(57)【要約】【解決課題】  ハンドル基板の熱膨張率がドナー基板より高い場合に、基板に割れを生ずることなく剥離を行う方法を提供する。【解決手段】  ドナー基板３の表面からイオンを注入してイオン注入界面５を形成する工程と、前記ドナー基板３のイオン注入を行った前記表面に、前記ドナー基板３より大きい熱膨張率を有するハンドル基板７を貼り合わせて貼り合わせ基板を作成する工程と、前記貼り合わせ基板に熱処理を行い接合体１を得る工程と、前記接合体１を冷却装置２０により室温以下の温度に冷却して前記接合体１のドナー基板３を前記イオン注入界面において剥離してドナー薄膜を前記ハンドル基板７上に転写する剥離工程とを少なくとも含んでなる貼り合わせウェーハの製造方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドナー基板の表面からイオンを注入してイオン注入界面を形成する工程と、
前記ドナー基板のイオン注入を行った前記表面に、前記ドナー基板より大きい熱膨張率を有するハンドル基板を貼り合わせて貼り合わせ基板を作成する工程と、
前記貼り合わせ基板に熱処理を行い接合体を得る工程と、
前記接合体を室温以下の温度に冷却して前記接合体のドナー基板を前記イオン注入界面において剥離してドナー薄膜を前記ハンドル基板上に転写する剥離工程とを少なくとも含んでなる貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項２】
前記剥離工程の室温以下の温度が、−５０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ドナー基板の材質が、シリコンであり、
前記ハンドル基板の材質が、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、および、窒化ガリウムから選ばれる１種類であることを特徴とする請求項１または２に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記剥離工程の室温以下の温度への冷却が、前記接合体をアルミニウムブロックに載せ、アルミニウムブロックの周囲をドライアイスで冷却することにより行われる請求項１ないし３のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記剥離工程における前記剥離が、貼り合わせ界面に１ＭＰａ以上の圧力でガスや液体等の流体のジェットを吹き付けながらドナー基板とハンドル基板とを反対方向に互いに引っ張ることにより行う請求項１ないし４のいずれかに記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貼り合わせウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｑｕａｒｔｚ（ＳＯＱ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ（ＳＯＧ）、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  （ＳＯＳ）と呼ばれるハンドル基板が透明・絶縁基板で構成されるＳＯＩや、ＧａＮ、ＺｎＯ、ダイアモンド、ＡｌＮ等の透明ワイドギャップ半導体をシリコン等のドナー基板に複合化することで得られる貼り合わせウェーハ（この場合は半導体基板が透明）が提案されており、様々な応用が期待されている。ＳＯＱ、ＳＯＧ、ＳＯＳなどはハンドル基板の絶縁性・透明性などからプロジェクター、高周波デバイスなどへの応用が期待されている。またワイドギャップ半導体の薄膜をハンドル基板に複合化した貼り合わせウェーハは高価なこれらのワイドギャップ半導体材料が厚さ数百ｎｍ〜数ｕｍしか用いないため、大幅な低コスト化が図れる可能性があり、高性能レーザーやパワーデバイスなどへの応用が期待される。
【０００３】
従来の貼り合わせに関するＳＯＩ製造技術には主に二種類の方法がある。
一つはＳＯＩＴＥＣ法であり、室温で予め水素イオン注入を施したシリコン基板（ドナー基板）と支持基板となる基板（ハンドル基板）を貼り合わせ、高温（５００℃付近）で熱処理を施しイオン注入界面でマイクロキャビティと呼ばれる微小な気泡を多数発生させ剥離を行いシリコン薄膜をハンドル基板に転写するというものである。
【０００４】
もう一つはＳｉＧｅｎ法と呼ばれる方法であり、同じく水素イオン注入を予め施したシリコン基板とハンドル基板双方にプラズマ処理で表面を活性化させた後に貼り合わせを行い、しかる後に機械的に水素イオン注入界面で剥離をするという方法である。
【０００５】
しかし、これらの材料の複合化は異種基板を貼り合わせるので、半導体基板とドナー基板の熱膨張率が一致することは無い。
ＳＯＩＴＥＣ法においては貼り合わせ後に水素イオン注入界面での熱剥離のための高温の熱処理（〜５００℃）が入るために、上記の様な異種基板を貼り合わせる場合においては熱膨張係数の大きな差により基板が割れてしまうという欠点があった。また、ＳｉＧｅｎ法においては、表面活性化処理により貼り合わせた時点でＳＯＩＴＥＣ法と比較し高い結合強度を有し、２５０〜３５０℃程度の比較的低温の熱処理で高い結合強度が得られる。しかし、室温で貼り合わせた基板はこの温度域まで昇温すると両基板の熱膨張率の違いから貼り合わせ基板が破損もしくは未転写部発生等の欠陥が入ることが本発明に至る実験の経過で明らかとなった。一方イオン注入界面を脆化するためには相応の熱処理が必要であり、１５０〜３５０℃の熱処理を回避することは望ましくない。
【０００６】
この結果、貼り合わせた基板の熱膨張率の違いにより基板が破損することや、転写されるシリコン薄膜に未転写部が導入されるといった問題が発生することがある。これは温度上昇とともに貼り合わせ界面の結合強度が増すが、同時に異種基板を貼り合わせていることによる反りが発生することにより剥がれ等が発生し、貼り合わせが面内均一に進行しないためである。これらの基板を貼り合わせ後にそのまま高温処理を行うと、基板割れが発生するか、もしくは貼り合わせた基板が剥がれるという問題が発生する。
【０００７】
よって、半導体基板とハンドル基板の熱膨張係数の差から、貼り合わせ後に行われる水素イオン注入界面での熱剥離のための高温プロセス（〜５００℃）の採用が難しく、ＳＯＩＴＥＣ法に代表される従来法の適応が難しいという欠点がある。
【０００８】
これら貼り合わせにおけるドナー基板がたとえばシリコン基板、ハンドル基板が石英基板の場合、ドナー基板の熱膨張率＞ハンドル基板の熱膨張率の関係となる。この関係の複合基板の場合、内部応力の発生の仕方やシリコン基板の破損のメカニズムの理由などにより上述したＳｉＧｅｎ法などによりイオン注入界面から剥離が進行し、シリコン薄膜がうまく転写されることが実験により判明している。
【０００９】
しかしながら、ハンドル基板の材質が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、窒化ガリウムなどの場合、ドナー基板の熱膨張率＜ハンドル基板の熱膨張率の関係となる。この際には発明者らの実験によればイオン注入界面から剥離が進行せず、ハンドル基板やドナー基板が割れるという現象が発生するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１１４４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記現状に鑑み、イオン注入界面から剥離を行う際に、特にハンドル基板の方が熱膨張率が大きい場合（ドナー基板の方が熱膨張率が小さい）場合、基板に割れを生ずることなく剥離を行う貼り合わせウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明に係る貼り合わせウェーハの製造方法は、ドナー基板の表面からイオンを注入してイオン注入界面を形成する工程と、前記ドナー基板のイオン注入を行った前記表面に、前記ドナー基板より大きい熱膨張率を有するハンドル基板を貼り合わせて貼り合わせ基板を作成する工程と、前記貼り合わせ基板に熱処理を行い接合体を得る工程と、前記接合体を室温以下の温度に冷却して前記接合体のドナー基板を前記イオン注入界面において剥離してドナー薄膜を前記ハンドル基板上に転写する剥離工程とを少なくとも含んでなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる貼り合わせウェーハの製造方法により、ハンドル基板の熱膨張率がドナー基板より高い場合に、基板に割れを生ずることなく剥離を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】冷却装置と貼り合わせ基板におけるエアー吹きつけ部と剥離基板の吸引保持手段との関係を示した模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明にかかる貼り合わせウェーハの製造方法を行う対象となるドナー基板の材質は、シリコンであることが好ましい。ドナー基板の厚さは、特に限定されないが、通常のSEMI/JEIDA規格近傍のものがハンドリングの関係から扱いやすい。
ハンドル基板の材質は、熱膨張率がドナー基板よりも小さいもの、なかでも、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、および、窒化ガリウムから選ばれる１種類であることが好ましい。本発明においては、ハンドル基板の厚さは、特に限定されないが、通常のSEMI/JEIDA規格近傍のものがハンドリングの関係から扱いやすい。
【００１６】
まず、ドナー基板もしくは酸化膜付きドナー基板（以下、区別しない限り単にドナー基板と称する）にイオンを注入してイオン注入層５を形成する。
イオン注入層は、ドナー基板中に形成する。この際、その表面から所望の深さにイオン注入層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（Ｈ＋）または水素分子イオン（Ｈ２＋）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とできる。
イオン注入深さは、所望のドナー薄膜の厚さによるが、通常、５０ｎｍ〜２０００ｎｍとすることができる。
【００１７】
前記ドナー基板に注入する水素イオン（Ｈ＋）のドーズ量は、１．０×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ２〜１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ２であることが好ましい。１．０×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ２未満であると、界面の脆化が起こらない場合があり、１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ２を超えると、貼り合わせ後の熱処理中に気泡となり転写不良となる場合がある。
注入イオンとして水素分子イオン（Ｈ２＋）を用いる場合、そのドーズ量は５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であることが好ましい。５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満であると、界面の脆化が起こらない場合があり、５．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超えると、貼り合わせ後の熱処理中に気泡となり転写不良となる場合がある。
また、ドナー基板の表面にあらかじめ５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度のドナー基板の酸化膜等の絶縁膜を形成しておき、それを通して水素イオンまたは水素分子イオンの注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。
【００１８】
次に、ドナー基板の表面及び／又はハンドル基板の表面を活性化処理する。表面活性化処理の方法としては、オゾン処理、ＨＦ処理、プラズマ処理等が挙げられる。
オゾンで処理をする場合は、大気を導入したチャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をしたドナー基板及び／又はハンドル基板を載置し、ＵＶランプにて照射を行って大気中の酸素をオゾンに変換することで、表面をオゾン処理する。
ＨＦで処理をする場合は、たとえばＨＦ２０％溶液にＲＣＡ洗浄等の洗浄をしたドナー基板および／又はハンドル基板を浸漬し、表面の酸化物をエッチングすることによって行う。
プラズマで処理をする場合、真空チャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をしたドナー基板及び／又はハンドル基板を載置し、プラズマ用ガスを減圧下で導入した後、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、ドナー基板を処理する場合、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を用いることができる。ハンドル基板を処理する場合はいずれのガスでもよい。
プラズマで処理することにより、ドナー基板及び／又はハンドル基板の表面の有機物が酸化して除去され、さらに表面のＯＨ基が増加し、活性化する。処理はドナー基板のイオン注入した表面、および、ハンドル基板の貼り合わせ面の両方について行うのがより好ましいが、いずれか一方だけ行ってもよい。
オゾン処理、ＨＦ処理、プラズマ処理等はどれか一つでも良いし、複合させた処理を行ってもかまわない。
ドナー基板の表面活性化処理を行う表面は、イオン注入を行った表面であることが好ましい。
【００１９】
次に、このドナー基板の表面およびハンドル基板のオゾン及び／又はＨＦおよび／又はプラズマで処理をした表面を接合面として貼り合わせる。
【００２０】
次いで、貼り合わせた基板に１５０℃以上３５０℃以下の熱処理を施し、接合体を得ることが好ましい。熱処理を行うことが好ましい理由は、貼り合わせ面の結合強度をアップさせるためである。温度を１５０℃以上３５０℃以下とする理由は、１５０℃未満では結合強度が上がらない為で、３５０℃を超えると貼り合わせた基板が破損する可能性が出るためである。本発明者らが実験検討した結果、ハンドル基板が酸化アルミニウムである場合の適切な温度は１５０℃以上３００℃以下であり、サファイアの場合は１５０℃以上１７５℃以下であった。これらの温度域は基板により異なる。
熱処理時間としては、温度にもある程度依存するが５時間〜１０時間が好ましい。
【００２１】
本発明にかかる製法ではまず、熱処理後の貼り合わせ基板を室温（２５℃）以下に冷却する。
図１に貼り合わせ基板１とその冷却手段２０との関係を示す。室温以下の温度への冷却は、前記貼り合わせ基板１を断熱容器４０に収容されたアルミニウムブロック３０に載せ、該ブロック３０の周囲をドライアイス５０で冷却することにより行うことができる。この方法によれば、アルミニウムブロック３０は熱伝導が良好であり、素早く対象物を冷却できるし、ドライアイス５０も安価で手に入れることができるという利点がある。
また、室温以下の温度への冷却方法としては、上記以外にも液体窒素を用いても良いし、所望の温度まで冷却したエアー等のジェットを吹き付けるといった方法により冷却することができる。
また、アルミニウムブロック３０の周囲は冷却効率を高めるために断熱材３１を用いて断熱することが望ましい。この際にはアルミニウムブロック３０の底面からの熱伝導による冷却となる。
上記ブロック３０の下部は冷却フィン状に加工していると冷却を促進する観点で一層良好である。
【００２２】
次に貼り合わせ基板１とアルミニウムブロック３０とが熱平衡に達したらイオン注入界面５においてドナー薄膜の剥離を行う。
前記剥離は、貼り合わせ界面にたとえば１ＭＰａ以上５ＭＰａ以下のウェーハを破損させないような圧力を適宜選択し、ガスや液体等の流体のジェットを吹き付けながらドナー基板３とハンドル基板７とを反対方向に互いに引っ張ることにより行うことができる。１ＭＰａ未満であると、ウェーハが剥離しない状態となる場合がある。
反対方向に互いに引っ張る手法としては、たとえば、貼り合わせ基板のハンドル基板側７を真空チャック、静電チャック、吸引治具の接着等の基板を吸引保持する図示しない手段を用いて保持しておいて、ドナー基板３側の面のガスや液体等の吹きつけを行う箇所の近傍の表面一部を真空チャック等の吸引手段１０を用いて吸引し、上方に引っ張り上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上記真空チャック近傍の接合界面に向けて１ＭＰａ以上、５ＭＰａ以下の圧力でガスや液体等の流体のジェット１５を吹き付けることにより行うことができる。ジェットで吹き付けるガスや液体の温度は、あらかじめ基板の冷却温度にあわせておくことが好ましく、−５０℃から室温である。
剥離を行う基板の温度は、−５０℃以下であることが好ましい。-５０℃より高いと、ドナー基板３やハンドル基板７が割れたり、イオン注入界面５における剥離が進行しない状態になる。冷却エネルギーが必要以上に大きくなりコスト高にならないように下限を、例えば、−８０℃とすることができる。
【実施例】
【００２３】
実施例１
ドナー基板として、予め酸化膜を２００ｎｍ成長させた直径１５０ｍｍのシリコン基板（厚さ６２５ｕｍ）を準備し、これに５５ＫｅＶ，ドーズ量２ｘ１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ２で水素イオンを注入した。
あわせてハンドル基板７となる直径１５０ｍｍのサファイア基板（厚さ７００ｕｍ、京セラ社製）を準備し、シリコン基板のイオン注入した表面ならびにサファイア基板の表面にオゾン処理を行い貼り合わせた。
次いで貼り合わせた基板に対して、１６０℃で１０時間熱処理を施して接合体を得た。
φ１５０ｍｍの基板が載る大きさ（φ１６０ｍｍ、板厚：１００ｍｍ、基板が載る部分には同心円状φ１４０ｍｍ、φ５０ｍｍの位置に１ｍｍ幅、深さ１ｍｍの溝が掘られており、それらは十字の同じ寸法の溝で連結されている。十字溝の交点、すなわち中心には裏面までφ１ｍｍの穴が穿設されており、そこから真空ポンプへホースが接続されている。）で、真空チャック機能を発揮できるアルミニウム製のブロックを用意した。（このブロックの周囲は全周にわたって断熱性能をもつスチレン製の断熱材が装着されている。また、このブロックは内径φ２５０ｍｍのスチレン製の断熱容器に入れられている。（深さ１５０ｍｍ）。アルミニウム製のブロックの底面には５０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍのスチレン製のブロック５個をあらかじめ接着しておく。この断熱容器にドライアイス（昇華点−７９℃）を詰め、この上にアルミニウム製のブロックを載せる。しばらく放置した後にブロック表面の温度を測定したところ、−５０℃になっていた。
このアルミニウムのブロックの上に前述した接合体をのせ、表面温度が下がり、ブロック表面と貼り合わせ基板とが熱平衡に達するまで保持した。此の後にアルミニウムのブロックに搭載された図示しない下部真空チャック機能で前記接合体のハンドル基板側を吸引保持しながら、反対面のドナー基板の端部を小さい上部真空チャックで吸引した。上部真空チャックを上方に２Ｎの力で引き上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上部真空チャック近傍の接合界面に向けて１．１ＭＰａ圧力のエアーを吹き付けた。その結果、厚さ約４００ｎｍのシリコン薄膜がサファイア基板上に均一に一様に転写されたことが確認できた。
【００２４】
比較例１
半導体基板として、予め酸化膜を２００ｎｍ成長させた直径１５０ｍｍのシリコン基板（厚さ６２５ｕｍ）を準備し、これに５５ＫｅＶ，ドーズ量２ｘ１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ２で水素イオンを注入した。
あわせてハンドル基板となる直径１５０ｍｍのサファイア基板（厚さ７００ｕｍ）を準備し、シリコン基板のイオン注入した表面ならびにサファイア基板の表面にプラズマ活性化処理を行い貼り合わせた。
次いで貼り合わせた基板に対して、１６０℃で10時間熱処理を施して接合体を得た。
φ１５０ｍｍの基板がのる大きさ（φ１６０ｍｍ、板厚：１００ｍｍ）で、真空チャック機能を発揮できるアルミニウム製のブロックを用意した。また、このブロックは内径φ２５０ｍｍのスチレン製の断熱容器に入れられている（深さ１５０ｍｍ）。アルミニウム製のブロックの底面には５０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍのスチレン製のブロック５個をあらかじめ接着しておく。この断熱容器にドライアイス（昇華点−７９℃）と氷を詰め、この上にアルミニウム製のブロックを載せる。しばらく放置した後にブロック表面の温度を測定したところ、−４５℃になっていた。
このアルミニウムのブロックの上に前述した接合体をのせ、表面温度が下がり、ブロック表面と貼り合わせ基板とが熱平衡に達するまで保持を行った。此の後にアルミニウムブロックに搭載された下部真空チャック機能で前記接合体のハンドル基板側を吸引保持しながら、反対面のドナー基板の端部を小さい上部真空チャックで吸引した。上部真空チャックを上方に２Ｎの力で引き上げると同時にシリコン基板とサファイア基板との接合界面のうち、上部真空チャック近傍の接合界面に向けて１．１ＭＰａ圧力のエアーを吹き付けた。その結果、シリコン基板が途中で割れてしまい、サファイア基板上のシリコン薄膜も均一に転写はされていなかった。
【符号の説明】
【００２５】
１  貼り合わせ基板
３  ドナー基板
５  イオン注入層
７  ハンドル基板
１０  剥離基板の吸引保持手段
１５  ジェット
２０  冷却装置
３０  ブロック
３１  断熱材
４０  断熱容器
５０  ドライアイス
【図１】
2010263038.tif 000003