特許 7512761 基板接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】基板接合装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

H01L21/02 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020138588

(22)【出願日】2020-08-19

(65)【公開番号】P2022034744

(43)【公開日】2022-03-04

【審査請求日】2023-04-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000183303

【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100115048

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100161001

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 篤司

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 崇志

【審査官】平野 崇

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２２８４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０８０３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１１１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０６２２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０９１２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１４３７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バンドギャップ半導体基板とハンドル基板とを接合して接合基板を製造するための基板接合装置であって、
内部において、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを接合する接合室と、
前記接合室の内部に設けられ、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板のいずれか一方を保持する第１ホルダと、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板のいずれか他方を保持する第２ホルダと、を有する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板の少なくとも一方の接合面に紫外線を照射する紫外線照射装置と、
前記接合室内を真空にする真空装置と、を備え、
前記紫外線照射装置は、紫外線ランプを備える第１照射装置と、紫外線ランプを備える第２照射装置を有し、対向して配された前記バンドギャップ半導体基板の接合面と前記ハンドル基板の接合面との間に前記紫外線照射装置が配され、前記バンドギャップ半導体基板、前記第１照射装置、前記第２照射装置、前記ハンドル基板が、直線状に並んで位置した状態で紫外線を照射する装置である、基板接合装置。

【請求項2】

前記基板ホルダに保持された前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを加熱するためのヒータをさらに備える、請求項１に記載の基板接合装置。

【請求項3】

前記基板ホルダが、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを静電吸着する吸着機構を有する、請求項１または２に記載の基板接合装置。

【請求項4】

前記基板ホルダにおいて、前記第１ホルダの保持面と、前記第２ホルダの保持面とが互いに対向しており、
前記紫外線照射装置を、前記第１ホルダの保持面と、前記第２ホルダの保持面との間に配置する、基板ホルダ駆動手段と紫外線照射装置駆動手段の少なくとも一方をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の基板接合装置。

【請求項5】

前記真空装置が、前記第１ホルダと前記第２ホルダとのそれぞれの近傍に設けられたターボ分子ポンプを有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の基板接合装置。

【請求項6】

前記紫外線照射装置が、波長１７０ｎｍ～２６０ｎｍの紫外線を照射する照射源を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の基板接合装置。

【請求項7】

前記バンドギャップ半導体基板が単結晶基板であり、前記ハンドル基板が多結晶基板である、請求項１～６のいずれか１項に記載の基板接合装置。

【請求項8】

前記バンドギャップ半導体基板および前記ハンドル基板が、いずれも、炭化ケイ素基板である、請求項１～７のいずれか１項に記載の基板接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化ケイ素は、ケイ素と炭素で構成される、化合物半導体材料である。炭化ケイ素は、絶縁破壊電界強度がケイ素の１０倍で、バンドギャップがケイ素の３倍であり、半導体材料として優れている。さらに、デバイスの作製に必要なｐ型、ｎ型の制御が広い範囲で可能であることなどから、ケイ素の限界を超えるパワーデバイス用材料として期待されている。

【0003】

また、炭化ケイ素は、より薄い厚さでも高い耐電圧が得られるため、薄く構成することにより、ＯＮ抵抗が小さく、低損失の半導体が得られることが特徴である。

【0004】

しかしながら、炭化ケイ素半導体は、従来広く普及しているケイ素半導体と比較して、大面積の炭化ケイ素単結晶基板を得ることが難しく、製造工程も複雑である。これらの理由から、炭化ケイ素半導体は、ケイ素半導体と比較して大量生産が難しく、高価であった。

【0005】

これまでにも、炭化ケイ素半導体のコストを下げるために、様々な工夫が行われてきた。例えば、特許文献１には、炭化ケイ素基板の製造方法であって、少なくとも、マイクロパイプの密度が３０個／ｃｍ^２以下の炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板を準備し、前記炭化ケイ素単結晶基板と前記炭化ケイ素多結晶基板とを貼り合わせる（接合する）工程を行い、その後、単結晶基板を薄膜化する工程を行い、多結晶基板上に単結晶層を形成した基板を製造することが記載されている。

【0006】

更に、特許文献１には、単結晶基板と多結晶基板とを貼り合わせる工程の前に、単結晶基板に水素イオン注入を行って水素イオン注入層を形成する工程を行い、単結晶基板と多結晶基板とを貼り合わせる工程の後、単結晶基板を薄膜化する工程の前に、３５０℃以下の温度で熱処理を行い、単結晶基板を薄膜化する工程を、水素イオン注入層にて機械的に剥離する工程とする炭化ケイ素基板の製造方法が記載されている。

【0007】

このような方法により、１つの炭化ケイ素単結晶インゴットからより多くの炭化ケイ素貼り合わせ基板が得られるようになった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００９－１１７５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１に記載された炭化ケイ素ウェハの製造方法は、水素イオン注入を行って薄いイオン注入層の形成された炭化ケイ素単結晶基板と、炭化ケイ素多結晶基板と、を貼り合わせたのちに加熱して剥離することによって製造されている。

【0010】

炭化ケイ素単結晶基板等のバンドギャップ半導体基板と炭化ケイ素多結晶基板等のハンドル基板との貼り合わせでは、常温接合と呼ばれる方法によって、基板を接合させている。一般的には、まず、高真空雰囲気下で、アルゴン（Ａｒ）イオンや、中性のアルゴン粒子をそれぞれの基板の接合面に照射することにより、基板の接合面にある酸素、水素、ヒドロキシル基（ＯＨ基）等の界面終端成分を除去して、表面を活性化させる。その後、活性化された接合面同士を接触させることで、それぞれの基板を接合させる方法である。

【0011】

従来、前述のように、表面活性化処理には、アルゴンイオンや、中性のアルゴン粒子を照射することで実施していた。しかしながら、これらの粒子の照射では、質量を有する粒子が基板の表面にアタックするため、原理的にスパッタリング現象が起きる。このため照射の際には、（１）スパッタではじかれた基板や真空チャンバーから飛び出した粒子が凝集してパーティクルとなること、また、基板や真空チャンバーから飛び出した粒子がチャンバーの壁面に付着したのち剥離してパーティクルとなることによるパーティクルの発生、（２）真空チャンバー内の物質の金属コンタミ（コンタミネーション）の発生の２つの問題が起こりうる。

【0012】

さらに、発生したパーティクルが接合面に挟み込まれることにより、貼り合わせ後の接合面において空隙（ボイド）が発生することがある。また、スパッタリング現象により基板や真空チャンバーより飛び出した粒子によるコンタミは、貼り合わせた基板の不純物として不良原因となりうることが確認されている。このことから、これらの問題を抑制することが、大きな課題となっていた。

【0013】

よって、本発明は、バンドギャップ半導体基板とハンドル基板とを接合する接合基板の製造装置において、ボイドおよびコンタミを低減することができる基板接合装置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】

【0014】

本発明の基板接合装置は、バンドギャップ半導体基板とハンドル基板とを接合して接合基板を製造するための基板接合装置であって、内部において、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを接合する接合室と、前記接合室の内部に設けられ、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板のいずれか一方を保持する第１ホルダと、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板のいずれか他方を保持する第２ホルダと、を有する基板ホルダと、前記基板ホルダに保持された前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板の少なくとも一方の接合面に紫外線を照射する紫外線照射装置と、前記接合室内を真空にする真空装置と、を備える。

【0015】

本発明の基板接合装置は、前記基板ホルダに保持された前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを加熱するためのヒータをさらに備えてもよい。

【0016】

本発明の基板接合装置は、前記基板ホルダが、前記バンドギャップ半導体基板と前記ハンドル基板とを静電吸着する吸着機構を有してもよい。

【0017】

本発明の基板接合装置は、前記基板ホルダにおいて、前記第１ホルダの保持面と、前記第２ホルダの保持面とが互いに対向しており、前記紫外線照射装置を、前記第１ホルダの保持面と、前記第２ホルダの保持面との間に配置する、基板ホルダ駆動手段と紫外線照射装置駆動手段の少なくとも一方をさらに備えてもよい。

【0018】

本発明の基板接合装置は、前記真空装置が、前記第１ホルダと前記第２ホルダとのそれぞれの近傍に設けられたターボ分子ポンプを有してもよい。

【0019】

本発明の基板接合装置は、前記紫外線照射装置が、波長１７０ｎｍ～２６０ｎｍの紫外線を照射する照射源を有してもよい。

【0020】

本発明の基板接合装置は、前記バンドギャップ半導体基板が単結晶基板であり、前記ハンドル基板が多結晶基板であってもよい。

【0021】

本発明の基板接合装置は、前記バンドギャップ半導体基板および前記ハンドル基板が、いずれも、炭化ケイ素基板であってもよい。

【発明の効果】

【0022】

本発明の基板接合装置であれば、バンドギャップ半導体基板とハンドル基板とを接合する接合基板を製造した場合において、接合基板におけるボイドおよびコンタミを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態にかかる基板接合装置の接合室内を模式的に示す側面図である。

【図2】図１に示した基板接合装置の接合室内を模式的に示す平面図である。

【図3】図１に示した基板接合装置において、基板ホルダに基板が保持された状態を模式的に示す側面図である。

【図4】図１に示した基板接合装置において、基板ホルダに保持された基板に紫外線を照射するときの状態を模式的に示す側面図である。

【図5】図１に示した基板接合装置において、基板ホルダに保持された基板を接合するときの状態を模式的に示す側面図である。

【図6】図１に示した基板接合装置において、基板が接合されたあとの状態を模式的に示す側面図である。

【図7】図１に示した基板接合装置において、接合基板を搬送するときの状態を模式的に示す側面図である。

【図8】図１に示した基板接合装置の変形例を模式的に示す側面図である。

【図9】図９（Ａ）はボイドが発生した接合基板を模式的に示す平面図であり、図９（Ｂ）は接合基板をチップ状に切断して評価する方法を模式的に説明する平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

［基板接合装置］
本発明の一実施形態にかかる基板接合装置について図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

【0025】

本実施形態の基板接合装置は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを積層することにより、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとが積層した接合基板Ｗを得る、接合基板Ｗの製造に適用することができる。

【0026】

また、本実施形態の基板接合装置を用いた接合基板Ｗの製造には、バンドギャップ半導体基板Ｓとして単結晶基板を用いて、ハンドル基板Ｐとして多結晶基板を用いることができる。また、バンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板Ｐが、いずれも、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、および、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板のいずれかである、接合基板Ｗを製造する場合に、好適に適用することができる。

【0027】

具体的には、例えば、接合基板Ｗとして炭化ケイ素基板を得る場合には、バンドギャップ半導体基板Ｓとして炭化ケイ素単結晶基板を用いて、ハンドル基板Ｐとして炭化ケイ素多結晶基板を用いることができる。

【0028】

バンドギャップ半導体基板Ｓとして用いる炭化ケイ素単結晶基板は、例えば、昇華法により作成した炭化ケイ素のバルク単結晶から加工して得た、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板や、化学的気相蒸着法により単結晶ウェハにエピタキシャル成長させて得た４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板を用いることができる。なお、バンドギャップ半導体基板Ｓとして用いる炭化ケイ素単結晶基板は、窒素やアルミニウム等のドーパントを含んでいてもよい。

【0029】

また、ハンドル基板Ｐとして用いる炭化ケイ素多結晶基板は、例えば、化学的気相蒸着法により炭化ケイ素多結晶を成膜して得た３Ｃ－ＳｉＣ多結晶基板を用いることができる。

【0030】

バンドギャップ半導体基板Ｓ、ハンドル基板Ｐの形状としては、例えば円形の平行平板状とすることができる。また、バンドギャップ半導体基板Ｓ、ハンドル基板Ｐの厚さは、特に限定されず、例えば、それぞれ２００μｍ～５００μｍ程度とすることができる。

【0031】

本実施形態の基板接合装置１００は、接合室１０と、基板ホルダ２０と、ヒータ３０と、搬送ロボット４０と、紫外線照射装置５０と、吸着機構６０と、真空装置７０と、加圧手段（不図示）と、を備える。図１に示すように、基板ホルダ２０、ヒータ３０、搬送ロボット４０、紫外線照射装置５０、吸着機構６０、真空装置７０、加圧手段は接合室１０内に設けられている。また、基板接合装置１００の接合室１０内の各装置は、ステンレスを用いて形成されている。なお、本実施形態において図１の矢印Ａ方向は上下方向であり、基板接合装置１００においてバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとは上下に対向して保持されるが、矢印Ａ方向は上下に限定されない。例えば、矢印Ａ方向が水平方向（左右方向）であってもよい。

【0032】

図１、図３～図７は、基板接合装置１００の接合室内を模式的に示す側面図であり、図２は、上方向から見た基板接合装置１００の接合室内を模式的に示す平面図である。また、図３～図６において、第１搬送台４１、第２搬送台４３、第１アーム４２の一部、および、第２アーム４４の一部、真空装置７０の図示は省略されている。

【0033】

接合室１０は、その内部において、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを接合する場である。

【0034】

基板ホルダ２０は、接合室１０の内部に設けられ、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを保持するものである。基板ホルダ２０は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐのいずれか一方を保持する第１ホルダ２１と、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐのいずれか他方を保持する第２ホルダ２２と、を有する。バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとのどちらを第１ホルダ２１に保持するかは特に限定されないが、バンドギャップ半導体基板Ｓに対して塵等の付着が抑制されることがより求められることから、以下の説明においては、第１ホルダ２１にバンドギャップ半導体基板Ｓを保持させるものとして説明する。

【0035】

第１ホルダ２１は、バンドギャップ半導体基板Ｓを保持する第１保持部２１１と、第１保持部２１１を図１の矢印Ａに沿って移動させる移動手段である第１アーム２１２と、を有する。第２ホルダ２２は、第２保持部２２１を有する。

【0036】

また、第１保持部２１１と、第２保持部２２１の内部には、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを保持するための吸着機構６０と、保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを加熱するヒータ３０と、が設けられている。

【0037】

また、第１保持部２１１と第２保持部２２１とは、第１保持部２１１の保持面２１１ａと第２保持部２２１の保持面２２１ａとが互いに対向するように設けられている。これにより、基板ホルダ２０は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１が互いに対向するように保持することができる。

【0038】

ヒータ３０は、基板ホルダ２０に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを加熱するものである。ヒータ３０は、基板ホルダ２０の第１保持部２１１に設けられた第１ヒータ３１と、第２保持部２２１に設けられた第２ヒータ３２と、を有する。ヒータ３０が設けられていることにより、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを接合する工程においてバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを加熱して、接合強度を高めることができる。

【0039】

搬送ロボット４０は、接合室１０内において、バンドギャップ半導体基板Ｓ、ハンドル基板Ｐ、接合基板Ｗを搬送するものである。

【0040】

搬送ロボット４０は、バンドギャップ半導体基板Ｓを保持して搬送する第１搬送台４１と、第１搬送台４１を移動させる第１アーム４２と、ハンドル基板Ｐを保持して搬送する第２搬送台４３と、第２搬送台４３を移動させる第２アーム４４と、第１アーム４２および第２アーム４４が回転する軸となるアーム軸部４５と、を有する。

【0041】

第１搬送台４１と第２搬送台４３には、吸着機構６０が設けられており、第１搬送台４１の上面である吸着面４１ａと第２搬送台４３の下面である吸着面４３ａとにバンドギャップ半導体基板Ｓ、ハンドル基板Ｐ、接合基板Ｗを吸着して搬送することができる。

【0042】

また、図２に示すように、第１アーム４２と第２アーム４４は、アーム軸部４５を中心として回転移動することができる。すなわち、第１アーム４２は、矢印Ｂに沿って動き、第１搬送台４１に吸着して保持したバンドギャップ半導体基板Ｓ、接合基板Ｗを搬送することができる。また、第２アーム４４は、矢印Ｃに沿って動き、第２搬送台４３に吸着して保持したハンドル基板Ｐを搬送することができる。

【0043】

紫外線照射装置５０は、基板ホルダ２０に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１に紫外線を照射するものである。なお、紫外線照射装置５０は、基板ホルダ２０に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの少なくとも一方の接合面Ｓ１、Ｐ１に紫外線を照射するものであってもよいが、基板の接合面をより確実に活性化するために、本実施形態のように、基板ホルダ２０に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１の両方に向かって紫外線を照射するように構成されていることが好ましい。

【0044】

紫外線照射装置５０は、バンドギャップ半導体基板Ｓを照射するために上方に紫外線を照射する第１照射装置５１と、ハンドル基板Ｐを照射するために下方に紫外線を照射する第２照射装置５２と、第１照射装置５１および第２照射装置５２を図１の矢印Ｄ方向に移動するアーム５３と、を有する。図１に示すように、第１照射装置５１と第２照射装置５２は上下に一体となっている。

【0045】

また、第１照射装置５１は、上方のみ開放している枠体５１１と、枠体５１１に収められた紫外線ランプ５１２と、を有する。第２照射装置５２は、下方のみ開放している枠体５２１と枠体５２１に収められた紫外線ランプ５２２と、を有する。枠体５１１、５２１は、開放された上下方向以外には紫外線が照射されないように構成されている。これにより、基板ホルダ２０に保持された基板に対して、紫外線を効率よく照射することができる。

【0046】

紫外線ランプ５１２と紫外線ランプ５２２は、波長１０ｎｍ～２８０ｎｍの紫外線を照射する照射源を用いることができ、特に入手しやすい、波長１７０ｎｍ～２６０ｎｍの紫外線を照射する照射源を好適に用いることができる。本実施形態においては、図１、図２に示すように、紫外線ランプ５１２と紫外線ランプ５２２は、それぞれ、５本の円柱形のＸｅエキシマランプにより構成されており、５本のランプは幅方向に並んで設けられている。なお、紫外線照射源は所望の紫外線の波長に合わせて種々変更することができ、Ｘｅエキシマランプ（１７２ｎｍ）に限定されず、例えば、低圧水銀ランプ（２５４ｎｍ、１８５ｎｍ）等を用いることができる。

【0047】

アーム５３（紫外線照射装置駆動手段）は、図１の矢印Ｄ方向に収縮可能に構成されており、これにより、第１照射装置５１および第２照射装置５２を図１の矢印Ｄ方向に移動させて、第１照射装置５１および第２照射装置５２を、第１保持部２１１の保持面２１１ａと第２保持部２２１の保持面２２１ａとの間に挿入することができる。すなわち、紫外線照射装置５０は、第１照射装置５１および第２照射装置５２を、アーム５３（紫外線照射装置駆動手段）により、基板ホルダ２０に対向して保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１間配置することができる。また、これにより、接合面Ｓ１、Ｐ１に対して、第１照射装置５１および第２照射装置５２の紫外線照射方向が垂直となる。

【0048】

紫外線照射装置５０が基板ホルダ２０に対向して保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１間に挿入することができることから、接合面Ｓ１、Ｐ１に対して、第１照射装置５１および第２照射装置５２の紫外線照射方向を垂直にすることができ、斜め方向から紫外線を照射する場合に比べて、接合面Ｓ１、Ｐ１の全体に紫外線を均一に照射することができる。接合面Ｓ１、Ｐ１に紫外線を均一に照射することにより、紫外線を斜め方向に照射する場合に比べて、接合面Ｓ１、Ｐ１の全体を活性化することができる。

【0049】

なお、本実施形態においては、紫外線照射装置５０のアーム５３（紫外線照射装置駆動手段）により、第１照射装置５１、第２照射装置５２が移動する態様であるが、基板接合装置が基板ホルダ駆動手段を備えて、紫外線照射装置が基板同士の間に位置するように、基板ホルダが移動する態様であってもよい。また、基板接合装置が基板ホルダ駆動手段と紫外線照射装置駆動手段の両方を備えて、紫外線照射装置が基板同士の間に位置するように、基板ホルダと紫外線照射装置とが互いに近づいて移動する態様であってもよい。

【0050】

吸着機構６０は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを静電吸着するものであり、これにより、基板を保持することができる。吸着機構６０は、基板ホルダ２０の第１保持部２１１、第２保持部２２１と、搬送ロボット４０の第１搬送台４１、第２搬送台４３とに設けられている。

【0051】

基板を静電吸着する吸着機構６０が設けられていることにより、基板をより確実に保持して、基板の搬送や基板の接合を行うことができる。

【0052】

なお、吸着機構６０は、基板を下面側に保持する第１保持部２１１および第２搬送台４３のみに設けられていてもよい。本実施形態のように、第１搬送台４１、第２保持部２２１にも吸着機構６０が設けられていることにより、より確実に基板を保持することができる。

【0053】

真空装置７０は、接合室１０内を真空にするものである。また、真空装置７０は、基板ホルダ２０の第１ホルダ２１と第２ホルダ２２の近傍に設けられたターボ分子ポンプ７１、７２を有する。すなわち、ターボ分子ポンプ７１、７２は、基板ホルダ２０に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板Ｐのそれぞれの近傍に設けられている。

【0054】

ここで、例えば、バンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板Ｐが、いずれも、炭化ケイ素基板である接合基板Ｗを製造する場合には、接合室１０内においてシリコン基板等を接合する場合よりも高い真空度が求められる場合がある。このような場合においても、真空装置７０が基板ホルダ２０の第１ホルダ２１と第２ホルダ２２の近傍に設けられたターボ分子ポンプ７１、７２を有することにより、基板の活性化および接合する場の周辺をより確実に高真空にすることができる。

【0055】

加圧手段は、接合室１０内を所定圧力に加圧するものである。加圧方式としては、特に限定されず、例えば、油圧式等を用いることができる。第１ホルダ２１に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓと第２ホルダ２２に保持されたハンドル基板Ｐとを重ねた状態で加圧することにより、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐを接合することができる。

【0056】

本実施形態の基板接合装置を用いることにより、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１の活性化と、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合を１つの装置で行うことができる。すなわち、接合面Ｓ１、Ｐ１の活性化処理から接合までの間の時間を短くすることができ、接合面Ｓ１、Ｐ１の活性化状態をより確実に維持したまま接合することができる。

【0057】

［接合基板の製造方法］
次に、基板接合装置の動作とともに、接合基板の製造方法を説明する。以下に説明する接合基板の製造方法は、本実施形態の基板接合装置１００を用いた接合基板の製造方法の一例であり、問題のない範囲で種々の条件等を変更することができる。

【0058】

本実施形態の基板接合装置を用いた接合基板の製造方法において、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１、および、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１に、真空下においての紫外線を照射して活性化する、活性化処理工程と、活性化処理工程の後に、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１と、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１とを重ねて接合する、接合工程と、を行うことにより、接合基板Ｗを製造することができる。

【0059】

なお、活性化処理工程において、紫外線の波長は１０ｎｍ～２８０ｎｍの波長であることが好ましく、真空は真空度１×１０^－４Ｐａ以下であることが好ましい。

【0060】

すなわち、活性化処理工程においては、従来行われてきたＡｒ等の質量を有する粒子の照射をしないことが好ましく、質量を有する粒子の照射に替えて、紫外線を照射することによりバンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１とハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１の活性化が行われる。

【0061】

また、活性化処理工程に供する前に、予め、バンドギャップ半導体基板Ｓ、ハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１の鏡面研磨および洗浄を行っておくことが好ましい。

【0062】

（活性化処理工程）
次に、活性化処理工程について詳細に説明する。

【0063】

活性化処理工程は、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１、および、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１の少なくとも一方に、真空下において１０ｎｍ～２８０ｎｍ、すなわち、ＶＵＶ（１０ｎｍ～２００ｎｍ）からＵＶ－Ｃ（２００～２８０ｎｍ）の波長範囲の紫外線を照射して活性化する工程である。

【0064】

ここで、接合面Ｓ１、Ｐ１の活性化とは、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１にある酸素、水素、ヒドロキシル基（ＯＨ基）等の界面終端成分、酸化膜を除去して、ダングリングボンドを形成することを指す。

【0065】

また、活性化処理工程における紫外線の波長は、１０ｎｍ～２８０ｎｍの範囲において照射源となるランプが入手しやすい１７０ｎｍ～２６０ｎｍとすることができる。紫外線の波長が２６０ｎｍよりも大きい場合には、エネルギー量が小さく、表面の活性化を促すために十分なエネルギーを接合面Ｓ１、Ｐ１に与えることができない場合がある。

【0066】

活性化処理工程において、紫外線を照射する活性化処理時間は、接合面Ｓ１、Ｐ１に十分なエネルギーを付与することができる時間であればよい。エネルギー量は紫外線の強度と照射時間との積であることから、照射に必要な時間は、照射する紫外線の強度から算出することができる。具体的には、照射する紫外線の強度が例えば５ｍＷ／ｃｍ^２である場合には、２分程度以上とすることができる。

【0067】

また、活性化処理工程において、真空度は、１×１０^－４Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）以下の真空とし、さらに好ましくは、１×１０^－6Ｐａ以下の超高真空（ＪＩＳ Ｚ ８１２６－１）とすることができる。活性化処理工程における真空度が低い場合は、紫外線を照射したのちの活性面（接合面Ｓ１、Ｐ１）の活性量が低くなることがあり、接合工程において十分な接合強度を得ることができないことがある。

【0068】

本実施形態の基板接合装置１００を用いた活性化処理工程は以下の手順により行う。

【0069】

活性化処理工程に先立ち、接合室１０内部を真空装置７０により所定の真空度（例えば、５×１０^－６Ｐａ）まで真空引きしておき、その真空状態を維持しておく。

【0070】

まず、基板ホルダ２０にバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐを保持させる。はじめに、第１搬送台４１の上面の吸着面４１ａにバンドギャップ半導体基板Ｓを載置して静電吸着により保持させ、第２搬送台４３の下面の吸着面４３ａにハンドル基板Ｐを静電吸着により保持させる。このとき、第１搬送台４１と第２搬送台４３は、図２の位置（初期状態の位置）にある。

【0071】

その後、第１アーム４２を図２の矢印Ｂ方向に沿って基板ホルダ２０側に移動させ、第２アーム４４を図２の矢印Ｃ方向に沿って基板ホルダ２０側に移動させる。これにより、バンドギャップ半導体基板Ｓが基板ホルダ２０の第１保持部２１１の直下に移動し、ハンドル基板Ｐが基板ホルダ２０の第２保持部２２１の直上に移動する。

【0072】

さらに、第１搬送台４１と第２搬送台４３の吸着機構６０の静電吸着から、基板ホルダ２０の第１保持部２１１と第２保持部２２１の吸着機構６０の静電吸着に切り替えて、バンドギャップ半導体基板Ｓを第１保持部２１１に静電吸着させ、ハンドル基板Ｐを第２保持部２２１に静電吸着させて保持する。このとき、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１が対向している（図３）。その後、第１搬送台４１と第２搬送台４３とを先ほどとは逆方向に移動させることにより初期位置まで退避させる。

【0073】

次に、図４に示すように、紫外線照射装置５０のアーム５３を伸ばして第１照射装置５１および第２照射装置５２を矢印Ｄ１方向に沿って移動させて、基板ホルダ２０に対向して保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐの接合面Ｓ１、Ｐ１間に挿入する。このとき、バンドギャップ半導体基板Ｓ、第１照射装置５１、第２照射装置５２、ハンドル基板Ｐは、上下方向に直線状に並んで位置している。

【0074】

さらに、紫外線ランプ５１２，５２２により、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１に紫外線を所定の強度（例えば、１７２ｎｍの紫外線を１０ｍＷ／ｃｍ^２）、所定時間（例えば、２分間）照射する（図４）。以上により、接合面Ｓ１、Ｐ１が活性化して、活性化処理工程が終了する。

【0075】

なお、上記の説明においては、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１とハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１の両方に紫外線を照射する例を示したが、紫外線の照射は、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１およびハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１の少なくとも一方に行えばよい。

【0076】

（接合工程）
次に、接合工程について説明する。

【0077】

接合工程は、活性化処理工程の後に、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１と、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１とを接合して、接合基板Ｗを得る工程である。以下に説明する接合工程において、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１、および、ハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１は、活性化処理工程において紫外線が照射された面である。

【0078】

なお、接合面Ｓ１、Ｐ１の活性化状態が維持されている間に、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを接合することが好ましく、活性化処理工程と接合工程との間の時間は、数秒～１分以内程度とすることが好ましい。

【0079】

また、接合工程における、バンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板の温度は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとの種類や組み合わせによって最適の条件は異なるが、例えば、２００℃～４００℃程度とすることができる。

【0080】

接合工程におけるバンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板の温度が、２００℃より低温等の低すぎる場合には、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとの十分な接合強度を得ることができず、ボイドの発生の低減が十分でないことがある。接合工程におけるバンドギャップ半導体基板Ｓおよびハンドル基板の温度が、４００℃より高温等の高すぎる場合には、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとの間にひずみが入ることがあり、接合工程後の冷却時に、いずれか一方あるいは両方の基板が割れることがある。

【0081】

また、接合工程において、加圧手段を用いてバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとに加える圧力は、５０ｋｇｆ～５００ｋｇｆ（０．４９ｋＮ～４．９０ｋＮ）とすることができる。

【0082】

また、接合工程における接合室１０内の真空度は、活性化処理工程と同様の条件とすることができる。

【0083】

また、接合工程における処理時間は、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとが十分に接合されれば特に限定されず、例えば、１０秒～５分とすることができる。

【0084】

本実施形態の基板接合装置１００を用いた接合工程は以下の手順により行う。

【0085】

図５に示すように、紫外線照射装置５０のアーム５３を縮めて、第１照射装置５１および第２照射装置５２を矢印Ｄ１方向に沿って移動させて、紫外線照射装置５０を退避させる。そして、基板ホルダ２０の第１アーム２１２を伸ばして、図５の矢印Ａ１方向に沿って、接合面Ｓ１、Ｐ１が接触して重なる位置まで、第１保持部２１１に保持されたバンドギャップ半導体基板Ｓを移動させる。

【0086】

ここで、活性化処理工程において、バンドギャップ半導体基板Ｓ、第１照射装置５１、第２照射装置５２、ハンドル基板Ｐが、上下方向に一直線上に並んでいたことから、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐを重ねる移動を必要最低限の時間および距離で行うことができ、活性化処理工程と接合工程との間の時間を短くするとともに、活性化した接合面Ｓ１、Ｐ１に塵等が付着することを抑制することができる。

【0087】

接合面Ｓ１、Ｐ１が接触して重なる位置までバンドギャップ半導体基板Ｓを移動させたのち、さらに、第１ヒータ３１、第２ヒータ３２によりバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを加熱する。基板の加熱とともに、重ねたバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐを、加圧手段により接合室１０内部を所定圧力（例えば、１００ｋｇｆ（０．９８ｋＮ））に加圧して、所定時間（例えば、３分間）保持することにより、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐを接合する。これにより、接合基板Ｗが形成される。

【0088】

次に、形成された接合基板Ｗを回収する。第２保持部２２１の吸着機構６０の静電吸着のみを切り、第１保持部２１１に接合基板Ｗを静電吸着により保持させたのち、図６に示すように、第１アーム２１２を縮めて第１保持部２１１を図６の矢印Ａ１方向に沿って初期位置に戻す。次に、図７に示すように、第１アーム４２を図２の矢印Ｂ方向に沿って基板ホルダ２０側に動かして、基板ホルダ２０の第１保持部２１１の直下まで第１搬送台４１を移動させる。そして、第１保持部２１１の吸着機構６０から第１搬送台４１の吸着機構６０に切り替えて、接合基板Ｗを第１搬送台４１に保持させる。最後に、第１アーム４２を先ほどとは反対方向に動かして第１搬送台４１を初期位置に戻して接合基板Ｗを回収する。以上により、接合基板Ｗの製造が完了する。

【0089】

（従来の接合基板の製造方法、製造装置との比較）
従来の接合基板の製造方法、製造装置においては、接合面を活性化するために、アルゴン（Ａｒ）イオンや、中性のアルゴン粒子をそれぞれの基板の接合面に照射することにより、基板の接合面にある酸素、水素、ヒドロキシル基（ＯＨ基）等の界面終端成分を除去して、表面を活性化させていた。

【0090】

しかしながら、アルゴンイオンやアルゴン粒子の照射は質量を有する粒子によるアタックであり、原理的にスパッタリング現象が起きることから、（１）スパッタではじかれた粒子に由来するパーティクルの発生、（２）真空チャンバー内の物質の金属コンタミの発生が問題となっていた。また、質量を有する粒子による貼り合わせ面におけるスパッタリング現象により、接合面が不均一な凹凸面となり、これが原因となって貼り合わせ後の接合面において空隙（ボイド、例えば、図９（Ａ）の接合基板７００におけるボイドＶ）の原因となる。また、スパッタリング現象により基板や真空チャンバーより飛び出した粒子によるコンタミは接合基板における不良の原因となっていた。

【0091】

なお、接合基板に発生したボイドは、光学顕微鏡、または、レーザー顕微鏡等を用いて観察することができる。

【0092】

本発明者らは、バンドギャップ半導体基板とハンドル基板の接合面に紫外線を照射することによって接合面を活性化することで、アルゴン粒子等のスパッタ粒子によるパーティクルや金属コンタミを生じさせずに、活性化した接合面が得られることを見出した。

【0093】

本実施形態の基板接合装置であれば、アルゴン等の質量を有する粒子を用いることなく、バンドギャップ半導体基板Ｓの接合面Ｓ１とハンドル基板Ｐの接合面Ｐ１を活性化することができることから、ボイドおよびコンタミを低減した、接合基板Ｗを得ることができる。

【0094】

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、前述した実施形態の変形等も本発明に含まれる。

【0095】

例えば、図８に示す基板接合装置１００Ａは、第１搬送台４１と第２搬送台４３の移動方向が、前述した実施形態の基板接合装置１００とは異なるものである。すなわち、搬送ロボット４０Ａは、第１搬送台４１と、第１アーム４２Ａと、第２搬送台４３と、第２アーム４４Ａと、アーム支持部４５Ａとを有する。図８に示す変形例においては、第１アーム４２Ａは矢印Ｅ方向に伸縮し、第２アームは矢印Ｆ方向に伸縮することにより、第１搬送台４１および第２搬送台４３を移動させることができる。このように、第１搬送台と第２搬送台の移動方法は、前述した実施形態や本変形例に限定されるものではなく、搬送ロボットと基板ホルダとの間で基板を移動させることができるものであれば、どのような構成でもよい。

【0096】

また、前述した実施形態においては、バンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを１枚ずつ処理する装置について説明したが、複数枚のバンドギャップ半導体基板Ｓとハンドル基板Ｐとを扱う基板ホルダや搬送ロボットを用いることにより、複数枚の基板を一度の製造バッチにより処理してもよい。

【0097】

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法等は、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質等を限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質等の限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

【実施例】

【0098】

以下、本発明の実施例および比較例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されることはない。

【0099】

本実施例においては、バンドギャップ半導体基板として炭化ケイ素単結晶基板を用いて、ハンドル基板として炭化ケイ素多結晶基板を用いて、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板とが接合した、炭化ケイ素接合基板を製造した。また、製造装置として、前述した実施形態の基板接合装置１００を用いた。基板接合装置１００は、紫外線ランプ５１２、紫外線ランプ５２２として、Ｘｅエキシマランプを備える。

【0100】

［実施例１］
（炭化ケイ素接合基板の製造）
炭化ケイ素単結晶基板として、昇華法によって作製された、直径寸法が４インチの４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板を用いた。また、炭化ケイ素多結晶基板として、化学的気相蒸着法により炭化ケイ素多結晶を成膜して得た、直径寸法が４インチの３Ｃ－ＳｉＣ多結晶基板を用いた。

【0101】

まず、活性化処理工程の前に、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板の接合面について、鏡面研磨加工および洗浄を行った。次に、活性化処理工程として、鏡面研磨加工、洗浄した炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板の接合面に、Ａｒイオン、Ａｒ粒子は照射せずに、紫外線を照射した。

【0102】

すなわち、基板ホルダ２０に炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板を保持させて、接合室１０内を真空度が５×１０^-６Ｐａ以下の超高真空雰囲気とした。さらに、Ｘｅエキシマランプ（紫外線ランプ５１２、紫外線ランプ５２２）により、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板の接合面に、波長１７２ｎｍの紫外線を１０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で２分間、照射した。

【0103】

次に、接合工程を行った。炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板とを、活性化された接合面同士が接触するように重ねて、活性化処理工程と同じ真空条件のまま、接合室１０内を３００℃として、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板とを重ねたものに１００ｋｇｆ（０．９８ｋＮ）の圧力を加えて、３分間保持した。以上により、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板との接合基板を得た。さらに、接合室１０内を常温まで温度を下げたのち、接合室１０内を大気圧まで復圧して、接合基板を取り出して、接合基板の評価を行った。

【0104】

（炭化ケイ素接合基板の評価）
得られた接合基板の評価を行った。評価は、ボイドの有無の確認、コンタミの有無の確認、および、接合強度の確認とした。

【0105】

ボイドの有無の確認は、光学顕微鏡を用いて顕微鏡観察を行い、得られた接合基板にボイドが発生したか否かを確認した。接合基板にボイドが発生している場合、図９に示す接合基板７００のように、点状のボイドＶを確認することができる。

【0106】

また、接合基板を蛍光Ｘ線解析に供することにより、接合基板に不純物が含まれているか否かを確認して、コンタミの有無を評価した。蛍光Ｘ線解析装置として、ＮＡＮＯＨＵＮＴＥＲＩＩ（リガク製）を用いた。

【0107】

また、接合強度は、得られた接合基板を５ｍｍ角のチップ状に切断して、炭化ケイ素単結晶基板と炭化ケイ素多結晶基板との剥離の有無を確認して、剥離が２７０個中３個以下である場合には接合強度が十分であり、５個より多い場合には接合強度が不十分であると評価した。

【0108】

なお、接合基板の接合強度が十分であっても、図９（Ｂ）に示す接合基板８００のように接合基板にボイドＶが発生している場合、ボイドＶが含まれないチップ（例えば、図９（Ｂ）のチップ８１０）は良品であるが、ボイドＶが含まれるチップ（例えば、図９（Ｂ）のチップ８２０、８３０、８４０）は後工程に用いると不良の原因となり得る。よって、ボイドＶが含まれるチップが多いほど歩留まりが低いと評価することができる。

【0109】

接合基板を評価した結果、ボイドの発生は確認されず、また、金属不純物の測定においても検収限界以下であり、コンタミは確認されなかった。また、接合基板を２７０個の５ｍｍ角のチップ状に切断したところ、剥離は確認されず、接合強度は十分であると判断した。

【0110】

［実施例２］
実施例２として、基板接合装置１００のＸｅエキシマランプを基板に対して斜め方向から照射すること以外は実施例１と同様にして、接合基板の製造および接合基板の評価を行った。得られた接合基板を評価した結果、ボイドの発生は確認されず、また、金属不純物の測定においては検収限界以下であり、コンタミは確認されなかった。また、接合基板を５ｍｍ角のチップ状に切断したところ、剥離は２７０個中１個のチップにのみ確認された。以上により、接合強度は十分であるが、紫外線を基板に対して垂直方向に照射することにより、より接合強度を高くすることかできることが示された。

【0111】

本発明の例示的態様である基板接合装置１００を用いた実施例１、実施例２において、Ａｒ等の質量を有する粒子の照射を行わずに、バンドギャップ半導体基板とハンドル基板の接合面に紫外線照射することで、接合面の活性化を行うことにより、アルゴン粒子等のスパッタ粒子によるパーティクルや金属コンタミを生じさせずに、接合基板におけるボイドおよびコンタミを低減した、接合基板が得られることが示された。

【符号の説明】

【0112】

１００ 基板接合装置
１０ 接合室
２０ 基板ホルダ
３０ ヒータ
４０ 搬送ロボット
５０ 紫外線照射装置
５３ アーム（紫外線照射装置駆動手段）
６０ 吸着機構
７０ 真空装置
７１、７２ ターボ分子ポンプ
Ｓ バンドギャップ半導体基板
Ｓ１ バンドギャップ半導体基板の接合面
Ｐ ハンドル基板
Ｐ１ ハンドル基板の接合面
Ｗ 接合基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】