JP2005005708A - 異質構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる熱膨張係数を有する２つの基板が接合した構造を製造するための新たな方法を提供する。
【解決手段】 第１の物質によって構成される第１の基板２０と、第１の物質とは熱膨張係数が異なる第２の物質によって構成される第２の基板２２と、第１および第２の物質の一方または他方と同じである物質から形成されるか、或いは第１および第２の物質の一方または他方の熱膨張係数と近似するかまたは同じである熱膨張係数を有する物質で構成される第３の基板２６とを選択する工程と、第１の基板２０と第２の基板２２とが貼り合わさるように、且つ、第１および第２の基板２０および２２のうちの１つと第３の基板２６とが貼り合わさるように集合体を形成する工程と、第１の基板２０の厚み内に亀裂を生じさせる工程とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、異なる熱膨張係数を有する２つの基板が貼り合わされている異質構造の分野に関する。

本発明に関連する文献として、以下の特許文献１および２が挙げられる。

異質構造（heterogeneous structure）は、図１に模式的に示される。この構造は、第１の熱膨張係数を有する基板１２と、第２の熱膨張係数を有する膜または層１５とを含む。

そのような構造の一例は、石英（quartz）−シリコン系（「石英ｏｎシリコン」系）であり、これは、ディスプレイの製造などの光学的応用に用いることができる。

また、関連する他の系としては、たとえば、シリコン−サファイア、シリコン−ガラス、シリコンカーバイド−ガラス、ゲルマニウム−ガラス、ゲルマニウム−シリコンといった系が挙げられる。

シリコンは３．５９×１０^-6／℃の熱膨張係数を有し、石英は６×１０^-7／℃の熱膨張係数を有する。

異なる熱膨張係数、たとえば、常温（２０℃）で少なくとも１０％や２０％の熱膨張係数の差を有する２つの基板を貼り合わせる場合、または貼り合わせた２つの基板を後処理する場合において、たとえば接合した界面を強化するために、昇温工程が行われる。

２つの基板の厚さが比肩しうる程度、実質的に同一、または互いに近似する場合であって、それらが薄膜の性質を示す場合には、２つの表面のうちの１つの表面は他の表面と性質が異なり、その結果、応力解放現象によって２つの基板のうちの少なくとも１つが破壊される。この応力解放現象は、温度が数百℃（たとえば２００℃〜６００℃の範囲の温度）に達したときに生ずる。

一般に、温度変化（たとえば２００℃〜６００℃の範囲）は、熱膨張係数の差に基づく応力を生じさせる。しかし、これはまた、基板や層の剥離や分離、および／または、塑性変形、および／または、亀裂、および／または、基板または層の１つ以上の破壊をも生じさせることがある。

そのため、温度変化を伴う状況で上記構造中に生じる上記影響を避ける方法を見出すことが、解決すべき課題として存在する。

図１に示すような構造を製造するために、様々なテクニックが知られており、現在それらが利用されている。

図２に示される第１のテクニックでは、まず、基板１０へのイオン打ち込みが行われる。層１５は基板１０から形成される。この打ち込みは、脆弱化された薄層１３を形成する。薄層１３は、基板１０の表面１６にほぼ平行な方向に拡がっている。

用意される２つの基板１０および１２は、比肩しうるまたは近似する厚さである。それらは、ウェハ接合技術（直接接合技術）、接着剤を用いた接合、分子接合（フランス語では「collage moleculaire」、英語ではたとえば「molecular bonding」）、および／または陽極接合（anodic bonding）を用いて、表面１６と表面１８とが向き合うように貼り合わされる。

次に、所定の温度で且つ基板１０に熱的に亀裂が入る熱的見積もり量（thermal budget）よりも低い熱的見積もり量で、予備的な熱処理が行われる。

熱的見積もり量（thermal budget）は、熱処理の継続時間と熱処理の温度との積で与えられる。

このように、基板１０に熱的に亀裂が入ることがない条件が採用される。

基板１０は、機械的に、たとえば必要な力を加えるためのブレードを用いて、分離される。

その他のテクニックでは、２つの基板を貼り合わせたのちに、基板１０が、機械的および／または化学的に薄くされる。機械的薄層化は、ラッピング（lapping）または研磨（polishing）によって行われる。化学的薄層化では、ＴＭＡＨ（tetramethylammonium hydroxide）などの物質が用いられる。

上記２つのテクニックでは、基板１０から除去される一部１４を、元に戻して再利用することはできない。

さらに他のテクニックでは、基板上、たとえばアノードとして利用されるガラス基板上に、アノード堆積膜（anodic deposit）が形成される。この方法では、分子接合に要求される温度よりも低い温度で移動プロセスを活性化させることができる温度において接合が可能であり、そのため、層中における熱的応力を除去することができる。

これらの３つのテクニックは、方法が複雑でありコストが高いという大きな欠点を避けられない一方で、十分な品質の層を形成することができない。

そのため、第２の基板上の第１の基板から薄膜を形成することが解決すべき課題として存在する。ここで、たとえば、その膜は５０ナノメータ（ｎｍ）〜５００ｎｍの範囲の厚さを有し、２つの基板は異なる熱膨張係数を有する。

この課題は、シリコン−石英、シリコン−ガラス、シリコン−サファイア、ゲルマニウム−シリコン、ゲルマニウム−ガラス、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）−石英、またはシリコンカーバイド−ガラスといったタイプの集合体に特に関係があるものである。
欧州特許出願公開第７６７４８６号明細書 米国特許第５３９５７８８号明細書

以上のように、本発明は、上記従来の課題の少なくとも一部を解決することを目的とする。

本発明は、第１の物質の層を、第２の物質によって構成される基板上に形成する方法を提供する。前記第１および第２の物質は異なる熱膨張係数を有する。この方法は、第１の物質によって構成される第１の基板と、第２の物質によって構成される第２の基板と、前記第１および第２の物質の一方または他方と同じである物質から形成されるか、或いは前記第１および第２の物質の一方または他方の熱膨張係数と近似するかまたは同じである熱膨張係数を有する物質で構成される第３の基板とを選択する工程と、前記第１の基板と前記第２の基板とが貼り合わさるように、且つ、前記第１および第２の基板のうちの１つと前記第３の基板とが貼り合わさるように集合体を形成する工程と、前記第１の基板（の厚み内）に亀裂（fracture：亀裂、裂け目、割れ。以下において同じ。）を生じさせる工程とを含む。

この方法によれば、第２の物質の基板上に第１の物質の層を形成することができ、その後、第３の物質で構成された基板が除去される。

上記方法では、前記第１および第２の基板のうちの１つと前記第３の基板とを貼り合わせてから、前記第１および第２の基板を貼り合わせてもよい。また、上記方法では、前記第１および第２の基板のうちの１つの基板と前記第３の基板とを貼り合わせる前に、前記第１および第２の基板を貼り合わせてもよい。また、上記方法では、前記第１の基板の内部に脆弱化層が形成されていてもよい。また、上記方法では、前記脆弱化層は、原子打ち込みまたはイオン打ち込みによって、或いは、ポーラスシリコン層を形成することによって形成されてもよい。また、上記方法では、前記脆弱化層が原子打ち込みまたはイオン打ち込みによって形成され、打ち込まれるイオンが、水素イオン、または水素イオンおよびヘリウムイオンの混合イオンであってもよい。また、上記方法では、前記第１の基板は、２５０℃〜６００℃の範囲の温度で亀裂が生じるものであってもよい。また、上記方法では、前記第１および第２の基板は、接着剤による接合または分子接合によって貼り合わせられていてもよい。また、上記方法は、前記第１および第２の基板の集合体の界面を強化するために昇温する工程をさらに含んでもよい。また、上記方法では、前記第１の基板が半導体によって形成されていてもよい。また、上記方法では、前記第２の基板の厚さが５００μｍ〜８００μｍの範囲であってもよい。また、上記方法では、前記第３の基板の厚さが７００μｍ〜１２００μｍの範囲であってもよい。また、上記方法では、前記第１の物質の前記層および前記第２の物質によって構成される前記基板が、シリコン−石英、シリコン−ガラス、シリコン−サファイア、ゲルマニウム−シリコン、ゲルマニウム−ガラス、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）−石英、またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）−ガラスの構造を形成していてもよい。また、上記方法では、前記第１の物質がシリコンであり、前記第２の物質および前記第３の基板を構成する第３の物質が石英であってもよい。

第１の基板の厚み内に生じる亀裂は、熱的なタイプのもの、たとえば３５０℃〜６００℃の範囲の温度における亀裂であってもよい。さらに、第１および第２の基板の集合体を強化するために、昇温工程は、たとえば、９００℃よりも高い温度まで行われてもよい。

２つの基板のうちの一方または他方への第３の基板の利用（貼り合わせ）は、第１および第２の基板の間の熱膨張係数の差に起因する湾曲を実質的に減少させる。これは、２つの基板に亀裂を生じさせるための昇温、または、第１および第２の基板の接触の質を向上させるための昇温のときの湾曲に特に関連がある。

第３の基板は、第１の基板上に配置してもよいし、第２の基板上に配置してもよい。

シリコン−石英系では、第３の基板または石英板（ウェハ）が用いられ、それは石英の一方の側に配置される。

第３の基板の厚さは、第３の基板の厚さと第３の基板が配置される基板の厚さとの合計が、第３の基板が配置されない基板の厚さよりも大きくなるような厚さであることが好ましい。第３の基板および第３の基板が配置される基板が石英からなる場合、それらのトータルの厚さは、１８００マイクロメートル（μｍ）〜２５００μｍの範囲であってもよい。

このように、本発明はまた、第１の物質の層を、第２の物質によって構成される基板上に形成する方法を提供する。第１および第２の物質は異なる熱膨張係数を有する。この方法は、第１の物質によって構成される第１の基板と、第２の物質によって構成される第２の基板とを選択する工程と、第１および第２の基板を貼り合わせる前または貼り合わせた後に、第１および第２の物質の一方または他方と同じ物質から形成される層、または、第１および第２の物質の一方または他方の熱膨張係数と近似するかまたは同じである熱膨張係数を有する物質によって構成される層を、第１および第２の基板の一方または他方の上に形成する工程と、第１および第２の基板を貼り合わせる工程と、第１の基板に亀裂を生じさせる工程とを含む。

本発明の製造方法によれば、熱膨張係数が異なる２つの基板を貼り合わせた異質構造の基板（貼り合わせ基板）を製造できる。本発明によれば、温度変化による貼り合わせ構造の破壊を防止することが可能となる。また、本発明によれば後述する効果が得られる。

本発明の第１の例を、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。なお、背景技術について説明した技術を、必要に応じて本発明に適用してもよい。

図３（Ａ）において、符号２０は、第１の物質から形成された第１の基板を示し、符号２２は、第２の物質から形成された第２の基板（厚さは５００μｍ〜１２００μｍの範囲）を示す。第２の物質の熱膨張係数は、第１の物質のそれとは異なる。常温における２つの熱膨張係数の相対的な差は、たとえば１０％や２０％、またはそれよりも大きい。

一例では、第１の基板はシリコンからなり、第２の基板は石英からなる。また、シリコン−サファイア系やシリコン−ガラス系であってもよい。

第１の工程（図３（Ａ））では、基板２０への原子打ち込みまたはイオン打ち込みが行われ、その結果、脆弱領域または亀裂領域となる層（脆弱化層）２３が形成される。このようにして、基板２０は、物質２２上に形成される層となる下側の領域２５（厚さ５０ｎｍ〜５００ｎｍ）と、基板２０の大部分を構成する上側の領域２４とに分離される。通常、水素が打ち込まれるが、他の種を打ち込んでもよく、２つ以上の種（たとえば、水素／ヘリウム）をともに打ち込んでもよい。

脆弱な亀裂層または亀裂面２３は、ポーラス層（porous layer）を形成することによっても形成できる。そのようなポーラス層は、Ｋ．Ｓａｔａｇｕｃｈｉらの「"ELTRAN by Splitting Porous Si Layers"、Proceedings of the 9th Int. Symposium on Silicon-on-Insulator Tech. and Device, 99-3, The Electrochemical Society, Seattle, p 117-121 (1999)」などに記載されている。

このようにして用意された２つの基板２０および２２は、面２７が面２８と対向するように貼り合わされる。このとき、ウェハ接合技術（マイクロエレクトロニクス分野で公知の任意の方法を用いたウェハ貼り合わせ）や、接着剤を用いた接着や、接合や、化学的方法（２つの面のうちの１つを親水性または疎水性にする）や、研磨による表面の活性化が用いられる。２つの基板は、２つの基板間の距離を縮めるように機械的な補助を受けて接触され、付着を開始する。このようなテクニックは、たとえば、Ｑ．Ｙ．ＴｏｎｇおよびＵ．Ｇｏｓｅｌｅ（ｏはウムラウト）による研究、「"Semiconductor Wafer Bonding", (Science and Technology), Wiley Interscience Publications」に記載されている。

基板２２は、基板２６に接触されて貼り合わされる。基板２６は、基板２２および２６の厚さの合計が基板２０の厚さよりも大きくなるような厚さである。貼り合わせは、たとえば、分子接合や接着剤を用いて行うことができる。

基板２６（第３の基板）の熱膨張係数は、（第３の基板が貼り合わされる）基板２２の熱膨張係数に近く、それらの熱膨張係数の常温における相対的な差は、１０％未満である。一例では、基板２６は基板２２の物質と同一の物質で形成され、たとえば両者は石英で形成される。

基板２０および２２を貼り合わせたのち、たとえば熱処理および／または機械的圧力（ブレードまたは加圧されたウォータージェット）を用いて脆弱面２３に沿って亀裂を生じさせ、基板２０の一部２４が除去される。熱処理では、たとえば、３５０℃〜５００℃または６５０℃の範囲にまで温度が上昇する。

昇温工程において、基板２０および２２の熱膨張係数が異なるにもかかわらず、また、石英のカウンタープレート２６がない場合よりもより高い応力を層２５が受けるにもかかわらず、基板２６は、系を平坦にし、２つの基板２０および２２の湾曲を防止する。

基板２６がない場合、２つの基板２０および２２は初めは比肩しうる厚さであり異なる熱膨張係数を有するため、薄層２５を基板２２に移動させる際に、貼り合わせられた薄層２５−基板２２の構造が破壊されるおそれがある。さらに、２つの基板２０および２２の接合界面が接合されないおそれもある。このおそれは、熱膨張係数の差によって生じる応力および湾曲と関連する。

上記のおそれは、より高い応力が基板２２および／または層２５に存在するとしても、基板２６を用いることによって回避できる。

このようにして、図３（Ｂ）に示される構造が得られる。

次に、基板２２上に堆積または形成された層２５を含む全体から、基板２６が分離される（図３（Ｃ））。

基板２６および２２が分子接合によって貼り合わされている場合、それらは、２つの基板の界面にブレードを挿入することによって分離できる。それらが接着剤によって貼り合わされている場合、それらを分離するために溶剤を用いてもよい。

基板２０の一部２４は、初期の構造が異質構造であったのにもかかわらず、回収して再利用することができる。

さらに、上述した従来の方法で得られる層の品質に比べて、層２５は品質（物質中にずれ面や転移面が存在しない）が高い。

本発明によれば、上記構造を得るために、「スマートカット（Smart Cut：登録商標）」または基板亀裂タイプの技術を実施することが可能である。

また、本発明のバリエーションの一例では、層２５はその表面に酸化物の薄い層（たとえば厚さが５０ｎｍ〜４００ｎｍ）を含んでもよい。基板２６の機能は、上述した機能と同様である。

さらに一般的には、基板２０と基板２２との間に、１つまたはそれ以上の中間層があってもよい。そのような中間層は、基板２０上に存在してもよいし、基板２２上に存在してもよい。

基板２２とを貼り合わせる前に、基板２０上に基板２６を配置（たとえば、分子接合または接着剤を用いる）するという、本発明の１つのバリエーションを図４に示す。この場合でも、基板２６は、基板２０および２２の熱膨張係数の差に起因する膨張および変形を防止する。基板２６および２０の厚さの合計は、基板２２の厚さよりも大きいか実質的に大きいことが好ましい。基板２０および２６の熱膨張係数は、上述した意味（相対的な差が１０％未満）で互いに近似する値である。

上述したように、亀裂２３の面において基板２０を割ったのち、基板２６と基板２０の一部２４とが取り去られる。これによって、図３（Ｃ）と同一の構造を製造することができる。

１つのバリエーションでは、基板２６は、基板２０の膨張係数と同じ膨張係数を有する。たとえば、シリコン（基板２０）−サファイア（基板２２）の集合体では、シリコンの膨張係数と同じ膨張係数を有する基板２６が用いられる。基板２６は、たとえば、シリコンからなる基板であり、基板２０の側に配置される。

第１の実施例（図３（Ａ））の場合、プレート（ウェハ）２６を用いることによって、通常の厚さよりも薄い基板２２を用いることが可能となる。

従来の方法では、厚さ８００μｍ以下の石英からなる基板２２は、基板２０の層２５を移動させるための熱処理の間に破壊されてしまう。そのため、実質的に１０００μｍ以上の厚さの基板を使用しなければならない。

これに対して、本発明によれば、より薄い基板、８００μｍ未満の厚さの基板、特に、５００μｍ〜８００μｍの範囲の基板、たとえば厚さ５２５μｍの石英基板を用いることができる。

本発明は、異なる熱膨張係数を有する２つの基板を接合させた接合基板およびその応用分野などに適用できる。

異質構造（heterogeneous structure）を示す図である。 基板に亀裂を入れる方法を用いて基板上に層を形成する公知の方法を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の一例を示す図である。 本発明の実施の他の例を示す図である。

符号の説明

２０ 基板（第１の基板）
２２ 基板（第２の基板）
２３ 層（脆弱化層または亀裂）
２４ 一部
２５ 層
２６ 基板（第３の基板）

Claims (14)

1. 第１の物質の層を、第２の物質によって構成される基板上に形成する方法であって、
   前記第１および第２の物質は異なる熱膨張係数を有し、
   第１の物質によって構成される第１の基板と、第２の物質によって構成される第２の基板と、前記第１および第２の物質の一方または他方と同じである物質から形成されるか、或いは前記第１および第２の物質の一方または他方の熱膨張係数と近似するかまたは同じである熱膨張係数を有する物質で構成される第３の基板とを選択する工程と、
   前記第１の基板と前記第２の基板とが貼り合わさるように、且つ、前記第１および第２の基板のうちの１つと前記第３の基板とが貼り合わさるように集合体を形成する工程と、
   前記第１の基板の厚み内に亀裂を生じさせる工程とを含む方法。
2. 前記第１および第２の基板のうちの１つと前記第３の基板とを貼り合わせてから、前記第１および第２の基板を貼り合わせる請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および第２の基板のうちの１つの基板と前記第３の基板とを貼り合わせる前に、前記第１および第２の基板を貼り合わせる請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の基板の内部に脆弱化層が形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記脆弱化層は、原子打ち込みまたはイオン打ち込みによって、或いは、ポーラスシリコン層を形成することによって形成される請求項４に記載の方法。
6. 前記脆弱化層が原子打ち込みまたはイオン打ち込みによって形成され、
   打ち込まれるイオンが、水素イオン、または水素イオンおよびヘリウムイオンの混合イオンである請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の基板は、２５０℃〜６００℃の範囲の温度で亀裂が生じる請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１および第２の基板は、接着剤による接合または分子接合によって貼り合わせられている請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１および第２の基板の集合体の界面を強化するために昇温する工程をさらに含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の基板が半導体によって形成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第２の基板の厚さが５００μｍ〜８００μｍの範囲である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第３の基板の厚さが７００μｍ〜１２００μｍの範囲である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記第１の物質の前記層および前記第２の物質によって構成される前記基板が、シリコン−石英、シリコン−ガラス、シリコン−サファイア、ゲルマニウム−シリコン、ゲルマニウム−ガラス、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）−石英、またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）−ガラスの構造を形成している請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記第１の物質がシリコンであり、前記第２の物質および前記第３の基板を構成する第３の物質が石英である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。