CN1239316A - 构件分离装置和加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是为了防止衬底在被传送到分离装置和从分离装置接收时发生跌落。衬底固定部分(22，23)的支持表面被水平放置，而待要分离的衬底(21)在水平状态下被安装在一个衬底固定部分(22)上(2A)。衬底固定部件(22，23)分别绕转轴(26，27)旋转，使衬底固定部分(22，23)的支持表面垂直，致使衬底(21)被衬底固定部分(22，23)夹在中间(2B)。

Description

构件分离装置和加工装置
本发明涉及到构件分离装置和加工装置、构件分离方法、以及半导体衬底制造方法。
具有SOI(绝缘体上硅)结构的衬底(SOI衬底)即在绝缘层上有单晶硅层的衬底。采用这种SOI结构的器件具有普通硅衬底无法得到的许多优点。这些优点的例子如下：
(1)由于介电隔离容易而可提高集成度。
(2)可提高抗辐射能力。
(3)由于寄生电容小而可提高器件的工作速度。
(4)不需要阱台阶。
(5)可防止闭锁。
(6)可用薄膜制作方法来制作完全耗尽的场效应晶体管。
由于SOI结构有上述各种优点，故近几十年对它的制作方法进行了各种研究。
作为一种SOI技术，用CVD(化学汽相淀积)方法在单晶蓝宝石衬底上异质外延生长硅的SOS(蓝宝石上硅)技术早已为人所知。这一SOS技术曾经被认为是最成熟的SOI技术。但由于例如硅层与下方蓝宝石衬底之间的界面中的晶格失配产生大量晶体缺陷、组成蓝宝石衬底的铝混杂在硅层中、衬底昂贵以及难以获得大的面积，SOS技术至今未能得到实际应用。
SOS技术之后，出现了各种各样的SOI技术。对于这些SOI技术，为了降低晶格缺陷和制造成本，已探讨过各种各样的方法。这些方法的例子如下。第一种方法是将氧离子注入衬底以形成氧化物埋层。第二种方法是通过氧化物膜键合二个晶片并抛光或腐蚀其中的一个晶片以便在氧化膜上留下单晶硅层。第三种方法是将氢离子注入到带有氧化膜的硅衬底表面以下预定深度、将此衬底键合到另一个衬底、用热处理之类的方法在氧化膜上留下单晶硅层、再剥离此键合衬底(另一个衬底)。
本申请人在日本专利No.5-21338中公开了一种新的SOI技术。在这一技术中，借助于在带有多孔层的单晶半导体衬底上制作无孔单晶层而得到的第一衬底，通过绝缘层(SiO2)键合到第二衬底。再在多孔层处分离二个衬底，从而将无孔单晶层转移到第二衬底。这一技术的优点在于SOI层具有优异的薄膜厚度均匀性，可降低SOI层中的晶体缺陷密度，此SOI层具有高的表面平整度，不需要昂贵的专门制造设备，且带有厚度约数百埃至10μm的SOI膜的SOI衬底可以用同一设备来制造。
本申请人还在日本专利No.7-302889中公开了一种技术，此技术将第一和第二衬底键合，将第一衬底从第二衬底分离而不破坏第一衬底，对分离出来的第一衬底的表面进行整平，并再次制作多孔层以便重新使用第一衬底。在此技术中，没有浪费第一衬底，因而可大大降低制造成本并可简化制造工艺。
为了便于用上述技术进行大规模生产，必须尽可能减少降低成品率的因素。例如，在多孔层处分离键合衬底叠层的一系列工序中，避免衬底跌落的危险是很重要的。
考虑到上述情况，提出了本发明，其目的是提供一种适合于分离衬底之类的构件的分离装置和方法、提供一种适合于加工衬底之类的构件的加工装置、以及采用此分离方法的半导体衬底制造方法。
根据本发明，提供了一种构件分离装置，其特征是包含用来改变构件主表面方向的控制装置以及用流体流来分离构件的分离装置，其中的控制装置具有控制构件使主表面方向与第一方向一致的功能以及控制构件使主表面方向与第二方向一致的功能。
在此分离装置中，控制装置最好接收其主表面方向与第一方向一致的构件、使主表面方向与第二方向一致、并将构件移动到分离装置能够对其进行加工的位置，并使被分离装置分离的构件中的至少一个构件的主表面的方向与第一方向一致。
在此分离装置中，控制装置最好接收其主表面方向与第一方向一致的构件、使主表面方向与第二方向一致、并将构件移动到分离装置能够对其进行加工的位置，并使被分离装置分离的构件的主表面的方向与第一方向一致。
在此分离装置中，第一方向和第二方向最好彼此基本上垂直。
在此分离装置中，第一方向最好是构件主表面基本上处于水平的方向。
在此分离装置中，待要加工的构件最好包含平板构件，且分离装置沿平面方向切割平板构件，从而将此构件分离成二个平板构件。
在此分离装置中，第二方向最好是构件主表面基本上处于垂直的方向，且分离装置沿垂直方向将流体喷射到平板构件，从而将此平板构件分离成二个平板构件
在此分离装置中，第一方向最好是平板构件主表面基本上处于水平的方向。
在此分离装置中，控制装置最好包含一对在分离装置分离平板构件时从二个表面侧将构件夹在中间而固定平板构件的固定装置。
在此分离装置中，每个固定装置最好包含用来吸住平板构件的吸盘装置。
在此分离装置中，控制装置最好包含用来使一对固定装置中的至少一个绕平行于吸盘装置的吸盘表面的转轴旋转的旋转装置，并用旋转装置来改变平板构件主表面的方向。
在此分离装置中，控制装置最好包含用来使一对固定装置绕平行于吸盘装置的吸盘表面的转轴旋转的旋转装置，并用旋转装置来改变平板构件主表面的方向。
在此分离装置中，作为固定装置旋转中心的转轴最好安置在一对固定装置不相互干扰的位置处。
此分离装置最好还包含用来使构件绕垂直于主表面的转轴旋转的旋转装置。
在此分离装置中，旋转装置最好包含用来在分离装置分离构件时使构件旋转的装置。
在此分离装置中，分离装置最好用液体流来分离构件，且旋转装置最好包含用来使被分离装置分离的至少一个构件旋转，以便清除粘附在构件上的液体的装置。
分离装置最好还包含用来使一对固定装置中的至少一个绕垂直于固定表面的转轴旋转的旋转装置。
在此分离装置中，当分离装置分离构件时，旋转装置最好使固定装置旋转。
在此分离装置中，分离装置最好用液体流来分离构件，并在构件被分离装置分离之后，旋转装置最好使固定装置旋转，以便清除粘附在被固定装置固定的构件上的液体。
此分离装置最好还包含用来覆盖此装置的工作室。
在此分离装置中，工作室最好具有能够开/关的闸门。
此分离装置最好还包含用来将待要加工的构件传送到控制装置并从控制装置接收被分离的构件的传送装置，此传送装置被安置在工作室外面，并在闸门打开的情况下将构件传送到控制装置或从控制装置接收构件。
在此分离装置中，至少在构件被分离装置分离时，闸门最好关闭。
此分离装置最好还包含用来使待要加工的构件相对于控制装置定位的定位装置。
在此分离装置中，待要分离的构件最好具有作为分离层的易碎层，且易碎层基本上平行于构件的主表面。
根据本发明，还提供了一种构件加工装置，其特征是包含用来改变构件主表面方向的控制装置、用来使构件绕垂直于主表面的转轴旋转的旋转装置、以及用来在旋转装置旋转构件的情况下对构件进行加工的加工装置，其中的控制装置接收其主表面方向与第一方向一致的构件，使主表面方向与第二方向一致，并将构件移动到加工装置能够对其进行加工的位置，并使已经被加工装置加工过的构件的主表面与第一方向一致。
在此加工装置中，第一方向和第二方向最好彼此基本上垂直。
在此加工装置中，第一方向最好是构件主表面基本上处于水平的方向。
在此加工装置中，加工装置最好用液体来加工构件，并在构件被加工装置加工之后，旋转装置使构件旋转以清除粘附在构件上的液体。
根据本发明，还提供了一种加工装置，其特征是包含用来固定构件的固定装置、用来改变固定装置的固定表面的方向的控制装置、用来对固定装置所固定的构件进行加工的加工装置、以及用来在加工装置正在加工构件和/或已经加工完构件时使固定装置固定的构件绕垂直于固定表面的转轴旋转的旋转装置，其中的控制装置在固定装置要接收待要加工的构件时，使固定表面的方向与第一方向一致，在固定装置接收并固定构件之后，使固定装置的固定表面的方向与第二方向一致，并将固定装置移动到加工装置能够对构件进行加工的位置，并在用加工装置完成加工之后，使固定装置的固定表面的方向与第一方向一致。
在此加工装置中，第一方向和第二方向最好彼此基本上垂直。
在此加工装置中，第一方向最好是构件主表面基本上处于水平的方向。
在此加工装置中，加工装置最好用液体来加工构件，并在构件被加工装置加工之后，旋转装置使构件旋转以清除粘附在构件上的液体。
根据本发明，提供了一种构件分离方法，其特征是包含接收其主表面方向与第一方向一致的构件的接收步骤、使构件的主表面方向与第二方向一致的控制步骤、以及用流体流分离构件的分离步骤。
此分离方法最好还包含使在分离步骤中被分离的至少一个构件的主表面的方向与第一方向一致的第二控制步骤。
此分离方法最好还包含使在分离步骤中被分离的构件的主表面的方向与第一方向一致的第二控制步骤。
在此分离方法中，第一方向和第二方向最好彼此基本上垂直。
在此分离方法中，第一方向最好是构件主表面基本上处于水平的方向。
在此分离方法中，待要加工的构件最好包含平板构件，且分离步骤包含沿平面方向切割平板构件，从而将此构件分离成二个平板构件。
在此分离方法中，第二方向最好是平板构件主表面基本上处于垂直的方向，且分离步骤包含沿垂直方向将流体喷射到平板构件，从而将平板构件分离成二个平板构件。
在此分离方法中，第一方向最好是平板构件主表面基本上处于水平的方向。
在此分离方法中，分离步骤最好包含从二个表面侧将构件夹在中间而固定平板构件。
在此分离方法中，分离步骤最好包含在使待要加工的构件绕垂直于主表面的转轴旋转的情况下，用流体流来分离构件。
在此分离方法中，分离步骤最好包含用液体分离构件，且此方法最好还包含，在构件在分离步骤中被分离之后，至少旋转被分离过的一个构件，以便清除粘附在构件上的液体。
在此分离方法中，最好在工作室中执行分离步骤以防止液体散射。
在此分离方法中，待要加工的构件最好具有作为分离层的易碎层，且易碎层基本上平行于构件的主表面。
在此分离方法中，易碎层最好包含多孔层。
在此分离方法中，易碎层最好包含具有微空洞的层。
在此分离方法中，最好用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含半导体衬底。
在此分离方法中，半导体衬底最好包含单晶硅衬底。
在此分离方法中，最好用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含绝缘衬底。
在此分离方法中，绝缘衬底最好包含石英衬底。
在此分离方法中，最好用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含透明衬底。
在此分离方法中，最好用将从表面向内相继具有无孔层和多孔层的第一衬底经由无孔层键合到第二衬底的方法来制备待要加工的构件。
在此分离方法中，无孔层最好具有单晶硅层。
在此分离方法中，无孔层最好具有单晶硅层上的绝缘层。
在此分离方法中，绝缘层最好由氧化硅制成。
在此分离方法中，第二衬底最好包含绝缘衬底。
在此分离方法中，第二衬底最好包含透明衬底。
在此分离方法中，第二衬底最好包含石英衬底。
在此分离方法中，多孔层最好用对单晶硅衬底进行阳极氧化的方法来制作。
在此分离方法中，最好用将第二衬底键合到组合有微空洞层的第一衬底的方法来制备待要加工的构件。
在此分离方法中，最好用将离子注入到单晶硅衬底之中的方法来制备微空洞层。
在此分离方法中，最好用水作为流体。
根据本发明，提供了一种半导体衬底的制造方法，其特征是包含下列步骤：制备组合有多孔层或微空洞层的第一衬底，将第一衬底键合到第二衬底以制备键合衬底叠层，用上述分离方法中的任何一种方法，以多孔层或微空洞层作为分离区，将键合衬底叠层分离成第一衬底侧和第二衬底侧，以及清除留在第二衬底侧上的多孔层或微空洞层。
此半导体衬底制造方法最好还包含在键合衬底叠层被分离之后清除留在第一衬底侧上的多孔层或微空洞层以便重新使用第一衬底的步骤。
在此半导体衬底制造方法中，最好用对半导体衬底进行阳极氧化的方法来制作多孔层。
在此半导体衬底制造方法中，最好用在半导体衬底中注入离子的方法来制作微空洞层。
从参照附图对本发明实施例的下列详细描述中，本发明的进一步目的、特点和优点将变得明显。
图1A-1E解释了根据本发明最佳实施例的SOI衬底制造过程中的各个步骤；
图2A-2C示出了根据本发明最佳实施例的分离装置的原理；
图3示意图示出了分离装置的第一种安排；
图4示意图示出了分离装置的第一种安排；
图5示意图示出了分离装置的第一种安排；
图6示意图示出了分离装置的第一种安排；
图7示意图示出了分离装置的第一种安排；
图8示出了用来调整衬底固定部分之间的间距的调整机构的第一种安排；
图9示出了用来调整衬底固定部分之间的间距的调整机构的第二种安排；
图10示意图示出了自动分离装置的第二种安排；
图11示意图示出了自动分离装置的第二种安排；
图12示意图示出了自动分离装置的第二种安排；
图13示意图示出了自动分离装置的第二种安排；
下面参照附图来描述本发明的最佳实施例。
图1A-1E解释了根据本发明最佳实施例的SOI衬底制造过程中的各个步骤。
在图1A所示的步骤中，制备了单晶硅衬底11，并用阳极氧化之类的方法在衬底表面上制作多孔硅层12。在图1B所示的步骤中，用外延生长方法在多孔硅层12上制作无孔单晶硅层13。然后对表面进行氧化以形成SiO2层15。用此工序制作第一衬底10。
在图1C所示的步骤中，制备了由单晶硅组成的第二衬底20。在室温下使第一衬底10和第二衬底20相互接触，使第二衬底20正对着绝缘层15。然后，用阳极键合、加压、加热或它们的组合，使第一衬底10和第二衬底20键合。绝缘层15可以如上所述制作在无孔单晶硅层13上，或在第二衬底20上，或在二者上，只要在使第一和第二衬底彼此接触时得到图1C所示的状态即可。
在图1D所示的步骤中，二个彼此键合的衬底在多孔硅层12处被分离。因而在第二衬底侧(10”＋20)上形成由多孔硅层12”、单晶硅层13、绝缘层15和单晶硅衬底20组成的多层结构。在第一衬底侧(10’)上，多孔层12’制作在单晶硅衬底11上。
在分离之后，留在第一衬底上的多孔硅层12’被清除，并且如有需要就对衬底表面进行整平，从而将第一衬底重新用作制作第一衬底10的单晶硅衬底11。
在键合衬底被分离之后，在图1E所示的步骤中，第二衬底侧(10”＋20)表面上的多孔层12”被选择性地清除。用这一工序得到了由单晶硅层13、绝缘层15和单晶硅衬底20组成的多层结构，亦即具有SOI结构的衬底。
不仅单晶硅衬底，而且绝缘衬底(例如石英衬底)或透明衬底(例如石英衬底)，都可用作第二衬底。
在本实施例中，为了便于将二个衬底键合然后将它们分离，在分离区中制作了具有易碎结构的多孔层12。也可以制作例如微空洞层来代替多孔层。用将离子注入到半导体衬底之中的方法可以制作微空洞层。
在本实施例中，在图1D所示的步骤中，亦即在分离用键合二个衬底的方法制备的衬底(以下称为键合衬底叠层)的工序中，高压液体或气体(流体)被注射到键合衬底叠层的分离区以击破多孔层，从而将键合衬底叠层分离成二个衬底。
[分离装置的原理]
首先描述根据本发明最佳实施例的分离装置的原理。此实施例的分离装置采用水射流方法。通常，水射流方法将高速、高压的水流喷射到物体上，以便例如加工、从表面清除涂敷膜或清洗表面(见“WaterJet”，Vol.1，No.1，p4，(1984))。
此分离装置沿衬底表面方向将高速高压的液体或气体(流体)流喷射到键合衬底叠层的多孔层(分离区域)，以便选择性地击破多孔层，从而在多孔层处分离衬底叠层。以下将液流称为“射流”。形成射流的液体或气体(流体)称为“射流介质”。水、乙醇之类的有机溶剂、氢氟酸或硝酸之类的酸、氢氧化钠之类的碱、其它碱、空气、氮气、碳酸气、稀有气体或腐蚀气体或其它气体之类的气体，都有可能用作射流介质。
图2A-2C示出了本发明最佳实施例的分离装置的原理。此分离装置具有一对用来支持衬底的衬底固定部分22和23。旋转轴24和25分别连接于衬底固定部分22和23。衬底固定部分22和23被分别支持以便绕转轴26和27自由地旋转。
为了将键合衬底叠层21分离成二个衬底21a和21c，首先，如图2A所示，使衬底固定部分22和23的衬底支持表面成水平。键合衬底叠层21被安装在衬底固定部分22上的预定位置并吸住在衬底支持表面上。
然后，如图2B所示，衬底固定部分22和23分别绕转轴26和27旋转，使之彼此相对，故键合衬底叠层21被衬底固定部分22和23夹在中间而固定。此时，衬底固定部分22和23的衬底支持表面是垂直的。
此时，在键合衬底叠层21绕转轴24和25旋转的情况下，射流介质(例如水)29从喷嘴28喷射并注入键合衬底叠层21的分离区(多孔区)。用这种方法，键合衬底叠层21被分离成二个衬底21a和21c。在这一分离过程中，可以不用真空吸盘而固定键合衬底叠层21。
如图2C所示，衬底固定部分22和23分别绕转轴26和27旋转，直至衬底支持表面变成水平。在此操作过程中，衬底21a被衬底固定部分22吸住，而衬底21c被衬底固定部分23吸住。
然后用诸如水的液体作为射流介质，被分离的衬底21a和21c可以用分别绕转轴24和25高速旋转衬底固定部分22和23的方法来干燥。
在图2B所示的状态中，亦即当键合衬底叠层被衬底固定部分22和23夹在中间时，为了防止衬底固定部分22和23之间的干扰，转轴26和27必须在键合衬底叠层21沿轴向突出的表面所形成的空间(突出空间)30之外。但若安置了用来沿水平方向移动衬底固定部分22和23中的一个或二者的机构，则衬底固定部分22和23可以位于突出空间30之中。
利用上述的分离装置，可以在水平状态下将键合衬底叠层21传送到分离装置，而且可以在水平状态下从分离装置接收被分离的衬底21a和21c。在衬底能够在水平状态下传送的安排中，可以从下侧支持衬底。因此减小了转移或传送过程中衬底跌落的危险。
下面描述本发明最佳实施例的分离装置的具体安排。
[分离装置的第一种安排]
图3-7示意图示出了分离装置的第一种安排。分离装置100包含一对用来控制衬底的衬底控制部分150和160。
衬底控制部分150和160分别具有用来支持衬底的衬底固定部分108和109。衬底固定部分108和109具有真空吸盘沟槽108a和109a作为吸住衬底的机构。吸盘108a和109a分别与通过转轴106和107延伸的真空管道连通。真空管道通过旋转真空接头连接于外部真空管道。
待要加工的键合衬底叠层101组合有多孔层101b作为易碎结构部分，并在多孔层101b处被分离成二个衬底101a和101c。
为了分离键合衬底叠层101，如图5所示，键合衬底叠层101被衬底固定部分108和109夹在中间并垂直地支持。
在此分离装置100中，例如键合衬底叠层被设置成使衬底101a在第一衬底侧(10’)上，而衬底101c在图1D中的第二衬底侧(10’＋20)上。
衬底固定部分108连接于由转轴支持部分102通过轴承104轴向可旋转地支持的转轴106的一端。转轴106的另一端连接于驱动源114。例如马达适合于用作驱动源114。在分离过程中，键合衬底叠层101被驱动源114发出的旋转力旋转。驱动源114以根据来自控制器(未示出)的命令确定的旋转速度而旋转转轴106。
另一方面，衬底固定部分109连接于由转轴支持部分103通过轴承105轴向可旋转地支持的转轴107的一端。转轴107的另一端连接于驱动源115。例如马达适合于用作驱动源115。在分离过程中，键合衬底叠层101被驱动源115发出的旋转力旋转。驱动源115根据来自控制器(未示出)的命令而与转轴106同步地旋转转轴107。转轴106和107彼此同步地旋转以防止键合衬底叠层101扭曲。
独立的驱动源可如上所述分别连接于转轴106和107。但采用单一的驱动源，可以将驱动源产生的旋转力分布到转轴106和107。此时，转轴106和107能够容易地彼此同步旋转。
作为变通，可以只驱动转轴106和107中的一个。例如，当只安排用来驱动转轴106的驱动源114时，在键合衬底叠层101分离之前，转轴106、衬底固定部分108、键合衬底叠层101、衬底固定部分109、以及转轴107一起旋转。当键合衬底叠层101被分离成二个衬底时，转轴107侧上的构件停止旋转。
转轴107侧上的转轴支持部分103具有用来对键合衬底叠层101加压的弹簧111。因此，键合衬底叠层101受到沿衬底101a被压向衬底101c的方向(X轴的负方向)的力。结果，在键合衬底叠层101被来自喷嘴110的射流分离成二个衬底101a和101c之后，即使二个衬底101a和101c没有分别被衬底固定部分109和108真空吸住，衬底101a和101c也不会跌落。
在此实施例中，弹簧111施加沿衬底101a被压向衬底101c的方向(X轴的负方向)的力。但借助于改变弹簧的位置，此力也可以沿衬底101a被从衬底101c分离的方向施加。此时，当键合衬底叠层101被来自喷嘴110的射流物理地分离成二个衬底101a和101c时，衬底101a就从衬底101c分离。
分离装置100具有用来调整衬底固定部分108和109之间的间距的调整机构。下面描述调整机构的具体例子。
图8示出了调整机构的第一种安排。图8所示的调整机构使用汽缸122。汽缸122固定于转轴支持部分103。当活塞杆121被缩回(驱动)时，驱动源(例如马达)115被拉动。当活塞杆121的驱动被撤消时，弹簧111的力可作用在转轴107上以向衬底加压。
图9示出了调整机构的第二种安排。图9所示的调整机构使用偏心凸轮131和马达。偏心凸轮131连接于马达(未示出)。借助于移动连接于驱动源115后端的驱动板132来调整衬底固定部分108和109之间的间距。弹簧111的力沿衬底受压的方向作用于转轴107上。为了固定键合衬底叠层101并将其分离成二个衬底，偏心凸轮131沿撤消其对驱动板132的限制的方向，亦即沿在偏心凸轮131与驱动板132之间形成间隙的方向旋转。用此操作，弹簧111的压力能够作用在键合衬底叠层101上。
即使安排沿键合衬底叠层101受拉方向作用的弹簧来取代弹簧111，也需要用来调整衬底固定部分108和109之间的间距的调整机构。此时，调整机构被用来推衬底固定部分109，直至与键合衬底叠层101相接触，以便将键合衬底叠层101吸住在衬底固定部分109的衬底支持表面上。
分离装置100具有分别用来旋转转轴112和113以旋转衬底控制部分150和160的驱动源(例如马达)151和161。驱动源151和161被固定于例如分离装置100的主体框架。
如图3所示，在分离装置100中，衬底控制部分150和160能够借助于驱动源151和161而绕转轴112和113旋转，分别使衬底固定部分108和109的衬底支持表面成水平或成垂直。
可以安排一个单一驱动源来代替分别为衬底控制部分150和160准备二个驱动源。此时，驱动源的输出被分配来驱动衬底控制部分150和160。
在分离装置100中，当键合衬底叠层101被衬底固定部分108和109夹在中间(垂直地支持)时，转轴112和113位于沿轴向突出键合衬底叠层101所形成的空间(突出空间)外面。此外，转轴112和113沿平行于衬底固定部分108和109的衬底支持表面的方向(Y轴方向)安排。因此，衬底控制部分150和160的工作互不干扰，而且键合衬底叠层101不损伤被分离的衬底101a和101c。
即使转轴112和113位于突出空间内，借助于加大衬底固定部分109到转轴支持部分103侧的后退距离，也能够避免衬底控制部分150和160之间的干扰。
下面描述用分离装置100来分离键合衬底叠层的一系列步骤。
首先，如图3所示，用驱动源151和161驱动衬底控制部分150和160，分别使衬底固定部分108和109的衬底支持表面成水平。如图3所示，用图8或9所示的调整机构将衬底固定部分109缩回到转轴支持部分103中。此时，键合衬底叠层101被安装在衬底固定部分108上，并降低沟槽108a中的压力以便将键合衬底叠层101吸住在衬底支持表面上。键合衬底叠层101在衬底固定部分108上最好安装成使键合衬底叠层的中心与衬底固定部分108的中心一致。
然后，如图4所示，用驱动源151和161旋转衬底控制部分150和160，分别使衬底固定部分108和109的衬底支持表面成垂直。
如图5所示，衬底固定部分109被弹簧111的作用从转轴支持部分103推开，故键合衬底叠层101被衬底固定部分109加压。当采用图8或9所示的安排时，借助于撤消汽缸122或偏心凸轮131对转轴107的限制，能够实现这一操作。
此时，键合衬底叠层101可以被衬底固定部分108和109中的一个或二者真空吸住。当弹簧111的压力足够时，可以仅仅用压力而无需真空吸盘来固定键合衬底叠层101。
接着，同步操作驱动源114和115以旋转键合衬底叠层101。用高压泵(未示出)将射流介质(例如水)压缩并馈至喷嘴110，以便沿垂直方向将射流注入到作为键合衬底叠层101的分离区的多孔层101b中。当在旋转键合衬底叠层101的情况下注入射流时，键合衬底叠层101被分离成二个衬底101a和101c。
在键合衬底叠层101被物理地分离成二个衬底之后，如图6所示，用图8或9所示的调整机构将衬底固定部分108和109退回到转轴支持部分103侧。用这一操作，物理地分离的二个衬底101a和101c被空间分离。当衬底101a和101c分别不被衬底固定部分109和108吸住时，在分离键合衬底叠层101的过程中，在衬底固定部分109退回到转轴支持部分103侧之前，需要分别用衬底固定部分109和108吸住衬底101a和101c。
如图7所示，用驱动源151和161使衬底控制部分150和160绕转轴112和113旋转，分别使衬底固定部分108和109的衬底支持表面成水平。衬底101a和101c被水平固定。
当用液体作为射流介质执行完分离过程时，射流介质留在被分离的衬底101a和101c上。最好借助于用驱动源114和115分别旋转衬底固定部分108和109来清除粘附在衬底101a和101c上的射流介质以干燥衬底(旋转干燥)。为了旋转干燥，最好在二个衬底控制部分150和160之间插入一个用来屏蔽射流介质散射的屏蔽板。
可以将衬底101a和101c传送到另一个干燥装置中去进行干燥。当衬底之一要报废时，要报废的衬底不一定要干燥。
如上所述，分离装置100在垂直固定键合衬底叠层的情况下执行分离过程。其一个理由是当不沿垂直方向喷射射流时，射流的轨迹由于重力而向下弯曲，这就难以将射流注入到键合衬底叠层的所希望的位置(分离区)。另一个理由是，当键合衬底叠层的分离表面(多孔层)平行于射流方向时，射流能够有效地作用于分离表面上，故可提高分离过程的效率。
根据具有衬底控制部分150和160的分离装置100，可以在垂直固定键合衬底叠层101的情况下执行分离过程，此外，键合衬底叠层可以在水平状态下传送到分离装置，并可以在水平状态中接收被分离的衬底。由于在衬底传送过程中能够从下侧支持衬底，故可减少衬底跌落的危险。另一方面，若采用垂直状态下将键合衬底叠层传送到分离装置的机构或垂直状态下接收被分离的衬底的机构，则衬底可能跌落。
此外，根据此分离装置，当衬底固定部分108和109的衬底支持表面被设置成水平时，在衬底支持表面上能够确保宽的空间。这就方便了衬底的传送或接收。
[分离装置的第二种安排]
本实施例涉及到组合有第一种安排的分离装置100的自动分离装置，它自动地执行一系列的操作：取出储存在晶片盒中的键合衬底叠层、将其传送到分离装置100、在分离装置100中分离键合衬底叠层101、以及将被分离的衬底储存在另一个晶片盒中。
图10-13示意图示出了自动分离装置的第二种安排。更确切地说，图10平面图示意地示出了键合衬底叠层101被安置在分离装置100中的状态，图11是图10所示安排的侧面图，图12平面图示意地示出了键合衬底叠层将要分离时的状态，而图13是图12所示安排的侧面图。
本实施例的自动分离装置包含第一种安排的分离装置100以及用来传送键合衬底叠层和被分离的衬底的传送装置500。
分离装置100最好安置在工作室400中，并在工作室400与传送装置500之间安置一个闸门503。当键合衬底叠层101要安置在分离装置100中或要取出被分离的衬底时，闸门503最好打开，而在分离过程中最好关闭。用这一安排，能够防止射流介质(例如水)在分离过程中从工作室400散射。
传送装置500包含用来传送键合衬底叠层101和被分离的衬底的传送机械手501以及用来使键合衬底叠层101相对于衬底固定部分108定位的定位单元507。
为了执行分离过程，将储存有一个或多个键合衬底叠层101的晶片盒504以及用来储存被分离的衬底101a和101c的空晶片盒505和506安置在传送装置500中的预定位置处。晶片盒504安置成使键合衬底叠层被水平地固定且开口部分面向传送机械手501。晶片盒505和506安置成使被分离的衬底能够在水平状态下被储存且其开口部分面向传送机械手501。
下面描述用自动分离装置进行分离过程的手续。
工作人员将储存键合衬底叠层101的晶片盒504以及空晶片盒505和506安置在传送装置500中的预定位置处。当工作人员通过控制面板(未示出)命令开始分离过程时，自动分离装置就开始下列一系列的工序操作。
首先，如图10和11所示，分离装置100旋转衬底控制部分150和160，使衬底支持表面成水平。
传送机械手501将带有吸盘机构的机械臂502插入到晶片盒504中相应的键合衬底叠层101下方，将键合衬底叠层的下表面吸住，并移动键合衬底叠层101。
传送机械手501将吸住的键合衬底叠层101安装在定位单元507的支持台面上并撤消吸力。定位单元507利用二个彼此相对的导向元件使键合衬底叠层101的中心位置与参考位置对准。传送机械手501吸住定位单元507支持台面上的键合衬底叠层101的下表面，将机械臂502伸向分离装置100的衬底固定部分108，并将键合衬底叠层101安置在衬底固定部分108上的预定位置处。借助于定位单元507，能够将键合衬底叠层101相对于衬底固定部分108定位。
当传送机械手501要将键合衬底叠层101安置在衬底固定部分108上时，闸门503打开。
借助于用定位单元507对每个键合衬底叠层101进行定位，能够将每个键合衬底叠层101安置在衬底固定部分108上的正确位置处。由于键合衬底叠层101的中心能够与转轴106的中心轴一致，故在键合衬底叠层101被旋转和分离的过程中，喷嘴110与键合衬底叠层101侧表面之间的距离保持不变。因此，能够使射流沿键合衬底叠层101的整个周边均匀地作用。
当完成键合衬底叠层101在衬底固定部分108上的安置时，传送机械手501使机械臂502缩回，然后关闭闸门503。
在分离装置100中，分别用驱动源151和161旋转衬底控制部分150和160，使键合衬底叠层101成垂直，再用衬底固定部分108和109将键合衬底叠层101夹在中间并真空吸住。
分离装置100执行分离过程。更具体地说，在分离装置100中，键合衬底叠层101被驱动源114和115’旋转，同时，从喷嘴110喷射射流并注入到键合衬底叠层101的分离区(多孔区101b)。用这一分离过程，键合衬底叠层101被分离成二个衬底101a和101c。驱动源115’不仅包括上述驱动源115，而且包括图8或9所示的调整机构。
当键合衬底叠层101被分离成二个衬底101a和101c时，分离装置100用上述调整机构来分离二个衬底101a和101c。然后，分别用驱动源151和161旋转衬底控制部分150和160，使衬底固定部分108和109的衬底支持部分成水平。
借助于用驱动源114和115’高速旋转衬底固定部分108和109，粘附在被分离的衬底上的射流介质被清除(旋转干燥)。
接着，打开闸门503。传送机械手501将机械臂502伸向衬底固定部分108上的衬底101c下方，借助于吸住其下表面而固定衬底101c，并将衬底101c储存在晶片盒505中。用同样的方法，传送机械手501将机械臂502伸向衬底固定部分109上的衬底101a下方，借助于吸住其下表面而固定衬底101a，并将衬底101a储存在晶片盒506中。
用上述过程，完成了一个键合衬底叠层的分离过程。借助于对所有未曾加工的键合衬底叠层重复上述过程，此自动分离装置能够分离晶片盒504中的所有键合衬底叠层。
根据此自动分离装置，当储存键合衬底叠层的晶片盒和二个空晶片盒被准备并安置在传送装置500中，且命令执行分离过程时，分离过程就自动执行，且二个被分离并被干燥了的衬底被选择性地储存到二个储藏晶片盒中。
如上所述，即使在自动执行分离过程时，能够在水平状态下在传送装置和分离装置之间传送衬底的安排也是具有明显的优点的。
比之在垂直状态下在传送装置和分离装置之间传送衬底的安排，这一优点很容易理解。此时，除非传送机械手在准确地垂直固定键合衬底叠层的情况下将衬底传送到衬底固定部分，否则，衬底固定部分很难可靠地吸住键合衬底叠层，键合衬底叠层有时可能跌落。用机械手接收被分离了的衬底的情况也是这样。若机械臂的衬底固定表面不准确地平行于衬底，则机械臂很难可靠地吸住衬底。
[分离装置的应用例子]
作为上述分离装置的应用例子，下面参照图1A-1E来描述制造SOI衬底的方法。
制备厚度为625μm、直径为5英寸而电阻率为0.01Ωcm的p型或n型(100)单晶硅衬底作为单晶硅衬底11。此单晶硅衬底11被浸入HF溶液进行阳极氧化以形成厚度为12μm的多孔硅层12(图1A)。阳极氧化条件如下。
    电流密度         7mA/cm2
    阳极氧化溶液  HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1
    处理时间         11min
将此衬底在氧气氛中加热到400℃，对其氧化1小时。用这一过程，多孔硅层12中的孔的内壁被热氧化膜覆盖。接着，用CVD方法在多孔硅层12上外延生长厚度为0.3μm的单晶硅层13。外延生长条件如下。在此过程之前，可以在外延炉的氢气氛中烘焙衬底。
    源气体      SiH4
     载气       H2
     温度      850℃
     压力    1×10-2Torr
  生长速率    3.3nm/sec
在单晶硅层(外延硅层)13上制作厚度为0.2μm的SiO2层15(图1B)。另外制备单晶硅衬底20。在室温下使二氧化硅层15和单晶硅衬底20相互接触。然后，在1100℃温度下进行1小时的热处理以便键合二个衬底(图1C)。
将此键合衬底叠层储存在晶片盒504中并安置到第二种安排的自动分离装置的传送装置500中，并执行分离过程(图1D)。纯水被用作射流介质。射流的直径被设定为0.2mm，喷射的水的压力设定为350Kgf/cm2。在将射流喷嘴的位置固定于紧邻键合界面上方的情况下执行分离过程。键合衬底叠层以大约8rpm的速度旋转。
大多数键合衬底叠层在大约转5圈后就被完全分离。但考虑到衬底之间的不同，自动分离装置被设定为在旋转键合衬底叠层约2分钟的情况下注入射流。
即使在键合衬底叠层被分离成二个衬底之后，由于弹簧111的作用，二个衬底仍然相互接触。在键合衬底叠层分离过程开始进行预定时间之后，一个衬底固定部分109缩回到转轴支持部分103侧以便空间上分离二个物理上已经分离的衬底。此衬底没有裂纹、破裂或损伤。
分离并储存在晶片盒505中的衬底(10”＋20)被取出，并用HF/H2O2/H2O基腐蚀剂选择性地腐蚀表面上的多孔硅层。由于单晶硅的腐蚀速度很低，故对于实际使用来说，单晶硅衬底的腐蚀量比之下方的多孔硅层可以忽略不计。用这一腐蚀工序，能够在二氧化硅膜15上制作具有厚度约为0.2μm的单晶硅层13的SOI衬底(图1E)。
已经证实，得到的SOI衬底的表面，亦即单晶硅层13的表面没有缺陷。用透射电子显微镜对单晶硅层13的剖面进行的观察表明，在外延生长之后的工序中没有增加晶体缺陷等，保持了满意的结晶性。
若不在单晶硅层(外延层)13侧表面上制作二氧化硅膜，即使当1)不在单晶硅层13侧表面上而在单独制作的单晶硅衬底侧上制作二氧化硅膜，或2)在单晶硅层13侧和在另外制作的单晶硅衬底侧二者的表面上都制作二氧化硅膜，也能够制作满意的SOI结构。
借助于清除表面上的多孔硅层并对表面进行整平，其上制作有多孔硅层的衬底(单晶硅衬底11)能够再次被用作第一或第二衬底。
作为本发明的最佳实施例，上面已经描述了适合于制造SOI衬底的衬底分离装置与方法。本发明的分离装置与方法也可以用来分离或切割任何其它的构件。待要分离的构件最好具有作为易碎分离区的多孔层。
根据本发明，能够减小例如衬底之类的构件发生跌落的危险。
本发明不局限于上述各实施例，在本发明的构思与范围之内可以作出各种改变和修正。因此，为了宣示本发明的范围，特提出下列权利要求。

Claims (69)

1.一种用来分离构件的分离装置，它包含：
用来改变构件主表面方向的控制装置；以及
用流体流来分离构件的分离装置，
其中所述的控制装置具有控制构件主表面方向与第一方向一致的功能以及控制构件主表面方向与第二方向一致的功能。
2.根据权利要求1的装置，其中所述的控制装置接收其主表面方向与第一方向一致的构件，使主表面方向与第二方向一致，并将构件移动到所述分离装置能够对其进行加工的位置，并使被所述分离装置分离的至少一个构件的主表面的方向与第一方向一致。
3.根据权利要求1的装置，其中所述的控制装置接收其主表面方向与第一方向一致的构件，使主表面方向与第二方向一致，并将构件移动到所述分离装置能够对其进行加工的位置，并使被所述分离装置分离的构件的主表面的方向与第一方向一致。
4.根据权利要求1-3中任何一个的装置，其中第一方向和第二方向彼此基本上垂直。
5.根据权利要求1-4中任何一个的装置，其中第一方向是构件主表面基本上处于水平的方向。
6.根据权利要求1-4中任何一个的装置，其中待要加工的构件包含平板构件，且所述分离装置沿平面方向切割平板构件，从而将此构件分离成二个平板构件。
7.根据权利要求6的装置，其中第二方向是构件主表面基本上处于垂直的方向，且所述分离装置沿垂直方向将流体喷射到平板构件，从而将平板构件分离成二个平板构件。
8.根据权利要求7的装置，其中第一方向是平板构件主表面基本上处于水平的方向。
9.根据权利要求6-8中任何一个的装置，其中所述控制装置包含一对在所述分离装置分离平板构件时从二个表面侧将平板构件夹在中间而固定平板构件的固定装置。
10.根据权利要求9的装置，其中每个所述固定装置包含用来吸住平板构件的吸盘装置。
11.根据权利要求10的装置，其中所述控制装置包含用来使所述一对固定装置中的至少一个绕平行于所述吸盘装置的吸盘表面的转轴旋转的旋转装置，并用所述旋转装置来改变平板构件主表面的方向。
12.根据权利要求10的装置，其中所述控制装置包含用来使所述一对固定装置绕平行于所述吸盘装置的吸盘表面的转轴旋转的旋转装置，并用所述旋转装置来改变平板构件主表面的方向。
13.根据权利要求11或12的装置，其中作为所述固定装置旋转中心的转轴安置在所述一对固定装置不相互干扰的位置处。
14.根据权利要求1-13中任何一个的装置，还包含用来使构件绕垂直于主表面的转轴旋转的旋转装置。
15.根据权利要求14的装置，其中所述旋转装置包含在所述分离装置分离构件时用来使构件旋转的装置。
16.根据权利要求14或15的装置，其中所述分离装置用液体流来分离构件，且所述旋转装置包含用来使被所述分离装置分离的至少一个构件旋转，以便清除粘附在构件上的液体的装置。
17.根据权利要求9-13中任何一个的装置，还包含用来使所述一对固定装置的至少一个绕垂直于固定表面的转轴旋转的旋转装置。
18.根据权利要求17的装置，其中所述旋转装置在所述分离装置分离构件时，使所述固定装置旋转。
19.根据权利要求17或18的装置，其中所述分离装置用液体流来分离构件，并在构件被所述分离装置分离之后，所述旋转装置使所述固定装置旋转，以便清除粘附在被所述固定装置固定的构件上的液体。
20.根据权利要求1-19中任何一个的装置，还包含用来覆盖所述装置的工作室。
21.根据权利要求20的装置，其中所述工作室具有能够开/关的闸门。
22.根据权利要求21的装置，还包含用来将待要加工的构件传送到所述控制装置并从所述控制装置接收被分离的构件的传送装置，所述传送装置被安置在所述工作室外面，并在闸门打开的情况下将构件传送到所述控制装置或从所述控制装置接收构件。
23.根据权利要求21或22的装置，其中所述闸门至少在构件被所述分离装置分离时关闭。
24.根据权利要求22或23的装置，还包含用来使待要加工的构件相对于所述控制装置定位的定位装置。
25.根据权利要求1-24中任何一个的装置，其中待要分离的构件具有作为分离层的易碎层，且易碎层基本上平行于构件的主表面。
26.一种用来加工构件的加工装置，它包含：
用来改变构件主表面方向的控制装置；
用来使构件绕垂直于主表面的转轴旋转的旋转装置；以及
用来在所述旋转装置旋转构件的情况下对构件进行加工的加工装置，
其中所述控制装置接收其主表面方向与第一方向一致的构件，使主表面方向与第二方向一致，并将构件移动到所述加工装置能够对其进行加工的位置，并使已经被所述加工装置加工过的构件的主表面方向与第一方向一致。
27.根据权利要求26的装置，其中第一方向和第二方向彼此基本上垂直。
28.根据权利要求26或27的装置，其中第一方向是构件主表面基本上处于水平的方向。
29.根据权利要求26-28中任何一个的装置，其中所述加工装置用液体来加工构件，并在构件被所述加工装置加工之后，所述旋转装置使构件旋转以清除粘附在构件上的液体。
30.一种用来加工构件的加工装置，它包含：
用来固定构件的固定装置；
用来改变所述固定装置的固定表面的方向的控制装置；
用来对所述固定装置所固定的构件进行加工的加工装置；以及
用来在所述加工装置正在加工构件和/或已经加工完构件时使所述固定装置固定的构件绕垂直于固定表面的转轴旋转的旋转装置，
其中所述控制装置在所述固定装置要接收待要加工的构件时，使固定表面的方向与第一方向一致，在所述固定装置接收并固定构件之后，使所述固定装置的固定表面的方向与第二方向一致，并将所述固定装置移动到所述加工装置能够对构件进行加工的位置，并在用所述加工装置完成加工之后，使所述固定装置的固定表面的方向与第一方向一致。
31.根据权利要求30的装置，其中第一方向和第二方向彼此基本上垂直。
32.根据权利要求30或31的装置，其中第一方向是构件主表面基本上处于水平的方向。
33.根据权利要求30-32这任何一个的装置，其中所述加工装置用液体来加工构件，并在构件被所述加工装置加工之后，所述旋转装置使构件旋转以清除粘附在构件上的液体。
34.一种分离构件的分离方法，它包含：
接收其主表面方向与第一方向一致的构件的接收步骤；
使构件的主表面方向与第二方向一致的控制步骤；以及
用流体流分离构件的分离步骤。
35.根据权利要求34的方法，还包含使在分离步骤中被分离的至少一个构件的主表面的方向与第一方向一致的第二控制步骤。
36.根据权利要求34的方法，还包含使在分离步骤中被分离的构件的主表面的方向与第一方向一致的第二控制步骤。
37.根据权利要求34-36中任何一个的方法，其中第一方向和第二方向彼此基本上垂直。
38.根据权利要求34-37中任何一个的方法，其中第一方向是构件主表面基本上处于水平的方向。
39.根据权利要求34-36中任何一个的方法，其中待要加工的构件包含平板构件，且分离步骤包含沿平面方向切割平板构件，从而将此构件分离成二个平板构件。
40.根据权利要求39的方法，其中第二方向是构件主表面基本上处于垂直的方向，且分离步骤包含沿垂直方向将流体喷射到平板构件，从而将平板构件分离成二个平板构件。
41.根据权利要求40的方法，其中第一方向是平板构件主表面基本上处于水平的方向。
42.根据权利要求39-41中任何一个的方法，其中分离步骤包含从二个表面侧将构件夹在中间而固定平板构件。
43.根据权利要求34-42中任何一个的方法，其中分离步骤包含在使待要加工的构件绕垂直于主表面的转轴旋转的情况下，用流体流来分离构件。
44.根据权利要求34-43中任何一个的方法，其中分离步骤包含用液体分离构件，且此方法还包含，在构件在分离步骤中被分离之后，至少旋转被分离过的一个构件，以便清除粘附在构件上的液体。
45.根据权利要求34-44中任何一个的方法，其中在工作室中执行分离步骤以防止流体散射。
46.根据权利要求34-45中任何一个的方法，其中待要加工的构件具有作为分离层的易碎层，且易碎层基本上平行于构件的主表面。
47.根据权利要求46的方法，其中易碎层包含多孔层。
48.根据权利要求46的方法，其中易碎层包含具有微空洞的层。
49.根据权利要求46的方法，其中用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含半导体衬底。
50.根据权利要求49的方法，其中半导体衬底包含单晶硅衬底。
51.根据权利要求46的方法，其中用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含绝缘衬底。
52.根据权利要求51的方法，其中绝缘衬底包含石英衬底。
53.根据权利要求46的方法，其中用键合至少二个平板构件的方法来制备待要加工的构件，且二个平板构件中至少一个包含透明衬底。
54.根据权利要求47的方法，其中用将从表面向内相继具有无孔层和多孔层的第一衬底经由无孔层键合到第二衬底的方法来制备待要加工的构件。
55.根据权利要求54的方法，其中无孔层具有单晶硅层。
56.根据权利要求55的方法，其中无孔层具有单晶硅层上的绝缘层。
57.根据权利要求56的方法，其中绝缘层由氧化硅制成。
58.根据权利要求54的方法，其中第二衬底包含绝缘衬底。
59.根据权利要求54的方法，其中第二衬底包含透明衬底。
60.根据权利要求54的方法，其中第二衬底包含石英衬底。
61.根据权利要求54-60中任何一个的方法，其中多孔层利用对单晶硅衬底进行阳极氧化的方法来制作。
62.根据权利要求48的方法，其中用将第二衬底键合到组合有微空洞层的第一衬底的表面的方法来制备待要加工的构件。
63.根据权利要求62的方法，其中用将离子注入到单晶硅衬底之中的方法来制备微空洞层。
64.根据权利要求34-63中任何一个的方法，其中用水作为流体。
65.一种半导体衬底的制造方法，它包含下列步骤：
制备组合有多孔层或微空洞层的第一衬底；
将第一衬底键合到第二衬底以制备键合衬底叠层；
用权利要求34-45中任何一个的分离方法，以多孔层或微空洞层作为分离区，将键合衬底叠层分离成第一衬底侧和第二衬底侧；以及
清除留在第二衬底侧上的多孔层或微空洞层。
66.根据权利要求65的方法，还包含在键合衬底叠层被分离之后，清除留在第一衬底侧上的多孔层或微空洞层以便重新使用第一衬底的步骤。
67.根据权利要求65的方法，其中用对半导体衬底进行阳极氧化的方法来制作多孔层。
68.根据权利要求65的方法，其中用在半导体衬底中注入离子的方法来制作微空洞层。
69.一种用权利要求65-68中任何一个的方法制作的半导体衬底。
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