JP2015126052A - 複合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高い複合基板の製造方法を提供する。
【解決手段】 支持基板１０と、第１主面２０ａと第２主面２０ｂとを有する機能性基板２０を準備する準備工程と、支持基板１０および機能性基板２０の第１主面２０ａのそれぞれを活性化し、常温で接触させて両者を接合する接合工程と、機能性基板２０の第２主面２０ｂの側から、機械的，物理的な手法を用いて機能性基板２０を薄層化する第１薄層化工程と、薄層化された機能性基板２０に付着した有機物及び水分を除去する温度で、薄層化された機能性基板２０とこれに接合された支持基板１０とを加熱する、加熱工程と、加熱工程の後に、薄層化された機能性基板２０をウェットエッチングによりさらに薄層化し機能層２２とする、第２薄層化工程と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子工学、光学および光電子工学等の分野において用いる、機能層を支持基板に接合してなる複合基板の製造方法に関する。

近年、電子工学、光学および光電子工学等の分野において、複合基板の開発がなされている。複合基板は、支持基板に機能性基板を分子付着により貼り合わせ、その後、機能性基板の一部が支持基板に転写されるように薄層化し機能層とすることで製造され、支持基板上に機能層を有する構成となっている。このような例として、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire），ＳＯＩ（Semiconductor On Insulator），ＳＯＱ（Silicon On Quartz）等が挙げられる。

ここで、個々の基板に面取り部分が存在することから、支持基板に機能性基板を貼り合わせるときに、外周部に貼り合わせが存在しないか、もしくは貼り合わせの品質が低くなっている「周囲リング」と呼ばれる環状領域を呈することが確認されている。この周囲リングにより、機能性基板を薄層化して機能層を形成する際に、外周部において剥離してしまう虞があった。

このような問題は、支持基板と機能性基板との貼り合わせを常温で行なうような、いわゆる加熱を伴わない貼合わせ方法を用いるときに、特に顕著となる。そこで、支持基板と機能性基板とを貼り合わせた後に、接合品質の低い外周部をトリミングして、機能性基板と支持基板の一部とを除去する工程を行なう技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−０１７９８４号公報

しかし、特許文献１に記載された技術を用いても、外周からの剥離が発生する問題が生じていた。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、外周部における剥離の発生を抑制した、複合基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の複合基板の製造方法の実施形態は、支持基板と、前記支持基板と異なる熱膨張係数を有する材料からなり、第１主面と第２主面とを有する機能性基板を準備する準備工程と、前記支持基板の主面および前記機能性基板の第１主面のそれぞれにＦＡＢガンを照射して両主面を活性化し、活性化した前記支持基板の主面と前記機能性基板の前記第１主面とを常温で接触させて両者を接合する接合工程と、前記機能性基板の前記第２主面の側から、機械的，物理的な手法を用いて前記機能性基板を薄層化する第１薄層化工程と、薄層化された前記機能性基板に付着した有機物及び水分を除去する温度で、薄層化された前記機能性基板とこれに接合された支持基板とを加熱する、加熱工程と、前記加熱工程の後に、薄層化された前記機能性基板とこれに接合された支持基板とをエッチング液に浸漬し、薄層化された前記機能性基板をウェットエッチングによりさらに薄層化し機能層とする
、第２薄層化工程と、を有するものである。

本発明によれば、外周部の剥離の発生を抑制した、信頼性の高い複合基板の製造方法を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法の製造工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図２の後の製造工程を示す断面図である。 図１〜３に示す工程を経て製造された複合基板１の、（ａ）は概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は斜視した部分断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ複合基板の製造方法の変形例を示す、部分断面図である。 複合基板の製造方法の変形例を示す、部分断面図である。

（複合基板）
本発明の複合基板の製造方法の実施形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造方法を示す、フローチャートである。図２，図３は、本発明の１つの実施形態に係る複合基板の製造工程を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の１つの実施形態に係る複合基板は、準備工程と、接合工程と、第１薄層化工程と、加熱工程と、第２薄層化工程とを有する。以下、各工程について詳述する。

（準備工程）
図２（ａ）に示すように、支持基板１０と機能性基板２０とを準備する。支持基板１０は、平坦な主面１０ａを有するものであれば特に限定はされないが、例えば絶縁性材料からなる単結晶体を用いる。支持基板１０の形成材料としては、酸化アルミニウム単結晶（サファイア）、炭化シリコン、リチウムタンタレートを主成分とする圧電基板などを用いることができる。本実施形態ではＲ面の６ｉｎｃｈサファイア基板を用いた例によって説明する。厚みは５００μｍ〜１０００μｍ程度としている。

機能性基板２０は、支持基板１０と異なる熱膨張係数を有し、第１主面２０ａ，第２主面２０ｂを有するものであれば特に限定されないが、この例では、半導体材料からなる単結晶材料を用いる。より詳しくは、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等を用いることができる。この例では６ｉｎｃｈのＳｉ単結晶基板を用いており、その厚みは５００μｍ〜１０００μｍ程度となっている。

（接合工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、支持基板１０および機能性基板２０を真空雰囲気内に収容する。そして、イオンガンまたはＦＡＢ（Fast Atom Beam）ガンを支持基板１０の主面１０ａおよび機能性基板２０の第１主面２０ａに照射して、両主面を活性化する。ＦＡＢガンとしては、例えば、Ａｒの中性原子ビームを照射するものを用いる。イオンガンとしては、例えば、Ａｒイオンビームを照射するものを用いる。

両主面の活性化は、同時に行なってもよいし、個別に行なってもよいし、複数回行なってもよいし、照射エネルギーを支持基板１０と機能性基板２０との間もしくは１回目の照射と２回目の照射で変えてもよい。

そして、図２（ｃ）に示すように、活性化した両主面を常温で接触させることにより、支持基板１０と機能性基板２０とが直接接合された接合体を得ることができる。

上述の接合方法によれば、支持基板１０と機能性基板２０との接合界面において、互いを構成する原子の結合手を切断して形成されたダングリングボンド同士が直接接合されることにより、支持基板１０と機能性基板２０とが貼り合わされる。すなわち、接合に際して、接着剤も使用していないし、化学反応も伴っていない。このことから、接合界面に接着剤となる介在層はもちろん、接合に伴い生じる化学反応の副生成物も存在しないものとなる。

このような接合方法によれば、支持基板１０と機能性基板２０とのうち、互いに接触している領域においては十分な強度を得ることができる。すなわち、外周部において極端に接着強度が低下することはない。

（第１薄層化工程）
次に、図３（ａ）に示すように、機能性基板２０の第２主面２０ｂ側（図２（ｃ）参照）から機能性基板２０を薄層化し、機能性薄基板２１を得る。この薄層化は、機械的研削、または物理的なエッチングにより行なう。また、これらの組み合わせであってもよい。

ここで、薄層化方法について詳述する。第１薄層化工程は、厚み方向で支持基板１０と機能性基板２０との接合部に相当する領域が常に液中にあるような湿式環境における薄層化以外の方法で行なう。言い換えると、ダイシングブレードを用いて薄層化するときにブレードを冷却するためにブレードに向けられた研削水・冷却水の一部が接合体に接触することや、機能性基板２０の第２主面２０ｂ側から砥粒を用いた研磨を行ない、その際に研磨液が研磨面に接することは何ら問題ない。また、支持基板１０または機能性基板２０の一部を溶解させたり、その接合を弱めたりするような液中でなければ、湿式環境に保持してもよい。例えば、研削液を流すための洗浄工程等は、支持基板１０または機能性基板２０に対して溶解性のない溶液中で行なうため問題ない。

このように、機能性基板２０を薄層化することで、接合体が加熱されたときに生じる支持基板１０と機能性基板２０との熱膨張係数の違いに起因する応力を減らすことができる。このため、機能性薄基板２１の厚みは、この後に行なわれる加熱工程により熱応力が生じても支持基板１０から剥離することのないような厚みとすればよい。このような厚みは、支持基板１０と機能性基板２０との熱膨張係数の違い、支持基板１０の厚み、加熱工程の加熱時間，加熱温度等にも依存する。支持基板１０としてサファイアを、機能性基板２０としてＳｉウェハを用いるこの例では、例えば、６５０μｍの厚みの機能性基板２０を１０〜３０μｍ程度まで薄層化すればよい。このような厚みとすることで、支持基板１０の厚みに比べて１／１０以下となり、後述の加熱工程にて加熱された場合であっても支持基板１０の変形に機能性薄基板２１が追従することで、クラックを生じたり剥離したりすることを抑制することができる。

（加熱工程）
次に、図３（ｂ）に示すように、支持基板１０と、支持基板１０に直接接合された機能性薄基板２１との積層体を加熱する。加熱温度および時間は、主に、支持基板１０と機能性薄基板２１との接合界面の外周部付近および機能性薄基板２１の側面に存在する有機付
着物，水分を除去できる条件で適宜設定する。具体的には１５０℃から３５０℃程度の温度で５分から２０分程度行なうことが好ましい。加熱雰囲気は、真空中，不活性ガス中、大気中等で行なうことができる。この例ではクリーンオーブン３０を用いている。

本加熱工程は、従来の基板接合技術であるプラズマ接合や化学反応を伴う基板接合技術の場合に接合強化のために設けられる加熱とはその目的も効果も異なり、その熱処理温度及び熱処理時間も異なる。本加熱工程が、支持基板１０と機能性薄基板２１との接合界面の外周および機能性薄基板２１の側面に存在する有機付着物，水分を除去できれば足りるのに対して、従来の接合強化のための加熱工程は、基板の内部にまで熱を行き渡らせ、かつ、接合に関与する結合がすすむような条件とするのが普通である。具体的には、後者の熱処理は一般的には１０００℃を超える温度で、１時間以上行なうことが多い。低い温度であっても５００℃を超える温度が一般的である。

（第２薄層化工程）
次に、図３（ｃ）に示すように、機能性薄基板２１をさらに薄層化し、機能層２２を得る。

機能層２２を得るための薄層化方法は、第１薄層化工程と異なり、機能性薄基板２１とこれに接合された支持基板１０とをエッチング液３２に浸漬し、機能性薄基板２１をウェットエッチングによりさらに薄層化する手法を用いる。すなわち、厚み方向で支持基板１０と機能性薄基板２１との接合部の外周部に相当する領域が常に液中にあるような湿式環境において薄層化が行われる。

具体的には、エッチング液３２が内部に保持されたエッチング容器３１中に、支持基板１０に直接接合された機能性薄基板２１との積層体を収容する。ここで、エッチング液３２の液量は積層体の上面が液から露出しないような量に調整する。エッチング液３２の組成は、機能性薄基板２１の材料、所望のエッチング速度等より、適宜選択することができる。本例では、機能性薄基板２１がＳｉからなるため、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）や、フッ酸、硝酸、酢酸の混合液等を用いることができる。

そして、機能性薄基板２１を薄層化し所望の厚みまでエッチングを行ない、機能性薄基板２１を機能層２２とした後にエッチング容器３１から取出し、表面に付着したエッチング液３２を落とすよう通常の洗浄工程を行なう。

上述の工程をこの順に行なうことで、図４に示す複合基板１を得ることができる。図４に示すように、複合基板１は、支持基板１０上に直接機能層２２が接合されている。複合基板１は、上述の工程を経ることにより、機能層２２の外周部が支持基板１０から剥離することを抑制して信頼性の高いものとすることができる。

以下、このメカニズムについて考察する。上述の工程によれば、エネルギーの強いＦＡＢガンにより接合面を活性化し、直接接合しているため、接合工程のみで外周部も含め接合強度を維持することができる。しかしながら、機能性基板２０の薄層化を湿式環境で行なう場合には、接合界面の外周部（側面）において、水分や有機性の付着物が存在し、エッチング液３２が接合界面に浸入することがあった。言い換えると、エッチング液３２に対して、接触角を低下させるような付着物の存在により、エッチング液３２が接合界面に浸入することがあった。これに対して、湿式環境に投入する（第２薄層化工程）前に加熱工程を加え、エッチング液３２の接合界面の液浸を呼び込む虞がある水分および有機物を、支持基板１０および機能性薄基板２１から脱離させることで、湿式環境に投入された後も外周部における接合強度を維持することができ、剥離の発生を抑制することができる。

なお、この例では、支持基板１０として親水性材料であるサファイアを用いている。この場合には、付着物のみならず、支持基板１０もエッチング液３２を保持し、接合界面の側面にエッチング液３２を誘導する役割を担ってしまうため、より、加熱工程の効果が高いものとなる。さらに、この例では、機能性基板２０として、疎水性材料であるＳｉを用いている。この場合には、付着物を脱離させることにより、機能性薄基板２１の側面を確実に疎水性とすることができる。これにより、機能性薄基板２１の側面において、エッチング液３２との接触角を高め、接合界面へのエッチング液３２の接触を妨げることができ、より、外周部における剥離を抑制した複合基板１を提供することができる。

さらに、上述の工程において、加熱工程を第１薄層化工程と第２薄層化工程との間に設けている。このように、機能性基板２０を薄層化した後に加熱することにより、熱膨張係数の異なる材料からなる基板を接合する場合であっても、機能性薄基板２１にクラックが発生することを抑制することができ、信頼性の高い複合基板１を提供することができる。

以上より、上述の工程を経ることにより、機能層２２にクラックが発生することを抑制し、かつ機能層２２と支持基板１０との接合が外周部においても確保され、剥離の発生を抑制した、複合基板１を提供することができる。

（変形例１：トリミング工程）
上述の実施形態では、接合工程に続いて第１薄層化工程と行なったが、接合工程と第１薄層化工程との間に、外周において、機能性基板２０と支持基板１０の一部とを除去するトリミング工程を追加してもよい。

図５（ａ）に、接合後の支持基板１０と機能性基板２０との外周付近における拡大断面図を示す。図５（ａ）に示すように、支持基板１０および機能性基板２０として市販のウェハを購入すると、その外周部は面取りされていることが多く、接合外周端部４０が、窪んだ領域に存在することとなる。このため、この窪んだ領域に水分、有機系の付着物等が保持されやすくなる虞がある。また、エッチング液３２が窪んだ領域から接合外周端部４０まで誘導される虞がある。このため、図５（ａ）の破線Ａに示すように、機能性基板２０の外周部の一部を除去してもよい。このようなトリミングは、例えば研削刃（ブレード）を機能性基板２０の除去すべき位置に接触させることで行なえばよい。

ただし、破線Ａの位置で、支持基板１０の主面１０ａが露出するように機能性基板２０のみを除去すると、トリミング加工時にその衝撃が接合界面に伝達する虞がある。このため、破線Ｂの位置で、機能性基板２０とともに、支持基板１０の一部も除去するようにトリミングすることで、両者の接合強度を維持しつつ外周部を除去することができる。

また、図５（ａ）では、支持基板１０と機能性基板２０とはその外周を揃えるようにして接合されている場合を例に説明したが、図５（ｂ）に示すように、両者の外周がずれている場合であっても同様にトリミング加工を行なってもよい。

（変形例２：準備工程）
上述の例では、機能性基板２０としてＳｉ基板を用いたが、図６に示すように、機能性基板２０Ａを用いてもよい。

機能性基板２０Ａは、Ｓｉ単結晶ウェハからなる基体２０Ｘ上にエピタキシャル層２５を保持したものである。ここで、エピタキシャル層２５側を第１主面２０Ａａとすれば、機能層２２として残る層がエピタキシャル層２５の一部となるので、エピタキシャル成長の条件を変えることによりドーパント濃度及び分布を制御することができる。これにより、所望の性能を有する機能層２２を実現することができる。

また、第１薄層化工程において、基体２０Ｘを除去し、第２薄層化工程において、ドーパント濃度によりエッチング速度が変わるようなエッチング液３２を用いることにより、所望の厚みでエッチングがとまるような選択エッチングを実現することができる。

このような基体２０Ｘ，エピタキシャル層２５，エッチング液３２としては、具体的には以下のようにすればよい。

基体２０Ｘは、単結晶のｐ型またはｎ型のシリコンが採用できる。この基体２０Ｘのドーパント濃度としては、相対的に高濃度のｐ^＋＋およびｎ^＋＋、ならびに中濃度のｐ^＋およびｎ^＋のものが採用できる。ｐ^＋＋のドーパント濃度としては、１×１０^１８以上１×１０^２１〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｐ^＋のドーパント濃度としては、１×１０^１６以上１×１０^１８〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満の範囲が挙げられる。ｎ^＋＋のドーパント濃度としては、５×１０^１７以上１×１０^２１〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ^＋のドーパント濃度としては、５×１０^１５以上５×１０^１７〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満の範囲が挙げられる。本変形例では、ｐ型でドーパント濃度がｐ^＋＋のものを第１基板として採用する。なお、「ｐ」および「ｎ」の右上に記載している「＋＋」および「＋」の記載は、シリコンの抵抗値を基準とするものである。

次に、基体２０Ｘの矢印Ｄ１方向側の上面に、シリコンをエピタキシャル成長させ、エピタキシャル層２５を形成する。このエピタキシャル成長の方法としては、基体２０Ｘを加熱しながら、当該基体２０Ｘの表面に気体状のシリコン化合物を通過させて熱分解させて成長させる熱化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）などの種々の方法を採用できる。このエピタキシャル層２５は、シリコン基板の上にエピタキシャル成長させているので、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた場合に比べて格子欠陥を少なくすることができる。

このエピタキシャル層２５としては、ｐ型またはｎ型のシリコンで、且つ基体２０Ｘよりもドーパントが少ないものを採用できる。このエピタキシャル層２５は、基体２０Ｘ側から上面側に向かって、ドーパント濃度が徐々に低くなるように形成される。このエピタキシャル層２５の基体２０Ｘと接していない側の主面（第１主面２０Ａａ）は、相対的に低濃度のｐ⁻およびｎ⁻のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。

ｐ⁻のドーパント濃度としては、１×１０^１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満の範囲が挙げられる。ｎ⁻のドーパント濃度としては、５×１０^１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〕未満の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。

本変形例のエピタキシャル層２５は、ｐ型のシリコンを採用し、上面部のドーパント濃度がｐ⁻となるように形成する。なお、「ｐ」および「ｎ」の右上に記載している「−」の記載は、シリコンの抵抗値を基準とするものである。

このエピタキシャル層２５のドーパント濃度は、エピタキシャル成長させる際の不純物の供給量を調整することで制御できる。この不純物の供給をゼロにすることで、ノンドープのシリコンを形成することができる。また、エピタキシャル成長させる際に生じる基体２０Ｘからのドーパントの拡散減少によって、ドーパント濃度を徐々に変化させてもよい。

このようにエピタキシャル層２５を構成することにより、エピタキシャル層２５は、その厚み方向においてドーパント濃度の分布を持つこととなる。

そして、第２薄層化工程におけるエッチング液３２として、ドーパント濃度の違いによってエッチングの速度が大きく変化する、選択性のエッチング液を採用する。この選択性のエッチング液３２としては、例えばフッ酸、硝酸、および酢酸の混合液、ならびにフッ酸、硝酸、および水の混合液などが挙げられる。本変形例では、フッ酸、硝酸、および酢酸の混合液をエッチング液として採用する。このエッチング液は、ｐ型シリコンを採用している本実施形態において、ドーパント濃度が７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を境にしてエッチング速度が著しく低下するように調整されている。なお、選択性のエッチングをする他の方法としては、５％程度のフッ化水素溶液内での電界エッチング法、ＫＯＨ溶液でのパルス電極陽極酸化法などが挙げられる。

このように、基体２０Ｘのドーパント濃度を高くすることにより、第１薄層化工程において基体２０Ｘの一部が残ったとしても、エッチング液３２により連続的に除去することができる。

（変形例３：洗浄工程）
上述の実施形態によれば、洗浄工程を記載していないが、各工程の前後に一般的な基板洗浄工程を設けてもよい。洗浄方法としては、超音波を用いた洗浄、有機溶媒を用いた洗浄、化学薬品を用いた洗浄およびＯ_２アッシングを用いた洗浄などの種々の方法が挙げられる。これらの洗浄方法は、組み合わせて採用してもよい。また、上述した通り、第２薄層化工程に先立ち、機能性薄基板２１の外周部における疎水性を高めることが重要となるため、加熱工程、第２薄層化工程に先立ち、疎水性を高める条件にて洗浄を行なってもよい。

１・・・・複合基板
１０・・支持基版
１０ａ・・主面
２０・・・機能性基板
２０ａ・・第１主面
２０ｂ・・第２主面
２１・・・機能性薄基板
２２・・・機能層
２０Ｘ・・基体
２５・・・エピタキシャル層
３０・・・クリーンオーブン
３１・・・エッチング容器
３２・・・エッチング液
４０・・・接合外周端部

Claims (4)

1. 支持基板と、前記支持基板と異なる熱膨張係数を有する材料からなり、第１主面と第２主面とを有する機能性基板を準備する準備工程と、
   前記支持基板の主面および前記機能性基板の第１主面のそれぞれにＦＡＢガンを照射して両主面を活性化し、活性化した前記支持基板の主面と前記機能性基板の前記第１主面とを常温で接触させて両者を接合する接合工程と、
   前記機能性基板の前記第２主面の側から、機械的または物理的な手法を用いて前記機能性基板を薄層化する第１薄層化工程と、
   薄層化された前記機能性基板に付着した有機物及び水分を除去する温度で、薄層化された前記機能性基板とこれに接合された前記支持基板とを加熱する、加熱工程と、
   前記加熱工程の後に、薄層化された前記機能性基板とこれに接合された支持基板とをエッチング液に浸漬し、薄層化された前記機能性基板をウェットエッチングによりさらに薄層化し機能層とする、第２薄層化工程と、を有する複合基板の製造方法。
2. 前記準備工程において、前記支持基板としてサファイア基板を準備し、前記機能性基板としてシリコン単結晶基板を準備する、請求項１に記載の複合基板の製造方法。
3. 前記接合工程と前記第１薄層化工程との間に、外周において、前記機能性基板と前記支持基板の一部とを除去するトリミング工程を更に含む、請求項１または２に記載の複合基板の製造方法。
4. 前記加熱工程は、１５０℃〜３５０℃の真空雰囲気または不活性ガス雰囲気内で行なう、請求項１乃至３のいずれかに記載の複合基板の製造方法。
   

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