进行加热以使原始基板的薄膜层剥离的步骤的示意 图；

图6是示出薄膜产品的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造 薄膜的方法进行详细的描述。

本申请的发明人发现，在对原始基板进行离子注入时，可根据离子注入 的能量来控制在原始基板内形成分离层的深度，即在选取的原始基板的厚度 一定、注入离子的条件恒定时，可制成离子注入过的性质均一、结构稳定的 原始基板。然后，对离子注入后的原始基板进行加热，以使分布在分离层内 的离子能够得到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基板的薄膜 层脱落或损坏的能量，从而使得分离层附近的结构变得疏松、机械强度降低， 即通过调整加热温度和加热时间可精确控制薄膜层处于分离临界的状态。这 时停止加热，将原始基板与基底键合，形成键合体。最后，将键合体在较低 的温度下即可使薄膜层从原始基板上剥离下来，并转移到基底上，从而形成 薄膜。

因此，本发明提供一种制造薄膜的方法。图1示出了本发明的制造薄膜 的方法的流程图。

如图1所示，本发明的制造薄膜的方法包括：通过离子注入法将离子对 着原始基板的表面注入，形成薄膜层、分离层和余质层；对离子注入后的原 始基板进行加热；对加热后的原始基板与基底进行键合，以形成键合体；对 键合体进行加热以使薄膜层和余质层分离；对薄膜层进行退火处理；以及将 基底上的薄膜层进行表面抛光处理。

下面将参照图2至图6详细地描述根据本发明的制造薄膜的方法。图2 至图6是示出根据本发明的制作薄膜的方法的示意结构图。

图2是示出通过离子注入法形成薄膜层、分离层和余质层的步骤的示意 图。

如图2所示，使用离子注入法，将离子6(可以是分子离子)对着原始 基板1的上表面5注入，形成分离层3，分离层3将原始基板1分为上、下 两个区：一个为绝大部分注入离子6均经过的区域，称为薄膜层2；另一个 为绝大部分注入离子6未经过的区域，称为余质层4。薄膜层2的厚度由离 子注入的能量来决定(例如，氦离子能量可以是10keV～2000keV，与该氦离 子能量相对应的薄膜层的厚度在25nm～4500nm之间)。这里，离子注入法可 包括常规离子注入机注入法、等离子体浸泡离子注入法以及不同注入温度的 分段注入离子注入法。其中，离子注入法中所注入的离子可以是氢离子和氦 离子中的至少一种。作为本发明的一个实施方式，在制造铌酸锂薄膜或钽酸 锂薄膜的情况下，原始基板可以是铌酸锂晶片或钽酸锂晶片。

执行离子注入的目的是为了将大量的离子6注入到原始基板1的表层， 分离层3中的离子6在原始基板1内处于不稳定状态，离子6嵌入晶格缺陷 中，产生体积应变，导致分离层3变成应力集中区，从而使得原始基板1在 分离层3附近之处的机械强度脆弱。

图3是示出对离子注入后的原始基板进行加热的步骤的示意图。

如图3所示，对离子注入后的原始基板1进行加热，以使原始基板1的 分离层3内的离子6得到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基 板1的薄膜层2脱落或损坏的能量，从而使得分离层3附近的结构变得疏松、 机械强度降低。通过在该步骤控制对原始基板1加热的温度和时间，可进一 步降低原始基板1的分离层3附近的机械强度，使得在对后续形成的键合体 进行加热时，即使在较低的温度下，分离层3内的离子也能够得到足以使薄 膜层2和余质层4分离的能量。

根据本发明，可将离子注入后的原始基板1在200℃～450℃的条件下加 热0.5h～10h。在这个加热温度范围内，分离层中注入的离子产生气泡的速度 较适中，便于生产条件(例如，加热时间)的控制，从而使得薄膜层能够精 确地达到分离临界的状态。然而，当加热温度低于200℃时，加热时间较长， 不利于生产效率的提高，例如，当氦离子注入剂量为4×10¹⁶ions/cm²时，在 150℃下加热200小时仍然不能在分离层中产生足够的气泡使分离层的结构 疏松，即不能达到分离临界状态。当加热温度高于450℃时，分离层中的离 子会短时间内产生大量气泡使薄膜层脱落或者碎裂，例如，当氦离子注入剂 量为4×10¹⁶ions/cm²时，在460℃下加热0.3分钟就会使薄膜层碎裂，加热时 间过短，不利于加热时间的控制，从而导致批量生产的重复性下降；此外， 加热时间过短，会使得晶片上温度分布不容易达到均匀一致，使晶片上的有 些地方达到了分离临界的状态，而有些地方仍没有达到分离临界的状态，从 而导致后续的薄膜层剥离的不完整，影响成品率。

作为本发明的一个实施方式，可将离子注入后的原始基板1在200℃ ～250℃的条件下加热1h～5h(优选地，在220℃的条件下加热3h)，在该加热 温度和加热时间的条件下既能够使得晶片受热均匀又能够使得晶片达到分离 临界状态，从而有利于生产效率的提高。

图4是示出将加热后的原始基板与基底进行键合以形成键合体的步骤的 示意图。

如图4所示，利用晶片键合法，在室温下使原始基板1与基底7键合在 一起，形成键合体8。根据本发明，晶片键合法可以选自于直接键合法、阳 极键合法、低温键合法、真空键合法、等离子强化键合法和粘接键合法中的 任意一种。以直接键合法为例，在两个具有亲水性的晶片相互贴近后，表面 自然附着的氢氧根(OH^-)会依靠范德瓦耳斯力(分子间作用力)相互吸引， 形成键合体8。作为本发明的一个实施方式，在制造铌酸锂薄膜或钽酸锂薄 膜的情况下，原始基板1可以是铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，基底7(即，目 标基板)可以是硅晶片或二氧化硅晶片。

图5是示出对键合体进行加热以使薄膜层和余质层分离的步骤的示意 图。

如图5所示，将键合体8在低于190℃的条件下加热达预定时间。在此 过程中，氢氧根(-OH)会通过化学反应生成氧键(-O-)，使得原始基板和基 底间的键合力得到大幅度提高；分离层3处的离子6会随着加热的进行继续 变成气泡，使得分离层3附近的结构更加疏松；由于加热造成两种热膨胀系 数不同的原始基板1和基底7之间产生相互作用的应力。在上述三种因素的 作用下，最终实现薄膜层2的剥离，并且薄膜层2转移到基底7上。其中， 可以在50℃～190℃的条件下加热1h～150h，进一步优选地，可以在80℃～110℃ 的条件下加热5h～30h，更优选地，可以在95℃的条件下加热10h。

图6是示出薄膜产品的示意图。

在对薄膜进行退火处理的步骤中，可将薄膜在250℃～550℃的条件下进 行退火处理，以提高薄膜层2与基底7之间的键合力并消除离子注入时经过 薄膜层2内部所形成的晶格缺陷。由于薄膜层的厚度为纳米尺寸，使得该材 料在纳米尺寸下具有较高的延展性，因此，即使在高于碎裂温度，即在250～ 500℃的条件下进行退火处理，也不会使得薄膜层出现碎裂或损坏的现象。其 中，除了可以在常压的气氛条件下对薄膜加热之外，还可以在大于1个大气 压且小于300个大气压的气氛条件下对薄膜加热，以进行退火处理。另外， 可根据对薄膜产品功能的需求，可以在大于1个大气压且小于300个大气压 的气氛条件下通入氧气或氮气以进行退火处理，从而获得不同性能的薄膜产 品。

最后，对基底7上的薄膜层2进行表面抛光，去除离子注入的损失层(即， 分离层3)以获得薄膜产品(如图6所示)。

下面将结合实施例详细说明本发明制作薄膜的具体过程。

实施例1

原始基板为铌酸锂晶片，注入剂量为4×10¹⁶ions/cm²的氦离子(He¹⁺)， 氦离子的能量是250keV。将离子注入后的铌酸锂晶片在220℃下加热3小时。 基底为硅晶片，在室温下，将两晶片进行键合，形成键合体。将键合体在95℃ 下加热10小时，实现薄膜的剥离。将薄膜在400℃下退火处理5小时。利用 化学机械抛光法(CMP)将薄膜层抛光到目标厚度，得到薄膜产品。

实施例2

原始基板为钽酸锂晶片，注入剂量为2×10¹⁶ions/cm²的氦离子(He¹⁺)， 氦离子的注入能量是100keV。将离子注入后的钽酸锂晶片在240℃下加热5 小时。基底为硅晶片，在室温下，将钽酸锂晶片与硅晶片进行键合，形成键 合体。将键合体在105℃下加热8小时，实现薄膜的剥离。将薄膜在400℃下 退火处理5小时。利用化学机械抛光法(CMP)将薄膜层抛光到目标厚度， 得到薄膜产品。

实施例3

原始基板为铌酸锂晶片，注入剂量为6×10¹⁶ions/cm²的氦离子(He¹⁺)， 氦离子的注入能量是300keV。将离子注入后的铌酸锂晶片在200℃下加热1 小时。基底是氧化硅晶片，在室温下，将铌酸锂晶片与氧化硅晶片进行键合， 形成键合体。将键合体在90℃下加热5小时，实现薄膜的剥离。将薄膜在400℃ 下退火5小时。利用化学机械抛光法(CMP)将薄膜层抛光到目标厚度，得 到薄膜产品。

实施例4

原始基板为铌酸锂晶片，注入剂量为4×10¹⁶ions/cm²的氦离子(He¹⁺)， 氦离子的注入能量是600keV。将离子注入后的铌酸锂晶片在220℃下加热5 小时。基底是氧化硅晶片，在室温下，将铌酸锂晶片与氧化硅晶片进行键合， 形成键合体。将键合体在85℃下加热30小时，实现薄膜的剥离。将薄膜在 400℃下退火5小时。利用化学机械抛光法(CMP)将薄膜层抛光到目标厚度， 得到薄膜产品。

综上所述，本发明的制造薄膜的方法，通过在离子注入后的原始基板与 基底进行键合之前，对离子注入后的原始基板进行加热，使得分布在分离层 内的离子获得一定的能量，即降低原始基板的分离层附近的机械强度；之后， 即使在较低的温度(即，键合体的碎裂温度)下对形成的键合体进行加热也 能够保证薄膜层从原始基板上完整地剥离下来，并转移到基底上。本发明通 过这种巧妙的设计，可有效地避免出现键合体被拉裂拉碎的问题，实现了在 与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造单晶薄膜。

本发明的制造薄膜的方法具有工艺简单、精确可控、无需特殊设置来实 现等优点。另外，本发明的方法提高了薄膜产品的合格率。

本发明可以制备出大尺寸、纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型和组合，这些简单变型均属于本发明的保护范围。