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TWI629753B - 半導體用複合基板之操作基板 - Google Patents

半導體用複合基板之操作基板 Download PDF

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TWI629753B
TWI629753B TW103107830A TW103107830A TWI629753B TW I629753 B TWI629753 B TW I629753B TW 103107830 A TW103107830 A TW 103107830A TW 103107830 A TW103107830 A TW 103107830A TW I629753 B TWI629753 B TW I629753B
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Inventor
Sugio Miyazawa
宮澤杉夫
Original Assignee
Ngk Insulators, Ltd.
日本碍子股份有限公司
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Abstract

操作基板1係藉由至少含有鎂作為燒結助劑的透光性氧化鋁陶瓷而形成。操作基板1相對於施體基板5之接合面1a中的鎂濃度係操作基板1之平均鎂濃度的一半以下。

Description

半導體用複合基板之操作基板
本發明係關於一種半導體用複合基板之操作基板。
以往，已知有一種將被稱為Silicon on Quartz(SOQ，石英上覆矽)、Silicon on Glass(SOG，玻璃上覆矽)、Silicon on Sapphire(SOS，藍寶石覆矽)之操作基板藉由透明、絕緣基板構成的SOI(silicon on insulator，絕緣層覆矽)、或GaN(氮化鎵)、ZnO(氧化鋅)、金剛石(diamond)、AlN(氮化鋁)等之透明寬隙(wide gap)半導體予以接合於矽等的施體(donor)基板，藉此獲得貼合晶圓。SOQ、SOG、SOS等因為操作基板的絕緣性、透明性等，而被期待應用至投影機(projector)、高頻裝置(device)等。此外，將寬隙半導體之薄膜複合於操作基板的貼合晶圓，被期待應用至高性能雷射或功率裝置(power device)等。
此種半導體用複合基板係由操作基板與施體基板所構成，一般而言，操作基板或施體基板係由單晶材料所構成。以往，雖以藉由磊晶(epitaxial)成長將矽層形成於基底(base)基板上的方法為主流，但近年來已開發藉由直接接合而形成的方法，有助於改善半導體裝置的性能(專利文獻1、2、 3)。亦即，此種操作基板與施體基板，係透過接合層或接著層來接合，或者是直接接合。
然而，由於藍寶石價格高昂，故為了要降低成本，乃希望使用藍寶石以外之材料的基板做為操作基板。隨著以上所述之接合技術的進步，由石英、玻璃、氧化鋁(alumina)類之藍寶石以外的材質所構成的操作基板，亦已有各種方案被提出(專利文獻4、5、6、7)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開平08-512432
專利文獻2：日本特開2003-224042
專利文獻3：日本特開2010-278341
專利文獻4：WO2010/128666A1
專利文獻5：日本特開平05-160240
專利文獻6：日本特開2008-288556
使用石英或玻璃做為操作基板的材質時，由於導熱率低，因此半導體的散熱不充分，最壞情形下，會產生半導體燒毀之類的缺失。多晶氧化鋁燒結體相較於石英、玻璃，導熱率較高，故較佳。然而，在由多晶氧化鋁所構成的操作基板中，為了緻密化，必須使之含有燒結助劑。該燒結助劑係單獨 或成為與氧化鋁的化合物而分布於粒界，但與氧化鋁粒子相比，機械性強度及化學性強度較低。因此，在將與半導體層的接合面進行精密研磨加工時，該部分會剝落而使氧化鋁粒子脫落(脫粒)，或研磨砥粒刺入，而易於成為表面產生孔穴的原因。當此種脫粒或表面孔穴產生時，面粗度就降低，且與半導體層貼合時的接合強度就降低。
另一方面，當減少構成此種操作基板之氧化鋁燒結體中所含的燒結助劑時，由於在燒結過程中，會因為異常粒成長導致破裂(crack)或氣孔產生，因此將與半導體層之接合面進行精密研磨加工之後的面粗度會降低，且與半導體層貼合時的接合強度會降低。
本發明係提供一種半導體用複合基板之操作基板，其目的在降低脫粒及表面孔穴的產生、及降低破裂或氣孔，且防止與施體基板之接合強度的降低。
本發明係一種半導體用複合基板之操作基板，其特徵在於：操作基板係藉由至少含有鎂作為燒結助劑的透光性氧化鋁燒結體而形成，而前述操作基板相對於施體基板之接合面中的鎂濃度係前述操作基板之平均鎂濃度的一半以下。
此外，本發明係一種半導體用複合基板，具有：前述操作基板；及施體基板，直接或透過接合層接合於操作基板之接合面。
本發明人經檢討並試作了藉由多晶氧化鋁燒結體來形成操作基板。多晶材料係具有結著有多數個微細粒子的微 構造。本發明人經檢討了在形成此種多晶材料之後，將其表面適當進行精密研磨加工，藉此而充分減小Ra。然而，卻會有當燒結助劑的量少時，就產生接合面附近的破裂、氣孔，反之當量多時，就產生脫粒或表面孔穴的問題。
本發明人乃進行檢討了可將此種操作基板之接合面加工成平滑，而且可將操作基板之接合面側之燒結助劑的量減少的材質。
結果，在氧化鋁燒結體添加氧化鎂做為燒結助劑，並在燒結過程中一面從表面側將鎂排出一面藉由來自燒結體內部之鎂的原子移動而促進整體的緻密化，藉此可抑制接合面附近的破裂、氣孔的產生，此外，可將接合面附近之燒結助劑的量控制為較少，因此不會產生精密研磨時之脫粒或表面孔穴，而可無問題地進行與施體基板的貼合。
1‧‧‧操作基板
1a‧‧‧接合面
1b‧‧‧操作基板1的底面
4‧‧‧接合層
5‧‧‧施體基板
6、6A‧‧‧複合基板
a、b、D‧‧‧平均粒徑
L‧‧‧中心線
Ra‧‧‧中心線平均表面粗度
第1圖(a)係顯示本發明之操作基板1之示意圖，第1圖(b)係顯示透過接合層4將施體基板5接合於操作基板1上所獲得之複合基板6的示意圖，第1圖(c)係顯示直接將施體基板5接合於操作基板1上所獲得之複合基板6A的示意圖。
第2圖係顯示平均粒徑之算出方式例的示意圖。
第3圖係顯示實施例之脫粒及表面孔穴之狀態之微分干擾顯微鏡像。
第4圖係顯示比較例中之脫粒及表面孔穴之狀態之微分干 擾顯微鏡像。
以下一面適當參照圖式，一面進一步說明本發明。
(半導體用複合基板)
本發明之複合基板係可利用在投影機用發光元件、高頻裝置、高性能雷射、功率裝置、邏輯(logic)IC等。
複合基板係包括本發明之操作基板、及施體基板。
施體基板的材質並未特別限定，較佳為選自由矽、氮化鋁、氮化鎵、氧化鋅及金剛石所構成之群組。施體基板的厚度並未特別限定，但以通常的SEMI/JEITA規格附近者，從操作的關係而言較易於處理。
施體基板亦可具有上述材質，且在表面具有氧化膜。這是因為只要透過氧化膜進行離子注入，就可獲得抑制注入離子之通道效應(channelling)的效果。氧化膜較佳為具有50至500nm的厚度。具有氧化膜的施體基板也包括於施體基板中，只要未特別區分，均稱為施體基板。
(操作基板)
操作基板的厚度並未特別限定，但以通常的SEMI/JEITA規格附近者，從操作的關係而言較易於處理。
以多晶材料而言，係使用氧化鋁燒結體，尤其適宜使用透光性氧化鋁燒結體。此係由於可獲得極為緻密的燒結體，而使操作基板的碎裂或破裂不易產生。
透光性氧化鋁基板的成形方法並未特別限定，可為刮刀(doctor blade)法、擠壓法、凝膠澆注(gel cast)法 等任意的方法。尤佳為使用凝膠澆注法來製造基板。在較佳的實施形態中，係藉由將含有陶瓷粉末、分散媒及膠化劑的漿料(slurry)進行注模，且使該漿料膠化來獲得成形體，並使該成形體燒結。
較佳為對純度99.9%以上(較佳為99.95%以上)的高純度氧化鋁粉末，添加100ppm以上、300ppm以下的氧化鎂粉末。以此種高純度氧化鋁粉末而言，例如有大明化學工業股份公司製作的高純度氧化鋁粉體。此外，該氧化鎂粉末的純度係以99.9%以上為佳，而平均粒徑以0.3μm以下為佳。
氧化鋁燒結體的平均結晶粒徑係以設為5至60μm為佳。藉此，易於確保接合面的平滑性。從此觀點而言，氧化鋁燒結體的平均結晶粒徑係以設為10至50μm為尤佳。
操作基板之接合面中之氧化鋁結晶粒子之平均粒徑a係以較操作基板之厚度方向之中心線L(第1圖(a))中之氧化鋁結晶粒子之平均粒徑b為大為佳，藉此即可一面抑制接合面中之破裂、氣孔等，一面減少粒界的量，因此易於確保接合面的平滑性。該比率(a/b)係以1.1以上為佳，且以1.2以上為尤佳。
另外，結晶粒子的平均粒徑係藉由以下方式來測定。
(1)將燒結體的剖面進行鏡面研磨、熱蝕刻(thermal etching)使粒界顯著之後，進行顯微鏡照相(100至200倍)攝影，計算單位長度的直線所橫切過之粒子的數量。針對不同的3個部位來實施此步驟。另外，單位長度係設為500 μm至1000μm的範圍。
(2)求出所實施之3個部位之粒子之個數的平均。
(3)依據下述公式來算出平均粒徑。
[計算式]D=(4/π)×(L/n)
[D：平均粒徑，L：直線的單位長度，n：3個部位之粒子之個數的平均]
第2圖顯示平均粒徑的計算例。在不同的3個部位的位置，分別設單位長度(例如500μm)之直線所橫切過之粒子的個數為22、23、19時，平均粒徑D依據上述計算式算出為：D=(4/π)×[500/{(22+23+19)/3}]=29.9μm
此外，氧化鋁燒結體的相對密度，從對於半導體之後處理之耐久性及防止污染的觀點而言，係以設為98%以上為佳，且以設為99%以上為尤佳。
在本發明中，係將操作基板相對於施體基板之接合面中之鎂濃度，設為操作基板之平均鎂濃度的一半以下。藉此，即可一面減少操作基板表面中之鎂量，一面抑制在操作基板內之氣泡或破裂，而使與施體基板的接合性良好。從此觀點而言，係以將操作基板相對於施體基板之接合面中之鎂濃度，設為操作基板之平均鎂濃度的1/3以下為佳，且以設為1/4以下為尤佳。
在較佳實施形態中，操作基板相對於施體基板之接合面中之鎂濃度係10×1010atom/cm2以下，且以 9×1010atom/cm2以下為尤佳。
此外，從提升操作基板對於施體基板之接合性的觀點而言，係以將操作基板之平均鎂濃度設為20×1010atom/cm2以上為佳，且以設為30×1010atom/cm2以上為尤佳。
藉由將製造操作基板時之添加至原料中之氧化鎂的添加量設為100ppm以上，即可促進操作基板的緻密化，且抑制因為操作基板接合面附近之破裂或氣孔等而導致施體基板之接合強度降低。從此觀點而言，係以將氧化鎂的添加量設為150ppm以上為佳。此外，藉由將氧化鎂的添加量設為300ppm以下，即易於抑制鎂從操作基板擴散至施體基板。
接合面之鎂濃度的測定，係可藉由全反射螢光X線(TXRF)，在以下的測定條件下進行測定。
X線源：W封入型X線管球(電壓40kV、電流40mA)入射角度：0.05°
累計時間：500秒
操作基板之平均鎂濃度的測定，係可將粉碎成粉末狀的試料，藉由硫酸以加壓酸分解方式進行溶解，且將該溶解液藉由ICP發光分光分析法進行分析來實施。
在較佳實施形態中，由於透光性氧化鋁基板中之氧化鋁及氧化鎂以外的雜質量為0.2質量%以下，藉此即可抑制半導體污染，因此本發明尤其有效。
原料粉末的平均粒徑(一次粒子徑)並未特別限定，但從在低溫燒結下的緻密化的觀點而言，係以0.6μm以下為佳，且以0.4μm以下為尤佳。更佳為原料粉末的平均粒子徑 為0.3μm以下。該平均粒徑的下限並未特別限定。原料粉末的平均粒子徑，係可藉由以SEM(掃描型電子顯微鏡)進行原料粉末的直接觀察來決定。
另外，在此所稱之平均粒徑，係指除SEM相片(倍率：×30000。任意的2視野)上之2次凝聚粒子以外之1次粒子(最長軸長+最短軸長)/2之值之n=500平均值。
凝膠澆注法例如為以下的方法。
(1)隨同無機物粉體，將成為膠化劑的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、環氧(epoxy)樹脂、酚(phenol)樹脂等的預聚物(prepolymer)，與分散劑一併分散於分散媒中並調製漿料，且於注模後，藉由架橋劑進行三維架橋並使之膠化，藉此使漿料固化。
(2)將具有反應性官能基的有機分散媒與膠化劑進行化學鍵結，藉此使漿料固化。
為了獲得本發明的操作基板，燒結溫度從燒結體之緻密化的觀點而言，係以1700至1900℃為佳，且以1750至1850℃為尤佳。
此外，在燒成時產生充分緻密的燒結體之後，進一步追加地在燒成溫度下實施退火(anneal)處理來達成。該退火溫度從一面防止變形或異常粒成長產生，一面促進鎂的排出的觀點而言，係以燒成時之最高溫度±100℃以內為佳，且以最高溫度為1900℃以下為尤佳。此外，退火時間係以1至6小時為佳。
再者，退火溫度係以燒成時之最高溫度+0至100 ℃的範圍為佳。
此外，上述燒成時，雖係將基板放置在由鉬等之高熔點金屬所構成之平坦的板上，但此時，從促進鎂的排出之觀點而言，係以在基板的上側隔出0.5至1.0mm的間隙為佳。另一方面，在退火時，從促進緻密化的觀點、以及使上下的鎂濃度、粒徑均質化，防止基板之變形的觀點而言，係以在基板上放置鉬等的板，且以從上下夾入基板的形態進行為佳。
以上述方式進行成形、燒結，而獲得由氧化鋁燒結體所構成的原材料(blank)基板。
氧化鋁燒結體係具有結著有多數個微細氧化鋁粒子的微構造。藉由將原材料基板的表面進行精密研磨加工，使各結晶粒子沿著平面被研削而分別具有平坦面之經研磨的結晶粒子即露出於表面。該經研磨之結晶粒子的表面即呈平滑狀。
藉由將原材料基板進行精密研磨加工，而減少各結晶粒子之表面之微觀的中心線平均表面粗度Ra。以此種研磨加工而言，一般而言係CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學機械研磨)加工，而用於該CMP加工的研磨漿料，則係使用具有30nm至200nm之粒徑之砥粒分散在鹼或中性的溶液者。以砥粒材質而言，例如為二氧化矽(silica)、氧化鋁、金剛石、氧化鋯(zirconia)、二氧化鈰(ceria)，可將該等單獨或加以組合來使用。此外，研磨墊中，例如有硬質氨基申酸乙酯(urethane)墊、不織布墊、絨面革(suede)墊。
此外，在實施最終之精密研磨加工實施前之粗研 磨加工之後，以進行退火處理為理想。退火處理的氛圍氣體例如為大氣、氫、氮、氬、真空。退火溫度較佳為1200至1600℃，退火時間較佳為2至12小時。藉此，即可無損於表面的平滑，而促進鎂的排出。
在較佳實施形態中，操作基板之表面之微觀的中心線平均表面粗度Ra為5nm以下。當該值較大時，會因為分子間力而使施體基板的接合強度降低。該值係以3nm以下為尤佳，且以1nm以下為最佳。另外，該值係藉由原子力電子顯微鏡針對顯現於表面之各結晶粒子的露出面進行攝像，且依照JIS B0601所算出的數值。
在微觀觀察各結晶粒表面之面粗度時，係使用藉由AFM(Atomic Force Microscope，原子力顯微鏡)在10μm視野範圍下的表面形狀觀察。
在所獲得之操作基板1中，係以接合面1a中之鎂濃度為10×1010atom/cm2以下為佳，且以9×1010atom/cm2以下為尤佳。
在獲得操作基板1之後，係可將施體基板5對操作基板1的接合面1a進行接合。在第1圖(b)之例中，係透過接合層4而接合有施體基板5在操作基板1的接合面1a上。在第1圖(c)之例中，係在操作基板1的接合面1a上直接接合有施體基板5。此等情形下，由於操作基板1之接合面1a在微觀觀看下呈平滑，因此可提高與施體基板的接合強度。
(接合形態)
此外，以用於接合的技術而言，雖未特別限定，但例如係 使用藉由表面活性化的直接接合、或使用接著層的基板接合技術。
在直接接合中係適宜使用藉由界面活性化的低溫接合技術。在10-6Pa程度的真空狀態下實施藉由Ar氣體的表面活性化後，可在常溫下使Si等的單晶材料透過SiO2等的接著層與多晶材料接合。
以接著層的例而言，除了藉由樹脂的接著外，尚可使用SiO2、Al2O3、SiN。
(實施例)
(實施例1)
為了確認本發明之效果，乃試作了使用透光性氧化鋁燒結體的操作基板1。
首先，作成透光性氧化鋁燒結體製的原材料基板。
具體而言，係調製混合有以下成分的漿料。
(原料粉末)
(分散媒)
(膠化劑)
˙MDI樹脂 4重量份
(分散劑)
˙高分子界面活性劑 3重量份
(觸媒)
˙二甲胺基已醇(N，N-dimethyl amino hexanol) 0.1重量份
將該漿料於室溫下進行注模於鋁合金製的模之後，於室溫下放置1小時。接著在40℃下放置30分鐘進行固化，並進行離模。再進一步於室溫、並接著於90℃下分別放置2小時，而獲得板狀粉末成形體。
將所獲得之粉末成形體於大氣中在1100℃下進行假燒(預備燒成)之後，於氫3：氮1的氛圍氣體中於1750℃下進行燒成，而使之緻密化。之後，進一步在氫3：氮1的氛圍氣體中於1750℃下實施3小時退火處理，而獲得原材料基板。
對於所作成的原材料基板實施高精度研磨加工。首先，藉由綠碳(green carbon)所進行的雙面包覆(wrap)加工來整理形狀之後，藉由金剛石漿料對表面實施單面包覆加工。將此在大氣氛圍中於1300℃下實施6小時退火處理之後，為了獲得最終的面粗度，實施使用膠態氧化矽(colloidal silica)的CMP研磨加工。此時，將整體的加工量調整成在深度方向為200μm，而退火後的加工量則調整成10μm。再進一步將加工後的基板，分別交替浸漬於過氧化氨、過氧化鹽酸、硫酸、氟酸、王水、與純水並進行清洗，而製作操作基板1。
針對所獲得的操作基板，測定微觀(□10μm範圍)觀看接合面1a時之中心線平均表面粗度Ra，結果未達1nm。此外，宏觀(□1mm範圍)觀看時的脫粒、表面孔穴的產生則 未達10個。然而，測定係藉由原子力電子顯微鏡進行微觀的表面粗度的攝像，且依照JIS B0601算出，至於宏觀觀看時之脫粒、表面孔穴，則藉由100倍的微分干擾顯微鏡的觀察來進行。
將該操作基板的平均粒徑進行測定，結果表面附近為30μm，而厚度方向的中心線附近為25μm。
此外，將所製作的操作基板表面的Mg濃度藉由ICP-MS進行測定，結果為9×1010atom/cm2。此外，將基板整體粉碎，藉由ICP-MS測定Mg濃度，結果相當於40×1010atom/cm2。
在所獲得的操作基板的表面，形成了SiO2層做為與矽薄板的接著層。成膜方法係使用電漿CVD，於製膜後實施CMP研磨(化學機械研磨)，藉此使最終SiO2層的膜厚為100nm。之後，藉由電漿活性化法將Si基板與SiO2層直接接合，而試作了由Si-SiO2-透光性氧化鋁基板所構成的複合基板。結果，可獲得良好的接合狀態，未見破裂、剝離、碎裂。此外，將所獲得的複合基板在1000℃下進行30分鐘期間的熱處理，結果接合狀態未改變，未見碎裂、剝離等的產生。
(實施例2至8)
以與實施例1同樣方式製作操作基板。惟將燒成溫度、燒成後的退火溫度、退火時間、包覆後的退火溫度、包覆後的退火時間，變更為第1表所示。
針對所獲得之各例的操作基板，將表面中之鎂濃度、整體的鎂濃度、表面附近的平均粒徑、中心線附近的平均 粒徑、接合面的面粗度、脫粒、表面孔穴，以與實施例1相同方式進行測定。測定結果如第1表所示。
此外，針對各例的操作基板，以與實施例1相同方式嘗試與矽薄板接著。結果，可獲得良好的接合狀態，未見破裂、剝離、碎裂。此外，將所獲得之複合基板在1000℃下進行30分鐘期間的熱處理，結果接合狀態未改變，未見破裂、剝離等的產生。
(比較例)
藉由與實施例1相同的方法，製作操作基板。惟燒成溫度係設為1650℃，此外，燒成後的退火處理、及單面包覆加工後的退火未實施。
將所製作的基板表面的Mg濃度，以與實施例1相同方式進行測定，結果為30×1010atom/cm2。此外，將基板整體粉碎，測定Mg濃度，結果相當於40×1010atom/cm2。將該操作基板的平均粒徑進行測定，結果表面附近、厚度方向的中心線附近均為9μm。
針對所獲得的操作基板，將微觀觀看接合面1a時之中心線平均表面粗度Ra進行測定，結果未達1nm。然而，宏觀觀看時的脫粒、表面孔穴則觀察到100個以上。
此外，將所獲得之複合基板在1000℃下進行30分鐘期間的熱處理，結果觀察到接合部的剝離。
第1表

Claims (3)

  1. 一種操作基板，係半導體用複合基板之操作基板其特徵在於：前述操作基板係藉由至少含有鎂作為燒結助劑的透光性氧化鋁燒結體而形成，前述操作基板中的氧化鎂添加量在300ppm以下，而前述操作基板相對於施體基板之接合面中的鎂濃度係前述操作基板之平均鎂濃度的一半以下，前述操作基板之前述接合面中之鎂濃度係10×1010atom/cm2以下，前述操作基板之平均鎂濃度係20×1010atom/cm2以上、40×1010atom/cm2以下，前述透光性氧化鋁燒結體的相對密度係98%以上，前述操作基板之前述接合面之微觀的中心線平均表面粗度Ra係5nm以下，前述透光性氧化鋁燒結體的氧化鋁結晶粒子之平均粒徑係5至60μm，前述操作基板之前述接合面中之氧化鋁結晶粒子之平均粒徑係較前述操作基板之厚度方向之中心線之氧化鋁結晶粒子的平均粒徑為大。
  2. 一種半導體用複合基板，其特徵在於具有：申請專利範圍第1項之操作基板；及施體基板，直接或透過接合層接合於前述操作基板之前述接合面。
  3. 根據申請專利範圍第2項之複合基板，其中前述施體基板係由單晶矽所構成。
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