CN204067306U - 处理基板和半导体用复合晶片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种处理基板和半导体用复合晶片。半导体用复合晶片的处理基板由多结晶透光性氧化铝形成。该处理基板中Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ和Ｚｎ的表面金属污染量分别在1.0×10¹¹ａｔｏｍ／ｃｍ²以下，处理基板的接合面的表面粗糙度Ｒａ为6ｎｍ以下。

Description

处理基板和半导体用复合晶片

技术领域

本实用新型涉及处理基板和半导体用复合晶片。

背景技术

以往，已知有将被称为ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＱｕａｒｔｚ（ＳＯＱ）、ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＧｌａｓｓ（ＳＯＧ）、ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＳａｐｐｈｉｒｅ（ＳＯＳ）的由透明·绝缘基板构成处理基板的ＳＯＩ、或ＧａＮ、ＺｎＯ、金刚石、ＡｌＮ等的透明宽禁带（ワイドギャップ）半导体接合于硅等的供体基板，得到贴合晶片的方法。ＳＯＱ、ＳＯＧ、ＳＯＳ等由于处理基板的绝缘性·透明性等因素，被期待应用于投影仪、高频器件等。又，宽禁带半导体的薄膜与处理基板复合化了的贴合晶片被期待应用于高性能激光器或功率器件等。

这样的半导体用的复合晶片由处理基板和供体基板构成，一般来说，处理基板、供体基板由单结晶材料构成。以往，通过外延成长在基底基板上形成硅层的方法是主流，但近年也研发出了通过直接接合形成的方法，有助于半导体器件的性能的改善。（专利文献1、2、3）。即，这样的处理基板和供体基板通过接合层或粘着层结合或直接接合。

但是，蓝宝石的价格较贵，为了降低成本，最好采用蓝宝石以外的材料的基板作为处理基板。随着上述的接合技术的进步，也提出了各种采用石英、玻璃、氧化铝等蓝宝石以外的材质构成的处理基板（专利文献4、5、6、7）。

【专利文献1】日本特开平08-512432

【专利文献2】日本特开2003-224042

【专利文献3】日本特开2010-278341

【专利文献4】WO2010/128666A1

【专利文献5】日本特开平05-160240

【专利文献6】日本特开平05-160240

【专利文献7】日本特开2008-288556

实用新型内容

但是，通过氧化铝等的多结晶材料制造处理基板的话，处理基板的接合面的表面状态(表面粗糙度、弯曲、厚度不均)对于接合来说并不充分良好，因此接合强度较低。一般的氧化铝材料的粒子径较小，空孔较多较大，因此无法进行接合。或即使接合了接合强度也较低，无法作为贴合晶片使用。

进一步的，最近，半导体的布线规则更加微细化，例如正在采用0.7μｍ以下的微细布线。因此，以往来说不算问题的程度的金属污染也成为问题了。因此，对于处理基板，由于对半导体器件性能劣化的顾虑，因此需要较高的洁净度，而一般的陶瓷烧结体构成的处理基板无法达到这样的洁净度。

本实用新型的课题是提供能够与ＪＥＩＴＡ及ＳＳＥＭＩ这样的规格对应的洁净度高的处理基板、以及采用该处理基板的复合晶片。

本实用新型为半导体用复合晶片的处理基板,处理基板由多结晶透光性氧化铝形成，处理基板中Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ和Ｚｎ的表面金属污染量分别在1.0×10¹¹ａｔｏｍ／ｃｍ²以下，所述处理基板的接合面的表面粗糙度Ｒａ为6ｎｍ以下。

又，本实用新型还涉及半导体用复合晶片，其包括所述处理基板、和与处理基板的所述接合面直接接合或通过接合层与处理基板的所述接合面接合的供体基板。

根据本实用新型，可提供与JEITA或ＳＥＭＩ这样的规格对应的洁净度高的处理基板、以及利用该处理基板的复合晶片。

附图说明

图1是显示复合晶片10的构成的概略的立体图。

图2是显示图1的Ａ－Ａ截面图。

图3的（ａ）（ｂ）（ｃ）是显示复合晶片10的制造工程的立体图。

图4显示形成有切口Ｎ的复合晶片22。

图5是测定装置40的说明图。

图6是用于说明直线透过率的测定法的示意图。

图7是示出平均粒径的计算方式例的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图对本实用新型进一步地进行说明。

（用途）

本实用新型的复合晶片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。

（供体基板）

复合晶片包括本实用新型的处理基板和供体基板。

供体基板的材质没有特别限定，优选为从硅、氮化铝、氮化镓、氧化锌和金刚石构成的群中选择。

供体基板具有上述的材质，可在表面具有氧化膜。这是因为通过氧化膜进行离子注入的话，可获得抑制注入离子的沟道的效果。氧化膜优选具有50～500ｎｍ的厚度。具有氧化膜的供体基板也包括于供体基板，如果没有特别区分，则称为供体基板。

（处理基板）

处理基板由多结晶透光性氧化铝形成。该处理基板中Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ和Ｚｎ的表面金属污染量分别在1.0×10¹¹atom/cm²以下。

所述污染量（Contamination level）是在处理基板的表面，通过ＩＣＰ－ＭＳ（电感耦合等离子体-质谱法）如后所述进行测定的。

即，对处理基板表面以1ｃｍ³的王水或氟化氢水进行处理，分取得到的样本溶液，并使其蒸发干燥。将该残渣溶解于氟化氢水，喷雾状地分散在ＩＣＰ－ＭＳ（电感耦合等离子体-质谱）装置中。分散后的溶液在装置中由等离子体进行离子化。通过使该离子通过离子透镜，去除多余的元素。接着，在4重极的＋、－电极处，以从质量数小的元素开始的顺序使离子的行进方向弯曲90°，对该离子数进行计数。由此，可检测各质量数的离子的计数。

又，本实用新型中，处理基板的接合面的表面粗糙度Ｒａ为6ｎｍ以下。如果大于此，由于分子力，则供体基板的接合强度会降低。此时，最好为1ｎｍ以下。又，Ｒａ为在接合面通过ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子力显微镜）在70μｍ×70μｍ的视野范围内进行拍摄，并根据ＪＩＳＢ0601计算得到的数值。

优选的实施形态中，处理基板的弯曲（ＳＯＲＩ或ＷＡＲＰ）为80μｍ以下。该弯曲为40μｍ以下更好。

处理基板的弯曲如下进行测定。虽可利用平面度测定机进行弯曲测定，但这是利用将激光照射于样品时，在样品表面和棱镜表面反射的光相互干涉而产生干涉条纹的现象的测定手法。使入射角度微小变化的话，则干涉条纹也变化，该干涉条纹的明暗由ＣＣＤ摄像机捕捉，可对样品表面的形状进行测定。

优选的实施形态中，处理基板的波长200～250ｎｍ的前方全光线透过率比波长555ｎｍ的前方全光线透过率高。

在半导体基板的表面形成光刻胶膜后,波长200～250nm的UV(例如采用波长248nm的KrF激光进行光刻胶膜的曝光时,能够进行高精度的图案化。波长200～250nm的UV通过供体基板。使处理基板的波长200～250nm的前方全光线透过率比波长555nm的前方全光线透过率高,由此处理基板与供体基板的界面、以及从处理基板的内部往后方即供体基板侧的光的散射或反射减少，处理基板上的光刻胶膜几乎不会从内侧被曝光。结果，能够得到高精度的图案化。

顺便提及，曝光装置的分辨率定义为ｋ×λ／ＮＡ（ｋ：系数、λ：光源的波长、ＮＡ：投影透镜的数值孔径），因此通过以短波长进行曝光，可形成微细图案。

优选的实施形态中，处理基板的波长200～250ｎｍ下的前方全光线透过率为80％以上。这样，通过上述的光刻进行的图案化的精度进一步提高。

前方全光线透过率基于由图5的测定装置40得到的测定值计算。图5的测定装置是以试样S（厚度3ｍｍ）封塞积分球41的开口部，将具有孔44（直径φ3ｍｍ）的板42载置在试样S的上表面，以这样的状态使得来自光源46的光通过孔44照射到试样S，利用积分球41将通过试样S的光集中，由检测器48测定该光的强度。前方全光线透过率通过以下式子求得。

前方全光线透过率＝100×（测定到的光的强度）／（光源的强度）

优选的实施形态中，处理基板的波长200～750ｎｍ的直线透过率为20％以下。这样，处理基板的前方全光线透过率较高，而直线透过率较低，因此处理基板的内部的光散射变多，载置了复合晶片的台面处的反射的影响降低。又，半导体制造工序中，晶片被自动搬送，此时，可利用可视光进行图像识别。为了对晶片进行图像识别，需要不透过可视光这样的特性。处理基板的波长200～750ｎｍ的直线透过率为20％以下的话，可可靠地进行复合晶片的图像识别。

所述直线透过率为如以下那样求得的值。

基本上与前方全光线透过率同样地测定。但，如图6所示，试样S与积分球41的距离相距80ｍｍ，积分球41的开口部的尺寸为φ10ｍｍ，仅集中从试样S在直线方向上通过开口部的光，测定其光强度。

优选的实施形态中，多结晶透光性氧化铝的平均粒子径为20～40μｍ。

又，结晶粒子的平均粒径通过以下的方法测定。

（1）对多结晶透光性氧化铝的截面进行镜面研磨、热蚀刻使得晶界明显后，拍摄显微镜照片（100～200倍），计算单位长度的直线所贯穿的粒子的个数。这在不同三处实施。又，单位长度为500μｍ～1000μｍ的范围。

（2）取实施的三处的粒子的个数的平均。

（3）通过以下式子，计算平均粒径。

［计算式］

Ｄ＝（4／π）×（Ｌ／ｎ）

［Ｄ：平均粒径、Ｌ：直线的单位长度、ｎ：3处的粒子的个数的平均］

平均粒径的计算例如图7所示。在不同的三处位置，分别由单位长度（例如500μｍ）的直线贯穿的粒子的个数为22、23、19时，平均粒径Ｄ根据上述计算式，得到

Ｄ＝（4／π）×［500／｛（22＋23＋19）／3｝］＝29.9μｍ。

优选的实施形态中，复合晶片具有切口或定向平面。

又，优选的实施形态中，复合晶片为4英寸、6英寸或8英寸晶圆。

又，优选的实施形态中，处理基板对ＲＣＡ清洗所采用的药品具有抗耐性。

此处，ＲＣＡ清洗所采用的清洗剂为以下的材料。

ＲＣＡ清洗由ＳＣ1(氨+过氧化氢+水)和ＳＣ2(盐酸+过氧化氢+水)构成，每次经过稀释再使用。半导体的清洗通常采用一般的药液，但本处理基板对两者都具有抗耐性。

又，处理基板对所述药品具有抗耐性是指，基板浸渍在溶液中，既不溶解、其表面形状数据(Ra或PV)也不发生变化。

（复合晶片）

复合晶片10例如如图1所示，通过接合将处理基板12和供体基板12贴合而成。该复合晶片10形成为1处平坦的圆形。该平坦部分为被称为定向平面（ＯＦ）的部分，例如，在半导体器件的制造工程中进行各种操作的时候等，用于检测晶片位置或方向等。

这样的复合晶片10的制造方法的一例采用图3进行说明。图3为示出复合晶片10的制造工程的立体图。首先，准备具有ＯＦ的规定的直径和厚度的处理基板12。又，准备与处理基板12相同直径的半导体基板24，与处理基板直接接合（参照图3的（ａ））。

之后，通过离子注入法或研磨，使半导体基板24变薄成为规定厚度以作为供体基板14，得到复合晶片10（参照图3的（ｃ））。通过离子注入法进行薄板化的情况下，预先将离子注入半导体基板24，将其与处理基板12接合后，机械性或热性地剥离半导体基板24的一部分。在半导体基板24薄板化的时候，需要减少对半导体基板24的损伤时，则最好不采用离子注入法而进行研磨。

如此得到的复合晶片10，之后可用一般的光刻技术进行图案化。具体来说，在供体基板14的表面涂布光刻胶，并进行干燥，使光通过光掩模照射到光刻胶（掩模曝光）。然后浸渍于显影液，去除不要的光刻胶。光刻胶为负性光刻胶的情况下，光刻胶中被照射到光的部分残留在供体基板14上。另一方面，光刻胶为正性光刻胶的情况下，光刻胶中没有被照射到光的部分留在供体基板14上。然后，供体基板14的表面上没有被光刻胶覆盖的地方通过蚀刻去除。

此处，掩模曝光时，所照射的光透过供体基板14，但通过如前述那样提高处理基板12的前方全光线透过率，抑制了供体基板14与处理基板12的接合界面和从处理基板12的内部朝向后方（即供体基板侧）的反射。进一步的，通过降低处理基板12的直线透过率，处理基板12内的光的散射增加，不会发生由曝光机的台面反射而使掩模的内侧的光刻胶曝光的情况。对此，处理基板12为硅的情况下，硅为单结晶，因此不存在晶界，照射的光可能会在曝光机的台面反射使掩模的内侧的光刻胶曝光，从而导致无法形成高精度的图案。又，为了形成高精度的图案，需要使得曝光光源短波长化。因此，处理基板12最好散射更短波长的光，尤其是200ｎｍ附近的短波长紫外线区域的光（例如ＫｒＦ激光（248ｎｍ）。用于本实施形态的处理基板12的多结晶的透光性氧化铝具有在这样的短波长紫外线区域中前方全光线透过率提高，而直线透过率降低的特性。光入射到这样的透光性氧化铝制的处理基板12时，该光在存在于处理基板12的内部的晶界折射，并朝向全方位出射。

另一方面，在晶圆制程中，复合晶片10被自动搬送，此时可通过可视光进行图像识别。因此，为了对复合晶片10进行图像识别，需要不透过可视光的特性。本实施形态的复合晶片10具有由透光性氧化铝构成的处理基板12，在波长200～750ｎｍ的区域，该透光性氧化铝的直线透过率在20％以下，因此适合于图像识别。

图4的复合晶片22中，形成切口Ｎ以代替定向平面ＯＦ。

复合晶片的厚度由ＪＥＩＴＡ或ＳＥＭＩ规格确定。例如，4寸晶圆的情况下，厚度可为0.525ｍｍ，6寸晶圆的情况下，厚度可为0.625ｍｍ，8英寸晶圆的情况下，厚度可为0.725ｍｍ。

优选的实施形态中，构成处理基板的多结晶透光性氧化铝通过以纯度99.9质量％以上的氧化铝粉末为原料的烧结制造而成。

透光性氧化铝基板的成型方法没有特别限定，可以是刮刀法、挤压法、凝胶注模法等任意的方法。特别优选的是，用凝胶注模法制造基板。优选的实施形态中，将含有陶瓷粉末、分散剂和胶凝剂的浆料浇铸成型，通过使得该浆料凝胶化，得到成型体，并烧结该成型体。

优选对纯度99.9质量％以上（优选99.95质量％以上）的高纯度氧化铝粉末添加100ｐｐｍ以上、300ｐｐｍ以下的氧化镁粉末。作为这样的高纯度氧化铝粉末，例示有大明化学工业株式会社制的高纯度氧化铝粉体。又，该氧化镁粉末的纯度最好为99.9质量％以上，平均粒径最好为0.3μｍ以下。

为获得处理基板，烧结温度从烧结体的致密化观点来看，优选是1700～1900℃，更优选是1750～1850℃。

又，烧成时得到充分致密的烧结体后，进一步地以烧成温度追加实施退火处理。该退火温度，从防止变形或异常晶粒生长的发生、且促进氧化镁的排出这样的观点来看，优选为烧成时的最高温度±100℃以内，更优选为最高温度为1900℃以下。又，退火时间最好为1～6小时。

进一步的，退火温度优选为烧成时的最高温度的+0～100℃的范围。

通过精密研磨加工基板半成品，使得Ｒａ减小。这样的研磨加工，一般有ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing（化学机械抛光））加工。作为用于此的研磨浆料，采用的是在碱性或中性的溶液中分散了具有30ｎｍ～200ｎｍ的粒径的磨粒的材料。磨粒材质可例示有，硅石、氧化铝、金刚石、氧化锆、氧化铈，可单独或组合使用。又，研磨垫例示有，硬质聚氨酯垫、无纺布垫、起毛皮革垫。

又，最好在实施最终的精密研磨加工前的粗研磨加工之后进行退火处理。退火处理的气氛气体可例示有大气、氢气、氮气、氩气、真空。退火温度为1200～1600℃、退火时间最好为2～12小时。由此，可不损害表面的平滑性地促进氧化镁的排出。

（接合形态）

接合所用的技术没有特别限定，例如可采用基于表面活性化的直接接合、采用粘着层的基板接合技术。

对于直接接合，最好采用基于界面活性化的低温接合技术。在真空状态下实施O₂或N₂气体等离子的表面活性化后,在常温下,Si等的单结晶材料可通过ＳｉＯ₂等粘着层与多结晶材料结合。

作为粘着层的实例，除了通过树脂粘结，还可采用SiO₂、Al₂O₃、SiN。

实施例

为确认本实用新型的效果，采用透光性氧化铝陶瓷，在实施加工·清洗后进行评价。

首先，为制作透光性氧化铝陶瓷制的基板半成品，调制混合了以下的成分的浆料。

（原料粉末）

·比表面积3.5～4.5ｍ²／ｇ、平均一次粒子径0.35～0.45μｍ的α－氧化铝粉末（纯度99.96质量％）

                                     100重量份

·ＭｇＯ（氧化镁）                 0.025重量份

·ＺｒＯ₂（氧化锆）                0.040重量份

·Ｙ₂Ｏ₃（氧化钇）                0.0015重量份

（分散剂）

·戊二酸二甲酯                        27重量份

·乙二醇                             0.3重量份

（胶凝剂）

·ＭＤＩ树脂                           4重量份

（分散剂）

·高分子界面活性剂                     3重量份

（催化剂）

·Ｎ，Ｎ-二甲基氨基己醇              0.1重量份

在室温下将该浆料浇铸于铝合金制的模具成型之后，在室温下放置1小时。接着，在40℃下放置30分钟，继续固化，然后脱模。进一步的，分别在室温、90℃下放置2小时，得到板状的粉末成型体。

得到的粉末成型体在大气中以1100℃预烧（预备烧成）之后，在氢气3：氮气1的气氛中以1750℃烧成，之后，以相同条件进行退火处理作成基板半成品。

对作成的基板半成品实施高精度研磨加工。首先通过采用绿碳磨料的双面研磨加工调整形状后，采用金刚石浆料实施双面研磨加工。金刚石的粒径为3μｍ。最后实施ＣＭＰ加工，实施清洗。又，清洗中，将进行了一般的半导体清洗工序所采用的ＲＣＡ清洗的基板浸渍到溶液中，确认没有溶解和表面形状数据(Ra或PV)没有变化。

根据ＡＦＭ的表面粗糙度测定的结果为，Ｒａ值为6ｎｍ(□70μｍ视野)，形状测定的结果为，处理基板的弯曲为80μｍ，通过激光显微镜确认平均粒子径为30μｍ。

又，通过ＩＣＰ质量分析，10元素(Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ和Ｚｎ)的分析值都在1.0×10¹¹ａｔｏｍ／ｃｍ²以下。

又，处理基板的波长200～250ｎｍ的前方全光线透过率为80％，波长200～750ｎｍ的直线透过率为15％。

在得到的供体基板的表面上，通过热氧化形成ＳｉＯ₂层，作为与ＳｉＯ2的粘着层。之后，通过等离子体活性化法，使得处理基板与ＳｉＯ₂层直接接合，作成Ｓｉ―ＳｉＯ2―透光性氧化铝基板构成的复合晶片。结果，得到良好的接合状态，未发现裂纹、剥离、割裂。又，得到的复合晶片在400℃下进行2小时的热处理，结果，接合状态没有改变，未发现裂纹、剥离等的发生。

（比较例）

为了确认本实用新型的效果，采用高纯度氧化铝陶瓷，在实施了加工·清洗后进行评价。但，与实施例不同，原材料的纯度和粒径有所改变。

·比表面积3.5～4.5ｍ²／ｇ、平均一次粒子径0.020～0.030μｍ的α－氧化铝粉末（纯度99.5质量％）

                                  100重量份

（分散剂）

·戊二酸二甲酯                     27重量份

·乙二醇                          0.3重量份

（胶凝剂）

·ＭＤＩ树脂                        4重量份

（分散剂）

·高分子界面活性剂                  3重量份

（催化剂）

·Ｎ，Ｎ-二甲基氨基己醇           0.1重量份

在室温下将该浆料浇铸到铝合金制的模具中成型之后，在室温下放置1小时。接着在40℃下放置30分钟，继续固化，然后脱模。进一步的，接着在室温下，然后在90℃下分别放置2小时，得到板状的粉末成型体。

得到粉末成型体在大气中以1100℃预烧（预备烧成）之后，在氢气3：氮气1的气氛中以1750℃进行烧成，之后，以相同同条件实施退火处理形成基板半成品。

对作成的基板半成品进行高精度研磨加工。首先通过采用绿碳（グリーンカーボン）磨料的双面研磨加工修正形状，然后实施双面研磨加工。最后通过ＳｉＯ₂磨粒进行ＣＭＰ加工，实施清洗。又，通过将清洗采用了一般的半导体清洗工序中采用的ＲＣＡ清洗的基板浸渍在溶液中，确认没有溶解的情况、和表面形状数据(Ra或PV)变化的情况。

通过ＡＦＭ进行的表面粗糙度测定的结果为，Ｒａ值为70ｎｍ(□70μｍ视野)，形状测定的结果为，处理基板的弯曲为80μｍ，通过激光显微镜确认平均粒子径为30μｍ。

又，通过ＩＣＰ质量分析，10元素(Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ和Ｚｎ)的分析值都在1.0×10¹²ａｔｏｍ／ｃｍ²以上。

在得到的供体基板的表面上，通过热氧化形成ＳｉＯ₂层，作为与ＳｉＯ₂的粘着层。之后，通过等离子体活性化法将ＳｉＯ₂层直接接合到处理基板，作成Ｓｉ―ＳｉＯ₂―透光性氧化铝基板构成的复合晶片。结果，面内仅很少一部分接合。

Claims (12)

1.一种半导体用复合晶片的处理基板，其特征在于， 

所述处理基板由多结晶透光性氧化铝形成，所述处理基板的接合面的表面粗糙度R a为6nm以下。 

2.如权利要求1所述的处理基板，其特征在于，弯曲为80μm以下。 

3.如权利要求1或2所述的处理基板，其特征在于，所述处理基板的波长200～250nm的前方全光线透过率比波长555nm的前方全光线透过率高。 

4.如权利要求1或2所述的处理基板，其特征在于，该处理基板具有切口。 

5.如权利要求1或2所述的处理基板，其特征在于，该处理基板具有定向平面。 

6.如权利要求1或2所述的处理基板，其特征在于，该处理基板为4英寸、6英寸或8英寸。 

7.如权利要求1～6中任一项所述的处理基板，其特征在于，所述处理基板的波长200～250nm的前方全光线透过率为80％以上。 

8.如权利要求1～7中任一项所述的处理基板，其特征在于，波长200～750nm的直线透过率为20％以下。 

9.如权利要求1～8中任一项所述的处理基板，其特征在于，所述多结晶透光性氧化铝的平均粒子径为20～40μm。 

10.如权利要求1～9中任一项所述的处理基板，其特征在于，该处理基板对RCA清洗所用的药品具有抗耐性。 

11.一种半导体用复合晶片，其特征在于，包括：权利要求1～10中任一项所述的处理基板、和与所述处理基板的所述接合面直接接合或通过接合层与所述处理基板的所述接合面接合的供体基板。 

12.如权利要求11所述的复合晶片，其特征在于，所述供体基板由单结晶硅构成。