CN112599655A - 多功能单晶薄膜、其制备方法和谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能单晶薄膜、其制备方法和谐振器,包括如下制备步骤:选择至少两种不同材质的小尺寸压电单晶晶圆,在各小尺寸压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子,在衬底的上表面划分出与各具有损伤层的小尺寸压电单晶晶圆匹配的键合区域,在各键合区域内制备键合层;将各具有损伤层的小尺寸压电单晶晶圆的下表面叠放于一一对应的键合区域内,进行键合处理和单晶劈裂处理,移除上压电层,在大尺寸衬底上拼接不同材质的小尺寸单晶薄膜;本发明提供的多功能单晶薄膜的制备方法,可以在同一衬底上集成不同材质的单晶薄膜,可以为多种膜器件提供多功能性单晶薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及单晶薄膜制备技术领域,尤其是涉及一种多功能单晶薄膜、其制备方法和谐振器。
背景技术
离子注入剥离方法可以实现几乎所有单晶薄膜材料的转移制备,其制备的薄膜材料具有与单晶材料相当的晶体结构和电学性能。现有的硅晶圆的尺寸通常在12英寸,而氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);铌酸锂(LN)等材料的晶圆尺寸通常在4-6英寸。由于离子注入剥离方法原理的限制,其将类似氮化镓(GaN)等小尺寸晶圆制备超过6英寸的单晶薄膜受到了严重限制,氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP);铌酸锂(LN)等单晶薄膜受到了应用的局限性。
此外,超越摩尔定律发展路线的提出,多功能器件的这一全新集成电路发展路径,这一技术需要在同一衬底上实现多功能器件的集成,目前常见的方法是将基于不同种类材料的器件分别制备,然后通过wire-bonding等方式进行混合集成,限制了系统体积的进一步缩小,不能充分发挥集成技术对增强系统功能和缩小系统体积、重量的作用。
因此,针对上述问题本发明急需提供一种多功能单晶薄膜、其制备方法和谐振器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能单晶薄膜、其制备方法和谐振器,通过将不同材质的小尺寸的单晶薄膜拼接在一个大的衬底上的设计以解决现有技术存在的压电单晶晶圆功能单一,无法满足多功能器件的应用的技术问题。
本发明提供的一种多功能单晶薄膜的制备方法,包括如下制备步骤:
选择至少两种不同材质的小尺寸压电单晶晶圆,在各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子,使得各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆内部形成损伤层,损伤层将各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层,得到具有损伤层的小尺寸压电单晶晶圆;
在衬底的上表面划分出与各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆匹配的键合区域,在各键合区域内制备用于与各具有损伤层的不同材质的小尺寸单晶晶圆压电单晶晶圆键合的键合层;
将各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面叠放于一一对应的键合区域内,进行键合处理和单晶劈裂处理,移除上压电层,在大尺寸衬底上拼接不同材质的小尺寸单晶薄膜;
小尺寸压电单晶晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅-钛酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石或铌镁酸铅-钛酸铅。
进一步地,小尺寸压电单晶晶圆的规格为1×1mm2-100×100mm2。
进一步地,单晶劈裂处理方法包括退火处理或激光聚焦加热处理中的至少一种。
进一步地,高能量离子能量为100KeV-1000kev。
进一步地,键合固化温度为150℃-500℃;键合固化时间为10min-600min;压电单晶单晶劈裂温度为180℃-400℃;单晶劈裂时间为10min-600min。
进一步地,键合层材质采用二氧化硅(SiO2)、Si、金属、合金、苯并环丁烯(BCB)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)或旋转涂布玻璃(SOG)中的一种;
衬底的材质包括硅(Si)、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石中的一种。
本发明还提供了一种多功能单晶薄膜,包括衬底,衬底上设有至少两个不同材质的小尺寸单晶薄膜层;各不同材质的小尺寸单晶薄膜层与衬底间设有键合层。
进一步地,不同材质的小尺寸单晶薄膜层规格为1×1mm2-100×100mm2。
进一步地,不同材质的小尺寸压电单晶晶圆包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、磷化铟和碳化硅中的一种。
本发明还提供了一种谐振器,包括如上述中任一项所述的多功能单晶薄膜。本发明提供的一种多功能单晶薄膜在大尺寸衬底上拼接小尺寸单晶薄膜、其制备方法和谐振器与现有技术相比具有以下进步:
1、本发明提供的多功能单晶薄膜的制备方法,能够在大尺寸的硅衬底和玻璃衬底上键合多个不同材质的小尺寸的单晶薄膜,在突破小尺寸单晶薄膜自身尺寸的限制的同时,还可以集成不同功能的单晶薄膜,可以为多种膜器件提供多功能性单晶薄膜。
2、本发明提供的多功能单晶薄膜的制备方法,在键合过程中,由于键合面积小可以提高键合层气泡的扩散效率,减小薄膜在升温和降温过程中的应力积累,使制得的拼接的小尺寸单晶薄膜表面平整,无气泡,无裂纹。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中所述多功能单晶薄膜的制备方法步骤框图;
图2为本发明中所述多功能单晶薄膜的制备方法步骤示意图;
图3为本发明中所述多功能单晶薄膜的制备方法步骤示意图;
图4为本发明中所述多功能单晶薄膜的制备方法步骤示意图;
图5为本发明中所述多功能单晶薄膜的制备方法步骤示意图;
图6为本发明中所述多功能单晶薄膜结构示意图(俯视图)。
附图标记说明:
1-单晶薄膜;2-衬底;3-键合层;4-损伤层;5-上压电层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供一种多功能单晶薄膜的制备方法,包括如下制备步骤:
选择至少两种不同材质的小尺寸压电单晶晶圆,在各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子,使得各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆内部形成损伤层,损伤层将各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层,得到具有损伤层的小尺寸压电单晶晶圆;
在衬底的上表面划分出与各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆匹配的键合区域,在各键合区域内制备用于与各具有损伤层的不同材质的小尺寸单晶晶圆压电单晶晶圆键合的键合层;
将各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面叠放于一一对应的键合区域内,进行键合处理和单晶劈裂处理,移除上压电层,在大尺寸衬底上拼接不同材质的小尺寸单晶薄膜;
小尺寸压电单晶晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅-钛酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石或铌镁酸铅-钛酸铅。
具体地,小尺寸压电单晶晶圆的规格为1×1mm2-100×100mm2。
具体地,单晶劈裂处理方法包括退火处理或激光聚焦加热处理中的至少一种。
具体地,高能量离子能量为100KeV-1000kev。
具体地,键合固化温度为150℃-500℃;键合固化时间为10min-600min;压电单晶单晶劈裂温度为180℃-400℃;单晶劈裂时间为10min-600min。
具体地,键合层材质采用二氧化硅(SiO2)、Si、金属、合金、苯并环丁烯(BCB)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)或旋转涂布玻璃(SOG)中的一种;
衬底的材质包括硅(Si)、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石中的一种。
本发明还提供了一种多功能单晶薄膜,包括衬底,衬底上设有至少两个不同材质的小尺寸单晶薄膜层;各不同材质的小尺寸单晶薄膜层与衬底间设有键合层。
具体地,不同材质的小尺寸单晶薄膜层规格为1×1mm2-100×100mm2。
具体地,不同材质的小尺寸压电单晶晶圆包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、磷化铟和碳化硅中的一种。本发明还提供了一种谐振器,包括如上述中任一项所述的多功能单晶薄膜。
实施例一
样品一的制备过程:
101)分别选用不同材质的小尺寸的铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓作为压电单晶晶圆;其中,铌酸锂的尺寸范围选择为1×1mm2-100×100mm2;氮化镓的尺寸选择范围1×1mm2-100×100mm2;磷化铟的尺寸选择范围1×1mm2-100×100mm2;砷化镓的尺寸范围选择为1×1mm2-100×100mm2;可以根据需要的尺寸,在上述范围内选择;分别在铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓的下表面注入He+,He+注入能量为100KeV,He+注入剂量1×1016ions/cm2,使得铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓压电单晶晶圆内部分别产生损伤层,损伤层分别将铌酸锂分隔成铌酸锂上压电层和铌酸锂单晶薄膜层;将氮化镓分隔成氮化镓上压电层和氮化镓单晶薄膜层;将磷化铟分隔成磷化铟上压电层和磷化铟单晶薄膜层;
102)选用硅(Si)作为衬底,在Si衬底相应的划分出铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓压电单晶晶圆的键合区域,在铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓压电单晶晶圆的键合区域制备分别一一对应制备BCB键合胶,喷涂金属,生长二氧化硅(SiO2)和喷涂金属;
103)将各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面叠放于一一对应的键合区域内,放入到管式炉中进行键合和单晶劈裂处理,键合固化温度依次设定220℃、300℃和500℃,键合固化时间为90min,整个单晶劈裂时间为180min;降至室温,移除铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓上压电层,在Si衬底形成大面积的拼接的多种不同材质的压电单晶晶圆的单晶薄膜。
实施例二
样品二的制备过程:
101)分别选用不同材质的小尺寸的铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓作为压电单晶晶圆;其中,铌酸锂的尺寸范围选择为1×1mm2-100×100mm2;氮化镓的尺寸选择范围1×1mm2-100×100mm2;磷化铟的尺寸选择范围1×1mm2-100×100mm2;砷化镓的尺寸范围选择为1×1mm2-100×100mm2;可以根据需要的尺寸,在上述范围内选择;分别在铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓的下表面注入He+,He+注入能量为100KeV,He+注入剂量1×1016ions/cm2,使得铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓压电单晶晶圆内部分别产生损伤层,损伤层分别将铌酸锂分隔成铌酸锂上压电层和铌酸锂单晶薄膜层;将氮化镓分隔成氮化镓上压电层和氮化镓单晶薄膜层;将磷化铟分隔成磷化铟上压电层和磷化铟单晶薄膜层;
102)选用玻璃作为衬底,在玻璃衬底相应的划分出铌酸锂、氮化镓、磷化铟、砷化镓压电单晶晶圆的键合区域,对铌酸锂单晶薄膜层表制备苯并环丁烯键合胶(BCB键合胶),氮化镓单晶薄膜层喷涂金属,磷化铟单晶薄膜层生长二氧化硅(SiO2),砷化镓单晶薄膜层喷涂金属;
103)将铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓压电单晶晶圆一一对应对于放于玻璃衬底上的铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓压电单晶晶圆的键合区域上,采用激光聚焦加热的方式,根据铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓的玻璃厚度和剥离温度设定聚焦能量,逐一对铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓上的上压电层进行剥离。
在键合过程中,也可分别对铌酸锂,氮化镓,磷化铟,砷化镓单晶薄膜层表面制备苯并环丁烯键合胶(BCB键合胶),再与衬底键合。
可以在玻璃衬底键合多个不同材质的铌酸锂单晶薄膜,多个氮化镓单晶薄膜,多个砷化镓单晶薄膜,多个磷化铟单晶薄膜。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:包括如下制备步骤:
选择至少两种不同材质的小尺寸压电单晶晶圆,在各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子,使得各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆内部形成损伤层,损伤层将各不同材质的小尺寸压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层,得到具有损伤层的小尺寸压电单晶晶圆;
在衬底的上表面划分出与各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆匹配的键合区域,在各键合区域内制备用于与各具有损伤层的不同材质的小尺寸单晶晶圆压电单晶晶圆键合的键合层;
将各具有损伤层的不同材质的小尺寸压电单晶晶圆的下表面叠放于一一对应的键合区域内,进行键合处理和单晶劈裂处理,移除上压电层,在大尺寸衬底上拼接不同材质的小尺寸单晶薄膜;
小尺寸压电单晶晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅-钛酸铅、氮化镓、砷化镓、磷化铟、碳化硅、金刚石或铌镁酸铅-钛酸铅。
2.根据权利要求1所述的多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:小尺寸压电单晶晶圆的规格为1×1mm2-100×100mm2。
3.根据权利要求2所述的多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:单晶劈裂处理方法包括退火处理或激光聚焦加热处理中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:高能量离子能量为100KeV-1000kev。
5.根据权利要求4所述的多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:键合固化温度为150℃-500℃;键合固化时间为10min-600min;压电单晶单晶劈裂温度为180℃-400℃;单晶劈裂时间为10min-600min。
6.根据权利要求5所述的多功能单晶薄膜的制备方法,其特征在于:键合层材质采用二氧化硅(SiO2)、Si、金属、合金、苯并环丁烯(BCB)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)或旋转涂布玻璃(SOG)中的一种;
衬底的材质包括硅(Si)、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石中的一种。
7.一种多功能单晶薄膜,其特征在于:包括衬底,衬底上设有至少两个不同材质的小尺寸单晶薄膜层;各不同材质的小尺寸单晶薄膜层与衬底间设有键合层。
8.根据权利要求7所述的多功能单晶薄膜,其特征在于:不同材质的小尺寸单晶薄膜层规格为1×1mm2-100×100mm2。
9.根据权利要求7所述的多功能单晶薄膜,其特征在于:不同材质的小尺寸压电单晶晶圆包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅、磷化铟和碳化硅中的一种。
10.一种谐振器,其特征在于:包括如权利要求7-9任一项所述的多功能单晶薄膜。
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