CN102629551A - 用于再利用源衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于再利用源衬底(1)的方法，所述源衬底(1)包括表面区域(6)和所述表面区域(6)上的浮雕区域(5)，所述浮雕区域(5)对应于所述源衬底(1)的层(4)的残余区域，在先前的移除步骤期间，所述残余区域不从所述源衬底(1)的其余部分分离，其特征在于，所述方法包括所述源衬底(1)的选择性电磁辐射，所述选择性电磁辐射在使得所述表面区域(6)的被破坏的材料吸收所述电磁辐射的波长上进行。本发明还涉及一种再利用的源衬底(1)和一种为此目的从再利用的源衬底(1)转移层(4)的方法。
Description
技术领域
本发明的领域是用于电子、光学、光电子工业的半导体衬底。
更具体地，本发明涉及已经从中移除了薄材料层的半导体衬底的再利用。
背景技术
SOI(绝缘体上硅)结构是由多层组成的结构，所述多层包括绝缘层上的非常薄的硅层，绝缘层本身通常在衬底上。这些结构因其出众的性能越来越多地应用在电子工业领域。
这类结构通常由Smart-CutTM技术制造，图1a-1c显示了制造SOI晶片的主要步骤。
图1a显示了源衬底或“施主”衬底1，通过离子种类10(例如H+离子)的轰击对施主衬底1的一个侧面进行注入，从而在衬底的特定深度上产生弱化界面2。如图1b所示，源衬底1被注入的侧面与支撑衬底或“接收”衬底3紧密接触，从而产生通过分子粘附的键合。该支撑衬底3的表面上可具有绝缘层，该绝缘层是通过例如该表面的氧化来获得的。接下来，如图1c所示，源衬底沿着弱化界面2的中央平面裂开，从而将位于源衬底外侧和弱化界面2之间的源衬底1的部分转移到支撑衬底3上，转移的部分形成了层4。
如图1c所示，在支撑衬底1的外围形成了对应于薄层4的未转移部分的“排除区”。
这是因为，如图1b非常示意性地显示的，源衬底1和支撑衬底3分别在其外围包括倾角或“倒角”1a和3a，该倒角的作用是使得更容易地操作衬底并且避免边缘剥落，如果这些边缘是锋利的则可能出现边缘剥落，这种剥落是晶片表面微粒污染物的来源。
然而，这种倾角的存在妨碍了支撑衬底3和源衬底1之间在它们的外围的良好接触。因此，在组件的外围获得的键合力不足以在其整个直径上保持源衬底1的要被转移到支撑衬底3的部分。要转移的层4具有限制到几百纳米的小厚度，因为层4是通过注入形成的。该小厚度使层4弱化，且在分离期间层4在倾角处破裂。因此在支撑的外围源衬底1的分离的层4不被转移，因此存在残余部分，该残余部分形成与分离表面呈浮雕关系的区域5，该外围区域5是“环”形的。
如果需要再利用称为“阴衬底(negative)”的去除了层4的源衬底1，则必须移除该环，从而将其作为“阳衬底(positive)”重新利用，从而转移新的薄层。进一步地，有时材料区域可能不被转移并保留在阴衬底的表面。在本发明的以下说明中，表述“浮雕区域”的含义应理解为大体上与分离表面呈浮雕关系的所有区域5，本发明绝不仅限制于环的移除，尽管环代表了大部分浮雕区域，但是本发明也涉及出现在阴衬底的表面的未转移区域的移除。
已经提出了移除浮雕区域5并允许再利用源衬底1的技术。文献EP 1 427 002特别提出了源衬底1的表面的化学机械抛光，并局部地采用以浮雕区域5为目标，特别是以界面2为目标的水、空气或液体喷射、激光束、冲击波或离子轰击。
然而，这些方法都不完全令人满意。某些源衬底的材料(SiC、GaN、AlN、AlGaN，等)很坚硬且难于抛光。因此化学机械抛光耗时且昂贵。基于能量的技术(例如采用激光束)是非选择性的，且可能破坏源衬底的其余部分，除非非常精确地对其进行控制。
此外，衬底的直径越来越大(例如6英寸)，从而放大了上述困难。特别地，有形成例如微擦痕的缺陷的风险。
发明内容
本发明的目的是通过降低再利用操作的持续时间、质量和成本，使得施主衬底上的残余材料环的移除更加容易，因此使得该衬底的再利用更加容易。
为达此目的，根据第一方面，本发明涉及一种用于再利用源衬底的方法，所述源衬底包括表面区域和所述表面区域上的浮雕区域，所述浮雕区域对应于所述源衬底的层的残余区域，在实现在由所述源衬底的被破坏的材料形成的弱化界面处的分离的先前的移除步骤期间，所述残余区域不从所述源衬底的其余部分分离，其特征在于，所述方法包括所述源衬底的选择性电磁辐射，所述选择性电磁辐射在使得所述表面区域的被破坏的材料吸收所述电磁辐射的波长上进行。
因此，能够在要再利用的源衬底的整个面积上进行在限定波长上的电磁辐射，只有位于环底部的被破坏的材料或未转移的浮雕区域会吸收该辐射，然后被选择性移除。因此辐射的功率被选择为使得对要移除的材料的加热不会破坏邻近的区域，使得在再利用操作结束时衬底处于优化的状态。
根据其他有利和非限制性特征：
·所述浮雕区域对应于来自所述源衬底的所述层的材料环和/或对应于来自所述源衬底的所述层的随机分布在所述表面区域上的未转移材料区；
·所述选择性电磁辐射在所述源衬底的整个面积上进行；
·所述选择性电磁辐射由检测所述浮雕区域的光学装置控制，从而使所述辐射局部地在所述浮雕区域上进行；
·所述光学装置通过所述弱化界面的所述被破坏的材料和所述源衬底的未破坏材料之间的光学对比的差异来检测所述浮雕区域；
·所述源衬底由选自以下材料至少其中之一的体材料组成：SiC或二元、三元或四元III-N材料，或者，所述源衬底由GaNOS、InGaNOS、SiCOI或SiCopSiC类型的复合结构组成；
·通过将离子种类注入到所述源衬底中来生成所述弱化界面；
·该方法包括在所述选择性电磁辐射之后进行所述源衬底的表面区域的化学机械抛光；
·所述化学机械抛光采用了添加了添加剂的胶状酸溶液，所述添加剂特别为钻石微粒和/或氧化剂；
·通过激光器进行所述源衬底的所述选择性电磁辐射；
·所述源衬底的材料是GaN，且所述激光器在大于或等于370nm的波长上发射；
·所述源衬底的材料是SiC，且所述激光器在大于或等于415nm的波长上发射；
·所述激光器是脉冲模式钇铝石榴石激光器；
·所述激光器具有0.1到2J/cm2的功率密度；
·该方法包括在所述源衬底的一个表面上的至少一层材料的外延生长；以及
·在所述选择性电磁辐射之后暴露的表面上进行材料的所述外延生长。
根据第二方面，本发明涉及根据本发明的第一方面所述的方法来再利用从而被重新使用的源衬底。
根据第三方面，本发明最后还涉及用于将来自根据本发明的第二方面再利用的源衬底的层转移到支撑衬底的方法，该方法包括以下步骤：
-在所述再利用的源衬底的界定所述层的厚度的深度处生成弱化界面；
-使所述再利用的源衬底和支撑衬底接触；以及
-破裂热处理。
附图说明
通过阅读下面的优选实施例的描述，将清楚本发明的其他特征和优点。该描述是参考附图给出的，其中：
-图1a-1c，上文描述了，是描述Smart-CutTM过程的主要步骤和解释环如何形成的图；
-图2是显示与转移过程相关联的根据本发明的再利用过程的实施例的步骤的图；以及
-图3是详细显示残余区域的图。
具体实施方式
本发明是基于这样的事实：弱化源衬底1的材料将其晶体结构破坏到了使其光学透射光谱显著改变的程度。由于对晶体结构的破坏，有效地移动了材料能够透射辐射或者相反地吸收辐射的光谱波段。本发明一般地提供了在被破坏的材料吸收而未破坏的或轻微破坏的晶体结构不吸收或吸收的少得多的波长处利用要再利用的衬底的电磁辐射。
如上文所述以及图2所示，根据本发明的再利用源衬底1的过程200跟随在从源衬底1分离层4的先前过程100之后，该过程100有利地包括将层4从源衬底1转移到支撑衬底3。
然而本发明并不限于这种转移，本发明更一般的对象是跟随源衬底1的弱化(特别是通过离子种类注入)之后的任何层4的分离。此外，由于支撑衬底3用于为层4提供硬度，该衬底不仅可能在分离之前键合到层4，而且可能还通过任何沉积方法沉积到层4上，典型地通过外延生长。进一步地，层4可能足够厚且刚性从而自我支撑(能够不卷起或不破裂地操作层4)，或者至少可以不需要外部硬度源来使用层4。因此，在没有支撑衬底3的情况下，称为层4的分开或分离，而不是转移。
跟随该先前过程100之后，阴衬底，即剥离了转移层4的源衬底1，包括与表面区域6呈浮雕关系的区域5，这些浮雕区域5是层4的残留区域，因此包括来自层4的剩余材料。
应注意，所谓的“表面区域”不仅仅是表面。下文将澄清这一点。
有利地，源衬底1由选自以下材料至少其中之一的材料组成：SiC或二元、三元、四元III-N材料，例如GaN、AlN、AlGaN或InGaN。源衬底1还可能由复合结构组成，该复合结构包括键合来自上文列出的材料层的机械支撑。通常，复合结构可以是SiCopSiC(键合到多晶SiC衬底上的SiC层)或GaNOS(键合到蓝宝石衬底上的GaN层)。源衬底1还可以是沉积有层的复合结构，这种情况是针对InGaNOS，其中InGaN层通过外延生长沉积在GaNOS结构上。支撑衬底3由选自以下材料至少其中之一的材料组成：AlN、GaN、SiC、蓝宝石、陶瓷和/或金属合金。然而本发明不限于任何特定的材料组合。
转移和再利用过程的步骤
有利地，先前的分离过程100在转移过程的情况下，包括在由将层4从其余的源衬底1分离的被破坏的材料形成的弱化界面2处分离源衬底1。
在这种情况下，在一个特别有利的实施方式中，转移过程100包括三个步骤。第一，通过弱化材料的步骤110形成界面2。有利地，该步骤包括注入离子种类。用具有限定的能量和剂量的离子种类的束轰击衬底1的表面。这些离子种类渗透材料达到预先设定的深度，该深度限定了层4的厚度。
一旦生成了弱化界面2，在第二步骤120使源衬底1和支撑衬底3接触从而通过分子粘附来键合。在该步骤之前，可选地氧化源衬底1和/或支撑衬底3。基于材料的本性，特别是在III-N材料、蓝宝石和SiC的情况下，可沉积二氧化硅(SiO2)层或氮化硅(SixNy)层，该层提高了已经相接触的表面之间的键合能量。
破裂热处理130使转移步骤完整。温度的升高强化了两个衬底1和3之间的键合，同时也导致注入区域(弱化界面2)中的断裂。层4从衬底1分离，除了在外围以及在衬底表面上随机分布的其他区域，这些都形成了浮雕区域5。
应注意到非常重要的一点，弱化界面2实际上是具有体积的区域，如图3的示意性表示所示。弱化界面2实际上具有厚度，该厚度对应于在轰击期间离子种类最深和最浅的渗透。这是因为，尽管以高精度注入到源衬底1中，离子种类实际上分布在一窄带上，该窄带的峰值位于其中央平面并粗略地具有高斯分布，这意味着弱化界面2是被破坏的材料的体积而不是平面，在中央平面处破坏最大。
因此，层4从衬底1分离所沿着的破裂平面位于该中央平面，在弱化界面2的厚度中：因此弱化界面2的部分出现在层4的表面和衬底1的表面中的每一个上。
因此，表面区域6指示了没有从源衬底1的其余部分分离的弱化界面2的部分，该部分由位于源衬底1的整个面积上的具有可变厚度的破坏材料层组成，如图3所示。
因此，由于浮雕区域5仍然依附于衬底1的阴衬底上，浮雕区域5在其底部具有弱化界面2的全部厚度。
通过形成弱化界面2的残余的破坏材料来吸收电磁辐射使得能够移除表面区域6，因此将残余区域5从源衬底1分离。
向材料中注入离子种类通过形成各种缺陷有效地破坏了材料的晶体结构，直到材料变为无定形的，从而改变了材料的光吸收谱。根据本发明的再利用过程200还包括至少一个源衬底1的电磁辐射的子步骤210。
通过以限定的波长进行选择性的电磁辐射，仅界面2的被破坏的材料会吸收辐射能量，并被选择性转换，该转换有利地是由充分加热导致的破坏。其余的材料是能够透射辐射的，且没有变化地被十分轻易地穿过。如上文所述，界面2的残余部分形成了表面区域6并且特别地位于浮雕区域5和源衬底1的其余部分之间。
可选择辐射的功率从而对要移除的材料的加热不会破坏附近区域。此外还可以采用允许被注入的材料断裂的任何类型的离子种类，例如常用的氢和/或氦。
有利地，在要再利用的阴衬底的整个区域上进行选择性电磁辐射，无论源的倾度和位置如何，源优选地为激光器。辐射也可扫过衬底的端面，这在通过注入从锭(ingot)移除层的情况来说是有用的。再也不需要向现有技术的某些过程中的一些情况那样精确地将束瞄准到浮雕区域5和表面区域6之间的界面处。为达此目的，移动激光器从而在源衬底1的整个区域上至少扫过一次。由于在所选波长上未破坏的材料能够在所选择的波长处透射辐射，因此能够多次照射源衬底1的表面的部分。
可选地，在检测浮雕区域5的光学设备的控制下，在浮雕区域5中局部地进行选择性电磁辐射。这是因为，由于弱化界面2的被破坏的材料和源衬底1的未破坏材料具有不同的光吸收率，因此能够通过这种对比的不同，来观察源衬底1的范围中被破坏的材料的厚度比别处大的区域。如图3所示，这些区域位于浮雕区域5的底部。
因此，所述光学装置可以是简单的摄影机，其有利地基于该原理来检测浮雕区域5。
通过将这样的光学装置耦合到激光器，能够控制激光器使之仅在瞄准浮雕区域5的时候发射选择性电磁辐射。该实施例以低成本实现了节时节能，因为激光器的激活时间短得多。
对于III-N材料，特别是对于在被破坏时从370nm波长吸收的GaN，或被破坏时从415nm波长吸收的SiC，优选地采用在532nm波长和/或0.1到2J/cm2功率密度上发射的脉冲模式双YAG(钇铝石榴石)激光器。还可以采用在488nm和514nm波长上发射的氩激光器。本领域技术人员能够从各种激光器中进行选择从而使得发射的波长和功率密度适合于任何注入的源衬底1。
有利地，再利用过程200包括在选择性电磁辐射之后的第二CMP(化学机械抛光)子步骤220。
该子步骤220可以通过在一旦移除了浮雕区域5时处理表面区域6来完成源衬底1的再利用，从而获得了适用于源衬底1再利用为新的薄层4的施主衬底的表面拓扑。可以在沉积材料于所获得的衬底上的步骤之后，进行该新的层4的分离，从而更新被移除的材料并使源衬底的初始厚度再生。该沉积可在阴衬底的被再利用的表面上(即通过选择性电磁辐射暴露的，且可选地通过CMP处理过的表面)或称为背面的其相对面上进行。由于层4没有从背面移除，材料的品质不重要且可不那么精确地控制沉积条件。在相反情况下，沉积的材料将形成新的层4并且所采用的沉积方法优选为MBE(分子束外延生长)或MOCVD(金属有机化学气相沉积)或HVPE(氢化物气相外延生长)从而提供具有良好的晶体品质的材料。
CMP抛光是一种混合抛光操作，其利用了化学反应和机械力的结合。将一种结构“衬垫”带压力地施加到材料的旋转表面上。将有利地包括悬浮微粒的化学溶液“泥浆”(典型为胶体)施加到该材料。泥浆在表面和衬垫之间流通，大大增加了抛光效率。
优选地，步骤220的CMP抛光采用了包括添加了钻石微粒和/或氧化剂的胶状酸溶液的泥浆。
本发明进一步涉及通过该过程200再利用的源衬底1，并现在能够重用于将层4转移到支撑衬底3的新的过程中，其再次包括以下步骤：
-在再利用的源衬底1中，在界定层4的厚度的深度上生成弱化界面2；
-使再利用的源衬底1和支撑衬底3接触；以及
-破裂热处理。
可以设想执行多个转移循环然后再利用源衬底1，特别是如果源衬底仍然足够厚来提供其操作所需的强度和与制造工具联用所需要的兼容性。此外，如上文所述，可以通过例如外延生长在再利用的阴衬底上重新形成移除材料，从而源衬底的厚度保持恒定。材料也可以沉积在与用于移除的那一侧相对的那一侧上。
示例
在自支撑GaN源衬底1上沉积了厚度为500nm的二氧化硅层。剂量高于1×1016原子/cm2且能量为50到150keV(取决于要转移的层4的厚度)的氢气通过氧化物层注入到GaN中。这导致在弱化界面2附近的平均种类密度为大约1×1021原子/cm3，且材料在大于或等于370nm波长上能够吸收。此外，在蓝宝石支撑衬底3上沉积500nm的二氧化硅层。
然后使GaN和蓝宝石衬底接触从而使二者键合。在该接触步骤之前可对二者的表面进行抛光——这优选地针对AFM(原子力显微镜)测得的在5微米×5微米范围上(该范围对应于所观察的区域的尺寸)低于5埃的RMS表面粗糙度。
RMS粗糙度的意思是均方根粗糙度。RMS粗糙度是由测量粗糙度的平均平方差的值获得的测量值。因此该RMS粗糙度实际上量化了粗糙度的峰和谷相对于平均高度的平均高度。该粗糙度也通过AFM监控。
一旦衬底已经接触，则进行温度提高到200到700℃的热处理，来强化键合并使注入区破裂。阴衬底被复原且再利用开始。
然后通过要再利用的源衬底的整个表面的辐射来移除GaN源衬底1的阴衬底的表面上的环和未转移区域，该辐射是在532nm波长上利用“双YAG”激光器实现的，“双YAG”激光器是一种在脉冲模式下使用功率密度为0.1到2焦耳/cm2的钇铝石榴石激光器。晶体结构还未被破坏的未注入的GaN在小于365nm的波长处吸收。因此源衬底的阴衬底在532nm处的辐射吸收是选择性的。
以CMP(化学机械抛光)来完成该再利用，CMP可采用具有例如钻石微粒和/或氧化剂的添加剂的胶状酸溶液。为了能够以与原始衬底相同的方式来利用该衬底，必须抛光衬底直到得到擦痕的深度小于15nm，且RMS粗糙度在20微米×20微米范围内小于5埃(由AFM测量)。
该衬底可以再次直接用于分离层的过程，但是也可以在用于新层的分离之前，用作恢复原始衬底的厚度的新材料的外延生长的种子。
Claims (18)
1.一种用于再利用源衬底(1)的方法，所述源衬底(1)包括表面区域(6)和所述表面区域(6)上的浮雕区域(5)，所述浮雕区域(5)对应于所述源衬底(1)的层(4)的残余区域，在实现在由所述源衬底(1)的被破坏的材料形成的弱化界面(2)处的分离的先前的移除步骤期间，所述残余区域不从源衬底(1)的其余部分分离，所述表面区域(6)对应于在所述先前的移除步骤期间不从所述源衬底(1)的其余部分分离的弱化界面(2)的部分，其特征在于，所述方法包括所述源衬底(1)的选择性电磁辐射，所述选择性电磁辐射在使得所述表面区域(6)的被破坏的材料吸收所述电磁辐射的波长上进行。
2.根据权利要求1所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述浮雕区域(5)对应于来自所述源衬底(1)的所述层(4)的材料环和/或对应于来自所述源衬底(1)的所述层(4)的随机分布在所述表面区域(6)上的未转移材料区。
3.根据权利要求1或2所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述选择性电磁辐射在所述源衬底(1)的整个面积上进行。
4.根据权利要求1或2所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述选择性电磁辐射由检测所述浮雕区域(5)的光学装置控制，从而使所述辐射局部地在所述浮雕区域(5)上进行。
5.根据权利要求4所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述光学装置通过所述弱化界面(2)的所述被破坏的材料和所述源衬底(1)的未破坏材料之间的光学对比的差异来检测所述浮雕区域(5)。
6.根据前述任意一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述源衬底(1)由选自以下材料至少其中之一的体材料组成：SiC或二元、三元或四元III-N材料，或者，所述源衬底(1)由GaNOS、InGaNOS、SiCOI或SiCopSiC类型的复合结构组成。
7.根据前述任意一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中通过将离子种类(10)注入到所述源衬底(1)中来生成所述弱化界面(2)。
8.根据前述任意一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，包括在所述选择性电磁辐射之后进行所述源衬底(1)的表面区域(6)的化学机械抛光。
9.根据权利要求8所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其特征在于，所述化学机械抛光采用了添加了添加剂的胶状酸溶液，所述添加剂特别为钻石微粒和/或氧化剂。
10.根据前述任意一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中通过激光器进行所述源衬底(1)的所述选择性电磁辐射。
11.根据权利要求10所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述源衬底(1)的材料是GaN，且所述激光器在大于或等于370nm的波长上发射。
12.根据权利要求10所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述源衬底(1)的材料是SiC，且所述激光器在大于或等于415nm的波长上发射。
13.根据权利要求10到12中任意一项所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述激光器是脉冲模式钇铝石榴石激光器。
14.根据权利要求13所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中所述激光器具有0.1到2J/cm2的功率密度。
15.根据前述任意一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，包括在所述源衬底(1)的一个表面上的至少一层材料的外延生长。
16.根据前一项权利要求所述的用于再利用源衬底(1)的方法，其中在所述选择性电磁辐射之后暴露的表面上进行材料的所述外延生长。
17.根据前述任意一项权利要求所述的方法来再利用从而被重新使用的源衬底(1)。
18.一种用于将来自根据权利要求13再利用的源衬底(1)的层(4)转移到支撑衬底(3)的方法，包括以下步骤：
-在所述再利用的源衬底(1)的界定所述层(4)的厚度的深度处生成弱化界面(2)；
-使所述再利用的源衬底(1)和支撑衬底(3)接触；以及
-破裂热处理。
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