薄膜和製造薄膜的方法

2023-10-31 14:27:22

薄膜和製造薄膜的方法
【專利摘要】本發明提供一種薄膜和製造薄膜的方法，所述方法包括：通過離子注入法將離子注入原始基板的表面，從而在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，其中，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內；使目標基板與原始基板的薄膜層接觸，進而利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，以形成鍵合體；將鍵合體放入預定容器內以對鍵合體進行加熱，使得薄膜層和餘料層分離；在薄膜層和餘料層分離之後，在預定容器內以高壓的氣氛的條件繼續對薄膜層和目標基板加熱達預定時間。本發明能大大減小薄膜的缺陷密度，製作出大尺寸、晶片面積大、納米等級厚度、膜厚均勻的薄膜。
【專利說明】薄膜和製造薄膜的方法

【技術領域】
[0001]示例性實施例涉及薄膜和製造薄膜的方法，具體地說，涉及一種氧化物晶體材料薄膜和半導體材料薄膜的製造方法，特別是一種納米級厚度、膜厚均勻、低缺陷密度的薄膜的製造方法。

【背景技術】
[0002]鈮酸鋰薄膜和鉭酸鋰薄膜在光信號處理、信息存儲以及電子器件等有廣泛的用途，例如，鈮酸鋰薄膜和鉭酸鋰薄膜可以成為製造高頻、高帶寬、高集成度、大容量、低功耗的光電子學器件和集成光路的基底材料。
[0003]1992年，Bruel提出了一種從半導體體材料上剝離薄膜的方法，稱為靈活切割，步驟主要包括離子注入，鍵合，熱分離，薄膜表面拋光等工藝。具體來說，先在原始基板上注入氫、氦等氣體離子，注入的離子的數量隨深度的分布呈高斯分布，絕大部分的注入的離子停留在原始基板表面下某一深度，深度由注入離子的能量決定，注入離子集中停留的區域稱為分離層，其厚度在幾十至數百納米左右。原始基板的在分離層和原始基板的上表面之間的部分是將被剝離的薄膜層，其他部分是將在剝離之後餘留下來的餘料層。薄膜層和餘料層基本不含注入離子。讓目標基板面對原始基板的薄膜層並與原始基板的薄膜層接觸，以進行晶片的直接鍵合，以形成鍵合體。然後，對鍵合體進行加熱，加熱使溫度上升到450° C(即，分離溫度)以上，使得薄膜層和餘料層分離。加熱有兩個作用，第一個作用是使分離層中的注入離子得到足以脫離基板原子的束縛以使它們之間形成的鍵斷開的能量，變成了氣體原子(例如氦氣He)，或者與另一脫離的注入離子相遇，變成了氣體分子(例如氫氣H2),氣體原子或分子佔有一定的體積，從而在分離層中形成了微小的裂縫。隨著加熱時間的增加或加熱溫度的升高，氣體原子或分子越來越多，並互相聚合，因此在分離層中形成了微小的氣泡。當氣泡連成一片時，最終導致分離層斷裂，從而分開餘料層與鍵合在目標基板上的薄膜層。這裡，目標基板作為薄膜的襯底；加熱的第二個作用是能夠增強鍵合晶片之間的鍵合力(即，增強原始基板與目標基板之間的鍵合力)。當薄膜層和目標基板與餘料層分離後，對薄膜層和目標基板進行高溫退火(一般是600° C以上)，以進一步增強鍵合力和消除離子注入過程中在薄膜層中形成的晶格缺陷，最後將表面拋光，得到薄膜。
[0004]這種方法中，加熱以使鍵合體分離是十分關鍵的一步，若此過程控制得當，則可以得到完整的、缺陷較少的薄膜。除了上面所述的加熱方法來分離之外，分離鍵合晶片的方法還有多種，例如高壓水槍分離法、微波法、微波加熱混合法等，由此形成了不同的製作薄膜的方法。這些方法被廣泛應用於絕緣體上矽(SOI)的製作。
[0005]然而，在用與靈活切割法類似的方法來形成分離溫度較低的薄膜(諸如鈮酸鋰薄膜或鉭酸鋰薄膜之類的氧化物晶體材料薄膜、砷化鎵薄膜等)時，最後在薄膜上會出現氣泡，導致薄膜成品的質量非常差。


【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種薄膜的製作方法。所述的方法能夠製作出大尺寸、晶片等面積大小、納米等級厚度、高均勻度膜厚、低缺陷密度的薄膜。
[0007]本發明提供一種製造薄膜的方法，所述方法包括:通過離子注入法將離子注入原始基板的表面，從而在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，其中，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內；使目標基板與原始基板的薄膜層接觸，進而利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，以形成鍵合體；將鍵合體放入預定容器內以對鍵合體進行加熱，使得薄膜層和餘料層分離；在薄膜層和餘料層分離之後，在預定容器內以大於5bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱達預定時間。
[0008]優選以大於1bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱達預定時間。
[0009]更加優選地，所述氣壓為30bar至600bar。
[0010]在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中，在預定容器內保持氣壓大於5bar的氣氛條件下加熱鍵合體。
[0011]在以大於5bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟中，向預定容器通入氧氣，將薄膜在氣壓大於5bar或大於1bar的氣氛條件下繼續加熱預定時間以使鍵合氣體從薄膜層和目標基板之間充分擴散出去。
[0012]在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓大於5bar的氣氛中含有氧氣。
[0013]所述方法還包括:在大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟之後，以低於2bar的氣壓的氣氛條件下繼續加熱薄膜層並且在此低於2bar的氣壓的氣氛下的加熱過程中通入氧氣。
[0014]在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓大於5bar的氣氛中不含氧氣或含有能達到安全標準的量的氧氣。
[0015]在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中，在氣壓低於2bar的氣氛條件下加熱鍵合體，使得薄膜層和餘料層分離。
[0016]在以大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟中，將含有氧氣且氣壓大於5bar或大於1bar的氣體充入預定容器內，將薄膜在該氣氛條件下加熱直至鍵合氣體從薄膜層和目標基板之間充分擴散出去。
[0017]在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓低於2bar的氣氛含有氧氣。
[0018]在以大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟之後，以低於2bar的氣壓的氣氛條件下繼續加熱薄膜層並且在此低於2bar的氣壓的氣氛條件下的加熱過程中通入氧氣。
[0019]最後對薄膜層進行表面拋光處理，得到成品薄膜。
[0020]離子注入法選自離子注入機注入法、等離子體浸泡離子注入法和不同注入溫度的分段注入離子注入法中的任意一種。
[0021]離子注入法中所注入的離子選自氫離子、或氦離子、或氫離子和氦離子二者。
[0022]在目標基板的將與原始基板的薄膜層接觸的表面上塗覆有二氧化矽層。
[0023]晶片鍵合法選自直接鍵合法、陽極鍵合法、低溫鍵合法、真空鍵合法、等離子強化鍵合法和粘接鍵合法中的任意一種。
[0024]預定容器內的氣氛包括氮氣或者惰性氣體或者它們的混合氣體。
[0025]在預定容器內以大於5bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間後，使得預定容器內的溫度達到150° C至800° C。
[0026]所述預定容器為高壓釜，當所製造的薄膜為鈮酸鋰薄膜時，以大約4X 10161ns/cm2的劑量向原始基板注入氦離子，氦離子能量為大約230keV，目標基板是鈮酸鋰晶片，目標基板的將與原始基板的薄膜層接觸的表面覆蓋厚度為大約1.3微米的二氧化矽層，將鍵合體放入高壓釜內，在薄膜層和餘料層分離之後，將氣氛的壓強保持在大約200bar，然後升溫至大約350° C，至少保持大約10個小時。
[0027]通過將薄膜層和目標基板從預定容器中取出並放入氣壓更低的另一容器中來實現降壓，或者不取出薄膜層，而是通過從預定容器中抽出氣體來實現降壓。
[0028]根據本發明的另一方面，提供一種製造薄膜的方法，其中，
[0029]通過離子注入法將離子對著原始基板的表面注入，在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內；利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，形成鍵合體，其中，目標基板接觸薄膜層；將鍵合體放入第一容器中，在常壓下加熱以使薄膜層和餘料層分離，在分離後薄膜層表面還沒有形成氣泡的情況下，使第一容器快速降溫；然後取出薄膜層和目標基板，將薄膜層和目標基板放入第二容器中，在氣壓大於5bar的氣氛條件下加熱預定時間，然後在常壓下通入氧氣加熱；將薄膜表面拋光。
[0030]根據本發明的另一方面，提供一種製造薄膜的方法，其中，通過離子注入法將離子對著原始基板的表面注入，在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內；利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，形成鍵合體，其中，目標基板接觸薄膜層；將鍵合體放入預定容器內，對鍵合體進行加熱，使得薄膜層和餘料層分離；在薄膜層和餘料層分離之後，在預定容器內在氣壓大於1bar的氣體的包圍下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間，以使鍵合氣體從薄膜層和目標基板之間充分擴散出去。
[0031]根據本發明的另一方面，提供一種薄膜，其中，所述薄膜的分離溫度低於400° C，同時所述薄膜的厚度為20納米至1500納米，膜厚均勻度為5%，缺陷密度低於I個每平方釐米。
[0032]所述薄膜為鈮酸鋰薄膜或鉭酸鋰薄膜或砷化鎵薄膜。
[0033]根據本發明的另一方面，提供一種薄膜的製作方法，該方法包含下列步驟:提供一種原始基板；利用離子注入法，在所述原始基板內形成離子聚集的分離層，使得該原始基板通過所述分離層形成:一層薄膜層，該薄膜層是原始基板中承受離子注入的區域，以及一層餘料層，該餘料層是原始基板中未注入離子的區域；利用晶片鍵合法，將目標基板與原始基板進行鍵合，使目標基板與原始基板形成鍵合體；以及，將鍵合體在聞壓氣體(聞壓的範圍從30bar至600bar)的情況下加熱,使鍵合體分離,形成薄膜；或將鍵合體在常壓(Ibar)加熱分離，在分離後較短的時間內，表面氣泡還沒用形成的情況下，將形成的薄膜在高壓氣體包圍的情況下加熱。將薄膜進一步加熱以提高鍵合力和消除離子注入在薄膜內部形成的晶格缺陷，加熱過程可以在常壓下或高壓進行。將得到的薄膜進行表面拋光。
[0034]本發明的核心是:在高壓氣體的包圍下，加熱鍵合體，使其分離，分離後還在高壓氣體的包圍下，繼續加熱一定的時間(5分鐘至100小時)；或將鍵合體在常壓下加熱分離，在分離後較短的時間內，表面氣泡還沒用形成的情況下，將形成的薄膜在高壓氣體包圍的情況下加熱一段時間(5分鐘至100小時)。
[0035]在高壓氣體的作用下，薄膜的表面受到指向目標基板的壓力，鍵合氣體無法膨脹，因此可以避免氣泡的產生，進而使薄膜表面的氣泡麵積減小，數量減少，提高了產品的合格率。
[0036]本發明的方法是利用在高壓氣體的包圍下進行鍵合體或薄膜的加熱，不同於在常壓下加熱的方法。常壓氣體下加熱，常壓氣體主要是提供保護氛圍，使鍵合體或薄膜不至於發生氧化等化學反應。高壓氣體下加熱，高壓氣體施與薄膜的表面指向目標基板的壓力，當壓力足夠大，與鍵合氣體產生的壓力相互平衡，鍵合氣體無法膨脹，因此避免了氣泡的產生，隨著加熱時間的延長，鍵合界面產生的氣體就會擴散出薄膜，或者擴散到目標基板中。在溫度降至常溫後取出薄膜，由於缺乏足夠的氣體進行膨脹，再對薄膜加熱，薄膜表面就不會出現氣泡。高壓氣體是利用其產生的壓強，使鍵合氣體無法膨脹，屬於物理作用。
[0037]本發明的有益效果是:能大大減小薄膜的缺陷密度,製作出大尺寸、晶片等面積大小、納米等級厚度、膜厚均勻的薄膜。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]通過下面結合示例性地示出一例的附圖進行的描述，本發明的上述和其他目的和特點將會變得更加清楚，其中:
[0039]圖1表示通過離子注入法，將離子或分子離子對著原始基板的表面注入，形成薄膜層、分離層和餘料層的步驟。
[0040]圖2表不將原始基板與目標基板鍵合形成鍵合體的步驟。
[0041]圖3表示在高壓裝置內，在高壓氣體的包圍下，對鍵合體進行加熱的步驟。
[0042]圖4表示薄膜層轉移到目標基板上，在高壓氣體的包圍下，對薄膜進行加熱的步驟。
[0043]圖5表示將薄膜進行表面拋光後的示意圖。

【具體實施方式】
[0044]以下，參照附圖來詳細說明本發明的實施例。
[0045]本發明對用靈活切割法形成的鈮酸鋰薄膜和鉭酸鋰薄膜上出現氣泡的現象進行了深入研究，找出了該現象的根本原因。
[0046]本發明發現，當鈮酸鋰或鉭酸鋰的鍵合體加熱時，直接鍵合的兩個晶片(原始基板和目標基板)的表面之間會有鍵合氣體產生，隨加熱溫度的升高或加熱時間的延長，鍵合氣體的數量增多，導致壓強增大，鍵合氣體同時也會沿著界面擴散，如果鍵合體分離，薄膜留在目標基板上，鍵合氣體會使薄膜沿著離開目標基板的方向受到壓強，當壓強足夠大，大於薄膜與目標基板之間的鍵合力時，鍵合氣體的壓強會使薄膜離開基板，形成宏觀上的空隙，隨著加熱溫度的升高或加熱時間的延長，鍵合氣體會繼續向空隙處擴散，在空隙處聚集，在目標基板與薄膜間形成氣泡，造成缺陷。對薄膜加熱時，也會出現類似的氣體聚集的情況，在薄膜上形成氣泡，造成缺陷。
[0047]晶片的直接鍵合是將兩個晶片(原始基板和目標基板)相對的表面拋光的非常平整(比如表面粗糙度小於I納米)，將這兩個表面清洗乾淨，互相靠近，貼合在一起，如果表面是親水性的，晶片表面自然附著的氫氧根(-0H)會依靠範德瓦爾斯力互相吸引，直接粘貼在一起，兩個晶片就形成了鍵合體，隨後對其加熱。這時，兩個晶片的鍵合界面會有鍵合氣體產生，一般認為是水蒸汽(或者還有氫氣或氧氣)，比如，兩個依靠範德瓦爾斯力鍵合的氫氧根(-0H)在加熱的作用下會形成一個氧鍵(-0-)和一個水分子(H2O),氧鍵(-0-)的強吸引力用於結合兩個晶片，而水分子在高溫下蒸發，形成鍵合氣體。鍵合氣體一方面會向目標基板內部擴散和透過薄膜向原始基板內部擴散，擴散的程度用擴散係數來衡量，溫度越高，擴散係數越大；另一方面鍵合氣體在高溫下會進行體積膨脹。在鍵合體未分離之前，因為原始基板與目標基板均較厚(原始基板與目標基板均厚500微米左右),材料剛度大，晶片鍵合體不易變形，鍵合氣體被限制在鍵合體內部，具有一定的壓強，當鍵合體分離後，原始基板脫落，在目標基板上留下一層薄膜，如果此時鍵合氣體還沒有擴散到晶片內部或者外界，則鍵合氣體被限制在目標基板與薄膜之間。薄膜很薄(I微米左右)，容易變形，在鍵合氣體的壓強作用下，薄膜就有可能凸起，形成氣泡。
[0048]利用離子注入、鍵合等程序製作鈮酸鋰薄膜和鉭酸鋰薄膜時，與絕緣體上矽(SOI)的製作過程相比，存在重大差異:由於注入離子和原始基板材料的性質不同，製作SOI時，鍵合體的分離溫度較高，一般在450° C以上(大約為600° C)，由於氣體分子在固體中的擴散係數隨溫度上升而大幅上升(例如呈指數關係)，鍵合氣體分子可以相對容易地擴散到二氧化矽層中，待鍵合體分離後，由於缺乏足夠的鍵合氣體，而且由於在此溫度下鍵合界面的鍵合力比較強，氣泡不容易形成。但對於鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶薄膜，其分離溫度只有150° C- 300° C左右(通常為200° C)，在此溫度下，鍵合體就能發生分離，形成薄膜，但是在該分離溫度下，由於分離溫度較低，鍵合氣體的擴散係數較小，不容易擴散到二氧化矽層或鈮酸鋰/鉭酸鋰當中，鍵合氣體大部分仍停留在鍵合界面之間，再加上低溫下鍵合力較弱，鍵合氣體的壓強會使薄膜隆起，形成一個個氣泡，這些氣泡在隨後的退火以及拋光過程中會破碎，形成薄膜的缺陷，使薄膜變得不完整，破碎脫落下來的薄膜碎片有可能在拋光過程中將薄膜表面劃傷，嚴重降低了產品的合格率。相似的現象也發生在GaAs薄膜上，薄膜的這種氣泡缺陷嚴重阻礙了鈮酸鋰薄膜、鉭酸鋰薄膜和其他能在較低溫度下分離的薄膜的工業化生產。
[0049]參看圖1至圖5，圖1至圖5是本發明的薄膜製作方法的流程示意圖。
[0050]圖1表示通過離子注入法，將離子(可以是分子離子)對著原始基板的表面注入，形成薄膜層、分離層和餘料層的步驟。
[0051]如圖1所示，使用離子注入法，將離子(可以是分子離子)06對著原始基板01的正表面05注入，形成分離層03，分離層將原始基板01分為上、下兩區:一個為絕大部分注入離子06均經過的區域，此為薄膜層02 ;—個為絕大部分注入離子06均沒有經過或到達的區域，稱為餘料層04。薄膜層02的厚度由離子注入能量決定。其中離子注入法包括常規離子注入機注入法、等離子體浸泡離子注入法和不同注入溫度的分段注入離子注入法。離子注入法中所注入的離子選自氫離子或氦離子，或共同注入氫離子或氦離子。
[0052]進行該離子注入法的目的是為了將大量的離子06 (可以是分子離子)注入原始基板01的表層，分離層中的注入離子06在原始基板01內處於不穩定狀態，注入離子嵌入晶格空隙中，產生體積應變，導致分離層變成應力集中區，而且分離層中的晶格之間的凝聚力也相對較低，導致原始基板01在分離層03附近之處的機械強度脆弱。
[0053]圖2表示將原始基板01與目標基板07鍵合形成鍵合體的步驟。如圖2所示,接著利用晶片鍵合法，使原始基板01與目標基板07鍵合在一起，形成鍵合體10。其中，在目標基板07的表面上塗覆有一層絕緣層(例如，S12),讓該絕緣層與原始基板01的薄膜層02面對面結合，然後進行鍵合。
[0054]其中，該晶片鍵合法可以選自直接鍵合法、陽極鍵合法、低溫鍵合法、真空鍵合法、等離子強化鍵合法和粘接鍵合法中的任意一種。以直接鍵合法為例，在兩個具有親水性的晶片互相貼近後，表面自然附著的氫氧根(-0H)會依靠範德瓦爾斯力互相吸引，形成鍵合體10。
[0055]圖3表示在高壓裝置內，在高壓氣體的包圍下，對鍵合體進行加熱的步驟。如圖3所示，將鍵合體10放入高壓容器09中，充入氮氣或氦氣等高壓氣體(也可包含氧氣，但較危險)，壓強在30bar至600bar左右,然後升溫至150° C_800° C,在升溫過程中，注入的離子會變成氣體分子或原子，形成很多微小的氣泡，隨著加熱時間的延長或加熱溫度的升高，氣泡會越多，體積也逐漸增大，最後，氣泡互相連接，使得薄膜層和餘料層分離。
[0056]與此同時，薄膜層02與目標基板07之間的鍵合界面中有鍵合氣體產生，隨溫度的升高或加熱時間的延長，鍵合氣體逐漸增多，壓強逐漸增大，在鍵合體未分離之前，因為晶片鍵合體較厚，材料剛度較大，不易變形，並且受高壓氣體壓力的作用，鍵合氣體被限制在原始基板和目標基板中間，很難膨脹，氣泡不易形成。
[0057]在另一個實施例中，對晶片鍵合體加熱使其分離的步驟也可以不在高壓下進行，在後面將詳細描述。
[0058]圖4表示薄膜層轉02移到目標基板07上，在高壓氣體的包圍下，對薄膜進行加熱的步驟。如圖4所示，當薄膜層02和目標基板07與餘料層分離後，薄膜層轉移到了目標基板07上，鍵合氣體被限制在目標基板07與薄膜02之間。
[0059]在一個實施例中，當晶片鍵合體分離後，繼續在高壓(至少大於5bar，優選大於1bar,最好在30bar至600bar)下對晶片鍵合體加熱預定時間。此時,鍵合氣體被限制在目標基板07與薄膜02之間，其仍繼續受到高壓氣體壓強的作用，方向與薄膜面垂直且指向目標基板，若高壓氣體的壓強足夠大，與鍵合力一起，大於或等於鍵合氣體的壓強，鍵合氣體還是不能膨脹，薄膜就不能凸起，形不成氣泡。隨著加熱時間的延長或加熱溫度的升高，鍵合氣體透過薄膜擴散出來，或擴散到目標基板中。在預定時間之後，將晶片降溫，放出高壓氣體，將晶片取出。然後將晶片在常壓下加熱，此時不會形成氣泡，這是因為之前鍵合氣體已經充分擴散出來，鍵合界面中殘存的鍵合氣體減少，沒有足夠的數量形成氣泡。常壓下加熱主要有兩個作用，一是繼續增強鍵合力，二是在常壓下可以安全地利用氧氣氣氛，可以補充鈮酸鋰或鉭酸鋰等薄膜在離子注入或加熱過程中流失的氧(例如，薄膜在高溫下以Li2O形式析出所流失的氧)。因此加熱可以是在高壓氣氛下將鍵合體加熱分離並繼續對形成的薄膜加熱，然後取出在常壓下通氧加熱。
[0060]在另一個實施例中，在高壓氣氛下將晶片鍵合體進行加熱分離之後，可以一直在高壓氣氛下對薄膜繼續加熱而不取出薄膜，並且在加熱的過程中通入氧氣，最後直至鍵合氣體充分擴散出去。用氧氣的好處是可以補充鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜在離子注入或加熱過程中流失的氧(例如，薄膜在高溫下以Li2O析出所流失的氧)，生產的薄膜可以不需要隨後的常壓加熱過程，節省了工藝步驟，但要注意高溫高壓下的氧氣非常危險，可以採用氧氣與惰性氣體混合的辦法。
[0061 ] 在加熱鍵合晶片使其分離以及在高壓下繼續加熱分離的薄膜的過程中所使用的高壓氣體一般選用氮氣、氬氣(惰性氣體)或氧氣等氣體，也可以用它們的混合氣體(例如，氧氣與任一種惰性氣體的混合氣體)。
[0062]在高壓氣體的包圍下對薄膜加熱，氣體的擴散主要有三部分，第一部分是鍵合氣體向目標基板內的擴散，鍵合氣體一般認為是水(H2O)蒸氣(可能還有氫氣和/或氧氣)，目標基板是覆蓋了二氧化矽的鈮酸鋰或鉭酸鋰晶片，二氧化矽一般是用等離子體增強沉積的辦法製成，相比鈮酸鋰或鉭酸鋰單晶材料，沉積形成的二氧化矽的晶格結構比較疏鬆，水在二氧化矽中的擴散係數比較大，能比較容易擴散進去。第二部分是鍵合氣體向薄膜方向的擴散，最後透過薄膜擴散到高壓容器中，由於水在鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體材料中的擴散係數也比較大，根據文獻報導，水分子在150° C時在鈮酸鋰中的擴散就不能忽略。所以水容易透過鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜層進行擴散。第三部分是高壓容器09中的高壓氣體透過薄膜向目標基板擴散，高壓氣體一般採用氮氣、氬氣或氧氣等氣體或它們的混合氣體。目前很少有文獻報導氮氣、氬氣等氣體在鈮酸鋰或鉭酸鋰中的擴散係數，但是人們將金屬鈦擴散進鈮酸鋰時，需要1000° C以上的高溫，一般用氮或氬作為保護氣體，也就是說氮或氬的在鈮酸鋰中的擴散可以忽略；若高壓氣體採用氧氣，氧在鈮酸鋰中的擴散係數，即使是在710° C的高溫，擴散係數只有1.45X10_2°m2/s，仍然非常小。綜上所述，可以得知在高壓氣體的包圍下對鍵合體或薄膜加熱，主要的物理過程是鍵合氣體向鍵合界面外部擴散，而不是高壓氣體向鍵合界面的擴散，外界高壓氣體幾乎不會進入薄膜與目標基板之間，因此高壓氣體並不會對薄膜造成不利的影響。
[0063]圖5表示將薄膜進行表面拋光後的示意圖。如圖5所示，對薄膜進行表面拋光，得到成品薄膜。
[0064]上面對根據本發明的實施例的製造薄膜的方法進行了一個概括性的介紹，實際上，本發明可具體包括以下五種薄膜製造方法:
[0065]1、將離子注入在原始基板的內部，形成分離層，然後利用晶片鍵合法，將原始基板與目標基板鍵合成鍵合體，然後在高壓氣體(可以包含氧氣)的包圍下，加熱鍵合體，使其分離，得到薄膜，可進一步通入氧氣，將薄膜在高壓氣體的包圍下繼續加熱預定時間以使鍵合氣體進行充分擴散，然後將薄膜表面拋光，得到成品薄膜。
[0066]2、將離子注入在原始基板的內部，形成分離層，然後利用晶片鍵合法，將原始基板與目標基板鍵合成鍵合體，然後在不含氧氣的高壓氣體(或可含能達到安全標準的微量氧氣)的包圍下，加熱鍵合體，使其分離，得到薄膜，在高壓氣體下繼續加熱預定時間以使鍵合氣體進行充分擴散，然後在常壓下(將高壓容器降壓或者將薄膜取出並放入另一常壓容器中)加熱並且通入氧氣，然後將薄膜表面拋光，得到成品薄膜。
[0067]3、將離子注入在原始基板的內部，形成分離層，然後利用晶片鍵合法，將原始基板與目標基板鍵合成鍵合體，將鍵合體在常壓下加熱分離，在分離後較短的時間內，表面氣泡還沒有形成的情況下，將高壓氣體(不含氧氣或可含能達到安全標準的微量氧氣)充入退火爐中，將薄膜在高壓氣體包圍的情況下加熱預定時間以使鍵合氣體進行充分擴散，然後可以在常壓下(將高壓容器降壓或者將薄膜取出並放入另一常壓容器中)加熱，並且通入氧氣，然後將薄膜表面拋光。
[0068]4、將離子注入在原始基板的內部，形成分離層，然後利用晶片鍵合法，將原始基板與目標基板鍵合成鍵合體，將鍵合體在常壓下加熱分離，在分離後較短的時間內，表面氣泡還沒有形成的情況下，將含有氧氣的高壓氣體充入退火爐中，將薄膜在高壓氣體包圍的情況下加熱預定時間以使鍵合氣體進行充分擴散，然後將薄膜表面拋光。
[0069]5、將離子注入在原始基板的內部，形成分離層，然後利用晶片鍵合法，將所述原始基板與目標基板鍵合成鍵合體，將鍵合體在退火爐中常壓下加熱分離，在分離後較短的時間內，表面氣泡還沒用形成的情況下，將退火爐快速降溫，從而鍵合氣體體積不會膨脹(根據PV=nRT，體積甚至有可能收縮)，不會出現氣泡現象，取出薄膜後，將其放入高壓容器中，在高壓氣體包圍的情況下加熱一段時間，然後可以在常壓下通入氧氣加熱，然後將薄膜表面拋光。
[0070]上面五種薄膜製造方法主要是針對氧化物晶體材料薄膜來說的，而對於砷化鎵等非氧化物晶體材料薄膜，由於不需要補充流失的氧氣，所以在薄膜的製造過程中不用通入氧氣。
[0071]下面以鈮酸鋰薄膜的製作為例，以具體參數說明本發明應用高壓氣體氣氛下加熱、製作薄膜的過程。
[0072]實施例1
[0073]原始基板為鈮酸鋰晶片，經過劑量為4X10161ns/cm2的氦離子(He1+和/或He2+)注入，氦離子能量230keV，目標基板是鈮酸鋰晶片，表面覆蓋一層厚度為1.3微米的二氧化矽。兩晶片在室溫用直接鍵合法成為鍵合體，將鍵合體置於高壓釜內，充入氮氣(N2)，壓強保持在200bar，然後升溫至350° C，保持10個小時，然後降至室溫，放掉壓力後取出晶片，此時鍵合體已經分離，將鈮酸鋰薄膜晶片在常壓下加熱，周圍氣氛是氧氣(02)，溫度是300° C- 8000 C，然後進行薄膜的表面拋光，得到鈮酸鋰薄膜。
[0074]實施例2
[0075]原始基板為鈮酸鋰晶片，經過劑量為4X10161ns/cm2的氦離子(He1+和/或He2+)注入，氦離子能量230keV，目標基板為鈮酸鋰晶片，表面覆蓋一層厚度為1.3微米的二氧化矽。兩晶片於室溫用直接鍵合法鍵合為鍵合體，將此鍵合體置於烘箱內，升溫至200° C，待鍵合體分離後立即停止加熱，取出帶鈮酸鋰薄膜的晶片後，將其放入高壓釜內，充入氮氣，壓強保持在200bar，然後升溫至350° C，保持10個小時，然後降至室溫，放掉壓力後取出晶片，將鈮酸鋰薄膜晶片在常壓下加熱，溫度是300° C- 8000 C，周圍氣氛是氧氣，然後進行薄膜的表面拋光，得到鈮酸鋰薄膜。
[0076]實施例3
[0077]原始基板為鈮酸鋰晶片，經過劑量為4X10161ns/cm2的氦離子(He1+和/或He2+)注入，氦離子能量230keV，目標基板是鈮酸鋰晶片，表面覆蓋一層厚度為1.3微米的二氧化矽。兩晶片在室溫用直接鍵合法成為鍵合體，將鍵合體置於高壓釜內，充入氧氣(O2)，壓強保持在200bar，然後升溫至400° C，保持10個小時，然後降至室溫，放掉壓力後取出晶片，此時鍵合體已經分離，然後進行薄膜的表面拋光，得到鈮酸鋰薄膜。
[0078]由上可知，本發明公開了一種方法，當對鍵合體或薄膜加熱時，增加其周圍氣氛氣體的壓強在30至600個大氣壓之間，當鍵合體分離後，在周圍氣氛氣體壓強的作用下，薄膜受到垂直於且指向目標基板方向的壓力的作用，這個壓力與鍵合氣體產生的壓力互相抵消，薄膜就不能離開基板，不能形成氣泡，從而減小了產品缺陷，提高了產品質量。
[0079]本發明通過仔細分析鈮酸鋰鍵合體或晶體薄膜加熱時的物理過程，巧妙地利用了周圍氣氛的壓力對成膜質量的巨大影響，進而提出對鍵合體或薄膜加熱時，增加其周圍氣氛的壓力到一定程度，使鍵合體分離時以及對薄膜加熱時的微觀物理過程發生改變，達到使產品缺陷減少，生產流程簡化，設備投資減少的目的。
[0080]為了增加鍵合力，現有技術中通常所用的方法有等離子表面處理法，用等離子體處理需要鍵合的晶片表面(即，用等離子體進行轟擊需要鍵合的表面以使鍵合力增強)，然後進行直接鍵合。本發明與等離子表面處理法相比，有如下優點:
[0081]1、薄膜缺陷更少，產品質量提高。在準備目標基板的過程中，不可避免的要遇到缺陷，比如鈮酸鋰薄膜需要的目標基板是覆蓋著二氧化矽的鈮酸鋰襯底。二氧化矽一般是用化學氣相沉積法在鈮酸鋰襯底上製備，在製備過程中，總會有一些雜質顆粒落到襯底表面，這些顆粒在隨後的拋光或清洗過程中容易脫落，在二氧化矽層中留下小坑或劃痕，造成晶片表面缺陷。即使顆粒沒有脫落，這些顆粒會造成晶片表面局部的不平整。若用等離子體表面處理法，鍵合時在表面缺陷處兩個晶片沒有接觸，鍵合力幾乎是零。在顆粒處由於兩個晶面的接觸不完全，鍵合力弱，如果在常壓下加熱，鍵合氣體就會向表面缺陷處和顆粒處聚集，形成比較大的氣體壓力，分離後的薄膜就容易鼓起氣泡或破裂，造成薄膜缺陷。而利用本發明的方法，使分離後的鍵合體在高壓氣體環境下加熱，高壓氣體的壓力平衡了晶片表面缺陷處或顆粒處的鍵合氣體壓力，分離後的薄膜就不容易鼓起氣泡或破裂，因此可以大大減小薄I旲中的缺陷，提聞廣品的質量。
[0082]2.生產流程簡化，產品的合格率提高。晶片的直接鍵合時，兩個晶片的表面要求十分乾淨，任何一點灰塵都會造成薄膜的缺陷。利用等離子處理法時，在放入等離子處理機進行處理前，還需要增加一道晶片清洗的步驟，以去除晶片傳輸或等離子處理法時落在晶片表面的灰塵。本發明減少了這一多餘的清洗步驟，避免了等離子處理法時落上的灰塵或由於清洗不徹底造成的缺陷，簡化了生產流程，提高了產品的合格率。
[0083]3.設備投資少，產品成本降低。用等離子體處理法，需要有比較昂貴的等離子處理機，一般包括高頻電源，真空泵、控制系統等。若用本發明，設備用高壓釜，其投資僅有等離子處理機的二十分之一左右，減少了設備投資，降低了產品成本。
[0084]雖然本發明的具體實施例以鈮酸鋰或鉭酸鋰為例進行了具體描述，但是本發明不限於此，本發明的製作薄膜的方法特別有利於分離溫度較低的薄膜(諸如鈮酸鋰薄膜或鉭酸鋰薄膜之類的氧化物晶體材料薄膜、砷化鎵薄膜)的製造過程，可防止在此類薄膜上出現氣泡，提高了薄膜成品的質量。當然，對於分離溫度較高的薄膜，也可以使用根據本發明的實施例的製造薄膜的方法。
[0085]出於促進對本發明的原理的理解的目的，已經對附圖中示出的優選實施例進行了說明，並已經使用了特定的語言來描述這些實施例。然而，該特定的語言並非意圖限制本發明的範圍，本發明應被解釋成包括對於本領域普通技術人員而言通常會出現的所有實施例。此外，除非元件被特別地描述為「必不可少的」或「關鍵的」，否則沒有元件或模塊對本發明的實施是必不可少的。
[0086]雖然上面已經詳細描述了本發明的示例性實施例，但本發明所屬【技術領域】中具有公知常識者在不脫離本發明的精神和範圍內，可對本發明的實施例做出各種的修改、潤飾和變型。但是應當理解，在本領域技術人員看來，這些修改、潤飾和變型仍將落入權利要求所限定的本發明的示例性實施例的精神和範圍內。
[0087]最後，除非這裡指出或者另外與上下文明顯矛盾，否則這裡描述的所有方法的步驟可以以任意合適的順序執行。
【權利要求】
1.一種製造薄膜的方法，所述方法包括: 通過離子注入法將離子注入原始基板的表面，從而在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，其中，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內； 使目標基板與原始基板的薄膜層接觸，進而利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，以形成鍵合體； 將鍵合體放入預定容器內以對鍵合體進行加熱，使得薄膜層和餘料層分離； 在薄膜層和餘料層分離之後，在預定容器內以大於5bar的氣壓的氣氛的條件繼續對薄膜層和目標基板加熱達預定時間。
2.根據權利要求1所述的製造薄膜的方法，其中， 所述氣壓為30bar至600bar。
3.根據權利要求1或2所述的製造薄膜的方法，其中， 在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中，在預定容器內保持氣壓大於5bar的氣氛條件下加熱鍵合體。
4.根據權利要求3所述的製造薄膜的方法，其中， 在以大於5bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟中，向預定容器通入氧氣，將薄膜在氣壓大於5bar的氣氛條件下繼續加熱預定時間以使鍵合氣體從薄膜層和目標基板之間充分擴散出去。
5.根據權利要求4所述的製造薄膜的方法，其中， 在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓大於5bar的氣氛中含有氧氣。
6.根據權利要求3所述的製造薄膜的方法，其中，所述方法還包括: 在大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟之後，以低於2bar的氣壓的氣氛條件下繼續加熱薄膜層並且在此低於2bar的氣壓的氣氛下的加熱過程中通入氧氣。
7.根據權利要求6所述的製造薄膜的方法，其中， 在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓大於5bar的氣氛中不含氧氣或含有能達到安全標準的量的氧氣。
8.根據權利要求1或2所述的製造薄膜的方法，其中， 在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中，在氣壓低於2bar的氣氛條件下加熱鍵合體，使得薄膜層和餘料層分離。
9.根據權利要求8所述的製造薄膜的方法，其中， 在以大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟中，將含有氧氣且氣壓大於5bar的氣體充入預定容器內，將薄膜在該氣氛條件下加熱直至鍵合氣體從薄膜層和目標基板之間充分擴散出去。
10.根據權利要求9所述的製造薄膜的方法，其中， 在對鍵合體進行加熱以使薄膜層和餘料層分離的步驟中所使用的氣壓低於2bar的氣氛含有氧氣。
11.根據權利要求8所述的製造薄膜的方法，其中，在以大於5bar的氣壓的氣氛條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間的步驟之後，以低於2bar的氣壓的氣氛條件下繼續加熱薄膜層並且在此低於2bar的氣壓的氣氛條件下的加熱過程中通入氧氣。
12.根據權利要求1、2、4、6、9和11中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 最後對薄膜層進行表面拋光處理，得到成品薄膜。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 離子注入法選自離子注入機注入法、等離子體浸泡離子注入法和不同注入溫度的分段注入離子注入法中的任意一種。
14.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 離子注入法中所注入的離子選自氫離子、或氦離子、或氫離子和氦離子二者。
15.根據權利要求1所述的製造薄膜的方法，其中， 在目標基板的將與原始基板的薄膜層接觸的表面上塗覆有二氧化矽層。
16.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 晶片鍵合法選自直接鍵合法、陽極鍵合法、低溫鍵合法、真空鍵合法、等離子強化鍵合法和粘接鍵合法中的任意一種。
17.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 預定容器內的氣氛包括氮氣或者惰性氣體或者它們的混合氣體。
18.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中， 在預定容器內以大於5bar的氣壓的氣氛的條件下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間後，使得預定容器內的溫度達到150° C至800° C。
19.根據權利要求1至12中任一項所述的製造薄膜的方法，其中，所述預定容器為高壓釜， 當所製造的薄膜為鈮酸鋰薄膜時，以大約4X 10161nS/cm2的劑量向原始基板注入氦離子，氦離子能量為大約230keV，目標基板是鈮酸鋰晶片，目標基板的將與原始基板的薄膜層接觸的表面覆蓋厚度為大約1.3微米的二氧化矽層，將鍵合體放入高壓釜內，在薄膜層和餘料層分離之後，將氣氛的壓強保持在大約200bar，然後升溫至大約350° C，保持大約10個小時。
20.根據權利要求6或11所述的製造薄膜的方法，其中， 通過將薄膜層和目標基板從預定容器中取出並放入氣壓更低的另一容器中來實現降壓，或者不取出薄膜層，而是通過從預定容器中抽出氣體來實現降壓。
21.一種製造薄膜的方法，其中， 通過離子注入法將離子對著原始基板的表面注入，在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內； 利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，形成鍵合體，其中，目標基板接觸薄膜層； 將鍵合體放入第一容器中，在常壓下加熱以使薄膜層和餘料層分離，在分離後薄膜層表面還沒有形成氣泡的情況下，使第一容器快速降溫； 然後取出薄膜層和目標基板，將薄膜層和目標基板放入第二容器中，在氣壓大於5bar的氣氛條件下加熱預定時間，然後在常壓下通入氧氣加熱； 將薄膜表面拋光。
22.一種製造薄膜的方法，其中， 通過離子注入法將離子對著原始基板的表面注入，在原始基板中形成薄膜層、分離層和餘料層，薄膜層位於原始基板的表面，分離層位於薄膜層和餘料層之間，注入離子分布在分離層內； 利用晶片鍵合法將原始基板與目標基板鍵合在一起，形成鍵合體，其中，目標基板接觸薄膜層； 將鍵合體放入預定容器內，對鍵合體進行加熱，使得薄膜層和餘料層分離； 在薄膜層和餘料層分離之後，在預定容器內在氣壓大於1bar的氣體的包圍下繼續對薄膜層和目標基板加熱預定時間。
23.一種薄膜，其中，所述薄膜的分離溫度低於400° C，同時所述薄膜的厚度為20納米至1500納 米，膜厚均勻度為5%，缺陷密度低於I個每平方釐米。
24.根據權利要求23所述的薄膜，所述薄膜為鈮酸鋰薄膜或鉭酸鋰薄膜或砷化鎵薄膜。
【文檔編號】H01L21/683GK104078407SQ201310109350
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月29日 優先權日:2013年3月29日
【發明者】胡卉, 胡文 申請人:濟南晶正電子科技有限公司