一种在基板上转移制作薄膜的方法

专利名称：一种在基板上转移制作薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料的薄膜转移方法，具体地说，涉及转移与该原始基板等面积、纳米等级厚度、高度膜厚均匀度、低缺陷密度的薄膜转移方法。
背景技术：
晶圆键合方法能将两晶格常数相差甚远的单晶晶圆片相结合，中间的键合接口不需使用任何胶，保持完全洁净，却仍能得到和基板强度一样的键合强度，以满足电子及光电材料对接口属性严格的要求。
一九八八年美国的马舒拉(Dr.W.Maszara)应用一种P+型腐蚀停止层(Etch Stop Layer)，来制作次微米厚度的键合式绝缘层硅晶圆(Bonding Etch-Back Silicon on Insulator；BESOI)，使得该技术(BESOI)应用范围扩充至电子材料、光电材料及微机电系统(MEMS)领域。然而该技术仍然有腐蚀停止层在各点的停止腐蚀机构工作时间不一，影响膜厚均匀度(Total Thickness Variation，TTV)的缺点，成为该材料应用于高度集成电路制作最大的障碍。此外，该方法十分费时，不但浪费原始基板，而且其所产生的废弃溶液也易造成环境污染问题，使得制作成本居高不下。同一时期，IBM应用氧离子直接注入法(Separation byImplantation Oxygen，SIMOX)来制作SOI材料方法，也得到迅速发展。由于SIMOX有绝佳的薄膜厚度均匀度，使得BESOI技术在制作高度集成电路领域的应用几乎被淘汰。
一九九二年，法国的布鲁尔(Dr.M.Bruel)发明一种薄膜转移技术，即“智切法”(Smart CutProcess)。智切法能使键合式SOI材料薄膜厚度亦具有如SIMOX优异的均匀度。依据布鲁尔于美国专利5,374,564的权利要求书中所述，该工艺步骤是先于一种原始基板中注入高剂量如氢、惰性气体等气体的离子，然后与另一目标基板键合成一体，接着再施以加热处理，使这些离子在注入层中聚合，产生许多微气泡(microbubbles)。随后这些微气泡连成一片，进而分离上下材质，产出薄膜。智切法所得的薄膜均匀度十分良好，缺陷密度小，且无腐蚀液产生，氢气逸出后也无毒无害，没有环境污染问题，且可以回收原始基板材料。
智切法伴随有高温加热处理所产生的热应力以及低生产效率等缺失问题。因为在智切法的薄膜转移技术中的升温加热处理，利用各种加热源，输入热能来升高基板温度，以激发这些注入的氢离子的动能，进而聚合成气泡，终致撕裂开分离层，达到薄膜转移目的。
然而，上述方法具有以下四项重大缺点(1)在键合强度未达到足以抵抗氢离子在注入层聚合产生微气泡，生成巨大剥离力之前，温度需控制在使氢离子产生气泡的温度下(约450℃)。因此初步键合的晶圆必须控制于低温状态下进行退火，这将使得该退火加热的等待时间延长，消耗大量时间，成为整个薄膜转移制程的瓶颈，影响产量；(2)该试料需整体在高温中加热，需约在500℃之上，才能确保有预期的薄膜分离的结果。假若两键合材料的热膨胀系数存在差异，易在高温下产生极大的热应力，破坏两材料的键合结构；此法在转移异材质材料过程中，往往在尚未产生薄膜分离前，即因热应力过大而使键合结构体破裂；(3)以退火方式将热能转换成动能的热效率低，须耗大量外加能量来进行，增加营运成本；(4)对某些材料而言，如氧化铝或氧化铝镧基板等等，利用智切法所公开的方法来进行氢离子注入以及后续的高温加热处理等步骤时，无法产生明显的微细气泡来达到分离薄膜的目的。
2000年，台湾的李天锡(Dr.T.-H.Lee)发展了一种非热方法(Non-thermal Process；即Nova CutProcess)，利用高频交替电场或磁场，例如微波，来直接激发基板内部注入离子或分子离子(MolecularIons)，产生动能，增加碰撞频率，使微细气泡急剧产生且膨胀，发生注入层撕裂效应，进而将薄膜自原始基板中分离转移至目标基板表面(美国专利6,486,008)。这种方法能有效提高产能、降低时间成本。但是应用此方法在大面积晶圆片上，由于(1)各点产生突发性高热点不均匀，使得试料内部各点产生的瞬间温度有差距，导致在各瞬间薄膜分离点的分离时间不一致，生成内部应力，造成转移面粗糙化，甚至产生许多的细微裂缝；(2)微波照射均匀度不易控制，伴随产生的温度分布不均匀，对工艺稳定性有一定的负面影响；(3)注入的离子彼此分布间距大，能量吸收效率低，因此该方法被局限于小尺寸晶圆制作。

发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜转移方法。所述方法能够产生转移大尺寸晶圆片等面积大小、纳米等级厚度、高均匀度膜厚、维持原有晶体结构的半导体材料薄膜能力。
本发明提供一种薄膜转移材料的制作方法，该方法包含下列步骤提供一种原始基板；利用离子注入法，在所述原始基板内形成离子分离层，使得该原始基板通过所述离子分离层形成一层薄膜层，该薄膜层为该原始基板中承受离子注入的区域；和一层余质层，该余质层为该原始基板中未注入离子的区域；利用晶圆键合法，将目标基板键合于该原始基板，使所述目标基板和该原始基板键结成键合结构体；以及将所述键合结构体加热至高于室温且使该构造体的介电常数和损耗因子产生转变的转变温度，施以高频交替电场或磁场照射处理该键合结构体，来分离该薄膜层与该余质层，使该薄膜层能够自该原始基板表面转移至该目标基板上。
在一种优选实施方式中，所述离子注入法选自等离子体浸泡离子注入法和不同注入温度的分段离子注入法。
在另一种优选实施方式中，所述的注入离子选自氢离子和氢分子离子。
在另一种优选实施方式中，所述晶圆键合法选自直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法和等离子体强化键合法。
在另一种优选实施方式中，所述晶圆键合法还包含表面离子化处理，使该原始基板与该目标基板的键合面能够获得足够的键合强度。
在另一种优选实施方式中，在所述离子分离层形成之后且在键合之前还包含预热程序，以初步聚合注入的离子或分子离子，产生晶界裂纹，使该原始基板表面处于欲形成气泡的高应力临界状态。
在另一种优选实施方式中，所述高频交替电场或磁场照射处理利用能够产生高频交替电场或磁场的相关装置来产生高频交替电场或磁场，所述产生高频交替电场或磁场的相关装置选自微波、射频、感应耦合场产生装置和其它足以直接激发该键合结构体内的注入离子或分子离子或这些离子与基板原子的反应产物的动能的装置。
在另一种优选实施方式中，所述转变温度高于室温，且低于900℃或低于智切法在同一时段内完成所需的温度。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板为硅衬底片时，该转变温度高于室温，且低于450℃。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板还包含不同搀杂原子浓度层，以利用该原始基板中的不同搀杂原子浓度层来形成不同载流子浓度层，以在该高频交替电场或磁场照射时，产生选择性感应能量。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板的不同搀杂原子浓度层利用离子注入，或分子束外延成长，或液相外延成长，或气相外延成长等方式形成。
在另一种优选实施方式中，所述高频交替电场或磁场照射处理所使用的微波系统选自固定频率的微波系统和可转变频率的微波系统，所述固定频率微波系统的微波使用2.45GHz或900MHz的频率。
在另一种优选实施方式中，所述微波照射时间大于一分钟。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板的材料选自硅、锗、碳化硅、砷化镓、氮化镓、第IV族半导体材料和III-V族半导体材料。
本发明还提供一种薄膜转移方法，该方法包含下列步骤提供一种原始基板；利用离子注入法，在该原始基板内形成离子分离层，使得该原始基板通过所述离子分离层形成一层薄膜层，该薄膜层为该原始基板中承受离子注入的区域；和一层余质层，该余质层为该原始基板中未注入离子的区域；利用晶圆键合法，将该原始基板与目标基板相互键合，形成键合结构体；以及将所述键合结构体加热至高于室温且使该构造体的介电常数和损耗因子产生转变的转变温度，施以高频交替电场或磁场照射处理该键合结构体，来分离该薄膜层与该余质层，使该薄膜层能够自该原始基板表面转移至该目标基板上。
在一种优选实施方式中，所述原始基板选自氧化铝、氧化铝镧、氧化钛锶、石英和氧化物基板。
在另一种优选实施方式中，所述离子注入法为多段式注入法，在至少两种不同的注入温度下，分段注入离子。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板由硅构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在500℃至800℃之间，注入剂量不超过8×1016/cm2的单原子氢离子，以及不大于150℃温度，注入剂量大于2×1016/cm2的单原子氢离子或以大于1×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板由硅构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在500℃至700℃之间，注入剂量不超过4×1016/cm2的氢分子离子，以及不大于150℃温度，注入剂量大于2×1016/cm2的单原子氢离子或以大于1×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板由氧化铝构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在550℃至800℃之间，注入剂量不超过1.4×1017/cm2的单原子氢离子，以及不大于200℃温度，注入剂量大于6×1016/cm2的单原子氢离子或以大于3×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
在另一种优选实施方式中，所述原始基板由氧化铝构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在550℃至800℃之间，注入剂量不超过7×1016/cm2的氢分子离子，以及不大于200℃温度，注入剂量大于6×1016/cm2的单原子氢离子或以大于3×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
在另一种优选实施方式中，所述高频交替选自微波、射频和感应耦合场产生装置。
本发明的方法是先进行离子注入(Ion Implantation)工艺，将离子或分子离子注入原始基板表面，形成由注入离子分隔的薄膜层；接着，利用晶圆键合法，将所述原始基板与目标基板键结成一种键合结构体；然后将所述键合结构体置于能调整温度的高频交替电场或磁场装置之中，升高该键合结构体至高于室温且使介电常数和损耗因子产生正向转变的恒温温度(在本专利申请中简称为″转变温度″)，在该转变温度(＞150℃；硅晶体材料)退火过程中，能有效转变、增加原始基板的微波介电常数和损耗因子，大幅增进能量吸收效率；但是该温度保持低于执行智切法所需的温度(根据美国专利5,374,564，为约450℃；硅晶体材料)，以避免该方法的激活，产生上述该方法伴随的缺陷。待温度稳定一段设定时间后，激活高频交替电场或磁场，进行离子激化处理，通过如微波、射频或电感应耦合场等非热能量场作用，产生感应能量，一部份由注入离子直接吸收，短时间内大幅增加微气泡成核数目，另一部分由基板有效率吸收，转移该能量至注入离子，增加动能，使注入的离子进入上述成核点，大量聚合成为气体分子，填充于该气体分子所造成的裂缝中，进而融合形成一层分离膜，分离该气膜以上的薄膜层并转移至所述目标基板上。
对于低介电损耗的氧化物之类原始基板的薄膜转移，如SrTiO3、Al2O3、SiO2等等，本发明的方法则利用分段式离子注入方法，先于高温下注入离子，以产生晶界间裂纹，接着再于低温下注入离子到该裂纹中，避免注入离子大量扩散损失，进而有效补充剂量，达到足够离子浓度以产生微细气泡及聚合而成分离膜。然后将该离子注入原始基板加热至转变温度(＞150℃)，再激活高频交替电场或磁场来进行离子激化处理，产生感应能量并转移至这些注入离子及其聚合而成的分子中，增加动能，使注入的离子聚合成气体分子并造成裂缝，进而达成薄膜分离的目的。如此不但有效降低所需的离子注入总剂量，而且更有节省成本、减少薄膜缺陷密度的效果。
此外，本发明的方法可应用在薄膜的切割工艺上。例如先利用离子注入法，以于薄膜内形成一层或一层以上的离子分离层，接着升高该基板温度至转变温度点以上，待温度平衡稳定后，激活高频交替电场或磁场照射该薄膜，使该离子分离层中的注入离子聚合为气体分子，形成一层分离膜，分离该薄膜，完成薄膜切割。
本发明是利用热及非热复合方法来进行薄膜转移。此种复合方法的反应过程及生产结果，皆不同于热或非热单一方法。以微波为传送能量手段为例，一般物质，特别是氢-硅复合体(hydrogen-silicon complex)及硅基板的微波吸收率(即正比例于损耗因子和介电常数的乘积)，常随周围温度上升而大幅度上升。在此方法中，在未施加微波前预热基板至转变温度，目的是增高原始基板的有效微波吸收率，让其在随后的微波照射中能够大量吸收，并转移能量至内部的注入离子。而内部的注入离子也直接吸收微波，激化而产生成核反应，生成许多微细核点，在定点有效率转换并聚集离子成为分子，长大扩展成为分离气膜。这种热及非热复合方法明显优于纯热方法或纯非热方法，以氢离子注入八吋硅原始基板(氢离子(H+)剂量为8×1016/cm2，注入能量为80KeV)，且此原始基板以与目标基板，经适当晶圆键合步骤，键合完成键合结构体为例。首先，以纯热方法(即Smart-CutProcess)转移薄膜。加热该键合结构体在450℃，需要约10分钟，才能100％完整转移整片薄膜层至目标基板；其次，以纯非热方法(即Nova CutProcess)转移薄膜。以1000W，2.4GHz微波照射，约三至四分钟，此结合体便自动分离。但是只有约30％～65％薄膜层成功转移至目标基板，且有产生许多撕裂平面边界产生；最后，以本发明的热及非热复合方法来转移薄膜，将此键合结构体加热至200℃，15分钟，然后再施加1000W，2.4GHz微波照射。需要约1～2分钟，就能100％完整转移整片薄膜层至目标基板。而在此低温下(200℃)，智切法(Smart-CutProcess)，单一热方法，无法执行；在室温下，Nova-CutProcess，单一非热方法也无法达到如此结果，足以证明本发明的热及非热复合方法不同于单一热或非热方法。
以在执行温度上差异造成其方法上差异而被认证为新技术也在这类方法专利出现。如前述智切法专利(美国专利5,374,560)，由于在离子注入时温度上的差异(＞250℃)，造成工艺反应的差异，由此获得了美国专利5,877,070和6,150,239。
附图简单说明

图1表示通过离子注入法，将离子或分子离子对着原始基板的正表面注入，形成薄膜层和余质层的步骤。
图2表示将原始基板与目标基板接合形成键合结构体的步骤。
图3表示用加热装置加热形成的键合结构体的步骤。
图4表示对键合结构体施以高频交替电场或磁场照射处理的步骤。
图5表示将薄膜层转移至目标基板上的步骤。
具体实施例方式
请参考图1至图5，图1至图5为本发明的薄膜转移方法的流程示意图。本发明是提供一种将薄膜02自原始基板01中分离，并转移至目标基板07上的方法。
如图1所示，本发明先利用离子注入法，将离子或分子离子06对着原始基板01的正表面05注入，形成注入离子分离层03。注入离子分离层03将原始基板01上、下分隔为两区一个为含有注入离子或分子离子06的注入区域，此为薄膜层02；一个为不含注入离子或分子离子06的区域，其定义为余质层(Remnant Substrate)04。由于薄膜层02注入深度由离子注入能量决定，因此能精确地控制原始基板01的拟转移的薄膜层02的厚度。其中该离子注入法选自等离子体浸泡离子注入法(Plasma Ion Implantation Immersion)和不同注入温度的分段注入离子法，而该离子注入法中所注入的离子选自氢原子离子和氢分子离子。
进行该离子注入法的目的是为了将大量离子或分子离子06注入原始基板01的表层，通过离子产生撞击，撞开原有存在于原始基板01晶体结构中的原子，打断该原子与其邻近原子间的键结，甚至取代原有的原子与其它邻近原子形成新的微弱键氢-硅复合结构。注入离子分离层03中的注入离子或分子离子06在原始基板01内处于不稳定状态，其余过多注入剂量的离子或一些未因撞击而分裂成为单原子的被注入分子离子06，亦嵌入晶格空隙中，产生体积应变，导致使注入离子分离层03变成应力集中区。而且注入有离子的晶界间的凝聚力也相对的较低，更造成原始基板01在注入离子分离层03附近之处的机械性质脆弱，如同氢脆现象(Hydrogen Embrittlement)。
接着如图2所示，利用晶圆键合法，并配合适当的表面等离子体处理，使原始基板01与目标基板07的键合面能够获得足够的键合强度，以将原始基板01与目标基板07相接合成一种键合结构体10。其中该晶圆键合法选自直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法和等离子体强化键合法。
如图3所示，此薄膜分离效应重点在注入离子分离层03的吸收能量能力，故在未激活非热量，如微波，照射时，先将键合结构体10的温度利用加热装置09升温至转变温度，增高注入离子分离层03的微波吸收效率(或介电常数和损耗因子的乘积)，同时也增高原始基板01对微波的吸收，以利转移能量至注入离子分离层03，造成大面积且均匀有效率的薄膜转移。在此增加介电常数和损耗因子步骤中，使原始基板01与目标基板07的键合结构体10适当地保持在小于400℃的温度状态下，以防止执行智切法，避免该法的副作用所导致的巨大热应力，进而扩大本发明的薄膜转移方法的应用范围。
如图4所示，随后将在稳定转变温度下的原始基板01与目标基板07的键合结构体10，施以高频交替电场或磁场照射08处理。由于注入的离子、分子离子06或经撞击后分裂产生的离子，会与原始基板01原子产生微弱键结生成的原子键结对，因具有阴电性差，产生电耦极，故能对高频交替电场或磁场照射08感应，进而使得注入离子分离层03附近的原子的震荡频率剧烈增快，终致断键脱离，并且其可与由其它处分裂出来的相同的原子相结合，再度形成气体分子，在该处形成充满气体分子的核种。以这些核种为基地，捕捉在晶格间游移的原子，聚合成气泡。
如图5所示，原始基板01通过介电常数和损耗因子增加，有效使搀杂原子所产生的载流子(电子或电洞)在高频交替电场或磁场中感应成伴随电流，快速流动，而产生大量的热能，以非弹性碰撞方式，直接转移该热量至周围环绕的注入离子气体分子，快速提升该气体分子动能，将原有气泡造成的体积应变急剧加大。所述搀杂原子浓度层利用离子注入，或分子束外延成长，或液相外延成长，或气相外延成长等方式形成。此效应将使在注入离子分离层03中的由前述产生的气泡所引起的裂缝，受到由体积应变快速增大而来的拉伸应力，沿着断裂尖端，急速延伸扩大，并吞邻近气泡，产生撕裂效应，将薄膜层02自原始基板01中与余质层04分离，转移至目标基板07上。
由于高频交替电场或磁场装置所形成的离子激化效应可使注入离子与承受注入离子原始基板原子间的键结产生电耦极化效应，进而加速断键形成裂缝，并使这些注入离子急剧聚合成气体分子。而注入的离子或分子离子，在离子分离层所聚合成的分子及其造成的晶界裂缝接口，于基板内的作用宛如活性种，吸引这些带着能量、快速流动的载流子，发生集肤效应效果，在该层集中流动，使得该感应能，得以通过载流子与离子分离层中的分子作非弹性碰撞，直接转换至该分子，增加其动能。但是由于这种动能传输往往瞬间集中在某点，使得瞬间高温点产生，进而影响整体工艺温度分布均匀度，带来负面的智切法效应某点面积因集肤效应在瞬间已有薄膜转移现象，但是在其它点却未有转移现象，造成转移薄膜破碎。
本发明根据学术界在微波传导吸收上的文献报告，得知一般物质微波吸收量与介电常数和损耗因子的乘积成正比例关系。而介电常数和损耗因子在低温加热时，常随温度上升而变化，特别是物质在可移动态与不可移动态的差距，呈现跳跃方式转变。例如冰与水在0℃时的介电常数εr和损耗因子tanδ，即由εr＝4；tanδ＝0.0009跳跃到εr＝81；tanδ＝0.15700，呈现3,532倍的增加转变。氢原子在硅晶体中亦有类似现象在约150℃以下时为不可移动态，而在约150℃以上时为可移动态。根据此原理，本发明在激活微波照射氢离子注入原始基板前，先加热至转变温度(约150℃)以上，使注入的氢离子与原始基板的微波吸收效率大幅增加(控制温度在高于150℃，低于400℃之间)，不激活智切法，但能妥善控制微波制程稳定性。
以H+注入硅基板用8×1016/cm2剂量，80KeV注入能量为例，就注入氢原子体积密度与硅原子体积密度比例言，为约1∶50。故若硅原子能够有效吸收微波能量并转让氢原子，将十分有助于大尺寸面积转移。除此之外，本发明还能在注入剂量为临界注入剂量时，有效执行薄膜分离方法，大量节省注入成本。例如使用Nova Cut Process，临界注入剂量为约5.5×1016/cm2，而且在低于此注入临界剂量的条件下，无论微波照射时间多长，不能看出薄膜转移现象。而在Smart Cut Process中，临界注入剂量为约4×1016，且在此剂量执行薄膜分离制程所需要的时间和温度，皆远大于正常执行的时间和温度。但在本发明中，在临界注入剂量为约3.5×1016～5×1016的样品中，仍能够正常执行薄膜分离方法。
这种利用在转变温度上以高频交替电场或磁场来激发分子动能的方法，可以有效地大幅改进加热点瞬间薄膜分离温度不均匀的重大缺失。因此本发明即利用这种在转变温度上，施以高频交替电场或磁场来激发分子动能的方法配合晶圆键合技术及离子注入方法，由大尺寸基板切下等面积、厚薄均匀、低缺陷密度的薄膜，转移至另一基板上，结合形成一种新颖材料，或单纯地用来制作纳米等级厚度的键合式绝缘层硅晶圆(Silicon on Insulator；SOI)。
此外，对于低介电损耗的氧化物原始基板的薄膜转移，如SrTiO3、Al2O3、SiO2等，因其氢离子注入若在低温环境下执行，虽然有后续的高温加热处理，并无明显离子聚合以产生微细气泡现象，导致无法分离薄膜。该种基板虽能通过高温环境下注入离子后，再经高温退火处理，产生气泡，但该方法离子聚合效率不佳，需提高注入离子的剂量，以补充在高温下注入过程中，大量扩散损失的离子。而本发明则可利用分段离子注入方法，先在高温下注入离子，产生晶界间裂纹，再于低温下注入离子到该裂纹中，避免大量扩散损失，有效率补充剂量，使之达到足够浓度，施以转变温度以上的微波照射，产生微细气泡及聚合而成分离膜，其所需的离子注入总剂量比现有技术低，有降低成本及薄膜缺陷密度效果，并能达到分离薄膜目的。
综合上述说明，本发明方法可归纳成下列几种操作方法一.先在高温下注入离子，在注入时立即产生晶界裂纹，但注入的剂量还不能够引发表面气泡产生。接着再于较低温下持续注入离子，补充剂量，然后将此原始基板01与目标基板07键合成为键合结构体10。使键合结构体10在转变温度以上，施以高频交替电场或磁场照射08处理时，原始基板01内的注入离子或分子离子06，有足够能量聚合分离薄膜层02。
二.在原始基板01内离子注入形成注入离子分离层03之后，便将原始基板01作预热处理，使注入离子或分子离子06，在注入层作初步聚合，增大内压，产生晶界裂纹，使原始基板01表面处于欲分离的高应力临界状态。然后将原始基板01与目标基板14键合，最后再将此键合结构在转变温度以上施以高频交替电场或磁场照射08处理，使其吸收能量，产生膨胀压力，断裂注入离子分离层03，分离薄膜层02。
在本发明中，升高温度是本发明方法的辅助工艺，非如在传统加热方法中，其为主要使用手段。且温度突然升高现象，不利薄膜转移。所以本发明利用一种加热装置，升高键合结构体10至转变温度以上，此温度低于智切法所需的温度，达到稳定均匀化制程温度目的，减少整体键合结构的热应力。
与常规的薄膜转移方法相比，本发明方法是在转变温度上施以高频交替电场或磁场，如微波，射频，电感应耦合场等装置产生的交替电磁场照射处理，利用电磁感应方式，直接激发这些注入离子或离子分子的动能，取代以传统加热制程的升温，间接激发注入离子或离子分子的动能方法，进而能有效率地输入所需的能量，减少能源消耗。而且透过层的每一层可以同时均一地激发，使动能被激发后所出现的温度上升效应所产生的加热温度分布均匀，达到改善生产品质效果。除此之外，本发明的电磁感应激发动能方式，还能大幅节省制程时间，缩短生产周期，与传统升温加热方式相较，更有降低时间成本，制程洁净，操作方便等优势。
此外，本发明方法更可应用在薄膜的切割工艺上。例如先利用离子注入法，于薄膜内形成一层或一层以上的离子分离层，接着在转变温度，施以高频交替电场或磁场照射该薄膜，使该离子分离层中的注入离子聚合为气体分子，分离该薄膜，完成薄膜切割。
以下本发明提供一些优选的具体实施例，以进一步说明本发明的制作方法与特点。
实施例首先应用微波辐射激发离子分离层中的分子动能为例，说明本发明以电磁感应方式，激发注入离子或离子分子动能，达到薄膜转移目的的原理。
实施例1
原始基板为P型，晶格方向(100)，电阻值为10～50ohm-cm，表面覆盖2000二氧化硅(SiO2)，单面抛光，8″硅晶圆片，经过剂量为4.0×1016/cm2，注入能量为200KeV，氢分子离子(H2+)注入。目标基板为P型，晶格方向(100)，电阻值为10-50ohm-cm，单面抛光硅晶圆片。两硅晶圆片于室温经等离子体加强键合法键合为键合结构体，置于商用可调温度微波炉内，以转变温度设定为200℃退火处理十五分钟，然后紧接在此温度下以2.45GHz频率，1000W输出功率，15分钟的微波照射后，一层硅薄膜自原始基板分离转移至目标基板，厚度为约0.6μm，合成一种以二氧化硅为绝缘层的SOI晶圆材料。
实施例2原始基板为P型，晶格方向(100)，电阻值为10～50ohm-cm，单面抛光，8″硅晶圆片，经过两次氢分子离子(H2+)注入制程，第一次氢分子离子注入的注入温度为550℃，剂量为1.0×1016/cm2，注入能量为200KeV；紧接第二次氢分子离子注入，注入温度为室温，剂量为4×1016/cm2，注入能量为200KeV。目标基板为单面抛光玻璃晶圆片。两硅晶圆片于室温经等离子体加强键合法键合为键合结构体，置于商用可调温度微波炉内，以转变温度定为200℃退火处理十五分钟，然后紧接在此温度下以2.45GHz频率，1000W输出功率，15分钟的微波照射后，一层硅薄膜自原始基板分离转移至目标基板，厚度为约0.5μm，合成一种以玻璃基板为主体的SOI晶圆材料。
实施例3原始基板为P型，晶格方向(100)，电阻值为10～50ohm-cm，单面抛光硅晶圆片，经过两次离子注入。首先注入剂量为1×1014/cm2，注入能量为180KeV，硼离子(B+)；其次注入剂量为5×1016/cm2，注入能量为129KeV，氢分子离子(H2+)。目标基板为单面抛光玻璃晶圆片。两晶圆片于室温经等离子体加强键合法键合为键合结构体，置于商用可调温度微波炉内，以转变温度定为120℃退火处理十分钟，然后紧接在此温度下以2.45GHz频率，1000W输出功率，5分钟的微波照射后，一层硅薄膜自原始基板分离转移至目标基板，厚度为约0.35μm，合成一种以玻璃基板为主体的SOI晶圆材料。
实施例4原始基板为内部具有厚度为1.5μm浓度为(B/Ge2.0×1020/2.0×1021/cm-3)硼锗掺杂的高浓度外延层，其上有0.35μm厚度的无掺杂硅外延层的晶格方向(100)，单面抛光硅晶圆片，经过剂量为5×1016/cm2，注入能量为120KeV，氢分子离子(H2+)注入。目标基板为单面抛光玻璃晶圆片。两晶圆片于室温经等离子体加强键合法键合为键合结构体，置于商用可调温度微波炉内，以转变温度定为120℃退火处理十分钟，然后紧接在此温度下以2.45GHz频率，1000W输出功率，5分钟的微波照射后，一层硅薄膜自原始基板分离转移至目标基板，厚度为约0.3μm，合成一种以玻璃基板为主体的SOI晶圆材料。
实施例5原始基板为晶格方向(0001)，双面抛光氧化铝晶圆片，经过第一次剂量为3×1016/cm2，注入能量为200KeV，氢分子离子(H2+)在650℃温度下注入。紧接第二次氢分子离子注入，注入温度为室温，剂量为3×1016/cm2，注入能量为200KeV。目标基板为单面抛光晶格方向(100)硅晶圆片。两晶圆片于室温经等离子体加强键合法键合为键合结构体，置于商用可调温度微波炉内，以转变温度定为450℃退火处理十五分钟，然后紧接在此温度下以2.45GHz频率，1000W输出功率，5分钟的微波照射后，一层硅薄膜自原始基板分离转移至目标基板，厚度为约0.6μm，合成一以覆盖单晶氧化铝薄膜为表面的硅晶圆基板材料。
由于微波本身并不生热，其为一种电磁波，波长在1cm～1m(频率30GHz-300MHz)的区域内，介于红外和无线电波之间。微波在空间中产生电场与磁场的变化，能均匀地透过物质，它产生的正极和物质里的极性分子中的负极相吸，然后在极高的频率引发物质内的极性分子跟着电场交互的改变极化方向，绕一轴作加速旋转振动。由于微波辐射引起的吸收极化作用，使极性分子在极高速频率下振动(每秒二十四亿五千万次，2.45GHz)，动能增加迅速，而邻近分子也跟着加速运动，因互相摩擦，产生摩擦热，使得温度上升。虽然微波的穿透力只有2.5～3.5厘米(cm)左右，但已足够应付现今半导体晶圆材料的厚度需求。
本发明中将键合结构体升温至转变温度，然后紧接在此温度下以微波照射，除了应用以上所述极性分子电耦极化原理，还运用激发基板原子作为微波吸收材料，协助能量转移。因基板为半导体材料，电阻值高，吸收微波后将使基板内载流子运动加速，产生大量伴随电流，导致该伴随感应电流依电阻加热原理产生能量，通过非弹性碰撞，直接迅速转移该能量至注入的离子或分子离子形成的分子，增加其分子动能，而不需经过加热过程来提高键合基板对的温度，间接激发分子动能。
由于在转变温度下操作微波照射，有效增强注入离子或分子离子吸收微波能力，加速动能，逃脱邻近基板原子的束缚，打断与其形成的键结，和另一脱离的注入离子相遇，结合形成气体分子及其对应的成核机构，在扩大成核机构产生的微细气泡，导致裂缝长大的过程中，合并其它微细气泡而形成气膜。注入离子或分子离子动能的增强，一方面直接吸收照射的微波的能量，一方面通过与基板吸收微波形成的载流子的非弹性碰撞，大量快速转移载流子因电磁感应所产生的能量，转化成为分子动能，增加气体碰撞频率，产生足够内压，扩大气体体积，将薄膜自基板分离。本发明所提供的实施例即是应用以上表面极性分子簇团电磁感应方法产出的成果，验证本发明的立论正确。
本发明通过表面处理获得表面极性分子簇团，如硅晶圆经标准洁净(RCA cleaning method)处理得到在晶圆表面的水分子聚合体，或经氧等离子体处理的表面得到的氧离子聚合体，激化欲键合的晶圆表面状态，能够在短时间内增加键合后键合结构体中两晶圆接触面原子间的反应速率，而与对方互相形成化学键，快速增强键合能量，使之在后续照射处理中，将薄膜自原始基板分离之前，能达到一定要求的强度，避免在进行薄膜分离时，因气泡的形成而与原始基板脱落。
本发明将键合结构体升温至转变温度，改变物质特性，增高微波吸收系数，在相关化学反应中做出本质上的变化，变更微波反应作用模式，并达到控制工艺稳定性的目的。
以上所述仅为说明本发明的优选实施例，并非用以限定本发明的保护范围；凡其它未脱离发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的专利申请和权利要求范围内。
权利要求
1.一种薄膜转移材料的制作方法，其特征在于所述方法包含下列步骤提供一种原始基板；利用离子注入法，在所述原始基板内形成离子分离层，使得该原始基板通过所述离子分离层形成一层薄膜层，该薄膜层为该原始基板中承受离子注入的区域；和一层余质层，该余质层为该原始基板中未注入离子的区域；利用晶圆键合法，将目标基板键合于该原始基板，使所述目标基板和该原始基板键结成键合结构体；以及将所述键合结构体加热至高于室温且使该构造体的介电常数和损耗因子产生转变的转变温度，施以高频交替电场或磁场照射处理该键合结构体，来分离该薄膜层与该余质层，使该薄膜层能够自该原始基板表面转移至该目标基板上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述离子注入法选自等离子体浸泡离子注入法和不同注入温度的分段离子注入法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的注入离子选自氢离子和氢分子离子。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述晶圆键合法选自直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法和等离子体强化键合法。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述晶圆键合法还包含表面离子化处理，使该原始基板与该目标基板的键合面能够获得足够的键合强度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述离子分离层形成之后且在键合之前还包含预热程序，以初步聚合注入的离子或分子离子，产生晶界裂纹，使该原始基板表面处于欲形成气泡的高应力临界状态。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述高频交替电场或磁场照射处理利用能够产生高频交替电场或磁场的相关装置来产生高频交替电场或磁场，所述产生高频交替电场或磁场的相关装置选自微波、射频、感应耦合场产生装置和其它足以直接激发该键合结构体内的注入离子或分子离子或这些离子与基板原子的反应产物的动能的装置。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述转变温度高于室温，且低于900℃或低于智切法在同一时段内完成所需的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述原始基板为硅衬底片时，该转变温度高于室温，且低于450℃。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述原始基板还包含不同搀杂原子浓度层，以利用该原始基板中的不同搀杂原子浓度层来形成不同载流子浓度层，以在该高频交替电场或磁场照射时，产生选择性感应能量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述原始基板的不同搀杂原子浓度层利用离子注入，或分子束外延成长，或液相外延成长，或气相外延成长等方式形成。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述高频交替电场或磁场照射处理所使用的微波系统选自固定频率的微波系统和可转变频率的微波系统，所述固定频率微波系统的微波使用2.45GHz或900MHz的频率。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述微波照射时间大于一分钟。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述原始基板的材料选自硅、锗、碳化硅、砷化镓、氮化镓、第IV族半导体材料和III-V族半导体材料。
15.一种薄膜转移方法，其特征在于所述方法包含下列步骤提供一种原始基板；利用离子注入法，在该原始基板内形成离子分离层，使得该原始基板通过所述离子分离层形成一层薄膜层，该薄膜层为该原始基板中承受离子注入的区域；和一层余质层，该余质层为该原始基板中未注入离子的区域；利用晶圆键合法，将该原始基板与目标基板相互键合，形成键合结构体；以及将所述键合结构体加热至高于室温且使该构造体的介电常数和损耗因子产生转变的转变温度，施以高频交替电场或磁场照射处理该键合结构体，来分离该薄膜层与该余质层，使该薄膜层能够自该原始基板表面转移至该目标基板上。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述原始基板选自氧化铝、氧化铝镧、氧化钛锶、石英和氧化物基板。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述离子注入法为多段式注入法，在至少两种不同的注入温度下，分段注入离子。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述原始基板由硅构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在500℃至800℃之间，注入剂量不超过8×1016/cm2的单原子氢离子，以及不大于150℃温度，注入剂量大于2×1016/cm2的单原子氢离子或以大于1×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述原始基板由硅构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在500℃至700℃之间，注入剂量不超过4×1016/cm2的氢分子离子，以及不大于150℃温度，注入剂量大于2×1016/cm2的单原子氢离子或以大于1×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述原始基板由氧化铝构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在550℃至800℃之间，注入剂量不超过1.4×1017/cm2的单原子氢离子，以及不大于200℃温度，注入剂量大于6×1016/cm2的单原子氢离子或以大于3×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述原始基板由氧化铝构成，该多段离子注入法中至少一段离子注入的温度控制在550℃至800℃之间，注入剂量不超过7×1016/cm2的氢分子离子，以及不大于200℃温度，注入剂量大于6×1016/cm2的单原子氢离子或以大于3×1016/cm2剂量的氢分子离子注入。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述高频交替选自微波、射频和感应耦合场产生装置。
全文摘要
本发明涉及一种材料的制造方法，它用于将薄膜层自原始基板中分离并转移至目标基板表面上。本发明的方法是(1)进行离子注入，将离子或分子注入原始基板表面，形成充满注入离子的分离层，(2)利用晶圆键合法，将所述原始基板与目标基板键结成键合结构体，(3)升高所述键合结构体至高于室温且使介电常数和损耗因子产生增加转变的恒温温度，在此温度范围内对该键合结构体进行离子激化处理，使注入的离子运动聚合成气体分子，填充于该气体分子所造成的裂缝中，进而(4)形成一层分离膜，分离该分离膜上的薄膜层并将其转移至该目标基板上。
文档编号H01L21/00GK1632911SQ200310123080
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者甘青, 熊夏幸, 李天锡 申请人:联合晶圆公司