[0001] 本发明涉及一种复合单晶薄膜。

[0002] 铌酸锂、钽酸锂单晶薄膜具有优良的非线性光学特性、电光特性、声光特性，在光信号处理、信息存储等方面具有广泛的应用。硅材料因其优异的电学特性，成为目前半导体行业应用最多的材料。但是，由于硅材料在光学方面性能的缺失，限制了其在光电领域的应用。

[0024] 现在将参照附图更充分地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将向本领域的普通技术人员充分地传达本发明的实施例的构思。在下面详细的描述中，通过示例的方式阐述了多处具体的细节，以提供对相关教导的充分理解。然而，本领域技术人员应该清楚的是，可以实践本教导而无需这样的细节。在其它情况下，以相对高的层次而没有细节地描述了公知的方法、步骤和组件，以避免使本教导的多个方面不必要地变得模糊。附图中的同样的标号表示同样的元件，因此将不重复对它们的描述。在附图中，为了清晰起见，可能会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

[0025] 现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明。

[0026] 图1是示出了根据本发明的实施例的复合单晶薄膜的结构的示意图。

[0027] 参照图1，根据本发明的实施例的复合单晶薄膜可以包括：衬底110；第一过渡层115，位于衬底110上；第一隔离层120，位于第一过渡层115上；第二过渡层125，位于第一隔离层120上；第一薄膜层130，位于第二过渡层125上；第三过渡层135，位于第一薄膜层130上；以及第二薄膜层140，位于第三过渡层135上。

[0028] 根据本发明的实施例，复合单晶薄膜可以制备为晶圆，其直径可以为2英寸～12英寸。

[0029] 根据本发明的实施例，复合单晶薄膜的衬底110可以主要起到支撑作用。根据本发明的实施例，衬底110可以为硅衬底、铌酸锂衬底或钽酸锂衬底，但是本发明不限于此，而是可以选用其它适合的材料制成。此外，根据本发明的实施例的衬底110的厚度可以为0.1mm～1mm。优选地，衬底110的厚度可以为0.1mm～0.2mm、0.3mm～0.5mm或0.2mm～0.5mm。

[0030] 根据本发明的实施例，复合单晶薄膜的第一隔离层120用于将衬底110与第一薄膜层130分隔开。由于诸如硅的衬底110的折射率大于铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的折射率，且此两种材料的折射率均大于二氧化硅或氮化硅的折射率，因此可以使用二氧化硅或氮化硅制成第一隔离层120，以将铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜与衬底分隔开，从而避免铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜的光场错误地耦合到衬底110中。根据本发明的实施例，第一隔离层120可以由折射率小于衬底110的折射率和第一薄膜层130的折射率的材料(例如，二氧化硅或氮化硅)制成，但是本发明不限于此。根据本发明的实施例，第一隔离层120的厚度可以为0.005μm至4μm，优选地，为100nm至2μm。

[0031] 根据本发明的另一实施例，复合单晶薄膜还可以包括位于第一薄膜层130与第二薄膜层140之间的第二隔离层(未示出)，第二隔离层可以是二氧化硅层或氮化硅层，并且第二隔离层的厚度可以为0.005μm至4μm，优选地，为100nm至2μm，但是本发明不限于此。第二隔离层不仅对第一薄膜层130和第二薄膜层140起到光学隔离的作用，还可以阻止第一薄膜层130的元素与第二薄膜层140的元素的互相扩散，避免第一薄膜层130与第二薄膜层140受到杂质污染，保证第一薄膜层130与第二薄膜层140的质量，从而确保第一薄膜层130与第二薄膜层140的特性不受影响。

[0032] 根据本发明的实施例，第一隔离层120和第二隔离层可以通过诸如沉积和氧化等的方法分别形成在衬底110和第一薄膜层130或第二薄膜层140上，但是本发明不限于此。

[0033] 根据本发明的实施例，复合单晶薄膜包括具有不同材料的第一薄膜层130和第二薄膜层140，第一薄膜层130可以为具有优异的光学性质的铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜，第二薄膜层140可以为具有优异的电学性质的硅单晶薄膜。第一薄膜层130和第二薄膜层140可以均具有纳米级厚度，其厚度为10nm～2000nm。优选地，第一薄膜层130和第二薄膜层140的厚度可以为10～200nm、300nm～900nm或1000nm～1500nm。另外，第二薄膜层140的上表面可以为抛光面或具有微米或亚微米级粗糙度的粗糙表面。

[0034] 根据本发明的实施例，第一隔离层120和第一薄膜层130以及第一薄膜层130和第二薄膜层140可以通过等离子体键合方法键合在一起，但是本发明不限于此。

[0035] 根据本发明的实施例，复合单晶薄膜可以包括三个过渡层，并且每个过渡层都具有其自身的特性。

[0036] 根据本发明的实施例，如图1中所示，第一过渡层115可以位于衬底110与第一隔离层120之间，其厚度可以为0.5nm～15nm。

[0037] 根据本发明的实施例，第一过渡层115可以包含衬底110和第一隔离层120中的固有元素。在第一过渡层115中，衬底110的元素的浓度可以从衬底110朝向第一隔离层120逐渐降低，第一隔离层120的元素的浓度可以从第一隔离层120朝向衬底110逐渐降低。

[0038] 根据本发明的实施例，第二过渡层125可以位于第一隔离层120与第一薄膜层130之间，其厚度可以为0.5nm～10nm。

[0039] 根据本发明的实施例，第二过渡层125可以包含第一隔离层120和第一薄膜层130中的固有元素。在第二过渡层125中，第一隔离层120的元素的浓度可以从第一隔离层120朝向第一薄膜层130逐渐降低，第一薄膜层130的元素的浓度可以从第一薄膜层130朝向第一隔离层120逐渐降低。

[0040] 根据本发明的实施例，第三过渡层135可以位于第一薄膜层130与第二薄膜层140之间，其厚度可以为0.5nm～15nm。

[0041] 另外，根据本发明的实施例，第三过渡层135可以包括与第一薄膜层130相邻的第一子过渡层135a和与第二薄膜层140相邻的第二子过渡层135b。第一子过渡层135a的厚度可以为0～5nm，第二子过渡层135b的厚度可以为0～10nm，但是本发明的实施例不限于此。例如，第一子过渡层135a和第二子过渡层135b的厚度可以随着后续工艺温度(例如，退火温度)的变化而发生改变。

[0042] 根据本发明的实施例，第一子过渡层135a主要包含第一薄膜层130中固有的元素，在第一子过渡层135a中，第一薄膜层130的元素的浓度可以从第一薄膜层130朝向第二薄膜层140逐渐降低。第二子过渡层135b主要包括第二薄膜层140中的固有元素，在第二子过渡层135b中，第二薄膜层140的元素的浓度可以从第二薄膜层140朝向第一薄膜层130逐渐降低。

[0043] 另外，根据本发明的实施例，当第一薄膜层130为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜，并且第二薄膜层140为硅单晶薄膜时，第三过渡层135可以包括Si元素以及Ta元素或Nb元素。在此情况下，Si元素遍布整个第三过渡层135，即，Si元素可以遍布整个第一子过渡层135a和第二子过渡层135b，并且Si元素的浓度可以从第二薄膜层140朝向第一薄膜层130逐渐降低。Ta元素或Nb元素可以不遍布整个第三过渡层135，例如，Ta元素或Nb元素仅存在于与第一薄膜层130相邻的子过渡层(第一子过渡层135a)中，或者少量Ta元素或Nb元素存在于与第二薄膜层140相邻的子过渡层(第二子过渡层135b)的靠近第一薄膜层130的部分厚度中，并且Ta元素或Nb元素的浓度从第一薄膜层130朝向第二薄膜层140逐渐降低。然而，本发明的实施例不限于此。

[0044] 根据本发明的实施例，第一过渡层115、第二过渡层125和第三过渡层135还包括H元素和Ar元素。第二过渡层125和第三过渡层135中的Ar元素来源于对第一隔离层120与第一薄膜层130或者第一薄膜层130与第二薄膜层140进行等离子体键合时所使用的等离子体，第一过渡层115中的Ar元素来源于第二过渡层125和第三过渡层135中的Ar元素的扩散。第二过渡层125和第三过渡层135具有较高浓度的H元素的原因是：采用等离子体对第一隔离层120、第一薄膜层130或第二薄膜层140的表面进行处理时，等离子体对其表面的轰击会改变其表面情况，使表面形成大量的活性基团，从而使表面具有较高的活性。因此当等离子体处理之后暴露在空气中时，会吸附大量的空气中的水分子，因此第一隔离层120与第一薄膜层130或者第一薄膜层130与第二薄膜层140键合之后，在它们的键合界面具有较高浓度的H元素。此外，第一过渡层115中的H元素来源于第二过渡层125和第三过渡层135中的H元素的扩散。在此情况下，第二过渡层125和第三过渡层135中的较高浓度的H元素可以形成氢键，从而促进键合，以增强第一隔离层120与第一薄膜层130之间的键合界面或者第一薄膜层130与第二薄膜层140之间的键合界面的键合力。

[0045] 根据本发明的实施例，在第一过渡层115中，Ar元素和H元素的浓度从其最大浓度处分别沿朝向衬底110和第一隔离层120的方向逐渐降低，这是因为：材料表面的晶格常数一般稍微大于材料内部的晶格常数，也就是说材料表面的密度小于材料内部的密度，在具有不同材料的衬底110与第一隔离层120之间的界面(即，第一过渡层115)处，密度比衬底110和第一隔离层120内部小，即，在第一过渡层115处，具有更多的空隙去容纳杂质原子，因此过渡层内H、Ar的元素浓度会高于衬底110和第一隔离层120内部。在第二过渡层125中，Ar元素和H元素的浓度从其最大浓度处分别沿朝向第一隔离层120和第一薄膜层130的方向逐渐降低，在第三过渡层135中，Ar元素和H元素的浓度从其最大浓度处分别沿朝向第一薄膜层130和第二薄膜层140的方向逐渐降低。在第一过渡层115、第二过渡层125和第三过渡层
135中，H元素的浓度可以为1×1019原子/cc至1×1022原子/cc，Ar元素的浓度为1×1020原子/cc至1×1023原子/cc，优选地，Ar元素的浓度为1×1020原子/cc至1×1022原子/cc、1×
21 22 22 23
10 原子/cc至1×10 原子/cc和1×10 原子/cc至1×10 原子/cc。

[0046] 根据本发明的实施例的复合单晶薄膜具有第一过渡层115、第二过渡层125和第三过渡层135，可分散单晶薄膜之间的应力，应力的分散可减少单晶薄膜的缺陷，提高单晶薄膜的质量，从而起到减少传输损耗的作用。此外，第一过渡层115、第二过渡层125和第三过渡层135的表面较为平整，平整的表面可减少信号在传播过程中的散射，减少传输损耗。

[0047] 下面的示例更详细地示出了本发明。然而，这些示例不应在任何意义上被解释为限制本发明的范围。

[0048] 复合单晶薄膜的制造

[0049] 实施例1：硅衬底/SiO2层/铌酸锂单晶薄膜/硅单晶薄膜复合单晶薄膜[0050] 准备尺寸为3英寸，厚度为0.4mm并且具有光滑面的单晶硅衬底晶圆，将硅衬底清洗后，采用热氧化法在单晶硅衬底晶圆的光滑面上形成一层厚度为2μm的二氧化硅层。

[0051] 准备尺寸为3英寸的铌酸锂晶圆，采用离子注入的方法，将氦离子(He+)注入铌酸锂晶片中，氦离子的注入能量为200KeV，剂量为4×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的铌酸锂晶圆。

[0052] 采用等离子体键合的方法将离子注入后的铌酸锂晶圆的薄膜层与硅衬底的二氧化硅层进行键合，形成键合体；然后将键合体放入加热设备内在350℃下进行保温，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂单晶薄膜。之后对铌酸锂单晶薄膜进行抛光减薄至400nm，得到具有纳米级厚度的铌酸锂单晶薄膜。

[0053] 准备尺寸为3英寸的单晶硅晶圆，采用离子注入的方法将氢离子(H+)注入硅片中，氢离子的注入能量为40KeV，剂量为6×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的硅晶圆。

[0054] 采用等离子体键合的方法，将离子注入的硅晶圆的薄膜层与上述所得铌酸锂单晶薄膜晶圆进行键合，得到另一键合体。然后将该键合体放入加热设备内在400℃下进行保温，直至硅单晶薄膜晶圆的薄膜层从键合体上分离下来形成顶层为硅单晶薄膜的复合结构，然后将所得复合结构放入烘箱内在500℃下进行保温，以消除注入损伤；最后对硅单晶薄膜进行抛光，减薄至220nm，得到具有双层纳米级厚度薄膜的复合单晶薄膜产品。

[0055] 实施例2：硅衬底/SiO2层/铌酸锂单晶薄膜/SiO2层/硅单晶薄膜复合单晶薄膜[0056] 准备尺寸为3英寸，厚度为0.4mm并且具有光滑面的单晶硅晶圆作为衬底，将衬底晶圆清洗后，采用热氧化法在衬底晶圆的光滑面上形成一层厚度为2.5μm厚的二氧化硅层。

[0057] 准备尺寸为3英寸的铌酸锂晶片，采用离子注入的方法，将氦离子(He2+)注入铌酸锂晶片中，氦离子的注入能量为200KeV，剂量为4×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的铌酸锂晶圆。

[0058] 采用等离子体键合的方法将离子注入后的铌酸锂晶圆的薄膜层与硅衬底的二氧化硅层进行键合，形成键合体。然后将键合体放入加热设备内在350℃下进行保温加热，直至余料层从键合体上分离下来形成铌酸锂单晶薄膜。之后对铌酸锂单晶薄膜进行抛光，减薄至300nm，得到具有纳米级厚度的铌酸锂单晶薄膜的键合体。

[0059] 准备尺寸为3英寸的单晶硅晶圆，其表面覆盖一层厚度为50nm的SiO2，采用离子注入的方法，将氢离子(H+)注入到覆盖着SiO2的硅晶圆中，氢离子的注入能量为40KeV，剂量为6×1016ions/cm2，形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的硅晶圆。

[0060] 采用等离子体键合的方法，将离子注入后的硅晶圆的薄膜层与上述所得铌酸锂单晶薄膜进行键合，得到另一键合体；然后将该键合体放入加热设备内在400℃下进行保温加热，直至硅片的余料层从键合体上分离下来形成顶层为硅单晶薄膜的复合结构，然后将所得复合结构放入烘箱内在600℃下进行保温，以消除注入损伤。最后对硅单晶薄膜进行抛光，减薄至220nm，得到具有双层纳米级厚度薄膜的复合单晶薄膜产品。

[0061] 实施例3：硅衬底/SiO2层/钽酸锂单晶薄膜/硅单晶薄膜复合单晶薄膜[0062] 准备尺寸为3英寸，厚度为0.4mm并且具有光滑面的单晶硅衬底晶圆，将衬底晶圆清洗后，采用热氧化的方法在衬底晶圆的光滑面上氧化形成一层厚度为600nm的二氧化硅层。

[0063] 准备尺寸为3英寸的钽酸锂单晶薄膜晶圆，采用离子注入的方法，将氦离子(He+)注入钽酸锂晶片中，氦离子的注入能量为200KeV，剂量为4×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的钽酸锂晶圆。

[0064] 采用等离子体键合的方法将离子注入后的钽酸锂晶圆的薄膜层与硅衬底晶圆的二氧化硅层进行键合，形成键合体；然后将键合体放入加热设备内在350℃下进行保温，直至余料层从键合体上分离下来形成钽酸锂单晶薄膜。之后对钽酸锂单晶薄膜进行抛光减薄至400nm，得到具有纳米级厚度的钽酸锂单晶薄膜的键合体。

[0065] 准备尺寸为3英寸的单晶硅晶圆，采用离子注入的方法将氢离子(H+)注入硅片中，氢离子的注入能量为80KeV，剂量为6×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的硅晶圆。

[0066] 采用等离子体键合的方法，将硅晶圆的薄膜层和上述所得钽酸锂单晶薄膜进行键合，得到另一键合体；然后将该键合体放入加热设备内在400℃下进行保温，直至硅晶圆的余料层从键合体上分离下来形成顶层为硅单晶薄膜的复合结构，然后将所得复合结构放入烘箱内在500℃下进行保温，以消除注入损伤；最后对硅单晶薄膜进行抛光，减薄至500nm，得到具有双层纳米级厚度薄膜的复合单晶薄膜产品。

[0067] 实施例4：钽酸锂衬底/SiO2层/钽酸锂单晶薄膜/硅单晶薄膜复合单晶薄膜[0068] 准备尺寸为3英寸，厚度为0.4mm并且具有光滑面的钽酸锂衬底晶圆，将衬底晶圆清洗后，采用沉积法在衬底晶圆的光滑面上沉积一层厚度为1.0μm的二氧化硅层，之后对沉积有二氧化硅层的衬底晶圆进行退火处理；然后将二氧化硅层抛光至目标厚度600nm。

[0069] 准备尺寸为3英寸的钽酸锂晶片，采用离子注入的方法，将氦离子(He2+)注入钽酸锂晶圆中，氦离子的注入能量为400KeV，剂量为4×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的钽酸锂晶圆。

[0070] 采用等离子体键合的方法将离子注入后的钽酸锂晶圆的薄膜层与沉积有二氧化硅层的硅衬底晶圆的二氧化硅层进行键合，形成键合体；然后将键合体放入加热设备内在350℃下进行保温，直至余料层从键合体上分离下来形成钽酸锂单晶薄膜。之后对钽酸锂单晶薄膜进行抛光减薄至800nm，得到具有纳米级厚度的钽酸锂单晶薄膜。

[0071] 准备尺寸为3英寸的单晶硅晶圆，采用离子注入的方法将氢离子(H+)注入硅片中，氢离子的注入能量为80KeV，剂量为6×1016ions/cm2。形成具有薄膜层、分离层和余料层三层结构的硅晶圆。

[0072] 采用等离子体键合的方法，将离子注入后的硅晶圆的薄膜层与上述所得钽酸锂单晶薄膜进行键合，得到另一键合体；然后将该键合体放入加热设备内在400℃下进行保温，直至硅片的余料层从键合体上分离下来形成顶层为硅单晶薄膜的复合结构，最后对硅单晶薄膜进行抛光减薄至500nm，得到具有双层纳米级厚度薄膜的复合单晶薄膜产品；最后将该复合单晶薄膜产品放入烘箱内在500℃下进行保温，以消除注入损伤。

[0073] 图2是示出了根据本发明的实施例1的复合单晶薄膜的透射电子显微镜(TEM)图。

[0074] 参照图2，根据本发明的实施例的复合单晶薄膜的衬底110为硅衬底，第一隔离层120为二氧化硅层，第一薄膜层130为铌酸锂单晶薄膜，第二薄膜层140为硅单晶薄膜。从图2中可以看出，根据本发明的实施例的复合单晶薄膜包括位于衬底110与第一隔离层120之间的第一过渡层115、位于第一隔离层120与第一薄膜层130之间的第二过渡层125以及位于第一薄膜层130与第二薄膜层140之间的第三过渡层135。根据本发明的实施例的复合单晶薄膜中的键合界面清晰且分界线较为平整，所以对声波和光波的界面损耗会大大降低，从而提高器件的性能。

[0075] 图3是图2中示出的区域A的放大图，图4是图2中示出的区域A的元素分布图。

[0076] 参照图3，位于复合单晶薄膜的第一薄膜层130与第二薄膜层140之间的区域A包括界面清晰的四层，即，第一薄膜层130、包括第一子过渡层135a和第二子过渡层135b的第三过渡层135以及第二薄膜层140。第一子过渡层135a与第一薄膜层130相邻，第二子过渡层135b与第二薄膜层140相邻，并位于第一子过渡层135a上。第一子过渡层135a和第二子过渡层135b的厚度与复合单晶薄膜的退火温度有关。

[0077] 参照图4，在复合单晶薄膜的第一薄膜层130与第二薄膜层140之间的界面区域A中，在第一薄膜层130为铌酸锂单晶薄膜并且第二薄膜层140为硅单晶薄膜的情况下，Si元素在第二薄膜层140中具有浓度最高值，并且Si元素的浓度从第一薄膜层130朝向第二薄膜层140逐渐升高，并且Si元素遍布整个第三过渡层135。Nb元素和O元素在第一薄膜层130中具有浓度最高值，Nb元素和O元素的浓度从第二薄膜层140朝向第一薄膜层130逐渐升高，并且Nb元素没有遍布整个第三过渡层135。另外，第三过渡层135中存在少量的Ar元素。

[0078] 图5和图7分别是图2中示出的区域B和区域C的放大图，图6和图8分别是图2中示出的区域B和区域C的元素分布图。

[0079] 参照图5和图7，在第一隔离层120与第一薄膜层130之间以及在衬底110与第一隔离层120之间均具有厚度很薄、界面清晰平整的过渡层，即第一隔离层120与第一薄膜层130之间的第二过渡层125和衬底110与第一隔离层120之间的第一过渡层115。

[0080] 参照图6，在第一薄膜层130为铌酸锂单晶薄膜并且第一隔离层120为二氧化硅层的情况下，在第一隔离层120与第一薄膜层130之间的第二过渡层125中，Si元素在第一隔离层120中具有浓度最大值，并且Si元素的浓度从第一隔离层120朝向第一薄膜层130逐渐降低。Nb元素在第一薄膜层130中具有浓度最大值，并且Nb元素的浓度从第一薄膜层130朝向第一隔离层120逐渐降低。此外，第二过渡层125中还存在较高浓度的O元素和少量的Ar元素。

[0081] 参照图8，在第一隔离层120为二氧化硅层并且衬底110为硅衬底的情况下，在第一隔离层120与衬底110之间的第一过渡层115中，O元素在第一隔离层120中具有浓度最大值，并且O元素的浓度从第一隔离层120朝向衬底110逐渐降低。Si元素在衬底110中具有浓度最大值，并且Si元素的浓度从衬底110朝向第一隔离层120逐渐降低。此外，第一过渡层115中还存在少量的Ar元素。

[0082] 图9是示出了图2中示出的区域A和区域B的二次离子质谱图(SIMS)图。

[0083] 参照图9，第二过渡层125和第三过渡层135中含有高浓度的H元素，H元素的浓度为1×1020原子/cc至1×1021原子/cc，第二过渡层125中的H的浓度可以分别高于第一隔离层
120和第一薄膜层130中的H的浓度，第三过渡层135中的H的浓度可以分别高于第一薄膜层
130和第二薄膜层140中的H的浓度。高浓度的H元素使得键合界面的键合力提高。

[0084] 本发明提供了一种复合单晶薄膜，所述复合单晶薄膜将铌酸锂或钽酸锂单晶薄膜的优异的光学性能与硅材料的优异的电学性能结合在一起，从而提高了复合单晶薄膜的性能。此外，所述复合单晶薄膜具有表面较为平整的过渡层可分散单晶薄膜之间的应力和减少信号在传播过程中的散射，以减少单晶薄膜的缺陷和提高单晶薄膜的质量，从而起到减少传输损耗的作用。

[0085] 虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。