CN101990697B - 贴合基板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制造贴合基板的方法，所述基板在整个基板表面、特别是贴合终端部附近具有良好的薄膜。第二基板上具有薄膜的贴合基板的制造方法至少包含以下工序：在作为半导体基板的所述第一基板的表面，通过注入氢离子和/或稀有气体离子形成离子注入层的工序；对所述第一基板的离子注入面及所述第二基板的贴合面中的至少一面施以表面活化处理的工序；在湿度30％以下和/或水分含量6g/m3以下的气氛中，将所述第一基板的离子注入面和所述第二基板的贴合面进行贴合的贴合工序；将所述第一基板在所述离子注入层分离，以使所述第一基板薄膜化的剥离工序。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造贴合基板的方法。
背景技术
近年来，为实现半导体器件更高的性能，绝缘体上覆硅(SOI)基板受到了很多关注。不含硅的支撑基板(支撑基板)，例如石英上覆硅(SOQ)基板和蓝宝石上覆硅(SOS)基板等已应用于TFT-LCD及高频(RF)器件等领域。
目前已有多种制造贴合基板的方法，其中具有代表性的是Smartcut法(注册商标)。在该方法中，氢离子被注入形成有氧化膜的单晶硅基板(施主基板，在本说明书中也称为第一基板)，所述单晶硅基板与支持基板(支撑基板，在本说明书中也称为第二基板)贴合后，加热至500℃左右，然后，沿着氢离子注入界面将硅基板剥离，将单晶硅薄膜转印至支撑基板。这种情况下，被称为微腔(microcavities)的氢的小孔在氢离子注入界面的形成，使得硅基板可在界面进行剥离。随后，为了提高单晶硅薄膜和支撑基板间的结合强度，可施以1000℃以上的高温热处理，之后再进行最终的表面处理(CMP、热处理等)(参见例如专利文献1和2及非专利文献1)。
另一方面，在SiGen方法中，在贴合面一侧注入氢离子后的硅基板与硅基板或其它材料的基板进行贴合之前，所述基板的一个或两个贴合面被施以等离子体处理，两种基板以表面活化的状态彼此贴合，再施以例如350℃的低温热处理以提高贴合强度(接合强度)，随后在常温下进行机械剥离，由此获得贴合SOI基板(参见例如专利文献3-5)。
上述两种方法的不同点主要在于剥离硅薄膜的方法，即Smartcut法必须在高温下进行处理以剥离硅薄膜，而SiGen方法可在常温下剥离。
特别地，对于将硅基板这样的半导体基板与其他材料的基板贴合以制造贴合基板时，不同材料间产生热膨胀率和固有耐热温度的不同等，由此获得的基板往往易于产生缺口和局部裂缝，所以需要在尽可能低的 温度下完成直至剥离处理的各工序。因此，可在低温下剥离的SiGen方法可优选作为将不同材料的基板贴合而制造贴合基板的方法。
同时，通过上述这些贴合方法的贴合基板的制造方法中，由于异物或气体溜进贴合界面，所得基板常常产生欠缺半导体层的缺陷，所述缺陷也称为空隙(voids)。这些空隙等缺陷会在制造器件时造成障碍，因而需要尽可能地减少。当贴合层的表面由于异物等无法彼此紧密贴合时，这些空隙会造成那部分半导体层在剥离时无法转印。为了防止产生空隙，贴合前基板的清洁度或贴合环境的清洁度十分重要。因此，在即将贴合前立即进行清洗，同时，进行贴合的气氛的清洁度需保持在高水平。
然而，即使贴合前基板的清洁度及贴合环境的清洁度均保持在高水平，仍存在很容易特别是在贴合终端部产生空隙的问题。另外，为了防止贴合终端部的空隙，需要更高的清洁度，但为实现该目的，存在需要付出巨大的成本和劳力的问题。
专利文献1：专利第3048201号公报
专利文献2：特开平11-145438号公报
专利文献3：美国专利第6263941号说明书
专利文献4：美国专利第6513564号说明书
专利文献5：美国专利第6582999号说明书
非专利文献1：A.J.Auberton-Herve et al.，“SMART CUT TECHNOLOGY：INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS”(Electrochemical Society Proceedings，Volume 99-3(1999)p.93-106)
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种制造贴合基板的方法，所述基板在整个基板表面、特别是贴合终端部附近具有良好的薄膜。
为解决所述问题，本发明提供了一种制造贴合基板的方法，其特征在于，使第一基板和第二基板贴合，将所述第一基板进行薄膜化，所述第二基板上具有薄膜的贴合基板的制造方法，所述方法至少包含以下工序：在作为半导体基板的所述第一基板的表面，通过注入氢离子和/或稀有气体离子形成离子注入层的工序；对所述第一基板的离子注入面及所述第二基板的贴合面中的至少一面施以表面活化处理的工序；在湿度30％以下和/或水分含量6g/m3以下的气氛中，将所述第一基板的离子注入面和所述第二基板的贴合面进行贴合的贴合工序，其中，所述贴合工序是以下述方式进行：将所述第一基板和所述第二基板上的任一点定为贴合起始点，对所述点加压，以使所述第一基板和所述第二基板在以所述点为中心按圆周运动旋转的同时，进行使空气不进入的滑动；将所述第一基板在所述离子注入层分离，以使所述第一基板薄膜化的剥离工序，由此制成在所述第二基板上具有薄膜的贴合基板。
如上所述，根据本发明制造贴合基板的方法，通过降低贴合时的气氛的湿度(降低水分含量)，可降低贴合时紧密贴合部的扩散速度。因此，可有效排出贴合界面存在的气体和微小异物。由此可防止附着物积聚并堵塞在贴合终端部，从而防止贴合终端部空隙的产生。
只要所述贴合基板的制造方法包含在湿度30％以下和/或水分含量6g/m3以下的气氛中将第一基板和第二基板贴合的工序，通过降低贴合时的气氛湿度(降低水分含量)，可降低贴合时紧密贴合部的扩散速度。因此，可有效排出贴合界面存在的气体和微小异物。由此可防止附着物积聚并堵塞在贴合终端部，从而防止贴合终端部空隙的产生。
附图说明
图1为贴合终端部的紧密贴合部扩散方式的示意图：(a)本发明的低湿度条件下；(b)传统的高温度条件下。
图2是贴合起始部的紧密贴合部扩散方式的示意图。
图3是表示贴合速度与气氛中水分含量和相对湿度间的关系的图。
图4是贴合基板制造方法的一个实例的流程图，所述贴合基板应用本发明的贴合基板的制造方法。
具体实施方式
以下详细说明本发明。
如上所述，以往的贴合基板制造方法的问题在于，即使贴合前基板的清洁度及贴合环境的清洁度均保持在高水平，仍然存在特别是在基板的贴合终端部很容易产生空隙的问题。另外，为了防止贴合终端部的空隙，需要更高的清洁度，但为实现该目的，存在需要付出巨大的成本和劳力等的问题。
以下，本发明人等研究了容易产生空隙的原因，特别是在贴合终端部产生空隙的原因。
所述贴合以重合状态的两枚基板部分紧密贴合的方式进行。所述贴合可以下述方式进行：将基板上的任意一点定为贴合起始点，对该起点加压，由此在以该点为中心使基板按圆周运动旋转的同时，可进行使空气不进入这样的滑动。在紧密贴合部分的周围，由于基板彼此间隔狭小，所述基板自发地紧密贴合，这一范围便由贴合起始部向其他方向扩散(传播)。图2显示了贴合起始部周围紧密贴合部的扩散方式。在紧密贴合部的扩散前端，贴合界面存在的气体和微小异物被挤出，然后被扫出。大的异物在贴合时无法移动，便残留于那里。
即使在贴合之前已经对基板进行清洗的情况下，在清洗后的气氛、基板收纳部的气氛及贴合气氛中存在的气体和微小异物微量附着于基板表面。在贴合前对基板表面进行活化，基板表面更易于吸附气体和微小异物。随着贴合时紧密贴合部的扩大，微量附着的物质沿着贴合界面移动并聚集。所述聚集的附着物会导致贴合终端部出现无数的空隙。
为了减少贴合终端部空隙的产生，本发明者实施了更进一步的研究及实验。结果发现，可以通过降低贴合时气氛中的水分含量(即降低湿度)来减少贴合终端部空隙的产生。
所述发现可由以下事实解释：贴合时，降低气氛气体的水分含量可以降低紧密贴合部的扩散速度，并有效地将聚集的附着物从贴合界面向外排出。
本发明人等对贴合时的气氛气体中的水分含量(湿度)与贴合所需时间之间的关系进行了测定。图3显示了温度为20℃时的测定结果。贴合的完成通过目视表面状态进行判断。
如图3所示，当气氛的水分含量越多(湿度越高)时，贴合时间越短。更具体地说，贴合速度越快，紧密贴合部的扩散也越快。
以往，为达到减少基板表面附着物等目的，将湿度控制在约45-65％之间以防止静电。此外，如特开2007-141946号公报的记载，对于清洗 装置及清洁室(clean room)的气氛，湿度换算成25℃时为46-60％。
贴合终端部附近的紧密贴合部的扩散方式根据贴合时的气氛中的水分含量(湿度)进行变化。
图1显示了贴合终端部附近的紧密贴合部的扩散方式，其中图1(a)是水分含量较少即湿度较低的情况(本发明的情况)，而图1(b)是水分含量较多即湿度较高的情况(以往的情况)。如图1(b)所示，以往的高湿度的情况可加快紧密贴合部的扩散速度，紧密贴合部还可扩散到外周部，使得紧密贴合部从外周部分扩散到贴合终端部，扫出附着物的开口变窄，导致附着物堵塞在内部。另一方面，如图1(a)所示，在低湿度的情况下，紧密贴合部的扩散速度变慢，不会受到来自外周部的紧密贴合部的扩散的影响，从而确保了扫出附着物的开口，使得聚集的附着物可被有效地除去。
本发明人等进行了更进一步的研究，发现通过将水分含量(湿度)的具体数值控制在温度30％以下和/或水分含量6g/m3以下，可十分有效地减少贴合终端部的空隙，由此完成了本发明。
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限于以下实施方式。
图4显示了本发明适用的制造贴合基板的方法。
首先，图4(a)显示了第一基板10及第二基板20的制备，其中所述第一基板是半导体基板(工序a)。
在该情况下，第一基板10可为单晶硅基板，特别是表面形成有氧化膜的单晶硅基板。当第一基板选择这些材料时，可制成具有硅薄膜的贴合基板。选用表面形成有氧化膜的单晶硅基板便于制造SOI基板。此外，为了制造具有GaN等的化合物半导体薄膜而非具有硅薄膜的贴合基板，所述第一基板10可以是GaN等的化合物半导体基板。
依照本发明，可高产率地制造近年来需求量很高的、具有优质硅薄膜的高品质贴合基板(如SOI基板)，同时降低其中带有空隙的次品发生率。
另外，依照本发明，除硅薄膜外，还可高产率地制造具有由GaN等化合物半导体构成的优质薄膜的贴合基板，同时降低其中带有空隙的次品发生率。
此外，第二基板20可选自石英基板、蓝宝石(氧化铝)基板、SiC基板、硼硅玻璃(borosilicate glass)基板、微晶玻璃(crystallized glass)基板、氮化铝基板等任一种绝缘性基板；或者是单晶硅基板、表面形成有氧化膜的单晶硅基板及SiGe基板的任一种。所述第二基板20可根据制造半导体器件的目的，从上述基板中适当地选取。当然，也可使用上述以外的材料。
下一步，如图4(b)所示，在第一基板10的表面(离子注入面)12注入氢离子，形成离子注入层11(工序b)。
为了形成离子注入层11，除注入氢离子外，还可注入稀有气体离子，或同时注入氢离子和稀有气体离子。也可适当选择注入能量、注入剂量及注入温度等其它离子注入条件，从而得到具有预定厚度的薄膜。尽管以下具体实例中列举了注入时基板温度为250-400℃、离子注入深度为0.5μm、注入能量为20-100keV、注入剂量为1×1016-1×1017/cm2，但所述离子注入条件并不限于此。
此外，选用表面形成有氧化膜的单晶硅基板、通过氧化膜实施离子注入时，可抑制注入离子的沟道(channeling)效应，从而进一步减小离子注入深度的差异。由此可形成膜厚均一性高的薄膜。
接下来，如图4(c)所示，第一基板10的离子注入面12和第二基板20的贴合面22均被施以表面活化处理(工序c)。另外，第二基板20的贴合面22是指在接下来的贴合工序d中与第一基板进行贴合的表面。
当然，可只对第一基板10的离子注入面12和第二基板20的贴合面22之一施以表面活化处理。
此时，表面活化处理可为等离子体处理。在这种情况下，以等离子体处理施以表面活化处理时，施予表面活化处理的基板表面由于OH基团增加等方式进行活化。因此，在该状态下，当第一基板的离子注入面12和第二基板20的贴合面22以这一状态紧密接触时，所述基板通过氢 键等可更牢固地贴合。或者，可进行臭氧处理等作为表面活化处理，或可进行若干种处理的组合。
另外，依照本发明制造贴合基板的方法，即使如上所述的表面活化处理是等离子体处理，也可抑制贴合终端部的空隙。
在用等离子体处理的情况下，可将通过RCA清洗等清洗的基板置于真空室中。在其中导入等离子体用气体后，将基板暴露于约100W的高频等离子体约5-30秒，从而对表面进行等离子体处理。可用的等离子体用气体的实例包括：氧气等离子体，用于处理表面上形成有氧化膜的单晶硅基板；氢气、氩气、氢气与氩气的气体混合物、或氢气与氦气的气体混合物，用于处理表面上未形成有氧化膜的单晶硅基板。或者，也可使用非活性气体氮气。
臭氧处理时，将通过RCA清洗等清洗的基板置于已经导入空气的室中，导入例如氮气或氩气的等离子体用气体后，产生高频等离子体，从而将空气中的氧气转化为臭氧，对表面进行臭氧处理。
随后，如图4(d)所示，使第一基板的离子注入面12和第二基板20的贴合面22彼此紧密接触，从而彼此贴合(工序d)。
如上所述，采用经表面活化处理的表面作为贴合面，例如在减压或常压及室温条件下，将基板彼此紧密接触时，即使不施以高温热处理，两个基板可以足够牢固地贴合，能承受接下来的机械性剥离。
此外，在本发明中，实施贴合工序的气氛的湿度在30％以下和/或水分含量在6g/m3以下。另外，此处的术语“湿度”指的是相对湿度，也就是，在某温度下，水分含量与饱和水分含量的比值。表示相对湿度为100℃。
鉴于并未具体限定贴合时的温度，上述湿度和/或水分含量的范围优选应满足各个贴合温度。
此外，鉴于如上所述的湿度很低，便容易在基板表面产生静电，也容易吸附异物。因此，需要用电离器(ionizer)等来抑制静电的产生。
再者，在第一基板和第二基板的贴合工序后，可以对贴合基板施以 100-400℃热处理的热处理工序。
在将第一基板和第二基板贴合后，对贴合基板施以100-400℃的热处理，可以提高第一基板和第二基板间的贴合强度。特别地，当热处理温度在100-300℃时，即使贴合基板是由不同材料制成，由于热膨胀系数不同而产生的热应力、裂缝、剥离等也可被进一步降低。贴合强度的提高可减少剥离工序中发生的不良状况。
另一方面，当将同种材料贴合，例如第一基板和第二基板都采用了硅基板时，热处理便可在直至400℃的温度进行，由此进一步提高贴合强度。
然后，如图4(e)所示，进行在离子注入层11处分离第一基板10、使第一基板10薄膜化的剥离工序(工序e)。
所述第一基板的分离(剥离、薄膜化)可以通过采取施加机械性外力的方式完成。特别地，优选采取以下方式完成剥离：从第一基板的一端施以外部冲击，沿施加外部冲击的一端向另一端进行劈开，由于向一个方向的劈开比较容易控制，便可以获得膜厚均一性出色的薄膜。另外，在这种情况下，施加外部冲击的一端与贴合工序d贴合时的贴合起始部并无特定关联，它们的位置可由制造工序中的条件等来决定。
于是，通过上述工序(图4(a)-4(e))，如图4(f)所示，制成第二基板20上具有薄膜31的贴合基板30。
如上所述，本发明提供了在进行贴合工序d时，由于湿度在30％以下和/或水分含量在6g/m3以下，因此降低了紧密贴合部的扩散速度，使得贴合终端部的附着物可被有效去除，防止了附着物堵塞在内部。因此，进行接下来的剥离工序(工序e)等，便可制成防止贴合终端部空隙产生的贴合基板。此外，在本发明中，当湿度尽可能低(水分含量尽可能少)时，对贴合终端部空隙产生的抑制效果也较强，在这种情况下，希望通过采用电离器或其类似的方式来加强消除静电的对策。
实施例
下面参照本发明的实施例与比较例对本发明进行更具体的说明。但是，本发明并不限于此。
(实施例1)
依照图4所示的贴合方法对应的贴合基板制造方法，制造贴合基板。
首先，制备经镜面抛光的单晶硅基板作为第一基板10，所述硅基板直径为150mm。然后，在第一基板的表面通过热氧化形成100nm的硅氧化膜层。此外，制备直径为150mm的合成石英基板作为第二基板20(工序a)。
接下来，通过形成的二氧化硅膜层将氢离子注入第一基板10，从而形成微气泡层(离子注入层)11(工序b)，所述微气泡层平行于离子平均行进深度处的表面。离子注入的条件为注入能量为35keV、注入剂量为9×1016/cm2、注入深度为0.3μm。
接下来，将注入离子的第一基板10置于等离子体处理装置中，在其中导入氮气作为等离子体用气体后，在2Torr(270Pa)的减压条件下，高频功率为50W，通过在直径300mm的平行平板电极之间施加13.56MHz的高频，在注入离子的表面进行10秒的高频等离子体处理。以此方式，对第一基板10的离子注入表面12进行了表面活化处理。
同时，将第二基板20置于等离子体处理装置中，在电极之间的窄隙中导入氮气作为等离子体用气体后，通过在电极之间施加高频以产生等离子体，进行10秒的高频等离子体处理。以此方式，在接下来的贴合工序中，在第二基板20的贴合面22上也进行了表面活化处理(工序c)。
如上所述，在室温下，对施以表面活化处理的第一基板10和第二基板20加压以使其彼此紧密接触，其中，作为经表面活化处理的贴合面，以基板上的一点作为贴合起始部，随后沿厚度方向对两个基板的背面施加强压(工序d)。
另外，通过放置除湿器，将贴合时气氛的温度控制在20℃，将水分含量控制在6g/m3。更具体地说，相对湿度是33％。
此外，在该情况下，从第二基板(透明的合成石英基板)一侧观察紧密贴合部的扩散方式。在贴合终端部附近，观察到如图1(a)所示的扩散方式。
下一步，为了提高贴合强度，对第一基板10和第二基板20的贴合 基板在300℃的条件下施以6小时的热处理。
接下来，为了形成劈开起点，用劈纸刀的刀刃向第一基板的离子注入层11一端施加外部冲击。之后，第一基板10和第二基板彼此相对保持分离，第一基板10和第二基板20便在离子注入层11从施加外部冲击的一端向另一端逐渐分离(工序e)。
以上述方式，制成第二基板20上具有薄膜31的贴合基板30。从第二基板(透明合成石英基板)一侧观察，所述贴合基板30的基板表面内几乎没有空隙，另外，在贴合终端部观察到大约2个空隙。
(实施例2)
按照实施例1相同的方式制造贴合基板，但贴合工序(工序d)贴合时的气氛的温度为20℃及水分含量为5g/m3，即相对湿度为27％。
当用与实施例1相同的方式观察所述制造的贴合基板中空隙的发生状况时，在基板表面内几乎未发现空隙，另外，在贴合终端部未发现空隙。
(实施例3)
按照实施例1相同的方式制造贴合基板，但贴合工序(工序d)贴合时的气氛的温度为25℃及水分含量为6g/m3，即相对湿度为24％。
当用与实施例1相同的方式观察所述制造的贴合基板中空隙的发生状况时，在基板表面内几乎未发现空隙，另外，在贴合终端部未发现空隙。
(比较例)
按照实施例1相同的方式制造贴合基板，贴合工序(工序d)贴合时的气氛的温度为20℃及水分含量为10g/m3，即相对湿度为55％。
当用与实施例1相同的方式观察紧密贴合部的扩散方式时，发现贴合终端部附近的扩散方式如图1(b)所示。
当用与实施例1相同的方式观察所述制造的贴合基板中空隙的发生状况时，在贴合终端部发现很多空隙。
上述结果表明，作为本发明的有益效果，贴合时的气氛的湿度为30％ 以下和/或水分含量为6g/m3以下时，可防止贴合终端部空隙的产生。
应该注意到，本发明并不限于上述实施方式。上述实施方式为例示，任何与本发明的权利要求书中所记载的技术思想具有实质上相同的构成、起到相同作用效果的技术方案，均包含在本发明的技术范围内。
符号说明
10：第一基板；11：离子注入层；12：离子注入面
20：第二基板；22：贴合面
30：贴合基板；31：薄膜
Claims (6)
1.一种制造贴合基板的方法，其特征在于，使第一基板和第二基板贴合，将所述第一基板进行薄膜化，所述第二基板上具有薄膜的贴合基板的制造方法，所述方法至少包含以下工序：
在作为半导体基板的所述第一基板的表面，通过注入氢离子和/或稀有气体离子形成离子注入层的工序；
对所述第一基板的离子注入面及所述第二基板的贴合面中的至少一面施以表面活化处理的工序；
在湿度30％以下和/或水分含量6g/m3以下的气氛中，将所述第一基板的离子注入面和所述第二基板的贴合面进行贴合的贴合工序，其中，所述贴合工序是以下述方式进行：将所述第一基板和所述第二基板上的任一点定为贴合起始点，对所述点加压，以使所述第一基板和所述第二基板在以所述点为中心按圆周运动旋转的同时，进行使空气不进入的滑动；
将所述第一基板在所述离子注入层分离，以使所述第一基板薄膜化的剥离工序；
通过上述方法制造所述第二基板上具有薄膜的贴合基板。
2.如权利要求1所述的制造贴合基板的方法，其特征在于，所述第一基板为以下任一种基板：单晶硅基板、表面形成有氧化膜的单晶硅基板及化合物半导体基板。
3.如权利要求1或2所述的制造贴合基板的方法，其特征在于，所述第二基板为以下任一种基板：石英基板、蓝宝石(氧化铝)基板、SiC基板、硼硅玻璃基板、微晶玻璃基板、氮化铝基板、单晶硅基板、表面形成有氧化膜的单晶硅基板及SiGe基板。
4.如权利要求1或2所述的制造贴合基板的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述贴合工序后，对贴合基板进行100-400℃的热处理的热处理工序，然后进行所述剥离工序。
5.如权利要求1或2所述的制造贴合基板的方法，其特征在于，所述表面活化处理通过等离子体处理进行。
6.如权利要求1或2所述的制造贴合基板的方法，其特征在于，所述剥离工序中，所述第一基板在所述离子注入层的分离是通过对所述第一基板的一端施以外部冲击，从施加所述外部冲击的一端向另一端劈开来进行。
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