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，以于晶圆衬底预设深度处形成一注入缺陷层；提供支撑衬底，将支撑衬底与晶圆衬底进行升温键合；对得到的结构退火处理形成连续缺陷层；采用外力辅助的方式剥离部分晶圆衬底，在支撑衬底上形成晶圆薄膜，得到包括支撑衬底及晶圆薄膜的薄膜异质结构。本发明专利技术通过升温键合，可以降低键合结构的热应变，使键合结构在高温工艺中保持稳定完整，避免剥离过程中由于热失配引起裂片问题，通过外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，外力辅助剥离方法可以降低剥离温度与剥离时间，从而降低热应力在压电晶体中的累积效应。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜异质结构的制备方法
本专利技术属于异质衬底制备
，特别是涉及一种薄膜异质结构的制备方法。
技术介绍
压电材料在现代生活中具有广泛的应用，如基于压电材料的器件广泛应用于声学滤波器、光学调制器和红外探测器中等。传统的压电器件大多是在单晶的压电晶圆体材料上制备，具有性能单一、尺寸大、散热差和灵敏度低等缺点。目前，基于压电薄膜的相关器件在尺寸小型化及性能优化等方面表现良好，现有制备压电薄膜的方法大多是在支撑衬底上利用磁控溅射、分子束外延及激光脉冲沉积等方法制备，但这种方法制备的薄膜大多为多晶结构，器件性能较差。1996年，M.Bruel等提出利用离子注入与晶圆键合技术制备单晶硅薄膜技术的方法，这种方法也用来制备单晶的化合物半导体薄膜及压电薄膜，但特别是对于压电薄膜制备，压电单晶材料与支撑衬底的热膨胀系数失配成为制备完整无缺陷的支撑衬底上压电薄膜的关键问题，以硅支撑衬底和LiTaO3晶圆为例，硅材料的热膨胀系数约为2.5K-1，而LiTaO3的a轴热膨胀系数约为16K-1，如此之大的热膨胀系数导致4英寸硅和钽酸锂的键合结构在140℃左右就发生碎裂，无法进行高温工艺。另外，对于离子注入剥离的工艺，在的离子束剥离方法中，主要涉及两个界面，即离子注入形成的缺陷界面与键合界面。在初始情况下，离子注入形成的缺陷层多为纳米级空洞缺陷，材料在此界面依然具有较强的机械强度，而键合界面的键合强度较差，小于上述的缺陷层结合强度，无法将上层薄膜与衬底通过机械外力的方法剥离，进而限制了机械外力在材料制备中的应用，也限制了性能良好的异质结构的制备。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工艺下具有较大热应变，从而导致无法进行高温工艺以及难以直接通过外力辅助的方式制备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，将所述支撑衬底与所述晶圆衬底进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构进行退火处理，其中，所述注入缺陷层在所述退火处理的过程中转化为连续缺陷层；以及5)采用外力辅助的方式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。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。作为本专利技术的一种优选方案，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。作为本专利技术的一种优选方案，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)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，从而可以在后续的高温工艺中保持键合结构的稳定完整，有效避免了剥离过程中由于热失配引起的裂片问题的产生，另外，基于本专利技术的处理工艺，可以通过外部机械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。由于压电单晶材料的机械性质一般较脆，在外加应力及内部应力的作用下容易产生孪晶和位错堆积等晶体缺陷。异质键合结构中的压电单晶在退火中承受较大的热应力，容易在晶体材料中形成位错等缺陷。随着退火时间的延长，位错会发生移动和生长，从而形成大面积的晶体缺陷。使用外力辅助剥离有利于降低退火时间，从而降低热应力的累积引起的缺陷扩散。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外力辅助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。元件标号说明100晶圆衬底100a注入面101注入缺陷层102连续缺陷层103晶圆薄膜104晶圆衬底余料200支撑衬底300插片400薄膜异质结构S1～S5步骤1)～步骤5)具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，虽图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组本文档来自技高网...

【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，将所述支撑衬底与所述晶圆衬底进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构进行退火处理，其中，所述注入缺陷层在所述退火处理的过程中转化为连续缺陷层；以及5)采用外力辅助的方式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。

【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，将所述支撑衬底与所述晶圆衬底进行升温键合；4)对步骤3)得到的结构进行退火处理，其中，所述注入缺陷层在所述退火处理的过程中转化为连续缺陷层；以及5)采用外力辅助的方式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。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...

【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