CN108010834A - 一种柔性单晶薄膜及其制备与转移方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜制备技术，具体涉及一种柔性单晶薄膜及其制备与转移方法。本发明利用两片相同的单晶注入晶圆进行同质键合，然后高温退火以实现薄膜的剥离，制备出了中间一层为键合层，上下两层为相同薄膜层的三明治结构，所获得的柔性薄膜因采用同质键合剥离而内应力低，薄膜质量好，且具有自支撑机构，该薄膜可通过后续低温工艺转移到其它任意衬底。本发明提供的柔性单晶薄膜制备时对键合工艺的要求低，重复性好，适合工业化生产。并且可通过后续低温工艺转移到任意种类的衬底上。

Description

一种柔性单晶薄膜及其制备与转移方法

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术，具体涉及一种柔性单晶薄膜及其制备与转移方法。

背景技术

柔性单晶薄膜材料具有柔软、可变形、质轻、便携等优点，在RFID、显示、OLED、传感器、光伏、存储器、电池等应用领域已经获得了大量应用。现有柔性单晶薄膜材料的制备技术主要是采用物理或化学沉积技术将薄膜制备在柔性基板材料之上，而柔性基板材料的选择对柔性电子薄膜材料的性能影响显著。目前采用的柔性基板材料主要包括塑料、不锈钢、超薄玻璃、纸质衬底等基板材料，这些柔性基板难以满足单晶Si、III-V族半导体薄膜材料和介电、光电、磁性等功能薄膜材料对晶格匹配度的要求，因此在沉积柔性电子薄膜材料的过程中，无法实现外延式生长，所获得的柔性薄膜呈现多晶形态，薄膜晶格缺陷密度高，性能差。

2004年SOITEC SILICON ON INSULATOR公开了一种转移制备化合物薄膜材料的方法(EP1429381A2)：对单晶晶圆进行H⁺或He⁺离子注入，注入离子在晶圆内部产生聚集并形成缺陷层，缺陷层的深度由注入能量决定；将注入后的晶圆与另一衬底进行晶圆键合并在一定温度下进行退火，则晶圆就会沿缺陷层产生劈裂，并最终在衬底上获得一层薄膜材料。由于该层薄膜实际上是晶圆块材上剥离下来并转移至衬底上的，因此理论上该层薄膜材料的性质与晶圆块材完全相同，如果选用高质量的单晶晶圆块材进行注入并剥离，则可以得到高质量的单晶薄膜材料，且薄膜的厚度可以通过注入能量进行调节。上述制备方法采用的均为SiO₂亲水性键合的键合方式，即在离子注入之后的晶圆注入面和衬底表面各生长一层SiO₂键合层，然后生长一层SiO₂键合层的一侧进行亲水性键合，但由于亲水性键合对SiO₂键合层的表面平整度要求很高，因此增加了工艺成本。

上述专利中描述的方法，采用的衬底材料可以是Si、III-V族化合物半导体、SiGe、SiC以及石英，该衬底只起到支撑薄膜的作用，且采用这些类型的衬底材料无法制备柔性单晶薄膜材料。此外，如果离子注入的晶圆与衬底分别为不同的材料，特别是如果两种材料热膨胀系数存在明显差异，则在晶圆键合的界面处会产生较大的热失配应力，严重影响单晶薄膜的性能，甚至导致薄膜发生碎裂，难以完成单晶薄膜在异质衬底上的转移制备。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决柔性单晶薄膜材料的生长受限于柔性基板材料，且其键合方式受限以及后续转移应用的问题，本发明提供了一种柔性单晶薄膜及其制备与转移方法，制备的柔性单晶薄膜为双面薄膜，类似三明治结构，中间一层为键合层，上下两层为薄膜。这种单晶薄膜材料本身具有自支撑结构，可任意弯曲，同时可低温键合至其他任意衬底(包括异质衬底以及曲面衬底)以实现薄膜的转移，这样就可以避免因热失配而带来的不利影响。

本发明提供的柔性单晶薄膜为：中间一层为键合层，上下两层为相同薄膜层的三明治结构；所述薄膜层为单晶材料，厚度200-2000nm。

所述单晶材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化镓、砷化镓或硅。

其制备方法如下：

步骤1、对两片同样的单晶晶圆进行He⁺或H⁺离子注入，注入剂量为1E16-1E17ions/cm²，注入厚度为200-2000nm。

步骤2、将步骤1所得两片单晶晶圆的离子注入面一侧进行键合；

步骤3、将步骤2所得的键合对在160-400℃温度下进行退火剥离,即可制得三明治结构的柔性单晶薄膜。

其转移方法为：

将最终制备的柔性单晶薄膜通过低温键合胶键合于衬底上，即可实现转移。

本发明利用两片相同的单晶注入晶圆进行同质键合，然后高温退火以实现薄膜的剥离，制备出了中间一层为键合层，上下两层为相同薄膜层的三明治结构，所获得的柔性薄膜因采用同质键合剥离而内应力低，薄膜质量好，且具有自支撑机构，该薄膜可通过后续低温工艺转移到其它任意衬底。

综上所述，本发明提供的柔性单晶薄膜可大面积剥离，为单晶结构，性能优异，且具有自支撑结构；剥离的柔性薄膜达到纳米级别，适合薄膜器件的应用。制备时对键合工艺的要求低，重复性好，适合工业化生产。并且可通过后续低温工艺转移到任意种类的衬底上。

附图说明

图1为实施例步骤1单晶晶圆进行离子注入后的结构示意图；

图2为实施例步骤2旋涂有机胶后的结构示意图；

图3为实施例步骤3键合后的结构示意图；

图4为实施例步骤4高温退火薄膜剥离的结构示意图；

图5为本发明柔性单晶薄膜转移至衬底后的结构示意图。

附图标记：1-注入的铌酸锂单晶晶圆、2-苯并环丁烯(BCB)有机胶、3-剥离后的单晶薄膜、4-剥离后余下的单晶晶圆、5-低温键合胶、6-衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

步骤1、利用离子注入机对铌酸锂单晶晶圆进行He⁺离子注入，注入的能量为150keV,注入剂量为2E16(ions/cm²)，离子束束流1uA/cm²，注入厚度为600nm虚线表示缺陷层的位置，如图1所示。

步骤2、在晶圆注入一面，若是PECVD生长2um二氧化硅，则生长条件为：温度100℃，功率100W，压强600mT，硅烷流速250sccm，氮气流速150sccm。若旋涂BCB胶，则BCB胶厚度控制在3um之间，如图2所示。

步骤3、若晶圆注入面生长二氧化硅，则两片晶圆生长二氧化硅的一面进行亲水性键合；若晶圆注入面旋涂的为有机胶，则两片晶圆旋涂有机胶的一面进行键合，如图3所示。

步骤4、亲水性键合的键合对在管式炉里400℃处理2-5个小时实现薄膜的剥离以及增强键合强度或者旋涂BCB胶的键合对在管式炉里250℃处理一个小时以实现薄膜的剥离和BCB胶的完全固化，如图4所示。

综上可见，本发明利用离子注入技术和晶圆键合剥离技术制备出了中间一层为键合层，上下两层为相同薄膜层的三明治结构的柔性单晶薄膜材料，克服了传统柔性单晶薄膜材料受限基底材料的缺点；具有自支撑结构同时可以任意弯曲，通过低温工艺可转移到任意衬底。制备时对键合工艺的要求低，重复性好，适合工业化生产。

Claims (4)

1.一种柔性单晶薄膜，其特征在于：

中间一层为键合层，上下两层为相同薄膜层的三明治结构；所述薄膜层为单晶材料，厚度200-2000nm。

2.如权利要求1所述柔性单晶薄膜，其特征在于：所述单晶材料为铌酸锂、钽酸锂、氮化镓、砷化镓或硅。

3.如权利要求1所述柔性单晶薄膜的制备方法如下：

步骤1、对两片同样的单晶晶圆进行He⁺或H⁺离子注入，注入剂量为1E16-1E17ions/cm²，注入厚度为200-2000nm；

步骤2、将步骤1所得两片单晶晶圆的离子注入面一侧进行键合；

步骤3、将步骤2所得的键合对在160-400℃温度下进行退火剥离,即可制得三明治结构的柔性单晶薄膜。

4.如权利要求1所述柔性单晶薄膜，其转移方法为：将柔性单晶薄膜通过低温键合胶键合于衬底上，即可实现转移。