一种柔性薄膜结构制备方法

本发明属于柔性电子领域，具体涉及一种柔性薄膜结构制备方法，可应用于柔性器件的开发。

背景技术：

1、万物互联时代的到来使得人类对于数据测量的需求猛增，面对人体健康状态、飞机发动机叶片工作状态等诸多测量场景时，待测物体的大量不规则曲面使得硬质器件很难胜任工作，柔性器件的出现为解决这一问题提供了新思路。柔性传感器作为柔性器件的一类，其技术难点在于如何获得性能良好、结构可靠的柔性薄膜结构，现有方案之一是通过键合材料的热固化效应将块状材料键合在柔性衬底上，之后通过机械研磨等手段将块材减薄到特定厚度从而形成柔性薄膜结构，此方案缺陷在于目前的键合材料按照组分主要分为有机和无机两大类，前者固化后键合状态好、强度高，但有机组分很难耐受高温，后者固化后高温耐受性好，但键合状态差，容易发生解键合，这对后续基于此方案所开发器件的可靠性与稳定性提出了严峻挑战。基于此，本发明提供了一种新型的柔性薄膜结构制备方法。

2、发明原理：

3、离子注入剥离(crystal ion slicing，cis)是一种制备薄膜的技术方案，又被称为“smart cut”，其中包含了离子注入和衬底制备两种技术。其原理是在晶圆表面注入大能量、高剂量的氢离子(h+)/氦离子(he+)等轻离子，这些离子被轰击进入靶材后，将受到靶材内部原子、电子力等的阻碍，能量不断衰减进而停留在靶材中，并在注入面下特定深度范围形成气泡层。离子注入晶圆经过高温退火的促进作用，内部气泡不断融合生长，这一现象被称为“起泡”现象，当气泡达到一定数量后，将使得晶圆在气泡层发生裂解，离子注入层保留在衬底上，从而达到剥离薄膜的目的。cis技术优势在于：

4、1.离子注入时的能量和剂量均可控，因此可以通过调控注入能量和剂量实现对注入晶圆的注入深度、数量的控制；

5、2.离子注入的均匀性很高，尤其是在大面积晶圆注入时，几乎所有的注入离子都停留在特定深度附近形成气泡层；

6、3.薄膜直接从晶圆上剥离，其晶体结构等各项理化性质几乎与晶圆保持一致，尤其是对于单晶薄膜的剥离，借助cis法可获得晶体状态媲美晶圆的单晶薄膜。

技术实现思路

1、本发明提供了一种柔性薄膜结构制备方法，其技术路线如下：

2、步骤1，以离子注入晶圆的注入面为附着面，通过电子束蒸发或磁控溅射等方式制备一层厚度在5～20nm的金属ti、cr或tiw等常见黏附层材料作为电极金属的黏附层；

3、步骤2，在黏附层金属上通过电子束蒸发或磁控溅射等方式制备一层厚度在20～100nm的金属au作为电极层；

4、步骤3，将晶圆置入电解槽中在电极层上沉积一层厚度在20～100μm的金属cu或ni等常见电化学沉积金属作为支撑衬底层；

5、步骤4，将沉积衬底层的离子注入晶圆置入加热炉中，在180～280℃下真空退火1～5h，晶圆内部生成大量气泡。晶圆内部气泡达到一定数量后，将沿着气泡层发生裂解，最终将柔性薄膜保留在cu或ni等金属衬底上形成柔性薄膜结构。进一步，本发明的有益效果在于：

6、本发明提供的一种柔性薄膜结构制备方案，采用电化学沉积法直接生长金属衬底，使得柔性薄膜结构的最高工作温度可以达到衬底金属或柔性薄膜材料的相变点，这表明了其在高温柔性传感领域有极大的开发潜力，解决了键合方案中柔性薄膜结构的温度耐受性与键合状态不可兼顾的问题，提升了柔性器件的可靠性与稳定性，拓展了应用场景。

7、进一步，本发明所述的电化学沉积法制备柔性衬底的方案在工艺上更为成熟可靠，且由于是采用整晶圆沉积衬底，因此一次制备的柔性薄膜结构经切割后可用于数十个柔性器件的制备，因此成本低、开发周期短、更适合大批量工业化生产。

技术特征：

1.一种柔性薄膜结构制备方法，其特征在于：电化学沉积厚度为20～100μm的金属铜(cu)或镍(ni)等常见电化学沉积金属作为薄膜的柔性支撑衬底，氢离子(h+)/氦离子(he+)等轻离子注入晶圆作为薄膜来源，离子注入晶圆注入侧制备一层金属金(au)用作电化学沉积cu或ni等金属柔性衬底时的电极，au层与晶圆之间制备一层金属钛(ti)、铬(cr)或钛钨合金(tiw)等常见黏附层材料以增强au层与晶圆之间的结合力。

2.按照权利要求1所述一种柔性薄膜结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于柔性电子领域，具体涉及了一种柔性薄膜结构的制备方法，用于柔性器件研究中实现对柔性薄膜结构的快速、大批量制备。具体为使用电化学沉积法在离子注入晶圆的注入侧沉积一层铜(Cu)或镍(Ni)等常见电化学沉积金属作为薄膜的机械支撑衬底，利用离子注入剥离技术(CIS)将离子注入晶圆上的薄膜剥离，最终获得金属衬底厚度在微米量级，薄膜厚度在微米或者亚微米量级的柔性薄膜结构。本发明使用电化学沉积法生长金属衬底实现耐高温柔性金属衬底与薄膜材料的结合，解决了传统键合方案中键合材料或不耐受高温或键合状态不稳定的问题，可有效增强柔性薄膜结构的可靠性与稳定性。总之，以电化学沉积金属层作为衬底可提升柔性器件的极限工作温度，拓展应用场景，同时在整个工艺过程中，电化学沉积工艺成熟可靠、成本低廉、适合大规模制备柔性薄膜结构。技术研发人员：彭斌,高令桥,张万里,彭定康,王芝昊,陈瑞超受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26