用于分子键合硅衬底和玻璃衬底的方法
【专利说明】用于分子键合硅衬底和玻璃衬底的方法
[0001]本申请是申请号为201110309281.5，申请日为2011年10月10日，发明名称为“用于分子键合硅衬底和玻璃衬底的方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明的领域为玻璃上硅(S1G)结构的领域。
[0003]更确切地说，本发明涉及用于制造这种结构的改进方法。
【背景技术】
[0004]绝缘体上硅(SOI)技术对于高性能薄膜晶体管、太阳能电池等等而言的重要性日益增加。SOI晶片由绝缘材料上的基本为单晶硅的薄层(通常小于一微米)构成。
[0005]获得这种晶片的多种结构和多种方式是已知的。通常，所使用的结构是由键合到另一硅晶片上的硅薄膜形成的，在硅薄膜和硅晶片之间存在氧化物绝缘层。
[0006]由于其厚度非常的高，特别是与其他部件相比更是如此，因此这种结构的成本的主要部分是支撑被薄硅层覆盖的氧化物层的硅衬底的成本。因此，为了降低SOI结构的成本，已经尝试了使用由比硅便宜的材料制成的支撑衬底，特别是玻璃或玻璃陶瓷。
[0007]如上文所述，使用这种玻璃基衬底的SOI结构被称为S1G结构。用于提供S1G结构的方法例如在美国专利n° 7，176，528中有所描述。图1中描绘了这种方法。通常由硅制成的源衬底lb中注入了氢之类的离子种类(1nic species)。注入导致产生隐埋脆弱区7。此外，源衬底lb与玻璃基支撑衬底la键合，然后在与注入种类的穿透深度相对应的深度劈开源衬底lb来进行分离。通过这种方式，制成包含原始玻璃基支撑衬底la和来自于源衬底lb的层8的S1G结构以及余下的剥离衬底(delaminated substrate)，该剥离衬底是之前的源衬底lb的一部分。
[0008]但是，用玻璃基支撑衬底来代替传统S0I支撑衬底并不是一件简单的事情。S1G的一个可能问题在于玻璃基支撑衬底la通常包含金属(特别是碱金属)和其他成分，它们对来自于源衬底lb的层8的娃或其他半导体材料可能是有害的。因此，玻璃基支撑衬底la和源衬底lb之间通常需要阻挡层。此外，该阻挡层可通过使硅层8的键合表面亲水来促进硅层8和玻璃基支撑衬底la之间的键合。就这一点而言，可以使用S1jl作为阻挡层，以获得玻璃基支撑衬底la和硅层8之间的亲水表面条件。
[0009]在键合之前，通过将娃源衬底lb暴露在大气中，可以在娃源衬底lb上直接形成自然S1jl。或者当采用阳极键合时，阳极键合方法在硅源衬底lb和玻璃基支撑衬底la之间产生“原位” S1jl。另外，还可以在键合之前，在源衬底lb上主动沉积或生长S1jl。
[0010]美国专利7，176，528公开了可以通过阳极键合方法提供的另一类型的阻挡层，该阻挡层是玻璃基支撑衬底la中的改性(modified)玻璃顶层，具有较低的离子水平。所公开的阳极键合从玻璃基衬底的大约100nm厚的顶层中基本去除了碱和碱土玻璃组分以及对娃有害的其他正改性离子(positive modifier 1n)。
[0011 ] 然后通常通过使两个衬底表面非常紧密地接触来进行分子键合。通过机械活塞对衬底施加压力，以便使两个表面局部接近到亚纳米级的距离。在亲水键合的情况下，这导致两个亲水表面处吸收的水分子之间产生氢键。随着已键合区域边缘处的氢键的逐渐产生，键合区域逐渐增大。因此，键合波传播，直到其到达至少一个衬底的边缘位置。键合波传播的任何干扰或者键合波在衬底边缘处的终止可能导致俘获气泡9。这种气泡9局部地阻止衬底键合，这会在从源衬底lb分离并键合到玻璃基支撑衬底la的层8中造成孔洞，如图2所示。
[0012]因此需要一种用于在分子键合过程中避免俘获气泡的键合两个衬底的方法。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种高质量的无气泡硅-玻璃键合衬底。此外，本发明的目的还在于提供一系列衬底的高效键合，以便加快工业过程并节约成本。
[0014]为此目的，本发明提供一种用于将具有第一表面的第一衬底键合到具有第二表面的第二衬底的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤:
[0015]-通过至少两个支撑点来保持所述第一衬底，
[0016]-将所述第一衬底和所述第二衬底放置成第一表面和第二表面彼此相对，
[0017]-通过在至少一个压力点和两个支撑点之间朝向所述第二衬底施加应变，使所述第一衬底变形，
[0018]-使变形的第一表面与所述第二表面相接触，
[0019]-逐渐释放应变。
[0020]本发明具有下列优选的但非限制性的特征:
[0021]籲压力点的集合所形成的凸包的表面积为零，支撑点和压力点的集合所形成的凸包的表面积不为零；
[0022]籲通过放置在支撑点处的吸盘来保持所述第一衬底；
[0023]?每个吸盘连接到伸缩臂；
[0024]籲所述第二衬底放置在支撑件上，所述支撑件包括分别位于所述第二衬底的每一侧上的至少两个隔离物，所述隔离物高于所述第二衬底的厚度；
[0025]?通过放在所述隔离物上来保持所述第一衬底，所述支撑点为所述隔离物和所述第一衬底之间的接触点；
[0026]?所述支撑件包括保持所述第二衬底的至少一个吸盘；
[0027]?通过至少一个活塞杆来施加应变；
[0028]?所述第一衬底为玻璃片，其中所述第二衬底为硅砖；
[0029]籲对于每个第二衬底，对第一衬底施加应变，从而将所述第一衬底顺序键合到多个第二衬底上；
[0030]籲所述至少一个活塞杆安装在移动设备上，并对所述第一衬底顺序施加每个应变；
[0031]?通过使整个所述第一衬底变形，将所述第一衬底同时键合到多个第二衬底上。
【附图说明】
[0032]结合附图阅读接下来对本发明的例证性实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将会得以显现，其中:
[0033]-上文所述的图1描绘了用于制造S1G结构的已知方法的步骤；
[0034]-上文所述的图2是由于SOI结构中存在气泡而导致的缺陷的细节的横断面图(traversal view)；
[0035]-图3描绘了分子键合过程中的键合传播波；
[0036]-图4描绘了根据本发明的方法中的保持衬底的步骤的实施例；
[0037]-图5a至图5e描绘了根据本发明的方法中的保持衬底的步骤的替代实施例；
[0038]-图6a至图6d描绘了根据本发明的方法的实施例的连续步骤；
[0039]-图7a和图7b是根据本发明的方法的实施例中衬底在支撑件上的另一种可能布置的上视图；
[0040]-图8a至图8f描绘了根据本发明的方法的另一实施例的连续步骤。
【具体实施方式】
[0041]现在参考附图描述根据本发明的可能实施例。
[0042]为了避免俘获气泡，唯一的办法是小心控制如图3所示的键合波的传播。事实上，键合波前是对指定时间的已键合区域划界(即键合波已经过)的曲线，其通过分子引力向未键合区域扩展。如果该曲线的两个不同点相接，从而包围未键合区域，则会俘获气泡。由于空气无法从这种被包围的未键合区域中逸出，键合波前停止。因此，在任意时刻，键合波前必须是连续的。
[0043]在所示情况下，键合始于点P1处的接触。之后，键合波径向范围:L(tl)、L(t2)和L(t3)代表三个时刻tl〈t2〈t3的键合波前的位置。键合波从中心键合启动开始一直扩展到第二衬底lb的边缘，将空气排出而不会俘获空气。
[0044]在这个背景下，本发明提出一种用于将具有第一表面2a的第一衬底la键合到具有第二表面2b的第二衬底lb上的方法，其中键合波的传播受到控制。通过至少两个支撑点S1和S2保持第一衬底la，位置靠近(例如100至1000微米)第二衬底lb，从而第一表面2a和第二表面2b彼此相对。使第一衬底变形，以使两个表面2a和2b之间具有单一接触。通过在不同于两个支撑点S1和S2的至少一个压力点P1之间朝向第二衬底lb施加应变(strain) F来获得该变形，然后使变形的第一表面2a和第二表面2b相接触。变形可以一直进行到变形的第一表面2a和第二表面2b接触上为止，或者可以使第一衬底la变形，然后一旦变形完成，其第一表面la通过平移与第二表面2a相接触。通过位于压力点P1处的该接触，启动键合波。第一衬底la的翘曲为大约几百微米，其与衬底通常采用的侧向尺寸(即几百毫米)相比非常的小。例如，在具有20cmX 20cm的表面并在其边缘处被支撑的775微米厚的硅衬底的中间获得200微米的翘曲所要需的力为大约1.3N，在具有20CmX20Cm的表面并在其边缘处被支撑的500微米厚的硅衬底的中间获得200微米的翘曲所要需的力为大约0.2N。
[0045]图4显示了第一实施例。在该有利实施例中，通过真空系统在四个支撑点S1、S2、S3和S4保持第一衬底la，每个支撑点处放置吸盘3。然后将第一衬底la放置在第二衬底上方几十毫米内。
[0046]图5a至图5e显示了能够在不同的位置启动键合波的传播的支撑点和压力点的另一种布局。只需要两个支撑点。本发明不限于这些上述任一种布局，本领域技术人员知晓如何根据第一衬底la的形状和材料来布置支撑点和压力点。
[0047]支撑点和压力点的布局例如可遵循两个条件:
[0048]-至少两个支撑点S1和S2必须与至少一个压力点P1不对齐。换言之，支撑点和压力点的集合所形成的凸包(即包含该集合中的至少每一点的最小多边形)必须具有非零表面积。但是，不存在完全点状的物理支撑装置:例如，吸盘3扩大几平方厘米。因此，如果吸盘3足够大，则图5d至图5e所示的布局不违反该第一条件并且能够在根据本发明的方法的实施例中使用，因为一个吸盘3充当多个足够远的支撑点。
[0049]-如果存在至少三个压力点，则它们不应构成三角形。换言之，压力点的集合所形成的凸包必须具有零表面积。如果构成三角形，则当表面2a和表面2b之间相接触时，键合波前连接三角形的边，空气可能被俘获到里面。