JP4414535B2

JP4414535B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4414535B2
Application number: JP2000004686A
Authority: JP
Inventors: 進野田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-01-13
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元の周期的屈折率分布を持つ結晶構造を有する半導体装置の製造方法、及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニクス結晶は、その内部に３次元の周期的な屈折率分布構造を持つ半導体装置であり、新しい光材料として期待されている。このような結晶では、固体結晶における電子のエネルギーバンド構造に対応して、光子エネルギーに対してバンド構造が形成される（フォトニックバンド）。このため、フォトニクス結晶内で存在しうる光子のエネルギー状態が制限され、光をロスなく自在に曲げたり、自然放出光を制御するなど、これまで不可能であった様々な光制御が可能となる。
【０００３】
上記したフォトニクス結晶の３次元構造としては、面心立方構造に非対称性を導入した非対称面心立方構造や、ダイヤモンド構造などがある。さらに、これらのフォトニクス結晶中に線状の欠陥列を導入することによって導波路を形成したり、発光体を埋め込んで出力光を制御するなど、様々な応用が可能である。これらの結晶に対しては、光デバイスへの応用という点からいって、（１）材料は半導体がベースになっていること、（２）発光体を結晶中に埋め込むことが容易であること、（３）欠陥（屈折率の乱れ）の導入が容易であること、（４）電気を流すことが可能であること、などが好ましい条件として挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニクス結晶の製造については、オパール法や自己クローニング法などの自己形成による方法や、半導体３方向ドライエッチング法などの製造方法が提案されている。オパール法は、懸濁液（suspension）中でシリコンなどの半導体粒子を沈降させて３次元結晶構造を形成する方法で、面心立方結晶構造が得られるが、完全バンドギャップの生成が難しく、欠陥形成も困難である。また、自己クローニング法では単純立方結晶構造が得られるが、オパール法と同様に完全バンドギャップの生成が難しく、欠陥形成については一方向についてしか行うことができない。また、半導体３方向ドライエッチング法は、半導体の異方性エッチング技術を用いて３次元構造を形成する方法で、非対称面心立方結晶構造を得ることができるが、高アスペクト比が要求され、充分な精度での作製が非常に困難である。また、欠陥形成も難しい。
【０００５】
これらの困難を解消する製造方法として、ウエハ融着（ウエハボンディング）による精密積層法を用いた製造方法が考えられる。この方法においては、半導体基板上に半導体／空気の回折格子層（２次元構造）が形成されたウエハを作成し、これらのウエハの格子層同士を所定の位置関係（互いになす角度や周期など）で積層し融着していくことによって、非対称面心立方構造などの周期的な３次元構造を得る。
【０００６】
上記した融着積層法においては、融着される各ウエハ同士（ウエハ上の格子層同士）の精密な位置合わせが必要とされる。具体的には、例えば、２つの格子層の構造周期を半周期ずらして積層させるなど、フォトニックバンドを得るために格子層の位置関係を精密に決定して積層していく必要がある。しかしながら、別々のウエハ上の格子層同士を精密に位置合わせすることは容易ではなく、そのためフォトニクス結晶の性能を充分に得られなかったり、また、製造工程において位置合わせに多くの時間を要するなどの問題があった。
【０００７】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、ウエハ融着による精密積層法を用いた３次元の周期的屈折率分布を有する半導体装置の製造において、積層される格子層同士の精密な位置合わせが可能であるとともに、その位置合わせが簡単化される半導体装置の製造方法、及び製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体装置の製造方法は、３次元の周期的屈折率分布を持つ結晶構造を有する半導体装置を製造するための製造方法であって、（１）結晶用格子周期によって形成された結晶用格子領域と、結晶用格子周期よりも大きい調整用格子周期によって形成された調整用格子領域とを含む２次元構造を有する格子層が一方の面上に少なくとも１層形成された半導体ウエハを２枚作製するウエハ作製工程と、（２）格子層同士を対向させて２枚の半導体ウエハを設置して、一体に保持するウエハ保持工程と、（３）一体に保持された２枚の半導体ウエハに観測光を照射し、調整用格子領域から得られた格子像を検出して半導体ウエハ同士の粗い位置合わせを行う第１位置合わせ工程と、（４）粗い位置合わせがされた２枚の半導体ウエハにレーザ光を照射し、結晶用格子領域から得られた回折像を検出して半導体ウエハ同士の細かい位置合わせを行う第２位置合わせ工程と、（５）細かい位置合わせがされた２枚の半導体ウエハを、対向した格子層同士を積層させて融着するウエハ融着工程と、を有し、上記第１位置合わせ工程において、観測光として波長０．８５μｍ以上２μｍ以下の赤外光を用いることを特徴とする。
【０００９】
また、半導体装置の製造装置は、３次元の周期的屈折率分布を持つ結晶構造を有する半導体装置を製造するための製造装置であって、（ａ）２次元構造を有する格子層が一方の面上にそれぞれ少なくとも１層形成されている２枚の半導体ウエハを格子層同士を対向させて設置して、一体に保持するウエハ保持手段と、（ｂ）一体に保持された２枚の半導体ウエハに観測光を照射する第１光源と、（ｃ）半導体ウエハ同士の粗い位置合わせを行うために、観測光によって得られる格子像を検出する第１検出手段と、（ｄ）一体に保持された２枚の半導体ウエハにレーザ光を照射する第２光源と、（ｅ）半導体ウエハ同士の細かい位置合わせを行うために、レーザ光によって得られる回折像を検出する第２検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記した製造方法及び製造装置では、積層して融着する２枚の半導体ウエハの格子層同士の位置合わせに、レーザ光を照射したときに積層格子構造によって生成される回折像を用いている。すなわち、各格子層は、レーザ光を照射したときには回折格子として作用する。このとき、積層された格子層の相互の位置関係（格子周期のずれなど）によって検出される回折像の各回折光、例えば１次回折光の強度、が変化していくので、この強度変化を利用して相互の位置関係を精密に合わせることができる。
【００１１】
また、レーザ光による回折像を用いた位置合わせに先立って、干渉を生じない通常の光を用いた観測光によって得られる格子像を用いて粗い位置合わせを行っている。レーザ光による位置合わせは、回折格子として作用する格子層同士の細かい位置合わせには有効であるが、この位置合わせ方法のみとすると、かえって位置合わせの効率が低下してしまう場合がある。これに対して、最初に観測光による格子像（格子構造の画像）を見て粗い位置合わせを行い、続いてレーザ光による回折像で細かい位置合わせ（位置の微調整）を行うことによって、格子層同士の精密な位置合わせを効率的に行うことが可能となる。
【００１２】
さらに、上記の製造方法においては、積層させる半導体ウエハの格子層を、通常の結晶用格子領域と、それよりも大きい格子周期の調整用格子領域とによって構成している。フォトニクス結晶に用いる格子周期よりも大きい格子周期の調整用格子領域を設けておくことによって、格子像を用いた位置合わせが行いやすくなる。このような調整用格子領域はフォトニクス結晶を構成しない領域であるので、例えば格子層の端部などの部位に設けることが好ましい。
【００１３】
また、製造方法は、第１位置合わせ工程において、観測光として波長０．８５μｍ以上２μｍ以下の赤外光を用いることが好ましく、製造装置は、第１光源が、観測光として赤外光を出力する赤外光源であることが好ましい。また、このような観測光に対して、製造方法は、ウエハ作製工程において、調整用格子周期を２μｍ以上５μｍ以下として格子層を形成することが好ましい。
【００１４】
また、製造方法は、ウエハ作製工程において、調整用格子周期を結晶用格子周期の奇数倍として格子層を形成することを特徴とする。このとき、調整用格子領域において半周期ずらして２つの格子層を配置することによって、結晶用格子領域においても半周期ずれた配置が得られる。
【００１５】
また、ウエハ融着工程において、融着前に、格子層が形成されている半導体ウエハの一方の面側に親水処理を施すことを特徴とする。親水処理とは、具体的には、ウエハ表面を清浄化し自然酸化膜を除去して、表面をＯＨ基で終端させる。このとき、重ね合わされた半導体ウエハ部材は室温においても水素結合により一体化する。さらに、加熱処理を行うと脱水反応が起こって、より強固な結合状態で融着されて、融着強度が向上される。
【００１６】
また、製造装置は、第１検出手段及び第２検出手段として、同一の検出手段を用いることを特徴とする。第１検出手段及び第２検出手段として、それぞれの光源に対応して別々の検出手段を設けても良いが、同一の検出手段を用いることによって、装置構成を簡単化することができる。
【００１７】
また、ウエハ保持手段は、半導体ウエハを載置して保持するウエハ保持台を備えるとともに、ウエハ保持台は、回折像の０次回折光の位置から１次以上の回折光が放出される各方向にそれぞれ伸びて回折像の光成分を選択的に通過させる形状に形成された光通過部を有することを特徴とする。
【００１８】
さらに、第１検出手段で検出された格子像、または第２検出手段で検出された回折像を２次元画像として表示する表示手段を備えることを特徴としても良い。これによって、作業者が実際に格子像または回折像を目視して確認することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体装置の製造方法及び製造装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１（ａ）〜（ｅ）は、３次元の周期的屈折率分布を有する半導体装置であるフォトニクス結晶について、ウエハ融着による精密積層法を用いたフォトニクス結晶の製造方法の一実施形態を概略的に示す工程図である。
【００２１】
まず、ＧａＡｓからなる半導体基板（半導体ウエハ）１１上に、ＡｌＧａＡｓからなるエッチングストップ層１２、及びフォトニクス結晶の材料となるＧａＡｓからなる半導体薄膜層１３を成長する（図１（ａ））。次に、電子ビーム露光または光露光、及びドライエッチングプロセスにより、半導体薄膜層１３に所定の２次元基本構造を形成する（図１（ｂ））。
【００２２】
図１においては、半導体薄膜層１３にエッチングプロセスを施した格子層１４の２次元基本構造をストライプ構造としている。これによって、ＡｌＧａＡｓエッチングストップ層１２を介してＧａＡｓ格子層１４が一方の面上に形成されたＧａＡｓ半導体基板（半導体ウエハ）１１が得られる。この半導体基板１１、エッチングストップ層１２、及び格子層１４からなる半導体部材が、以下に述べるように半導体装置作製のための中間部材として用いられる。以下においては、このウエハ上に２次元構造が施された半導体部材を半導体ウエハ部材１０、または単に半導体ウエハ１０と呼ぶ。
【００２３】
なお、ここでは、半導体材料系としてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体を用いた例について述べたが、他の材料系を用いても良い。例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体を用いた場合には、半導体基板１１をＩｎＰ、エッチングストップ層１２をＩｎＧａＡｓＰ、半導体薄膜層１３（格子層１４）をＩｎＰとして、半導体ウエハ部材１０を構成することができる。
【００２４】
続いて、上記した構造を有する２枚の半導体ウエハ部材１０₁及び１０₂を用意し、それらを格子層１４₁及び１４₂同士が対向するように積層した後、ウエハ融着する（図１（ｃ））。格子層１４₁及び１４₂は、図示のように互いにストライプ構造が９０°の角度をなすように重ね合わされて積層され、その状態で水素雰囲気中で加熱することにより半導体ウエハ１０₁及び１０₂が融着される。
【００２５】
ここで、半導体ウエハ１０₁及び１０₂を重ね合わせる前に、それぞれのウエハの表面を清浄化して自然酸化膜を除去した後、表面をＯＨ基で終端する親水処理を施すことが好ましい。このとき、重ね合わされた半導体ウエハ部材１０₁及び１０₂は室温においても水素結合により一体化する。さらに、加熱処理を行うと脱水反応が起こって、より強固な結合状態で融着されて、融着強度が向上される。
【００２６】
融着された半導体ウエハ１０₁及び１０₂に対し、その一方の半導体ウエハ１０₂の半導体基板１１₂及びエッチングストップ層１２₂を、選択エッチング技術を用いて除去する（図１（ｄ））。これによって、図１（ｂ）に示した半導体ウエハ１０の２次元の格子層１４（格子層１４₁）上に直交して配置された格子層１４₂を付加して、３次元の積層格子構造を有する半導体装置１が得られる。
【００２７】
さらに、このような積層、融着、及び基板の選択除去のプロセス（図１（ｃ）及び（ｄ））を複数回行うことによって、半導体装置１として３次元構造のフォトニクス結晶が得られる。例えば、図１（ｄ）に示した半導体装置１を２つに分割し、格子層同士を対向させて積層、融着し、一方の基板除去を行えば、４つの格子層１４₁〜１４₄が積層融着された図１（ｅ）に示す半導体装置１が得られる。この方法では、結晶の層厚（格子層の積層数）はプロセスの繰り返し毎に倍になるが、例えば、このようなプロセスを２〜３回程度（積層数で８〜１６層程度）繰り返すことによって、充分なフォトニックバンドが得られる。
【００２８】
上記したように形成される格子層１４の積層構造では、直交するストライプ構造からなる２層の格子層１４を積層したものが面心立方構造の｛００１｝面を形成し、結果として非対称面心立方構造が得られる。ここで、上記した精密積層法において、積層構造の形成プロセス上重要となる点として、それぞれの格子層１４相互間でのストライプの格子周期（位置関係）の調整がある。
【００２９】
すなわち、フォトニクス結晶を実現するためには、図１（ｅ）に示されているように、ストライプ構造が平行となる１層隔てて積層された２つの格子層１４、図中においては格子層１４₁及び１４₃、または格子層１４₂及び１４₄は、互いに半周期ずつストライプ構造の位置をずらして精密に配置されなくてはならない。したがって、これらの格子層１４同士の位置合わせが、フォトニクス結晶の作製上非常に重要となる。本発明によるフォトニクス結晶などの半導体装置の製造方法及び製造装置は、このような格子層の精密積層を実現し、かつその位置合わせ工程を簡単化するものである。
【００３０】
図２は、本発明による半導体装置（フォトニクス結晶）の製造装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。この製造装置は、積層しようとする２枚の半導体ウエハ部材１０₁及び１０₂の格子層同士の位置合わせに用いる装置である。積層及び融着の対象となる２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂としては、各層の成長及びエッチングプロセスによって作製された図１（ｂ）に示すウエハや、さらに１回または複数回の積層及び融着を経て作製された図１（ｄ）または（ｅ）に示すウエハなどが用いられる。
【００３１】
２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂は、格子層１４同士を対向（対面）させた状態でウエハ保持手段によって一体に保持されて、相互の位置合わせ（位置確認及び位置調整）が行われる。本実施形態におけるウエハ保持手段であるウエハ保持部２は、ウエハ保持台２０₁及び２０₂を有して構成されており、半導体ウエハ１０₁及び１０₂は、それぞれサブホルダー２１₁及び２１₂を介してウエハ保持台２０₁及び２０₂上に互いに格子層を内側にして保持されている。
【００３２】
これらのウエハ保持台２０₁及び２０₂は、支持機構によって一体に支持されて、半導体ウエハ１０₁及び１０₂を一体に保持するウエハ保持部２が構成される。図３は、そのようなウエハ保持部２の構成の一例を、ウエハを保持していない状態で示す斜視図である。このウエハ保持部２においては、半導体ウエハ１０₁を保持させる円形のウエハ保持台２０₁が固定された保持板２２₁が支持機構２３の下部に、また、半導体ウエハ１０₂を保持させる円形のウエハ保持台２０₂が固定された保持板２２₂が支持機構２３の上部に固定されることによって、２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂が一体に保持される。なお、支持機構２３のウエハ保持台２０₁及び２０₂に挟まれる部位は、開口またはガラス製などの光通過部２３ａとされている。
【００３３】
ウエハ保持台２０₁及び２０₂はいずれも真空チャックであり、半導体ウエハ１０₁及び１０₂のウエハ保持台２０₁及び２０₂への保持及び固定は、排気系２４（図２）を用いた吸着口２０ａからの真空吸着によって行っている。また、２つのウエハ保持台２０₁及び２０₂のうち一方は、ピエゾ素子を用いて、（Ｘ、Ｙ、θ）方向の精密な位置調整が可能に構成されている。なお、図３においては、ウエハ保持台２０₁及び２０₂の構成を示すため、保持板２２₁及び２２₂をいずれも支持機構２３から引き出した状態でウエハ保持部２を図示している。
【００３４】
半導体ウエハ１０₁及び１０₂の相互の位置合わせは、観測光及びレーザ光を用いて行われる。図２に示す製造装置においては、位置合わせに用いる観測光及びレーザ光を半導体ウエハ１０₁及び１０₂に供給するため、観測光として赤外光を出力する赤外光源（第１光源）３０を含む赤外光学系３と、レーザ光を出力するレーザ光源（第２光源）４０を含むレーザ光学系４とが備えられている。
【００３５】
赤外光学系３においては、赤外光源３０からの赤外光は直接または所定の光学系を介して、一体保持されている半導体ウエハ１０₁及び１０₂に照射される。また、レーザ光学系４においては、レーザ光源４０からのレーザ光は、２つの光アイソレータ４１及び光コリメータ４２及び所定の光学系を介して、半導体ウエハ１０₁及び１０₂に照射される。
【００３６】
なお、これらの光の導光には、光ファイバなどの導光手段を用いても良い。また、これらの光学系３、４からの光は、いずれも半導体ウエハ１０₁及び１０₂に対して下方から照射される。このため、光学系３、４はともに可動に構成されており、赤外光またはレーザ光による位置合わせの実行時にいずれかが下方の光照射位置に移動して位置合わせが行われる。ただし、図２中においては、光学系３、４をともに光照射位置で示してある。
【００３７】
光学系３、４から出力されて、ウエハ保持部２に保持された半導体ウエハ１０₁及び１０₂を透過した赤外光またはレーザ光は、検出部５によって検出される。本実施形態における検出部５は、２次元光像を検出可能な光検出器５０と、光検出器５０に接続された顕微鏡部５１とを有して構成されている。半導体ウエハ１０₁及び１０₂を通過した赤外光またはレーザ光による光像は、顕微鏡部５１を介して、光検出器５０によって検出される。光検出器５０からの検出信号は、信号処理部６０によって処理される。光検出器５０としては、例えばＣＣＤカメラなどを用いることが可能である。また、信号処理部６０に、さらにディスプレイなどの表示装置を接続して、後述する格子像や回折像などの２次元光像を２次元画像として表示して、作業者が確認可能な構成としても良い。
【００３８】
検出部５は、赤外光源３０からの赤外光が半導体ウエハ１０₁及び１０₂を透過して生成される格子像を検出するための第１検出部、及びレーザ光源４０からのレーザ光が半導体ウエハ１０₁及び１０₂を透過して生成される回折像を検出するための第２検出部を有して構成される。本実施形態においては、この第１検出部及び第２検出部が、光検出器５０を含む同一の検出系を共用した単一の検出部５として構成されている。ただし、これらの第１検出部及び第２検出部を別々に設け、赤外光学系３及びレーザ光学系４と連動させて、光学系の交換に対応して検出部をも交換する構成とすることも可能である。
【００３９】
図２及び図３に示した製造装置によるフォトニクス結晶の製造方法について、図１を参照しつつ説明する。図４は、フォトニクス結晶の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【００４０】
まず、半導体基板１１上にストライプ構造などの２次元構造による格子層１４が形成された半導体ウエハ部材１０を２枚作製して用意する（ステップＳ１０１）。用意する半導体ウエハ１０は、図１（ｂ）に示すように１層の格子層１４を有するものでも良いし、または、図１（ｄ）、（ｅ）に示すように、既に１回または複数回の積層融着工程を行って、複数の格子層１４を有する構成の半導体ウエハであっても良い。また、２枚の半導体ウエハ１０で格子層の積層数が異なっていても良い。
【００４１】
ここで、積層融着する半導体ウエハ１０の格子層１４は、図５に示すように、結晶用格子周期ｄ１によって形成された結晶用格子領域１４ａ、及び調整用格子周期ｄ２によって形成された調整用格子領域１４ｂの、格子周期が異なる２つの格子領域を有する構成に形成される。結晶用格子領域１４ａは、積層融着後にフォトニクス結晶の３次元構造を構成するとともに、半導体ウエハ１０₁及び１０₂の細かい位置合わせに用いられる領域である。また、調整用格子領域１４ｂは、結晶用格子周期ｄ１よりも大きい調整用格子周期ｄ２によって形成されており、半導体ウエハ１０₁及び１０₂の粗い位置合わせに用いられる領域である。
【００４２】
この調整用格子領域１４ｂは、フォトニクス結晶を構成しない領域であり、例えば、半導体ウエハ１０の端部に形成することが好ましい。図５においては、格子層１４を構成している各ストライプについて、隣り合う３本のストライプ１４１、１４２、１４３のうち１本のストライプ１４１は、結晶用格子領域１４ａからウエハ端部に位置する調整用格子領域１４ｂまで形成し、他の２本のストライプ１４２、１４３は結晶用格子領域１４ａのみに形成している。
【００４３】
そして、この３本のストライプ構造を繰り返すことによって、結晶用格子領域１４ａの周期ｄ１での格子構造、及び調整用格子領域１４ｂの周期ｄ１に対して３倍の周期ｄ２での格子構造が得られる。なお、調整用格子領域１４ｂの格子周期ｄ２については、後述するように赤外光を用いた位置合わせにこの領域１４ｂを用いることから、その波長に対応して格子周期ｄ２を２μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。
【００４４】
上記した構成の格子層１４を有する２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂を、図２に示した製造装置のウエハ保持台２０₁及び２０₂にそれぞれ固定する。このとき、それぞれ格子層が形成されている面を内側にして、格子層同士が対向するようにウエハ保持部２において半導体ウエハ１０₁及び１０₂を一体に保持する（ステップＳ１０２、図１（ｃ）参照）。
【００４５】
次に、一体に保持された２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂について、赤外光（観測光）を用いた粗い位置合わせを行う（ステップＳ１０３）。ここでは、赤外光学系３からの赤外光を半導体ウエハ１０₁及び１０₂に照射し、透過した赤外光による格子像の２次元画像を、顕微鏡部５１を介して光検出器５０で検出する。なお、観測光として用いる赤外光としては、波長２μｍ以上３μｍ以下の赤外光とすることが好ましい。
【００４６】
得られる格子像の一例を図６に示す。この格子像は、格子層１４₁及び１４₂が形成された半導体ウエハ１０₁と、格子層１４₃及び１４₄が形成された半導体ウエハ１０₂とを対向させて一体保持した場合に、検出部５側から観測して得られるものである。各格子層は、半導体ウエハ１０₁の半導体基板１１側（図２における下方）から、格子層１４₁、１４₂、１４₃、１４₄の順で配置されている。また、図６に示されている格子像では、いずれの格子層１４₁〜１４₄についても、その調整用格子領域１４ｂによる格子像が示されている。
【００４７】
図６に示した例では、３次元の積層格子構造によってフォトニクス結晶を構成するため、格子層１４₁及び１４₃が半周期ずれて平行に配置され、同様に、格子層１４₂及び１４₄が半周期ずれて平行に配置されている（図１（ｅ）参照）。また、格子層１４₁及び１４₃と、格子層１４₂及び１４₄とは、互いに直交する方向（図中に示すＸ軸方向及びＹ軸方向）をストライプ構造の長手方向として配置されている。このような格子層同士の位置関係について、赤外光による格子像を確認しつつ位置を調整して、半導体ウエハ１０₁及び１０₂の粗い位置合わせを行う。
【００４８】
なお、この格子像による位置合わせに関して、調整用格子領域１４ｂの格子周期ｄ２は、結晶用格子領域１４ａの格子周期ｄ１の奇数倍であることが好ましい。例えば、図５に示した格子層１４では、調整用格子周期ｄ２は結晶用格子周期ｄ１の３倍に設定されているが、このように奇数倍とした場合、図６に示したように、調整用格子領域１４ｂで半周期ずらすように位置合わせを行うことによって、結晶用格子領域１４ａにおいても半周期ずれた積層格子構造が得られる。
【００４９】
続いて、粗い位置合わせがされた２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂について、さらに、レーザ光を用いた細かい位置合わせを行う（ステップＳ１０４）。ここでは、レーザ光学系４からのレーザ光を半導体ウエハ１０₁及び１０₂に照射し、透過したレーザ光による回折像の２次元画像を、顕微鏡部５１を介して光検出器５０で検出する。
【００５０】
得られる回折像の一例を図７に示す。このような回折像は、レーザ光を格子層１４の結晶用格子領域１４ａに照射することによって生成される。このとき、各格子層１４₁〜１４₄は、回折格子として機能する。ここで、格子層の構造は、図１（ｅ）及び図６に示したものと同様の構造とする。１次以上の回折光は、図７に示すように、０次回折光の位置を中心として、各格子層の配列方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に生成される。
【００５１】
図２に示した装置においては、ウエハ保持台２０₁及び２０₂は光を透過しない金属製であるとともに、図３に示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を２つの軸とした十字形状の開口からなる光通過部２０ｂが形成されている。この光通過部２０ｂの開口形状は、回折像の０次回折光の位置から１次以上の回折光が放出される各方向にそれぞれ伸びて回折像の光成分を選択的に通過させる形状であり、図７に示す回折像に対応している。このような光通過部２０ｂの形状とすることによって、回折光以外の光成分の検出部５への入射を低減させることができる。ただし、ウエハ保持台２０₁及び２０₂はこのような構成に限らず、例えば円形の開口を有する金属製の保持台や、赤外光などの所定波長の光成分を透過するガラス製の保持台などを用いることも可能である。
【００５２】
上記した１次以上の回折光の強度（または強度比）は、各格子層１４₁〜１４₄の位置関係が変化することによって変動する。この強度変化を検出することによって、格子層の細かい位置合わせを行うことができる。図８に、そのような回折光の強度変化の一例を示す。ここで、Ｔは格子層の格子周期を示し（図５に示した周期ｄ１に相当）、平行に配置された格子層間でストライプの位置が０、Ｔ／６、Ｔ／３、Ｔ／２、２Ｔ／３、５Ｔ／６、Ｔだけずれたときの回折パターンについて、−３次〜０次〜＋３次の回折光強度をそれぞれ示してある。
【００５３】
この回折パターンにおいては、半周期ずれた格子層配置となったときに１次回折光（−１次及び＋１次）の強度が最弱となっており、この強度変化を利用して、半周期ずらした格子構造の位置合わせを行うことができる。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２方向について、それぞれ半周期ずらした位置合わせを行う場合には、Ｘ軸方向の１次回折光及びＹ軸方向の１次回折光について同様の位置合わせを行えば良い。また、８層または１６層積層時などには、２次以上の回折光強度を利用して同様に位置合わせを行うことが可能である。
【００５４】
以上のステップＳ１０３及びＳ１０４によって半導体ウエハ１０₁及び１０₂が精密に位置合わせされたら、それぞれの格子層同士が積層された状態で、半導体ウエハ部材１０₁及び１０₂を融着する（ステップＳ１０５）。なお、このウエハ融着は、図２に示した装置においてではなく、位置合わせされた２枚の半導体ウエハ１０₁及び１０₂を一体に保持したまま融着装置に移動させて融着を行う。融着方法については、図１に関して上述した通りである。また、必要があればウエハ融着後に、図１（ｄ）に示したように一方の基板除去を行う。あるいは、上記した位置合わせ及び積層融着工程を複数回繰り返しても良い。
【００５５】
上記したフォトニクス結晶（半導体装置）の製造方法及び製造装置においては、まず、半導体ウエハに観測光を照射して、得られる格子像によって粗い位置合わせを行い、次に、レーザ光を照射して、得られる回折像によって細かい位置合わせをすることによって、積層融着される２枚の半導体ウエハ上の格子層同士の精密な位置合わせを効率的に実現している。
【００５６】
すなわち、それぞれ２次元構造を有する複数の格子層からなる３次元格子構造にレーザ光を照射すると、各格子層が回折格子として機能して、回折像が得られる。この回折像での回折光強度の変化を検出することによって、格子層同士（半導体ウエハ同士）の位置合わせを精密に行うことができる。
【００５７】
ここで、レーザ光による位置合わせ方法は細かい位置調整に非常に有効である反面、この方法のみで位置合わせを行うと、位置合わせに多くの時間を要してしまう場合がある。これに対して、最初に、回折像ではなく通常の観測光で得られる格子透過像によって粗い位置合わせを行い、その後に回折像によって細かい位置合わせ（位置の微調整）を行う２段階の位置合わせ方法とすることによって、位置合わせを簡単化して、位置合わせ工程の効率を大幅に向上させることができる。
【００５８】
また、積層融着する半導体ウエハの格子層の構成について、上記した２段階での位置合わせ方法に対応して、積層融着後にフォトニクス結晶構造を構成する結晶用格子領域とは別に、格子周期が大きい調整用格子領域を設けている。結晶用格子領域は、レーザ光による位置合わせでは回折格子として用いることができるが、格子像によって位置合わせを行うには格子周期が小さく、粗い位置合わせを行うことが難しい。これに対して、別に周期の大きい調整用格子領域を設けておけば、観測光による格子像を用いた粗い位置合わせが行いやすくなる。
【００５９】
なお、上記した位置合わせ方法によって得られる格子層同士の位置合わせ精度としては、上記した実施形態のように位置調整にピエゾ素子を用いた場合には、５０ｎｍ程度の精度が得られる。これは、フォトニックバンドを得るために充分な位置精度である。
【００６０】
本発明による半導体装置の製造方法及び製造装置は、上記した実施形態に限られるものでなく、様々な構成の変形または工程の変更が可能である。また、フォトニクス結晶を構成する３次元の積層格子構造について、導波路形成や発光体埋め込みのために、一部に欠陥などの構造を形成した場合においても、精密積層法と上記した位置合わせ方法を適用することが可能である。
【００６１】
【発明の効果】
本発明による半導体装置の製造方法及び製造装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、２枚の半導体ウエハにそれぞれ格子層を形成し、それらを重ね合わせて融着することによって３次元の周期的屈折率分布を持つ結晶構造を有する半導体装置（フォトニクス結晶など）を形成するウエハ融着（ウエハボンディング）による精密積層法において、積層される格子層同士の位置合わせを、観測光及びレーザ光を用いた２段階の位置合わせによって行う。このとき、観測光で得られる格子像によって粗い位置合わせを行った後に、レーザ光で得られる回折像によって細かい位置合わせを行うことができ、各格子層を精密に位置合わせすることが可能となるとともに、その位置合わせ工程が簡単化される。
【００６２】
上記したような３次元結晶構造を有するフォトニクス結晶は、フォトニックバンドの存在によって、これまで不可能であった様々な光制御を実現する光材料として期待される。また、導波路の形成や発光体の埋め込みなど、結晶中に所定の欠陥構造を導入することによって様々な光デバイスへの応用が可能となるが、このような欠陥導入の自由度が高いという点でも精密積層法はフォトニクス結晶の有用な製造方法である。このような欠陥を導入した場合でも、上記した位置合わせ方法は同様に適用可能であり、これによって、フォトニクス結晶を利用した高性能の光デバイスの実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウエハ融着による精密積層法を用いたフォトニクス結晶の製造方法を概略的に示す工程図である。
【図２】フォトニクス結晶の製造装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。
【図３】図２に示した製造装置におけるウエハ保持手段の構成の一例を示す斜視図である。
【図４】図２に示した製造装置によるフォトニクス結晶の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図５】フォトニクス結晶の製造に用いられる半導体ウエハの格子層の構成を一部拡大して示す平面図である。
【図６】赤外光によって得られる格子像の一例を示す平面図である。
【図７】レーザ光によって得られる回折像の一例を示す平面図である。
【図８】図７に示した回折像による位置合わせ方法を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１…半導体装置、１０…半導体ウエハ部材、１１…半導体基板（半導体ウエハ）、１２…エッチングストップ層、１３…半導体薄膜層、１４…格子層、１４ａ…結晶用格子領域、１４ｂ…調整用格子領域、
２…ウエハ保持部、２０…ウエハ保持台、２０ａ…吸着口、２０ｂ…光通過部、２１…サブホルダー、２２…保持板、２３…支持機構、２３ａ…光通過部、２４…排気系、
３…赤外光学系、３０…赤外光源、４…レーザ光学系、４０…レーザ光源、４１…アイソレータ、４２…コリメータ、
５…検出部、５０…光検出器、５１…顕微鏡部、６０…信号処理部。

Claims

３次元の周期的屈折率分布を持つ結晶構造を有する半導体装置を製造するための製造方法であって、
結晶用格子周期によって形成された結晶用格子領域と、前記結晶用格子周期よりも大きい調整用格子周期によって形成された調整用格子領域とを含む２次元構造を有する格子層が一方の面上に少なくとも１層形成された半導体ウエハを２枚作製するウエハ作製工程と、
前記格子層同士を対向させて２枚の前記半導体ウエハを設置して、一体に保持するウエハ保持工程と、
一体に保持された２枚の前記半導体ウエハに観測光を照射し、前記調整用格子領域から得られた格子像を検出して前記半導体ウエハ同士の粗い位置合わせを行う第１位置合わせ工程と、
粗い位置合わせがされた２枚の前記半導体ウエハにレーザ光を照射し、前記結晶用格子領域から得られた回折像を検出して前記半導体ウエハ同士の細かい位置合わせを行う第２位置合わせ工程と、
細かい位置合わせがされた２枚の前記半導体ウエハを、対向した前記格子層同士を積層させて融着するウエハ融着工程と、
を有し、
前記第１位置合わせ工程において、前記観測光として波長０．８５μｍ以上２μｍ以下の赤外光を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ウエハ作製工程において、前記調整用格子周期を２μｍ以上５μｍ以下として前記格子層を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記ウエハ作製工程において、前記調整用格子周期を前記結晶用格子周期の奇数倍として前記格子層を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記ウエハ融着工程において、融着前に、前記格子層が形成されている前記半導体ウエハの前記一方の面側に親水処理を施すことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。