[发明专利]复合单晶薄膜和制造复合单晶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料和光电材料技术领域，具体地讲，涉及一种复合单晶薄膜和制造复合单晶薄膜的方法。

背景技术

铌酸锂单晶薄膜因具有优异的电光、声光、非线性等效应而在光信号处理、信息存储以及电子器件等领域具有广泛的用途，其可以作为衬底材料，可以用于制作高频、高带宽、高集成度、大容量、灵敏度高、低功耗以及性能稳定的光电子学器件和集成光学器件，例如，滤波器、波导调制器、光波导开关、空间光调制器、光学倍频器、红外探测器以及铁电体存储器等。以铌酸锂单晶薄膜作为器件层进行加工(主要使用刻蚀等工艺)时，由于铌酸锂化学惰性比较强，导致难以刻蚀，加工难度大，工艺不够成熟，铌酸锂比较难加工的问题严重阻碍了铌酸锂器件的发展。

SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术是在顶层硅和衬底硅之间引入了一层埋层氧化层(例如二氧化硅)，形成绝缘体上的硅薄膜。在电子学领域中，SOI材料具有硅体材料所不具备的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，消除体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；而且采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单以及特别适用于低压低功耗电路等优势。在光学领域中，SOI是重要的衬底材料，主要用来制备光开关、光学调制器等集成光学器件。这些器件的基础结构为光波导，光波导是利用光的全反射原理，将光限制在光波导中传输，可以便于控制光的传输路径。硅材料的加工工艺非常成熟，比如硅材料的刻蚀工艺十分成熟，可以刻蚀出非常精细的线条。目前以SOI为衬底材料的集成光学器件已经产业化。然而，由于硅材料本身非线光学效应较弱，其电光、声光、热电效应很也弱，限制了其在光电领域的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种复合单晶薄膜和制造复合单晶薄膜的方法。

根据本发明的一方面，提供一种复合单晶薄膜，所述复合单晶薄膜包括：衬底；光学隔离层，位于衬底上；铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜，位于光学隔离层上；硅薄膜，位于铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜上。

根据本发明的示例性实施例，所述复合单晶薄膜还可以包括：位于铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜与硅薄膜之间的另一光学隔离层。

根据本发明的示例性实施例，光学隔离层可以为二氧化硅层，衬底可以为硅衬底。

根据本发明的示例性实施例，衬底的厚度可以为10μm-2000μm，光学隔离层的厚度可以为5nm-10μm，铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的厚度可以为5nm-50μm，硅薄膜的厚度可以为5nm-50μm。

根据本发明的另一方面，提供一种制造复合单晶薄膜的方法，所述方法包括：准备覆盖有光学隔离层的衬底；在衬底的其上覆盖有光学隔离层的表面上形成铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜；在铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜上形成硅薄膜。

根据本发明的示例性实施例，形成铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的步骤可以包括：使铌酸锂晶片或钽酸锂晶片与光学隔离层接触，进而利用晶片键合法将铌酸锂晶片或钽酸锂晶片与光学隔离层键合；对铌酸锂晶片或钽酸锂晶片的背对光学隔离层的表面进行研磨，之后进行表面抛光处理，从而形成铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。

根据本发明的示例性实施例，形成铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的步骤可以包括：通过离子注入法将离子注入到铌酸锂晶片或钽酸锂晶片，从而在铌酸锂晶片或钽酸锂晶片中形成注入层、分离层和余质层，其中，分离层位于注入层和余质层之间，注入的离子分布在分离层内；使注入层与光学隔离层接触，进而利用晶片键合法将铌酸锂晶片或钽酸锂晶片与光学隔离层键合，以形成键合体；对键合体进行加热，使得注入层和余质层分离；对注入层进行表面抛光，从而形成铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。

根据本发明的示例性实施例，形成硅薄膜的步骤可以包括：使硅片与铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜接触，进而利用晶片键合法将硅片与铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜键合；对硅片的背对铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的表面进行研磨，之后进行表面抛光处理，从而形成硅薄膜。

根据本发明的示例性实施例，形成硅薄膜的步骤可以包括：通过离子注入法将离子注入到硅片，从而在硅片中形成注入层、分离层和余质层，其中，分离层位于注入层和余质层之间，注入的离子分布在分离层内；使注入层与铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜接触，进而利用晶片键合法将硅片与铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜键合，以形成键合体；对键合体进行加热，使得注入层和余质层分离；对注入层进行表面抛光，从而形成硅薄膜。