JP5187906B2 - 異種材料接合体及び異種材料接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、異種材料、特に半導体基板と磁気光学材料等とを、接合して成る異種材料接合体に関する。

異種材料を接着剤などを介さずに直接接合する技術（ダイレクトボンディング、あるいは単にボンディングと呼ばれることもある）は、複合的な材料を用いて形成される部品やデバイスなどの製造分野で用いられる。中でも、近年、表面活性化接合法が、部品やデバイスを製造する際の異種材料の直接接合技術として知られている。

上記のような方法を使用して製造される部品（デバイス）として、例えば特許文献１（国際特許公開２００７／０８３４１９号公報）に、図１に示すような光アイソレータが開示されている。図１に示す光アイソレータは、半導体製のＩｎＰ基板１００上で結晶成長させた半導体製のＧａＩｎＡｓＰから成る導波層１０１の上に、ＣｅＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２（Ｃｅ：ＹＩＧ）の磁気光学材料１０２を積層した構造となっており、その断面構造は、図２に示すように単純な積層構造となっている。

しかしながら、このような半導体レーザと光アイソレータを一体集積化したデバイスは、製造過程において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成される光導波路上に、光アイソレータ機能に必要な磁気光学材料を表面活性化接合で接合（材料を１２０〜４００℃程度の高音に加熱して接合）する際に、高温の接合時に歪みなく接合した場合、接合部を室温に戻すと、材料の熱膨張係数の差によって接合界面近傍に応力が発生し、材料表面からクラック（亀裂）が発生するという問題がある。図３はクラック発生の一例を示しており、長軸方向に帯状に広がったように見える箇所がクラックである。このようなクラックは、光導波路を横断するように形成されるため、光導波路が分断されて光透過損失が著しく増大してしまう。したがって、このクラック発生を防止することが部品やデバイスの製造にとって必要不可欠となる。

一方で、上述したような表面活性化接合によるデバイス製造時における、接合面のクラックなどの原因となる応力の緩和若しくは抑制を図る方法として、材料に溝を配置する方法が、例えば特開２００７−２１４３６９号公報（特許文献２）に開示されている。

しかしながら、特許文献２に開示されている方法は、材料に溝を配置することで応力緩和若しくは抑制の効果を示す旨の開示はあるものの、接合自体は、前記溝を境界にして非接合部が折れ曲がり、その折れ曲がり部が接合に関与するものである。例えば、光アイソレータのようなデバイスを製造する際に非接合面に導波路を配置する場合、特許文献２のような技術によると、接合によって基板が変形されることになり、導波路が分断されてしまい、導波路としての機能を果たさなくなる可能性が大きいため、特許文献２のような非接合部の変形（反り等）を利用した接合方法は、光や電気等の集積回路や半導体部品、デバイス等の製造には適していない。

国際特許公開２００７／０８３４１９号公報 特開２００７−２１４３６９号公報

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、異種材料、例えば光アイソレータを製造する際の半導体製基板と磁気光学材料等の材料との間のクラック発生を解消した異種材料接合体を提供することにある。

本発明の上記目的は、半導体材料から成る基板と、前記基板と材質の異なる異種材料とを接合して成る異種材料接合体であって、前記基板又は前記異種材料の表面上に、離間部を有して複数の分割島状接合部が配置され、前記異種材料が磁気光学材料であることを特徴とすることで効果的に達成される。

更に、本発明の上記目的は、前記分割島状接合部の断面形状が矩形又は円形であることにより、或いは前記分割島状接合部の幅が１〜２００μｍであることにより、或いは前記離間部の幅が前記分割島状接合部の幅に対して５〜６０％であることにより、或いは前記分割島状接合部の高さが１０〜２００ｎｍであることにより、より効果的に達成される。

更に、上述した異種材料接合体からなる光アイソレータによっても効果的に達成される。また、本発明の上記目的は、半導体材料から成る基板と、前記基板と材質の異なる異種材料とを接合する異種材料接合方法であって、前記基板又は前記異種材料の表面上に、離間部を有して複数の分割島状接合部が配置されることにより、前記基板と、前記異種材料とが接合され、前記異種材料が磁気光学材料であることを特徴とすることで、効果的に達成される。更に、本発明の異種材料接合方法の目的は、或いは前記分割島状接合部の断面形状が矩形又は円形であることにより、より効果的に達成される。

本発明の異種材料接合体は、１ヶ所当たりの接合面積（接合寸法）を小さくすることによって、熱膨張差によって発生する応力の大きさを低減できる。また、十分な接合力を得るためには、全体の接合面積はある程度確保する必要があるので、均一な広い面積を接合する代わりに、接合面を断面が矩形や円形の島状に分割し、接合１ヶ所当たりの寸法を短くすることで、熱膨張係数差によって発生する歪を低減することができる。

また、接合面を島状に分割することによって、高温接合時から室温に戻した状態で熱応力の発生を低減することができ、異種材料の接合におけるクラック発生を緩和若しくは抑制することができる。

光アイソレータの一例を示す外観図である。 図１における基板、導波層及び異種材料（Ｃｅ：ＹＩＧ）の接合を示す断面図ある。 図１における基板と異種材料（磁気光学材料）の接合面にクラックが発生した例を示す電子顕微鏡写真図である。 本発明における、基板と異種材料とから成る接合体断面の一例を示す断面図である。 本発明における基板の表面の一例を示す図である。 表面均一基板と異種材料との接合シミュレーション（従来例）を示す断面図である。 分割島状接合部設置基板と異種材料との接合シミュレーション（本発明）を示す断面図である。 図６の接合シミュレーションの応力分布を説明するための図である。 図７の接合シミュレーションの応力分布を説明するための図である。 表面均一基板と異種（磁気光学）材料との接合例を示す断面図である。 本発明の分割島状接合部の例を示す基板の平面図である。 サンプルＡにおける基板の接合面を示す図である。 サンプルＢにおける基板の接合面を示す図である。 本発明の接合体の応用例を示す半導体構造の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明における、基板１と異種材料２から成る接合体の積層構造の一例を示す断面図であり、基板１と異種材料２との接合は、基板１の上表面に分割して島状に設けられている高さＨの分割島状接合部３によって行われる。ここで、該積層構造を構成する基板１及び異種材料２と、基板１及び異種材料２の接合の仕方とについて順次説明する。

基板１は、反りや曲がりがなく、平坦な基板であれば材質は特に問わないが、中でも、半導体材料（ＩＩＩ―Ｖ族、ＩＶ族など）製が好ましい。更に、基板１自体の強度、熱伝導性等を考慮した場合、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ素化ガリウム（ＧａＡｓ）等のＩＩＩ―Ｖ族（１３−１５族）化合物半導体が好ましい。ここで、光アイソレータ等の製造を考えた場合、基板１上で予め、導波路等の構成材料に成り得る半導体材料を、結晶成長させる必要がある。なお、この時点における、結晶成長の方法は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシ法など従来法で構わない。また、基板１の厚さはμｍ単位であれば構わないが、１００μｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。

次に、異種材料２も基板１と同様、用途（磁気光学特性、半導体特性等）に応じた無機化合物であれば材質は特に問わないが、例えば、光アイソレータの製造を考えた場合、磁気光学材料の結晶成長が可能である材質、中でもガーネット結晶体であることが好ましい。例としては、ガドリニウムガリウムガーネット（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２：ＧＧＧ）、置換型ガドリニウムガリウムガーネット（ＳＧＧＧ）などが挙げられる。なお、実際の応用、例えば光アイソレータの製造などを考えた場合、基板１と同様に異種材料２の上面に、セリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ｃｅ：ＹＩＧ）、ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ）などの磁気光学材料を結晶成長させて用いることになる。この際の結晶成長の方法は、スパッタエピタキシ法、液相成長法、ＦＺ法、チョクラルスキー法、溶媒移動浮遊帯溶融法など従来法で構わない。また、異種材料２の厚さもまた１００μｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。

次に、基板１の表面構造例を図５に示す。上述したように、構成材料を基板１上で結晶成長させた後、基板１上に、等間隔で断面矩形の分割島状接合部３を配置し、該接合部３間を接合部３の幅Ｄに対して約５〜６０％の幅となるように離間して設ける。即ち、分割島状接合部３の幅をｘｙ軸方向についてＤとすると、隣接した分割島状接合部の離間部４を形成するｘ軸方向の離間距離ＤｘはＤ×（０．０５〜０．６）であり、ｙ軸方向の離間距離ＤｙはＤ×（０．０５〜０．６）であり、離間距離Ｄｘ、Ｄｙは異なっていても良い。

分割島状接合部３の断面形状は、基板１上に離間部４を設けることができれば（ただし分割島状接合部３の幅Ｄ、並びに離間距離Ｄｘ及びＤｙは上述の記載範囲）特に限定されないが、例えば図５に示すように角部を円弧状にした矩形又は円形であることが望ましい。分割島状分割部３の断面を矩形にする場合、角部を円弧状にすることによって、矩形そのままよりも、応力の緩和効果をより大きくすることができるが、角部を円弧状にしなくても緩和効果はある。また、分割島状接合部３の幅Ｄは１〜２００μｍが望ましい。この場合、１μｍ以下若しくは２００μｍ以上の幅Ｄであると、基板１の熱膨張による応力の緩和が十分ではなくなる。

分割島状接合部３が直交格子状に配置されていることにより、接合面にかかる応力が均等に分散される。例えば、光アイソレータの製造の際、離間部４に導波路を設けても良い。また、分割島状接合部３の高さ（離間部４の深さ）Ｈは１０〜２００ｎｍが望ましい。１０ｎｍ以下であると、基板１の熱膨張による応力の緩和が十分ではなくなり、２００ｎｍ以上であると、基板１にクラック等が発生したり、却って更に応力がかかる可能性がある。ここで、上述した離間部４の幅Ｄｘ、Ｄｙを分割島状接合部３の幅Ｄに対して５〜６０％の幅となるように設けるとは、例えば分割島状接合部３の幅Ｄを１００μｍとしたとき、離間部４の幅Ｄｘ、Ｄｙを５〜６０μｍに設定するということである。ちなみに、離間部４の幅Ｄｘ、Ｄｙは、分割島状接合部３の幅Ｄに対して５〜６０％という条件を尊守すれば、同じ幅である必要はないが、同じであっても構わない。なお、離間部４が５％以下の幅であると、基板１の熱膨張による応力の緩和が十分でなくなり、６０％以上の幅であると、基板１の接合面に変形が生じる可能性がある。

分割島状接合部３を基板１上に設ける方法は、エッチング、モールディング、又は機械の型押し等といった従来の製造方法を利用できる。また、分割島状接合部３は、基板１又は異種材料２の硬度や熱伝導性等を考慮して、異種材料２側に設けても良い。

次に、基板１と異種材料２の接合について説明する。接合温度は１００〜５００℃が好ましい。この接合温度が１００℃以下であると、表面が活性化されずに、接合が不十分になる可能性がある。また、５００℃以上であると、接合前に基板１或いは異種材料２が、熱による溶融、組成変化、表面状態変化等の変形をするといったことや、接合しても、基板１或いは異種材料２を室温までに冷却したときに歪みが生じたり、却ってクラックが発生する原因となる可能性がある。

以上、本発明の接合体について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

次に、上記に述べた本発明の実施の形態の詳細を、具体的な実施例（光アイソレータの製造過程における接合）を基に説明する。

［実施例１］接合領域周辺の熱応力シミュレーション
まず、異種材料が高温接合時において無歪で接合された場合、室温において発生する応力分布について有限要素法解析を用いたシミュレーションを行った。

図６及び図７は、シミュレーションにおける基板５と異種材料６の接合の様子を示す断面図であり、図６は従来の表面均一基板６Ａについての接合面を示しており、図７は本発明の分割島状接合部７を備えた基板６についての接合面を示しており、いずれも材料の条件としては、異種材料５としてガーネット結晶Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（以下、ＧＧＧと略す）を用いた。ＧＧＧは、光アイソレータ用磁気光学材料（Ｃｅ置換Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２（Ｃｅ：ＹＩＧ））の結晶成長基板となる材料であり、Ｃｅ：ＹＩＧとほぼ同じ機械的物性を持つ。なお、本実施例１にて用いる異種材料５の厚さを５００μｍ（図６のｙ軸方向）とした。

また、基板６及び６ＡとしてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶ＩｎＰを用いた。このＩｎＰは、半導体導波路の構成材料ＧａＩｎＡｓＰの結晶成長基板となる材料であり、ＧａＩｎＡｓＰとほぼ同じ機械的物性を持つ。なお、基板６Ａは基板表面が均一であり、基板６は基板表面に、幅２００μｍ、高さ２００ｎｍの分割島状接合部７を有し、各分割島状接合部７の離間距離は１００μｍになっている。ここで、本実施例１に用いる基板６及び６Ａの厚さは３５０μｍであり、異種材料５の長さ（図６のｘ軸方向）を１０ｍｍとし、基板６及び６Ａの長さ（図６のｘ軸方向）は１５ｍｍである。表１に、各材料の材料定数を示す。

次に、温度４００℃にて異種材料５と基板６Ａとを接合した場合（図６）と、同じく温度４００℃にて異種材料５と基板６とを接合した場合（図７）について、室温にて発生する応力分布を計算した（図８及び図９参照）。応力分布計算において、構造は２次元構造とする。すなわち、図６及び図７で、平面垂直方向において構造は均一とする。

図６の場合、基板６ＡのＩｎＰ中で、異種材料５の端部に対向する箇所（図８（ａ）の矢印にて示す部分）において、最も大きな応力として８．３ＧＰａが発生している（図８（ｂ）下線部参照）。また、図７の場合、最大応力は３．２ＧＰａに低減した（図９（ｂ）下線部参照）。最大応力が発生する箇所は、均一接合面の場合とほぼ同一の箇所（図９（ａ）の矢印にて示す部分）である。すなわち、上述のようなシミュレーションで、本発明の接合面分割による応力低減効果を確認することができた。

［実施例２］接合実験
実際の応用である、光アイソレータの製造過程における接合を考え、表面が均一な基板９を用いて異種材料（磁気光学材料）８を接合した場合（図１０参照）と、表面に分割島状接合部１１、１１Ａを配置して成る基板１０、１０Ａにそれぞれ異種材料８を接合した場合（図１１（ａ）、（ｂ）参照）との比較をした。

図１０は、本実施例２における比較例（以下、「サンプルＡ」とする）として、磁気光学材料９と、上表面が均一な基板９とを接合した場合の側面側の断面図である。磁気光学材料８は、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）基板上に厚さ０．５μｍのＣｅ：ＹＩＧをスパッタエピタキシ法により結晶成長させたものを使用する。基板９は、ＩｎＰ上に厚さ０．３６μｍのＧａＩｎＡｓＰ結晶をスパッタエピタキシ法により成長させたものを使用する。磁気光学材料８及び基板９ともに、接合時の温度を１５０℃とし、表面活性化接合法により接合した。

図１１は、本発明の実施例２として、分割島状接合部を基板の表面に配置したときの平面図であり、図１１（ａ）は、基板１０の表面上に、角部を円弧状にした断面矩形（１００μｍ×１００μｍ）の分割島状接合部１１を３段に配置すると共に、各段の境界中央部に導波路１２を配置した場合の平面図である。分割島状接合部１１の断面は１００μｍ×１００μｍの正方形の角部を円弧状にしたものであり、高さ１０ｎｍの分割島状接合部１１は、３段に且つ５μｍ毎に離間されて整列されており、分割島状接合部１１と導波路１２との間にはそれぞれ３０μｍの離間部が設けられている。なお、基板１０は、図１０に示す基板９と同様の条件で製造したものであり、以下、図１１（ａ）で示される基板１１を使用して接合実験をしたサンプルを「サンプルＢ」とする。

図１１（ｂ）は、基板１０Ａの表面上に断面円形（直径２００μｍ）の分割島状接合部１１Ａを３段に配置すると共に、各段の境界中央部に導波路１２Ａを配置した場合の断面図である。分割島状接合部１１Ａは、直径２００μｍの円形にしたものであり、高さ１０ｎｍの分割島状接合部１１Ａは、３段に且つ５μｍ毎に離間されて整列されており、分割島状接合部１１Ａと導波路１２Ａとの間にはそれぞれ３０μｍの離間部が設けられている。なお、基板１０Ａは、図１０に示す基板９と同様の条件で製造したものであり、以下、図１１（ｂ）で示される基板１０Ａを使用して接合実験をしたサンプルを「サンプルＣ」とする。

図１１（ａ）に示すように、分割島状接合部１１の断面を完全な矩形ではなく、角部を円弧状としたパターンと、図１１（ｂ）に示すように、円形の島状パターンにした理由は、角部を無くすことによって応力の集中を避けるためである。

なお、サンプルＡ、Ｂ及びＣに共通の事項としては、基板９、１０及び１０Ａの表面幅が４ｍｍ×４ｍｍであること、接合する磁気光学材料８を同一にしたこと、及び接合温度を１５０℃として、表面活性化接合法により接合したことである。

また、本実施例２ではＣｅ：ＹＩＧの結晶成長方法としてスパッタエピタキシ法、ＧａＩｎＡｓＰの結晶成長方法として有機金属気相成長法を用いたが、特にスパッタエピタキシ法及び有機金属気相成長法に限定する必要はない。

結果として、サンプルＡにおいて、図１２に示す顕微鏡写真に見られるように、ＧａＩｎＡｓＰ及び基板９の表面にクラックの発生が、複数個所観察された。これに対して、サンプルＢでは、クラックの発生は観察されなかった（図１３（ａ）、（ｂ））。ここで、図１３（ａ）は接合材料８の中心付近を、図１３、（ｂ）は接合材料８の端部付近の顕微鏡写真である。なお、サンプルＣについては、顕微鏡写真を撮影していないものの、サンプルＢの場合と同様であった。

したがって、接合時の温度が１５０℃というように比較的低温の場合でも、接合面の一方を島状に分割した接合部とすることで、接合時の温度から室温に戻した場合の応力を低減する効果があると結論される。

［応用例］シリコン光回路上における半導体レーザ集積回路製造
上記実施例２の接合実験を応用した例として、シリコン光回路上における、半導体レーザ集積回路の製造を、図面を用いて概略説明する。

図１４は、本実施例３におけるシリコン光回路上における半導体レーザ集積回路の概略図である。シリコン光回路１３は、シリコン基板１４、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から成るボックス層１５及びシリコン導波路１６によって構成されている。なお、シリコン光回路１３は、従来法で製造される。

次に、半導体レーザ集積の役割を果たす、基板１７は、ＩｎＰ基板１８上でＧａＩｎＡｓＰ１９を結晶成長させた基板とする。

本明細書では図示しないが、本応用例においては、シリコン光回路１３の表面（基板１７との接合面）に、図５や図１１で示したような島状分割接合面を配置できる。なお、本応用例において、前記島状分割接合部若しくは離間部はエッチングなどの従来法で製造でき、島状分割接合部の幅及び高さ、離間部の幅、並びに接合温度等は、適宜変更可能である。

なお、上述では分割島状接合部の断面形状を矩形及び円形で説明したが、形状は任意であり、また、長形状の接合部を少なくとも２個設けた構造であっても良い。

１，６，６Ａ，９，１０，１０Ａ，１７ 基板
２，５，８ 異種材料
３，７，１１，１１Ａ 分割島状接合部
４ 離間部
１２，１２Ａ 導波路
１３ シリコン光回路
１４ シリコン基板
１５ ボックス層
１６ シリコン導波路
１８，１００ ＩｎＰ基板
１９ ＧａＩｎＡｓＰ
１０１ 導波層
１０２ 磁気光学材料

Claims (8)

1. 半導体材料から成る基板と、前記基板と材質の異なる異種材料とを接合して成る異種材料接合体であって、前記基板又は前記異種材料の表面上に、離間部を有して複数の分割島状接合部が配置され、前記異種材料が磁気光学材料であることを特徴とする異種材料接合体。
2. 前記分割島状接合部の断面形状が矩形又は円形である請求項１に記載の異種材料接合体。
3. 前記分割島状接合部の幅が１〜２００μｍである請求項１又は２に記載の異種材料接合体。
4. 前記離間部の幅が前記分割島状接合部の幅に対して５〜６０％である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異種材料接合体。
5. 前記分割島状接合部の高さが１０〜２００ｎｍである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の異種材料接合体。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の異種材料接合体からなる光アイソレータ。
7. 半導体材料から成る基板と、前記基板と材質の異なる異種材料とを接合する異種材料接合方法であって、前記基板又は前記異種材料の表面上に、離間部を有して複数の接合部が配置されることにより、前記基板と、前記異種材料とが接合され、前記異種材料が磁気光学材料であることを特徴とする異種材料接合方法。
8. 前記接合部の断面形状が矩形又は円形である請求項７に記載の異種材料接合方法。