一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法與流程

2023-10-31 20:14:53

1.本發明屬於壓電襯底製造技術領域，涉及一種複合壓電襯底的製備方法，尤其涉及一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法。


背景技術：

2.壓電材料因其具備壓電效應而具有機械能與電能之間轉換和逆轉換的功能。壓電效應的原理是：如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差，稱之為正壓電效應；反之施加電壓，則會產生機械應力，稱之為逆壓電效應。如果壓力是一種高頻震動，則產生的電流便是高頻電流。
3.鈮酸鋰與鉭酸鋰是目前用途最為廣泛的新型無極材料，屬於非常優秀的壓電換能材料，鉭酸鋰具有優良的壓電、鐵電、聲光及電光效應，廣泛應用於諧振器、濾波器、換能器等電子通訊器件及高頻聲表面波器件。鈮酸鋰具有良好的非線性光學性質，可用作光波導材料，或用於製作中低頻聲表濾波器、大功率耐高溫超聲換能器等。
4.目前已知的由鈮酸鋰、鉭酸鋰製備的壓電襯底相較於壓電晶體具有高頻、溫度補償性好、穩定性好、製造成本低等優勢，在rf（射頻）、光纖通信、rf濾波器等領域具有無法替代的優勢。通常該複合壓電襯底由壓電材料薄膜層、絕緣層和半導體材料襯底層組成。然而，由於壓電材料與半導體材料襯底的熱膨脹係數差異非常大，在異質鍵合後的剝離熱過程中會發生顯著變形，進而導致鍵合體碎裂等質量問題。現有的技術在製備壓電材料薄膜時會先將鍵合體減薄後再進行熱退火，無法實現壓電材料的重複利用，同時增加了加工步驟和成本，降低了產品的良率。
5.另一種技術使用uv紫外固化光學膠在半導體材料上勻膠後與壓電材料粘合併使用uv光照射，使虛擬半導體材料與壓電材料粘合後再進行後續工藝，從而降低了鍵合後熱退火過程的形變，但是這種方法存在有機uv光學膠沾汙的風險，對溫度十分敏感，且操作過程繁瑣。
6.由此可見，如何提供一種複合壓電襯底的製備方法，簡化工藝流程，提高生產效率和產品良率，降低加工成本，避免壓電材料的不必要浪費，成為了目前本領域技術人員迫切需要解決的問題。


技術實現要素：

7.本發明的目的在於提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，所述方法一次性製備得到兩片複合壓電襯底，簡化了工藝流程，提高了生產效率和產品良率，降低了加工成本，避免了壓電材料的不必要浪費。
8.為達到此發明目的，本發明採用以下技術方案：
9.本發明提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，所述方法包括以下步驟：
10.（1）提供壓電材料、第一支撐襯底和第二支撐襯底；
11.（2）將壓電材料和第一支撐襯底進行鍵合，得到含有壓電層和第一支撐層的第一複合襯底；
12.（3）對第一複合襯底的壓電層進行減薄處理後，將所述第一複合襯底的壓電層和第二支撐襯底進行鍵合，得到第二複合襯底；
13.（4）將第二複合襯底進行熱處理，使得所述第二複合襯底沿著弱化層斷開，得到兩片複合壓電襯底。
14.其中，步驟（2）所述壓電材料在鍵合之前進行離子注入，或，步驟（3）所述第一複合襯底的壓電層在減薄處理之後進行離子注入，即在壓電材料或壓電層的內部形成弱化層。
15.本發明提供的方法利用鍵合技術先將壓電材料與一支撐襯底進行鍵合，經減薄處理後再與另一支撐襯底進行鍵合，得到具有多層結構的中間複合襯底，最後經過熱處理一次性製備得到兩片複合壓電襯底，簡化了工藝流程，提高了生產效率和產品良率，降低了加工成本，避免了壓電材料的不必要浪費。
16.優選地，步驟（1）所述壓電材料的材質包括鈮酸鋰、鉭酸鋰或壓電陶瓷中的任意一種。
17.優選地，步驟（1）所述第一支撐襯底和第二支撐襯底的材質分別獨立地包括單晶矽、藍寶石、碳化矽、尖晶石、石英、玻璃、氮化鋁或金剛石中的任意一種。
18.優選地，步驟（1）所述第一支撐襯底和第二支撐襯底在鍵合之前分別獨立地在待鍵合面製備絕緣層。
19.優選地，所述絕緣層的材質包括氧化矽、多晶矽、非晶矽或氮化矽中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括氧化矽與多晶矽的組合，多晶矽與非晶矽的組合，非晶矽與氮化矽的組合，氧化矽、多晶矽與非晶矽的組合，或多晶矽、非晶矽與氮化矽的組合。
20.優選地，所述絕緣層的製備方法包括熱氧化法和/或沉積法。
21.優選地，所述絕緣層在製備得到後還經過光滑化處理。
22.優選地，所述絕緣層的厚度為0.3-5μm，例如可以是0.3μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
23.優選地，步驟（2）所述壓電材料和第一支撐襯底在鍵合之前分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理。
24.優選地，所述化學清洗採用rca標準清洗法進行。
25.本發明中，所述rca標準清洗法採用的清洗液包括spm、dhf、apm或hpm中的任意一種。
26.具體地，所述spm為硫酸溶液和雙氧水的混合溶液，且清洗溫度為120-150℃；所述dhf為氫氟酸溶液，且清洗溫度為20-25℃；所述apm為氨水和雙氧水的混合溶液，且清洗溫度為30-80℃；所述hpm為鹽酸溶液和雙氧水的混合溶液，且清洗溫度為65-85℃。
27.優選地，所述化學清洗直至壓電材料和第一支撐襯底的表面分別滿足粗糙度ra為0.05-0.5nm，例如可以是0.05nm、0.1nm、0.15nm、0.2nm、0.25nm、0.3nm、0.35nm、0.4nm、0.45nm或0.5nm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
28.優選地，所述化學清洗直至壓電材料和第一支撐襯底的表面分別滿足0.3μm尺寸
以上的顆粒數量≤30，例如可以是5、10、15、20、25或30，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
29.本發明中，經過化學清洗的壓電材料和第一支撐襯底的表面足夠光滑且潔淨，在一定壓力下會產生分子間作用力而實現相互鍵合。
30.優選地，所述活化處理包括利用ar離子分別轟擊壓電材料和第一支撐襯底的待鍵合面。
31.優選地，步驟（2）所述鍵合在真空環境中進行，且絕對真空度≤10-3
pa，例如可以是5
×
10-5
pa、10-5
pa、5
×
10-4
pa、10-4
pa、5
×
10-3
pa或10-3
pa，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
32.優選地，步驟（2）所述鍵合的溫度為20-40℃，例如可以是20℃、22℃、24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃、38℃或40℃，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
33.本發明中，所述鍵合在常溫下進行，無需熱退火過程以增加鍵合力，從而避免了由熱膨脹係數差異導致的形變。
34.優選地，步驟（2）所述鍵合的強度≥1.5j/cm2，例如可以是1.5j/cm2、2j/cm2、2.5j/cm2、3j/cm2、3.5j/cm2、4j/cm2、4.5j/cm2或5j/cm2，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
35.優選地，步驟（3）所述減薄處理後壓電層的厚度為1-3μm，例如可以是1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、2.2μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm或3μm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
36.優選地，步驟（3）所述第一複合襯底和第二支撐襯底在鍵合之前分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理。
37.本發明中，步驟（3）的化學清洗與活化處理和步驟（2）的化學清洗與活化處理條件相同，故在此不做贅述。
38.優選地，步驟（3）所述鍵合在真空環境中進行，且絕對真空度≤10-3
pa，例如可以是5
×
10-5
pa、10-5
pa、5
×
10-4
pa、10-4
pa、5
×
10-3
pa或10-3
pa，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
39.優選地，步驟（3）所述鍵合的溫度為20-40℃，例如可以是20℃、22℃、24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃、38℃或40℃，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
40.優選地，步驟（3）所述鍵合的強度≥1.5j/cm2，例如可以是1.5j/cm2、2j/cm2、2.5j/cm2、3j/cm2、3.5j/cm2、4j/cm2、4.5j/cm2或5j/cm2，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
41.優選地，步驟（4）所述熱處理的溫度為100-300℃，例如可以是100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃或300℃，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
42.優選地，步驟（4）所述熱處理過程中還伴隨著加壓處理，且所述加壓處理的壓力值為0.1-20mpa，例如可以是0.1mpa、1mpa、2mpa、4mpa、6mpa、8mpa、10mpa、12mpa、14mpa、16mpa、18mpa或20mpa，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣
適用。
43.優選地，步驟（4）所述第二複合襯底沿著弱化層斷開後，分別對兩片複合壓電襯底的壓電層表面進行拋光處理，直至兩片複合壓電襯底的壓電層厚度分別為0.1-1.4μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm或1.4μm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
44.優選地，步驟（4）所述兩片複合壓電襯底的厚度分別為150-1000μm，例如可以是150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm、750μm、800μm、850μm、900μm、950μm或1000μm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
45.優選地，所述離子注入採用氫離子和/或氦離子進行。
46.優選地，所述弱化層的深度為0.3-1.5μm，例如可以是0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm或1.5μm，但並不僅限於所列舉的數值，該數值範圍內其他未列舉的數值同樣適用。
47.相對於現有技術，本發明具有以下有益效果：
48.本發明提供的方法利用鍵合技術先將壓電材料與一支撐襯底進行鍵合，經減薄處理後再與另一支撐襯底進行鍵合，得到具有多層結構的中間複合襯底，最後經過熱處理一次性製備得到兩片複合壓電襯底，簡化了工藝流程，提高了生產效率和產品良率，降低了加工成本，避免了壓電材料的不必要浪費。
附圖說明
49.圖1是實施例1-3提供的利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法流程示意圖；
50.圖2是實施例4提供的利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法流程示意圖。
51.其中：10-壓電材料；11-弱化層；21-第一支撐襯底；22-第二支撐襯底；30-絕緣層。
具體實施方式
52.下面通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。本領域技術人員應該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。
53.實施例1
54.本實施例提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，如圖1所示，所述方法包括以下步驟：
55.（1）提供壓電材料10、第一支撐襯底21和第二支撐襯底22，並在所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的表面分別獨立地利用化學氣相沉積法和熱氧化法製備絕緣層30，之後對所得絕緣層30進行光滑化處理；所述壓電材料10的材質為鈮酸鋰，所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的材質分別獨立地為單晶矽，所述絕緣層30的材質為多晶矽和氧化矽疊層，且絕緣層30的厚度為1.5μm，其中多晶矽的厚度為1μm，氧化矽的厚度為0.5μm；
56.（2）先將壓電材料10和第一支撐襯底21分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，再將壓電材料10和第一支撐襯底21的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-4
pa）進
行鍵合，且鍵合的溫度為30℃，鍵合的強度為2j/cm2，得到含有壓電層、絕緣層30和第一支撐層的第一複合襯底；所述化學清洗採用rca標準清洗法進行，直至壓電材料10和第一支撐襯底21的表面分別滿足粗糙度ra為0.25
±
0.05nm，且0.3μm尺寸以上的顆粒數量≤20；所述活化處理為利用ar離子分別轟擊壓電材料10和第一支撐襯底21的待鍵合面；
57.（3）先對第一複合襯底的壓電層進行減薄處理直至壓電層的厚度為2μm，再對壓電層進行氫離子注入，即在壓電層的內部形成深度為1μm的弱化層11，然後將第一複合襯底和第二支撐襯底22分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，最後將所述第一複合襯底的壓電層和第二支撐襯底22的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-4
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為30℃，鍵合的強度為2j/cm2，得到第二複合襯底；所述化學清洗與活化處理和步驟（2）中的條件相同，故在此不做贅述；
58.（4）將第二複合襯底在200℃下進行熱處理，同時伴隨著10mpa的加壓處理，使得所述第二複合襯底沿著弱化層11斷開，分別對兩片複合壓電襯底的壓電層表面進行拋光處理，直至兩片複合壓電襯底的壓電層厚度分別為0.8μm，得到兩片厚度分別為500μm的複合壓電襯底。
59.實施例2
60.本實施例提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，如圖1所示，所述方法包括以下步驟：
61.（1）提供壓電材料10、第一支撐襯底21和第二支撐襯底22，並在所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的表面分別獨立地利用物理濺射沉積法製備絕緣層30，之後對所得絕緣層30進行光滑化處理；所述壓電材料10的材質為鉭酸鋰，所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的材質分別獨立地為單晶矽，所述絕緣層30的材質為氧化矽，且絕緣層30的厚度為0.8μm；
62.（2）先將壓電材料10和第一支撐襯底21分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，再將壓電材料10和第一支撐襯底21的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-3
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為20℃，鍵合的強度為1.5j/cm2，得到含有壓電層、絕緣層30和第一支撐層的第一複合襯底；所述化學清洗採用rca標準清洗法進行，直至壓電材料10和第一支撐襯底21的表面分別滿足粗糙度ra為0.45
±
0.05nm，且0.3μm尺寸以上的顆粒數量≤30；所述活化處理為利用ar離子分別轟擊壓電材料10和第一支撐襯底21的待鍵合面；
63.（3）先對第一複合襯底的壓電層進行減薄處理直至壓電層的厚度為1μm，再對壓電層進行氦離子注入，即在壓電層的內部形成深度為0.3μm的弱化層11，然後將第一複合襯底和第二支撐襯底22分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，最後將所述第一複合襯底的壓電層和第二支撐襯底22的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-3
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為20℃，鍵合的強度為1.5j/cm2，得到第二複合襯底；所述化學清洗與活化處理和步驟（2）中的條件相同，故在此不做贅述；
64.（4）將第二複合襯底在100℃下進行熱處理，同時伴隨著20mpa的加壓處理，使得所述第二複合襯底沿著弱化層11斷開，分別對兩片複合壓電襯底的壓電層表面進行拋光處理，直至兩片複合壓電襯底的壓電層厚度分別為0.1μm，得到兩片厚度分別為150μm的複合壓電襯底。
65.實施例3
66.本實施例提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，如圖1所示，所述方法包括以下步驟：
67.（1）提供壓電材料10、第一支撐襯底21和第二支撐襯底22，並在所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的表面分別獨立地利用熱氧化法製備絕緣層30，之後對所得絕緣層30進行光滑化處理；所述壓電材料10的材質為壓電陶瓷，所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的材質分別獨立地為單晶矽，所述絕緣層30的材質為氧化矽，且絕緣層30的厚度為5μm；
68.（2）先將壓電材料10和第一支撐襯底21分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，再將壓電材料10和第一支撐襯底21的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為5
×
10-3
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為40℃，鍵合的強度為1.9j/cm2，得到含有壓電層、絕緣層30和第一支撐層的第一複合襯底；所述化學清洗採用rca標準清洗法進行，直至壓電材料10和第一支撐襯底21的表面分別滿足粗糙度ra為0.1
±
0.05nm，且0.3μm尺寸以上的顆粒數量≤15；所述活化處理為利用ar離子分別轟擊壓電材料10和第一支撐襯底21的待鍵合面；
69.（3）先對第一複合襯底的壓電層進行減薄處理直至壓電層的厚度為3μm，再對壓電層進行氫離子注入，即在壓電層的內部形成深度為1.5μm的弱化層11，然後將第一複合襯底和第二支撐襯底22分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，最後將所述第一複合襯底的壓電層和第二支撐襯底22的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為5
×
10-3
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為40℃，鍵合的強度為1.9j/cm2，得到第二複合襯底；所述化學清洗與活化處理和步驟（2）中的條件相同，故在此不做贅述；
70.（4）將第二複合襯底在300℃下進行熱處理，同時伴隨著0.1mpa的加壓處理，使得所述第二複合襯底沿著弱化層11斷開，分別對兩片複合壓電襯底的壓電層表面進行拋光處理，直至兩片複合壓電襯底的壓電層厚度分別為1.4μm，得到兩片厚度分別為500μm的複合壓電襯底。
71.實施例4
72.本實施例提供一種利用鍵合技術同步製備兩片複合壓電襯底的方法，如圖2所示，所述方法包括以下步驟：
73.（1）提供壓電材料10、第一支撐襯底21和第二支撐襯底22，並在所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的表面分別獨立地利用熱氧化法製備絕緣層30，之後對所得絕緣層30進行光滑化處理；所述壓電材料10的材質為鈮酸鋰，所述第一支撐襯底21和第二支撐襯底22的材質分別獨立地為單晶矽，所述絕緣層30的材質為氧化矽，且絕緣層30的厚度為2.5μm；
74.（2）先對壓電材料10進行氫離子注入，即在壓電材料10的內部形成深度為1μm的弱化層11，再將壓電材料10和第一支撐襯底21分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，最後將壓電材料10和第一支撐襯底21的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-4
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為30℃，鍵合的強度為2.0j/cm2，得到含有壓電層、絕緣層30和第一支撐層的第一複合襯底；所述化學清洗採用rca標準清洗法進行，直至壓電材料10和第一支撐襯底21的表面分別滿足粗糙度ra為0.25
±
0.05nm，且0.3μm尺寸以上的顆粒數量≤20；所述活化處理為利用ar離子分別轟擊壓電材料10和第一支撐襯底21的待鍵合面；
75.（3）先對第一複合襯底的壓電層進行減薄處理直至壓電層的厚度為2μm，再將第一
複合襯底和第二支撐襯底22分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，最後將所述第一複合襯底的壓電層和第二支撐襯底22的絕緣層30在真空環境中（絕對真空度為10-4
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為30℃，鍵合的強度為2j/cm2，得到第二複合襯底；所述化學清洗與活化處理和步驟（2）中的條件相同，故在此不做贅述；
76.（4）將第二複合襯底在200℃下進行熱處理，同時伴隨著10mpa的加壓處理，使得所述第二複合襯底沿著弱化層11斷開，分別對兩片複合壓電襯底的壓電層表面進行拋光處理，直至兩片複合壓電襯底的壓電層厚度分別為0.8μm，得到兩片厚度分別為500μm的複合壓電襯底。
77.對比例1
78.本對比例提供一種複合壓電襯底的製備方法，所述製備方法包括以下步驟：
79.（1）提供壓電材料和支撐襯底，並在所述支撐襯底的表面利用熱氧化法製備絕緣層，之後對所得絕緣層進行光滑化處理；所述壓電材料的材質為鈮酸鋰，所述支撐襯底的材質為單晶矽，所述絕緣層的材質為氧化矽，且絕緣層的厚度為2.5μm；
80.（2）先將壓電材料和支撐襯底分別獨立地依次進行化學清洗與活化處理，再將壓電材料和支撐襯底的絕緣層在真空環境中（絕對真空度為10-4
pa）進行鍵合，且鍵合的溫度為30℃，鍵合的強度為2j/cm2，得到含有壓電層、絕緣層和支撐層的中間複合襯底；所述化學清洗採用rca標準清洗法進行，直至壓電材料和支撐襯底的表面分別滿足粗糙度ra為0.25
±
0.05nm，且0.3μm尺寸以上的顆粒數量≤20；所述活化處理為利用ar離子分別轟擊壓電材料和支撐襯底的待鍵合面；
81.（3）對中間複合襯底的壓電層進行減薄處理直至壓電層的厚度為0.8μm，得到厚度為500μm的複合壓電襯底。
82.相較於實施例1，本對比例將壓電層直接減薄至0.8μm，材料浪費較大，加工成本高昂，且只得到一個複合壓電襯底，生產效率低下。
83.由此可見，本發明提供的方法利用鍵合技術先將壓電材料與一支撐襯底進行鍵合，經減薄處理後再與另一支撐襯底進行鍵合，得到具有多層結構的中間複合襯底，最後經過熱處理一次性製備得到兩片複合壓電襯底，簡化了工藝流程，提高了生產效率和產品良率，降低了加工成本，避免了壓電材料的不必要浪費。
84.申請人聲明，以上所述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，所屬技術領域的技術人員應該明了，任何屬於本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。