一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法
专利汇可以提供一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种提高Si基和SOI基剥离Ge 薄膜 质量 的方法。该方法为将Si片、SOI片和Ge片经 表面处理 后，在Si片、SOI片上溅射a-Ge薄膜，然后将Ge片分别与溅射有a-Ge薄膜的Si片和SOI片贴合在一起；经低温短时间 热压 键合和分步骤短时间 退火 ，实现Si基、SOI基Ge薄膜的剥离；将剥离后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用手动化学机械 抛光 对Ge薄膜的剥离表面进行抛光；抛光后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用小功率RIE 刻蚀 技术对Ge薄膜表面的 离子注入 损伤层进行刻蚀，以获得高质量的Si基和SOI基剥离Ge薄膜。，下面是一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法专利的具体信息内容。
1.一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将Si片和SOI片分别进行表面处理后，用涂胶机甩干后放入磁控溅射系统，待溅射室本底真空度小于1×10-4 Pa时，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，通过调节Ar气流量调节溅射室内气压；
2）室温下，在Si片和SOI片表面溅射一层a-Ge薄膜，通过控制磁控溅射靶位电流和样品托转速来调节溅射a-Ge薄膜的速率；
3）将步骤2）溅射完a-Ge薄膜后，在Si片和SOI片的a-Ge薄膜上沉积SiO2保护层，并对Si片和SOI片的a-Ge薄膜对进行高温热处理；
4）将步骤3）热处理完的Si片和SOI片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡10 ~15 min，去除SiO2保护层，去离子水冲洗10~15次；
5）将表面处理后的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2 4 min，去除Ge表面氧化~
层，去离子水冲洗10 15次；
~
6）将步骤4）处理完的Si片和SOI片和步骤5）处理完的Ge片采用涂胶机甩干，并将Ge片与Si片、Ge片和SOI片贴合在一起；
7）将步骤6）贴合后的Ge/Si和Ge/SOI贴合片放入键合机内进行低温短时间热压键合；
8）将步骤7）获得的Ge/Si和Ge/SOI键合片放入管式退火炉中进行分步骤短时间退火，实现Si基和SOI基Ge薄膜的剥离；
9）将步骤8）剥离后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用手动化学机械抛光对Ge薄膜的剥离表面进行抛光；
10）将步骤9）抛光后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除Ge薄膜表面吸附颗粒物和有机物；
11）将步骤10）清洗后的Ge/Si和Ge/SOI样品放入ICP刻蚀系统，待刻蚀室本底真空度小于1×10-4 Pa时，向刻蚀室内充入纯度为5N的SF6气体，通过调节SF6气流量调节刻蚀室内气压；
12）室温下，采用小功率RIE刻蚀技术对Ge薄膜表面的离子注入损伤层进行刻蚀，通过控制刻蚀功率和衬底温度来调节刻蚀速率；
13）将步骤9）抛光后和步骤12）刻蚀后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用AFM和双晶XRD对Ge薄膜的表面粗糙度和晶体质量进行测试。
2.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤1）中Si片和SOI片进行表面处理的方法，包括以下步骤：
1）将SOI片和Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
2）将步骤1）有机超声清洗完的Si片和SOI片先用体积比为4:1的H2SO4:H2O2溶液煮沸10~
15 min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片和SOI片用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~4 min，去离子水冲洗10 15次；
~
3）将步骤2）处理完的Si片和SOI片先用体积比为1:1:4的NH4OH:H2O2:H2O溶液煮沸10 15 ~
min，去离子水冲洗10 15次，再将Si片和SOI片用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2 4 min，~ ~
去离子水冲洗10 15次；
~
4）将步骤3）处理完的Si片和SOI片先用体积比为1:1:4的HCl:H2O2:H2O溶液煮沸10~15 min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片和SOI片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~4 min，去离子水冲洗10 15次。
~
3.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤1）中通过调节Ar气流量调节溅射室内气压具体为：向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，通过通入的气体流量为6.5 sccm的气体使溅射室内的压强保持在0.5 Pa，同时开启直流溅射电源。
4.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤2）中直流溅射电源电流为0.3 A，电压为406 V，样品托转速为10 rpm，在Si片和SOI片上溅射一层厚度为30 nm的a-Ge薄膜，沉积速率为23 nm/min。
5.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤3）中溅射完a-Ge薄膜后，将Ar气流量调至21 sccm，保持真空腔内气压为0.78 Pa，开启磁控溅射射频电源，将射频功率调至150 W，在a-Ge上薄膜溅射50 nm SiO2薄膜，作为退火保护层；并将溅射完SiO2薄膜的Si片和SOI片放入管式退火炉中，在600 °C退火5 min，实现a-Ge薄膜的多晶化。
6.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤5）中Ge片表面处理的方法，包括以下步骤：
1）将Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
2）将步骤1）清洗完的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~4 min，去离子水冲洗
10 15次；
~
3）将步骤2）冲洗完的Ge片放入PECVD真空腔，生长一层90 nm SiO2作为离子注入保护层，生长速率为24 nm/min；
4）将步骤3）生长完SiO2的Ge片放入离子注入真空腔，接着对Ge表面进行H+注入；
5）将步骤4）H+注入完的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡10 min，去除Ge表面
90 nm SiO2，去离子水冲洗10~15次；
6）将步骤5）冲洗完的Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物。
7.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤7）中所述低温短时间热压键合具体为：将贴合后的Ge/Si和Ge/SOI样品放入键合机内，待键合机内真空压强小于10-5 Torr后对Ge/Si和Ge/SOI样品键合片进行热压，施加的压力为800 N，温度为150 °C，升温速率为5 °C/min，热压时间为1 h。
8.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤7）所述分步骤短时间退火为：首先将温度升到100 °C退火1 h，接着将温度升到200 °C退火1 h，接着将温度升到300 °C退火1 h，最后将温度升到400 °C退火1 h实现Si基和SOI基Ge薄膜的短时间剥离，升温降温速率为5 °C /min。
9.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤9）所述抛光为：采用体积比为compol80:H2O=1:3的抛光液在聚氨酯抛光垫上采用八字形研磨路径对剥离Ge薄膜表面进行抛光20 min。
10.根据权利要求1所述的一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法，其特征在于：
步骤12）中调节射频电源功率为100 W，衬底温度为20 °C，刻蚀掉顶层700 nm Ge薄膜，刻蚀速率为315 nm/min。
一种提高剥离Si基和SOI基Ge薄膜质量的方法
技术领域
背景技术
11031-11036.；Kang, Y., et al. (2009). Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340 GHz gain–bandwidth product. Nature photonics, 3(1),
59.）），其最核心的红外探测材料Ge的生长就是基于Ge/Si异质外延技术。异质外延技术在过去几十年中不断得到发展，其外延方法也得到不断的改进，然而由于Si和Ge材料之间存在4.2%的晶格失配，外延过程是衬底籽晶诱导薄膜生长的过程，因此外延技术无法突破晶格失配的技术限制，无论采用何种改良外延法（Huang, S., et al. (2012). Depth-dependent etch pit density in Ge epilayer on Si substrate with a self-patterned Ge coalescence island template. Thin Solid Films, 520(6), 2307-
2310.；Currie, M. T., et al. (1998). Controlling threading dislocation densities in Ge on Si using graded SiGe layers and chemical-mechanical polishing. Applied Physics Letters, 72(14), 1718-1720.；Li, Q., Han, et al. (2003). Selective growth of Ge on Si (100) through vias of SiO2 nanotemplate using solid source molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters, 83(24),
5032-5034.），Si上Ge薄膜的外延都会在Ge薄膜中引入高密度的穿透位错，目前采用外延法可以将Si基Ge薄膜表面的穿透位错密度降低至 106 cm-2左右，但这个量级的穿透位错密度~
仅仅局限在Ge薄膜的表面，离Si衬底越近的地方，穿透位错密度越高（Li, Q., Han, et al. (2003). Selective growth of Ge on Si (100) through vias of SiO2 nanotemplate using solid source molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters, 83(24), 5032-5034.），在Ge/Si外延界面穿透位错密度高达 1010 cm-2（Huang, ~
M., et al. (2017). Germanium on silicon avalanche photodiode. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 24(2), 1-11.）。
19.），Ge片和Si片可以在温度低于300 °C实现高强度的键合，且在低温下穿透位错可以被彻底隔绝，这为Si基异质混合集成提供了新的思路。集成温度低、无穿透位错和可保留体Ge的晶体质量是低温异质集成区别于甚至优于高温外延技术的三个主要优势。更重要的是将Ge/Si异质键合和智能剥离技术（Smart-Cut）相结合可以实现Si基Ge薄膜的智能剥离（Gity, F., et al. (2012). Characterization of germanium/silicon p-n junction fabricated by low temperature direct wafer bonding and layer exfoliation. Applied Physics Letters, 100(9), 092102.）。然而目前虽然可以通过注H+的方式实现Ge薄膜的智能剥离，但是与制备SOI的工艺类似的是由于H+的注入会导致Ge薄膜中存在大量的点缺陷（Maleville, C., et al. (1997). Wafer bonding and H-implantation mechanisms involved in the Smart-cut® technology. Materials Science and Engineering: B, 46(1-3), 14-19.），不同于SOI的是，Ge/Si键合很难承受高温热处理，这主要是由于低温键合的Ge/Si界面的原子键能比外延界面的原子键能弱，而且Ge和Si之间存在较大的热失配，因此Ge/Si键合片的退火温度不宜过高，否则有可能引起Ge薄膜从键合界面脱落。因此，如何在室温下修复或去除剥离Ge薄膜中的点缺陷、提高Si基和SOI基Ge薄膜的晶体质量是目前将低温异质混合集成技术应用到光电子领域亟待解决的关键问题。
发明内容
1）将Si片、SOI片和Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
2）经步骤1）清洗完的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~4 min，去离子水冲洗10 15次；
~
3）经步骤2）冲洗完的Ge片放入PECVD真空腔，生长一层SiO2作为离子注入保护层；
4）经步骤3）生长完SiO2的Ge片放入离子注入真空腔，接着对Ge表面进行H+注入；
5）经步骤4）H+注入完的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡10 min，去除Ge表面
90 nm SiO2，去离子水冲洗10~15次；
6）经步骤5）冲洗完的Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
7）经步骤1）有机超声清洗完的Si片和SOI片先用体积比为4:1的H2SO4:H2O2溶液煮沸10
15 min，去离子水冲洗10 15次，再将Si片和SOI片用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2 4 ~ ~ ~
min，去离子水冲洗10 15次；
~
8）经步骤7）处理完的Si片和SOI片先用体积比为1:1:4的NH4OH:H2O2:H2O溶液煮沸10~
15 min，去离子水冲洗10 15次，再将Si片和SOI片用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2 4 ~ ~
min，去离子水冲洗10 15次；
~
9）经步骤上述8）处理完的Si片和SOI片先用体积比为1:1:4的HCl:H2O2:H2O溶液煮沸10~15 min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片和SOI片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~
4 min，去离子水冲洗10 15次；
~
10）经步骤9）处理完的Si片和SOI片用涂胶机甩干后放入磁控溅射系统，待溅射室本底真空度小于1×10-4 Pa，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，通过调节Ar气流量调节溅射室内气压；
11）室温下，在Si片和SOI片表面溅射一层a-Ge薄膜，通过控制磁控溅射靶位电流和样品托转速来调节溅射a-Ge薄膜的速率；
12）经步骤11）溅射完a-Ge薄膜后，在a-Ge薄膜上沉积SiO2保护层并对a-Ge薄膜对进行高温热处理；
13）经步骤12）热处理完的Si片和SOI片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡10 ~15 min，去除SiO2保护层，去离子水冲洗10 15次；
~
14）经步骤6）热处理完的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡2~4 min，去除Ge表面氧化层，去离子水冲洗10 15次；
~
15）经步骤13）处理完的Si片和SOI片和经上述14）步骤处理完的Ge片采用涂胶机甩干，并将Ge片与Si片、Ge片和SOI片贴合在一起；
16）经步骤15）贴合后的Ge/Si和Ge/SOI贴合片放入键合机内进行低温短时间热压键合；
17）经步骤16）获得的Ge/Si和Ge/SOI键合片放入管式退火炉中进行分步骤短时间退火，实现Si基和SOI基Ge薄膜的剥离；
18）经步骤17）剥离后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用手动化学机械抛光对Ge薄膜的剥离表面进行抛光；
19）经步骤18）抛光后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除Ge薄膜表面吸附颗粒物和有机物；
20）经步骤19）清洗后的Ge/Si和Ge/SOI样品放入ICP刻蚀系统，待刻蚀室本底真空度小于1×10-4 Pa，向刻蚀室内充入纯度为5N的SF6气体，通过调节SF6气流量调节刻蚀室内气压；
21）室温下，采用小功率RIE刻蚀技术对Ge薄膜表面的离子注入损伤层进行刻蚀，通过控制刻蚀功率和衬底温度来调节刻蚀速率；
22）经步骤18）抛光后和经21）步骤刻蚀后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用AFM和双晶XRD对Ge薄膜的表面粗糙度和晶体质量进行测试。
具体实施方式
1）将Si片、SOI片和Ge片，用丙酮、乙醇、去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面附着颗粒物和有机物；
2）将有机清洗完的Ge片采用配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2 4 min，去离子水冲洗10~
次；
3）将冲洗完的Ge片放入PECVD真空腔，托盘加热到130 °C，在Ge片上生长90 nm的SiO2作为离子注入保护层，生长速率为24 nm/min；
-6
4）将生长完SiO2的Ge片放入离子注入真空腔，待真空压强达到10 Torr时对Ge表面进行H+注入，离子注入光栏为5 cm×5 cm，注入能量为150 keV，注入剂量为5×1016 cm-2，束流不超过116 μA，注入功率密度为0.7 W/cm2，没有对衬底加热或用液氮冷却，离子束偏离样品法线7°以避免沟道效应；
5）将离子注入完的Ge片采用HF:H2O=1:20的溶液浸泡10 min，去除Ge表面90 nm SiO2，去离子水冲洗10次；
6）将冲洗完的Ge片用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
7）将有机超声清洗完的Si片和SOI片先用配比为H2SO4:H2O2 =4:1的溶液煮沸10 min，去离子水冲洗10~15次，再用配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2mim，去离子水冲洗10次；
8）接着用配比为NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10 min，去离子水冲洗10~15次，再用配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2 min，去离子水冲洗10次；
9）最后用配比为HCl:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10 min，去离子水冲洗10次，再用配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2min，去离子水冲洗15次；
二，Ge薄膜的智能剥离和刻蚀
1）将清洗完的Si片和SOI片用涂胶机在4000rpm甩干30 s后放入溅射沉积系统，待磁控-4
溅射室本底真空度小于1×10 Pa时，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，通过通入的气体流量为6.5 sccm的气体使溅射室内的压强保持在0.5 Pa，同时开启直流溅射电源；
2）在室温下，调节直流溅射电源电流为0.3 A，电压为406 V，样品托转速为10 rpm，在Si片和SOI片上溅射一层厚度为30 nm的a-Ge薄膜，沉积速率为23 nm/min；
3）将Ar气流量调至21 sccm，保持真空腔内气压为0.78 Pa，开启磁控溅射射频电源，将射频功率调至150 W，在a-Ge上薄膜溅射50 nm SiO2薄膜，作为退火保护层；
4）将溅射完SiO2薄膜的Si片和SOI片放入管式退火炉中，在600 °C退火5 min，实现a-Ge薄膜的多晶化；
5）将退火后的Si片和SOI片取出，采用体积比为1:20的HF:H2O的溶液浸泡10 min，去除表面的SiO2，去离子水冲洗15次；
6）将有机清洗后的Ge片采用体积比为1:20的HF:H2O溶液浸泡3 min，去离子水冲洗15次；
7）将Si片、SOI片和Ge片采用涂胶机在4000rpm甩干30 s，接着将Si片和SOI片分别与Ge片进行贴合，并用手指给贴合后的样品施加一定的压力，在挤出界面气泡的同时使贴合样品贴合强度更高；
8）将贴合后的Ge/Si和Ge/SOI样品放入键合机内，待键合机内真空压强小于10-5 Torr后对Ge/Si和Ge/SOI样品键合片进行热压，施加的压力为800 N，温度为150 °C，升温速率为
5 °C/min，热压时间为1 h；
9）将热压后的键合片放入管式退火炉中进行分步骤短时间退火，首先将温度升到100 °C退火1 h，接着将温度升到200 °C退火1 h，接着将温度升到300 °C退火1 h，最后将温度升到400 °C退火1 h实现Si基和SOI基Ge薄膜的短时间剥离，升温降温速率为5 °C /min；
10）将剥离后的Ge/Si和Ge/SOI样品采用石蜡将Si片和SOI片背面粘附于加热板上温度为70 °C的研磨台，而后将研磨台从加热板上取下直至石蜡固化，使Si片和SOI片紧紧粘附于研磨台上；
11）采用配比为compol80:H2O=1:3（v/v）的抛光液在聚氨酯抛光垫上采用八字形研磨路径对剥离Ge薄膜表面进行抛光20 min；
12）将抛光完的Ge/Si和Ge/SOI样品采用丙酮、乙醇和去离子水分别依次超声清洗10 min，去离子水冲洗10 15遍，去除剥离Ge薄膜表面吸附颗粒物；
~
13）将清洗后的Ge/Si和Ge/SOI样品用涂胶机在4000rpm甩干30 s后放入刻蚀室内，待刻蚀室本底真空度小于1×10-4 Pa，向溅射室内充入纯度为5N的SF6气体，通过调节气体流量控制刻蚀室内的压强，当通入的气体流量为30 sccm时刻蚀室内的压强保持在0.5 Pa，同时开启射频电源；
14）在室温下，调节射频电源功率为100 W，衬底温度为20 °C，刻蚀掉顶层700 nm Ge薄膜，刻蚀速率为315 nm/min；
15）将刻蚀前后的剥离Ge薄膜采用AFM和双晶XRD对Ge薄膜的表面粗糙度和晶体质量进行测试，结果见图1、图2。从图1(a)和(b)中可以看出，采用手动化学机械抛光技术抛光后的Si基Ge薄膜表面极为平整，表面RMS仅为0.167 nm，刻蚀后Ge薄膜表面RMS有所提高，但是仍然控制在0.5 nm左右。SOI基Ge薄膜抛光前后也表现出相似的结果，如图图1(c)和(d)所示。
图2(a)和(b)为Si基剥离Ge薄膜刻蚀前后双晶XRD测试图。从图中可以看出刻蚀前Ge薄膜的XRD曲线不对称，在峰位的左肩出现一个肩峰，这主要是Ge薄膜中不均匀的压应变导致的，而且峰的下半部分较宽，这主要是由于Ge薄膜中的点缺陷导致的。当对Ge薄膜进行刻蚀后，Ge峰变得对称，肩峰消失，且Ge峰的下半部分变窄，这表明在刻蚀后Ge薄膜中的不均匀压应变得到释放，且Ge薄膜中的点缺陷得到修复。SOI基Ge薄膜的刻蚀也表现出相似的结果，如图3所示。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
