CN103890907B - 生产透明soi片的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够防止片损坏和剥落的生产透明SOI片的方法。所述用于生产透明SOI片方法包括以下步骤：将用作供体片的硅片的表面与透明的处理片的表面键合在一起以获得键合片；在150至300℃的第一温度对键合片进行热处理，作为第一热处理；通过从被热处理后的键合片的硅片侧向键合的表面和未键合的周围表面之间的边界照射可见光激光，同时在入射光和硅片的径向方向之间保持60至90°的角度来切割键合片的未键合部分；对未键合的部分被切割后的键合片的硅片进行研磨、抛光或蚀刻以形成硅膜；以及在比第一温度高的300至500℃的第二温度对形成有硅膜的键合片进行热处理，作为第二热处理。

Description

生产透明SOI片的方法
技术领域
本发明涉及生产透明SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘体上的硅）片的方法。
背景技术
SOI片已经广泛用于减小寄生电容和使器件高速化。在SOI片中，包括透明绝缘片的SOQ（Silicon-On-Quartz，石英上的硅）和SOS（Silicon-On-Sapphire，蓝宝石上的硅）片已经作为处理片而受到关注。
SOQ片有望应用于利用石英的高透明度的光电子器件或者利用石英的低介电损耗的高频器件。SOS片有望应用于牵涉到发热的高频器件，因为由蓝宝石制成的处理片不仅具有高透明度和低介电损耗，而且还具有石英所不具备的高导热性。
在处理片上形成硅膜的方法已经被开发，并且包括：在r平面蓝宝石上异质外延生长硅层的方法；以及在玻璃上生长非单晶硅，然后通过激光退火等增强洁净度以获得CG（Continuous Grain，连续晶粒）硅的方法。然而，为了在处理片上形成高质量的单晶硅膜，理想地，通过将体硅片键合到处理片并且将该硅片的一部分分离以转移到处理片上的方法来形成硅膜。当转移的硅膜很薄时（例如，小于500nm），则可以通过氢离子注入方法来分离并转移硅膜（专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2009/116664A
发明内容
发明要解决的问题
然而，当转移的硅膜很厚时（例如，大于1μm），除了传统的键合和背蚀刻方法以外，没有其他方法。为了较深地注入离子，需要增加离子注入期间的加速电压。然而，以增加的加速电压注入离子具有损坏硅膜表面的风险。
键合和背蚀刻方法是在将键合的两个片（供体片和处理片）键合在一起并进行热处理以增强键合强度之后，研磨或抛光供体片的背面以使供体片变薄，从而形成期望厚度的硅膜的方法。对于两个片的键合，在距离片周缘几毫米的区域内片不能被键合（边缘排斥）。这是因为作为片经过所谓倒角处理的结果，片的边缘是圆的。
图6是示出在简单的薄膜形成工艺中出现剥落（chipping）的示意图。两个片（供体片102和处理片101）键合（图6（A）），然后被热处理。当供体片102被研磨或抛光到几微米的厚度时（图6（B）），由于供体片的周缘的截面102a的角度α尖锐而频繁出现称为剥落的破损102b（图6（C））。为了防止这一点，如图1中所示，本发明人已经发现一种预先机械刮掉周缘（图1（A））或者利用化学品等去除周缘（图1（B））的方法。然而，由于以下原因，在热膨胀系数不同的片之间不能采用该方法。在供体片和处理片的热膨胀系数显著不同的SOQ片和SOS片的情况下，当硅片键合到石英（玻璃）或蓝宝石，然后被热处理时，键合的片由于热膨胀系数不同而损坏。因此在片键合阶段难以进行充分的热处理。如果在只进行不充分的热处理的该阶段机械或化学地去除片的周缘，则甚至不应当被去除的部分也由于键合强度不足而最终被去除。
本发明是鉴于上述情况做出的，并且提供一种生产透明SOA片的方法，从而防止片损坏和剥落。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明人发现一种利用SOQ片和SOS片对可见光透明的方法。
本发明的一方面提供一种生产透明SOI片的方法，该方法包括以下步骤：将用作供体片的硅片的表面与透明的处理片的表面键合在一起以获得键合片；在150至300℃的第一温度对所述键合片进行热处理，作为第一热处理；通过从被热处理后的键合片的硅片侧向键合的表面和未键合的周围表面之间的边界照射可见光激光，同时在所述激光的入射光和所述硅片的径向方向之间保持60至90°的角度来切割所述键合片的未键合部分；对所述未键合的部分被切割后的所述键合片的硅片进行研磨、抛光或蚀刻以形成硅膜；以及在比所述第一温度高的300至500℃的第二温度对形成有所述硅膜的所述键合片进行热处理，作为第二热处理。
发明效果
利用根据本发明的生产透明SOI片的方法可以防止片损坏和剥落。
附图说明
图1是示出SOI片的薄膜形成工艺的示意图。
图2是示出用于生产透明SOI片的方法的步骤实例的示意图。
图3是键合片的俯视图。
图4是实例3中获得的透明SOI片的周缘的放大照片。
图5是比较例2中获得的透明SOI片的周缘的放大照片。
图6是示出在简单的膜形成工艺中发生的剥落的示意图。
具体实施方式
在本发明中使用的透明处理片优选由石英、玻璃和蓝宝石中的任一种材料制成。在下述键合步骤之前，优选对该透明处理片进行清洗，如RCA清洗。
在本发明中使用的供体片包括单晶硅片，如作为通过切克劳斯基（Czochralski）方法生产的可商业上获得的片的供体片。可以根据使用本发明的方法生产的透明SOI片的器件的设计值和作用、所产生的器件的显示区域等，适当选择供体片的电学特征，如导电类型和相对电阻率、晶体取向和晶体尺寸。
可以根据稍后描述的硅膜的期望厚度适当选择硅片的厚度，并且硅片的厚度没有具体限制。例如，具有550至650μm厚度的6英寸硅片和具有650至750μm厚度的8英寸片可容易获得并且也容易处理。
优选地，硅片的周缘部分被倒角，或者优选地，硅片的直径比透明处理片的直径大。在此情况下，键合片具有从片周缘向内几毫米的未键合部分（边缘排斥区域）。倒角方法可以包括C倒角和R倒角。
下面参照图2和图3描述根据本发明的生产透明SOI片的方法。然而，不应当理解为本发明局限于此。
第一实施例
图2是示出生产透明SOI片的方法的实施例的示意图。
如图2（A）中所示，提供透明处理片11和作为供体片的硅片12。接下来，如图2（B）中所示，硅片12的表面12s和透明处理片11的表面11s键合在一起以获得键合片13。
任选地，可以使用在表面12s或所有表面上形成有氧化膜的硅片作为供体片。可以通过常用的热氧化方法形成该氧化膜。典型地，通过在氧气氛或水蒸气气氛中在常压下的800至1100℃进行热处理获得该氧化膜。该氧化膜的厚度优选为50至500nm。当该氧化膜太薄时，可能难以控制该氧化膜的厚度。当该氧化膜太厚时，形成该氧化膜可能用时太长。
在表面12s和表面11s的键合步骤之前，可以对硅片12的表面和透明处理片11的表面二者或之一进行表面活化处理的步骤。该表面活化处理可有助于键合之后在键合片的键合表面之间立刻具有较高的键合强度。
优选地，该表面活化处理是从包括臭氧水处理、UV臭氧处理、离子束处理和等离子体处理的组中选择至少一个处理。
例如，在等离子体处理中，将经过清洗如RCA清洗的硅片和/或透明处理片置于腔中。然后，在将减压等离子体气体引入该腔中之后，将该硅片和/或透明处理片暴露于大约100W的高频等离子体大约5至10秒钟，从而对表面进行等离子体处理。当在表面氧化的情况下对硅片进行等离子体处理时，该等离子体气体可以是氧气。当在没有表面氧化的情况下对硅片进行等离子体处理时，等离子体气体可以是氢气、氩气、氮气、这些气体中的两种以上的混合物或者氢气和氦气的混合物。当对透明处理片进行等离子体处理时，可以使用任何气体。作为等离子体处理的结果，硅片和/或透明处理片的表面上的有机物被氧化并去除，并且由于OH基团的增加，表面还被活化。
例如，可以通过将片浸没在溶解了大约10mg/L臭氧的纯水中进行臭氧水处理。
可以通过用UV光（紫外线）（例如，185nm波长）照射臭氧气体或者由大气产生的臭氧气体进行UV臭氧处理。
例如，可以通过在溅射中在高真空下用惰性气体束如氩气处理片表面以在表面上露出悬空键而增加键合力来进行离子束处理。
在臭氧水处理、UV臭氧处理等中，硅片或透明处理片表面上的有机物被臭氧分解，使得表面OH基团增加，从而使表面活化。在离子束处理、等离子体处理等中，片表面上高反应性未结合键（悬空键）露出，或者OH基团加入到未结合键，从而使表面活化。
可以通过检查亲水性（可湿性）的程度来确认表面活化。具体来说，可以通过在片表面上滴水并且测量其接触角来测量表面活化。
如图2（C）中所示，在150至300℃对键合片13进行第一热处理H1。例如，当石英或玻璃被用作透明处理片11时，优选在150至300℃进行第一热处理H1。当蓝宝石被用作透明处理片11时，优选在150至250℃进行第一热处理H1。根据热处理温度和材料确定热处理时间，并且优选地从1至48小时的范围内选择热处理时间。通过以这种方式对键合片13进行热处理，可以增加硅片12和透明处理片11的键合强度。此外，这种温度的热处理使得由于由不同材料制成的片之间热膨胀系数的不同而引起的热应力、破裂、起皮等风险很小。在此阶段的键合强度已经足够用于下面描述的研磨等，但是作为透明SOI片的强度仍不足。
优选地，在氩气、氮气、氦气或者这些气体中的两种以上的混合物存在的情况下进行第一热处理步骤。
如图2（D）中所示，通过从热处理后的键合片的硅片侧向在键合步骤中键合的键合表面部分14和未键合表面部分15a之间的边界16照射可见光激光L，同时将入射光与硅片的径向方向之间的角度保持在60至90°来切割键合片的未键合部分15（步骤d-1-i）。
图3是键合片的俯视图。在图3中，从热处理后的键合片的硅片侧向键合表面部分14和未键合表面部分15a之间的边界16施加可见光激光L，使得入射光和硅片的径向方向之间的角度θ，即，入射光和连接入射光与硅片的交点与硅片的中心C的线之间的角度θ，为60至90°，以切割未键合部分15。即使在切割硅片的未键合部分15之后可见光激光L到达下面的透明处理片11的情况下，该方法也没有对透明处理片11造成损坏等的风险。
该可见光激光优选为绿色激光，例如，SHG-YAG激光（λ=515nm）。
对于照射该可见光激光的角度，使得入射光和硅片的径向方向之间的角度θ为60至90°。这使得图6（B）中所示的硅片的周缘的截面102a的角度α为钝角。因此，不太可能出现所谓的剥落破损。θ优选为90°，即，入射光优选垂直于键合表面。该角度使透明处理片上形成的硅膜的直径均匀而与到透明处理片的距离无关。
对切割后的键合片的硅片14进行研磨、抛光或蚀刻处理，以形成硅膜12B（步骤d-1-ii）。切割上述未键合部分15之后的这种处理可以防止剥落。将硅片研磨、抛光或蚀刻，直到硅膜达到期望的厚度，例如，大约20μm以下。
如图2（E）中所示，优选在300至500℃对具有硅膜12B的键合片17进行第二热处理H2。例如，当石英或玻璃被用作透明处理片11时，优选在350至500℃进行第二热处理H2。当蓝宝石被用作透明处理片11时，优选在300至500℃进行第二热处理H2。第二热处理H2的第二温度可被设置为高于第一热处理H1的第一温度。第二热处理H2的第二温度优选为比第一热处理H1的第一温度高150至250℃。由于在该阶段硅膜12B足够薄，所以即使进行第二热处理H2，也不会有造成硅膜12B破裂等的风险。
作为上述步骤的结果，可以获得图2（F）中所示的透明SOI片18。
如上所述，根据本发明的第一实施例，可以防止剥落。
第二实施例
图2（A）至（C）中的步骤与第一实施例中的相同。如第一实施例中，提供透明处理片11和作为供体片的硅片12（图2（A）），硅片12的表面12s和透明处理片11的表面11s键合在一起以获得键合片13（图2（B）），并且对键合片13进行热处理H1（图2（C））。
如图2（D）中所示，在下述切割步骤之前对键合片13的硅片12进行研磨、抛光或蚀刻，使得硅片12优选具有100μm以上的厚度（步骤d-2-i）。即使在α为锐角的情况下，硅片的该厚度也能防止剥落。
通过从经过研磨、抛光或蚀刻的键合片的硅片侧向在键合步骤中键合的键合表面部分24与未键合的表面部分25a之间的边界26照射可见光激光L，同时将入射光和硅片的径向方向之间的角度保持在60至90°来切割键合片的未键合部分25（步骤d-2-ii）。即使在切割硅片的未键合部分25之后可见光激光L到达下面的透明处理片11的情况下，该方法也没有对透明处理片11造成损坏等的风险。
在切割步骤之后对键合片的硅片24进行研磨、抛光或蚀刻处理，使得硅片24具有20μm以下的厚度，以形成硅膜22B（步骤d-2-iii）。切割上述未键合部分25之后的该处理可以防止剥落。
如图2（E）中所示，以与第一实施例中相同的方式，优选在300至500℃对具有硅膜22B的键合片27进行第二热处理H2。例如，当石英或玻璃被用作透明处理片11时，优选350至500℃进行第二热处理H2，而当蓝宝石被用作透明处理片11时，优选在300至500℃进行第二热处理H2。第二热处理H2的第二温度可以被设置为高于第一热处理H1的第一温度。第二热处理H2的第二温度优选为比第一热处理H1的第一温度高150至250℃。由于在该阶段硅膜22B足够薄，所以即使进行第二热处理H2，也不会有造成硅膜22B破裂等的风险。
作为上述步骤的结果，可以获得图2（F）中所示的透明SOI片28。
如上所述，根据本发明的第二实施例，可以防止剥落。
注意，即使在硅片和透明处理片直径不同的情况下，也能够以与所述第一和第二实施例中相同的方式生产透明SOI片。
实例
下面基于实例和比较例详细描述本发明。然而，应当理解，本发明不局限于实例。
实例1
将直径为150mm并且厚度为625μm的硅片和与该硅片相同尺寸的石英片键合在一起，并且在200℃热处理24小时。之后，将所获得的键合片中的硅片研磨或抛光到200μm的厚度。用绿色激光（SHG-YAG激光：λ=515nm）照射在键合步骤中键合的键合表面部分与未键合表面部分之间的边界，以竖直切割未键合部分。然后，将硅片研磨或抛光到20μm的厚度，以获得透明SOI片。
在所获得的透明SOI片的周缘没有观察到破损。即使在500℃将该透明SOI片热处理6小时之后，也没有观察到破损。
实例2
将直径为150mm并且厚度为625μm的硅片和与该硅片相同尺寸的石英片键合在一起，并且在200℃热处理24小时。之后，用绿色激光（SHG-YAG激光：λ=515nm）照射在键合步骤中键合的键合表面部分与未键合表面部分之间的边界，以竖直切割未键合部分。将切割后的键合片中的硅片研磨或抛光到20μm的厚度，以获得透明SOI片。
在所获得的透明SOI片的周缘没有观察到破损。即使在500℃将该透明SOI片热处理6小时之后，也没有观察到破损。
比较例
将直径为150mm并且厚度为625μm的硅片和与该硅片相同尺寸的石英片键合在一起，并且在200℃热处理24小时。之后，将所获得的键合片中的硅片研磨或抛光到20μm的厚度，以获得透明SOI片。
在所获得的透明SOI片的周缘观察到破损。
实例3
以与实例1相同的方式形成透明SOI片，只是将蓝宝石片用作透明处理片。
图4示出所获得的透明SOI片的周缘的放大照片。如图4中所示，在硅膜“a”与蓝宝石片“b”之间的边界（周缘）没有观察到破损。即使在500℃将该透明SOI片热处理6小时之后，也没有观察到破损。
比较例2
以与比较例1相同的方式形成透明SOI片，只是将蓝宝石片用作透明处理片。
图5示出所获得的透明SOI片的周缘的放大照片。如图5中所示，在硅膜a和蓝宝石片b之间的边界（周缘）观察到破损。
实例4
对直径为150mm并且厚度为625μm的硅片的表面和与该硅片相同尺寸的石英片的表面进行等离子体处理，作为表面活化处理。将该硅片和该蓝宝石片的等离子体处理后的表面键合在一起，并且在150℃热处理24小时。之后，将所获得的键合片中的硅片研磨或抛光到200μm的厚度。用绿色激光（SHG-YAG激光：λ=515nm）照射在键合步骤中键合的键合表面部分与未键合表面部分之间的边界，以竖直切割未键合部分。然后，将硅片研磨或抛光到20μm的厚度，以获得透明SOI片。
在所获得的透明SOI片的周缘没有观察到破损。即使在500℃将该透明SOI片热处理6小时之后，也没有观察到破损。
附图标记说明
11：透明处理片；11s：表面；12：硅片；12s：表面；12B、22B：硅膜；13：键合片；14、24：键合表面部分；15、25：未键合部分；15a、25a：未键合表面部分；16、26：边界；17、27：键合片；18、28：透明SOI片；101：处理片；102：供体片；102a：供体片周缘的截面；102b：破损；C:中心；θ：角度；α：角度；H1,H2：热处理；L：可见光激光；a：硅膜；b：蓝宝石片。

Claims (9)

1.一种生产透明SOI片的方法，该方法包括以下步骤：
将用作供体片的硅片的表面与透明的处理片的表面键合在一起以获得键合片，其中在键合之前所述硅片的周缘部分被倒角，或者在键合之前所述硅片的直径比所述透明处理片的直径大；
在150至300℃的第一温度对所述键合片进行热处理，作为第一热处理；
通过从被热处理后的键合片的硅片侧向键合的表面和未键合的周围表面之间的边界照射可见光激光直至该可见光激光到达所述透明处理片，同时在所述激光的入射光和所述硅片的径向方向之间保持60至90°的角度来切割所述键合片的未键合部分；
对所述未键合的部分被切割后的所述键合片的硅片进行研磨、抛光或蚀刻以形成硅膜；以及
在比所述第一温度高的300至500℃的第二温度对形成有所述硅膜的所述键合片进行热处理，作为第二热处理。
2.根据权利要求1所述的生产透明SOI片的方法，其中所述第二温度比所述第一温度高150至250℃。
3.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，
进一步包括，在所述键合步骤之后并且在所述切割步骤之前，将所述键合片中的硅片研磨、抛光或蚀刻到具有100μm以上的厚度的步骤，并且
其中在所述切割步骤之后进行的所述研磨、抛光或蚀刻步骤中形成的硅膜具有20μm以下的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，其中所述可见光激光为SHG-YAG激光。
5.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，其中所述透明处理片为石英、玻璃或蓝宝石。
6.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，其中：
当所述透明处理片是石英或玻璃时，所述第一温度为150至300℃，并且所述第二温度为350至500℃；并且
当所述透明处理片是蓝宝石时，所述第一温度为150至250℃，并且所述第二温度为300至500℃。
7.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，进一步包括，在所述键合步骤之前，对所述硅片的表面和所述透明处理片的表面之一或二者进行表面活化处理的步骤。
8.根据权利要求7所述的生产透明SOI片的方法，其中所述表面活化处理是从包括臭氧水处理、UV臭氧处理、离子束处理和等离子体处理的组中选择的至少一种处理。
9.根据权利要求1或2所述的生产透明SOI片的方法，其中用作所述供体片的硅片是其上具有氧化膜的硅片。
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