CN1264920A - 分离装置、分离方法及制造半导体衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
通过键合单晶硅层形成于多孔层上和绝缘层形成于单晶硅层上的第一衬底与第二衬底得到键合衬底叠片,在多孔层分离该键合衬底叠片时,防止了分离的衬底的外围发生锯齿缺陷。在一个方向(R)绕轴(C)使键合衬底叠片(30)旋转的同时,从喷嘴(112)喷射流体,并注入到键合衬底叠片(30)的多孔层,从而在多孔层将键合衬底叠片(30)分成两个衬底。在分离键合衬底叠片(30)的外围部分时,喷嘴(112)位于范围(B)内。
Description
本发明涉及一种部件分离装置和方法及制造半导体衬底的方法。
具有SOI(绝缘体上的硅)结构的衬底(SOI衬底)已知为绝缘层上具有单晶Si层的衬底。利用这种SOI衬底的器件具有许多利用普通Si衬底所不能得到的优点。以下是这些优点的例子。
(1)由于容易介质隔离，所以可以提高集成度。
(2)可以提高耐辐射性。
(3)由于杂散电容小，所以可以提高器件的工作速度。
(4)不需要阱步骤。
(5)可以防止闩锁。
(6)通过薄膜形成，可以形成完全耗尽型场效应晶体管。
由于SOI衬底具有上述种种优点，对其形成方法的研究已进行了几十年。
关于一种SOI技术，长时间来只知道一种Si利用CVD(化学汽相淀积)法异质外延生长于单晶兰宝石衬底上的SOS(兰宝石上的硅)技术。这种SOS技术已经成为最成熟的SOI技术。然而，例如由于晶格失配，在Si层和底层兰宝石衬底间的界面处产生了大量晶体缺陷，构成兰宝石衬底的铝混在Si层中，这种衬底昂贵，且不能获得大面积，所以到目前为止，SOS技术仍不能实用。
SOS技术后，出现了利用掩埋氧化层的SOI技术。关于这种SOI技术，检查了种种方法来减少晶体缺陷或降低制造成本。这些方法包括在衬底中离子注入氧从而形成掩埋氧化层的SIMOX(离子注入氧分离)法，通过氧化膜键合两晶片，并抛光或腐蚀一个晶片从而在氧化膜上留下薄单晶硅层的方法，从具有氧化膜的Si衬底表面离子注入氢到一定深度，将该衬底与另一衬底键合，通过加热等在氧化膜上留下薄单晶硅层，并剥离键合衬底中的一个(另一衬底)的方法。
本申请人在日本专利申请公开5-21338中公开了一种新SOI技术。按该技术，在具有多孔层的单晶半导体衬底上形成无孔单晶层(包括单晶硅层)，得到第一衬底，将第一衬底通过绝缘层(SiO2)键合到第二衬底上。然后，在多孔层分离衬底，从而将无孔单晶层转移到第二衬底上。由于该SOI层的膜厚均匀性好，可以降低SOI层的晶体缺陷密度，SOI层的表面平面性好，不需要昂贵的特殊规格的制造设备，且可以利用单一制造设备制造具有几百埃到10微米厚的SOI膜的SOI衬底，所以很有益。
本申请人在日本专利公开7-302889中公开了一种技术，键合第一和第二衬底，不使第一衬底破裂地分离第一和第二衬底，使分离的第一衬底表面光滑，在第一衬底上形成多孔层，并再利用该衬底。由于不浪费第一衬底，所以该技术在极大降低制造成本和简化制造工艺方面很有利。
例如，在日本专利公开5-21338中公开的方法中，即通过绝缘层键合多孔层上具有无孔单晶Si层的第一衬底和第二衬底得到键合衬底，在多孔层分离键合衬底，从而将形成于第一衬底侧上的无孔层转移到第二衬底上，分离键合衬底叠片的技术非常重要。
例如，在分离键合衬底叠片时，如果在除作分离层的多孔层外的部分分离，则将用作有源层的无孔层(例如单晶硅层)会破裂，所以不能得到所需要的SOI衬底。
本发明考虑到上述情况，其目的是防止在分离盘形部件例如键合衬底叠片时产生任何缺陷。
根据本发明的的第一方面，提供一种分离其内具有分离层的盘形部件的分离装置，其特征在于包括：固定机构，用于固定盘形部件，同时绕垂直于分离层的轴旋转盘形部件，流体喷射部分，用于将流体流注入到由固定部分固定的盘形部件的分离层，从而利用流体在分离层分离盘形部件，其中在分离盘形部件的外围部分时，盘形部件的旋转方向、流体的运动方向和喷射部分的位置保持满足以下条件，即，在流体注入到盘形部件的位置，盘形部件速度的运动方向分量为负值。
在根据本发明第一方面的分离装置中，例如，在分离盘形部件的外围部分时，喷射部分较好是喷射具有一定压力的流体，在该压力下，盘形部件的最外围部分因注入到盘形部件中的流体，从内向外分离。
根据本发明第一方面的分离装置较好还包括例如控制部分，用于控制从喷射部分喷射的流体的压力。
在根据本发明第一方面的分离装置中，控制部分较好是例如根据分离处理的进展改变流体的压力。
根据本发明第一方面的分离装置较好还包括例如驱动机构，用于使喷射部分沿分离层运动。
在根据本发明第一方面的分离装置中，例如，在分离盘形部件的外围部分时，驱动机构较好是调节喷射部分的位置，以便流体注入到外围部分中，在分离盘形部件中心时，驱动机构较好是调节喷射部分的位置，使流体注入到中心。
在根据本发明第一方面的分离装置中，分离层例如较好是比盘形部件的其余部分更易碎。
在根据本发明第一方面的分离装置中，分离层例如较好是多孔层。
在根据本发明第一方面的分离装置中，分离层例如较好是具有多层结构的多孔层。
根据本发明的第二方面，提供一种分离其内具有分离层的盘形部件的分离装置，其特征在于，包括：固定部分，用于固定盘形部件，流体喷射部分，用于将流体流注入到由固定部分固定的盘形部件的分离层，从而利用流体在分离层分离盘形部件，其中在分离盘形部件的外围部分时，分离处理在以下条件下进行，即，盘形部件的最外围部分因注入到盘形部件中的流体，从内向外分离。
在根据本发明第二方面的分离装置中，固定部分例如较好是具有旋转机构，用于固定盘形部件，同时旋转盘形部件。
根据本发明的第三方面，提供一种分离方法，其步骤是：绕垂直分离层的轴旋转其内具有分离层的盘形部件，从喷射部分喷射流体流到分离层中，从而利用流体在分离层分离盘形部件，其特征在于，包括外围部分分离步骤，该步骤中，在盘形部件的旋转方向、流体的运动方向和喷射部分的位置保持满足以下条件，即，假定流体的运动方向为正方向，在流体注入到盘形部件的位置，盘形部件外围部分速度的运动方向分量为负值时，分离盘形部件的外围部分。
按根据本发明第三方面的分离方法中，外围部分分离步骤较好是例如包括从喷射部分喷射具有一定压力的流体，在该压力下，盘形部件的最外围部分因注入到盘形部件中的流体，从内向外分离。
根据本发明第三方面的分离方法较好还包括例如控制步骤，控制从喷射部分喷射的流体的压力。
按根据本发明第三方面的分离方法，分离层例如较好是比盘形部件的其余部分更易碎。
按根据本发明第三方面的分离方法，分离层例如较好是多孔层。
按根据本发明第三方面的分离方法，分离层例如较好是具有多层结构的多孔层。
根据本发明第四方面，提供一种分离方法，其步骤为：固定其内具有分离层的盘形部件，从流体喷射部分将流体流注入到分离层，从而利用流体在分离层分离盘形部件，其特征在于，包括外围部分分离步骤，该步骤中，在以下条件下分离盘形部件的外围部分，即，盘形部件的最外围部分因注入到盘形部件中的流体，从内向外分离。
按根据本发明第四方面的分离方法，外围部分分离步骤较好是包括例如在绕垂直于分离层的轴旋转盘形部件的同时进行分离处理。
根据本发明第五方面，提供一种制造半导体衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：制备其内具有多孔层和多孔层上的无孔层的第一衬底；通过无孔层键合第一衬底和第二衬底，形成键合衬底叠片；在绕垂直于多孔层的轴旋转键合衬底叠片，并喷射流体流，将流体注入到多孔层的同时，在多孔层将键合衬底叠片分离成两个衬底，其中分离步骤包括外围部分分离步骤，该步骤中，在键合衬底叠片的旋转方向、流体的运动方向和喷射部分的位置保持满足以下条件，即，在流体注入到键合衬底叠片的位置，键合衬底叠片速度的运动方向分量为负值时，分键合衬底叠片的外围部分。
根据本发明第六方面，提供一种制造半导体衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：制备其内具有多孔层和多孔层上的无孔层的第一衬底；通过无孔层键合第一衬底和第二衬底，形成键合衬底叠片；在绕垂直于多孔层的轴旋转键合衬底叠片，并喷射流体流，将流体注入到多孔层的同时，在多孔层将键合衬底叠片分离成两个衬底，其中分离步骤包括外围部分分离步骤，该步骤中，在以下条件下分离键合衬底叠片的外围部分，即，键合衬底叠片的最外围部分因注入到键合衬底叠片中的流体，从内向外分离。
从以下结合附图对本发明实施例的详细介绍中，可以更清楚本发明的其它目的、特点和优点。
图1A-1E是介绍根据本发明一个优选实施例的制造SOI衬底的各步骤的剖面图；
图2是展示本发明的该优选实施例的分离装置的配置的示图；
图3是展示本发明的该优选实施例的分离装置的配置的示图；
图4是展示利用自动驱动装置驱动的喷嘴的运动路径的示图；
图5是介绍适用于分离键合衬底叠片的外围部分的键合衬底叠片的旋转方向(键合晶片对的旋转方向)、流体喷射方向、和第一操作位置(喷嘴的位置)间关系的示图；
图6是示意性展示不满足外围部分分离条件时键合衬底叠片的分离过程的示图；
图7是示意性展示满足外围部分分离条件时键合衬底叠片的分离过程的示图；
图8是示意性展示图7所示键合衬底叠片的沿线S-S’取的剖面的示图；
图9是展示调节衬底固定部分之间间隔的调节机构的第一配置的示图；
图10是展示调节衬底固定部分之间间隔的调节机构的第二配置的示图；
图11是展示分离处理期间控制喷射压力的实例的曲线图；
图12是展示典型的键合衬底叠片的剖面图。
下面结合附图介绍本发明的优选实施例。
图1A-1E是介绍根据本发明一个优选实施例的制造SOI衬底的各步骤的剖面图。
在图1A所示步骤中，准备单晶Si衬底11，例如利用阳极氧化，在单晶Si衬底11的表面上形成多孔Si层12。多孔Si层12可以是具有不同孔隙率的多层的多层结构。
在图1B所示的步骤中，利用外延生长在多孔Si层12上形成单晶Si层13作为无孔层。氧化单晶Si层13的表面，形成SiO2层14作为无孔绝缘层。利用该工艺，形成第一衬底10。多孔Si层12例如可以利用在单晶Si衬底11中注入离子的方法(离子注入)形成。利用该方法形成的多孔Si层具有多大量微腔，因此称作微腔层。
在图1C所示步骤中，制备单晶Si衬底作为第二衬底20。在室温下使第一衬底10和第二衬底20彼此紧密接触，同时使第一衬底10的SiO2层14与第二衬底20相对。此后，通过阳极化键合、加压、加热或它们的组合，键合第一衬底10和第二衬底20。利用该工艺，形成第二衬底20与SiO2层14牢固键合的键合衬底叠片30。如上所述，SiO2层14可以形成于单晶Si层13上。或者，绝缘层14可以形成于第二衬底20上或两个衬底上，只要在使第一和第二衬底彼此紧密接触时，能够得到图1C所示状态便可。
在图1D所示步骤中，在多孔Si层12分离键合衬底叠片30。第二衬底侧(10”+20)具有由多孔Si层12”/单晶Si层13/绝缘层14/单晶Si衬底20构成的多层结构。第一衬底侧(10’)具有多孔Si层12’形成于单晶Si衬底11上的结构。
去掉其余的多孔Si层12’，并根据需要平面化多孔Si层12’的表面后，分离的第一衬底(10’)用作第二衬底20或用于再形成第一衬底10的单晶Si衬底11。
分离了键合衬底叠片30后，在图1E所示步骤中，选择性去掉第二衬底侧(10”+20)表面上的多孔层12”。利用该工艺，得到具有由单晶Si层13/绝缘层14/单晶Si衬底20构成的多层结构的衬底即SOI衬底。
在该实施例中，在图1D所示步骤中，即在分离键合衬底叠片30的步骤中，采用一种分离装置，它向作为分离层的多孔层喷射高压液体或气体(流体)，从而在分离区将衬底分成两个衬底。
(分离装置的基本配置)
该分离装置采用水射流法。一般情况下，水射流法向工件喷射高速、高压水流，例如切割或处理陶瓷、金属、混凝土、树脂、橡胶或木头等，从表面上去掉涂层膜，或清洁表面(“水射流”第1卷，第1期，第4页(1984))。
该分离装置在键合衬底叠片的平面方向，向作为键合衬底叠片的易碎结构的多孔层(分离区)，喷射高速、高压流体流，以选择性使多孔破裂，从而在多孔层分离衬底叠片。该流体流此后将称为“射流”。作为构成射流的流体，可以用水、例如醇等有机溶剂、例如氢氟酸或硝酸等酸、例如氢氧化钾等碱、例如空气、氮气、碳酸气、稀有气体或腐蚀气体等气体、或等离子体。
该分离装置向键合衬底叠片的多孔层(分离层)喷射射流，以便从外围部分到中心部分去掉多孔层。利用该工艺，只去掉了机械强度低的分离区，而不会损伤主体部分，将键合衬底叠片分成了两个衬底。
喷射射流的喷嘴不仅可以采用圆形的，而且可以采用其它各种形状。例如，在采用具有长矩形剖面的槽形喷嘴喷射射流时，射流可有效地喷射到分离层。
射流喷射条件例如可根据分离区(例如多孔层)的类型或键合衬底叠片的形状等确定。关于射流喷射条件，例如加于流体上的压力、射流扫描速度、喷嘴宽度或直径(该直径基本上与射流直径相同)、喷嘴形状、喷嘴与分离层间的距离、和射流的流量等为重要的参数。
为防止损伤衬底，在键合衬底叠片的轴向加的分离力例如较好是每cm2几百gf。
图2是展示根据本发明的该实施例的分离装置的配置的示图。分离装置100在旋转键合衬底叠片30的同时将射流注入到多孔层12中，从而将键合衬底叠片分成两个衬底。
分离装置100具有衬底固定部分108和109，它们具有真空夹盘机构108a和109a。衬底固定部分108和109从两侧夹住键合衬底叠片30并固定之。如上所述，键合衬底叠片30具有多孔层12作为易碎结构，并在多孔层12被分离装置100分离成两个衬底(图1D)。
衬底固定部分108和109位于一个旋转轴上。衬底固定部分108耦合到通过支撑件104由支撑台102旋转轴向支撑的旋转轴106的一端。旋转轴106的另一端耦合到固定于支撑部分110的驱动源(例如电机)110的旋转轴上。被衬底固定部分108真空吸持的键合衬底叠片30在驱动源110产生的旋转力作用下旋转。关于键合衬底叠片30的分离，驱动源110根据来自控制器(未示出)的指令，以设定的旋转速度旋转旋转轴106。
衬底固定部分109耦合到通过支撑件105由支撑部分103滑动且旋转轴向支撑的旋转轴107的一端。旋转轴107的另一端耦合到驱动源(例如电机)111的旋转轴。驱动源110使旋转轴106旋转的速度必须与驱动源111使旋转轴107旋转的速度相匹配，以防止键合衬底叠片30扭曲。
并不是总需要这两个驱动源110和111，可以使用两个驱动源中的任一个。例如，在只用驱动源110时，在分离键合衬底叠片30前，旋转轴106、衬底固定部分108、键合衬底叠片30、衬底固定部分109及旋转轴107整体旋转。在键合衬底叠片30分成两个衬底后，旋转轴107侧上的各单元保持静止。
或者，由一个驱动源产生的旋转力可以枝分，从而利用枝分的旋转力分别使旋转轴106和107旋转。
支撑旋转轴107的支撑部分103具有弹簧113，用于压住键合衬底叠片30。因此，甚至在真空夹持机构108a和109a未吸持键合衬底叠片30时，利用从喷嘴112喷射的射流分离的两个衬底也不掉落。在压住键合衬底叠片30时，在分离期间，可以稳定地固定键合衬底叠片30。
旋转轴106侧也可以具有用于压住键合衬底叠片30的弹簧。
高压泵115接在喷嘴112上。高压泵115为喷嘴112供应高压流体(例如水)，射流从喷嘴112喷射出。从高压泵115加于流体上的压力受压力控制部分116的控制。
分离装置100具有用于驱动喷嘴112的自动驱动装置。图4是展示由该自动驱动装置驱动的喷嘴的运动路径的示图。
自动驱动装置450使距嘴112沿路径410运动。在键合衬底叠片30将被衬底固定部分108和109固定时，或分离的衬底将被从衬底固定部分108和109上取下时，自动驱动装置450使喷嘴112移动到再处理位置403。在键合衬底叠片将被分离时，自动驱动装置450使喷嘴112运动到键合衬底叠片30的多孔层12上。
在该实施例中，为分离键合衬底叠片30的外围部分，喷嘴112位于第一操作位置401，然后，在使喷嘴112从第一操作位置401移到第二操作位置402的同时连续进行分离工艺。
在该实施例中，分离键合衬底叠片30的外围部分期间，键合衬底叠片30的旋转方向(键合晶片对的旋转方向)、流体喷射方向(运动方向)、及第一操作位置401(喷嘴112的位置)保持预定关系。图5是介绍键合衬底叠片30的旋转方向、流体喷射方向、及第一操作位置(喷嘴112的位置)401间的关系的示图。
更具体说，在根据该实施例的分离装置100中，键合衬底叠片30的旋转方向、流体喷射方向、及第一操作位置(喷嘴112的位置)401间的关系确定为，在从喷嘴112喷射的流体注入的位置，键合衬底叠片30的速度由V表示，流体(射流)的运动方向由A表示，此时键合衬底叠片30的速度V(矢量)的A方向分量为负值(|V|cosθ＜0)。该条件以后将称为外围部分分离条件。
更具体说，在流体(射流)在垂直方向(Z轴的反方向)运动时，象该实施例一样，键合衬底叠片30在图5中的箭头R所示的方向旋转，第一操作位置401位于图5所示的范围B内。
如上所述，在键合衬底叠片30的外围部分将在多孔层12分离时，键合衬底叠片30的旋转方向、流体喷射方向和喷嘴112的位置控制为满足外围部分分离条件。这可以有效地防止分离时产生缺陷。
通过比较满足外围部分分离条件时的分离过程与不满足外围部分分离条件时的分离过程，介绍该实施例的特性。
图6是示意性展示不满足外围部分分离条件时键合衬底叠片分离过程的示图。参见图6，“分离的区”是指已经分离的区，“未分离区”是指还未分离的区(图7中也同样适用)。
在不满足外围部分分离条件下分离键合衬底叠片30时，在键合衬底叠片30的外围部分，单晶Si层13从绝缘层14上剥离。外围部分处的单晶硅层13破裂。如果这种现象间歇地发生在分离过程中，则会产生单晶Si层13以锯齿形破裂的缺陷部分(锯齿缺陷)，如图6所示。
其原因估计如下。在不满足外围部分分离条件时，从喷射部分112喷射的流体总是与键合衬底叠片30的最外围部分碰撞，从外侧使该部分破裂。
在键合衬底叠片30中，形成于多孔层12上的单晶Si层13或绝缘层14常覆盖键合衬底叠片30的最外围部分，如图12所示。
然而，从外部注入到键合衬底叠片30的流体不总是容易使最外围部分的单晶Si层13和绝缘层14破裂，并到达多孔层12。
即，由于从外部注入到键合衬底叠片30的流体使单晶Si层13和绝缘层14间的界面破裂，并因此使单晶Si层13从绝缘层14上剥离，所以可能会产生锯齿缺陷。
图7是示意性展示满足外围部分分离条件下键合衬底叠片分离过程的示图。键合衬底叠片的旋转方向与图6所示的实例相反。
在满足外围部分分离条件时，未产生锯齿缺陷。尽管并不十分清楚原因，但据估计这是由于以下原因造成的。
在满足外围部分分离条件，并且键合衬底叠片30的外围部分将被分离时，注入到键合衬底叠片30的最外围部分内的多孔层12的流体使最外围部分的多孔层12从内向外破裂，分离起始位置除外。由于容易只使具有最易碎结构的作为分离层的多孔层12破裂，所以分离不会沿单晶Si层13和绝缘层14的界面进行。
图8是示意性展示图7所示键合衬底叠片的沿线S-S’取的剖面的示图。如图8中的箭头所示，由于通过已分离部分注入的流体，压力作用于键合衬底叠片30的最外围部分内，因而撕裂了多孔层12。键合衬底叠片30的分离不仅向内而且向外发展。
用直径为0.1mm的喷嘴112，分离每个都具有包括两层结构的多孔层12的键合衬底叠片，所说两层结构的上层4.5微米厚，下层2微米厚。在射流压力为500kgf/cm2或更大时，任何样品中都没有发生锯齿缺陷。在射流压力为400kgf/cm2时，有些样品中具有锯齿缺陷。不用上述条件对多孔层12进行实验。在用直径为0.15mm的喷嘴分离键合衬底叠片，且射流压力例如大于1500kgf/cm2时，在该射流压力下，有些衬底龟裂。因此，对于多孔层12用上述条件，在射流压力太高时，衬底会龟裂。
结果，可以有效地利用具有允许键合衬底叠片的最外围部分从内向外分离，且不会使衬底龟裂的预定范围压力的射流，可以防止缺陷。
据推测，这种结果会根据例如包括多孔层12的孔隙率、层叠的层数、厚度等多孔层结构、衬底11和第二衬底的厚度、单晶Si层13的厚度、绝缘层14的厚度、射流注入位置、及喷嘴的直径等不同因素改变。
下面再介绍一下装置100的配置。分离装置100还具有调节衬底固定部分108和衬底固定部分109间的间隔的调节机构。下面介绍该调节机构的配置的实例。
图9是展示该调节机构的第一配置实例的示图。图9所示调节机构采用了气缸122。气缸122例如固定到支撑部分103上，通过活塞棒121使驱动源111运动。为在分离装置100中设置键合衬底叠片30，控制气缸122，使驱动源111在衬底固定部分108和衬底固定部分109间的间隔增大的方向上(X轴的正向)运动。这种状态下，键合衬底叠片30插在衬底固定部分108和109之间。在取消气缸122对活塞棒121的驱动后，衬底固定部分109借弹簧113的作用压住键合衬底叠片30。
图10是展示该调节机构的第二配置实例的示图。图10所示的调节机构采用了偏心凸轮131和电机。偏心凸轮131耦合到电机(未示出)上，用于通过使耦合到电机111的背端的驱动板132运动，调节衬底固定部分109和109间的间隔。如上所述，由于弹簧113的缘故，X轴反方向上的力作用于旋转轴107。在固定键合衬底叠片30时，偏心凸轮131和驱动板132间形成间隙。因此，在固定键合衬底叠片30时，压力作用于键合衬底叠片30上。
可以在衬底固定部分108侧设置另一调节衬底固定部分108和109间的间隔的机构。
下面介绍利用分离装置100进行键合衬底叠片分离处理的情况。
为将键合衬底叠片30设置于分离装置100中，首先，例如通过自动传送装置将键合衬底叠片30传送到衬底固定部分108和109之间，并固定，同时使键合衬底叠片30的中心与衬底固定部分108和109的中心匹配。衬底固定108真空吸持键合衬底叠片30。
衬底固定部分109利用弹簧113的力压住键合衬底叠片30。更具体说，在用图9所示的调节机构作调节机构，调节衬底固定部分108和109间的间隔后，取消利用气缸122对活塞棒121的驱动。在采用图10的调节机构作为调节机构时，偏心凸轮131旋转，使弹簧113的压力作用于键合衬底叠片30上。
在进行分离处理时，真空吸持机构108a和109a或者真空吸持或者不吸持键合衬底叠片30。这是由于键合衬底叠片30已借弹簧113的压力固定了的缘故。然而，如果该压力弱，则键合衬底叠片30较好是被真空吸持。
接着，利用驱动源110和111，使旋转轴106和107同步旋转。注意，旋转方向为图5所示的方向，即，在第一操作位置401整体地分离键合衬底叠片30的外围部分时，满足外围部分分离条件的方向。
从高压泵115为喷嘴112提供高压流体(例如水)，同时由压力控制部分116控制压力。喷嘴112喷射高速、高压射流。
喷嘴112在自动驱动装置450的作用下，从再处理位置403运动到第一操作位置401。射流注入到键合衬底叠片30的多孔层12附近的部分。这种状态下，处理持续到键合衬底叠片30旋转一转或多转，且键合衬底叠片30的外围部分完全分离为止。此后，喷嘴112在自动驱动装置450的作用下，逐渐运动到第二操作位置402。第二操作位置402是靠近或穿过键合衬底叠片30中心正上方的的位置。在喷嘴112运动到第二操作位置402的同时，完成了键合衬底叠片30分离成两个衬底的操作。
接着，如图3所示，在保持注入到键合衬底叠片30的射流的同时，实际分离的两个衬底彼此隔开。更具体说，例如，在用图9所示的调节机构作调节衬底固定部分108和109间的间隔的调节机构时，在保持衬底被衬底固定部分108和109真空吸持的同时，气缸122在X轴的正向(弹簧113接触的方向)驱动活塞121。在用图10所示的调节机构作调节机构时，在保持衬底被衬底固定部分108和109真空吸持的同时，偏心凸轮131枢轴旋转，在X轴的正向(弹簧113接触的方向)驱动旋转轴107。
如图3所示，在两个分离的衬底彼此完全分开后，自动驱动装置450使喷嘴112运动到备用位置403。
射流的喷射停止，例如利用自动传送装置，从衬底固定部分108和109上取下各衬底。
在上述分离处理中，可以在改变射流压力的同时分离键合衬底叠片30。这样做的理由如下。
分离键合衬底叠片30的射流压力在键合衬底叠片30的各区的各单元中不同。例如，作用于键合衬底叠片30的外围部分的分离力与用作于中心部分的力不同。即，分离需要的射流压力在外围部分和中心部分变化。如果利用预定射流压力分离键合衬底叠片30，则在分离处理期间总是采用高压射流。这种情况下，键合衬底叠片或分离的衬底极可能龟裂或受损伤，结果造成了低成品率。
为解决该问题，可以降低分离区的机械强度。然而，如果分离区制作得太易碎，在键合两衬底(第一和第二衬底)、清洗和其它处理中，分离区易破裂。难以制造所需质量的衬底。此外，破裂的分离区会产生颗粒，污染制造装置等。
图11是展示分离处理期间射流压力的控制的实例的曲线图。更具体说，根据图11所示的控制程序，压力控制部分116控制高压泵115产生的压力(射流压力)。
在图11所示的实例中，射流压力调节分三个阶段。在周期T1，在保持喷嘴112位于操作位置401的同时，分离键合衬底叠片30的外围部分。在该周期T1，由于注入到键合衬底叠片30的流体容易排出，所以射流压力设定为较高，分离力几乎不作用于键合衬底叠片30上。
在周期T2，在使喷嘴112运动到第二操作位置402的同时，分离键合衬底叠片30的外围部分和中心部分间的中间部分(简称为中间部分)。在该中间部分，由于射流穿过键合衬底叠片30的内部，流体(射流)的速率降低。由于流体与多孔层12的碰撞的冲击产生的分离键合衬底叠片30的作用减弱。然而，中间部分有几条注入到键合衬底叠片30中的流体排出的路径。为此，由于注入到键合衬底叠片30中的流体的压力产生的分离力增大，主要通过该分离力分离键合衬底叠片30。
在周期T3，分离键合衬底叠片30的中心。在分离部分接近中心部分时，键合衬底叠片30的分离的部分翘曲，流体排放的路径增加。流体压力变得比中间部分分离期间低，分离力就变小。因此，在中心部分，流体的压力较好是设定为高于中间部分分离期间的压力。
关于将利用分离装置100分离的部件，只介绍了图1A-1E所示制造方法所制造的键合衬底叠片30。然而，分离装置100不仅适用于分离键合衬底叠片30，而且适用于分离具有分离层的盘形部件。即，键合衬底叠片30可认为是具有分离层的盘形部件的较好实例。盘形部件还包括具有定向面或槽的衬底。
(实例)
下面介绍本发明的优选实例。
分两步，在HF溶液中阳极氧化电阻率为0.01Ω.cm的第一P型或N型单晶Si衬底11，形成具有两层结构的多孔层12(图1A所步骤)。阳极氧化条件如下。
(第一阳极氧化)
电流密度：7(mA/cm2)
阳极氧化溶液：HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1
时间：10(分钟)
第一多孔Si厚度：4.5(微米)
(第二阳极氧化)
电流密度：20(mA/cm2)
阳极氧化溶液：HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1
时间：2(分钟)
第二多孔Si厚度：2(微米)
多孔Si层12的两层的作用不同，利用小电流阳极氧化首先形成的表面多孔Si层用于形成高质量硅层，利用大电流阳极氧化形成的下多孔Si层(具有较大孔隙率)用作分离层。小电流下形成的多孔Si层的厚度并不限制为上述厚度(4.5微米)，但较好是几百到0.1微米。在大电流下形成的多孔Si层也不限于上述厚度，或者，只需要保证允许在射流的作用下分离键合衬底叠片30的厚度便可。
形成第二多孔层后，可以形成具有不同孔隙率的第三和以后的各层。
在400℃氧气氛中，氧化该衬底1小时。由于该氧化，多孔Si层中的孔内壁覆盖上热氧化膜。用氢氟酸处理该多孔Si层的表面，只去掉多孔层表面上的氧化膜，同时保留孔内壁上的氧化膜。然后，利用CVD(化学汽相淀积)法，在多孔Si层12上外延生长0.3微米厚的单晶Si层13。生长条件如下。
源气；SiH2Cl2/H2
气体流量：0.5/180(l/分钟)
气压：80(乇)
温度：900(℃)
生长速率：0.3(微米/分钟)
在外延Si层13的表面上，热氧化形成200nm厚的氧化膜(SiO2层)作为绝缘层(图1B的步骤)。
该衬底和独立制备的第二Si衬底20叠置，使SiO2层14的表面与第二Si衬底20的表面相对后，在1100℃退火1小时，键合两衬底(图1C所示的步骤)。
利用图2所示的分离装置100分离按上述方式形成的键合衬底叠片30(图1D所示的步骤)。下面具体介绍。
首先，键合衬底叠片30垂直支撑于衬底固定部分108和109之间。衬底固定部分109借弹簧113的力压住键合衬底叠片30。这种状态下，真空夹盘机构108a和109a将键合衬底叠片30真空吸持于衬底固定部分108和109上。
通过驱动源110和111，分别使旋转轴106和107同步旋转。旋转方向设定为图5所示的方向，即，在第一操作位置401分离键合衬底叠片30的外围部分时，满足外围部分分离条件的方向。
从高压泵115为喷嘴112提供作为流体的水，该过程持续到射流稳定。在射流压力控制部分116的控制下，射流压力设定为500kgf/cm2。在该实例中，采用直径为0.1mm的喷嘴112。
射流稳定后，自动驱动装置450将喷嘴112从再处理位置403运动到第一操作位置401。外围部分分离条件满足，这种状态下，开始键合衬底叠片30的外围部分的分离。
在图11所示的高压泵115的控制下分离继续进行。在分离开始后0-20秒内，在保持射流压力为500kgf/cm2，保持喷嘴112固定于第一操作位置401的同时，分离键合衬底叠片30的外围部分。
在从分离开始过去20秒，并且完全分离了键合衬底叠片30的外围部分后，分离处理继续进行，同时利用自动驱动装置450，将喷嘴112从第一操作位置401移动到第二操作位置402。在分离开始后20-80秒间，射流压力保持200kgf/cm2。在分离开始后80-100秒间，射流保持在400kgf/cm2。
利用上述工艺，键合衬底叠片30分离成两个衬底，同时不会在外围部分产生任何锯齿缺陷等。利用上述方法制备大量键合衬底叠片30，所以键合衬底叠片30都没有缺陷。在键合衬底叠片30的旋转方向相反，即，在不满足外围部分分离条件下分离键合衬底叠片30时，有些键合衬底叠片30具有缺陷。
接着，利用49％的氢氟酸和30％的过氧化氢混合溶液，选择性腐蚀转移到两个分离的衬底的第二衬底上的多孔Si层(图1E所示的步骤)。单晶Si层用作腐蚀停止层。选择性腐蚀多孔Si层并完全去掉之。
上述腐蚀剂对于无孔Si层的腐蚀率很低。多孔Si与无孔Si的腐蚀选择率为103或更大。因此，实际应用时，无孔单晶Si层13的腐蚀量(约为几十埃)可以忽略不计。
利用上述工艺，可以形成在绝缘层14上具有0.2微米厚单晶Si层13的SOI衬底。选择性腐蚀了多孔Si层后，在整个表面上100个点处测量单晶Si层13的膜厚。膜厚为201nm±4nm。
用透射电子显微镜观察剖面，单晶Si层中没有显示出晶体缺陷，表明保持了令人满意的结晶度。
在1100℃氢中对所得结构退火1小时后，用原子力显微镜评价表面粗糙度。50微米几方内的均方根粗糙度约为0.2nm。这几乎等于市售Si晶片的粗糙度。
甚至在外延层的表面上不形成绝缘层，而在第二衬底的表面上或两个衬底的表面都形成绝缘层时，可以得到与上述相同的结果。
利用49％的氢氟酸和30％的过氧化氢的混合水溶液，边搅拌溶液边选择性腐蚀留在第一衬底侧的多孔硅层。在利用氢退火处理或表面抛光所得结构的表面后，该衬底可再用作第一或第二衬底。
根据本发明，在分离例如键合衬底叠片等盘形部件时，可以防止产生缺陷。
本发明不限于上述实施例，在本发明的精神和范围内，可以做出不同的变化和改进。因此，为告知本发明的范围，提出以下权利要求书。
Claims (21)
1.一种分离其内具有分离层(12)的盘形部件(30)的分离装置(100)，其特征在于：
包括：固定机构(108，109)，在绕垂直于分离层(12)的轴旋转盘形部件(30)时用于固定盘形部件，
流体喷射部分(112)，用于将流体流注入到由所说固定部分(108，109)固定的盘形部件(30)的分离层(12)，从而利用流体在分离层(12)分离盘形部件(30)，
其中在分离盘形部件(30)的外围部分时，盘形部件(30)的旋转方向、流体的运动方向和所说喷射部分(112)的位置保持满足以下条件，即，假定流体的运动方向为正方向，在流体注入到盘形部件(30)的位置，盘形部件(30)外围部分速度的运动方向分量为负值。
2.根据权利要求1的分离装置，其特征在于，在分离盘形部件(30)的外围部分时，所说喷射部分(112)喷射具有一定压力的流体，在该压力下，盘形部件(30)的最外围部分因注入到盘形部件(30)中的流体从内向外分离。
3.根据权利要求1的分离装置，其特征在于还包括控制部分(116)，用于控制从所说喷射部分(112)喷射的流体的压力。
4.根据权利要求3的分离装置，其特征在于，所说控制部分(116)根据分离处理的进展改变流体的压力。
5.根据权利要求1到4中任一项的分离装置，其特征在于，还包括驱动机构(450)，用于使所说喷射部分(112)沿分离层(12)运动。
6.根据权利要求5的分离装置，其特征在于，在分离盘形部件(30)的外围部分时，所说驱动机构(450)调节所说喷射部分(112)的位置，以便流体注入到外围部分中，在分离盘形部件(30)的中心时，所说驱动机构(450)调节所说喷射部分(112)的位置，使流体注入到中心。
7.根据权利要求1到6中任一项的分离装置，其特征在于，分离层(12)比盘形部件(30)的其余部分更易碎。
8.根据权利要求1到6中任一项的分离装置，其特征在于，分离层(12)是多孔层。
9.根据权利要求1到6中任一项的分离装置，其特征在于，分离层(12)是具有多层结构的多孔层。
10.一种分离其内具有分离层(12)的盘形部件(30)的分离装置(100)，其特征在于，包括：
固定部分(108，109)，用于固定盘形部件(30)，
流体喷射部分(112)，用于将流体流注入到由所说固定部分(108，109)固定的盘形部件(30)的分离层(12)，从而利用流体在分离层(12)分离盘形部件(30)，
其中在分离盘形部件(30)的外围部分时，分离处理在以下条件下进行，即，盘形部件(30)的最外围部分因注入到盘形部件(30)中的流体从盘形部件(30)的内部向外部分离。
11.根据权利要求10的分离装置，其特征在于，所说固定部分(108，109)具有旋转机构(110，111)，在旋转盘形部件(30)时用于固定盘形部件(30)。
12.一种分离方法，其步骤是：绕垂直分离层(12)的轴旋转其内具有分离层(12)的盘形部件(30)，从喷射部分(112)喷射流体流到分离层(12)中，从而利用流体在分离层(12)分离盘形部件(30)，其特征在于，包括：
外围部分分离步骤，该步骤中，在盘形部件(30)的旋转方向、流体的运动方向和所说喷射部分(112)的位置保持满足以下条件，即，在流体注入到盘形部件(30)的位置，盘形部件(30)速度的运动方向分量为负值时，分离盘形部件(30)的外围部分。
13.根据权利要求12的分离方法，其特征在于，外围部分分离步骤包括从所说喷射部分(112)喷射具有一定压力的流体，在该压力下，盘形部件(30)的最外围部分因注入到盘形部件(30)中的流体从内向外分离。
14.根据权利要求12的分离方法，其特征在于，还包括控制步骤，控制从所说喷射部分(112)喷射的流体的压力。
15.根据权利要求12-14中任一项的分离方法，其特征在于，分离层(12)比盘形部件(30)的其余部分更易碎。
16.根据权利要求12-14中任一项的分离方法，其特征在于，分离层(12)是多孔层。
17.根据权利要求12-14中任一项的分离方法，其特征在于，分离层(12)是具有多层结构的多孔层。
18.一种分离方法，其步骤为：固定其内具有分离层(12)的盘形部件(30)，从流体喷射部分(112)喷射流体流，将流体流注入到分离层(12)，从而利用流体在分离层(12)分离盘形部件(30)，其特征在于，包括：
外围部分分离步骤，该步骤中，在以下条件下分离盘形部件(30)的外围部分，即，盘形部件(30)的最外围部分因注入到盘形部件(30)中的流体从盘形部件(30)的内部向外部分离。
19.根据权利要求18的分离方法，其特征在于，外围部分分离步骤包括在绕垂直于分离层(12)的轴旋转盘形部件(30)的同时进行分离处理。
20.一种制造半导体衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备其内具有多孔层(12)和多孔层上的无孔层(13，14)的第一衬底(10)的步骤(图1A和1B)；
通过无孔层(13，14)键合第一衬底(10)和第二衬底(20)，形成键合衬底叠片(30)的步骤(图1C)；
在绕垂直于多孔层(12)的轴旋转键合衬底叠片(30)，并喷射流体流，将流体注入到多孔层(12)的同时，在多孔层(12)将键合衬底叠片(30)分离成两个衬底的步骤(图1D)，
其中分离步骤(图1D)包括外围部分分离步骤，该步骤中，在键合衬底叠片(30)的旋转方向、流体的运动方向和所说喷射部分(112)的位置保持满足以下条件，即，在流体注入到键合衬底叠片(30)的位置，键合衬底叠片速度的运动方向分量为负值时，分离键合衬底叠片(30)的外围部分。
21.一种制造半导体衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备其内具有多孔层(12)和多孔层上的无孔层(13，14)的第一衬底(10)的步骤(图1A，1B)；
通过无孔层(13，14)键合第一衬底(10)和第二衬底(20)，形成键合衬底叠片(30)的步骤；
在喷射流体流，将流体注入到多孔层(12)的同时，在多孔层(12)将键合衬底叠片(30)分离成两个衬底的步骤(图1D)，
其中分离步骤(图1D)包括外围部分分离步骤，该步骤中，在以下条件下分离键合衬底叠片(30)的外围部分，即，键合衬底叠片(30)的最外围部分因注入到键合衬底叠片(30)中的流体从键合衬底叠片(30)的内部向外部分离。
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