晶片處理裝置、晶片處理方法和半導體襯底制備方法

專利名稱：晶片處理裝置、晶片處理方法和半導體襯底制備方法
技術領域：
本發明涉及晶片處理裝置、晶片處理方法、和半導體襯底制備方法，更具體地，涉及將晶片浸入處理溶液中來處理晶片的晶片處理裝置、晶片處理方法、和半導體襯底制備方法。
晶片處理的典型實例是清洗處理。晶片清洗的一個課題是增加其速度。日本專利特許公開No.8-293478公開了一種在旋轉晶片的同時施加超聲波來增加清洗效率的晶片清洗方法、和實現此方法的裝置。
日本專利特許公開No.8-293478公開的晶片清洗方法基于這樣的發現即在清洗液與周圍氣氛之間的界面處清洗晶片最有效。因此在晶片清洗方法中，在清洗液與周圍氣氛之間的界面處，顆粒不可避免地要附著在晶片上。
在日本專利特許公開No.8-293478公開的晶片清洗方法中，將旋轉晶片的凸輪裝置放在晶片的正下面，所以旋轉力沒有有效地傳送到晶片。在晶片清洗裝置中，由于凸輪裝置將晶片完全與下面屏蔽，所以阻斷了超聲波的傳送。因此在晶片的中央和外圍超聲波的強度不同，晶片的處理將不均勻。旋轉晶片也不能改善這種不均勻性。
因此本發明的一個目的是，在包括清洗和腐蝕的各種晶片處理中防止晶片受顆粒的沾污。
本發明的另一個目的是使晶片處理均勻。
根據本發明的晶片處理裝置是將晶片浸入處理液來處理晶片的晶片處理裝置，其特征在于包括其深度允許晶片能完全浸入處理液的處理槽；用來旋轉被晶片固定器固定的一個或多個晶片的晶片旋轉裝置，該裝置使用圍繞從一個或多個晶片重心正下方偏移的軸旋轉的晶片旋轉部件；和用來在處理槽中產生超聲波的超聲波產生裝置。
在晶片處理裝置中，最好只將晶片旋轉部件置于由晶片固定器固定的一個或多個晶片的下面，作為給晶片傳送旋轉力的部件。
在晶片處理裝置中，晶片旋轉部件最好至少包括一個基本與軸平行的連桿部件，連桿部件最好繞軸旋轉。
在晶片處理裝置中，連桿部件的直徑最好比連桿部件繞軸旋轉所實際形成的圓柱的直徑小得多。
在晶片處理裝置中，連桿部件最好有和晶片外圍部分嚙合的槽。
在晶片處理裝置中，沿軸方向的連桿部件的剖面最好基本為正弦波形。
在晶片處理裝置中，沿軸方向的連桿部件的剖面最好基本為全波整流形。
在晶片處理裝置中，晶片旋轉裝置最好還包括置于處理槽外的驅動力產生裝置、和用來將驅動力產生裝置所產生的驅動力傳送給晶片旋轉部件并旋轉晶片旋轉部件的驅動力傳送裝置。
晶片處理裝置最好還包括將處理槽的內部分隔為處理晶片側和驅動力傳送裝置側的分隔裝置。
在晶片處理裝置中，驅動力傳送裝置最好通過曲柄裝置傳送驅動力產生裝置所產生的驅動力。
在晶片處理裝置中，處理槽最好包括具有溢流槽的循環裝置。
在晶片處理裝置中，循環裝置最好包括用來降低晶片的顆粒沾污的減沾污裝置。
在晶片處理裝置中，減沾污裝置最好包括過濾器。
在晶片處理裝置中，減沾污裝置最好包括調節處理槽中處理液的流量的裝置。
在晶片處理裝置中，超聲波產生裝置最好包括超聲槽和超聲源，處理槽最好通過置于超聲槽中的超聲傳送介質來接收超聲波。
晶片處理裝置最好還包括用來改變超聲源和要處理的晶片之間的相對位置關系的驅動裝置。
在晶片處理裝置中，驅動裝置最好在超聲槽內部移動超聲源。
在晶片處理裝置中，要與處理液接觸的處理槽和晶片旋轉裝置的至少部分構成部件最好由石英和塑料構成的組中的一種材料構成。
在晶片處理裝置中，要與處理液接觸的處理槽和晶片旋轉裝置的至少部分構成部件最好由氟樹脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)構成的組中的一種材料構成。
根據本發明的晶片處理方法是施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，其特征在于包括在將晶片全部浸入處理液并旋轉晶片的同時處理晶片的步驟。
根據本發明的晶片處理方法是施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，其特征在于包括在將晶片全部浸入處理液、并旋轉和垂直移動晶片的同時處理晶片的步驟。
根據本發明的晶片處理方法是施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，其特征在于包括在將晶片全部浸入處理液并改變超聲源的位置的同時處理晶片的步驟。
本發明的晶片處理方法的特征在于，用晶片清洗液作為處理液來清洗晶片。
用晶片腐蝕液作為處理液時，該晶片處理方法適于作為腐蝕晶片的方法。
用多孔硅腐蝕液作為處理液時，該晶片處理方法適于作為腐蝕具有多孔硅層的晶片的多孔硅層的方法。
使用下面溶液中的任何一種溶液作為處理液時，該晶片處理方法適于作為腐蝕有多孔硅層的晶片的多孔硅層的方法。
(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
本發明的半導體襯底制備方法的特征在于包括下面步驟在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層；將所要結構的第一襯底側與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，以將無孔層夾在第一襯底和第二襯底之間；從鍵合結構去除第一襯底以暴露第二襯底一側的多孔層的去除步驟；將其上暴露多孔層的第二襯底側完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波腐蝕多孔層的腐蝕步驟，由此暴露第二襯底側的表面，在腐蝕步驟中旋轉第二襯底側。
本發明的半導體襯底制備方法的特征在于包括下面步驟在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層；將所要結構的第一襯底側與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，以將無孔層夾在第一襯底和第二襯底之間；從鍵合結構去除第一襯底以暴露第二襯底一側的多孔層的去除步驟；將其上暴露多孔層的第二襯底側完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波腐蝕多孔層的腐蝕步驟，由此暴露第二襯底側的表面，在腐蝕步驟中旋轉并垂直移動第二襯底側。
本發明的半導體襯底制備方法的特征在于包括下面步驟在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層；將所要結構的第一襯底側與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，以將無孔層夾在第一襯底和第二襯底之間；從鍵合結構去除第一襯底以暴露第二襯底一側的多孔層的去除步驟；將其上暴露多孔層的第二襯底側完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波來腐蝕多孔層的腐蝕步驟，由此暴露第二襯底側的表面，在腐蝕步驟中改變超聲槽的位置。
腐蝕步驟所用的腐蝕液最好是下面的任一種(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
去除步驟最好包括從背面研磨、拋光、或腐蝕第一襯底來暴露多孔層的步驟。
去除步驟最好包括在多孔層的界面處分開第一襯底側和第二襯底側的步驟。
無孔層最好為單晶硅層。
無孔層最好由單晶硅層和形成在單晶硅層上的氧化硅層構成。
無孔層最好為化合物半導體層。
第二襯底最好為硅襯底。
第二襯底最好為在其將與第一襯底鍵合的表面上形成有氧化硅膜的硅襯底。
第二襯底最好為透光襯底。
下面參照附圖詳細說明本發明的實施例，由此說明本發明的其他目的、特性和優點。


圖1是本發明第一實施例的晶片處理裝置的示意結構的透視圖；圖2是圖1所示晶片處理裝置的剖面圖；圖3是晶片旋轉部件的結構的實例的透視圖；圖4A和4B分別表示晶片旋轉部件在升高方向旋轉時晶片的移動；圖5A和5B分別表示有定位邊的晶片的移動；圖6A和6B分別表示晶片旋轉連桿的結構的另一實例的剖面圖；圖7A和7B分別表示晶片旋轉連桿的結構的又一實例的剖面圖；圖8A到8C都表示晶片旋轉連桿的剖面形狀的實例；圖9表示將馬達所產生驅動力矩傳送給晶片旋轉部件的旋轉軸的裝置；圖10A到10F分別表示制備半導體晶片的方法。
下面參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。圖1是本發明第一實施例的晶片處理裝置的示意結構的透視圖。圖2是圖1所示晶片處理裝置的剖面圖。
在該實施例的晶片處理裝置100中，根據用途，要與處理液接觸的部分最好由石英或塑料構成。塑料的優選實例為氟樹脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)。氟樹脂的優選實例為PVDF、PFA、和PTEF。
該晶片處理裝置100具有晶片處理槽10、溢流槽20、超聲槽30、和旋轉晶片40的晶片旋轉裝置(52到59)。
為了處理晶片，晶片處理槽10中充滿處理液(如腐蝕液或清洗液)。臨時儲存從晶片處理槽10中溢出的任何處理液的溢流槽20設置在晶片處理槽10的上部附近。臨時儲存在溢流槽20的處理液通過排放管21a從溢流槽20的底部排放到循環器21中。循環器21通過過濾排放的處理液來去除顆粒，并通過供應管21b將處理液送到晶片處理槽10的底部。由此有效地去除了晶片處理槽10中的顆粒。
晶片處理槽10必須有能完全浸入晶片40的深度。這可以防止處理液與周圍氣氛之間界面處的顆粒附著在晶片40上，并使晶片40得到均勻處理。
當將晶片完全浸入處理液來處理晶片時，顆粒附著在處理液中的晶片上，顆粒容易回到處理液中。但是如果將晶片部分浸入處理液，則很難從晶片去除在處理液與外圍氣氛之間的界面處附著在晶片上的顆粒，顆粒會暴露于周圍氣氛中且同時附著在晶片上。即使將晶片的附著部分再浸入處理液中，這樣附著在晶片上的顆粒也幾乎不能從晶片上去除。特別是當晶片表面疏水(如沒有任何氧化硅膜的硅晶片)時，顆粒完全附著在晶片表面，由于晶片表面暴露于干燥氣氛，顆粒變得更難去除。
超聲槽30置于晶片處理槽10的下面。超聲源31由超聲槽30內的調節裝置32來支撐。該調節裝置32包括調節超聲源31的垂直位置的裝置、和調節超聲源31的水平位置的裝置，來作為調節超聲源31與晶片處理槽10(晶片40)的相對位置關系的裝置。通過該裝置，可以優化要加到晶片處理槽10，更具體地說加到晶片40上的超聲波。超聲源31最好有能調節所產生超聲波的頻率或強度的功能。這還優化了超聲波的供給。
由于該裝置有優化加到晶片40的超聲波供給的裝置，因此可以處理各種類型的晶片。在處理晶片40時通過調節裝置32搖擺超聲源31，可以均勻地處理晶片40。在處理晶片40時改變超聲波的頻率也可以使晶片40的處理更均勻。
超聲槽30充滿超聲波傳送介質(如水)，該超聲波傳送介質將超聲波傳送到晶片處理槽10。
用晶片固定器41將晶片40固定，使它基本垂直晶片處理槽10的底表面。晶片固定器41可以從晶片處理槽10卸下。晶片固定器41可以是常用的載片盒。用固定在晶片處理槽10底表面的定位部件42將晶片固定器41置于預定位置。
旋轉晶片40并垂直移動晶片的晶片旋轉部件50置于晶片40的下面。圖3是晶片旋轉部件50的結構的實例的透視圖。
在晶片旋轉部件50中，彼此基本平行的兩個晶片旋轉連桿53通過連接連桿54而連接，旋轉軸52連接到一個連接連桿54的大致中央位置。晶片旋轉部件50通過軸支撐部分11軸向支撐于旋轉軸52。注意另一旋轉軸可以置于旋轉軸52的相對端。
使晶片旋轉連桿53的直徑比晶片旋轉連桿53旋轉時實際形成的圓柱的直徑小得多。這種設置可以增加到達晶片40的旋轉力矩和超聲波的傳送效率。
通常在晶片處理槽10的底表面與液體表面之間形成駐波，即超聲波的高強度和低強度部分。但是在該晶片處理裝置100中，由于晶片旋轉部件50的旋轉使晶片40在垂直移動同時還旋轉，所以可以使晶片40的處理均勻。
由于在晶片處理槽10的底表面和晶片40之間，晶片旋轉部件50有最小的阻斷超聲波傳送的部件，所以可以大大增加到晶片40的超聲波的傳送效率。晶片旋轉部件50還有攪動處理液的功能。該攪動使晶片40的處理變均勻。
晶片旋轉連桿53最好有這樣的形狀，即當它與晶片40接觸時可以增加摩擦力，以防止在施加超聲波時晶片40與晶片旋轉連桿53發生滑動。
圖6A和6B分別是晶片旋轉連桿5 3的結構的另一實例的截面圖。晶片旋轉連桿53有很多鋸齒形且與晶片40嚙合的V形槽53a。將晶片旋轉連桿53的表面形成為這樣的形狀以便夾住晶片40，在施加超聲波時就能抑制晶片40與晶片旋轉連桿53之間的滑動。
圖7A和7B分別是晶片旋轉連桿53的結構的另一實例的截面圖。該晶片旋轉連桿53的剖面為正弦波形。晶片旋轉連桿53基本形成與晶片40的外圍部分接觸的表面，能夾住晶片40。因此，在施加超聲波時能更有效地抑制晶片40與晶片旋轉連桿53之間的滑動。
另外，與圖6A和6B所示的晶片旋轉連桿53不同，該晶片旋轉連桿53沒有銳角部分，所以可以減少與晶片40接觸時所產生的顆粒。通過形成有全波整流形狀的槽53c也可以達到這種效果。
圖8A、8B和8C皆示出了晶片旋轉連桿53的剖面形狀的實例。晶片旋轉連桿5 3的剖面可以有各種形狀。例如其剖面可以是圖8A所示的圓形、圖8B所示的橢圓形、或圖8C所示的形狀。
晶片旋轉部件50的旋轉軸52最好從晶片40的重心正下方位置朝晶片固定器41的側壁偏移(X軸向)。
盡管沒有具體限制晶片旋轉連桿53的旋轉方向，但最好是用較接近晶片40的重心正下面的位置的晶片旋轉連桿53將晶片40提升的方向(此后稱為提升方向)，如圖2所示。這是因為，如果晶片旋轉連桿53按提升方向旋轉，作用于晶片40上的力基本是垂直的，所以晶片40與晶片固定器41的側壁之間的摩擦力變小。
圖4A和4B分別表示晶片旋轉部件50按提升方向旋轉時晶片40的移動。方向A表示提升方向，方向B表示晶片40的旋轉方向。晶片40從圖4A的狀態按方向B旋轉，同時通過晶片40重心正下方的晶片旋轉連桿53提升而垂直移動。晶片40通過圖4B所示狀態，并在晶片旋轉連桿53旋轉180°后回到圖4A的狀態。因此晶片40旋轉的同時還垂直擺動。
由于晶片旋轉部件50的旋轉，使兩個晶片旋轉連桿53實際上形成一個圓柱，所以即使晶片有定位邊也能很好地對其傳送旋轉力。圖5A和5B分別表示有定位邊的晶片40的移動。
為了在晶片40有效地旋轉和垂直移動時不阻斷超聲波的傳送，如上所述，晶片旋轉連桿53最好有兩個。但是晶片旋轉連桿53也可以只有一個。此時晶片40也可以旋轉并垂直移動。只要能達到可允許的超聲波傳送的阻斷，晶片旋轉連桿53的數目可以是3個或更多個(例如可以柱狀排列)。
圖9是將馬達59產生的驅動力矩傳送到晶片旋轉部件50的旋轉連桿52上的裝置。通過曲柄58和連接連桿57將馬達59所產生的驅動力矩傳送到曲柄55。曲柄55的一端連接到旋轉軸52以固定在那里，另一端由軸承58軸向支撐。旋轉軸52通過形成于軸支撐部分11的軸承部分11a而軸向支撐，并接收通過曲柄55所傳送的驅動力矩而旋轉。
晶片旋轉裝置不限于上面結構，只要能旋轉該旋轉軸52就行。例如，可以用斜齒輪、傳送帶、或類似的東西代替曲柄裝置，以將馬達59所產生的驅動力矩傳送到旋轉軸52。
在該實施例中，為了防止曲柄55與連接連桿57之間的摩擦、和曲柄55與軸承58之間的摩擦所產生的顆粒進入晶片40一側，曲柄支撐部分11劃定了晶片40側和曲柄55側的界限。
為了更徹底地防止顆粒進入晶片40側，曲柄支撐部分11最好延伸到(或高于)晶片處理槽10的上端，以將晶片處理槽10的內部分隔為兩部分。
但是曲柄55側所產生的顆粒還是可以通過軸承部分11a進入晶片40側，或者可在軸承部分11a產生顆粒。
為此，通過在晶片處理槽10的底部附近設置用來向晶片處理槽10提供處理液的供給口21c，晶片處理裝置100將處理液從晶片處理槽10的底部向上循環。另外，在晶片40側設置很多供給口21c，晶片處理裝置100調節處理液的流向，以防止曲柄55側的處理液流向晶片40側。因此可以減少曲柄55側所產生的顆粒對晶片40的沾污。
晶片處理裝置100還可以使用另一種方法來防止顆粒對晶片40的沾污。例如，合適調節各供給口21c的直徑。第二實施例將例示采用實施例1的晶片處理裝置的晶片處理方法、和包括該晶片處理方法作為一部分工藝的半導體襯底制備方法。
圖10A到10F分別表示半導體晶片的制備方法。簡單地說，按該制備方法，在單晶硅襯底上形成多孔硅層，在多孔硅層上形成無孔層，最好在無孔層上形成絕緣膜，由此制備第一襯底。將分別制備的第一襯底和第二襯底鍵合在一起，以將絕緣膜夾在中間。然后從第一襯底的背面去除單晶硅襯底，腐蝕多孔硅層來制備半導體襯底。
下面將參照圖10A到10F詳細說明制備半導體襯底的方法。
制備形成第一襯底的單晶硅襯底501，在單晶硅襯底501的主表面形成多孔硅層502(圖10A)。在多孔硅層502上形成至少一層無孔層503(圖10B)。無孔層503的優選實例是單晶硅層、多晶硅層、非晶硅層、金屬膜層、化合物半導體層、和超導層。可以在無孔層503上形成如MOSFET等元件。
最好在無孔層503上形成SiO2層504作為另一無孔層，并用作第一襯底(圖10C)。因為在隨后的步驟中將第一襯底和第二襯底505鍵合時，可以從有源層去除鍵合界面的界面能，所以SiO2層504非常有用。
在室溫下將第一襯底和第二襯底505緊密鍵合，以將SiO2層504夾在其中(圖10D)。可以通過陽極氧化鍵合法、加壓、或熱處理、如果需要可以結合使用來加強該鍵合。
當用單晶硅層作為無孔層503時，最好用熱氧化等在單晶硅層的表面上形成SiO2層504之后，將第一襯底鍵合到第二襯底505上。
第二襯底505的優選實例是Si襯底、在Si襯底上形成有SiO2層的襯底、如石英襯底等透光襯底、蘭寶石襯底等。只要有足夠進行鍵合的平坦表面，第二襯底505可以是任何其他襯底。
圖10D表示通過SiO2層504而鍵合的第一和第二襯底的鍵合狀態。當無孔層503或第二襯底不是Si時，可以不形成SiO2層504。
在鍵合中，可以在第一和第二襯底中間插入薄絕緣板。
在多孔硅層502的邊界處，從第二襯底上去掉第一襯底(圖10E)。去除方法包括用研磨、拋光、腐蝕等的第一方法(廢棄第一襯底)，和在多孔層502的邊界分開第一襯底和第二襯底的第二方法。按第二方法，通過去除殘留在分開的第一襯底上的多孔硅、如果需要還平面化第一襯底的表面可以回收第一襯底。
選擇腐蝕并去掉多孔Si層502(圖10F)。晶片處理裝置100適于該腐蝕。由于該晶片處理裝置在將晶片(此時，晶片如圖10E所示)完全浸入腐蝕液并移動晶片(如旋轉或垂直移動)的同時提供超聲波，所以晶片幾乎不受顆粒沾污，且腐蝕均勻。由于該晶片處理裝置，縮短了腐蝕時間，增加了無孔層503與多孔層504之間的腐蝕選擇性。腐蝕時間的縮短是因為超聲波促進了腐蝕，腐蝕選擇性的增加是因為超聲波對多孔層504的腐蝕促進作用比對無孔層503的腐蝕促進作用更顯著。
當無孔層503為單晶硅時，除Si的普通腐蝕液外，適用的還有以下腐蝕液。
(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
使用這些腐蝕液，可以選擇腐蝕多孔層502，而只留下下面的無孔層503(單晶硅)。由于多孔硅有很大的表面積，和多孔硅比較無孔硅層有很高的腐蝕速率，所以可以很容易地用這些腐蝕液來選擇腐蝕多孔層502。
圖10E示意地表示了上述制備方法所得到的半導體襯底。根據該制造方法，平坦的無孔層503(如單晶硅層)均勻形成在第二襯底505的整個表面。
例如，如果用絕緣襯底作為第二襯底505，上述制備方法所得到的半導體襯底可以有效用來形成絕緣的電子元件。
下面說明用晶片處理裝置100、和包括晶片處理作為一部分工藝的半導體晶片制備方法來進行晶片處理的實例。該例涉及清洗處理。
將晶片置于充滿超純水的晶片處理槽10中，加約1MHz的超聲波在晶片旋轉的同時清洗晶片。通過該清洗可以去除晶片表面上90％以上的顆粒。而且可以均勻地去除晶片表面的顆粒。該例涉及用氨、過氧化氫、和超純水的混合溶液的清洗處理。用該混合液的清洗適于從硅片表面去除顆粒。
將硅晶片置于充滿約80℃氨、過氧化氫、和超純水的混合溶液的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約1MHz的超聲波清洗晶片。通過該清洗，可以去除晶片表面上95％以上的顆粒。而且可以均勻地去除晶片表面的顆粒。該例涉及腐蝕硅層。
將硅片置于充滿按1∶200∶200混合氫氟酸、硝酸、和醋酸來制備的混合溶液的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.5MHz的超聲波30秒腐蝕晶片。由此均勻地腐蝕硅晶片約1.0μm。晶片表面和晶片之間的腐蝕速率的均勻性為±5％或以下。該例涉及腐蝕SiO2層。氫氟酸適于SiO2層的腐蝕。
將其上形成有SiO2的晶片置于充滿1.2％的氫氟酸的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.5MHz的超聲波30秒腐蝕SiO2層。由此均勻地腐蝕SiO2層約4nm。晶片表面和晶片之間的腐蝕速率的均勻性為±3％或以下。該例涉及腐蝕Si3N4層。熱濃磷酸適于Si3N4層的腐蝕。
將其上形成有Si3N4層的晶片置于充滿熱濃磷酸的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.5MHz的超聲波腐蝕Si3N4層。因此均勻地腐蝕Si3N4層約100nm。晶片表面和晶片之間的腐蝕速率的均勻性為±3％或以下。該例涉及多孔硅層的腐蝕。氫氟酸、過氧化氫、和超純水的混合溶液適于多孔硅層的腐蝕。
將有多孔硅層的晶片置于充滿氫氟酸、過氧化氫、和超純水的混合溶液的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.25MHz的超聲波腐蝕多孔硅層。由此均勻地腐蝕多孔硅層5μm。晶片表面和晶片之間的腐蝕速率的均勻性為±3％或以下。
注意，K.Sakaguchi等人在1995年Jpn.J.Appl.Phys.的34卷、第一部分、第2B期的842-847頁公開了多孔硅的腐蝕機理。根據該文獻，由于毛細作用，腐蝕液滲透進多孔硅的小孔中并腐蝕小孔的側壁，由此腐蝕多孔硅。由于孔壁變薄，在超過某一點時，這些側壁不能再支撐其自身。最后多孔硅整個坍塌而完全被腐蝕。該例涉及SOI晶片制備方法。圖10A到10F為該例的SOI晶片制備方法的步驟的剖面圖。
首先，在HF溶液中將用來形成第一襯底的單晶硅襯底501陽極氧化，以形成多孔Si層502(圖10A)。陽極氧化條件如下。
電流密度7(mA/cm2)陽極氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間11(分鐘)多孔硅厚度12(μm)隨后將所得襯底在氧氣氛下400℃氧化1小時。通過該氧化，多孔硅層502的孔內壁被熱氧化膜覆蓋。
用CVD(化學汽相淀積)工藝在多孔硅層502上外延生長0.3μm厚的單晶硅層503(圖10B)。外延生長條件如下
源氣體SiH2Cl2/H2氣體流速0.5/180(l/min)氣體壓力80(Torr)溫度950(℃)生長速率0.3(μm/min)接著熱氧化在單晶硅層(外延層)503上形成200nm厚的SiO2層504(圖10C)。
鍵合圖10C所示這樣形成的第一襯底與作為第二襯底的Si襯底505，以將SiO2層504夾在中間(圖10D)。
從第一襯底去除單晶硅襯底501，暴露多孔Si層502(圖10E)。
將圖10E所示的晶片置于充滿氫氟酸、過氧化氫、和超純水的混合溶液的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.25MHz的超聲波腐蝕多孔硅層502(圖10F)。晶片表面和晶片之間對多孔硅層502的腐蝕速率的均勻性為±5％或以下。在晶片如上述旋轉的同時施加超聲波，可以均勻地促進晶片表面和晶片之間的多孔硅的坍塌(腐蝕)。
在多孔硅層502的腐蝕中，單晶硅層(外延層)503起腐蝕停止層的作用。因此可以選擇腐蝕晶片整個表面上的多孔硅層502。
即由于使用上述腐蝕液腐蝕單晶Si層503的腐蝕速率非常低，所以多孔硅層502對單晶硅層503的腐蝕選擇性為105以上。因此，單晶硅層503的腐蝕量只有幾十埃，實際可以忽略。
圖10F表示通過上述步驟得到的SOI晶片。該SOI晶片在SiO2層504上有0.2μm厚的單晶硅層503。在整個表面上的一百個點測量該單晶硅層503的膜厚度，發現為201nm±4nm。
在該例中，還在氫氣氛中1100℃熱處理1小時。用原子力顯微鏡(AFM)來評估所得SOI晶片的表面粗糙度，在邊長為5μm的方形區域中表面粗糙度的均方根約為0.2nm。該質量與市場上的普通Si晶片相當。
而且，在上述熱處理后用透射電子顯微鏡觀察SOI晶片的剖面。結果發現沒有新的晶體缺陷在單晶硅層503中產生，表明保持了高結晶度。
也可以在上述第一襯底的單晶硅膜(外延層)503上、第二襯底505的表面上、或兩個表面上形成SiO2膜。任何情況下都可以得到上述相似的結果。
另外，即使用如石英晶片等透光晶片作為第二襯底時，也可以用上述制備步驟形成高質量SOI晶片。但是氫氣氛中的熱處理在1000℃或以下進行，以防止由于石英(第二襯底)和單晶硅層503之間的熱膨脹系數的不同而導致的單晶硅層503的滑移。該例涉及另一SOI晶片制備方法。可以圖示的制備步驟與圖10A到10F中相同，所以下面參照圖10A到10F說明該方法。
首先，在HF溶液中將用來形成第一襯底的單晶硅襯底501陽極氧化，以形成多孔Si層502(圖10A)。陽極氧化條件如下。
第一階段電流密度7(mA/cm2)陽極氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間5(分鐘)多孔硅厚度5.5(μm)第二階段電流密度21(mA/cm2)陽極氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1時間20(秒)多孔硅厚度0.5(μm)隨后將所得襯底在氧氣氛下400℃氧化1小時。通過該氧化，多孔硅層502的孔內壁被熱氧化膜覆蓋。
用CVD(化學汽相淀積)工藝在多孔硅層502上外延生長0.15μm厚的單晶硅層503(圖10B)。外延生長條件如下源氣體SiH2Cl2/H2氣體流速0.5/180(l/min)氣體壓力80(Torr)溫度 950(℃)生長速率0.3(μm/min)接著用氧化在單晶硅層(外延層)503上形成100nm厚的SiO2層504(圖10C)。
鍵合圖10C所示這樣形成的第一襯底與第二Si襯底505，以將SiO2層504夾在中間(圖10D)。
從在21mA/cm2的電流密度下(第二階段)形成的多孔硅層將鍵合的晶片分開為兩個晶片，由此暴露第二襯底505表面的多孔硅層503(圖10E)。分開鍵合晶片的方法的實例包括1)機械力拉兩個晶片，2)扭動襯底，3)給晶片加壓，4)在襯底之間插入楔形物，5)從端面氧化來剝離襯底，6)用熱應力，7)加超聲波。可以選擇使用上述任何一種方法。
將圖10E所示的晶片置于充滿氫氟酸、過氧化氫、和超純水的混合溶液的晶片處理槽10中。在晶片旋轉的同時，加約0.25MHz的超聲波腐蝕多孔硅層502(圖10F)。晶片表面和晶片之間對多孔硅層502的腐蝕速率的均勻性為±5％或以下。如上所述在晶片旋轉的同時施加超聲波，可以均勻地促進晶片表面和晶片之間的多孔硅的坍塌(腐蝕)。
在多孔硅層502的腐蝕中，單晶硅層(外延層)503起腐蝕停止層的作用。因此可以選擇腐蝕晶片整個表面上的多孔硅層502。
即，由于使用上述腐蝕液來腐蝕單晶Si層503的腐蝕速率非常低，所以多孔硅層502對單晶硅層503的腐蝕選擇性為105以上。因此，單晶硅層503的腐蝕量只有幾十埃，實際可以忽略。
圖10F表示通過上述步驟得到的SOI晶片。該SOI晶片在SiO2層504上有0.1μm厚的單晶硅層503。在整個表面上的一百個點測量該單晶硅層503的膜厚度，發現為101nm±3nm。
在該例中，還在氫氣氛中1100℃熱處理1小時。用原子力顯微鏡(AFM)來評估所得SOI晶片的表面粗糙度，在邊長為5μm的方形區域中表面粗糙度的均方根約為0.2nm。該質量與市場上的普通Si晶片相當。
而且，在上述熱處理后用透射電子顯微鏡觀察SOI晶片的剖面。結果發現沒有新的晶體缺陷在單晶硅層503中產生，表明保持了高結晶度。
也可以在上述第一襯底的單晶硅膜(外延層)503上、第二襯底505的表面上、或兩個表面上形成SiO2膜。任何情況下都可以得到上述相似的結果。
另外，即使用如石英晶片等透光晶片作為第二襯底時，也可以用上述制備步驟形成高質量SOI晶片。但是氫氣氛中的熱處理在1000℃或以下進行，以防止由于石英(第二襯底)和單晶硅層503之間的熱膨脹系數的不同而導致的單晶硅層503的滑移。
在該例中，將鍵合的晶片分離為兩個晶片所得到的第一襯底(此后稱為分離的襯底)可以重新使用。即，用上述腐蝕多孔硅膜的相同腐蝕方法，選擇腐蝕殘留在襯底表面的多孔硅膜，并對所得材料進行處理(如氫氣中退火處理或表面拋光等表面處理)，分離的襯底可以重新用作第一或第二襯底。
在上述例7和8中，用外延生長在多孔硅層上形成單晶硅層。但是也可以用其他不同的方法如CVD、MBE、濺射、和液相生長等來形成單晶硅層。
而且可以用外延生長方法在多孔硅層上形成如GaAs或InP等單晶化合物的半導體層。此時，可以制作適于高頻器件如“Si上GaAs”和“玻璃(石英)上GaAs”、和OEIC的晶片。
另外盡管49％的氫氟酸和30％的過氧化氫的混合溶液適于作為選擇腐蝕多孔Si層的腐蝕液，但也可以用下面的腐蝕液。這是因為多孔Si有很大的表面積，由此可以容易地選擇腐蝕掉。
(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
應該注意，其他制備步驟并不限于上述實例中的條件，可以使用其他不同條件。
本發明可以降低顆粒對晶片的沾污，并使晶片處理更均勻。
本發明并不限于上述實施例，在不脫離本發明的精神范圍的情況下，本發明可以有很多改變和變形。因此本發明的公開的范圍限定在下面的權利要求書中。
權利要求
1.一種通過將晶片浸入處理液處理晶片的晶片處理裝置，包括其深度容許將晶片完全浸入處理液中的處理槽；用晶片旋轉部件來旋轉由晶片固定器固定的一個或多個晶片的晶片旋轉裝置，其中晶片旋轉部件繞從一個或多個晶片的重心正下方部分偏移的軸旋轉；在所述處理槽中產生超聲波的超聲波產生裝置。
2.如權利要求1的裝置，其特征為在由所述晶片固定器固定的一個或多個晶片的下面，僅設置所述晶片旋轉部件作為將旋轉力傳送到晶片的部件。
3.如權利要求1或2的裝置，其特征為所述晶片旋轉部件包括至少一個和所述軸基本平行的連桿部件，所述連桿部件繞所述軸旋轉。
4.如權利要求3的裝置，其特征為所述連桿部件的直徑大大小于所述連桿部件繞所述軸旋轉時實際形成的圓柱的直徑。
5.如權利要求3的裝置，其特征為所述連桿部件有與晶片外圍部分嚙合的槽。
6.如權利要求5的裝置，其特征為所述槽為V形槽。
7.如權利要求3的裝置，其特征為所述連桿部件沿所述軸的剖面基本為正弦波形。
8.如權利要求3的裝置，其特征為所述連桿部件沿所述軸的剖面基本為全波整流形。
9.如權利要求1或2的裝置，其特征為所述晶片旋轉裝置還包括置于所述處理槽外的驅動力產生裝置，和用來將所述驅動力產生裝置所產生的驅動力傳送到所述晶片旋轉部件并旋轉所述晶片旋轉部件的驅動力傳送裝置。
10.如權利要求9的裝置，還包括用來將所述處理槽內部分隔為處理晶片側、與所述驅動力傳送裝置側的分隔部件。
11.如權利要求9或10的裝置，其特征為所述驅動力傳送裝置通過一個曲柄裝置傳送所述驅動力產生裝置所產生的驅動力。
12.如權利要求1或2的裝置，其特征為所述處理槽包括具有溢流槽的循環裝置。
13.如權利要求12的裝置，其特征為所述循環裝置包括用來減少顆粒對晶片的沾污的減沾污裝置。
14.如權利要求13的裝置，其特征為所述減沾污裝置包括過濾器。
15.如權利要求13的裝置，其特征為所述減沾污裝置包括調節所述處理槽中處理液的流量的裝置。
16.如權利要求1或2的裝置，其特征為所述超聲波產生裝置包括超聲槽和超聲源，所述處理槽通過置于所述超聲槽中的超聲波傳送介質來接收超聲波。
17.如權利要求1或2的裝置，還包括用來改變所述超聲源與要處理的晶片之間的相對位置關系的驅動裝置。
18.如權利要求17的裝置，其特征為所述驅動裝置移動所述超聲槽中的所述超聲源。
19.如權利要求1或2的裝置，其特征為要與處理液接觸的所述處理槽和所述晶片旋轉裝置的至少部分構成部件由石英和塑料構成的組中的一種材料構成。
20.如權利要求1或2的裝置，其特征為要與處理液接觸的所述處理槽和所述晶片旋轉裝置的至少部分構成部件由氟樹脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)構成的組中的一種材料構成。
21.一種施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，它包括在將晶片全部浸入處理液并旋轉晶片的同時處理晶片。
22.一種施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，它包括在將晶片全部浸入處理液、并旋轉和垂直移動晶片的同時處理晶片。
23.一種施加超聲波處理晶片的晶片處理方法，它包括在將晶片全部浸入處理液并改變超聲源的位置的同時處理晶片。
24.如權利要求21到23的任一項的方法，其特征是用晶片清洗液作為處理液來清洗晶片。
25.如權利要求21到23的任一項的方法，其特征是用晶片腐蝕液作為處理液來腐蝕晶片。
26.如權利要求21到23的任一項的方法，其特征是用多孔硅腐蝕液作為處理液來腐蝕具有所述多孔硅層的晶片的多孔硅層。
27.如權利要求21到23的任一項的方法，其特征是使用下面溶液中的任何一種溶液作為處理液腐蝕有多孔硅層的晶片的所述多孔硅層，(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
28.一種半導體襯底制備方法，包括在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層的步驟；將所要結構的第一襯底與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，將所述無孔層夾在第一襯底和所述第二襯底之間的步驟；從鍵合結構上去除所述第一襯底，以暴露第二襯底上的所述多孔層的去除步驟；將其上暴露所述多孔層的第二襯底完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波腐蝕所述多孔層由此暴露第二襯底表面的腐蝕步驟，在腐蝕步驟中旋轉第二襯底。
29.一種半導體襯底制備方法，包括在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層的步驟；將所要結構的第一襯底與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，將所述無孔層夾在第一襯底和所述第二襯底之間的步驟；從鍵合結構上去除所述第一襯底，以暴露第二襯底上的所述多孔層的去除步驟；將其上暴露所述多孔層的第二襯底完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波腐蝕所述多孔層由此暴露第二襯底表面的腐蝕步驟，在腐蝕步驟中旋轉并垂直移動第二襯底。
30.一種半導體襯底制備方法，包括在形成于第一襯底的表面上的多孔層上形成無孔層的步驟；將所要結構的第一襯底與單獨制備的第二襯底鍵合在一起，將所述無孔層夾在第一襯底和所述第二襯底之間的步驟；從鍵合結構上去除所述第一襯底，以暴露第二襯底上的所述多孔層的去除步驟；將其上暴露所述多孔層的第二襯底完全浸入腐蝕液中，并施加超聲波腐蝕所述多孔層由此暴露第二襯底表面的腐蝕步驟，在腐蝕步驟中改變超聲源的位置。
31.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是腐蝕步驟所用的腐蝕液是下面的任一種(a)氫氟酸，(b)在氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(c)緩沖氫氟酸，(d)在緩沖氫氟酸中至少加入乙醇和過氧化氫中的一種所制備的混合液，(e)氫氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
32.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是去除步驟包括從背面研磨、拋光、或腐蝕所述第一襯底暴露所述多孔層的步驟。
33.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是去除步驟包括在所述多孔層的邊界處分開第一襯底和第二襯底的步驟。
34.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述無孔層為單晶硅層。
35.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述無孔層由單晶硅層和形成在所述單晶硅層上的氧化硅層構成。
36.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述無孔層為化合物半導體層。
37.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述第二襯底為硅襯底。
38.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述第二襯底為在其將與第一襯底鍵合的表面上形成有氧化硅膜的硅襯底。
39.如權利要求28到30的任一項的方法，其特征是所述第二襯底為透光襯底。
全文摘要
超聲槽(30)置于晶片處理槽(10)的下面。將超聲波從超聲槽(30)傳送到晶片處理槽(10)的同時處理晶片(40)。在將晶片(40)完全浸入晶片處理槽(10)并用晶片旋轉連桿(53)旋轉晶片的同時處理晶片(40)。
文檔編號H01L21/20GK1191385SQ98105320
公開日1998年8月26日 申請日期1998年2月20日 優先權日1997年2月21日
發明者上原二三男, 坂口清文, 柳田一隆, 原田賢一 申請人:佳能株式會社