專利名稱：對(duì)絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)，尤其涉及對(duì)這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法。
技術(shù)背景到目前為止，絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中最常使用的半導(dǎo)體材料是硅。這種結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)中被稱為絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，縮寫(xiě)"sor'已應(yīng)用于這種結(jié)構(gòu)。對(duì)于高性能 薄膜晶體管、太陽(yáng)能電池以及像有源矩陣顯示器這樣的顯示器而言，絕緣體上 硅技術(shù)正變得越來(lái)越重要。絕緣體上硅晶片包括位于絕緣材料上的單晶硅薄層(通常0.1-0.3微米厚，但在某些情況下達(dá)5微米厚)。如本文所使用的那樣， SOI應(yīng)該被解釋得更寬泛，以包括硅和其它半導(dǎo)體材料。獲得SOI結(jié)構(gòu)的各種方式包括在晶格匹配基板上外延生長(zhǎng)硅(Si)。備選工藝包括將單晶硅晶片接合到另一個(gè)其上已生長(zhǎng)有二氧化硅層的硅晶片，之后對(duì)頂部晶片進(jìn)行拋光或蝕刻，直到形成0.1-0.3微米厚的單晶硅層。其它方法包括離子注入方法，其中注入了氫或氧離子，從而在氧離子注入的情況下在硅 晶片中形成掩埋的氧化層且其頂部有硅，或者在氫離子注入的情況下分離(使 剝落)薄硅層以接合到另一個(gè)具有氧化層的硅晶片。就成本和/或接合強(qiáng)度和耐用性而言，前兩種方法沒(méi)有產(chǎn)生令人滿意的結(jié) 構(gòu)。后一種涉及氫離子注入的方法引起了人們的注意，并且被認(rèn)為優(yōu)于前面的方法，因?yàn)樗璧淖⑷肽芰勘妊蹼x子注入所需的要少50%并且所需的劑量低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)氫離子注入方法進(jìn)行剝落通常包括下列步驟。在單晶硅晶片上生長(zhǎng)熱 氧化層。然后，將氫離子注入到該晶片中以產(chǎn)生表面下的缺陷。注入能量決定 了產(chǎn)生缺陷的深度，劑量決定了缺陷密度。然后，使該晶片與另一個(gè)硅晶片(支持基板)在室溫下接觸從而形成臨時(shí)性接合。然后，對(duì)該晶片熱處理到約600°C，從而促使表面下的缺陷的生長(zhǎng)，這些缺陷可用于從硅晶片上分離一層很薄的 硅。所得的組件接下來(lái)被加熱到1，000°C以上，使具有二氧化硅底層的硅膜完 全接合到'支持基板即未注入的硅晶片。由此，該工藝形成了一種SOI結(jié)構(gòu)，該 結(jié)構(gòu)具有接合到另一個(gè)硅晶片的硅薄膜，同時(shí)氧化物絕緣層介于其間。該技術(shù)最近已應(yīng)用于SOI結(jié)構(gòu)，其中該基板是玻璃或玻璃陶瓷，而非另一個(gè)硅晶片。 一旦將SOI結(jié)構(gòu)接合到硅薄膜上，則通常必須對(duì)硅層的表面進(jìn)行拋光以產(chǎn) 生厚度基本上均勻的層，從而便于在該硅上形成薄膜晶體管(TFT)電路。拋光硅 晶片的常規(guī)方法通常使用片段方式的處理方法。即，首先確定與晶片上的位置 相關(guān)的晶片厚度。然后，該晶片被置于合適的拋光夾具之內(nèi)，且晶片表面被拋 光。不時(shí)地從夾具中取出晶片并且重新測(cè)量以確定拋光步驟的進(jìn)展。這種不連續(xù)的方法假定了拋光過(guò)程是穩(wěn)定的即，在操作過(guò)程中，拋光參數(shù)是一致的(比如溫度、漿體的PH值、晶片位置等)。在實(shí)踐中，這些參數(shù)可以是可變的，從而影響拋光過(guò)程的結(jié)果。當(dāng)將該技術(shù)應(yīng)用于制造電致發(fā)光顯示器面板過(guò)程中 所用的大且薄的片狀玻璃基板時(shí)，上述可變性就增大了。最終從中切割出這種面板的玻璃片可能是若干個(gè)平方米那么大，且厚度小于約0.5毫米。尺寸和厚 度較大的玻璃基板會(huì)導(dǎo)致玻璃基板下凹，并且很難準(zhǔn)確地對(duì)其表面上的半導(dǎo)體 層進(jìn)行拋光。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種對(duì)基板上所形成的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方 法。更具體地講，可以使用該方法對(duì)透明玻璃基板(比如常用于制造平板顯示 器的基板)上所形成的薄半導(dǎo)體層或膜進(jìn)行拋光。這種基板通常在厚度方面小 于約2毫米(比如小于約l毫米，小于約0.7毫米更佳)，并且比電子/計(jì)算機(jī) 工業(yè)所用的半導(dǎo)體晶片要大得多。例如，平板顯示器應(yīng)用中所用的玻璃基板常 常超過(guò)約0.25平方米的表面面積(在單個(gè)表面測(cè)得，比如頂面或底面)，其面 積可以是至少若干個(gè)平方米。正是基板具有大且薄這樣的特點(diǎn)，才導(dǎo)致很難用 常規(guī)方法對(duì)粘附的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光，除非該基板由剛性支持物或卡盤(pán)支撐 著，這通常導(dǎo)致無(wú)法從基板背面接觸到它。另一方面，當(dāng)大且薄的片狀玻璃基 板僅由基板邊緣水平地支撐著時(shí)，基板往往因重力效應(yīng)而在中央向下垂。簡(jiǎn)單地講，根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方式可以像本文所描述的那樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。該實(shí)施方式包括提供一絕緣基板，該基板最好在約200nm-2pm的波長(zhǎng) 范圍中是透明的并且具有第一側(cè)面和第二側(cè)面，該基板還包括在基板第一側(cè)面 上的一層半導(dǎo)體材料；拋光該半導(dǎo)體層以產(chǎn)生位于第一側(cè)面上且厚度基本上均 勻的半導(dǎo)體材料；以及與拋光半導(dǎo)體材料的步驟同時(shí)進(jìn)行的是，從基板的第二 側(cè)面測(cè)量半導(dǎo)體層的厚度并使用該半導(dǎo)體厚度測(cè)量結(jié)果來(lái)調(diào)整該拋光操作。絕 緣基板最好是玻璃或玻璃-陶瓷，且厚度通常小于約1 mm。較佳地，半導(dǎo)體厚 度是在材料除去區(qū)域處測(cè)量的?？捎糜趯?shí)現(xiàn)上述方法的半導(dǎo)體材料包括但不限于硅(Si),硅鍺(SiGe),碳 化硅(SiC)，鍺(Ge),砷化鎵(GaAs)， GaP,和InP。在進(jìn)行拋光的過(guò)程中，為了確?；宓膭傂?，基板最好由流體軸承支撐著， 比如空氣軸承或液壓軸承。這種軸承是有利的，因?yàn)樗鼈儾挥脠?jiān)硬且可能有破 壞性的表面來(lái)接觸基板。例如，通過(guò)在基板下面提供一個(gè)空氣墊，便實(shí)現(xiàn)了基 板的空氣軸承支撐。流體軸承最好定位在半導(dǎo)體材料上的材料除去區(qū)域的反 面，使得從中除去半導(dǎo)體材料的區(qū)域被支撐著。當(dāng)材料除去區(qū)域在半導(dǎo)體層的 表面上平移時(shí)，流體軸承也跟著，使得材料除去區(qū)域繼續(xù)被支撐著。流體軸承 最好包括一個(gè)端口或進(jìn)入?yún)^(qū)域，借此可在拋光過(guò)程中測(cè)量半導(dǎo)體層的厚度。在一些實(shí)施方式中，可能有利的是，首先執(zhí)行化學(xué)機(jī)械平整以除去指定要 除去的量較大的材料，其后，使用根據(jù)本發(fā)明的方法來(lái)完成拋光并且確?；?上的半導(dǎo)體層的厚度基本上均勻。在另一個(gè)實(shí)施方式中，揭示了一種對(duì)接合到基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的 方法，包括提供非平整的基板，該基板具有第一側(cè)面和第二側(cè)面以及接合到 第一側(cè)面的半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層具有露出的表面區(qū)域；對(duì)至少一個(gè)子孔徑材 料除去區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光；在至少一個(gè)材料除去區(qū)域和半導(dǎo)體層之 間形成相對(duì)移動(dòng)；以及與拋光同時(shí)進(jìn)行的是，測(cè)量半導(dǎo)體層的厚度。測(cè)得的半 導(dǎo)體層厚度被用于調(diào)整拋光操作，以便在露出的表面區(qū)域上產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。在某些其它的實(shí)施方式中，描述了一種對(duì)接合到玻璃基板的半導(dǎo)體層進(jìn)行 拋光的方法，包括提供透明的玻璃基板，該基板具有第一側(cè)面和第二側(cè)面并且包括接合到基板第一側(cè)面且具有初始厚度的半導(dǎo)體層。該基板通常所具有的 起伏度比半導(dǎo)體層的初始厚度要大一個(gè)量級(jí)的幅度。使用子孔徑拋光對(duì)半導(dǎo)體 層進(jìn)行拋光，以在基板的頂部之上產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。為了確保 均勻的厚度，在拋光過(guò)程中，也測(cè)量半導(dǎo)體層中間厚度。較佳地，從基板第二 側(cè)測(cè)量半導(dǎo)體厚度。在一些實(shí)施方式中，可以在拋光的同時(shí)在多個(gè)位置處測(cè)量 半導(dǎo)體厚度。較佳地，在材料除去區(qū)域處，測(cè)量半導(dǎo)體厚度。在一些實(shí)施方式中，在拋光的同時(shí)，測(cè)量半導(dǎo)體層的中間厚度。在其它實(shí)施方式中，拋光過(guò)程 可以被中止，并測(cè)量中間厚度，其后再繼續(xù)拋光過(guò)程。在下面的解釋性說(shuō)明中，本發(fā)明可以更容易地被理解，其它目的、特征、 細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯，這種說(shuō)明是結(jié)合附圖給出的并且沒(méi)有任何限制的含 義。所有附加的系統(tǒng)、方法特征以及優(yōu)點(diǎn)都旨在被包括在這種說(shuō)明中，被包括 在本發(fā)明的范圍中，并且被權(quán)利要求書(shū)保護(hù)。


圖1是在其頂部之上有一層半導(dǎo)體材料的基板的橫截面?zhèn)纫晥D。圖2-4是示出了與形成圖1的SOI結(jié)構(gòu)相關(guān)的中間結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程的框圖。 圖5是示出了與形成圖1的SOI結(jié)構(gòu)相關(guān)的圖4的中間結(jié)構(gòu)的某些層的分 離過(guò)程的框圖。圖6是具有低頻度、低振幅平整誤差和低總厚度變化(TTV)的基板-半導(dǎo)體 層壓材料的透視圖。圖7是在真空壓板上平整過(guò)的圖6的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖8是顯示出高頻度平整性誤差和低TTV的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖9是嘗試在真空壓板上壓平圖8的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖10是具有高頻度平整性誤差和高TTV的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖ll是嘗試?yán)贸Ｒ?guī)CMP技術(shù)對(duì)圖10的基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光 的透視圖。圖12是描繪對(duì)基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法的側(cè)視圖，其中顯示出拋光構(gòu)件與半導(dǎo)體層相接觸。圖13是圖12的拋光方法的透明性的透視圖，其中顯示出材料除去區(qū)域。 圖M是對(duì)基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光的系統(tǒng)的框圖。圖15是在拋光操作過(guò)程中用空氣軸承支撐的基板半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖16是通過(guò)偽-閉合環(huán)路反饋對(duì)基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光的方法的側(cè)面橫截面圖。
具體實(shí)施方式
在下面的詳細(xì)描述中，為了解釋而非限制，闡明了揭示特定細(xì)節(jié)的示例實(shí) 施方式，從而對(duì)本發(fā)明作透徹的理解。然而，很明顯，對(duì)于從本發(fā)明中獲益的 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以按不背離這些特定細(xì)節(jié)的其它實(shí)施方式來(lái)實(shí)施本發(fā) 明。此外，關(guān)于公知器件、方法和材料的說(shuō)明將被省去以突出本發(fā)明的描述。 最終，在可應(yīng)用之處，相同的標(biāo)號(hào)指代相同的元件。本發(fā)明涉及絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的制造方法，尤其涉及玻璃基板上所形成的硅 層的拋光。本發(fā)明利用一種能夠向測(cè)試裝置提供實(shí)時(shí)膜厚度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量系 統(tǒng)，由此顯著地提高了這種系統(tǒng)的拋光準(zhǔn)確度(即在拋光過(guò)程中從半導(dǎo)體層中 除去材料的量的準(zhǔn)確度)。本發(fā)明還提供了一種使拋光附近區(qū)域的薄基板剛硬 的方法和裝置。圖1是SOI結(jié)構(gòu)10的橫截面圖，它包括玻璃或玻璃-陶瓷基板12，在該基 板的頂部之上有至少一層半導(dǎo)體材料14。 SOI結(jié)構(gòu)IO具有與制造薄膜晶體管 (TFT)相關(guān)的合適用途，比如用于顯示應(yīng)用，其中包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED) 顯示器和液晶顯示器(LCD)、集成電路、光電器件等?；?2最好由氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷構(gòu)成。盡管未要求，但是， 本文所描述的實(shí)施方式最好包括其應(yīng)變點(diǎn)小于約1,000°C的氧化物玻璃或玻璃-陶瓷。如玻璃制造技術(shù)中常規(guī)情況那樣，應(yīng)變點(diǎn)是玻璃或玻璃-陶瓷的粘度為 1014'6泊(1013'6Pa.s)的溫度。作為示例，基板12可以是含堿土離子的玻璃基板，比如由康寧公司玻璃 成分號(hào)1737或康寧公司玻璃成分Eagle 200()TM所制成的基板。這些玻璃材料在液晶顯示器的生產(chǎn)過(guò)程中具有特定的應(yīng)用。基板12的厚度最好介于約0.1mm-10mm之間，介于約0.5mm-lmm之間最佳。對(duì)于某些SOI結(jié)構(gòu)而言，厚度大于或等于約1微米的絕緣層是令人期望的， 以避免寄生電容效應(yīng)，當(dāng)具有硅/氧化硅/硅配置的標(biāo)準(zhǔn)SOI結(jié)構(gòu)在高頻下工作 時(shí)會(huì)產(chǎn)生這種寄生電容效應(yīng)。過(guò)去，這種厚度是很難實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，通 過(guò)簡(jiǎn)單地使用其厚度大于或等于約1微米的基板12，便很容易地實(shí)現(xiàn)其絕緣層 比約l微米厚的SOI結(jié)構(gòu)?；?2的厚度的較佳下限由此就是約l微米。通常，基板12應(yīng)該足夠厚以支撐至少一個(gè)半導(dǎo)體層14，使其歷經(jīng)本發(fā)明 的多個(gè)工藝步驟以及隨后在SOI結(jié)構(gòu)10上執(zhí)行的處理。盡管對(duì)于基板12的厚 度沒(méi)有理論上限，但是超出支撐功能所需或最終的SOI結(jié)構(gòu)所期望的厚度則通 常是不好的，因?yàn)榛?2的厚度越大，形成SOI結(jié)構(gòu)IO的工藝步驟中的至少 一些步驟就越難實(shí)現(xiàn)?；?2最好是二氧化硅基玻璃或玻璃-陶瓷。由此，二氧化硅在氧化物玻 璃或氧化物玻璃-陶瓷中的摩爾百分比最好大于30摩爾％,大于40摩爾％最佳。 在玻璃-陶瓷的情況下，晶相可以是莫來(lái)石(mumte)、堇青石、銬長(zhǎng)石、尖晶 石、或玻璃-陶瓷領(lǐng)域中已知的其它晶相。非二氧化硅基玻璃和玻璃-陶瓷可以 用在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，但是通常不是較佳的，因?yàn)槠涑杀酒?且性能特征較差。相似的是，對(duì)于某些應(yīng)用而言，比如對(duì)于使用非硅基半導(dǎo)體 材料的SOI結(jié)構(gòu)而言，非氧化物基玻璃基板(比如非氧化物玻璃)可能是令人 期望的，但是通常不是較佳的，因?yàn)槠涑杀酒?。?duì)于某些應(yīng)用而言，比如顯示應(yīng)用，玻璃或玻璃-陶瓷基板12最好在可見(jiàn) 光、近UV和/或IR波長(zhǎng)范圍中是透明的，比如玻璃或玻璃陶瓷基板12最好在 200nm-2微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)是透明的。盡管基板12最好由單個(gè)玻璃或玻璃-陶瓷組成，但是若期望的話，也可以 使用層壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用層壓基板結(jié)構(gòu)時(shí)，層壓材料中最接近上述至少一個(gè)半導(dǎo) 體層14的那一層最好具有本文針對(duì)單個(gè)玻璃或玻璃-陶瓷所組成的基板12所討 論的那些性質(zhì)。離半導(dǎo)體層14較遠(yuǎn)的基板層最好也具有那些性質(zhì)，但是也可 以具有寬松的性質(zhì)，因?yàn)樗鼈儾⒉恢苯咏佑|到半導(dǎo)體層14。在后一種情況下， 基板12被視為結(jié)束于基板12的指定性質(zhì)不再得到滿足之處。構(gòu)成半導(dǎo)體層14的半導(dǎo)體材料最好包括基本上單晶的材料。"基本上" 一詞被用于描述層14，從而考慮到這樣一個(gè)事實(shí)，即半導(dǎo)體材料通常都包含至 少一些固有的或故意添加的內(nèi)部或表面缺陷，比如晶格缺陷或一些晶界。"基 本上" 一詞也反映了這樣一個(gè)事實(shí)，即某些摻雜劑可能會(huì)扭曲或以其它方式影 響塊狀半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)。為了便于討論，假定半導(dǎo)體層14由硅構(gòu)成。然而，應(yīng)該理解，半導(dǎo)體材料可以是硅基半導(dǎo)體或任何其它類(lèi)型的半導(dǎo)體，比如m-v、 n-iv、 n-iv-v等半導(dǎo)體。這些材料的示例包括硅(Si),硅鍺(SiGe)，碳化硅(SiC)，鍺(Ge)，砷化 鎵(GaAs), GaP,和InP。半導(dǎo)體層14的厚度可以介于約5nm-10微米(10,000 nm)之間，且通常 介于約500nm-900nm之間，盡管根據(jù)結(jié)構(gòu)10的特定應(yīng)用也可以使用包括更大 厚度的其它厚度。半導(dǎo)體材料14可以通過(guò)各種方法形成于基板12上。例如，半導(dǎo)體材料可 以通過(guò)下列方法形成汽相沉積；濺射；或?qū)⑾鄬?duì)較厚的半導(dǎo)體晶片接合到基 板上且通過(guò)離子注入和剝落，使該相對(duì)較厚的半導(dǎo)體層(比如約600 - 1500 pm) 減小到相對(duì)較薄的半導(dǎo)體層(比如約500 mn)。剝落方法在美國(guó)專利申請(qǐng) 11/159,889中有描述，其內(nèi)容引用在此作為參考。該工藝的多個(gè)部分將在下文 中進(jìn)行討論。下面將就剝落技術(shù)來(lái)討論本發(fā)明的實(shí)施方式的描述，但是本領(lǐng)域 技術(shù)人員將明白，本文所描述的拋光方法可應(yīng)用于對(duì)其它方法所形成的半導(dǎo)體 -基板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光。如美國(guó)專利申請(qǐng)11/159，889所述且如圖2所描繪的那樣，在半導(dǎo)體晶片22 的表面上形成了由相對(duì)精細(xì)的孔構(gòu)成的第一多孔層。為了便于討論，半導(dǎo)體晶 片22最好是基本上單晶的硅晶片，盡管任何其它合適的半導(dǎo)體導(dǎo)體材料都可 以使用。第一多孔層20最好是通過(guò)陽(yáng)極氧化而產(chǎn)生的，陽(yáng)極氧化是一種電化學(xué)蝕 刻工藝。半導(dǎo)體晶片22被浸入合適的電解溶液中，并且被用作一對(duì)電極中的 一個(gè)電極。另一電極可以由任何合適的材料構(gòu)成，比如相應(yīng)的半導(dǎo)體材料(硅)、 鉑、貴金屬、或任何其它合適的金屬或?qū)щ姴牧?。橫跨兩個(gè)電極加上電壓，該電位最好使得半導(dǎo)體晶片22充當(dāng)陽(yáng)極。最好調(diào)節(jié)該電壓的大小以產(chǎn)生合適的電流，該電流流過(guò)半導(dǎo)體晶片22、電解溶液和 另一個(gè)電極，以便誘導(dǎo)半導(dǎo)體晶片22的表面的電化學(xué)蝕刻。較佳地，在第一多孔層20中，利用陽(yáng)極氧化工藝產(chǎn)生的孔處于納米尺度。參照?qǐng)D3，在第一多孔層20的下面最好產(chǎn)生第二多孔層24，使得第二多 孔層24的孔比第一多孔層20的孔相對(duì)更大些。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，電流幅值、電解質(zhì)濃度、電極和溶液的電阻 率以及施加的時(shí)間都是與實(shí)現(xiàn)特定的孔大小、孔密度和層厚度有關(guān)的變量。作 為示例，第二多孔層的厚度可以與第一多孔層20的厚度大約相同。半導(dǎo)體晶片22最好經(jīng)沖洗和清洗，并且第一多孔層20最好經(jīng)輕度氧化處 理。較佳地，氧化層的厚度約為lmn-3nm?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，外延半導(dǎo)體層26可以直接或間接形成于第一多孔層20之 上。為了與上述示例一致，外延層26最好是硅層，盡管其它半導(dǎo)體材料也可 以使用。外延硅層可以通過(guò)化學(xué)汽相沉積、濺射、電子束蒸鍍、熱蒸鍍、或其 它合適的工藝來(lái)形成。較佳地，外延硅層26是基本上單晶的結(jié)構(gòu)，并且厚度 介于約5nm-10微米(10，000nm)，盡管根據(jù)結(jié)構(gòu)10的特定應(yīng)用可以使用包括 更大的厚度的其它厚度。然后，利用電解過(guò)程，將玻璃基板12接合到外延半 導(dǎo)體層26。作為電解過(guò)程的初始步驟，清洗玻璃基板12并執(zhí)行任何合適的表面準(zhǔn)備 步驟。然后，使玻璃基板接觸外延半導(dǎo)體層26。在該接觸之前或之后，在不同 的溫度梯度下加熱半導(dǎo)體晶片外延層結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為晶片22)和玻璃基板。一旦玻璃基板12和半導(dǎo)體晶片22之間的溫度差穩(wěn)定了，則可以除去任何 間隔物并且對(duì)中間組件施加機(jī)械壓力。玻璃基板12和半導(dǎo)體晶片22被加熱，橫跨中間組件施加電壓，較佳地， 半導(dǎo)體晶片22處于正電極處，玻璃基板12處于負(fù)電極處。電壓電位的施加使 玻璃基板12中的堿性或堿土離子從半導(dǎo)體/玻璃界面移開(kāi)且迸一步進(jìn)入玻璃基 板12。這實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能(i)產(chǎn)生了沒(méi)有堿性或堿土離子的界面；以及(ii) 玻璃基板12變得非常有活性，并且在相對(duì)較低的溫度下加熱時(shí)強(qiáng)烈地接合到 外延半導(dǎo)體層26。在這些條件下保持中間組件預(yù)定的時(shí)間周期之后，除去電壓 且允許中間組件冷卻到室溫。然后，將半導(dǎo)體晶片22和玻璃基板12分開(kāi)，若它們沒(méi)有完全分開(kāi)則可能包括一些剝離操作，從而獲得一個(gè)其上接合有薄外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層26的玻璃基板28。這種分離最好是這樣實(shí)現(xiàn)的因熱應(yīng)力導(dǎo)致第二層24的較大的孔破裂。或者，可以使用機(jī)械應(yīng)力(比如噴水切割或化學(xué)蝕刻)以促進(jìn)該分離。由此，在圖5所示的分離之后，所得的結(jié)構(gòu)IO可以包括玻璃基板12，半 導(dǎo)體層14可以包括接合到基板上的外延半導(dǎo)體層26以及至少一部分第一多孔 層20 (如果沒(méi)有一部分的第二多孔層24)。之后，根據(jù)本發(fā)明的拋光技術(shù)對(duì) 半導(dǎo)體層的表面進(jìn)行拋光，以獲得位于玻璃基板12上的期望厚度的半導(dǎo)體層 14。在半導(dǎo)體晶片工業(yè)中，薄膜的拋光是公知的。然而，在半導(dǎo)體工業(yè)中，膜 被沉積到其表面通常是平的且平行的那些基板上。通過(guò)常規(guī)的化學(xué)機(jī)械平整化 (CMP)方法，這些材料很容易適合半導(dǎo)體材料去除。CMP拋光方法對(duì)于校正非均勻膜厚度能力有限，它們是基本上平均化的處 理過(guò)程，使用較大的拋光墊(通常比待拋光的半導(dǎo)體晶片要大)對(duì)膜進(jìn)行處理， 優(yōu)先除去高點(diǎn)直到晶片被平整化。 一旦晶片被平整化，連續(xù)的拋光就產(chǎn)生了大 量的去除材料。通常執(zhí)行最后的拋光步驟以實(shí)現(xiàn)期望的表面精整。通常，對(duì)于 材料去除過(guò)程的每一個(gè)階段，使用不同硬度和柔順性的拋光墊。確定合適的拋 光墊硬度的一個(gè)因素是需要提供與待拋光的半導(dǎo)體層的表面起伏度恰當(dāng)相符的拋光墊。如果基板是平的，膜具有可變的厚度，則可以使用較硬的拋光墊使 膜厚度平整化，優(yōu)先除去高點(diǎn)處的膜材料。利用與軟底層相接合的硬拋光墊表 面，執(zhí)行第一拋光步驟。緩沖的硬表面以高材料除去速率傳遞著最平的表面。 接下來(lái)是第二拋光步驟，利用了軟共形拋光墊來(lái)傳遞最平滑的表面。如果該基板包括低頻度起伏度，但是膜厚度非常均勻，則將使用更軟的拋 光墊以與該膜的頂面相符并除去均勻量的膜材料。上述兩種CMP處理過(guò)程對(duì)于校正其各自的目標(biāo)誤差能力很有限，并且若 需要除去相當(dāng)多的材料則往往會(huì)失去控制。通常，CMP的材料去除均勻性限于 待除去的膜厚度的5%。因此，膜厚度限差限于最終膜厚度的5%。由此，對(duì) 于初始厚度為500 nm的膜而言，通過(guò)CPM該厚度減小到80 nm，與所要求的 4nm的可變性相比，實(shí)際的膜厚度可變性約為21 nm。顯示器應(yīng)用中所用的SOI結(jié)構(gòu)通常使用薄(比如厚度量級(jí)大約小于0.7mm)且透明的玻璃作為基板，這種玻璃是針對(duì)平板顯示器而制造的。這種玻璃的表面通常在節(jié)距和幅度兩方面具有可變的平整性以及可變的 總厚度變化(TTV)。這種基板的起伏度(通常被測(cè)得為基板的表面平整性的峰-谷偏差)通常比半導(dǎo)體層的厚度大至少一個(gè)量級(jí)，盡管通常約小于20 pm。例 如，給定初始半導(dǎo)體厚度約為500 nm，基板(其上所沉積的半導(dǎo)體層)的起伏 度可以超過(guò)5 pm。這種大起伏度使得利用常規(guī)CMP方法很難或不可能將基板 拋光成均勻厚度。作為示例，下面的討論將使CMP的各種局限更清晰。現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出了由真空壓板30支撐的半導(dǎo)體-基板層壓材料10a，它 包括基板12a，基板12a的頂面之上形成了半導(dǎo)體層14a。晶片10a呈現(xiàn)出低頻 度低幅度平整性誤差以及低TTV，比如該晶片厚度基本上均勻但具有低頻度起 伏度。這種形狀是半導(dǎo)體/電子器件工業(yè)所用的典型的硅晶片。如圖7所示，用 真空壓板30可以很容易地使圖2的晶片10a拉平，從而使晶片適于CMP磨光。圖8示出了半導(dǎo)體晶片10b，它包括基板12b，在基板12b的頂面之上形 成了半導(dǎo)體層14b從而顯示了高頻度低TTV誤差，該晶片厚度基本上均勻但具 有增大的起伏度。如圖9所示，真空壓板30無(wú)法將該晶片拉成合適的形狀。 利用大拋光墊除去材料的常規(guī)拋光方法往往除去高點(diǎn)處的材料。最終，圖IO描繪了半導(dǎo)體晶片10c，它包括基板12c，在基板12c的頂面 之上形成了半導(dǎo)體層14c從而顯示了高頻度波紋和平板顯示器玻璃典型的 TTV。即，該晶片具有可變的厚度，很大程度上是因基板的厚度變化和起伏度 所導(dǎo)致的。同樣，如圖11所示，無(wú)法用真空壓板30將該基板-半導(dǎo)體晶片拉平。 晶片10c頂面處的半導(dǎo)體層12c的常規(guī)CMP拋光往往產(chǎn)生具有可變厚度的半 導(dǎo)體層，或者更糟糕的是，當(dāng)半導(dǎo)體材料被局部地完全除去且基板露出來(lái)時(shí)該 半導(dǎo)體具有補(bǔ)坑。由此，CMP沒(méi)有很好地適于這種SOI結(jié)構(gòu)的拋光，因?yàn)榘雽?dǎo) 體材料去除能力取決于玻璃基板的平整性和TTV。對(duì)于在薄玻璃基板上使用半 導(dǎo)體層的玻璃-基板SOI結(jié)構(gòu)而言，為了實(shí)現(xiàn)合適量的材料除去，特別是如果該 基板具有非均勻的厚度并呈現(xiàn)出起伏度(即非平整的)，則需要這樣一種處理 過(guò)程，它能夠選擇性地除去半導(dǎo)體材料，又能同時(shí)維持膜(半導(dǎo)體)厚度均勻 性，而不管基板幾何尺寸和半導(dǎo)體材料的去除性質(zhì)的均一性如何。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，子孔徑機(jī)械加工工具(或子孔徑除去工藝區(qū)域) 在SOI結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體材料的表面上平移。子孔徑意思是，除去區(qū)域比待拋光 的SOI結(jié)構(gòu)要小得多，并且該工藝可以被修改使得材料除去速率可以被改變以 校正膜厚度可變性。圖12示出了利用機(jī)械除去工具進(jìn)行子孔徑拋光的圖示。圖12描繪了 SOI結(jié)構(gòu)10，它包括基板12和位于基板12的頂面之上的半導(dǎo)體 層14。還示出了拋光構(gòu)件16，它包括拋光部分18。圖12所示拋光部分18具 有弓形外表面，它包括其粒度和硬度適合于半導(dǎo)體材料的研磨磨料。磨料粒度 和硬度的選擇是一個(gè)工藝變量，是基于所期望的材料去除量和去除速度而選擇 的。然而，應(yīng)該注意到，弓形外表面不是必然的，拋光部分18可以根據(jù)待拋 光的表面的形狀等因素來(lái)選擇不同的形狀。拋光部分18最好能夠變形成被拋 光的表面的形狀。子孔徑材料去除區(qū)域可以被定義為任一次經(jīng)歷材料去除的半 導(dǎo)體材料區(qū)域。例如，圖12示出了拋光構(gòu)件16與被拋光的表面(比如半導(dǎo)體 層的表面)相接觸。被拋光的材料表面上與拋光部分18相接觸的那個(gè)區(qū)域是 材料去除區(qū)域32，圖12示出了子孔徑材料去除區(qū)域的一維圖示。圖13示出了 子孔徑材料去除區(qū)域32，它是半導(dǎo)體層14的一部分之上的二維區(qū)域。圖13將 拋光構(gòu)件.16顯示成透明的，使得材料去除區(qū)域可以被看到。Bingham等人的美 國(guó)專利6,796,877描述了一種合適的子孔徑去除裝置，拋光構(gòu)件16是其一個(gè)部 件，其內(nèi)容引用在此作為參考。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，其它材料 除去工藝(其中材料去除區(qū)域比工件的大小小得多)也可以有效地使用。例如， 可以應(yīng)用等離子體輔助化學(xué)蝕刻。為了提供用于指示直接在子孔徑去除區(qū)域32下方的半導(dǎo)體層14的厚度的 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖12所示，將探測(cè)束34從半導(dǎo)體層的基板一側(cè)引導(dǎo)至半導(dǎo)體層， 即探測(cè)束34在接觸半導(dǎo)體層14之前橫穿基板12的厚度。探測(cè)束34最好是來(lái) 自寬帶源的光。較佳地，來(lái)自寬帶光源的寬帶光具有在約200 nm 800 nm波 長(zhǎng)范圍中延伸的光譜內(nèi)容。用于計(jì)算薄半導(dǎo)體層厚度的方法在本領(lǐng)域是公知 的，此處不詳述。簡(jiǎn)言之，基板上的半導(dǎo)體層可以用作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具。當(dāng)在反射 過(guò)程中觀察時(shí)，該層(膜)可以產(chǎn)生一個(gè)與該層的表面反射相疊加的干涉圖案。 通常，使用光譜學(xué)，其中探測(cè)束34的光(已在該層之內(nèi)反射以待測(cè)量)被合 適的拍攝設(shè)備(比如光譜儀、相關(guān)的檢測(cè)器或其它電子部件)捕獲，并且在計(jì)算機(jī)和合適的軟件的輔助下分析所得的數(shù)據(jù)。后來(lái)的干涉峰的間隔在與半導(dǎo)體層的折射率相結(jié)合的情況下可以被用于計(jì)算材料的厚度(比如，F(xiàn)red Goldstein 的"Film Thickness of 'Thick Thin Films' by Spectroscopy" ， Society of Vacuum Coaters 1998 Meeting, Boston, MA)。有利的是，將透明玻璃或玻璃陶瓷用于基 板12可允許應(yīng)用常規(guī)的薄膜厚度測(cè)量方法，同時(shí)除去半導(dǎo)體層的材料，由此 促進(jìn)了閉合回路反饋拋光過(guò)程。在拋光進(jìn)行過(guò)程中，來(lái)自厚度測(cè)量裝置36的 數(shù)據(jù)被用于監(jiān)控子孔徑去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層14的中間厚度。測(cè)量的數(shù)據(jù)可 以被并入自動(dòng)控制系統(tǒng)中，圖14以框圖形式示出了該系統(tǒng)，包括微處理器(計(jì) 算機(jī)等)38，接下來(lái)它可以被用于控制拋光裝置40 (包括拋光構(gòu)件16)，由 此調(diào)節(jié)或修改測(cè)量去除參數(shù)，比如拋光構(gòu)件在特定位置的停留時(shí)間、拋光構(gòu)件 旋轉(zhuǎn)速度、拋光構(gòu)件相對(duì)于被拋光的表面的角度等，由此改變?cè)谌我晃恢贸?的材料的量?？尚薷牡牟牧先コ齾?shù)是那些與所選特定去除方法相關(guān)的參數(shù)。為了促進(jìn)材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層的閉環(huán)反饋，可以使用支撐設(shè)備，它 能夠在被拋光的區(qū)域附近局部地支撐玻璃基板并且能接觸到與材料去除區(qū)域 相反的基板表面。例如，流體軸承(比如空氣軸承或液壓軸承)可以給出很好 的支撐。如圖15所示，在一個(gè)實(shí)施方式中，支撐物42包括空氣軸承。支撐物 (空氣軸承)42包括中心開(kāi)口 44，探測(cè)束34穿過(guò)該中心開(kāi)口 44。支撐物42 也包括環(huán)形通道46，將來(lái)自一個(gè)源(未示出)的加壓氣體(比如空氣)注入到 該通道的一端之中，再?gòu)木o鄰被支撐的基板的通道的相反一端出來(lái)，由此支撐 著材料去除區(qū)域32附近的SOI結(jié)構(gòu)10。通過(guò)使拋光構(gòu)件16相對(duì)于SOI結(jié)構(gòu) 10平移，或者通過(guò)使SOI結(jié)構(gòu)10相對(duì)于拋光構(gòu)件16平移，可以對(duì)SOI結(jié)構(gòu) 10進(jìn)行拋光。在一個(gè)實(shí)施方式中，探測(cè)束34和拋光構(gòu)件16維持在固定的位置， 且呈對(duì)置的關(guān)系，SOI結(jié)構(gòu)10在探測(cè)束和拋光構(gòu)件之間平移。比如，通過(guò)使用 不止一個(gè)拋光構(gòu)件，每一次可以應(yīng)用不止一個(gè)材料去除區(qū)域。在某些實(shí)施方式中，期望利用常規(guī)CMP方法首先執(zhí)行粗略的拋光步驟。 一旦對(duì)半導(dǎo)體層14完成了粗略拋光(即從層14中除去了預(yù)定量的半導(dǎo)體材料)，則接下來(lái)根據(jù)本發(fā)明的子孔徑拋光方法除去另外的材料。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以應(yīng)用偽閉環(huán)拋光設(shè)置，其中在子孔徑 材料去除區(qū)域附近(即在材料去除區(qū)域周?chē)粋€(gè)或多個(gè)分離的位置處)執(zhí)行半導(dǎo)體層的厚度測(cè)量。圖16描繪了該方法。盡管可以從基板的底面(與半導(dǎo)體 材料相反的一側(cè))執(zhí)行中間厚度測(cè)量，但是偽閉環(huán)配置一般假設(shè)基板的底面是 不可接觸到的，因此，提供了上述閉環(huán)拋光過(guò)程的備選方案。如果使用了材料 去除區(qū)域周?chē)亩鄠€(gè)厚度測(cè)量位置(通過(guò)多個(gè)探測(cè)束34)，則半導(dǎo)體層14的 平均厚度可以從測(cè)量數(shù)據(jù)中計(jì)算出來(lái)。很明顯，偽閉環(huán)拋光裝置并不產(chǎn)生像閉 環(huán)配置那樣準(zhǔn)確的拋光操作，其中在材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層的一個(gè)位置進(jìn) 行半導(dǎo)體層的中間厚度測(cè)量。就像使用閉環(huán)拋光配置那樣，偽閉環(huán)配置使用與 拋光同時(shí)進(jìn)行的厚度測(cè)量。因?yàn)闇y(cè)量是在與除去半導(dǎo)體材料的同一半導(dǎo)體層表 面處進(jìn)行的并且盡可能地靠近材料去除區(qū)域，所以如果漿體被用于材料去除， 則可能有必要在半導(dǎo)體層上將要進(jìn)行測(cè)量的位置提供相對(duì)干凈的區(qū)域。這可以 很容易地執(zhí)行，比如將空氣或水噴射到期望的位置處的半導(dǎo)體材料?？諝鈬娚?也可以與清洗流體流(比如水)組合起來(lái)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明的上述實(shí)施方式，特別是任何"較佳的"實(shí)施方式都僅 是可能的實(shí)現(xiàn)方式示例，并且僅僅是為了清晰理解本發(fā)明的原理而闡明的。在 基本上不背離本發(fā)明的精神和原理的情況下，可以對(duì)上述本發(fā)明實(shí)施方式做出 各種修改和變化。所有這些修改和變化都旨在被包括在本文的范圍中并且受權(quán) 利要求書(shū)保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)基板上的半導(dǎo)體材料層進(jìn)行拋光的方法，包括提供一個(gè)基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及位于基板第一側(cè)面上的半導(dǎo)體材料層；對(duì)半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光以減小其厚度；在拋光的同時(shí)，通過(guò)基板的第二側(cè)面測(cè)量半導(dǎo)體層的厚度；以及利用半導(dǎo)體厚度測(cè)量結(jié)果來(lái)修改拋光操作以便產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，基板是不平的。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層包括選自下列的材料 硅(Si)，硅鍺(SiGe)，碳化硅(SiC),鍺(Ge),砷化鎵(GaAs)， GaP，以及InP。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括用流體軸承支撐著基板。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，拋光包括除去子孔徑材料去除區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，測(cè)量是在材料去除區(qū)域內(nèi)執(zhí)行的。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括在材料去除區(qū)域和半導(dǎo)體層之間形成相對(duì)的移動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，拋光包括半導(dǎo)體層和拋光構(gòu)件之 間的接觸。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，拋光包括等離子體輔助化學(xué)蝕刻。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基板的表面面積至少約為0.25 平方米。
11. 一種對(duì)接合到基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，包括提供不平的基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及接合到第一側(cè)面的 半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層具有露出的表面區(qū)域；對(duì)至少一個(gè)子孔徑材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光；在至少一個(gè)材料去除區(qū)域和半導(dǎo)體層之間形成相對(duì)的移動(dòng)；在拋光的同時(shí)，測(cè)量半導(dǎo)體層的厚度；以及利用測(cè)得的半導(dǎo)體層的厚度來(lái)修改拋光操作以便在露出的表面區(qū)域上產(chǎn)生一 個(gè)厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，測(cè)量是通過(guò)基板第二側(cè)面執(zhí)行的。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，測(cè)量是在材料去除區(qū)域之內(nèi)執(zhí) 行的。
14. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，測(cè)量是從基板第一側(cè)面執(zhí)行的。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，拋光包括使用多個(gè)子孔徑材料 去除區(qū)域。
16. —種對(duì)接合到基板的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，包括 提供一個(gè)基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及接合到第一側(cè)面且具有初始厚度的半導(dǎo)體層；對(duì)子孔徑材料去除區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光； 測(cè)量半導(dǎo)體層的中間厚度；利用測(cè)得的半導(dǎo)體層的厚度來(lái)修改拋光操作以便產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo) 體層；以及其中基板第一側(cè)面的表面起伏度比接合于其上的半導(dǎo)體層的初始厚度大至少 一個(gè)量級(jí)。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，測(cè)量是與拋光同時(shí)執(zhí)行的。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層是通過(guò)基板第二側(cè)面
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括多個(gè)子孔徑材料去除區(qū)域。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層是通過(guò)半導(dǎo)體層的露 出的表面來(lái)測(cè)量的。
全文摘要
描述了一種對(duì)透明基板上所形成的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，該方法包括在拋光的同時(shí)，從半導(dǎo)體層的基板一側(cè)測(cè)量半導(dǎo)體的厚度；以及利用厚度測(cè)量結(jié)果來(lái)修改拋光操作。
文檔編號(hào)H01L21/66GK101336471SQ200680051834
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者C·M·達(dá)坎吉羅, J·C·托馬斯, J·S·希特斯, M·A·斯托克, R·O·馬斯克梅耶, S·J·格瑞格斯基 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司