一種微波裂片設備

李捷

摘 要：本文屬于微波裂片技術領域。該設備包括硅片傳送室、硅片預熱腔室、硅片恒溫室、微波裂片室、硅片冷卻室和硅片分選區(qū)；利用此設備進行TM制程的微波裂片時，通過啟動測溫系統(tǒng)監(jiān)測加熱腔室內(nèi)的溫度，并通過控制系統(tǒng)控制及調(diào)節(jié)加熱腔室內(nèi)的溫度，使微波裂片過程中各階段的溫度能夠精確控制，滿足硅片裂片的實際溫度要求，保證制備出高質量的硅片。

關鍵詞：裂片；微波；設備；TM-SOI

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.015

0 引言

一九八零年，IBM發(fā)展應用氧離子直接注入法（Separation by Implantation Oxygen ，SIMOX）來發(fā)展制作SOI材料。該制程需要植入非常高劑量的氧離子（約5×1018/cm2），雖然經(jīng)過高溫退火處理形成二氧化硅層，并以再潔凈的方式去除大部分的缺陷，但仍然無法使因注入離子而造成的缺陷全部消除。到一九九二年，法國的一家以研究為導向的公司Commossariat A lEnergie Atomique使用一種薄膜轉移的技術，名稱為智切法（Smart Cut），能成功地將硅單晶的薄膜轉移至另一個硅基板上。此制程首先將氫離子注入于一片已生成氧化層的硅晶圓中，再與另一片硅晶圓進行鍵合。經(jīng)高溫退火處理時，注入的氫離子獲得動能，而聚合成氫分子填充微裂縫中，所形成氫分子不能再以擴散離開裂縫，依PV=nRT原理，氫分子數(shù)目快速擴大，故使裂縫內(nèi)壓力上升，進而使微裂縫擴張形成裂縫平板及聚集成大面積裂孔，最后使得元件晶圓上下層剝離，產(chǎn)生薄膜并轉移至基材晶圓上，形成SOI結構。

TM制程是通過注入低劑量（1E16-1E17/cm2）的H+到達硅片一定深度，再通過加熱微波的方式，使硅片中的H+聚集成H2達到裂片的目的。所謂微波裂片是指以微波輻射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱源，硅片對微波能量的吸收達到一定的溫度，從而使H+聚集成H2達到使硅片裂開的效果。由于它與注氧隔離技術相比較，得到的SOI 屬于不同的方法，所以微波裂片技術逐漸得到更廣泛的應用。但針對微波裂片這個過程，目前國內(nèi)還沒有研究出微波裂片的設備及方法，現(xiàn)有微波裂片過程都是在實驗室中進行，每次只能單獨對一片硅片操作，同時對溫度不能根據(jù)需要精確化的控制和調(diào)節(jié)，又由于只能單片進行操作，因此無法工業(yè)化生產(chǎn)，批量產(chǎn)出。

1 實施方案

1.1 設備結構

本文在于提供一種微波裂片設備，該設備能夠通過微波加熱使硅片裂開，并能根據(jù)需要實現(xiàn)硅片加工溫度的自動控制和調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)硅片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

為實現(xiàn)上述目的，采用的設備技術方案是：

該設備包括硅片傳送室、硅片預熱腔室、硅片恒溫室、微波裂片室、硅片冷卻室和硅片分選區(qū)；其中：

硅片傳送室：機械手從硅片盒中取出硅片，同時機械手掃描硅片數(shù)目及位置，然后把硅片豎直放在傳送室內(nèi)的石英舟上，再將裝載硅片的石英舟傳送至硅片預熱腔室；所述石英舟能夠放置硅片1-50對；

硅片預熱腔室：用于對石英舟上硅片的預熱；預熱腔室的工作溫度為0-1000℃。石英舟上的硅片傳送至預熱腔室，用加熱器使腔室溫度均勻升溫，腔室溫度可控可調(diào)，1分鐘可升溫1-30℃可控可調(diào)。使用熱偶測溫。待腔室溫度達到要求溫度后，傳入硅片恒溫室。

硅片恒溫室：裝載硅片的石英舟通過機械手傳輸至硅片恒溫室后，對硅片進行恒溫加熱；硅片恒溫室使硅片溫度在一定溫度下恒定不變，腔室內(nèi)的誤差在±0.1℃以內(nèi)，確保腔室溫度準確。此腔室的工作溫度為100-500℃長期可用。

微波裂片室：裝載硅片的石英舟由機械手從硅片恒溫室傳輸至微波裂片室，通過微波加熱對硅片進行微波裂片；微波裂片室設有1-60個微波磁控頭，石英舟在微波裂片室內(nèi)能夠360℃旋轉，使硅片均勻受熱，微波升溫速率可達10-260℃/S可控可調(diào)，且溫度誤差在±1℃以內(nèi)。

硅片冷卻室：裝載硅片的石英舟由機械手從微波裂片室傳輸至硅片冷卻室，對硅片進行冷卻處理；冷卻腔室內(nèi)的溫度下降速率可在1-50℃/min可控可調(diào)。

硅片分選區(qū)：機械手將裝載硅片的石英舟從硅片冷卻室傳送至硅片分選區(qū)，選擇SOI放在一個盒內(nèi)，選擇SOI對片放在另一個盒內(nèi)。下圖為結構示意圖：

1.2 設備配置

本設備還設置有加熱器、氮氣冷卻裝置、測溫裝置和控制系統(tǒng)，所述測溫裝置即熱電偶。

所述硅片預熱腔室和硅片恒溫室內(nèi)通過設置加熱器進行加熱，微波裂片室通過微波磁控頭進行加熱，硅片冷卻室通過設置氮氣冷卻裝置進行冷卻。

所述硅片預熱腔室、硅片恒溫室、微波裂片室和硅片冷卻室內(nèi)都設有熱電偶，用于將測試的溫度信息傳遞至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過接收的溫度信息調(diào)控溫度；控制系統(tǒng)還用于控制機械手的動作。

2 設備使用方法

應用上述設備進行微波裂片的方法，包括如下步驟：

（1）首先機械手從硅片盒中取出硅片放在硅片傳送室內(nèi)，機械手將硅片放在石英舟上。（2）機械手將裝載硅片的石英舟傳送至硅片預熱腔室，控制預熱腔室內(nèi)硅片升溫，溫度到達200℃左右，停止加熱，并通過機械手將裝載硅片的石英舟傳送至硅片恒溫室。（3）硅片傳送至恒溫室后，硅片在200℃時保溫30min。（4）硅片保溫結束后，由機械手將裝載硅片的石英舟傳送至微波裂片室，使用磁控頭給硅片加熱，石英舟在微波裂片室內(nèi)360℃旋轉，使硅片均勻受熱，微波加熱總時間為10min，微波后的硅片溫度低于500℃。（5）硅片傳送至冷卻室，使用氮氣冷卻，待硅片溫度降低至室溫（25℃）時，傳送到硅片分選區(qū)。（6）取走SOI片，SOI對片回收。

3 設備效益

此設備具有如下有益效果：

（1）利用本設備進行微波裂片時，通過啟動測溫系統(tǒng)監(jiān)測加熱腔室內(nèi)的溫度，并通過控制系統(tǒng)控制及調(diào)節(jié)加熱腔室內(nèi)的溫度，使微波裂片過程中各階段的溫度能夠精確控制，滿足硅片裂片的實際溫度要求，保證制備出高質量的硅片。（2）設備通過控制系統(tǒng)按設定方式設定溫度，控制硅片傳輸機械手的運動，使裂片過程精確、穩(wěn)定、潔凈，同時自動循環(huán)進行，可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。