一种薄膜异质结构的制备方法技术

本发明专利技术提供一种薄膜异质结构的制备方法，包括步骤：提供晶圆衬底，具有注入面；自注入面对晶圆衬底进行离子注入，于晶圆衬底内的预设深度处形成注入缺陷层；提供支撑衬底，将支撑衬底及晶圆衬底进行升温键合；对得到的结构进行退火处理，形成连续缺陷层；将得到的结构降至预设温度，以基于降温产生的反向热应力沿连续缺陷层剥离部分晶圆衬底，得到包括支撑衬底及晶圆薄膜的薄膜异质结构，预设温度低于键合温度。本发明专利技术通过升温键合的方式，可以降低键合结构的热应变，使得键合结构在高温工艺中保持稳定完整，有效避免了剥离过程中由于热失配引起的裂片问题，本发明专利技术还通过反向热应力辅助的方法使键合结构在连续缺陷层分开而对键合界面无影响。

A preparation method of thin film heterostructure

The invention provides a preparation method of a thin film heterostructure, which comprises the following steps: providing a wafer substrate with an injection plane; ion implantation on a wafer substrate from the injection plane, forming an injection defect layer at a predetermined depth within the wafer substrate; providing a support substrate to heat up the support substrate and the wafer substrate; and The structure was annealed to form a continuous defect layer, and the obtained structure was lowered to a preset temperature to peel off part of the wafer substrate along the continuous defect layer based on the reverse thermal stress generated by cooling. The thin film heterostructures including the supporting substrate and the wafer film were obtained. The preset temperature was lower than the bonding temperature. The invention can reduce the thermal strain of the bonding structure by heating bonding, keep the bonding structure stable and complete in the high temperature process, effectively avoid the cracking problem caused by thermal mismatch in the peeling process, and also separate the bonding structure from the continuous defect layer by the method of reverse thermal stress assistance. The bonding interface has no effect.

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜异质结构的制备方法
本专利技术属于衬底制备
，特别是涉及一种薄膜异质结构的制备方法。
技术介绍
随着5G通讯的到来以及万物互联(InternetofEverything，IOE)的发展，过去常用的芯片技术已经不能满足人们对高性能、高集成度及低功耗的要求。此时，需要人们将具有各种不同功能的芯片进行集成。根据材料性质不同，基于不同材料的芯片具有各自的优点，例如，硅芯片具有集成度高的优点，砷化镓芯片具有高速高频的优点，氮化镓芯片具有大功率的优点，压电芯片在射频系统的滤波器上应用广泛。为此，美国NorthropGrummanAerospaceSector利用异质集成方法将各种不同功能的芯片进行了集成，有效的缩小了芯片尺寸。随着通信技术的发展，越来越多的通信芯片公司开始将基于压电材料的滤波器组件与基于半导体材料的功率放大器(PA)及低噪声放大器(LNA)集成模块，从而提供模块级的解决方案。目前，将滤波器与放大器集成的方法主要是通过封装技术完成，具有尺寸大、寄生效应严重等缺点。将压电材料与硅集成将提供材料级集成的晶圆衬底，为制备单片集成的模块提供材料平台。此外，将压电材料异质衬底键合，可以有效提高滤波器的工作频率、带宽并降低功耗等。利用离子束剥离方法将压电单晶转移至异质支撑衬底上已经可以提供相应的晶圆材料。但利用离子束剥离方法制备支撑衬底上的压电薄膜的关键问题为压电材料与支撑衬底具有较大的热膨胀系数失配，键合结构在加热过程中产生较大的热应力导致键合结构碎裂。另外，键合结构中存在键合界面和注入缺陷层两层界面，这两层界面的结合强度在退火过程中会发生相反的变化，键合界面在退火过程中会因为两晶圆间的相互成键而加强，而注入缺陷层会因为缺陷的聚集而降低强度，连续缺陷层导致此处的结合强度弱于加固后的键合界面强度，形成两层界面强度的反转，如何进行更为有效的剥离方式的选择成为本领域技术人员亟待解决的问题。因此，提供一种薄膜异质结构的制备方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种薄膜异质结构的制备方法，用于解决现有技术中薄膜异质衬底在高温下具有热应变，从而无法进行高温工艺以及如何利用辅助手段进行材料剥离以得到完成的薄膜异质衬底的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种薄膜异质结构的制备方法，包括如下步骤：1)提供一晶圆衬底，且所述晶圆衬底具有一注入面；2)自所述注入面对所述晶圆衬底进行离子注入，以于所述晶圆衬底内的预设深度处形成一注入缺陷层；3)提供一支撑衬底，加热所述支撑衬底及所述晶圆衬底至键合温度以进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构在一退火温度下进行退火处理，其中，在所述退火处理的过程中所述注入缺陷层转化为连续缺陷层；以及5)将步骤4)得到的结构降温至一预设温度，以基于降温过程中产生的反向热应力沿所述连续缺陷层剥离部分所述晶圆衬底，使得所述晶圆衬底的一部分转移至所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成一晶圆薄膜，得到包括所述支撑衬底以及键合于所述支撑衬底上的所述晶圆薄膜的薄膜异质结构，其中，所述预设温度低于所述键合温度。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4)中，所述退火处理的温度介于140℃～300℃之间；所述退火处理的时间介于1min～24h之间；所述退火处理的氛围包括氮气、氧气、氩气、富Li气氛及真空中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)和步骤4)之间还包括步骤：对步骤3)得到的结构进行预退火，以增强所述支撑衬底与所述晶圆衬底之间的键合强度。优选地，所述预退火的温度介于100℃～250℃之间；所述预退火的时间介于1min～600min之间；所述预退火过程中包括对所述晶圆衬底及所述支撑衬底进行加压以及调整所述预退火氛围为真空中的至少一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，所述升温键合的所述键合温度介于50℃～250℃之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3)中，所述支撑衬底的材料选自于硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓及碳化硅所构成群组中的至少一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1)中，所述晶圆衬底包括压电单晶衬底；所述压电单晶衬底的材料选自于铌酸锂、钽酸锂、石英及PMN-PT中的任意一种。作为本专利技术的一种优选方案，步骤2)中，进行所述离子注入的方式包括氢离子注入、氦离子注入及氢氦离子共注入中的任意一种。优选地，进行所述离子注入的温度介于50℃～150℃之间；进行所述离子注入的能量介于1keV～2000keV之间；进行所述离子注入的剂量介于1×1016cm-2～1.5×1017cm-2之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5)中，所述预设温度介于室温至100℃之间。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5)之后还包括步骤：对步骤5)得到的所述薄膜异质结构进行后处理工艺，所述后处理工艺包括后退火处理及表面处理中的至少一种。作为本专利技术的一种优选方案，进行所述后退火处理的后退火温度介于300℃～700℃之间，后退火时间介于1h～12h之间，后退火氛围包括氮气、氧气、富Li气氛、真空及氩气中的任意一种；进行所述表面处理的方式包括表面粗糙度处理，进行所述表面粗糙度处理的方法包括化学机械抛光、化学腐蚀及低能离子辐照中的至少一种。如上所述，本专利技术的薄膜异质结构的制备方法，具有以下有益效果：本专利技术提供一种薄膜异质结构的制备方法，通过一种升温键合的方式，降低了晶圆衬底及支撑衬底键合时的温度与后续高温工艺(如退火处理)之间的温差，降低键合结构内部的热应变，进一步，首先利用较低温度的预退火处理加强键合强度，使其可以在随后的剥离温度下不发生解键合，键合加强后的结构在较高温度退火处理，离子注入形成的微纳缺陷聚集并形成连续的缺陷层，连续缺陷层导致此处的结合强度弱于加固后的键合界面强度，形成两层界面强度的反转后，将键合结构降温至键合温度以下，此时会在键合结构中形成相反的热应力，热应力将键合结构从结合强度最弱的连续缺陷层分离，从而将压电薄膜转移到支撑衬底上。该方法可以降低直接剥离压电薄膜的退火温度，从而有效避免剥离过程中由于热失配引起的裂片问题的产生；另外，基于本专利技术的处理工艺，可以通过降温产生反向热应力辅助的方法使键合结构在缺陷层分开而对键合界面无影响，外力作用可以降低退火温度，相比于晶圆自动剥离缩短工艺时间，还可以防止晶圆自动剥离划伤表面，同时，也可以避免剥离时应力突然释放导致的晶圆碎裂。附图说明图1显示为本专利技术的薄膜异质结构制备的工艺流程图。图2显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中提供晶圆衬底的结构示意图。图3显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中进行离子注入形成注入缺陷层的结构示意图。图4显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中提供支撑衬底的结构示意图。图5显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中将晶圆衬底和支撑衬底键合的结构示意图。图6显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中进行退火处理形成连续缺陷层的结构示意图。图7显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中通过降温剥离部分晶圆衬底的示意图。图8显示为本专利技术的薄膜异质结构制备中得到的薄膜异质衬底的结构示意图。图9(a)显示为本专利技术的薄膜异质衬底退火温度为180℃时的应力分布。图9(b)显示为本专利技术的薄膜异质衬底降温至预设温度100℃时的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一晶圆衬底，且所述晶圆衬底具有一注入面；2)自所述注入面对所述晶圆衬底进行离子注入，以于所述晶圆衬底内的预设深度处形成一注入缺陷层；3)提供一支撑衬底，加热所述支撑衬底及所述晶圆衬底至键合温度以进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构在一退火温度下进行退火处理，其中，在所述退火处理的过程中所述注入缺陷层转化为连续缺陷层；以及5)将步骤4)得到的结构降温至一预设温度，以基于降温过程中产生的反向热应力沿所述连续缺陷层剥离部分所述晶圆衬底，使得所述晶圆衬底的一部分转移至所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成一晶圆薄膜，得到包括所述支撑衬底以及键合于所述支撑衬底上的所述晶圆薄膜的薄膜异质结构，其中，所述预设温度低于所述键合温度。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一晶圆衬底，且所述晶圆衬底具有一注入面；2)自所述注入面对所述晶圆衬底进行离子注入，以于所述晶圆衬底内的预设深度处形成一注入缺陷层；3)提供一支撑衬底，加热所述支撑衬底及所述晶圆衬底至键合温度以进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构在一退火温度下进行退火处理，其中，在所述退火处理的过程中所述注入缺陷层转化为连续缺陷层；以及5)将步骤4)得到的结构降温至一预设温度，以基于降温过程中产生的反向热应力沿所述连续缺陷层剥离部分所述晶圆衬底，使得所述晶圆衬底的一部分转移至所述支撑衬底上，以在所述支撑衬底上形成一晶圆薄膜，得到包括所述支撑衬底以及键合于所述支撑衬底上的所述晶圆薄膜的薄膜异质结构，其中，所述预设温度低于所述键合温度。2.根据权利要求1所述的薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述退火处理的温度介于140℃～300℃之间；所述退火处理的时间介于1min～24h之间；所述退火处理的氛围包括氮气、氧气、氩气、富Li气氛及真空中的任意一种。3.根据权利要求1所述的薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)之间还包括步骤：对步骤3)得到的结构进行预退火，以增强所述支撑衬底与所述晶圆衬底之间的键合强度。4.根据权利要求3所述的薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，所述预退火的温度介于100℃～250℃之间；所述预退火的时间介于1min～600min之间；所述预退火过程中包括对所述晶圆衬底及所述支撑衬底进行加压以及调整所述预退火氛围为真空中的至少一种。5.根据权利要求1所述的薄膜异质结构的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述升温键合...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，黄凯，鄢有泉，游天桂，王曦，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31