JP6160617B2

JP6160617B2 - ハイブリッド基板の製造方法及びハイブリッド基板

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Publication number: JP6160617B2
Application number: JP2014526881A
Authority: JP
Inventors: 小西　繁; 繁小西; 芳宏久保田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-07-18
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Description

本発明は、支持基板上に半導体層を有するハイブリッド基板の製造方法及び該製造方法で製造されるハイブリッド基板に関する。

従来、高絶縁性で熱伝導率も高く、且つ高周波領域での損失が小さい特性を持つサファイアを支持基板として、Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｓａｐｐｈｉｒｅ（ＳＯＳ）基板等のハイブリッド基板が高周波領域のデバイスとして用いられている。

ＳＯＳの製法として、サファイア基板にシリコンをヘテロエピ成長させることがよく知られているが、この方法はサファイアとシリコンとの格子定数差に起因した欠陥が多数発生する欠点を有している（例えば、非特許文献１）。

上記問題に鑑み、水素イオンを注入したシリコン基板をサファイア基板と貼り合わせ、水素イオン注入層を脆化し、剥離することによって、単結晶シリコン薄膜をサファイア基板上に転写する方法が提案されている（例えば、特開２０１０−２７８３３７号公報（特許文献１））。

特開２０１０−２７８３３７号公報特開２００４−１１１８４８号公報

Ｙｏｓｈｉｉｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．２１Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ２１−１、ｐｐ．１７５−１７９（１９８２）

しかしながら、上記ＳＯＳにおいては、支持基板として使用するサファイア基板自身の金属濃度、特に基板表面におけるＦｅの濃度が高いという問題があった。典型的なサファイア基板におけるＦｅの濃度は、１×１０¹¹〜１×１０¹²ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であるが、シリコンウェハ等を用いた半導体ラインで要求される値１×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²に比べて１〜２桁高い値となっている。そのため、上記金属濃度を持つＳＯＳは、半導体製造ラインを汚染するため、該半導体製造ラインに投入できない問題があった。また、金属濃度を下げるために、例えばシリコンウェハの洗浄で用いられているＳＣ−２（ＨＣｌ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）洗浄を行うことが考えられるが、この洗浄を施してもサファイア基板における金属濃度はあまり減少せず、１×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²レベルに届かないという問題があった。
また、貼り合わせ法で作製したＳＯＳにおいては、シリコン膜のボイドやＯＳＦ（ＯｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ；酸化誘起積層欠陥）状の欠陥等の、貼り合わせ法に起因する欠陥が多いという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、半導体製造ラインに投入可能なハイブリッド基板の製造方法及び該製造方法で製造されたハイブリッド基板を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、サファイア基板を還元性雰囲気、特に好適には水素を含む雰囲気下で熱処理をすることにより、サファイア表面の金属不純物を大幅に除去できることを見出した。また、貼り合わせ法によるＳＯＳ基板の作製について、上記熱処理をしたサファイア基板を用いると、シリコン薄膜転写後のシリコン薄膜上の欠陥数が熱処理をしていない基板を使用した時に比べ、著しく少なくなることをも見出し本発明に至った。
なお、サファイア基板を、水素を含む雰囲気で熱処理する手法は、例えばサファイア基板上に直接窒化物半導体層をエピタキシャル成長する前に処理することが知られており、例えば特開２００４−１１１８４８号公報（特許文献２）に記載されている。しかしながら、水素熱処理が金属不純物濃度の減少に効果があることについては言及されていない。更に、上記熱処理を施したサファイア基板を支持基板に用いてＳＯＳ基板を製造することについては記載されておらず、このときに支持基板上に形成したシリコン層の欠陥数低減に効果があることについて記載も示唆も認められない。
また、ハイブリッド化した後、つまり貼り合わせ基板を水素雰囲気で熱処理する技術は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）等においては、シリコン層の平坦化等で用いられているが、本発明者らが検討したところ、ハイブリッド化したＳＯＳを水素を含む雰囲気で熱処理を施しても、シリコン層の欠陥数低減の効果は認められなかった。
即ち、貼り合わせを行う前にサファイア基板を水素を含む雰囲気で熱処理することが重要であり、このことにより初めて、サファイア基板の金属不純物を除去でき、かつ必要に応じて貼り合わせ後のシリコン薄膜の欠陥数を低減することができるものである。これらの効果は、本発明により初めて見出されたものである。

従って、本発明は、上記目的を達成するため、下記のハイブリッド基板の製造方法及びハイブリッド基板を提供する。
〔１〕半導体基板の表面からイオンを注入してイオン注入領域を形成し、上記半導体基板のイオン注入した表面とサファイア基板の表面とを絶縁膜を介して貼り合わせた後、上記イオン注入領域で半導体基板を剥離させてサファイア基板上に半導体層を有するハイブリッド基板を得るハイブリッド基板の製造方法であって、
上記サファイア基板を予め還元性雰囲気中７００℃以上１１００℃以下の熱処理温度で熱処理した後に上記半導体基板と貼り合わせることを特徴とするハイブリッド基板の製造方法。
〔２〕上記サファイア基板の熱処理温度は、９００℃以上であることを特徴とする〔１〕に記載のハイブリッド基板の製造方法。
〔３〕上記サファイア基板の熱処理時間は、１０秒以上１２時間以下であることを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載のハイブリッド基板の製造方法。
〔４〕上記還元性雰囲気は、水素又は水素を含む不活性ガス雰囲気であることを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載のハイブリッド基板の製造方法。
〔５〕上記半導体基板は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化ケイ素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素からなる群から選ばれるいずれかの材料からなることを特徴とする〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載のハイブリッド基板の製造方法。
〔６〕上記熱処理後のサファイア基板表面の全反射蛍光Ｘ線分析法で検出されるＦｅの濃度が３×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であり、Ｎｉの濃度が１×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下である〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載のハイブリッド基板の製造方法。
〔７〕基板表面の全反射蛍光Ｘ線分析法で検出されるＦｅの濃度が３×１０ ¹⁰ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以下であり、Ｎｉの濃度が１×１０ ¹⁰ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以下であるサファイア基板上に厚さ５０〜５００ｎｍのシリコン酸化膜である絶縁膜を介してシリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化ケイ素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素からなる群から選ばれるいずれかの材料からなる半導体基板のイオン注入剥離膜である半導体層を有しており、フッ化水素溶液に浸漬した後に検出される半導体層の表面欠陥数が、ハイブリッド基板の外径が１５０ｍｍφの場合に４８７個以下であるハイブリッド基板。

本発明によれば、支持基板を予め還元性雰囲気中で熱処理した後に半導体基板と貼り合わせるので、支持基板の金属不純物が除去されて半導体製造ラインに投入可能なハイブリッド基板を製造することができる。また、半導体層表面の欠陥数を低減可能である。

本発明に係るハイブリッド基板の製造方法における製造工程の一例を示す概略図であり、（ａ）はイオン注入されたシリコン基板の断面図、（ｂ）はサファイア基板の断面図、（ｃ）は水素雰囲気下での熱処理後のサファイア基板の断面図、（ｄ）はシリコン基板とサファイア基板を貼り合わせた状態を示す断面図、（ｅ）はイオン注入領域でシリコン基板を剥離させた状態を示す断面図、（ｆ）はハイブリッド基板の断面図である。

以下、本発明に係るハイブリッド基板の製造方法を図１に基づき、ＳＯＳ基板の製造を例に取り、説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明に係るハイブリッド基板の製造方法は、図１に示すように、シリコン基板への水素イオン（希ガスイオン）注入工程（工程１）、サファイア基板の水素雰囲気下の熱処理工程（工程２）、シリコン基板及び／又はサファイア基板の表面活性化処理工程（工程３）、シリコン基板とサファイア基板の貼り合わせ工程（工程４）、可視光照射、剥離処理工程（工程５）、シリコン層薄化工程（工程６）の順に処理を行うものである。

（工程１：シリコン基板への水素イオン（希ガスイオン）注入工程）
まず、単結晶シリコン基板（ドナー基板）１の表面から水素イオン又は希ガス（即ち、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）イオンを注入し、基板中に層状のイオン注入領域（イオン注入層ともいう）３を形成する（図１（ａ））。

なお、ここでは転写により半導体層を形成するための基板（半導体基板）としてシリコン基板を用いた例を示すが、本発明はこれに限定されず、半導体基板として、シリコン−ゲルマニウム、炭化ケイ素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素からなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものを用いることができる。

ここで、半導体基板である単結晶シリコン基板（以下、シリコン基板ともいう）１としては、特に限定されないが、例えばチョクラルスキー（ＣＺ）法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が１００〜３００ｍｍ、導電型がＰ型又はＮ型、抵抗率が１０Ω・ｃｍ程度のものが挙げられる。

また、シリコン基板１の表面は、あらかじめ薄い絶縁膜２を形成しておくことが好ましい。絶縁膜２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。絶縁膜２としては、例えばシリコン酸化膜、アルミニウム酸化膜、シリコン窒化膜等が挙げられるが、５０〜５００ｎｍの厚さを有するシリコン酸化膜が好ましい。シリコン酸化膜は、一般的な熱酸化法により形成することができる。

イオン注入領域３の形成方法は、特に限定されず、例えば、シリコン基板１の表面から所望の深さにイオン注入領域３を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオン又は希ガスイオンを注入する。このときの条件として、例えば注入エネルギーは５０〜１００ｋｅＶ、注入線量は２×１０¹⁶〜１×１０¹⁷／ｃｍ²とできる。注入される水素イオンとしては、２×１０¹⁶〜１×１０¹⁷（ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）のドーズ量の水素イオン（Ｈ⁺）、又は１×１０¹⁶〜５×１０¹⁶（ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）のドーズ量の水素分子イオン（Ｈ₂ ⁺）が好ましい。特に好ましくは、８．０×１０¹⁶（ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）のドーズ量の水素イオン（Ｈ⁺）、又は４．０×１０¹⁶（ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）のドーズ量の水素分子イオン（Ｈ₂ ⁺）である。

イオン注入された基板表面からイオン注入領域３までの深さ（即ち、イオン打ち込み深さ）は、支持基板であるサファイア基板上に設けるシリコン薄膜の所望の厚さに対応するものであるが、好ましくは３００〜５００ｎｍ、更に好ましくは４００ｎｍ程度である。また、イオン注入領域３の厚さ（即ち、イオン分布厚さ）は、機械衝撃等によって容易に剥離できる厚さが良く、好ましくは２００〜４００ｎｍ、更に好ましくは３００ｎｍ程度である。

（工程２：サファイア基板の水素雰囲気下の熱処理工程）
次に、サファイア基板４を予め還元性雰囲気中で熱処理する（図１（ｂ）、（ｃ））。
なお、ここでは支持基板としてサファイア基板を用いた例を示すが、本発明はこれに限定されず、支持基板として、シリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、石英及びホウ珪酸ガラスからなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものを用いることができる。

ここで、サファイア基板４は、ハイブリッド基板の支持基板（ハンドル基板）となる絶縁性の透明基板であり、可視光領域（波長４００〜７００ｎｍ）の光が貼り合わせたシリコン基板１のイオン注入領域３に到達するまでにエネルギー損失が少ないものであることが望ましく、上記可視光領域の透過率が７０％以上であることが好ましい（図１（ｂ））。例えば、結晶方位がＲ面（１１０２）のサファイア基板を用いるとよい。

還元性雰囲気としては、例えば一酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、水素、ホルムアルデヒドから選ばれるガス種又はそれらの組み合わせからなる還元性ガス、あるいは該還元性ガスと不活性ガスとの混合ガスからなる雰囲気が挙げられ、それらの中で、好ましくは少なくとも水素を含む雰囲気、即ち水素のみ又は水素を含む不活性ガスからなる雰囲気、より好ましくは水素のみからなる雰囲気である。

熱処理温度の下限は、好ましくは７００℃以上、より好ましくは９００℃以上、特に好ましくは１０００℃以上である。熱処理温度が７００℃未満ではサファイア基板４表面の金属除去の効果が不十分となる場合がある。

熱処理温度の上限は、好ましくは１２５０℃未満、より好ましくは１１００℃以下である。熱処理温度が１２５０℃以上ではハイブリッド基板のシリコン薄膜表面の欠陥数が逆に増加し、ハイブリッド基板として不適となるおそれがある。

熱処理時間は、好ましくは１０秒〜１２時間、より好ましくは１分〜１時間である。熱処理時間が１０秒より短いと、サファイア基板４表面の金属除去が不十分となったり、ハイブリッド基板のシリコン薄膜表面の欠陥数の低減が不十分となるおそれがあり、１２時間より長いと熱処理コストの増加となる場合がある。

本熱処理を行う炉としては、還元性雰囲気とするために水素を導入できる炉であれば、チューブ炉やエピ成長炉、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎａｅｌｉｎｇ）炉など使用することができ、特に限定はされない。

以上の熱処理を施すことにより、サファイア基板４表面の金属濃度を当初より低減させることができる（図１（ｃ））。また、このときのサファイア基板４の表面粗さはほとんど変わらず、シリコン基板１との貼り合わせが困難になることはない。また、熱処理温度が７００〜１１００℃の場合に、後述するハイブリッド基板のシリコン薄膜表面における欠陥数を従来よりも低減することができる。本熱処理により、サファイア基板４表面の微視的な形状変化が生じ、貼り合わせの密着力の増加及び／又は均一化、更にはパーティクルやその他の付着物が除去されたためと推測されるが、その理由はよく分かっていない。

（工程３：シリコン基板及び／又はサファイア基板の表面活性化処理工程）
熱処理後で貼り合わせの前に、シリコン基板１のイオン注入された表面と、熱処理後のサファイア基板４の表面との双方もしくは片方に表面活性化処理を施す。

表面活性化処理は、基板表面に反応性の高い未結合手（ダングリングボンド）を露出させること、又はその未結合手にＯＨ基が付与されることで活性化を図るものであり、例えばプラズマ処理又はイオンビーム照射による処理により行われる。

プラズマで処理をする場合、例えば、真空チャンバ中にシリコン基板１及び／又はサファイア基板４を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、１００Ｗ程度の高周波プラズマに５〜１０秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、シリコン基板１を処理する場合、表面を酸化する場合には酸素ガスのプラズマ、酸化しない場合には水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガス等を挙げることができる。サファイア基板４を処理する場合は、水素ガス、アルゴンガス、又はこれらの混合ガスあるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガス等を用いる。この処理により、シリコン基板１及び／又はサファイア基板４の表面の有機物が酸化して除去され、更に表面のＯＨ基が増加し、活性化する。

また、イオンビーム照射による処理は、プラズマ処理で使用するガスを用いたイオンビームをシリコン基板１及び／又はサファイア基板４に照射して表面をスパッタする処理であり、表面の未結合手を露出させ、結合力を増すことが可能である。

（工程４：シリコン基板とサファイア基板の貼り合わせ工程）
次に、シリコン基板１のイオン注入された表面と熱処理後のサファイア基板４の表面とを貼り合わせる（図１（ｄ））。このとき、１５０〜２００℃程度に加熱しながら貼り合わせるとよい。以下、この接合体を貼り合わせ基板５という。シリコン基板１のイオン注入面とサファイア基板の表面の少なくとも一方が活性化処理されていると、より強く接合できる。なお、シリコン基板１の絶縁膜（シリコン酸化膜）２を、サファイア基板４と貼り合わせる前に、エッチングや研磨等により、薄くあるいは除去してもよい。

貼り合わせ後に、貼り合わせ基板５に熱を加えて熱処理（第２の熱処理）を行う。この熱処理により、シリコン基板１とサファイア基板４の結合が強化される。このときの熱処理は、貼り合わせ基板５がシリコン基板１とサファイア基板４の熱膨率の差の影響（熱応力）で破損しない温度を選択する。その熱処理温度は、好ましくは３００℃以下、より好ましくは１５０〜２５０℃、さらに好ましくは１５０〜２００℃である。また、熱処理の時間は、例えば１〜２４時間である。

（工程５：可視光照射、剥離処理工程）
次に、貼り合わせ基板５におけるシリコン基板１のイオン注入領域３に向けて可視光を照射し、アニールを施す。このとき、透明なサファイア基板４側から照射するとよい。また、可視光は、４００〜７００ｎｍの範囲に極大波長を有する光であり、コヒーレント、インコヒーレントのいずれの光でもよく、波長領域が好ましく４００〜７００ｎｍ、より好ましくは５００〜６００ｎｍのレーザー光がよい。

可視光としてレーザー光を照射した場合、レーザー光はサファイア基板４を透過し、ほとんど吸収されないので、サファイア基板４を熱することなくシリコン基板１に到達する。到達したレーザー光はシリコン基板１のサファイア基板４との貼り合わせ界面の近傍のみ、特に例えば水素イオン注入によりアモルファス化した部分であるイオン注入領域３を選択的に加熱し、イオン注入領域３の脆化を促す。

次いで、可視光照射後、貼り合わせ基板５のイオン注入領域３に外部から機械的衝撃等の衝撃を付与して脆化したイオン注入領域３に沿って剥離し、シリコン基板１の一部を半導体層となるシリコン薄膜６（シリコン酸化膜が使用され、除去されていない場合はシリコン酸化膜を有する）としてサファイア基板４に転写してウェハ７とする。即ち、サファイア基板４に結合したシリコン薄膜６をシリコン基板１から剥離させてＳＯＩ層（半導体層）とする。なお、剥離は、イオン注入領域３に沿って貼り合わせ基板５の一端から他端に向かうへき開によるものが好ましい。

ここで、シリコン薄膜の剥離のための外部からの衝撃付与の手法としては種々のものがあり、例えば、熱衝撃により剥離を行う方法、機械的衝撃により剥離を行う方法、振動衝撃により剥離を行う方法等が挙げられるが、本方法によりシリコン薄膜６とサファイア基板４界面で剥がれが生じないこと、本方法のプロセス温度がハイブリッド基板に過剰な温度とならないことが必要条件である。

なお、熱衝撃により剥離を行う方法としては、貼り合わせ基板５のいずれかの一方の面、例えばシリコン基板１側の面を加熱し、サファイア基板４との間に温度差を生じさせることにより、シリコン基板１側の急激な膨張によって両基板間で大きな応力を発生させ、この応力によってイオン注入領域３における剥離を生じさせる方法が挙げられる。

また、機械的衝撃により剥離を行う方法としては、ジェット状に噴出させたガスや液体などの流体をシリコン基板１の側面から吹き付けることで衝撃を与える方法や、ブレードの先端部をイオン注入領域３の近傍領域に押し当てるなどして衝撃を付与する方法等が挙げられる。

なお、剥離処理の際、貼り合わせ基板５のシリコン基板１側に補強材を配置して機械的衝撃を加えることが好ましい。上記補強材としては、好ましくは、保護テープ、静電チャック及び真空チャックからなる群から選択される。シリコン基板１側に割れ防止のために保護テープをシリコン基板１側に貼り付けて剥離を行う方法や、又は静電チャック又は真空チャックにシリコン基板１側を密着させて剥離を行うことでより確実に剥離を行うことができる。保護テープは、特に材質、厚さ等に限定されず、半導体製造工程で用いられるダイシングテープやＢＧテープ等が使用できる。静電チャックは、特に限定されず、炭化ケイ素や窒化アルミニウム等のセラミックス静電チャック等が挙げられる。真空チャックは、特に限定されず、多孔質ポリエチレン、アルミナ等の真空チャックが挙げられる。

また、振動衝撃により剥離を行う方法としては、超音波発振器の振動板から発振される超音波で振動衝撃を付与してイオン注入領域３における剥離を生じさせる方法が挙げられる。

（工程６：シリコン層薄化（イオン注入ダメージ層除去）工程）
次に、ウェハ７のサファイア基板４上のシリコン薄膜６表層において、上記イオン注入によりダメージを受けて結晶欠陥を生じている層を除去する。

ここで、イオン注入ダメージ層の除去は、ウェットエッチング又はドライエッチングにより行うことが好ましい。ウェットエッチングとしては、例えばＫＯＨ溶液、ＮＨ₄ＯＨ溶液、ＮａＯＨ溶液、ＣｓＯＨ溶液、アンモニア水（２８質量％）、過酸化水素水（３０〜３５質量％）、水（残部）からなるＳＣ−ｌ溶液、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）溶液、ＴＭＡＨ（４メチル水酸化アンモニウム）溶液、ヒドラジン溶液のうち、少なくとも１つのエッチング溶液を用いて行うとよい。また、ドライエッチングとしては、例えばフッ素系ガス中にサファイア基板４上のシリコン薄膜６を曝してエッチングする反応性ガスエッチングやプラズマによりフッ素系ガスをイオン化、ラジカル化してシリコン薄膜６をエッチングする反応性イオンエッチング等が挙げられる。

また、本工程において除去対象となる領域は、少なくとも結晶欠陥に拘るシリコン薄膜６のイオン注入ダメージ層全てであり、シリコン薄膜６表層の好ましくは１２０ｎｍ以上の厚み分、より好ましくは１５０ｎｍ以上の厚み分である。サファイア基板４上のシリコン薄膜６の厚さは、１００〜４００ｎｍとなる。

最後に、サファイア基板４上のシリコン薄膜６表面を鏡面仕上げする。具体的には、シリコン薄膜６に化学機械研磨（ＣＭＰ研磨）を施して鏡面に仕上げる。ここではシリコンウェハの平坦化等に用いられる従来公知のＣＭＰ研磨でよい。なお、このＣＭＰ研磨で上記イオン注入ダメージ層の除去を兼ねてもよい。

以上の工程を経て、サファイア基板４（支持基板）の金属不純物が除去されて半導体製造ラインに投入可能なハイブリッド基板８を製造することができる。また、シリコン薄膜６表面の欠陥数を低減できる。

以下に、本発明の実施例及び比較例を挙げて、更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示す製造工程に従って、ハイブリッド基板を作製した。なお、シリコン基板１と熱処理を施したサファイア基板４の貼り合わせ及びシリコン薄膜６の転写（シリコン薄膜形成）は、特開２０１０−２７８３３７号公報（特許文献１）記載の方法に従った。具体的には次の通りである。

（工程１）予め絶縁膜２としてシリコン酸化膜を厚さ２００ｎｍ成長させた外径１５０ｍｍφ、厚さ６２５μｍのシリコン基板１に、５７ｋｅＶ、ドーズ量６．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ²で水素イオンを注入した。
（工程２）支持基板として、外径１５０ｍｍφ、厚さ０．６ｍｍのＲ面サファイア基板４を用いた。このサファイア基板４をパンケーキ型の炉内に配置し、水素のみの雰囲気とした後、１０００℃で１０分保持することで熱処理を行った。熱処理後のサファイア基板４表面の金属濃度はＴＲＸＦ（ＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＸ−ｒａｙＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法で検出される代表的な金属元素Ｆｅ、Ｎｉについて測定した（その検出下限濃度は０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²である）。その結果、対象元素Ｆｅ、Ｎｉのいずれも検出限界（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下（ＤＬ（ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＬｉｍｉｔ））であった。
また、サファイア基板４の表面粗さとして、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））によって縦横５μｍ×５μｍの領域の表面粗さＲｍｓ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ）を測定したところ、０．１３ｎｍであった。
（工程３）上記シリコン基板１及び熱処理を施したサファイア基板４について、それぞれの貼り合せ面にイオンビーム活性化処理を行った。
（工程４）次いで、上記シリコン基板１のイオン注入側の面とサファイア基板４とを１５０℃に加熱して貼り合せることにより接合体である貼り合わせ基板５を得た。次いで、貼り合わせ基板５を２２５℃で２４時間熱処理を行った。
（工程５）次に、貼り合わせ基板５を２００℃に加熱しながらサファイア基板４側から波長５３２ｎｍのグリーンレーザー光を照射した。貼り合わせ基板５全面に該レーザー光を照射した後、貼り合せ界面近傍のイオン注入領域３に機械的衝撃を加え、剥離することで、シリコン薄膜６をサファイア基板４に転写したウェハ７を作製した。
（工程６）最後に、ウェハ７上のシリコン薄膜６をＣＭＰ研磨で厚さ２００ｎｍまで薄化することによりＳＯＳ基板であるハイブリッド基板８を得た。得られたハイブリッド基板８を５０質量％フッ化水素に１０分間浸漬し、純水でリンスした後に、シリコン薄膜６表面の欠陥数を欠陥検査装置（ＫＵＲＡＢＯ社製）によってカウントしたところ、１ウェハで３２３個であった。

［比較例１］
比較のため、実施例１で用いた同じ仕様のサファイア基板４を熱処理せずに（工程２を行わずに）、ＳＣ−１（ＮＨ₄ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）＋ＳＣ−２（ＨＣｌ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）で洗浄して用い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、Ｆｅは１．３×１０¹¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、Ｎｉは６．０×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であった。実施例１では、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となっており、実施例１ではサファイア基板４の熱処理（水素雰囲気下１０００℃で１０ｍｉｎの熱処理）によって金属不純物が大幅に除去されたことが分かった。また、比較例１の表面粗さＲｍｓは、０．１２ｎｍであり、実施例１と比較すると、サファイア基板４の熱処理有り無しで顕著な違いは無く、本熱処理がシリコン基板１とサファイア基板４との貼り合わせに影響を及ぼさないことが分かった。
また、得られたハイブリッド基板におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで５２５個であった。実施例１では１ウェハで３２３個であり、実施例１におけるサファイア基板４の熱処理（水素雰囲気下１０００℃で１０ｍｉｎの熱処理）によってシリコン薄膜６表面の欠陥数が大きく減少することが分かった。

［実施例２］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素５０ｖｏｌ％＋Ａｒ５０ｖｏｌ％の雰囲気下で１０００℃で２０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、実施例１と同様に、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となった。また、実施例２の表面粗さＲｍｓは、０．１２ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで８２個であった。実施例１よりも欠陥数は大きく減少しており、処理時間によって欠陥数低下の効果があることが分かった。

［実施例３］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素のみの雰囲気下で１０００℃で６０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、実施例１と同様に、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となった。また、実施例３の表面粗さＲｍｓは、０．１２ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで５４個であった。実施例２よりも欠陥数は更に減少しており、処理時間によって欠陥数低下の効果があることが分かった。

［実施例４］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素のみの雰囲気下で７００℃で１０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、Ｆｅは０．３×１０¹¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、Ｎｉは１．０×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²であった。金属不純物は完全に除去されていなかったが、比較例１よりも減少しており、金属不純物除去の効果が認められた。また、実施例４の表面粗さＲｍｓは、０．１２ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで４８７個であった。欠陥数は比較例１よりも若干減少していた。即ち、金属濃度減少の効果は見られたものの、欠陥数減少には大きな効果は見られなかった。

［実施例５］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素のみの雰囲気下で９００℃で６０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、実施例１と同様に、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となった。また、実施例５の表面粗さＲｍｓは、０．１３ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで２７９個であり、比較例１の欠陥数の半分程度まで減少していた。

［実施例６］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素のみの雰囲気下で１１００℃で１０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、実施例１と同様に、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となった。また、実施例６の表面粗さＲｍｓは、０．１１ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで３０５個であり、実施例１と同程度であった。

［参考例１］
実施例１において、工程２として、サファイア基板４について水素のみの雰囲気下で１２５０℃で１０分の熱処理を行い、それ以外は実施例１と同様にしてハイブリッド基板８を作製した。
なお、上記洗浄後のサファイア基板４の表面金属濃度及び表面粗さの評価を行ったところ、金属濃度に関し、実施例１と同様に、Ｆｅ及びＮｉ共に本測定の検出下限値（０．６×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）以下となった。また、実施例７の表面粗さＲｍｓは、０．１１ｎｍであり、熱処理なしの比較例１と同程度であった。
また、得られたハイブリッド基板８におけるシリコン薄膜６表面の欠陥数は、１ウェハで３４００個であり、比較例１よりも著しく増加していた。工程２の熱処理温度としてある温度を超えるとそれ以上温度が増加しても金属不純物除去の効果は変わらないが、シリコン薄膜６表面の欠陥数を減らす効果については熱処理温度に上限値があることが分かった。
以上の結果を表１に示す。

［比較例２］
水素雰囲気での熱処理を、貼り合わせ前のサファイア基板４単体で行った場合と、貼り合せ後のハイブリッド基板について行った場合とで、シリコン薄膜６の欠陥数低減効果の差異を確認するため、比較例１で作製したハイブリッド基板を水素のみの雰囲気下１０００℃で１０分の熱処理を行った。この熱処理後のハイブリッド基板におけるシリコン薄膜表面の欠陥数を実施例１と同じ方法で評価したところ、１ウェハで１００００個を超える欠陥数であった。即ち、貼り合せを行った後の熱処理では欠陥数低減の効果はなく、金属不純物除去の効果と共にハイブリッド基板のシリコン薄膜表面の欠陥数低減の効果を得るためには、サファイア基板４を貼り合せる前に予め水素を含む雰囲気で熱処理することが必要であることが分かった。

なお、これまで本発明を図面に示した実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１シリコン基板
２絶縁膜（シリコン酸化膜）
３イオン注入領域
４サファイア基板
５貼り合わせ基板（接合体）
６シリコン薄膜
７ウェハ
８ハイブリッド基板（ＳＯＳ基板）

Claims

半導体基板の表面からイオンを注入してイオン注入領域を形成し、上記半導体基板のイオン注入した表面とサファイア基板の表面とを絶縁膜を介して貼り合わせた後、上記イオン注入領域で半導体基板を剥離させてサファイア基板上に半導体層を有するハイブリッド基板を得るハイブリッド基板の製造方法であって、
上記サファイア基板を予め還元性雰囲気中７００℃以上１１００℃以下の熱処理温度で熱処理した後に上記半導体基板と貼り合わせることを特徴とするハイブリッド基板の製造方法。
上記サファイア基板の熱処理温度は、９００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド基板の製造方法。
上記サファイア基板の熱処理時間は、１０秒以上１２時間以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド基板の製造方法。
上記還元性雰囲気は、水素又は水素を含む不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド基板の製造方法。
上記半導体基板は、シリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化ケイ素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素からなる群から選ばれるいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド基板の製造方法。
上記熱処理後のサファイア基板表面の全反射蛍光Ｘ線分析法で検出されるＦｅの濃度が３×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であり、Ｎｉの濃度が１×１０¹⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下である請求項１〜５のいずれか１項記載のハイブリッド基板の製造方法。
基板表面の全反射蛍光Ｘ線分析法で検出されるＦｅの濃度が３×１０ ¹⁰ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以下であり、Ｎｉの濃度が１×１０ ¹⁰ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ² 以下であるサファイア基板上に厚さ５０〜５００ｎｍのシリコン酸化膜である絶縁膜を介してシリコン、シリコン−ゲルマニウム、炭化ケイ素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素からなる群から選ばれるいずれかの材料からなる半導体基板のイオン注入剥離膜である半導体層を有しており、フッ化水素溶液に浸漬した後に検出される半導体層の表面欠陥数が、ハイブリッド基板の外径が１５０ｍｍφの場合に４８７個以下であるハイブリッド基板。