专利名称：晶片处理装置、晶片处理方法和半导体衬底制备方法
技术领域：
本发明涉及晶片处理装置、晶片处理方法、和半导体衬底制备方法，更具体地，涉及将晶片浸入处理溶液中来处理晶片的晶片处理装置、晶片处理方法、和半导体衬底制备方法。
晶片处理的典型实例是清洗处理。晶片清洗的一个课题是增加其速度。日本专利特许公开No.8-293478公开了一种在旋转晶片的同时施加超声波来增加清洗效率的晶片清洗方法、和实现此方法的装置。
日本专利特许公开No.8-293478公开的晶片清洗方法基于这样的发现即在清洗液与周围气氛之间的界面处清洗晶片最有效。因此在晶片清洗方法中，在清洗液与周围气氛之间的界面处，颗粒不可避免地要附着在晶片上。
在日本专利特许公开No.8-293478公开的晶片清洗方法中，将旋转晶片的凸轮装置放在晶片的正下面，所以旋转力没有有效地传送到晶片。在晶片清洗装置中，由于凸轮装置将晶片完全与下面屏蔽，所以阻断了超声波的传送。因此在晶片的中央和外围超声波的强度不同，晶片的处理将不均匀。旋转晶片也不能改善这种不均匀性。
因此本发明的一个目的是，在包括清洗和腐蚀的各种晶片处理中防止晶片受颗粒的沾污。
本发明的另一个目的是使晶片处理均匀。
根据本发明的晶片处理装置是将晶片浸入处理液来处理晶片的晶片处理装置，其特征在于包括其深度允许晶片能完全浸入处理液的处理槽；用来旋转被晶片固定器固定的一个或多个晶片的晶片旋转装置，该装置使用围绕从一个或多个晶片重心正下方偏移的轴旋转的晶片旋转部件；和用来在处理槽中产生超声波的超声波产生装置。
在晶片处理装置中，最好只将晶片旋转部件置于由晶片固定器固定的一个或多个晶片的下面，作为给晶片传送旋转力的部件。
在晶片处理装置中，晶片旋转部件最好至少包括一个基本与轴平行的连杆部件，连杆部件最好绕轴旋转。
在晶片处理装置中，连杆部件的直径最好比连杆部件绕轴旋转所实际形成的圆柱的直径小得多。
在晶片处理装置中，连杆部件最好有和晶片外围部分啮合的槽。
在晶片处理装置中，沿轴方向的连杆部件的剖面最好基本为正弦波形。
在晶片处理装置中，沿轴方向的连杆部件的剖面最好基本为全波整流形。
在晶片处理装置中，晶片旋转装置最好还包括置于处理槽外的驱动力产生装置、和用来将驱动力产生装置所产生的驱动力传送给晶片旋转部件并旋转晶片旋转部件的驱动力传送装置。
晶片处理装置最好还包括将处理槽的内部分隔为处理晶片侧和驱动力传送装置侧的分隔装置。
在晶片处理装置中，驱动力传送装置最好通过曲柄装置传送驱动力产生装置所产生的驱动力。
在晶片处理装置中，处理槽最好包括具有溢流槽的循环装置。
在晶片处理装置中，循环装置最好包括用来降低晶片的颗粒沾污的减沾污装置。
在晶片处理装置中，减沾污装置最好包括过滤器。
在晶片处理装置中，减沾污装置最好包括调节处理槽中处理液的流量的装置。
在晶片处理装置中，超声波产生装置最好包括超声槽和超声源，处理槽最好通过置于超声槽中的超声传送介质来接收超声波。
晶片处理装置最好还包括用来改变超声源和要处理的晶片之间的相对位置关系的驱动装置。
在晶片处理装置中，驱动装置最好在超声槽内部移动超声源。
在晶片处理装置中，要与处理液接触的处理槽和晶片旋转装置的至少部分构成部件最好由石英和塑料构成的组中的一种材料构成。
在晶片处理装置中，要与处理液接触的处理槽和晶片旋转装置的至少部分构成部件最好由氟树脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)构成的组中的一种材料构成。
根据本发明的晶片处理方法是施加超声波处理晶片的晶片处理方法，其特征在于包括在将晶片全部浸入处理液并旋转晶片的同时处理晶片的步骤。
根据本发明的晶片处理方法是施加超声波处理晶片的晶片处理方法，其特征在于包括在将晶片全部浸入处理液、并旋转和垂直移动晶片的同时处理晶片的步骤。
根据本发明的晶片处理方法是施加超声波处理晶片的晶片处理方法，其特征在于包括在将晶片全部浸入处理液并改变超声源的位置的同时处理晶片的步骤。
本发明的晶片处理方法的特征在于，用晶片清洗液作为处理液来清洗晶片。
用晶片腐蚀液作为处理液时，该晶片处理方法适于作为腐蚀晶片的方法。
用多孔硅腐蚀液作为处理液时，该晶片处理方法适于作为腐蚀具有多孔硅层的晶片的多孔硅层的方法。
使用下面溶液中的任何一种溶液作为处理液时，该晶片处理方法适于作为腐蚀有多孔硅层的晶片的多孔硅层的方法。
(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
本发明的半导体衬底制备方法的特征在于包括下面步骤在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层；将所要结构的第一衬底侧与单独制备的第二衬底键合在一起，以将无孔层夹在第一衬底和第二衬底之间；从键合结构去除第一衬底以暴露第二衬底一侧的多孔层的去除步骤；将其上暴露多孔层的第二衬底侧完全浸入腐蚀液中，并施加超声波腐蚀多孔层的腐蚀步骤，由此暴露第二衬底侧的表面，在腐蚀步骤中旋转第二衬底侧。
本发明的半导体衬底制备方法的特征在于包括下面步骤在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层；将所要结构的第一衬底侧与单独制备的第二衬底键合在一起，以将无孔层夹在第一衬底和第二衬底之间；从键合结构去除第一衬底以暴露第二衬底一侧的多孔层的去除步骤；将其上暴露多孔层的第二衬底侧完全浸入腐蚀液中，并施加超声波腐蚀多孔层的腐蚀步骤，由此暴露第二衬底侧的表面，在腐蚀步骤中旋转并垂直移动第二衬底侧。
本发明的半导体衬底制备方法的特征在于包括下面步骤在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层；将所要结构的第一衬底侧与单独制备的第二衬底键合在一起，以将无孔层夹在第一衬底和第二衬底之间；从键合结构去除第一衬底以暴露第二衬底一侧的多孔层的去除步骤；将其上暴露多孔层的第二衬底侧完全浸入腐蚀液中，并施加超声波来腐蚀多孔层的腐蚀步骤，由此暴露第二衬底侧的表面，在腐蚀步骤中改变超声槽的位置。
腐蚀步骤所用的腐蚀液最好是下面的任一种(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
去除步骤最好包括从背面研磨、抛光、或腐蚀第一衬底来暴露多孔层的步骤。
去除步骤最好包括在多孔层的界面处分开第一衬底侧和第二衬底侧的步骤。
无孔层最好为单晶硅层。
无孔层最好由单晶硅层和形成在单晶硅层上的氧化硅层构成。
无孔层最好为化合物半导体层。
第二衬底最好为硅衬底。
第二衬底最好为在其将与第一衬底键合的表面上形成有氧化硅膜的硅衬底。
第二衬底最好为透光衬底。
下面参照附图详细说明本发明的实施例，由此说明本发明的其他目的、特性和优点。
图1是本发明第一实施例的晶片处理装置的示意结构的透视图；图2是图1所示晶片处理装置的剖面图；图3是晶片旋转部件的结构的实例的透视图；图4A和4B分别表示晶片旋转部件在升高方向旋转时晶片的移动；图5A和5B分别表示有定位边的晶片的移动；图6A和6B分别表示晶片旋转连杆的结构的另一实例的剖面图；图7A和7B分别表示晶片旋转连杆的结构的又一实例的剖面图；图8A到8C都表示晶片旋转连杆的剖面形状的实例；图9表示将马达所产生驱动力矩传送给晶片旋转部件的旋转轴的装置；图10A到10F分别表示制备半导体晶片的方法。
下面参照附图详细说明本发明的优选实施例。图1是本发明第一实施例的晶片处理装置的示意结构的透视图。图2是图1所示晶片处理装置的剖面图。
在该实施例的晶片处理装置100中，根据用途，要与处理液接触的部分最好由石英或塑料构成。塑料的优选实例为氟树脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)。氟树脂的优选实例为PVDF、PFA、和PTEF。
该晶片处理装置100具有晶片处理槽10、溢流槽20、超声槽30、和旋转晶片40的晶片旋转装置(52到59)。
为了处理晶片，晶片处理槽10中充满处理液(如腐蚀液或清洗液)。临时储存从晶片处理槽10中溢出的任何处理液的溢流槽20设置在晶片处理槽10的上部附近。临时储存在溢流槽20的处理液通过排放管21a从溢流槽20的底部排放到循环器21中。循环器21通过过滤排放的处理液来去除颗粒，并通过供应管21b将处理液送到晶片处理槽10的底部。由此有效地去除了晶片处理槽10中的颗粒。
晶片处理槽10必须有能完全浸入晶片40的深度。这可以防止处理液与周围气氛之间界面处的颗粒附着在晶片40上，并使晶片40得到均匀处理。
当将晶片完全浸入处理液来处理晶片时，颗粒附着在处理液中的晶片上，颗粒容易回到处理液中。但是如果将晶片部分浸入处理液，则很难从晶片去除在处理液与外围气氛之间的界面处附着在晶片上的颗粒，颗粒会暴露于周围气氛中且同时附着在晶片上。即使将晶片的附着部分再浸入处理液中，这样附着在晶片上的颗粒也几乎不能从晶片上去除。特别是当晶片表面疏水(如没有任何氧化硅膜的硅晶片)时，颗粒完全附着在晶片表面，由于晶片表面暴露于干燥气氛，颗粒变得更难去除。
超声槽30置于晶片处理槽10的下面。超声源31由超声槽30内的调节装置32来支撑。该调节装置32包括调节超声源31的垂直位置的装置、和调节超声源31的水平位置的装置，来作为调节超声源31与晶片处理槽10(晶片40)的相对位置关系的装置。通过该装置，可以优化要加到晶片处理槽10，更具体地说加到晶片40上的超声波。超声源31最好有能调节所产生超声波的频率或强度的功能。这还优化了超声波的供给。
由于该装置有优化加到晶片40的超声波供给的装置，因此可以处理各种类型的晶片。在处理晶片40时通过调节装置32摇摆超声源31，可以均匀地处理晶片40。在处理晶片40时改变超声波的频率也可以使晶片40的处理更均匀。
超声槽30充满超声波传送介质(如水)，该超声波传送介质将超声波传送到晶片处理槽10。
用晶片固定器41将晶片40固定，使它基本垂直晶片处理槽10的底表面。晶片固定器41可以从晶片处理槽10卸下。晶片固定器41可以是常用的载片盒。用固定在晶片处理槽10底表面的定位部件42将晶片固定器41置于预定位置。
旋转晶片40并垂直移动晶片的晶片旋转部件50置于晶片40的下面。图3是晶片旋转部件50的结构的实例的透视图。
在晶片旋转部件50中，彼此基本平行的两个晶片旋转连杆53通过连接连杆54而连接，旋转轴52连接到一个连接连杆54的大致中央位置。晶片旋转部件50通过轴支撑部分11轴向支撑于旋转轴52。注意另一旋转轴可以置于旋转轴52的相对端。
使晶片旋转连杆53的直径比晶片旋转连杆53旋转时实际形成的圆柱的直径小得多。这种设置可以增加到达晶片40的旋转力矩和超声波的传送效率。
通常在晶片处理槽10的底表面与液体表面之间形成驻波，即超声波的高强度和低强度部分。但是在该晶片处理装置100中，由于晶片旋转部件50的旋转使晶片40在垂直移动同时还旋转，所以可以使晶片40的处理均匀。
由于在晶片处理槽10的底表面和晶片40之间，晶片旋转部件50有最小的阻断超声波传送的部件，所以可以大大增加到晶片40的超声波的传送效率。晶片旋转部件50还有搅动处理液的功能。该搅动使晶片40的处理变均匀。
晶片旋转连杆53最好有这样的形状，即当它与晶片40接触时可以增加摩擦力，以防止在施加超声波时晶片40与晶片旋转连杆53发生滑动。
图6A和6B分别是晶片旋转连杆5 3的结构的另一实例的截面图。晶片旋转连杆53有很多锯齿形且与晶片40啮合的V形槽53a。将晶片旋转连杆53的表面形成为这样的形状以便夹住晶片40，在施加超声波时就能抑制晶片40与晶片旋转连杆53之间的滑动。
图7A和7B分别是晶片旋转连杆53的结构的另一实例的截面图。该晶片旋转连杆53的剖面为正弦波形。晶片旋转连杆53基本形成与晶片40的外围部分接触的表面，能夹住晶片40。因此，在施加超声波时能更有效地抑制晶片40与晶片旋转连杆53之间的滑动。
另外，与图6A和6B所示的晶片旋转连杆53不同，该晶片旋转连杆53没有锐角部分，所以可以减少与晶片40接触时所产生的颗粒。通过形成有全波整流形状的槽53c也可以达到这种效果。
图8A、8B和8C皆示出了晶片旋转连杆53的剖面形状的实例。晶片旋转连杆5 3的剖面可以有各种形状。例如其剖面可以是图8A所示的圆形、图8B所示的椭圆形、或图8C所示的形状。
晶片旋转部件50的旋转轴52最好从晶片40的重心正下方位置朝晶片固定器41的侧壁偏移(X轴向)。
尽管没有具体限制晶片旋转连杆53的旋转方向，但最好是用较接近晶片40的重心正下面的位置的晶片旋转连杆53将晶片40提升的方向(此后称为提升方向)，如图2所示。这是因为，如果晶片旋转连杆53按提升方向旋转，作用于晶片40上的力基本是垂直的，所以晶片40与晶片固定器41的侧壁之间的摩擦力变小。
图4A和4B分别表示晶片旋转部件50按提升方向旋转时晶片40的移动。方向A表示提升方向，方向B表示晶片40的旋转方向。晶片40从图4A的状态按方向B旋转，同时通过晶片40重心正下方的晶片旋转连杆53提升而垂直移动。晶片40通过图4B所示状态，并在晶片旋转连杆53旋转180°后回到图4A的状态。因此晶片40旋转的同时还垂直摆动。
由于晶片旋转部件50的旋转，使两个晶片旋转连杆53实际上形成一个圆柱，所以即使晶片有定位边也能很好地对其传送旋转力。图5A和5B分别表示有定位边的晶片40的移动。
为了在晶片40有效地旋转和垂直移动时不阻断超声波的传送，如上所述，晶片旋转连杆53最好有两个。但是晶片旋转连杆53也可以只有一个。此时晶片40也可以旋转并垂直移动。只要能达到可允许的超声波传送的阻断，晶片旋转连杆53的数目可以是3个或更多个(例如可以柱状排列)。
图9是将马达59产生的驱动力矩传送到晶片旋转部件50的旋转连杆52上的装置。通过曲柄58和连接连杆57将马达59所产生的驱动力矩传送到曲柄55。曲柄55的一端连接到旋转轴52以固定在那里，另一端由轴承58轴向支撑。旋转轴52通过形成于轴支撑部分11的轴承部分11a而轴向支撑，并接收通过曲柄55所传送的驱动力矩而旋转。
晶片旋转装置不限于上面结构，只要能旋转该旋转轴52就行。例如，可以用斜齿轮、传送带、或类似的东西代替曲柄装置，以将马达59所产生的驱动力矩传送到旋转轴52。
在该实施例中，为了防止曲柄55与连接连杆57之间的摩擦、和曲柄55与轴承58之间的摩擦所产生的颗粒进入晶片40一侧，曲柄支撑部分11划定了晶片40侧和曲柄55侧的界限。
为了更彻底地防止颗粒进入晶片40侧，曲柄支撑部分11最好延伸到(或高于)晶片处理槽10的上端，以将晶片处理槽10的内部分隔为两部分。
但是曲柄55侧所产生的颗粒还是可以通过轴承部分11a进入晶片40侧，或者可在轴承部分11a产生颗粒。
为此，通过在晶片处理槽10的底部附近设置用来向晶片处理槽10提供处理液的供给口21c，晶片处理装置100将处理液从晶片处理槽10的底部向上循环。另外，在晶片40侧设置很多供给口21c，晶片处理装置100调节处理液的流向，以防止曲柄55侧的处理液流向晶片40侧。因此可以减少曲柄55侧所产生的颗粒对晶片40的沾污。
晶片处理装置100还可以使用另一种方法来防止颗粒对晶片40的沾污。例如，合适调节各供给口21c的直径。第二实施例将例示采用实施例1的晶片处理装置的晶片处理方法、和包括该晶片处理方法作为一部分工艺的半导体衬底制备方法。
图10A到10F分别表示半导体晶片的制备方法。简单地说，按该制备方法，在单晶硅衬底上形成多孔硅层，在多孔硅层上形成无孔层，最好在无孔层上形成绝缘膜，由此制备第一衬底。将分别制备的第一衬底和第二衬底键合在一起，以将绝缘膜夹在中间。然后从第一衬底的背面去除单晶硅衬底，腐蚀多孔硅层来制备半导体衬底。
下面将参照图10A到10F详细说明制备半导体衬底的方法。
制备形成第一衬底的单晶硅衬底501，在单晶硅衬底501的主表面形成多孔硅层502(图10A)。在多孔硅层502上形成至少一层无孔层503(图10B)。无孔层503的优选实例是单晶硅层、多晶硅层、非晶硅层、金属膜层、化合物半导体层、和超导层。可以在无孔层503上形成如MOSFET等元件。
最好在无孔层503上形成SiO2层504作为另一无孔层，并用作第一衬底(图10C)。因为在随后的步骤中将第一衬底和第二衬底505键合时，可以从有源层去除键合界面的界面能，所以SiO2层504非常有用。
在室温下将第一衬底和第二衬底505紧密键合，以将SiO2层504夹在其中(图10D)。可以通过阳极氧化键合法、加压、或热处理、如果需要可以结合使用来加强该键合。
当用单晶硅层作为无孔层503时，最好用热氧化等在单晶硅层的表面上形成SiO2层504之后，将第一衬底键合到第二衬底505上。
第二衬底505的优选实例是Si衬底、在Si衬底上形成有SiO2层的衬底、如石英衬底等透光衬底、兰宝石衬底等。只要有足够进行键合的平坦表面，第二衬底505可以是任何其他衬底。
图10D表示通过SiO2层504而键合的第一和第二衬底的键合状态。当无孔层503或第二衬底不是Si时，可以不形成SiO2层504。
在键合中，可以在第一和第二衬底中间插入薄绝缘板。
在多孔硅层502的边界处，从第二衬底上去掉第一衬底(图10E)。去除方法包括用研磨、抛光、腐蚀等的第一方法(废弃第一衬底)，和在多孔层502的边界分开第一衬底和第二衬底的第二方法。按第二方法，通过去除残留在分开的第一衬底上的多孔硅、如果需要还平面化第一衬底的表面可以回收第一衬底。
选择腐蚀并去掉多孔Si层502(图10F)。晶片处理装置100适于该腐蚀。由于该晶片处理装置在将晶片(此时，晶片如图10E所示)完全浸入腐蚀液并移动晶片(如旋转或垂直移动)的同时提供超声波，所以晶片几乎不受颗粒沾污，且腐蚀均匀。由于该晶片处理装置，缩短了腐蚀时间，增加了无孔层503与多孔层504之间的腐蚀选择性。腐蚀时间的缩短是因为超声波促进了腐蚀，腐蚀选择性的增加是因为超声波对多孔层504的腐蚀促进作用比对无孔层503的腐蚀促进作用更显著。
当无孔层503为单晶硅时，除Si的普通腐蚀液外，适用的还有以下腐蚀液。
(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
使用这些腐蚀液，可以选择腐蚀多孔层502，而只留下下面的无孔层503(单晶硅)。由于多孔硅有很大的表面积，和多孔硅比较无孔硅层有很高的腐蚀速率，所以可以很容易地用这些腐蚀液来选择腐蚀多孔层502。
图10E示意地表示了上述制备方法所得到的半导体衬底。根据该制造方法，平坦的无孔层503(如单晶硅层)均匀形成在第二衬底505的整个表面。
例如，如果用绝缘衬底作为第二衬底505，上述制备方法所得到的半导体衬底可以有效用来形成绝缘的电子元件。
下面说明用晶片处理装置100、和包括晶片处理作为一部分工艺的半导体晶片制备方法来进行晶片处理的实例。该例涉及清洗处理。
将晶片置于充满超纯水的晶片处理槽10中，加约1MHz的超声波在晶片旋转的同时清洗晶片。通过该清洗可以去除晶片表面上90％以上的颗粒。而且可以均匀地去除晶片表面的颗粒。该例涉及用氨、过氧化氢、和超纯水的混合溶液的清洗处理。用该混合液的清洗适于从硅片表面去除颗粒。
将硅晶片置于充满约80℃氨、过氧化氢、和超纯水的混合溶液的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约1MHz的超声波清洗晶片。通过该清洗，可以去除晶片表面上95％以上的颗粒。而且可以均匀地去除晶片表面的颗粒。该例涉及腐蚀硅层。
将硅片置于充满按1∶200∶200混合氢氟酸、硝酸、和醋酸来制备的混合溶液的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.5MHz的超声波30秒腐蚀晶片。由此均匀地腐蚀硅晶片约1.0μm。晶片表面和晶片之间的腐蚀速率的均匀性为±5％或以下。该例涉及腐蚀SiO2层。氢氟酸适于SiO2层的腐蚀。
将其上形成有SiO2的晶片置于充满1.2％的氢氟酸的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.5MHz的超声波30秒腐蚀SiO2层。由此均匀地腐蚀SiO2层约4nm。晶片表面和晶片之间的腐蚀速率的均匀性为±3％或以下。该例涉及腐蚀Si3N4层。热浓磷酸适于Si3N4层的腐蚀。
将其上形成有Si3N4层的晶片置于充满热浓磷酸的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.5MHz的超声波腐蚀Si3N4层。因此均匀地腐蚀Si3N4层约100nm。晶片表面和晶片之间的腐蚀速率的均匀性为±3％或以下。该例涉及多孔硅层的腐蚀。氢氟酸、过氧化氢、和超纯水的混合溶液适于多孔硅层的腐蚀。
将有多孔硅层的晶片置于充满氢氟酸、过氧化氢、和超纯水的混合溶液的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.25MHz的超声波腐蚀多孔硅层。由此均匀地腐蚀多孔硅层5μm。晶片表面和晶片之间的腐蚀速率的均匀性为±3％或以下。
注意，K.Sakaguchi等人在1995年Jpn.J.Appl.Phys.的34卷、第一部分、第2B期的842-847页公开了多孔硅的腐蚀机理。根据该文献，由于毛细作用，腐蚀液渗透进多孔硅的小孔中并腐蚀小孔的侧壁，由此腐蚀多孔硅。由于孔壁变薄，在超过某一点时，这些侧壁不能再支撑其自身。最后多孔硅整个坍塌而完全被腐蚀。该例涉及SOI晶片制备方法。图10A到10F为该例的SOI晶片制备方法的步骤的剖面图。
首先，在HF溶液中将用来形成第一衬底的单晶硅衬底501阳极氧化，以形成多孔Si层502(图10A)。阳极氧化条件如下。
电流密度7(mA/cm2)阳极氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1时间11(分钟)多孔硅厚度12(μm)随后将所得衬底在氧气氛下400℃氧化1小时。通过该氧化，多孔硅层502的孔内壁被热氧化膜覆盖。
用CVD(化学汽相淀积)工艺在多孔硅层502上外延生长0.3μm厚的单晶硅层503(图10B)。外延生长条件如下
源气体SiH2Cl2/H2气体流速0.5/180(l/min)气体压力80(Torr)温度950(℃)生长速率0.3(μm/min)接着热氧化在单晶硅层(外延层)503上形成200nm厚的SiO2层504(图10C)。
键合图10C所示这样形成的第一衬底与作为第二衬底的Si衬底505，以将SiO2层504夹在中间(图10D)。
从第一衬底去除单晶硅衬底501，暴露多孔Si层502(图10E)。
将图10E所示的晶片置于充满氢氟酸、过氧化氢、和超纯水的混合溶液的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.25MHz的超声波腐蚀多孔硅层502(图10F)。晶片表面和晶片之间对多孔硅层502的腐蚀速率的均匀性为±5％或以下。在晶片如上述旋转的同时施加超声波，可以均匀地促进晶片表面和晶片之间的多孔硅的坍塌(腐蚀)。
在多孔硅层502的腐蚀中，单晶硅层(外延层)503起腐蚀停止层的作用。因此可以选择腐蚀晶片整个表面上的多孔硅层502。
即由于使用上述腐蚀液腐蚀单晶Si层503的腐蚀速率非常低，所以多孔硅层502对单晶硅层503的腐蚀选择性为105以上。因此，单晶硅层503的腐蚀量只有几十埃，实际可以忽略。
图10F表示通过上述步骤得到的SOI晶片。该SOI晶片在SiO2层504上有0.2μm厚的单晶硅层503。在整个表面上的一百个点测量该单晶硅层503的膜厚度，发现为201nm±4nm。
在该例中，还在氢气氛中1100℃热处理1小时。用原子力显微镜(AFM)来评估所得SOI晶片的表面粗糙度，在边长为5μm的方形区域中表面粗糙度的均方根约为0.2nm。该质量与市场上的普通Si晶片相当。
而且，在上述热处理后用透射电子显微镜观察SOI晶片的剖面。结果发现没有新的晶体缺陷在单晶硅层503中产生，表明保持了高结晶度。
也可以在上述第一衬底的单晶硅膜(外延层)503上、第二衬底505的表面上、或两个表面上形成SiO2膜。任何情况下都可以得到上述相似的结果。
另外，即使用如石英晶片等透光晶片作为第二衬底时，也可以用上述制备步骤形成高质量SOI晶片。但是氢气氛中的热处理在1000℃或以下进行，以防止由于石英(第二衬底)和单晶硅层503之间的热膨胀系数的不同而导致的单晶硅层503的滑移。该例涉及另一SOI晶片制备方法。可以图示的制备步骤与图10A到10F中相同，所以下面参照图10A到10F说明该方法。
首先，在HF溶液中将用来形成第一衬底的单晶硅衬底501阳极氧化，以形成多孔Si层502(图10A)。阳极氧化条件如下。
第一阶段电流密度7(mA/cm2)阳极氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1时间5(分钟)多孔硅厚度5.5(μm)第二阶段电流密度21(mA/cm2)阳极氧化溶液HF∶H2O∶C2H5OH＝1∶1∶1时间20(秒)多孔硅厚度0.5(μm)随后将所得衬底在氧气氛下400℃氧化1小时。通过该氧化，多孔硅层502的孔内壁被热氧化膜覆盖。
用CVD(化学汽相淀积)工艺在多孔硅层502上外延生长0.15μm厚的单晶硅层503(图10B)。外延生长条件如下源气体SiH2Cl2/H2气体流速0.5/180(l/min)气体压力80(Torr)温度 950(℃)生长速率0.3(μm/min)接着用氧化在单晶硅层(外延层)503上形成100nm厚的SiO2层504(图10C)。
键合图10C所示这样形成的第一衬底与第二Si衬底505，以将SiO2层504夹在中间(图10D)。
从在21mA/cm2的电流密度下(第二阶段)形成的多孔硅层将键合的晶片分开为两个晶片，由此暴露第二衬底505表面的多孔硅层503(图10E)。分开键合晶片的方法的实例包括1)机械力拉两个晶片，2)扭动衬底，3)给晶片加压，4)在衬底之间插入楔形物，5)从端面氧化来剥离衬底，6)用热应力，7)加超声波。可以选择使用上述任何一种方法。
将图10E所示的晶片置于充满氢氟酸、过氧化氢、和超纯水的混合溶液的晶片处理槽10中。在晶片旋转的同时，加约0.25MHz的超声波腐蚀多孔硅层502(图10F)。晶片表面和晶片之间对多孔硅层502的腐蚀速率的均匀性为±5％或以下。如上所述在晶片旋转的同时施加超声波，可以均匀地促进晶片表面和晶片之间的多孔硅的坍塌(腐蚀)。
在多孔硅层502的腐蚀中，单晶硅层(外延层)503起腐蚀停止层的作用。因此可以选择腐蚀晶片整个表面上的多孔硅层502。
即，由于使用上述腐蚀液来腐蚀单晶Si层503的腐蚀速率非常低，所以多孔硅层502对单晶硅层503的腐蚀选择性为105以上。因此，单晶硅层503的腐蚀量只有几十埃，实际可以忽略。
图10F表示通过上述步骤得到的SOI晶片。该SOI晶片在SiO2层504上有0.1μm厚的单晶硅层503。在整个表面上的一百个点测量该单晶硅层503的膜厚度，发现为101nm±3nm。
在该例中，还在氢气氛中1100℃热处理1小时。用原子力显微镜(AFM)来评估所得SOI晶片的表面粗糙度，在边长为5μm的方形区域中表面粗糙度的均方根约为0.2nm。该质量与市场上的普通Si晶片相当。
而且，在上述热处理后用透射电子显微镜观察SOI晶片的剖面。结果发现没有新的晶体缺陷在单晶硅层503中产生，表明保持了高结晶度。
也可以在上述第一衬底的单晶硅膜(外延层)503上、第二衬底505的表面上、或两个表面上形成SiO2膜。任何情况下都可以得到上述相似的结果。
另外，即使用如石英晶片等透光晶片作为第二衬底时，也可以用上述制备步骤形成高质量SOI晶片。但是氢气氛中的热处理在1000℃或以下进行，以防止由于石英(第二衬底)和单晶硅层503之间的热膨胀系数的不同而导致的单晶硅层503的滑移。
在该例中，将键合的晶片分离为两个晶片所得到的第一衬底(此后称为分离的衬底)可以重新使用。即，用上述腐蚀多孔硅膜的相同腐蚀方法，选择腐蚀残留在衬底表面的多孔硅膜，并对所得材料进行处理(如氢气中退火处理或表面抛光等表面处理)，分离的衬底可以重新用作第一或第二衬底。
在上述例7和8中，用外延生长在多孔硅层上形成单晶硅层。但是也可以用其他不同的方法如CVD、MBE、溅射、和液相生长等来形成单晶硅层。
而且可以用外延生长方法在多孔硅层上形成如GaAs或InP等单晶化合物的半导体层。此时，可以制作适于高频器件如“Si上GaAs”和“玻璃(石英)上GaAs”、和OEIC的晶片。
另外尽管49％的氢氟酸和30％的过氧化氢的混合溶液适于作为选择腐蚀多孔Si层的腐蚀液，但也可以用下面的腐蚀液。这是因为多孔Si有很大的表面积，由此可以容易地选择腐蚀掉。
(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
应该注意，其他制备步骤并不限于上述实例中的条件，可以使用其他不同条件。
本发明可以降低颗粒对晶片的沾污，并使晶片处理更均匀。
本发明并不限于上述实施例，在不脱离本发明的精神范围的情况下，本发明可以有很多改变和变形。因此本发明的公开的范围限定在下面的权利要求书中。
权利要求
1.一种通过将晶片浸入处理液处理晶片的晶片处理装置，包括其深度容许将晶片完全浸入处理液中的处理槽；用晶片旋转部件来旋转由晶片固定器固定的一个或多个晶片的晶片旋转装置，其中晶片旋转部件绕从一个或多个晶片的重心正下方部分偏移的轴旋转；在所述处理槽中产生超声波的超声波产生装置。
2.如权利要求1的装置，其特征为在由所述晶片固定器固定的一个或多个晶片的下面，仅设置所述晶片旋转部件作为将旋转力传送到晶片的部件。
3.如权利要求1或2的装置，其特征为所述晶片旋转部件包括至少一个和所述轴基本平行的连杆部件，所述连杆部件绕所述轴旋转。
4.如权利要求3的装置，其特征为所述连杆部件的直径大大小于所述连杆部件绕所述轴旋转时实际形成的圆柱的直径。
5.如权利要求3的装置，其特征为所述连杆部件有与晶片外围部分啮合的槽。
6.如权利要求5的装置，其特征为所述槽为V形槽。
7.如权利要求3的装置，其特征为所述连杆部件沿所述轴的剖面基本为正弦波形。
8.如权利要求3的装置，其特征为所述连杆部件沿所述轴的剖面基本为全波整流形。
9.如权利要求1或2的装置，其特征为所述晶片旋转装置还包括置于所述处理槽外的驱动力产生装置，和用来将所述驱动力产生装置所产生的驱动力传送到所述晶片旋转部件并旋转所述晶片旋转部件的驱动力传送装置。
10.如权利要求9的装置，还包括用来将所述处理槽内部分隔为处理晶片侧、与所述驱动力传送装置侧的分隔部件。
11.如权利要求9或10的装置，其特征为所述驱动力传送装置通过一个曲柄装置传送所述驱动力产生装置所产生的驱动力。
12.如权利要求1或2的装置，其特征为所述处理槽包括具有溢流槽的循环装置。
13.如权利要求12的装置，其特征为所述循环装置包括用来减少颗粒对晶片的沾污的减沾污装置。
14.如权利要求13的装置，其特征为所述减沾污装置包括过滤器。
15.如权利要求13的装置，其特征为所述减沾污装置包括调节所述处理槽中处理液的流量的装置。
16.如权利要求1或2的装置，其特征为所述超声波产生装置包括超声槽和超声源，所述处理槽通过置于所述超声槽中的超声波传送介质来接收超声波。
17.如权利要求1或2的装置，还包括用来改变所述超声源与要处理的晶片之间的相对位置关系的驱动装置。
18.如权利要求17的装置，其特征为所述驱动装置移动所述超声槽中的所述超声源。
19.如权利要求1或2的装置，其特征为要与处理液接触的所述处理槽和所述晶片旋转装置的至少部分构成部件由石英和塑料构成的组中的一种材料构成。
20.如权利要求1或2的装置，其特征为要与处理液接触的所述处理槽和所述晶片旋转装置的至少部分构成部件由氟树脂、氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、和聚醚酮醚(PEEK)构成的组中的一种材料构成。
21.一种施加超声波处理晶片的晶片处理方法，它包括在将晶片全部浸入处理液并旋转晶片的同时处理晶片。
22.一种施加超声波处理晶片的晶片处理方法，它包括在将晶片全部浸入处理液、并旋转和垂直移动晶片的同时处理晶片。
23.一种施加超声波处理晶片的晶片处理方法，它包括在将晶片全部浸入处理液并改变超声源的位置的同时处理晶片。
24.如权利要求21到23的任一项的方法，其特征是用晶片清洗液作为处理液来清洗晶片。
25.如权利要求21到23的任一项的方法，其特征是用晶片腐蚀液作为处理液来腐蚀晶片。
26.如权利要求21到23的任一项的方法，其特征是用多孔硅腐蚀液作为处理液来腐蚀具有所述多孔硅层的晶片的多孔硅层。
27.如权利要求21到23的任一项的方法，其特征是使用下面溶液中的任何一种溶液作为处理液腐蚀有多孔硅层的晶片的所述多孔硅层，(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
28.一种半导体衬底制备方法，包括在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层的步骤；将所要结构的第一衬底与单独制备的第二衬底键合在一起，将所述无孔层夹在第一衬底和所述第二衬底之间的步骤；从键合结构上去除所述第一衬底，以暴露第二衬底上的所述多孔层的去除步骤；将其上暴露所述多孔层的第二衬底完全浸入腐蚀液中，并施加超声波腐蚀所述多孔层由此暴露第二衬底表面的腐蚀步骤，在腐蚀步骤中旋转第二衬底。
29.一种半导体衬底制备方法，包括在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层的步骤；将所要结构的第一衬底与单独制备的第二衬底键合在一起，将所述无孔层夹在第一衬底和所述第二衬底之间的步骤；从键合结构上去除所述第一衬底，以暴露第二衬底上的所述多孔层的去除步骤；将其上暴露所述多孔层的第二衬底完全浸入腐蚀液中，并施加超声波腐蚀所述多孔层由此暴露第二衬底表面的腐蚀步骤，在腐蚀步骤中旋转并垂直移动第二衬底。
30.一种半导体衬底制备方法，包括在形成于第一衬底的表面上的多孔层上形成无孔层的步骤；将所要结构的第一衬底与单独制备的第二衬底键合在一起，将所述无孔层夹在第一衬底和所述第二衬底之间的步骤；从键合结构上去除所述第一衬底，以暴露第二衬底上的所述多孔层的去除步骤；将其上暴露所述多孔层的第二衬底完全浸入腐蚀液中，并施加超声波腐蚀所述多孔层由此暴露第二衬底表面的腐蚀步骤，在腐蚀步骤中改变超声源的位置。
31.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是腐蚀步骤所用的腐蚀液是下面的任一种(a)氢氟酸，(b)在氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(c)缓冲氢氟酸，(d)在缓冲氢氟酸中至少加入乙醇和过氧化氢中的一种所制备的混合液，(e)氢氟酸、硝酸和醋酸的混合液。
32.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是去除步骤包括从背面研磨、抛光、或腐蚀所述第一衬底暴露所述多孔层的步骤。
33.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是去除步骤包括在所述多孔层的边界处分开第一衬底和第二衬底的步骤。
34.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述无孔层为单晶硅层。
35.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述无孔层由单晶硅层和形成在所述单晶硅层上的氧化硅层构成。
36.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述无孔层为化合物半导体层。
37.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述第二衬底为硅衬底。
38.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述第二衬底为在其将与第一衬底键合的表面上形成有氧化硅膜的硅衬底。
39.如权利要求28到30的任一项的方法，其特征是所述第二衬底为透光衬底。
全文摘要
超声槽(30)置于晶片处理槽(10)的下面。将超声波从超声槽(30)传送到晶片处理槽(10)的同时处理晶片(40)。在将晶片(40)完全浸入晶片处理槽(10)并用晶片旋转连杆(53)旋转晶片的同时处理晶片(40)。
文档编号H01L21/20GK1191385SQ98105320
公开日1998年8月26日 申请日期1998年2月20日 优先权日1997年2月21日
发明者上原二三男, 坂口清文, 柳田一隆, 原田贤一 申请人:佳能株式会社