JP5849176B1 - 半導体用複合基板のハンドル基板および半導体用複合基板 - Google Patents

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Abstract

半導体用複合基板のハンドル基板１が多結晶アルミナにより形成されており、ハンドル基板１の外周縁部８の平均粒径が２０〜５５μｍであり、ハンドル基板の中央部２０の平均粒径が１０〜５０μｍであり、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径が中央部２０の平均粒径の１．１倍以上、３．０倍以下である。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体用複基板のハンドル基板および半導体用複合基板に関するものである。
高絶縁性、低誘電損失、高熱伝導といった特徴を持つサファイアをベース基板とし、その表面に半導体デバイスを構成するためのシリコン薄膜を形成した貼り合せ基板、いわゆるＳＯＳ基板、が高周波スイッチＩＣ等に用いられている。以前はベース基板上にシリコン層をエピタキシャル成長により形成する方法が主流であったが、近年直接接合により形成する方法が開発され、半導体デバイスの性能改善に寄与している（特許文献１、２、３）。
また、接合技術の進歩に伴い、サファイア以外のベース基板も各種提案されている。中でも高輝度放電灯用の発光管や半導体製造装置のダミーウエハとして使われてきた多結晶透光性アルミナは、高純度の原料を用い、高温の還元雰囲気で緻密に焼成することにより、サファイアと同等の高絶縁性、低誘電損失、高熱伝導といった優れた特性を持ちながら、高コストな結晶育成工程が不要といった利点がある（特許文献４、５、６）。
ベース基板とシリコン層を直接接合し、貼りあわせ基板を作成する際、ベース基板とシリコン層の熱膨張差等が原因となり、外周部の密着性が不十分になり、接合後の機械加工、エッチングプロセスで剥離するおそれがある（特許文献７、８）。
特開平08-512432 特開2003-224042 特開2010-278341 WO2010/128666 特開平05-160240 特開平11-026339 特開2011-071487 特開2011-159955
ハンドル基板の接合面における粒径を大きくすると、単位面積あたりの粒界数が少なくなり、表面に露出する粒子に起因する段差の影響を受けにくくなるので、ドナー基板との密着強度が高くなり、後工程での剥離が生じにくくなる。しかし、この場合には、ハンドル基板の強度が低くなり、クラックが生じやすくなる。一方、ハンドル基板の接合面における粒子を小さくすると、ハンドル基板の強度が上がり、クラックが生じにくくなる、しかし後工程でのドナー基板との剥離が生じやすくなる。
本発明の課題は、多結晶アルミナからなるハンドル基板において、ドナー基板からの剥離を抑制するとともに、クラックの発生を抑制することである。
本発明は、半導体用複合基板のハンドル基板であって、
ハンドル基板が多結晶アルミナにより形成されており、ハンドル基板の外周縁部の平均粒径が２０〜５５μｍであり、ハンドル基板の中央部の平均粒径が１０〜５０μｍであり、ハンドル基板の外周縁部の平均粒径が前記中央部の平均粒径の１．１倍以上、３．０倍以下であり、前記外周縁部が前記ハンドル基板のエッジから中心に向かう幅５ｍｍのリング状部分であることを特徴とする。
また、本発明は、前記ハンドル基板、および前記ハンドル基板の接合面に対して接合されているドナー基板を有することを特徴とする、半導体用複合基板に係るものである。
本発明によれば、ハンドル基板のドナー基板に対する密着性を向上させて剥離を抑制することができ、同時にハンドル基板の強度を高くしてクラックも抑制することができる。
特に、ハンドル基板の外周縁部における粒径を相対的に大きくすることによって、外周縁部におけるドナー基板との密着性を改善できる。この効果が顕著なのは、ドナー基板の剥離が主として外周縁部から進展することから、ハンドル基板の外周縁部における密着性を改善することが有効だからである。同時に、ハンドル基板の中央部における粒径を相対的に小さくして強度を改善することは、ハンドル基板の全体としてのクラック抑制に対してきわめて効果的であった。
（ａ）は、ハンドル基板１の正面図であり、（ｂ）は、ハンドル基板１とドナー基板５を接合層４を介して接合した半導体用複合基板６を示す正面図であり、（ｃ）は、ハンドル基板１とドナー基板５を直接接合した半導体用複合基板６Ａを示す正面図である。 平均粒径の算出方式例を示す模式図である。 （ａ）は、ウエハー状の基板１を示す平面図であり、（ｂ）は、基板１の外周縁部を示す図である。 成形体１１を焼成するためのセッターを示す模式図である。 焼結体をアニール処理している状態を示す模式図である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
（用途）
本発明の複合基板は、プロジェクター用発光素子、高周波デバイス、高性能レーザー、パワーデバイス、ロジックＩＣなどに利用できる。
（ドナー基板）
複合基板は、本発明のハンドル基板と、ドナー基板とを含む。
ドナー基板の材質は、特に限定されないが、好ましくは、シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛及びダイアモンドからなる群から選択される。
ドナー基板は、上述の材質を有し、表面に酸化膜を有していてもよい。酸化膜を通してイオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られるからである。酸化膜は、好ましくは５０〜５００ｎｍの厚さを有する。酸化膜を有するドナー基板もドナー基板に含まれ、特に区別しない限り、ドナー基板と称する。
（ハンドル基板）
図１、図３に示すように、ハンドル基板１は、例えば円形をしており、一カ所にノッチ７が形成されている。図３（ａ）に示すノッチ７はＵ文字形状をしているが、Ｖ文字形状をしていてもよい。これらのノッチは、半導体デバイスの製造工程において諸操作を行う際などに、ウエハー位置や方向の検出などを行うときに用いられる。特に８インチ以上のサイズのウエハーでは、オリエンテーションフラットの代わりとして一般的な検出手段として導入されるものである。むろん、ノッチの代わりにオリエンテーションフラットを設けてもよい。
ウエハー状の基板１の外周縁部８のエッジには、いわゆるベベル部９が設けられている（図３（ｂ））。ベベル部は、接合面１ａ側および裏面１ｂ側の両方に形成されている。ベベル部とは、ウエハーの端面および周縁の傾斜部分のことを意味している。
本発明においては、ハンドル基板は多結晶アルミナにより形成されており、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径が２０〜５５μｍであり、ハンドル基板の中央部２０の平均粒径が１０〜５０μｍであり、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径が中央部２０の平均粒径の１．１倍以上、３．０倍以下である。
ハンドル基板の外周縁部の平均粒径を２０μｍ以上とすることによって、ドナー基板との密着性が向上する。この観点からは、ハンドル基板の外周縁部の平均粒径を２５μｍ以上とすることが好ましく、３０μｍ以上とすることが一層好ましい。
ハンドル基板の外周縁部の平均粒径を５５μｍ以下とすることによって、クラックを抑制できる。この観点からは、ハンドル基板の外周縁部の平均粒径を５０μｍ以下とすることが更に好ましい。
ハンドル基板の中央部２０の平均粒径を１０μｍ以上とすることによって、ドナー基板との密着性が向上する。この観点からは、ハンドル基板の中央部の平均粒径を１５μｍ以上とすることが好ましく、２０μｍ以上とすることが一層好ましい。また、ハンドル基板の中央部２０の平均粒径を５０μｍ以下とすることによって、クラックを抑制できる。この観点からは、ハンドル基板の中央部の平均粒径を４５μｍ以下とすることが好ましく、３５μｍ以下とすることが一層好ましい。
ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径を中央部２０の平均粒径の１．１倍以上とすることによって、ハンドル基板の剥離を抑制できる。この観点からは、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径を中央部２０の平均粒径の１．３倍以上とすることが更に好ましい。また、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径を中央部２０の平均粒径より大きくし過ぎると、中間部２１にマイクロクラックが発生しやすくなるため３．０倍以下とすることが好ましい。この観点からは、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径を中央部２０の平均粒径の２．８倍以下とすることが更に好ましい。
ここで、結晶粒子の平均粒径は以下のようにして測定するものである。
（１） ハンドル基板の断面を鏡面研磨し、サーマルエッチングして粒界を際立たせた後、顕微鏡写真（１００〜２００倍）を撮影し、単位長さの直線が横切る粒子の数を数える。顕微鏡写真は、接合面から１００μｍの範囲で撮影する。これを異なる３箇所について実施する。なお、単位長さは５００μｍ〜１０００μｍの範囲とする。
（２） 実施した３箇所の粒子の個数の平均をとる。
（３） 下記の式により、平均粒径を算出する。
［算出式］
Ｄ＝（４／π）×（Ｌ／ｎ）
［Ｄ：平均粒径、Ｌ：直線の単位長さ、ｎ：３箇所の粒子の個数の平均］
平均粒径の算出例を図２に示す。異なる３箇所の位置において、それぞれ単位長さ（例えば５００μｍ）の直線が横切る粒子の個数が２２、２３、１９としたとき、平均粒径Ｄは、上記算出式により、
Ｄ＝（４／π）×［５００／｛（２２＋２３＋１９）／３｝］＝２９．９μｍとなる。
ハンドル基板の外周縁部８は、ハンドル基板１のエッジから中心Ｏに向かう幅５ｍｍのリング状部分を意味する。また、ハンドル基板の中央部２０は、中心Ｏから半径５ｍｍの円形部分を意味する。中間部２１は、中央部２０と外周縁部８との間にあるリング状の中間部である。
中間部２１の平均粒径も１０〜５０μｍであることが好ましい。更に、中間部２１の平均粒径は、１５μｍ以上とすることが好ましく、２０μｍ以上とすることが一層好ましい。また、中間部２１の平均粒径を４５μｍ以下とすることが好ましく、３５μｍ以下とすることが一層好ましい。
また、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径が中間部２１の平均粒径の１．１倍以上、３．０倍以下であることが好ましい。また、ハンドル基板の外周縁部８の平均粒径を中間部２１の平均粒径の１．３倍以上とすることが更に好ましく、また、２．８倍以下とすることが更に好ましい。更に、中間部２１の平均粒径は中央部２０の平均粒径と同じであることが好ましい。
好適な実施形態においては、ハンドル基板の接合面の表面粗度Ｒａが２ｎｍ以下である。これが大きいと、分子間力によって、ドナー基板の接合強度を低減させる。これは、１ｎｍ以下が最も好ましい。なお、このＲａは、接合面についてＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力電子顕微鏡）によって７０μｍ×７０μｍの視野範囲で撮像し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従い算出する数値のことである。
また、アルミナセラミックスの相対密度は、半導体の後処理に対する耐久性および汚染防止の観点から、９８％以上とすることが好ましく、９９％以上とすることが更に好ましい。
好適な実施形態においては、ハンドル基板を構成する多結晶セラミック焼結体が、純度９９．９％以上のセラミック粉末を原料とする焼結によって製造されている。
透光性アルミナの場合には、好ましくは純度９９．９％以上（好ましくは９９．９５％以上）の高純度アルミナ粉末に対して、１００ｐｐｍ以上、３００ｐｐｍ以下の酸化マグネシウム粉末を添加する。このような高純度アルミナ粉末としては、大明化学工業株式会社製の高純度アルミナ粉体を例示できる。また、この酸化マグネシウム粉末の純度は９９．９％以上が好ましく、平均粒径は０．３μｍ以下が好ましい。
また、好適な実施形態においては、焼結助剤として、アルミナ粉末に対して、ジルコニア（ＺｒＯ２）を２００〜８００ｐｐｍ、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を１０〜３０ｐｐｍ添加することが好ましい。
多結晶セラミック焼結体の成形方法は特に限定されず、ドクターブレード法、押し出し法、ゲルキャスト法など任意の方法であってよい。特に好ましくは、ブランク基板をゲルキャスト法を用いて製造する。
好適な実施形態においては、セラミック粉末、分散媒およびゲル化剤を含むスラリーを製造し、このスラリーを注型し、ゲル化させることによって成形体を得る。ここで、ゲル成形の段階では、型に離型剤を塗布し、型を組み、スラリーを注型する。次いで、ゲルを型内で硬化させて成形体を得、成形体を離型する。次いで型を洗浄する。
次いで、ゲル成形体を乾燥し、好ましくは大気中で仮焼し、次いで、水素中で本焼成する。本焼成時の焼結温度は、焼結体の緻密化という観点から、１７００〜１９００℃が好ましく、１７５０〜１８５０℃が更に好ましい。
好適な実施形態においては、図４に示すように、成形体（あるいはその仮焼体）１１をセッター１２上に載置し、その上に耐蝕性材料からなる蓋１４をかぶせる。そして、蓋１４とセッター１２との間にスペーサー１３をはさむことで、成形体１１上に隙間２２を生じさせ、焼結助剤（特にマグネシウム）の排出を促進する。これによって粒子の粗大化を抑制する。
また、焼成時に十分に緻密な焼結体を生成させた後に、更に追加でアニール処理を実施することで反り修正を行うことができる。このアニール温度は、変形や異常粒成長発生を防止しつつ、焼結助剤の排出を促進するといった観点から焼成時の最高温度±１００℃以内であることが好ましく、最高温度が１９００℃以下であることが更に好ましい。また、アニール時間は、１〜６時間であることが好ましい。
ここで、好適な実施形態においては、焼結体の外周縁部を雰囲気に開放し、かつ焼結体の中央部および中間部を雰囲気にさらさない状態で、アニール処理を行う。例えば、図５に示すように、セッター１５上に焼結体１６を設置し、焼結体１６上にカバー１７を載せて中央部および中間部を被覆する。カバー１７上におもり１８を設置することで、カバー１７と焼結体１６との間に隙間が生じないようにする。この状態で焼結体をアニール処理することで、外周縁部の露出部分１９からの焼結助剤（特にマグネシウム）の雰囲気への排出が促進され、外周縁部における粒成長が促進され、粒径が相対的に大きくなる。中央部および中間部は雰囲気にさらされていないので、焼結助剤の排出は起こらず、粒成長は抑制される。
こうしたセッター、カバー、おもりの材質は、処理時の雰囲気および温度に対して耐久性があればよく、例えばモリブデン、タングステン、サーメット、窒化ホウ素、カーボンを例示できる。
こうして得られたブランク基板を精密研磨加工することによって、その接合面のＲａを小さくする。こうした精密研磨加工としては、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工が一般的であり。これに使われる研磨スラリーとして、アルカリまたは中性の溶液に３０ｎｍ〜２００ｎｍの粒径を持つ砥粒を分散させたものが使われる。砥粒材質としては、シリカ、アルミナ、ダイヤ、ジルコニア、セリアを例示でき、これらを単独または組み合わせて使用する。また、研磨パッドには、硬質ウレタンパッド、不織布パッド、スエードパッドを例示できる。
また、最終的な精密研磨加工を実施する前の粗研磨加工を実施した後にアニール処理を行うことが望ましい。アニール処理の雰囲気ガスは大気、水素、窒素、アルゴン、真空を例示できる。アニール温度は１２００〜１６００℃、アニール時間は２〜１２時間であることが好ましい。これにより、表面の平滑を損ねることなく、反りやピットの原因となる加工変質層を除去することができる。
（複合基板）
ハンドル基板とドナー基板とを接合することで複合基板を得る。
接合に用いられる技術としては、特に限定される訳ではないが、例えば表面活性化による直接接合や、接着層を用いた基板接合技術が用いられる。
直接接合には界面活性化による低温接合技術が好適に用いられる。１０−６Ｐａ程度の真空状態にてＡｒガスによる表面活性化を実施後、常温にてＳｉ等の単結晶材料がＳｉＯ２等の接着層を介して多結晶材料と接合されることができる。
接着層の例としては、樹脂による接着の他に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮが用いられる。
例えば、図１（ｂ）に示す例では、ハンドル基板１の接合面１ａに接合層４を介してドナー基板５を接合することによって、複合基板６を得ている。また、図１（ｃ）に示す例では、ハンドル基板１の接合面１ａにドナー基板５を直接接合することによって、複合基板６Ａを得ている。
以下の成分を混合したスラリーを調製した。
（原料粉末）
・比表面積３．５〜４．５ｍ２／ｇ、平均一次粒子径０．３５〜０．４５μｍのα−アルミナ粉末 １００重量部
・ＭｇＯ（マグネシア） ２００ ｐｐｍ
・ＺｒＯ２（ジルコニア） ４００ ｐｐｍ
・Ｙ２Ｏ３（イットリア） １５ ｐｐｍ
（分散媒）
・グルタル酸ジメチル ２７重量部
・エチレングリコール ０．３重量部
（ゲル化剤）
・ＭＤＩ樹脂 ４重量部
（分散剤）
・高分子界面活性剤 ３重量部
（触媒）
・Ｎ，Ｎ-ジメチルアミノヘキサノール ０．１重量部
このスラリーを、アルミニウム合金製の型に室温で注型の後、室温で１時間放置した。次いで４０℃で３０分放置し、固化を進めてから、離型した。さらに、室温、次いで９０℃の各々にて２時間放置して、板状の粉末成形体を得た。
得られた粉末成形体を、大気中１１００℃で仮焼（予備焼成）の後、図４に示すように、仮焼体をモリブデン製のセッター１２に載せ、上側に０．１〜０．５ｍｍの隙間２２をあけた状態で蓋１４を被せ、水素３：窒素１の雰囲気中１７００〜１８００℃で焼成を行い、焼結体を得た。その後、図５に示すように、焼結体の外周縁部を除く中央部および中間部にモリブデン製の板１７を載せ、さらにその上にもモリブデン製のおもり１８を載せて、水素３：窒素１の雰囲気中１７００〜１８００℃でアニール処理を実施した。
作成したブランク基板に高精度研磨加工を実施した。まずグリーンカーボンによる両面ラップ加工により形状を整えた後、ダイヤモンドスラリーによる両面ラップ加工を実施した。ダイヤモンドの粒径は３μｍとした。最後にＳｉＯ２砥粒とダイヤモンド砥粒によるＣＭＰ加工を実施し、洗浄を実施した。なお、洗浄には一般的な半導体洗浄プロセスで用いられるＲＣＡ洗浄を行った（具体的には、基板を、過酸化アンモニア、過酸化塩酸、硫酸、フッ酸、王水と純水にそれぞれ交互に浸漬して洗浄した）。ＡＦＭによる接合面の表面粗さ測定の結果、Ｒａ値は１．０ｎｍ(□７０μｍ視野)であった。
これらの基板について各部位の粒径、エッチングプロセスでの剥離、クラック発生の有無を調べ、表１、表２の結果を得た。ただし、中央部と外周縁部との各粒径は、焼成の際の温度、基板上側のすき間の大きさ、および、焼成後のアニール処理の際の基板に載せるカバーの大きさ（基板を覆う範囲）を変えることによって調節した。また、中間部の粒径は、いずれの例においても、中央部における粒径と同じであった。
Figure 0005849176
Figure 0005849176
本発明実施例では、いずれも、剥離発生率が低く、同時にクラック発生率も低くなっており、比較例に比べて顕著な効果があることがわかる。

Claims (3)

  1. 半導体用複合基板のハンドル基板であって、
    前記ハンドル基板が多結晶アルミナにより形成されており、前記ハンドル基板の外周縁部の平均粒径が２０〜５５μｍであり、前記ハンドル基板の中央部の平均粒径が１０〜５０μｍであり、前記ハンドル基板の外周縁部の平均粒径が前記中央部の平均粒径の１．１倍以上、３．０倍以下であり、前記外周縁部が前記ハンドル基板のエッジから中心に向かう幅５ｍｍのリング状部分であることを特徴とする、ハンドル基板。
  2. 請求項１記載のハンドル基板、および前記ハンドル基板の接合面に対して接合されているドナー基板を有することを特徴とする、半導体用複合基板。
  3. 前記ドナー基板が単結晶シリコンからなることを特徴とする、請求項２記載の複合基板。
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