一种改善注入晶圆翘曲的方法和压电单晶薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及电子信息材料领域，具体涉及一种改善注入晶圆翘曲的方法和压电单晶薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、随着移动通讯技术的迅猛发展和5g无线通信网络的全面部署，对射频前端模块提出了更高的性能要求。滤波器作为射频前端的核心模块，也在朝着高频、大带宽、低损耗和良好的温度稳定性方向发展。射频滤波器主要有声表面波滤波器和体声波滤波器两种，然而，基于铌酸锂、钽酸锂单晶体材料的传统声学滤波器无法兼具上述性能特点，很难满足5g通信新技术的需求。近年来，基于压电单晶薄膜的高性能射频滤波器受到业界的广泛关注，下层支撑衬底通常具有较高声速，可以实现波导效果，从而限制声波能量耗散并提升品质因子。同时每层材料的独特性能可以优化器件服役性能。

2、离子束剥离是目前获得高质量压电单晶薄膜常用的方法之一，该制备技术主要包括离子注入、键合和热剥离等步骤。例如中国发明专利cn111883648a公开了一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及带通滤波器，包括获取多个压电晶圆和多个预设衬底晶圆；对多个压电晶圆进行离子注入，得到多个离子注入后的压电晶圆；多个离子注入后的压电晶圆内具有离子注入损伤层；将多个离子注入后的压电晶圆与多个预设衬底晶圆进行键合，得到多个键合晶圆；对多个键合晶圆进行退火处理，在退火处理过程中，调控多个键合晶圆的面内应力，以调整多个键合晶圆在相应的离子注入损伤层处发生剥离的剥离厚度，得到多个压电薄膜。该方法能够降低不同晶圆玻璃厚度之间的偏差，然而在操作过程中，由于压电材料具有各向异性，并且在离子注入过程中会产生热应力，导致注入后压电晶圆发生翘曲，对后续制程造成不利影响，降低生产良率。

3、有鉴于此，有必要对现有技术进行改进以解决现有技术中存在的因离子注入导致的晶圆翘曲的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种改善注入晶圆翘曲的方法和压电单晶薄膜及其制备方法，将压电晶圆预先与支撑衬底进行键合，获得刚性键合结构，可以有效地抑制压电晶圆在离子注入过程中发生的不均匀热膨胀变形，极大地改善在制备压电单晶薄膜过程中所面临的晶圆翘曲问题，提高压电单晶薄膜的成品率。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种改善注入晶圆翘曲的方法，具体地，技术方案包括：包括将压电晶圆依次与第一支撑衬底和第二支撑衬底进行两次晶圆键合，得到具有刚性的复合键合结构，抑制所述压电晶圆在离子注入过程中产生的热应力。

3、优选地，所述第一支撑衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、石英、金刚石、氮化镓、砷化镓中的至少之一。

4、优选地，所述第一支撑衬底的热导率大于所述压电晶圆的热导率。

5、优选地，将离子注入过程中，所述第一支撑衬底利用其导热性能导走所述压电晶圆的表面产生的热量，减弱热效应，且所述第一支撑衬底兼具刚性特性，能够利用其刚度特性抑制在温度升高过程中的热变形。

6、进一步地，为实现另一个目的，本发明还依据上述的技术方案，提供了一种制备压电晶圆的制备方法，具体地，包括依次包括所述压电晶圆与所述第一支撑衬底键合-离子注入形成损伤层-压电晶圆与所述第二支撑衬底键合-对所述第一支撑衬底施加横向机械外力使所述损伤层发生劈裂，剥离得到所述压电单晶薄膜。

7、通过上述技术方案，改善了晶圆在离子注入和退火工艺对压电晶圆产生的内部应力的影响，避免了晶圆内部的不均匀热膨胀变形，其具体步骤包括

8、提供压电晶圆，所述压电晶圆包括相对的第一抛光面和第二抛光面；

9、提供第一支撑衬底，将所述第一支撑衬底与所述第一抛光面进行第一次晶圆键合，形成第一键合结构；

10、对所述第一键合结构进行离子注入，注入方向为沿所述第二抛光面至所述第一抛光面的方向，在所述压电晶圆的内部形成损伤层；

11、提供第二支撑衬底，将所述第一键合结构与所述第二支撑衬底进行第二次晶圆键合，形成第二键合结构；

12、对所述第二键合结构进行退火处理，并通过对所述第一支撑衬底施加横向机械外力的方法，进行机械外力剥离，使其沿着注入的所述损伤层发生劈裂，剥离得到所述压电单晶薄膜。

13、优选地，所述压电晶圆与所述第一支撑衬底进行第一次晶圆键合，键合方法包括聚合物键合的方法或直接键合的方法，获得具有刚性的所述第一键合结构。

14、优选地，所述第一键合结构与所述第二支撑衬底进行第二次晶圆键合，键合方法采用直接键合的方法。

15、优选地，所述聚合物键合法通过引入聚合物层将所述压电晶圆与所述第一支撑衬底粘结键合，所述聚合物包括苯丙环丁烯或聚酰亚胺中的任一种。

16、优选地，所述直接键合的方法包括将所述压电晶圆与所述第一支撑衬底或所述第一键合结构与所述第二支撑衬底直接键合，键合条件包括温度范围为25~400℃，键合压力为0~4000 mbar。

17、优选地，所述压电晶圆的材质为铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧中的一种或多种的组合。

18、优选地，所述压电晶圆的厚度为100~1000 µm。

19、优选地，所述第二支撑衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、石英、金刚石、氮化镓、砷化镓中的至少之一。

20、优选地，所述第一支撑衬底的厚度为100~1000μm。

21、优选地，所述第二支撑衬底的厚度为100~1000μm。

22、优选地，所述离子注入采用的离子种类为氢离子、氦离子中的一种或多种。

23、优选地，所述离子注入的能量范围为15~500 kev，离子注入的剂量为1×1016~5×1017 ions/cm2，注入时间根据注入离子的能量和剂量而定。

24、优选地，在对所述第二键合结构进行退火的步骤中，退火温度范围为80~500℃，退火时间为1~8小时之间，退火氛围为真空、氮气或惰性气体。

25、优选地，剥离得到压电单晶薄膜的厚度为0.1~5µm。

26、优选地，剥离余料经磨平抛光，减薄后获得厚度为20~200µm的压电单晶薄膜。

27、压电材料，以铌酸锂为例来具体说明，其c轴热膨胀系数为2.7×10-6/k，a、b轴的热膨胀系数为19.2×10-6/k，具有各向异性，因此其采用离子束剥离工艺制备压电单晶薄膜时，加之离子注入过程中不可控的因素，如注入均匀度、降温方式等因素产生热应力，从而引起在离子注入后压电晶圆翘曲变形的问题出现。采用上述技术方案，能够极大地改善制备过程发生的晶圆翘曲的问题，从而提高压电单晶薄膜的成品率。

28、本发明所获得的有益技术效果：

29、1. 采用本发明技术方案，通过将压电晶圆预先与支撑衬底进行键合，获得刚性键合结构，有效地抑制压电晶圆在离子注入过程中发生的不均匀热膨胀变形，极大地改善在制备压电单晶薄膜过程中所面临的晶圆翘曲问题，提高压电单晶薄膜的成品率。

30、2.采用本发明的技术方案，通过采用碳化硅等具有高导热率材料作为支撑衬底，利用其具有优异的导热性能和较大刚度特性，将离子注入过程中产生的热量及时导走，并且在温度升高过程中能够有效抑制压电晶圆的热变形，进而减少键合过程中的键合界面产生的空洞和气泡，增强键合的强度，避免机械外力剥离过程中，在键合界面发生剥离而不是在损伤层剥离，大大提高器件结构的制备的成功率。

31、3.采用本发明的技术方案，在现有技术的基础上，通过引入另一个支撑衬底，通过对机械外力施加机械外力剥离的方法，区别与现有技术中对压电晶圆施加机械外力剥离或不施加外力直接剥离均易导致单晶薄膜厚度的均匀性较差和薄膜碎裂的问题，而是通过对第二键合衬底中的第一支撑衬底施加横向机械外力的方法，从而在保证单晶薄膜的均匀性的前提下，实现更好的剥离，尤其地，有效地抑制压电晶圆在离子注入过程中发生的不均匀热膨胀变形，极大地改善在制备压电单晶薄膜过程中所面临的晶圆翘曲问题，提高压电单晶薄膜的成品率。

32、4.采用本发明的技术方案，在现有技术的离子注入能量和剂量维持不变的基础上，通过对常规的注入晶圆进行结构上的改善，引入另一支撑晶圆进行键合形成复合结构再进行后续工艺，在外界同样大小的热效应下，热变形减小，提高键合结构的刚性且提高后器件制备的成功率。

33、5.采用本发明的技术方案，对剥离余料作相关处理后可循环利用，也可减薄获得较厚的压电单晶薄膜，提高了生产效率。