本发明属于异质衬底制备技术领域，特别是涉及一种薄膜异质结构的制备方法。
背景技术：
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。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明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，本发明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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，所述升温键合的键合温度介于50℃～250℃之间。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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。
作为本发明的一种优选方案，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，本发明的薄膜异质结构的制备方法，具有以下有益效果：
本发明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，基于本发明的处理工艺，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显示为本发明的薄膜异质结构制备的工艺流程图。
图2显示为本发明的薄膜异质结构制备中提供晶圆衬底的结构示意图。
图3显示为本发明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显示为本发明的薄膜异质结构制备中提供支撑衬底的结构示意图。
图5显示为本发明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显示为本发明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显示为本发明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显示为本发明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发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明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发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明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，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1～8所示，本发明提供一种薄膜异质结构的制备方法，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。
下面将结合附图详细说明本发明的薄膜异质结构的制备工艺。
首先，如图1中的s1及图2所示，进行步骤1)，提供一晶圆衬底100，且所述晶圆衬底100具有一注入面100a。
作为示例，步骤1)中，所述晶圆衬底100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(铌镁酸铅)中的任意一种。
具体的，本步骤中提供一种需要形成薄膜异质结构中的一种晶圆衬底，其中，所述晶圆衬底100的材料可以为压电材料衬底，进一步，优选为压电单晶衬底，基于压电材料的特性，如背景技术中所述，压电材料与支撑衬底膨胀系数失配，导致二者在高温工艺(如后续的退火处理)下的热应力很大，从而二者在一起无法进行高温工艺，目前采用离子注入与晶圆键合技术很难制备出无缺陷的压电薄膜和支撑衬底的异质结构，而基于本发明的工艺可以克服上述问题，制备得到完整的异质结构。
另外，所述压电单晶衬底可以由任意一种本领域普通技术人员熟知的压电单晶材料构成，不局限于以上几种，具体的，所述压电单晶衬底可以为y切36度铌酸锂衬底、y切128度铌酸锂衬底或y切42度钽酸锂衬底。
接着，如图1中的s2及图3所示，进行步骤2)，自所述注入面100a对所述晶圆衬底100进行离子注入，以于所述晶圆衬底100内的预设深度处形成一注入缺陷层101。
作为示例，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。
作为示例，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。
具体的，所述预设深度是指离子注入后形成的所述注入缺陷层101与所述晶圆衬底100的非注入面(与所述注入面100a相对的一表面)之间的距离，所述预设深度依据实际需要制备的薄膜异质结构而设定，在离子从所述注入面注入时，离子注入的能量足以使注入离子达到该预设深度，并在所述预设深度处形成所述注入缺陷层。
另外，进行所述离子注入的方式可以为单一的氢离子或者氦离子的注入，还可以是两种离子的共注入的方式，当采用两种离子共注入的方式时，二者的注入顺序可以依据实际需求调整，即所述氢离子的注入可以在所述氦离子的注入之前进行，也在所述氦离子的注入之后进行，还可以与所述氦离子的注入同时进行。
在一示例中，在所述注入面100a进行单类型离子注入，所注入的离子为氢(h)离子，所述氢离子可以在后续将所述晶圆衬底剥离的原理为利用氢离子会对剥离深处(即所述注入缺陷层101)的晶格形成破坏作用而实现。即，在进行离子注入的过程中，离子进入其原子间隙形成微型缺陷(所述注入缺陷层)，离子注入形成的注入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，在后续的处理过程中，这些微缺陷会聚集结合，形成平台型的缺陷(所述连续缺陷层)。又由于形成所述注入缺陷层的深度由离子注入的能量决定，而能否形成分离所需的缺陷密度由离子注入的剂量决定，因此，在离子注入的过程中要选择合适的离子注入剂量和离子注入能量。优选地，本实施例中，所述晶圆衬底为钽酸锂衬底，所述氢离子的离子注入的能量为20kev～180kev，所述氢离子的离子注入的注入剂量为5×1016cm-2～1×1017cm-2，进行离子注入的温度为室温。
在另一示例中，在所述注入面进行两种类型离子的共注入，注入的离子为氢离子及氦离子，其中，在一种方式中，所述氢离子如上所述用于形成缺陷，所述缺陷在所述注入缺陷层内呈高斯分布；而所述氦离子属于惰性元素，所述氦离子可以被所述氢离子形成的平台缺陷捕获并通过物理作用使这些平台型缺陷扩大并相互结合，最终形成可以分离所述晶圆衬底的裂痕，进而促进部分所述晶圆衬底从缺陷浓度最大处实现剥离。在所述注入面进行氢离子及氦离子共注入，所述氦离子可以被所述氢离子形成的缺陷捕获，进而进入原子间隙中并施加压强，相当于在所述氢离子已产生的缺陷内部施加了一额外的作用力，可以有效地促进部分所述晶圆衬底在离子注入剂量较低的情况下剥离，即可以有效地降低离子注入的总剂量，进而缩短了制备周期，节约了生产成本。
优选地，为了使得注入的所述氦离子容易被所述氢离子形成的缺陷所捕获，或注入的所述氢离子容易被所述氦离子形成的缺陷所捕获，所述氦离子注入的深度需与所述氢离子注入的深度相同或相近，即需要保证所述氦离子的射程(rp)在所述氢离子注入的射程附近。本示例中，所述氢离子和所述氦离子共注入的能量为10kev～100kev，所述氢离子和所述氦离子共注入的离子束流为1μa～100ma；所述氢离子和所述氦离子共注入的注入剂量为2×1016cm-2～10×1016cm-2，所述氢离子和所述氦离子共注入的温度为室温。
继续，如图1中的s3及图4～5所示，进行步骤3)，提供一支撑衬底200，将所述支撑衬底200与所述晶圆衬底100进行升温键合。
作为示例，步骤3)中，所述支撑衬底200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。
作为示例，步骤3)中，所述升温键合的键合温度介于50℃～250℃之间。
具体的，该步骤中提供一与所述晶圆衬底100进行键合的支撑衬底，所述支撑衬底200可以是上述材料层中的一者，也可以是上述两者及两者以上材料层构成的叠层结构，当然，也可以是本领域普通技术人员熟知的任意衬底。另外，优选采用所述晶圆衬底100的与所述注入面100a相对的一表面与所述支撑衬底200进行键合。
作为示例，步骤3)中，进行所述升温键合的工艺选自于通过不同的加热电极分别对所述晶圆衬底100及所述支撑衬底200进行升温，以及基于一设置于所述晶圆衬底100和所述支撑衬底200之间的隔离片同时对所述晶圆衬底100和所述支撑衬底200进行升温的方式中的任意一种。
具体的，本示例中，采用升温键合的方式将所述支撑衬底200与所述晶圆衬底100进行键合，所述升温键合是指边升温边键合的过程，升温键合温度也即所述升温温度的范围指键合时的温度，根据不同压电材料，键合温度不同。基于该升温键合的工艺，由于，热应力的公式可以近似表示为：stress∝(t1-t2)*δα，公式中δα是两种材料的热膨胀系数差值，(t1-t2)是退火温度和键合温度的温度差，在保持退火温度t1不变的情况下，通过升高键合温度t2可以降低热应力。步骤4)中退火处理的退火温度较高，应力大，可以通过本步骤升温键合来减小键合时温度与此退火处理的温度差，从而减小热应力。
具体的，可以分别采用两个加热电极对所述支撑衬底及所述晶圆衬底进行加热，分别对二者进行升温，当达到预定的温度的时候，将支撑衬底及晶圆衬底的键合面键合在一起，当然，还可以在两衬底之间设置一隔离片，且具有间距，通过对所述支撑衬底以及晶圆衬底中的一者进行加热，基于热辐射，将热量传递至另外一衬底，从而实现对二者的同时升温，所述隔离片的材料可以是金属、陶瓷等材料制备。
另外，进行所述升温键合的升至的温度进一步优选设置在100℃～200℃之间，依据键合衬底材料的不同而不同。
继续，如图1中的s4及图6所示，进行步骤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101在所述退火处理的过程中转化为连续缺陷层102。
作为示例，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环境及真空中的任意一种，其中，富li气氛指li离子较为丰富的气氛环境，当然，也可以是本领域普通技术人员熟知的任意气氛环境，不局限于此。
具体的，在本示例中，进行一次所述退火处理的工艺，一方面，在注入缺陷层101处形成连续性缺陷层102，降低待剥离薄膜(晶圆衬底)与衬底的结合强度，另一方面，加强键合界面强度，当键合界面的结合强度远大于连续缺陷层处的结合强度时，通过外部机械力辅助的方法可以使键合结构在连续缺陷层处分开而对键合界面无影响，通过这种升温键合以及键合后进行退火处理的方式，达到可以使用外部机械力进行材料剥离的效果。优选地，所述退火处理的温度介于180℃～220℃之间；所述退火处理的时间介于1h～10h之间。
作为示例，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200与所述晶圆衬底100之间的键合强度。
作为示例，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。
具体的，在进行所述退火处理之前，还对步骤3)得到的键合后的结构进行预退火处理，进行预退火处理的作用是加强键合强度，减少在后续的退火处理中形成缺陷可能，也进一步有助于后续的剥离工艺，优选地，所述预退火的温度介于100℃～130℃之间；所述预退火的时间介于100min～200min之间，另外，所述预退火处理的过程中对晶圆进行加压处理的压力可以依据材料的种类、大小以及厚度等选择合适的大小，依据实际需求选择，其中，可以是在预退火过程中仅进行加压处理，也可以是仅对其环境进行抽真空处理，当然，也可以是二者均有，本示例中，优选同时进行加压以及抽真空的处理，从而可以有效提高键合强度，同时，缩短工艺周期，提高效率。
最后，如图1中的s5及图7～8所示，进行步骤5)，采用外力辅助的方式沿所述连续缺陷层102剥离部分所述晶圆衬底100，使得所述晶圆衬底100的一部分转移至所述支撑衬底200上，以在所述支撑衬底200上形成一晶圆薄膜103，得到包括所述支撑衬底200以及键合于所述支撑衬底200上的所述晶圆薄膜103的薄膜异质结构400。
具体的，所述外力辅助的方式选自于于所述薄膜异质结构的边缘倒角缝隙插入薄片，以及于所述薄膜异质结构的上下表面分别施加反向拉力的方式中的任意一种，当然，还包括强风、水流冲击、外力揭开等，并不局限于此。
具体的，该步骤中通过外力辅助的方式将部分所述晶圆衬底100剥离，其辅助方式可以是施加反向力或者是在两键合衬底边缘倒角的缝隙插入薄片，其中，薄片可以是特制的pp或pfa材质的薄片，也有专用的晶圆转移卡槽设备，当然，薄片还可以是不锈钢刀片，在此并不做具体限制。
需要说明的是，外力辅助的作用一方面可以降低退火处理温度，相比于晶圆自动剥离缩短工艺时间，同时，还可以防止晶圆自动剥离划伤表面，另外，也可以避免剥离时应力突然释放导致的晶圆碎裂，进一步，本发明通过退火方式，一方面在注入缺陷处形成连续性缺陷，降低待剥离薄膜与衬底的结合强度，另一方面加强键合界面强度，当键合界面的结合强度远大于缺陷层的结合强度时，通过外部机械力辅助的方法可以使键合结构在连续缺陷层分开而对键合界面无影响。另外，以压电单晶材料为例，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。
作为示例，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。
作为示例，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气氛及氩气中的任意一种。
作为示例，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。
具体的，制备得到薄膜异质结构400之后，还对其进行后处理，如进行高温退火工艺，可以进行缺陷恢复，并进一步加强键合强度，后退火温度优选为400℃～600℃，后退火时间优选为5小时～10小时，后退火氛围为氮气、氧气及氩气等中的任意一种。另外，还可以是进行表面粗糙度处理的工艺，以改善异质结构的表面特性。当然，还可以依据实际需求选择其他的后处理工艺，在此不做具体限制。
综上所述，本发明提供一种薄膜异质结构的制备方法，包括步骤：提供一晶圆衬底，且所述晶圆衬底具有一注入面；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；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；对上一步骤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；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。通过上述技术方案，本发明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，基于本发明的处理工艺，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。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。