(57)【要約】【課題】第１基板及び第２基板の熱膨張係数の差に起因する接合体の内部応力を緩和し、製造される接合体の反り、割れ等を抑制する。【解決手段】加熱時に接着性を発揮する接着材１３０を介し互いに熱膨張係数の異なる第１基板１１０及び第２基板１２０が接合される接合体１１０を、予め設定された最終形状に製造するにあたり、第１基板１１０との接触面２３が最終形状と異なる加熱時形状を呈する接触部材２１と、接触部材２１と熱膨張係数が異なる非接触部材２２とを有する第１治具２０と、第２基板１２０と接触する第２治具４０と、を備え、製造される接合体１００に生じる応力が緩和されるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱時に接着性を発揮する接着材を介し互いに熱膨張係数の異なる第１基板及び第２基板が接合される接合体を、常温時と前記加熱時とで異なる形状の治具を用いて挟圧して製造することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第１基板との接触面が最終形状と異なる加熱時形状を呈する第１治具と、前記第２基板と接触する第２治具と、により前記接合体を加熱しつつ挟圧する加熱工程と、
前記第１治具の前記接触面を前記加熱時形状から前記最終形状に変形させつつ前記接合体を冷却する冷却工程と、を含む請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
前記第１治具の前記接触面の前記最終形状は、平坦であり、
前記第１治具の前記接触面の前記加熱時形状は、非平坦である請求項２に記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第２治具は、前記第２基板との接触面が最終形状と異なる加熱時形状を呈する請求項３に記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
加熱時に接着性を発揮する接着材を介し互いに熱膨張係数の異なる第１基板及び第２基板が接合される接合体を、予め設定された最終形状に製造する装置であって、
前記第１基板との接触面が前記最終形状と異なる加熱時形状を呈する接触部材と、前記接触部材と熱膨張係数が異なる非接触部材と、を有する第１治具と、
前記第２基板と接触する第２治具と、を備える接合体の製造装置。
【請求項６】
前記第１治具の前記接触部材は、端部よりも中央側が厚く形成されている請求項５に記載の接合体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１基板及び第２基板が接着材を介して接合される接合体の製造方法及び接合体の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体分野においては、２つの基板を貼り合わせて接合させる技術が用いられている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、２枚のウェーハを貼り合せて成る半導体基板の製造方法であって、２枚のウェーハを凸球面状に変形させてから貼り合せる半導体基板の製造方法が開示されている。特許文献１には、下面凸状の治具を用いて、ウェーハの貼り合せ界面に入った気泡を除去する方法が記載されている。この方法は、ウェーハの熱処理時に、軟質板の上に貼り合せウェーハを載置し、上記治具にてウェーハ中心より加圧し、貼り合せ界面より気泡を外へ押し出すというものである。
【特許文献１】特開２０００−３４８９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載された製造方法では、各ウェーハの熱膨張係数がほぼ等しいため、熱処理時から常温へ冷却される際に、接合体に反り、割れ等はほとんど生じない。しかしながら、接合される２つの基板の熱膨張率が異なる場合、接合体に反り、割れ等が生じやすいという問題がある。
【０００４】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、第１基板及び第２基板の熱膨張係数の差に起因する接合体の内部応力を緩和し、製造される接合体の反り、割れ等を抑制することのできる接合体の製造方法及び接合体の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明では、加熱時に接着性を発揮する接着材を介し互いに熱膨張係数の異なる第１基板及び第２基板が接合される接合体を、常温時と前記加熱時とで異なる形状の型を用いて挟圧して製造することを特徴とする接合体の製造方法が提供される。
【０００６】
上記製造方法において、前記第１基板との接触面が最終形状と異なる加熱時形状を呈する第１治具と、前記第２基板と接触する第２治具と、により前記接合体を加熱しつつ挟圧する加熱工程と、前記第１治具の前記接触面を前記加熱時形状から前記最終形状に変形させつつ前記接合体を冷却する冷却工程と、を含むことが好ましい。
【０００７】
上記製造方法において、前記第１治具の前記接触面の前記最終形状は、平坦であり、前記第１治具の前記接触面の前記加熱時形状は、非平坦であることが好ましい。
【０００８】
上記製造方法において、前記第２治具は、前記第２基板との接触面が最終形状と異なる加熱時形状を呈することが好ましい。
【０００９】
また、前記目的を達成するため、加熱時に接着性を発揮する接着材を介し互いに熱膨張係数の異なる第１基板及び第２基板が接合される接合体を、予め設定された最終形状に製造する装置であって、前記第１基板との接触面が前記最終形状と異なる加熱時形状を呈する接触部材と、前記接触部材と熱膨張係数が異なる非接触部材と、を有する第１治具と、前記第２基板と接触する第２治具と、を備える接合体の製造装置が提供される。
【００１０】
上記製造装置において、前記第１治具の前記接触部材は、端部よりも中央側が厚く形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１基板及び第２基板の熱膨張係数の差に起因する接合体の内部応力を緩和し、製造される接合体の反り、割れ等を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１から図４は本発明の一実施形態を示すもので、図１は接合体とその製造装置の模式断面図である。
【００１３】
図１に示すように、接合体の製造装置１は、上側加熱板１０と、この上側加熱板１０の下面に設けられる上側治具２０と、下側加熱板３０と、この下側加熱板３０の上面に設けられる下側治具４０と、を備えている。製造装置１は、外気を遮断可能なチャンバー（図示せず）を備え、上側加熱板１０、上側治具２０、下側加熱板３０及び下側治具４０がチャンバー内に配置されている。また、製造装置１は、上側加熱板１０及び下側加熱板３０を上下に移動させる移動機構（図示せず）を備え、上側治具２０と下側治具４０とで接合体１００を挟み込んで荷重を加えることができるよう構成される。
【００１４】
接合体１００は、互いに熱膨張係数の異なるサファイア基板１１０及びシリコン基板１２０と、両者に介在し加熱時に接着性を発揮する接着材１３０からなる。本実施形態においては、第１基板としてのサファイア基板１１０（熱膨張係数：７．０×１０−６・Ｋ−１）は、下面に窒化物系半導体１１０ａが形成されている。具体的には、窒化物系半導体１１０ａは、ｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層及びｐ型ＧａＮ系半導体層をサファイア基板１１０側からこの順で有している。ｐ型ＧａＮ系半導体層には、ｐ側電極層を介してＴｉ／Ｗ／Ｔｉの膜が所定のペア数だけ形成され、この表面にＮｉ層が形成されている。さらに、このＮｉ層の上に、Ａｕ−Ｓｎはんだからなる接着材１３０が形成されている。
【００１５】
また、第２基板としてのシリコン基板１２０（熱膨張係数：４．２×１０−６・Ｋ−１）は、ホウ素、ヒ素、アンチモン及びリンの少なくとも１つが不純物として添加されている。シリコン基板１２０は、Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉの膜が所定のペア数だけ形成され、この表面にＮｉ層が形成されている。すなわち、第２基板１２０は第１基板１１０よりも熱膨張係数が小さい。Ｎｉ層の上に、Ａｕ−Ｓｎはんだからなる接着材１３０が形成されている。接合体１００におけるシリコン基板１２０は支持基板として機能し、サファイア基板１１０とシリコン基板１２０が接合された後、サファイア基板１１０を接合体１００から分離することにより、上下に電極を有する発光ダイオードとなる。本実施形態においては、サファイア基板１１０とシリコン基板１２０は、直径５０．４ｍｍ（２インチ）である。
【００１６】
本実施形態においては、上側加熱板１０及び下側加熱板３０は、互いに平行な同径の円盤状に形成され、それぞれ内部に加熱器を有している。上側治具２０及び下側治具３０は上側加熱板１０及び下側加熱板３０と平面視にて中心が一致するように各加熱板１０，３０に取り付けられている。
【００１７】
上側治具２０は、サファイア基板１１０と接触する接触部材２１と、サファイア基板１１０とは接触しない非接触部材２２と、により構成される。第１治具としての上側治具２０は、サファイア基板１１０との接触面が、常温では接合体１００上面の最終形状となるよう形成され、加熱時には最終形状と異なる加熱時形状を呈する。本実施形態においては、接合体１００上面の最終形状は平坦面であり、加熱時形状は非平坦面である。
【００１８】
接触部材２１は、非接触部材２２よりも熱膨張係数の大きな材料からなり、端部よりも中央側が厚くなるよう形成される。本実施形態においては、接触部材２１は炭化ケイ素（熱膨張係数：６．６×１０−６・Ｋ−１）からなり、非接触部材２２はグラファイト（熱膨張係数：２．０×１０−６〜３．０×１０−６・Ｋ−１）からなる。接触部材２１と非接触部材２２の熱膨張係数の差は、３．０〜５．０×１０−６・Ｋ−１が好ましく、４．０×１０−６・Ｋ−１が特に好ましい。接触部材２１は、上側中央に上方へ突出する円柱状の凸部２１ａを有し、この凸部２１ａが非接触部材２２の凹部２２ａと嵌合している。
【００１９】
下側治具４０は、シリコン基板１２０と接触する接触部材４１と、シリコン基板１２０とは接触しない非接触部材４２と、により構成される。第２治具としての下側治具２０は、シリコン基板１２０との接触面が、常温では接合体１００下面の最終形状となるよう形成され、加熱時には最終形状と異なる加熱時形状を呈する。本実施形態においては、接合体１００下面の最終形状は平坦面であり、加熱時形状は非平坦面である。
【００２０】
接触部材４１は、非接触部材４２よりも熱膨張係数の大きな材料からなり、中央よりも端部側が厚くなるよう形成される。本実施形態においては、接触部材４１は炭化ケイ素からなり、非接触部材４２はグラファイトからなる。非接触部材４２は、上側中央に上方へ突出する円柱状の凸部４２ａを有し、この凸部４２ａが接触部材４１の凹部４１ａと嵌合している。
【００２１】
以上のように構成された製造装置１を用いた接合体１００の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。図２は、加熱時形状の上側治具及び下側治具によりサファイア基板及びシリコン基板を挟み込んだ状態の模式説明図である。
【００２２】
図２に示すように、接合体１００の製造にあたっては、サファイア基板１１０とシリコン基板１２０を互いに位置決めし、上側加熱板１０及び下側加熱板３０を移動させて、サファイア基板１１０とシリコン基板１２０を接着材１３０を介して挟み込む。図３に、上側治具及び下側治具の温度と経過時間の関係のグラフの一例を示す。本実施形態においては、図３に示すように、予め設定された加熱時間をかけて上側治具２０及び下側治具４０を所定温度まで加熱し、上側治具２０及び下側治具４０を所定温度にて予め設定された保持時間だけ保持し、予め設定された冷却時間をかけて上側治具２０及び下側治具４０を常温まで冷却する。接合体１００の接合条件は任意に設定することができるが、本実施形態においては、加熱時間は３０分、所定温度は２００℃〜５００℃、保持時間は３０分、冷却時間は１２０分である。
【００２３】
図２に示すように、上側加熱板１０及び下側加熱板３０を加熱すると、上側治具２０及び下側治具４０は、接触部材２１，４１と非接触部材２２，４２の熱膨張係数の差に起因して変形する。上側治具２０にあっては、熱膨張係数の大きな接触部材２１の中央側が厚く形成されているので、接触部材２１の中央側が端部よりも下方へ膨らむ形状となる。また、下側治具４０にあっては、熱膨張係数の大きな接触部材４１の端部側が厚く形成されているので、接触部材４１の端部側が中央側よりも上方へ膨らむ形状となる。これにより、上側治具２０における基板との接触面２３は、中央側が凸の加熱時形状となり、下側治具４０における基板との接触面４３は、中央側が凹の加熱時形状となる。
【００２４】
これにより、上側加熱板１０及び下側加熱板３０が挟圧されたサファイア基板１１０及びシリコン基板１２０は、互いに接着材１３０の形成面を対向させた状態で、加熱時形状の上側治具２０及び下側治具４０により加熱しつつ挟圧される（加熱工程）。接合体１００は、熱膨張係数の大きな第１基板１１０側の中央が上方へ凸となるよう変形しつつ加熱され、接着材１３０が溶融する。このように、サファイア基板１１０及びシリコン基板１２０の中央が凸の状態で接合するので、サファイア基板１１０及びシリコン基板１２０の界面に気泡が生じ難いものとなっている。
【００２５】
図４は、最終形状の上側治具及び下側治具により第１基板及び第２基板を挟圧した状態の模式断面図である。
図４に示すように、加熱された上側治具２０及び下側治具４０を冷却すると、上側治具２０及び下側治具４０は、予め設定された最終形状となる。このとき、接合体１００は、上側治具２０及び下側治具４０とともに変形して最終形状となる（冷却工程）。接合体１００は、熱膨張係数の異なる２つの基板１１０，１２０を重ねたものであるから、従来のように加熱時形状のまま冷却すると、接合体１００に反り、割れ等が生じやすくなる。しかし、本実施形態においては、上側治具２０及び下側治具４０における加熱時形状から最終形状への変形方向が、熱収縮による接合体１００の変形方向と一致していることから、接合体１００に生じる反り、割れ等を抑制することができる。また、製造された接合体１００にサファイア基板１１０とシリコン基板１２０の熱膨張係数の差に起因した残留応力がほとんど発生しておらず、接合体１００の内部応力を緩和して良質な接合体１００を得ることができる。
【００２６】
このように、上側治具２０及び下側治具４０が接合体１００を加熱する際の熱により変形するようにしたので、上側治具２０及び下側治具４０を変形される機構を別途設ける必要がなく、実用に際して極めて有利である。
【００２７】
接合体１００を製造した後、レーザリフトオフ法により、シリコン基板１２０側に接合された窒化物半導体層１１０ａを残してサファイア基板１１０を分離する。このとき、接合体１１０の反りが抑制されていることから、レーザ光を所期の分離部位へ的確に照射することができる。すなわち、本実施形態の接合体の製造方法及び製造装置は、成長基板上に半導体層を形成した後、支持基板を接合し、成長基板を分離して作製される発光ダイオードに固有の問題を解決したものである。サファイア基板１１０を分離した後、ｎ型ＧａＮ系半導体層の表面にｎ側電極を形成し、シリコン基板１２０の表面にｐ側電極を形成することにより、上面及び下面に電極が形成されたＧａＮ系の発光ダイオード装置が完成する。
【００２８】
尚、前記実施形態においては、上側治具２０を接触部材２１の上面中央側に円柱状の突出部を形成したものを示したが、例えば図５に示すように、上側治具２２０の接触部材２２１の上面中央側がなだらかに隆起する形状とし、非接触部材２２２をこの隆起部分を受容する形状としてもよく、接触部材の中央側が端部側よりも厚く形成されていれば形状は任意である。また、上側治具２０を加熱時の熱により変形するものでなく、上側治具２０を磁力を用いて変形させたり、外力を加えて機械的に変形させるものであってもよい。例えば、磁力を用いて変形させる場合は、上側治具２０の内部に磁力により歪みを生じる部材を埋設しておき、常温時と加熱時とで上側治具２０に生じる磁力を変化させる機構を設ければよい。また、外力を用いて変形させる場合は、上側治具２０に弾性を有する部材を用い、常温時と加熱時とで上側治具２０に加わる外力を変化させる機構を設ければよい。
【００２９】
また、前記実施形態においては、上側治具２０及び下側治具４０がともに加熱時に変形するものを示したが、例えば図６に示すように、上側治具２０と下側治具４０の一方が変形するものであってもよい。図６の接合体の製造装置２０１は、下側治具２４０はグラファイトのみからなり、加熱時に下側治具２４０は変形しない。
【００３０】
また、前記実施形態においては、接触部材２１，４１として炭化ケイ素を用い、非接触部材２２，４２としてグラファイトを用いたものを示したが、他の材料の組合せによりこれらを構成することもできる。例えば、接触部材２１，４１を炭化ケイ素とするならば、これより熱膨張係数の小さいダイヤモンド（熱膨張係数：１．１×１０−６・Ｋ−１）、窒化シリコン（熱膨張係数：３．０×１０−６・Ｋ−１）等を用いることができる。また、例えば、非接触部材２２，４２を炭化ケイ素とするならば、これより熱膨張係数の大きなチタン（熱膨張係数：８．９×１０−６・Ｋ−１）、金（熱膨張係数：１４．２×１０−６・Ｋ−１）、銀（熱膨張係数：１９．３×１０−６・Ｋ−１）、コバルト（熱膨張係数：１２．４×１０−６・Ｋ−１）、ニッケル（熱膨張係数：１２．８×１０−６・Ｋ−１）等を用いることができる。さらに、これらの材料の他に、鉄（熱膨張係数：１３．８×１０−６・Ｋ−１）、銅（熱膨張係数：１６．２×１０−６・Ｋ−１）、アルミニウム（熱膨張係数：２３．７×１０−６・Ｋ−１）、スズ（熱膨張係数：２６．９×１０−６・Ｋ−１）、白金（熱膨張係数：８．９×１０−６・Ｋ−１）、マグネシウム（熱膨張係数：２５．４×１０−６・Ｋ−１）、タングステン（熱膨張係数：４．５×１０−６・Ｋ−１）、パイレックス（登録商標）ガラス（熱膨張係数：３．２×１０−６・Ｋ−１）、各種合金等を適宜用いることができる。
【００３１】
また、前記実施形態においては、第１基板としてサファイア基板１１０を用いたものを示したが、第１基板としてＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等を用いてもよい。第２基板としてシリコン基板１２０を用いたものを示したが、導電性を有するものであれば他の基板を用いることもできる。また、接着材１３０として、Ａｕ−Ｓｎはんだを用いたものを示したが、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等の他のはんだを用いてもよい。接着材１３０としては、鉛を含まないはんだが好ましい。
【００３２】
また、前記実施形態においては、サファイア基板１１０とシリコン基板１２０の直径が５０．４ｍｍ（２インチ）であるものを示したが、第１基板及び第２基板の大きさは任意である。尚、第１基板と第２基板の大きさは、２５ｍｍ以上であると接合体の反り、割れ等が生じやすくなるので、反り、割れ等の抑制効果が顕著となる。
【００３３】
また、前記実施形態においては、発光ダイオード装置の製造時に第１基板と第２基板を接合するものを示したが、第１基板と第２基板の熱膨張係数が異なるものであれば、他の半導体装置の製造にあっても反り、割れ等を抑制することができる。
【００３４】
また、前記実施形態においては、接合体１００の最終形状が平坦であるものを示したが、例えば、接合体１００の最終形状が所定の反りを有する形状であってもよく、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は本発明の一実施形態を示す接合体とその製造装置の模式断面図である。
【図２】図２は加熱時形状の上側治具及び下側治具によりサファイア基板及びシリコン基板を挟み込んだ状態の模式説明図である。
【図３】図３は上側治具及び下側治具の温度と経過時間の関係のグラフの一例である。
【図４】図４は最終形状の上側治具及び下側治具により第１基板及び第２基板を挟圧した状態の模式断面図である。
【図５】図５は変形例を示す接合体の製造装置の模式断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ …接合体の製造装置、１０…上側加熱板、２０…上側治具、２１…接触部材、２２…非接触部材、２３…接触面、３０…下側加熱板、４０…下側治具、４１…接触部材、４２…非接触部材、４３…接触面、１００…接合体、１１０…サファイア基板、１０ａ…窒化物半導体、１２０…シリコン基板、１３０…接着材、２０１…接合体の製造装置、２２０…上側治具、２２１…接触部材、２２２…非接触部材、２４０…下側治具。
【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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