TWI492275B

TWI492275B - The method of manufacturing the bonded substrate

Info

Publication number: TWI492275B
Application number: TW098111819A
Authority: TW
Inventors: 飛坂優二; 久保田芳宏; 伊藤厚雄; 田中好一; 川合信; 秋山昌次; 田村博
Original assignee: 信越化學工業股份有限公司
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2015-07-11
Also published as: CN101990697A; US8314006B2; JP2009272619A; EP2270839A4; EP2270839A1; JP5415129B2; TW200952050A; US20110104871A1; WO2009125844A1; EP2270839B1; CN101990697B

Description

貼合基板之製造方法

本發明係關於企圖使半導體裝置更高性能化，近年受到矚目之絕緣層上覆矽(SOI)基板。而且，支持基板(處置基板)不是矽，石英上覆矽(SOQ)基板、藍寶石上覆矽(SOS)基板等亦分別使用於TFT-LCD、高頻(RF)裝置等的領域。

此等貼合基板的製作方法有許多種，例如作為代表之Smartcut法(登記商標)(智切法)。此係於形成氧化膜之單結晶矽基板(施體基板(本說明書中稱為第1基板))中注入氫離子，與支持基板(處置基板(本說明書中稱為第2基板))貼合後，加熱至500℃附近，沿著氫離子注入界面剝離矽基板，單結晶矽薄膜轉印至處置基板。此時，於氫注入界面，可藉由稱為微空腔(microcavity)之氫的微小空洞，可在界面剝離。然後，為了提高單結晶矽薄膜與處置基板之結合強度，在1000℃以上的高溫熱處理後，進行最終的表面處理(CMP、熱處理等)之方法(例如參照專利文獻1、2、非專利文獻1)。

另一方面，SiGen法係氫離子等注入貼合面側之矽基板與矽基板或其他材料的基板貼合前，此等基板的貼合面之雙方或一方的表面進行電漿處理，在表面活性化的狀態下貼合兩基板，例如在350℃的低溫施以熱處理，提高貼合強度(接合強度)後，在常溫下進行機械剝離、貼合而得到SOI基板之方法(例如參照專利文獻3～5)。

此二方法的相異處，主要是矽薄膜的剝離製程，Smartcut法為了剝離矽薄膜，必須在高溫下處理，而SiGen法可在常溫下剝離。

特別是如矽基板之半導體基板與其他材料的基板貼合而製作貼合基板的情況下，在異種材料間產生熱膨脹率、固有耐熱溫度的差異等，因此容易產生基板的破裂、局部的裂痕等，期望在儘可能的低溫下實施至剝離處理為止的步驟。因此，可低溫剝離之SiGen法，被認為是較理想的藉由貼合異種材料基板製造貼合基板的方法。

可是，如此之藉由貼合法製造貼合基板的方法，因混入貼合界面的異物、氣體，產生被稱為孔隙(void)之欠缺半導體層的缺陷。如此的孔隙等的缺陷在製作裝置時成為障礙，被要求儘可能的減少。該孔隙係因異物等使貼合面無法密合，剝離時該部份的半導體層不會被轉印。為了防止如此的孔隙之產生，貼合前基板的潔淨度及貼合環境的潔淨度非常重要，貼合前洗淨，使進行貼合的環境維持高潔淨度。

但是，即使保持貼合前基板的潔淨度及貼合環境的潔淨度高，特別於基板的貼合末端部有容易產生孔隙的問題。而且，為了防止該貼合末端部之孔隙，必須進一步潔淨化，因此有極大成本、勞力的需求問題。

[專利文獻1]專利第3048201號公報

[專利文獻2]特開平11-145438號公報

[專利文獻3]美國專利第6263941號說明書

[專利文獻4]美國專利第6513564號說明書

[專利文獻5]美國專利第6582999號說明書

[非專利文獻1]A. J. Auberton-Herve et. al.,“SMART CUT TECHNOLOGY:INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and New MATERIAL DEVELOPMENTS”(智切法技術：SOI基板製造的工業現況及新材料開發)(Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3(1999)p. 93-106)(電化學學會會議集第99-3冊(1999)第93-106頁)

本發明係為了解決如此的問題點，以提供基板全面，特別是貼合末端部附近具有良好的薄膜之貼合基板之製造方法為目的。

本發明為了解決上述課題，提供一種貼合基板之製造方法，將第1基板與第2基板貼合，使前述第1基板薄膜化，以製造前述第2基板上具有薄膜之貼合基板的方法，其特徵為：藉由至少從半導體基板之前述第1基板的表面注入氫離子或稀有氣體離子或該兩者之形成離子注入層的步驟；前述第1基板的注入離子的面與前述第2基板貼合的面之至少一者的面施以表面活性化處理的步驟；前述第1基板的注入離子的面與前述第2基板貼合的面在濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下的環境下貼合之貼合步驟；以及，前述第1基板以前述離子注入層離間，使前述第1基板薄膜化之剝離步驟，製造前述第2基板上具有薄膜之貼合基板(請求項1)。

只要是含有如此的步驟，第1基板與第2基板的貼合在濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下的環境下貼合之貼合基板之製造方法，藉由貼合時的環境濕度低(水分量少)，貼合時密合部的傳送速度可變慢。因此，存在於貼合界面之氣體、微小異物可有效率地排出。藉此，於貼合末端部，附著物被濃縮，因可防止被封入，防止在貼合末端部之孔隙的產生，可進行貼合基板的製造。

於該情況，前述第1基板可為單結晶矽基板、表面形成有氧化膜之單結晶矽基板、化合物半導體基板中的任一者(請求項2)。

根據本發明，可更確實地製造近年特別要求的具有良好的矽薄膜之高品質的貼合基板，例如SOI基板。

而且，根據本發明，不僅是矽薄膜，可更確實地製造具有由GaN等的化合物半導體所成之良好的薄膜之貼合基板。

而且，於本發明的貼合基板之製造方法，前述第2基板可為石英基板、藍寶石(氧化鋁)基板、SiC基板、硼矽酸玻璃基板、結晶化玻璃基板、氮化鋁基板、單結晶矽基板、表面形成有氧化膜之單結晶矽基板、SiGe基板中的任一者(請求項3)。

本發明的貼合基板所使用的第2基板，依據製作的半導體裝置的目的，可從此等之中適當選擇。

而且，於本發明的貼合基板之製造方法，前述貼合步驟後，進行該貼合基板以100～400℃熱處理之熱處理步驟，然後進行前述剝離步驟(請求項4)。

如此第1基板與第2基板貼合後，貼合基板以100～400℃熱處理，可進一步提高第1基板與第2基板的貼合強度。特別只要是熱處理溫度為100～300℃，即使是異種材料的基板貼合，可進一步減少因熱膨脹係數的差異造成之熱彎曲、裂痕、破裂、剝離等之產生。另一方面，第1基板與第2基板皆為矽基板的情況，同種材料貼合的情況下，可以400℃為止的溫度進行熱處理，可進一步提高貼合強度。

而且，於本發明的貼合基板之製造方法，前述表面活性化處理藉由電漿處理進行較理想(請求項5)。

如此表面活性化處理藉由電漿處理進行，基板施以表面活性化處理的面，增加OH基等而活性化。所以，在該狀態，只要使第1基板的注入離子的面與第2基板貼合的面密合，藉由氫鍵等，基板彼此可更堅固地貼合。

而且，於本發明的貼合基板之製造方法，如此進行電漿處理作為表面活性化處理，亦可抑制在貼合末端部的孔隙。

而且，於本發明的貼合基板之製造方法，前述剝離步驟之前述第1基板的前述離子注入層之離間，藉由從前述第1基板的一端部賦予外部衝擊，從賦予該外部衝擊之一端部朝另一端部前進劈開而進行較理想(請求項6)。

如此剝離步驟之第1基板的離子注入層之離間藉由從第1基板的一端部賦予外部衝擊，從賦予該外部衝擊之一端部朝另一端部前進劈開而進行，因劈開朝一方向產生，劈開的控制比較容易，可得膜厚均勻性高的薄膜。

如以上說明，根據本發明的貼合基板之製造方法，藉由貼合時的環境濕度低(水分量少)，貼合時密合部的傳送速度可變慢。因此，存在於貼合界面之氣體、微小異物可有效率地排出。藉此，於貼合末端部，附著物被濃縮，因可防止被封入，防止在貼合末端部之孔隙的產生，可進行貼合基板的製造。

以下更詳細地說明本發明。

如前述，傳統的貼合基板之製造方法，即使保持貼合前基板的潔淨度與貼合環境的潔淨度高，特別是基板的貼合末端部有容易產生孔隙的問題。而且，為了防止該貼合末端部之孔隙，必須進一步潔淨化，因此有極大成本、勞力的需求問題。

本發明人等對於如此的特別在貼合末端部容易產生孔隙的原因，進行以下的檢討。

貼合係在2片基板重疊的狀態下，使一部份密合而進行。密合部份的周圍，因基板彼此的間隔變窄，自行密合，該範圍係從貼合開始部朝另一方傳送(傳播)。該貼合開始部周圍之密合部的傳送樣子如圖2模型式地表示。於密合部的傳送前端，擠出存在貼合界面之氣體、微小異物，將其掃出去。大的異物無法在貼合時移動而殘留於該處。

即使貼合前進行基板洗淨的情況，洗淨後的環境、基板儲存部的環境，存在貼合環境之氣體、微小異物少量附著於基板表面。貼合前基板表面活性化時，使此等更容易附著。該少量附著的物質，在貼合時密合部擴大，同時貼合界面移動而被濃縮。該濃縮的附著物在貼合末端部變成無數的孔隙而顯現。

為了減輕該貼合末端部的孔隙之產生，本發明人等進一步進行檢討及實驗。結果，發現藉由貼合時的環境中水分量變少(亦即降低濕度)，可減輕貼合末端部的孔隙之產生。

此係因貼合時的環境中水分量變少，密合部的傳送速度變慢，濃縮的附著物從貼合界面有效地排出至外部。

本發明人等，測定貼合時的環境氣體中水分量(濕度)與貼合所需時間的關係。關於溫度20℃下之測定，結果表示於圖3。

由圖3得知，環境中水分量越多(濕度高)，貼合時間越短。亦即，貼合速度快，密合部的傳送亦快。

傳統以對基板表面之附著物之減輕等為目的，為了防止靜電，控制濕度為45～65%的程度。而且，例如於特開2007-141946號公報，洗淨裝置及潔淨室的環境之濕度以25℃換算為46～60%。

貼合末端部附近的密合部之傳送的樣子隨貼合時的環境中水分量(濕度)而異。

貼合末端部附近的密合部之傳送的樣子如圖1模型式地表示。圖1(a)表示水分量少，亦即濕度低的情況(本發明的情況)，圖1(b)表示水分量多，亦即濕度高的情況(傳統的情況)。如圖1(b)所示，傳統高濕度的情況下，密合部的傳送速度快，因於外周圍部亦傳送密合部，在貼合末端部，亦有從外周圍部傳送密合部，附著物的掃出部份變窄，產生附著部的封入。另一方面，如圖1(a)所示，低濕度的情況，密合部的傳送速度慢，沒有從外周圍部傳送密合部之影響，可確保附著物的掃出部份，可有效地除去濃縮的附著物。

本發明人等更進一步地檢討，發現為了充分有效地減少上述貼合末端部之孔隙，水分量(濕度)的具體數值只要濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下即可，因而完成本發明。

以下，參照圖面說明本發明的實施態樣，但本發明不受此等限制。

圖4係適用本發明之貼合基板的製造方法。

首先，如圖4(a)所示，準備半導體基板之第1基板10與第2基板20(步驟a)。

此時，第1基板10可為單結晶矽基板，特別是表面形成有氧化膜之單結晶矽基板。只要選擇此等材料作為第1基板，可製造具有矽薄膜之貼合基板。若使用表面形成有氧化膜之單結晶矽基板，可製作SOI基板。而且，為了製造具有不是矽薄膜而是GaN等的化合物半導體薄膜之貼合基板，第1基板10可為GaN等的化合物半導體基板。

而且，第2基板20可為石英基板、藍寶石(氧化鋁)基板、SiC基板、硼矽酸玻璃基板、結晶化玻璃基板、氮化鋁基板的任一種絕緣性基板，或者為單結晶矽基板、表面形成有氧化膜之單結晶矽基板、SiGe基板中的任一者。第2基板20依據製作的半導體裝置的目的，可從此等之中適當選擇。當然，亦可使用這些以外的材料。

然後，如圖4(b)所示，從第1基板10的表面(離子注入面)12注入氫離子，形成離子注入層11(步驟b)。

該離子注入層11的形成，不只是氫離子，亦可注入稀有氣體離子或氫離子與稀有氣體離子兩者。可適當選擇注入能量、注入線量、注入溫度等其他離子注入的條件，以得到既定的厚度之薄膜。作為具體例，例如注入時基板溫度為250～400℃，離子注入深度為0.5μm，注入能量為20～100keV，注入線量為1×10¹⁶ ～1×10¹⁷ /cm² ，但不限於此。

此外，使用表面形成有氧化膜之單結晶矽基板，通過氧化膜進行離子注入時，可得抑制注入離子通道的效果，可進一步抑制離子的注入深度之不均勻。藉此，可形成膜厚均勻性更高的薄膜。

然後，如圖4(c)所示，第1基板10的離子注入面12與第2基板20的貼合面22進行表面活性化處理(步驟c)。此外，所謂第2基板20的貼合面22，係指下一步驟d的貼合步驟，與第1基板貼合的面。

當然，亦可只對第1基板10的離子注入面12與第2基板20的貼合面22的任一方的面進行表面活性化處理。

此時，表面活性化處理可為電漿處理。如此，表面活性化處理以電漿處理進行，基板施以表面活性化處理之面，增加OH基而活性化。所以，在該狀態，只要使第1基板的離子注入面12與第2基板的貼合面22密合，藉由氫鍵等，基板可更堅固地貼合。此外，表面活性化處理亦可以臭氧處理等進行，亦可組合複數種處理。

於進行電漿處理的情況，在真空腔中，載置RCA洗淨等洗淨過之基板，導入電漿用氣體後，於100W程度的高頻電漿中暴露5～30秒的程度，表面進行電漿處理。作為電漿用氣體，於處理表面形成有氧化膜之單結晶矽基板的情況，例如可使用氧氣電漿，於處理表面形成有氧化膜之單結晶矽基板的情況，例如可使用氫氣、氬氣或此等混合氣體或氫氣與氦氣的混合氣體。而且，亦可使用不活性氣體的氮氣。

以臭氧處理的情況，於導入大氣的腔體中，載置RCA洗淨等洗淨過之基板，導入氮氣、氬氣等電漿用氣體後，使高頻電漿產生，將大氣中的氧變成臭氧，表面進行臭氧處理。

然後，如圖4(d)所示，使第1基板的離子注入面12與第2基板的貼合面22密合，進行貼合(步驟d)。

如此作為貼合表面活性化處理的表面之面，例如減壓或常壓下，於室溫使基板密合，即使不施以高溫處理，兩基板可耐後續機械剝離的程度充分堅固地貼合。

然後，於本發明，進行該貼合步驟時的環境，濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下。而且，此處的「濕度」為相對濕度，亦即在該溫度下對飽和水分量之水分量比。

而且，如此因濕度低，於基板表面容易產生靜電，異物容易吸附，期望藉由離子化器等抑制靜電的產生。

而且，該第1基板與第2基板貼合步驟後，可進行該貼合基板以100～400℃熱處理之熱處理步驟。

如此第1基板與第2基板貼合後，貼合基板以100～400℃熱處理，可提高第1基板與第2基板的貼合強度。特別只要是熱處理溫度為100～300℃，即使是異種材料的基板貼合，可減少因熱膨脹係數的差異造成之熱彎曲、裂痕、破裂、剝離等之產生。貼合強度高時，可減少在剝離步驟時不良之產生。

然後，如圖4(e)所示，第1基板10以離子注入層11離間，使第1基板10薄膜化，進行剝離步驟(步驟e)。

該第1基板的離間(剝離、薄膜化)，例如可藉由施加機械外力而進行。特別是藉由從第1基板的一端部賦予外部衝擊，從賦予該外部衝擊之一端部朝另一端部前進劈開而進行，因劈開朝一方向產生，劈開的控制比較容易，可得膜厚均勻性高的薄膜，所以較理想。於該情況，賦予外部衝擊之一端部與步驟d的貼合時之貼合開始部無特別相關性，隨製造步驟的情況，可決定此等的位置。

然後，藉由經過以上步驟(圖4(a)～(e))，如圖4(f)所示，製造第2基板20上具有薄膜31之貼合基板30。

於本發明，如上述，進行步驟d的貼合步驟時，因濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下，密合部的傳送速度變慢，於貼合末端部，可有效地除去附著物，可防止附著物的封入。因此，進行其後的剝離步驟(步驟e)等，於貼合末端部防止孔隙的產生，可進行製造。此外，於本發明，儘可能地濕度低(水分量少)，抑制貼合末端部之孔隙的產生之效果高，此時期望藉由離子化器等進一步強化靜電對策。

[實施例]

以下舉本發明的實施例及比較例，更具體地說明本發明，但本發明不受此等的限制。

(實施例1)

如下述，依據如圖4所示之貼合法製造貼合基板的方法，製造貼合基板。

首先，準備鏡面研磨之直徑150mm的單結晶矽基板，作為第1基板10。然後，於第1基板，藉由熱氧化形成100nm的矽氧化膜層於其表面。而且，準備直徑150mm的合成石英基板，作為第2基板20(步驟a)。

然後，於第1基板10，通過形成的矽氧化膜層，注入氫離子，於離子的平均行進深度，形成平行的微小氣泡層(離子注入層)11於表面(步驟b)。離子注入條件為注入能量35keV，注入線量9×10¹⁶ /cm² ，注入深度0.3μm。

然後，於電漿處理裝置中，載置離子注入的第1基板10，導入氮氣作為電漿用氣體後，在2托(Torr)(270Pa)的減壓條件下，13.56MHz的高頻以高頻電力50W的條件外加於直徑300mm的平行平板電極間，對離子注入面進行10秒的高頻電漿處理。如此對第1基板10的離子注入面12施以表面活性化處理。

另一方面，對第2基板20，使其載置於電漿處理裝置中，於狹窄的電極間，導入氮氣作為電漿用氣體後，於電極間外加高頻使電漿產生，進行10秒的高頻電漿處理。如此對第2基板20的下一貼合步驟之貼合面22，亦施以表面活性化處理(步驟c)。

如以上將進行表面活性化處理之第1基板10與第2基板20，以進行表面活性化處理的面作為貼合面，於室溫下使其密合後，兩基板的背面在厚度方向上強力按壓(步驟d)。

而且，該貼合時的環境為溫度20℃、水分量6g/m³ 。亦即，相對濕度為33%。

而且，此時密合部的傳送樣子係從第2基板(透明的合成石英基板)側觀察。於貼合末端部附近為如圖1(a)所示的傳送樣子。

然後，為了提高貼合強度，將第1基板10與第2基板20的貼合基板，以300℃熱處理6小時。

然後，為了形成劈開的起點，藉由切紙剪刀，於第1基板的離子注入層11，從其一端部賦予外部衝擊。然後，藉由使第1基板10與第2基板20相對分離，將第1基板10與第2基板20從賦予外部衝擊之一端部朝另一端部以離子注入層11依序使其離間(步驟e)。

如此，製造第2基板20上具有薄膜31之貼合基板30。該貼合基板30從第2基板(透明的合成石英基板)側觀察時，基板面內幾乎沒有孔隙，而且於貼合末端部觀察到約2個孔隙。

(實施例2)

與實施例1同樣地，但是貼合步驟(步驟d)的貼合時之環境，溫度20℃、水分量5g/m³ ，亦即，相對濕度為27%，進行貼合基板的製造。

如此製造的貼合基板之孔隙產生狀況，與實施例1的情況相同地觀察時，基板面內幾乎沒有孔隙，而且於貼合末端部沒有見到孔隙。

(實施例3)

與實施例1同樣地，但是貼合步驟(步驟d)的貼合時之環境，溫度25℃、水分量6g/m³ ，亦即，相對濕度為24%，進行貼合基板的製造。

(比較例)

與實施例1同樣地，但是貼合步驟(步驟d)的貼合時之環境，溫度20℃、水分量10g/m³ ，亦即，相對濕度為55%，進行貼合基板的製造。

密合部的傳送樣子與實施例1的情況相同地觀察時，於貼合末端部附近為如圖1(b)所示的傳送樣子。

如此製造的貼合基板之孔隙產生狀況，與實施例1的情況相同地觀察時，於貼合末端部可見許多孔隙。

由以上的結果，得知藉由貼合時之環境為濕度30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下，可防止貼合末端部之孔隙的產生之本發明的效果。

而且，本發明不限於上述的實施態樣。上述實施態樣僅為例示，具有與本發明的請求範圍所記載之技術思想實質上相同的構成，發揮相同的作用效果者，皆包含於本發明的技術範圍。

10．．．第1基板

11．．．離子注入層

12．．．離子注入面

20．．．第2基板

22．．．貼合面

30．．．貼合基板

31．．．薄膜

圖1係表示在貼合末端部之密合部的傳送樣子之模型說明圖，(a)表示關於本發明之低濕度的情況，(b)表示傳統高濕度的情況。

圖2係表示在貼合開始部之密合部的傳送樣子之模型說明圖。

圖3係表示環境中水分量及相對濕度與貼合速度之關係圖。

圖4係表示適用本發明的貼合基板的製造方法之貼合基板的製造方法之一例的流程圖。

Claims

一種貼合基板之製造方法，其係將第1基板與第2基板貼合，使前述第1基板薄膜化，以製造前述第2基板上具有薄膜之貼合基板的方法，其特徵為：至少藉由從半導體基板之前述第1基板的表面注入氫離子或稀有氣體離子或此等兩者之形成離子注入層的步驟；前述第1基板的注入離子的面與前述第2基板貼合的面之至少一者的面施以表面活性化處理的步驟；前述第1基板的注入離子的面與前述第2基板貼合的面在濕度為30%以下及/或水分量為6g/m³ 以下的環境下貼合之貼合步驟；以及前述第1基板以前述離子注入層離間，使前述第1基板薄膜化之剝離步驟；以製造前述第2基板上具有薄膜之貼合基板，其中，前述第2基板中不包含單結晶矽，且選自石英基板、藍寶石(氧化鋁)基板、結晶化玻璃基板、氮化鋁基板中之任一者。
如申請專利範圍第1項之貼合基板之製造方法，其中前述第1基板係單結晶矽基板、表面形成有氧化膜之單結晶矽基板、化合物半導體基板中的任一者。
如申請專利範圍第1項或第2項之貼合基板之製造方法，其中前述貼合步驟後，進行該貼合基板以100~400℃熱處理之熱處理步驟，然後進行前述剝離步驟。
如申請專利範圍第1項或第2項之貼合基板之製造方法，其中前述表面活性化處理藉由電漿處理進行。
如申請專利範圍第1項或第2項之貼合基板之製造方法，其中前述剝離步驟之前述第1基板的前述離子注入層之離間，藉由從前述第1基板的一端部賦予外部衝擊，從賦予該外部衝擊之一端部朝另一端部前進劈開而進行。