[发明专利]硅基/铁电单晶材料低温晶圆键合及薄膜化加工方法

说明书

本申请公开了硅基/铁电单晶材料低温晶圆键合及薄膜化加工方法，包括：化学机械抛光原始基板与目标基板；第一次清洗后在原始基板磁控溅射Ti/Pt/Ti电极层；在原始基板上利用等离子体增强化学气相沉积法沉积氧化层；化学机械抛光原始基板表面氧化层；第二次清洗后在原始基板和目标基板上进行第一次等离子体活化；第三次清洗后在原始基板和目标基板上进行第二次等离子体活化；采用甲醇浸泡原始基板与目标基板；预键合、施压并低温退火后完成键合；对键合晶圆进行减薄、抛光、退火及清洗处理。本申请在低温条件下完成了硅基/铁电单晶直接键合，实现了高品质、大面积、低应力铁电单晶薄膜的制备，键合界面无空洞，键合强度、薄膜质量满足器件制作要求。

技术领域

本申请属于光电材料集成及制备技术领域，涉及硅基/铁电单晶材料低温晶圆键合及薄膜化加工方法。

背景技术

随着电子产品的快速发展，电路集成正面临着多功能、小型化、高速度、低功耗和高可靠性发展趋势带来的严峻挑战。硅是传统MEMS工艺的基础材料，应用广泛，工艺成熟，为进一步拓宽硅材料应用范围，可通过与其它功能材料进行集成，基于硅基多材料体系的功能集成是未来半导体发展的主要方向。铁电单晶材料是其中的典型代表，以铌酸锂为例，铌酸锂作为一种性能优异的铁电单晶半导体，因其具有良好的光电、声光、介电、热电、压电、铁电、双折射、非线性等物理特性及耐高温、抗腐蚀、易加工、机械性能稳定等特性，被广泛应用于滤波器、光电调制器、光波导、倍频转换器、全息存储等方面。随着近年来，稀土掺杂工程、畴工程、近化学计量比生长和加工技术的完善，有关铌酸锂光电子器件，如全光信号处理、光学数据存储、光学传感等技术领域更是迅猛发展。但是铌酸锂等铁电材料与硅之间存在大的晶格失配，在硅基底上外延生长极具挑战，其生长制备大部分基于非硅基底，成本高昂，在研究与应用过程中存在与硅工艺不兼容问题。而晶圆键合技术是解决异质半导体材料的兼容问题，充分利用异质半导体材料的优点，大幅提高器件集成自由度的重要手段。基于晶圆键合技术制备硅基薄膜材料是硅基多材料体系发展的技术基础和科研基石。

目前，晶圆键合技术多涉及高温处理环节，而诸如铌酸锂等铁电单晶材料，在退火温度达300℃以上时会出现相变，甚至出现部分材料分解形成LiNb₃O₈相或者以氧化锂(Li₂O)的形式存在，另外键合晶圆在高温退火下会出现由热失配导致的结构碎裂与解键合等诸多问题。因而，设计一种低温条件下以铌酸锂单晶为代表的铁电单晶异质集成制造的新方法就显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供硅基/铁电单晶材料低温晶圆键合及薄膜化加工方法，该方法可用于制造大面积、高品质、低应力硅基/铁电单晶薄膜。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

本申请提出了硅基/铁电单晶材料低温晶圆键合及薄膜化加工方法，所述加工方法包括：

化学机械抛光原始基板与目标基板；

第一次清洗上述原始基板与目标基板；

在上述原始基板上磁控溅射Ti/Pt/Ti电极层；

在上述原始基板上利用等离子体增强化学气相沉积法沉积氧化层；

化学机械抛光原始基板表面氧化层；

第二次清洗上述原始基板；

在上述原始基板和目标基板上进行第一次等离子体活化；

第三次清洗上述原始基板与目标基板；

在上述原始基板和目标基板上进行第二次等离子体活化；

采用甲醇浸泡上述原始基板与目标基板，并采用N₂吹干；

在空气中预键合，然后施加一定压力并低温退火，完成键合并形成键合晶圆；