CN104798177A - 半导体用复合基板的操作基板 - Google Patents

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Abstract

操作基板1由透光性陶瓷构成。操作基板1的接合面1a一侧的表面区域2A所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在50个/mm2以下。操作基板1内形成有大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域3。透光性陶瓷的平均粒径为5～60μm。

Description

半导体用复合基板的操作基板
技术领域
本发明涉及半导体用复合基板的操作基板。
背景技术
以往已知的是，通过将被称为Silicon on Quartz(SOQ)、Silicon on Glass(SOG)、Silicon on Sapphire(SOS)的操作基板、透明·绝缘基板构成的SOI和GaN、ZnO、金刚石、AlN等透明宽带隙半导体与硅等施主基板键合，可以得到贴合晶片。由于SOQ、SOG、SOS等操作基板的绝缘性·透明性等，被期待应用于投影仪、高频器件等。此外，宽带隙半导体的薄膜与操作基板的复合化贴合晶片，被期待应用于高性能激光器和功率器件等。
以具备高绝缘性、低介质损耗、高热传导等特征的蓝宝石为衬底基板、其表面形成有用于构成半导体器件的硅薄膜的贴合基板，被用于高频开关IC等。以前，在衬底基板上通过外延生长形成硅区域的方法是主流，但近年来，开发了直接键合形成的方法，对半导体器件的性能改善有所帮助(专利文献1、2、3)。
但是，由于蓝宝石很昂贵，为了降低成本，希望能将蓝宝石以外的材料基板用作操作基板。伴随上述键合技术的进步，也提出了由石英、玻璃、氧化铝等蓝宝石以外的材质构成的操作基板的各种提案。
其中，以往用作高亮度放电灯用的发光管和半导体制造装置的挡片的多晶透光性氧化铝，通过使用高纯度原料、在高温的还原气氛下致密烧成，具有与蓝宝石同等的高绝缘性、低介质损耗、高热传导等良好特性，同时具有无需高成本的结晶培养工序的优点(专利文献4、5、6)。
使用透光性的衬底基板时，无法很好地通过半导体制造装置内的光学传感器进行检测，会造成装置内出现问题。为防止这一问题，有提案提出，在衬底基板的背面通过喷砂处理或微影蚀刻、激光加工实施粗面化的方法(同7、8、9、10、11、12)。此外，也有提案提出，通过将多晶的透光性基板进行低密度化而降低透光性的方法(专利文献12)。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利特开H08-512432
【专利文献2】日本专利特开2003-224042
【专利文献3】日本专利特开2010-278341
【专利文献4】WO2010/128666
【专利文献5】日本专利特开平05-160240
【专利文献6】日本专利特开平05-160240
【专利文献7】日本专利特开2008-288556
【专利文献8】日本专利特开2009-246320
【专利文献9】日本专利特开2009-246321
【专利文献10】日本专利特开2009-246323
【专利文献11】日本专利特开2009-252755
【专利文献12】日本专利特开平11-026339
发明内容
但是，专利文献7～11记载的方法，都是通过追加加工实施粗面化的方法，加工会造成主面一侧污染和晶片破损·变形，并且必须增加工序。此外，如专利文献12所记载，将操作基板低密度化的话，基板内的微细气孔会增加，因此研磨贴合面时的面粗糙度会恶化，无法很好地键合硅区域。
本发明的课题是，半导体用复合基板的操作基板中，可以容易的通过光学传感器检测操作基板，并且防止与施主基板的键合强度下降。
本发明是一种半导体用复合基板的操作基板，其特征在于，
操作基板由透光性陶瓷构成，所述操作基板的接合面一侧的表面区域包含大小0.5～3.0μm的气孔，所述接合面一侧的表面区域所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在50个/mm2以下，操作基板内形成有大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域，透光性陶瓷的平均粒径为5～60μm。
此外，本发明涉及半导体用复合基板，其特征在于，具有所述操作基板，以及直接或通过接合区域键合在操作基板的接合面的施主基板。
本发明人研究了通过多晶陶瓷形成操作基板，进行了试制。多晶陶瓷具有黏附有许多微细颗粒的微结构。本发明人想到，在此种多晶陶瓷中，采用减少其键合一侧的主表面上的气孔、同时在操作基板内部保留多气孔区域的结构。
通过采用在操作基板内部保留多气孔区域的结构，可以容易地通过光学传感器检测操作基板。与此同时，通过减少键合一侧的主表面上的气孔的结构，可以使得加工后的接合面的Ra极小，可以防止与施主基板的键合强度下降。
附图说明
【图1】(a)是显示本发明的实施方式涉及的操作基板1的模式图，(b)是显示在操作基板1上通过接合区域4键合施主基板5而得到的复合基板6的模式图，(c)是显示在操作基板1上直接键合施主基板5而得到的复合基板6A的模式图。
【图2】(a)是在操作基板1上引出的厚度方向的中心线L的图，(b)是显示其他实施方式涉及的操作基板1A的图。
【图3】显示平均粒径的计算方式例的模式图。
【图4】用于说明晶粒以及气孔的计算法的照片。
【图5】用于说明晶粒以及气孔的计算法的照片。
【图6】用于说明晶粒以及气孔的计算法的照片。
具体实施方式
以下适当参照附图进一步说明本发明。
(操作基板)
本发明的操作基板由透光性陶瓷构成。其并无特别限定，但优选从氧化硅、氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅、硅铝氧氮陶瓷(Sialon)及氮化镓构成的群中选择。
操作基板的材质特别适宜使用透光性氧化铝烧结体。由于可以得到非常致密的烧结体，操作基板难以产生碎裂或裂纹。
制造透光性氧化铝烧结体时，优选对于纯度99.9％以上(优选99.95％以上)的高纯度氧化铝粉末，添加100ppm以上、1000ppm以下的氧化镁粉末。作为此种高纯度氧化铝粉末，可例示有，大明化学工业株式会社制造的高纯度氧化铝粉体。此外，优选该氧化镁粉末的纯度在99.9％以上，优选平均粒径在0.6μm以下。
图1(a)、图2(a)显示的是本发明的实施方式涉及的操作基板1，图2(b)显示的是其他实施方式涉及的操作基板1A。
操作基板1、1A的接合面1a一侧的表面区域2A所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在50个/mm2以下。由此，加工后的操作基板的接合面1a的Ra可以在3.0nm以下，与施主基板的键合可以得到强化。基于此观点，接合面1a一侧的表面区域2A所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度更优选在20个/mm2以下，进一步优选10个以下。并无特别下限，也可以是0个/mm2。
操作基板1、1A的底面1b一侧的表面区域2B所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度不一定要在50个/mm2以下。但是，该气孔过多的话，容易出现污染和脱粒，因此操作基板1、1A的底面1b一侧的表面区域2B所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度优选在100个/mm2以下，更优选50个/mm2以下。
此外，操作基板1中，形成有大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域3。区域3如图2(b)所示，可以向表面区域2A、2B以外的整体扩展。或者，如图1(a)所示，区域3也可以仅占表面区域2A、2B以外的区域的一部分。
通过在操作基板1中形成大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域3，可以容易地通过光学传感器等检测操作基板。该区域内的气孔的平均密度的上限并无特别要求，但气孔过多的话会出现强度下降和产生脱粒的趋势。基于此种观点，平均密度优选在1000个/mm2以下，更优选400个/mm2以下。
此外，在区域3和表面区域2A之间，也可设置大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度不足100个/mm2的区域7A。此时，区域7A的气孔的所述平均密度的下限并无特别要求。此外，区域7A中，也可混合存在气孔的所述平均密度在50个/mm2以下的区域和超过50个/mm2的区域。
此外，在区域3和表面区域2B之间，也可设置大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度不足100个/mm2的区域7B。此时，区域7B的气孔的所述平均密度的下限并无特别要求。此外，区域7B中，也可混合存在气孔的所述平均密度在50个/mm2以下的区域和超过50个/mm2的区域。
此外，基于本发明的观点，接合面一侧的表面区域内的气孔的平均密度设为Nc，基板的厚度方向的中心线L通过区域内的气孔的平均密度设为Ns时，比率(Nc：Ns)优选为1：2～1：40。这是由于比率小的话无法得到期望的效果，过大的话烧结时会产生偏移应力而引起裂纹。基于该观点，比率(Nc：Ns)更优选1：8～1：40，进一步优选1：12～1：40。
本发明中，如下决定气孔的所述平均密度。
即，将操作基板的截面(相对于接合面的垂直截面)镜面研磨、热蚀刻，使得结晶晶界明显后，拍摄光学显微镜照片(200倍)。之后，设定操作基板的厚度方向(与接合面垂直的方向)0.1mm、与接合面水平方向1.0mm的层状视野。该视野如图4、5、6例示。之后，对各视野的大小0.5～3.0μm的气孔数进行计数。将得到的气孔数换算为每单位mm2的气孔数，作为平均密度。
例如，图4的实施例1中，接合层一侧(上侧)的表面区域的视野中的气孔数为1，厚度方向看到的中心线通过区域的视野中的气孔数为12，底面一侧的表面区域的视野中的气孔数为1。气孔的平均密度分别为10个/mm2、120个/mm2、10个/mm2。
同样的，图5的实施例2中，接合层一侧(上侧)的表面区域的视野中的气孔数为5，厚度方向看到的中心线通过区域的视野中的气孔数为17，底面一侧的表面区域的视野中的气孔数为4。气孔的平均密度分别为50个/mm2、170个/mm2、40个/mm2。
图6的实施例3中，接合层一侧(上侧)的表面区域的视野中的气孔数为2，厚度方向看到的中心线通过区域的视野中的气孔数为15，底面一侧的表面区域的视野中的气孔数为16。气孔的平均密度分别为20个/mm2、150个/mm2、160个/mm2。
此外，计算本发明中的所述的气孔的平均密度时，从接合面向着底面，将操作基板分割为层状的区域。各区域的厚度分别为0.1mm。之后，在各区域内设定上述的厚度0.1mm×长度1.0mm的测定视野。
此外，大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域3，包含厚度0.1mm的单一层，但是，基于本发明的观点，更优选含有多个厚度0.1mm以上的区域(例如2个区域、3个区域等)。
在这里，将大小不足0.5μm的气孔除外是因为，较之于视野太过细小而难以计数，而且对精密研磨时的表面状态的影响很小。此外，将大小超过3.0μm的气孔除外是因为，气孔太过粗大而单单成为凹陷，而且操作基板所使用的致密陶瓷中通常看不到这一大小的气孔。将截面镜面研磨时，产生脱粒等而难以与气孔区分时，截面加工可以使用FIB(Focused IonBeam)加工，从而可以排除这些影响。
此外，气孔的大小如下决定。即，在操作基板的所述截面照片中，引出与接合面水平的直线，横穿气孔。此时可以引出多条直线，但以通过气孔上的直线的最大长度为气孔的大小。
本发明中，接合面的微观表面的中心线平均粗糙度Ra在3.0nm以下，由此可以提高对施主基板的键合力。基于此观点，接合面的微观表面的中心线平均粗糙度Ra更优选在1.0nm以下。
另外，这是对显示在表面的各晶粒的露出面通过AFM(Atomic ForceMicroscope：原子力显微镜)拍摄、根据JIS B0601算出的数值。微视观察各晶粒表面的面粗糙度时，可使用原子力显微镜在10um视野范围内进行表面形状观察。
适宜的实施方式中，透光性陶瓷的平均粒径为5～60μm，优选15μm～55μm。平均粒径小的话研磨时容易脱粒，面粗糙度变差。大的话烧结时会产生微裂纹，面粗糙度变差。通过将平均粒径设定在上述范围，可以减小微观表面的中心线平均粗糙度Ra，容易使通过分子间力的施主基板的键合强度良好。
另外，晶粒的平均粒径如下测定。
(1)将烧结体的截面镜面研磨、热蚀刻，使得晶界明显后，拍摄显微镜照片(100～200倍)，对单位长度的直线横穿的颗粒数进行计数。在不同的3处实施此操作。另外，单位长度范围为500μm～1000μm。
(2)取实施操作的3处的颗粒个数平均。
(3)通过下式算出平均粒径。
[计算式]
D＝(4/π)×(L/n)
[D：平均粒径，L：直线的单位长度，n：3处颗粒个数的平均]
平均粒径的计算例子如图3所示。在不同的3处位置，各自的单位长度(例如500μm)的直线横穿的颗粒个数为22、23、19时，平均粒径D通过上述计算式计算为
D＝(4/π)×[500/{(22+23+19)/3}]＝29.9μm。
基于本发明的观点，操作基板的波长650nm的光的直线透过率优选在60％以下。
此外，操作基板的大小、厚度并无特别限定，但通常的SEMI/JEITA标准附近的容易操作。此外，操作基板的厚度优选在0.3mm以上，优选1.5mm以下。
构成操作基板的多晶陶瓷的相对密度，基于对于半导体后处理的耐久性以及防止污染的观点，优选在98％以上，更优选99％以上。
(操作基板的制造)
原料粉末的平均粒径(一次粒径)并无特别限定，但基于低温烧结致密化的观点，优选0.6μm以下，更优选0.4μm以下。一个区域优选原料粉末的平均粒径在0.3μm以下。该平均粒径的下限并无特别限定。原料粉末的平均粒径可以通过SEM(扫描型电子显微镜)对原料粉末的直接观察决定。
另外，这里所说的平均粒径指的是SEM照片(倍率：X30000。任意的2个视野)上的除了二次凝集颗粒以外的一次粒子的(最长轴长+最短轴长)/2的值的n＝500平均值。
操作基板的成型方法并无特别限定，可以是刮刀法、挤出法、陶瓷胶体成型法等任意的方法。特别优选使用以下的刮刀法制造基板。
(1)将陶瓷粉体、成为粘合剂的聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB树脂)或丙烯酸树脂与增塑剂、分散剂共同分散在分散介质中，调制浆料，通过刮刀法成型为带状后，使分散介质干燥，令浆料固化。
(2)将得到的带条数片重叠，通过加压层积或CIP积层而得到期望厚度的基板形状的成型体。
要得到本发明的操作基板，基于烧结体的致密化观点，烧结温度优选1700～1900℃，更优选1750～1850℃。
此外，在烧成时生成充分致密的烧结体后，优选再追加实施退火处理。为了如本发明般选择性减少表面区域的气孔，该退火温度优选为烧成时的最高温度+50℃～最高温度-50℃，更优选为烧成时的最高温度～最高温度+50℃。此外，退火时间优选为1～6小时。
此外，上述烧成时，将基板置于钼等高熔点金属构成的平坦的板上，此时，基于促进烧结助剂排出、容易进行晶粒生长的观点，更优选在基板的上侧空出5～10mm的缝隙。这是由于伴随晶粒生长的晶界迁移可以促进气孔的排出。另一方面，烧结助剂排出过度的话，容易产生异常晶粒生长，产生裂纹，因此更优选退火时在基板上放置钼等的板，以上下夹住基板的形式进行。
进行上述的成型、烧结，得到陶瓷烧结体构成的毛坯基板。
此外，通过将烧结助剂多的陶瓷成型体与烧结助剂少的陶瓷成型体一体化后烧结，也可以得到表面区域的气孔数得以减少的毛坯基板。通过采用此种制作方法，容易控制各层的气孔率，因此可以加大Nc：Ns的比率。
烧结体具有黏附着许多微细陶瓷颗粒的微结构。通过对毛坯基板的表面进行精密研磨加工，各晶粒被沿平面切削，表面露出了分别具有平坦面的被研磨的晶粒。被研磨的晶粒的表面变得平滑。
通过对毛坯基板进行精密研磨加工，可以减小各晶粒表面的微观表面的中心线平均粗糙度Ra。作为此种研磨加工，一般是CMP(ChemicalMechanical Polishing)加工。作为其中使用的研磨浆料，使用的是碱性或中性溶液中分散了30nm～200nm粒径的磨粒的。作为磨粒材质，可例示有，二氧化硅、氧化铝、金刚石、氧化锆、氧化铈，将它们单独或组合使用。此外，抛光垫可例示有，硬质聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、皮革抛光垫。
此外，理想的是在实施最终的精密研磨加工前的粗研磨加工实施后进行退火处理。退火处理的气氛气体可例示有，大气、氢、氮、氩、真空。优选退火温度为1200～1600℃，退火时间为2～12小时。由此，可以无损表面的平滑而促进烧结助剂的排出。
操作基板由透光性氧化铝构成时，通过使制造操作基板时的原料中的氧化镁的添加量在100ppm以上，可以促进操作基板的致密化，抑制由于其接合面附近的裂纹和气孔等造成施主基板的键合强度下降。基于此观点，优选氧化镁的添加量在150ppm以上。此外，通过使氧化镁的添加量在1000ppm以下，容易抑制镁从操作基板扩散至施主基板。
(半导体用复合基板)
本发明的复合基板可用于投影仪用发光元件、高频器件、高性能激光器、功率器件、逻辑IC等。
复合基板包含本发明的操作基板和施主基板。
施主基板的材质并无特别限定，但优选从硅、氮化铝、氮化镓、氧化锌及金刚石构成的群中选择。施主基板的厚度并无特别限定，但通常的SEMI/JEITA标准附近的容易操作。
施主基板具有上述的材质，表面也可具有氧化膜。这是由于，通过氧化膜进行离子注入的话，可以得到抑制注入离子的沟道效应的效果。氧化膜优选具有50～500nm的厚度。具有氧化膜的施主基板也包含于施主基板，只要没有特别区分，都称为施主基板。
例如图1(b)的复合基板6中，得到操作基板1后，在操作基板1的接合面1a上，通过接合区域4键合施主基板5。图1(c)的复合基板6A中，在操作基板1的接合面1a上直接键合施主基板5。此时，由于操作基板1的接合面1a微视看到的是平滑的，因此可以提高与施主基板的键合强度。
(键合形态)
作为键合使用的技术，并无特别限定，可使用例如通过表面活性化进行的直接键合、使用粘合区域的基板键合技术。
直接键合适宜使用通过表面活性化进行的低温键合技术。在10-6Pa左右的真空状态下通过Ar气实施表面活性化后，常温下Si等单晶材料可以通过SiO2等粘合区域与多晶材料键合。
作为粘合区域的例子，除了通过树脂粘合外，可使用SiO2、Al2O3、SiN。
【实施例】
(实施例1)
为了确认本发明的效果，试制使用了透光性氧化铝烧结体的操作基板1。
首先，制作透光性氧化铝烧结体制的毛坯基板。具体的，调制混合了以下成分的浆料。
(原料粉末)
·比表面积3.5～4.5m2/g、平均一次粒径0.35～0.45μm的
用刮刀法，将该浆料成型为换算成烧成后的厚度0.25mm的带状。将其4层重叠加压层积，得到烧成后的厚度为1mm的基板状的粉末成型体。
将得到的粉末成型体在大气中以1100℃煅烧(预烧结)后，在氢3：氮1的气氛中进行1750℃、3小时烧成，然后，实施1700℃、3小时退火处理。
对制作的毛坯基板实施高精度研磨加工。首先通过GC研磨砂进行双面研磨加工调整出形状后，通过金刚石研磨浆在表面实施单面研磨加工。对其实施大气气氛、1300℃、6小时退火处理后，为得到最终的面粗糙度而使用胶体二氧化硅实施CMP研磨加工。此时，调整整体的加工量在深度方向为400μm，退火后的加工量为10μm。再将加工后的基板分别交互浸渍在过氧化铵、过氧化盐酸、硫酸、氟酸、王水和纯水中洗净，制作操作基板1。
对于得到的操作基板，测定大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上区域的厚度、接合面一侧表面区域内的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度、接合面一侧表面区域内的气孔的平均密度(Nc)与基板厚度方向的中心线通过区域内的气孔的平均密度(Ns)之比率(Nc：Ns)、结晶的平均粒径、可否通过光学传感器检测、接合面的Ra。结果如表1所示。
(实施例2～8)
与实施例1同样地制作操作基板。但是，变更了烧成温度、烧成后的退火温度、退火时间、研磨后的退火温度、研磨后的退火时间。得到的各测定结果如表1所示。
(实施例9、10、11)
与实施例1同样地制作操作基板。但是，变更了带状成型层4层中的表面一侧2层与中央一侧2层的氧化镁的量。得到的测定结果如表1所示。另外，实施例11制作的10片中的1片在退火处理后产生了裂纹。
(比较例1～4)
与实施例1同样地制作操作基板。但是，变更了烧成温度、烧成后的退火温度、退火时间、研磨后的退火温度、研磨后的退火时间。得到的各测定结果如表2所示。
(键合试验)
在实施例1～11得到的各操作基板的表面，作为与硅薄板的粘合区域，形成SiO2区域。但是，实施例11仅使用没有产生裂纹的。成膜方法使用等离子CVD，通过在制膜后实施CMP研磨(化学机械研磨)，使最终的SiO2区域的膜厚为100nm。然后，通过等离子活性化法将Si基板与SiO2区域直接键合，试制Si-SiO2-操作基板构成的复合基板。其结果是，得到了良好的键合状态，没有发现裂纹、剥离、碎裂。此外，将得到的复合基板进行1000℃、30分钟的热处理，其结果是键合状态没有变化，没有发现裂纹、剥离等。
另一方面，在比较例2、4的各操作基板的表面，如上键合硅基板。将得到的各复合基板进行1000℃、30分钟的热处理，其结果是发现了部分的剥离。另外，比较例1的操作基板无法通过光学传感器检测，由于比较例3的操作基板发现了裂纹，因此没有进行键合试验。

Claims (7)

1.一种操作基板，是半导体用复合基板的操作基板，
其特征在于，所述操作基板由透光性陶瓷构成，所述操作基板的接合面一侧的表面区域包含大小0.5～3.0μm的气孔，所述接合面一侧的表面区域所含的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在50个/mm2以下，所述操作基板内形成有大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在100个/mm2以上的区域，所述透光性陶瓷的平均粒径为5～60μm。
2.根据权利要求1所述的操作基板，其特征在于，所述操作基板内的大小0.5～3.0μm的气孔的平均密度在1000个/mm2以下。
3.根据权利要求1或2所述的操作基板，其特征在于，所述接合面一侧的所述表面区域内的所述气孔的平均密度、与所述基板的厚度方向的中心线通过区域内的所述气孔的平均密度之比率为1：2～1：40。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的操作基板，其特征在于，所述透光性陶瓷为多晶氧化铝。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的操作基板，其特征在于，所述操作基板的接合面的微观表面的中心线平均粗糙度Ra在3.0nm以下，波长650nm的光的直线透过率在60％以下。
6.一种半导体用复合基板，其特征在于，具有权利要求1～5任意一项所述的操作基板，以及施主基板，该施主基板直接或通过接合区域键合于所述操作基板的所述接合面。
7.根据权利要求6所述的复合基板，其特征在于，所述施主基板由单晶硅构成。
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