在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法，具体地讲，涉及一种纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜的制造方法。
【背景技术】
[0002]铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜在光信号处理、信息存储以及电子器件等领域具有广泛的用途，其可以作为基底材料，可以用于制作高频、高带宽、高集成度、大容量、低功耗的光电子学器件和集成光学器件，例如，滤波器、光波导调制器、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。在硅基底上形成铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜，可实现与现有的硅基材料的生产工艺和生产线兼容，从而可提高铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜的可加工性和应用范围。
[0003]1992年，Bruel提出了一种从半导体材料上剥离薄膜的方法，其主要步骤包括:对原始基板进行离子注入；将原始基板与目标基板(即，基底)键合，形成键合体；将键合体加热分离；对薄膜层表面抛光等工艺。这种方法被广泛应用于绝缘体上硅(SOI)等材料的制作上。在这种方法中，热分离是十分关键的一个步骤，热分离有两个作用，第一个作用是能够增强键合晶片之间的键合力(即，增强原始基板与基底之间的键合力)；第二个作用是使分布在分离层中的离子得到足以脱离原始基板材料的晶格结构的束缚以使它们之间形成的键断开的能量，变成气体原子(例如，氦气)，或与另一脱离的注入离子相遇，变成气体分子(例如，氢气)，从而形成直径为几个纳米的气泡，当气泡的数量越来越多时，气泡互相连接，实现薄膜的剥离。
[0004]一般情况下，分离层内的离子形成气泡的速率与温度呈指数关系。当加热温度高于分离温度(分离温度是指在此温度下分布在分离层内的离子会形成大量的气泡，加热一定时间后可完成薄膜的剥离)时能迅速形成气泡，当加热温度低于分离温度时，离子形成气泡的速率会大大降低。但是，当原始基板和基底的热膨胀系数相差很大时，比如原始基板是铌酸锂晶片，基底是硅晶片时，铌酸锂的热膨胀系数大约是硅的2?8倍，当这两种热膨胀系数相差很大的材料形成键合体时，在加热温度超过一定阈值后，由于热膨胀系数不一致，材料的膨胀强度与加热温度成线性关系，加热温度越高两种热膨胀系数不同的材料的膨胀差值越大，当这个差值超过材料的承受极限时，就会将键合体拉裂拉碎，称这个阈值温度为碎裂温度。另外，当原始基板为铌酸锂晶片，基底是硅晶片时，所形成的键合体的碎裂温度低于其分离温度，从而在保证键合体不被拉裂拉碎的前提下降低加热温度，又无法保证薄膜层从原始基板上完整地剥离下来。因此，利用上述方法并不能在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上很好地制作薄膜。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的在于提供一种在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法，所述方法能够制作出纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜。
[0006]本发明提供一种制造薄膜的方法，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；对离子注入后的原始基板进行加热，以使分布在分离层内的离子得到以使离子形成气泡而所述气泡又不能使原始基板的薄膜层脱落或损坏的能量；使基底与原始基板的薄膜层接触，进而在室温下利用晶片键合法将原始基板与基底键合在一起，以形成键合体，其中，基底与原始基板的热膨胀系数不同；在低于190°C的条件下对键合体加热达预定时间，使得薄膜层和余质层分离；在薄膜层和余质层分离之后，对薄膜层加热，以进行退火处理。
[0007]根据本发明的实施例，在对离子注入后的原始基板进行加热的步骤中，将离子注入后的原始基板在200°C?450°C的条件下加热0.5h?1h。
[0008]根据本发明的实施例，在对离子注入后的原始基板进行加热的步骤中，将离子注入后的原始基板在220°C的条件下加热3h。
[0009]根据本发明的实施例，在对键合体加热的步骤中，在50°C?190°C的条件下加热键合体达预定时间。
[0010]根据本发明的实施例，所述预定时间为Ih?150h。
[0011]根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，在250°C?550°C的条件下对薄膜层加热以进行退火处理。
[0012]根据本发明的实施例，在对薄膜层加热的步骤中，在常压或大于I个大气压且小于300个大气压的气氛条件下对薄膜层加热以进行退火处理。
[0013]根据本发明的实施例，在氧气或氮气的气氛下执行对薄膜层加热的步骤。
[0014]根据本发明的实施例，所述原始基板为铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，所述基底为硅晶片或二氧化硅晶片。
[0015]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后，对薄膜层进行表面抛光处理。
[0016]本发明的核心是:首先降低原始基板的分离层附近的机械强度，即，对离子注入后的原始基板进行加热，以使原始基板的分布在分离层内的离子得到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基板的薄膜层脱落或损坏的能量，从而使得分离层附近的结构变得疏松、机械强度降低。之后，将形成的键合体在低于键合体的碎裂温度(一般低于190°C )下加热一定时间，使薄膜层转移到基底上。以低于碎裂温度的加热的过程中，原始基板和基底间的键合力会得到大幅度提高；分布在分离层内的离子随着加热的进行继续变成气泡，使得分离层附近的结构更加疏松；由于加热造成两种热膨胀系数不同的原始基板和基底之间产生相互作用的应力；进而在这三种因素的影响下，在低于碎裂温度的条件下薄膜层转移到基底上，有效地避免了出现键合体被拉裂拉碎的问题，实现了在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制作薄膜。
[0017]本发明的有益效果是:可以制备出大尺寸、纳米级厚度、膜厚均匀、低缺陷密度的薄膜。
【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薄膜的方法的流程框图；
[0020]图2是示出通过离子注入法形成薄膜层、分离层和余质层的步骤的示意图；
[0021]图3是示出对离子注入后的原始基板进行加热的步骤的示意图；
[0022]图4是示出将加热后的原始基板与基底进行键合以形成键合体的步骤的示意图；
[0023]图5是示出对键合体进行加热以使原始基板的薄膜层剥离的步骤的示意图；
[0024]图6是示出薄膜产品的示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的在与原始基板的热膨胀系数不同的基底上制造薄膜的方法进行详细的描述。
[0026]本申请的发明人发现，在对原始基板进行离子注入时，可根据离子注入的能量来控制在原始基板内形成分离层的深度，即在选取的原始基板的厚度一定、注入离子的条件恒定时，可制成离子注入过的性质均一、结构稳定的原始基板。然后，对离子注入后的原始基板进行加热，以使分布在分离层内的离子能够得到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基板的薄膜层脱落或损坏的能量，从而使得分离层附近的结构变得疏松、机械强度降低，即通过调整加热温度和加热时间可精确控制薄膜层处于分离临界的状态。这时停止加热，将原始基板与基底键合，形成键合体。最后，将键合体在较低的温度下即可使薄膜层从原始基板上剥离下来，并转移到基底上，从而形成薄膜。
[0027]因此，本发明提供一种制造薄膜的方法。图1示出了本发明的制造薄膜的方法的流程图。
[0028]如图1所示，本发明的制造薄膜的方法包括: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；对离子注入后的原始基板进行加热；对加热后的原始基板与基底进行键合，以形成键合体；对键合体进行加热以使薄膜层和余质层分离；对薄膜层进行退火处理；以及将基底上的薄膜层进行表面抛光处理。
[0029]下面将参照图2至图6详细地描述根据本发明的制造薄膜的方法。图2至图6是示出根据本发明的制作薄膜的方法的示意结构图。
[0030]图2是示出通过离子注入法形成薄膜层、分离层和余质层的步骤的示意图。
[0031]如图2所示，使用离子注入法，将离子6 (可以是分子离子)对着原始基板I的上表面5注入，形成分离层3，分离层3将原始基板I分为上、下两个区:一个为绝大部分注入离子6均经过的区域，称为薄膜层2 ;另一个为绝大部分注入离子6未经过的区域，称为余质层4。薄膜层2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25nm?4500nm之间)。这里，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不同注入温度的分段注入离子注入法。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。作为本发明的一个实施方式，在制造铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜的情况下，原始基板可以是铌酸锂晶片或钽酸锂晶片。
[0032]执行离子注入的目的是为了将大量的离子6注入到原始基板I的表层，分离层3中的离子6在原始基板I内处于不稳定状态，离子6嵌入晶格缺陷中，产生体积应变，导致分离层3变成应力集中区，从而使得原始基板I在分离层3附近之处的机械强度脆弱。
[0033]图3是示出对离子注入后的原始基板进行加热的步骤的示意图。
[0034]如图3所示，对离子注入后的原始基板I进行加热，以使原始基板I的分离层3内的离子6得到足以形成气泡而这些气泡的数量又不足以使原始基板I的薄膜层2脱落或损坏的能量，从而使得分离层3附近的结构变得疏松、机械强度降低。通过在该步骤控制对原始基板I加热的温度和时间，可进一步降低原始基板I的分离层3附近的机械强度，使得在对后续形成的键合体进行加热时，即使在较低的温度下，分离层3内的离子也能够得到足以使薄膜层2和余质层4分离的能量。
[0035]根据本发明，可将离子注入后的原始基板I在200°C?450°C的条件