JP6396756B2 - 複合体およびその製造方法ならびに複合基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、異なる材料からなる基板を接合した複合体およびその製造方法、ならびに複合体から製造される複合基板の製造方法に関する。

近年、異種材料からなる基板が接合された複合基板が開発されている。このような複合基板は、少なくとも一方の基板に機能素子を作りこむことを想定している。

異種材料からなる基板の接合方法として、例えば特許文献１に記載された技術がある。特許文献１に記載された技術は、２つの基板の間に金属中間層を介して互いに接触させるとともに加圧することで異なる材料からなる基板を互いに接合している。

特開２００４−３４３３５９号公報

複合基板は、接合する個々の基板がもつ反りの影響により、複合基板自体にも反りが発生する虞がある。ここで、特許文献１に記載された技術では、接合した複合基板の反りの向きが制御できず、一方側に反った複合基板と他方側に反った複合基板の双方が混在していた。反りの方向が制御できないということは、複合基板を構成する個々の基板に加わる応力も制御できないこととなり、その結果、歩留まりが低下したり、複合基板に作りこむ機能素子の性能がバラついたりして信頼性が低下することにつながる。

本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、反りの方向を揃えることで、信頼性の高い複合体および複合基板の製造方法および複合基板を製造するための複合体を提供することを目的とする。

本発明の複合体の製造方法は、保持工程と接合工程とを含む。保持工程は、反りを有する第１基板を、第１ステージに中央付近が前記第１ステージから離れる方向に反る向きに配置し、反りを低減した状態で保持するとともに、前記第１基板に比べ大きい熱膨張係数を有する材料からなる第２基板を第２ステージに応力を加えずに保持するものである。接合工程は、前記第１ステージに保持された前記第１基板と前記第２ステージに保持された前記第２基板とを接触させて接合した後に前記第１ステージ及び前記第２ステージから外して中央部が前記第１基板側に突き出すように反った複合体を得るものである。

本発明の複合基板の製造方法は、上記複合体の製造方法の接合工程の後に薄層化工程を含むものである。薄層化工程は、前記複合体の前記第１基板または前記第２基板を薄層化し機能層とし、前記複合体から前記機能層を備える複合基板を得るものである。

本発明の複合体は、第１基板と、前記第１基板に比べ大きい熱膨張係数を有する材料からなり、前記第１基板に接合された第２基板とを有し、中央部が厚み方向で前記第１基板側に突き出すように反ったものである。

本発明によれば、信頼性の高い複合基板および複合体を提供することができる。

常温接合装置１００の模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の１つの実施形態に係る複合体および複合基板の製造方法の製造工程を示す断面図である。 図２（ｄ）に示す薄層化工程に続く機能部形成工程を示す断面図である。 図２（ｄ）に示す薄層化工程の別の実施形態を示す断面図である。 保持工程の変形例を示す断面図である。 第１基板１０側から確認したときの複合体の光干渉像である。

本発明の複合体および複合基板の製造方法の実施形態の一例について、図面を参照しつつ、説明する。本実施例では、第１基板１０と第２基板２０とを接合装置により接合し、複合体３０を得た後に、第１基板１０を薄層化して機能層１１として、機能層１１と第２基板２０とを有する複合基板１を得る場合を例に説明する。接合装置としては、接合面を活性化した後に接触させて常温で接合させることができる常温接合装置１００を用いる。なお、図１に、常温接合装置１００の模式図を示し、図２（ａ）〜（ｄ）に複合体３０および複合基板１の製造方法の製造工程を表す断面図を示している。

＜常温接合装置１００＞
常温接合装置１００は、図１に示すように、真空チャンバー（真空容器）１０１と、中性子ビーム（ＦＡＢ）ガン１０２と、第１ステージ１０３と、第２ステージ１０４と、真空ポンプ１０５とを有する。真空チャンバー１０１には真空ポンプ１０５に接続される排気口１０１ａが形成されている。真空ポンプ１０５により真空チャンバー１０１内を高真空に保つ。この例では、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａが下向きに、第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａが上向きになるように設定されている。第１ステージ１０３および第２ステージ１０４は真空チャンバー１０１内を移動可能であり、図示しない位置調整機構を有する。

ＦＡＢガン１０２は、発射される中性子ビームを、第１ステージ１０３，第２ステージ１０４の基板保持面１０３ａ，１０４ａの全面に照射可能なように、変位可能となっている。なお、この図面ではＦＡＢガン１０２は１つのみであるが、複数個設けてもよい。

真空チャンバー１０１内の雰囲気を高真空に保つために、一般的に真空チャンバー１０１と、第１ステージ１０３と、第２ステージ１０４と、第１および第２ステージ１０３，１０４の位置調整機構とは、ＳＵＳ等の金属材料で構成されるが多い。

＜保持工程＞
まず、図２（ａ）に示すように、常温接合装置１００に第１基板１０，第２基板２０をセットする。図２（ａ），図２（ｂ）は常温接合装置１００の真空チャンバー１０１内の様子を示す断面図である。

第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａに第１基板１０を、第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａに第２基板２０を保持する。

第１基板１０と第２基板２０とは、複合基板１に求める機能により適宜選択することができる。例えば、酸化アルミニウム単結晶（サファイア），炭化ケイ素基板，圧電単結晶基板，石英，樹脂基板，シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）などの半導体基板等の中から適宜選択することができる。複合基板１として弾性表面波（ＳＡＷ）素子を形成す
ることを目的とするのであれば、第１基板１０として後の温度補償体となるＳｉ基板を用い、第２基板２０としてタンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）やニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）等を用いてもよい。第１基板１０としてサファイア基板を用いて、第２基板２０としてＬＴ基板等を用いてもよい。

複合基板１としてパワーデバイスを形成することを目的とするのであれば、第１基板１０として後の温度補償体となるＳｉ基板を、第２基板２０としてＳｉＣ単結晶基板を用いてもよい。また、第１基板１０として、ＳｉＣ単結晶基板の放熱板となる基板を選択してもよい。

複合基板１として半導体素子を形成する場合には、第１基板１０としてＳｉ単結晶基板（以下、単にＳｉ基板ということもある）を、第２基板２０としてサファイア基板を用いてＳＯＳ（Silicon On Sapphire）構造を形成してもよい。この例ではＳＯＳ構造を例に
説明する。すなわち、第１基板１０としてＳｉ単結晶基板を、第２基板２０としてサファイア基板を用いた場合を例に説明する。

より具体的には、第１基板１０，第２基板２０として、６インチのＳｉ基板、サファイア基板を用いており、その厚みは、共に５８５μｍ〜６５０μｍである。なお、第１基板１０と第２基板２０との厚みは同じでなくてもよいが、第１基板１０の厚みは１０μｍ以上であることが好ましい。理由については後述する。

このような第１基板１０を第１ステージ１０３に保持する。第１基板１０は、反りを有している。この反りの向きを、第１ステージ１０３から第１基板１０の中央付近が離れる方向にして、第１ステージ１０３に配置する。言い換えると、第１ステージ１０３に対して上に凸の方向に反るように第１基板１０を配置する。さらに言い換えると、図２（ａ）中において、第１基板１０を、その反りの向きを下に凸（緩やかなＵ字状）となるようにして、下向きの第１ステージ１０３に合わせて第１ステージ１０３に保持する。そして、この反りを、応力が印加されない自然の状態に比べて低減した状態で第１ステージ１０３に保持する。言い換えると、第１基板１０は伸ばされた状態で保持されている。このような状態で第１基板１０を保持するには、例えば、静電チャックにより平坦な第１ステージ１０３に保持すればよい。

ここで、第１基板１０としてＳｉ基板を用いた場合には、その反りは、１０〜２０μｍである。

次に、第２基板２０を第２ステージ１０４に保持する。第２基板２０の反りは、サファイア基板を用いた場合には１０〜４０μｍ程度である。第２基板２０は、この反りを低減せずに、応力を加えることなく第２ステージ１０４に保持する。具体的には、例えば、第２ステージ１０４を第１ステージ１０３に対して下側に配置し、基板保持面１０４ａを上向きにすることで、第２基板２０を第２ステージ１０４に載置するのみで保持可能となる。

このように、第２基板２０を第２ステージ１０４上に載置する際には、第２基板２０の反りの向きに配慮する必要はない。すなわち、上に凸の状態としても、下に凸の状態としてもよい。この例では上に凸の状態として第２基板２０を第２ステージ１０４に保持している。

ここで、第２基板２０は、第１基板１０に比べ熱膨張係数が大きい材料からなる。このため、上述した保持工程では、熱膨張係数の小さい材料からなる基板（第１基板１０）を予め伸ばした状態でステージに保持し、熱膨張係数の大きい材料からなる基板（第２基板
２０）を自然の状態として応力を印加せずにステージに保持していることとなる。

＜接合工程＞
次に、図２（ｂ）に示すように、第１ステージ１０３に保持された第１基板１０と、第２ステージ１０４に保持された第２基板２０とを接合する。

両者の接合には、互いの接合面をプラズマやイオンガン、ＦＡＢガン１０２等を照射することにより活性化させた後に接触させて接合してもよいし、間に金属層，酸化物層等の接合を仲介する層を介在させ、応力を印加したり加熱したりして接合させてもよい。

この例では、上述の常温接合装置１００を用いて、第１ステージ１０３に一主面１０ａが下側になるように第１基板１０を保持し、第２ステージ１０４に一主面２０ａが上側になるように第２基板２０を保持して、ＦＡＢガン１０２により一主面１０ａ，２０ａを活性化する。

そして、活性化した一主面１０ａ，２０ａを、接触させて第１基板１０と第２基板２０とを接合する。ここで、活性化した一主面１０ａ，２０ａとの接触面積を高めるために、接触させるとともに加圧させることが好ましい。なお、この加圧はあくまでも接触面積を高めることを目的とするため、通常の活性化せずに加圧のみで接合するような接合方法に比べて小さい荷重で接合可能となる。また、接合に際し、加熱しておらず、常温で接合している。このことから、第１基板１０および第２基板２０に熱履歴による応力は加わっていないこととなる。

このようにして、第１基板１０と第２基板２０とが接合された複合体３０を得る。

次に、図２（ｃ）に示すように、複合体３０を、第１ステージ１０３，第２ステージ１０４から外す。

ここで、保持工程において、第１基板１０のみ伸ばした状態として、第２基板２０は自然の状態としている。より詳細には、第１基板１０は、第１基板１０の一主面１０ａ側は圧縮応力が、他主面１０ｂ側は引張り応力が加わるよう伸ばされている。このため第１基板１０には元の形状に戻ろうとする応力が働く。この応力により、複合体３０の形状を、その中央部３１が厚み方向で第１基板１０側に突き出すように反ったものとすることができる。厚み方向で第２基板２０から第１基板１０に向かう方向を第１方向とすると、中央部３１が第１方向側に凸となる。なお、中央部３１は複合体３０の中心を意味するのではなく、周縁と比較して内部に位置する領域を指すものとする。また、この第１基板１０に働く応力を、第２基板２０を一様の方向に変形させるために十分な大きさとするために、第１基板１０の厚みは１０μｍ以上とするとよい。より好ましくは、第１基板１０と第２基板２０との厚みは同程度とすればよい。

このような複合体３０の反りは、第２基板２０の第２ステージ１０４への載置を上に凸の状態としても下に凸の状態としても変わらず、第一方向の一方向に制御することができる。

なお、この例では、第１基板１０，第２基板２０がもともと持っている反りやその合算の反りよりも複合体３０の反りを大きくできる。例えば、第１基板１０として厚み５０μｍ〜５ｍｍのＳｉウェハを用い、第２基板２０として厚み６５０μｍ，反り１０μｍのサファイア基板を用い、両者を接合すれば、複合体３０の反りは約４０μｍとすることができる。保持工程において、第２基板２０を上に凸の状態で第２ステージ１０４に載置することで、より、複合体３０の反りを大きくすることができる。

さらに、第１基板１０および第２基板２０のうねりが存在する場合であっても、複合体３０として一様の形状とすることができるので、第１基板１０，第２基板２０個々の形状の違いがあっても、複合体としたときに、同一傾向を有する形状とすることができる。

＜薄層化工程＞
次に、図２（ｄ）に示すように、第１基板１０を薄層化し機能層１１とし、第２基板２０と機能層１１とからなる複合基板１を得る。

具体的には、第１基板１０の第２基板２０との接合面（一主面１０ａ）と反対側の主面（他主面１０ｂ）側から第１基板１０の厚みを小さくする。

機能層１１の厚みは特に限定されないが、ＳＯＳ構造体として機能させる場合には、所望の機能を有する半導体素子を形成できるよう設計される。例えば、３０ｎｍ〜１０μｍ程度を例示できる。

第１基板１０を薄層化していくと、第１基板１０が第２基板２０の接合面側に与える引張り応力が小さくなり、複合体３０の中央部３１が第１方向と反対側に反ることがある。すなわち、複合体３０の中央部３１が第２基板２０側に突き出すように椀状となることがある。これにより、複合基板１は、第１方向と反対側に凸となるように反る。図２（ｄ）においては、第１方向と反対方向に凸となる状態を示している。

なお、複合基板１は、複合体３０と同じ方向に反っていてもよいし、フラットな状態となっていてもよいし、図に示すように、第１方向と反対側に凸となるように反っていてもよい。この例では、機能層１１を１０μｍ以下にすることで、接合による反りの影響は殆ど無視できるようになる。ただし、反りの影響は見られなくなるが、接合により第１基板１０にかかった圧縮方向の応力は機能層１１に残るものとなる。

このような、第１基板１０の薄層化は、研削，研磨等の機械的手法、ウェットエッチング等の化学的手法およびそれらの組み合わせにより行なうことができる。

機械的研削およびウェットエッチングにより行なう場合には、第１基板１０の材質に関係なく薄層化が可能であるとともに、複合体３０が反っている場合であってもウェットエッチングにより、第１基板１０全面において厚みのばらつきを助長することなく薄層化することができる。

＜複合基板１＞
上述の工程を経ることで複合基板１を得ることができる。このような工程を経て得た複合基板１は、その製造過程で熱膨張係数の小さい側（第１基板１０，機能層１１）を第１方向に凸の状態に反らせている。このように反りの方向を一方向に制御することができるので、第１基板１０，機能層１１，第２基板２０に加わる応力を制御できるものなり、信頼性を高めることができる。

さらに、第２基板２０は第１基板１０，機能層１１に比べ熱膨張係数が大きいため、複合基板１に熱履歴が加わったときに、複合基板１は第１方向と反対側の方向に凸の状態に変形する。すなわち、機能層１１も第１方向と反対側の方向に凸の状態に変形する。このとき、機能層１１は、予め熱が加わったときに変形する方向と逆方向に反らせているため、加熱時の変形は元の形状に戻る方向の力となり、加熱により新たに加わる応力の影響を低減することができる。これにより、機能層１１のダメージが少ない、優れた複合基板１を提供することができる。

保持工程において、第２基板２０を上に凸の状態で第２ステージ１０４に保持する場合には、複合体３０の第１方向に凸の反りを大きくすることができる。これにより、機能層１１はより高い温度の熱処理、より長い時間の熱処理に対応できるようになる。

また、この例では第１基板１０の薄層化の前に第１基板１０と第２基板２０を接合している。第１基板１０を薄層化すると、複合体３０は、第２基板２０がもともと有する反りの形状に影響を受ける可能性がある。このため、厚い第１基板１０の状態で接合し、第１基板１０を上述の形状に変形させることが重要である。

さらに、第１基板１０の薄層化を、複合体３０の中央部３１が第２基板２０側に凸となるまで行ない機能層１１とした場合には、第１基板１０が元の形状に戻ったこととなり、複合基板１として、機能層１１に加わる応力を少なくすることができる。第１基板１０としてＳｉ基板を用いて、機能層１１をこのような形状とした場合には、機能層１１の上面（接合面と反対側の主面）に半導体素子を作りこんだときに、上面が圧縮応力を受けているため、ＰＭＯＳ（Positive Channel Metal Oxide Semiconductor）の移動度が高くなるので好ましい。

このような製造方法を経て形成された複合基板１を機能層１１の側から確認すると、中央部３１から外周側に向かって一様に反るものとなる。このため、機能層１１を目視したり光干渉像を確認したりすると、中央部３１を中心とする同心円状の干渉縞が確認できる。これは複合体３０においても同様である。図６に複合基板１の光干渉像を示す。図６からも明らかなように、複合基板１の中心から同心円状の干渉縞を確認できる。

このことから、複合体３０および複合基板１において、中心から外周部に向けて反りの勾配が等しくなるように変形させていることが確認できる。すなわち、機能層１１への応力印加を制御できることが分かる。

＜変形例：機能部形成工程＞
図２（ｄ）に示す工程に続いて、図３に示すように、機能層１１に加熱を伴うプロセスにより機能部１２を形成する機能部形成工程を設けてもよい。複合基板１がＳＯＳ構造である場合には、機能層１１にＰＭＯＳ等の半導体素子を機能部１２として作りこむ。

複合基板１をこのような加熱を伴うプロセスに曝しても、機能層１１が加熱を伴うプロセスにより変形する方向と反対の方向に予め変形させていたため、機能層１１に与えるダメージを低減することができる。

＜変形例：第１基板＞
第１基板１０として、Ｓｉ基板上にエピタキシャル層を成長させた基板を用いて、エピタキシャル層側を第２基板２０との接合面となるように第１ステージ１０３に保持してもよい。エピタキシャル層を形成することにより、第１基板１０の反りをエピタキシャル層側の中央部が突き出す方向に大きくすることができるからである。具体的には、Ｓｉ基板の反りが１０〜２０μｍであったのに対して、エピタキシャル層を形成した後の反りを、１５μｍ〜３０μｍとすることができることを確認している。この反りの量は、エピタキシャル層の厚みや、製膜時の温度等により調整することができる。

このように第１基板１０の反りを大きくすることにより、複合体３０の反りを大きくすることができるので、機能層１１として強い圧縮応力を有する層を得ることができる。複合基板１が、高温・長時間の厳しい加熱工程に投入される場合にも対応することができる。

＜複合体＞
複合基板１を製造するための複合体３０として、上述の通り、第１基板１０と、第１基板１０に接合された第２基板２０とを有し、中央部が厚み方向で第１基板１０側に突き出すように反った形状とする。ここで、第２基板２０は、第１基板１０に比べ大きい熱膨張係数を有する材料からなる。このような形状とすることにより、後の加熱を伴う工程が与える第１基板１０への影響を低減させることができるものとなる。

＜変形例：薄層化工程＞
上述の例では第１基板１０を薄層化する場合を例に説明したが、図４に示すように、第２基板２０を薄層化して機能層２１とし、第１基板１０と機能層２１とで複合基板１Ａを形成してもよい。この場合であっても、一様に第１方向に凸の形状となった複合体３０を用いるため、機能層２１に働く応力を、複数の複合基板１Ａ間で統一することができる。また、第２基板２０の薄層化により、複合基板１Ａは第１方向にさらに大きく凸状態に変形する。このため、機能層２１に応力を印加したい場合には、より多くの力を加えることができ、特性の優れたものとすることができる。さらに、機能層２１に素子を作りこむための工程や、複合基板１Ａを実装する工程等で高温にさらされた場合であっても、複合基板１Ａの反りは緩和されることとなるため、複合基板１Ａの故障を抑制することができる。

このような例として、第１基板１０としてサファイア基板またはシリコン基板を用いて、第２基板２０としてＬＴ基板やＬＮ基板等の圧電基板を用いる場合を例示できる。ＬＴ基板またはＬＮ基板等の圧電体からなる機能層２１に圧力（応力）を印加して特性を調整することができる。例えば、機能層２１にＳＡＷ素子を形成したときに、ＳＡＷ素子に一定方向の応力を印加することができるので、特性を安定させることができる。なお、シリコン基板、サファイア基板、ＬＴ基板、ＬＮ基板の熱膨張係数は、順に２．６×１０^−６／Ｋ，７．７×１０^−６／Ｋ，１６×１０^−６／Ｋ，１５×１０^−６／Ｋであり、例示した組み合わせはいずれも、第１基板１０よりも第２基板２０を構成する材料の熱膨張係数が大きくなっている。

＜変形例：接合工程＞
上述の例では、第１基板１０を、本来の反りを低減して第１ステージ１０３に保持する方法として、静電チャックを例に説明した。この方法を用いるために、第１基板１０Ｂとして絶縁材料を用いる場合には、第１基板１０Ｂの一主面１０ａと反対側の面に導電層４０を設けてもよい。第１ステージ１０３に接する側の面に導電層４０を形成することで、材料に関係なく静電チャックにより第１基板１０Ｂを保持することができ、その結果、第１基板１０Ｂの反りを低減した状態で第２基板２０と接合が可能となる。

１・・・複合基板
１０・・第１基板
２０・・第２基板
３０・・複合体
３１・・中央部
１００・常温接合装置
１０３・第１ステージ
１０４・第２ステージ

Claims (10)

1. 反りを有する第１基板を、第１ステージに中央付近が前記第１ステージから離れる方向に反る向きに配置し、反りを低減した状態で保持するとともに、前記第１基板に比べ大きい熱膨張係数を有する材料からなる第２基板を第２ステージに応力を加えずに保持する保持工程と、
   前記第１ステージに保持された前記第１基板と前記第２ステージに保持された前記第２基板とを接触させて接合した後に前記第１ステージ及び前記第２ステージから外して中央部が前記第１基板側に突き出すように反った複合体を得る接合工程と、を備える複合体の製造方法。
2. 前記保持工程において、前記第２基板として反りを有するものを用い、上に凸となるように前記第２ステージ上に保持させる、請求項１に記載の複合体の製造方法。
3. 前記接合工程において、前記第１基板と前記第２基板との接合する面を活性化した後に、圧力を印加しつつ両者を常温で接触させることで両者を接合させる、請求項１または２に記載の複合体の製造方法。
4. 前記第１基板としてＳｉ単結晶基板を用い、前記第２基板としてサファイア基板を用いる、請求項１乃至３のいずれかに記載の複合体の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の前記接合工程の後に、前記複合体の前記第１基板または前記第２基板を薄層化して機能層として、前記複合体から前記機能層を備える複合基板を得る薄層化工程をさらに含む、複合基板の製造方法。
6. 前記薄層化工程において、前記複合体の前記第１基板を薄層化し機能層とし、前記第２基板と前記機能層とを含む複合基板を得る、請求項５に記載の複合基板の製造方法。
7. 前記薄層化工程において、前記第１基板の薄層化を、前記複合体の中央部が前記第２基板側に突き出すように反るまで行なう、請求項６に記載の複合基板の製造方法。
8. 前記薄層化工程において、前記第１基板の薄層化を、機械的研削およびウェットエッチングにより行なう請求項６または７に記載の複合基板の製造方法。
9. 前記薄層化工程に続き、前記機能層に加熱を伴うプロセスにより機能部を形成する機能部形成工程をさらに含む、請求項５に記載の複合基板の製造方法。
10. 第１基板と、前記第１基板に比べ大きい熱膨張係数を有する材料からなり、前記第１基板に接合された第２基板とを有し、中央部が厚み方向で前記第１基板側に突き出すように反っており、
    前記第１基板の前記第２基板側の面には圧縮応力が加わっており、
    前記第２基板の前記第１基板側の面には引張り応力が加わっている、複合体。