JP5472861B2 - 基板から層をへき開する方法及びデバイス - Google Patents
基板から層をへき開する方法及びデバイス Download PDFInfo
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Description
本発明は、基板のへき開に関し、特に、超音波エネルギーを使用することにより、基板のへき開を改善するプロセスに関する。
イオン注入機は、ガス又は固体を、好適に規定されたイオンビームへと変換するためのイオン源を含む。典型的なイオンビームでは、質量分析により望ましくないイオン種が取り除かれ、所望のエネルギーにまで加速されて、ターゲットに注入される。静電又は電磁ビーム走査により、又はビーム走査とターゲットの動きとの組み合わせにより、イオンビームをターゲット領域に分布させてもよい。イオンビームは、長い寸法及び短い寸法を有するスポットビーム又はリボンビームであってもよい。
イオン種の注入により、基板をへき開することができる。イオン種は、基板材料中に、微小気泡を生成する。この微小気泡は、ガスのポケット又は基板の表面下の注入種の領域であり、基板に、弱められた層又は多孔層を形成するために生成される場合がある。そして、後に実施される、熱、流体、化学又は機械力のプロセスを利用して、弱められた層又は多孔層に沿って、基板を２つの層に分離する。
例えば、水素又はヘリウムを使用して、キャビテーションを誘起してもよいし、又は、微小気泡によって、基板の所定の深さに空洞を形成してもよい。注入後の熱処理を利用して、水素又はヘリウムを集塊してもよい。水素又はヘリウムの塊によって、微小気泡によって形成された空洞内の圧力が高められる。基板を別の基板に接着した後に生じるようなせん断力によって、基板がへき開し、薄い層が剥離される。薄い層の厚さは、注入された水素又はヘリウムの深さで決まる。
微小気泡が存在する基板で、オストワルド熟成が起こる場合もある。オストワルド熟成は、大きな粒子は、小さな粒子よりも、より安定しているため、大きな粒子が、小さな粒子からの物質を引き付けることにより、大きな粒子が成長する熱力学的プロセスである。例えば、微小気泡のような粒子の表面に存在する原子又は分子は、粒子内部に存在する規則正しく整列した原子又は分子よりも、エネルギー的に不安定である。これは、粒子の表面に存在する原子又は分子は、隣接原子又は隣接分子の最大数と結合していないことが一因であり、粒子内部に存在する原子又は分子よりも高いエネルギー状態にある。この表面に存在する未結合の原子又は分子により、表面エネルギーが引き上げられている。大きな表面体積比を有する大きな粒子は、より低い表面エネルギーを有する。表面エネルギーを下げるには、小さく不安定な粒子表面の原子又は分子を拡散し、大きく安定した粒子表面へと付着させることが考えられる。小さな粒子が縮むと、全表面積が小さくなり、その結果、表面エネルギーも小さくなる。したがって、小さな粒子は縮み続け、大きな分子は成長し続ける。
図１は、基板におけるオストワルド熟成を示したものである。図１は、単なる説明図に過ぎず、実寸ではない。ｘ１及びｘ２で構成される線は、図１及び図２との比較のために設けられている。基板１３８で微小気泡１００を生成する種は、小さな微小気泡１０１及び大きな微小気泡１０２を生成する。大きな表面体積比及び低い表面エネルギーを有することから、大きな微小気泡１０２は、小さな微小気泡１０１より安定している。表面エネルギーを下げるには、小さな微小気泡１０１を、大きな微小気泡１０２へと拡散させる。全体的に見ると、小さな微小気泡１０１は縮小し、大きな微小気泡１０２は成長することになる。微小気泡１００の種の中には、基板１３８の外に拡散してしまうもの、又は、小さな微小気泡１０１が複数同時に拡散して、１つの大きな微小気泡１０２を形成するものが存在する。オストワルド熟成及び拡散は、線１０３で表される弱められた層又は多孔層に沿って、基板１３８がへき開される時の基板に対して影響を与える。
図２は、図１の基板がへき開された後の様子を示している。図１に示した基板１３８は、線１０３で表される弱められた層又は多孔層に沿って、へき開される。図２に示すように、種のオストワルド熟成及び拡散により、表面に大きな凹凸１０４が発生する。このように、弱められた層又は多孔層に沿って基板が２つの層に分離された場合、でこぼこの表面になってしまうため、基板をへき開した後に、基板表面をデバイス製造に適合する程度に平滑にする研磨工程が必要となる場合がある。研磨工程は、高価なプロセスであり、基板表面のシリコンの均一性を損なってしまう。
一般的に、基板をへき開させるのに、種を注入する場合には、上記の表面が凹凸になってしまうことの他に、欠点や非効率性が存在する。例えば、通常、必要とされる注入種のドーズ量が大きくなるということが挙げられる。単結晶シリコンの場合、このドーズ量は、３Ｅ１６ｃｍ−２より大きくなる。注入される種がかなりの割合で、基板の外に拡散してしまうため、高い注入ドーズ量が必要となる一因となっている。さらに、微小気泡によって形成される空洞内の圧力を上げるために、ガス注入の複雑な組み合わせが必要となる。例えば、水素を空洞の形成に利用し、ヘリウムを空洞内の圧力を上げるのに利用することが考えられる。上述したように、この分野において、基板のへき開のためのプロセスを改善する必要があり、特に、超音波エネルギーを使用して基板へき開を改善するプロセスが必要とされている。
基板のへき開の改善されたプロセス及びへき開を行うためのデバイスを開示する。へき開プロセスでは、一般的に、水素又はヘリウムのようなガス種のイオンを注入することにより、基板中に微小気泡の層が形成される。これらの微小気泡は、それぞれサイズが異なり、基板内に位置する深さも異なる。
この微小気泡のサイズ及び空間的分布を、超音波エネルギーを利用することにより改善することができる。超音波を印加することにより、小さなサイズの微小気泡を互いに集塊させ、散在する領域を減らすことができる。この因子の組み合わせで、へき開プロセスを改善することができる。例えば、微小気泡が集塊するため、ドーズ量を減らすことが可能となる。また、へき開に必要な力も低減することができる、また、散在する領域を減らすことができるため、へき開した表面を滑らかにすることができる。
超音波振動子を、音響的に基板と連結させ、この効果を実現する。ある実施形態では、超音波振動子は、プラテンと接続されて、イオン注入の間及び／又はイオン注入の直後に、超音波エネルギーがプラテンに印加される。他の実施形態では、アニールのような後に続くプロセスの間に、超音波エネルギーを基板に印加する。
本開示は、添付の図面を参照することにより、より良く理解される。
図３は、選択された物質にイオンをドーピングするビームラインイオン注入機２００のブロック図である。当業者であれば、ビームラインイオン注入機２００は、選択された物質にイオンをドーピングする数多くのビームラインイオン注入機の例のうちの１つに過ぎないことは明白である。したがって、ここに記載するプロセスは、図３のビームラインイオン注入機２００のみに限定されない。
通常、ビームラインイオン注入機２００は、イオンビーム２８１を形成するイオンを生成するイオン源２８０を含む。イオン源２８０は、イオンチャンバ２８３、及び、イオン化されるガスを収容するガスボックス又は固体を気化させてガスを形成する気化器を含んでもよい。イオンチャンバ２８３にガスが供給されて、そこでガスがイオン化される。ある実施形態では、ガスは、水素、ヘリウム、その他の希ガス、酸素、窒素、ヒ素、ボロン、リン、カルボラン（Ｃ２Ｂ１０Ｈ１２）又はその他の高分子化合物を含んでもよい。このようにして生成されたイオンは、イオンチャンバ２８３から抽出され、イオンビーム２８１が形成される。イオンビーム２８１は、分離マグネット２８２のポールの間を進む。電源が、イオン源２８０の引き出し電極に接続され、調整可能な電圧が供給される。
イオンビーム２８１は、サプレッション電極２８４及び接地電極２８５を通過し、質量分析器２８６に入る。質量分析器２８６は、分離マグネット２８２、及び分離開口２８９有する遮蔽電極２８８を含む。分離マグネット２８２は、所望のイオン種のイオンが分離開口２８９を通過するようにイオンビーム２８１中のイオンを偏向する。必要のないイオン種は、分離開口２８９を通過せず、遮蔽電極２８８によって遮蔽される。一実施形態において、分離マグネット２８２は、所望の種のイオンの進む方向を、約９０°偏向させる。
所望のイオン種のイオンは、分離開口２８９を通過し、角度修正マグネット２９４へと向かう。角度修正マグネット２９４は、所望のイオン種のイオンを偏向し、イオンビームを、発散イオンビームから、ほぼ平行なイオン軌道を有するリボンイオンビーム２１２へと変換する。ある実施形態では、ビームラインイオン注入機２００は、加速ユニット又は減速ユニットをさらに含んでもよい。
エンドステーション２１１は、所望の種のイオンが基板１３８に注入されるように、基板１３８のような１つ以上の基板を、リボンイオンビーム２１２の経路中に支持する。基板１３８は、例えば、シリコンウェハであってもよい。エンドステーション２１１は、基板１３８を支持するプラテン２９５及び超音波振動子７００を含んでもよい。エンドステーション２１１は、また、リボンイオンビーム２１２の長手方向と垂直な方向に基板１３８を動かすためのスキャナ（図示せず）を含んでもよく、このように構成することにより、イオンを基板１３８の面全体に分布させることができる。リボンイオンビーム２１２が例示されたが、その他の実施形態では、スポットビームを採用してもよい。
典型的なプラテン２９５は、複数の層で構成されている。１番目の層、すなわち基板と接触する最上層は、短絡を発生させることなく電磁場を形成しなくてはならないため、アルミナのような絶縁性物質又は半導体性の物質から形成されている。ある実施形態では、この層は、およそ４ミリの厚さに形成される。クーロン力を利用する実施形態の場合、一般的に、結晶性誘電体又は非晶質誘電体を使用して形成される最上層の抵抗値は、１０１４Ω‐ｃｍよりも大きい。ジョンセン・ラーベック（Ｊｏｈｎｓｅｎ−Ｒａｈｂｅｃｋ）力を利用する実施形態の場合、半導体材料で形成されている典型的な最上層の体積抵抗率は、１０１０〜１０１２Ω‐ｃｍである。クーロン力は、交流電圧（ＡＣ）電源又は定電圧（ＤＣ）電源により、発生される。
最上層の真下に、導電材料で形成された層が配置され、この層には、静電場を形成する電極が含まれる。この層は、銀のような導電材料を使用して形成される。所望の電極形状及びサイズを形成するべく、プリント基板の製造と同様な方法で、パターンが形成されている。この導電層の下には、第２絶縁層が配置され、第２絶縁層は、下方部分と、プラテンの導電層とを分離する。
下方部分は、好ましくは、高い熱伝導率を持つ金属又は合金から形成され、プラテン２９５全体の温度を許容範囲内に維持する役割をする。多くのアプリケーションでは、この最下層の形成にはアルミニウムが使用される。ある実施形態では、この最下層は、アルミニウムで形成された２つの別々の部分を持つ。下方部分は厚く形成され、流体通路が含まれる。典型的なアルミニウムブロックの上面は、冷却剤が通過する通路を形成するべく機械加工されている。冷却剤は、水及び脱イオン水を含む、あらゆる好適な液体であってもよい。そして、この厚いアルミニウムブロックに対する蓋の役割を担う、非常に薄い第２アルミニウムプレートが形成され、これら機械加工された流体通路の覆いとなる。上記の２つのアルミニウムの部分を、互いに接合し、プラテン２９５の熱導電性を有する下層部分を形成する。そして、この層及び上述した非導電層が、エポキシ、ろう着等の接着技術により、互いに機械的に接合される。
プラテンを冷却するのに使用される上述の流体の管の他に、ガスを運ぶのに使用される複数の管をプラテン２９５の上面に設けてもよい。これらの管は、裏面ガスとして知られるガスを、所望のワークピースに圧送するのに使用される。このガスは、ワークピースとプラテンとの間の熱の移動を改善させる。
イオン注入機は、当業者によく知られたその他の構成要素を含んでもよい。例えば、一般的なエンドステーション２１１には、基板をビームラインイオン注入機２００へ導入し、イオン注入が終了した後に基板を取り除く、自動基板ハンドリング装置を備える。エンドステーション２１１は、ドーズ計測システム、電子銃、又はその他の構成要素を含んでもよい。イオン注入の間は、イオンビームが通過する全経路が空の状態にされることは、当業者にとって自明である。ある実施形態では、ビームラインイオン注入機２００は、高温又は低温イオン注入を組み込んでもよい。
当業者であれば、半導体製造に関わるその他のシステム及びプロセス、プラズマ処理に関わるその他のシステム及びプロセス、上述したへき開注入プロセスを行うための加速されたイオンを使用するその他のシステム及びプロセスも考え得ることは明白である。これらの例としては、プラズマドーピングツール、イオンシャワー、プラズマ浸漬ツール等がある。当業者によく知られた、種を加速でき、基板に種を注入可能なその他の半導体処理装置を使用してもよい。したがって、上記のプロセスは、ビームラインイオン注入機に限定されない。
図４は、微小気泡の層を有するイオン注入された基板の実施形態を示している。この実施形態では、少なくとも１つの化学元素である種３００を、基板１３８に打ち込む。種３００は、微小気泡３０１を形成し、微小気泡は、基板１３８に空洞を形成する。後に、基板は、この微小気泡３０１の層に沿ってへき開される。種３００は、水素、ヘリウム、酸素、フッ素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、その他の希ガス、又は微小気泡３０１の層を形成するのに使用されるガスの組み合わせであってもよい。これは、１回の注入、又は複数回の一連の注入で実行されてもよい。当業者に知られたその他の種を使用して、微小気泡３０１の層を形成してもよい。通常は、種３００の注入エネルギーが大きいほど、微小気泡３０１の注入深さが深くなる。また、種３００の注入ドーズ量が大きくなるほど、通常、微小気泡３０１を形成する種３００の濃度が高くなる。
微小気泡又は微小孔は、２つの現象の組み合わせにより形成されている。注入プロセスの後に、空格子点（ｖａｃａｎｃｙ）及び格子間原子が基板に形成される。欠陥密度は、（種３００のような）ドーパント分布が高いところの方が、高くなる。エンド・オブ・レンジ（ＥＯＲ）領域と呼ばれる範囲を超える領域において、格子間原子の密度が最も高くなる。（表面に向かって）ＥＯＲを超える基板１３８の領域は、高いストレスがかかる領域である。通常、この高いストレスがかかる領域は、崩壊して、アニールサイクルの間に、すべり線（ｓｌｉｐ ｌｉｎｅ）及び／又は微小転移を形成する。この微小転移は、通常、エンド・オブ・レンジ（ＥＯＲ）欠陥と呼ばれる。注入の間に形成された空格子点は、移動する（又は拡散する）傾向がある。この領域では、ギブズ自由エネルギーが低いことから、これらの空格子点は、ＥＯＲ領域（すなわちＥＯＲ欠陥領域）に対して、選択的に分離される。この種の空格子点の蓄積により、微小孔又は微小気泡が形成される。２番目の現象は、この欠陥領域に対する水素の親和である。水素修飾により、微小孔は大きくなり、より大きな微小気泡を形成することができる。
超音波エネルギーを利用して基板のへき開を改良する技術を、ＳＯＩウェハ製造又は３Ｄ集積回路（ＩＣ）やスタックチップ構成のようなへき開を行う埋め込み物に適用してもよい。また、薄型パネルデバイス、薄膜デバイス、太陽電池デバイス、ＬＥＤデバイスで使用されている基板、又は薄い金属板の製造に適用してもよい。このプロセスを使用してへき開される基板は、例えば、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ポリシリコン、Ｇｅ、水晶、又はその他当業者に知られた材料により、形成される。
図５は、ＳＯＩウェハ製造の実施形態を示している。ＳＯＩウェハの製造では、基板１３８が用意される（Ａ）。基板１３８は、ドナーウェハとも称することができる。基板１３８は、少なくとも１つの面上に形成された熱酸化層４００を有する（Ｂ）。そして、例えば水素又はヘリウムのような少なくとも１つの種３００が、基板１３８のシリコンに注入され、微小気泡３０１の層が形成される（Ｃ）。そして基板１３８を裏返し、ハンドルウェハ４０１に接着した後、アニールを行う（Ｄ）。ある実施形態では、基板１３８をハンドルウェハ４０１に接着する前に、基板を洗浄する。基板１３８にアニール及びその他の熱処理が施されている間に、基板１３８は、微小気泡３０１の層に沿って、ひび割れ又はへき開する（Ｅ）。熱酸化層４００及びシリコン上面４０３を含む、形成されたＳＯＩウェハ４０２は、デバイス形成を行うのに十分な程度、表面を研磨する必要が生じる場合もある（Ｆ）。他の実施形態では、機械的力、化学的力又は流体力を利用して、微小気泡３０１の層に沿って基板１３８を割る又はへき開する。ある実施形態では、残った基板１３８は、再利用される。
図６は、薄膜、太陽電池又は３Ｄ ＩＣの基板のへき開の実施形態を示している。へき開された基板を製造するには、まず、基板１３８を用意する（Ａ）。基板１３８は、ドナーウェハとも称することができる。基板１３８は、シリコン基板に限定されない。当業者によく知られたその他の材料によって形成することもでき、これらに限定するわけではないが、例えば、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、炭化ケイ素、リン化ガリウム、リン化インジウム、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ポリシリコン、ゲルマニウム、水晶及びその他の種で形成してもよい。水素又はヘリウムのような、少なくとも１つの種３００が、基板１３８に注入され、微小気泡３０１の層が形成される（Ｂ）。基板１３８にアニール及びその他の熱処理が施されている間に、基板１３８は、微小気泡３０１の層に沿って、ひび割れ又はへき開する（Ｃ）。他の実施形態では、機械的力、化学的力又は流体力を利用して、微小気泡３０１の層に沿って基板１３８を割る又はへき開する。ある実施形態では、残った基板１３８は、再利用される。また、別の実施形態では、基板を微小気泡３０１の層に沿って基板１３８を割る又はへき開する前に、基板１３８を別の基板に接着する。へき開された基板１３８（Ｄ）は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスにより研磨して、デバイス形成に十分な程度に表面を滑らかにする。
超音波源と基板を連結することにより、プロセスの結果を改善することができる。ある実施形態では、この連結は、基板の裏面側で行われる。また、別の実施形態では、基板の側面又は上面と連結してもよい。
図７Ａ〜７Ｄは、超音波エネルギーを提供する装置の実施形態を示している。プラテン２９５に、基板が配置される。ある実施形態では、このプラテン２９５の裏面側が、冷却又は加熱を行う構成であってもよい。図７Ａの実施形態では、超音波振動子７００が、プラテン２９５の裏面に配置されている。超音波振動子７００は、例えば、圧電素子であってもよい。圧電素子は、ニオブ酸リチウム、硫化カドミニウム、又は、音響結合を利用するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミック材料で形成されていてもよい。交流電圧が圧電素子に印加されると、圧電素子が印加された電圧の周波数で、周期的に伸び縮みして、超音波エネルギーを生成する。ある実施形態では、カプラ又はバインダとして、真空でのオペレーションに適したオイルを使用してもよい。圧電性水晶は、接地及び金属コンタクトを使用して、励起される。
図７Ｂの実施形態では、超音波振動子７００がプラテン２９５に埋め込まれている。図７Ｃでは、少なくとも２つの埋め込み超音波振動子７００が、プラテン２９５の周りに半径方向に配置されている。別の実施形態では、超音波振動子７００は、プラテン２９５内に埋め込まれるのではなく、プラテン２９５の基板１３８と反対側の面上に半径方向に配置される。図７Ｄには、基板１３８とプラテン２９５との間に超音波振動子７００が配置されている。図７Ｄに示されるように、超音波振動子７００は、プラテン２９５の一部のみを覆うように配置されてもよいし、プラテン２９５の全面を覆うように配置されていてもよい。他の実施形態では、超音波振動子７００は、プラテン２９５の側面に配置されていてもよい。
このプラテン２９５及び超音波振動子７００は、ビームラインイオン注入機２００のようなイオン注入機内で使用してもよいし、プラテン２９５及び超音波振動子７００を、例えば、イオン注入機のエンドステーション又はロードロック、又は、イオン注入機の外部の位置で使用してもよい。超音波振動子７００は、例えば、基板１３８のアニールのために使用されるような、その他の基板支持装置上又は装置内に配置されてもよい。
超音波振動子７００は、基板１３８の格子にエネルギーを衝突させる。それにより、基板の格子は、長手方向に動くと考えられる。微小気泡によって生じた大きな空洞は、小さな空洞とは異なる振動をする。微小気泡は、超音波エネルギーが印加されると、互いに集まって大きな固まりとなる。微小気泡が固まりになり、大きな空洞を形成する段階は、少なくとも部分的にオストワルド熟成によって発生する、又は、一例では、オストワルド熟成を補完する。
基板の超音波エネルギーは、格子振動を誘起する。格子振動により、フォノンが発生する。空格子点及び水素の拡散及び分離は、フォノン及びフォノンエネルギーが存在すると、より促進される。基板における超音波振動を使用することにより、例えば、欠陥箇所の水素パッシベーション（ＥＯＲ欠陥、シリコン空格子点及び転移）、又は粒子境界が促進されることが示されている。これは、格子エネルギーの存在下で、水素拡散が促進されたことによる。
微小気泡又は空格子点を形成するための種の注入の間に、超音波エネルギーを使用することにより、散在する領域を狭めることができる。高効率のキャビテーション又はへき開には、散在する領域が狭い方が、望ましいと考えられる。散在する領域とは、空洞が位置する深さの範囲で定義される。散在する領域が広いということは、微小気泡又は空洞が位置するべき望ましい深さの範囲の外側に、多くの空洞が位置してしまっていることを暗に意味する。反対に、散在する領域が狭いということは、多くの空洞が、望ましい深さの範囲に存在していることを意味する。超音波エネルギーにより、散在する領域が狭められ、基板を円滑にへき開することができる。また、超音波エネルギーにより、基板内の所与の深さに、より効率的に種を集約することが可能になると考えられる。したがって、超音波エネルギーにより、低い閾値で、キャビテーションを引き起こすことができる。
図８は、超音波を利用した注入の場合と、利用しなかった注入の場合とを比較した、空洞の数と空洞の直径との関係を示したグラフである。注入され、超音波に晒された種は、集塊する。集塊は、微小気泡の集まりであり、大きな空洞を形成している。したがって、超音波を利用しなかった場合の注入と比較して、利用した場合の注入は、より少ない数の空洞が形成されるが、これらの空洞は、平均してより大きい直径を有する。注入種を利用して生成した大きい空洞により、基板のへき開を改善することができる。
図９は、空洞の数に対する空洞の直径のグラフである。注入される種の数が、ほぼ一定である場合、空洞の数が増加するのに従って、空洞それぞれの平均サイズは、減少する。理想的な注入は、大きなサイズの空洞が少数存在することである（図９では、点線で囲まれた領域で表されている）。
図１０は、超音波を利用せずに注入を行った基板の実施形態を示している。図１１は、超音波を利用して注入を行った基板の実施形態を示している。図１０及び図１１は、例示することを目的としており、実寸ではない。ｘ１及びｘ２で示された線は、図１０と図１１との比較を行うために示されている。図１０に示すように、超音波を利用せずに注入を行った場合、基板１３８中に、小さいサイズの微小気泡１００が、数多く形成される。そして、これら微小気泡１００が形成される深さは、様々である。超音波を利用した注入では、図１１に示されるように、大きいサイズの微小気泡１００が、少ない数、基板１３８中に形成される。そして、ほとんどの微小気泡１００が、ほぼ同じ深さに形成される。
超音波エネルギーは、注入の間（ｉｎ−ｓｉｔｕ）誘起してもよいし、注入の後（ｅｘ−ｓｉｔｕ）で誘起してもよい。注入の後に超音波エネルギーを誘起する場合は、例えば、へき開、接着及びアニールを行う前、アニールの間、又はへき開の間に誘起してもよい。また、注入の後に超音波エネルギーを誘起する場合は、図７Ａ〜７Ｄに示した例と同様に、別々のプラットフォームを使用してもよい。
一実施形態では、種は、およそ５０〜５００Ｗ／ｃｍ２の出力で注入される。そして、およそ０．０１〜１００ＭＨｚの超音波エネルギーが、基板に印加される。超音波エネルギーの基板への印加は、必ずしも基板温度の上昇につながるわけではないが、僅かな温度上昇が見られる可能性はある。
通常、およそ０．０１〜１００ＭＨｚの範囲の超音波エネルギーを利用することができる。上述したように、空格子点及び（水素のような）ガス種両方の望ましい拡散特性及び分離特性により、微小気泡を形成することができる。これら２つの特性は、超音波エネルギーの大きさ及び周波数に対して、僅かに異なる反応を示す。
具体的には、基板内（特に、ポリクリスタルシリコン又はマルチクリスタルシリコン基板内）における水素拡散は、およそ１０〜８００ｋＨｚの範囲の周波数の音波を使用すると、拡散を大幅に促進することができる。また、基板温度を、室温から、およそ１２０〜２００℃に上げることにより、拡散を促進することができる。しかしながら、これより高い温度では、水素が基板から拡散してしまう傾向がある。
およそ５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの範囲の超音波周波数では、空格子点の移動又は拡散が促進されると考えられる。およそ７ＭＨｚまでは、空格子点及び点欠陥（格子間原子）両方の移動又は拡散が促進される。これらの結果に基づくと、およそ７ＭＨｚよりも低い周波数が、処理に適していると言える。
一実施形態では、およそ１０ｋＨｚ〜７ＭＨｚの範囲の超音波エネルギーが使用される。また、さらなる又は別の実施形態では、周囲環境の温度は、水素拡散を促進するために、約１２０〜２００℃にまで上げてもよい。
別の実施形態では、超音波振動子７００を、（空格子点の移動を促進するために）所定の期間高い周波数で作動させ、その後、所定の期間低い周波数で作動させて、水素を拡散させてもよい。あるいは、初めに低い周波数のエネルギーを印加し、その後に、高い周波数のエネルギーを印加してもよい。また、他の実施形態では、高い周波数及び低い周波数を、所定期間、交互に印加してもよい。
超音波処理（ＵＳＴ）の最適な期間は、基板の厚さの関数として表すことができ、厚い基板ほど、長い処理時間を必要とする。一実施形態において、１００〜５００μｍの厚さの基板の場合、処理時間は、約５〜１０分である。ＵＳＴは、ｉｎ ｓｉｔｕ又はｅｘ ｓｉｔｕで実施してもよい。また、上述したように、その他のプロセス（注入、アニール等）と同時に行ってもよい。
ある例では、種の電流密度が、基板中に格子振動を引き起こすのに十分高いとする。この場合、プラテンに設けられた圧電反射器を利用して、基板の背面から超音波エネルギーを印加して、このエネルギーと結合させてもよい。
ｉｎ−ｓｉｔｕの超音波を利用した種の基板への注入に続いて、基板をアニールし、第２の基板に接合した後、へき開を行うことができる。キャビテーションの促進、又は微小気泡により発生した空洞の固まりを大きくすることにより、へき開に必要なせん断力を軽減することができると考えられる。形成される空洞のサイズは大きく且つ数が少ないため、へき開した領域に残る凹凸を平均的に小さくすることができる。また、超音波を使用することにより空洞の大きさが均等化されるため、へき開した領域の凹凸を低減することができる。その結果、へき開した表面を研磨するための境界面を改善することができ、シリコン又は基板のロスを減らすことができる。
へき開のための超音波の使用は、多くの利点をもたらす。超音波の使用により、種の分布において散在領域を減らすことができるため（図８、図１０及び図１１参照）、空洞の形成が加速される。また、微小気泡が集合して、大きな空洞を形成するため、へき開のために必要となるドーズ量が少なくて済み、注入がより効率的になる。微小気泡の集塊により、基板における変動が低減されるため、基板の均一性が改善される。水素やヘリウムのような軽い種の場合、基板への注入が不均一になってしまう場合がある。不均一に注入されてしまった領域を、超音波を印加することにより均一にすることができる。また、不均一さを特に補償するために、超音波を印加してもよい。また、超音波の印加により、へき開を行った後の研磨工程における基板のロスを減らすことができる。これは、超音波を印加した後の基板は、より均一にへき開することができるため、表面の粗さが小さく、また、でっぱりも少ない。
本明細書で使用された用語及び表現は、説明することを目的として使用された言葉であり、限定することを目的としていない。また、本明細書に記載された又は図に示された特徴（又は部分）のあらゆる均等物を排除する表現及び用語として使用することを意図していない。添付の特許請求の範囲内において、様々な改良が可能であることが明らかである。他の改良、変形例及び代替も可能である。したがって、上述の説明は、例示としてのみ理解されるべきであり、限定することは意図していない。
Claims (23)
- 基板から層をへき開する方法であって、
ガス種のイオンを前記基板に注入する段階と、
前記注入する段階の後に、アニールを行う段階と、
前記基板に超音波エネルギーを印加する段階と、
熱処理、機械的力、化学的力または流体力によって、前記基板をへき開する段階と、
を備え、
前記超音波エネルギーを印加する段階を、前記注入する段階の間に実行し、注入された前記イオンにより微小気泡が生成され、前記微小気泡が集塊する方法。 - 基板から層をへき開する方法であって、
ガス種のイオンを前記基板に注入する段階と、
前記注入する段階の後に、アニールを行う段階と、
前記基板に超音波エネルギーを印加する段階と、
を備え、
前記超音波エネルギーは、複数の周波数で印加され、
前記複数の周波数は、前記ガス種の拡散を促進する第１周波数と、前記注入する段階で発生した空格子点の移動を促進する第２周波数である方法。 - 前記超音波エネルギーを印加する段階を、前記アニールを行う段階の間に実行する請求項１または２に記載の方法。
- 前記超音波エネルギーは、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである請求項１または３に記載の方法。
- 前記超音波エネルギーは、７ＭＨｚよりも小さい請求項４記載の方法。
- 前記超音波エネルギーは、複数の周波数で印加される請求項１に記載の方法。
- 前記超音波エネルギーは、前記ガス種の拡散を促進する第１周波数と、前記注入する段階で発生した空格子点の移動を促進する第２周波数とで印加される請求項６に記載の方法。
- 前記第１周波数は、２ＭＨｚ未満である請求項７に記載の方法。
- 前記第２周波数は、前記第１周波数よりも大きく、且つ７ＭＨｚ未満である請求項７または８に記載の方法。
- 前記超音波エネルギーを印加する段階は、所定の第１期間に第１の周波数でエネルギーを印加し、所定の第２期間に第２の周波数でエネルギーを印加する請求項６に記載の方法。
- 基板を支持し、前記基板のへき開を促進するデバイスであって、
前記基板と接触する上面、及び下面を有するプラテンと、
超音波振動子と、
ガス種のイオンを前記基板に注入するイオン注入装置と、
を備え、
前記超音波振動子は、前記基板へ注入されたイオンの拡散を促進する第１周波数と前記ガス種を注入する段階で発生した空格子点の移動を促進する第２周波数を有する複数の周波数で超音波エネルギーを印加する
デバイス。 - 基板を支持し、前記基板のへき開を促進するデバイスであって、
前記基板と接触する上面、及び下面を有するプラテンと、
超音波振動子と、
ガス種のイオンを前記基板に注入するイオン注入装置と、
を備え、
前記超音波振動子は、前記イオン注入装置が、前記ガス種のイオンを注入する間に、前記基板へ超音波エネルギーを印加し、注入された前記イオンにより微小気泡が生成され、前記微小気泡が集塊し、
前記基板は、熱処理、機械的力、化学的力または流体力によって、へき開されるデバイス。 - 前記超音波振動子は、前記下面に取り付けられている請求項１１または１２に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、前記プラテンに埋め込まれている請求項１１または１２に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、前記基板と接触する請求項１４に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、圧電素子を含む請求項１１から１５の何れか１項に記載のデバイス。
- 前記圧電素子は、ニオブ酸リチウム、硫化カドミニウム及び圧電セラミック材料からなる群から選択される請求項１６に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数でエネルギーを放出する請求項１１から１７の何れか１項に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、複数の周波数でエネルギーを放出する請求項１２に記載のデバイス。
- 前記超音波振動子は、所定の第１期間に第１周波数でエネルギーを放出し、所定の第２期間に第２周波数でエネルギーを印加する請求項１９に記載のデバイス。
- 前記第１周波数は、２ＭＨｚ未満であり、前記第２周波数は、前記第１周波数よりも大きく、且つ７ＭＨｚ未満である請求項２０に記載のデバイス。
- 基板から層をへき開して層を製造する製造方法であって、
ガス種のイオンを前記基板に注入する段階と、
前記注入する段階の後に、アニールを行う段階と、
前記基板に超音波エネルギーを印加する段階と
を備え、
前記超音波エネルギーは、複数の周波数で印加され、
前記複数の周波数は、前記ガス種のイオンの拡散を促進する第１周波数と、前記注入する段階で発生した空格子点の移動を促進する第２周波数である製造方法。 - 基板から層をへき開して層を製造する製造方法であって、
ガス種のイオンを前記基板に注入する段階と、
前記注入する段階の後に、アニールを行う段階と、
前記基板に超音波エネルギーを印加する段階と、
熱処理、機械的力、化学的力または流体力によって、前記基板をへき開する段階と、
を備え、
前記超音波エネルギーを印加する段階を、前記注入する段階の間に実行し、注入された前記イオンにより微小気泡が生成され、前記微小気泡が集塊する製造方法。
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