专业高效
微纳加工公司

#金刚石键合 #金刚石氮化镓键合 #金刚石铌酸锂键合 #金刚石激光晶体键合

摘要——室温表面激活键合（RT-SAB）结合纳米厚硅中间层溅射技术，实现了钻石与单晶铌酸锂（LiNbO₃）的异质集成。利用智能切割技术，成功制备了高质量的单晶LiNbO₃薄膜，转移率超过90%，覆盖面积为10 mm²。有限元分析（FEA）表明，硅中间层减少了10%的热应力。通过第一性原理计算分析了钻石/LiNbO₃异质结。该异质结构保持了优越的压电性能，表现在LiNbO₃键合界面的全宽半最大值（FWHM）较小。拉曼光谱显示，界面残余应力为500 MPa，而热摇摆曲线则确认了温度循环过程中应力变化与模拟预测一致。扫描透射电子显微镜（STEM）证实了界面无缺陷。该研究标志着首次通过键合方法成功制备LNOD，为高性能表面声波（SAW）滤波器提供了关键进展，并提出了一个有前景的解决方案，用于将钻石与压电材料LiNbO₃集成。

关键词：钻石、铌酸锂、LiNbO₃、薄膜在钻石上、表面激活键合、热应力
LN/钻石表面声波 (SAW)

销售

#金刚石抛光 粗糙度 0.5nm以下 

#金刚石抛光 粗糙度 0.5nm以下

 #金刚石和铌酸锂键合小片 

#金刚石和激光晶体键合小片 

#金刚石和铌酸锂键合小片

#超平硅片 #高阻热氧片带traprichlayer

#SOi晶圆

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,6寸DUVKRF电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

请联系小编免费获取原文

a.High-Frequency High-Voltage Device and Integrated Circuits R&D Center, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China,

b.University of Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China,

c.SABers Co. Ltd. Tianjin 300450 China,

d.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China

1. 引言

铌酸锂是一种关键的压电材料，具有高的机电耦合系数 (k²: 10%-25%)【1-3】，在表面声波滤波器设备中提供卓越的性能，特别是在带宽和插入损耗方面【4-5】。与铝氮化物【6】和氧化锌（ZnO）【7】等其他压电材料相比，LiNbO₃表现出显著的优势，包括更大的压电常数和更高的剪切波声速。然而，用于SAW设备制造的块状LiNbO₃在声速和声波模式种类上存在限制，限制了k²、频率范围和温度稳定性的提升【8-9】。这些限制限制了其在未来高速传输场景中的应用。

为了克服这些挑战，研究人员已经将LiNbO₃与高声速材料（如SiC/【10-12】和Si/LiNbO₃【13-14】）集成。

其中，钻石具有自然材料中最高的声速【15】，显著增强了异质结构的声学性能【16】。将钻石与LiNbO₃薄膜集成，改善了SAW设备的频率特性和热管理【17】。已有几项研究探讨了LiNbO₃薄膜在钻石基板上的生长行为。M. Ishihara【18】研究了低温沉积方法，Lee JT【19】采用磁控溅射法制备(001)定向薄膜，Wang等人【20】使用脉冲激光沉积法并配以ZnO缓冲层成功地沉积了c轴定向LiNbO₃薄膜。这些研究表明，大多数LiNbO₃压电薄膜在钻石基板上是通过异质外延生长方法制备的。尽管进行了这些努力，但钻石和LiNbO₃之间的巨大晶格失配往往导致晶体质量较差【21】，限制了LiNbO₃高k²的利用。此外，晶体结构差异限制了外延生长的轴向选择，限制了SAW设备中多种声波模式的激发。

与外延方法不同，键合【22-23】提供了更大的设计灵活性，通过避免晶格失配带来的晶体质量退化。 RT-SAB【24-25】是其中一种能有效实现具有不同热膨胀系数（CTE）材料（如钻石（1.0×10⁻⁶/K）【15】和LiNbO₃（6.5×10⁻⁶/K）【1】）集成的方法，并能够有效减轻热应力积累【23】。然而，RT-SAB对晶圆表面条件提出了严格的要求，包括粗糙度低于0.5纳米、翘曲和弯曲小于5微米以及表面无缺陷。钻石的极端硬度使得表面处理变得复杂，难以实现所需的质量。此外，钻石和LiNbO₃之间显著的硬度差异使得LiNbO₃在过度键合压力下容易发生断裂，导致低的键合成功率。

为了将高质量的单晶LiNbO₃薄膜转移到钻石基板上，我们开发了针对LiNbO₃和钻石表面特性量身定制的表面处理协议，特别强调钻石表面，由于其极高的硬度和处理难度。从第一性原理计算的角度，我们阐明了为何LiNbO₃和钻石之间直接激活键合难以实现。为了克服硬度不匹配问题，我们溅射了硅纳米层作为界面键合层。利用RT-SAB，我们成功地将单晶钻石与高质量的LiNbO₃薄膜键合在一起。为了制备高质量的LiNbO₃薄膜，我们应用了智能切割技术，最终成功实现了基于键合的LNOD异质结构。XRD和STEM分析确认了优秀的晶体质量和无缺陷的键合界面。衍射峰位移表明存在残余应力，我们通过拉曼光谱量化了这一应力，并结合晶格失配进行了分析。为了评估LNOD结构的高温性能，我们在温度变化过程中监测了应力变化，并将结果与FEM模拟进行了比较。实验数据与模拟结果的高度一致，展示了一个稳健的框架，用于分析LNOD结构中的残余应力。该框架不仅增强了我们对这种异质结构应力管理的理解，还为未来其他材料系统中的应力分析提供了有价值的参考。本研究表明，钻石与LiNbO₃的集成显著拓宽了这两种材料在未来应用场景中的潜力。

2. 实验方法

为了实现LiNbO₃与钻石的键合，我们使用了一个900微米厚的单晶X切LiNbO₃晶圆，该晶圆预先植入了He+（160 keV，1016 离子/cm²）离子。然后将晶圆切割成1.5 cm × 1.5 cm的片状，准备进行键合实验。由于钻石制造技术的限制和多晶钻石表面处理的挑战，我们选择了一个尺寸为1 cm × 1 cm、厚度为300微米的单晶钻石基板进行键合。

由于钻石的极端加工难度，我们首先使用10 keV能量的离子束轰击钻石表面，剂量为2×10¹⁶离子/cm²，伴随多次抛光步骤来精细化表面。此过程有效地减少了表面粗糙度、晶圆翘曲和不平整度，满足了RT-SAB的严格要求。键合过程开始时，首先对钻石和LiNbO₃表面进行表面处理，使用氢氟酸和氨水的混合溶液进行清洗，接着进行丙酮、乙醇和去离子水中的超声波清洗，并在氮气流中干燥。这些处理有效去除了金属离子和有机污染物，达到了很高的表面洁净度。然后采用表面激活键合技术，在室温下实现两种材料之间的键合。样品被放置在键合设备中，并建立了高真空环境。使用氩气快原子束（Ar-FAB）辐射样品表面，激活键合位点并去除任何残余的表面污染物。

表面激活后，使用Ar-FAB溅射硅靶，向两个样品的表面沉积一层纳米厚的硅层。然后，在常温下施加300N的压力，将样品紧密接触，启动键合过程。键合完成后，异质结构的样品进行了高温退火处理，以增强界面粘附力。在300°C的高温退火过程中，植入的He+离子聚合成气泡，导致LiNbO₃薄膜在预定深度处控制性断裂。该过程成功实现了LiNbO₃薄膜的异质集成。

3. 结果与讨论

3.1 键合实验分析

标准的室温表面激活键合是一种无需热处理即可实现晶圆级集成的有效技术。其工作原理是使用等离子体或快原子束轰击待键合的材料表面，去除表面污染物和本征氧化层，从而暴露出高能原子并创建一个高度反应性的表面。当在室温下施加压力时，可以在激活表面之间形成强键合。RT-SAB技术要求材料具有极低的表面粗糙度。然而，由于钻石的异常硬度，使得其机械加工具有显著挑战。为了解决这个问题，我们采用了先进的等离子簇抛光技术，将钻石的表面粗糙度降至可接受的键合水平。在初步实验中，我们尝试了直接离子束轰击和钻石与LiNbO₃的压力键合。尽管多次调整键合参数，但未能成功实现键合（图2a）。这种失败主要归因于两种材料之间的固有差异。特别是，巨大的晶格失配、硬度差异和根本不同的材料类别使得钻石和LiNbO₃之间的直接键合极为困难。其他研究人员曾尝试通过外延生长方法实现集成，但也未成功，这突显了将高质量单晶LiNbO₃薄膜转移到钻石基板上的固有难度。这些因素进一步强调了直接键合这些材料的显著技术障碍。

图2：（a）直接激活键合，（b）溅射非晶硅中间层，（c）2英寸钻石/LiNbO₃键合晶圆，（d）LiNbO₃晶体（100）面，（e）钻石沿（100）面扩展后的结构，（f）系统能量随结构优化迭代的演变，（g）钻石和LiNbO₃之间的异质界面键合。

根据这些结果，我们采用了修改后的键合方法，在键合前在两个表面上沉积硅缓冲层。引入这个界面层显著提高了键合性能。通过逐渐增加溅射硅层的厚度并优化键合压力，我们在键合成功率和界面强度方面取得了持续的改进。此外，缓冲层在缓解两种材料之间的界面应力方面发挥了关键作用。图2b显示了经过多轮Si溅射后的键合结果，表明与单层沉积相比，键合成功率显著提高。图2c展示了一种2英寸钻石/李铌酸薄膜的键合结果，基于我们累积的实验经验，键合成功率超过60%。

为了研究直接激活键合失败的机制，我们进行了第一性原理计算，以分析界面上的原子级相互作用。图2d和图2e分别展示了为LiNbO₃和钻石构建的单位胞模型，然后通过晶格匹配和超胞扩展来模拟现实的界面配置。两种模型都经过结构优化，达到其最小能量状态。图2f展示了LiNbO₃/钻石异质结构在结构优化迭代过程中的能量演变。经过数百次迭代后，系统能量收敛到稳定值。图2g展示了最终优化的异质界面结构，其中C原子仅与Nb原子形成键，且键长保持相对较大。此外，在界面附近的钻石接触层中观察到了明显的晶格畸变。在实际实验中，钻石的高键能和表面稳定性使其对结构改造具有极高的抗性，这进一步增加了实现直接键合的难度。这些理论和实验结果共同证明了钻石和LiNbO₃之间直接表面激活键合的固有难度。

3.2. LNOD中LiNbO₃薄膜的表征

最成功的键合实验样品如图3a所示，键合后其结构保持完整。尽管LiNbO₃固有的脆性，红外观察显示在边缘有一些未键合区域，可能是由于样品切割造成的表面质量不佳。还观察到一些小空洞，这可能是由于短时间暴露于空气中导致的轻微污染。总体来说，键合过程在大部分样品区域内是成功的，键合率为92%，这表明键合条件有效地实现了LiNbO₃与钻石之间的可靠粘附。

图3：（a）钻石与LiNbO₃键合实验样品的图像，（b）退火后钻石上的LiNbO₃薄膜，（c）表面处理后的钻石表面AFM图像，（d）LiNbO₃的AFM图像，（e）LiNbO₃薄膜边缘的SEM图像，（f）LiNbO₃薄膜的SEM图像，（h）X切LiNbO₃单晶薄膜的XRD谱图，（i）LNOD中钻石的XRD谱图。图3b展示了经过退火和剥离后的钻石异质结构。高温退火过程导致键合区域在植入层处断裂，留下约480纳米厚度的残余薄膜，牢固地与钻石键合，从而形成了LNOD结构。这种退火处理成功地促进了键合区域中LiNbO₃薄膜的高质量剥离，薄膜转移率超过90%。

为了表征清洁钻石（图3c）和LiNbO₃（图3d）键合样品的表面形态，采用了原子力显微镜（AFM）【28】。酸碱溶液和丙酮中的超声波清洗有效去除了金属离子、有机污染物和其他表面杂质。清洗过程完成后，键合样品展现出较高的洁净度。钻石和LiNbO₃样品的表面粗糙度分别为0.338纳米和0.228纳米，没有明显的缺陷或峰值，确保了最佳的表面接触并满足了表面激活键合的要求。

图3e展示了样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，右侧部分展示了薄膜区域的对应图像，表明薄膜均匀连续地覆盖在钻石基板上，没有任何可察觉的断裂或剥离。图3f提供了更高放大的图像，显示LiNbO₃薄膜均匀且连续地涂覆在钻石基板上，表面形态优秀，没有显著的峰值或凹陷，表明了高质量的沉积和集成过程。

图3g展示了LNOD结构中X切LiNbO₃薄膜的X射线衍射（XRD）摇摆曲线。以（110）面为例，半峰宽（FWHM）反映了材料的晶体质量。转移后，LiNbO₃薄膜的摇摆曲线的FWHM【29】为0.154°，表明键合过程没有显著降低单晶压电材料的晶体质量。然而，观察到的FWHM变宽可能是由智能切割过程引起的表面层损伤，局部地降低了晶体质量。此外，高温退火可能引入残余应力，可能会影响峰值轮廓。为了提高晶体质量，进行了高温退火，FWHM减少到约初始值的一半。然而，比较两种结构时，衍射角略有偏移。这一偏移表明异质结构中可能存在残余应力，这可能影响材料的性能。为了量化这一残余应力，我们在后续分析中采用了拉曼光谱。如图3h所示，未观察到钻石基板特征峰的显著变化，可能是由于钻石材料的主导影响。

3.3. LNOD异质结构中界面完整性的综合分析

为了表征在室温下实现的坚固钻石/LiNbO₃键合界面，采用了聚焦离子束制备样品进行STEM观察【30】。图4a展示了钻石/LiNbO₃键合界面的横截面，清楚地揭示了钻石/硅中间层/LiNbO₃结构。材料之间紧密接触，非晶硅中间层的厚度约为16纳米。异质结构的上层由单晶LiNbO₃构成，如图4b所示，展示了LiNbO₃薄膜的高分辨率TEM图像。该图像显示了良好的原子排列，没有任何结构损伤的迹象。

图4：LNON结构的STEM和EDX图像：（a）显示具有非晶硅中间层的异质结构的图像，（b）LiNbO₃的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，（c）LiNbO₃的选区电子衍射（SAED），（d）LiNbO₃的晶格条纹图像，（e）LN/Si键合界面，（f）LN/Si键合界面的HRTEM图像，（g）LN/Si键合界面的晶格条纹图像，（h）Si/D键合界面，（i）Si/D键合界面的HRTEM图像，（j）Si/D键合界面的晶格条纹图像，（k）键合界面的元素分布与EDX映射中的EDS线，（l）C、Si、Fe、Nb和O的元素图。图4c展示了选区电子衍射（SAED）图案，表现出规则且清晰的衍射点，确认LiNbO₃薄膜具有优异的晶体质量。图4e展示了LiNbO₃/非晶硅界面的高分辨率图像，图4f提供了此区域的放大图，清楚地显示了LiNbO₃与硅层之间没有裂纹或纳米空隙。此外，在界面处观察到一层薄的（1.5纳米）非晶层，可能是通过溅射过程中的离子束轰击形成的。

图4h和图4i展示了钻石/硅界面的图像，显示了没有显著缺陷或位错的紧密键合。由于钻石是单晶材料，其原子排列可以清楚地在图4d中观察到，图4g和图4j展示了对应区域的傅里叶变换晶格条纹图像。这些图像揭示了所有单晶区域中清晰且有序的晶格条纹，表明没有位错或结构缺陷。

图4k展示了高分辨率能谱X射线（EDX）元素分布图，表示位置的变化。图4l展示了键合界面的映射，分别用红色、绿色、蓝色和绿松石色高亮显示了C、Si、Fe、Nb和O元素，Nb的少量重叠表明在沉积的Si层、钻石和LiNbO3之间形成了一个薄的过渡层，这促进了Si层与钻石以及LiNbO3的强粘附。Si扩散到相邻层的现象在图谱中未能检测到。在LiNbO3区域（图3k）中存在C元素，这归因于来自Nb的Bremsstrahlung背景辐射，它干扰了C的检测。实际的C含量非常少，如图3l所示，缺乏显著的粉红色区域。Fe的引入可能是由于键合设备中的杂质，这些杂质可能在氩气离子轰击和Si溅射过程中沉积。界面热导率表征了异质界面的热耦合效率。对于LNOD样品，我们使用时域热反射法测量了该结构的界面热导率，测得的值为37.33 MW/m²·K，足以满足后续应用中所制造设备的热传输要求。

3.4 LNOD中的热应力模拟与分析
对于非均匀材料，微电子制造过程常常会在结构内部产生一定程度的残余应力，这可能会对电气性能产生不利影响。环境温度变化过程中，异质结构中热应力的积累使得这一问题更加复杂。因此，表征和控制残余应力对于器件的可靠性和效率至关重要。拉曼光谱法[32]是一种宝贵的材料表征技术，提供了非破坏性、快速、非接触和精确的微观尺度机械测试，具有在微电子中进行应力和应变分析的重要优势。我们使用了波长为532 nm的单纵模激光，并通过专用激光驱动器（mpc3000，Laser Quantum）进行拉曼光谱测试，测试对象为钻石和LNOD异质结构。通过无应力声子位置的偏移，确定了双轴应力值。应力通过公式1[33]计算：𝜎 = (𝜔 − 𝜔₀) / 𝑘𝑅，其中k𝑅为拉曼频移因子。此方法用于评估室温键合后异质结构界面的残余应力，并测试不同温度下键合样品的原位拉曼光谱，以评估由于钻石与LiNbO3之间热膨胀系数（CTE）不匹配所产生的热应力，并将结果与仿真计算进行比较。

图5展示了异质结构中各组分及其对应的块体材料的拉曼光谱。图5a展示了LiNbO3在异质结构和块体形式中的拉曼光谱。与块体材料相比，LNOD异质结构中的LiNbO3拉曼光谱显示出峰宽和合并的现象，A1模态在630 cm−1，E模态在238 cm−1，最为突出。这表明LiNbO3薄膜的晶体质量有所下降，可能是由于残余损伤层（大约70 nm）和薄膜厚度的减少。拉曼频移显示A1模态的红移，表明LiNbO3薄膜中存在约600 MPa的压应力。图5b显示钻石在整个键合过程中保持了较高的晶体质量，且在1332 cm−1处有明显的特征峰。钻石的原位拉曼光谱显示蓝移，表明结构内部约有500 MPa的拉伸应力。

图5：拉曼光谱：(a) LN-LNOD和无应变的LiNbO3，(b) D-LNOD和无应变的钻石，(c) 室温下的界面拉曼光谱，展示了LNOD结构中LiNbO3的A1模式（630 cm−1）和钻石（1332 cm−1），(d) 无应变的LiNbO3块体样品的拉曼光谱的温度依赖性，(e) LN/Si表面上LN的拉曼光谱的温度依赖性。

图5c展示了LNOD结构中LiNbO3 A1模态（630 cm−1）和钻石（1332 cm−1）界面的拉曼光谱。根据现有的热应力数学模型和传统的梁弯曲理论，可以使用公式2计算LiNbO3薄膜在温度变化过程中在钻石上的热应力。

其中，E是薄膜的杨氏模量，𝑓和𝛾𝑓分别是薄膜的泊松比，𝛼𝑠和𝛼𝑓分别是基底和薄膜的热膨胀系数，𝑇𝑟和𝑇𝑑分别是工作温度和薄膜的制备温度。采用有限元分析软件建立了模型，如图所示，模拟温度变化过程中薄膜内应力的演化。通过理论计算评估了结构中应力的大小和分布。仿真结果（如图6b所示，包含Si缓冲层）表明，当温度从室温升高到523 K时，LiNbO3薄膜中央区域的热应力几乎呈线性上升，最终达到约500 MPa。比较了两种模型：一种有Si中间层，另一种没有，以评估LiNbO3薄膜中的热应力。图6b、图6c和图6d的结果显示，Si中间层显著减少了温度变化过程中的热应力。这表明，在键合过程中引入的Si中间层减轻了LiNbO3和钻石之间的热膨胀不匹配，从而缓解了LiNbO3薄膜中的热应力。事实上，Si作为14族元素（与碳类似）具有与钻石高度兼容的晶体结构。利用硅作为中间层不仅更有效地缓解了钻石和锂铌酸盐之间固有的晶格不匹配，还在一定程度上减轻了这两种材料之间的热不匹配问题。此外，发现热应力随着位置变化而变化：在薄膜的中心最小，向边缘增加。在温度变化过程中，边缘区域的热应力显著增加，这有助于解释为什么在升降过程中过成功脱离的薄膜区域比靠近边缘的键合区域要小。

图6：(a) 带硅中间层的有限元热应力仿真模型，用于LNOD结构，(b) 基于两种不同模型计算的薄膜热应力，温度从室温变化到523K，(c) 在398.15K下通过两种不同模型模拟得到的LiNbO3薄膜的热应力分布，(d) 在523.15K下，(e) 在LNOD结构中，基于拉曼峰位移计算的LiNbO3薄膜和钻石的界面应力，随温度变化。

图5d显示了无应变的LiNbO3块体样品的拉曼光谱，而图5e展示了在223 K到523 K的温度范围内，钻石基底上的LiNbO3薄膜的拉曼光谱。630 cm−1的特征峰对应于LiNbO3的A1振动模。LiNbO3的块体和薄膜都表现出了明显的红移。随着温度升高，薄膜和块体的拉曼峰出现明显的红移。利用公式1，根据拉曼峰位移计算了LiNbO3薄膜和钻石基底中的应力，如图6e所示。室温下，LiNbO3薄膜表现出约600 MPa的初始压应力。随着温度的升高，LiNbO3相对于钻石基底的热膨胀系数较大，导致薄膜的热膨胀增强，从而产生了日益增加的压缩热应力。从室温到523 K，LiNbO3薄膜中的热应力增加了约600 MPa，这与理论计算一致。同时，钻石基底在热循环过程中经历了由扩展的薄膜引起的拉伸应力，表现为拉曼光谱中的频率偏移。随着温度的升高，频率偏移的幅度增大，表明钻石中热应力的积累。仿真结果准确预测了实验中观察到的应力变化趋势，显示实验数据和理论预测之间具有良好的吻合。这种集成的薄膜制备和应力分析方法为优化薄膜制备和应力管理提供了宝贵的见解，有助于提高高性能电子器件制造中的效率和可靠性。

4.结论
在本研究中，我们开发了针对LiNbO3和钻石的标准化表面处理过程，以实现最佳的表面条件以进行激活键合。基于第一性原理计算，我们阐明了实现LiNbO3和钻石之间直接激活键合的固有挑战。结合智能切割技术的RT-SAB方法成功地将钻石与单晶压电LiNbO3集成，制造了大面积LiNbO3压电薄膜。通过XRD和STEM对制备的薄膜的晶体质量和材料界面的完整性进行了全面表征。结果表明，异质结构中的LiNbO3薄膜保持了良好的晶体质量，而键合界面表现出均匀的粘附，无缺陷或空隙。此外，我们建立了一个全面的分析框架，用于研究温度变化过程中LNOD异质结构中的热应力，结合有限元建模和实验拉曼光谱。仿真结果与实验数据高度一致，验证了分析方法的有效性。本研究为未来薄膜异质结构制备和应力管理的研究奠定了可靠的方法论基础。所制备的LNOD结构展现出在高频、高功率SAW滤波器应用中的巨大潜力，为当前性能限制问题提供了有效解决方案。该方法使基于LiNbO3的新型器件配置成为可能，扩展了潜在的应用领域，并推动了压电技术的进步。