一种制造近化学计量比的单晶薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制造单晶薄膜的方法，具体地讲，涉及一种纳米级厚度、膜厚均匀、组分接近理想化学计量比的单晶薄膜的制造方法。
【背景技术】
[0002]铌酸锂单晶薄膜和钽酸锂单晶薄膜(以下简称薄膜或单晶薄膜)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，其可以作为衬底材料，可以用于制作高频、高带宽、高集成度、大容量、灵敏度高、低功耗以及性能稳定的光电子学器件和集成光学器件，例如，滤波器、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。最常用的铌酸锂单晶薄膜材料一般可分为三种结构，其中，第一种结构从上至下依次为铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅层和铌酸锂衬底；第二种结构从上至下依次为铌酸锂单晶薄膜、电极、二氧化硅层以及铌酸锂衬底；第三种结构从上至下依次为铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅层、电极以及铌酸锂衬底。铌酸锂单晶薄膜的厚度一般在50纳米至3000纳米之间，二氧化硅层的厚度一般在200纳米至3000纳米之间。钽酸锂单晶薄膜具有与铌酸锂单晶薄膜相同的结构，故在此不再赘述。
[0003]在制作铌酸锂单晶薄膜的过程中，需要经历退火工艺以增强键合力并消除离子注入引起的损伤，从而提高成品薄膜的成品率。通常，退火温度需要控制在200°C至900°C之间。对于铌酸锂单晶薄膜而言，当退火温度在300°C以上时，铌酸锂单晶薄膜会出现相变，甚至会出现部分分解的现象，即形成LiNb3O8相或者以氧化锂(Li2O)的形式扩散出铌酸锂单晶薄膜，从而导致铌酸锂单晶薄膜变成了多相的富铌结构，可以将其看做是铌酸锂和五氧化二铌的混合物(LiNb03+Nb205)。
[0004]当铌酸锂单晶薄膜中有富铌结构存在时，会严重影响铌酸锂单晶薄膜的光学性质和电学性质，尤其是对于含金属电极的铌酸锂单晶薄膜。在金属电极与铌酸锂薄膜层相接触的情况下，金属电极和铌酸锂在接触面附近进行反应，使得含金属电极的铌酸锂单晶薄膜缺失氧化锂的情况更加严重。在铌酸锂单晶薄膜缺失氧化锂的情况下，会严重影响其器件的性能，使指标达不到预期效果，甚至根本不能使用。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的在于提供一种制造近化学计量比的单晶薄膜的方法，所述方法能够制作出纳米级厚度、膜厚均匀、组分接近理想化学计量比的单晶薄膜。
[0006]本发明提供一种制造近化学计量比的单晶薄膜的方法，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；使目标基板与原始基板的薄膜层接触，进而利用晶片键合法将原始基板与目标基板键合在一起，以形成键合体；对键合体进行加热，使得薄膜层和余质层分离；在薄膜层和余质层分离之后，在装有扩散剂的预定容器内以200°C?700°C的温度对薄膜层加热，其中，扩散剂包括氧化锂和硝酸锂中的至少一种。
[0007]根据本发明的实施例，扩散剂是氧化锂或者是氧化锂与铌酸锂的混合物。
[0008]根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，向预定容器通入氧气，使薄膜层在200°C?700°C的温度下被加热以使氧化锂扩散到薄膜层中。
[0009]根据本发明的实施例，所述预定容器包括:用于放置扩散剂的第一容器，在第一容器的一端设置有进气口 ；用于放置薄膜的第二容器，在第二容器的一端设置有出气口 ；用于将第一容器连接到第二容器的管路；对第一容器进行加热的第一加热器；以及对第二容器进行加热的第二加热器。
[0010]根据本发明的实施例，扩散剂是硝酸锂或者是硝酸钠、硝酸钾中的至少一种与硝酸锂的混合物。
[0011]根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，将薄膜层浸溃在处于熔融状态的扩散剂中，使薄膜层在200°c?700°C的温度下被加热以使锂离子扩散到薄膜层中。
[0012]根据本发明的实施例，所述方法还包括在对键合体进行加热的步骤之后和在对薄膜层加热的步骤之前，在300°C?600°C的条件下对薄膜层进行退火处理。
[0013]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前，对薄膜层进行表面抛光处理，和/或在对薄膜层加热的步骤之后，对薄膜层进行表面抛光处理。
[0014]根据本发明的实施例，在目标基板上涂覆有二氧化硅层或者涂覆有电极层和二氧化硅层，并且使二氧化硅层与原始基板的薄膜层接触，以形成键合体；或者在原始基板的薄膜层的表面上涂覆有电极层和二氧化硅层，并且使二氧化硅层与目标基板接触，以形成键合体。
[0015]根据本发明的实施例，在对键合体进行加热的步骤中，在真空条件下或在大于I个大气压且小于300个大气压的气氛下对键合体进行加热使得薄膜层和余质层分离。
[0016]根据本发明的实施例，所述薄膜为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。
[0017]根据本发明的制造近化学计量比的单晶薄膜的方法，可以有效地避免薄膜缺失锂相的问题，制作出纳米级厚度、膜厚均匀、组分接近理想化学计量比的单晶薄膜。
【附图说明】
[0018]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:
[0019]图1是示出本发明的制造单晶薄膜的方法的流程框图；
[0020]图2是示出扩散装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的制造近化学计量比的单晶薄膜的方法进行详细的描述。
[0022]本发明提供一种制造近化学计量比的单晶薄膜的方法，如图1所示，本发明的方法包括下述步骤: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；将原始基板与目标基板键合形成键合体；对键合体进行加热使得薄膜层和余质层分离；以及薄膜层转移到目标基板上，在扩散装置内对薄膜加热。
[0023]具体地讲，在通过离子注入法，将离子对着原始基板的表面注入，形成薄膜层、分离层和余质层的步骤中，使用离子注入法，将离子(可以是分子离子)对着原始基板的上表面注入，形成分离层，分离层将原始基板分为上、下两区:一个为绝大部分注入离子均经过的区域，称为薄膜层；另一个为绝大部分注入离子未经过的区域，称为余质层。薄膜层的厚度由离子注入的能量来决定(例如，氦离子能量可以是1keV?2000keV，与该氦离子能量相对应的薄膜层的厚度在60纳米至4500纳米之间)。其中，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采用不同注入温度的分段注入的离子注入法，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。
[0024]进行该离子注入法的目的是为了将大量的离子注入到原始基板的表层，分离层中的注入离子在原始基板内处于不稳定状态，注入离子嵌入晶格缺陷中，产生体积应变，导致分离层变成应力集中区，从而使得原始基板在分离层附近之处的机械强度脆弱。
[0025]在将原始基板与目标基板键合形成键合体的步骤中，利用晶片键合法，使原始基板与目标基板键合在一起，形成键合体。其中，可在目标基板的表面上涂覆绝缘层(例如，S12),使该绝缘层与原始基板的薄膜层面对面结合，然后进行键合，以使制作的薄膜结构从上至下依次为薄膜层、二氧化硅层和目标基板。还可在目标基板的表面上涂覆电极层(例如，金属电极)和绝缘层(例如，S12),使绝缘层与原始基板的薄膜层面对面结合，然后进行键合，以使制作的薄膜结构从上至下依次为薄膜层、绝缘层、电极层和目标基板。还可以在原始基板的薄膜层的表面上涂覆有电极层和绝缘层(例如，S12),使绝缘层与目标基板面对面结合，然后进行键合，以使制作的薄膜结构从上至下依次为薄膜层、电极层、绝缘层和目标基板。
[0026]晶片键合法可以选自直接键合法、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等中的一种。
[0027]在对键合体进行加热使得薄膜层和余质层分离的步骤中，将键合体置于加热容器内，然后升温至150°C?300°C，在升温的过程中，注入的离子会变成气体分子或原子，形成很多微小的气泡，随着加热时间的延长或加热温度的升高，气泡会越来越多，体积也逐渐增大，最后，气泡相