專利名稱：物體分離裝置和方法以及半導(dǎo)體襯底制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到物體分離裝置和方法以及半導(dǎo)體襯底的制造方法。
具有SOI(絕緣體上硅)結(jié)構(gòu)的襯底(SOI襯底)即在絕緣層上有單晶硅層的襯底。采用這種SOI結(jié)構(gòu)的器件具有普通硅襯底無法得到的許多優(yōu)點。這些優(yōu)點的例子如下(1)由于介電隔離容易而可提高集成度。
(2)可提高抗輻射能力。
(3)由于寄生電容小而可提高器件的工作速度。
(4)不需要阱形成步驟。
(5)可防止閂鎖。
(6)可用薄膜制作方法來制作完全耗盡的場效應(yīng)晶體管。
由于SOI結(jié)構(gòu)有上述各種優(yōu)點，故近幾十年對它的制作方法進行了各種研究。
作為一種SOI技術(shù)，用CVD(化學(xué)汽相淀積)方法在單晶藍寶石襯底上異質(zhì)外延生長硅的SOS(藍寶石上硅)技術(shù)已為人所知多年了。這一SOS技術(shù)曾經(jīng)被認為是最成熟的SOI技術(shù)。但由于例如硅層與下方藍寶石襯底之間的界面中的晶格失配產(chǎn)生大量晶體缺陷、形成藍寶石的鋁混雜在硅層中、襯底昂貴以及難以獲得大的面積，SOS技術(shù)至今未能得到實際應(yīng)用。
SOS技術(shù)之后，出現(xiàn)了各種各樣的SOI技術(shù)。對于這些SOI技術(shù)，為了降低晶格缺陷或制造成本，已探討過各種各樣的方法。其中有將氧離子注入襯底以形成氧化物埋層的方法、通過氧化物膜鍵合二個晶片并拋光或腐蝕其中的一個晶片以便在氧化膜上留下單晶硅層的方法、將氫離子注入到帶有氧化膜的硅襯底表面以下預(yù)定深度、將硅襯底鍵合到另一個襯底再用熱處理剝離后一襯底(另一個襯底)而在氧化膜上留下單晶硅薄層的方法。
本申請人在日本專利特許公開No.5-21338中公開了一種新的SOI技術(shù)。在這一技術(shù)中，借助于在帶有多孔層的單晶半導(dǎo)體襯底上制作無孔單晶層而得到的第一襯底，通過絕緣層(SiO2)鍵合到第二襯底，再從多孔層分離二個襯底以便將無孔單晶層轉(zhuǎn)移到第二襯底。這一技術(shù)的優(yōu)點在于SOI層具有高的薄膜厚度均勻性，可降低SOI層中的晶體缺陷密度，此SOI層具有高的表面平整度，不需要昂貴的專門制造設(shè)備，且?guī)в泻穸燃s數(shù)百埃至10μm的SOI膜的SOI襯底可以用同一設(shè)備制造。
此外，本申請人在日本專利特許公開No.7-302889中公開了另一種技術(shù)，其中在上述第一和第二襯底被鍵合之后，第一襯底從第二襯底分離而不破裂，而且分離出來的第一襯底在整平其表面并再次制作多孔層之后被重新使用。由于第一襯底可得到經(jīng)濟的使用，此技術(shù)就具有制造成本可大為降低且制造工藝也簡單的優(yōu)點。
但在上述各種技術(shù)中，當二個鍵合的襯底被分離時，必須防止損傷襯底并保護制造設(shè)備等不受到產(chǎn)生顆粒所引起的沾污。
考慮到上述情況，提出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是使用一種適合于分離半導(dǎo)體襯底或其它物體的分離裝置和方法，另一目的是制造半導(dǎo)體襯底的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種分離裝置，其特征是包含帶有用來將流體射流噴射到待要分離的物體以分離此物體的流體射流單元的射流裝置、以及用來根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射流體的條件的控制裝置。
分離裝置最好還包含用來固定待要分離的物體的固定部分。
在分離裝置中，待要分離的物體最好具有平板形狀，且固定裝置固定平板狀的物體以便沿其平面方向?qū)χ矫鏍钗矬w注入流體。
在此分離裝置中，控制裝置最好根據(jù)物體分離工藝的進展而改變待要從射流單元噴射的流體的壓力。
在此分離裝置中，在分離待要分離的物體的分離表面周邊部分附近的過程中，控制裝置最好控制射流裝置將流體的壓力設(shè)定得比較高。
在此分離裝置中，在分離待要分離的物體的分離表面中央部分附近的過程中，控制裝置最好控制射流裝置將流體的壓力設(shè)定得比較高。
在此分離裝置中，在分離待要分離的物體的分離表面周邊部分附近和中央部分附近的過程中，控制裝置最好控制射流裝置將流體的壓力設(shè)定得比較高，而在分離周邊部分附近和中央部分附近之間的中間部分的過程中，控制射流裝置將流體的壓力設(shè)定得比較低。
在此分離裝置中，控制裝置最好根據(jù)射流單元與待要分離的物體的相對位置關(guān)系來改變從射流單元噴射流體的條件。
在此分離裝置中，控制裝置最好按時間函數(shù)來改變從射流單元噴射流體的條件。
分離裝置最好還包含用來掃描射流單元的掃描裝置。
分離裝置最好還包含用來繞垂直于待要分離的物體的分離表面的軸而轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動裝置。
待要分離的物體最好有一個易碎層用作分離層。此易碎層最好是多孔層或具有微腔的層。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種借助于從射流單元將流體噴射到待要分離的物體而分離物體的分離方法，其特征是包含根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射流體的條件的控制步驟。
在此分離方法中，待要分離的物體最好具有平板形狀，且借助于沿其平面方向?qū)χ矫鏍钗矬w注入流體而被分離。
在此分離方法中，控制步驟最好包含根據(jù)物體分離工藝的進展而改變待要從射流單元噴射的流體的壓力。
在此分離方法中，在分離待要分離的物體的分離表面周邊部分附近的過程中，控制步驟最好包含將待要從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定得比較高。
在此分離方法中，在分離待要分離的物體的分離表面中央部分附近的過程中，控制步驟最好包含將待要從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定得比較高。
在此分離方法中，在分離待要分離的物體的分離表面周邊部分附近和中央部分附近的過程中，控制步驟最好包含將待要從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定得比較高，而在分離周邊部分附近和中央部分附近之間的中間部分的過程中，將待要從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定得比較低。
在此分離方法中，控制步驟最好包含根據(jù)射流單元與待要分離的物體的相對位置關(guān)系來改變從射流單元噴射流體的條件。
在此分離方法中，控制步驟最好包含按時間函數(shù)來改變從射流單元噴射流體的條件。
分離方法最好還包含在沿待要分離的物體的分離表面掃描射流單元的同時，執(zhí)行物體的分離工藝。
分離方法最好還包含在繞垂直于待要分離的物體的分離表面的軸而轉(zhuǎn)動物體的同時，執(zhí)行物體的分離工藝。
在此分離方法中，待要分離的物體最好有一個易碎層用作分離層。此易碎層最好是多孔層或具有微腔的層。
根據(jù)本發(fā)明的一種情況，提供了一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，其特征是包含制作其中一個表面上相繼制作有多孔層和無孔層的第一襯底的步驟、通過無孔層將第一襯底鍵合到第二襯底以形成鍵合襯底疊層的步驟、以及在將流體射流噴射到鍵合襯底疊層的多孔層的同時將鍵合襯底疊層分離成二個襯底的步驟，其中的分離步驟包含根據(jù)分離步驟的進展而改變噴射流體的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一種情況，提供了一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，其特征是包含從單晶半導(dǎo)體組成的襯底的表面注入離子到預(yù)定深度，從而制作第一襯底(其中形成有微腔層)的步驟、將第二襯底鍵合到第一襯底的正面一側(cè)以形成鍵合襯底疊層的步驟、以及在將流體射流噴射到鍵合襯底疊層的微腔層的同時將鍵合襯底疊層分離成二個襯底的步驟，其中的分離步驟包含根據(jù)分離步驟的進展而改變噴射流體的條件。
從參照附圖對本發(fā)明的實施例進行的下列詳細描述中，本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)點將變得明顯。


圖1A-1E解釋了根據(jù)本發(fā)明最佳實施例的制造SOI襯底的方法；圖2A和2B示出了存在和不存在V形槽的情況下，作用于鍵合襯底疊層上的力；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的分離裝置的示意配置；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的分離裝置的示意配置；
圖5示出了調(diào)整機構(gòu)的第一種配置；圖6示出了調(diào)整機構(gòu)的第二種配置；圖7示出了射流噴嘴驅(qū)動機械手的一個例子；圖8示出了射流噴嘴驅(qū)動機械手的另一個例子；圖9示出了分離工藝的控制；圖10示出了分離工藝的控制；圖11示出了分離工藝的控制；圖12示出了作用于鍵合襯底疊層上的射流的力；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的分離裝置的配置；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的分離裝置的配置；下面參照附圖來描述本發(fā)明的最佳實施例。
圖1A-1E解釋了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的制造SOI襯底的方法。
在圖1A中，制備了單晶硅襯底11，并用陽極化方法在單晶硅襯底11的表面上制作多孔硅層12。在圖1B中，在多孔硅層12上外延生長單晶硅層13作為無孔層。之后，對單晶硅層13的表面進行氧化以形成SiO2層15。以這種工藝制作第一襯底10。
在圖1C中，制備單晶硅襯底14作為第二襯底20。在室溫下使第一襯底10和第二襯底20相互接觸，使第一襯底10的SiO2層15面對第二襯底20。用陽極鍵合、加壓、加熱、或它們的組合，將第一襯底10和第二襯底20鍵合起來。用這一工藝，第二襯底20和SiO2層15被牢固地鍵合起來。如上所述，SiO2層15可以制作在單晶硅襯底11側(cè)，或制作在第二襯底上或者單晶硅襯底11和第二襯底20二側(cè)，只要借助于使第一襯底和第二襯底相接觸得到圖1C所示的狀態(tài)即可。
在圖1D中，二個彼此鍵合的襯底在多孔硅層12處被分離。第二襯底側(cè)有由多孔硅層12”、單晶硅層13、SiO2層15、和單晶硅襯底14組成的多層結(jié)構(gòu)。在第一襯底10’側(cè)，多孔硅層12’被制作在單晶硅襯底11上。
在分離之后，留下的多孔硅層12’被從襯底10’清除。如有需要，則對襯底10’的表面進行整平，使襯底10’再次被用作制造第一襯底10的單晶硅襯底11。
在圖1E中，在鍵合襯底疊層被分離之后，第二襯底側(cè)上的多孔層12”(10”+20)被選擇性地清除。用這一工藝，就得到了具有由單晶硅層13、絕緣層15和單晶硅襯底14組成的多層結(jié)構(gòu)(亦即SOI結(jié)構(gòu))的襯底。
在此實施例中，在圖1D所示的步驟中，亦即在分離彼此鍵合的二個襯底(以下稱為鍵合襯底疊層)的步驟中，用來將高壓液體或氣體(流體)選擇性地噴射到作為分離區(qū)域的多孔硅層的分離裝置，被用來在分離區(qū)域處將襯底疊層分離成二個襯底。此分離裝置采用水射流方法。通常，水射流方法將高速、高壓的水流噴射到物體上，以便例如切割或加工陶瓷、金屬、水泥、樹脂、橡膠或木制元件，從表面清除覆蓋膜或清洗表面(見”Water Jet”,Vol.1,No.1,p4,(1984))。
此分離裝置沿襯底表面方向?qū)⒏咚俑邏旱牧黧w流噴射到作為易碎結(jié)構(gòu)部分的鍵合襯底疊層的多孔層(分離區(qū)域)，以便選擇性地擊破多孔層，從而在多孔層處分離襯底。以下將流體流稱為“射流”。形成射流的流體稱為“射流介質(zhì)”。水、醇之類的有機溶劑、含氟的酸或硝酸之類的酸、氫氧化鈉之類的堿、空氣、氮氣、碳酸氣、稀有氣體或腐蝕氣體之類的氣體、或等離子體，都有可能用作射流介質(zhì)。
在此分離裝置中，射流噴射到暴露于鍵合襯底疊層側(cè)表面的多孔層(分離區(qū)域)，從而自周邊部分到中央部分清除多孔層。用這一工藝，借助于僅僅清除機械強度低的分離區(qū)域而不損傷主體，鍵合襯底疊層被分離成二個襯底。甚至在鍵合襯底疊層的側(cè)表面被某些薄層覆蓋而多孔層未暴露的時候，此薄層也能夠被射流清除，故可用上述方法來分離鍵合襯底疊層。
當沿側(cè)表面在鍵合襯底疊層中制作有V形(凹形)槽時，在鍵合襯底疊層的周邊部分，可有效地起到將鍵合襯底疊層分裂成二個襯底的作用。圖2A和2B示出了存在和不存在V形槽的情況下，作用于鍵合襯底疊層上的力。圖2A示出了帶有V形槽22的鍵合襯底疊層。圖2B示出了不帶V形槽的鍵合襯底疊層。
如圖2A所示，在帶有V形槽22的鍵合襯底疊層中，力(以下稱為分離力)從鍵合襯底疊層的中心向外施加，如箭頭23所示。另一方面，如圖2B所示，在帶有凸的側(cè)表面的鍵合襯底疊層中，力從鍵合襯底疊層的側(cè)表面向內(nèi)施加，如箭頭24所示。在帶有凸的側(cè)表面的鍵合襯底疊層中，除非作為分離區(qū)域的多孔層12被射流21清除，否則分離力是不起作用的。
甚至當在鍵合襯底的側(cè)表面上形成薄膜時，如圖2A所示，只要鍵合襯底疊層帶有V形槽22，分離力就會作用于鍵合襯底疊層上，故薄層能夠被容易地擊破。
為了有效地使用射流，V形槽22的寬度W1最好是等于或大于射流21的直徑d。例如，假設(shè)第一襯底10和第二襯底20二者的厚度都是大約1mm，則鍵合襯底疊層的厚度是2mm。由于V形槽22的寬度W1一般是1mm，故射流的直徑最好是1mm或更小。由于一般的水射流裝置采用直徑為0.1-0.5mm的射流，故可以使用這種一般的水射流裝置(例如水射流噴嘴)。
噴射射流的噴嘴的形狀不僅可以是圓形，而且可以是任何其它形狀。例如，當采用縫隙形噴嘴來噴射截面為長的矩形的射流時，此射流能夠高效率地注入到分離區(qū)域(插入在二個襯底之間的)之中。
射流噴射的條件根據(jù)分離區(qū)域(例如多孔層)的類型或鍵合襯底疊層的側(cè)表面形狀來確定。作為射流噴射條件的重要參數(shù)是加于射流介質(zhì)的壓力、射流掃描速度、噴嘴的寬度或直徑(噴嘴的直徑幾乎與射流的直徑完全相同)、噴嘴形狀、噴嘴到分離區(qū)域之間的距離、以及射流介質(zhì)的流速。
下列方法被用來分離鍵合襯底疊層。1)在噴嘴沿鍵合界面掃描的過程中，射流平行于鍵合界面被注入到鍵合界面之中。2)在鍵合襯底疊層被掃描的過程中，射流平行于鍵合界面被注入到鍵合界面之中。3)射流平行于鍵合界面被注入到鍵合界面之中，并同時在靠近噴嘴的轉(zhuǎn)軸處的扇形內(nèi)掃描。4)在鍵合襯底疊層繞幾近鍵合襯底疊層中心而旋轉(zhuǎn)的過程中，射流平行于鍵合界面被注入到鍵合界面之中(當鍵合襯底疊層的形狀為盤形時，此方法特別有效)。5)在指向鍵合襯底疊層中心的射流噴嘴沿鍵合襯底側(cè)表面掃描的過程中，射流平行于鍵合界面被注入到鍵合界面之中。射流并不需要總是嚴格地平行于鍵合界面而噴射。
為了防止損傷襯底，沿軸向加于鍵合襯底疊層的分離力最好是數(shù)百gf/cm2。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明最佳實施例的分離裝置的示意配置。分離裝置100將射流注入到鍵合襯底疊層的多孔層之中，以便將鍵合襯底疊層分離成二個襯底。
分離裝置100具有帶真空吸盤機構(gòu)108a和109a的襯底固定部分108和109。鍵合襯底疊層101被襯底固定部分108和109夾在中間并固定。鍵合襯底疊層101具有作為易碎結(jié)構(gòu)的多孔層101b。分離裝置100將鍵合襯底疊層在多孔層101b處分離成二個襯底101a和101c。在此分離裝置100中，鍵合襯底疊層被安置成使襯底101a位于圖1D中的第一襯底10’側(cè)上，而襯底101c位于圖1D中的第二襯底(10”+20)側(cè)上。
襯底固定部分108和109被置于同一中心軸上。襯底固定部分108連接于用支持底座102通過軸承104支持的軸向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸106的一端。旋轉(zhuǎn)軸106的另一端連接于固定在支持部分110上的驅(qū)動源(例如馬達)110的旋轉(zhuǎn)軸。驅(qū)動源110產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力使襯底固定部分108真空吸住的鍵合襯底疊層101旋轉(zhuǎn)。在分離鍵合襯底疊層101的過程中，驅(qū)動源110根據(jù)控制器(未示出)的指令而以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度來使旋轉(zhuǎn)軸106旋轉(zhuǎn)。
襯底固定部分109連接于可旋轉(zhuǎn)的并用支持部分103通過軸承105軸向可滑移地支持的旋轉(zhuǎn)軸107的一端。旋轉(zhuǎn)軸107的另一端連接于驅(qū)動源(例如馬達)111。驅(qū)動源110轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸106的速度與驅(qū)動源111轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸107的速度顯然必須彼此相等以防止鍵合襯底疊層101發(fā)生扭曲。
驅(qū)動源110和111不一定總是要二者同時都具備，有其中的一個就可能足夠了。例如，當僅僅使用驅(qū)動源110時，在鍵合襯底疊層101被分離之前，旋轉(zhuǎn)軸106、襯底固定部分108、鍵合襯底疊層101、襯底固定部分109以及旋轉(zhuǎn)軸107一起旋轉(zhuǎn)。在鍵合襯底疊層101被分離成二個襯底之后，旋轉(zhuǎn)軸107側(cè)上的各個元件就停止下來。
作為變通，一個驅(qū)動源產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力可以分成二個力，使旋轉(zhuǎn)軸106和107分別由旋轉(zhuǎn)分力來轉(zhuǎn)動。
用來對鍵合襯底疊層101加壓的彈簧113被安裝到支持旋轉(zhuǎn)軸107的支持部分103。因此，即使當鍵合襯底疊層101不被真空吸盤機構(gòu)108a和109a吸住時，被射流噴嘴112噴射的射流所分離的二個襯底也不會掉下來。此外，當鍵合襯底疊層101在被加壓的情況下分離時，鍵合襯底疊層101在分離過程中可以被穩(wěn)定地固定。
用來對鍵合襯底疊層101加壓的彈簧也可以被安裝在旋轉(zhuǎn)軸106一側(cè)。
分離裝置100具有調(diào)整機構(gòu)，用來調(diào)整襯底固定部分108和109之間的間距。
圖5示出了調(diào)整機構(gòu)的第一種配置。圖5示出了采用氣缸122的調(diào)整機構(gòu)。氣缸122固定在例如支持部分103上。驅(qū)動源111被活塞桿121移動。為了在分離裝置100中安置鍵合襯底疊層101，對氣缸122進行控制，以便沿襯底固定部分108與109之間的間距增加的方向(沿X軸的正方向)移動驅(qū)動源111。此時，鍵合襯底疊層101被安置在襯底固定部分108和109之間，再撤消氣缸122對活塞桿121的驅(qū)動。襯底固定部分109利用彈簧113的作用對鍵合襯底疊層101加壓。
圖6示出了調(diào)整機構(gòu)的第二種配置，這是一種采用偏心輪131和馬達的調(diào)整機構(gòu)。偏心輪131連接于馬達(未示出)。借助于相互移動連接于馬達111后端的驅(qū)動板132來調(diào)整襯底固定部分108和109之間的間距。如上所述，彈簧113沿X軸的負方向?qū)πD(zhuǎn)軸107加力。當鍵合襯底疊層101要固定時，在偏心輪131和驅(qū)動板132之間形成間隙。因此，當鍵合襯底疊層101要固定時，壓力作用在鍵合襯底疊層101上。
用來調(diào)整襯底固定部分108和109之間的間距的上述機構(gòu)，也可以安裝在襯底固定部分108一側(cè)。
高壓泵115被連接到射流噴嘴112。當高壓射流介質(zhì)(例如水)從高壓泵115被送到射流噴嘴112時，就從射流噴嘴112噴射出射流。由高壓泵115加于射流介質(zhì)的壓力，用壓力控制區(qū)116來控制。
下面描述用分離裝置100來進行的襯底分離工藝。
為了在分離裝置100中安置鍵合襯底疊層101，首先，在鍵合襯底疊層101的中心與襯底固定部分108和109的中心一致的情況下，用傳送機械手將鍵合襯底疊層101插入在襯底固定部分108和109之間并固定。鍵合襯底疊層101被襯底固定部分108真空吸住。
接著，用彈簧113的力將襯底固定部分109壓向鍵合襯底疊層101。更具體地說，當用圖5所示的調(diào)整機構(gòu)來調(diào)整襯底固定部分108和109之間的間距時，氣缸122對活塞桿121的驅(qū)動被撤消。當采用圖6所示的調(diào)整機構(gòu)時，旋轉(zhuǎn)偏心輪131使彈簧113的壓力作用于鍵合襯底疊層101上。
當要執(zhí)行分離工藝時，鍵合襯底疊層101不一定總是要被真空吸盤機構(gòu)108a和109a真空吸住。這是由于鍵合襯底疊層101被彈簧113的壓力固定了。但當使用微弱的壓力時，最好是將鍵合襯底疊層101真空吸住。
旋轉(zhuǎn)軸106和107由彼此同步的驅(qū)動源110和111來轉(zhuǎn)動。此時，在用壓力控制區(qū)116來控制壓力的情況下，高壓射流介質(zhì)(例如水)從高壓泵115被送到射流噴嘴112，從而由射流噴嘴112噴射出高速高壓的射流。噴射的射流被注入到鍵合襯底疊層101的分離區(qū)。當注入射流時，鍵合襯底疊層101的多孔層101b(即易碎結(jié)構(gòu))被擊破，鍵合襯底疊層101因而在多孔層101b處被分離成二個襯底。
隨后，在將射流注入到鍵合襯底疊層101的分離區(qū)(多孔層101b)之中的同時，二個被分離的襯底101a和101c被物理上彼此分開。更具體地說，當圖5所示的調(diào)整機構(gòu)被用來調(diào)整襯底固定部分108和109之間的間距時，在襯底分別被襯底固定部分108和109真空吸住的情況下，活塞桿121被氣缸122沿X軸的正方向(彈簧113壓縮的方向)驅(qū)動。當采用圖6所示的調(diào)整機構(gòu)時，在襯底分別被襯底固定部分108和109真空吸住的情況下，旋轉(zhuǎn)偏心輪131以便沿X軸的正方向(彈簧113壓縮的方向)來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸107。
如圖4所示，襯底101a和101c就被完全分開了，射流噴射被停止，并用例如傳送機械手將襯底從襯底固定部分108和109取下。
射流噴嘴112可以固定在一定位置，但最好是可移動的。這是因為射流噴嘴112的位置最好要根據(jù)鍵合襯底疊層101的類型或尺寸來調(diào)整。
圖7示出了射流噴嘴112的驅(qū)動機械手。圖7所示的驅(qū)動機械手160沿路徑170移動射流噴嘴112。當鍵合襯底疊層101要安裝到襯底固定部分108和109，或要從襯底固定部分108和109取下時，驅(qū)動機械手160將射流噴嘴112移動到重新處理位置171。當鍵合襯底疊層101要被分離和分開時，驅(qū)動機械手160將射流噴嘴112移動到工作位置172。如上所述，當射流噴嘴112在安裝/取下鍵合襯底疊層101的過程中被重新處理時，能夠有效地執(zhí)行安裝/取下鍵合襯底疊層101的操作，更確切地說是使用傳送機械手的安裝/取下鍵合襯底疊層101的操作。
在分離和分開鍵合襯底疊層101的過程中，將射流噴嘴112沿鍵合襯底疊層101的平面方向在鍵合襯底疊層101分離區(qū)上進行掃描也是有效的。此時，鍵合襯底疊層101無須旋轉(zhuǎn)就可很好地分離。
圖8示出了射流噴嘴112的另一個驅(qū)動機械手例子。圖8所示的驅(qū)動機械手沿路徑180移動射流噴嘴112。當鍵合襯底疊層101要安裝到襯底固定部分108和109，或要從襯底固定部分108和109取下時，驅(qū)動機械手161將射流噴嘴112移動到重新處理位置181。當鍵合襯底疊層101要被分離和分開時，驅(qū)動機械手161將射流噴嘴112移動到工作位置182。如上所述，當射流噴嘴112在安裝/取下鍵合襯底疊層101的過程中被重新處理時，能夠有效地執(zhí)行安裝/取下鍵合襯底疊層101的操作，更確切地說是使用傳送機械手的安裝/取下鍵合襯底疊層101的操作。
在分離和分開鍵合襯底疊層101的過程中，將射流噴嘴112沿鍵合襯底疊層101的平面方向在鍵合襯底疊層101分離區(qū)上進行掃描也是有效的。此時，鍵合襯底疊層101無須旋轉(zhuǎn)就可很好地分離。
在恰當改變射流壓力的同時，分離裝置100將鍵合襯底疊層分離。其原因如下。
分離鍵合襯底疊層101所需的射流壓力根據(jù)鍵合襯底疊層的分離區(qū)域的部位而改變。例如，在鍵合襯底疊層101的周邊和中央部分之間，作用在鍵合襯底疊層上的分離力發(fā)生改變，故分離周邊和中央部分所需的射流壓力改變。當要用恒定的射流壓力來分離鍵合襯底疊層101時，必須在整個分離工藝中使用高壓。此時，鍵合襯底疊層或被分離的結(jié)構(gòu)可能破裂或被損傷，導(dǎo)致低的成品率。
為了解決這一問題，可降低分離區(qū)域的機械強度。但當分離區(qū)域被做成過分易碎時，則在鍵合或清洗二個襯底(第一襯底和第二襯底)的步驟中就容易擊破分離區(qū)域，故難以制造所需質(zhì)量的襯底。此外，從破裂的分離區(qū)域可能產(chǎn)生顆粒，以致沾污制造設(shè)備等。
為了恰當?shù)乜刂奇I合襯底疊層分離工藝過程中的射流壓力，要根據(jù)射流噴嘴112與鍵合襯底疊層101之間的位置關(guān)系或根據(jù)時間來控制壓力。
圖9-11示出了分離工藝過程中的射流壓力控制的例子。壓力控制區(qū)116根據(jù)圖9-11所示的控制過程之一來控制高壓泵115產(chǎn)生的壓力(射流壓力)。
圖9示出了一個控制例子，其中在將射流噴嘴112固定于圖7或圖8所示的工作位置172或182處，并旋轉(zhuǎn)鍵合襯底疊層101的情況下，執(zhí)行分離工藝。在圖9所示的例子中，射流壓力在三個步驟中被調(diào)整。在周期T1中，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分。在周期T1中，注入到鍵合襯底疊層101中的射流容易冒出，分離力很難作用于鍵合襯底疊層101上，故射流壓力要設(shè)定得高。在鍵合襯底疊層101的周邊部分處，如上所述，射流介質(zhì)容易冒出。因此，即使當射流壓力被設(shè)定為相當高時，鍵合襯底疊層101也不破裂。
在周期T2中，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分和中央部分之間的中間部分(以下簡稱為中間部分)。由于射流速度在中間部分降低了，分離鍵合襯底疊層101的作用也因為沖擊多孔層的射流介質(zhì)的影響而減弱了。但在中間部分，注入到鍵合襯底疊層101的射流介質(zhì)的射出路徑縮短了。由注入到鍵合襯底疊層101中的射流介質(zhì)的壓力造成的分離力增大，且鍵合襯底疊層101主要被這一分離力分離。當與對周邊部分所施加的壓力相同的壓力被施加到射流介質(zhì)時，鍵合襯底疊層101可能破裂。為此，射流介質(zhì)的壓力在中間部分處被設(shè)定得比較低。
在周期T3中，主要分離鍵合襯底疊層101的中央部分。當分離部分靠近中央部分時，鍵合襯底疊層101的被分離部分翹曲，從而加長了射流介質(zhì)的冒出路徑。比之中間部分的分離，射流介質(zhì)的壓力降低了，導(dǎo)致較小的分離力。因此，為此，在中央部分，射流介質(zhì)的壓力最好設(shè)定成高于分離中間部分時的壓力。
如上所述，借助于根據(jù)分離工藝中時間的推移而恰當?shù)馗淖儚纳淞鲊娮焐涑龅纳淞鞯膲毫?，就能夠在提高分離工藝效率的同時，降低對鍵合襯底疊層的損傷。
圖10示出了一個控制例子，其中在沿鍵合襯底疊層101分離區(qū)域掃描射流噴嘴112且同時旋轉(zhuǎn)鍵合襯底疊層101的過程中，執(zhí)行分離工藝。圖12示出了作用在鍵合襯底疊層101上的力。如圖12所示，當射流向鍵合襯底疊層101的周邊部分注入時，向鍵合襯底疊層101注入的射流容易向外冒出，使射流的分離力不能有效地作用于鍵合襯底疊層101上。另一方面，當射流向鍵合襯底疊層101的中央部分注入時，注入到鍵合襯底疊層101的射流有效地分離鍵合襯底疊層101。根據(jù)這一例子，當射流噴嘴112要沿多孔層掃描時，最好根據(jù)射流噴嘴112與鍵合襯底疊層101之間的位置關(guān)系而改變射流壓力。
在區(qū)域Y1中，射流壓力被穩(wěn)定。在區(qū)域Y2中，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分。在此區(qū)域Y2中，如上所述，由于射流不是被有效地注入到鍵合襯底疊層101，故射流壓力最好是設(shè)定得比較高。
在區(qū)域Y3中，主要分離鍵合襯底疊層101的中間部分。在此區(qū)域Y3中，比之區(qū)域Y2，由于射流有效地分離鍵合襯底疊層101，故射流壓力最好設(shè)定成比區(qū)域Y2的低，以防止對鍵合襯底疊層101的損傷。
在區(qū)域Y4中，主要分離鍵合襯底疊層101的中央部分。當分離部分由于掃描射流噴嘴112而靠近中央部分時，鍵合襯底疊層101的被分離部分翹曲，從而加長了射流介質(zhì)的冒出路徑。比之中間部分的分離，射流介質(zhì)的壓力降低了，導(dǎo)致較小的分離力。為此，在中央部分，射流介質(zhì)的壓力最好設(shè)定成高于分離中間部分時的壓力。在此例子中，鍵合襯底疊層101在旋轉(zhuǎn)過程中被分離。因此，在射流噴嘴112從鍵合襯底疊層101的周邊部分掃描到中央部分的時候，就完成了鍵合襯底疊層101的分離。在區(qū)域Y5中，高壓泵的壓力被逐漸降低，直至停止泵的工作。
如上所述，當根據(jù)射流噴嘴112與鍵合襯底疊層101之間的位置關(guān)系而恰當?shù)馗淖儚纳淞鲊娮?12射出的射流的壓力時，就能夠在提高分離工藝效率的同時，降低對鍵合襯底疊層的損傷。
圖11示出了另一個控制例子，其中在沿鍵合襯底疊層的分離區(qū)域掃描射流噴嘴112，同時旋轉(zhuǎn)鍵合襯底疊層101的過程中，執(zhí)行分離工藝。在此控制例子中，比之圖10所示的控制例子，在從周邊部分到中間部分的區(qū)域中以及從中間部分到中央部分的區(qū)域中，射流壓力改變得更平滑。
在區(qū)域Y1中，射流壓力被穩(wěn)定。在區(qū)域Y2中，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分。在此區(qū)域Y2中，如上所述，由于射流不是被有效地注入到鍵合襯底疊層101，故射流壓力最好是設(shè)定得比較高。
在區(qū)域Y3和Y4中，主要分離鍵合襯底疊層101的中間部分。在此區(qū)域Y3中，射流壓力被逐漸降低。在區(qū)域Y4中，射流壓力被逐漸升高。
在區(qū)域Y5中，主要分離鍵合襯底疊層101的中央部分。在區(qū)域Y6中，高壓泵的壓力被逐漸降低，直至停止泵的工作。
如上所述，當根據(jù)射流噴嘴112與鍵合襯底疊層101之間的位置關(guān)系而平滑地改變從射流噴嘴112射出的射流的壓力時，可用具有更恰當?shù)膲毫Φ纳淞鱽矸蛛x鍵合襯底疊層101。
改變從射流噴嘴112射出的射流的壓力的方法不局限于上述三個例子。根據(jù)鍵合襯底疊層的類型或尺寸、分離層的類型或尺寸、或鍵合襯底疊層固定方法，可適當?shù)馗淖兩鲜龇椒ā?br> 以下描述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的分離裝置的配置。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的分離裝置的配置。
分離裝置400具有帶真空吸盤的襯底固定部分404和406。鍵合襯底疊層101被襯底固定部分404和406夾在中間并固定。鍵合襯底疊層101具有作為易碎結(jié)構(gòu)的多孔層101b。分離裝置400將鍵合襯底疊層在多孔層101b處分離成二個襯底101a和101c。在此分離裝置400中，鍵合襯底疊層被安置成使襯底101a位于圖1D中的第一襯底10，側(cè)上，而襯底101c位于圖1D中的第二襯底(10”+20)側(cè)上。
襯底固定部分404連接于用支持底座401通過軸承405可旋轉(zhuǎn)地軸向支持的旋轉(zhuǎn)軸403的一端。旋轉(zhuǎn)軸403的另一端連接于馬達402的旋轉(zhuǎn)軸。馬達402產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力使襯底固定部分404真空吸住的鍵合襯底疊層101旋轉(zhuǎn)。在分離鍵合襯底疊層101的過程中，馬達402根據(jù)控制器(未示出)的指令而以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度來旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸403。
襯底固定部分406連接于可旋轉(zhuǎn)的并用支持底座401通過軸承407軸向可滑移地支持的旋轉(zhuǎn)軸408的一端。壓縮彈簧409安裝到旋轉(zhuǎn)軸408的另一端。用這種配置，鍵合襯底疊層101從壓縮彈簧409接受沿襯底101a和多孔層101b彼此隔開的方向(X軸方向)的力。因此，當鍵合襯底疊層101被來自射流噴嘴418的射流分離成襯底101a側(cè)和襯底101c側(cè)時，襯底101a側(cè)就沿X軸方向移動，被從襯底101c側(cè)分離。
在鍵合襯底疊層101被分離之前，旋轉(zhuǎn)軸403的旋轉(zhuǎn)力通過鍵合襯底疊層101傳送到襯底固定部分406。結(jié)果，旋轉(zhuǎn)軸403、襯底固定部分404、鍵合襯底疊層101、襯底固定部分406、旋轉(zhuǎn)軸408、以及壓縮彈簧409就一起轉(zhuǎn)動。當鍵合襯底疊層101被分離成二個襯底時，旋轉(zhuǎn)軸408停止轉(zhuǎn)動。
氣缸411被配置在旋轉(zhuǎn)軸408的內(nèi)端側(cè)(沿X軸方向)。當鍵合襯底疊層101要被襯底固定部分404和406固定時，氣缸411推動活塞桿沿壓縮彈簧409壓縮的方向(X軸的負方向)移動旋轉(zhuǎn)軸408的內(nèi)端(此狀態(tài)示于圖13)。在鍵合襯底疊層101被真空吸盤的吸引固定之后，氣缸411使活塞桿410縮回(沿X方向移動活塞桿410)，以便分離鍵合襯底疊層101。亦即，在將鍵合襯底疊層101安裝到襯底固定部分404和406之間的過程中，氣缸411推動活塞桿410，并在完成安裝時縮回活塞桿410。
為了在分離裝置400中安裝鍵合襯底疊層101，鍵合襯底疊層101被安裝在由支持底座401通過軸承413和414而軸向支持的對準轉(zhuǎn)軸412的溝槽部分412a上，然后如上所述，推動活塞桿410，使襯底固定部分406與鍵合襯底疊層101相接觸。在這種狀態(tài)下，實現(xiàn)襯底固定部分404和406的真空吸盤作用。
二個對準轉(zhuǎn)軸412最好沿Y軸配置。此時，僅僅靠將鍵合襯底疊層101放置在二個對準轉(zhuǎn)軸412上，就可以確定鍵合襯底疊層101相對于三個方向(亦即X、Y、Z方向)的位置。這就簡化了鍵合襯底疊層101的手工安裝。此外，若要使用傳送機械手，則可以簡化傳送機械手的設(shè)計。
為了移出被分離了的襯底，在完成分離工藝時，沿X軸方向移動襯底101a側(cè)，以便分開二個襯底。然后用例如傳送機械手夾住二個襯底，并釋放襯底固定部分404和406的真空吸盤的吸引作用。
高壓泵419連接于射流噴嘴418。當高壓射流介質(zhì)從高壓泵419被送到射流噴嘴418時，射流從射流噴嘴418射出。由高壓泵419加于射流介質(zhì)的壓力根據(jù)圖9-11所示的控制手續(xù)中的一種手續(xù)而被壓力控制區(qū)420控制。
快門415被用來防止射流在射流壓力達到預(yù)定壓力之前沖擊鍵合襯底疊層101。
在分離裝置400中，當鍵合襯底疊層被分離時，射流壓力也被恰當?shù)乜刂?。例如，根?jù)射流噴嘴418和鍵合襯底疊層101的位置關(guān)系或根據(jù)時間來控制射流壓力。圖9-11所示的控制例子也可以應(yīng)用于分離裝置400。
以下描述根據(jù)本發(fā)明第三實施例的分離裝置的配置。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的分離裝置的配置。在分離裝置200中，襯底固定部分205將鍵合襯底疊層101固定于一定的位置，而射流噴嘴202沿鍵合襯底疊層101的分離層用水平驅(qū)動機構(gòu)204掃描。射流噴嘴202的垂直位置調(diào)整，用垂直驅(qū)動機構(gòu)203來執(zhí)行。
在上述各種分離裝置的每一種中，當鍵合襯底疊層的分離區(qū)域(多孔層)的強度不均勻時，最好根據(jù)強度調(diào)整射流壓力。
上述各種分離裝置的每一種都不僅能夠用來分離鍵合襯底疊層之類的半導(dǎo)體襯底，而且還能夠用來分離各種各樣的物體。此物體最好有易碎結(jié)構(gòu)作為分離層。
上述各種分離裝置的每一個處理一個鍵合襯底疊層。但當多個鍵合襯底疊層沿平面方向?qū)?，且分離裝置的射流噴嘴沿平面方向掃描時，則多個鍵合襯底疊層可以同時分離。
作為變通，當多個鍵合襯底疊層沿軸向?qū)?，且采用分離裝置的射流噴嘴沿軸向掃描的機構(gòu)時，也可以相繼分離多個鍵合襯底疊層。
以下描述上述各種分離裝置的應(yīng)用例子。分離裝置特別適合于分離具有易碎層作為分離層的結(jié)構(gòu)。多孔層、由離子注入制作的微腔層、或帶有集中于晶格處的畸變即缺陷的異質(zhì)外延層，都可以用作分離層。分離層可以由具有不同結(jié)構(gòu)的多個層制成，例如由具有不同多孔性的層制成。
(例1)尺寸為6英寸而電阻率為0.01Ωcm的第一p型或n型單晶硅襯底在HF溶液中被陽極氧化以形成多孔硅層(相當于圖1A所示的步驟)。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(min)多孔硅厚度 12(μm)多孔硅被用來制作多孔硅層上的高質(zhì)量外延硅層并用作分離層。多孔硅層的厚度不局限于上述的厚度，最好是數(shù)百至0.1μm。
此襯底在400℃下在氧氣氛中被氧化1小時。在氧化時，多孔硅層的每個孔的內(nèi)壁被熱氧化膜覆蓋。多孔硅層的表面用氫氟酸處理以便僅僅清除多孔硅層表面上的氧化膜，同時留下各個孔內(nèi)壁上的氧化膜。之后，用CVD(化學(xué)汽相淀積)方法在多孔硅層上外延生長0.3μm的單晶硅。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(℃)生長速度0.3(μm/min)用熱氧化方法在外延硅層的表面上制作厚度為200nm的氧化膜(SiO2層)作為絕緣層(相當于圖1B所示的步驟)。
獨立地制備的第一襯底和第二硅襯底被疊層起來并使之相互接觸，使第一襯底的SiO2層表面正對著第二襯底的表面。在1100℃下對得到的結(jié)構(gòu)進行1小時的熱處理以鍵合二個襯底(相當于圖1C所示的步驟)。
接著，用圖14所示的分離裝置200來分離得到的鍵合襯底疊層101(相當于圖1D所示的步驟)。以下描述其細節(jié)。
首先，如圖14所示，鍵合襯底疊層101被襯底固定部分205夾在中間并垂直固定。在2200kgf/cm2的壓力下，純水從直徑為0.15mm的射流噴嘴202射出。用水平驅(qū)動機構(gòu)204使射流噴嘴在鍵合襯底疊層101的緊鄰上方沿斜面的凹部以預(yù)定速度10mm/sec掃描。
在射流噴嘴202從鍵合襯底疊層101的邊緣緊鄰上方向鍵合襯底疊層101的中心移動15mm的過程中(沿掃描方向)，射流壓力保持在2200kgf/cm2。
當射流噴嘴通過此位置時，射流壓力被連續(xù)地降低。壓力降低的速度為射流噴嘴202每移動1cm距離降低100kgf/cm2。當射流噴嘴202在鍵合襯底疊層101中心緊鄰上方通過時，射流壓力為1600kgf/cm2。
在射流噴嘴202通過鍵合襯底疊層101中心緊鄰上方之后，射流壓力以射流噴嘴202每移動1cm距離上升100kgf/cm2的速率上升。
在射流噴嘴202通過離鍵合襯底疊層101中心緊鄰上方60mm的位置之后，射流壓力被固定于2200kgf/cm2。
在襯底固定部分205和鍵合襯底疊層101之間的接觸部分，最好放置一個彈性元件206(例如氟橡膠、全氟橡膠、或硅橡膠)。此時，由于被分離成二個襯底的鍵合襯底疊層101能夠容易地彼此分離，故射流能夠容易地注入到由襯底固定部分205支持的鍵合襯底疊層101。
用上述工藝，鍵合襯底疊層101在作為分離層的多孔層處被分離成二個襯底。
各種各樣的方法可用來固定鍵合襯底疊層101。例如，鍵合襯底疊層101可以從二側(cè)固定或用帶有真空吸盤的襯底固定部分來固定。在后一種情況下，鍵合襯底疊層101可以被拉向二側(cè)并固定。用這種配置，物理上被分離的二個襯底被立即分開，因此可防止由二個襯底之間的碎片所造成的損傷。
結(jié)果，除了制作在第一襯底表面上的SiO2層和外延硅層之外，部分多孔硅層被轉(zhuǎn)移到第二襯底側(cè)。多孔硅層被留在第一襯底表面上。
當用這種方法分離100個鍵合襯底疊層時，其中的大約90％被滿意地分離。另一方面，當鍵合襯底疊層在保持預(yù)定射流壓力的情況下被分離時，在工藝過程中大約30％的鍵合襯底疊層被損傷。
轉(zhuǎn)移到第二襯底的多孔硅層在攪拌的由49％氫氟酸和30％過氧化氫組成的混合溶液中被選擇性地腐蝕(相當于圖1E所示的步驟)。第二襯底的單晶硅層用作腐蝕停止層。多孔硅層被選擇性地腐蝕并被完全清除。
無孔硅單晶在上述腐蝕劑中的腐蝕速率是很低的。多孔層腐蝕速率的選擇比為105或更大。無孔層的腐蝕量(大約數(shù)十埃)是實際可使用的。
用上述工藝，在氧化硅膜上制作了帶有0.2μm厚單晶硅層的SOI襯底。在整個表面的100個點上測量了多孔硅層選擇性腐蝕后的單晶硅層的厚度。此厚度為201±4nm。
用透射電子顯微鏡進行的剖面觀察發(fā)現(xiàn)，在單晶硅層中沒有形成新的晶體缺陷，保持了滿意的結(jié)晶性。
在1100℃下于氫氣中對得到的結(jié)構(gòu)進行1小時的熱處理，并用原子力顯微鏡評估表面粗糙度。在50μm見方區(qū)域內(nèi)的均方粗糙度約為0.2nm。這幾乎等于市售硅片的粗糙度。
即使在氧化膜(SiO2)不是制作在外延層表面上而是制作在第二襯底表面上或二種表面上的時候，也得到了與上述相同的結(jié)果。
留在第一襯底側(cè)上的多孔硅層在攪拌的由水、40％氫氟酸和30％過氧化氫組成的混合溶液中被選擇性地腐蝕。當?shù)玫降慕Y(jié)構(gòu)接受諸如氫退火或表面拋光之類的表面處理時，此襯底可以重新用作第一或第二襯底。
在上述例子中是處理一個鍵合襯底疊層。但當多個鍵合襯底疊層沿平面方向?qū)?，且分離裝置的射流噴嘴沿平面方向掃描時，則多個鍵合襯底疊層可以同時分離。
作為變通，當多個鍵合襯底疊層沿軸向?qū)?，且采用分離裝置的射流噴嘴沿軸向掃描的機構(gòu)時，也可以相繼分離多個鍵合襯底疊層。
在上述例子中，射流噴嘴被掃描。作為替換，也可以在射流噴嘴固定到位的情況下，掃描鍵合襯底疊層。
在上述例子中，采用圖14所示的分離裝置200。也可以采用圖3所示的分離裝置100或圖13所示的分離裝置400。
(例2)電阻率為0.01Ωcm的第一p型或n型單晶硅襯底在HF溶液中接受二步陽極氧化以形成多孔硅層(圖1A所示的步驟)。陽極氧化條件如下。
<第一步陽極氧化>
電流密度 7(mA/cm2)陽極氧化溶液 HF∶H2O∶C2H5OH=1∶1∶1時間 10(min)第一多孔硅厚度 4.5(μm)<第二步陽極氧化>
電流密度 20(mA/cm2)陽極氧化溶液 HF∶H2O∶C2H5OH=1∶1∶1時間 2(min)第二多孔硅厚度 2(μm)制作具有二層結(jié)構(gòu)的多孔硅層。在低電流下陽極氧化的表面多孔硅層被用來制作高質(zhì)量外延硅層，而在高電流下陽極氧化的下面的多孔硅層(具有高度多孔性的層)被用作分離層。故二個層的功能被分開。低電流下制作的多孔硅層的厚度不局限于上述的厚度(4.5μm)，數(shù)百至0.1μm是合適的。高電流下制作的多孔硅層的厚度也不局限于上述的厚度(2μm)，只要確保此厚度能夠使鍵合襯底疊層被射流分離即可。
在制作第二多孔硅層之后，可以制作具有不同多孔性的第三層或更多的層。
此襯底在400℃下于氧氣氛中被氧化1小時。在氧化時，多孔硅層的每個孔的內(nèi)壁被熱氧化膜覆蓋。多孔硅層的表面用氫氟酸處理以便僅僅清除多孔硅層表面上的氧化膜，同時留下各個孔內(nèi)壁上的氧化膜。之后，用CVD(化學(xué)汽相淀積)方法在多孔硅層上外延生長0.3μm的單晶硅。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 900(℃)生長速度 0.3(μm/min)用熱氧化方法在外延硅層的表面上制作厚度為200nm的氧化膜(SiO2層)作為絕緣層(相當于圖1B所示的步驟)。
獨立地制備的第一襯底和第二硅襯底被疊層起來，使SiO2層的表面正對著第二襯底的表面。在1100℃下對得到的結(jié)構(gòu)進行1小時的熱處理，以鍵合二個襯底(相當于圖1C所示的步驟)。
接著，用圖13所示的分離裝置400來分離得到的鍵合襯底疊層101(相當于圖1D所示的步驟)。以下描述其細節(jié)。
首先，鍵合襯底疊層101被垂直地固定在襯底固定部分404和406之間，并推動活塞桿410，使襯底固定部分406與鍵合襯底疊層101接觸。此時，襯底固定部分404和406的真空吸盤被啟動。鍵合襯底疊層101和射流噴嘴418之間的距離最好是10-30mm。在此例子中，此距離被設(shè)定為15mm。
隨后，作為射流介質(zhì)的水從高壓泵419被送到射流噴嘴418，并等待射流穩(wěn)定。射流壓力在壓力控制區(qū)420的控制下被設(shè)定為500kgf/cm2。當射流穩(wěn)定時，打開快門415，以便射流注入到鍵合襯底疊層101的斜面的凹部。此時，用馬達402轉(zhuǎn)動襯底固定部分404以旋轉(zhuǎn)鍵合襯底疊層101。
借助于根據(jù)圖9所示的手續(xù)控制高壓泵419而執(zhí)行分離工藝。首先，在保持射流壓力為500kgf/cm2的情況下，開始分離工藝。在分離工藝開始之后20-80秒的期間內(nèi)，在保持射流壓力為200kgf/cm2的情況下繼續(xù)分離工藝。在分離工藝開始之后80-100秒的期間內(nèi)，未被分離的部分在400kgf/cm2的較高射流壓力下被分離。
用上述工藝，利用恰當?shù)姆蛛x力使鍵合襯底疊層101分離成二個襯底而不受損傷。
根據(jù)分離裝置400，由于從鍵合襯底疊層101分離出來的二個襯底彼此被立即分開，故二個襯底在分離之后不太可能受到碎片的損傷。
如在圖14所示的分離裝置200中那樣，雖然不帶旋轉(zhuǎn)而是掃描射流噴嘴的這一分離鍵合襯底疊層的方法是有效的，但如在圖13所示的分離裝置400中那樣，在旋轉(zhuǎn)情況下分離鍵合襯底疊層101時，可用低壓射流來分離鍵合襯底疊層。例如，當圖14所示的分離裝置200采用直徑為0.15mm的射流噴嘴202時，射流的壓力要求在2000kgf/cm2附近。但在圖13所示的分離裝置400中，可以用壓力為數(shù)百kgf/cm2的射流來分離鍵合襯底疊層。這是因為當射流被注入到鍵合襯底疊層101的中央部分時，分離力有效地作用到了鍵合襯底疊層101的內(nèi)部。
用降低射流壓力的方法可得到下列效果。
1)可防止擊破或損傷鍵合襯底疊層。
2)由于高壓泵容量足夠，故可同時使用多個射流噴嘴。
3)高壓泵可做得緊湊而重量輕。
4)由于增大了高壓泵或管道系統(tǒng)材料的選擇自由度，故可選擇適合于射流介質(zhì)(例如純水)的材料。
5)由于降低了高壓泵或射流噴射的噪音，故可容易地進行隔音測量。
在圖13所示的分離裝置400中，僅僅驅(qū)動襯底固定部分404側(cè)，因此，扭曲力可能作用于鍵合襯底疊層101上。若此力引起問題，則最好在襯底固定部分406側(cè)連接另一個馬達，以便彼此同步地驅(qū)動襯底固定部分404和406。
在鍵合襯底疊層101被分離之后，轉(zhuǎn)移到第二襯底的多孔硅層在攪拌的由49％氫氟酸和30％過氧化氫組成的混合溶液中被選擇性地腐蝕(相當于圖1E所示的步驟)。單晶硅層用作腐蝕停止層。多孔硅層被選擇性地腐蝕并被完全清除。
無孔硅單晶在上述腐蝕劑中的腐蝕速率是很低的。多孔層腐蝕速率的選擇比為105或更大。無孔層的腐蝕量(大約數(shù)十埃)是實際可使用的。
用上述工藝，在氧化硅膜上制作了帶有0.2μm厚單晶硅層的SOI襯底。在整個表面的100個點上測量了多孔硅層選擇性腐蝕后的單晶硅層的厚度。此厚度為201±4nm。
用透射電子顯微鏡進行的剖面觀察發(fā)現(xiàn)，在單晶硅層中沒有形成新的晶體缺陷，保持了滿意的結(jié)晶性。
在1100℃下于氫氣中對得到的結(jié)構(gòu)進行1小時的熱處理，并用原子力顯微鏡評估表面粗糙度。在50μm見方區(qū)域內(nèi)的均方粗糙度約為0.2nm。這幾乎等于市售硅片的粗糙度。
即使在氧化膜(SiO2)不是制作在外延層表面上而是制作在第二襯底表面上或二種表面上的時候，也得到了與上述相同的結(jié)果。
留在第一襯底側(cè)上的多孔硅層在攪拌的由水、40％氫氟酸和30％過氧化氫組成的混合溶液中被選擇性地腐蝕。當?shù)玫降慕Y(jié)構(gòu)接受諸如氫退火或表面拋光之類的表面處理時，此襯底可以重新用作第一或第二襯底。
即使圖3所示的分離裝置100被用作分離裝置，也得到與上述相同的效果。
即使采用圖14所示的分離裝置200。也制造了滿意的襯底。
(例3)用熱氧化方法在第一單晶硅襯底的表面上制作厚度為400nm的氧化膜(SiO2層)作為絕緣層。然后從第一襯底表面進行離子注入，使投影范圍落在硅襯底內(nèi)。用此工藝，用作分離層的層被制作成在對應(yīng)于投影范圍的深度處的由微腔層或重摻離子層造成的畸變層。
獨立地制備的第一襯底和第二硅襯底被接觸到一起，使SiO2層的表面正對著第二襯底的表面。在600℃下對得到的結(jié)構(gòu)進行10小時的熱處理，以鍵合二個襯底。在二個襯底被鍵合之前，用N2等離子體之類對襯底進行處理以提高鍵合強度。
用圖13所示的分離裝置400來分離得到的鍵合襯底疊層101。除了在整個工藝中射流壓力提高了大約150kgf/cm2之外，分離工藝是在與例2相同的條件下進行的。
結(jié)果，除了制作在第一襯底表面上厚度為500nm的SiO2層和表面單晶層之外，分離層的一部分被轉(zhuǎn)移到了第二襯底側(cè)。分離層留在第一襯底的表面上。
用CMP(化學(xué)機械拋光)設(shè)備將分離出來的第二襯底的分離表面拋光掉大約300nm，以便清除離子注入和分離工藝中形成的損傷層，并進行整平。
用上述工藝，在氧化硅膜上制作了帶有0.2μm厚單晶硅層的SOI襯底。在整個表面的100個點上測量了單晶硅層的厚度。此厚度為201±4nm。
在1100℃下于氫氣中對得到的結(jié)構(gòu)進行1小時的熱處理，并用原子力顯微鏡評估表面粗糙度。在50μm見方區(qū)域內(nèi)的均方粗糙度約為0.3nm。這幾乎等于市售硅片的粗糙度。
在此例子中，單晶硅襯底(第一襯底)的表面區(qū)經(jīng)由離子注入形成的分離層而被轉(zhuǎn)移到第二襯底。作為變通，也可以采用外延晶片。用離子注入方法在外延層的下部制作分離層，并借助于在分離層處分離此襯底而將外延層轉(zhuǎn)移到第二襯底。
在上述例子中，在用離子注入方法制作分離層之后，可以清除掉第一襯底表面上的SiO2層。在制作外延層和SiO2層之后，第一襯底被鍵合到第二襯底，并在分離層處將襯底分離，從而將外延層和SiO2層轉(zhuǎn)移到第二襯底。
即使圖3所示的分離裝置100被用作分離裝置，也得到與上述相同的效果。
即使采用圖14所示的分離裝置200。也制造了滿意的襯底。
(例4)除了分離工藝是在鍵合襯底疊層的分離區(qū)上掃描射流噴嘴的過程中被執(zhí)行之外，用與例2相同的方法制作了SOI結(jié)構(gòu)。
用與例2相同的方法制作的襯底101，采用圖3所示的分離裝置來分離。下面描述其細節(jié)。
鍵合襯底疊層101被垂直固定在襯底固定部分108和109之間，同時用襯底固定部分109加壓。鍵合襯底疊層101和射流噴嘴112之間的距離最好是10-30mm。在此例子中，此距離被設(shè)定為15mm。
在此例子中，根據(jù)圖10所示的控制例來控制射流壓力。首先，射流噴嘴112被重新配置到從射流噴嘴112射出的射流不沖擊鍵合襯底疊層101的位置(射流噴嘴112可以預(yù)先重新配置)。射流介質(zhì)從高壓泵115被送到射流噴嘴112，以便從射流噴嘴112射出射流，同時開始射流噴嘴112的掃描(區(qū)域Y1)。在區(qū)域Y1中，射流壓力被升高到500kgf/cm2。
在區(qū)域Y2中，在保持射流壓力為500kgf/cm2的情況下，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分。借助于用高壓射流分離鍵合襯底疊層101的周邊部分，分離力能夠有效地施加于鍵合襯底疊層101。
在此例子中，區(qū)域Y3設(shè)定成離鍵合襯底疊層101邊緣部分10-90mm，亦即分離開始的部分(稱為分離起始位置)。在區(qū)域Y3中，射流壓力設(shè)定為200kgf/cm2。借助于將區(qū)域Y3中的射流壓力設(shè)定成比較低，可防止損傷鍵合襯底疊層101。
同樣，在此例子中，區(qū)域Y4設(shè)定成離鍵合襯底疊層101的分離起始位置90-100mm。在此區(qū)域中，射流壓力被升高到400kgf/cm2，以分離尚未分離的部分。當在分離鍵合襯底疊層101中央部分的過程中升高射流壓力時，能夠?qū)⑦m當?shù)姆蛛x力加于鍵合襯底疊層101的內(nèi)部。因而，能夠有效地分離鍵合襯底疊層101而不會引起損傷。
在區(qū)域Y5中，射流壓力被逐漸降低。
即使圖13所示的分離裝置400被用作分離裝置，也得到與上述相同的效果。
即使采用圖14所示的分離裝置200。也制造了滿意的襯底。
(例5)除了射流壓力根據(jù)圖11所示的控制例而被控制之外，此例子與例4相同。
用與例2相同的方法制作的鍵合襯底疊層101被垂直地支持在襯底固定部分108和109之間，同時用襯底固定部分109加壓。鍵合襯底疊層101和射流噴嘴112之間的距離最好是10-30mm。在此例子中，此距離被設(shè)定為15mm。
在此例子中，根據(jù)圖11所示的控制例來控制射流壓力。首先，射流噴嘴112被重新配置到從射流噴嘴112射出的射流不沖擊鍵合襯底疊層101的位置(射流噴嘴112可以預(yù)先重新配置)。射流介質(zhì)從高壓泵115被送到射流噴嘴112，以便從射流噴嘴112射出射流，同時開始射流噴嘴112的掃描(區(qū)域Y1)。在區(qū)域Y1中，射流壓力被升高到500kgf/cm2。
在區(qū)域Y2中，在保持射流壓力為500kgf/cm2的情況下，主要分離鍵合襯底疊層101的周邊部分。借助于用高壓射流分離鍵合襯底疊層101的周邊部分，分離力能夠有效地施加于鍵合襯底疊層101。
在此例子中，區(qū)域Y3設(shè)定成離鍵合襯底疊層101的分離起始位置10-60mm。在區(qū)域Y3中，在將射流壓力從500kgf/cm2降低到200kgf/cm2的過程中執(zhí)行分離工藝。借助于在區(qū)域Y3中逐漸降低射流壓力的過程中分離鍵合襯底疊層，可防止損傷疊層。
在此例子中，區(qū)域Y4設(shè)定成離分離起始位置60-90mm，而分離工藝在逐漸將射流壓力升高到400kgf/cm2的過程中執(zhí)行。在區(qū)域Y4中逐漸升高射流壓力的理由如下。隨著分離區(qū)越來越靠近鍵合襯底疊層101的中央部分，注入到鍵合襯底疊層101的射流介質(zhì)的冒出路徑變長，因此，作用在鍵合襯底疊層101內(nèi)部的分離力減弱。為了有效地執(zhí)行分離工藝，分離力必須得到補償。
在此例子中，區(qū)域Y5設(shè)定成離鍵合襯底疊層101的分離起始位置90-100mm。在此區(qū)域中，在將射流壓力升高到400kgf/cm2的過程中，尚未被分離的部分被分離。當在分離鍵合襯底疊層101的中央部分的過程中升高射流壓力時，能夠?qū)⑦m當?shù)姆蛛x力加于鍵合襯底疊層101的內(nèi)部。因此，能夠有效地分離鍵合襯底疊層101而不會引起損傷。
在區(qū)域Y6中，射流壓力被逐漸降低。
即使圖13所示的分離裝置400被用作分離裝置，也得到與上述相同的效果。
即使采用圖14所示的分離裝置200。也制造了滿意的襯底。
如上所述，借助于根據(jù)分離工藝的進展而恰當?shù)馗淖兩淞鲏毫?，在有效地?zhí)行分離工藝的同時，能夠防止被分離的物體受到損傷。
根據(jù)此裝置或方法，能夠以高的成品率制造高質(zhì)量的半導(dǎo)體襯底。
根據(jù)本發(fā)明，能夠高效率地分離和分裂物體。
此外，根據(jù)本發(fā)明，能夠制造滿意的半導(dǎo)體襯底。
本發(fā)明不局限于上述各個實施例，而是可在本發(fā)明的構(gòu)思與范圍內(nèi)作出各種改變和修正。因此，提出下列權(quán)利要求以宣告本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用來分離物體的分離裝置，它包含帶有用來將流體射流噴射到待要分離的物體以分離該物體的流體射流單元的射流裝置；以及用來根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射流體的條件的控制裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包含用來固定待要分離的物體的固定部分。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中待要分離的物體具有平板形狀，且固定部分夾住平板狀物體，以便沿其平面方向?qū)⒘黧w注入到平板狀物體。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個的裝置，其中所述的控制裝置根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射的流體的壓力。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述的控制裝置在分離待要分離的物體的分離表面的周邊部分附近時，控制所述的射流裝置將流體的壓力設(shè)定成比較高。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述的控制裝置在分離待要分離的物體的分離表面的中央部分附近時，控制所述的射流裝置將流體的壓力設(shè)定成比較高。
7．根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述的控制裝置在分離待要分離的物體的分離表面的周邊部分和中央部分附近時，控制所述的射流裝置將流體的壓力設(shè)定成比較高，而在分離周邊部分附近和中央部分附近之間的中間部分時，控制所述的射流裝置將流體的壓力設(shè)定成比較低。
8．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任何一個的裝置，其中所述的控制裝置根據(jù)射流單元和待要分離的物體之間的相對位置關(guān)系而改變從射流單元噴射流體的條件。
9．根據(jù)權(quán)利要求1-7中任何一個的裝置，其中所述的控制裝置按時間函數(shù)方式而改變從射流單元噴射流體的條件。
10．根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一個的裝置，還包含用來掃描射流單元的掃描裝置。
11．根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一個的裝置，還包含用來繞垂直于待要分離的物體的分離表面的軸旋轉(zhuǎn)此物體的旋轉(zhuǎn)裝置。
12．根據(jù)權(quán)利要求1-11中任何一個的裝置，其中待要分離的物體具有作為分離層的易碎層。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中的易碎層是多孔層。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中的易碎層是帶有微腔的層。
15．一種借助于將流體射流從射流單元噴射到待要分離的物體而分離物體的分離方法，它包含根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射流體的條件的控制步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中待要分離的物體具有平板形狀，并借助于沿其平面方向?qū)⒘黧w向平板狀物體注入而被分離。
17．根據(jù)權(quán)利要求15或16的方法，其中所述的控制步驟包含根據(jù)物體分離工藝的進展而改變從射流單元噴射的流體的壓力。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述的控制步驟包含在分離待要分離的物體的分離表面的周邊部分附近時，把從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定成比較高。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述的控制步驟包含在分離待要分離的物體的分離表面的中央部分附近時，把從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定成比較高。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述的控制步驟包含在分離待要分離的物體的分離表面的周邊部分附近和中央部分附近時，把從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定成比較高，而在分離周邊部分附近和中央部分附近之間的中間部分時，把從射流單元噴射的流體的壓力設(shè)定成比較低。
21．根據(jù)權(quán)利要求15-20中任何一個的方法，其中所述的控制步驟包含根據(jù)射流單元和待要分離的物體之間的相對位置關(guān)系而改變從射流單元噴射流體的條件。
22．根據(jù)權(quán)利要求15-20中任何一個的方法，其中所述的控制步驟包含按時間函數(shù)方式而改變從射流單元噴射流體的條件。
23．根據(jù)權(quán)利要求15-22中任何一個的方法，還包含在沿待要分離的物體的分離表面掃描射流單元的同時執(zhí)行物體的分離工藝。
24．根據(jù)權(quán)利要求15-23中任何一個的方法，還包含在繞垂直于待要分離的物體的分離表面的軸旋轉(zhuǎn)此物體的同時執(zhí)行物體的分離工藝。
25．根據(jù)權(quán)利要求15-23中任何一個的方法，其中待要分離的物體具有作為分離層的易碎層。
26．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中的易碎層是多孔層。
27．根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中的易碎層是帶有微腔的層。
28．一種分離方法，它包含用所述的權(quán)利要求1-14中任何一個的分離裝置來分離物體。
29．一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，它包含下列步驟制備帶有分離層的襯底；以及用權(quán)利要求15-28中任何一個的方法，在分離層處分離物體。
30．一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，它包含下列步驟制作第一襯底，其中在一個表面上相繼制作多孔層和無孔層；通過無孔層將第一襯底鍵合到第二襯底，以形成鍵合襯底疊層；以及在將流體射流噴射到鍵合襯底疊層的多孔層的同時，將鍵合襯底疊層分離成二個襯底，其中的分離步驟包含根據(jù)分離步驟的進展而改變噴射流體的條件。
31．一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，它包含下列步驟從單晶半導(dǎo)體組成的襯底的表面，將離子注入到預(yù)定深度，從而制作其中形成有微腔層的第一襯底；將第二襯底鍵合到第一襯底的正面?zhèn)纫孕纬涉I合襯底疊層；以及在將流體射流噴射到鍵合襯底疊層的微腔層的同時，將鍵合襯底疊層分離成二個襯底，其中的分離步驟包含根據(jù)分離步驟的進展而改變噴射流體的條件。
全文摘要
提供了一種在多孔層處分離帶有多孔層的襯底的裝置。帶有多孔層(101b)的鍵合襯底疊層(101)在旋轉(zhuǎn)的情況下由襯底固定部分(108,109)支持。高速高壓的水(射流)從噴嘴(112)射出并注入到鍵合襯底疊層(101),從而物理上將鍵合襯底疊層(101)分離成二個襯底。射流壓力根據(jù)分離工藝的進展而恰當?shù)馗淖儭?br> 文檔編號H01L21/306GK1221973SQ9812633
公開日1999年7月7日 申請日期1998年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月26日
發(fā)明者近江和明, 米原隆夫, 坂口清文, 柳田一隆 申請人:佳能株式會社