專利名稱：對絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)，尤其涉及對這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法。
技術(shù)背景到目前為止，絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中最常使用的半導(dǎo)體材料是硅。這種結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)中被稱為絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，縮寫"sor'已應(yīng)用于這種結(jié)構(gòu)。對于高性能 薄膜晶體管、太陽能電池以及像有源矩陣顯示器這樣的顯示器而言，絕緣體上 硅技術(shù)正變得越來越重要。絕緣體上硅晶片包括位于絕緣材料上的單晶硅薄層(通常0.1-0.3微米厚，但在某些情況下達(dá)5微米厚)。如本文所使用的那樣， SOI應(yīng)該被解釋得更寬泛，以包括硅和其它半導(dǎo)體材料。獲得SOI結(jié)構(gòu)的各種方式包括在晶格匹配基板上外延生長硅(Si)。備選工藝包括將單晶硅晶片接合到另一個其上已生長有二氧化硅層的硅晶片，之后對頂部晶片進(jìn)行拋光或蝕刻，直到形成0.1-0.3微米厚的單晶硅層。其它方法包括離子注入方法，其中注入了氫或氧離子，從而在氧離子注入的情況下在硅 晶片中形成掩埋的氧化層且其頂部有硅，或者在氫離子注入的情況下分離(使 剝落)薄硅層以接合到另一個具有氧化層的硅晶片。就成本和/或接合強(qiáng)度和耐用性而言，前兩種方法沒有產(chǎn)生令人滿意的結(jié) 構(gòu)。后一種涉及氫離子注入的方法引起了人們的注意，并且被認(rèn)為優(yōu)于前面的方法，因為所需的注入能量比氧離子注入所需的要少50%并且所需的劑量低兩個數(shù)量級。通過氫離子注入方法進(jìn)行剝落通常包括下列步驟。在單晶硅晶片上生長熱 氧化層。然后，將氫離子注入到該晶片中以產(chǎn)生表面下的缺陷。注入能量決定 了產(chǎn)生缺陷的深度，劑量決定了缺陷密度。然后，使該晶片與另一個硅晶片(支持基板)在室溫下接觸從而形成臨時性接合。然后，對該晶片熱處理到約600°C，從而促使表面下的缺陷的生長，這些缺陷可用于從硅晶片上分離一層很薄的 硅。所得的組件接下來被加熱到1，000°C以上，使具有二氧化硅底層的硅膜完 全接合到'支持基板即未注入的硅晶片。由此，該工藝形成了一種SOI結(jié)構(gòu)，該 結(jié)構(gòu)具有接合到另一個硅晶片的硅薄膜，同時氧化物絕緣層介于其間。該技術(shù)最近已應(yīng)用于SOI結(jié)構(gòu)，其中該基板是玻璃或玻璃陶瓷，而非另一個硅晶片。 一旦將SOI結(jié)構(gòu)接合到硅薄膜上，則通常必須對硅層的表面進(jìn)行拋光以產(chǎn) 生厚度基本上均勻的層，從而便于在該硅上形成薄膜晶體管(TFT)電路。拋光硅 晶片的常規(guī)方法通常使用片段方式的處理方法。即，首先確定與晶片上的位置 相關(guān)的晶片厚度。然后，該晶片被置于合適的拋光夾具之內(nèi)，且晶片表面被拋 光。不時地從夾具中取出晶片并且重新測量以確定拋光步驟的進(jìn)展。這種不連續(xù)的方法假定了拋光過程是穩(wěn)定的即，在操作過程中，拋光參數(shù)是一致的(比如溫度、漿體的PH值、晶片位置等)。在實踐中，這些參數(shù)可以是可變的，從而影響拋光過程的結(jié)果。當(dāng)將該技術(shù)應(yīng)用于制造電致發(fā)光顯示器面板過程中 所用的大且薄的片狀玻璃基板時，上述可變性就增大了。最終從中切割出這種面板的玻璃片可能是若干個平方米那么大，且厚度小于約0.5毫米。尺寸和厚 度較大的玻璃基板會導(dǎo)致玻璃基板下凹，并且很難準(zhǔn)確地對其表面上的半導(dǎo)體 層進(jìn)行拋光。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施方式提供了一種對基板上所形成的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方 法。更具體地講，可以使用該方法對透明玻璃基板(比如常用于制造平板顯示 器的基板)上所形成的薄半導(dǎo)體層或膜進(jìn)行拋光。這種基板通常在厚度方面小 于約2毫米(比如小于約l毫米，小于約0.7毫米更佳)，并且比電子/計算機(jī) 工業(yè)所用的半導(dǎo)體晶片要大得多。例如，平板顯示器應(yīng)用中所用的玻璃基板常 常超過約0.25平方米的表面面積(在單個表面測得，比如頂面或底面)，其面 積可以是至少若干個平方米。正是基板具有大且薄這樣的特點，才導(dǎo)致很難用 常規(guī)方法對粘附的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光，除非該基板由剛性支持物或卡盤支撐 著，這通常導(dǎo)致無法從基板背面接觸到它。另一方面，當(dāng)大且薄的片狀玻璃基 板僅由基板邊緣水平地支撐著時，基板往往因重力效應(yīng)而在中央向下垂。簡單地講，根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施方式可以像本文所描述的那樣來實現(xiàn)。該實施方式包括提供一絕緣基板，該基板最好在約200nm-2pm的波長 范圍中是透明的并且具有第一側(cè)面和第二側(cè)面，該基板還包括在基板第一側(cè)面 上的一層半導(dǎo)體材料；拋光該半導(dǎo)體層以產(chǎn)生位于第一側(cè)面上且厚度基本上均 勻的半導(dǎo)體材料；以及與拋光半導(dǎo)體材料的步驟同時進(jìn)行的是，從基板的第二 側(cè)面測量半導(dǎo)體層的厚度并使用該半導(dǎo)體厚度測量結(jié)果來調(diào)整該拋光操作。絕 緣基板最好是玻璃或玻璃-陶瓷，且厚度通常小于約1 mm。較佳地，半導(dǎo)體厚 度是在材料除去區(qū)域處測量的?？捎糜趯崿F(xiàn)上述方法的半導(dǎo)體材料包括但不限于硅(Si),硅鍺(SiGe),碳 化硅(SiC)，鍺(Ge),砷化鎵(GaAs)， GaP,和InP。在進(jìn)行拋光的過程中，為了確?；宓膭傂?，基板最好由流體軸承支撐著， 比如空氣軸承或液壓軸承。這種軸承是有利的，因為它們不用堅硬且可能有破 壞性的表面來接觸基板。例如，通過在基板下面提供一個空氣墊，便實現(xiàn)了基 板的空氣軸承支撐。流體軸承最好定位在半導(dǎo)體材料上的材料除去區(qū)域的反 面，使得從中除去半導(dǎo)體材料的區(qū)域被支撐著。當(dāng)材料除去區(qū)域在半導(dǎo)體層的 表面上平移時，流體軸承也跟著，使得材料除去區(qū)域繼續(xù)被支撐著。流體軸承 最好包括一個端口或進(jìn)入?yún)^(qū)域，借此可在拋光過程中測量半導(dǎo)體層的厚度。在一些實施方式中，可能有利的是，首先執(zhí)行化學(xué)機(jī)械平整以除去指定要 除去的量較大的材料，其后，使用根據(jù)本發(fā)明的方法來完成拋光并且確?；?上的半導(dǎo)體層的厚度基本上均勻。在另一個實施方式中，揭示了一種對接合到基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的 方法，包括提供非平整的基板，該基板具有第一側(cè)面和第二側(cè)面以及接合到 第一側(cè)面的半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層具有露出的表面區(qū)域；對至少一個子孔徑材 料除去區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光；在至少一個材料除去區(qū)域和半導(dǎo)體層之 間形成相對移動；以及與拋光同時進(jìn)行的是，測量半導(dǎo)體層的厚度。測得的半 導(dǎo)體層厚度被用于調(diào)整拋光操作，以便在露出的表面區(qū)域上產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。在某些其它的實施方式中，描述了一種對接合到玻璃基板的半導(dǎo)體層進(jìn)行 拋光的方法，包括提供透明的玻璃基板，該基板具有第一側(cè)面和第二側(cè)面并且包括接合到基板第一側(cè)面且具有初始厚度的半導(dǎo)體層。該基板通常所具有的 起伏度比半導(dǎo)體層的初始厚度要大一個量級的幅度。使用子孔徑拋光對半導(dǎo)體 層進(jìn)行拋光，以在基板的頂部之上產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。為了確保 均勻的厚度，在拋光過程中，也測量半導(dǎo)體層中間厚度。較佳地，從基板第二 側(cè)測量半導(dǎo)體厚度。在一些實施方式中，可以在拋光的同時在多個位置處測量 半導(dǎo)體厚度。較佳地，在材料除去區(qū)域處，測量半導(dǎo)體厚度。在一些實施方式中，在拋光的同時，測量半導(dǎo)體層的中間厚度。在其它實施方式中，拋光過程 可以被中止，并測量中間厚度，其后再繼續(xù)拋光過程。在下面的解釋性說明中，本發(fā)明可以更容易地被理解，其它目的、特征、 細(xì)節(jié)和優(yōu)點將變得更明顯，這種說明是結(jié)合附圖給出的并且沒有任何限制的含 義。所有附加的系統(tǒng)、方法特征以及優(yōu)點都旨在被包括在這種說明中，被包括 在本發(fā)明的范圍中，并且被權(quán)利要求書保護(hù)。


圖1是在其頂部之上有一層半導(dǎo)體材料的基板的橫截面?zhèn)纫晥D。圖2-4是示出了與形成圖1的SOI結(jié)構(gòu)相關(guān)的中間結(jié)構(gòu)的形成過程的框圖。 圖5是示出了與形成圖1的SOI結(jié)構(gòu)相關(guān)的圖4的中間結(jié)構(gòu)的某些層的分 離過程的框圖。圖6是具有低頻度、低振幅平整誤差和低總厚度變化(TTV)的基板-半導(dǎo)體 層壓材料的透視圖。圖7是在真空壓板上平整過的圖6的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖8是顯示出高頻度平整性誤差和低TTV的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖9是嘗試在真空壓板上壓平圖8的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖10是具有高頻度平整性誤差和高TTV的基板-半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖ll是嘗試?yán)贸Ｒ?guī)CMP技術(shù)對圖10的基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光 的透視圖。圖12是描繪對基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法的側(cè)視圖，其中顯示出拋光構(gòu)件與半導(dǎo)體層相接觸。圖13是圖12的拋光方法的透明性的透視圖，其中顯示出材料除去區(qū)域。 圖M是對基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光的系統(tǒng)的框圖。圖15是在拋光操作過程中用空氣軸承支撐的基板半導(dǎo)體層壓材料的透視圖。圖16是通過偽-閉合環(huán)路反饋對基板-半導(dǎo)體層壓材料進(jìn)行拋光的方法的側(cè)面橫截面圖。
具體實施方式
在下面的詳細(xì)描述中，為了解釋而非限制，闡明了揭示特定細(xì)節(jié)的示例實 施方式，從而對本發(fā)明作透徹的理解。然而，很明顯，對于從本發(fā)明中獲益的 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以按不背離這些特定細(xì)節(jié)的其它實施方式來實施本發(fā) 明。此外，關(guān)于公知器件、方法和材料的說明將被省去以突出本發(fā)明的描述。 最終，在可應(yīng)用之處，相同的標(biāo)號指代相同的元件。本發(fā)明涉及絕緣體上硅結(jié)構(gòu)的制造方法，尤其涉及玻璃基板上所形成的硅 層的拋光。本發(fā)明利用一種能夠向測試裝置提供實時膜厚度數(shù)據(jù)的實時測量系 統(tǒng)，由此顯著地提高了這種系統(tǒng)的拋光準(zhǔn)確度(即在拋光過程中從半導(dǎo)體層中 除去材料的量的準(zhǔn)確度)。本發(fā)明還提供了一種使拋光附近區(qū)域的薄基板剛硬 的方法和裝置。圖1是SOI結(jié)構(gòu)10的橫截面圖，它包括玻璃或玻璃-陶瓷基板12，在該基 板的頂部之上有至少一層半導(dǎo)體材料14。 SOI結(jié)構(gòu)IO具有與制造薄膜晶體管 (TFT)相關(guān)的合適用途，比如用于顯示應(yīng)用，其中包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED) 顯示器和液晶顯示器(LCD)、集成電路、光電器件等?；?2最好由氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷構(gòu)成。盡管未要求，但是， 本文所描述的實施方式最好包括其應(yīng)變點小于約1,000°C的氧化物玻璃或玻璃-陶瓷。如玻璃制造技術(shù)中常規(guī)情況那樣，應(yīng)變點是玻璃或玻璃-陶瓷的粘度為 1014'6泊(1013'6Pa.s)的溫度。作為示例，基板12可以是含堿土離子的玻璃基板，比如由康寧公司玻璃 成分號1737或康寧公司玻璃成分Eagle 200()TM所制成的基板。這些玻璃材料在液晶顯示器的生產(chǎn)過程中具有特定的應(yīng)用?；?2的厚度最好介于約0.1mm-10mm之間，介于約0.5mm-lmm之間最佳。對于某些SOI結(jié)構(gòu)而言，厚度大于或等于約1微米的絕緣層是令人期望的， 以避免寄生電容效應(yīng)，當(dāng)具有硅/氧化硅/硅配置的標(biāo)準(zhǔn)SOI結(jié)構(gòu)在高頻下工作 時會產(chǎn)生這種寄生電容效應(yīng)。過去，這種厚度是很難實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，通 過簡單地使用其厚度大于或等于約1微米的基板12，便很容易地實現(xiàn)其絕緣層 比約l微米厚的SOI結(jié)構(gòu)?；?2的厚度的較佳下限由此就是約l微米。通常，基板12應(yīng)該足夠厚以支撐至少一個半導(dǎo)體層14，使其歷經(jīng)本發(fā)明 的多個工藝步驟以及隨后在SOI結(jié)構(gòu)10上執(zhí)行的處理。盡管對于基板12的厚 度沒有理論上限，但是超出支撐功能所需或最終的SOI結(jié)構(gòu)所期望的厚度則通 常是不好的，因為基板12的厚度越大，形成SOI結(jié)構(gòu)IO的工藝步驟中的至少 一些步驟就越難實現(xiàn)?；?2最好是二氧化硅基玻璃或玻璃-陶瓷。由此，二氧化硅在氧化物玻 璃或氧化物玻璃-陶瓷中的摩爾百分比最好大于30摩爾％,大于40摩爾％最佳。 在玻璃-陶瓷的情況下，晶相可以是莫來石(mumte)、堇青石、銬長石、尖晶 石、或玻璃-陶瓷領(lǐng)域中已知的其它晶相。非二氧化硅基玻璃和玻璃-陶瓷可以 用在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，但是通常不是較佳的，因為其成本偏高 且性能特征較差。相似的是，對于某些應(yīng)用而言，比如對于使用非硅基半導(dǎo)體 材料的SOI結(jié)構(gòu)而言，非氧化物基玻璃基板(比如非氧化物玻璃)可能是令人 期望的，但是通常不是較佳的，因為其成本偏高。對于某些應(yīng)用而言，比如顯示應(yīng)用，玻璃或玻璃-陶瓷基板12最好在可見 光、近UV和/或IR波長范圍中是透明的，比如玻璃或玻璃陶瓷基板12最好在 200nm-2微米波長范圍內(nèi)是透明的。盡管基板12最好由單個玻璃或玻璃-陶瓷組成，但是若期望的話，也可以 使用層壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用層壓基板結(jié)構(gòu)時，層壓材料中最接近上述至少一個半導(dǎo) 體層14的那一層最好具有本文針對單個玻璃或玻璃-陶瓷所組成的基板12所討 論的那些性質(zhì)。離半導(dǎo)體層14較遠(yuǎn)的基板層最好也具有那些性質(zhì)，但是也可 以具有寬松的性質(zhì)，因為它們并不直接接觸到半導(dǎo)體層14。在后一種情況下， 基板12被視為結(jié)束于基板12的指定性質(zhì)不再得到滿足之處。構(gòu)成半導(dǎo)體層14的半導(dǎo)體材料最好包括基本上單晶的材料。"基本上" 一詞被用于描述層14，從而考慮到這樣一個事實，即半導(dǎo)體材料通常都包含至 少一些固有的或故意添加的內(nèi)部或表面缺陷，比如晶格缺陷或一些晶界。"基 本上" 一詞也反映了這樣一個事實，即某些摻雜劑可能會扭曲或以其它方式影 響塊狀半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)。為了便于討論，假定半導(dǎo)體層14由硅構(gòu)成。然而，應(yīng)該理解，半導(dǎo)體材料可以是硅基半導(dǎo)體或任何其它類型的半導(dǎo)體，比如m-v、 n-iv、 n-iv-v等半導(dǎo)體。這些材料的示例包括硅(Si),硅鍺(SiGe)，碳化硅(SiC)，鍺(Ge)，砷化 鎵(GaAs), GaP,和InP。半導(dǎo)體層14的厚度可以介于約5nm-10微米(10,000 nm)之間，且通常 介于約500nm-900nm之間，盡管根據(jù)結(jié)構(gòu)10的特定應(yīng)用也可以使用包括更大 厚度的其它厚度。半導(dǎo)體材料14可以通過各種方法形成于基板12上。例如，半導(dǎo)體材料可 以通過下列方法形成汽相沉積；濺射；或?qū)⑾鄬^厚的半導(dǎo)體晶片接合到基 板上且通過離子注入和剝落，使該相對較厚的半導(dǎo)體層(比如約600 - 1500 pm) 減小到相對較薄的半導(dǎo)體層(比如約500 mn)。剝落方法在美國專利申請 11/159,889中有描述，其內(nèi)容引用在此作為參考。該工藝的多個部分將在下文 中進(jìn)行討論。下面將就剝落技術(shù)來討論本發(fā)明的實施方式的描述，但是本領(lǐng)域 技術(shù)人員將明白，本文所描述的拋光方法可應(yīng)用于對其它方法所形成的半導(dǎo)體 -基板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光。如美國專利申請11/159，889所述且如圖2所描繪的那樣，在半導(dǎo)體晶片22 的表面上形成了由相對精細(xì)的孔構(gòu)成的第一多孔層。為了便于討論，半導(dǎo)體晶 片22最好是基本上單晶的硅晶片，盡管任何其它合適的半導(dǎo)體導(dǎo)體材料都可 以使用。第一多孔層20最好是通過陽極氧化而產(chǎn)生的，陽極氧化是一種電化學(xué)蝕 刻工藝。半導(dǎo)體晶片22被浸入合適的電解溶液中，并且被用作一對電極中的 一個電極。另一電極可以由任何合適的材料構(gòu)成，比如相應(yīng)的半導(dǎo)體材料(硅)、 鉑、貴金屬、或任何其它合適的金屬或?qū)щ姴牧稀M跨兩個電極加上電壓，該電位最好使得半導(dǎo)體晶片22充當(dāng)陽極。最好調(diào)節(jié)該電壓的大小以產(chǎn)生合適的電流，該電流流過半導(dǎo)體晶片22、電解溶液和 另一個電極，以便誘導(dǎo)半導(dǎo)體晶片22的表面的電化學(xué)蝕刻。較佳地，在第一多孔層20中，利用陽極氧化工藝產(chǎn)生的孔處于納米尺度。參照圖3，在第一多孔層20的下面最好產(chǎn)生第二多孔層24，使得第二多 孔層24的孔比第一多孔層20的孔相對更大些。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，電流幅值、電解質(zhì)濃度、電極和溶液的電阻 率以及施加的時間都是與實現(xiàn)特定的孔大小、孔密度和層厚度有關(guān)的變量。作 為示例，第二多孔層的厚度可以與第一多孔層20的厚度大約相同。半導(dǎo)體晶片22最好經(jīng)沖洗和清洗，并且第一多孔層20最好經(jīng)輕度氧化處 理。較佳地，氧化層的厚度約為lmn-3nm?，F(xiàn)在參照圖4，外延半導(dǎo)體層26可以直接或間接形成于第一多孔層20之 上。為了與上述示例一致，外延層26最好是硅層，盡管其它半導(dǎo)體材料也可 以使用。外延硅層可以通過化學(xué)汽相沉積、濺射、電子束蒸鍍、熱蒸鍍、或其 它合適的工藝來形成。較佳地，外延硅層26是基本上單晶的結(jié)構(gòu)，并且厚度 介于約5nm-10微米(10，000nm)，盡管根據(jù)結(jié)構(gòu)10的特定應(yīng)用可以使用包括 更大的厚度的其它厚度。然后，利用電解過程，將玻璃基板12接合到外延半 導(dǎo)體層26。作為電解過程的初始步驟，清洗玻璃基板12并執(zhí)行任何合適的表面準(zhǔn)備 步驟。然后，使玻璃基板接觸外延半導(dǎo)體層26。在該接觸之前或之后，在不同 的溫度梯度下加熱半導(dǎo)體晶片外延層結(jié)構(gòu)(簡稱為晶片22)和玻璃基板。一旦玻璃基板12和半導(dǎo)體晶片22之間的溫度差穩(wěn)定了，則可以除去任何 間隔物并且對中間組件施加機(jī)械壓力。玻璃基板12和半導(dǎo)體晶片22被加熱，橫跨中間組件施加電壓，較佳地， 半導(dǎo)體晶片22處于正電極處，玻璃基板12處于負(fù)電極處。電壓電位的施加使 玻璃基板12中的堿性或堿土離子從半導(dǎo)體/玻璃界面移開且迸一步進(jìn)入玻璃基 板12。這實現(xiàn)了兩個功能(i)產(chǎn)生了沒有堿性或堿土離子的界面；以及(ii) 玻璃基板12變得非常有活性，并且在相對較低的溫度下加熱時強(qiáng)烈地接合到 外延半導(dǎo)體層26。在這些條件下保持中間組件預(yù)定的時間周期之后，除去電壓 且允許中間組件冷卻到室溫。然后，將半導(dǎo)體晶片22和玻璃基板12分開，若它們沒有完全分開則可能包括一些剝離操作，從而獲得一個其上接合有薄外延生長半導(dǎo)體層26的玻璃基板28。這種分離最好是這樣實現(xiàn)的因熱應(yīng)力導(dǎo)致第二層24的較大的孔破裂。或者，可以使用機(jī)械應(yīng)力(比如噴水切割或化學(xué)蝕刻)以促進(jìn)該分離。由此，在圖5所示的分離之后，所得的結(jié)構(gòu)IO可以包括玻璃基板12，半 導(dǎo)體層14可以包括接合到基板上的外延半導(dǎo)體層26以及至少一部分第一多孔 層20 (如果沒有一部分的第二多孔層24)。之后，根據(jù)本發(fā)明的拋光技術(shù)對 半導(dǎo)體層的表面進(jìn)行拋光，以獲得位于玻璃基板12上的期望厚度的半導(dǎo)體層 14。在半導(dǎo)體晶片工業(yè)中，薄膜的拋光是公知的。然而，在半導(dǎo)體工業(yè)中，膜 被沉積到其表面通常是平的且平行的那些基板上。通過常規(guī)的化學(xué)機(jī)械平整化 (CMP)方法，這些材料很容易適合半導(dǎo)體材料去除。CMP拋光方法對于校正非均勻膜厚度能力有限，它們是基本上平均化的處 理過程，使用較大的拋光墊(通常比待拋光的半導(dǎo)體晶片要大)對膜進(jìn)行處理， 優(yōu)先除去高點直到晶片被平整化。 一旦晶片被平整化，連續(xù)的拋光就產(chǎn)生了大 量的去除材料。通常執(zhí)行最后的拋光步驟以實現(xiàn)期望的表面精整。通常，對于 材料去除過程的每一個階段，使用不同硬度和柔順性的拋光墊。確定合適的拋 光墊硬度的一個因素是需要提供與待拋光的半導(dǎo)體層的表面起伏度恰當(dāng)相符的拋光墊。如果基板是平的，膜具有可變的厚度，則可以使用較硬的拋光墊使 膜厚度平整化，優(yōu)先除去高點處的膜材料。利用與軟底層相接合的硬拋光墊表 面，執(zhí)行第一拋光步驟。緩沖的硬表面以高材料除去速率傳遞著最平的表面。 接下來是第二拋光步驟，利用了軟共形拋光墊來傳遞最平滑的表面。如果該基板包括低頻度起伏度，但是膜厚度非常均勻，則將使用更軟的拋 光墊以與該膜的頂面相符并除去均勻量的膜材料。上述兩種CMP處理過程對于校正其各自的目標(biāo)誤差能力很有限，并且若 需要除去相當(dāng)多的材料則往往會失去控制。通常，CMP的材料去除均勻性限于 待除去的膜厚度的5%。因此，膜厚度限差限于最終膜厚度的5%。由此，對 于初始厚度為500 nm的膜而言，通過CPM該厚度減小到80 nm，與所要求的 4nm的可變性相比，實際的膜厚度可變性約為21 nm。顯示器應(yīng)用中所用的SOI結(jié)構(gòu)通常使用薄(比如厚度量級大約小于0.7mm)且透明的玻璃作為基板，這種玻璃是針對平板顯示器而制造的。這種玻璃的表面通常在節(jié)距和幅度兩方面具有可變的平整性以及可變的 總厚度變化(TTV)。這種基板的起伏度(通常被測得為基板的表面平整性的峰-谷偏差)通常比半導(dǎo)體層的厚度大至少一個量級，盡管通常約小于20 pm。例 如，給定初始半導(dǎo)體厚度約為500 nm，基板(其上所沉積的半導(dǎo)體層)的起伏 度可以超過5 pm。這種大起伏度使得利用常規(guī)CMP方法很難或不可能將基板 拋光成均勻厚度。作為示例，下面的討論將使CMP的各種局限更清晰?，F(xiàn)在參照圖6，示出了由真空壓板30支撐的半導(dǎo)體-基板層壓材料10a，它 包括基板12a，基板12a的頂面之上形成了半導(dǎo)體層14a。晶片10a呈現(xiàn)出低頻 度低幅度平整性誤差以及低TTV，比如該晶片厚度基本上均勻但具有低頻度起 伏度。這種形狀是半導(dǎo)體/電子器件工業(yè)所用的典型的硅晶片。如圖7所示，用 真空壓板30可以很容易地使圖2的晶片10a拉平，從而使晶片適于CMP磨光。圖8示出了半導(dǎo)體晶片10b，它包括基板12b，在基板12b的頂面之上形 成了半導(dǎo)體層14b從而顯示了高頻度低TTV誤差，該晶片厚度基本上均勻但具 有增大的起伏度。如圖9所示，真空壓板30無法將該晶片拉成合適的形狀。 利用大拋光墊除去材料的常規(guī)拋光方法往往除去高點處的材料。最終，圖IO描繪了半導(dǎo)體晶片10c，它包括基板12c，在基板12c的頂面 之上形成了半導(dǎo)體層14c從而顯示了高頻度波紋和平板顯示器玻璃典型的 TTV。即，該晶片具有可變的厚度，很大程度上是因基板的厚度變化和起伏度 所導(dǎo)致的。同樣，如圖11所示，無法用真空壓板30將該基板-半導(dǎo)體晶片拉平。 晶片10c頂面處的半導(dǎo)體層12c的常規(guī)CMP拋光往往產(chǎn)生具有可變厚度的半 導(dǎo)體層，或者更糟糕的是，當(dāng)半導(dǎo)體材料被局部地完全除去且基板露出來時該 半導(dǎo)體具有補(bǔ)坑。由此，CMP沒有很好地適于這種SOI結(jié)構(gòu)的拋光，因為半導(dǎo) 體材料去除能力取決于玻璃基板的平整性和TTV。對于在薄玻璃基板上使用半 導(dǎo)體層的玻璃-基板SOI結(jié)構(gòu)而言，為了實現(xiàn)合適量的材料除去，特別是如果該 基板具有非均勻的厚度并呈現(xiàn)出起伏度(即非平整的)，則需要這樣一種處理 過程，它能夠選擇性地除去半導(dǎo)體材料，又能同時維持膜(半導(dǎo)體)厚度均勻 性，而不管基板幾何尺寸和半導(dǎo)體材料的去除性質(zhì)的均一性如何。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，子孔徑機(jī)械加工工具(或子孔徑除去工藝區(qū)域) 在SOI結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體材料的表面上平移。子孔徑意思是，除去區(qū)域比待拋光 的SOI結(jié)構(gòu)要小得多，并且該工藝可以被修改使得材料除去速率可以被改變以 校正膜厚度可變性。圖12示出了利用機(jī)械除去工具進(jìn)行子孔徑拋光的圖示。圖12描繪了 SOI結(jié)構(gòu)10，它包括基板12和位于基板12的頂面之上的半導(dǎo)體 層14。還示出了拋光構(gòu)件16，它包括拋光部分18。圖12所示拋光部分18具 有弓形外表面，它包括其粒度和硬度適合于半導(dǎo)體材料的研磨磨料。磨料粒度 和硬度的選擇是一個工藝變量，是基于所期望的材料去除量和去除速度而選擇 的。然而，應(yīng)該注意到，弓形外表面不是必然的，拋光部分18可以根據(jù)待拋 光的表面的形狀等因素來選擇不同的形狀。拋光部分18最好能夠變形成被拋 光的表面的形狀。子孔徑材料去除區(qū)域可以被定義為任一次經(jīng)歷材料去除的半 導(dǎo)體材料區(qū)域。例如，圖12示出了拋光構(gòu)件16與被拋光的表面(比如半導(dǎo)體 層的表面)相接觸。被拋光的材料表面上與拋光部分18相接觸的那個區(qū)域是 材料去除區(qū)域32，圖12示出了子孔徑材料去除區(qū)域的一維圖示。圖13示出了 子孔徑材料去除區(qū)域32，它是半導(dǎo)體層14的一部分之上的二維區(qū)域。圖13將 拋光構(gòu)件.16顯示成透明的，使得材料去除區(qū)域可以被看到。Bingham等人的美 國專利6,796,877描述了一種合適的子孔徑去除裝置，拋光構(gòu)件16是其一個部 件，其內(nèi)容引用在此作為參考。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，其它材料 除去工藝(其中材料去除區(qū)域比工件的大小小得多)也可以有效地使用。例如， 可以應(yīng)用等離子體輔助化學(xué)蝕刻。為了提供用于指示直接在子孔徑去除區(qū)域32下方的半導(dǎo)體層14的厚度的 實時數(shù)據(jù)，如圖12所示，將探測束34從半導(dǎo)體層的基板一側(cè)引導(dǎo)至半導(dǎo)體層， 即探測束34在接觸半導(dǎo)體層14之前橫穿基板12的厚度。探測束34最好是來 自寬帶源的光。較佳地，來自寬帶光源的寬帶光具有在約200 nm 800 nm波 長范圍中延伸的光譜內(nèi)容。用于計算薄半導(dǎo)體層厚度的方法在本領(lǐng)域是公知 的，此處不詳述。簡言之，基板上的半導(dǎo)體層可以用作一個標(biāo)準(zhǔn)具。當(dāng)在反射 過程中觀察時，該層(膜)可以產(chǎn)生一個與該層的表面反射相疊加的干涉圖案。 通常，使用光譜學(xué)，其中探測束34的光(已在該層之內(nèi)反射以待測量)被合 適的拍攝設(shè)備(比如光譜儀、相關(guān)的檢測器或其它電子部件)捕獲，并且在計算機(jī)和合適的軟件的輔助下分析所得的數(shù)據(jù)。后來的干涉峰的間隔在與半導(dǎo)體層的折射率相結(jié)合的情況下可以被用于計算材料的厚度(比如，F(xiàn)red Goldstein 的"Film Thickness of 'Thick Thin Films' by Spectroscopy" ， Society of Vacuum Coaters 1998 Meeting, Boston, MA)。有利的是，將透明玻璃或玻璃陶瓷用于基 板12可允許應(yīng)用常規(guī)的薄膜厚度測量方法，同時除去半導(dǎo)體層的材料，由此 促進(jìn)了閉合回路反饋拋光過程。在拋光進(jìn)行過程中，來自厚度測量裝置36的 數(shù)據(jù)被用于監(jiān)控子孔徑去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層14的中間厚度。測量的數(shù)據(jù)可 以被并入自動控制系統(tǒng)中，圖14以框圖形式示出了該系統(tǒng)，包括微處理器(計 算機(jī)等)38，接下來它可以被用于控制拋光裝置40 (包括拋光構(gòu)件16)，由 此調(diào)節(jié)或修改測量去除參數(shù)，比如拋光構(gòu)件在特定位置的停留時間、拋光構(gòu)件 旋轉(zhuǎn)速度、拋光構(gòu)件相對于被拋光的表面的角度等，由此改變在任一位置除去 的材料的量?？尚薷牡牟牧先コ齾?shù)是那些與所選特定去除方法相關(guān)的參數(shù)。為了促進(jìn)材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層的閉環(huán)反饋，可以使用支撐設(shè)備，它 能夠在被拋光的區(qū)域附近局部地支撐玻璃基板并且能接觸到與材料去除區(qū)域 相反的基板表面。例如，流體軸承(比如空氣軸承或液壓軸承)可以給出很好 的支撐。如圖15所示，在一個實施方式中，支撐物42包括空氣軸承。支撐物 (空氣軸承)42包括中心開口 44，探測束34穿過該中心開口 44。支撐物42 也包括環(huán)形通道46，將來自一個源(未示出)的加壓氣體(比如空氣)注入到 該通道的一端之中，再從緊鄰被支撐的基板的通道的相反一端出來，由此支撐 著材料去除區(qū)域32附近的SOI結(jié)構(gòu)10。通過使拋光構(gòu)件16相對于SOI結(jié)構(gòu) 10平移，或者通過使SOI結(jié)構(gòu)10相對于拋光構(gòu)件16平移，可以對SOI結(jié)構(gòu) 10進(jìn)行拋光。在一個實施方式中，探測束34和拋光構(gòu)件16維持在固定的位置， 且呈對置的關(guān)系，SOI結(jié)構(gòu)10在探測束和拋光構(gòu)件之間平移。比如，通過使用 不止一個拋光構(gòu)件，每一次可以應(yīng)用不止一個材料去除區(qū)域。在某些實施方式中，期望利用常規(guī)CMP方法首先執(zhí)行粗略的拋光步驟。 一旦對半導(dǎo)體層14完成了粗略拋光(即從層14中除去了預(yù)定量的半導(dǎo)體材料)，則接下來根據(jù)本發(fā)明的子孔徑拋光方法除去另外的材料。在本發(fā)明的另一個實施方式中，可以應(yīng)用偽閉環(huán)拋光設(shè)置，其中在子孔徑 材料去除區(qū)域附近(即在材料去除區(qū)域周圍一個或多個分離的位置處)執(zhí)行半導(dǎo)體層的厚度測量。圖16描繪了該方法。盡管可以從基板的底面(與半導(dǎo)體 材料相反的一側(cè))執(zhí)行中間厚度測量，但是偽閉環(huán)配置一般假設(shè)基板的底面是 不可接觸到的，因此，提供了上述閉環(huán)拋光過程的備選方案。如果使用了材料 去除區(qū)域周圍的多個厚度測量位置(通過多個探測束34)，則半導(dǎo)體層14的 平均厚度可以從測量數(shù)據(jù)中計算出來。很明顯，偽閉環(huán)拋光裝置并不產(chǎn)生像閉 環(huán)配置那樣準(zhǔn)確的拋光操作，其中在材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層的一個位置進(jìn) 行半導(dǎo)體層的中間厚度測量。就像使用閉環(huán)拋光配置那樣，偽閉環(huán)配置使用與 拋光同時進(jìn)行的厚度測量。因為測量是在與除去半導(dǎo)體材料的同一半導(dǎo)體層表 面處進(jìn)行的并且盡可能地靠近材料去除區(qū)域，所以如果漿體被用于材料去除， 則可能有必要在半導(dǎo)體層上將要進(jìn)行測量的位置提供相對干凈的區(qū)域。這可以 很容易地執(zhí)行，比如將空氣或水噴射到期望的位置處的半導(dǎo)體材料?？諝鈬娚?也可以與清洗流體流(比如水)組合起來。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明的上述實施方式，特別是任何"較佳的"實施方式都僅 是可能的實現(xiàn)方式示例，并且僅僅是為了清晰理解本發(fā)明的原理而闡明的。在 基本上不背離本發(fā)明的精神和原理的情況下，可以對上述本發(fā)明實施方式做出 各種修改和變化。所有這些修改和變化都旨在被包括在本文的范圍中并且受權(quán) 利要求書保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種對基板上的半導(dǎo)體材料層進(jìn)行拋光的方法，包括提供一個基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及位于基板第一側(cè)面上的半導(dǎo)體材料層；對半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光以減小其厚度；在拋光的同時，通過基板的第二側(cè)面測量半導(dǎo)體層的厚度；以及利用半導(dǎo)體厚度測量結(jié)果來修改拋光操作以便產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，基板是不平的。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層包括選自下列的材料 硅(Si)，硅鍺(SiGe)，碳化硅(SiC),鍺(Ge),砷化鎵(GaAs)， GaP，以及InP。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括用流體軸承支撐著基板。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，拋光包括除去子孔徑材料去除區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，測量是在材料去除區(qū)域內(nèi)執(zhí)行的。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括在材料去除區(qū)域和半導(dǎo)體層之間形成相對的移動。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，拋光包括半導(dǎo)體層和拋光構(gòu)件之 間的接觸。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，拋光包括等離子體輔助化學(xué)蝕刻。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基板的表面面積至少約為0.25 平方米。
11. 一種對接合到基板上的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，包括提供不平的基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及接合到第一側(cè)面的 半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層具有露出的表面區(qū)域；對至少一個子孔徑材料去除區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光；在至少一個材料去除區(qū)域和半導(dǎo)體層之間形成相對的移動；在拋光的同時，測量半導(dǎo)體層的厚度；以及利用測得的半導(dǎo)體層的厚度來修改拋光操作以便在露出的表面區(qū)域上產(chǎn)生一 個厚度基本上均勻的半導(dǎo)體層。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，測量是通過基板第二側(cè)面執(zhí)行的。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，測量是在材料去除區(qū)域之內(nèi)執(zhí) 行的。
14. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，測量是從基板第一側(cè)面執(zhí)行的。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，拋光包括使用多個子孔徑材料 去除區(qū)域。
16. —種對接合到基板的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，包括 提供一個基板，所述基板具有第一側(cè)面、第二側(cè)面以及接合到第一側(cè)面且具有初始厚度的半導(dǎo)體層；對子孔徑材料去除區(qū)域之內(nèi)的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光； 測量半導(dǎo)體層的中間厚度；利用測得的半導(dǎo)體層的厚度來修改拋光操作以便產(chǎn)生厚度基本上均勻的半導(dǎo) 體層；以及其中基板第一側(cè)面的表面起伏度比接合于其上的半導(dǎo)體層的初始厚度大至少 一個量級。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，測量是與拋光同時執(zhí)行的。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層是通過基板第二側(cè)面
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括多個子孔徑材料去除區(qū)域。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，半導(dǎo)體層是通過半導(dǎo)體層的露 出的表面來測量的。
全文摘要
描述了一種對透明基板上所形成的半導(dǎo)體層進(jìn)行拋光的方法，該方法包括在拋光的同時，從半導(dǎo)體層的基板一側(cè)測量半導(dǎo)體的厚度；以及利用厚度測量結(jié)果來修改拋光操作。
文檔編號H01L21/66GK101336471SQ200680051834
公開日2008年12月31日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者C·M·達(dá)坎吉羅, J·C·托馬斯, J·S·希特斯, M·A·斯托克, R·O·馬斯克梅耶, S·J·格瑞格斯基 申請人:康寧股份有限公司