CN1149645C - 多孔区的去除方法和半导体衬底的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种多孔区的去除方法和半导体衬底的制造方法。该去除方法可保证去除多孔层后的底层平整度,包括:第一步,把预处理液(如水)注入多孔层;第二步,用腐蚀剂(如氢氟酸)代替填充多孔层的预处理液,并用腐蚀剂腐蚀多孔层。通过这种方法,可以缩短将腐蚀剂注入多孔层的方法,从而减小了腐蚀进展的差别。
Description
技术领域
本发明涉及多孔区的去除方法和半导体衬底的制造方法,更具体地,涉及从具有多孔区的衬底上去除多孔区的方法、应用该方法的半导体衬底制造方法以及去除多孔区的设备。
背景技术
已存在以下SOI衬底的制造方法,先在第一衬底上形成多孔层和单晶硅层,将第一衬底与独立地制备的第二衬底粘合起来,然后在多孔硅层将粘合的叠层衬底分成两个衬底,以使得在第一衬底的侧面上形成的单晶硅层被转移到第二衬底上。
在该方法中,在粘合的叠层衬底被分成两个衬底后,除去第二衬底表面上的残余多孔硅层。在除去多孔硅时,最好不要使下面的第二衬底表面的平整度,更具体地,作为第二衬底表面层的单晶硅层的膜厚均匀性受到妨害。
发明内容
本发明的提出考虑了上述情况,其目的在于提供能够保证底层平整度的多孔区去除方法和利用该方法的半导体衬底制造方法。
根据本发明,提供一种多孔区的去除方法,该方法用于从具有多孔区的衬底上去除多孔区,包括如下步骤:第一步,把对多孔材料无腐蚀作用或腐蚀作用弱的第一处理液注入多孔区;以及第二步,在多孔区已注有第一处理液的条件下,用第二处理液取代注入多孔区的第一处理液,并用第二处理液腐蚀多孔区,该第二处理液对多孔材料的腐蚀作用比第一处理液强,其中:在执行第二步的全部时间的至少一部分时间内对衬底施加超声波。
在多孔区去除方法中,优选地,要处理的衬底主要由单晶硅组成。
在多孔区去除方法中,优选地,多孔区主要由硅组成。
在多孔区去除方法中,优选地,多孔区是通过对由单晶硅组成的衬底进行阳极化处理得到的。
在多孔区去除方法中,优选地,第一处理液使多孔区从化学的角度上发生变化,而第二处理液不仅对多孔材料有腐蚀作用而且对从化学的角度上发生变化的物质有腐蚀作用。
在多孔区去除方法中,优选地,第一处理液对多孔区的孔壁有氧化作用。
在多孔区去除方法中,优选地,第一处理液是水。
在多孔区去除方法中,优选地,第一处理液包含从包括乙醇、过氧化氢、硝酸和盐酸的组中选出的一种材料。
在多孔区去除方法中,优选地,第二处理液包含氢氟酸。
在多孔区去除方法中,优选地,第二处理液是从包括下列物质的组中选出的材料:(a)向氢氟酸中加入乙醇或过氧化氢的至少二者之一得到的混和溶液;(b)氢氟酸和硝酸的混合溶液;以及(c)氢氟酸、硝酸和乙酸的混合溶液。
在多孔区去除方法中,优选地,在执行第一和第二步的全部时间的至少一部分时间内对衬底施加超声波。
在多孔区去除方法中,优选地,第一步包括对衬底施加超声波。
在多孔区去除方法中,优选地,在执行第二步的全部时间内,至少在用第二处理液取代填充多孔区的第一处理液的时间内对衬底施加超声波。
在多孔区去除方法中,优选地,第二步包括如下步骤:在不对衬底施加超声波的情况下腐蚀多孔区直至其孔壁不厚于预定厚度,以及在对衬底施加超声波的同时腐蚀衬底上的残余多孔区,由此去除多孔层。
在多孔区去除方法中,优选地,第二步包括如下:在对衬底施加超声波的同时用第二处理液取代填充多孔区的第一处理液;在不对衬底施加超声波的情况下腐蚀多孔区直至其孔壁不厚于预定厚度;以及在对衬底施加超声波的同时腐蚀衬底上的残余多孔区,由此去除多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,在第二步之后还包括第三步,去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括用腐蚀剂去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括在对衬底施加超声波的同时用腐蚀剂去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,在执行第二步时和第三步时把要被处理的衬底浸入同一腐蚀剂中。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括用对多孔材料的腐蚀速度高于第一和第二处理液的第三处理液去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括用高压流体去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括用抛光法去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,第三步包括用擦洗法去除衬底上的残余多孔区。
在多孔区去除方法中,优选地,在对衬底施加超声法的同时进行衬底处理时,改变衬底和超声波源的相对位置关系。
在多孔区去除方法中,优选地,在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,衬底在处理液中摆动。
在多孔区去除方法中,优选地,在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,衬底和超声波源中的至少一个的位置在基本平行于或垂直于超声波振动面的方向上变化。
在多孔区去除方法中,优选地,第一步和/或第二步包括改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
在多孔区去除方法中,优选地,从第一步到第三步的全部或部分步骤包括改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
在多孔区去除方法中,优选地,第一步和/或第二步包括使处理液循环以在衬底附近造成处理液的流动。
在多孔区去除方法中,优选地,从第一步到第三步的全部或部分步骤中包括使处理液循环以在衬底附近造成处理液的流动。
在多孔区去除方法中,优选地,通过启动或停止超声波源控制对衬底的超声波供应。
在多孔区去除方法中,优选地,通过在超声波源和衬底之间插入超声波屏蔽板控制对衬底的超声波供应。
根据本发明,还提供一种半导体衬底的制造方法,其特征在于包括下列步骤:在第一衬底上形成多孔层和至少一层无孔层;把第二衬底粘合在第一衬底的无孔区上;从粘合的层叠衬底上去除第一衬底,使在第二衬底表面上的多孔层暴露出来;以及用上述多孔区去除方法去除第二衬底上的多孔层。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,使多孔层暴露的步骤包括从粘合的第一衬底的下表面一侧研磨、抛光或腐蚀第一衬底,以使在第二衬底表面上的多孔层暴露出来。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,使多孔层暴露的步骤包括沿多孔层将粘合的层叠衬底分开,以使在第二衬底表面上的多孔层暴露出来。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,无孔层由单晶硅层组成。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,无孔层包括单晶硅层和氧化硅层。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,单晶硅层是在第一衬底的多孔层上外延生长的层。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,无孔层包括单晶化合物半导体层。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,第二衬底主要由硅组成。
在半导体衬底的制造方法中,优选地,第二衬底在其与第一衬底粘合的表面上具有氧化硅层。
在半导体衬底的制造方法中,优选地第二衬底是透明衬底。
根据本发明,还提供一种用于从具有多孔区的衬底上去除多孔区的多孔区去除设备,其特征在于包括:执行第一步即把对多孔材料无腐蚀作用或腐蚀作用弱的第一处理液注入多孔区的装置;和执行第二步即用对多孔材料有腐蚀作用的第二处理液取代填充多孔材料的第一处理液以腐蚀多孔区的装置。
在如下的结合附图的详述中,本发明的目的、特征和优点将更加明晰。
附图说明
图1A~1D是解释根据本发明的一个优选实施方案的多孔后去除方法的原理图;
图2A~2C示出根据多孔层去除方法的第一应用例的制造方法;
图3A~3F示出根据本发明另一优选实施方案的半导体衬底制造方法;
图4是示出晶片处理设备的第一装置的立体图;
图5是示出晶片处理设备的第二装置的立体图;
图6是示出晶片处理设备的第三装置的立体图;
图7A~7E示出图6所示晶片处理设备的操作;
图8是图6所示晶片处理设备的摆动支承部件的立体图;
图9是示出晶片处理设备的第四装置的立体图;
图10是示出晶片处理设备的第五装置的立体图;
图11A和11B示出图6或图8所示晶片处理设备的变形;
图12A~12C示出晶片处理设备的第七装置;
图13也示出晶片处理设备的第七装置。
具体实施方式
本发明适用于制造SOI衬底的方法:先在第一衬底上形成多孔层和单晶硅层,将第一衬底和分离准备的第二衬底粘合起来,然后在多孔硅层将粘合的层叠衬层分成两个衬底,以使得第一衬底上形成的单晶硅层被转移到第二衬底上,再除去第二衬底表面上的残余多孔层,由此得到SOI结构。
单晶硅衬底可以用作第一衬底。这时,多孔层就是多孔硅层。在多孔硅层上,可以外延生长作为无孔层的单晶硅层。在单晶硅层上可以形成绝缘层如SiO2层。
在本实施方案中,在第一衬底上顺序形成多孔层和无孔层,并将第一衬底与独立制备的第二衬底粘合起来形成粘合的层叠衬底。在把该粘合层叠衬底在多孔层分离成两个衬底之后,用例如湿蚀刻法去除残留在第二衬底上的多孔层。
更具体地,在本实施方案中,为了在衬底分离后去除第二衬底上的残留的多孔层,向多孔层的孔中注入不腐蚀孔材料的溶液或对孔材料腐蚀速度低的溶液(下文称作预处理液)。在多孔层的孔被预处理液的孔有效地充满后,用对孔材料有腐蚀作用的腐蚀剂代替预处理液,用该腐蚀剂蚀掉多孔层的孔壁。
根据本方法,将腐蚀剂注入到多孔层的每个孔最深部位的时间(下文称作注液时间)可被缩短,因此,孔的注液时间可基本上相同。由此,可以减小第二衬底的表面尺寸差或去除多孔层后衬底之间的尺寸差,所以可以制造其表层膜厚高度均匀的高质量衬底(如SOI衬底)。
如果在不注入预处理液的情况下向多孔层的孔中注入腐蚀液,则孔中的空气要被腐蚀液取代,这需要很长的注液时间。从而孔的注液时间差别很大,每个孔的腐蚀进展也差别很大,这种差别会降低批量生产率。
在本实施方案中,预处理液优选地采用水。当水用作预处理液时,处理液对取代它的腐蚀液的影响小,可以减少腐蚀液的降解。
当多孔材料是Si时,不仅可以用水,也可以采用具有氧化作用的溶液,如过氧化氢、硝酸或盐酸等,腐蚀剂可以采用氢氟酸(fluoric acid)。
图1A~1D是解释根据本发明的一个优选实施方案的多孔层去除方法原理的图。其中,标号201,下面的衬底(第二衬底);202,多孔层;203,预处理液;204,腐蚀剂。
在图1A中,预处理液203向多孔层202的孔的最深部分注入。此时,优选对被处理的物体(即粘合层叠衬底)施加超声波。施加超声波时,预处理液注入孔中的速度加快。
如图1B所示,当预处理液203液入到多孔层202的每个孔的最深处时,用腐蚀液取代预处理液。在本说明书中,“取代”包括下述情况,即腐蚀剂(如氢氟酸)204的离子(如氟或氢离子)向预处理液(如水)203中扩散以用腐蚀剂204填充孔。在执行该步骤时,优选地对被处理的物体施加超声波。通过施加超声波,预处理液203可以很快地被腐蚀剂204取代。
如上所述,当多孔层202的孔被注入预处理液203然后预处理液203又被腐蚀液204取代时,腐蚀剂可以地充满多孔层202的孔。因此,可减小注液时间不同造成的腐蚀差别。
在图1C中,因腐蚀作用多孔层202的孔长大。此时,优选地,停止超声波的供应或减弱超声波的能量,其原因如下。
一旦孔壁到达某一预定厚度,多孔层就开始断裂。由于多孔层在薄的部位先断,在这些部位就会腐蚀下面的衬底201。这时,很明显会降低衬底201的平整度。如果该底层是一层膜,就会损害表面或衬底之间的膜厚均匀性。然而,如上所述,如果在多孔层202的孔在长大时停止施加超声波,孔只有在变得比不停止施加超声波时薄得多的时候才会断裂。因此,这时可以防止某些部位的速度腐蚀。
即使在不对被处理物体施加超声波时,腐蚀也是不仅在水平方向(平扳方向)上还在垂直方向上进行。然而,与施加超声波的情况相比,这时对蚀刻的影响可以忽略不计。
在图1D中,具有薄孔壁的多孔层202被除去。在这一步中不仅可使用蚀刻法,还可采用抛光、擦洗或喷水法。在这一步中,具有腐蚀造成的脆弱结构的多孔层被一次去除。
在图1D的步骤中进行腐蚀时,从图1B到图1D的步骤都可在同一腐蚀池中进行。这时,在图1C所示的步骤中超声波的施加被中断,等到多孔层的孔最深处的孔壁薄到可以在全部区域上立即断裂的时候,再重新施加超声波,执行图1D的步骤(在施加超声波的时候进行腐蚀)。利用这种工艺,多孔层可以被立即、几乎同时地去除,被处理物的整个区域上的下层衬底202就暴露出来。因此,可以减小腐蚀时的差别,下层衬底201可以保持高的平整度。
上述多孔层去除方法可以很容易地应用到大量的衬底的批量处理中。对于大量被处理的每一个,在如图1C所示的步骤中,当多孔层中深处的孔壁减薄到可以在整个区域上立即断裂时,就执行图1D所示的步骤。
在优选地,被处理的全部浸入腐蚀剂时采用该多孔层去除方法。这时,可防止在腐蚀剂和空气界面附近的颗粒粘到被处理物上。
根据该多孔层去除方法,通过施加超声波可以加速多孔层的断裂,还可以有效地从被处理物表面去除颗粒。
在去除多孔层时,如果改变超声波源(如超声波振荡器)和被处理物的相对位置关系,更具体地,改变衬底和超声波振荡的表面与腐蚀剂液面之间的驻波的相对位置,可以在整个衬底表面上进行加工。为实现这一点,例如可以使衬底旋转、摆动,或者摆动支承该衬底的托扳,或移动超声波源。
下面描述该多孔层去除方法的应用例。
(第一应用例)
第一应用例与制造方法有关。图2A~2C示出该应用例的制造方法。在图2A中,制备局部位置有多孔硅部分402的硅衬底401。硅衬底401可由如下方法制备,如在硅衬底上形成光致抗蚀膜,用平版印制法在光致抗蚀膜上制作图形并对得到的结构进行阳极化处理。可用已制作图形的Si3N4膜或蜡代替光致抗蚀膜,此处的蜡可采用抗氢氟酸的蜡如Apizoen蜡(商品名)。
在图2C中,去除多孔硅部分402,更具体地说,将图2B所示的衬底放进盛有预处理液(如纯水)处理池中以向多孔硅部分402的孔中注入预处理注。此时,优选地对衬底施加超声波以缩短注液时间。
接着,将多孔硅部分402的孔已注入预处理液的衬底处理盛有腐蚀剂(如氢氟酸)的腐蚀池中。多孔硅部件402的孔中的预处理液被腐蚀液取代以腐蚀多孔硅部分402的孔壁。为了加速腐蚀,优选地对衬底施加超声波。另一方面,为了减小腐蚀过程中的差别,在预处理液被腐蚀剂取代之后优选地停止施加超声波。
在该腐蚀过程中,多孔硅部分402的孔壁逐渐变薄。从表面上看(图的下部)多孔硅部分402的颜色逐渐变浅。当孔壁足够薄时,可透过多孔硅部分402看到下面的无孔层(图形)403。
在这种状态下,去除残余的多孔硅部分。为了去除多孔硅部分,例如可以:1)重新施加超声波进行腐蚀,或2)用对硅腐蚀快的腐蚀剂进行腐蚀。
如果剩下的结构坚硬,可喷射水流去除多孔硅部分。
如果整个硅衬底401由多孔硅构成,就会只剩下衬底上形成的无孔层,而且,如上所述,当制作无孔层403的图形时,可以形成包括如图2C所示的悬臂梁形状的各种结构。
(第二应用例)
第二应用例与半导体衬底的制造方法有关。图3A~3F示出该应用例如半导体衬底制造方法。在图3A中,制备第一单晶硅衬底501,在其一个表面上形成多孔硅层502。在图3B中,在多孔硅层502上形成至少一层无孔层503。作为无孔层503,可以是单晶硅层、多晶硅层、非晶硅层、金属层、化合物半导体层或超导层。作为无孔层503,可以形成一包含如MOSFET的器件结构的层。优选地,在表层形成SiO2层504,从而完成第一衬底。SiO2层504是有用的,因为当第一衬底粘合到第二衬底505上时,粘合面的界面状态可从活性层上分离。
接着,如图3D所示,在室温下通过SiO2层504将图3C所示的第一衬底与分离准备的第二衬底505相接触。此后,进行阳极粘合、加压、热处理(如果需要)或其组合将衬底紧密地粘合。
当在无孔层503上形成单晶硅层时,最好是在单晶硅层表面用例如热氧化方法形成SiO2层504后把第一衬底与第二衬底505粘合。
作为第一衬底时,合适的是硅衬底、在硅衬底形成SiO2层得到的衬底以及包括石英玻璃、石英、蓝宝石衬底的透明衬底。只要第二衬底505具有对粘合来说足够平整的表面,也可采用任何其它的衬底。
图3D示出第一衬底和第二衬底通过SiO2层504相粘合的状态。如果无孔层503或第二衬底不包含硅,就没必要形成SiO2层504。
在粘合时,可以在第一衬底和第二衬底之间夹入绝缘薄片。
在图3E中,第一硅衬底501在多孔硅层502处从第二衬底上移去。为了移去第一衬底,用研磨、抛光或腐蚀法作第一衬底,或者将粘合层叠衬底在多孔硅层502分离成第一衬底和第二衬底。
在图3F中,除去第二衬底表面上残余的多孔硅层502。更具体地,将图3E所示的第二衬底侧放入盛有预处理液的处理池中以向多孔层502的孔中注入预处理液。此时,为了缩短注液时间,优选地,施加超声波。作为预处理液,不仅可以用纯水,也可以用包含具有氧化作用的过氧化氢、硝酸或盐酸的溶液。
接着,将多孔硅层502的孔已注入预处理液的衬底放进盛有腐蚀剂的腐蚀池中,多孔硅层502的孔中的预处理液被腐蚀液取代以腐蚀多孔硅层502的孔壁。为了加快腐蚀,优选地对衬底施加超声波。另一方面,作为腐蚀剂,可采用氢氟酸。为减小腐蚀过程中的差别,在预处理液被腐蚀剂取代之后优选地停止施加超声波。
在该腐蚀过程中,多孔硅层502的孔壁逐渐变薄。从表面上看,多孔硅层502的颜色逐渐变浅。当孔壁足够薄时,可透过多孔硅层502看到下面的无孔层(如单晶硅层)503。
在这种状态下去除残余的多孔硅层502。为了去除多孔硅层,例如可以1)重新施加超声波进行腐蚀,2)用对硅腐蚀快的腐蚀剂进行腐蚀,3)用喷射水流去除多孔硅层502,4)抛光去除多孔硅层502,或5)磨去。
图3F示意地示出由上述方法得到的半导体衬底(SOI衬底)。通过绝缘层(如SiO2层)504在第二衬底505上形成表面平整、膜厚均匀的无孔层(如单晶硅层)503。根据该方法,可以制造高质量的大面积半导体衬底。
当绝缘衬底用作第二衬底505时,由上述制造方法得到的半导体衬底对于形成绝缘电子器件非常有用。
当图3D所示的粘合层叠衬底在多孔硅层502被分开时,将残余在第二衬底501表面的多孔硅层502去除后,第一衬底还可再利用,如果需要就对表面平整处理。
下面将列举适于去除多孔层的晶片处理设备的特选例。
下面描述的晶片处理设备可用于预处理步骤,即向多孔层的孔中注入预处理液,也可用于主步骤,即用腐蚀液取代预处理液以进行腐蚀。通过更换处理液,就可用一台晶片处理设备执行预处理和主步骤。也可以用分别独立地准备的晶片处理设备执行预处理和主步骤。
(加工设备的第一装置)
图4是适于去除多孔层的晶片处理设备的示意装置图。
在晶片处理设备100中,可能与处理液接触的构件根据其用途优选地由石英玻璃或塑料构成。作为塑料,可以采用氟化塑料、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇脂(PBT)或聚醚醚酮(PEEK)。作为氟化塑料,PVDF、PFA或PTFE是合适的。
晶片处理设备100包括:晶片处理池110、溢液池120、超声波池130和在旋转时支承晶片140的晶片旋转机构(111~119)。
在处理晶片之前,向晶片处理池110中注入处理液(预处理液或腐蚀剂)。在晶片处理池110的上部围绕其设置了溢液池120,用来暂时贮存从晶片处理池110中溢出的处理液。在溢液池120中临时贮存的处理液通过排液管121a从溢液池120的底部排到循环器121中。循环器121将排出的处理液过滤以去除颗粒并通过进液管121b将处理液送进晶片处理池110的底部。通过这种设置,可有效地去除晶片处理池110中的颗粒。
晶片处理池110的深度最好能使晶片140完全浸入。通过这种设置,可防止空气或液面附近的颗粒粘附到晶片140上。
超声波池130位于晶片处理池110的下面。在超声波池130中,调节机构130支承着超声波源131。如调节超声波源131和晶片处理池110的相对位置关系的机构一样,具有用来调节超声波源131的垂直位置和水平位置的机构,通过这种机构,超声波可以满意地施加到晶片处理池110,更具体地,到晶片140。优选地,超声波源131具有调节所产生的超声波的频率和强度的功能。通过这种设置,所提供的超声波更加优化。通过增加向晶片140优化供应超声波的功能,可以一个一个地向多种晶片供应超声波。超声波池130充满超声波传播媒质(如水),所以超声波可以通过超声波传播媒质传到晶片处理池110。
晶片处理设备100具有开/关控制超声波源131的控制部分,通过该控制部分,可以控制多孔层的去除加工。
用四个晶片旋转杆111将晶片140支承在与晶片处理池110的底面基本垂直的位置,每个晶片旋转杆111上都有槽111a以嵌住晶片140。当晶片旋转杆110旋转时具有支承晶片140的功能,构成基片旋转机构的一部分。各晶片旋转杆111被相对的两个杆支承部件118枢轴地支承,因此通过接收马达119产生的一个驱动转矩晶片旋转杆111沿同一方向旋转。优选地,每个晶片旋转杆111的直径应小到不阻碍超声波的传播。
晶片旋转杆111的个数优选地为尽可能少。为了确保晶片140得到所期望的磨擦力,优选地,提供两个用来限制晶片140旋转方向(即X-轴方向)的晶片旋转111,和两个从下面支承晶片140的晶片旋转杆111。当在晶片下面以合适的间隔设置两个晶片旋转杆时,驱动转矩可以有效地传递到具有定向平扳的基片。如果在晶片下只设置一个晶片旋转杆111,定向平板就位于晶片旋转杆111的上面,晶片旋转杆111不能转动晶片。
通常在晶片处理池110底和液面之间形成驻波,即具有高强度部位和低强度部位的超声波。然而,由于该晶片处理设备100是在旋转晶片140时对其进行处理,可以减小因驻波造成的加工不均匀性。
在晶片处理设备100中,晶片处理设备100的底部和晶片140的周围的部件尽可能地少,因此,超声波可有效且均匀地供应给晶片140。而且,在这种装置中,由于处理液可围绕晶片140自由流动,晶片加工均匀,且可防止加工缺陷。
(晶片处理设备第二装置)
图5示意示出适合去除多孔层的晶片处理设备的装置。
在晶片处理设备10中,可能与处理液接触地构件根据其用途优选地用石英玻璃或塑料构成。作为塑料,可采用氟化塑料、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇脂(PBT)或聚醚醚酮(PEEK)。作为氟化塑料,PVDF、PFA或PTFE是合适的。
晶片处理设备10包括:晶片处理池11和在晶片处理池11中用来摆动晶片夹具121的夹持驱动机构31。优选地,晶片处理设备10具有超声波池61。
在处理晶片之前,向晶片处理池11中注入处理液(预处理液或腐蚀剂)。晶片处理池11具有四缘溢液池12。处理液通过具有过滤器的循环器71从晶片处理池11的底部注入。从晶片处理池11溢出的处理液贮存在四缘溢液池12的底部排出。在该晶片处理设备10中,夹具驱动机构31摆动晶片夹具21,同时搅动处理液。因此,具备四缘溢液池12的循环系统对于保持处理液的液面恒定非常有用。
作为晶片夹具21,可采用工业上可得到的产品。优选地,晶片夹具21由石英玻璃或塑料构成。作为塑料,可采用氟化塑料、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PBT或PEEK。作为氟化塑料,PVDF、PFA或PTFE是合适的。
夹具驱动机构31有一对用来夹持晶片夹具21的夹持部分31a。晶片夹具21被两个夹持部分31a夹住并浸入晶片处理池11。当在晶片处理池11中摆动晶片夹具21时可以对晶片40进行所期望的加工。夹持驱动机构31可以把夹持在上一步骤已被处理的晶片40的晶片夹具21传递到晶片处理池11或下一步骤中。而且夹具驱动机构31还是晶片处理设备10的一部分。
在本实施方案中,夹持部分31a夹住晶片夹具21,使得晶片40被间接夹住。然而,可以用如卡盘垫代替夹持部分31a,直接夹住晶片40。晶片40夹持方向不限于垂直于晶片处理池11底面的方向,也可与底面平行。
超声波池61具有超声波源51并充满超声波传播介质(如水)。超声波源51固定在用来调节超声波源51的垂直和/或水平位置的调节机构62上。当通过调节机构62调节超声波源51和晶片处理池11之间的位置关系时,可以优化供应到晶片处理池11,更具体地到晶片40的超声波。优选地,超声波源51具有调节所产生的超声波的频率和强度的功能。通过这种装置可进一步优化超声波的供应。通过增加优化超声波向晶片40供应的功能,可以一个一个地向多种晶片供应超声波。
晶片处理设备10具有对超声波源51开/关控制的控制部分。通过该控制部分可控制多孔层的去除加工。
(晶片处理设备的第三装置)
图6是适于去除多孔层的晶片处理设备的示意装置图。图7A~7E示出图6所示晶片处理设备的动作。图8是图6所示晶片处理设备中的摆动支承部件的立体图。
为了提高夹具驱动机构31摆动晶片40的效率,晶片处理池11在其底面上优选地具有摆动支承部件13。当晶片夹具21移动时,摆动支承部件13与晶片夹具21所夹持的晶片40侧面接触,通过摩擦力使晶片40滚动并上下移动、摆动支承部件13有助于提高被处理晶片的表面均匀性。
如果采用一个驱动机构使摆动支承部件13垂直(Y轴方向)和/或水平(X轴方向)移动,也是有效的。这种情况下,移去摆动支承部件13以转动晶片40并使晶片40在晶片夹具21内上下移动。因此,夹具驱动机构31使晶片夹具21移动的范围就很小,换言之,晶片处理池11变得结构紧凑。
超声波池61具有超声波源51且充满超声波传播媒质(如水)。超声波源51固定在调节机构62上以调节超声波源51的垂直和/或水平位置,当用调节机构62调节超声波源51和晶片处理池11之间的相对位置时,可以优化供应给晶片处理池11,更具体地说是晶片40的超声波。优选地,超声波源51具有调节所产生的超声波的频率和强度的功能。通过这种装置,可进一步优化超声波的供应。通过增加优化向晶片40供应超声波的功能,可以一个一个地向多种晶片供应超声波。
晶片处理设备10具有对超声波源51进行开/关控制的控制部分。利用该控制部分可以控制多孔层的去除加工。
图7A~7E用于解释晶片摆动方法。在这些图中,箭头表示晶片夹具21的移动方向。图7A示出晶片即将开始摆动时的状态。当得到摆动动作开始的指令时,如图7B所示,在微机控制下夹具摆动机构31向下按压夹持部分31a。晶片40的侧面在该按压的中途与摆动支承部件13接触。晶片40在下部被摆动支承部件13支承。
当摆动支承部件13与晶片40接触时,无论量多少总会产生一些微粒。为防止这一点,摆动支承部件13的端部优选地加工成图8所示的圆形,与晶片40平滑接触。
由于摆动支承部件13只需支承晶片40的摆动,故其形状可以不阻碍超声波的传播,如为薄板状。通过这种设置,超声波可以被均匀地提供给晶片40,可以对晶片40进行均匀的处理。
在晶片处理设备10中,当改变晶片40和摆动支承部件13的相对位置即晶片40和晶片处理池11的相对位置时,对晶片40进行处理。所以,摆动支承部件13造成的超声波的轻微不均匀性不是什么问题。
当晶片夹具21的按压量大到一定程度时,晶片40和摆动支承部件13之间的接触压力会增加。由此,可消除摆动支承部件13和晶片40之间的滑动以防止动作失误。如果按压量小,晶片40的重量更多地落在晶片夹具21上而不是摆动支承部件13的端部上。如果摆动支承部件13具有本实施方案所采用的形状,在晶片40和摆动支承部件13接触后,按压量优选地设备为约30mm。
当按压晶片夹具21的操作结束时,如图7C所示,在微机控制下夹具驱动机构31将夹持部分31a右移(X轴正方向)。当正时针旋转时,晶片40在晶片处理池11中基本上水平右移(X轴正方向)。夹持部分31a的按压量必须设置在使夹持部分31a不与晶片夹具21的下部开口部分相碰的范围内。
当晶片夹具21的右移(X轴正方向)运动结束时,如图7D所示,在微机控制下夹具驱动机构31使夹持部分31a上移。夹持部分31a的移动是优选地设置为使晶片40不接近处理液的液面的范围内。如果晶片40接近液面41,微粒会粘在晶片40的表面上。
当晶片夹具21的上移运动结束后,在微机控制下夹具驱动机构31使夹持部分31a左移(X轴负方向),如图7E所示,然后恢复起始状态(图7A)。
通过重复上述操作(图7A→7B→7C→7D→7E),晶片40可被恰当地摆动和均匀的加工。
根据晶片处理设备10,在通过调节超声波池61使超声波供应优化的区域内摆动晶片40,可以优化作用在晶片40上的超声波。
众所周知,超声波的驻波在预定间隔上有波节和反波节。因此,难以使晶片处理池11中的超声波均匀化。
然而在该晶片处理设备10中,由于夹具驱动机构31摆动晶片40,尽管超声波的强度分布不均匀,晶片40也可被均匀地处理。即使晶片40仅仅简单地在水平方向、垂直方向或倾斜方向移动,晶片40也可被均匀地加工。当晶片40也在轴向(Z轴方向)摆动时,水平面上超声波的高强部分造成的晶片间的加工不均匀性也可被纠正。
由于晶片处理设备10具有摆动支承部件13,晶片40的摆动量可被有效地增加。摆动支承部件13的固定位置不限于晶片处理池11的底部。只要摆动支承部件13可接触到晶片夹具21内的所有晶片40,摆动支承部件13可固定在晶片处理池11的内壁上或夹具驱动机构31上(这时,需要有改变夹持部分31a和摆动支承部件13之间相对位置的机构)。
而且,根据晶片处理设备10,由于在晶片处理池11中没有驱动机构,没有驱动机构的动作产生的微粒。
(晶片处理设备的第四装置)
图9示意示出适合去除多孔层的晶片处理设备的装置。
在晶片处理设备300中,晶片40被夹持在与晶片处理池11底面基本平行的位置(即与超声波的振动面基本平行),并完全浸入晶片处理池11的处理液(预处理液或腐蚀剂),在此状态下,由晶片移动机构80摆动晶片,实现对晶片40的均匀处理并可防止微粒的污染。
晶片移动机构80用臂81夹持晶片40,并在晶片处理池11中摆动晶片40。优选地,在横穿超声波振动面的方向(即垂直方向)上和平行于超声波振动面的方向(即水平方向)上摆动晶片40。
而且在该晶片处理设备300中,优选地,晶片40完全浸入处理液进行处理。在这种情况下,可防止在处理液与气体界面附近微粒粘附在晶片40上。
根据晶片处理设备300,通过在晶片处理池11中摆动晶片40可以实现对其均匀加工。
(晶片处理设备的第五装置)
图10示意示出适合去除多孔层的晶片处理设备的装置。在晶片处理设备的第二到第四装置中,晶片在摆动时进行加工。而在晶片处理设备500中,是提高处理液(预处理液或腐蚀剂)的流速而不是摆动晶片。
在晶片处理设备500中,用于支承晶片夹具21的支承部分73设置在晶片处理池11的下部。由循环器71供应的处理液从支承部分73下面的喷口72高速喷出。支承部分73有多个开口部分,喷口72喷出的处理液经开口部分向上移动。
当处理液高速循环时,晶片40可被均匀地处理。
在如图5所示的晶片处理设备10中安装上述循环机构(71~73),也是有效的。
(晶片处理设备的第六装置)
在上述晶片处理设备中,通过开关控制超声波源实现超声波的供应或不供应。另外,如果需要也可在超声波源和晶片之间插入用于屏蔽超声波的机构。
下面描述图5或图6的晶片处理设备的变形。图11A和11B示出图5或图6所示晶片处理设备的变形。在图11A和11B中,溢液池和循环器被省略了。
如果需要,该晶片处理设备的变形在超声波源51和晶片处理池11的底面之间设有屏蔽超声波的保护门91和92。如图11A所示,为了把超声波传到晶片处理池11,驱动部分(未图示)打开保护门91和92。为于屏蔽超声波使其不进入晶片处理池11,如图11B所示,驱动部分(未图示)关闭保护门91和92。作为保护门91和92的材料,几乎不传播超声波的材料如PFA或PTFE是合适的。
(晶片设置设备的第七装置)
图12A~12C示意示出适合去除多孔层的晶片处理设备的装置,图12A是前视图,图12B是侧视图,图12C是平面图。
在晶片处理设备700中,由喷射嘴700喷射流体束701(如水),用该喷射流体去除晶片40的多孔层。
在图12A~12C示出的实例中,当喷射嘴700的喷射流体垂直于晶片400时,喷射嘴700在正轴方向上扫描,由此去除整个表面上的多孔层40a。
(晶片处理设备的第八装置)
图13示意示出适合去除多孔层的晶片处理设备的装置。该晶片处理设备包括用于预处理的晶片处理设置100a、用于主处理的晶片处理设备100b以及用于传递被加工衬底的传递机构800。例如,图4所示的晶片处理设备100就可用作用于预处理的晶片处理设备100a和用于主处理的晶片处理设备100b。
传递机构800具有沿水平轴804水平移动和沿垂直轴803垂直移动的传送机械手802。传送机械手802具有多个衬底夹持机构801,每个夹持机构801具有用来卡住和夹持住被加工衬底下表面的卡盘部分。
在该晶片处理设备中,首先,要处理的衬底(在其表面有多孔层的衬底)被传送机构800传送至用于预处理的晶片处理设备100a并被置于晶片处理池中。在晶片处理设备100a中进行预处理。
预处理后的衬底被传送机械800传送到用于主处理的晶片处理设备100b并被置于晶片处理池中。在晶片处理设置100b中进行主处理。
主处理后的衬底被传送机构800从晶片处理设备100b中取出,放在如晶片盒中。
根据该晶片处理设备,可以自动地进行包括预处理和主处理的多孔层去除处理。
下面描述上述多孔层去除方法的实例。
(实例1)
在单晶硅衬底的表面上形成一层抗HF腐蚀的材料构成的膜,且为了形成有开口的掩摸对该膜制作了图形。暴露在开口部分的单晶硅衬底在HF溶液中阳极化以形成多孔层。通过这种工艺在单晶硅衬底上形成50μm厚的多孔层。然后,去除掩摸。也可以不在单晶硅衬底上形成掩膜,而是将单晶硅衬底放在夹具上,使HF溶液只接触到要形成多孔层并进行阳极化的的区域。
将得到的衬底放入图4所示用于预处理的晶片处理设备100中。用于预处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入含有乙醇的溶液(预处理液)。在用于预处理的晶片处理设备100中,衬底被转动两小时,同时施加近1MHz的超声波将含乙醇的溶液注入多孔硅层的孔中(预处理)。
预处理后的衬底放入圈4所示用于主处理的晶片处理设备100。用于主处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先充满氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液(腐蚀剂)。在用于主处理的晶片处理设备100中,衬底被转动0.5小时,同时施加近0.25MHz的超声波将腐蚀剂注入多孔硅层的孔中。
然后停止超声波源131,使衬底在晶片处理池110中保持1小时,通过这种处理,多孔硅层的孔壁变薄了。
然后,用图12A~12C所示的设备将多孔硅层全部去除。结果,在衬底上形成了深50μm的凹槽部分。即使不用图12A~12C所示的设备。而是在超声波源131停止时,使衬底在晶片处理池110中保持2小时,也可以把多孔硅层完全除去。
采用图5、6、或9所示的设备也可得到与如上所述相同的结构。
(实例2)
在单晶硅衬底的表面上形成一层抗HF腐蚀的材料构成的膜,且为了形成有开口的掩膜对该膜制作了图形。暴露在开口部分的单晶硅衬底在HF溶液中阳极化以形成多孔层。通过这种工艺在单晶硅衬底上形成50μm厚的多孔层。然后,去除掩摸。也可以不在单晶硅衬底上形成掩膜,而是将单晶硅衬底放在夹具上,使HF溶液只接触到要形成多孔层并进行阳极化的区域。
然后,用外延生长法在衬底表面上形成一厚为1μm的单晶硅层作为得到的结构。
将得到的衬底放入图4所示用于预处理的晶片处理设备100中。用于预处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入含有乙醇的溶液(预处理液)。在用于预处理的晶片处理设备100中,衬底被转动6小时,同时施加近0.25MHz的超声波将含乙醇的溶液注入多孔硅层的孔中(预处理)。
预处理后的衬底放入圈4所示用于主处理的晶片处理设备100。用于主处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先充满氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液(腐蚀剂)。在用于主处理的晶片处理设备100中,衬底被转动2小时,同时施加近0.25MHz的超声波将腐蚀剂注入多孔硅层的孔中。
然后停止超声波源131,使衬底在晶片处理池110中保持2小时,通过这种处理,多孔硅层的孔壁变薄了。
重新启动超声波源131五分钟以完全去除多孔硅层,即使不重新启动超声波源131,而是在超声波源131停止时,使衬底在晶片处理池110中保持4小时,也可以把多孔硅层完全除去。
通过上述处理,在多孔硅层上形成了包括外延层(单晶硅层)的单晶硅膜。整个表面上的外延层厚度基本相同。
如图2C所示,通过预先部分地去除外延生长层(单晶硅层),可以形成单晶硅的悬臂梁结构。
采用图5、6、或9所示的设备也可得到与如上所述相同的结构。
(实例3)
准备第一单晶硅衬底。在HF溶液中对表层阳极化以形成多孔硅层,阳极化条件如下:
电流密度:7(mA/cm2)
阳极化溶液:HF∶H2O∶C2H5OH=1∶1∶1
时间:11(min)
多孔硅层厚度:12(μm)
该衬底在氧气氛中400℃氧化1h。通过这种氧化多孔硅层的每个孔的内壁上覆盖一热氧化膜。在多层孔硅上用CVD(化学气相沉积)法外延生长一厚为0.30μm的单晶硅层。生长条件如下:
源气体:SiH2Cl2/H2
气流速度:0.5/180(l/min)
气压:80(乇)
温度:950(℃)
生长速度:0.3(μm/min)
然后,用热氧化法在外延硅层上形成一厚度为200nm的SiO2层。
第一衬底的SiO2层的表面与另一分离准备的衬底(第二衬底)的表面相粘合。
用研磨、抛光、或腐蚀把第一衬底除去以暴露出整个第二衬底表面上的多孔硅层。
将第二衬底放入图4所示用于预处理的晶片处理设备100中。用于预处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入含有过氧化氢的溶液(预处理液)。在用于预处理的晶片处理设备100中,衬底被转动两小时,同时施加近0.25MHz的超声波将预处理液注入多孔硅层的孔中。
预处理后的衬底放入图4所示用于主处理的晶片处理设备100。用于主处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液(腐蚀剂)。在用于主处理的晶片处理设备100中,衬底被转动0.5小时,同时施加近0.25MHz的超声波将腐蚀剂注入多孔硅层的孔中。
然后停止超声波源131,使衬底在晶片处理池110中保持1小时,通过这种处理,多孔硅层的孔壁变薄了。
重新启动超声波源131五分钟以彻底去除多孔硅层。此时,如图10所示,当腐蚀剂循环适当时,可提高被加工衬底的表面均匀性。
一个晶片处理设备可用来预处理,也可用来主处理。在这种情况下,可通过向含有过氧化氢的预处理液中加入氢氟酸以得到腐蚀剂。
在主处理(腐蚀)之前当多孔层的孔充满预处理液如含过氧化氢的溶液以氧化孔壁时,多孔硅层的孔可以容易地被含氢氟酸的腐蚀剂所充满。预处理液也可以是无氧化作用的溶液。
通过施加超声波、转动衬底或使处理液循环可更加缩短注液时间。
如上所述,多孔硅层的孔中注入预处理液后,循环腐蚀剂的同时施加超声波,并在转动衬底的同时将预处理液替换成腐蚀剂。通过这种操作,衬底的多孔层的孔可以迅速被腐蚀剂充满。然后,停止施加超声波,将衬底保持一段合适的时间。通过这种处理,每一个衬底的整个表面区域上的多孔硅层的孔都可以被充分地减薄。通过在这种状态下再次施加超声波,可以在每个衬底的整个区域上均匀地立即去除残余的多孔硅层。
用图5、6或9所示的设备可以得到与如上所述同样的结果。
即使不是在停止施加超声波后再次施加,而是采用下面的任一种方法,都可以高质量地去除残余的多孔硅层:
(1)将得到的结构浸入氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液中约5秒钟,去除多孔层。
(2)用抛光法去除多孔硅层。
(3)用擦洗法去除多孔硅层。
(4)以如100kg/lm3的压力的喷射水流扫描衬底,去除多孔硅层。
在去除多孔硅层的步骤中,单晶硅层用作腐蚀阻止层,使多孔硅层被选择腐蚀和完全去除。
无孔硅单晶在上述腐蚀剂中的腐蚀速度非常慢。无孔硅单晶的腐蚀速度和多孔层腐蚀速度的选择比值为≥105。无孔层的腐蚀量(约几十个埃)是在实际应用中容许的。
通过上述处理,形成了在氧化硅膜上有0.2μm厚的单晶硅层的SOI衬底。在整个表面上对得到的单晶硅层的厚度进行了100点测量,厚度为201nm±4nm。
将得到的结构热处理:氢气中1100℃保温1小时,然后用原子力显微镜测表面粗糙度。平均面积粗糙度为5μm平方面积为约0.2nm。这几乎与工业上的硅晶片相同。
用透射电子显微镜进行断面观察表明,在单晶硅层中没有形成新的晶体缺陷,保持着满意的。
即使氧化膜(SiO2)不是在外延层表面上形成而是在第二衬底表面或所有这些表面上形成,也可得到与上述相同的结果。
即使石英玻璃之类的透明衬底用作第二衬底,也可得到满意的结果。然而在这种情况下,由于石英玻璃和单晶硅层的热膨胀系数有差别会在单晶硅层上形成狭缝,在氢气中热处理的温度从1100℃降到≤1000℃。
(实例4)
将第二衬底在HF溶液中进行两步阳极化以形成两个多孔层,阳极化处理的条件如下:
<第一步阳极化处理>
电流密度:7(mA/cm2)
阳极化溶液:HF∶H2O∶C2H5OH=1∶1∶1
时间:5(min)
多孔硅层厚度:5.5(μm)
<第二步阳极化处理>
电流密度:30(mA/cm2)
阳极化溶液:HF∶H2O∶C2H5H=1∶1∶1
时间:110(sec)
多孔硅层厚度:3(μm)
该衬底在氧气氛中400℃氧化1小时。通过这种氧化多孔硅层的每个孔的内壁上覆盖一热氧化膜。在多层孔硅上用CVD(化学气相沉积)法延生长一厚为0.30μm的单晶硅层。生长条件如下:
源气体:SiH2Cl2/H2
气流速度:0.5/180(l/min)
气压:80(乇)
温度:950(℃)
生长速度:0.3(μm/min)
然后,用热氧化法在外延硅层上形成一厚度为200nm的SiO2层。
第一衬底的SiO2层的表面与另一分离准备的衬底(第二衬底)的表面相粘合。
沿在30mA/cm2的电流密度(第二步阳极化处理)下形成的多孔硅层把粘合的层叠衬底分成两个衬底,把多孔硅层暴露在第二衬底那一侧的整个表面上。为了分开粘合层叠衬底,可对衬底机械拉伸、扭转、压缩、沿粘合边缘楔入、从端面进行氧化以使剥离、用热应力、施加超声波,或向粘合层叠衬底的边缘喷射水流等。
将得到的衬底结构放入图4所示用于预处理的晶片处理设备100中。用于预处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入含有过氧化氢的溶液(预处理液)。在用于预处理的晶片处理设备100中,衬底被转动两小时,同时施加近0.25MHz的超声波将预处理液注入多孔硅层的孔中。
预处理后的衬底放入图4所示用于主处理的晶片处理设备100。用于主处理的晶片处理设备100的晶片处理池110中已预先注入氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液(腐蚀剂)。在用于主处理的晶片处理设备100中,衬底被转动0.5小时,同时施加近0.25MHz的超声波将腐蚀剂注入多孔硅层的孔中。
然后停止超声波源131,使衬底在晶片处理池110中保持1小时,通过这种处理,多孔硅层的孔壁变薄了。
重新启动超声波源131五分钟以彻底去除多孔硅层。此时,如图10所示,当腐蚀剂循环适当时,可提高被加工衬底的表面均匀性。
一个晶片处理设备可用来预处理,也可用来主处理。在这种情况下,可通过向含有过氧化氢的预处理液中加入氢氟酸以得到腐蚀剂。
在主处理(腐蚀)之前当多孔层的孔充满预处理液如含过氧化氢的溶液以氧化孔壁时,多孔硅层的孔可以容易地被含氢氟酸的腐蚀剂所充满。预处理液也可以是无氧化作用的溶液。
通过施加超声波、转动衬底或使处理液循环可更加缩短注液时间。
如上所述,多孔硅层的孔中注入预处理液后,循环腐蚀剂的同时施加超声波,并在转动衬底的同时将预处理液替换成腐蚀剂。通过这种操作,衬底的多孔层的孔可以迅速被腐蚀剂充满。然后,停止施加超声波,将衬底保持一段合适的时间。通过这种处理,每一个衬底的整个表面区域上的多孔硅层的孔都可以被充分地减薄。通过在这种状态下再次施加超声波,可以在每个衬底的整个区域上均匀地立即去除残余的多孔硅层。
用图5、6或9所示的设备可以得到与如上所述同样的结果。
即使不是在停止施加超声波后再次施加,而是采用下面的任一种方法,都可以高质量地去除残余的多孔硅层:
(1)将得到的结构浸入氢氟酸、过氧化氢和纯水的混合溶液中约5秒钟,去除多孔层。
(2)用抛光法去除多孔硅层。
(3)用擦洗法去除多孔硅层。
(4)以如100kg/lm3压力的喷射水流扫描衬底,去除多孔硅层。
在去除多孔硅层的步骤中,单晶硅层用作腐蚀阻止层,使多孔硅层被选择腐蚀和完全去除。
无孔硅单晶在上述腐蚀剂中的腐蚀速度非常慢。无孔硅单晶的腐蚀速度和多孔层腐蚀速度的选择比值为≥105。在实际应用中无孔层的腐蚀量(约几十个埃)是容许的。
通过上述处理,形成了在氧化硅膜上有0.2μm厚的单晶硅层的SOI衬底。在整个表面上对得到的单晶硅层的厚度进行了100点测量,厚度为201nm±4nm。
将得到的结构热处理:氢气中1100℃保温1小时,然后用原子力显微镜测表面粗糙度。平均面积粗糙度为5μm平方面积为约0.2nm。这几乎与工业上的硅晶片相同。
用透射电子显微镜进行断面观察表明,在单晶硅层中没有形成新的晶体缺陷,保持着满意的结晶度。
即使氧化膜(SiO2)不是在外延层表面上形成而是在第二衬底表面或所有这些表面上形成,也可得到与上述相同的结果。
即使石英玻璃之类的透明衬底用作第二衬底,也可得到满意的结果。然而在这种情况下,由于石英玻璃和单晶硅层的热膨胀系数有差别会在单晶硅层上形成狭缝,在氢气中热处理的温度从1100℃降到≤1000℃。
当第一衬底侧留下的多孔硅层被选择腐蚀并进行表面处理如氢气退火或表面抛光,衬底可被回收作为第一或第二衬底。
即使是具有单层结构的由阳极化形成的多孔层也可得到如上所述的同样的结果。
在上面的实例中,作为在多孔硅层上形成单晶硅层的外延生长法,不仅可用CV法,也可用MBE、溅射或液相生长法。在多孔硅层上还可外延生单晶化合物半导体层GaAs或InP。在这种情况下,可以制造高频器件中硅上的GaAs或玻璃(石英)上的GaAs或适合于OEIC的衬底。
作为用于选择性腐蚀多孔硅层的腐蚀剂,49%氢氟酸和30%过氧化氢的混合溶液是合适的。然后,也可采用下面的腐蚀剂。由于多孔硅层具有很大的表面积,选择腐蚀很容易。
(a)氢氟酸
(b)向氢氟酸中至少加入乙醇或过氧化氢中的二者之一得到的混合溶液。
(c)缓冲氢氟酸
(d)向缓冲氢氟酸中至少加入乙醇或过氧化氢中的二者之一得到的混合溶液
(e)氢氟酸和硝酸的混合溶液
(f)氢氟酸、硝酸和乙酸的混合溶液
在上面的实例中,停止超声波源以实现停止使用超声波,但是,也可以有效地利用保护门,如图11A和11B所示。
作为多孔层,不仅是多孔硅层,也可以是其它半导体材料如GaAs或SiC的多孔层、或在乙二酸中阳极化的Al2O3,或CVD法产生的超细颗粒膜。这些层都可被容易地除去。
根据本发明,通过缩短多孔层的腐蚀剂注液时间,可减小衬底表面或衬底之间的腐蚀差别,可保持下面的表面层的给定膜厚均匀性。而且,即使多孔层厚度不同,也可保持下面的表面层的给定膜厚均匀性。
根据本发明,可保持多孔区域下面的层的平整度。
本发明并不限于上述实施方案,在其精神和范围内可以作各种变化和改进。因此为了向公众说明本发明的范围,作了如下的权利要求。
Claims (47)
1.一种多孔区的去除方法,该方法用于从具有多孔区的衬底上去除多孔区,包括如下步骤:
第一步,把对多孔材料无腐蚀作用或腐蚀作用弱的第一处理液注入多孔区;以及
第二步,在多孔区已注有第一处理液的条件下,用第二处理液取代注入多孔区的第一处理液,并用第二处理液腐蚀多孔区,该第二处理液对多孔材料的腐蚀作用比第一处理液强,
其中:在执行第二步的全部时间的至少一部分时间内对衬底施加超声波。
2.如权利要求1所述的方法,其中:
要处理的所述衬底主要由单晶硅组成。
3.如权利要求1所述的方法,其中:
所述多孔区主要由硅组成。
4.如权利要求1所述的方法,其中:
所述多孔区是通过对由单晶硅组成的衬底进行阳极化处理得到的。
5.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第一处理液使多孔区的孔壁从化学的角度上发生变化,而第二处理液不仅对多孔材料有腐蚀作用而且对从化学的角度上发生变化的物质也有腐蚀作用。
6.如权利要求5所述的方法,其中:
所述第一处理液对多孔区的孔壁有氧化作用。
7.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第一处理液是水。
8.如权利要求2所述的方法,其中:
所述第一处理液包含从包括乙醇、过氧化氢、硝酸和盐酸的组中选出的材料。
9.如权利要求4所述的方法,其中:
所述第二处理液包含氢氟酸。
10.如权利要求4所述的方法,其中:
所述第二处理液是从包括下列物质的组中选出的一种材料:
(a)向氢氟酸中加入乙醇或过氧化氢的至少二者之一得到的混和溶液,
(b)氢氟酸和硝酸的混和溶液,以及
(c)氢氟酸、硝酸和乙酸的混和溶液。
11.如权利要求1所述的方法,其中:
在执行第一步时的全部时间的至少一部分时间内对衬底施加超声波。
12.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第一步包括对衬底施加超声波。
13.如权利要求1所述的方法,其中:
在执行第二步时的全部时间内,至少在用第二处理液取代填充多孔区的第一处理液的时间内对衬底施加超声波。
14.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第二步包括如下步骤:
在不对衬底施加超声波的情况下腐蚀多孔区;以及
在对衬底施加超声波的同时腐蚀衬底上的残余多孔区,由此去除多孔区。
15.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第二步包括如下步骤:
在对衬底施加超声波的同时,用第二处理液取代填充多孔区的第一处理液。
在不对衬底施加超声波的情况下腐蚀多孔区;以及
在对衬底施加超声波的同时,腐蚀衬底上的残余多孔区,由此去除多孔区。
16.如权利要求1所述的方法,在第二步之后还包括:
第三步,去除衬底上的残余多孔区。
17.如权利要求16所述的方法,其中:
所述第三步包括用腐蚀剂去除衬底上的残余多孔区。
18.如权利要求17所述的方法,其中:
所述第三步包括在对衬底施加超声波的同时用腐蚀剂去除衬底上的残余多孔区。
19.如权利要求17所述的方法,其中:
把要处理的衬底浸入同一腐蚀剂中进行所述第二步和第三步。
20.如权利要求17所述的方法,其中:
所述第三步包括用对多孔材料的腐蚀速度高于第二处理液的第三处理液去除衬底上的残余多孔区。
21.如权利要求16所述的方法,其中:
所述第三步包括用高压流体去除衬底上的残余多孔区。
22.如权利要求16所述的方法,其中:
所述第三步包括用抛光法去除衬底上的残余多孔区。
23.如权利要求16所述的方法,其中:
所述第三步包括用擦洗法去除衬底上的残余多孔区。
24.如权利要求11所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
25.如权利要求24所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,使衬底在处理液中摆动。
26.如权利要求24所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,衬底和超声波源中至少有一个的位置在平行于或垂直于超声波振动面的方向上变化。
27.如权利要求18所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
28.如权利要求27所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,使衬底在处理液中摆动。
29.如权利要求27所述的方法,其中:
在对衬底施加超声波的同时进行衬底处理时,衬底和超声波源中至少其中之一的位置在平行于或垂直于超声波振动面的方向上变化。
30.如权利要求11所述的方法,其中:
所述第一和/或第二步包括改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
31.如权利要求18所述的方法,其中:
从第一步到第三步的全部或部分步骤包括改变衬底和超声波源之间的相对位置关系。
32.如权利要求1所述的方法,其中:
所述第一和/或第二步包括使处理液循环以在衬底附近造成处理液的流动。
33.如权利要求16所述的方法,其中:
从第一步到第三步的全部或部分步骤中包括使处理液循环以在衬底附近造成处理液的流动。
34.如权利要求11所述的方法,其中:
通过启动或停止超声波源控制对衬底的超声波供应。
35.如权利要求11所述的方法,其中:
通过在超声波源和衬底之间插入超声波屏蔽板控制对衬底的超声波供应。
36.如权利要求18所述的方法,其中:
通过启动或停止超声波源控制对衬底的超声波供应。
37.如权利要求18所述的方法,其中:
通过在超声波源和衬底之间插入超声波屏蔽板控制对衬底的超声波供应。
38.一种半导体衬底的制造方法,包括下列步骤:
在第一衬底上形成多孔层和至少一层无孔层;
把第二衬底粘合在第一衬底的无孔层一侧上;
从粘合的层叠衬底上去除第一衬底以使第二衬底表面上的多孔层暴露出来;以及
用权利要求1所述的多孔区去除方法去除第二衬底上的多孔层。
39.如权利要求38所述的方法,其中:
所述使多孔层暴露的步骤包括从粘合的第一衬底的下表面一侧研磨、抛光或腐蚀第一衬底,以使第二衬底表面上的多孔层暴露出来。
40.如权利要求38所述的方法,其中:
所述使多孔层暴露的步骤包括沿多孔层将粘合的层叠衬底分开,以使第二衬底表面上的多孔层暴露出来。
41.如权利要求38所述的方法,其中:
所述无孔层包括单晶硅层。
42.如权利要求38所述的方法,其中:
所述无孔层包括单晶硅层和氧化硅层。
43.如权利要求41所述的方法,其中:
所述单晶硅层是在第一衬底的多孔层上外延生长的层。
44.如权利要求38所述的方法,其中:
所述无孔层包括单晶化合物半导体层。
45.如权利要求38所述的方法,其中:
所述第二衬底主要由硅组成。
46.如权利要求38所述的方法,其中:
所述第二衬底在其与第一衬底粘合的表面上具有氧化硅层。
47.如权利要求38所述的方法,其中:
所述第二衬底是透明衬底。
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