CN101556924A - 硅片键合分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅片键合分离方法，包括如下步骤：1)选用正面为抛光面的抛光硅片；2)在其中任意一片抛光硅片的正面或者在每片抛光硅片的正面设置氧化层，使2片抛光硅片的正面两两正对后进行室温键合；3)将键合硅片组放到高温炉中进行加固；4)将加固后硅片组用HF溶液腐蚀处理，以除去加固后硅片组外表面的氧化层；5)对所得硅片组的两面进行重掺扩散；6)将上述重掺扩散后的硅片组放入HF溶液中处理，以腐蚀掉硅片组键合面的氧化层；得2片相互分离的硅片。采用该方法制作硅片具有厚度可控的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅片键合分离方法。本发明可用于制备N-/N+、P-/N+结构的硅片。
背景技术
生产N-/N+、P-/N+结构的硅片，通常有两种方法：方法一是在重掺硅片表面外延一层轻掺硅的方法；方法二是用轻掺硅片在扩散炉中进行热扩散在表面形成重掺，然后将硅片的一面进行研磨抛光来实现上述结构。方法一即外延方法制成的上述结构的硅片质量好，但加工成本较高，其使用的外延炉的设备成本也很高，而且随着外延厚度的增加，成本会更高。为了降低成本以加工一些对硅片品质要求不高的硅片，所以有了方法二。图1是方法二以加工N-/N+为例的示意图，先把N-硅片放入扩散炉进行高温扩磷，在硅片的两面形成N+层，然后将一面的N+层全部及一部分N-层研磨掉，然后进行抛光形成N-/N+层结构，在这个过程中，有差不多一半的硅料要被研磨损失掉。
发明专利CN101186082提供了一种可以减少硅料损耗的方法，其采用的方法(如图2所示)是利用多线切割机将薄硅片一分为二的方法，但这种方法存在以下几个缺陷：1、硅片的厚度只有几百个微米，要使多线切割机的钢线正好切到以微米计的硅片的正中间是非常困难的，采用上述线切方法加工而成的硅片厚度会有较大的偏差，TTV会较大，直接影响后续器件的一致性和成品率；2、经过多线切割后的硅片会很脏，难以清洗干净；3、使用线切的方法需要用到钢线和砂、以及制造工装夹具等，导致成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉的硅片键合分离方法，采用该方法制作硅片具有厚度可控的特点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种硅片键合分离方法，依次包括如下步骤：
1)、选用2片抛光硅片，每片抛光硅片的正面均为抛光面；
2)、在其中任意一片抛光硅片的正面设置氧化层(即SIO2层)，然后使上述带有氧化层的抛光硅片正面与另一抛光硅片的正面两两正对后进行室温键合；
或者在每片抛光硅片的正面均设置氧化层，然后使上述带有氧化层的抛光硅片正面两两正对后进行室温键合；
得键合硅片组；
3)、将上述键合硅片组放到高温炉中进行加固，得加固后硅片组；然后作出以下判断：当加固后硅片组的外表面有氧化层时，则进入步骤4)；当加固后硅片组的外表面没有氧化层时，则直接进入步骤5)；
4)、将加固后硅片组用HF溶液腐蚀处理，以除去加固后硅片组外表面的氧化层，然后依次进行冲洗和干燥；
5)、采用三重扩散方法，对所得硅片组的两面进行重掺扩散；
6)、将上述重掺扩散后的硅片组放入HF溶液中处理，以腐蚀掉硅片组键合面的氧化层；得2片相互分离的硅片。
作为本发明的硅片键合分离方法的改进：抛光硅片为轻掺杂的抛光硅片。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：抛光硅片正面的表面粗糙度≤0.8nm。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：位于抛光硅片正面的氧化层的厚度为0.3um～3um、表面粗糙度≤0.8nm。
由于氧化层厚度与后续步骤的硅片分离有关，氧化层厚度越厚越有利于后面的硅片分离；但同时氧化层厚度越厚，氧化的成本也会相应增加。因此，键合层处氧化层的厚度(为两片抛光硅片正面氧化层的和)优选1.5um～6um。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：设置氧化层的方法为热氧化法或CVD法(化学气相沉积法)。
由于选用热氧化法能保证所得的氧化层(即二氧化硅层)的表面粗糙度恶化不大，所以由热氧化法生成的氧化层可以直接用于下一步的键合，因此优选热氧化法；热氧化法的温度为900～1200℃。
当选用化学气相沉积法(CVD法)时，要使得沉积的氧化层必须沉积在抛光硅片的正面(即用于键合的抛光面)上；由于采用CVD法所得的氧化层表面粗糙度较高，因此需要对抛光硅片正面的氧化层进行化学机械抛光，使表面粗糙度≤0.8nm；要严格控制化学机械抛光的抛去量，即在满足上述表面粗糙度的前提下，化学机械抛光的抛去量越小越好；务必不能抛光掉整个位于抛光硅片正面的氧化层，否则会导致后续步骤6)的硅片不能分离。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：步骤3)加固温度为1000～1200℃，时间为10分钟～10小时；可在有氧或无氧条件下进行加固。加固温度越高，加固时间越长，键合强度越高。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：步骤4)为将加固后硅片组直接浸没在HF溶液中进行腐蚀处理，处理时间＝(加固后硅片组外表面氧化层厚度/HF溶液的腐蚀速率)；HF溶液的质量浓度为5％～50％。
当选用热氧化法对抛光硅片的正面设置氧化层时，会不可避免的使该抛光硅片的反面同样产生氧化层；因此，采用热氧化法所得的硅片在经过步骤2)的键合和步骤3)的加固后，必须进行步骤4)的HF溶液腐蚀处理，然后再进入步骤5)的重掺扩散。而当选用CVD法对抛光硅片的正面设置氧化层时，分以下两种情况：A、如果抛光硅片的反面不产生氧化层，那么所得硅片在经过步骤2)的键合和步骤3)的加固后，无需进行步骤4)的HF溶液腐蚀处理，而直接进入步骤5)的重掺扩散；B、如果抛光硅片的背面也产生氧化层，则需要先进行步骤4)的HF溶液腐蚀处理，然后进入步骤5。
硅片组表面的氧化层厚度可采用常规方法获得，例如可采用仪器直接测试硅片获得，具体为：在硅片氧化时放一片用于监控氧化层厚度的抛光硅片(以下简称监控硅片)，加固时也将这片监控硅片放入，加固结束后测试监控硅片的氧化层的厚度就是硅片组表面氧化层的厚度。
HF溶液的腐蚀速率指的不同浓度的HF溶液对SIO2的腐蚀速率；这个数据可通过常规方法获得，例如具体可为：已知厚度的SIO2层被HF溶液腐蚀一定的时间后，再测剩余的SIO2层厚度，就可得到不同浓度的HF溶液对SIO2的腐蚀速率为：(腐蚀前氧化层厚度-剩余的氧化层厚度)/腐蚀时间。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：步骤6)中HF溶液的重量百分比浓度为≥40％。
作为本发明的硅片键合分离方法的进一步改进：步骤4)中采用去离子水冲洗。
本发明的硅片键合分离方法，是一种先将硅片进行键合、然后进行重掺处理后再分离的方法。
在本发明中：
1、步骤1)：抛光硅片的厚度为100～700um，直径为2～12英寸(inch)；以抛光硅片的正面作为键合面，抛光硅片的正面表面粗糙度要≤0.8nm；抛光硅片的反面可以是研磨面、腐蚀面或者抛光面。
2、步骤2)的键合方法为常规的硅片室温直接键合方法，键合区域空气洁净等级为≤10级。
3、由于硅片组经室温键合后键合强度不高，长时间放置或者在操作硅片组的过程中，硅片组会分开；因此设置了步骤3)的高温加固，从而使硅片的键合强度提高，从而保证了硅片组在后续步骤4)的HF腐蚀处理时不会分离成2片硅片。
步骤3)加固可在有氧或无氧条件下进行，加固效果基本相同。
4、控制步骤4)的腐蚀处理时间，目的是为了即能去除硅片组表面的氧化层、又能避免键合面的SIO2被腐蚀掉。
5、采用常规的三重扩散方法，用于获得所需的N-/N+、P-/N+等结构的硅片。
本发明的硅片键合分离方法，具有以下优点：
1)硅片干净，容易清洗。
2)分离后的硅片与原始硅片厚度基本相同，不存在厚度偏差。
3)硅片TTV与键合前的TTV基本相同，保证产品的一致性。
4)工艺成本相对低，不需要使用砂浆和钢线，工艺方便、简单。
5)节省硅料。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是现有的带重掺杂扩散层的硅抛光片的制备流程图；
图2是发明专利CN101186082制程中采用线切的硅抛光片制备流程图；
图3是本发明的带重掺杂扩散层的硅抛光片制备流程图。
具体实施方式
实施例1、图3给出了一种硅片键合分离方法，依次进行如下步骤：
1)、选用2片单晶硅片，晶向为<111>，掺杂型号为N型，掺杂剂为磷，电阻率大于30欧姆.厘米，该单晶硅片正面的表面粗糙度0.5nm、厚度为250um、直径为100mm。
2)、采用湿法热氧化，在1100℃热氧化300分钟，氧气流量6.6l/min，氢气流量为9l/min，从而使每片N型(111)单晶硅片的表面(即正反2面)均设置氧化层，该氧化层的厚度为1.2um。
由于选用湿法热氧化，因此能保证所得的氧化层(即二氧化硅层)的表面粗糙度≤0.8nm。
然后使上述2片单晶硅片的正面两两正对后在键合机上键合，键合方法采用常规的硅片室温直接键合法，键合区域空气洁净等级为10级，得键合硅片组。
3)、将上述键合硅片组放到退火炉中进行处理，退火炉中通氮气，处理温度为1150℃，时间为1小时；得加固后硅片组；
4)、将加固后硅片组直接浸没在质量浓度为10％的HF溶液中进行腐蚀处理，以除去加固后硅片组外表面的氧化层；可适当晃动HF溶液，处理时间＝表面氧化层厚度/HF的腐蚀速率；由于该浓度的HF溶液腐蚀速率为50nm/分钟，所以，
处理时间＝1.2um/0.05＝24分钟。
然后采用去离子水冲洗，接着采用常规的旋转甩干方式进行干燥处理，得干燥硅片组。
5)、采用常规的三重扩散方法，对上述干燥硅片组的两面进行重掺扩散N+。
6)、将上述重掺扩散后的硅片组放入浓度为50％HF溶液中处理，以腐蚀掉硅片组键合面的氧化层；直至得到2片相互分离的硅片，将分离的硅片转移到片架中，用去离子水冲洗干净，并进行旋转甩干。
经常规方法测试：2片硅片的厚度均为249um，硅片表面无氧化层。
实施例2、一种硅片键合分离方法，依次进行如下步骤：
1)、选用2片单晶硅片，晶向为<111>，掺杂型号为P型，掺杂剂为硼，电阻率大于30欧姆.厘米，该单晶硅片正面的表面粗糙度0.5nm、厚度为300um、直径为125mm。
2)、将其中一片硅片采用湿法热氧化，在1150℃热氧化570分钟，氧气流量6.6l/min，氢气流量为9l/min，从而使该片P型(111)单晶硅片的正反表面均设置氧化层，该氧化层的厚度为2.5um。
然后使带有氧化层的抛光硅片正面与另一抛光硅片的正面两两正对后在键合机上键合，键合方法采用常规的硅片室温直接键合法，键合区域空气洁净等级为10级，得键合硅片组。
3)、将上述键合硅片组放到退火炉中进行处理，退火炉中通氮气和氧气，处理温度为1150℃，时间为1小时；得加固后硅片组；
4)、将加固后硅片组直接浸没在质量浓度为10％的HF溶液中进行腐蚀处理，以除去加固后硅片组外表面的氧化层，可适当晃动HF溶液；处理时间＝表面氧化层厚度/HF的腐蚀速率；由于该浓度的HF溶液腐蚀速率为50nm/分钟，所以，
处理时间＝2.5um/0.05＝50分钟。
然后采用去离子水冲洗，接着采用常规的甩干进行干燥处理，得干燥硅片组。
5)、采用常规的三重扩散方法，对上述干燥硅片组的两面进行重掺扩散N+。
6)、将上述重掺扩散后的硅片组放入浓度为50％HF溶液中处理，以腐蚀掉硅片组键合面的氧化层；直至得到2片相互分离的硅片，就结束处理；将硅片从HF溶液中取出。
经常规方法测试：1片硅片的厚度均为299um，另一片硅片的厚度为300um；硅片表面无氧化层。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (9)
1、一种硅片键合分离方法，其特性在于依次包括如下步骤：
1)、选用2片抛光硅片，所述每片抛光硅片的正面均为抛光面；
2)、在其中任意一片抛光硅片的正面设置氧化层，然后使上述带有氧化层的抛光硅片正面与另一抛光硅片的正面两两正对后进行室温键合；
或者在每片抛光硅片的正面均设置氧化层，然后使上述带有氧化层的抛光硅片正面两两正对后进行室温键合；
得键合硅片组；
3)、将上述键合硅片组放到高温炉中进行加固，得加固后硅片组；然后作出以下判断：当加固后硅片组的外表面有氧化层，则进入步骤4)；当加固后硅片组的外表面没有氧化层，则直接进入步骤5)；
4)、将加固后硅片组用HF溶液腐蚀处理，以除去加固后硅片组外表面的氧化层；然后依次进行冲洗和干燥；
5)、采用三重扩散方法，对所得硅片组的两面进行重掺扩散；
6)、将上述重掺扩散后的硅片组放入HF溶液中处理，以腐蚀掉硅片组键合面的氧化层；得2片相互分离的硅片。
2、根据权利要求1所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述抛光硅片为轻掺杂的抛光硅片。
3、根据权利要求1或2所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述抛光硅片正面的表面粗糙度≤0.8nm。
4、根据权利要求3所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述位于抛光硅片正面的氧化层的厚度为0.3um～3um、表面粗糙度≤0.8nm。
5、根据权利要求4所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述步骤2)中设置氧化层的方法为热氧化法或化学气相沉积法。
6、根据权利要求5所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述步骤3)加固温度为1000～1200℃，时间为10分钟～10小时；在有氧或无氧条件下进行加固。
7、根据权利要求6所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述步骤4)为将加固后硅片组直接浸没在HF溶液中进行腐蚀处理，处理时间＝加固后硅片组外表面氧化层厚度/HF溶液的腐蚀速率；HF溶液的质量浓度为5％～50％。
8、根据权利要求7所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述步骤6)中HF溶液的质量浓度为≥40％。
9、根据权利要求8所述的硅片键合分离方法，其特征是：所述步骤4)中采用去离子水冲洗。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: SHANGHAI ADVANCED SILICON TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: LAI YANLI Effective date: 20111121 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 310012 HANGZHOU, ZHEJIANG PROVINCE TO: 201604 SONGJIANG, SHANGHAI |
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Effective date of registration: 20111121 Address after: 201604, Shanghai, Songjiang District Town, Lake Rock Road No. 88 Patentee after: SHANGHAI ADVANCED SILICON TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 310012, Hangzhou, Zhejiang province Xihu District camphor apartment 38-2-402 Patentee before: Lai Yan Li |
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Address after: 201604 No. 88, Yangshi Road, Shihudang Town, Songjiang District, Shanghai Patentee after: Shanghai Chaosi Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 201604 No. 88, Yangshi Road, Shihudang Town, Songjiang District, Shanghai Patentee before: SHANGHAI ADVANCED SILICON TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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