阅读说明：本技术 一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器 (Preparation method of piezoelectric film, piezoelectric film and surface acoustic wave filter ) 是由 欧欣 陈阳 黄凯 赵晓蒙 鄢有泉 李忠旭 黄浩 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器,该方法包括：对压电晶圆进行离子注入剥离,得到表面具有离子注入损伤层的初始压电薄膜；在预设温度范围内,通过氟离子对初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层,得到辐照后的压电薄膜；辐照后的压电薄膜的表面具有非晶层,所述非晶层包含所述氟离子与初始压电薄膜在离子辐照过程中进行化学反应得到的成分；使用预设混合溶液去除辐照后的压电薄膜表面的非晶层,得到压电薄膜。本发明能够降低薄膜表面粗糙度和提高薄膜厚度均匀性,同时不在薄膜表面留下非晶层。(The invention discloses a preparation method of a piezoelectric film, the piezoelectric film and a surface acoustic wave filter, wherein the method comprises the following steps: carrying out ion implantation stripping on the piezoelectric wafer to obtain an initial piezoelectric film with an ion implantation damage layer on the surface; within a preset temperature range, carrying out low-energy ion irradiation on the initial piezoelectric film through fluorine ions to remove the ion implantation damage layer, and obtaining the irradiated piezoelectric film; the surface of the irradiated piezoelectric film is provided with an amorphous layer, and the amorphous layer contains a component obtained by chemical reaction between the fluorine ions and the initial piezoelectric film in the ion irradiation process; and removing the amorphous layer on the surface of the irradiated piezoelectric film by using a preset mixed solution to obtain the piezoelectric film. The invention can reduce the surface roughness of the film and improve the thickness uniformity of the film, and meanwhile, an amorphous layer is not left on the surface of the film.)

一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器。

背景技术

压电薄膜基板，比如铌酸锂(LiNbO₃)薄膜和钽酸锂(LiTaO₃)薄膜等，目前被广泛用于制备高性能的声表面波滤波器，压电薄膜的表面粗糙度和薄膜厚度均匀性对压电器件的性能具有重要影响。

现有技术主要通过离子束剥离的方法(Smart-Cut技术)在异质衬底上制备压电薄膜，但压电薄膜经过离子注入并剥离后，会在近表面形成注入损伤层。现有技术通常采用化学机械抛光技术(CMP)和低能离子辐照的方法来去除损伤层，但是CMP方法会使原本离子束剥离薄膜厚度的均匀性恶化，而传统采用稀有气体离子的低等离子辐照法会在处理后的表面形成非晶层，且该非晶层难以去除，从而影响薄膜的质量。

发明内容

为了降低薄膜表面的粗糙度和提高薄膜厚度的均匀性，同时不在薄膜表面留下非晶层，本发明提供了一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器。

一方面，本发明提供了一种压电薄膜的制备方法，所述方法包括：

对压电晶圆进行离子注入剥离，得到初始压电薄膜，所述初始压电薄膜的表面具有离子注入损伤层；

在预设温度范围内，通过氟离子对所述初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层，得到辐照后的压电薄膜；所述辐照后的压电薄膜的表面具有非晶层，所述非晶层包含所述氟离子与所述初始压电薄膜在离子辐照过程中进行化学反应得到的成分；

使用预设混合溶液去除所述辐照后的压电薄膜表面的非晶层，得到压电薄膜。

进一步地，所述压电薄膜为钽酸锂薄膜或铌酸锂薄膜。

进一步地，所述低能离子辐照的能量范围为200ev-5000ev。

进一步地，所述预设温度范围为25℃-300℃。

进一步地，所述离子注入损伤层的厚度为25nm-150nm，所述非晶层的厚度为1nm-10nm，去除的离子注入损伤层的厚度与去除的非晶层的厚度之和为30nm-160nm。

进一步地，所述成分为包含所述初始压电薄膜的元素的氟化物，所述非晶层为氟化物非晶层。

进一步地，在所述低能离子辐照的环境温度大于预设温度阈值时，所述氟化物非晶层中的部分氟化物进行升华，升华后的氟化非晶层的内部形成孔洞结构。

进一步地，所述使用预设混合溶液去除所述辐照后的压电薄膜表面的非晶层，得到压电薄膜，包括：

将所述辐照后的压电薄膜在70℃-90℃的所述预设混合溶液中浸泡60min-180min，去除所述非晶层，得到所述压电薄膜；

其中，所述预设混合溶液由氨水、双氧水和水按照预设体积比例进行混合得到，所述氨水与所述双氧水的体积比为2:2，所述双氧水与所述水的体积比为2:1-2:2.5。

另一方面，本发明提供了一种压电薄膜，所述压电薄膜根据上述所述的制备方法制备得到。

另一方面，本发明提供了一种声表面波滤波器，所述声表面波滤波器由上述所述的压电薄膜制备而成。

本发明实施例提供的一种压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器，具有如下有益效果：

1、本发明采用氟离子对初始压电薄膜进行低能离子辐照，氟离子在离子辐照过程中可以与初始压电薄膜进行化学反应，使得离子辐照后的压电薄膜的表面具有包含初始压电薄膜的元素成分的非晶层(即氟化物非晶层)，非晶层中所包含的初始压电薄膜的元素成分，可以在离子辐照过程中升华，从而使非晶层内部形成孔洞结构。该孔洞结构可以增加非晶层与预设混合溶液的接触面积，从而提高非晶层与预设混合溶液(比如，可以由氨水、双氧水和水按照预设体积比例进行混合得到)的反应速度，进而加快非晶层的去除质量和速率。

2、通过本发明实施例提供的制备方法可以降低制备得到的压电薄膜的表面粗糙度(表面粗糙度小于或等于1nm)，提高制备得到的压电薄膜的厚度均匀性(薄膜厚度不均匀性NU小于或等于3％)，且制备得到的压电薄膜的表面不具有非晶层。

3、本发明实施例提供的制备方法制备得到的压电薄膜，可以用于制备声表面波滤波器，由于本发明实施例制备得到的压电薄膜的表面粗糙度较低和厚度均匀性较高，且表面不含有非晶层，因此，可以得到的性能较高的声表面波滤波器，提高声表面波滤波器的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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地介绍，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是本发明实施例提供的一种压电薄膜的制备方法的流程示意图。

图2是本发明实施例提供的对压电晶圆进行离子注入形成目标离子注入损伤层的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的将压电晶圆与衬底晶圆进行键合得到键合晶圆的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的对键合晶圆进行退火，得到压电薄膜层的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的对初始压电薄膜进行离子辐照的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的离子辐照过程中在压电薄膜的表面引入非晶层的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的去除非晶层后的压电薄膜的结构示意图。

其中，附图标记对应为：1-压电晶圆，2-目标离子注入损伤层，3-衬底晶圆，4-键合晶圆，5-压电薄膜层，6-离子注入损伤层，7-非晶层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例一

图1是本发明实施例提供的一种压电薄膜的制备方法的流程示意图，如图1所示，该压电薄膜的制备方法至少可以包括以下步骤：

S1.对压电晶圆1进行离子注入剥离，得到初始压电薄膜，所述初始压电薄膜的表面具有离子注入损伤层6。

具体地，S1可以至少包括以下步骤：

1)对压电晶圆1进行离子注入，注入离子种类为He⁺离子，注入能量根据薄膜厚度确定，范围为50kev-2000kev。离子注入后的压电薄膜的下表面预设深度形成目标离子注入损伤层2，图2是本发明实施例提供的对压电晶圆进行离子注入形成目标离子注入损伤层的结构示意图。

在实际应用中，该压电晶圆包括但不限于铌酸锂(LiNbO₃)晶圆或钽酸锂(LiTaO₃)晶圆。该注入的离子种类还可以为H离子等其他稀有气体离子。

2)将离子注入后的压电晶圆1与衬底晶圆3进行键合，得到键合晶圆4。

图3是本发明实施例提供的将压电晶圆与衬底晶圆进行键合得到键合晶圆的结构示意图。在实际应用中，该衬底晶圆3包括但不限于硅衬底、玻璃衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底等。该键合方式包括但不限于直接键合、金属键合或介质层键合等。

3)在一定温度下退火所述键合晶圆4，使压电晶圆内部的目标离子注入损伤层2演化聚集并剥离，在衬底晶圆3上形成压电薄膜层5，得到初始压电薄膜。

图4是本发明实施例提供的对键合晶圆进行退火，得到压电薄膜层的结构示意图。从图4中可以看出，在键合晶圆4从目标离子注入损伤层2处剥离后，剥离后的压电薄膜层5的近表面(具体为表面上预设深度)会引入预设深度的离子注入损伤层6。

在实际应用中，当压电晶圆为LiNbO₃，衬底晶圆为硅衬底时，S103中的退火温度范围可以为100-450℃。

本发明实施例中，该离子注入损伤层6的厚度可以为25nm-150nm，由于该离子注入损伤层6的存在会影响压电薄膜的使用性能，因此需要对初始压电薄膜进行表面处理以去除该离子注入损伤层6。

S2.在预设温度范围内，通过氟离子对所述初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层，得到辐照后的压电薄膜；所述辐照后的压电薄膜的表面具有非晶层，所述非晶层包含所述氟离子与所述初始压电薄膜在离子辐照过程中进行化学反应得到的成分。

本发明实施例中，可以通过对初始压电薄膜进行离子辐照以去除其表面的离子注入损伤层6，图5是本发明实施例提供的对初始压电薄膜进行离子辐照的结构示意图。但采用某些惰性离子进行低能离子辐照，在去除该离子注入损失层的同时，又会在初始压电薄膜的表面引入非常致密的非晶层，该致密的非晶层很难去除，从而影响压电薄膜的质量。基于此，本发明进行低能离子辐照的离子为氟离子。当然在一些应用场景中，低能离子辐照所使用的离子还可以为Ⅵ族或Ⅶ族离子的其他离子，包括但不限于Cl离子、O离子等。

通过氟离子进行低能离子辐照过程中，可以去除初始压电薄膜表面的离子注入损伤层6。在离子辐照过程中同样会在压电薄膜的表面引入非晶层7，图6是本发明实施例提供的离子辐照过程中在压电薄膜的表面引入非晶层的结构示意图。但氟离子在低能离子辐照过程中可以与压电薄膜材料发生化学，因此，该非晶层7中包含了该初始压电薄膜材料的元素的成分。而该包含了初始压电薄膜材料的元素的成分的非晶层7，在离子辐照的环境温度达到预设温度阈值时，其中的部分成分可以升华，从而使非晶层7多孔化，该多孔化的非晶层能够增加后续与预设混合溶液的接触面积，从而加速与预设混合溶液的反应速率，进而提高多晶层去除的效率。

需要说明的是，该低能离子辐照中的“低”指的是辐照能量的低，为了减少离子辐照对初始压电薄膜的损伤，离子辐照可以采用较低的能量范围，具体可以为低于离子注入过程中的能量。具体地，低能离子辐照的参数可以如下：

低能离子辐照的能量范围：200ev-5000ev

入射角度：直入射(垂直于样品表面)

薄膜去除速率：1-30nm/min

辐照时间：根据去除速率和去除量灵活控制。

本发明实施例中，该预设温度范围可以为25℃-300℃。

本发明实施例中，所述非晶层的厚度可以1nm-10nm。当然在某些低能离子辐照条件下，有可能会存在非晶层的厚度为0nm的情况。

在一个可行的实施例中，为了进一步降低低能离子辐照对初始压电薄膜的损伤，可以通过调节低能离子束的电压，从而限制入射离子束能量，使其既能够去除离子注入损伤层，又可以降低离子辐照对初始压电薄膜的损伤，具体可以为：通过电子能量损失谱仪等装置对初始压电薄膜进行其材料的电子能量损失测量，在低能损失区得到与价电子激发对应的等离子峰的能量谱，根据等离子峰的能量谱中距零损失峰最近、能量最低的等离子峰能量确定原子结合键断裂能量和表面损伤层的升华能，并作为选择低能离子枪加速电压的依据。

以下，以初始压电薄膜为LiNbO₃薄膜或LiTaO₃薄膜为例，对S2进行详细说明：

在25℃-300℃内，通过F离子束对所述初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层，得到辐照后的压电薄膜，并在辐照后的压电薄膜的表面形成非晶层。由于低能离子辐照过程中，F离子可以与初始压电薄膜的材料发生化学反应，因此，该非晶层中包含了初始压电薄膜的元素成分。比如，若初始压电薄膜为LiNbO₃薄膜，则该包含该初始压电薄膜材料元素的成分可以为LiF、NbF₅等，若该初始压电薄膜为LiTaO₃薄膜，则该包含该初始压电薄膜材料元素的成分可以为LiF、TaF₅等。

在高温辐照环境下，即低能离子辐照的环境温度大于预设温度阈值时(比如大于250℃)，所述氟化物非晶层中的部分氟化物(比如NbF₅、TaF₅可以升华)进行升华，形成非晶层多孔化，即升华后的氟化非晶层的内部形成孔洞结构。该孔洞结构能够增加后续与预设混合溶液的接触面积，从而加速与预设混合溶液的反应速率，进而提高非晶层去除的效率。

在实际应用中，该高温辐照环境还可以为其他大于NbF₅(沸点236℃，真空下可更低)和TaF₅(沸点229.5，真空下可更低)气化温度的高温。

S3.使用预设混合溶液去除所述辐照后的压电薄膜表面的非晶层，得到压电薄膜。

由于非晶层的存在会影响压电薄膜的质量，为了提高压电薄膜的质量，本发明实施例中，可以使用由氨水(NH₃H₂O)、双氧水(H₂O₂)和水(H₂O)按照预设体积比例进行混合得到的预设混合溶液去除该非晶层。

具体地，S3可以包括：

将NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O按照体积比为2:2:(1-2.5)进行混合(即NH₃·H₂O与H₂O₂的体积比为2:2，所述H₂O₂与H₂O的体积比为2:1-2:2.5)，得到所述预设混合溶液；

将所述辐照后的压电薄膜在70℃-90℃的所述预设混合溶液中浸泡60min-180min，去除所述非晶层7，得到所述压电薄膜。非晶层7去除后的压电薄膜的结构示意图可以如图7所示。

由于该非晶层包含该压电薄膜材料的元素成分，由于离子辐照过程中，氟化物非晶层中的部分氟化物(比如NbF₅、TaF₅)的升华，使氟化非晶层的内部形成孔洞结构，该孔洞结构提高了非晶层与所述预设混合溶液之间的接触面积，由于比表面积越大，反应速度越快，因此，该孔洞结构的存在大大加快了预设混合溶液与非晶层的反应速率，较快的反应速率大大提高了非晶层与预设混合溶液的反应效果，使非晶层能够彻底被去除。图7是本发明实施例提供的去除非晶层后的压电薄膜的结构示意图，从图7中可以看出，压电薄膜表面的非晶层被彻底去除。

本发明实施例中S2中去除的离子注入损伤层的厚度和S3中去除的非晶层的厚度之和可以为30nm-160nm。

本发明实施例除了可以将非晶层彻底去除之外，还可以改善压电薄膜的表面性能，比如降低压电薄膜的表面粗糙度，提高压电薄膜的厚度均匀性。表1所示为表面处理前后，薄膜表面粗糙度和厚均匀性的对比，从表1中可以看出，与表面处理前相比(即S1中的初始压电薄膜)，薄膜处理后(即S3中的压电薄膜)的表面粗糙度明显降低，且薄膜厚度均匀性明显得到提高。

表1表面处理前后，薄膜表面粗糙度和厚均匀性的对比

	表面粗糙度	薄膜厚度均匀性
			薄膜表面处理前(即初始压电薄膜)	≥10nm	5％≥NU≥3％
薄膜表面处理后(即压电薄膜)	≤1nm	NU≤3％

在一个可行的实施例中，该压电薄膜可以为LiNbO₃薄膜，则该压电薄膜的制备方法可以包括：

1)对LiNbO₃晶圆进行离子注入剥离，得到初始压电薄膜，所述初始压电薄膜的表面具有离子注入损伤层。

2)在预设温度范围内，通过F离子对所述初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层，得到辐照后的压电薄膜；所述辐照后的压电薄膜的表面具有非晶层，所述非晶层为包含初始压电薄膜的元素成分，具体为氟化物非晶层(即非晶层中包含LiF、NbF₅等氟化物)。

3)使用预设混合溶液去除所述辐照后的压电薄膜表面的非晶层，得到LiNbO₃薄膜；该预设混合溶液由NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O按照2:2:(1-2.5)的体积比例进行混合得到。

不同的表面处理条件(不同的离子辐照温度范围以及NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O之间不同的体积比例)，对最终制备LiNbO₃薄膜的性能的影响可以如表2所示。从表2中可以看出，通过本发明实施例中的方法对LiNbO₃薄膜进行表面处理，能够明显降低薄膜的表面粗糙度明显(≤1nm)，并明显提高薄膜厚度均匀性明(NU≤3％)，此外离子注入损伤层和非晶层的去除量较高，能够彻底去除非晶层，去除效果较好。

需要说明的是，对表2中离子辐照温度可以为25℃或150℃而言，虽然进行离子辐照时的温度较低，低于氟化物的汽化温度，但由于离子辐照一般是在真空下进行，并且离子辐照本身会产生大量热量，从而使晶圆表面温度迅速升高，所以即便离子辐照温度只有25℃或150℃，但辐照过程中的环境温度一般会超过氟化物的汽化温度，因此一般情况下，氟化物非晶层中的部分氟化物(即LiF、NbF₅)均会升华。

表2不同的表面处理条件对LiNbO₃薄膜的性能的影响

在另一个可行的实施例中，该压电薄膜为LiTaO₃薄膜，则该压电薄膜的的制备方法可以包括：

1)对LiTaO₃晶圆进行离子注入剥离，得到初始压电薄膜，所述初始压电薄膜的表面具有离子注入损伤层。

2)在预设温度范围内，通过F离子对所述初始压电薄膜进行低能离子辐照去除所述离子注入损伤层，得到辐照后的压电薄膜；所述辐照后的压电薄膜的表面具有非晶层，所述非晶层为氟化物非晶层(即非晶层中包含LiF、TaF₅等氟化物)。

3)使用预设混合溶液去除所述辐照后的压电薄膜表面的非晶层，得到LiTaO₃薄膜；该预设混合溶液由NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O按照2:2:(1-2.5)的体积比例进行混合得到。

不同的表面处理条件(不同的离子辐照温度范围以及NH₃·H₂O、H₂O₂和H₂O之间不同的体积比例)，对最终制备LiTaO₃薄膜的性能的影响可以如表3所示。从表3中可以看出，通过本发明实施例中的方法对LiTaO₃薄膜进行表面处理，能够明显降低薄膜的表面粗糙度(<1nm)，并明显提高薄膜厚度均匀性(NU≤3％)，此外离子注入损伤层和非晶层的去除量较高，能够彻底去除非晶层，去除效果较好能够彻底去除非晶层，去除效果较好。

表3不同的表面处理条件对LiTaO₃薄膜的性能的影响

实施例二

本发明实施例公开了一种压电薄膜，该压电薄膜根据实施例一种的制备方法而制备。该压电薄膜的结构可以如图7所示，从图7中可以看出，该压电薄膜的表面不含有非晶层。且该压电薄膜的质量较高，具体为：表面粗糙度<1nm，薄膜厚度均匀性NU≤3％。

实施例三

本发明实施例公开了一种声表面波滤波器，声表面波滤波器由实施例二中的压电薄膜制备而成。由于实施例二中的压电薄膜的表面粗糙度较低和厚度均匀性较高，且表面不含有非晶层，因此，通过实施例二中的压电薄膜制备得到的声表面波滤波器，具有较高的性能。

本发明实施例提供的压电薄膜的制备方法、压电薄膜及声表面波滤波器，具有如下有益效果：

1、本发明采用氟离子对初始压电薄膜进行低能离子辐照，该类离子在离子辐照过程中可以与初始压电薄膜进行化学反应，使得离子辐照后的压电薄膜的表面具有包含初始压电薄膜的元素成分的非晶层(即氟化物非晶层)，非晶层中所包含的初始压电薄膜的元素成分，可以在离子辐照过程中升华，从而使非晶层内部形成孔洞结构。该孔洞结构可以增加非晶层与预设混合溶液的接触面积，从而提高非晶层与预设混合溶液(由氨水、双氧水和水按照预设体积比例进行混合得到)的反应速度，进而加快非晶层的去除质量和速率。

2、通过本发明实施例提供的制备方法可以降低制备得到的压电薄膜的表面粗糙度(表面粗糙度小于或等于1nm)，提高制备得到的压电薄膜的厚度均匀性(薄膜厚度不均匀性NU小于或等于3％)，且制备得到的压电薄膜的表面不具有非晶层。

3、本发明实施例提供的制备方法制备得到的压电薄膜，可以用于制备声表面波滤波器，由于本发明实施例制备得到的压电薄膜的表面粗糙度较低和厚度均匀性较高，且表面不含有非晶层，因此，可以得到的性能较高的声表面波滤波器，提高声表面波滤波器的使用范围。

需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置和服务器实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。