KR20150097384A - 반도체용 복합 기판의 핸들 기판 - Google Patents

Abstract

반도체용 복합 기판은, 핸들 기판(11), 및 핸들 기판(11)의 표면에 대하여 직접 또는 접합층을 통해 접합되어 있는 도너 기판을 갖는다. 핸들 기판(11)이 절연성 다결정 재료에 의해 형성되어 있고, 핸들 기판(11)의 표면(15)의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 5 ㎚ 이하이며, 핸들 기판의 표면에 오목부(6)가 형성되어 있다.

Description

반도체용 복합 기판의 핸들 기판{HANDLE SUBSTRATE FOR COMPOUND SUBSTRATE FOR USE WITH SEMICONDUCTOR}

본 발명은 반도체용 복합 기판의 핸들 기판에 관한 것이다.

종래, Silicon on Quartz(SOQ), Silicon on Glass(SOG), Silicon on Sapphire (SOS)라고 불리는 핸들 기판을, 투명·절연 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 절연성·투명성 등으로부터 프로젝터, 고주파 디바이스 등에의 응용이 기대되고 있다. 또한 와이드갭 반도체의 박막을 핸들 기판에 복합화한 접합 웨이퍼는, 고성능 레이저나 파워 디바이스 등에의 응용이 기대된다.

이러한 반도체 집적 회로용의 복합 기판은, 핸들 기판과 도너 기판으로 이루어져 있으며, 일반적으로 핸들 기판이나 도너 기판은 단결정 재료로 이루어진다. 종래에는, 베이스 기판 상에 실리콘층을 에피택셜 성장에 의해 형성하는 방법이 주류였으나, 최근 직접 접합에 의해 형성하는 방법이 개발되어, 반도체 디바이스의 성능 개선에 기여하고 있다(특허문헌 1, 2, 3). 즉, 이러한 핸들 기판과 도너 기판은, 접합층이나 접착층을 통해 접합되거나, 또는 직접 접합된다. 또한, 접합 기술의 진보에 따라, 석영, 유리, 알루미나와 같은 사파이어 이외의 재질로 이루어지는 핸들 기판도 각종 제안되어 있다(특허문헌 4, 5, 6, 7).

일본 특허 공개 평성 제08-512432 일본 특허 공개 제2003-224042 일본 특허 공개 제2010-278341 WO 2010/128666 A1 일본 특허 공개 평성 제05-160240 일본 특허 공개 평성 제05-160240 일본 특허 공개 제2008-288556

도너 기판과의 접합에 이용되는 핸들 기판은, 분자간력에 의한 접합력을 최대화하기 위해서, CMP 등에 의해 고정밀도 연마가 실시되어, 그 Ra값을 5 ㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이렇게 해서 완성된 복합 기판은, 각종 반도체 프로세스의 과정에 있어서, 때때로 1000℃ 부근의 온도 분위기에 노출된다. 그 때문에, 기능층과 지지 기판 및 접합층이 상이한 재료인 경우, 각각의 재료의 열팽창차에 기인한 기판 박리의 문제가 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 분자간력에 의한 접합력을 최대화하기 위해서 핸들 기판 표면의 Ra값을 낮게 유지하면서, 동시에 접합 후의 고온 프로세스에 의한 열응력에 견디는 것이 요망된다.

본 발명의 과제는, 반도체용 복합 기판의 핸들 기판에 있어서, 도너 기판과 접합할 수 있고, 또한 접합 후의 고온 프로세스에 의한 열응력에 대한 내구성을 높게 할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은, 반도체용 복합 기판의 핸들 기판으로서,

핸들 기판이 절연성 다결정 재료에 의해 형성되어 있고, 핸들 기판의 표면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 5 ㎚ 이하이며, 핸들 기판 표면에 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 핸들 기판, 및 핸들 기판의 상기 표면에 대하여 직접 또는 접합층을 통해 접합되어 있는 도너 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판에 관한 것이다.

핸들 기판이 사파이어 기판이면, 그 표면을 매우 평활하게 할 수 있지만, 그러나, 접합 후의 복합 기판을 고온 프로세스에 제공하면, 핸들 기판과 도너 기판 사이의 열팽창차에 의해, 크랙이나 박리가 발생하기 쉬워진다.

이 때문에, 본 발명자는, 핸들 기판을 다결정 재료에 의해 형성하였다. 여기서, 다결정 재료는, 다수의 미세 입자가 결착된 미세 구조를 갖는다. 본 발명자는, 이러한 다결정 재료를 성형한 후, 그 표면을 적절히 정밀 연마 가공함으로써 Ra를 충분히 작게 함과 동시에, 표면에 있어서 인접하는 결정 입자 사이에서 미세한 결정립을 탈락시키는 것이나 결정 내부에 존재하는 기포를 적극적으로 활용함으로써 미세한 오목부를 남긴 구조를 얻었다.

이와 같이, 결정 입자의 표면을 미시적으로 보아 평활하게 함으로써, 도너 기판과의 접합이 가능하였다. 이와 동시에, 미세한 오목부가 인접하는 결정 입자 사이에 잔류한 미세 구조를 핸들 기판 표면에 형성함으로써, 이 오목부에 접합층이나 접착제가 충전되어, 강력한 앵커 효과를 기대할 수 있으며, 열팽창차에 의한 크랙이나 박리를 방지하는 것이 가능해졌다.

도 1의 (a)는 다결정 재료의 가공 프로세스를 도시한 도면이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 핸들 기판의 표면 상태를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 핸들 기판의 표면을 나타내는 사진이다.
도 3의 (a)는 다결정 재료로 이루어지는 블랭크 기판(12)을 도시하고, 도 3의 (b)는 블랭크 기판(12)을 정밀 연마 가공하여 얻어진 기재(1)를 도시하며, 도 3의 (c)는 기재(1)를 더욱 연마 가공하여 얻어진 핸들 기판(11)을 도시하고, 도 3의 (d)는 핸들 기판(11) 상에 도너 기판(17)을 접합층(16)을 통해 접합하여 얻어진 복합 기판(20A)을 도시하며, 도 3의 (e)는 핸들 기판(11) 상에 도너 기판(17)을 직접 접합하여 얻어진 복합 기판(20B)을 도시한다.
도 4의 (a)는 핸들 기판(11) 상에 도너 기판(17)을 접합층(16)을 통해 접합하여 얻어진 복합 기판(20A)의 미세 구조를 도시한 모식도이고, 도 4의 (b)는 핸들 기판(11) 상에 도너 기판(17)을 직접 접합하여 얻어진 복합 기판(20B)의 미세 구조를 도시한 모식도이다.
도 5의 (a), 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)는, 각각, 오목부의 평면적 형상을 예시하는 도면이다.
도 6은 핸들 기판의 표면에 형성되어 있는 오목부의 깊이의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 핸들 기판의 표면에 형성되어 있는 오목부의 직경의 분포를 나타낸 그래프이다.

이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명을 더 설명한다.

먼저, 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 다결정 재료로 이루어지는 블랭크 기판(12)을 준비한다. 블랭크 기판(12)의 표면(12a), 저면(底面; 12b)은, 연삭면이어도 좋고, 또한 소성면(애즈파이어면)이어도 좋다.

다결정 재료는, 다수의 미세 입자가 결착된 미세 구조를 갖는다. 다결정 재료는, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 결정 입자(3)가 랜덤하게 배치됨으로써 구성되어 있다. 블랭크 기판(12)의 표면(12a)을 정밀 연마 가공함으로써, 각 결정 입자(3)가 평면을 따라 깎여져, 각각 평탄면을 갖는, 연마된 결정 입자(2)가 표면에 노출되게 된다. 이 연마된 결정 입자(2)의 표면은 평활하게 되어 있다.

여기서, 기재(1)의 표면(5)에 남는 결정 입자(2) 사이에는 움푹한 곳이 남는데, 이때, 움푹한 곳에는, 대부분이 연마되어 소실된 미세 입자(4)가 잔류하게 된다. 이어서, 이 기재(1)의 표면(5)을 추가로 정밀 연마하여, 결정 입자(2)의 노출면의 중심선 평균 표면 거칠기 Ra를 한층 향상시킬 때, 이들 입계에 잔류하는 미세 입자(4)를 탈락시켜, 오목부(6)를 잔류시키는 것에 성공하였다[도 1의 (b), 도 3의 (c)]. 기재(1)의 표면(5)에 잔존하는 각 결정의 에지 부분은, 입자(4)가 작아 다른 결정립과의 밀착력이 약해지기 때문에, 추가 연마에 의해 용이하게 제거할 수 있다. 이에 의해 패터닝 등의 프로세스를 실시하지 않고, 표면 오목부를 다수 형성 가능하다. 또한 소재의 결정립 직경을 15 ㎛ 이상으로 함으로써, 결정 내부에 기포를 발생시키기 쉽게 하여, 연마 가공 후의 표면에 오목부를 형성시키는 것이 가능하다.

즉, 잔류 결정립의 제거에 의해 오목부를 형성한 경우에는, 결정립 사이의 입계 상에 오목부를 형성할 수 있다. 또한, 결정립 직경의 제어에 의한 기포에서 유래한 오목부를 형성하는 경우에는, 결정립 내부에 기포가 있기 때문에, 연마 후의 표면에 있어서는 결정 입자 내에 오목부를 형성할 수 있다.

이렇게 해서 얻어진 핸들 기판(11)에 있어서는, 표면(15)의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 5 ㎚ 이하이며, 핸들 기판 표면으로부터의 결정 입자(4)의 탈락에 의한 오목부(6)가, 인접하는 결정 입자(2)의 입계를 따라 형성되어 있다.

도 1의 (b)의 모식도로 나타낸 표면을 도 2에 사진으로서 나타내었다. 도 2의 사진에 있어서, 어두운 부분은 입자(2)의 노출면(2a)이고, 밝고 가늘고 긴 선은 입계를 나타내며, 둥근 움푹한 곳은 오목부(6)를 나타낸다.

핸들 기판(11)을 얻은 후, 핸들 기판(11)의 표면(15)에 대하여 도너 기판(17)을 접합할 수 있다. 도 3의 (d) 및 도 4의 (a)의 예에서는, 핸들 기판(11)의 표면(15) 상에 접합층(16)을 통해 도너 기판(17)이 접합되어 있다. 이 경우, 핸들 기판(11)의 표면이 미시적으로 보아 평활하기 때문에, 도너 기판과의 접합 강도를 높게 할 수 있다. 또한, 접합층(16)의 재질이 오목부(6) 내에 16a와 같이 들어가, 일종의 앵커 효과를 나타내기 때문에, 핸들 기판과 도너 기판 사이의 열팽창차에 의한 박리를 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 3의 (e) 및 도 4의 (b)의 예에서는, 핸들 기판(11)의 표면(15) 상에 도너 기판(17)이 직접 접합되어 있다. 이 경우, 핸들 기판(11)의 표면이 미시적으로 보아 평활하기 때문에, 도너 기판과의 접합 강도를 높게 할 수 있다. 또한, 도너 기판의 재질이 오목부(6) 내에 17a와 같이 들어가, 일종의 앵커 효과를 나타내기 때문에, 핸들 기판과 도너 기판 사이의 열팽창차에 의한 박리를 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

이하, 본 발명의 각 구성 요소를 더 설명한다.

(반도체용 복합 기판)

본 발명의 복합 기판은, 프로젝터, 고주파 디바이스, 고성능 레이저, 파워 디바이스 등의 반도체, 특히 반도체 회로 기판에 이용할 수 있다.

복합 기판은, 본 발명의 핸들 기판과, 도너 기판을 포함한다.

도너 기판의 재질은, 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는, 실리콘, 질화알루미늄, 질화갈륨, 산화아연 및 다이아몬드로 이루어지는 군에서 선택된다. 도너 기판의 두께는, 특별히 한정되지 않으나, 통상의 SEMI/JEIDA 규격 근방의 것이 핸들링의 관계로부터 취급하기 쉽다.

도너 기판은, 전술한 재질을 가지며, 표면에 산화막을 갖고 있어도 좋다. 산화막을 통해 이온 주입을 행하면, 주입 이온의 채널링을 억제하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 산화막은, 바람직하게는 50 ㎚∼500 ㎚의 두께를 갖는다. 산화막을 갖는 도너 기판도 도너 기판에 포함되며, 특별히 구별하지 않는 한, 도너 기판이라고 칭한다.

(핸들 기판)

핸들 기판의 두께는, 특별히 한정되지 않으나, 통상의 SEMI/JEIDA 규격 근방의 것이 핸들링의 관계로부터 취급하기 쉽다.

핸들 기판의 재질은 다결정 재료이다. 다결정 재료는, 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는, 산화실리콘, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 사이알론 및 질화갈륨으로 이루어지는 군에서 선택된다.

다결정 재료의 결정립 직경은, 5 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하며, 이에 의해, 결정 입자의 탈락 현상을 제어하기 쉬워진다. 결정립 직경이 지나치게 작으면, 탈립(脫粒)이 현저해지고, 오목부수가 많아져, 후에 형성되는 반도체의 특성에 영향을 미치기 쉬워진다. 이 점으로부터, 다결정 재료의 결정립 직경은, 15 ㎛ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 다결정 재료의 결정립 직경은, 200 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하며, 이에 의해 오목부의 직경이 지나치게 커지는 것을 억제할 수 있다.

또한, 핸들 기판을 구성하는 다결정 재료의 상대 밀도는, 반도체의 후처리에 대한 내구성 및 오염 방지의 관점에서, 98% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 99% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

(투광성 알루미나 세라믹스)

다결정 재료로서는, 투광성 알루미나 세라믹이 특히 적합하게 이용된다. 이유로서, 매우 치밀한 소결체가 얻어지기 때문에, 오목부 형성 부분에 응력 집중이 발생해도, 핸들 기판의 깨짐이나 크랙이 발생하기 어렵다.

투광성 알루미나 기판의 성형 방법은 특별히 한정되지 않고, 닥터 블레이드법, 압출법, 겔 캐스트법 등 임의의 방법이어도 좋다. 특히 바람직하게는, 기판을 겔 캐스트법을 이용하여 제조한다. 적합한 실시형태에 있어서는, 세라믹 분말, 분산매 및 겔화제를 포함하는 슬러리를 주형(注型)하고, 이 슬러리를 겔화시킴으로써 성형체를 얻으며, 이 성형체를 소결시킨다.

특히 바람직하게는, 순도 99.9% 이상(바람직하게는 99.95% 이상)의 고순도 알루미나 분말에 대하여, 150 ppm∼1000 ppm의 조제를 첨가한 원료를 이용한다. 이러한 고순도 알루미나 분말로서는, 다이메이 가가쿠 고교 가부시키가이샤 제조의 고순도 알루미나 분체를 예시할 수 있다.

전술한 조제로서는, 산화마그네슘이 바람직하지만, ZrO₂, Y₂O₃, La₂O₃, Sc₂O₃도 예시할 수 있다.

적합한 실시형태에 있어서는, 투광성 알루미나 기판에 있어서의 알루미나 이외의 불순물량이 0.2 질량% 이하이며, 이에 의해 반도성 오염을 억제할 수 있기 때문에, 본 발명이 특히 유효하다.

원료 분말의 평균 입경(일차 입자 직경)은 특별히 한정되지 않으나, 저온 소결에서의 치밀화라고 하는 관점에서는, 0.5 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.4 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 한층 바람직하게는, 원료 분말의 평균 입자 직경은 0.3 ㎛ 이하이다. 이 평균 입경의 하한은 특별히 한정되지 않는다. 원료 분말의 평균 입자 직경은, SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 원료 분말의 직접 관찰에 의해 결정할 수 있다.

한편, 여기서 말하는 평균 입자 직경이란 SEM 사진(배율: X30000. 임의의 2시야) 상에 있어서의 2차 응집 입자를 제외한 1차 입자의 (최장축 길이+최단축 길이)/2의 값의 n=500 평균값을 말한다.

겔 캐스트법은, 이하의 방법을 예시할 수 있다.

(1) 무기물 분체와 함께, 겔화제가 되는 폴리비닐알코올, 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 프리폴리머를, 분산제와 함께 분산매 중에 분산하여 슬러리를 조제하고, 주형 후, 가교제에 의해 3차원적으로 가교하여 겔화시킴으로써, 슬러리를 고화시킨다.

(2) 반응성 관능기를 갖는 유기 분산매와 겔화제를 화학 결합시킴으로써, 슬러리를 고화시킨다.

(핸들 기판의 표면의 미세 구조)

본 발명에서는, 핸들 기판의 표면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 5 ㎚ 이하이다. 이것이 크면, 분자간력에 의해, 도너 기판의 접합 강도를 저감시킨다. 이것은, 본 발명의 관점에서는, 3 ㎚ 이하가 더욱 바람직하고, 1 ㎚ 이하가 가장 바람직하다. 한편, 이것은, 표면에 나타나는 각 결정 입자(2)[도 1의 (b) 참조]의 노출면(2a)에 대해서 원자간력 전자 현미경에 의해 촬상하고, 후술하는 바와 같이 하여 산출하는 수치를 말한다.

본 발명에서는, 핸들 기판 표면으로부터의 결정 입자의 탈락에 의한 오목부가 형성되어 있다. 다결정 재료를 형성하는 결정 입자(2)가 표면에 노출되는 노출면(2a) 사이에 입계가 노출되어 있고, 오목부(6)는 이 입계에 생성되어 있다. 이 때문에, 오목부(6)는, 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra에 대해서는 직접 영향을 미치지 않는다.

핸들 기판 표면에 있는 오목부(6)의 직경은, 오목부의 개수의 95% 이상이 10 ㎛ 이하에 분포하고 있는 것이 바람직하고, 8 ㎛ 이하에 분포하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 오목부의 개수의 5% 이상이, 직경 10 ㎛보다 크게 분포하는 경우, 표면의 Ra값의 악화가 현저해져, 분자간력에 의한 접합의 강도 저하를 초래하는 요인이 되는 경우가 있다.

단, 핸들 기판의 접합면에 있어서의 오목부의 직경의 분포는, 1000배의 레이저 현미경에 의해 행한다. 구체적으로는, 오목부 전체를 내포 가능한 최소 원의 직경을 오목부 직경으로 한다. 측정 시야는 200 ㎛×200 ㎛로 하고, 그 시야 중에 포함되는 오목부의 직경을 측정하여 판정한다. 단일의 시야에 포함되는 오목부의 수가 적은 경우, 복수 시야를 관찰하여, 측정하는 오목부의 총수가 100 이상이 되도록 한다.

또한, 핸들 기판의 접합면에 있어서의 오목부의 직경의 평균값은, 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 단, 핸들 기판의 접합면에 있어서의 오목부의 직경의 평균값은, 먼저 그 분포를 전술한 바와 같이 하여 측정한 후, 그 직경의 평균값을 산출하는 것으로 한다.

전술한 바와 같이, 핸들 기판의 접합면에 있어서의 오목부의 직경을 작게 함으로써, 도너 기판의 방열 특성이나 핸들 기판의 절연성에 영향을 미치는 것을 억제할 수 있다.

또한, 핸들 기판의 접합면에 있는 오목부의 직경은, 오목부의 개수의 95% 이상이 0.5 ㎛ 이상에 분포하고 있는 것이 바람직하다.

또한, 핸들 기판의 접합면에 있는 오목부의 직경의 평균값은, 1.0 ㎛ 이상이 바람직하고, 1.5 ㎛ 이상이 한층 바람직하다.

이와 같이, 핸들 기판 표면에 있는 오목부의 직경을 크게 함으로써, 전술한 열팽창차에 의한 박리 억제라고 하는 효과가 한층 현저해진다. 나아가서는 오목부 직경이 0.5 ㎛보다 작아지면, 접착층이 오목부에 들어가기 어려워지기 때문에, 앵커 효과를 기대하는 것이 어려워진다.

이러한 관점에서, 직경 0.5 ㎛ 이상의 오목부의 밀도는, 앵커 효과에 의한 밀착력 증대의 관점에서는, 표면의 면적 1 ㎠당, 50개 이상으로 하는 것이 바람직하고, 200개 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 오목부가 지나치게 많아지는 것에 의한 열전도의 악화 등 반도체에의 영향을 억제한다고 하는 관점에서는, 직경 0.5 ㎛ 이상의 오목부의 밀도는, 표면의 면적 1 ㎠당, 4500개 이하로 하는 것이 바람직하고, 2000개 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 핸들 기판 표면의 오목부의 깊이는, 오목부의 개수의 95%가 1 ㎛ 이하에 분포하고 있는 것이 바람직하고, 0.6 ㎛ 이하에 분포하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 오목부의 개수의 5% 이상이 깊이 1 ㎛보다도 깊게 분포하고 있는 경우, 접착층이 오목부 내부까지 들어가는 것이 어려워지고, 그 때문에 열전도 특성의 악화를 초래할 우려가 있다.

단, 핸들 기판의 접합면에 있어서의 오목부의 깊이의 분포는, 간섭계(ZYGO사 제조 NewView 7100, 대물×50, 줌×1)에 의해 행한다. 구체적으로는, 관찰된 오목부의 가장 깊은 값을 그 오목부의 깊이로 한다. 측정 시야는 140 ㎛×110 ㎛로 하고, 그 시야 중에 포함되는 오목부의 깊이를 Rt값 측정(PV값 측정)하여 판정한다. 단일의 시야에 포함되는 오목부의 수가 적은 경우, 복수 시야를 관찰하여, 측정하는 오목부의 총수가 100 이상이 되도록 한다.

또한, 핸들 기판의 접합면의 오목부의 깊이의 평균값은, 0.8 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.5 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이 핸들 기판 표면의 오목부의 깊이를 작게 함으로써, 오목부 주변에서의 응력 집중에 의한 핸들 기판의 강도 열화를 억제할 수 있다.

또한, 핸들 기판 표면의 오목부의 깊이는, 오목부의 개수의 95% 이상이 0.05 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 핸들 기판의 접합면의 오목부의 깊이의 평균값은, 0.1 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 0.2 ㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이 핸들 기판 표면의 오목부의 깊이를 크게 함으로써, 본 발명의 효과가 한층 현저해진다.

핸들 기판의 접합면의 오목부를 평면적으로 보았을 때의 윤곽 형상은, 모난 형상보다도, 곡선을 주체로 한 형상인 것이 좋다. 즉, 핸들 기판의 접합면의 오목부를 평면적으로 보았을 때의 윤곽 형상은, 매끄러운 곡선으로 이루어져 있는 것이 바람직하고, 모서리부가 없는 것이 바람직하다.

여기서, 「매끄러운 곡선」이란, 수학적으로 정의되는 것이다. 즉, 연속 곡선은 통상은 뾰족한 점(커스프)을 갖는 경우가 있으나, 이러한 뾰족한 점을 갖지 않는, 전체 길이에 걸쳐 미분 가능한 연속 곡선을 「매끄러운 곡선」이라고 부른다. 바꿔 말하면, 연속 곡선 상의 임의의 점에서 미분 가능한 곡선을 「가미분 곡선」 또는 「매끄러운 곡선」이라고 부른다.

오목부의 윤곽이 모서리부를 포함하는 경우, 모서리부에의 응력 집중에 의한 크랙 등의 발생이 용이해져, 기판 강도의 열화로 이어질 우려가 있으나, 오목부의 윤곽이 매끄러운 곡선이면, 이러한 크랙을 억제할 수 있다.

이러한 매끄러운 곡선의 예로서는, 원형이나 타원형이 특히 바람직하다.

예컨대, 도 5의 (a)의 예에서는, 표면(15)에 형성된 오목부(6)의 윤곽(6a)은 원형 내지 타원형을 하고 있다. 또한, 도 5의 (b)의 예에서는, 표면(15)에 형성된 오목부(6A)의 윤곽(6a)은, 매끄러운 곡선이지만, 이형(異形)으로 되어 있다.

도 5의 (c)의 예에서는, 표면(15)에 형성된 오목부(6B)의 윤곽(6a)은 다각형, 예컨대 직사각형이며, 모서리부(6b)를 갖고 있다.

전술한 바와 같이 매끄러운 곡선 형상의 윤곽을 갖는 오목부는, 랩 가공시에 형성한 탈립면(脫粒面)을 CMP 가공함으로써 얻을 수 있다.

(핸들 기판의 표면 처리)

블랭크 기판(12)을 연마 가공함으로써, 본 발명의 핸들 기판 표면을 얻을 수 있다. 이러한 연마 가공으로서는, 이하를 예시할 수 있다.

먼저, 블랭크 기판의 표면을, GC(그린카본)에 의해 랩 가공을 실시함으로써, 하지(下地) 가공면을 얻는다. 이어서, 입경이 큰 다이아몬드 지립에 의한 랩 가공을 실시한다. 이때, 다이아몬드 랩 가공시에 입경 1 ㎛∼6 ㎛의 입경의 다이아몬드 지립으로 중간 다듬질을 실시함으로써, 오목부를 임의로 형성할 수 있다. 이렇게 해서 형성한 중간 다듬질면에 대하여, 콜로이달 실리카 등을 이용한 다듬질 가공을 실시함으로써 미시적인 면 거칠기를 5 ㎚ 이하로 하면서 표면에 오목부를 효과적으로 형성하는 것이 가능해진다.

(접합 형태)

또한 접합에 이용되는 기술로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 표면 활성화에 의한 직접 접합이나, 접착층을 이용한 기판 접합 기술이 이용된다.

직접 접합에는, 계면 활성화에 의한 저온 접합 기술이 적합하게 이용된다. 10^-6 ㎩ 정도의 진공 상태에서 Ar 가스에 의한 표면 활성화를 실시 후, 상온에서 Si 등의 단결정 재료가 SiO₂ 등의 접착층을 통해 다결정 재료와 접합될 수 있다.

접착층의 예로서는, 수지에 의한 접착 외에, SiO₂, Al₂O₃, SiN이 이용된다. 핸들 기판이 고순도 알루미나인 경우, Al₂O₃의 비정질막이 그 접착층으로서 적합하게 이용된다. 즉, 비정질층과 다결정층의 열팽창 계수의 차이에 의해, 핸들 기판 상에 형성한 비정질막은 앵커 효과에 의한 밀착 강도의 향상을 기대할 수 있다. 또한 비정질층의 표면은, CMP 가공에 의해 Ra<1 ㎚ 정도의 면이 얻어지기 때문에, 평탄성이 높은 기판과의 분자간력에 의한 접합 강도의 향상을 기대할 수 있다. 이러한 비정질막은, 증착법, 이온 플레이팅법, CVD법과 같은 공지의 성막법에 의해 형성할 수 있다.

실시예

본 발명의 효과를 확인하기 위해서 투광성 알루미나 세라믹을 이용한 핸들 기판(11)을 시험 제작하였다.

먼저, 투광성 알루미나 세라믹제의 블랭크 기판(12)을 작성하였다.

구체적으로는, 이하의 성분을 혼합한 슬러리를 조제하였다.

(원료 분말)

·비표면적 3.5 ㎡/g∼4.5 ㎡/g, 평균 일차 입자 직경 0.35 ㎛∼0.45 ㎛의 α-알루미나 분말 100 중량부

·MgO(마그네시아) 0.025 중량부

·ZrO₂(지르코니아) 0.040 중량부

·Y₂O₃(이트리아) 0.0015 중량부

(분산매)

·글루타르산디메틸 27 중량부

·에틸렌글리콜 0.3 중량부

(겔화제)

·MDI 수지 4 중량부

(분산제)

·고분자 계면 활성제 3 중량부

(촉매)

·N,N-디메틸아미노헥산올 0.1 중량부

상기한 혼합물로 이루어지는 슬러리를, 알루미늄 합금제의 몰드에 실온에서 주형 후, 실온에서 1시간 방치하였다. 이어서 40℃에서 30분 방치하여, 고화를 진행시키고 나서, 이형(離型)하였다. 또한, 실온, 이어서 90℃의 각각에서 2시간 방치하여, 판 형상의 분말 성형체를 얻었다.

얻어진 분말 성형체를, 대기 중 1100℃에서 하소(예비 소성) 후, 수소 3:질소 1의 분위기 중 1700℃∼1800℃에서 소성을 행하고, 그 후, 동일 조건에서 어닐링 처리를 실시하여, 다결정 재료로 이루어지는 블랭크 기판(12)으로 하였다. 또한 기포를 현저하게 하고 싶은 경우에는, 소성 온도를 1500℃∼1700℃로 하고, 1400℃∼소성 온도까지의 승온을 급속(1000℃/시간 이상)히 행함으로써, 기포의 빠짐을 나쁘게 하여, 블랭크재 내부에 기포를 많이 체류시킬 수 있다.

작성한 블랭크 기판(12)에 고정밀도 연마 가공을 실시하였다. 먼저 그린카본에 의한 양면 랩 가공에 의해 형상을 갖춘 후, 다이아몬드 슬러리에 의해 표면(12a)에 편면(片面) 랩 가공을 실시하였다. 다이아몬드의 입경을 3 ㎛로 함으로써, 미세 결정 입자(4) 및 오목부(6)의 형성을 용이하게 하는 것이 가능해졌다. 최종적인 면 거칠기를 얻기 위해서, 콜로이달 실리카를 이용한 CMP 연마 가공을 실시하였다. 이에 의해, 도 1의 (b) 및 도 2에 도시한 바와 같은 표면 형상을 갖는 핸들 기판(11)을 얻었다.

얻어진 핸들 기판에 대해서, 표면(15)의 각 결정립 표면을 미시적으로 보았을 때의 중심선 평균 표면 거칠기 Ra를 측정한 결과, 1 ㎚ 미만이었다. 단, 측정은, 이하와 같이 하여 행한다.

각 결정립 표면의 면 거칠기를 미시적으로 관찰하는 경우에는, AFM(Atomic Force Microscope: 원자간력 현미경)에 의한 10 ㎛ 시야 범위에서의 표면 형상 관찰이 이용된다.

한편, 표면의 탈립이나 기포에서 유래하는 표면 요철 형상을 측정하는 경우에는, AFM에 의한 광시야(>70 ㎛ 시야 범위) 표면 형상 측정에 의한 Rt값 측정(PV값 측정)이 이용된다.

또한, 얻어진 핸들 기판에 대해서, 표면에 존재하는 직경 0.5 ㎛ 이상의 오목부의 밀도를 측정한 결과, 500개/㎠였다. 단, 측정은, 이하와 같이 하여 행한다.

표면에 존재하는 오목부의 밀도를 측정하는 경우에는, 미분 간섭형 광학 현미경(500배)과 파이버 라이트에 의한 기판 측면으로부터의 조명에 의한 관찰이 이용된다. 관찰 시야는 500 ㎛×500 ㎛로 하고, 기판 평면을 등간격으로 3×3의 9사이트로 나누며, 각 사이트마다 1시야씩 측정한 결과를 평균하여 산출한다. 파이버 라이트에 의한 기판 측면의 조명은 기판 표면에 형성된 미세한 오목부를 두드러지게 하는 데 유효하다.

또한 기판 표면의 오목부 밀도는 중간 다듬질에서 이용하는 다이아몬드 슬러리의 입경을 변경하는 것으로도 제어가 가능하다. 예컨대 다이아 슬러리의 입경을 1 ㎛로 함으로써 오목부의 밀도를 1000개/㎠로 현저하게 발생시킬 수 있는 것을 확인하였다.

또한, 얻어진 핸들 기판에 대해서, 접합면에 존재하는 오목부의 깊이를 측정한 결과, 100 ㎚ 정도에 피크가 존재하고 있었다. 단, 측정은, 간섭계(140 ㎛×110 ㎛ 시야)에 의한 Rt값 측정(PV값 측정)이 이용된다.

이 오목부의 깊이의 분포를 도 6에 나타낸다. 이 결과, 오목부의 개수의 95%의 깊이가 0.05 ㎛ 이상에 분포하고, 또한 1.0 ㎛ 이하에 분포하고 있었다. 또한, 오목부의 깊이의 평균값은, 0.3 ㎛였다.

또한, 이들 오목부의 외형 윤곽은 원형 또는 타원형이었다. 이 오목부의 직경의 분포를 도 7에 나타낸다. 이 결과, 오목부의 개수의 95%의 직경이 0.5 ㎛ 이상에 분포하고, 또한 10 ㎛ 이하에 분포하고 있었다. 또한, 오목부의 직경의 평균값은, 2.5 ㎛였다.

얻어진 핸들 기판의 표면에, Si 박판(도너 기판)과의 접착층으로서, SiO₂층을 형성하였다. 제막 방법은 플라즈마 CVD를 이용하고, 제막 후에 CMP 연마(화학 기계 연마)를 실시함으로써, 최종적인 SiO₂층의 막 두께를 100 ㎚로 하였다. 그 후, 플라즈마 활성화법에 의해 Si 박판(도너 기판)과 SiO₂층을 직접 접합하여, Si-SiO₂-핸들 기판으로 이루어지는 복합 기판을 시험 제작하였다. 그 후, Si층을 연마 가공함으로써 박판 가공하여, Si층의 두께를 500 ㎚로 하였다.

얻어진 복합 기판을 1000℃에서 30분간 동안 열처리한 결과, 접합 상태는 변하지 않고, 크랙, 박리 등의 발생은 적으며, 형성한 미세한 구멍에 의한 충분한 앵커 효과가 얻어지는 것을 확인하였다.

(실시예 2∼10)

실시예 1과 마찬가지로 오목부의 크기, 깊이, 밀도를 조정한 복합 기판을 작성하여, 평가하였다. 결과를 표 1, 표 2에 나타낸다.

(비교예)

요철이 없는 기판의 접합 강도를 비교하기 위해서, 핸들 기판으로서, Si 기판 상에 기능층으로서 LT(리튬탄탈레이트)를 직접 접합한 복합 기판을 작성하였다. LT 표면은 Ra: 0.5 ㎚, PV값: 2 ㎚, 물리적인 단차가 없는 표면으로 하였다. 이 핸들 기판을, Si로 이루어지는 도너 기판에, 표면 활성화법에 의한 직접 접합에 의해 접합하고, 연마 가공에 의해 20 ㎛의 막 두께로 하였다. 완성된 기판을 다이아몬드 블레이드로 절단 가공한 결과, 접합 계면으로부터의 박리 현상이 부분적으로 관찰되었다. 크랙, 박리 발생률을 표 2에 나타낸다.

Claims (9)

1. 반도체용 복합 기판의 핸들 기판으로서,
   상기 핸들 기판이 절연성 다결정 재료에 의해 형성되어 있고, 상기 핸들 기판의 표면의 미시적인 중심선 평균 표면 거칠기 Ra가 5 ㎚ 이하이며, 상기 표면에 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
2. 제1항에 있어서, 직경 0.5 ㎛ 이상의 오목부의 밀도가, 상기 표면 1 ㎠당 50개 이상, 4500개 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오목부의 깊이의 평균값이 0.1 ㎛ 이상, 0.8 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핸들 기판의 상기 표면을 평면적으로 보았을 때에, 상기 오목부의 외측 윤곽이 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오목부의 직경의 평균값이 1 ㎛ 이상, 5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연성 다결정 재료가, 알루미나, 탄화규소, 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
7. 제6항에 있어서, 상기 절연성 다결정 재료가 투광성 알루미나 세라믹인 것을 특징으로 하는 핸들 기판.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 핸들 기판, 및 상기 핸들 기판의 상기 표면에 대하여 직접 또는 접합층을 통해 접합되어 있는 도너 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판.
9. 제8항에 있어서, 상기 접합층이 Al₂O₃로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체용 복합 기판.

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