一种复合薄膜结构及其制备方法，及电子元器件与流程

1.本技术属于半导体元件制备领域，特别涉及一种复合薄膜结构及其制备方法，及电子元器件。


背景技术：

2.铌酸锂晶体是集成光学应用最多的一种晶体材料，因为其自身具有多种优良的光学性能，如压电、铁电、光电、光弹、热释电、光折变和非线性等光学性质，已被广泛应用于声表面波器件、薄膜体声波谐振器、光电传感器等各种核心电子元器件。
3.目前，应用在各种电子元器件中的铌酸锂材料均为单层铌酸锂薄膜材料，单层铌酸锂薄膜结构能提供一条信号传输通道，如果同一个电子元器件中要实现同时传输多条信号，例如，同一个电子元器件中要同时传输多种波长的光信号，则需要对应多种波长需求，分别单独制备带有单层铌酸锂薄膜的结构，然后同时将这些单独带有单层铌酸锂薄膜的结构安装在对应的电子元器件中。而多个单独带有单层铌酸锂薄膜的结构，会占用器件较大的空间，从而不能满足电子元器件日益微型化的发展趋势。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中，如果同一个电子元器件中要实现同时传输多条信号，单层薄膜结构无法满足电子元器件日益微型化的发展趋势的问题。
5.本技术的目的在于提供以下几个方面：
6.第一方面，本技术提供一种复合薄膜结构，包括衬底层，在所衬底层的顶表面上层叠有至少两个功能层，每个所述功能层包括用于传输信号的薄膜层和用于防止信号泄露的隔离层，每个所述功能层中的隔离层位于靠近所述衬底层一侧。
7.优选的，每个所述薄膜层的材料均相同；或者，至少两个所述薄膜层的切向不同；或者，至少两个所述薄膜层的材料不同。
8.优选的，所述功能层中薄膜层用于传输光信号、声波信号或信息存储。
9.优选的，如果所述功能层中薄膜层用于传输光信号，则所述功能层中隔离层的折射率小于所述功能层中薄膜层的折射率。
10.优选的，如果所述功能层中薄膜层用于传输声波信号，则所述功能层中隔离层的声阻抗大于所述功能层中薄膜层的声阻抗。
11.优选的，每个所述薄膜层的厚度为10nm～1μm。
12.优选的，所述薄膜层为铌酸锂、钽酸锂、石英或氮化硅材料。
13.优选的，所述隔离层的厚度大于100nm。
14.优选的，所述隔离层为二氧化硅、氮化硅、非晶硅或多晶硅材料。
15.优选的，还包括设置在所述衬底层的底表面上的补偿层，所述补偿层具有与所述隔离层相同结构，其中，所述衬底层的底表面是指与所述衬底层的顶表面背对的一面。
16.第二方面，本技术提供一种电子元器件，包括第一方面中任一所述的复合薄膜结
构。
17.第三方面，本技术还提供一种复合薄膜结构的制备方法，包括以下步骤：
18.在衬底层的顶表面上交替制备至少两组隔离层和薄膜层；
19.其中，制备薄膜层的方法包括：采用离子注入法和键合法，在所述隔离层上制备薄膜层；
20.所述薄膜层用于传输信号，所述隔离层用于防止信号泄露。
21.优选的，所述方法还包括：
22.在所述衬底层的底表面上制备补偿层，所述补偿层具有与所述隔离层相同结构，其中，所述衬底层的底表面是指与所述衬底层的顶表面背对的一面。
23.优选的，在所述衬底层上制备隔离层的方法包括：沉积法、热氧化法、磁控溅射或外延生长法；在所述薄膜层上制备隔离层的方法包括沉积法或磁控溅射。
24.与传统方案相比，本技术实施例提供的方案，通过将多层薄膜材料集成在同一个结构中，可以同时在不同薄膜层传输相同波长或不同波长光信号，极大的缩小了将复合薄膜结构应用在电子元器件中的体积，能够满足电子元器件日益微型化的发展趋势。
附图说明
25.图1为本技术实施例提供的一种复合薄膜的结构示意图；
26.图2为本技术实施例提供的又一种复合薄膜的结构示意图；
27.图3为本技术实施例提供的一种复合薄膜的制备方法的流程示意图；
28.图4为本技术实施例提供的又一种复合薄膜的结构示意图。
29.附图标记说明
30.1-衬底层，2-隔离层，21-第一隔离层，22-第二隔离层，23-第三隔离层，3-薄膜层，31-第一薄膜层，32-第二薄膜层，33-第三薄膜层，4-补偿层。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
32.以下详述本发明。
33.图1示出本技术实施例提供的一种复合薄膜的结构示意图，如图1所示，复合薄膜结构包括衬底层1，在所述衬底层1的顶表面上层叠有至少两个功能层，每个所述功能层包括用于传输信号的薄膜层3和用于防止信号泄露的隔离层2，每个所述功能层中的隔离层2位于靠近所述衬底层1一侧。
34.薄膜层3可以用于传输光信号、传输声波信号，或者用于信息存储。
35.在一具体实施例中，功能层中薄膜层用于传输光信号，则所述功能层中隔离层的折射率小于所述功能层中薄膜层的折射率。
36.薄膜层与隔离层之间存在的折射率差，可以更好地减小光信号的损耗。隔离层可以选用折射率较低的材料，例如二氧化硅、氮化硅、非晶硅或多晶硅材料。
37.在另一具体实施例中，所述功能层中薄膜层用于传输声波信号，则所述功能层中隔离层的声阻抗大于所述功能层中薄膜层的声阻抗。
38.声波在不同的介质中的声阻抗是不同的，为了减少声波信号在薄膜层中的泄漏，可以采用声阻抗较大的隔离层，例如二氧化硅、氮化硅、非晶硅或多晶硅材料。
39.其中，隔离层的厚度大于100nm。如果隔离层的厚度小于100nm，一方面工艺上不易制备，另一方面，厚度太小，无法有效地阻止信号的泄漏。因此，隔离层的厚度大于100nm，既能满足工艺要求，又能有效地阻止信号的泄漏。
40.不同薄膜层可以实现相同波长或不同波长光信号的单模传输，也可以实现相同频率或不同频率声波信号的单模传输。在多个薄膜层中分别传输相同波长的光信号或传输相同频率的声波信号，相当于传输容量增倍；在多个薄膜层中分别传输不同波长的光信号或传输不同频率的声波信号，相当于可以进行多个不同信号的单模传输。其中，衬底层和薄膜层之间的隔离层可以防止光信号或声波信号泄漏，从而减少信号的衰减；薄膜层与薄膜层之间的隔离层，可以防止不同薄膜层之间的信号干扰，从而保证不同薄膜层上传输信号的质量。
41.在一个例子中，复合薄膜结构包括三个薄膜层，所述三个薄膜层均用于实现电光调制器功能，如果电光调制器需要传输波长分别为λ1、λ2、λ3的三种不同波长的光信号，则对应的，三个薄膜层可以分别用于传输波长为λ1的光信号、波长为λ2的光信号和波长为λ3的光信号，以实现同时进行多个不同波长信号的单模传输。
42.在另一个例子中，复合薄膜结构包括三个薄膜层，所述三个薄膜层均用于实现电光调制器功能，如果电光调制器只需要传输波长为λ1的光信号，则对应的，三个薄膜层均用于传输波长为λ1的光信号，因此，相对于现有技术中，只采用一层薄膜层传输信号，本技术实施例的复合薄膜结构传输容量倍增。
43.薄膜层还可以用于实现信息存储，例如，薄膜层为铌酸锂薄膜材料，则可以利用铌酸锂薄膜的铁电性存储信息。其中，利用铌酸锂薄膜实现信息存储的原理为：在铌酸锂薄膜两侧施加电压，使铌酸锂发生极化反转，形成导通的电畴壁，从而使两侧的电压导通有电流通过，此时相当于写入信号1，通入相反的电压后，可以使极化反转恢复，信号变为0。
44.在一具体实施例中，利用本技术实施例的复合薄膜结构做铁电存储器件时，可以将多个用于信息存储的薄膜层排列，通过算法控制不同薄膜层的通电、断电，从而实现信息的存储。相比于现有技术中使用单层薄膜层制作存储器，本技术利用多层薄膜制作的铁电存储器，可大大减小存储器的体积。现有技术中，采用多个复合薄膜结构叠加在一起，而每个复合薄膜结构都包括衬底层、隔离层和单层薄膜层；很显然，本技术中采用具有多层薄膜层的复合薄膜结构，与现有技术相比，少了多余的衬底，并且依然可以实现存储的功能，所以，利用本技术实施例的复合薄膜结构做铁电存储器件，体积可以减小。另外，同样体积的存储器空间，存储的信息量也可以增大。
45.本技术实施中，各个薄膜层的材料可以相同，也可以不同。具体的，可以根据实际想要实现的功能，对应选用各薄膜层的材料，薄膜层可以为铌酸锂、钽酸锂、石英或氮化硅等材料，本技术对此不进行限定。
46.本技术实施例中，衬底层1主要起到支撑的作用，可以根据实际应用场景选择合适的衬底层1的材料，例如：可以为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、砷化镓或磷化铟等，本技术对此不进行限定。
47.本技术实施例提供的复合薄膜结构，通过将多层薄膜材料集成在同一个结构中，
可以同时在不同薄膜层传输相同波长或不同波长光信号，极大的缩小了将复合薄膜结构应用在电子元器件中的体积，能够满足电子元器件日益微型化的发展趋势。
48.在一具体实施例中，复合薄膜结构包括衬底层1，衬底层1上的每个功能层中薄膜层3的材料均相同。
49.在该实施例中，不同薄膜层都可以用于实现相同的功能，也可以用于实现至少两种功能。例如，薄膜层均采用铌酸锂薄膜材料，铌酸锂材料料自身具有多种优良的特性，可以用来实现滤波器、电光调制器、谐振器、铁电存储、激光发射器、传感器等功能，因此，在一种可实现方式中，复合薄膜结构中的不同的铌酸锂薄膜层可以都用来实现上述多种功能之一，例如，每个铌酸锂薄膜层都用于实现滤波器功能。在另一种可实现方式中，复合薄膜结构中的不同的铌酸锂薄膜层还可以用来实现至少两种上述功能，例如，复合薄膜结构包括四个铌酸锂薄膜层，其中两个铌酸锂薄膜层用于实现滤波器功能，另外两个铌酸锂薄膜层用于实现电光调制器功能。
50.在另一具体实施例中，复合薄膜结构包括衬底层1，衬底层1上的每个功能层中薄膜层3的材料均相同，至少两个所述薄膜层的切向不同。
51.对于同一种薄膜材料，为了实现不同的功能，在一种可实现的方式中，可以改变该薄膜材料的切向。例如，铌酸锂薄膜层可以为x切向、z切向、128y切向等，钽酸锂薄膜层可以为42y切向和46.3y切向等。
52.铌酸锂薄膜层的不同切向可以实现相同或不同的功能，例如x切向铌酸锂薄膜层可以实现电光调制器和铁电存储功能，z切向铌酸锂薄膜层可以实现滤波器和铁电存储功能，42y切向和46.3y切向钽酸锂薄膜层可以实现滤波器功能等。其中，x切向是指垂直于晶体x轴切下的薄膜层，z切向是指垂直晶体z轴切下的薄膜层，42y切向是指y轴向z轴旋转42
°
后，垂直于旋转后y轴切下的薄膜层，46.3y切向是指y轴向z轴旋转46.3
°
后，垂直于旋转后y轴切下的薄膜层，128y切向是指y轴向z轴旋转128
°
后，垂直于旋转后y轴切下的薄膜层。
53.在一个例子中，复合薄膜结构包括四个薄膜层，分别为第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层和第四薄膜层，每个薄膜层的材料均为铌酸锂，其中，第一薄膜层为x切向铌酸锂薄膜，第二薄膜层为128y切向铌酸锂薄膜，第三薄膜层和第四薄膜层均为z切向铌酸锂薄膜，则对应的，第一薄膜层可以用来实现电光调制器，第二薄膜层可以用来实现滤波器功能，第三薄膜层和第四薄膜层都可以用来实现铁电存储功能，相当于可以实现双层铁电存储功能。
54.需要说明的是，本技术对各个薄膜层在复合薄膜结构中的层叠顺序不进行限定，可以根据实际应用场景需求，调整对应薄膜层在复合薄膜结构中的层叠顺序。
55.在另一具体实施例中，复合薄膜结构包括衬底层1，衬底层1上的多个薄膜层3中至少两个所述薄膜层的材料不同。也就是说，本技术实施例对各个薄膜层所选用的材料不进行限定，生产商可以综合考虑各种因素，选用适当的薄膜材料，薄膜层可以选用但不限于铌酸锂、钽酸锂、石英或氮化硅等材料。
56.需要说明的是，不同的薄膜材料可以实现相同的功能，也可能实现不同的功能。
57.在一个例子中，复合薄膜结构包括四个薄膜层，分别为第一薄膜层、第二薄膜层、第三薄膜层和第四薄膜层，其中，第一薄膜层和第二薄膜层均为钽酸锂薄膜材料，第三薄膜层和第四薄膜层均为铌酸锂薄膜材料，则对应的，钽酸锂薄膜材料和铌酸锂薄膜材料可以
用来实现相同的功能，例如第一薄膜层和第三薄膜层均用来实现滤波器功能；钽酸锂薄膜材料和铌酸锂薄膜材料也可以用来实现不同的功能，例如第二薄膜层用于实现滤波器功能，第四薄膜层用于实现电光调制器功能。
58.为了满足制备工艺的要求，本技术实施例中每个薄膜层的厚度为10nm～1μm。
59.在一具体实施例中，如图2所示，还包括设置在所述衬底层1的底表面上的补偿层4，所述补偿层4具有与所述隔离层2相同结构，其中，所述衬底层1的底表面是指与所述衬底层1的顶表面背对的一面。
60.在衬底层1的两面分别层叠有一层隔离层2和一层补偿层4，相当于在衬底层的两面施加相同应力，从而可以避免衬底层1翘曲的问题。
61.本技术实施例，还提供一种电子元器件，所述电子元器件中包括上述实施例中任一所述的复合薄膜结构。
62.将本技术实施例提供的复合薄膜结构应用于电子元器件中，不同薄膜层可以用于实现相同的功能或者不同的功能，例如，复合薄膜结构包括四个薄膜层，四个薄膜层可以都用来实现同一种功能，如滤波器、电光调制器、谐振器、铁电存储、激光发射器或传感器等功能，或者，四个薄膜层可以用来实现至少两种功能，例如，四个薄膜层可以分别用来实现滤波器、调制器、谐振器、铁电存储功能，又例如，四个薄膜层中的一个用来实现滤波器功能，四个薄膜层中的另外三个用来实现调制器功能。应理解，本技术实施例中不同薄膜层不限于实现上述所列举的功能。
63.本技术实施例，还提供一种制备复合薄膜结构的方法，包括以下步骤：在衬底层的顶表面上交替制备至少两组隔离层和薄膜层；其中，制备薄膜层的方法包括：采用离子注入法和键合法，在所述隔离层上制备薄膜层；所述薄膜层用于传输信号，所述隔离层用于防止信号泄露。
64.具体的，如图3所示，所述方法包括以下步骤：
65.步骤1、在衬底层1的顶表面上制备第一隔离层。
66.在衬底层1上制备第一隔离层的方法可以采用但不限于沉积法、热氧化法、磁控溅射或外延生长法。
67.在一具体实施例中，准备尺寸为4英寸且厚度为0.5mm的衬底层，并且衬底层具有光滑的表面。将所述衬底层彻底清洗后，采用沉积法在衬底层1的其中一面上沉积预设厚度的第一隔离层2。
68.其中，衬底层1的材料可以为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、砷化镓或磷化铟等，本技术对此不进行限定。
69.第一隔离层的材料可以为二氧化硅、氮化硅、非晶硅或多晶硅等，本技术对此不进行限定。
70.优选的，第一隔离层的厚度大于100nm。
71.步骤2、采用离子注入法和键合法，在所述第一隔离层上制备第一薄膜层。
72.首先，在准备好的薄膜基体的键合面注入离子，将所述薄膜基板依次分为薄膜层、分离层和余质层。
73.本技术实施例对所述离子注入的方式不做特别限定，可以使用现有技术中任意一种离子注入的方式，所注入的离子可以为通过热处理能够生成气体的离子，例如：氢离子或
者氦离子。注入氢离子时，注入计量可以为3
×
10
16
ions/cm2～8
×
10
16
ions/cm2，注入能量可以为120kev～400kev；注入氦离子时，注入计量可以为1
×
10
16
ions/cm2～1
×
10
17
ions/cm2，注入能量可以为50kev～1000kev。
74.可以通过调整离子注入深度来调整薄膜层的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的薄膜层的厚度越大；相反，离子注入的深度越小，所制备的薄膜层的厚度越小。
75.然后，将薄膜基板的键合面与第一隔离层键合，得到键合体。
76.本技术对薄膜基板与第一隔离层键合的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种薄膜基板与第一隔离层键合的方式，例如，将薄膜基板的键合面进行表面活化，将第一隔离层的键合面也进行表面活化，再将两个活化后的表面进行键合。
77.本技术对薄膜基板的键合面进行表面活化的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种对薄膜基板进行表面活化的方式，例如，等离子体活化以及化学溶液活化等；同样地，本技术对第一隔离层的键合面表面活化的方式也不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种可用于第一隔离层的键合面进行表面活化的方式，例如，等离子体活化。
78.最后，对得到的键合体进行热处理，直至将所述余质层从键合体分离下来。
79.在一种可实现的方式中，对键合体进行热处理，可以在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行热处理，所述热处理的温度为100℃～600℃，热处理时间为1分钟～48小时，在热处理过程中，所述分离层内形成气泡，随着热处理进展，分离层内的气泡连成一片，最后分离层裂开，将余质层与所述薄膜层分离，从而使余质层由键合体上剥离下来，在第一隔离层上形成第一薄膜层。
80.在另一种可实现方式中，向热处理中/后的键合体施加机械力，使余质层从键合体上剥离。
81.在本技术实施例中，所述机械力为垂直于键合面的拉力，并且，所述机械力的作用方向为垂直向外，其中，所述“向外”是指由键合面向非键合面。
82.在剥离过程中，向薄膜基板以及衬底层同时施加拉伸力进行拉伸，此时分离层中各分子之间的结合力相比热处理之前减小，因此，通过外力拉伸很容易将薄膜基板沿分离层分开，薄膜基板在沿分离层分开之后，第一薄膜层便停留在第一隔离层上。
83.之后可以对第一薄膜层进行抛光减薄至预设厚度，得到具有纳米级厚度的第一薄膜层，优选的，第一薄膜层的厚度为10nm～1μm。
84.步骤3、在所述第一薄膜层的非键合面上再制备第二隔离层。
85.在第一薄膜层的非键合面上制备第二隔离层的方法可以采用但不限于沉积法或磁控溅射法。
86.在一具体实施例中，采用磁控溅射法，在第一薄膜层的非键合面上制备一层预设厚度的第二隔离层，优选的，第二隔离层的厚度大于100nm。
87.步骤4、采用离子注入法和键合法，在所述第二隔离层上制备第二薄膜层，其中，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层均用于传输信号，所述第一隔离层和所述第二隔离层均用于防止信号泄露。
88.为了得到具有更多薄膜层的复合薄膜结构，可以在步骤4后重复执行上述步骤3和步骤4直至将所有薄膜层按照预设的复合薄膜结构，依次层叠于所述衬底层上，得到复合薄膜结构。
89.其中，不同薄膜层的材料可以相同，也可以不同；不同薄膜层的切向可以相同，也可以不同；不同薄膜层的厚度可以相同，也可以不同，本技术实施例对此都不进行限定，在制备复合薄膜结构时，根据实际需求选好材料后，根据预设的复合薄膜结构执行上述步骤。
90.在一具体实施例中，在步骤1中，可以同时在所述衬底层1的两面上分别制备隔离层2和补偿层4，所述补偿层4具有与所述隔离层2相同结构，其中，所述衬底层1的底表面是指与所述衬底层1的顶表面背对的一面。
91.在衬底层1的两面都层叠有一层隔离层，相当于在衬底层的两面施加相同应力，从而可以避免衬底层1翘曲的问题。
92.本技术实施例中，结构部分实施例与方法部分实施例可以相互参见，此处不再赘述。
93.实施例1
94.一种复合薄膜结构，包括衬底层1，在所衬底层1的其中一面上层叠有三个功能层，每个所述功能层包括隔离层和薄膜层，每个所述功能层中的隔离层位于靠近所述衬底层一侧。
95.具体的，如图4所示，衬底层1上依次层叠有第一隔离层21、第一薄膜层31、第二隔离层22、第二薄膜层32、第三隔离层23、第三薄膜层33。其中，第一薄膜层31为x切向铌酸锂薄膜，第二薄膜层为42y切向钽酸锂薄膜，第三薄膜层为z切向铌酸锂薄膜。
96.其中，第一薄膜层31可以用来实现电光调制器或铁电存储功能，第二薄膜层32可以用来实现滤波器功能，第三薄膜层33可以用来实现铁电存储功能。
97.实施例2
98.制备上述实施例1中复合薄膜结构的方法，包括以下步骤：
99.在衬底层1的其中一面上沉积第一隔离层21。
100.准备x切向铌酸锂薄膜基体，采用离子注入法，在x切向铌酸锂薄膜基体的键合面注入氦离子，氦离子的注入能量为200kev，剂量为4
×
10
16
ions/cm2，将所述x切向铌酸锂薄膜基体依次分为薄膜层、分离层和余质层。
101.采用等离子键合法，将x切向铌酸锂薄膜基体的薄膜层与第一隔离层21键合，形成第一键合体。
102.将第一键合体放入加热设备内在高温下进行保温，直至余质层从第一键合体上分离下来形成第一薄膜层31。其中，保温条件为：在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度为400℃，保温时间3h。
103.在第一薄膜层31上沉积第二隔离层22。
104.准备42y切向钽酸锂薄膜基体，采用离子注入法，在42y切向钽酸锂薄膜基体的键合面注入氦离子，氦离子的注入能量为300kev，剂量为5
×
10
16
ions/cm2，将所述42y切向钽酸锂薄膜基体依次分为薄膜层、分离层和余质层。
105.采用等离子键合法，将42y切向钽酸锂薄膜基体的薄膜层与第二隔离层22键合，形成第二键合体。
106.将第二键合体放入加热设备内在高温下进行保温，直至余质层从第二键合体上分离下来形成第二薄膜层32。
107.在第二薄膜层32上沉积第三隔离层23。
108.准备z切向铌酸锂薄膜基体，采用离子注入法，在z切向铌酸锂薄膜基体的键合面注入氦离子，氦离子的注入能量为400kev，剂量为4
×
10
16
ions/cm2，将所述z切向铌酸锂薄膜基体依次分为薄膜层、分离层和余质层。
109.采用等离子键合法，将z切向铌酸锂薄膜基体的薄膜层与第三隔离层23键合，形成第三键合体。
110.将第三键合体放入加热设备内在高温下进行保温，直至余质层从第三键合体上分离下来形成第三薄膜层33，至此，制备得到实施例1所述的复合薄膜结构。
111.以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。