CN112420914A - 一种复合薄膜、制备方法及电子元器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种复合薄膜、制备方法及电子元器件，包括依次层叠的薄膜基板、第一隔离层、键合层、第二隔离层和支撑基板；键合层通过第一非晶硅层与第二非晶硅层亲水性键合后热处理形成，键合层包括第一氧化硅层和第二氧化硅层。本申请通过第一非晶硅层和第二非晶硅层的键合，具有良好的键合能力，从而解决了制备的复合薄膜在后续的切割过程中容易出现薄膜基板从支撑基板上剥落的现象。同时，水分子存在于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间，因此，第一氧化硅层和第二氧化硅层之间的水分子能够扩散至第一隔离层和第二隔离层内，从而避免了水汽的产生使薄膜基板中功能薄膜层产生气泡缺陷。
Description
技术领域
本申请属于半导体元件制备领域，尤其涉及一种复合薄膜、制备方法及电子元器件。
背景技术
复合薄膜一般包括功能薄膜层、隔离层和衬底层，其中，功能薄膜层的材料一般具有压电、铁电、光电、光弹、热释电、光折变和非线性等性质，可以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。
现有技术中，以具有压电性能的功能薄膜层为例，例如功能薄膜层为钽酸锂薄膜材料，隔离层为氧化硅材料，对应的制备复合薄膜的方法一般包括以下步骤：首先，对钽酸锂基体进行离子注入，然后，对离子注入面和氧化硅层表面进行活化处理，使离子注入面和氧化硅层表面变为亲水性，后在大气环境下使用室温直接键合法，将离子注入面与表面带有氧化硅层的衬底直接键合，最后退火使钽酸锂的薄膜层从钽酸锂基体上剥离下来而形成钽酸锂薄膜。上述制备方法中，由于亲水性键合，所以钽酸锂和氧化硅层的键合面，在键合时会吸附较多的水分子，从而在键合面内形成一层水膜。
然而，在后续进行退火处理时，上述键合面内的水分子在钽酸锂薄膜层方向无法进行有效的扩散，易使钽酸锂薄膜层产生气泡缺陷，从而降低整体复合薄膜的质量及下游器件成品率；其次，水分子中的H原子在高温作用下也会和钽酸锂薄膜层中的Li发生质子交换，从而削弱钽酸锂薄膜层的压电性，降低声表面波滤波器性能；此外，键合面内水膜的存在，就会大大的削弱低声阻层的声阻作用，从而会增大声表面波滤波器的射频信号损耗。
发明内容
为解决现有技术中采用功能薄膜层与氧化硅层键合的方式制备复合薄膜时，在键合面内形成一层水膜，进而影响复合薄膜使用性能的问题。
本申请的目的在于提供以下几个方面：
第一方面，本申请提供一种复合薄膜，包括依次层叠的薄膜基板、第一隔离层、键合层、第二隔离层和支撑基板；所述键合层通过第一非晶硅层与第二非晶硅层亲水性键合后热处理形成，所述键合层包括第一氧化硅层和第二氧化硅层；所述第一氧化硅层与所述第一隔离层的界面处、所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面，以及，所述第二氧化硅层与所述第二隔离层的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面处的氢元素含量最高。
进一步地，所述薄膜基板用于传输声信号。
进一步地，所述第一氧化硅层的厚度为1～10nm，所述第二氧化硅层的厚度为1～10nm。
进一步地，所述第二隔离层和支撑基板之间还包括富陷阱层，所述富陷阱层为非晶硅材料、多晶硅材料或多晶锗材料。
进一步地，所述第一隔离层为氧化硅或氮化硅材料，所述第二隔离层为氧化硅或氮化硅材料。
进一步地，所述第一隔离层与所述第二隔离层材料相同。
进一步地，所述薄膜基板包括至少一层功能薄膜层。
进一步地，所述支撑基板包括至少一层衬底层。
进一步地，所述功能薄膜层为铌酸锂单晶薄膜、钽酸锂单晶薄膜、砷化镓、硅、陶瓷、四硼酸锂、砷化镓、磷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷晶体或石英材料。
进一步地，所述衬底层为硅、蓝宝石、石英、SOI、铌酸锂、钽酸锂、金刚石或碳化硅材料。
进一步地，如果所述支撑基板的顶层为硅材料，则所述第二隔离层由支撑基板的顶层表面区域氧化得到。
第二方面，本申请还提供一种复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
向薄膜基体中进行离子注入，以及，在所述薄膜基体的离子注入面依次制备第一隔离层和第一非晶硅层，得到第一制备体，所述第一制备体包括第一非晶硅层、第一隔离层、第一功能薄膜层、分离层和余质层；
在支撑基板上依次制备第二隔离层和第二非晶硅层，得到第二制备体；
分别对第一制备体的第一非晶硅层表面和第二制备体的第二非晶硅层表面活化处理；
分别对活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面亲水化处理；
将亲水化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面键合，形成键合体；
对所述键合体热处理，得到复合薄膜，其中，所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层热处理后分别被氧化成第一氧化硅层和第二氧化硅层，所述第一氧化硅层与所述第一隔离层的界面处、所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面，以及，所述第二氧化硅层与所述第二隔离层的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面处的氢元素含量最高。
进一步地，所述对所述键合体热处理，得到复合薄膜，包括：
在第一温度下，对所述键合体第一次退火处理，使所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层分别被氧化成第一氧化硅层和第二氧化硅层；
在第二温度下，对所述键合体第二次退火处理，使所述余质层从所述键合体上剥离，得到复合薄膜，所述第二温度大于所述第一温度。
进一步地，在第一次退火处理时间相同的条件下，所述第一温度与所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的厚度和正相关；在第一温度相同的条件下，所述键合体第一次退火处理时间与所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的厚度和正相关。
进一步地，所述分别对活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面亲水化处理，包括：
分别将活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面浸湿；
去除所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面多余水分，使所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面依靠亲水性吸附一层水膜。
进一步地，在室温下，将亲水化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面键合。
进一步地，如果在向薄膜基体中进行离子注入之后，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于250℃。
进一步地，如果在向薄膜基体中进行离子注入之前，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，且所述薄膜基体为钽酸锂材料，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于600℃。
进一步地，如果在向薄膜基体中进行离子注入之前，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，且所述薄膜基体为铌酸锂材料，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于1000℃。
进一步地，如果所述支撑基板的顶层为硅材料，所述第二隔离层为氧化硅材料，则采用热氧化法，在所述支撑基板的顶层制备第二隔离层。
进一步地，所述分别对第一制备体的第一非晶硅层表面和第二制备体的第二非晶硅层表面活化处理的方法包括：等离子体活化或化学活化方法。
进一步地，所述方法还包括：在所述第一功能薄膜层上交替制备至少一组隔离层和第二功能薄膜层。
进一步地，所述第一氧化硅层的厚度为1～10nm，所述第二氧化硅层的厚度为1～10nm。
进一步地，所述第二隔离层和支撑基板之间还包括富陷阱层，所述富陷阱层为非晶硅材料、多晶硅材料或多晶锗材料。
进一步地，所述第一隔离层为氧化硅或氮化硅材料，所述第二隔离层为氧化硅或氮化硅材料。
进一步地，所述第一隔离层与所述第二隔离层材料相同。
进一步地，所述第一功能薄膜层为铌酸锂单晶薄膜、钽酸锂单晶薄膜、砷化镓、硅、陶瓷、四硼酸锂、砷化镓、磷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷晶体或石英材料。
进一步地，所述支撑基板包括至少一层衬底层。
进一步地，所述衬底层为硅、蓝宝石、石英、SOI、铌酸锂、钽酸锂、金刚石或碳化硅材料。
第三方面，本申请还提供一种电子元器件，所述电子元器件包括第一方面任一所述的复合薄膜。
与现有技术相比，本申请实施例提供的一种复合薄膜及其制备方法，通过第一非晶硅层和第二非晶硅层的键合，具有良好的键合能力，从而解决了制备的复合薄膜在后续的切割过程中容易出现薄膜基板从支撑基板上剥落的现象。同时，水分子存在于第一氧化硅层和第二氧化硅层之间，而不是如现有技术中存在于钽酸锂薄膜层和氧化硅层之间，因此，第一氧化硅层和第二氧化硅层之间的水分子能够扩散至第一隔离层和第二隔离层内，从而避免了水汽的产生使薄膜基板中功能薄膜层产生气泡缺陷；另外，第一隔离层和第一氧化硅层的存在还能够有效阻挡H与功能薄膜层中Li的质子交换，从而保证了功能薄膜层原有的光电、压电等性能；另外，本申请的复合薄膜，在第一氧化硅层和第二氧化硅层之间不存在水膜，也就不会削弱第一隔离层和第二隔离层的声阻作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种复合薄膜的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种复合薄膜的制备方法的制备流程图。
图3为本申请实施例提供的第一制备体的结构示意图。
图4为本申请实施例提供的第二制备体的结构示意图。
图5为本申请实施例提供的键合体的结构示意图。
图6为本申请实施例提供的第一次退火处理后的键合体的结构示意图。
附图标记说明
110-薄膜基板，120-第一隔离层，130-键合层，140-第二隔离层，150-支撑基板，130A1-第一非晶硅层，130A2-第二非晶硅层，130B1-第一氧化硅层，130B2-第二氧化硅层,110A1-第一功能薄膜层，110A2-分离层，110A3-余质层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本申请实施例提供的一种复合薄膜的结构示意图。
如图1所示，一种复合薄膜，包括依次层叠的薄膜基板110、第一隔离层120、键合层130、第二隔离层140和支撑基板150；所述键合层130通过第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2亲水性键合后热处理形成，所述键合层130包括第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2；所述第一氧化硅层130B1与所述第一隔离层120的界面处、所述第一氧化硅层130B1与所述第二氧化硅层130B2的界面，以及，所述第二氧化硅层130B2与所述第二隔离层140的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层130B1与所述第二氧化硅层130B2的界面处的氢元素含量最高。
首先，需要说明的是，本申请实施例中薄膜基板110用于实现信号传输，例如可以用于传输光信号或声信号。如果所述薄膜基板110用于传输光信号，则复合薄膜可以被应用于光电传感器等电子元器件；如果所述薄膜基板110用于传输声信号，则复合薄膜可以被应用于声表面波器件或薄膜体声波谐振器等电子元器件。薄膜基板110可以如图1示出的包括一层功能薄膜层，也可以包括多层功能薄膜层,其中，第一隔离层120与薄膜基板110中最外层功能薄膜层接触。如果薄膜基板110包括多层功能薄膜层，则相邻功能薄膜层之间还可以设置隔离层，隔离层可以防止相邻功能薄膜层之间的信号串扰。
本申请实施例中的功能薄膜层的材料可以是任何具有电光或压电性能的材料，例如铌酸锂单晶薄膜、钽酸锂单晶薄膜、砷化镓、硅、陶瓷、四硼酸锂、砷化镓、磷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷晶体或石英等材料，本申请对此不进行限定。另外，薄膜基板110中的多个功能薄膜层可以为相同的材料，也可以是不同的材料，本申请对此不进行限定，例如薄膜基板110包括两层功能薄膜层，其中，与所述第一隔离层120接触的第一功能薄膜层为铌酸锂单晶薄膜，远离第一隔离层120的第二功能薄膜层为钽酸锂单晶薄膜；又例如，第一功能薄膜层和第二功能薄膜层均为铌酸锂单晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。
还需要说明的是，本申请实施例中支撑基板主要起到支撑的作用，支撑基板可以是单层衬底，也可以是复合衬底，即支撑基板包括至少一层衬底层。其中，每层衬底层的材料可以相同或不同，本申请对此不进行限定。例如：衬底层材料可以为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、金刚石、SOI、砷化镓或磷化铟等，本申请对此不进行限定。
在一具体实施例中，如果薄膜基板用于传输声信号，则对应的第一隔离层120的声阻抗可以高于薄膜基板110中任一功能薄膜层的声阻抗，第二隔离层140的声阻抗高于或等于第一隔离层120的声阻抗，例如，薄膜基板110包括两层功能薄膜层，分别为铌酸锂单晶薄膜材料和钽酸锂单晶薄膜材料，第一隔离层120可以为氮化硅材料，第二隔离层140可以为氧化硅或氮化硅材料。在另一具体实施例中，第一隔离层120的声阻抗也可以低于薄膜基板110中任一功能薄膜层的声阻抗，第二隔离层140的声阻抗高于或等于第一隔离层120的声阻抗，例如，薄膜基板110包括两层功能薄膜层，分别为铌酸锂单晶薄膜材料和钽酸锂单晶薄膜材料，第一隔离层120可以为氧化硅材料，第二隔离层140可以为氧化硅或氮化硅材料。在又一具体实施例中，所述第一隔离层120与所述第二隔离层140均为氧化硅材料，薄膜基板110包括一层功能薄膜层，功能薄膜层为铌酸锂单晶薄膜材料；在又一具体实施例中，第一隔离层120为氧化硅材料，第二隔离层140为氮化硅材料，薄膜基板110包括一层功能薄膜层，功能薄膜层为钽酸锂单晶薄膜材料。
还需要说明的是，本申请中所述的氧化硅是指非晶态氧化硅，氮化硅是指非晶态氮化硅。
如果直接将第一隔离层120和第二隔离层140键合，并对键合后的键合体热处理，制备得到复合薄膜，虽然可以解决薄膜基板产生气泡缺陷的问题，但是第一隔离层120和第二隔离层140采用氧化硅或氮化硅材料时，由于氧化硅和氮化硅的活化效果有限，因此第一隔离层120和第二隔离层140之间的键合力较差，导致制备的复合薄膜在后续的切割过程中容易出现薄膜基板110从支撑基板上剥落的现象。因此，本申请实施例中，在第一隔离层120和第二隔离层140之间还包括键合层130，键合层130是通过第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2亲水性键合后热处理形成的，也就是说，在制备本申请实施例的复合薄膜时，在第一隔离层120上还制备有第一非晶硅层130A1，在第二隔离层140上还制备有第二非晶硅层130A2，然后将第一非晶硅层130A1和第二非晶硅层130A2亲水性键合并热处理。一方面，硅的活化效果要优于氧化硅和氮化硅的活化效果，因此第一非晶硅层130A1和第二非晶硅层130A2之间的键合能力优胜于第一隔离层120和第二隔离层140的键合能力；另一方面，在热处理过程中，第一非晶硅层130A1和第二非晶硅层130A2之间吸附的水膜蒸发成水分子，水分子扩散至第一非晶硅层130A1和第二非晶硅层130A2内，并继续扩散至第一隔离层120和第二隔离层140，而不会扩散至薄膜基板110内，从而避免了水分子的产生使薄膜基板产生气泡缺陷。并且热处理后，第一非晶硅层130A1与水反应生成第一氧化硅层130B1，第二非晶硅层130A2与水反应生成第二氧化硅层130B2，而生成的第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2并不会对复合薄膜造成负面影响，反而会带来意想不到的效果。在一具体例子中，所述第一隔离层120和第二隔离层140均为氧化硅材料，则在第一隔离层120和第二隔离层140之间新形成的第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，相当于增加了薄膜基板110与支撑基板之间的氧化硅的厚度，从而起到更好的防止信号泄露的效果。在另一具体例子中，所述第一隔离层120和第二隔离层140均为氮化硅材料，则薄膜基板110与支撑基板之间依次层叠有氮化硅层、第一氧化硅层130B1、第二氧化硅层130B2和氮化硅层，由于氧化硅和氮化硅之间存在折射率差和声阻抗差，因此，在薄膜基板110与支撑基板之间形成势阱，从薄膜基板110泄露的声信号或光信号可以被限制在势阱内，而不会泄露到支撑基板。
需要特别说明的是，本申请实施例中键合层130包括两层，即第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，虽然第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2的材料相同，但是是通过第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2亲水性键合后热处理形成的两层结构，在制备得到的复合薄膜成品中也可以区分出第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2是两层结构。
区分第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2是两层结构的方式有多种，在一种可行方式中，可以通过对第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2的微观形貌分析，在第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2区域内会发现一个明显的分界面，该分界面即为第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2的分界面。同样的，如果第一隔离层120和第二隔离层140均采用氧化硅材料，则在第一氧化硅层130B1和第一隔离层120之间会存在一个明显的分界面，在第二氧化硅层130B2和第二隔离层140之间也会存在一个明显的分界面。
在另一种可行方式中，基于复合薄膜的制备原理，即对第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2亲水性处理，并且热处理过程中，第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2表面吸附的水膜形成水分子，水分子会扩散至第一隔离层120和第二隔离层140，并且第一非晶硅层130A1与第二非晶硅层130A2与水分子反应还会生成氢气。由此可知，在第一氧化硅层与第一隔离层的界面处、第一氧化硅层与第二氧化硅层的界面，以及，第二氧化硅层与第二隔离层的界面处都必然会存在氢元素，因此，可以对第一隔离层120与所述第二隔离层140所在区域进行氢元素含量检测，通过分析可以发现，在第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2区域内存在一个界面，该界面上的氢元素含量均匀分布，且氢元素含量高于其他位置的氢元素含量，因此，可以确定该界面即为第一氧化硅层130B1和所述第二氧化硅层130B2的分界面。
本申请实施例提供的复合薄膜，通过第一非晶硅层130A1和第二非晶硅层130A2的键合，具有良好的键合能力，从而解决了制备的复合薄膜在后续的切割过程中容易出现薄膜基板110从支撑基板上剥落的现象。同时，水分子存在于第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2之间，而不是如现有技术中存在于功能薄膜层与第一隔离层之间，因此，第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2之间形成的水分子能够扩散至第一隔离层120和第二隔离层140内，从而避免了水分子的产生使薄膜基板110中功能薄膜层产生气泡缺陷；另外，第一隔离层120和第一氧化硅层130B1的存在还能够有效阻挡H与功能薄膜层中Li的质子交换，从而保证了功能薄膜层原有的光电、压电等性能；另外，本申请的复合薄膜，在第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2之间不存在水膜，也就不会削弱第一隔离层120和第二隔离层140的声阻作用。
在一具体实施例中，所述第一氧化硅层的厚度为1～10nm，所述第二氧化硅层的厚度为1～10nm。
如果第一非晶硅层与第二非晶硅层的厚度都超过10nm，则第一非晶硅层与第二非晶硅层中的非晶硅不会与水完全反应，则在薄膜基板和支撑基板之间存在剩余没有反应的非晶硅，而非晶硅的存在会影响复合薄膜的使用性能，因此，本申请实施例中，要求第一非晶硅层与第二非晶硅层的非晶硅完全转化为氧化硅，对应的，第一非晶硅层与第二非晶硅层的厚度都应该在1～10nm之间，即生成的键合层的厚度为2～20nm。
由于制作工艺的原因，在第二隔离层140和支撑基板150之间可能存在很多缺陷和电荷，导致第二隔离层140和支撑基板150之间界面的载流子集中，产生寄生电导，从而在射频应用中产生额外的损耗。因此，为了避免寄生电导的形成，本申请实施例在第二隔离层140和支撑基板150之间设置富陷阱层，所述富陷阱层可以为非晶硅层或多晶硅层，富陷阱层中存在一定密度的缺陷，可以捕获存在于第二隔离层140和支撑基板150之间的载流子，避免这些载流子引起第二隔离层140界面处的载流子聚集，降低支撑基板150的损耗。
如果支撑基板150的顶层为硅材料，支撑基板150的顶层是指支撑基板150中与第二隔离层接触的层，则第二隔离层140可以由支撑基板150的顶层表面区域氧化得到，即硅衬底的表面区域氧化形成氧化硅层。对于第一隔离层120可以通过沉积的方式与薄膜基板110结合。
在一具体实施例中，所述第一隔离层120和第一氧化硅层130B1的厚度和大于100nm。
当第一隔离层120和第一氧化硅层130B1的厚度和大于100nm时，可以保证水分子不会扩散至薄膜基板110。
在另一具体实施例中，所述第一隔离层120、所述第二隔离层140、第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2的厚度和为400nm-5um。
当第一隔离层120、所述第二隔离层140、第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2的厚度和为400nm-5um，可以有效的阻挡薄膜基板110中的信号泄漏到支撑基板150。
如图2所示，本申请实施例还提供一种复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、向薄膜基体中进行离子注入，以及，在所述薄膜基体的离子注入面依次制备第一隔离层120和第一非晶硅层130A1，得到第一制备体，所述第一制备体包括第一非晶硅层130A1、第一隔离层120、第一功能薄膜层110A1、分离层110A2和余质层110A3。
上述步骤1中得到的第一制备体，如图3所示，包括薄膜基体以及层叠于所述薄膜基体离子注入面的第一隔离层120和第一非晶硅层130A1，其中，薄膜基体包括第一功能薄膜层110A1、分离层110A2和余质层110A3。
第一功能薄膜层110A1的材料可以是任何具有光电或压电性能的材料，例如铌酸锂单晶薄膜、钽酸锂单晶薄膜、砷化镓、硅、陶瓷、四硼酸锂、砷化镓、磷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷晶体或石英材料，本申请对此不进行限定。
具体的，上述步骤1中，可以先向薄膜基体中进行离子注入，然后在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120，再在第一隔离层120上沉积第一非晶硅层130A1，得到第一制备体；或者，可以先在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120，再在第一隔离层120上沉积第一非晶硅层130A1，然后，向薄膜基体中进行离子注入，得到第一制备体。
在上述第一种可实现方式中，即先向薄膜基体中进行离子注入，然后在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层130A1，得到第一制备体。
首先，本申请实施例对采用离子注入法，向薄膜基体中进行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，注入剂量可以为3×1016ions/cm2～8×1016ions/cm2，注入能量可以为120KeV～400KeV；注入氦离子时，注入剂量可以为1×1016ions/cm2～1×1017ions/cm2，注入能量可以为50KeV～400KeV。
可以通过调整离子注入深度来调整第一功能薄膜层110A1的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的第一功能薄膜层110A1的厚度越大；相反，离子注入的深度越小，所制备的第一功能薄膜层110A1的厚度越小。
在注入离子后的薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层时，需要控制沉积温度小于250℃。其中，控制沉积温度在250℃以下，是为了保证已经完成离子注入的薄膜基体中，余质层110A3不会从第一制备体上剥离。
在上述第二种可实现方式中，即先在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层，然后，向薄膜基体中进行离子注入，得到第一制备体。
首先，需要说明的是，采用上述第二种可实现方式在薄膜基体上沉积第一隔离层120和第一非晶硅层时。另外，在应用薄膜基体时，一般会先预设薄膜基体的其中一面为离子注入面，在进行离子注入操作时，会向离子注入面注入离子。
如果先在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层，则对应的沉积温度应该小于所述薄膜基体的居里温度。因为，当沉积温度高于薄膜基体的居里温度时，薄膜基体容易发生相变，从而会影响薄膜基体原有的光电、压电等性能。
在一具体实施例中，如果薄膜基体为铌酸锂薄膜材料，则在铌酸锂薄膜材料的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层时，沉积温度都要小于1000℃；在另一具体实施例中，如果薄膜基体为钽酸锂薄膜材料，则在钽酸锂薄膜材料的离子注入面沉积第一隔离层120和第一非晶硅层时，沉积温度都要小于600℃。
另外，上述第二种可实现方式，相当于向沉积有第一隔离层120和第一非晶硅层的薄膜基体内进行离子注入，并且是通过第一隔离层120和第一非晶硅层向薄膜基体内进行离子注入，也就是说，与第一种可实现方式相比，以第一功能薄膜层110A1目标厚度相同为例，采用第二种可实现方式进行离子注入时，需要增加注入能量，才能得到目标厚度的第一功能薄膜层110A1。而需要增加的注入能量与第一隔离层120和第一非晶硅层的厚度有关，第一隔离层120和第一非晶硅层的厚度越大，所需要的注入能量越大。
步骤1中，在所述薄膜基体的离子注入面沉积第一隔离层120的方法可以采用：等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)、物理气相沉积法(PVD)、磁控溅射、蒸发镀膜、离子束溅射、分子束外延、原子层沉积(ALD)等方法，本申请对此不进行限定。在第一隔离层120上制备第一非晶硅层的方法可以采用PVD、磁控溅射、蒸发镀膜、离子束溅射、分子束外延、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、ALD等，本申请对此不进行限定。
还需要说明的是，步骤1制备得到的第一隔离层120可以为非晶态氧化硅或非晶态氮化硅，例如，得到的第一隔离层120的材料为SixOy，其中，x、y的值不固定。
进一步地，所述第一隔离层120和第一氧化硅层130B1的厚度和大于100nm。
当第一隔离层120和第一氧化硅层130B1的厚度和大于100nm时，可以保证水分子不会扩散至薄膜基板110。
步骤2、在支撑基板150上依次制备第二隔离层140和第二非晶硅层130A2，得到第二制备体。
如图4所示，第二制备体包括支撑基板150，以及层叠于所述支撑基板150上的第二隔离层140和第二非晶硅层130A2。
首先，本申请中的支撑基板150可以是单层衬底，也可以是复合衬底，即支撑基板150包括至少一层衬底层。其中，每层衬底层的材料可以相同或不同，本申请对此不进行限定。例如：衬底层材料可以为铌酸锂、钽酸锂、石英、硅、蓝宝石、SOI、金刚石、碳化硅、氮化硅、砷化镓或磷化铟等，本申请对此不进行限定。
如果支撑基板150为单层衬底，则在单层衬底上制备第二隔离层140；如果支撑基板150为复合衬底，则在支撑基板150的顶层衬底层上制备第二隔离层140。
步骤2中，在支撑基板150上制备第二隔离层140的方法，可以采用沉积法，例如离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)、物理气相沉积法(PVD)、磁控溅射、蒸发镀膜、离子束溅射、分子束外延、原子层沉积(ALD)等方法；另外，如果支撑基板150的顶层为硅材料，第二隔离层140确定为氧化硅层，则还可以采用热氧化法，将支撑基板150的顶层表面区域氧化得到第二隔离层140。在第二隔离层140上制备第二非晶硅层的方法可以采用PVD、磁控溅射、蒸发镀膜、离子束溅射、分子束外延、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、ALD等，本申请对此不进行限定。
需要说明的是，步骤2制备得到的第二隔离层140也可以为非晶态氧化硅或非晶态氮化硅，也就是说，第二隔离层140可以采用与第一隔离层120相同的材料，例如第一隔离层为氧化硅材料，第二隔离层也为氧化硅材料；第二隔离层140可以采用与第一隔离层120不同的材料，例如，第一隔离层为氧化硅材料，第二隔离层也为氮化硅材料，或者，第一隔离层为氮化硅材料，第二隔离层也为氧化硅材料。
其中，第一非晶硅层与第二非晶硅层的厚度都应该在1～10nm之间。如果第一非晶硅层与第二非晶硅层的厚度都超过10nm，则第一非晶硅层与第二非晶硅层中的非晶硅不会与水完全反应，则在薄膜基板和支撑基板之间存在剩余没有反应的非晶硅，而非晶硅的存在会影响复合薄膜的使用性能，因此，本申请实施例中，要求第一非晶硅层与第二非晶硅层的非晶硅完全转化为氧化硅，对应的，第一非晶硅层与第二非晶硅层的厚度都应该在1～10nm之间。
所述第一隔离层120、所述第二隔离层140、第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2的总厚度为400nm-5um。当第一隔离层120、所述第二隔离层140、第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2的总厚度为400nm-5um，可以有效的阻挡第一功能薄膜层110A1中的信号泄漏到支撑基板150。
步骤3、分别对第一制备体的第一非晶硅层130A1表面和第二制备体的第二非晶硅层130A2表面活化处理。
本申请实施例对第一非晶硅层表面和第二制备体的第二非晶硅层表面活化的方式不进行限定，例如可以采用等离子体活化处理或者化学活化处理。其中，等离子体活化处理是指利用氩气、氧气、氢气或氮气等离子体对第一非晶硅层表面和第二制备体的第二非晶硅层表面进行活化处理，经过等离子活化后，得到更具有亲水性的表面，使得键合更容易发生。
步骤4、分别对活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面亲水化处理。
亲水化处理一般可以包括如下步骤：分别将活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面浸湿，例如：可以通过表面喷水或纯水浸泡，使将活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面浸湿；然后去除所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面多余水分，使所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面仅依靠亲水性吸附一层水膜。
步骤5、将亲水化处理后的第一非晶硅层130A1表面和第二非晶硅层130A2表面键合，形成键合体，如图5所示。
本申请实施例中，第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面具有较好的活化效果，从而硅层与硅层的键合具有良好的键合力，能够保证复合薄膜在后续的切割过程中不会出现薄膜基板110从支撑基板上剥落的现象。键合时，可以在大气环境及室温条件下进行直接键合，本申请对此不进行限定。其中，室温条件是指15℃-30℃之间。
步骤6、对所述键合体热处理，得到复合薄膜，其中，所述第一非晶硅层130A1和所述第二非晶硅层130A2热处理后分别被氧化成第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，所述第一氧化硅层130B1与所述第一隔离层120的界面处、所述第一氧化硅层130B1与所述第二氧化硅层130B2的界面，以及，所述第二氧化硅层130B2与所述第二隔离层140的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层130B1与所述第二氧化硅层130B2的界面处的氢元素含量最高。
需要说明的是，本申请对键合体热处理的方式不进行限定，例如通过一次退火，同时使所述第一非晶硅层130A1和所述第二非晶硅层130A2分别被氧化成第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，以及余质层从所述处理后的键合体上剥离；也可以通过两次退火处理，分步将所述第一非晶硅层130A1和所述第二非晶硅层130A2分别被氧化成第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，以及将余质层从所述处理后的键合体上剥离，本申请对此不进行限定。
下面以通过两次退火处理，分步将所述第一非晶硅层130A1和所述第二非晶硅层130A2分别被氧化成第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，以及将余质层从所述处理后的键合体上剥离为例，进行详细说明。
首先，在第一温度下，对所述键合体第一次退火处理，使所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层分别被氧化成第一氧化硅层和第二氧化硅层，得到处理后的键合体。
第一非晶硅层和第二非晶硅层之间的水膜在第一温度下，形成水分子，水分子向第一非晶硅层和第二非晶硅层方向扩散，其中，一部分水分子分别与第一非晶硅层和第二非晶硅层反应，生成第一氧化硅层和第二氧化硅层，剩余的水分子会继续向第一隔离层120和第二隔离层140内扩散，应理解，第一隔离层120的厚度应足够用于扩散剩余水分子，而避免剩余水分子扩散至薄膜基板110。由此可知，本申请实施例中，使用第一非晶硅层和第二非晶硅层键合，不仅可以提高键合力，还可以与水分子完全反应生成氧化硅，生成的氧化硅还可以提高防止薄膜基板110的信号向支撑基板150泄露的效果。
为了保证第一非晶硅层和第二非晶硅层能够与第一温度下产生的水分子完全反应，生成第一氧化硅层和第二氧化硅层，第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度不宜过厚，优选的，第一非晶硅层的厚度为1～10nm，第二非晶硅层的厚度为1～10nm，对应的，第一温度可以为80-250℃，第一次退火时间可以为3-10小时。其中，第一温度与第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度正相关，即在第一次退火处理时间相同的条件下，第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度越大，需要的第一温度越高；另外第一次退火处理时间也与第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度正相关，即在第一温度相同的条件下，第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度越大，需要的第一次退火处理时间越长。例如，第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度分别为10nm，则对应的第一温度为130℃，第一次退火处理时间为8小时，或者，对应的第一温度为170℃，第一次退火处理时间为4小时。又例如，第一非晶硅层和第二非晶硅层的厚度分别为5nm，则对应的第一温度为150℃，第一次退火处理时间为6小时。
然后，在第二温度下，对所述键合体第二次退火处理，使所述余质层从所述键合体上剥离，得到复合薄膜，所述第二温度大于所述第一温度。
如图6所示，经过第一次退火处理后的键合体还包括第一功能薄膜层110A1、分离层110A2和余质层110A3，因此，需要进一步将第一功能薄膜层110A1与余质层110A3分离。
本申请进一步对第一次退火处理后的键合体进行第二次退火处理，第二次退火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，所述第二次退火处理的温度可以为100℃～600℃，第二次退火处理时间为1分钟～48小时。在第二次退火处理过程中，所述分离层110A2内形成气泡，随着第二次退火处理进展，分离层110A2内的气泡连成一片，最后分离层110A2裂开，将余质层110A3与所述第一功能薄膜层110A1分离，从而使余质层110A3由键合体上剥离下来，在第一隔离层120上形成第一功能薄膜层110A1。
由于第一温度的作用是使第一非晶硅层和第二非晶硅层之间的水膜在第一温度下，形成水分子；第二温度的作用是使分离层110A2内形成气泡，从而使余质层110A3由键合体上剥离下来，因此，一般第二温度要大于第一温度。
基于上述提供的热处理方式可知，还可以直接在第二温度下对步骤5形成的键合体热处理，同时将所述第一非晶硅层130A1和所述第二非晶硅层130A2分别被氧化成第一氧化硅层130B1和第二氧化硅层130B2，以及将余质层从所述处理后的键合体上剥离。
通过本申请实施例提供的制备方法，制备得到的复合薄膜包括依次层叠的薄膜基板110、第一隔离层120、第一氧化硅层130B1、第二氧化硅层130B2、第二隔离层140和支撑基板150。
进一步的，还可以在所述第一功能薄膜层110A1上交替制备至少一组隔离层和第二功能薄膜层。
在一个具体例子中，可以在第一功能薄膜层110A1上沉积一层隔离层，然后利用离子注入法和键合法，在隔离层上制备第二功能薄膜层；按照上述制备方法可以在第二功能薄膜层上制备更多组的隔离层和第二功能薄膜层。在该例子中，第一功能薄膜层110A1与层叠在第一功能薄膜层110A1上的隔离层和第二功能薄膜层构成薄膜基板110。应理解，如果复合薄膜中只包括一层功能薄膜层，则该一层功能薄膜层为薄膜基板110。
本申请还提供一种电子元器件，所述电子元器件包括上述任一实施例所述的复合薄膜。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (16)
1.一种复合薄膜，其特征在于，包括依次层叠的薄膜基板、第一隔离层、键合层、第二隔离层和支撑基板；
所述键合层通过第一非晶硅层与第二非晶硅层亲水性键合后热处理形成，所述键合层包括第一氧化硅层和第二氧化硅层；
所述第一氧化硅层与所述第一隔离层的界面处、所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面，以及，所述第二氧化硅层与所述第二隔离层的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面处的氢元素含量最高。
2.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，所述薄膜基板用于传输声信号。
3.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，所述第一氧化硅层的厚度为1～10nm，所述第二氧化硅层的厚度为1～10nm。
4.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，所述第二隔离层和支撑基板之间还包括富陷阱层，所述富陷阱层为非晶硅材料、多晶硅材料或多晶锗材料。
5.根据权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，所述第一隔离层为氧化硅或氮化硅材料，所述第二隔离层为氧化硅或氮化硅材料。
6.根据权利要求4所述的复合薄膜，其特征在于，所述第一隔离层与所述第二隔离层材料相同。
7.一种复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
向薄膜基体中进行离子注入，以及，在所述薄膜基体的离子注入面依次制备第一隔离层和第一非晶硅层，得到第一制备体，所述第一制备体包括第一非晶硅层、第一隔离层、第一功能薄膜层、分离层和余质层；
在支撑基板上依次制备第二隔离层和第二非晶硅层，得到第二制备体；
分别对第一制备体的第一非晶硅层表面和第二制备体的第二非晶硅层表面活化处理；
分别对活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面亲水化处理；
将亲水化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面键合，形成键合体；
对所述键合体热处理，得到复合薄膜，其中，所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层热处理后分别被氧化成第一氧化硅层和第二氧化硅层，所述第一氧化硅层与所述第一隔离层的界面处、所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面，以及，所述第二氧化硅层与所述第二隔离层的界面处均包含氢元素，并且，所述第一氧化硅层与所述第二氧化硅层的界面处的氢元素含量最高。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述功能薄膜层用于传输声信号。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对所述键合体热处理，得到复合薄膜，包括：
在第一温度下，对所述键合体第一次退火处理，使所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层分别被氧化成第一氧化硅层和第二氧化硅层；
在第二温度下，对所述键合体第二次退火处理，使所述余质层从所述键合体上剥离，得到复合薄膜，所述第二温度大于所述第一温度。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在第一次退火处理时间相同的条件下，所述第一温度与所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的厚度和正相关；在第一温度相同的条件下，所述键合体第一次退火处理时间与所述第一非晶硅层和所述第二非晶硅层的厚度和正相关。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述分别对活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面亲水化处理，包括：
分别将活化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面浸湿；
去除所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面多余水分，使所述第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面依靠亲水性吸附一层水膜。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在室温下，将亲水化处理后的第一非晶硅层表面和第二非晶硅层表面键合。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果在向薄膜基体中进行离子注入之后，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于250℃。
14.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，如果在向薄膜基体中进行离子注入之前，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，且所述薄膜基体为钽酸锂材料，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于600℃。
15.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，如果在向薄膜基体中进行离子注入之前，在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层，且所述薄膜基体为铌酸锂材料，则在所述薄膜基体的离子注入面依次沉积第一隔离层和第一非晶硅层的沉积温度均小于1000℃。
16.一种电子元器件，其特征在于，所述电子元器件包括如权利要求1-6任一所述的复合薄膜。
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