KR101534460B1 - 반도체용 복합 기판의 핸들 기판 - Google Patents

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스기오 미야자와
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Abstract

핸들 기판(1)은 투광성 세라믹으로 이루어진다. 핸들 기판(1)의 접합면(1a)측의 표면 영역(2A)에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하이다. 핸들 기판(1) 내에 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역(3)이 형성되어 있다. 투광성 세라믹의 평균 입경이 5∼60 ㎛이다.

Description

반도체용 복합 기판의 핸들 기판{HANDLE SUBSTRATE FOR COMPOSITE SUBSTRATE FOR SEMICONDUCTOR}
본 발명은 반도체용 복합 기판의 핸들 기판에 관한 것이다.
종래, Silicon on Quartz(SOQ), Silicon on Glass(SOG), Silicon on Sapphire(SOS)로 불리는 핸들 기판을, 투명ㆍ절연 기판으로 구성되는 SOI나, GaN, ZnO, 다이아몬드, AlN 등의 투명 와이드갭 반도체를 실리콘 등의 도너 기판에 접합함으로써, 접합 웨이퍼를 얻는 것이 알려져 있다. SOQ, SOG, SOS 등은, 핸들 기판의 절연성ㆍ투명성 등 때문에 프로젝터, 고주파 디바이스 등에 대한 응용이 기대되고 있다. 또한 와이드갭 반도체의 박막을 핸들 기판에 복합화한 접합 웨이퍼는, 고성능 레이저나 파워 디바이스 등에 대한 응용이 기대된다.
고절연성, 저유전 손실, 고열전도와 같은 특징을 갖는 사파이어를 베이스 기판으로 하고, 그 표면에 반도체 디바이스를 구성하기 위한 실리콘 박막을 형성한 접합 기판이 고주파 스위치 IC 등에 이용되고 있다. 이전에는 베이스 기판 상에 실리콘 영역을 에피택셜 성장에 의해 형성하는 방법이 주류였지만, 최근 직접 접합에 의해 형성하는 방법이 개발되어, 반도체 디바이스의 성능 개선에 기여하고 있다(특허문헌 1, 2, 3).
그러나, 사파이어는 고가이기 때문에, 비용 절감을 위해서는, 사파이어 이외의 재료의 기판을 핸들 기판으로서 이용하는 것이 요구된다. 전술한 접합 기술의 진보에 따라, 석영, 유리, 알루미나와 같은 사파이어 이외의 재질로 이루어진 핸들 기판도 다양하게 제안되어 있다.
그 중에서도 고휘도 방전등용 발광관이나 반도체 제조 장치의 더미 웨이퍼로서 사용되어 온 다결정 투광성 알루미나는, 고순도의 원료를 이용하여, 고온의 환원 분위기에서 치밀하게 소성함으로써, 사파이어와 동등한 고절연성, 저유전 손실, 고열전도와 같은 우수한 특성을 가지면서, 고비용의 결정 육성 공정이 불필요하다는 등의 이점이 있다(특허문헌 4, 5, 6).
투광성의 베이스 기판을 이용하는 경우, 반도체 제조 장치 내의 광학 센서로 잘 검지할 수 없어, 장치 내에서의 트러블의 원인이 된다. 이것을 방지하기 위해 베이스 기판의 이면을 샌드블라스트 처리나, 리소그래피, 레이저 가공에 의해 조면화하는 방법(특허문헌 7, 8, 9, 10, 11, 12)이 제안되어 있다. 또한, 다결정의 투광성 기판을 저밀도화함으로써 투광성을 낮추는 방법도 제안되어 있다(특허문헌 12).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평08-512432 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 2003-224042 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 2010-278341 특허문헌 4 : WO2010/128666 특허문헌 5 : 일본 특허 공개 평05-160240 특허문헌 6 : 일본 특허 공개 평05-160240 특허문헌 7 : 일본 특허 공개 2008-288556 특허문헌 8 : 일본 특허 공개 2009-246320 특허문헌 9 : 일본 특허 공개 2009-246321 특허문헌 10 : 일본 특허 공개 2009-246323 특허문헌 11 : 일본 특허 공개 2009-252755 특허문헌 12 : 일본 특허 공개 평11-026339
그러나, 특허문헌 7∼11에 기재된 방법은 모두, 추가 가공에 의해 조면화하는 방법이며, 가공에 의한 주면측의 오염이나, 웨이퍼의 파손ㆍ변형의 원인이 되고, 공정의 추가가 필요해진다. 또한, 특허문헌 12에 기재된 바와 같이, 핸들 기판을 저밀도화하면, 기판 내의 미세한 기공이 증가하기 때문에, 접합면을 연마했을 때의 면조도가 악화하여, 실리콘 영역과 잘 접합할 수 없게 된다.
본 발명의 과제는, 반도체용 복합 기판의 핸들 기판에 있어서, 핸들 기판을 광학 센서로 용이하게 검지할 수 있도록 하고, 또한, 도너 기판과의 접합 강도의 저하를 방지하는 것이다.
본 발명은, 반도체용 복합 기판의 핸들 기판으로서,
핸들 기판이 투광성 세라믹으로 이루어지고, 핸들 기판의 접합면측의 표면 영역에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하이고, 핸들 기판 내에 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역이 형성되어 있고, 투광성 세라믹의 평균 입경이 5∼60 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 핸들 기판, 및 핸들 기판의 접합면에 대하여 직접 또는 접합 영역을 통해 접합되어 있는 도너 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판에 관한 것이다.
본 발명자는, 핸들 기판을 다결정 세라믹에 의해 형성하는 것을 검토하여 시험 제작했다. 다결정 세라믹은, 다수의 미세 입자가 결착된 미구조를 갖는다. 본 발명자는, 이러한 다결정 세라믹에 있어서, 그 접합측의 주표면에 있어서 기공을 적게 하고, 핸들 기판 내부에 기공이 많은 영역을 남긴 구조를 채택했다.
핸들 기판 내부에 기공이 많은 영역을 남긴 구조를 채택함으로써, 핸들 기판을 광학 센서로 용이하게 검지할 수 있다. 이것과 함께, 접합측의 주표면에 있어서 기공을 적게 하는 구조에 의해, 가공후의 접합면에서의 Ra를 매우 작게 할 수 있고, 도너 기판과의 접합 강도의 저하를 방지할 수 있다.
도 1의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 핸들 기판(1)을 나타내는 모식도이며, (b)는, 핸들 기판(1) 상에 도너 기판(5)을 접합 영역(4)을 통해 접합하여 얻어진 복합 기판(6)을 나타내는 모식도이며, (c)는, 핸들 기판(1) 상에 도너 기판(5)을 직접 접합하여 얻어진 복합 기판(6A)을 나타내는 모식도이다.
도 2의 (a)는, 핸들 기판(1)에 두께 방향의 중심선(L)을 그은 도면이며, (b)는, 다른 실시형태에 따른 핸들 기판(1A)을 나타내는 도면이다.
도 3은 평균 입경의 산출 방식예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 결정 입자 및 기공의 산정법을 설명하기 위한 사진이다.
도 5는 결정 입자 및 기공의 산정법을 설명하기 위한 사진이다.
도 6은 결정 입자 및 기공의 산정법을 설명하기 위한 사진이다.
이하, 적절하게 도면을 참조하면서 본 발명을 더 설명한다.
(핸들 기판)
본 발명의 핸들 기판은 투광성 세라믹으로 이루어진다. 이것은, 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 산화실리콘, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 사이알론 및 질화갈륨을 포함하는 군에서 선택된다.
핸들 기판의 재질은, 투광성 알루미나 소결체가 특히 바람직하게 이용된다. 이것은 매우 치밀한 소결체를 얻을 수 있기 때문에, 핸들 기판의 균열이나 크랙이 발생하기 어렵다.
투광성 알루미나 소결체를 제조할 때에는, 바람직하게는 순도 99.9% 이상(바람직하게는 99.95% 이상)의 고순도 알루미나 분말에 대하여, 100 ppm 이상, 1000 ppm 이하의 산화마그네슘 분말을 첨가한다. 이러한 고순도 알루미나 분말로는, 다이메이화학공업 주식회사 제조의 고순도 알루미나 분체를 예시할 수 있다. 또한, 이 산화마그네슘 분말의 순도는 99.9% 이상이 바람직하고, 평균 입경은 0.6 ㎛ 이하가 바람직하다.
도 1의 (a), 도 2의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 핸들 기판(1)을 나타내는 것이며, 도 2의 (b)는, 다른 실시형태에 따른 핸들 기판(1A)을 나타내는 것이다.
핸들 기판(1, 1A)의 접합면(1a)측의 표면 영역(2A)에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하이다. 이것에 의해, 가공후의 핸들 기판의 접합면(1a)의 Ra를 3.0 nm 이하로 하고, 도너 기판과의 접합을 강화하는 것이 가능하다. 이 관점에서는, 접합면(1a)측의 표면 영역(2A)에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 20 개/㎟ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 10개 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이 하한은 특별히 없고, 0 개/㎟이어도 좋다.
핸들 기판(1, 1A)의 저면(1b)측의 표면 영역(2B)에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도는, 50 개/㎟ 이하일 필요는 없다. 단, 이 기공이 지나치게 많아지면, 오염이나 탈립(脫粒)이 생기기 쉬워지기 때문에, 핸들 기판(1, 1A)의 저면(1b)측의 표면 영역(2B)에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도는, 100 개/㎟ 이하인 것이 바람직하고, 50 개/㎟ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 핸들 기판(1) 중에는, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역(3)이 형성되어 있다. 영역(3)은, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 표면 영역(2A, 2B) 이외의 전체에 퍼져 있어도 좋다. 또는, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 영역(3)은, 표면 영역(2A, 2B)을 제외한 영역의 일부만을 차지하고 있어도 좋다.
핸들 기판(1) 중에, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역(3)을 형성함으로써, 광학 센서 등으로 핸들 기판을 용이하게 검출할 수 있게 된다. 이 영역에서의 기공의 평균 밀도의 상한은 특별히 없지만, 기공이 지나치게 많으면 강도 저하나 탈립의 원인이 되는 경향이 있다. 이러한 관점에서는, 평균 밀도가 1000 개/㎟ 이하인 것이 바람직하고, 400 개/㎟ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 영역(3)과 표면 영역(2A) 사이에는, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 미만인 영역(7A)이 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 영역(7A)의 기공의 상기 평균 밀도의 하한은 특별히 없다. 또한, 영역(7A)에 있어서, 기공의 상기 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하인 영역과, 50 개/㎟를 초과하는 영역이 혼재하고 있어도 좋다.
또한, 영역(3)과 표면 영역(2B) 사이에는, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 미만인 영역(7B)이 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 영역(7B)의 기공의 상기 평균 밀도의 하한은 특별히 없다. 또한, 영역(7B)에 있어서, 기공의 상기 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하인 영역과, 50 개/㎟를 초과하는 영역이 혼재하고 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 관점에서는, 접합면측의 표면 영역에서의 기공의 평균 밀도를 Nc로 하고, 기판의 두께 방향의 중심선(L)이 통과하는 영역에서의 기공의 평균 밀도를 Ns로 했을 때, 비율(Nc:Ns)은 1:2∼1:40인 것이 바람직하다. 비율이 작으면 원하는 효과를 얻을 수 없고, 지나치게 크면, 소결시에 치우친 응력이 발생하여 크랙을 야기하기 때문이다. 이 관점에서, 비율(Nc:Ns)은, 1:8∼1:40이 더욱 바람직하고, 1:12∼1:40이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 이하와 같이 하여 기공의 상기 평균 밀도를 결정한다.
즉, 핸들 기판의 단면(접합면에 대하여 수직인 단면)을 경면 연마, 서멀 에칭하여 결정 입계를 두드러지게 한 후, 광학 현미경 사진(200배)을 촬영한다. 그리고, 핸들 기판의 두께 방향(접합면에 수직인 방향)으로 0.1 mm, 접합면에 수평인 방향으로 1.0 mm의 층상의 시야를 설정한다. 이 시야를 도 4, 5, 6에 예시한다. 그리고, 각 시야에 관해, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 수를 센다. 얻어진 기공수를 단위 ㎟당 기공수로 환산하여 평균 밀도로 한다.
예컨대, 도 4의 실시예 1에서는, 접합층측(상측)의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 1이고, 두께 방향에서 본 중심선을 통과하는 영역의 시야에서는 기공수가 12이고, 저면측의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 1이다. 기공의 평균 밀도는 각각, 10 개/㎟, 120 개/㎟, 10 개/㎟가 된다.
마찬가지로, 도 5의 실시예 2에서는, 접합층측(상측)의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 5이고, 두께 방향에서 본 중심선을 통과하는 영역의 시야에서는 기공수가 17이고, 저면측의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 4이다. 기공의 평균 밀도는 각각, 50 개/㎟, 170 개/㎟, 40 개/㎟가 된다.
도 6의 실시예 3에서는, 접합층측(상측)의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 2이고, 두께 방향에서 본 중심선을 통과하는 영역의 시야에서는 기공수가 15이고, 저면측의 표면 영역의 시야에서는 기공수가 16이다. 기공의 평균 밀도는 각각, 20 개/㎟, 150 개/㎟, 160 개/㎟가 된다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 기공의 평균 밀도를 산정할 때에는, 핸들 기판을, 접합면으로부터 저면을 향해 층상의 영역으로 분할한다. 각 영역의 두께는 각각 0.1 mm로 한다. 그리고, 각 영역 내에 전술한 바와 같은 두께 0.1 mm×길이 1.0 mm의 측정 시야를 설정하는 것이다.
그리고, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역(3)은, 두께 0.1 mm의 단일층을 포함하지만, 두께 0.1 mm 이상의 영역을 복수(예를 들면 2 영역, 3 영역 등) 포함하고 있는 것이, 본 발명의 관점에서는 보다 바람직하다.
여기서, 크기 0.5 ㎛ 미만의 기공을 제외하는 것은, 시야에 비해서 지나치게 작기 때문에 계수가 어렵고, 또한 정밀 연마시의 표면 상태에 미치는 영향이 작기 때문이다. 또, 크기 3.0 ㎛을 초과하는 기공을 제외한 것은, 기공이 지나치게 조대하여 단순한 함몰이 되기 때문이며, 또한 핸들 기판에 사용하는 치밀한 세라믹스에서는 통상 이 사이즈의 기공이 보이지 않기 때문이다. 단면을 경면 연마할 때, 탈립 등이 발생하여 기공과 구별하기 어려운 경우, 단면 가공에 FIB(Focused Ion Beam) 가공을 이용함으로써 이러한 영향을 배제할 수 있다.
또한, 기공의 크기는 이하와 같이 하여 결정한다. 즉, 핸들 기판의 상기 단면 사진에 있어서, 접합면에 수평인 직선을 그어 기공을 횡단시킨다. 이 때 복수의 직선을 그을 수 있지만, 기공 위를 통과하는 직선의 최대 길이를 기공의 크기로 한다.
본 발명에 있어서는, 접합면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 3.0 nm 이하이고, 이것에 의해 도너 기판에 대한 접합력을 높일 수 있다. 이 관점에서는, 접합면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 1.0 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또, 이것은, 표면에 나타나는 각 결정 입자의 노출면에 관해 AFM(Atomic Force Microscope : 원자간력 현미경)에 의해 촬상하고, JIS B0601에 따라서 산출하는 수치를 말한다. 각 결정립 표면의 면거칠기를 미시적으로 관찰하는 경우에는, 원자간력 현미경에 의한 10 um 시야 범위에서의 표면 형상 관찰이 이용된다.
적합한 실시형태에 있어서는, 투광성 세라믹의 평균 입경이 5∼60 ㎛, 바람직하게는 15 ㎛∼55 ㎛이다. 평균 입경이 작으면, 연마시에 탈립이 생기기 쉽고, 면거칠기가 나빠진다. 또한 크면 소결시의 마이크로 크랙이 발생하고, 면거칠기가 나빠진다. 평균 입경을 상기 범위로 설정함으로써, 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra를 작게 하여, 분자간력에 의한 도너 기판의 접합 강도를 양호하게 하기 쉽다.
또, 결정 입자의 평균 입경은 이하와 같이 하여 측정하는 것이다.
(1) 소결체의 단면을 경면 연마, 서멀 에칭하여 입계를 두드러지게 한 후, 현미경 사진(100∼200배)을 촬영하여, 단위 길이의 직선이 가로지르는 입자의 수를 센다. 이것을 상이한 3개소에 관해 실시한다. 또, 단위 길이는 500 ㎛∼1000 ㎛의 범위로 한다.
(2) 실시한 3개소의 입자의 갯수의 평균을 취한다.
(3) 하기의 식에 의해 평균 입경을 산출한다.
[산출식]
D=(4/π)×(L/n)
[D : 평균 입경, L : 직선의 단위 길이, n : 3개소의 입자의 갯수의 평균]
평균 입경의 산출예를 도 3에 나타낸다. 상이한 3개소의 위치에 있어서, 각각 단위 길이(예컨대 500 ㎛)의 직선이 가로지르는 입자의 갯수를 22, 23, 19로 했을 때, 평균 입경 D는 상기 산출식에 의해,
D=(4/π)×[500/{(22+23+19)/3}]=29.9 ㎛
가 된다.
본 발명의 관점에서는, 핸들 기판의 파장 650 nm의 광의 직선 투과율이 60% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 핸들 기판의 크기, 두께는 특별히 한정되지 않지만, 통상의 SEMI/JEITA 규격 근방인 것이 핸들링의 관계에서 취급하기 쉽다. 또한, 핸들 기판의 두께는, 0.3 mm 이상이 바람직하고, 1.5 mm 이하가 바람직하다.
핸들 기판을 구성하는 다결정 세라믹의 상대 밀도는, 반도체의 후처리에 대한 내구성 및 오염 방지의 관점에서, 98% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 99% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
(핸들 기판의 제조)
원료 분말의 평균 입경(1차 입경)은 특별히 한정되지 않지만, 저온 소결에서의 치밀화라는 관점에서는, 0.6 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.4 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 바람직하게는, 원료 분말의 평균 입경은 0.3 ㎛ 이하이다. 이 평균 입경의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 원료 분말의 평균 입경은, SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 원료 분말의 직접 관찰에 의해 결정할 수 있다.
또, 여기서 말하는 평균 입경이란, SEM 사진(배율 : ×30000. 임의의 2 시야) 상에서의 2차 응집 입자를 제외한 1차 입자의(최장축 길이+최단축 길이)/2의 값의 n=500 평균치를 말한다.
핸들 기판의 성형 방법은 특별히 한정되지 않고, 닥터블레이드법, 압출법, 겔캐스트법 등 임의의 방법이어도 좋다. 특히 바람직하게는, 기판을 이하와 같은 닥터블레이드법을 이용하여 제조한다.
(1) 세라믹 분체와 함께, 결합제가 되는 폴리비닐부티랄 수지(PVB 수지) 또는 아크릴 수지를, 가소제, 분산제와 함께 분산매 중에 분산시켜 슬러리를 조제하고, 닥터블레이드법으로 테이프형으로 성형한 후, 분산매를 건조시켜 슬러리를 고화시킨다.
(2) 얻어진 테이프를 복수매 겹쳐, 프레스 적층 또는 CIP 적층함으로써 원하는 두께의 기판 형상의 성형체를 얻는다.
본 발명의 핸들 기판을 얻기 위해서는, 소결 온도는, 소결체의 치밀화라는 관점에서, 1700∼1900℃가 바람직하고, 1750∼1850℃가 더욱 바람직하다.
또한, 소성시에 충분히 치밀한 소결체를 생성시킨 후에, 추가로 어닐링 처리를 더 실시하는 것이 바람직하다. 이 어닐링 온도는, 본 발명과 같이 표면 영역의 기공을 선택적으로 줄이기 위해, 소성시의 최고 온도+50℃∼최고 온도-50℃로 하는 것이 바람직하고, 소성시의 최고 온도∼최고 온도+50℃로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 어닐링 시간은 1∼6시간인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소성시에는, 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 이루어진 평탄한 판 위에 기판을 놓지만, 그 때, 기판의 상측에는 5∼10 mm의 간극을 두는 것이 소결 조제의 배출을 재촉하여 입성장(粒成長)하기 쉽게 한다는 관점에서 바람직하다. 입성장에 따르는 입계 이동으로 기공의 배출을 진행시킬 수 있기 때문이다. 한편 소결 조제의 배출이 지나치게 진행되면 이상 입성장하기 쉽고, 크랙의 원인이 되기 때문에, 어닐링을 할 때에는 기판 위에 몰리브덴 등의 판을 얹고, 기판을 아래 위 사이에 끼워 넣은 형태로 행하는 것이 더욱 바람직하다.
상기한 바와 같이 성형, 소결을 행하여, 세라믹 소결체로 이루어진 블랭크 기판을 얻는다.
또한, 소결 조제가 많은 세라믹 성형체와 소결 조제가 적은 세라믹 성형체를 일체화하고 나서 소결함으로써, 표면 영역의 기공수가 저감된 블랭크 기판을 얻는 것도 가능하다. 이러한 제작 방법을 채택함으로써, 각 층의 기공율을 컨트롤하기 쉬워지기 때문에, Nc:Ns의 비율을 크게 할 수 있다.
소결체는, 다수의 미세한 세라믹 입자가 결착된 미구조를 갖는다. 블랭크 기판의 표면을 정밀 연마 가공함으로써, 각 결정 입자가 평면을 따라서 깎여 각각 평탄면을 갖는 연마된 결정 입자가 표면에 노출되게 된다. 이 연마된 결정 입자의 표면은 평활하게 되어 있다.
블랭크 기판을 정밀 연마 가공함으로써, 각 결정 입자의 표면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra를 작게 한다. 이러한 연마 가공으로는, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 가공이 일반적이다. 이것에 사용되는 연마 슬러리로서, 알칼리 또는 중성의 용액에 30 nm∼200 nm의 입경을 갖는 지립을 분산시킨 것이 사용된다. 지립 재질로는, 실리카, 알루미나, 다이아, 지르코니아, 산화세륨을 예시할 수 있고, 이들을 단독 또는 조합하여 사용한다. 또한, 연마 패드에는, 경질 우레탄 패드, 부직포 패드, 스웨이드 패드를 예시할 수 있다.
또한, 최종적인 정밀 연마 가공을 실시하기 전의 조연마 가공을 실시한 후에 어닐링 처리를 행하는 것이 바람직하다. 어닐링 처리의 분위기 가스는 대기, 수소, 질소, 아르곤, 진공을 예시할 수 있다. 어닐링 온도는 1200∼1600℃, 어닐링 시간은 2∼12 시간인 것이 바람직하다. 이에 따라, 표면의 평활을 손상시키지 않고, 소결 조제의 배출을 촉진할 수 있다.
핸들 기판이 투광성 알루미나로 이루어진 경우에는, 핸들 기판을 제조할 때의 원료중에 산화마그네슘을 첨가하는 양을 100 ppm 이상으로 함으로써, 핸들 기판의 치밀화를 촉진하여, 그 접합면 근방의 크랙이나 기공 등에 의한 도너 기판의 접합 강도 저하를 억제할 수 있다. 이 관점에서는, 산화마그네슘의 첨가량을 150 ppm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 산화마그네슘의 첨가량을 1000 ppm 이하로 함으로써, 핸들 기판으로부터 도너 기판으로 마그네슘이 확산되는 것을 억제하기 쉬워진다.
(반도체용 복합 기판)
본 발명의 복합 기판은, 프로젝터용 발광 소자, 고주파 디바이스, 고성능 레이저, 파워 디바이스, 논리 IC 등에 이용할 수 있다.
복합 기판은, 본 발명의 핸들 기판과 도너 기판을 포함한다.
도너 기판의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 실리콘, 질화알루미늄, 질화갈륨, 산화아연 및 다이아몬드를 포함하는 군에서 선택된다. 도너 기판의 두께는, 특별히 한정되지 않지만, 통상의 SEMI/JEITA 규격 근방의 것이 핸들링의 관계에서 취급하기 쉽다.
도너 기판은, 전술한 재질을 가지며, 표면에 산화막을 갖고 있어도 좋다. 산화막을 통해서 이온 주입을 행하면, 주입 이온의 채널링을 억제하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 산화막은, 바람직하게는 50∼500 nm의 두께를 갖는다. 산화막을 갖는 도너 기판도 도너 기판에 포함되며, 특별히 구별하지 않는 한 도너 기판으로 칭한다.
예컨대 도 1의 (b)의 복합 기판(6)에 있어서는, 핸들 기판(1)을 얻은 후, 핸들 기판(1)의 접합면(1a) 상에 접합 영역(4)을 통해 도너 기판(5)이 접합되어 있다. 도 1의 (c)의 복합 기판(6A)에 있어서는, 핸들 기판(1)의 접합면(1a) 상에 도너 기판(5)이 직접 접합되어 있다. 이러한 경우, 핸들 기판(1)의 접합면(1a)이 미시적으로 볼 때 평활하기 때문에, 도너 기판과의 접합 강도를 높게 할 수 있다.
(접합 형태)
접합에 이용되는 기술로는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 표면 활성화에 의한 직접 접합이나, 접착 영역을 이용한 기판 접합 기술이 이용된다.
직접 접합에는 계면 활성화에 의한 저온 접합 기술이 바람직하게 이용된다. 10-6 Pa 정도의 진공 상태에서 Ar 가스에 의한 표면 활성화를 실시한 후, 상온에서 Si 등의 단결정 재료가 SiO2 등의 접착 영역을 통해 다결정 재료와 접합될 수 있다.
접착 영역의 예로는, 수지에 의한 접착 외에, SiO2, Al2O3, SiN이 이용된다.
실시예
(실시예 1)
본 발명의 효과를 확인하기 위해, 투광성 알루미나 소결체를 이용한 핸들 기판(1)을 시험 제작했다.
우선, 투광성 알루미나 소결체제의 블랭크 기판을 작성했다. 구체적으로는, 이하의 성분을 혼합한 슬러리를 조제했다.
(원료 분말)
ㆍ비표면적 3.5∼4.5 ㎡/g, 평균 1차 입경 0.35∼0.45 ㎛의 α-알루미나 분말 100 중량부
ㆍMgO(마그네시아) 0.025 중량부
ㆍZrO2(지르코니아) 0.040 중량부
ㆍY2O3(이트리아) 0.0015 중량부
(분산매)
ㆍ2-에틸헥사놀 45 중량부
(결합제)
ㆍPVB 수지 4 중량부
(분산제)
ㆍ고분자 계면 활성제 3 중량부
(가소제)
ㆍDOP 0.1 중량부
이 슬러리를, 닥터블레이드법을 이용하여 소성후의 두께로 환산하여 0.25 mm가 되도록 테이프형으로 성형했다. 이것을 4층 겹쳐서 프레스 적층하여, 소성후의 두께가 1 mm가 되는 기판형의 분말 성형체를 얻었다.
얻어진 분말 성형체를, 대기중 1100℃에서 가소(예비 소성)한 후, 수소 3:질소 1의 분위기 중 1750℃에서 3시간 소성을 행하고, 그 후 1700℃에서 3시간 어닐링 처리를 실시했다.
작성한 블랭크 기판에 고정밀 연마 가공을 실시했다. 우선 그린카본에 의한 양면 랩가공에 의해 형상을 정돈한 후, 다이아몬드 슬러리에 의해 표면에 편면 랩가공을 실시했다. 이것을, 대기 분위기하 1300℃에서 6시간 어닐링 처리를 실시한 후, 최종적인 면거칠기를 얻기 위해, 콜로이달실리카를 이용한 CMP 연마 가공을 실시했다. 이 때, 전체 가공량이 깊이 방향에서 400 ㎛, 어닐링후의 가공량은 10 ㎛가 되도록 조정했다. 또한, 가공후의 기판을, 과산화암모니아, 과산화염산, 황산, 플루오르화수소산, 왕수와 순수에 각각 교대로 침지하고 세정하여, 핸들 기판(1)을 제작했다.
얻어진 핸들 기판에 관해, 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역의 두께, 접합면측의 표면 영역에서의 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도, 접합면측의 표면 영역에서의 기공의 평균 밀도(Nc)와 기판의 두께 방향의 중심선이 통과하는 영역에서의 기공의 평균 밀도(Ns)의 비율(Nc:Ns), 결정의 평균 입경, 광학 센서에서의 검지의 가부, 접합면의 Ra를 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112015016931932-pct00001
(실시예 2∼8)
실시예 1과 동일하게 하여 핸들 기판을 제작했다. 단, 소성 온도, 소성후의 어닐링 온도, 어닐링 시간, 랩후의 어닐링 온도, 랩후의 어닐링 시간을 변경했다. 얻어진 각 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 9, 10, 11)
실시예 1과 동일하게 하여 핸들 기판을 제작했다. 단, 테이프 성형층(4) 중, 표면측의 2층과 중앙측의 2층의 산화마그네슘의 양을 변경했다. 얻어진 측정 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 실시예 11은 10장 작성한 중의 1장에 있어서, 어닐링 처리후 크랙이 발생했다.
(비교예 1∼4)
실시예 1과 동일하게 하여 핸들 기판을 제작했다. 단, 소성 온도, 소성후의 어닐링 온도, 어닐링 시간, 랩후의 어닐링 온도, 랩후의 어닐링 시간을 변경했다. 얻어진 각 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[표 2]
Figure 112015016931932-pct00002
(접합 시험)
실시예 1∼11에서 얻어진 각 핸들 기판의 표면에, 실리콘 박판과의 접착 영역으로서 SiO2 영역을 형성했다. 단, 실시예 11에 관해서는 크랙이 발생하지 않은 것만 이용했다. 성막 방법은 플라즈마 CVD를 이용하고, 제막후에 CMP 연마(화학 기계연마)를 실시함으로써, 최종적인 SiO2 영역의 막두께를 100 nm으로 했다. 그 후, 플라즈마 활성화법에 의해 Si 기판과 SiO2 영역을 직접 접합하여, Si-SiO2-핸들 기판으로 이루어진 복합 기판을 시험 제작했다. 그 결과, 양호한 접합 상태를 얻을 수 있고, 크랙, 박리, 균열은 보이지 않았다. 또한, 얻어진 복합 기판을 1000℃에서 30분간 열처리한 결과, 접합 상태는 변하지 않고, 크랙, 박리 등의 발생은 보이지 않았다.
한편, 비교예 2, 4의 각 핸들 기판의 표면에, 전술한 바와 같이 하여 실리콘 기판을 접합했다. 얻어진 각 복합 기판을 1000℃에서 30분간 열처리한 결과, 부분적으로 박리가 보였다. 또, 비교예 1의 핸들 기판은 광학 센서에서의 검지를 할 수 없고, 비교예 3의 핸들 기판은 크랙이 보이지 않기 때문에, 접합 시험을 행하지 않았다.

Claims (10)

  1. 반도체용 복합 기판의 핸들 기판으로서,
    상기 핸들 기판이 투광성 세라믹으로 이루어지고, 상기 핸들 기판의 접합면측의 표면 영역에 포함되는 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 50 개/㎟ 이하이고, 상기 핸들 기판 내에 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 100 개/㎟ 이상인 영역이 형성되어 있고, 상기 투광성 세라믹의 평균 입경이 5∼60 ㎛인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 핸들 기판 내에서의 크기 0.5∼3.0 ㎛의 기공의 평균 밀도가 1000 개/㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접합면측의 상기 표면 영역에서의 상기 기공의 평균 밀도와, 상기 기판의 두께 방향의 중심선이 통과하는 영역에서의 상기 기공의 평균 밀도의 비율이 1:2∼1:40인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  4. 제2항에 있어서, 상기 접합면측의 상기 표면 영역에서의 상기 기공의 평균 밀도와, 상기 기판의 두께 방향의 중심선이 통과하는 영역에서의 상기 기공의 평균 밀도의 비율이 1:2∼1:40인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투광성 세라믹이 다결정 알루미나인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핸들 기판의 접합면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 3.0 nm 이하이고, 파장 650 nm의 광의 직선 투과율이 60% 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  7. 제3항에 있어서, 상기 투광성 세라믹이 다결정 알루미나이고, 상기 핸들 기판의 접합면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 3.0 nm 이하이고, 파장 650 nm의 광의 직선 투과율이 60% 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  8. 제4항에 있어서, 상기 투광성 세라믹이 다결정 알루미나이고, 상기 핸들 기판의 접합면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 3.0 nm 이하이고, 파장 650 nm의 광의 직선 투과율이 60% 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
  9. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제7항, 또는 제8항 중 어느 한 항에 기재된 핸들 기판, 및 상기 핸들 기판의 상기 접합면에 대하여 직접 또는 접합 영역을 통해 접합되어 있는 도너 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도너 기판이 단결정 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판.
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