(57)【要約】  【課題】  高性能な機能層を有する複合基板を提供する。  【解決手段】  基板１０として、近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる材料を用い、機能層２０として、基板１０に比べて近赤外線に対する透過率の低い材料を用い、基板１０上に、機能層２０を貼り合わす準備工程と、機能層２０に近赤外線を照射して機能層２０の温度を前記基板１０に比べて高くする加熱工程と、を有する複合基板１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】
基板と機能層とを備える複合基板の製造方法であって、
前記基板として、近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる材料を用い、前記機能層として、前記基板に比べて近赤外線に対する透過率の低い材料を用い、前記基板上に、前記機能層を貼り合わせる準備工程と、
前記機能層に近赤外線を照射して前記機能層の温度を前記基板に比べて高くする加熱工程と、を有する複合基板の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程において、フラッシュランプを用いて、前記機能層側と前記基板側との両側から前記近赤外線を照射する、請求項１記載の複合基板の製造方法。
【請求項３】
前記準備工程において、前記機能層としてＳｉ単結晶層を用いる、請求項１または２に記載の複合基板の製造方法。
【請求項４】
前記準備工程において、前記機能層として、前記基板側からＳｉ単結晶層，Ｓｉ酸化層の順に積層された積層構造を用いる、請求項１または２に記載の複合基板の製造方法。
【請求項５】
前記準備工程において、前記基板の熱膨張係数は、前記機能層の熱膨張係数に比べて大きい、請求項１乃至４のいずれかに記載の複合基板の製造方法。
【請求項６】
近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる基板と、
前記基板上に貼り合わされた、前記基板に比べて近赤外線に対する透過率が低いとともに、前記基板よりも熱膨張係数の小さい材料からなり、引張り歪を有する機能層と、を備えた複合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能層を有する複合基板の製造方法および複合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の性能向上を図るべく、寄生容量を減らす技術の開発が進められている。この寄生容量を減らす技術として、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）構造がある。具
体的には基板上に半導体層が形成された構成で実現される。このＳＯＳ構造を形成する方法として、例えば特許文献１に記載された技術がある。
【０００３】
また、半導体素子の電子移動度を制御する方法として、半導体層に歪を加える技術が知られている。具体的には、基板と半導体層との間にＳｉＧｅ等の中間層を介在させることで半導体層に格子歪をもたせたり、接合後に基板と半導体層とを加熱することで熱膨張さの違いを利用して歪（応力）をもたせたりする技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１７８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＳｉＧｅ等の中間層を用いると、半導体層と基板との間に寄生容量が生じたり、半導体層で発生する熱の放熱特性を劣化させたりする恐れがあった。
【０００６】
また、半導体層と基板とを接合後に加熱すると、両者を構成する材料の熱膨張係数の組み合わせによって、半導体層側に所望の歪を持たせることができない恐れがあった。具体的には、サファイアからなる基板にＳｉからなる半導体層を用いた場合には、半導体層は支持基板よりも熱膨張係数が小さいため圧縮応力が加わり、電子移動度を制御する引張応力を加えることはできない。
【０００７】
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、寄生容量を生じることなく、かつ放熱特性を劣化させることなく、引張応力をもつ機能層を備えた複合基板およびそ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】
【０００８】
本発明の複合基板の製造方法の実施形態では、基板と機能層とを備える複合基板の製造方法であって、前記基板として、近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる材料を用い、前記機能層として、前記基板に比べて近赤外線に対する透過率の低い材料を用い、前記基板上に、前記機能層を貼り合わす準備工程と、前記機能層に近赤外線のフラッシュランプを照射して前記機能層の温度を前記基板に比べて高くする加熱工程と、を有するものである。
【０００９】
本発明の複合基板の実施形態では、近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる基板と、前記基板上に貼り合わされた、前記基板に比べて近赤外線に対する透過率が低いとともに、前記基板よりも熱膨張係数の小さい材料からなり、引張り歪を有する機能層と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、引張応力をもつ機能層を備えた複合基板の製造方法および、それにより製造した複合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は図１に示す複合基板の製造方法の製造工程の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の１つの実施形態に係る複合基板の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は複合基板を斜視した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の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。
【００１３】
（複合基板の製造方法）
（準備工程）
まず、図１（ａ）に示すように、基板１０を用意する。基板１０は、近赤外線の光の少なくとも一部を透過させる材料を用いる。近赤外線の光とは、波長が０．７μｍ〜２．５μｍの光をいう。このような材料として、例えばサファイア基板，水晶基板，ＬｉＮｂＯ３基板等を例示することができる。
【００１４】
基板１０としては、その上部に位置する機能層２０を支持するものであり、強度、平坦度を有する必要がある。本実施形態では、基板１０としてサファイアを採用する。
【００１５】
この基板１０の厚みとしては、例えば、４００〜８００μｍの範囲が挙げられる。また、基板１０の機能層２０側の主面１０ａ（図１（ａ）におけるＤ１方向の上面）の算術平均粗さＲａは１ｎｍ以下であり、かつ二乗平均平方根Ｒｑは３ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、基板１０の主面１０ａ上に機能層２０を配置する。機能層２０は、基板１０に比べて近赤外線に対する透過率の低い材料を用いる。このような材料として、Ｓｉ，ＧａＡｓ等の半導体材料や、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料等を例示できる。本実施形態では、機能層２０としてＳｉ単結晶層を用いている。
【００１７】
機能層２０の厚みとしては、特に限定されないが、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が挙げられる。また、本実施形態のように機能層２０として半導体材料を用いる場合にはドーパント濃度としては、特に限定されないが、例えば、相対的に低濃度のｐ−およびｎ−のドーパント濃度、ならびにノンドープのいずれか１つとなるように形成される。ｐ−のドーパント濃度としては、１×１０１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕以下の範囲が挙げられる。ｎ−のドーパント濃度としては、５×１０１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕以下の範囲が挙げられる。ここで「ノンドープのシリコン」としているものは、単に不純物を意図してドープしないシリコンであって、不純物を含まない真性シリコンに限られるものではない。そして、半導体層２０中の酸素濃度は、特に限定されないが、詳しくは後述するが、１×１０１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕未満であることが好ましい。
【００１８】
基板１０と機能層２０との接合には、貼り合わせる面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法が挙げられる。表面の活性化する方法としては、例えば真空中でイオンビームや中性子ビームを照射して表面をエッチングして活性化す
る方法、化学溶液で表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。
【００１９】
そして、この活性化した状態で両者を貼り合わせる。この接合は常温下で行ってもよい。なお、この接合は、樹脂系などの接着剤を使用しない方法によるものである。
【００２０】
この接合方法によって接合する場合、基板１０及び機能層２０は、接合する面の面粗さが小さいことが好ましい。この面粗さは、例えば算術平均粗さＲａや二乗平均平方根Ｒｑで表される。この算術平均粗さＲａ，二乗平均平方根Ｒｑの範囲としては、１０ｎｍ未満が挙げられる。算術平均粗さＲａ，二乗平均平方根Ｒｑを小さくすることによって、互いに接合する際に加える圧力を小さくすることができる。
【００２１】
このような工程を経ることにより、基板１０の主面１０ａ側に機能層２０を配置することができる。
【００２２】
（加熱工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、機能層２０に近赤外線の光を照射して機能層２０の温度を基板１０に比べて高くする。言い換えると、機能層２０のみ加熱する。
【００２３】
近赤外線の光としては、ハロゲンランプや、波長を調整したＬＥＤ（発光ダイオード），レーザー，キセノンフラッシュランプ等を用いることができる。近赤外線の光を、機能層２０では吸収し、基板１０では透過させる。これにより、機能層２０の温度を基板１０に比べて高くすることができる。これにより、機能層２０の熱膨張を基板１０に比べ大きくすることができる。そして、近赤外線の照射を止めて、機能層２０を常温に戻す。すなわち、機能層２０と基板１０との温度に有意差のない状態とする。ここで、機能層２０は熱膨張により膨張した状態においても基板１０との接合を維持しているため、機能層２０が基板１０と同程度の温度に戻っても膨張した状態が保持され、機能層２０に引張り応力が加わった状態が保持される。このメカニズムについては後述する。
【００２４】
近赤外線の照射時間，強度等の条件は、機能層２０に求める所望の応力に応じて適宜設定する。具体的には、本実施形態の場合には、３００℃に加熱することにより、０．７％、６００℃に加熱することにより１．４％程度、機能層２０が膨張する。このような数値を参照に、近赤外線の照射時間・強度を設定する。機能層２０は、この膨張に応じた引張、応力を残存させるものとなる。
【００２５】
近赤外線の照射強度は、近赤外線が機能層２０の厚み方向全体に到達する場合には厚み方向における応力分布の発生を抑制することができる。一方、強度を抑え機能層２０のうち近赤外線を照射する側の表層のみを加熱する場合には、厚み方向に応力分布を形成し、所望の機能を持たせることができる。
【００２６】
また、近赤外線の照射の際は、機能層２０の上面側のみから照射してもよいし、支持基板２０側からのみ照射してもよいし、両側から照射してもよい。両側から照射する場合には、機能層２０の基板１０側の面と上側の面とにおける温度差を少なくすることができ、均一に加熱することができる。これにより、機能層２０の割れ、反り、はがれ等の発生を抑制することができる。
【００２７】
ここで、近赤外の光源としては、特にキセノンフラッシュランプを用いることが好ましい。この場合には、短時間の照射で瞬間的に加熱することができるからである。瞬間的に短時間のみ加熱されるため、機能層２０へのダメージを抑制することができる。例えば、割れ、反り、はがれ等の発生を抑制することができる。また、機能層２０にドーパント等をドープして半導体素子を形成している場合には、ドーパントの拡散を抑制することがで
きる。また、機能層２０にドーパント濃度分布を有しており、このドーパント濃度差によりエッチングを行なうことで機能層２０を薄層化する場合においても、ドーパントの拡散を抑制することで所望の位置でエッチングを停止することができる。
【００２８】
ここで、キセノンフラッシュランプの最も強度の高い波長は８５０ｎｍであり、この波長に対するサファイアの透過率は８０％以上であり、Ｓｉの透過率は０％である。
【００２９】
このような工程を経ることにより、図２に示すような、基板１０の熱膨張係数，機能層２０の熱膨張係数によらず、機能層２０に所望の引張応力を加えた複合基板１を提供することができる。機能層２０が引張応力を有していることから、電子及び正孔の移動度を上昇させることができる。なお、機能層２０の応力はラマン分光法により測定することができる。ラマン分光によるピークシフトが高波数側の場合には圧縮応力が、低波数側にシフトする場合には引張応力が加わっていることが確認できる。そして、このピークシフト量で各応力の大きさを換算することができる。
【００３０】
また、本実施形態の複合基板１の製造方法によれば、機能層２０の応力調整を近赤外線を照射するのみで可能としているので、生産性を高めることができる。特に、従来技術のように格子歪を発生させるために中間層を形成する場合の生産性に比べると非常に高くなる。従来技術では所望の格子歪を発生させるために中間層の膜厚を厚くすることが必要となっていたからである。
【００３１】
ここで、本実施形態においては、基板１０の熱膨張係数は、機能層２０の熱膨張係数に比べて大きくなっている。具体的には、サファイアの熱膨張係数は７．７×１０−６／℃であり、シリコン単結晶の熱膨張係数は２．６×１０−６／℃である。このような大小関係の場合には、本実施形態のように、機能層２０の温度を基板１０に比べて高くすることで初めて、機能層２０に引張応力を備えることができる。言い換えると、基板１０と機能層２０とを同条件で同時に加熱することでは実現することができない。
【００３２】
ここで、加熱工程後に基板１０と機能層２０との温度差に有意差がない状態となっても、加熱時に発生した応力が維持されるメカニズムについて考察する。
【００３３】
本実施形態では、基板１０と機能層２０との接合を、接合面を活性化させた後に接触させて接合する、常温接合を用いている。この場合には、接合強度は保てているが、その接合はリジッドではなく、その後の熱履歴（加熱）により結合手をずらす（すべらす）ことが可能である。これにより、機能層２０のみを加熱した場合であっても、接合当初の結合手からすべり、加熱し膨張した状態で新たな結合手と結合を実現し、その状態を保持して支持基板１０と同じ温度まで冷却することができる。
【００３４】
このことは、以下の実験結果より推察するものである。まず、常温接合でサファイアからなる基板１０とＳｉからなる機能層２０とを接合した。接合強度は十分に存在し、剥がれ等は発生していなかった。このような複合基板に対して基板１０と機能層２０とを同時に加熱した。加熱温度は２００℃と１０００℃とした。ここで、接合段階、２００℃加熱後常温に戻した段階，１０００℃加熱後に常温に戻した段階のそれぞれで、機能層２０の応力をラマン分光法によって測定した。応力測定の結果、接合段階では−８ＭＰａ（引張応力）であるのに対して、２００℃加熱段階では３３〜６０ＭＰａ（圧縮応力），１０００℃加熱段階では５０〜２２５ＭＰａ（圧縮応力）となり、サファイアと、Ｓｉとの熱膨張係数の差に応じた応力（歪）が残存することを確認した。言い換えると、常温接合した場合には、接合を保ちつつ、その後の加熱処理による熱応力を機能層２０に留めることができることを確認できた。
【００３５】
このことより、本実施形態において機能層２０が基板１０と同じ温度に戻った際にも、機能層２０のみを加熱したことによる応力を保持することが可能となる。
【００３６】
例えばＳＯＩ基板のように酸化物層を介して、脱水反応により結合手が固定化された接合方法や、化学反応を伴う接合方法の場合には、常温接合を用いる場合程容易ではないが、加熱工程により一部の結合手をずらすことにより、同様に加熱工程時の応力を機能層２０に留めることが可能になると推察される。
【００３７】
以上より、このような近赤外線を照射することにより機能層２０の応力を制御する場合には、準備工程において、基板１０と機能層２０との接合を、接合面を活性化させた後に接触させて接合する、常温接合を用いることが好ましい。
【００３８】
上述の例では、機能層２０として半導体材料を用いた場合を例に説明したが、この例には限らない。例えば、機能層２０として圧電材料や誘電体材料を用いた場合には、応力を印加することにより、圧電特性を制御したり、誘電率を制御したりすることができる。同様に、機能層２０を温度補償等に用いる場合には、温度補償特性を制御することができる。
【００３９】
（変形例１）
機能層２０は積層構造であってもよい。積層構造である場合には、複数の積層膜のそれぞれが近赤外の光に対して透過性が低くてもよいが、一部に透過性の高い膜を有していてもよい。その場合には、基板１０側の面において近赤外線に対する吸収率が高いものとすることが好ましい。
【００４０】
例えば、機能層２０として、基板側からＳｉ単結晶層，Ｓｉ酸化層の順に積層された積層構造であることが好ましい。この場合には、Ｓｉ酸化層では近赤外線は透過し基板１０と接合するＳｉ単結晶層のみを確実に加熱することができるからである。
【００４１】
（変形例２）
加熱工程は、準備工程に続いてすぐに行ってもよいし、機能層２０にさまざまな加工を施した後に複合基板１を製造する最終段階で行ってもよい。後者の場合には、最終製品において確実に所望の応力を持たせることができる。例えば、機能層２０が半導体材料からなる場合には、機能層２０を所望の厚みまで薄層化しトランジスタ等を作り込んだ後に、加熱工程を行なうことで、電子・正孔の移動度を高め、高速動作を可能とした複合基板１を提供することができる。また、機能層２０の膜厚が例えば基板１０と同程度に厚い場合には、加熱工程前に機能層２０を薄層化することが好ましい。加熱によるダメージ、剥離、割れ等の発生を抑制することができ、かつ、転位を伴わない引張応力による歪を実現することができるからである。加熱工程時の機能層２０の好ましい厚みとしては、例えば１０μｍ以下とすればよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０・・・基板
２０・・・機能層
【図１】
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【図２】
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