具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种复合晶片，其包括转移至支承晶片整个表面的钽酸锂或铌酸锂氧化物单晶薄膜，且在支承晶片与氧化物单晶薄膜之间的接合界面上不发生开裂或剥落。一种复合晶片的制造方法，其至少包括：在氧化单晶片中形成离子注入层的步骤，对所述氧化物单晶片的所述离子注入表面和支承晶片表面中的至少一者进行表面活化处理的步骤，将所述氧化物单晶片的所述离子注入表面接合至所述支承晶片表面形成层合体的步骤，在90℃以上且不致使开裂发生的温度下对所述层合体进行第一热处理的步骤，对所述离子注入层施加机械冲击的步骤，以及在250℃～600℃的温度下对带有转移的所述氧化物单晶薄膜的所述支承晶片进行第二热处理以获得复合晶片的步骤。

Fabrication of Composite Wafers with Oxide Monocrystalline Films

The invention relates to a composite wafer, which comprises a lithium tantalate or lithium niobate oxide single crystal film transferred to the entire surface of the supporting wafer, and no cracking or spalling occurs at the interface between the supporting wafer and the oxide single crystal film. A method for fabricating a composite wafer includes at least the steps of forming an ion implantation layer in an oxide monolithic wafer, surface activation of at least one of the ion implantation surfaces and the supporting wafer surfaces of the oxide monolithic wafer, and surface bonding of the ion implantation surfaces of the oxide monolithic wafer. The steps of forming a laminate on the surface of the supporting wafer, the first heat treatment step of the laminate, the mechanical impact step on the ion implantation layer, and the description of the oxide single crystal film with transfer at temperatures of 250 ~600 (?) are carried out at temperatures above 90 (?) C without causing cracking. The second heat treatment of the supporting wafer to obtain the composite wafer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法
本专利技术涉及一种复合晶片的制造。更具体而言，本专利技术涉及一种在支承晶片上具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法。
技术介绍
在以智能手机为代表的紧凑型通信设备领域，通信量急剧增加，设备具有更多的功能。为了应对通信量的增加，带数增加了；而另一方面，紧凑型通信设备需要在不增大尺寸的情况下具有更多的功能。因此，对于应用于紧凑型通信设备的各种部件而言，进一步减小尺寸和提高性能是必不可少的。氧化物单晶如钽酸锂(LT)和铌酸锂(LN)是有代表性的压电材料，被广泛用作表面声波(SAW)设备的材料。当被用作压电材料时，氧化物单晶的显示从电磁能至机械能的转换效率的机电耦合系数较大，可以获得更宽的带宽。然而，氧化物单晶的温度稳定性低，温度的变化会改变其可操作的频率。这种温度稳定性低的起因在于氧化物单晶的热膨胀系数。作为用作电压材料的氧化物单晶的温度稳定性的提高方法，现有技术公开了以下方法，例如：将氧化单晶片与具有比其热膨胀系数小的材料、具体而言与蓝宝石晶片进行接合；将层合体从氧化物单晶片侧面削薄成几微米至几十微米，从而抑制氧化物单晶热膨胀的影响(非专利文献1)。在该方法中，对于层合体被削薄后的氧化物单晶片而言，大部分氧化单晶片被可惜地丢弃，导致材料利用率低。用作氧化物单晶的钽酸锂或铌酸锂是一类昂贵的材料，因此，为降低生产成本，需要材料利用率高以实现少量废弃的技术。SOI晶片的制造技术、例如智能剥离(Smart-Cut)法，简而言之是一种将包括氢离子层的硅片接合在支承晶片上并将层合体在约500℃下进行加热以使离子注入层发生热剥离(专利文献1)。为了提高氧化物单晶片在产品中的利用效率，尝试了在智能剥离法中使用氧化物单晶片代替硅晶片以在支承晶片上形成氧化物单晶薄膜的方法(非专利文献2和3)。非专利文献2公开了以下技术：在包含离子注入层的钽酸锂晶片表面，形成了厚度为121nm的Cr金属层；具有几百纳米厚度的二氧化硅基板通过该金属层进行接合；将层合体在200℃～500℃下加热以沿着离子注入层剥离层合体，由此使钽酸锂薄膜通过金属层转移至二氧化硅基板上；然后，将钽酸锂晶片接合至二氧化硅基板的与转移有钽酸锂薄膜的表面相对的另一表面上，从而制造出一种钽酸锂-金属-绝缘体(lithium-tantalate-metal-on-insulator：LTMOI)结构。非专利文献3公开了以下技术：硅片与包括离子注入层的钽酸锂晶片接合；将层合体在200℃下加热以沿着离子注入层剥离层合体，由此使钽酸锂薄膜热转移至硅片上。参考文献目录专利文献专利文献1：JP3048201B非专利文献非专利文献1：TaiyoYuden株式会社，“用于智能手机射频前端的SAW-Duplexer(表面声波双工器)的温度补偿技术”，[online(在线)]，2012年11月8日，电波新闻高科技(DempaShimbunHighTechnology)，[2015年3月20日检索]；互联网(网址：http://www.yuden.co.jp/jp/product/tech/column/20121108.html)非专利文献2：ATauzin等，“利用智能剥离技术在金属电极上得到3英寸单晶LiTaO3薄膜(3-inchsingle-crystalLiTaO3filmsontometallicelectrodeusingSmartCutTMtechnology)”，ElectronicsLetters，2008年6月19日，第44卷，第13期，第822页非专利文献3：WeillLiu等，“利用薄膜转移技术在硅基板上制备单晶LiTaO3薄膜(Fabricationofsingle-crystallineLiTaO3filmonsiliconsubstrateusingthinfilmtransfertechnology)”，J.Vac.Sci.Technol.，B26(1)，2008年1月/2月，第206页专利技术概述本专利技术需要解决的问题氧化物单晶如钽酸锂(LT)和铌酸锂(LN)既坚硬也非常脆，与图4所示的硅、玻璃和蓝宝石相比，它们具有明显大的热膨胀系数。当此类氧化物单晶与不同类型的晶片(如硅、玻璃或蓝宝石晶片)进行接合并在高温下加热时，由于晶片之间的热膨胀系数不同，这种接合晶片会发生剥离或破裂。例如，蓝宝石具有特别较大的热膨胀系数且通常作为支承晶片使用，从图4可以看出，钽酸锂与蓝宝石之间热膨胀系数的差异高达7×10-6/K(＝7ppm/K)以上。非专利文献2是一份报告，其中，包括位于钽酸锂晶片和钽酸锂薄膜之间的金属层和二氧化硅基板的结构，被用于抑制由于热处理时热膨胀差异而引起的晶片的剥离或开裂，使钽酸锂薄膜能够转移。然而，该方法使用与薄膜相同的钽酸锂作为底层基板，因此，作为压电材料仍然存在温度稳定性差的问题。此外，该结构有金属层介入，其在应用上也有局限性。此外，需要使用大量昂贵的钽酸锂来抑制晶片的开裂，从而导致更高的生产成本。非专利文献3公开了在200℃～800℃下的热处理，但仅公开了一个利用智能剥离法在200℃下将钽酸锂薄膜转移至硅片上的具体实例，在该实例中并未描述钽酸锂薄膜是否能够转移至硅片的整个表面。本专利技术的专利技术人利用与非专利文献3类似的方法，通过200℃下热处理针对剥离进行了验证实验，发现钽酸锂薄膜并没有完全转移至硅片的整个表面上，而是仅仅转移至小部分的表面上。尤其是，钽酸锂薄膜根本没有转移至硅片的周缘区域。这被认为是由于接合晶片在热处理过程中因晶片之间热膨胀的差异而弯曲，晶片沿着与钽酸锂晶片的接合界面在硅片的周缘区域上分离。在热处理温度设置为200℃以上的情况下，推断认为：该接合晶片由于热膨胀的差异而引起的弯曲也不会像上面描述的那样受到抑制，并且钽酸锂薄膜不能稳定地转移至硅片的整个表面。根据非专利文献2或3所述方法进行剥离且转移的氧化物单晶薄膜可能对支承晶片的接合强度不足。为了提升支承晶片与氧化物单晶薄膜之间的接合力，在剥离且转移后进行热处理(例如300℃以上)，由此接合力能够得到提升，但同时由于支承晶片与氧化单晶薄膜膨胀系数的差异而会伴随应力产生，并可能在接合力增大之前发生氧化单晶薄膜的部分剥落。解决问题的方法换言之，本专利技术的一个方面提供了一种在支承晶片上具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法，所述方法至少包括:离子注入层形成步骤，通过氧化单晶片表面注入原子氢离子或分子氢离子以在所述氧化单晶片中形成离子注入层，所述氧化单晶片为钽酸锂晶片或铌酸锂晶片；表面活化处理步骤，针对所述氧化物单晶片的离子注入表面和待接合至所述氧化物单晶片上的支承晶片表面中的至少一者进行表面活化处理；层合体形成步骤，在所述表面活化处理后，将所述氧化物单晶片的离子注入表面接合至所述支承晶片表面以形成层合体；第一热处理步骤，针对所述层合体在90℃以上且不致使开裂发生的温度下进行第一热处理；机械冲击施加步骤，在所述第一热处理后，针对所述层合体的所述离子注入层施加机械冲击，从而沿着所述离子注入层剥离所述层合体，获得被转移至所述支承晶片上的氧化物单晶薄膜；以及复合晶片获得步骤，针对具有转移的所述氧化物单晶薄膜的所述支承晶片在250℃～600℃的温度下进行第二热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在支承晶片上具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法，所述方法至少包括：离子注入层形成步骤，通过氧化单晶片表面注入原子氢离子或分子氢离子以在所述氧化单晶片中形成离子注入层，所述氧化单晶片为钽酸锂晶片或铌酸锂晶片；表面活化处理步骤，针对所述氧化物单晶片的离子注入表面和待接合至所述氧化物单晶片上的支承晶片表面中的至少一者进行表面活化处理；层合体形成步骤，在所述表面活化处理后，将所述氧化物单晶片的离子注入表面接合至所述支承晶片表面以形成层合体；第一热处理步骤，针对所述层合体在90℃以上且不致使开裂发生的温度下进行第一热处理；机械冲击施加步骤，在所述第一热处理后，针对所述层合体的所述离子注入层施加机械冲击，从而沿着所述离子注入层剥离所述层合体，获得被转移至所述支承晶片上的氧化物单晶薄膜；以及复合晶片获得步骤，针对具有转移的所述氧化物单晶薄膜的所述支承晶片在250℃～600℃的温度下进行第二热处理以获得复合晶片；其中，将所述原子氢离子以5.0×1016个原子/cm2～2.75×1017个原子/cm2的注入量注入，或者将所述分子氢离子以2.5×1016个分子/cm2～1.37×1017个分子/cm2的注入量注入。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.05 JP 2016-0758071.一种在支承晶片上具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法，所述方法至少包括：离子注入层形成步骤，通过氧化单晶片表面注入原子氢离子或分子氢离子以在所述氧化单晶片中形成离子注入层，所述氧化单晶片为钽酸锂晶片或铌酸锂晶片；表面活化处理步骤，针对所述氧化物单晶片的离子注入表面和待接合至所述氧化物单晶片上的支承晶片表面中的至少一者进行表面活化处理；层合体形成步骤，在所述表面活化处理后，将所述氧化物单晶片的离子注入表面接合至所述支承晶片表面以形成层合体；第一热处理步骤，针对所述层合体在90℃以上且不致使开裂发生的温度下进行第一热处理；机械冲击施加步骤，在所述第一热处理后，针对所述层合体的所述离子注入层施加机械冲击，从而沿着所述离子注入层剥离所述层合体，获得被转移至所述支承晶片上的氧化物单晶薄膜；以及复合晶片获得步骤，针对具有转移的所述氧化物单晶薄膜的所述支承晶片在250℃～600℃的温度下进行第二热处理以获得复合晶片；其中，将所述原子氢离子以5.0×1016个原子/cm2～2.75×1017个原子/cm2的注入量注入，或者将所述分子氢离子以2.5×1016个分子/cm2～1.37×1017个分子/cm2的注入量注入。2.根据权利要求1所述的复合晶片的制造方法，其中，所述第二热处理在250℃～400℃的温度下进行。3.根据权利要求2所述的复合晶片的制造方法，其中，除了所述复合晶片的所述氧化物单晶薄膜的表面以及所述氧化物单晶薄膜与所述支承晶片的接合界面之外，所述氧化物单晶薄膜中的氢离子浓度为4.0×1020个原子/cm3～8.0×1020个原子/cm3。4.根据权利要求1所述的复合晶片的制造方法，其中，所述第二热处理在高于400℃且600℃以下的温度下进行，且以低于10.0℃/分钟的升温速率从250℃升至所述温度。5.根据权利要求4所述的复合晶片的制造方法，其中，所述复合晶片在所述支承晶片与所述氧化物单...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋山昌次，
申请(专利权)人：信越化学工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP