(57)【要約】  接合界面に存在する金属量を制御したデバイスを提供する。  第１基板及び第２基板の表面を、ＦＡＢガンを用いて活性化する工程と、前記ＦＡＢガンにより複数の金属を含む金属放出体をスパッタリングすることで前記複数の金属を放出させ、前記第１基板及び第２基板の表面に複数の金属を付着させる工程と、前記第１基板と前記第２基板とを常温で接合する工程と、前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する元素との凝集開始温度に比べて高い温度で加熱する工程とを具備し、前記複数の金属を付着させる工程において、前記金属放出体の露出面積を調整することにより、前記第１基板と前記第２基板との接合面に存在する前記複数の金属の存在密度を１×１０１２／ｃｍ２以下とする。
2014038693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板及び第２基板の表面を、ＦＡＢガンを用いて活性化する工程と、
前記ＦＡＢガンにより複数の金属を含む金属放出体をスパッタリングすることで前記複数の金属を放出させ、前記第１基板及び第２基板の表面に複数の金属を付着させる工程と、前記第１基板の活性化された第１表面と、前記第２基板の活性化された第２表面とを接触させることにより、前記第１基板と前記第２基板とを常温で接合する工程と、
前記第１基板と前記第２基板とを接合した後に前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する元素との凝集開始温度に比べて高い温度で加熱する工程とを具備し、前記複数の金属を付着させる工程において、前記金属放出体の露出面積を調整することにより、前記第１基板と前記第２基板との接合面に存在する前記複数の金属の存在密度を１×１０１２／ｃｍ２以下とする、デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記活性化する工程において、前記第１基板として、前記ＦＡＢガンが照射される側の面にノンドープ領域を有するシリコン単結晶体からなる基板を用い、
前記接合する工程に続いて、前記ノンドープ領域を残すように前記第１基板を薄層化する工程をさらに含む、請求項１記載のデバイスの製造方法。
【請求項３】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、前記第２基板としてサファイア基板を用い、
前記複数の金属を付着させる工程において、前記複数の金属の１つとして鉄を用いる、請求項２記載のデバイスの製造方法。
【請求項４】
前記加熱する工程において、前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する主成分の元素との金属間化合物が形成される条件で加熱を行なう、請求項２記載のデバイス製造方法。
【請求項５】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、
前記加熱する工程において、前記第１基板の一部を熱酸化させる条件で加熱を行なう、請求項２記載のデバイス製造方法。
【請求項６】
前記活性化する工程において、前記第１基板及び前記第２基板の表面を間隔を開けて配置し、かつ前記第１基板と前記第２基板との間に絶縁体からなる遮蔽板を配置する、請求項２記載のデバイスの製造方法。
【請求項７】
前記活性化する工程において、前記遮蔽板として前記第１基板又は前記第２基板を構成する主成分の元素と同一の元素を含む材料からなるものを用いる、請求項６記載のデバイスの製造方法。
【請求項８】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、前記遮蔽板として酸化シリコンを主成分とする材料からなるものを用いる、請求項７記載のデバイスの製造方法。
【請求項９】
前記活性化する工程において、前記第２基板としてサファイア基板を用い、前記遮蔽板としてアルミナを主成分とする材料からなるものを用いる、請求項７記載のデバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記活性化する工程と前記複数の金属を付着させる工程とを同時に行なう、請求項２に記載のデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの基板を常温接合により接合するデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２種類の基板を常温で貼り合せることでデバイスを製造する技術が研究されている。例えば、特開平１０−０９２７０２号公報には、大きな接合強度を持ち、かつ荷重による押し付けや加熱処理を必要としないシリコンウェハーの接合方法が開示されている。そのシリコンウェハーの常温接合法は、シリコンウェハーとシリコンウェハーとを接合する方法であって、両方のシリコンウェハーの接合面を接合に先立って室温の真空中で不活性ガスイオンビーム又は不活性ガス高速原子ビームで照射してスパッタエッチングすることを特徴とする。
【発明の概要】
【０００３】
しかし、発明者が検討を進めた結果、特開平１０−０９２７０２号公報に記載された技術を用いて接合した２つの基板間には、その接合面に金属材料が混入することが分かった。ここで、接合する基板の性質によってはこの金属材料を構成する金属原子の存在が問題となることがある。例えば、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）構造のように半導体層を有し、この半導体層に半導体素子を形成する場合には、金属原子が接合界面に存在したり、半導体層に拡散したりすると、半導体素子の動作に悪影響を及ぼす虞があった。
【０００４】
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、２つの基板を接合するときに混入する接合界面の金属の拡散を抑制したデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明のデバイスの製造方法の実施形態では、活性化する工程と、複数の金属を付着させる工程と、接合する工程と、加熱する工程とを有する。活性化する工程は、第１基板及び第２基板の表面を、ＦＡＢガンを用いて活性化するものである。複数の金属を付着させる工程では、まず、前記ＦＡＢガンにより複数の金属を含む金属放出体をスパッタリングすることで前記複数の金属を放出させる。次に、前記第１基板及び第２基板の表面に放出させた前記複数の金属を付着させる。接合する工程では、前記第１基板の活性化された第１表面と、前記第２基板の活性化された第２表面とを接触させることにより、前記第１基板と前記第２基板とを常温で接合する。加熱する工程では、前記第１基板と前記第２基板とを接合した後に前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する元素との凝集開始温度に比べて高い温度で加熱する。ここで、前記複数の金属を付着させる工程において、前記金属放出体の露出面積を調整することにより、前記第１基板と前記第２基板との接合面に存在する前記複数の金属の存在密度を１×１０１２／ｃｍ２以下とする。
【０００６】
本発明によれば、接合界面への金属混入を抑制したデバイスの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】常温接合装置１００の概略図である。
【図２】（ａ）は本発明の１つの実施形態に係るデバイスの概略構成を示す平面図であり、（ｂ）はデバイスを斜視した部分断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）真空容器２内の第１ステージ及び第２ステージの配置の例を示す要部概略図である。
【図４】接合装置におけるＦＡＢガンの配置例を示す概略図である。
【図５】図２のデバイスの変形例を示す断面図である。
【図６】比較例１に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【図７】実施例に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【図８Ａ】実施例に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【図８Ｂ】比較例１に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【図８Ｃ】比較例２に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【図８Ｄ】比較例３に係るデバイスの接合界面における断面ＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のデバイス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。
【０００９】
デバイス１は、第１基板１０と第２基板２０とが互いの表面を直接接触させて接合されて形成される。第１基板１０と第２基板２０との両表面には複数の金属３０が付着している。なお、金属３０は微量であり、かつ微小な領域に付着しているものであるため、図示を省略する。
【００１０】
（活性化する工程）
本実施形態に係るデバイス１の製造には、図１に示す常温接合装置１００を用いる。常温接合装置１００は、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、金属放出体１０６とを有する。真空容器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。この図では、第１ステージ１０３の下側に第１基板１０を保持し、第２ステージ１０４の上面に第２基板２０を保持し、第１基板１０の表面と第２基板２０の表面とが対向しているが、第１ステージ１０３及び第２ステージ１０４は真空容器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。
【００１１】
まず、第１基板１０の表面と第２基板２０の表面とを活性化し、不図示の第１表面１０ａ，第２表面２０ａを形成する。両基板１０，２０の表面を活性化するには、図１に示す常温接合装置１００を用いる。この例では、第１ステージ１０３は上側に、第２ステージ１０４は下側に位置し、互いに間隔を開けて向かい合うように配置される。そして、ＦＡＢガン１０２は、第１ステージ１０３及び第２ステージ１０４の側面側に位置し、不図示の位置調整機構によりその向きを変えながら第１ステージ１０３の下面に保持された第１基板１０の表面と、第２ステージ１０４の上面に保持された第２基板２０の表面とに中性子ビームを照射する。
【００１２】
ここで、真空容器１０１内の雰囲気を高真空に保つために、一般的に真空容器１０１と、ＦＡＢガン１０２の一部と、第１ステージ１０３と、第２ステージ１０４と、ＦＡＢガン１０２，第１及び第２ステージ１０３，１０４の位置調整機構とは、金属材料で構成されることが多い。そこで、本実施形態では、それらを被覆するカバー部材１０７を設けている。カバー部材１０７は、絶縁材料からなり、例えば、酸化シリコン，窒化シリコン，炭化シリコン等を用いることができる。ここで、カバー部材１０７は、第１基板１０を構成する主成分の元素と、第２基板２０を構成する主成分の元素とのいずれかを主成分の１つとして含む絶縁材料で構成することが好ましい。このような絶縁材料は、中性子ビームの照射に対して、エッチングされにくい材料となる。特に、第１基板１０を構成する主成分の元素又は第２基板２０を構成する主成分の元素からなる場合には、異成分からなる新たな不純物の混入を抑制することができる。また、第１基板１０又は第２基板２０がＳｉからなる場合には、カバー部材１０７を構成する材料として酸化シリコンを用いることが好ましい。Ｓｉからなる基板に半導体機能部を作りこむときに、異成分からなる新たな不純物の混入を抑制するためである。また、加工性の面からも好ましい。
【００１３】
このような、常温接合装置１００を用いて、第１ステージ１０３に、活性化される表面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、活性化される表面が上側になるように第２基板２０を保持し、ＦＡＢガン１０２により、これらの主面（表面）を活性化し、第１表面１０ａ，第２表面２０ｂを形成する。
【００１４】
ここで、表面の活性化にはＦＡＢガン１０２を用いている。イオンガンに比べ、ＦＡＢガン１０２は、指向性が高く、かつ高エネルギーである。ＦＡＢガン１０２の指向性の高さより、活性化したい第１基板１０及び第２基板２０の表面付近を確実に照射させることができる。このことより、真空容器１０１内の他の構成物を活性化することを抑制することができる。また、エネルギーの高さより、第１基板１０及び第２基板２０の表面の活性化を高い状態とすることができ、両者を接触させたときの接合力を高めることができる。
【００１５】
（金属を付着させる工程）
常温接合装置１００内部において、ＦＡＢガン１０２により金属放出体１０６をスパッタリングする。ここで、金属放出体１０６は、複数の金属を含むものである。複数の金属としては、鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ）等を例示できる。ただし、複数の金属は、第１基板１０を構成する主成分の元素及び第２基板を構成する主成分の元素を除く金属元素を主成分とするものとする。金属放出体１０６を、このような複数の金属の金属材料のみで構成していてもよいし、セラミックス等の絶縁材料からなる支持体に複数の金属からなる金属体が配置されたもので構成してもよい。
【００１６】
金属放出体１０６は、ＦＡＢガン１０２の照射により、複数の金属を真空容器１０１内に放出する。そして、放出された複数の金属原子を、第１基板１０及び第２基板２０の第１表面１０ａ，第２表面２０ｂに付着させる。この金属を付着させる工程は、前述の活性化する工程と分けて個別に行なってもよいし、同時に行なってもよい。
【００１７】
金属放出体１０６は、図１に示すように、ＦＡＢガン１０２と対向するように、第１基板１０，第２基板２０の側面側に配置してもよいし、第１ステージ１０３，第２ステージ１０４の一部に金属放出体１０６としての機能を持たせてもよい。
【００１８】
活性化された第１表面１０ａ，第２表面２０ｂに供給される複数の金属の供給量は、界面における濃度を考慮して決定されるが、例えば、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉを含み、最も多く放出されるＦｅを１．５×１０５ｎｇ／ｃｍ３とする。この供給量は、金属放出体１０６において露出する複数の金属の面積をカバー部材１０７により調整することで調整できる。第１ステージ１０３、第２ステージ１０４の一部に金属放出体１０６としての機能を持たせる場合には、これらの各ステージ１０３，１０４をカバー部材１０７から露出させる面積を制御することで調整することができる。
【００１９】
複数の金属の供給量を制御することにより、第１基板１０と第２基板２０との界面における複数の金属の密度は、１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることができる。このような存在密度とすることにより、複数の金属は、第１基板１０の第１表面１０ａ，第２基板２０の第２表面２０ｂを完全に覆うことがない。すなわち、第１基板１０の第１表面１０ａ，第２基板２０の第２表面２０ａを構成する元素の原子配列が露出するものとなる。
【００２０】
ここで、複数の金属の存在密度とは、界面における単位表面積当たりの原子数をさす。実際には、ＩＣＰ−ＭＳ（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）により、第２基板２０上の第１基板１０の一部を一定体積エッチング液に溶解させ、複数の金属を構成する金属元素の量を測定し、その全量が界面から厚み５ｎｍ以内に存在するものと仮定し、面方向における密度を求める。このような仮定は、本実施形態により得たデバイスの複数について厚み方向における金属元素の分布状態を観察・測定した結果、最も金属量が多い場合でも、第１基板１０と第２基板２０との間の５ｎｍ以内の領域に存在し、第１基板１０側には殆ど拡散していないことを確認したことによる。
【００２１】
また、接合前の活性化させた第１表面１０ａ，第２表面２０ｂを全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ），二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等で測定してもよい。
【００２２】
（接合する工程）
次に、複数の金属が供給された、第１表面１０ａ，第２表面２０ｂを互いに直接接触させることで、第１基板１０と第２基板２０とを常温で接合する。
【００２３】
（加熱する工程）
次に、接合された第１基板１０及び第２基板２０を加熱する。加熱温度としては、複数の金属と、第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素と、の凝集開始温度よりも高い温度とする。凝集開始温度は、拡散係数や相図等からも確認できるが、第１基板１０又は第２基板２０の厚みによっては、バルク体として扱うことができず、これらから算出される温度に比べて低温側にシフトすることもある。
【００２４】
このような熱処理を行なうことにより、図２に示すようなデバイス１を提供することができる。デバイス１は、接合面における複数の金属の存在密度を１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００２５】
従来、第１基板１０と第２基板２０とを常温で接合するには、金属層が必須であった。これは、金属を接着層として機能させるものであり、少なくとも接合面を被覆する以上の量が必要であり、それ以下であると接合されなかった（例えば特許第４１６２０９４号参照）。すなわち、約３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の金属が必要であるとされていた。
【００２６】
このため、従来はその第１基板１０と第２基板２０との間に少なくとも約３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の密度で金属が存在しており、その金属が、後の熱処理工程において第１基板１０又は第２基板２０に拡散し、デバイスの性能に影響を与えていた。
【００２７】
しかしながら、本実施形態によれば、従来の常温接合装置で用いられるイオンガンに比べて高エネルギーのＦＡＢガン１０２を用いて接合面の活性化度を高めることで、従来に比べて著しく少ない金属量でも接合を実現すると共に、金属放出体１０６やカバー部材１０７の設置により、複数の金属の供給量の制御も可能とした。
【００２８】
ここで、複数の金属の供給量は金属放出体１０６から露出する複数の金属の露出面積により制御することが好ましいため、真空容器１０１内に存在する金属材料からなる構造体は可能な限りカバー部材１０７により被覆することが好ましい。なお、一般に真空容器１０１内の雰囲気は高真空であって浮遊金属粒子は少ないと考えられ、かつ、指向性の極めて高いＦＡＢガン１０２を用いることから、ＦＡＢガン１０２により真空容器１０１等がスパッタリングされる可能性も低いと考えられる。このことから、技術常識によれば、真空容器１０１内に存在する金属材料からなる構造体を被覆するためのカバー部材１０７は、本来不要である。しかしながら、複数の金属の存在密度を、１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下という極めて低いレベルである本実施形態の金属量を実現するためにはカバー部材１０７が必要であることを見出した。この例では、カバー部材１０７から露出する金属材料からなる構成部材は、金属放出体１０６を除けば、排気口１０１ａ及びそれに続くダクト部分、ＦＡＢガン１０２の一部、第１及び第２ステージ１０３，１０４の一部のみとしている。
【００２９】
また、真空容器１０１内の真空度を高めることも重要である。真空度は、高い方が複数の金属の供給量を低くすることができる。具体的にはＦＡＢガン１０２が安定して出射されるために必要な真空度の１０１〜１０２オーダー高い真空度とすることが好ましい。
【００３０】
さらに、活性化する工程において、第１基板１０と第２基板２０とを非対向の状態で活性化することも有効である。
【００３１】
活性化する工程において、第１基板１０と第２基板２０とが互いに対向していると、一方に中性子ビームが照射されるとそれを保持するステージ周辺がエッチングされ、エッチングされたもの（被エッチング物）が真空雰囲気内を浮遊し、対向する他方の基板に付着する可能性がある。ここで、他方の基板も同時に活性化されていると、活性化されていないときに比べて浮遊している被エッチング物が付着されやすくなる。ここで被エッチング物は、第１ステージ１０３，第２ステージ１０４を構成する金属材料や、各ステージ１０３，１０４に付着する汚れ等の不純物を含む。
【００３２】
言い換えると、第１基板１０，第２基板２０の表面を活性化するための中性子ビームの照射が、その表面同志が互いに対向している状態で同時に行なわれることによって、二次的に両ステージ１０３，１０４をスパッタリングすると推察される。
【００３３】
この仮説を検証するために、第１基板１０，第２基板２０を対向配置し、同時に活性化した表面と、一方の基板のみ真空容器１０１内に設置して活性化した表面とを、接合前に真空容器１０１内から取り出して金属原子量を測定した。その結果、一方の基板のみを活性化した後者において飛躍的に金属原子量を削減できたことを確認した。
【００３４】
以上の検証実験により、活性化する工程において第１基板１０と第２基板２０とを非対向の状態とすることが、金属原子量を削減する上で重要であることを確認できた。非対向の状態は、例えば、第１基板１０を活性化する間、第２基板２０は、ＦＡＢガン１０２が照射される空間とは隔離された待機スペース等で保持することで、時間的にも空間的にも分断させることが好ましい。
【００３５】
このように、本実施形態により、複数の金属の密度を減少させつつ、かつ、第１基板１０と第２基板２０との接合を実現できる。
【００３６】
なお、複数の金属の密度を１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下としたことで、初めて、接合を維持しつつ、界面に金属元素の析出部が発生することを抑制することができる。このメカニズムについて詳述する。
【００３７】
第１基板１０と第２基板２０との間に複数の金属を構成する金属原子が凝集している場合には、第１基板１０又は第２基板２０に半導体素子等の電気的特性が関与する構造を作りこむときに、その動作に悪影響を生じる虞があった。このような金属元素の凝集は、界面における金属原子が層状又は島状に設けられる場合には（例えば、界面における金属原子の密度が約３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上）、当然に想定される問題であるが、約３．０×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満であっても１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超える場合には、接合時には接合面内に分散していてその存在を確認できなくても、半導体素子等の構造体を作りこむための熱処理を加えていく過程で金属原子が凝集してしまう。しかしながら、１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることにより、熱処理を加えても金属原子が凝集することを防止できる。
【００３８】
これは、メカニズムは明らかではないが、複数の金属を構成する金属元素の第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素に対する固溶度が関係するものと考えられる。すなわち、複数の金属の密度を１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とすることで、互いに接触し凝集体を形成するような密度ではなく、かつ常温では移動度も低いため、接合時において凝集体を形成することはない。それに加え、熱処理を加え移動度が高まったとしても、界面における密度が１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となるような金属供給量であれば、金属元素は固溶度の１０倍程度しか存在しないこととなり、この状態においても凝集体を形成することはないものと考えられる。
【００３９】
さらに、複数の金属の金属原子のうち大多数は第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素に固溶されていることから自由に動けず、残る金属原子も互いの距離が大きく離れていることから金属原子同志で凝集したり、拡散を推進するような大きな欠陥を形成したりすることができない。
【００４０】
また、第１基板１０又は第２基板２０のいずれかがＳｉからなり、複数の金属を構成する金属元素がＦｅを含む場合には、その密度が１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２よりも多くなると、この値を境としてＯＳＦ欠陥が急激に増加する。ＯＳＦ欠陥の一因として格子欠陥があり、この欠陥を足掛かりとしてＦｅとＯとの化合物が表面に移動・析出してＯＳＦ欠陥となる可能性がある。このＯＳＦ欠陥が生じるＦｅの存在量の閾値と、本実施形態における複数の金属の密度の上限値とが一致している。
【００４１】
ＯＳＦ欠陥と金属の凝集とは直接的な関係はないが、金属原子が半導体層内を移動・凝集・析出するという現象に着目すると両者の間には共通項がある。そこで、ＯＳＦ欠陥の発生要因である、欠陥の存在及び金属（Ｆｅ）と酸素との結合という要素について検討すると、本実施形態のデバイス１は、第１基板１０及び第２基板２０を、互いの接合面を活性化し、ダングリングボンドを形成して直接接合していることから、接合界面にはダングリングボンドが欠陥として残存している可能性がある。また、接合後に熱処理を行なうことに起因して、接合界面に複数の金属を構成する金属元素と第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素とが金属間化合物を形成する可能性がある。この２つの仮定、すなわち、界面における欠陥と金属間化合物が界面に同時に存在することは、ＯＳＦ欠陥の発生要因を二つとも具備していることとなる。このことから、本実施形態のデバイス１は、欠陥を足掛かりにＦｅが移動・析出することにより発生するＯＳＦ欠陥の場合と同様に、複数の金属が構成する金属間化合物が界面の欠陥を足掛かりとして移動・析出する可能性を示唆している。以上より、複数の金属を構成する金属元素の密度を、ＯＳＦ欠陥が生じる閾値以下とすることにより、金属元素の拡散・凝集を抑制できるものと推察される。
【００４２】
なお、複数の金属を構成する金属元素の密度の下限値は、特に限定されないが、第１基板１０及び第２基板２０を互いに常温接合するために必要な量が存在する必要がある。具体的には、接合時に複数の金属の密度が１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上のときには特許第４１６２０９４号公報に倣って金属量の多い状態で接合した場合と同等の接合強度を確保できていることを確認している。なお、接合後の熱処理において、接合界面から拡散して１０８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度まで低下することもあると推察される。
【００４３】
以上より、本実施形態によれば、界面に存在する複数の金属が凝集することがなく、かつ十分な第１基板１０と第２基板２０との接合強度を有するデバイス１を提供することができる。
【００４４】
ここで、第１基板１０，第２基板２０とは同一材料であってもよいし、異種材料であってもよい。例えば、ＡｌＯｘ，ＳｉＯｘ，ＴｉＯｘ，ＺｒＯｘ等の酸化物、ＡｌＮｘ，ＳｉＮｘ等の窒化物、ＳｉＣ，ＡｌＣ等の炭化物、又はフッ化物や、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料、電歪材料，ＹＡＧ等の光学結晶材料，Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅ，ＧａＮ等の半導体材料等を挙げられる。特に、第１基板１０又は第２基板２０が半導体材料からなる場合には、接合界面の金属の存在はデバイス１としての特性に大きな影響を及ぼす虞がある。
【００４５】
例えば、第１基板１０としてＳｉ半導体単結晶を用い、第２基板２０としてサファイア基板を用いて、ＳＯＳ構造をとるときには、第１基板１０と第２基板２０との接合界面における金属原子の存在は重要であり、その量や分布等を制御する必要がある。
【００４６】
（変形例１）
活性化する工程において、第１基板１０の表面と第２基板２０の表面とを対向させない状態で活性化してもよい。特に活性化する工程と金属を付着させる工程とを同時に行なうときには、第１基板１０の表面と第２基板２０の表面とを対向させない状態で活性化してもよい。
【００４７】
第１基板１０及び第２基板２０の表面を、互いに対向しない状態に保ち、ＦＡＢガン１０２を用いて活性化する。ここで、第１基板１０及び第２基板２０の表面を活性化するときに、その表面が直接対向しないようにする。以下、このような状態を「非対向状態」ということがある。なお、両者の間に介在物が存在する場合も非対向状態に含める。
【００４８】
この非対向状態の例について、図３を用いて説明する。図３は、常温接合装置１００の真空容器１０１内の要部説明図である。第１ステージ１０３，第２ステージ１０４の位置関係が明確になるように一部の構成の図示を省略している。
【００４９】
この非対向状態は、例えば、図３（ａ）に示すように、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ，第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａを、共に同じ向きとなるように配置し、ＦＡＢガン１０２を同じ方向から照射することにより、実現すればよい。特に図３（ａ）に示すように、平面視における位置をずらすことが好ましい。言い換えると、ＸＹ平面において、表面を活性化する工程においては、第１ステージ１０３の存在位置と第２ステージ１０４の存在位置とが重複しないことが好ましい。
【００５０】
また、図３（ｂ）に示すように、平面視における位置は重複するが、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ及び第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａが背中合わせになるように配置してもよい。言い換えると、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ及び第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａが互いに反対向きとなるように配置し、かつ、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａと反対側の面及び第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａと反対側の面が対向するように配置してもよい。そして、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ及び第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａのそれぞれに対向するように配置されたＦＡＢガン１０２により、第１基板１０の表面及び第２基板２０の表面を活性化する。
【００５１】
また、図３（ｃ）に示すように、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ及び第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａが互いに間隔を開けて配置され、その間に絶縁体から成る遮蔽板１０８を設けてもよい。そして、ＦＡＢガン１０２は、第１ステージ１０３及び第２ステージ１０４の側面側に位置し、不図示の位置調整機構によってその向きを変えながら、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａと、第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａとにそれぞれ保持された基板に中性子ビームを照射する。
【００５２】
遮蔽板１０８は、ＦＡＢガン１０２の照射によりスパッタリングされ難い物質からなることが好ましく、例えば、クオーツなどの単結晶体や酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン等のセラミックス材料等を用いることができる。ここで、第１基板１０，第２基板２０のうち、電気特性に影響のある材料を用いるときには、これらの基板を構成する主成分元素と同一の元素を主成分として含む絶縁体から遮蔽板１０８を形成することが好ましい。例えば、第１基板１０としてシリコン基板を用いる場合には、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好ましい。仮に遮蔽板１０８がＦＡＢガン１０２によりエッチングされたとしても、第１基板１０を構成する元素の原子が浮遊することとなり、第１基板１０に付着したとしてもその影響を小さく抑えることができる。また、第２基板２０としてサファイア基板を用いる場合には、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いることが好ましい。仮に遮蔽板１０８がＦＡＢガン１０２によりエッチングされたとしても、第２基板２０を構成する元素の原子が浮遊することとなり、第２基板２０に付着したとしてもその影響を小さく抑えることができる。
【００５３】
また、図３（ｄ）に示すように、一方の基板を活性化する間、他方の基板を、真空容器１０２のうちＦＡＢガン１０２が照射される空間から隔離された待機スペース１０９に移動させてもよい。このような構成とすることにより、第１基板１０の表面の活性化と第２基板２０の表面の活性化とを、時間的にも空間的にも分離することができ、時間的にも空間的にも非対向状態を実現することができる。
【００５４】
図３（ａ）〜（ｃ）の場合には、第１基板１０の表面の活性化と第２基板２０の表面の活性化とは、同時に行なってもよいし、時間を空けて個別に行なってもよい。時間を空けて個別に行なう場合には、第１基板１０の活性化と第２基板２０の活性化とを時間的にも空間的にも分離することができ、より金属量を削減することができるので好ましい。
【００５５】
ここで、上述の場合には、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ（図１では下向きの面）を上側に向けることも、第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａ（図１では上向きの面）を下側に向けることも可能であることが好ましい。接合する工程のときに、容易に第１表面１０ａと第２表面２０ａとを対向配置することができるからである。すなわち、第１ステージ１０３及び第２ステージ１０４は、それぞれの位置調整機構により、ＸＹＺ方向の移動及びある一方向を軸とした回転を伴う変位も可能となっている。この、第１ステージ１０３の基板保持面１０３ａ，第２ステージ１０４の基板保持面１０４ａの向きが、これらに保持される第１基板１０，第２基板２０の表面の向きと同一となる。
【００５６】
図３においては、活性化する工程と接合する工程とを、同一の真空容器１０２内で行なう例を用いて説明したが、活性化する工程専用の真空容器を設けて、順次第１基板１０、第２基板２０を投入し、活性化後に基板を移動させ、接合する工程用の真空容器に運搬してもよい。その場合には、ＦＡＢガン１０２及び金属放出体１０６の配置を、接合工程を考慮せずに活性化に最適な配置とすることができるとともに、接合のための真空容器に比べて小さく、シンプルな構成の容器とすることができるので、真空度を高め、意図せぬ不純物を排除することができる。
【００５７】
また、第１基板１０及び第２基板２０のサイズが大きくなると、全面において均一に活性化するために、複数のＦＡＢガン１０２を用いる必要がある。その場合には、図４に示すように複数のＦＡＢガン１０２を互いに対向しないように配置することが好ましい。図４は、真空容器１０１を上方から見たときの透視状態の平面図である。ＦＡＢガン１０２からの中性子ビームは高エネルギーであるため、対向する位置に他のＦＡＢガン１０２がある場合にはＦＡＢガン１０２の構造体の構成物がスパッタリングされ、デバイス１の特性に影響が生じる虞があるからである。
【００５８】
また、複数のＦＡＢガン１０２が互いに対向するように配置する場合には、ＦＡＢガン１０２自体に遮蔽板１０８と同様の材料からなるカバーを設け、ＦＡＢガン１０２の露出を最小限にしたり、一方のＦＡＢガン１０２を照射するときには、それと対向する位置に存在するＦＡＢガン１０２をカバーで覆うことにより、複数のＦＡＢガン１０２が対向する状態を時間的に分離したりしてもよい。
【００５９】
（変形例２）
加熱する工程において、加熱温度として、第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素と複数の金属との凝集開始温度以上としているが、さらに高い温度でもよい。例えば、第１基板１０又は第２基板２０を構成する元素と複数の金属とが金属間化合物を形成する温度で一定時間加熱してもよい。また、第１基板１０としてシリコン単結晶基板を用いる場合には、シリコンの熱酸化温度で加熱してもよい。
【００６０】
特に、第１基板１０としてＳｉ単結晶も選択し、加熱する工程においてシリコンの熱酸化温度で加熱して、第１基板１０の第２基板２０と接する側の面と反対側の主面に酸化層４０を形成してもよい。このような工程を経て得たデバイスを図５に示す。
【００６１】
このように、第１基板１０の一部が酸化されて酸化層４０となる場合には、体積変化に伴い、酸化層４０側から第１基板１０として残る部分にＳｉが押し出されて第１基板１０の酸化層４０側の面は格子間Ｓｉが増加し、単位体積当たりのＳｉ原子密度が高まる。
【００６２】
これに対して、第１基板１０と第２基板２０との間には酸化物層もなく、Ｓｉ原子の増加もない。ここで、格子間Ｓｉの存在はＯＳＦ欠陥の発生を促進させる要因となることが知られている。デバイス１において、ＯＳＦ欠陥の原因となる金属元素が混入する部分は、第１基板１０と第２基板２０との界面であるが、この界面付近において格子間Ｓｉ濃度を示す単位体積当たりのＳｉ原子密度を酸化層４０側の面に比べて小さくすることで、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。
【００６３】
さらに、第１基板１０の酸化層４０側の面よりも第２基板２０側の面で格子間Ｓｉが少ないことにより、第１基板１０に結晶構造に引っ張り歪みが生じることを抑制し、半導体素子のキャリア移動度への影響を抑えることができる。このような、格子間Ｓｉ等による歪量は、第１基板１０に半導体素子を形成しキャリア移動度等を測定することにより推定することができる。
【００６４】
（変形例３）
上記実施形態において、活性化工程において、第１基板１０としてＳｉ単結晶からなる半導体を用い、第２基板２０として、接合面がＲ面であるサファイア基板を用いることが好ましい。
【００６５】
サファイア基板のＲ面における格子面間隔と、Ｓｉ単結晶の格子定数とは、サファイア基板のＣ面等に比べて近く、格子定数のミスマッチングに起因する第１基板１０の第１表面１０ａ側における結晶構造の乱れを抑制したデバイスを得ることができる。
【００６６】
ここで、従来は、第１基板１０と第２基板２０とは、その間に結晶性も格子定数も全く異なる金属元素の層を介して接合されていたため、両者の格子定数は接合にも、半導体素子を作りこむときの特性にも関係性が薄かった。
【００６７】
しかしながら、上述の実施形態によれば、複数の金属の密度が１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることから、第１基板１０を構成する原子と第２基板２０を構成する原子とが直接接合する割合が非常に多くなる。具体的には、１ｃｍ２当たりの総原子数は、この例では約１０１６ａｔｏｍｓと想定されるため、複数の金属である金属元素を介して接合される割合はｐｐｍオーダーとなる。
【００６８】
このため、第１基板１０と第２基板２０との格子定数に強い意味が発生する。すなわち、格子定数が近くミスマッチングが少ないことから、両者の接合が強固になるとともに、第１基板１０に結晶構造の乱れが生じにくいため、キャリアをトラップする原因となる転移の発生や歪による意図しない応力の発生による半導体素子の特性劣化を生じる虞が少ない。
【００６９】
また、第１基板１０と第２基板２０とを格子定数のミスマッチングが少ない状態で直接結合することができるので、Ｓｉの半導体特性を損ねることなく十分に生かし、両者の間に容量が発生することを抑制することができる。すなわち、Ｓｉからなる第１基板１０の半導体特性と、サファイアからなる第２基板２０の低誘電率特性とを両立させたデバイス１を提供することができる。
【００７０】
さらに、第２基板２０としてサファイアのＲ面を用いることにより、第１基板１０との接合面側には、Ａｌ原子が並び、Ｏ原子は露出しないこととなる。このため、ＯＳＦ欠陥の要因となるＯ原子を接合に関与させずに第１基板１０と第２基板２０とを接合できるので、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。また、第２基板２０として絶縁性の酸化物を用いている場合であっても、金属原子同士を接合させることができるので、接合強度を高めることができる。
【００７１】
また、第２基板２０としてサファイアのＲ面を用いることにより、第１基板１０と第２基板２０との活性化した表面同士を接触させて接合するときに、接合に関与しないダングリングボンド（未結合手）の割合を減らすことができる。これにより、接合界面における未結合種に起因する接合界面の欠陥・空洞を減らすことができ、接合界面を良好な状態にすることができる。接合界面における欠陥・空洞が削減することにより、金属原子の凝集・拡散を抑制することができる。
【００７２】
（変形例４）
上記実施形態の活性化する工程において、第１基板１０としてＳｉ単結晶を用い、第１基板１０の酸素濃度を５×１０１７〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕未満とすることが好ましい。第１基板１０中の酸素濃度が高い場合には、金属元素と結合し、複数の金属を構成する金属原子の移動・拡散を助長する。これに対して、酸素濃度を上述のように制御することにより、第１基板１０中に金属が拡散・固溶・析出することを抑制している。特に、金属がＦｅである場合には、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制することができる。
【００７３】
第１基板１０をこのような酸素濃度とするためには、Ｓｉ単結晶基板上にＳｉエピタキシャル層を形成し、このエピタキシャル層側を第２基板２０に接合した後に、Ｓｉ単結晶基板を除去することにより、残ったエピタキシャル層を第１基板１０とすればよい。第１基板１０をエピタキシャル層とすることで、高い結晶性を維持しつつ、真空中で成膜された膜であるために酸素の混入量を抑制することができる。
【００７４】
（変形例５）
変形例４において、第１基板１０の第２基板２０と接する側の面（すなわちエピタキシャル層の表面）をノンドープとすることが好ましい。このような構成とすることにより、ドーパントの存在による第１基板１０の結晶に歪みが生じることを抑制し、キャリアをトラップする原因となる転移の発生や歪による意図しない応力の発生による半導体素子の特性劣化を生じる虞が少ない。
【００７５】
このような構成を実現するためには、以下の工程を順次行なえばよい。すなわち、まず、Ｓｉ単結晶基板上に、ノンドープ、又は徐々にドーパント濃度が低下し、表面においてノンドープの状態となるようなＳｉエピタキシャル層を形成する。次に、このエピタキシャル層側を第２基板２０に接合する。その後に、Ｓｉ単結晶基板を除去することにより、エピタキシャル層を第１基板１０とすればよい。エピタキシャル層とすることで、高い結晶性を維持しつつ、ドーパント量の制御が容易となる。
【００７６】
また、このときに高いドーパント濃度を有するＳｉ単結晶基板を用いて、その上にノンドープのエピタキシャル層を形成することで、基板側からドーパント濃度を拡散させることでエピタキシャル層中のドーパント濃度分布を形成してもよい。
【００７７】
（変形例６）
上記実施形態において、加熱する工程において、複数の金属は金属シリサイドや金属オキサイドを形成していることが好ましい。たとえば、ＳｉＦｅＯｘ、ＡｌＦｅＯｘ等を例示できる。
【００７８】
複数の金属を構成する金属原子を金属シリサイドや金属オキサイドなどの金属間化合物として存在させるためには、接合する工程の後に、５００℃以上の熱処理を０．５時間以上行なう。この熱処理により、第１基板１０を構成する元素又は第２基板２０を構成する元素と結合することにより生成される。金属原子は、第１基板１０と第２基板２０との両接合面を活性化したときに供給されるため、接合界面に存在し、第１基板１０と第２基板２０との両接合面に存在する原子と熱処理により結合が形成される。
【００７９】
ここで、デバイス１は、接合界面に存在する複数の密度を１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下としていることより、金属原子の拡散・凝集を抑制できる。このため、金属間化合物としての複数の金属は、第１基板１０と第２基板２０との接合界面に留まる。そして、金属元素が金属間化合物を形成するときに、その周囲には第１基板１０を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔、第２基板２０を構成する元素が金属元素との結合に供給されたことによる空孔が生じる。この空孔が欠陥となり、新たな不純物が界面に存在するときに、その不純物をゲッタリングし、第１基板１０への拡散を抑制することができる。
【００８０】
（変形例７）
以上のような実施形態及びその変形例において、第１基板１０は基板でも薄層でもよいが、接合する工程の後に薄層化する工程を加え、その厚みとして３０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００８１】
薄層化するためには、まず、活性化する工程において、第１基板１０として、高濃度Ｓｉ単結晶基板上にノンドープのエピタキシャル膜を形成したものを用いる。
【００８２】
エピタキシャル成長する際に、エピタキシャル膜中に高濃度Ｓｉ単結晶基板からドーパントが拡散する。これにより、エピタキシャル膜の下面はドーパント濃度が高く、上面側はノンドープの状態となっている。この上面にＦＡＢガン１０２を照射して、第１表面１０ａを形成する。そして、接合する工程において、このエピタキシャル膜の上面を第２基板２０に接合する。
【００８３】
そして、薄層化工程を行なう。具体的には、両者を接合した後に、高濃度Ｓｉ単結晶基板と、エピタキシャル膜のうち、この基板から拡散されたドーパントを一定量以上有する部分を除去する。例えば、ドーパント濃度が高いとエッチングレートが高く、あるドーパント濃度を境に急激にエッチングレートが低下するような選択性のエッチャントを用いて除去すればよい。このような選択性のエッチャントの一例としては、例えばフッ酸、硝酸及び酢酸の混合液、ならびにフッ酸、硝酸及び水の混合液などが挙げられる。具体例としては、フッ酸、硝酸及び酢酸の混合液を例に説明する。このエッチャントは、第１基板１０の抵抗値よりも高い抵抗値である閾値の抵抗値において、シリコンに対するエッチングレートが一定値以上低下するように調整されている。言い換えると、第１基板１０のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度である閾値に対応するドーパント濃度において、シリコンに対するエッチングレートが一定値以上低下するように調整されている。ここで、「エッチングレートが一定値以上低下する」とは、エッチングレートとドーパント濃度との関係を示すグラフを作成したときに、変曲点となるような場合や、閾値においてエッチングレートが１／１０以上低下するような場合を指す。この例では、このエッチング液は、ｐ型シリコンを採用している本実施形態において、閾値となる抵抗値が１〜４[Ω・ｃｍ]（この閾値に対応するドーパント濃度は７×１０１７〜２×１０１８［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である）を境にしてエッチング速度が著しく低下するように調整されている。例えば、フッ酸、硝酸及び水の混合比を１：３：８としたときには、閾値を境にしてエッチングレートが１／１０００以上に変化する。なお、選択性のエッチングをする他の方法としては、５％程度のフッ化水素溶液内での電解エッチング法、あるいはＫＯＨ溶液でのパルス電極陽極酸化法などが挙げられる。このようなエッチャントを用いれば、エピタキシャル膜中のドーパント濃度変化が自動的にエッチングストップ層の役割を果たすものとなる。このようにして、高濃度Ｓｉ単結晶基板と、エピタキシャル膜の一部とを除去し、残った部分を新たな第１基板１０とする。このような工程を経て得た第１基板１０は、ノンドープの領域となっており、そのドーパント濃度はｐ−のドーパント濃度としては、１×１０１６〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕以下の範囲が、ｎ−のドーパント濃度としては、５×１０１５〔ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〕以下の範囲がそれぞれ挙げられる。ここで「ノンドープ」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等に限られるものではない。この例ではドーパントとしてボロン（Ｂ）を用いている。このように、デバイス１に残る第１基板１０をノンドープの完全空乏層とすることができ、かつ、この完全空乏層の厚みを２００ｎｍ以下とすることができる。このような工程を経ることにより形成されたデバイス１は、第１基板１０が酸化物層等を介さずに直接第２基板２０に直接常温接合されていることにより、ＯＳＦ欠陥の発生を抑制するとともに、緻密で且つ欠陥の少ない第１基板１０とすることができる。また、このような薄く、欠陥が少ない完全空乏層である第１基板１０が直接第２基板２０と接合されることにより、第２基板２０の絶縁性や高い放熱性の利点を半導体素子に反映させることができる。
【００８４】
また、このような薄層化工程を、加熱する工程の前に行なうことで、第１基板１０と第２基板２０との熱膨張係数の違いに起因する歪を削減することができる。その結果、加熱する工程を行なっても第１基板１０に割れが生じたり、第１基板１０と第２基板２０との接合が剥離したりすることを抑制することができる。
【実施例】
【００８５】
（実施例１）
上述の実施形態に基づき、デバイス１を以下の条件で形成した。
・第２基板２０：６インチのサファイア基板
・第２基板２０の接合面（一方主面）２０ａ：Ｒ面
・第１基板１０：ノンドープのＳｉエピタキシャル膜を抵抗値０．０１〜０．０２ΩｃｍのＳｉ単結晶基板上に２μｍ成膜した。成膜時の酸素濃度は１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であった。このエピタキシャル膜を厚み２００ｎｍ残して、単結晶基板とともに除去し、残存部を第１基板１０とした。第１基板１０のドーパント濃度は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下となっており、完全空乏層となっていることを確認した。
・接合条件：常温接合装置にて、１×１０−５Ｐａ以下の高真空中で第２基板２０と第１基板１０とにそれぞれＦＡＢガンを照射し、接合面を活性化した後に、活性化した両接合面を接触させて接合した。ここで、常温接合装置内部は絶縁性のカバー部材で被覆した。金属放出体１０６としてはＳＵＳを用い、一部を除きカバー部材で被覆した。
・加熱条件：９００℃で３０分間、酸素雰囲気で加熱処理を行なった。【００８６】
（比較例１）
また、比較例１として、接合条件を下記の通りとする点以外は上記実施例と同一条件で比較サンプルを形成した。
・接合条件：常温接合装置にて、１×１０−５Ｐａ以下の高真空中で第２基板２０と第１基板１０とにそれぞれイオンガンを照射し、接合面を活性化した後に、活性化した両接合面を接触させて接合した。ここで、常温接合装置内部は金属部分が露出した状態とした。【００８７】
（比較例２）
また、比較例２として、接合条件を下記の通りとする点以外は上記実施例と同一条件で比較サンプルを形成した。
・接合条件：常温接合装置にて、１×１０−５Ｐａ以下の高真空中で第２基板２０と第１基板１０とにそれぞれＦＡＢガンを照射し、接合面を活性化した後に、活性化した両接合面を接触させて接合した。ここで、常温接合装置内部は絶縁性のカバー部材で被覆したが、金属放出体の露出量は、実施例に比べて多くすることで接合界面に存在する金属量を多くした。【００８８】
（比較例３）
また、比較例３として、第１基板１０として、単結晶Ｓｉ基板の表面を熱酸化させて３００ｎｍの厚みの酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成し、この酸化膜を第２基板２０とを、比較例１と同様の接合条件で接合した。【００８９】
（接合界面観察）
実施例、比較例１，２のデバイスについて、常温接合後、３００℃を超えるような熱処理を施さない状態で、第１基板１０と第２基板２０との接合界面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で断面観察した。【００９０】
具体的には、観察断面はイオンミリングにより作製し、ＴＥＭ（日立ハイテクノロジーズ製；Ｈ−９０００ＮＡＲ）により、加速電圧２００ｋＶ、観察倍率２０５００００倍（２０５万倍）で観察した。【００９１】
その結果、実施例及び比較例２においては金属の析出を確認できなかった。比較例１については、図６に示す通り、界面に厚さ５ｎｍ以下のＳｉ単結晶とは異なる変成層を確認した。【００９２】
（金属量）
上述の実施例１、比較例１，２について、複数の金属の密度を測定した。具体的には、第１基板１０を薄層化し、厚みを５００ｎｍとした後に、第１基板１０の上面を、開口径５０ｍｍでマスクし、マスク開口部に露出する第１基板１０を硝酸とフッ酸との混合液でエッチングしてエッチング液に溶解させた。この溶解させた溶液を全量蒸発皿に採取し、加熱・蒸発乾固後に残渣を酸溶解させたものをＩＣＰ−ＭＳにより測定した。これらの作業はクリーンルーム（クラス１００）内において行なった。【００９３】
そして、ＩＣＰ−ＭＳによる測定結果である元素質量（ｎｇ）を各元素の原子量で除してモル数に換算後、アボガドロ数を乗じて原子数に換算した。ここで、先の接合界面観察結果よりこれらの金属原子は界面から厚み５ｎｍ以下に存在するものと仮定して、原子数に換算した値を５ｎｍで除するとともにマスク開口面積で除することにより、単位面積当たりの原子数に換算した。その結果を表１に示す。なお、表１中には各元素の検出下限も示す。【００９４】
なお、第２基板２０を構成する主成分の元素、第１基板１０を構成する主成分の元素、すなわち、Ａｌ，Ｓｉは複数の金属を構成する金属元素から省いている。【００９５】
【表１】
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【００９６】
表１に示すように、活性化をイオンガンからＦＡＢガンに変更した比較例２では、なお１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２を超える金属量となっているが、ＦＡＢガンを用い、かつ、保護カバーにより金属放出体からの複数の金属の露出量を調整した実施例により、初めて１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下の金属量を実現できていることを確認した。【００９７】
また、実施例、比較例１，２に対して、第１基板１０側から接合界面側に向けて深さ方向でＳＩＭＳ分析を行ない、界面から５ｎｍを超える部分に金属原子が検出されないことを確認した。【００９８】
（接合強度）
次に、上述の実施例１、比較例１，２について、接合強度を測定した。具体的には、実施例１、比較例１，２について、任意の５か所（周辺部、中央部等）について約１ｃｍ角に切り出し、Ｑｕａｄ  Ｇｒｏｕｐ社製の薄膜密着強度測定器Ｒｏｍｕｌｕｓ装置により引張強度を測定した。その結果、実施例１も比較例１，２と同様の接合強度を得ていることを確認できた。【００９９】
（ミスマッチングが少なく接合されている状態確認）
次に、実施例１のデバイス１の接合界面を観察した。具体的には、イオンミリングにより加熱後のデバイス１の第１基板１０と第２基板２０との接合界面を含むような断面を形成し、ＴＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製；Ｈ−９０００ＮＡＲ）により、加速電圧２００ｋＶ、観察倍率２０５００００倍（２０５万倍）で観察した。【０１００】
その結果、図７に示す通り、第２基板２０の原子配列と第１基板１０の原子配列とが、その界面においても数原子層においてところどころに乱れがあるのみで、ミスマッチングの少ない状態で接合されていることが確認できた。具体的には、ミスマッチング部分は１ｎｍ以下である。ミスマッチング部分においても原子配列の大きな乱れもないことから、異種材料を接合していても第１基板１０に意図せぬ歪及び歪に起因する応力が生じることがなく、第１基板１０の性能を高めることができる。【０１０１】
（金属凝集有無）
次に、熱処理後の実施例１，比較例１，比較例２及び３のデバイスについて、その断面を観察した。具体的には、イオンミリングにより第１基板１０と第２基板２０との接合界面を含むような断面を形成し、ＴＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製；Ｈ−９０００ＮＡＲ）により、加速電圧２００ｋＶ、観察倍率２０５００００倍（２０５万倍）で観察した。【０１０２】
その結果、図８Ａ〜図８Ｄに示す通り、図からも明らかなように、比較例１，比較例２及び比較例３では金属元素が凝集している様子が確認されたが、実施例１においては凝集している様子は確認されなかった。【０１０３】
このことから、半導体素子を作りこむために加熱処理する必要のあるデバイスにおいて、接合界面の金属密度を１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下に制御することが重要であることを確認した。そして、このような金属密度とすることは、接合界面に酸化物層を有する場合も同様であることを確認した。
【符号の説明】
【０１０４】
１０・・・第１基板
２０・・・第２基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月5日(2016.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板及び第２基板の表面を、ＦＡＢガンを用いて活性化する工程と、
前記ＦＡＢガンにより複数の金属を含む金属放出体をスパッタリングすることで前記複数の金属を放出させ、前記第１基板及び第２基板の表面に複数の金属を付着させる工程と、前記第１基板の活性化された第１表面と、前記第２基板の活性化された第２表面とを接触させることにより、前記第１基板と前記第２基板とを常温で接合する工程と、
前記第１基板と前記第２基板とを接合した後に前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する元素との凝集開始温度に比べて高い温度で加熱する工程とを具備し、
前記活性化する工程は、前記第１基板と前記第２基板とを非対向の状態で行ない、
前記複数の金属を付着させる工程において、前記金属放出体の露出面積を調整することにより、前記第１基板と前記第２基板との接合面に存在する前記複数の金属の存在密度を１×１０１２／ｃｍ２以下とする、デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記活性化する工程において、前記第１基板として、前記ＦＡＢガンが照射される側の面にノンドープ領域を有するシリコン単結晶体からなる基板を用い、
前記接合する工程に続いて、前記ノンドープ領域を残すように前記第１基板を薄層化する工程をさらに含む、請求項１記載のデバイスの製造方法。
【請求項３】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、前記第２基板としてサファイア基板を用い、
前記複数の金属を付着させる工程において、前記複数の金属の１つとして鉄を用いる、請求項１または２記載のデバイスの製造方法。
【請求項４】
前記加熱する工程において、前記複数の金属と前記第１基板又は前記第２基板を構成する主成分の元素との金属間化合物が形成される条件で加熱を行なう、請求項１乃至３のいずれかに記載のデバイス製造方法。
【請求項５】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、
前記加熱する工程において、前記第１基板の一部を熱酸化させる条件で加熱を行なう、請求項１乃至４のいずれかに記載のデバイス製造方法。
【請求項６】
前記活性化する工程において、前記第１基板及び前記第２基板の表面を間隔を開けて配置し、かつ前記第１基板と前記第２基板との間に絶縁体からなる遮蔽板を配置する、請求
項１乃至５のいずれかに記載のデバイスの製造方法。
【請求項７】
前記活性化する工程において、前記遮蔽板として前記第１基板又は前記第２基板を構成する主成分の元素と同一の元素を含む材料からなるものを用いる、請求項６記載のデバイスの製造方法。
【請求項８】
前記活性化する工程において、前記第１基板としてシリコン基板を用い、前記遮蔽板として酸化シリコンを主成分とする材料からなるものを用いる、請求項７記載のデバイスの製造方法。
【請求項９】
前記活性化する工程において、前記第２基板としてサファイア基板を用い、前記遮蔽板としてアルミナを主成分とする材料からなるものを用いる、請求項７記載のデバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記活性化する工程と前記複数の金属を付着させる工程とを同時に行なう、請求項１乃至９のいずれかにに記載のデバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記活性化する工程において、前記第１基板および前記第２基板のうち一方の基板を活性化するときに、他方の基板を、前記一方の基板を活性化する空間と遮断された待機スペースに配置させる、請求項１乃至１０のいずれかに記載のデバイスの製造方法。
【国際調査報告】
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