复合晶片及其制造方法
【专利摘要】复合晶片（10）是使支承基板（12）和半导体基板（14）通过直接键合来贴合而成的复合晶片。支承基板（12）是氧化铝纯度在99%以上的透光性氧化铝基板。该支承基板（12）的可见光区域的直线透过率在40%以下。又，支承基板（12）在波长200～250nm下的前方全光线透过率在60%以上。支承基板（12）的平均结晶颗粒直径为10μm～35μm。半导体基板（14）为单结晶硅基板。这样的复合晶片(10）具有与SOS晶片同等的绝缘性及热传导性，能够以低成本进行制作，并能够较容易地制得大直径晶片。
【专利说明】复合晶片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合晶片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]对于移动电话所使用的天线切换用开关来说，应当对应多模多带化，从线性化、失真抑制的观点来看，迄今为止，通常采用使用GaAs的pHEMT开关。但是，在GaAs平台的情况下，由于流向基板的电流泄漏等，具有不能降低耗电量的缺点。又，开关装置中，因为在外部另需要Si制的解码电路，所以在使用GaAs平台的情况下，不能将上述电路集成化。因此，小型化/低成本化存在限制。
[0003]近年来,作为解决该技术问题的技术,存在SOI (Silicon on Insulator)技术(例如参照专利文献I)。已知在Si层上部形成SiO2层，并在其上将其他的Si层作为功能层键合而作为SOI晶片。又，已知将氧化铝基板与硅基板键合而作为SOI晶片(例如专利文献2)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本专利特开2011-29594号公报
[0007]专利文献2:日本专利特开2010-278342号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的技术问题
[0009]但是，专利文献I的SOI晶片中，由于SiO2层的厚度为?I μ m左右，所以作为全体SOI晶片的绝缘性存在某种界限。又，由于SiO2热传导率只有1.5ff/mK左右，所以具有在CMOS电路层(Si层)产生的热难以挥散的性质。由此，专利文献I的SOI晶片存在晶片绝缘性及热传导性不佳的问题。
[0010]又，对于专利文献2的SOI晶片，考虑寻求低失真及低损耗的高频装置中的应用的话，则一般的氧化铝基板中介电损耗正切(tan δ )过大而不适合。与此相对应，多结晶的透光性氧化铝基板由于tan δ较小，因而适合高频装置。但是，介隔掩膜对硅上的光阻膜照射激光时，由于激光从透光性氧化铝基板和硅基板的键合界面、透光性氧化铝基板内部等处反射到光阻膜的背面，所以存在图案形成精度下降的问题。
[0011]本发明的目的在于，解决上述技术问题，在复合晶片中，保证良好绝缘性及热传导性，适合于高频装置，并提高光刻的图案形成精度。
[0012]解决技术问题的手段
[0013]本发明的复合晶片是使支承基板和半导体基板通过直接键合来贴合而成的复合晶片，其特征在于，所述支承基板的材料为多结晶透光性陶瓷，所述半导体基板的材料为娃，所述支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率高于在波长555nm下的前方全光线透过率。[0014]该复合晶片中，因为使用多结晶的透光性陶瓷作为支承基板，所以能够确保良好的绝缘性(例如〉IO14 ΩπΟ和热传导性(例如〉30W/mK)。又，因为使用透光性陶瓷制的支承基板，所以tanS较小，适合于高频装置。进一步地，其提高基于光刻的图案形成精度。即是说，在半导体基板的表面上形成光阻膜后，波长200?250nm的UV (例如使用波长248nm的KrF激光)进行光阻膜的曝光时能够进行高精度的图案形成。波长200?250nm的UV通过半导体基板。因为支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率比在波长555nm下的前方全光线透过率更高，所以从支承基板和半导体基板的界面及支承基板内部朝后方即半导体基板侧的光的散射、反射较少，几乎不存在支承基板上的光阻膜从背面被曝光的情况。因此，能够进行高精度的图案形成。另外，因为曝光装置的分辨率被定义为kX λ/NA(k:系数，λ:光源的波长，NA:投影透镜的开口数)，所以通过用短波长来进行曝光，能够形成细微的图案。
[0015]此外，优选99%以上的高纯度品来作为多结晶的透光性陶瓷。从而防止由于杂质而导致热传导性/绝缘性变差。
[0016]本发明的复合晶片中，所述支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率优选为80%以上。这样的话，就更加提高上述的基于光刻的图案形成精度。
[0017]本发明的复合晶片中，所述支承基板在波长200?750nm的直线透过率优选为20%以下。这样的话，因为支承基板的前方全光线透过率较高而直线透过率较低，所以在支承基板内部光的散射变多，降低由放置复合晶片的工作台面处的反射而导致的影响。又，在半导体制造工序中，自动搬运复合晶片，并在那时进行基于可见光的图像识别。为了对晶片进行图像识别，希望其有可见光不可透过性。如果支承基板在波长200?750nm下的直线透过率在20%以下，就能够可靠地进行复合晶片的图像识别。
[0018]本发明的复合晶片中，所述支承基板的平均结晶颗粒直径优选为10 μ m?50 μ m。这样的话，因为平均结晶颗粒直径较小，所以在光刻技术的曝光工序中，光容易散射。如果平均结晶颗粒直径比IOym更小，那么在材料内部或晶界中不均匀的缺陷会增加，因而不推荐。另一方面，平均结晶颗粒直径比50μπι更大的话，由于内部应力，容易在基板上出现破裂，因而不推荐。
[0019]本发明的复合晶片中，所述支承基板也可以具备空腔。因为通过将透光性陶瓷原料成形烧结可以得到支承基板，所以制作具备空腔的支承基板时，使用能够得到具备空腔成形体的金属模具就可以了。因此，不需要掩膜、蚀刻工序。例如，不使用透光性陶瓷基板而使用硅基板作为支承基板的情况下，要在该硅基板上制作空腔，就需要首先将硅基板的一面(与键合半导体基板的面相反的面)用掩膜覆盖，然后将该掩膜曝光/显影，之后对没有被掩膜的部分进行蚀刻的一系列工序。不对空腔的形状进行特别地限定，即可为矩形也可为非线形，使用与其相对应的金属模具就可以了。
[0020]本发明的复合晶片中，所述支承基板的材料优选为多结晶的透光性氧化铝。如果为多结晶的透光性氧化铝的话，那么tan δ较小，进而，在波长200?250nm下的前方全光线透过率容易满足上述数值范围，直线透过率也容易满足上述数值范围。
[0021]本发明的复合晶片的制造方法，其特征在于，包括:
[0022](I)贴合工序，其使由多结晶的透光性陶瓷构成的支承基板和由硅构成的半导体基板通过直接键合来贴合，所述支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率高于在波长555nm下的前方全光线透过率；
[0023](2)薄板化工序，其通过离子注入法或者研磨将所述半导体基板的表面薄板化。
[0024]根据该制造方法，可以容易地得到上述的本发明的复合晶片。
[0025]本发明的复合晶片的制造方法中，工序(I)中，使用多结晶的透光性陶瓷，将例如包含陶瓷粉末、凝胶化剂及凝胶化催化剂的糊状物放入成型金属模具使其硬化成为成形体后，将该成形体从成型金属模具中取出，通过在氢气氛围中烧结而能够得到这样的透光性陶瓷。烧结温度为1700?1800°C就可以了。由此，平均结晶颗粒直径在10 μ m以上，能够使透光性陶瓷在波长200?250nm下的前方全光线透过率比在波长555nm下的前方全光线透过率更高。进一步地，在不想让前方全光线透过率变高的情况下，可以扩大结晶颗粒直径。在得到大结晶颗粒直径的情况下，可以使烧结温度变高，也可以用相同温度进行反复烧结。如果使用这样的透光性陶瓷，因为能够确保良好的绝缘性(例如> 1014Ωπι)和热传导性(例如> 30W/mK)，且tanS较小，所以适合于高频装置。又，其提高基于光刻的图案形成精度。
[0026]本发明的复合晶片的制造方法中，在工序(I)中使支承基板与半导体基板通过直接键合来键合。对于直接键合技术，例如可以采用对表面进行等离子处理而进行活性化，从而实现常温下键合的表面活性化键合技术。
[0027]本发明的复合晶片的制造方法中，在工序(2)中键合支承基板和半导体基板后，通过离子注入法和研磨来对半导体基板进行薄板化。由此，能够当作含有具备良好绝缘性的半导体基板的复合晶片。通过离子注入法进行薄板化的情况下，预先将离子注入半导体基板(例如块状硅基板)，并将该基板与支承基板键合后，将半导体基板一部分进行机械或热剥离。进行半导体基板的薄板化时，在想要减小对半导体基板的损伤情况下，优选进行研磨而非使用离子注入法。采用研磨的话，与采用离子注入法的情况相比，Si的结晶性较好。想要得到IOOnm以下的极薄的半导体基板的情况下，优选使用离子注入法而非进行研磨。虽然并未特别限定半导体基板的厚度，但是，例如想要得到完全空乏型CMOS结构的情况下，优选为100?300nm左右，想要得到部分空乏型CMOS结构的情况下，优选为?I μ m左右。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是示出复合晶片10的大致结构的立体图。
[0029]图2是图1的A-A截面图。
[0030]图3是示出复合晶片10制造工序的立体图。
[0031]图4是实施例及比较例中使用的透光性氧化铝陶瓷的前方全光线透过率光谱的图表。
[0032]图5是测定装置40的说明图。
[0033]图6是另一实施方式的复合晶片的截面图。
[0034]图7是另一实施方式的复合晶片的截面图。
【具体实施方式】
[0035]然后，对用于实施本发明的方式用图进行说明。图1是示出作为本发明的一种实施方式的复合晶片10的大致结构的立体图、图2是图1的A-A截面图。[0036]如图1所示，复合晶片10是使支承基板12和半导体基板14通过直接键合来贴合而成的物体。将该复合晶片10形成为其中一处平坦的圆形。该平板的部分被称为定向平面(0F)，例如，在半导体装置的制造工序中进行各种操作时等，在进行晶片位置和方向的检测等时被使用。
[0037]支承基板12是氧化铝纯度99%以上的透光性氧化铝基板。该支承基板12在波长200?700nm下的直线透过率为20%以下。又，支承基板12在波长200?250nm下的前方全光线透过率为70%以上，优选为80%以上，比在波长555nm下的前方全光线透过率更高。支承基板12的平均结晶颗粒直径为10 μ m?50 μ m。支承基板12的两面的算术表面粗糙度Ra为0.5?20nm。该支承基板12半透明，厚度为50?800 μ m。
[0038]半导体基板14是单结晶硅基板。该半导体基板14透明，厚度为0.05?0.5 μ m。
[0039]关于这种复合晶片10的制造方法的一个实例，下面用图3进行说明。图3是示出复合晶片10制造工序的立体图。首先，准备具有OF的规定直径及厚度的支承基板12。又，准备与支承基板12相同直径的半导体基板24 (参照图3 (a))。该半导体基板24比复合晶片10的半导体基板14更厚。支承基板12例如由凝胶注模法制作。凝胶注模法中，首先，将包含α -氧化铝粉末、异氰酸酯系的凝胶化剂及聚氨酯反应促进用的催化剂的糊状物放入成型金属模具使其硬化成为成形体后，将该成形体从成型金属模具中取出，通过在氢气氛围中烧结做成多结晶的透光性氧化铝，通过对其进行研磨得到支承基板12。如果在凝胶注模法中将使用的金属模具换为大型模具的话，可以较容易地将该支承基板12大型化(例如直径Φ 12英寸左右)。此外，要扩大平均结晶颗粒直径，也可以将氢气中的烧结温度设高些，或者也可以在较低烧结温度下反复进行烧结。
[0040]然后，使支承基板12和半导体基板24通过直接键合来贴合(参照图3(b))。作为直接键合技术，例如可以采用对表面进行等离子处理而进行活性化，从而实现常温下键合的表面活性化键合技术。
[0041]此后，通过离子注入法和研磨，将半导体基板24磨薄为规定厚度，得到复合晶片10，作为得到半导体基板14，(参照图3 (C))。通过离子注入法进行薄板化的情况下，预先将离子注入半导体基板24，并将该基板与支承基板12键合后，将半导体基板24 —部分进行机械或热剥离。进行半导体基板24的薄板化时，在想要减小对半导体基板24的损伤情况下，优选进行研磨而非使用离子注入法。
[0042]对这样制得的复合晶片10在这之后使用一般性的光刻技术进行图案形成。具体来说，在半导体基板14的表面，涂布/干燥光阻剂，通过光掩膜对光阻剂使光照射(掩膜曝光)。然后，浸入显影液，去除不需要的光阻剂。在光阻剂为负抗蚀剂的情况下，光阻剂中光照到的部分残留在半导体基板14上。另一方面，在光阻剂为正抗蚀剂的情况下，光阻剂中光未照到的部分残留在半导体基板14上。然后，通过蚀刻法，去除半导体基板14的表面中没有被光阻剂覆盖的地方。
[0043]在此，掩膜曝光时，虽然已照射的光透过半导体基板14，但是由于支承基板12的前方全光线透过率较高，从半导体基板14与支承基板12的键合界面及支承12内部到后方(即半导体基板一边)的反射被抑制。进一步地，由于支承基板12的直线透过率较小，增加支承基板12内的光的散射，不存在曝光机的工作台面上反射而对掩膜的背面的抗蚀剂进行曝光的情况。与此相对应，支承基板12为硅的情况下，因为硅为单结晶所以不存在晶界，存在已照射的光在曝光机的工作台面上反射而对掩膜背面的抗蚀剂进行曝光的情况，不能高精度地形成图案。又，为了形成高精度的图案，必须使曝光光源短波长化。因而，通过支承基板12，使短波长的光散射，特别地，优选200nm附近的短波长紫外线区域的光(例如KrF激光(248nm))。在本实施方式的支承基板12上使用的透光性氧化铝，具有在上述短波长紫外线区域提高前方全光线透过率并降低直线透过率的特性。在上述透光性氧化铝制支承基板12上入射光的话，该光在位于支承基板12的内部的晶界处折射，朝所有方向出射。透光性氧化铝中，由于光的波长越短该倾向越明显，直线透过率降低全光线透过率提高，即是说，波长越短散射光越多。因此，特别在用短波长实施曝光及图案形成时，适宜使用透光性氧化铝。
[0044]另一方面，晶片工序中，复合晶片10被自动搬运，此时，通过可见光进行图像识另O。因此，为了对复合晶片10进行图像识别，要求使可见光非透过的特性。本实施方式的复合晶片10因为具有由波长200?700nm的区域中直线透过率20%以下的透光性氧化铝构成的支承基板12,所以适合于图像识别。与此相对应,例如SOS (S1-on-Sapphire,蓝宝石上硅)晶片因为具有由可见光区域中透明的蓝宝石构成的支承基板，所以不适合于图像识别。
[0045]根据如上详述的本实施方式的复合晶片10，因为使用纯度99%以上的多结晶透光性氧化铝作为支承基板12，所以能够确保良好的绝缘性(例如大于1014Ωπι)，热传导性(例如大于30W/mK)。又，因为透光性氧化铝tan δ较小，所以适合于高频装置。进一步地，通过光刻而得到的图案形成的精度提高。
[0046]又，因为支承基板12的平均结晶颗粒直径小至10 μ m?50 μ m，所以在光刻技术的
曝光工序中容易使光散射。
[0047]进一步地，因为支承基板12在波长200?250nm下的前方全光线透过率为70%以上(优选80%以上)，所以在光刻技术的曝光工程中使用波长200?250nm的UV时，高精度的图案形成是可能的。即是说，虽然波长200?250nm的UV通过半导体基板，但是因为支承基板前方全光线透过率高至70%以上，所以朝后方即半导体基板侧的散射、反射较少，几乎不存在从支承基板上光阻剂背面被曝光的情况。结果，高精度的图案形成是可能的。附带提一下，因为用kX λ/NA定义曝光装置的分辨率(k:系数，λ:光源的波长，NA:投影透镜的开口数)，所以通过用短波长曝光，能够形成微细图案。
[0048]进一步地，因为支承基板12的波长200?750nm的直线透过率为20%以下，所以能够抑制由曝光机的工作台面上的反射而产生的影响，在半导体制造工序中自动搬运该复合晶片10时，基于可见光的图像识别是可能的。
[0049]此外，本发明不对上述实施方式进行任何限定，可在本发明的技术范围内实施各种形式的实施方式。
[0050]例如，上述实施方式中，支承基板12也可以具备如图6、图7所示的空腔。上述复合晶片可以应用于S1-MEMS。因为通过将透光性氧化铝原料成形烧结可以得到支承基板12，所以制作具备空腔的支承基板12时，使用能够得到具备空腔成形体的金属模具就可以了。因此，不需要掩膜、蚀刻工序。例如，不使用透光性氧化铝基板而使用硅基板作为支承基板12的情况下，要在该硅基板上制作空腔，就需要首先将硅基板的一面(与键合半导体基板的面相反的面)用掩膜覆盖，然后将该掩膜曝光/显影，之后对没有被掩膜的部分进行蚀刻的一系列工序。对空腔的形状不进行特别地限定，既可为矩形也可为非线形，使用与其相对应的金属模具就可以了。
[0051](实施例)
[0052](实施例1)
[0053]首先，按下面的制造方法准备作为支承基板使用的透光性氧化铝基板。最初，调制混合了表1成分的糊状物。此外，α -氧化铝粉末使用纯度99.99%、比表面积3.5~4.5m2/g、平均一次粒径0.35~0.45 μ m的。
[0054]表1
【权利要求】
1.一种复合晶片，使支承基板和半导体基板通过直接键合来贴合而成，其特征在于， 所述支承基板的材料为多结晶透光性陶瓷， 所述半导体基板的材料为硅， 所述支承基板的在波长200?250nm下的前方全光线透过率高于在波长555nm下的前方全光线透过率。
2.如权利要求1所述的复合晶片，其特征在于，所述支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率在80%以上。
3.如权利要求1或2所述复合晶片，其特征在于，所述支承基板在波长200?750nm下的直线透过率在20%以下。
4.如权利要求1?3的任一项所述的复合晶片，其特征在于，所述支承基板的平均结晶颗粒直径为10 μ m?50 μ m。
5.如权利要求1?4的任一项所述的复合晶片，其特征在于，所述支承基板具备空腔。
6.如权利要求1?5的任一项所述的复合晶片，其特征在于，所述支承基板的材料为多结晶的透光性氧化铝。
7.如权利要求1?6的任一项所述的复合晶片，其特征在于，所述半导体板的材料为单结晶娃。
8.一种复合晶片的制造方法，其特征在于，包括: (1)贴合工序，其使由多结晶的透光性陶瓷构成的支承基板和由硅构成的半导体基板通过直接键合来贴合，所述支承基板在波长200?250nm下的前方全光线透过率高于在波长555nm下的前方全光线透过率； (2)薄板化工序，其通过离子注入法或者研磨将所述半导体基板的表面薄板化。
【文档编号】H01L21/02GK103703542SQ201380002366
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2012年7月18日
【发明者】岩崎康范, 井出晃启, 堀裕二, 多井知义, 宫泽杉夫 申请人:日本碍子株式会社