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CN110867381B - 一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用 - Google Patents

一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用。本发明通过采用一不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，包含硅支撑层和钽酸锂单晶薄膜层，其中硅支撑层预先经离子注入处理；先在该衬底薄膜层表面生长一金属层，然后将该金属层与表面沉积金属的氧化硅衬底的金属层键合，其中氧化硅衬底的金属层在氧化硅层表面；最后经过硅的离子剥离及后续抛光，间接地将钽酸锂单晶薄膜和金属层转移至氧化硅衬底上，从而形成带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。本发明避免了直接剥离钽酸锂并转移其薄膜和金属层至沉积了金属的氧化硅衬底表面的热失配风险，该方法可为高响应度的钽酸锂热释电红外探测器的制备提供厚度定制化的薄膜衬底。

Description

一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及热释电红外探测技术领域，尤其涉及一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用。
背景技术
钽酸锂具有很高的居里温度和热释电系数，是一种非常适合用于热释电红外探测器制备的材料。基于理论分析，当钽酸锂热释电材料选定后，减薄响应单元厚度是提高探测器性能参数的关键，在硅基衬底上制备高质量的带底电极的钽酸锂单晶热释电薄膜就成了制备高性能器件的前提。目前，在硅基衬底上制备钽酸锂薄膜可以运用溅射沉积、溶胶-凝胶、离子束剥离等方法。相比较而言，离子束剥离能够直接从钽酸锂单晶晶片上剥离一层单晶薄膜，所以该方法制备的钽酸锂薄膜的单晶质量会更优于其他方式生长的薄膜。
但是，相比较于用于声表面波谐振器的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，其结构为钽酸锂单晶薄膜-硅基支撑衬底，用于热释电红外探测的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，其结构为钽酸锂单晶薄膜-底电极-硅基支撑衬底，会要求在钽酸锂单晶薄膜下方插入一层金属电极层，这一电极层的引入使得衬底的制备难度提高，一般的制备不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的离子注入+键合+退火的工艺中，其热处理条件与金属电极层的键合是不兼容的。现有技术中，采用离子束剥离(离子注入+键合+退火)的方式，为了制备带有底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，需要在钽酸锂牺牲衬底的注入面和硅基支撑衬底表面先分别沉积一层金属，然后在100～200℃下将二者的金属面键合并在更高的温度下加固键合面。但是，由于钽酸锂和硅之间的热失配，高温加固过程中极易发生解键合甚至裂片，但若是不再加固键合，则钽酸锂剥离过程中的热应力又会导致解键合，并且在上述键合加固所需的温度下钽酸锂极易发生不被期望的离子剥离，导致键合失败。
有鉴于此，有必要提供一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底及其制备方法和应用，用以克服上述背景技术中存在的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，包括以下步骤：
提供一由硅支撑层和钽酸锂单晶薄膜层组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，所述硅支撑层内形成有缺陷层，所述缺陷层靠近所述钽酸锂单晶薄膜层；
在所述钽酸锂单晶薄膜层表面沉积形成第一金属层；
提供一氧化硅衬底，在所述氧化硅衬底的氧化硅层表面沉积形成第二金属层；
将所述第一金属层与所述第二金属层进行键合处理，形成键合体；
对所述键合体高温退火处理，使其在所述缺陷层处发生分离，得到表面具有硅薄膜的多层膜结构；
去除所述硅薄膜，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
进一步地，所述钽酸锂单晶薄膜层由Z切、Y切42度或Y切36度的钽酸锂组成，所述钽酸锂单晶薄膜层的厚度为100-1000nm。
进一步地，所述缺陷层通过离子注入的方式形成，离子注入的条件包括：氢离子注入，氢离子能量为20-180keV，离子束剂量范围为1×1016-1×1017cm-2，注入温度为室温。
进一步地，所述第一金属层和第二金属层均由Au、Al、Pt、Ni、Ti、Cu中的一种金属或多种金属组成。
进一步地，所述氧化硅衬底的氧化硅层通过热氧化的生长方式形成，所述氧化硅层的厚度为0.5-2um。
进一步地，所述键合处理包括预键合和高温加固两个步骤。
进一步地，所述高温退火处理的条件包括：升温速率为0.5-10℃/min，退火温度为500-600℃，退火气氛为氮气。
进一步地，采用化学机械抛光的方式去除所述硅薄膜。
相应地，本发明还提供了一种采用上述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法制备的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，其特征在于，所述带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底自上而下依次包括钽酸锂单晶薄膜层、金属底电极层和氧化硅衬底。
相应地，本发明还提供了一种上述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底在热释电红外探测领域的应用。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，采用金属与金属键合，并结合硅的剥离及抛光，间接地将钽酸锂单晶薄膜和金属层，从不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，转移至氧化硅衬底上，形成了带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，相比于现有技术中直接运用离子束剥离的工艺转移钽酸锂薄膜和金属层至沉积了金属的氧化硅衬底表面，有效避免了热破坏的风险；
2、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，作为牺牲衬底的硅支撑层，与作为目标衬底的氧化硅衬底，同为硅基衬底，这有利于金属与金属的高温键合加固，克服了使用异质衬底做薄膜二次转移时，金属键合加固必须考虑的热失配导致的解键合甚至裂片风险；
3、采用现有的硅的剥离工艺，不必另外开发剥离工艺，同时其所需温度也适用于金属键合的加固，这使得金属键合加固和硅的剥离可以一步完成，缩短了工艺周期，降低了能耗成本；
4、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，可为高响应度的钽酸锂热释电红外探测器的制备提供厚度定制化薄膜衬底解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法流程示意图；
图2是本发明的不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的结构示意图；
图3是本发明的钽酸锂单晶薄膜层表面沉积第一金属层的结构示意图；
图4是本发明的氧化硅衬底的氧化硅层表面沉积第二金属层的结构示意图；
图5是本发明的键合体的结构示意图；
图6是本发明的键合体退火后分离形成的单层硅和多层膜结构示意图；
图7是本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的结构示意图。
其中，附图标记对应为：1-硅支撑层、11-缺陷层、12-硅薄膜、2-钽酸锂单晶薄膜层、3-第一金属层、4-氧化硅衬底、41-氧化硅层、5-第二金属层、6-金属底电极层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，参阅图1-7，该带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法包括以下步骤：
S1、提供一由硅支撑层1和钽酸锂单晶薄膜层2组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，硅支撑层1内形成有缺陷层11，缺陷层11靠近钽酸锂单晶薄膜层2；
S2、在钽酸锂单晶薄膜层2表面沉积形成第一金属层3；
S3、提供一氧化硅衬底4，在氧化硅衬底4的氧化硅层41表面沉积形成第二金属层5；
S4、将第一金属层3与第二金属层5进行键合处理，形成键合体；
S5、对键合体高温退火处理，使其在缺陷层11处发生分离，得到表面具有硅薄膜12的多层膜结构；
S6、去除硅薄膜12，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，首先提供一不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，该型衬底结构因为没有金属层，无需高温加固，制备相对容易，先在该衬底表面生长金属层，然后将该金属层与表面沉积金属的氧化硅衬底金属面键合，并结合硅的离子剥离及后续抛光，间接地将钽酸锂单晶薄膜和金属层转移至氧化硅衬底上，形成带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，相比于现有技术中直接运用离子束剥离的工艺转移钽酸锂薄膜和金属层至沉积了金属的氧化硅衬底表面，有效避免了热破坏的风险。而且，本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，作为牺牲衬底的硅支撑层，与作为目标衬底的氧化硅衬底，同为硅基衬底，这有利于金属与金属的高温键合加固，克服了使用异质衬底做薄膜二次转移时，金属键合加固必须考虑的热失配导致的解键合甚至裂片风险；另外，采用现有的硅的剥离工艺，不必另外开发剥离工艺，同时其所需温度也适用于金属键合的加固，这使得金属键合加固和硅的剥离可以一步完成，缩短了工艺周期，降低了能耗成本；该方法可为高响应度的钽酸锂热释电红外探测器的制备提供厚度定制化的薄膜衬底。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一由硅支撑层1和钽酸锂单晶薄膜层2组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，硅支撑层1采用(100)型硅，钽酸锂单晶薄膜层2由Z向切型的钽酸锂组成，钽酸锂单晶薄膜层2的厚度为100nm，硅支撑层1内形成有缺陷层11，缺陷层11采用离子注入的方式形成，离子注入的条件为：氢离子注入，氢离子能量为180keV，离子束剂量范围为1×1016cm-2，注入温度为室温，缺陷层11靠近钽酸锂单晶薄膜层2；
S2、在钽酸锂单晶薄膜层2表面沉积形成第一金属层3，第一金属层3由Au组成；
S3、提供一氧化硅衬底4，氧化硅衬底4的氧化硅层41通过热氧化的生长方式形成，氧化硅层41的厚度为0.5um，在氧化硅衬底4的氧化硅层41表面沉积形成第二金属层5，第二金属层5由Au组成；
S4、将第一金属层3与第二金属层5进行键合处理，形成键合体，第一金属层3与第二金属层5键合后形成位于钽酸锂单晶薄膜层2与氧化硅层41之间的金属底电极层6，其中键合处理包括预键合和高温加固两个步骤；
S5、对键合体高温退火处理，高温退火处理的条件为：升温速率在0.5℃/min，退火温度在500℃，退火气氛氮气，使其在缺陷层11处发生分离，得到表面具有硅薄膜12的多层膜结构，其中硅薄膜12由缺陷层11以上的硅支撑层形成；
S6、采用化学机械抛光的方式去除硅薄膜，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
本实施例中，需要说明的是，在其他的一些实施方式中，第一金属层和第二金属层也可以采用其他的金属，如Al、Pt、Ni、Ti、Cu等，也可以由Au、Al、Pt、Ni、Ti、Cu等中的多种金属形成的合金组成。
实施例2
本实施例的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一由硅支撑层1和钽酸锂单晶薄膜层2组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，硅支撑层1采用(100)型硅，钽酸锂单晶薄膜层2由Y切42度切型的钽酸锂组成，钽酸锂单晶薄膜层2的厚度为500nm，硅支撑层1内形成有缺陷层11，缺陷层11采用离子注入的方式形成，离子注入的条件为：氢离子注入，氢离子能量为20keV，离子束剂量范围为5×1016cm-2，注入温度为室温，缺陷层11靠近钽酸锂单晶薄膜层2；
S2、在钽酸锂单晶薄膜层2表面沉积形成第一金属层3，第一金属层3由Cu组成；
S3、提供一氧化硅衬底4，氧化硅衬底4的氧化硅层41通过热氧化的生长方式形成，氧化硅层41的厚度为1um，在氧化硅衬底4的氧化硅层41表面沉积形成第二金属层5，第二金属层5由Cu组成；
S4、将第一金属层3与第二金属层5进行键合处理，形成键合体，第一金属层3与第二金属层5键合后形成位于钽酸锂单晶薄膜层2与氧化硅层41之间的金属底电极层6，其中键合处理包括预键合和高温加固两个步骤；
S5、对键合体高温退火处理，高温退火处理的条件为：升温速率在5℃/min，退火温度在550℃，退火气氛氮气，使其在缺陷层11处发生分离，得到表面具有硅薄膜12的多层膜结构，其中硅薄膜12由缺陷层11以上的硅支撑层形成；
S6、采用化学机械抛光的方式去除硅薄膜，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
实施例3
本实施例的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一由硅支撑层1和钽酸锂单晶薄膜层2组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，硅支撑层1采用(100)型硅，钽酸锂单晶薄膜层2由Y切36度切型的钽酸锂组成，钽酸锂单晶薄膜层2的厚度为1000nm，硅支撑层1内形成有缺陷层11，缺陷层11采用离子注入的方式形成，离子注入的条件为：氢离子注入，氢离子能量为100keV，离子束剂量范围为1×1017cm-2，注入温度为室温，缺陷层11靠近钽酸锂单晶薄膜层2；
S2、在钽酸锂单晶薄膜层2表面沉积形成第一金属层3，第一金属层3由Al、Ni形成的合金组成；
S3、提供一氧化硅衬底4，氧化硅衬底4的氧化硅层41通过热氧化的生长方式形成，氧化硅层41的厚度为2um，在氧化硅衬底41的氧化硅层41表面沉积形成第二金属层5，第二金属层5由Al、Ni形成的合金组成；
S4、将第一金属层3与第二金属层5进行键合处理，形成键合体，第一金属层3与第二金属层3键合后形成位于钽酸锂单晶薄膜层2与氧化硅层41之间的金属底电极层6，其中键合处理包括预键合和高温加固两个步骤；
S5、对键合体高温退火处理，高温退火处理的条件为：升温速率在10℃/min，退火温度在600℃，退火气氛氮气，使其在缺陷层11处发生分离，得到表面具有硅薄膜12的多层膜结构，其中硅薄膜12由缺陷层11以上的硅支撑层形成；
S6、采用化学机械抛光的方式去除硅薄膜，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
本发明的另一实施例提供了一种采用上述实施例中的制备方法制备的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，本实施例中的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底自上而下依次包括钽酸锂单晶薄膜层2、金属底电极层6和氧化硅衬底4，其中金属底电极层6由键合后的第一金属层3和第二金属层5组成。
本发明的另一实施例提供了一种上述实施例中的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底在热释电红外探测领域的应用，可为高响应度的钽酸锂热释电红外探测器的制备提供定厚度制化的薄膜衬底。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，采用金属与金属键合，并结合硅的剥离及抛光，间接地将钽酸锂单晶薄膜和金属层，从不带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，转移至氧化硅衬底上，形成了带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，相比于现有技术中直接运用离子束剥离的工艺转移钽酸锂薄膜和金属层至沉积了金属的氧化硅衬底表面，有效避免了热破坏的风险；
2、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，作为牺牲衬底的硅支撑层，与作为目标衬底的氧化硅衬底，同为硅基衬底，这有利于金属与金属的高温键合加固，克服了使用异质衬底做薄膜二次转移时，金属键合加固必须考虑的热失配导致的解键合甚至裂片风险；
3、采用现有的硅的剥离工艺，不必另外开发剥离工艺，同时其所需温度也适用于金属键合的加固，这使得金属键合加固和硅的剥离可以一步完成，缩短了工艺周期，降低了能耗成本；
4、本发明的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，可为高响应度的钽酸锂热释电红外探测器的制备提供厚度定制化薄膜衬底解决方案。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一由硅支撑层和钽酸锂单晶薄膜层组成的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，所述硅支撑层内形成有缺陷层，所述缺陷层靠近所述钽酸锂单晶薄膜层；
在所述钽酸锂单晶薄膜层表面沉积形成第一金属层；
提供一氧化硅衬底，在所述氧化硅衬底的氧化硅层表面沉积形成第二金属层；
将所述第一金属层与所述第二金属层进行键合处理，形成键合体；所述第一金属层与所述第二金属层键合后形成位于所述钽酸锂单晶薄膜层与所述氧化硅衬底之间的金属底电极层；
对所述键合体高温退火处理，使其在所述缺陷层处发生分离，得到表面具有硅薄膜的多层膜结构；
去除所述硅薄膜，得到带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底。
2.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述钽酸锂单晶薄膜层由Z切、Y切42度或Y切36度的钽酸锂组成，所述钽酸锂单晶薄膜层的厚度为100-1000nm。
3.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述缺陷层通过离子注入的方式形成，离子注入的条件包括：氢离子注入，氢离子能量为20-180keV，离子束剂量范围为1×1016-1×1017cm-2，注入温度为室温。
4.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层均由Au、Al、Pt、Ni、Ti、Cu中的一种金属或多种金属组成。
5.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述氧化硅衬底的氧化硅层通过热氧化的生长方式形成，所述氧化硅层的厚度为0.5-2um。
6.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述键合处理包括预键合和高温加固两个步骤。
7.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，所述高温退火处理的条件包括：升温速率为0.5-10℃/min，退火温度为500-600℃，退火气氛为氮气。
8.根据权利要求1所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底的制备方法，其特征在于，采用化学机械抛光的方式去除所述硅薄膜。
9.一种采用权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底，其特征在于，所述带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底自上而下依次包括钽酸锂单晶薄膜层、金属底电极层和氧化硅衬底。
10.一种权利要求9所述的带底电极的硅基钽酸锂单晶薄膜衬底在热释电红外探测领域的应用。
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