分離裝置、分離方法及制造半導體襯底的方法

專利名稱：分離裝置、分離方法及制造半導體襯底的方法
技術領域：
本發明涉及一種部件分離裝置和方法及制造半導體襯底的方法。
具有SOI(絕緣體上的硅)結構的襯底(SOI襯底)已知為絕緣層上具有單晶Si層的襯底。利用這種SOI襯底的器件具有許多利用普通Si襯底所不能得到的優點。以下是這些優點的例子。
(1)由于容易介質隔離，所以可以提高集成度。
(2)可以提高耐輻射性。
(3)由于雜散電容小，所以可以提高器件的工作速度。
(4)不需要阱步驟。
(5)可以防止閂鎖。
(6)通過薄膜形成，可以形成完全耗盡型場效應晶體管。
由于SOI襯底具有上述種種優點，對其形成方法的研究已進行了幾十年。
關于一種SOI技術，長時間來只知道一種Si利用CVD(化學汽相淀積)法異質外延生長于單晶蘭寶石襯底上的SOS(蘭寶石上的硅)技術。這種SOS技術已經成為最成熟的SOI技術。然而，例如由于晶格失配，在Si層和底層蘭寶石襯底間的界面處產生了大量晶體缺陷，構成蘭寶石襯底的鋁混在Si層中，這種襯底昂貴，且不能獲得大面積，所以到目前為止，SOS技術仍不能實用。
SOS技術后，出現了利用掩埋氧化層的SOI技術。關于這種SOI技術，檢查了種種方法來減少晶體缺陷或降低制造成本。這些方法包括在襯底中離子注入氧從而形成掩埋氧化層的SIMOX(離子注入氧分離)法，通過氧化膜鍵合兩晶片，并拋光或腐蝕一個晶片從而在氧化膜上留下薄單晶硅層的方法，從具有氧化膜的Si襯底表面離子注入氫到一定深度，將該襯底與另一襯底鍵合，通過加熱等在氧化膜上留下薄單晶硅層，并剝離鍵合襯底中的一個(另一襯底)的方法。
本申請人在日本專利申請公開5-21338中公開了一種新SOI技術。按該技術，在具有多孔層的單晶半導體襯底上形成無孔單晶層(包括單晶硅層)，得到第一襯底，將第一襯底通過絕緣層(SiO2)鍵合到第二襯底上。然后，在多孔層分離襯底，從而將無孔單晶層轉移到第二襯底上。由于該SOI層的膜厚均勻性好，可以降低SOI層的晶體缺陷密度，SOI層的表面平面性好，不需要昂貴的特殊規格的制造設備，且可以利用單一制造設備制造具有幾百埃到10微米厚的SOI膜的SOI襯底，所以很有益。
本申請人在日本專利公開7-302889中公開了一種技術，鍵合第一和第二襯底，不使第一襯底破裂地分離第一和第二襯底，使分離的第一襯底表面光滑，在第一襯底上形成多孔層，并再利用該襯底。由于不浪費第一襯底，所以該技術在極大降低制造成本和簡化制造工藝方面很有利。
例如，在日本專利公開5-21338中公開的方法中，即通過絕緣層鍵合多孔層上具有無孔單晶Si層的第一襯底和第二襯底得到鍵合襯底，在多孔層分離鍵合襯底，從而將形成于第一襯底側上的無孔層轉移到第二襯底上，分離鍵合襯底疊片的技術非常重要。
例如，在分離鍵合襯底疊片時，如果在除作分離層的多孔層外的部分分離，則將用作有源層的無孔層(例如單晶硅層)會破裂，所以不能得到所需要的SOI襯底。
本發明考慮到上述情況，其目的是防止在分離盤形部件例如鍵合襯底疊片時產生任何缺陷。
根據本發明的的第一方面，提供一種分離其內具有分離層的盤形部件的分離裝置，其特征在于包括固定機構，用于固定盤形部件，同時繞垂直于分離層的軸旋轉盤形部件，流體噴射部分，用于將流體流注入到由固定部分固定的盤形部件的分離層，從而利用流體在分離層分離盤形部件，其中在分離盤形部件的外圍部分時，盤形部件的旋轉方向、流體的運動方向和噴射部分的位置保持滿足以下條件，即，在流體注入到盤形部件的位置，盤形部件速度的運動方向分量為負值。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，例如，在分離盤形部件的外圍部分時，噴射部分較好是噴射具有一定壓力的流體，在該壓力下，盤形部件的最外圍部分因注入到盤形部件中的流體，從內向外分離。
根據本發明第一方面的分離裝置較好還包括例如控制部分，用于控制從噴射部分噴射的流體的壓力。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，控制部分較好是例如根據分離處理的進展改變流體的壓力。
根據本發明第一方面的分離裝置較好還包括例如驅動機構，用于使噴射部分沿分離層運動。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，例如，在分離盤形部件的外圍部分時，驅動機構較好是調節噴射部分的位置，以便流體注入到外圍部分中，在分離盤形部件中心時，驅動機構較好是調節噴射部分的位置，使流體注入到中心。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，分離層例如較好是比盤形部件的其余部分更易碎。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，分離層例如較好是多孔層。
在根據本發明第一方面的分離裝置中，分離層例如較好是具有多層結構的多孔層。
根據本發明的第二方面，提供一種分離其內具有分離層的盤形部件的分離裝置，其特征在于，包括固定部分，用于固定盤形部件，流體噴射部分，用于將流體流注入到由固定部分固定的盤形部件的分離層，從而利用流體在分離層分離盤形部件，其中在分離盤形部件的外圍部分時，分離處理在以下條件下進行，即，盤形部件的最外圍部分因注入到盤形部件中的流體，從內向外分離。
在根據本發明第二方面的分離裝置中，固定部分例如較好是具有旋轉機構，用于固定盤形部件，同時旋轉盤形部件。
根據本發明的第三方面，提供一種分離方法，其步驟是繞垂直分離層的軸旋轉其內具有分離層的盤形部件，從噴射部分噴射流體流到分離層中，從而利用流體在分離層分離盤形部件，其特征在于，包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在盤形部件的旋轉方向、流體的運動方向和噴射部分的位置保持滿足以下條件，即，假定流體的運動方向為正方向，在流體注入到盤形部件的位置，盤形部件外圍部分速度的運動方向分量為負值時，分離盤形部件的外圍部分。
按根據本發明第三方面的分離方法中，外圍部分分離步驟較好是例如包括從噴射部分噴射具有一定壓力的流體，在該壓力下，盤形部件的最外圍部分因注入到盤形部件中的流體，從內向外分離。
根據本發明第三方面的分離方法較好還包括例如控制步驟，控制從噴射部分噴射的流體的壓力。
按根據本發明第三方面的分離方法，分離層例如較好是比盤形部件的其余部分更易碎。
按根據本發明第三方面的分離方法，分離層例如較好是多孔層。
按根據本發明第三方面的分離方法，分離層例如較好是具有多層結構的多孔層。
根據本發明第四方面，提供一種分離方法，其步驟為固定其內具有分離層的盤形部件，從流體噴射部分將流體流注入到分離層，從而利用流體在分離層分離盤形部件，其特征在于，包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在以下條件下分離盤形部件的外圍部分，即，盤形部件的最外圍部分因注入到盤形部件中的流體，從內向外分離。
按根據本發明第四方面的分離方法，外圍部分分離步驟較好是包括例如在繞垂直于分離層的軸旋轉盤形部件的同時進行分離處理。
根據本發明第五方面，提供一種制造半導體襯底的方法，其特征在于，包括以下步驟制備其內具有多孔層和多孔層上的無孔層的第一襯底；通過無孔層鍵合第一襯底和第二襯底，形成鍵合襯底疊片；在繞垂直于多孔層的軸旋轉鍵合襯底疊片，并噴射流體流，將流體注入到多孔層的同時，在多孔層將鍵合襯底疊片分離成兩個襯底，其中分離步驟包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在鍵合襯底疊片的旋轉方向、流體的運動方向和噴射部分的位置保持滿足以下條件，即，在流體注入到鍵合襯底疊片的位置，鍵合襯底疊片速度的運動方向分量為負值時，分鍵合襯底疊片的外圍部分。
根據本發明第六方面，提供一種制造半導體襯底的方法，其特征在于，包括以下步驟制備其內具有多孔層和多孔層上的無孔層的第一襯底；通過無孔層鍵合第一襯底和第二襯底，形成鍵合襯底疊片；在繞垂直于多孔層的軸旋轉鍵合襯底疊片，并噴射流體流，將流體注入到多孔層的同時，在多孔層將鍵合襯底疊片分離成兩個襯底，其中分離步驟包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在以下條件下分離鍵合襯底疊片的外圍部分，即，鍵合襯底疊片的最外圍部分因注入到鍵合襯底疊片中的流體，從內向外分離。
從以下結合附圖對本發明實施例的詳細介紹中，可以更清楚本發明的其它目的、特點和優點。


圖1A-1E是介紹根據本發明一個優選實施例的制造SOI襯底的各步驟的剖面圖；圖2是展示本發明的該優選實施例的分離裝置的配置的示圖；圖3是展示本發明的該優選實施例的分離裝置的配置的示圖；圖4是展示利用自動驅動裝置驅動的噴嘴的運動路徑的示圖；圖5是介紹適用于分離鍵合襯底疊片的外圍部分的鍵合襯底疊片的旋轉方向(鍵合晶片對的旋轉方向)、流體噴射方向、和第一操作位置(噴嘴的位置)間關系的示圖；圖6是示意性展示不滿足外圍部分分離條件時鍵合襯底疊片的分離過程的示圖；圖7是示意性展示滿足外圍部分分離條件時鍵合襯底疊片的分離過程的示圖；圖8是示意性展示圖7所示鍵合襯底疊片的沿線S-S’取的剖面的示圖；圖9是展示調節襯底固定部分之間間隔的調節機構的第一配置的示圖；圖10是展示調節襯底固定部分之間間隔的調節機構的第二配置的示圖；圖11是展示分離處理期間控制噴射壓力的實例的曲線圖；圖12是展示典型的鍵合襯底疊片的剖面圖。
下面結合附圖介紹本發明的優選實施例。
圖1A-1E是介紹根據本發明一個優選實施例的制造SOI襯底的各步驟的剖面圖。
在圖1A所示步驟中，準備單晶Si襯底11，例如利用陽極氧化，在單晶Si襯底11的表面上形成多孔Si層12。多孔Si層12可以是具有不同孔隙率的多層的多層結構。
在圖1B所示的步驟中，利用外延生長在多孔Si層12上形成單晶Si層13作為無孔層。氧化單晶Si層13的表面，形成SiO2層14作為無孔絕緣層。利用該工藝，形成第一襯底10。多孔Si層12例如可以利用在單晶Si襯底11中注入離子的方法(離子注入)形成。利用該方法形成的多孔Si層具有多大量微腔，因此稱作微腔層。
在圖1C所示步驟中，制備單晶Si襯底作為第二襯底20。在室溫下使第一襯底10和第二襯底20彼此緊密接觸，同時使第一襯底10的SiO2層14與第二襯底20相對。此后，通過陽極化鍵合、加壓、加熱或它們的組合，鍵合第一襯底10和第二襯底20。利用該工藝，形成第二襯底20與SiO2層14牢固鍵合的鍵合襯底疊片30。如上所述，SiO2層14可以形成于單晶Si層13上。或者，絕緣層14可以形成于第二襯底20上或兩個襯底上，只要在使第一和第二襯底彼此緊密接觸時，能夠得到圖1C所示狀態便可。
在圖1D所示步驟中，在多孔Si層12分離鍵合襯底疊片30。第二襯底側(10”+20)具有由多孔Si層12”/單晶Si層13/絕緣層14/單晶Si襯底20構成的多層結構。第一襯底側(10’)具有多孔Si層12’形成于單晶Si襯底11上的結構。
去掉其余的多孔Si層12’，并根據需要平面化多孔Si層12’的表面后，分離的第一襯底(10’)用作第二襯底20或用于再形成第一襯底10的單晶Si襯底11。
分離了鍵合襯底疊片30后，在圖1E所示步驟中，選擇性去掉第二襯底側(10”+20)表面上的多孔層12”。利用該工藝，得到具有由單晶Si層13/絕緣層14/單晶Si襯底20構成的多層結構的襯底即SOI襯底。
在該實施例中，在圖1D所示步驟中，即在分離鍵合襯底疊片30的步驟中，采用一種分離裝置，它向作為分離層的多孔層噴射高壓液體或氣體(流體)，從而在分離區將襯底分成兩個襯底。
(分離裝置的基本配置)該分離裝置采用水射流法。一般情況下，水射流法向工件噴射高速、高壓水流，例如切割或處理陶瓷、金屬、混凝土、樹脂、橡膠或木頭等，從表面上去掉涂層膜，或清潔表面(“水射流”第1卷，第1期，第4頁(1984))。
該分離裝置在鍵合襯底疊片的平面方向，向作為鍵合襯底疊片的易碎結構的多孔層(分離區)，噴射高速、高壓流體流，以選擇性使多孔破裂，從而在多孔層分離襯底疊片。該流體流此后將稱為“射流”。作為構成射流的流體，可以用水、例如醇等有機溶劑、例如氫氟酸或硝酸等酸、例如氫氧化鉀等堿、例如空氣、氮氣、碳酸氣、稀有氣體或腐蝕氣體等氣體、或等離子體。
該分離裝置向鍵合襯底疊片的多孔層(分離層)噴射射流，以便從外圍部分到中心部分去掉多孔層。利用該工藝，只去掉了機械強度低的分離區，而不會損傷主體部分，將鍵合襯底疊片分成了兩個襯底。
噴射射流的噴嘴不僅可以采用圓形的，而且可以采用其它各種形狀。例如，在采用具有長矩形剖面的槽形噴嘴噴射射流時，射流可有效地噴射到分離層。
射流噴射條件例如可根據分離區(例如多孔層)的類型或鍵合襯底疊片的形狀等確定。關于射流噴射條件，例如加于流體上的壓力、射流掃描速度、噴嘴寬度或直徑(該直徑基本上與射流直徑相同)、噴嘴形狀、噴嘴與分離層間的距離、和射流的流量等為重要的參數。
為防止損傷襯底，在鍵合襯底疊片的軸向加的分離力例如較好是每cm2幾百gf。
圖2是展示根據本發明的該實施例的分離裝置的配置的示圖。分離裝置100在旋轉鍵合襯底疊片30的同時將射流注入到多孔層12中，從而將鍵合襯底疊片分成兩個襯底。
分離裝置100具有襯底固定部分108和109，它們具有真空夾盤機構108a和109a。襯底固定部分108和109從兩側夾住鍵合襯底疊片30并固定之。如上所述，鍵合襯底疊片30具有多孔層12作為易碎結構，并在多孔層12被分離裝置100分離成兩個襯底(圖1D)。
襯底固定部分108和109位于一個旋轉軸上。襯底固定部分108耦合到通過支撐件104由支撐臺102旋轉軸向支撐的旋轉軸106的一端。旋轉軸106的另一端耦合到固定于支撐部分110的驅動源(例如電機)110的旋轉軸上。被襯底固定部分108真空吸持的鍵合襯底疊片30在驅動源110產生的旋轉力作用下旋轉。關于鍵合襯底疊片30的分離，驅動源110根據來自控制器(未示出)的指令，以設定的旋轉速度旋轉旋轉軸106。
襯底固定部分109耦合到通過支撐件105由支撐部分103滑動且旋轉軸向支撐的旋轉軸107的一端。旋轉軸107的另一端耦合到驅動源(例如電機)111的旋轉軸。驅動源110使旋轉軸106旋轉的速度必須與驅動源111使旋轉軸107旋轉的速度相匹配，以防止鍵合襯底疊片30扭曲。
并不是總需要這兩個驅動源110和111，可以使用兩個驅動源中的任一個。例如，在只用驅動源110時，在分離鍵合襯底疊片30前，旋轉軸106、襯底固定部分108、鍵合襯底疊片30、襯底固定部分109及旋轉軸107整體旋轉。在鍵合襯底疊片30分成兩個襯底后，旋轉軸107側上的各單元保持靜止。
或者，由一個驅動源產生的旋轉力可以枝分，從而利用枝分的旋轉力分別使旋轉軸106和107旋轉。
支撐旋轉軸107的支撐部分103具有彈簧113，用于壓住鍵合襯底疊片30。因此，甚至在真空夾持機構108a和109a未吸持鍵合襯底疊片30時，利用從噴嘴112噴射的射流分離的兩個襯底也不掉落。在壓住鍵合襯底疊片30時，在分離期間，可以穩定地固定鍵合襯底疊片30。
旋轉軸106側也可以具有用于壓住鍵合襯底疊片30的彈簧。
高壓泵115接在噴嘴112上。高壓泵115為噴嘴112供應高壓流體(例如水)，射流從噴嘴112噴射出。從高壓泵115加于流體上的壓力受壓力控制部分116的控制。
分離裝置100具有用于驅動噴嘴112的自動驅動裝置。圖4是展示由該自動驅動裝置驅動的噴嘴的運動路徑的示圖。
自動驅動裝置450使距嘴112沿路徑410運動。在鍵合襯底疊片30將被襯底固定部分108和109固定時，或分離的襯底將被從襯底固定部分108和109上取下時，自動驅動裝置450使噴嘴112移動到再處理位置403。在鍵合襯底疊片將被分離時，自動驅動裝置450使噴嘴112運動到鍵合襯底疊片30的多孔層12上。
在該實施例中，為分離鍵合襯底疊片30的外圍部分，噴嘴112位于第一操作位置401，然后，在使噴嘴112從第一操作位置401移到第二操作位置402的同時連續進行分離工藝。
在該實施例中，分離鍵合襯底疊片30的外圍部分期間，鍵合襯底疊片30的旋轉方向(鍵合晶片對的旋轉方向)、流體噴射方向(運動方向)、及第一操作位置401(噴嘴112的位置)保持預定關系。圖5是介紹鍵合襯底疊片30的旋轉方向、流體噴射方向、及第一操作位置(噴嘴112的位置)401間的關系的示圖。
更具體說，在根據該實施例的分離裝置100中，鍵合襯底疊片30的旋轉方向、流體噴射方向、及第一操作位置(噴嘴112的位置)401間的關系確定為，在從噴嘴112噴射的流體注入的位置，鍵合襯底疊片30的速度由V表示，流體(射流)的運動方向由A表示，此時鍵合襯底疊片30的速度V(矢量)的A方向分量為負值(|V|cosθ＜0)。該條件以后將稱為外圍部分分離條件。
更具體說，在流體(射流)在垂直方向(Z軸的反方向)運動時，象該實施例一樣，鍵合襯底疊片30在圖5中的箭頭R所示的方向旋轉，第一操作位置401位于圖5所示的范圍B內。
如上所述，在鍵合襯底疊片30的外圍部分將在多孔層12分離時，鍵合襯底疊片30的旋轉方向、流體噴射方向和噴嘴112的位置控制為滿足外圍部分分離條件。這可以有效地防止分離時產生缺陷。
通過比較滿足外圍部分分離條件時的分離過程與不滿足外圍部分分離條件時的分離過程，介紹該實施例的特性。
圖6是示意性展示不滿足外圍部分分離條件時鍵合襯底疊片分離過程的示圖。參見圖6，“分離的區”是指已經分離的區，“未分離區”是指還未分離的區(圖7中也同樣適用)。
在不滿足外圍部分分離條件下分離鍵合襯底疊片30時，在鍵合襯底疊片30的外圍部分，單晶Si層13從絕緣層14上剝離。外圍部分處的單晶硅層13破裂。如果這種現象間歇地發生在分離過程中，則會產生單晶Si層13以鋸齒形破裂的缺陷部分(鋸齒缺陷)，如圖6所示。
其原因估計如下。在不滿足外圍部分分離條件時，從噴射部分112噴射的流體總是與鍵合襯底疊片30的最外圍部分碰撞，從外側使該部分破裂。
在鍵合襯底疊片30中，形成于多孔層12上的單晶Si層13或絕緣層14常覆蓋鍵合襯底疊片30的最外圍部分，如圖12所示。
然而，從外部注入到鍵合襯底疊片30的流體不總是容易使最外圍部分的單晶Si層13和絕緣層14破裂，并到達多孔層12。
即，由于從外部注入到鍵合襯底疊片30的流體使單晶Si層13和絕緣層14間的界面破裂，并因此使單晶Si層13從絕緣層14上剝離，所以可能會產生鋸齒缺陷。
圖7是示意性展示滿足外圍部分分離條件下鍵合襯底疊片分離過程的示圖。鍵合襯底疊片的旋轉方向與圖6所示的實例相反。
在滿足外圍部分分離條件時，未產生鋸齒缺陷。盡管并不十分清楚原因，但據估計這是由于以下原因造成的。
在滿足外圍部分分離條件，并且鍵合襯底疊片30的外圍部分將被分離時，注入到鍵合襯底疊片30的最外圍部分內的多孔層12的流體使最外圍部分的多孔層12從內向外破裂，分離起始位置除外。由于容易只使具有最易碎結構的作為分離層的多孔層12破裂，所以分離不會沿單晶Si層13和絕緣層14的界面進行。
圖8是示意性展示圖7所示鍵合襯底疊片的沿線S-S’取的剖面的示圖。如圖8中的箭頭所示，由于通過已分離部分注入的流體，壓力作用于鍵合襯底疊片30的最外圍部分內，因而撕裂了多孔層12。鍵合襯底疊片30的分離不僅向內而且向外發展。
用直徑為0.1mm的噴嘴112，分離每個都具有包括兩層結構的多孔層12的鍵合襯底疊片，所說兩層結構的上層4.5微米厚，下層2微米厚。在射流壓力為500kgf/cm2或更大時，任何樣品中都沒有發生鋸齒缺陷。在射流壓力為400kgf/cm2時，有些樣品中具有鋸齒缺陷。不用上述條件對多孔層12進行實驗。在用直徑為0.15mm的噴嘴分離鍵合襯底疊片，且射流壓力例如大于1500kgf/cm2時，在該射流壓力下，有些襯底龜裂。因此，對于多孔層12用上述條件，在射流壓力太高時，襯底會龜裂。
結果，可以有效地利用具有允許鍵合襯底疊片的最外圍部分從內向外分離，且不會使襯底龜裂的預定范圍壓力的射流，可以防止缺陷。
據推測，這種結果會根據例如包括多孔層12的孔隙率、層疊的層數、厚度等多孔層結構、襯底11和第二襯底的厚度、單晶Si層13的厚度、絕緣層14的厚度、射流注入位置、及噴嘴的直徑等不同因素改變。
下面再介紹一下裝置100的配置。分離裝置100還具有調節襯底固定部分108和襯底固定部分109間的間隔的調節機構。下面介紹該調節機構的配置的實例。
圖9是展示該調節機構的第一配置實例的示圖。圖9所示調節機構采用了氣缸122。氣缸122例如固定到支撐部分103上，通過活塞棒121使驅動源111運動。為在分離裝置100中設置鍵合襯底疊片30，控制氣缸122，使驅動源111在襯底固定部分108和襯底固定部分109間的間隔增大的方向上(X軸的正向)運動。這種狀態下，鍵合襯底疊片30插在襯底固定部分108和109之間。在取消氣缸122對活塞棒121的驅動后，襯底固定部分109借彈簧113的作用壓住鍵合襯底疊片30。
圖10是展示該調節機構的第二配置實例的示圖。圖10所示的調節機構采用了偏心凸輪131和電機。偏心凸輪131耦合到電機(未示出)上，用于通過使耦合到電機111的背端的驅動板132運動，調節襯底固定部分109和109間的間隔。如上所述，由于彈簧113的緣故，X軸反方向上的力作用于旋轉軸107。在固定鍵合襯底疊片30時，偏心凸輪131和驅動板132間形成間隙。因此，在固定鍵合襯底疊片30時，壓力作用于鍵合襯底疊片30上。
可以在襯底固定部分108側設置另一調節襯底固定部分108和109間的間隔的機構。
下面介紹利用分離裝置100進行鍵合襯底疊片分離處理的情況。
為將鍵合襯底疊片30設置于分離裝置100中，首先，例如通過自動傳送裝置將鍵合襯底疊片30傳送到襯底固定部分108和109之間，并固定，同時使鍵合襯底疊片30的中心與襯底固定部分108和109的中心匹配。襯底固定108真空吸持鍵合襯底疊片30。
襯底固定部分109利用彈簧113的力壓住鍵合襯底疊片30。更具體說，在用圖9所示的調節機構作調節機構，調節襯底固定部分108和109間的間隔后，取消利用氣缸122對活塞棒121的驅動。在采用圖10的調節機構作為調節機構時，偏心凸輪131旋轉，使彈簧113的壓力作用于鍵合襯底疊片30上。
在進行分離處理時，真空吸持機構108a和109a或者真空吸持或者不吸持鍵合襯底疊片30。這是由于鍵合襯底疊片30已借彈簧113的壓力固定了的緣故。然而，如果該壓力弱，則鍵合襯底疊片30較好是被真空吸持。
接著，利用驅動源110和111，使旋轉軸106和107同步旋轉。注意，旋轉方向為圖5所示的方向，即，在第一操作位置401整體地分離鍵合襯底疊片30的外圍部分時，滿足外圍部分分離條件的方向。
從高壓泵115為噴嘴112提供高壓流體(例如水)，同時由壓力控制部分116控制壓力。噴嘴112噴射高速、高壓射流。
噴嘴112在自動驅動裝置450的作用下，從再處理位置403運動到第一操作位置401。射流注入到鍵合襯底疊片30的多孔層12附近的部分。這種狀態下，處理持續到鍵合襯底疊片30旋轉一轉或多轉，且鍵合襯底疊片30的外圍部分完全分離為止。此后，噴嘴112在自動驅動裝置450的作用下，逐漸運動到第二操作位置402。第二操作位置402是靠近或穿過鍵合襯底疊片30中心正上方的的位置。在噴嘴112運動到第二操作位置402的同時，完成了鍵合襯底疊片30分離成兩個襯底的操作。
接著，如圖3所示，在保持注入到鍵合襯底疊片30的射流的同時，實際分離的兩個襯底彼此隔開。更具體說，例如，在用圖9所示的調節機構作調節襯底固定部分108和109間的間隔的調節機構時，在保持襯底被襯底固定部分108和109真空吸持的同時，氣缸122在X軸的正向(彈簧113接觸的方向)驅動活塞121。在用圖10所示的調節機構作調節機構時，在保持襯底被襯底固定部分108和109真空吸持的同時，偏心凸輪131樞軸旋轉，在X軸的正向(彈簧113接觸的方向)驅動旋轉軸107。
如圖3所示，在兩個分離的襯底彼此完全分開后，自動驅動裝置450使噴嘴112運動到備用位置403。
射流的噴射停止，例如利用自動傳送裝置，從襯底固定部分108和109上取下各襯底。
在上述分離處理中，可以在改變射流壓力的同時分離鍵合襯底疊片30。這樣做的理由如下。
分離鍵合襯底疊片30的射流壓力在鍵合襯底疊片30的各區的各單元中不同。例如，作用于鍵合襯底疊片30的外圍部分的分離力與用作于中心部分的力不同。即，分離需要的射流壓力在外圍部分和中心部分變化。如果利用預定射流壓力分離鍵合襯底疊片30，則在分離處理期間總是采用高壓射流。這種情況下，鍵合襯底疊片或分離的襯底極可能龜裂或受損傷，結果造成了低成品率。
為解決該問題，可以降低分離區的機械強度。然而，如果分離區制作得太易碎，在鍵合兩襯底(第一和第二襯底)、清洗和其它處理中，分離區易破裂。難以制造所需質量的襯底。此外，破裂的分離區會產生顆粒，污染制造裝置等。
圖11是展示分離處理期間射流壓力的控制的實例的曲線圖。更具體說，根據圖11所示的控制程序，壓力控制部分116控制高壓泵115產生的壓力(射流壓力)。
在圖11所示的實例中，射流壓力調節分三個階段。在周期T1，在保持噴嘴112位于操作位置401的同時，分離鍵合襯底疊片30的外圍部分。在該周期T1，由于注入到鍵合襯底疊片30的流體容易排出，所以射流壓力設定為較高，分離力幾乎不作用于鍵合襯底疊片30上。
在周期T2，在使噴嘴112運動到第二操作位置402的同時，分離鍵合襯底疊片30的外圍部分和中心部分間的中間部分(簡稱為中間部分)。在該中間部分，由于射流穿過鍵合襯底疊片30的內部，流體(射流)的速率降低。由于流體與多孔層12的碰撞的沖擊產生的分離鍵合襯底疊片30的作用減弱。然而，中間部分有幾條注入到鍵合襯底疊片30中的流體排出的路徑。為此，由于注入到鍵合襯底疊片30中的流體的壓力產生的分離力增大，主要通過該分離力分離鍵合襯底疊片30。
在周期T3，分離鍵合襯底疊片30的中心。在分離部分接近中心部分時，鍵合襯底疊片30的分離的部分翹曲，流體排放的路徑增加。流體壓力變得比中間部分分離期間低，分離力就變小。因此，在中心部分，流體的壓力較好是設定為高于中間部分分離期間的壓力。
關于將利用分離裝置100分離的部件，只介紹了圖1A-1E所示制造方法所制造的鍵合襯底疊片30。然而，分離裝置100不僅適用于分離鍵合襯底疊片30，而且適用于分離具有分離層的盤形部件。即，鍵合襯底疊片30可認為是具有分離層的盤形部件的較好實例。盤形部件還包括具有定向面或槽的襯底。
(實例)下面介紹本發明的優選實例。
分兩步，在HF溶液中陽極氧化電阻率為0.01Ω.cm的第一P型或N型單晶Si襯底11，形成具有兩層結構的多孔層12(圖1A所步驟)。陽極氧化條件如下。
(第一陽極氧化)電流密度7(mA/cm2)陽極氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間10(分鐘)第一多孔Si厚度4.5(微米)(第二陽極氧化)電流密度20(mA/cm2)
陽極氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間2(分鐘)第二多孔Si厚度2(微米)多孔Si層12的兩層的作用不同，利用小電流陽極氧化首先形成的表面多孔Si層用于形成高質量硅層，利用大電流陽極氧化形成的下多孔Si層(具有較大孔隙率)用作分離層。小電流下形成的多孔Si層的厚度并不限制為上述厚度(4.5微米)，但較好是幾百到0.1微米。在大電流下形成的多孔Si層也不限于上述厚度，或者，只需要保證允許在射流的作用下分離鍵合襯底疊片30的厚度便可。
形成第二多孔層后，可以形成具有不同孔隙率的第三和以后的各層。
在400℃氧氣氛中，氧化該襯底1小時。由于該氧化，多孔Si層中的孔內壁覆蓋上熱氧化膜。用氫氟酸處理該多孔Si層的表面，只去掉多孔層表面上的氧化膜，同時保留孔內壁上的氧化膜。然后，利用CVD(化學汽相淀積)法，在多孔Si層12上外延生長0.3微米厚的單晶Si層13。生長條件如下。
源氣；SiH2Cl2/H2氣體流量0.5/180(l/分鐘)氣壓80(乇)溫度900(℃)生長速率0.3(微米/分鐘)在外延Si層13的表面上，熱氧化形成200nm厚的氧化膜(SiO2層)作為絕緣層(圖1B的步驟)。
該襯底和獨立制備的第二Si襯底20疊置，使SiO2層14的表面與第二Si襯底20的表面相對后，在1100℃退火1小時，鍵合兩襯底(圖1C所示的步驟)。
利用圖2所示的分離裝置100分離按上述方式形成的鍵合襯底疊片30(圖1D所示的步驟)。下面具體介紹。
首先，鍵合襯底疊片30垂直支撐于襯底固定部分108和109之間。襯底固定部分109借彈簧113的力壓住鍵合襯底疊片30。這種狀態下，真空夾盤機構108a和109a將鍵合襯底疊片30真空吸持于襯底固定部分108和109上。
通過驅動源110和111，分別使旋轉軸106和107同步旋轉。旋轉方向設定為圖5所示的方向，即，在第一操作位置401分離鍵合襯底疊片30的外圍部分時，滿足外圍部分分離條件的方向。
從高壓泵115為噴嘴112提供作為流體的水，該過程持續到射流穩定。在射流壓力控制部分116的控制下，射流壓力設定為500kgf/cm2。在該實例中，采用直徑為0.1mm的噴嘴112。
射流穩定后，自動驅動裝置450將噴嘴112從再處理位置403運動到第一操作位置401。外圍部分分離條件滿足，這種狀態下，開始鍵合襯底疊片30的外圍部分的分離。
在圖11所示的高壓泵115的控制下分離繼續進行。在分離開始后0-20秒內，在保持射流壓力為500kgf/cm2，保持噴嘴112固定于第一操作位置401的同時，分離鍵合襯底疊片30的外圍部分。
在從分離開始過去20秒，并且完全分離了鍵合襯底疊片30的外圍部分后，分離處理繼續進行，同時利用自動驅動裝置450，將噴嘴112從第一操作位置401移動到第二操作位置402。在分離開始后20-80秒間，射流壓力保持200kgf/cm2。在分離開始后80-100秒間，射流保持在400kgf/cm2。
利用上述工藝，鍵合襯底疊片30分離成兩個襯底，同時不會在外圍部分產生任何鋸齒缺陷等。利用上述方法制備大量鍵合襯底疊片30，所以鍵合襯底疊片30都沒有缺陷。在鍵合襯底疊片30的旋轉方向相反，即，在不滿足外圍部分分離條件下分離鍵合襯底疊片30時，有些鍵合襯底疊片30具有缺陷。
接著，利用49％的氫氟酸和30％的過氧化氫混合溶液，選擇性腐蝕轉移到兩個分離的襯底的第二襯底上的多孔Si層(圖1E所示的步驟)。單晶Si層用作腐蝕停止層。選擇性腐蝕多孔Si層并完全去掉之。
上述腐蝕劑對于無孔Si層的腐蝕率很低。多孔Si與無孔Si的腐蝕選擇率為103或更大。因此，實際應用時，無孔單晶Si層13的腐蝕量(約為幾十埃)可以忽略不計。
利用上述工藝，可以形成在絕緣層14上具有0.2微米厚單晶Si層13的SOI襯底。選擇性腐蝕了多孔Si層后，在整個表面上100個點處測量單晶Si層13的膜厚。膜厚為201nm±4nm。
用透射電子顯微鏡觀察剖面，單晶Si層中沒有顯示出晶體缺陷，表明保持了令人滿意的結晶度。
在1100℃氫中對所得結構退火1小時后，用原子力顯微鏡評價表面粗糙度。50微米幾方內的均方根粗糙度約為0.2nm。這幾乎等于市售Si晶片的粗糙度。
甚至在外延層的表面上不形成絕緣層，而在第二襯底的表面上或兩個襯底的表面都形成絕緣層時，可以得到與上述相同的結果。
利用49％的氫氟酸和30％的過氧化氫的混合水溶液，邊攪拌溶液邊選擇性腐蝕留在第一襯底側的多孔硅層。在利用氫退火處理或表面拋光所得結構的表面后，該襯底可再用作第一或第二襯底。
根據本發明，在分離例如鍵合襯底疊片等盤形部件時，可以防止產生缺陷。
本發明不限于上述實施例，在本發明的精神和范圍內，可以做出不同的變化和改進。因此，為告知本發明的范圍，提出以下權利要求書。
權利要求
1.一種分離其內具有分離層(12)的盤形部件(30)的分離裝置(100)，其特征在于包括固定機構(108，109)，在繞垂直于分離層(12)的軸旋轉盤形部件(30)時用于固定盤形部件，流體噴射部分(112)，用于將流體流注入到由所說固定部分(108，109)固定的盤形部件(30)的分離層(12)，從而利用流體在分離層(12)分離盤形部件(30)，其中在分離盤形部件(30)的外圍部分時，盤形部件(30)的旋轉方向、流體的運動方向和所說噴射部分(112)的位置保持滿足以下條件，即，假定流體的運動方向為正方向，在流體注入到盤形部件(30)的位置，盤形部件(30)外圍部分速度的運動方向分量為負值。
2.根據權利要求1的分離裝置，其特征在于，在分離盤形部件(30)的外圍部分時，所說噴射部分(112)噴射具有一定壓力的流體，在該壓力下，盤形部件(30)的最外圍部分因注入到盤形部件(30)中的流體從內向外分離。
3.根據權利要求1的分離裝置，其特征在于還包括控制部分(116)，用于控制從所說噴射部分(112)噴射的流體的壓力。
4.根據權利要求3的分離裝置，其特征在于，所說控制部分(116)根據分離處理的進展改變流體的壓力。
5.根據權利要求1到4中任一項的分離裝置，其特征在于，還包括驅動機構(450)，用于使所說噴射部分(112)沿分離層(12)運動。
6.根據權利要求5的分離裝置，其特征在于，在分離盤形部件(30)的外圍部分時，所說驅動機構(450)調節所說噴射部分(112)的位置，以便流體注入到外圍部分中，在分離盤形部件(30)的中心時，所說驅動機構(450)調節所說噴射部分(112)的位置，使流體注入到中心。
7.根據權利要求1到6中任一項的分離裝置，其特征在于，分離層(12)比盤形部件(30)的其余部分更易碎。
8.根據權利要求1到6中任一項的分離裝置，其特征在于，分離層(12)是多孔層。
9.根據權利要求1到6中任一項的分離裝置，其特征在于，分離層(12)是具有多層結構的多孔層。
10.一種分離其內具有分離層(12)的盤形部件(30)的分離裝置(100)，其特征在于，包括固定部分(108，109)，用于固定盤形部件(30)，流體噴射部分(112)，用于將流體流注入到由所說固定部分(108，109)固定的盤形部件(30)的分離層(12)，從而利用流體在分離層(12)分離盤形部件(30)，其中在分離盤形部件(30)的外圍部分時，分離處理在以下條件下進行，即，盤形部件(30)的最外圍部分因注入到盤形部件(30)中的流體從盤形部件(30)的內部向外部分離。
11.根據權利要求10的分離裝置，其特征在于，所說固定部分(108，109)具有旋轉機構(110，111)，在旋轉盤形部件(30)時用于固定盤形部件(30)。
12.一種分離方法，其步驟是繞垂直分離層(12)的軸旋轉其內具有分離層(12)的盤形部件(30)，從噴射部分(112)噴射流體流到分離層(12)中，從而利用流體在分離層(12)分離盤形部件(30)，其特征在于，包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在盤形部件(30)的旋轉方向、流體的運動方向和所說噴射部分(112)的位置保持滿足以下條件，即，在流體注入到盤形部件(30)的位置，盤形部件(30)速度的運動方向分量為負值時，分離盤形部件(30)的外圍部分。
13.根據權利要求12的分離方法，其特征在于，外圍部分分離步驟包括從所說噴射部分(112)噴射具有一定壓力的流體，在該壓力下，盤形部件(30)的最外圍部分因注入到盤形部件(30)中的流體從內向外分離。
14.根據權利要求12的分離方法，其特征在于，還包括控制步驟，控制從所說噴射部分(112)噴射的流體的壓力。
15.根據權利要求12-14中任一項的分離方法，其特征在于，分離層(12)比盤形部件(30)的其余部分更易碎。
16.根據權利要求12-14中任一項的分離方法，其特征在于，分離層(12)是多孔層。
17.根據權利要求12-14中任一項的分離方法，其特征在于，分離層(12)是具有多層結構的多孔層。
18.一種分離方法，其步驟為固定其內具有分離層(12)的盤形部件(30)，從流體噴射部分(112)噴射流體流，將流體流注入到分離層(12)，從而利用流體在分離層(12)分離盤形部件(30)，其特征在于，包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在以下條件下分離盤形部件(30)的外圍部分，即，盤形部件(30)的最外圍部分因注入到盤形部件(30)中的流體從盤形部件(30)的內部向外部分離。
19.根據權利要求18的分離方法，其特征在于，外圍部分分離步驟包括在繞垂直于分離層(12)的軸旋轉盤形部件(30)的同時進行分離處理。
20.一種制造半導體襯底的方法，其特征在于，包括以下步驟制備其內具有多孔層(12)和多孔層上的無孔層(13，14)的第一襯底(10)的步驟(圖1A和1B)；通過無孔層(13，14)鍵合第一襯底(10)和第二襯底(20)，形成鍵合襯底疊片(30)的步驟(圖1C)；在繞垂直于多孔層(12)的軸旋轉鍵合襯底疊片(30)，并噴射流體流，將流體注入到多孔層(12)的同時，在多孔層(12)將鍵合襯底疊片(30)分離成兩個襯底的步驟(圖1D)，其中分離步驟(圖1D)包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在鍵合襯底疊片(30)的旋轉方向、流體的運動方向和所說噴射部分(112)的位置保持滿足以下條件，即，在流體注入到鍵合襯底疊片(30)的位置，鍵合襯底疊片速度的運動方向分量為負值時，分離鍵合襯底疊片(30)的外圍部分。
21.一種制造半導體襯底的方法，其特征在于，包括以下步驟制備其內具有多孔層(12)和多孔層上的無孔層(13，14)的第一襯底(10)的步驟(圖1A，1B)；通過無孔層(13，14)鍵合第一襯底(10)和第二襯底(20)，形成鍵合襯底疊片(30)的步驟；在噴射流體流，將流體注入到多孔層(12)的同時，在多孔層(12)將鍵合襯底疊片(30)分離成兩個襯底的步驟(圖1D)，其中分離步驟(圖1D)包括外圍部分分離步驟，該步驟中，在以下條件下分離鍵合襯底疊片(30)的外圍部分，即，鍵合襯底疊片(30)的最外圍部分因注入到鍵合襯底疊片(30)中的流體從鍵合襯底疊片(30)的內部向外部分離。
全文摘要
通過鍵合單晶硅層形成于多孔層上和絕緣層形成于單晶硅層上的第一襯底與第二襯底得到鍵合襯底疊片,在多孔層分離該鍵合襯底疊片時,防止了分離的襯底的外圍發生鋸齒缺陷。在一個方向(R)繞軸(C)使鍵合襯底疊片(30)旋轉的同時,從噴嘴(112)噴射流體,并注入到鍵合襯底疊片(30)的多孔層,從而在多孔層將鍵合襯底疊片(30)分成兩個襯底。在分離鍵合襯底疊片(30)的外圍部分時,噴嘴(112)位于范圍(B)內。
文檔編號H01L21/762GK1264920SQ0010184
公開日2000年8月30日 申請日期2000年2月2日 優先權日1999年2月2日
發明者近江和明, 米原隆夫, 坂口清文, 柳田一隆, 栗棲裕和 申請人:佳能株式會社