CN102468385A - 复合基板及复合基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

针对于粘接由第13族氮化物构成的第1基板和由陶瓷构成的第2基板而成的复合基板，在改善放热性的同时简化其制造时的制造时工序。包括(c)在陶瓷构成的第2基板(12)的表面(12a)形成金属膜(23)，(d)介由该金属膜(23)接合由第13族氮化物构成的第1基板(21)和第2基板(12)。由于一般金属膜(23)相比于氧化膜，其热传导率高，因此，相比于介由氧化膜接合第1基板(21)和第2基板(12)的情况，其可以得到放热性好的复合基板(10)。此外，由于不使用氧化膜，故不需要向外扩散的工序，进而简化工序。

Description

复合基板及复合基板的制造方法
技术领域
本发明涉及复合基板及复合基板的制造方法。
背景技术
历来，粘接由氮化镓等第13族氮化物构成的基板和基底基板而成的复合基板，被用于蓝色LED、白色LED、青紫色半导体激光器以及功率半导体等半导体设备的制造中。例如，专利文献1中，作为这样的复合基板的制造方法，记载有介由氧化膜粘接氮化镓基板和基底基板的方法。具体地，首先准备氮化镓基板和由蓝宝石、碳化硅、氧化铝等构成的基底基板。然后，在氮化镓基板上注入氢离子而形成离子注入层，在基底基板的表面形成氧化膜。接着，对氮化镓基板的背面和氧化膜的表面进行研磨后，介由氧化膜粘接两基板。最后，用离子注入层剥离氮化镓基板作成复合基板。如上所述，通过研磨氧化膜，介由该氧化膜粘接基板，可获得充分的粘合力。
另，专利文献1的复合基板的制造方法中，通过形成离子注入层而剥离氮化镓基板，将复合基板上残留的氮化镓基板作成所希望的厚度。其理由是由于剥离下的氮化镓也可用于另一复合基板的制造，相比于通过研磨来达到所希望厚度的情况，可使高价的氮化镓有用武之地。对于如上通过离子注入的基板剥离，在专利文献2或非专利文献1中也有记载。特别是在专利文献2中，记载有采用离子注入，由离子通过引起降低的氮化镓基板的晶体性的恢复方法。具体地，是在含氮气体的氛围下，能通过在700℃以上锻烧来恢复晶体性。
此外，专利文献1所记载的复合基板的制造方法中，记载有介由氧化膜粘接氮化镓基板和基底基板后，通过在非氧化性氛围中加热到900℃以上，使氧化膜向外扩散以使其变薄。据此，可使由氧化膜的热传导率低，对复合基板的放热性产生的坏影响降到最低限度。
【专利文献1】日本专利特开2007-227415号公报
【专利文献2】日本专利特开2010-045098号公报
【非专利文献1】Transfers of 2-inch GaN films onto sapphire substrates usingSmartCut technology ELECTRONICS LETTERS 26th，May 2005，Vol.41、No.11
发明内容
但是，专利文献1中记载的复合基板，即使向外扩散，氧化膜变薄，仍然存在无法完全解决由氧化膜引起的放热性恶化的问题。此外，还存在着由于需要向外扩散使氧化膜变薄，工序变得复杂的问题。
本发明鉴于上述课题而完成，其主要目的是针对于粘接由第13族氮化物构成的第1基板和由陶瓷构成的第2基板而成的复合基板，在改善放热性的同时简化制造时的工序。
本发明人为了达到上述目的，采取了以下方法。
本发明的复合基板的制造方法，包含以下工序：
(a)准备由第13族氮化物构成的第1基板和由陶瓷构成的第2基板的工序，
(b)在所述第1基板的背面注入氢离子或者稀有气体离子、于该第1基板内部形成离子注入层的工序，
(c)所述第1基板的背面和所述第2基板的表面之中，至少在该第2基板的表面通过物理蒸镀法或者化学蒸镀法形成金属膜的工序，
(d)介由所述金属膜接合所述第1基板的背面和所述第2基板的表面的工序，
(e)从所述第1基板中的所述离子注入层剥离该第1基板表面侧的工序。
本发明的复合基板的制造方法中，由第13族氮化物构成的第1基板的背面和由陶瓷构成的第2基板的表面之中，至少在第2基板的表面通过物理蒸镀法或者化学蒸镀法形成金属膜。然后，介由该金属膜接合第1基板和第2基板。由于金属膜相比于一般氧化膜，其热传导率高，因此，相比于介由氧化膜进行接合的情况，其可以得到放热性好的复合基板。此外，由于不使用氧化膜，故不需要向外扩散的工序。据此，针对于粘接由第13族氮化物构成的第1基板和由陶瓷构成的第2基板而成的复合基板，可以在改善放热性的同时简化制造时的工序。另，工序(c)中仅在第2基板的表面形成金属膜时，优选工序(d)中对第1基板的背面和金属膜的表面进行镜面研磨之后再进行接合。同样，工序(c)中同时在第1基板的背面和第2基板的表面形成金属膜时，优选工序(d)中对第1基板上形成的金属膜的表面和第2基板上形成的金属膜的表面进行镜面研磨之后再进行接合。通过上述的预先对接合面的两面均进行镜面研磨，可以提高接合的粘合力。
在本发明的复合基板的制造方法中，上述金属膜也可由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。此外，上述第1基板也可为氮化镓。进一步，上述第2基板也可为氮化铝或者碳化硅。在使用氮化镓作为第1基板，氮化铝或者碳化硅作为第2基板时，由于两者的热膨胀系数近，可防止热处理时的复合基板的弯曲或断裂。
本发明的复合基板，具备以下构件：
由第13族氮化物构成的第1基板和
由陶瓷构成的第2基板和
接合上述第1基板和上述第2基板的金属膜。
本发明的复合基板由上述本发明的复合基板的制造方法获得。由于该复合基板介由金属膜接合第1基板和第2基板，故相比于介由氧化膜接合的复合基板，其放热性好，制造时的工序也简单。
在本发明的复合基板中，上述金属膜可由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。此外，上述第1基板也可为氮化镓。进一步，上述第2基板可为氮化铝或者碳化硅。在使用氮化镓作为第1基板，氮化铝或者碳化硅作为第2基板时，由于两者的热膨胀系数近，可防止热处理时的复合基板的弯曲或断裂。
附图说明
【图1】是复合基板10的模式截面示意图。
【图2】是复合基板10的制造工序的模式截面示意图。
【图3】是变形例中工序(c)的形态模式截面示意图。
符号说明
10复合基板；11、21第1基板；11a、21a表面；21c离子注入层
11b、21b背面；12第2基板；12a表面；13、23、23a、23b金属膜。
具体实施方式
接下来，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1是本实施方式的复合基板10的模式截面示意图。该复合基板10由第1基板11、第2基板12、粘合第1基板11和第2基板12的金属膜13构成。
第1基板11为由第13族氮化物构成的基板，例如为由氮化镓构成的基板。该第1基板11的大小无特别限制，但例如，直径为50～100mm，厚度为0.1～3μm。对于第1基板11的表面11a的表面粗糙度，为了能在表面上制作半导体设备，优选例如轮廓算术平均偏差Ra为0.1～3nm。
第2基板12为介由金属膜13接合于第1基板11、由陶瓷构成的基板。该第2基板12作为基底基板，具有使复合基板10易于处理或保护第1基板11的功能。陶瓷的材质优选杨氏模量为150GPa以上的物质。此外，为了提高放热性，优选热传导率高的物质(例如100W/m·K以上)。具体的材质无特别限制，可列举氮化铝、碳化硅、氮化硅等。进一步，为了防止热处理时的复合基板10的弯曲或断裂，优选热膨胀系数与第1基板11相近的物质。例如，当第1基板11为氮化镓时，优选第2基板12由氮化铝或者碳化硅构成。该第2基板12的大小无特别限制，但例如，直径为50～100mm，厚度为300～500μm。
金属膜13用于粘合第1基板11的背面11b和第2基板12的表面12a。作为金属膜13的材质，为了提高放热性，优选热传导率高的物质(例如50W/m·K以上)。更优选热传导率为100W/m·K以上的材质。此外，在后述的复合基板10的制造工序中，优选可以进行镜面研磨(例如，轮廓算术平均偏差Ra变为1nm以下即可研磨)。进一步，为了能经受住后述复合基板10的制造工序或其后的半导体制造工序，优选耐热温度在1000℃以上。虽无特别限制，但满足这些条件的金属膜13的材质可列举钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂。另，当第1基板11为氮化镓时，为了第1基板11与金属膜13的热膨胀系数变得相近，故特别优选上述金属膜13的材质中的金和铬之外的材质。金属膜13的厚度无特别限制，例如，为0.01～2μm。金属膜13的厚度也可为0.1～2μm。此外，金属膜13也可由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。例如，金属膜13为重叠多个不同材质的层而得到的膜，各层可分别由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。例如，金属膜13也可由铬的基底层及其上形成的金层构成。
复合基板10可用于蓝色LED、白色LED、青紫色半导体激光器及功率半导体等半导体设备。例如，照明用的LED设备可按如下作成。首先，在该复合基板10的第1基板11的表面11a上，通过MOCVD(有机金属化学沉积)法或MBE(分子束外延)法形成第13族氮化物半导体的外延层，同时通过蒸镀法形成电极，作成大量LED芯片的集合体的LED晶片。接着，将该LED晶片经由切割切成一片一片，获得LED芯片。再将该LED芯片粘合于基板上，通过电缆接合形成用于发光的线路之后，由树脂封入，据此可得到照明用LED设备。
接着，以下针对这样的复合基板10的制造方法，使用图2进行说明。图2是复合基板10的制造工序的模式截面示意图。复合基板10的制造方法包含(a)准备由第13族氮化物构成的第1基板21和由陶瓷构成的第2基板12的工序，(b)在第1基板21的背面21b注入氢离子或者稀有气体离子，于第1基板21内部形成离子注入层21c的工序，(c)在第2基板12的表面12a上形成金属膜23的工序，(d)介由金属膜23接合第1基板21的背面21b和第2基板12的表面12a的工序，(e)从第1基板21中的离子注入层21c剥离第1基板21的表面21a侧的工序。
工序(a)中，准备成为第1基板11的第1基板21和第2基板12(图2(a))。第1基板21可使用直径与第1基板11相同、厚度在第1基板11以上的基板。虽无特别限定，但第1基板21的厚度可为例如300～500μm。第1基板21的厚度可为300～350μm。
工序(b)中，在第1基板21的背面21b上注入氢离子或者稀有气体离子、于该第1基板21内部形成离子注入层21c(图2(b))。距离子注入层21c的背面21b的深度d为依据图1的第1基板11的厚度的值，例如为0.1～3μm。作为形成此种离子注入层的离子注入条件无特别限定，例如使第1基板21的温度为150℃、注入能量为60keV、剂量(ド一ズ量)为1×1016～1×1018atoms/cm2即可。
工序(c)中，在第2基板12的表面12a形成成为金属膜13的金属膜23(图2(c))。金属膜23可以使用上述材质。形成的金属膜23的厚度无特别限制，例如，为0.01～2μm。金属膜23的厚度也可为0.1～2μm。金属膜23的形成除了例如溅射或真空镀膜等物理蒸镀法，还可使用等离子体CVD等化学蒸镀法。
工序(d)中，介由金属膜23接合第1基板21的背面21b和第2基板12的表面12a(图2(d))。此接合只要是不使用树脂制粘合剂，直接进行接合，可使用任何方法进行。例如，可通过以下方法进行：于常温下、真空中，在粘接面照射氩光束，然后使之接触粘接面、施加负重进行接合的方法，或在粘接面照射等离子体，于大气中接合后进行加热的方法。另，在进行此接合之前，对作为粘接面的第1基板21的背面21b和金属膜23的表面进行镜面研磨。镜面研磨优选进行至，例如轮廓算术平均偏差Ra在1nm以下。以上的研磨可以使用例如，含胶态硅石液或纳米金刚石液来进行。据此，工序(d)的接合可获得充分的粘合力。此处，第2基板12中使用陶瓷时，即使对第2基板12进行研磨，表面12a的轮廓算术平均偏差Ra也不会变得足够小，在直接粘接第1基板21和第2基板12时，存在不能得到充分的粘合力的情况。即使在这种情况中，通过在第2基板12的表面12a形成金属膜23、镜面研磨该金属膜23，工序(d)的接合可以得到充分的粘合力。
工序(e)中，从第1基板21中的离子注入层21c(参阅图2(d))，剥离第1基板21的表面21a侧(图2(e))。此剥离可以通过对离子注入层21c施加机械冲击，或进行加热来拉起。作为施加机械冲击的方法，可列举例如，从第1基板21的侧面喷出气体或液体等流体喷射的方法，或从第1基板21的侧面对离子注入层21c打入楔子的方法。通过从第1基板21中的离子注入层21c剥离第1基板21的表面21a侧，第1基板21中没有被剥离的部分成为图1中的第1基板11，可使第1基板11的厚度达到所希望的值。通过该工序(e)可获得图1所示的复合基板10。另，为了能在第1基板11的表面11a上制作半导体设备，可进一步进行镜面研磨工序使表面11a的表面粗糙度，例如轮廓算术平均偏差Ra变为0.1～3nm。
根据以上所说明的本实施方式的复合基板10的制造方法，通过工序(c)在由陶瓷构成的第2基板12的表面12a上形成金属膜23。接着，通过工序(d)介由该金属膜23接合由第13族氮化物构成的第1基板21和第2基板12。由于金属膜23相比于氧化膜，一般其热传导率高，因此，相比于介由氧化膜接合第1基板21和第2基板12的情况，其可以得到放热性好的复合基板10。此外，由于不使用氧化膜，故不需要向外扩散的工序，进而简化制造时工序。
另，本发明不限于上述实施方式，还可在属于本发明技术上的范围内实施各种方式。
例如，本实施方式中，工序(c)中，于第2基板12的表面12a上形成金属膜23，但也可在第1基板21的背面21b上形成金属膜。这种情况的变形例的工序(c)的形态见图3。如图所示，该工序(c)中，于第1基板21的背面21b形成金属膜23a，第2基板12的表面12a形成金属膜23b。金属膜23a、23b的形成可同样按上述本实施方式的工序(c)中的金属膜23的形成来进行。此外，对于金属膜23a、23b的厚度，使两者的总计厚度与金属膜23相同、例如为0.01～5μm即可。两者的总计厚度也可为0.1～5μm。另，通过该变形例的工序(c)形成金属膜23a、23b时，工序(d)中的接合是粘接金属膜23a和金属膜23b。因此，上述工序(d)中的接合方法之外，还可采取利用金属之间的原子扩散的接合方法。另，金属膜23a和金属膜23b可为相同的材质，也可为不同的材质。此外，通过该变形例的工序(c)形成金属膜23a、23b时，工序(d)中，优选对金属膜23a、23b的表面都进行镜面研磨后再进行接合。据此，第1基板21同第2基板12，即使是不能得到为了经由工序(d)的接合获得充分粘合力的轮廓算术平均偏差Ra的材质时，通过介由进行过镜面研磨的金属膜23a、23b接合第1基板21和第2基板12，也可获得充分的粘合力。
实施例
[实施例1]
通过使用图2说明的制造方法制成图1的复合基板10，以此作为实施例1。首先，作为工序(a)，准备好直径2英寸、厚度350μm的由氮化镓构成的第1基板21，以及直径2英寸、厚度500μm的由氮化铝制的陶瓷构成的第2基板12。
接着，作为工序(b)，在第1基板21的背面21b注入氢离子。具体地，以注入能量60keV、剂量3×1017atoms/cm2的注入条件注入氢离子，使得形成离子注入层21c的深度d为0.5μm。
然后，作为工序(c)，在第2基板12的表面12a上形成由钼构成的金属膜23。具体地，使用平行平板RF溅射装置，以成膜开始真空度1.8×10-4Pa、气压(Ar)0.3Pa、气体流量80sccm的条件进行成膜2小时。据此得到的金属膜23的膜压为1μm。另，金属膜23的表面的10μm见方测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra为15nm。
工序(d)中，首先，在第1基板21的背面21b进行研磨。具体地，使用含有粒径0.5μm的金刚石磨粒液和金属平板，于第1基板21的背面21b进行5小时的粗研磨。通过AFM(Atomic Force Microscope：原子力显微镜)测定背面21b的表面粗糙度，经过该粗研磨的20μm见方的测定范围内的轮廓算术平均偏差Ra从2.7nm改善到2.0nm。接着，为了除去粗研磨后的背面21b所残留的深度2～3μm的划痕，作为精密研磨，进行CMP研磨。CMP研磨使用含胶态硅石液和聚氨乙酯制垫片进行24小时。据此，完全除去背面21b的划痕，10μm见方的测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra变为1nm以下。
接着，对金属膜23的表面进行镜面研磨。具体地，使用含胶态硅石液和聚氨乙酯制垫片进行1小时的CMP研磨。据此，金属膜23的表面的10μm见方的测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra变为不足1nm。
然后，介由金属膜23接合第1基板21的背面21b和第2基板12的表面12a。具体地，首先将第1基板21和第2基板12插入真空室内，使用氩光束照射第1基板21的背面21b和第2基板12上形成的金属膜23的表面3分钟。最后，使照射过的两面相互接触，常温下施加1吨的负重进行接合。
工序(e)中，将工序(d)中接合的基板放入加热炉中加热到700℃。据此，从离子注入层21c剥离第1基板21的表面21a侧。没有被剥离的第2基板12侧所残留的第1基板11的厚度为0.5μm。据此，获得图1所示的实施例1的复合基板10。
由上获得的实施例1的复合基板10中，第1基板11和第2基板12通过由钼构成的金属膜13而接合。另一方面，例如上述专利文献1中记载的复合基板中，经由二氧化硅或氧化铝等氧化膜进行接合。此处，钼的热传导率为150W/m·K，二氧化硅和氧化铝的热传导率分别为10W/m·K、20～40W/m·K。据此，可知使用实施例1的复合基板10制作的半导体设备，相比于由氧化膜接合的复合基板，其第1基板21的放热性得到提高。
[实施例2]
通过含有使用图3说明的变形例的工序(c)的制造方法制成图1的复合基板10，以此作为实施例2。首先，作为工序(a)，准备好直径2英寸、厚度400μm的由氮化镓构成的第1基板21，以及直径2英寸、厚度400μm的由氮化铝制的陶瓷构成的第2基板12。
接着，作为工序(b)，在第1基板21的背面21b注入氢离子。具体地，以注入能量240keV、剂量3×1017atoms/cm2的注入条件注入氢离子，使得形成离子注入层21c的深度d值为1.5μm。
接着，作为工序(c)，首先在第1基板21的背面21b进行研磨。具体地，使用含有粒径0.5μm的金刚石磨粒液和金属平板，于第1基板21的背面21b进行5小时的粗研磨。通过AFM测定背面21b的表面粗糙度，经过该粗研磨的20μm见方的测定范围内的轮廓算术平均偏差Ra从2.7nm改善到2.0nm。接着，为了除去粗研磨后的背面21b所残留的深度2～3μm的划痕，作为精密研磨，进行CMP研磨。CMP研磨使用含胶态硅石液和聚氨乙酯制垫片进行24小时。据此，完全除去背面21b的划痕，10μm见方测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra变为1nm以下。接着对第2基板12的表面12a进行研磨。具体地，使用含胶态硅石液和聚氨乙酯制垫片进行5小时。据此，10微米见方的测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra变为2.3nm。
接着，在第1基板21的背面21a、第2基板12的表面12a上形成以铬作为基底、在其上形成金的由金和铬构成的金属膜23a、23b。具体地，使用平行平板RF溅射装置，以成膜开始真空度1.5×10-5Pa、气压(Ar)0.5Pa、气体(Ar)流量20sccm、基板加热150℃的条件进行成膜。通过将在成膜腔内的晶片传输速度设定为铬成膜时14000pps、金成膜时3600pps，传输次数设定为铬成膜时1次、金成膜时3次，分别使金属膜23a、23b成为金的膜厚为150nm、铬的膜厚为3nm。金的基底使用铬的理由是为了增强金与晶片的粘着力。另，金属膜23a、23b的表面的10μm见方的测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra为3nm。
然后，作为工序(d)，介由金属膜23a、23b接合第1基板21的背面21b和第2基板12的表面12a。具体地，首先将第1基板21和第2基板12插入真空室内，使用氩光束照射第1基板21的背面21b上形成的金属膜23a的表面和第2基板12的表面12a上形成的金属膜23b的表面3分钟。最后，使照射过的两面相互接触，常温下施加2吨的负重进行接合。
工序(e)中，将工序(d)中接合的基板放入加热炉中加热到700℃。据此，从离子注入层21c剥离第1基板21的表面21a侧。没有被剥离的第2基板12侧所残留的第1基板11的厚度为1.5μm。据此，获得图1所示的实施例2的复合基板10。
[比较例1]
作为比较例1，制成不形成金属膜23而直接接合第1基板21和第2基板12的复合基板。具体地，首先进行与实施例1相同的工序(a)、(b)。
接着不进行实施例1的工序(c)，作为工序(d)，对第2基板12的表面12a进行研磨。但是，发生了由研磨引起的第2基板12的晶体脱粒，没有减小晶界段差。因此，第2基板12的表面12a的10μm见方的测定范围中的轮廓算术平均偏差Ra通过研磨由13.2nm改善到2nm，但轮廓算术平均偏差Ra没有进一步地得到改善。接着，用氩光束照射第1基板21的背面21b和第2基板12的表面12a，通过使照射过的两个面相接触并施加负重，直接接合第1基板21和第2基板12。最后，同工序(e)，从离子注入层21c剥离第1基板21的表面21a侧。据此，获得比较例1的复合基板。
[观察粘合状态]
对实施例1、2及比较例1的复合基板，用肉眼观察第1基板11和第2基板12的粘合状态。结果可确认，在比较例1的复合基板的外周附近，第1基板11和第2基板12存在未粘合部分。而另一方面，对于实施例1、2的复合基板10，没有确认到存在此样的未粘合部分。据此可确认，实施例1的复合基板10通过在第2基板12的表面12a上形成金属膜23，并对其进行镜面研磨后再与第1基板21粘合，获得了相比于比较例1，粘合状态良好的基板。此外还可确认，实施例2的复合基板10通过在第1基板21的背面21b形成金属膜23a，同时在第2基板12的表面12a形成金属膜23b，对金属膜23a、23b的表面进行镜面研磨后再粘合金属膜23a、23b，获得了相比于比较例1，粘合状态良好的基板。

Claims (8)

1.一种复合基板的制造方法，包含以下工序：(a)准备由第13族氮化物构成的第1基板和由陶瓷构成的第2基板的工序，
(b)在所述第1基板的背面注入氢离子或者稀有气体离子、于该第1基板内部形成离子注入层的工序，
(c)所述第1基板的背面和所述第2基板的表面之中，至少在该第2基板的表面通过物理蒸镀法或者化学蒸镀法形成金属膜的工序，
(d)介由所述金属膜接合所述第1基板的背面和所述第2基板的表面的工序，
(e)从所述第1基板中的所述离子注入层剥离该第1基板的表面侧的工序。
2.根据权利要求1所述的复合基板的制造方法，其中所述金属膜由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。
3.根据权利要求1或2所述的复合基板的制造方法，其中所述第1基板为氮化镓。
4.根据权利要求3所述的复合基板的制造方法，其中所述第2基板为氮化铝或者碳化硅。
5.一种复合基板，具备：
由第13族氮化物构成的第1基板、
由陶瓷构成的第2基板和
接合所述第1基板和所述第2基板的金属膜。
6.根据权利要求5所述的复合基板，其中所述金属膜由钼、钨、铜、金、钽、铬、铁、镍、铂的任意一个以上构成。
7.根据权利要求5或6所述的复合基板，其中所述第1基板为氮化镓。
8.根据权利要求7所述的复合基板，其中所述第2基板为氮化铝或者碳化硅。
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