JP6239396B2 - Soi複合基板の製造方法 - Google Patents
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Description
また、ドナー基板として、シリコン基板の他、表面に酸化膜を形成したシリコン基板を用いてもよい。
酸化膜の厚さは、好ましくは50〜500nmである。これはあまり薄いと、酸化膜厚の制御が難しく、またあまり厚いと時間がかかりすぎるためである。
本発明で用いる支持基板としては、好ましくは、石英ガラス、サファイア、炭化ケイ素、ホウ珪酸ガラス又は結晶化ガラスのいずれかの材料からなるものを挙げることができる。なお、支持基板は、使用する前に予めRCA洗浄等の洗浄をしておくことが好ましい。
基板の直径は使用される製造装置によって変わるが、6〜12インチから選択され、ドナー基板と支持基板の直径を同じにして通常貼り合わせが行われる。
まず、シリコン薄膜を、シリコンとは異種材料である支持基板上に備える貼り合わせ基板を提供する。すなわち、シリコン基板の表面から水素イオンを注入し、シリコン基板のイオン注入された表面と、支持基板の表面とを貼り合わせ、熱処理を施した後、イオン注入層に沿ってシリコン薄膜を剥離して支持基板上に転写し、貼り合わせ基板を得る。
具体的には、支持基板と、ドナー基板としてシリコン基板とを用意する。次に、シリコン基板の表面から水素イオンを注入して内部に水素イオン注入層を形成させる。その後、シリコン基板のイオン注入された表面と、支持基板の表面とを貼り合わせて、貼り合わせ基板を得る。
シリコン基板の表面から水素イオンを注入して水素イオン注入層を形成する際、例えば、シリコン基板の温度を250〜400℃とし、その表面から所望の深さに水素イオン注入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とすることができる。
水素イオン注入されたシリコン基板の表面から水素イオン注入層までの深さは、支持基板上に設ける薄膜の所望の厚さに依存するが、好ましくは300〜500nm、さらに好ましくは400nm程度である。
表面活性化処理として、プラズマ、UV、オゾン等の処理が挙げられる。
剥離を行う方法としては、水素イオン注入層に衝撃を与えて機械的剥離を行う方法、熱処理後の貼り合わせ基板を加熱して熱的剥離を行う方法が挙げられる。
熱的剥離によって剥離転写を行う場合、剥離転写後の貼り合わせ基板に、例えば温度が300〜500℃のさらなる熱処理を施してもよい。このように、さらなる熱処理を施すことによって、ドナー基板と支持基板の貼り合わせの強度をさらに高めることができる。
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を行った。すなわち、本発明者らは、貼り合わせ基板が備えるシリコン薄膜の膜厚変動幅が大きくなる原因が、(1)ガイドリングの外周部付近における研磨布の変形、(2)基板を押圧するメンブレンフィルムに加わるエア圧力分布の不均一、(3)基板の厚さや形状の不揃いであることを見出した。
研磨中の研磨布とガイドリング、貼り合わせ基板(被研磨基板)との関係を表した模式図を図17に示す。研磨布102は通常2層以上の構造となっており、図17では、表層102aの下に柔軟性のある内層102bを示す。ガイドリング113は研磨ヘッドに固定された状態で研磨布102に押し当てられるが、このとき研磨布102に対するガイドリング113の進行方向Eの外周部で研磨布102に変形が生じる。こうして変形した研磨布102が、不安定な形状のままガイドリング113の内周すなわち被研磨基板101の外周付近に到達した際に、被研磨基板101に対する接触圧の差異が生じる。これが、基板外周部の押圧力と、基板中央部の押圧力とが異なる圧力となり、その圧力差がシリコン膜の研磨量の差となる。この研磨布の変形は、研磨布の使用時間、雰囲気温度、研磨ヘッドの押圧力等によって異なるため、膜厚変動幅自体が安定しない原因となっている。
従来の研磨方法における研磨中の研磨ヘッド、バッキングプレート、メンブレンフィルム、被研磨基板の位置関係を図18に示す。被研磨基板101への押圧力は、研磨ヘッド110内に収められたバッキングプレート111に設けられた空気導入口からバッキングプレート111とメンブレンフィルム112との間に空気を供給し、その空気層の圧力をメンブレンフィルム112を介して基板101に伝達することにより作用させている。導入された空気は、バッキングプレート111とメンブレンフィルム112との間隙114を流れ、研磨ヘッド110とバッキングプレート111の外周との隙間115を通って排出される。
なお、メンブレンフィルムは、特に限定されず、一般的に使用できるものであればよく、例えば、PFAやPETからなる硬質プラスチックフィルム等が挙げられ、基板との接触面には、基板への傷防止のため、好ましくはポリウレタンからなる発泡シートが更に貼られている。また、ガイドリングとメンブレンフィルは、メンブレンフィルムに均一な張力を与える点において好ましくは、図5に示すように、メンブレンフィルム12を研磨ヘッド17及びガイドリング16に接着剤及び/または両面粘着シート18a、18bを介して直接固定される。
一般に、基板の研磨量は基板のガイドリングからの突出量に影響される。しかし、例えばサファイアのように硬い材質を支持基板として用いた場合、この基板を結晶から切り出す際に、基板中央部が凹凸する「反り」が生じやすいため、基板の反り量や厚さが不揃いになることが多い。基板の厚さや反り量が不揃いになると、基板の中央部と外周部とでガイドリングからの突出量が異なってばらつくため、研磨後の膜厚変動がばらつく原因となる。
x≦t−p−b≦y ・・・(1)
(式中、tは前記貼り合わせ基板の研磨前の厚さであり、bは前記支持基板側表面が、前記支持基板側表面の中心において、前記支持基板側表面の外周を含む前記メンブレンフィルムと平行な面から前記研磨布側に突出する長さであり、pは前記ガイドリングの前記メンブレンフィルムから前記貼り合わせ基板の厚さ方向への突出長さであり、xは5μmであり、yは45μmである。)
を満たすようにpが決定される。これにより、研磨の不均一が相殺され、均一な膜厚分布を得ることができる。
以上説明したように、本発明のSOI複合基板の製造方法によれば、基板の厚さや形状がばらつく場合であっても、シリコン薄膜の膜厚を均一にでき、かつ、膜質を向上させることができる。また、PEEK樹脂のような高価な材料を用いなくてもよいため、コストダウンが可能となる。
本発明で用いる研磨装置は、上面に研磨布及び該研磨布で研磨される被研磨基板を設置可能なプラテンと、周囲に前記プラテンに向けて突出する突出部を有する円板状の研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの内部に収納されたバッキングプレートと、前記研磨ヘッドの突出部に連結され、前記被研磨基板の周囲を囲むことができ、外径と内径の半分の差である幅が34mm以上であるガイドリングと、前記研磨ヘッドの突出部と前記ガイドリングに周囲を挟まれ、前記プラテンに平行で前記被研磨基板の上面を覆うことができるメンブレンフィルムとを備え、前記バッキングプレートと前記メンブレンフィルムとの間に形成された空気層の圧力により前記被研磨基板を前記研磨布に押し付けつつ、前記研磨ヘッドを前記プラテンに対して相対的に回転させて前記被研磨基板を研磨できる。
ドナー基板として表面を酸化した直径150mm、厚さ625μmの単結晶シリコン基板を準備した。この単結晶シリコン基板に対して、所定の深さへ水素イオン注入を行った。次に、支持基板として表面が平滑な直径150mm、厚さ625μmの石英基板を準備した。ドナー基板と支持基板の両方の表面をプラズマで活性化処理を施した後、処理面同士を貼り合わせて貼り合わせ基板を得た。この貼り合わせ基板に、300℃、12時間の熱処理を施して基板同士の結合力を上げた。その後、基板の両側の裏面へ引張り力を加えながら貼り合わせ基板の貼り合わせ部の端部に薄い刃を挿入して機械的な剥離を行い、支持基板(石英基板)に単結晶シリコン薄膜を転写させた。剥離後の支持基板(石英基板)の表面を、過酸化水素水とアンモニア水からなるエッチング液(SC−1溶液)を用いて洗浄することによりダメージ層を除去し、所定の厚さの単結晶シリコン薄膜を有した貼り合わせ基板(SOQ基板)を作製した。
ドナー基板として表面を酸化した直径150mm、厚さ625μmの単結晶シリコン基板を準備した。この単結晶シリコン基板に対して、所定の深さへ水素イオン注入を行った。次に、支持基板として表面が平滑な直径150mm、厚さ580μmのサファイア基板を準備した。サファイア基板の反り量は、−4.3μmであり、比較的小さいものを使用した。ドナー基板と支持基板の両方の表面をプラズマで活性化処理を施した後、処理面同士を貼り合わせて貼り合わせ基板を得た。この貼り合わせ基板に、250℃、24時間の熱処理を施し基板同士の結合力を上げた。その後、貼り合わせ基板の貼り合わせ部の端部に薄い刃を挿入した状態で貼り合わせ基板を200℃に加熱し、サファイア基板側から強い光を照射した。ここでは光源としてキセノンフラッシュランプによるランプ加熱を用いた。これにより、水素イオンを注入した周辺のシリコン層を急速に加熱して熱膨張させ、ドナー基板と支持基板との熱膨張率の差異により剥離を行い、支持基板(サファイア基板)に単結晶シリコン薄膜を転写させた。剥離後、300〜500℃の範囲で段階的に温度を上げ熱処理を施して接合力をさらに高めた。その後、支持基板(サファイア基板)の表面を、過酸化水素水とアンモニア水からなるエッチング液(SC−1溶液)を用いて洗浄することによりダメージ層を除去し、所定の厚さの単結晶シリコン薄膜を有した貼り合わせ基板(SOS基板)を作製した。
実施例1と同様の方法でSOQ基板を作製した。このSOQ基板を、外径195mm、内径152mm、幅21.5mmのPEEK製ガイドリングを備えた研磨装置を用いて研磨した。研磨ヘッド内のバッキングプレートの直径は148mmとし、研磨するSOQ基板よりも若干小さいものとした。
実施例1と同様の方法でSOQ基板を作製した。このSOQ基板を、外径245mm、内径152mm、幅46.5mmのガラスエポキシ製ガイドリングを備えた研磨装置を用いて研磨した。
支持基板として、厚さ及び反り量の異なるサファイア基板を4枚用意した。各支持基板の表面は平滑で、直径は150mmである。各支持基板を用いて、実施例2と同様の方法で、厚さ及び反り量の異なる4枚のSOS基板を作製した。このSOS基板を、外径245mm、内径152mm、幅46.5mmのPPS製ガイドリングを備えた研磨装置を用いて研磨した。接着剤として両面テープを用い、ガイドリングを、研磨ヘッドにメンブレンフィルムとともに固定した。研磨ヘッド内のバッキングプレートの直径は198mmとし、研磨するSOS基板よりも十分大きいものとした。
実施例1と同様の方法でSOQ基板を作製した。このSOQ基板を、外径195mm、内径152mm、幅21.5mmのPPS製ガイドリングを備えた研磨装置を用いて研磨した。ガイドリングの厚さは600μmとし、基板の厚さよりも25μm薄いものとした。ガイドリングは、研磨ヘッドにメンブレンフィルムとともに両面粘着シートで固定した。研磨ヘッド内のバッキングプレートの直径は148mmとし、研磨するSOQ基板よりも若干小さいものとした。研磨前のSOS基板の厚さをt、反り方向を考慮した基板の反り幅をb、メンブレンフィルムに対するガイドリングの突出量をpとした場合、(t−p−b)の値は10μmであった(t=625μm、p=600μm、b=15μm)。
研磨後におけるSOI複合基板のシリコン薄膜の膜厚変動幅を測定した。その結果を図11に示す。図11(A)は、研磨後におけるSOQ基板のシリコン薄膜の膜厚分布を、図11(B)は、研磨後におけるSOQ基板のシリコン薄膜の膜厚差とガイドリング外周部から基板までの距離の関係を、それぞれ示している。図11(B)には比較例1の結果も一緒に示している。測定結果より、ガイドリング外周部からの距離が35mm以上のとき、膜厚変動幅が10nm以下となり、ガイドリング外周部からの距離が40mm以上のとき、膜厚変動幅が5nm以下となり、ガイドリング外周部からの距離が45mm以上のとき、膜厚変動幅がほぼ0となった。
このことから、ガイドリングの外径と内径の差である幅は、ガイドリングとSOI複合基板との隙間を1mmとした場合、34mm以上、好ましくは39mm以上、より好ましくは44mm以上とすればよいことが示された。
12 メンブレンフィルム
13 バッキングプレート
14 空気層
15 空気が排出される部分
16 ガイドリング
17 研磨ヘッド
18、18a、18b 接着剤又は両面粘着シート
19 研磨布
19a 表層
19b 内層
20 プラテン
100 研磨装置
101 被研磨基板
102 研磨布
102a 表層
102b 内層
103 プラテン
104 スラリー
110 研磨ヘッド
111 バッキングプレート
112 メンブレンフィルム
113 ガイドリング
113a 突起
114 間隙
115 隙間
117 バッキングプレート加圧機構
118 ガイドリング加圧機構
A、B、C、D 破線部分
E 進行方向
Claims (10)
- シリコン薄膜を、シリコンとは異種材料である支持基板上に備える貼り合わせ基板の外周部を囲むように配置されたガイドリングによって前記貼り合わせ基板の外周部を保持しながら、前記支持基板側の表面を押圧して、前記シリコン薄膜側の表面を研磨布に押し付けて前記貼り合わせ基板のうちシリコン薄膜側の表面を研磨する工程を少なくとも含み、
前記ガイドリングの外径と内径の差の半分である幅が34mm以上であり、
前記貼り合わせ基板の研磨前の厚さをt、前記貼り合わせ基板の中心軸において前記貼り合わせ基板の厚さ方向の前記研磨布側へ突出する正の反り量をb、前記ガイドリングの厚さをpとすると、t−p−bが、5〜45μmとなるようにpが選択される、
SOI複合基板の製造方法。 - 前記研磨する工程における前記支持基板側表面の押圧が、前記支持基板側の表面に配置されたメンブレンフィルムと、前記メンブレンフィルムの前記支持基板側の表面とは反対側の表面の上方に配置されたバッキングプレートとの間に形成された空気層の圧力による押圧である請求項1に記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記バッキングプレートの表面が前記支持基板の表面よりも大きく、前記バッキングプレートが前記メンブレンフィルムを介して前記支持基板の表面を覆うように配置される請求項2に記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記バッキングプレートを収納し、周囲の突出部が前記ガイドリングに連結される円板状の研磨ヘッドと、前記ガイドリングとの間に、前記メンブレンフィルムの周囲が挟み込まれて固定される請求項2又は3に記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記ガイドリングの材質が、充填材を含まない樹脂である請求項1〜4のいずれかに記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記樹脂が、ポリフェニレンサルファイド樹脂である請求項5に記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記t−p−bが、10〜40μmである請求項1に記載のSOI複合基板の製造方法。
- 前記支持基板が、石英ガラス、サファイア、炭化ケイ素、ホウ珪酸ガラス又は結晶化ガラスである請求項1〜7のいずれかに記載のSOI複合基板の製造方法。
- 上面に研磨布及び該研磨布で研磨される被研磨基板を設置可能なプラテンであって、前記被研磨基板が、シリコン薄膜を、シリコンとは異種材料である支持基板上に備える貼り合わせ基板である、プラテンと、
周囲に前記プラテンに向けて突出する突出部を有する円板状の研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドの内部に収納されたバッキングプレートと、
前記研磨ヘッドの突出部に連結され、前記貼り合わせ基板の外周部を囲むことができ、外径と内径の差の半分である幅が34mm以上であるガイドリングと、
前記研磨ヘッドの突出部と前記ガイドリングに周囲を挟まれ、前記プラテンに平行で前記貼り合わせ基板の上面を覆うことができるメンブレンフィルムと
を備え、
前記バッキングプレートと前記メンブレンフィルムとの間に形成された空気層の圧力により前記貼り合わせ基板を前記研磨布に押し付けつつ、前記研磨ヘッドを前記プラテンに対して相対的に回転させて前記貼り合わせ基板を研磨できる研磨装置であって、
前記貼り合わせ基板の研磨前の厚さをt、前記貼り合わせ基板の中心軸において前記厚さ方向の前記研磨布側へ突出する正の反り量をb、前記ガイドリングの厚さをpとすると、t−p−bが、5〜45μmとなるようにpが選択される研磨装置。 - 前記バッキングプレートの表面が前記貼り合わせ基板の表面よりも大きく、前記バッキングプレートが前記メンブレンフィルムを介して前記貼り合わせ基板の表面を覆うように配置される請求項9に記載の研磨装置。
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