ウェハ接合用ジグ及び発光素子用ウェハの製造方法
【課題】ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りを有するウェハ接合用ジグ及びそのウェハ接合用ジグを用いて作られた発光素子を提供する。
【解決手段】重ね合わされたウェハ2を上面から覆う上プレート3と、上記重ね合わされたウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により上記重ね合わされたウェハ2を上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグ1において、上記上プレート3と上記下プレート4との間に少なくとも1枚の圧力分散板6を設けた。
【解決手段】重ね合わされたウェハ2を上面から覆う上プレート3と、上記重ね合わされたウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により上記重ね合わされたウェハ2を上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグ1において、上記上プレート3と上記下プレート4との間に少なくとも1枚の圧力分散板6を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りを有するウェハ接合用ジグ及び発光素子用ウェハの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、発光ダイオード(Light Emitting Diode;LED)の応用分野の拡大に伴い、光出力の増大に対する要求が高まっている。
【0003】
このような要求に対し、特許文献1には、発光層を支持する基板を発光波長に対して透明な材料に貼り換えるという方法が提案されている。従来、発光波長に対して不透明だった基板で吸収されていた光を外部へと取り出すことが可能となり、光取出効率が向上するのである。
【0004】
また、特許文献2には、発光層を支持する基板をより熱伝導率が大きい材料に貼り換えるという方法が提案されている。一般に、発光ダイオードの発光量は印加電流に比例して増加するが、同時に発熱量も増加し、発光層あるいは素子全体を劣化させてしまう。そこで、従来よりも熱伝導率が大きい基板を用いることで素子の放熱性を向上させ、より大電流での印加を可能とし、高出力が得られるようになるのである。
【0005】
これらの構造の発光素子は、基板を機能性の材料に貼り替えるという観点で共通している。この基板貼り替え技術は、例えば現在市販されている既存の貼合せ装置(ウェハボンダ)を用いて行うことが出来る。しかし、この貼合せ装置は基本的にウェハの一括大量処理を不得手としている。つまり、装置1台(チャンバ1基)に付き、1枚ずつの処理しかすることが出来ない場合が殆どである。
【0006】
また、貼り合わせ条件にもよるが、1回の貼り合わせ工程(試料投入〜加圧〜昇温〜保持〜降温〜試料取出)にはおよそ2時間から3時間を要する。これは、特に降温に時間がかかる為である。このため、ウェハ貼合せ工程に掛かる処理速度はMOCVD装置によって発光素子用エピタキシャルウェハの製造するスループットよりも悪く、これに対応するためにはウェハ貼合せ装置を大量に導入する等の莫大な費用を要する方法しかなかった。
【0007】
そこで、特許文献3に、簡便かつ安価なジグを用いて、ウェハ貼合せを一括大量処理出来る方法が提案されている。
【0008】
【特許文献1】特開2001−144322号公報
【特許文献2】特開2004−066924号公報
【特許文献3】特開2005−310939号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献3に示されたジグは、サイズが大きいウェハ同士の貼合せにおいて、ウェハ貼合せの歩留りが低くなってしまうという難点があった。これは、ウェハサイズの大径化に伴って、ジグ自体も必然的に大きくなる。また、ウェハサイズが大きくなる事でジグに印加すべき圧力が大きくなってくる。これによってジグが微小に湾曲し、ウェハ面内に印加される圧力の分布に偏りが生じてくるためである。
【0010】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りを有するウェハ接合用ジグ及び発光素子用ウェハの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために本発明のウェハ接合用ジグは、重ね合わされたウェハを上面から覆う上プレートと、上記重ね合わされたウェハを下面から覆う下プレートと、これら上プレートと下プレートとを両プレートの周辺部で締結する締結具とを有し、両プレートにより上記重ね合わされたウェハを上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグにおいて、上記上プレートと上記下プレートとの間に少なくとも1枚の圧力分散板を設けたものである。
【0012】
上記圧力分散板を上記重ね合わされたウェハと上記上プレートとの間及び上記重ね合わされたウェハと上記下プレートとの間にそれぞれ設けてもよい。
【0013】
上記圧力分散板の面を上記ウェハの面より大きくしてもよい。
【0014】
上記圧力分散板を、カーボン又はグラファイトで形成してもよい。
【0015】
上記圧力分散板は、あらかじめ厚みの異なる複数の圧力分散板について上記重ね合わされたウェハの代わりに感圧シートを圧して圧力の均一さを調べ、その調べた結果に基づいて均一な圧力がかかる最低限の厚みを有する圧力分散板を採用してもよい。
【0016】
また、本発明の発光素子用ウェハの製造方法は、GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、その発光層付きウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを請求項1〜5いずれか記載のウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させるものである。
【発明の効果】
【0017】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0018】
(1)ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0020】
図1に示されるように、本発明に係るウェハ接合用ジグ1は、重ね合わされたウェハ(以下、接合用ウェハという)2を上面から覆う上プレート3と、接合用ウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグ1において、上プレート3と下プレート4との間に少なくとも1枚の圧力分散板6を設けたものである。
【0021】
この実施形態では、接合用ウェハ2と上プレート3との間及び接合用ウェハ2と下プレート4との間に、それぞれ圧力分散板6を設けてある。
【0022】
両プレート3,4は、いずれもステンレス(SUS304)からなる円盤(円柱とも言う)であり、接合用ウェハ2や圧力分散板6に比して十分に剛性を有する。
【0023】
この実施形態では、締結具5はステンレス製のネジ5aで構成される。上プレート3にはこのネジ5aを螺合して貫通させるためのネジ穴(図示せず)又は素通しで貫通させるための丸穴7が設けられている。下プレート4にはこのネジ5aを螺合して貫通させるためのネジ穴8が設けられている。下プレート4にも丸穴を設けてボルトを螺合させるようにしてもよい。ネジ5aの頭部は、外周が六角形に形成されており、スパナや六角レンチにて螺合が可能となっている。締結具5はネジ5aに限らず、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持できれば何でも良い。
【0024】
ネジ5aは2本以上必要である。この実施形態では、ネジ5aは6本用い、各々のネジ5aに均等に力が作用するよう、両プレート3,4の周に沿って等間隔で配置してある。ネジ5aを両プレート3,4の周辺部に設けたのは、後述するプレスヘッドを上プレート3の中央部に当てるためである。
【0025】
圧力分散板6は、カーボン又はグラファイトからなる円盤(円柱とも言う)であり、圧力分散板の面が接合用ウェハ2の面より大きいのが好ましい。
【0026】
次に、圧力分散板6の厚みについて検討する。
【0027】
後述する実施例1,2において圧力分散板6の厚みは20mmとした。
【0028】
圧力分散板6の厚みは、両プレート3,4から接合用ウェハ2に伝わる圧力を均一に分散させる目的で、両プレート3,4のサイズ、両プレート3,4にプレス機から印加される圧力、両プレート3,4の材質に応じて設定するのが好ましい。
【0029】
具体的には、プレート3,4の径が圧力分散板6の径よりも非常に大きいときには、プレス機から圧力を印加した際にプレート3,4の歪みが大きくなるので、その影響を無くすために、圧力分散板6の厚みを厚くする。逆に、両プレート3,4の径がそれほど大きくないときは、圧力分散板6の厚みは厚くしなくてよい。
【0030】
プレート3,4の厚みが薄いときには、プレス機から圧力を印加した際にプレート3,4の歪みが大きくなるので、その影響を無くすために、圧力分散板6の厚みを厚くする。プレート3,4の厚みが厚いときは、圧力分散板6の厚みは薄くてよい。
【0031】
プレス機から印加される圧力が比較的小さいときにはプレート3,4の歪みが小さいので、圧力分散板6の厚みは薄くても良いが、プレス機から印加される圧力が大きいときには、圧力分散板6の厚みを厚くする。
【0032】
プレート3,4の材質が軟らかいときには、プレート3,4の歪みが大きいので、圧力分散板6の厚みを厚くする必要があるが、プレート3,4の材質が固いときには圧力分散板6の厚みを薄くしてもよい。
【0033】
ウェハ接合用ジグ1が後述する実施例1,2に用いたサイズの場合、圧力分散板6の厚みは3mm〜30mm程度の厚みが望ましい。勿論、圧力分散板6の厚みは厚ければ厚い方が接合用ウェハ2にかかる圧力が均一になる。反面、圧力分散板6を厚くすると、それだけウェハ接合用ジグ1の大きさが大きくなってしまう。これは熱処理炉に仕込む際に問題となる。ウェハ接合用ジグ1が大きくなると、大量に仕込むためには、熱処理炉を大型にする必要が生じる。熱処理炉を大型にしなければ、大量処理のスループットを悪化させてしまう。
【0034】
ここで、実施例1の接合用ウェハ2を処理する際における、圧力分散板6の厚みと接合面積(接合歩留まり)との関係を説明する。図13に示されるように、厚みがほとんど0mmのとき接合面積が20%に満たず、厚みが10mmになると接合面積がほぼ80%となり、厚みが20mmを超えると接合面積が100%に到達する。よって、この図から圧力分散板の厚みが15mm程度あれば良好な歩留まりが得られることがわかる。
【0035】
つまり、上下プレートの材質や厚さがある条件である場合において、図13に示すように圧力分散板6の厚さが薄すぎると、印加された圧力を均一に分散させて接合用ウェハ2にかけることが出来ず、圧力の偏りが生じてしまう。その結果、接合用ウェハ2には多数のクラックやボイドが発生し、接合面積は小さくなってしまう(接合歩留まりが低くなってしまう)。また、逆に前述した10〜15mmなどの良好な接合面積が得られる厚さ以上の厚みを圧力分散板6が有した場合、接合面積(接合歩留まり)は飽和する傾向が見られている。したがって、圧力分散板6の厚みは、感圧シートを用いて圧力の分布状況を調査して、その調査結果に基づいて、接合用ウェハ2に対し均一な圧力が掛かる最低限の厚み程度に抑えることが望ましいのである。
【0036】
次に、圧力分散板6の面の大きさについて検討する。
【0037】
圧力分散板6は、接合用ウェハ2のサイズよりも大きいことが望ましい。接合用ウェハ2のサイズよりも大きいとは、接合用ウェハ2の貼合せ主表面の面積よりも、圧力分散板6の接合用ウェハ2を押圧する面の面積が大きいことを指す。接合用ウェハ2のサイズよりも圧力分散板6が小さいと、実質的に接合用ウェハ2を押圧出来る領域が少なくなることとなり、得られる貼替え型発光素子の数が少なくなってしまう。また、それによって接合用ウェハ2にクラックを発生させる原因とも成り得る為、圧力分散板6のサイズが接合用ウェハ2よりも小さいことは好ましくないのである。
【0038】
圧力分散板6については、実施形態においてカーボン又はグラファイトとしたが、これに限定されるわけではなく、ステンレス鋼などの硬材を用いても圧力分散の機能を有する材料であれば本発明の効果が得られる。
【0039】
図1のウェハ接合用ジグ1においては、圧力分散板6を接合用ウェハ2を上下から挟み込むように2枚使用する形態としたが、圧力分散板6が1枚だけであっても、また、3枚以上を重ねて使用してもよい。上プレート3や下プレート4に湾曲が生じても、圧力分散板6を設けることにより、それに接する接合用ウェハ2においては圧力の偏りが改善されるものであり、それによってウェハ接合の歩留りが改善される。すなわち、圧力分散板6の枚数に制限はなく、適宜変更が可能である。
【0040】
また、両プレート3,4の材料については、実施形態においてSUS304ステンレスとしたが、これに限定されるわけではなく、モリブデン鋼やSUS304以外のステンレス鋼などであっても本発明の効果が得られる。
【0041】
さて、本発明の要点は、ウェハ接合用ジグ1に圧力分散板6を用いたことにある。接合用ウェハ2と両プレート3,4との間に圧力分散板6を設けることで、両プレート3,4及び接合用ウェハ2に圧力(荷重)を掛けた時に生ずる圧力の偏りを緩和し、接合用ウェハ2の割れを防止することができる。
【0042】
ここで、比較のために図2に比較例を示す。このウェハ接合用ジグ21は、接合用ウェハ2を上面から覆う上プレート3と、接合用ウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持するものである。圧力分散板6は用いられない。
【0043】
次に、図1のウェハ接合用ジグ1で接合用ウェハ2を保持する手順を説明する。
【0044】
図3(a)に示されるように、下から順に、下プレート4、圧力分散板6、接合用ウェハ2、圧力分散板6、上プレート3を設ける。図3(b)に示されるように、上プレート3の丸穴7にネジ5aを通し、そのネジ5aをネジ穴8に緩く螺合させて全体を仮固定する。図3(c)に示されるように、プレス機(図示せず)のプレスヘッド31を上プレート3の中央部に当て、そのプレスヘッド31の中央部をプレスシャフト32で押し下げて上プレート3に下向きの圧力を印加する。下プレート4の下面はプレス機の定盤に置いて上向きの反力が生じるようにしておく。このように両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態で、ネジ5aをネジ穴8に固く螺合させて全体を固定する。図3(d)に示されるように、ウェハ接合用ジグ1をプレス機から取り出すと、接合用ウェハ2を上下から圧した状態が保持される。
【0045】
このとき、図4に示されるように、本発明のウェハ接合用ジグ1では、上プレート3と下プレート4とがその外周部においてネジ5aで締結されており、中央部には圧力を加えていたプレスヘッド31が除去されているため、両プレート3,4は外周部で上下から圧する力を受け、中央部で接合用ウェハ2及び圧力分散板6からの反力を受ける。このため、両プレート3,4が湾曲し、圧力分散板6の最外周の角部に力が集中する。しかし、圧力分散板6はこのような集中した力を分散して伝える働きがあるので、接合用ウェハ2には偏りがなく力が伝達される。
【0046】
これに対し、図5に示されるように、比較例のウェハ接合用ジグ21では、プレス機から取り出して接合用ウェハ2を上下から圧した状態に保持しようとしたとき、両プレート3,4が湾曲し、接合用ウェハ2の最外周の角部に力が集中する。つまり、接合用ウェハ2には偏った力が伝達される。
【0047】
以上説明したように、本発明のウェハ接合用ジグ1によれば、接合用ウェハ2にかかる圧力の分布に偏りが生じないので、ウェハ貼合せ歩留りが向上する。特に、ウェハサイズが大きい場合において、図4、図5で説明した両プレート3,4の湾曲が顕著になるが、本発明を適用することにより、圧力の偏りが解消され、良好なウェハ貼合せ歩留りが得られる。
【0048】
このようなウェハ接合用ジグ1を複数個用意し、大型の熱処理炉に同時に投入することで、貼り合わせ工程におけるスループットを大幅に向上させることが可能となる。
【0049】
さらに、ウェハ接合用ジグ1は両プレート3,4、ネジ5a、圧力分散板6といった簡易かつ安価な部材で構成されるため、従来のウェハ接合用ジグに比較すると圧倒的に安価である。
【0050】
本発明のウェハ接合用ジグ1は、基板貼り替え型LED等の発光素子における貼り替え工程のコストを極めて低く保つことが可能となる。すなわち、ウェハ接合用ジグ1は基板貼り替え型LED等の発光素子の大量生産に適している。
【0051】
以下、発光素子用ウェハの製造方法について説明する。
【0052】
ウェハ接合用ジグ1を用いた発光素子用ウェハの製造方法は、GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、この発光層付きGaAsウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを上記ウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させるものである。
【0053】
本発明の発光素子である発光ダイオードにおいて、半導体エピタキシャル基板を形成する材料に特に制限はない。半導体基板としてはGaAsの他にInP、Ge、サファイア等を用いてもよい。また、発光層としては、AlGaAs系化合物半導体、AlGaInP系化合物半導体の他に、GaN系化合物半導体、InGaAsP系化合物半導体等を用いてもよい。
【0054】
本発明の発光素子である発光ダイオードにおいて、貼り替え基板を構成する材料は、熱伝導や電気伝導を考慮すると、化合物および合金よりも単体が望ましく、例えば、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、金、銀、銅、白金、チタン、モリブデン、タングステン等が挙げられるが、貼り替え基板の線膨張係数とエピタキシャル基板やそこへ成長させたエピタキシャル層の線膨張係数との差があまりにも大きくなると、エピ層や基板の割れの問題につながるので、この点を考慮するとGaPやCu−W合金、Cu−Mo合金などの化合物材料も選択の範囲となる。したがって、必ずしもこれらの材料に限定されるものではない。
【実施例】
【0055】
以下、本発明のウェハ接合用ジグ1を用いて製造した発光素子及び比較例のウェハ接合用ジグ21を用いて製造した発光素子について述べる。
(実施例1)
図6(a)に示されるように、直径101.6mm、厚さ400μmのSiドープn型GaAs基板(ウェハのこと;以下、基板と言う)61を準備した。これをMOCVD装置に投入し、発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長した。成長したエピタキシャル層は、Siドープn型GaAs基板61上に、Siドープn型(Al0.7Ga0.3)In0.5Pエッチストップ層62、Siドープn型GaAs保護層63、Siドープn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層64、アンドープ (Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P活性層65、Mgドープp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層66、Mgドープp型GaPコンタクト層67を順次成長し、エピタキシャル基板68を得た。
【0056】
次に、図6(b)に示されるように、エピタキシャル基板68のエピタキシャル成長を行った側(Mgドープp型GaPコンタクト層67側)に、厚さ50nmのAuBe膜を直径15μm、30μmピッチ間隔でドットマトリクス状に真空蒸着法にて形成してオーミック電極69とした。ドット状に形成するためには周知のフォトリソグラフィ技術を用いている。
【0057】
そして、図6(c)に示されるように、オーミック電極69を形成したこの試料を窒素雰囲気中で400℃、10分間の熱処理を行い、GaPコンタクト層67中にオーミック接合合金層70を得た。
【0058】
次に、図6(d)に示されるように、Mgドープp型GaPコンタクト層67側の主表面全面に厚さ200nmのAl膜71a、厚さ100nmのNi膜71b、厚さ500nmのAu膜71cを順次形成し、第一金属接合層71を得た。この状態のものをエピタキシャル基板72とする。
【0059】
次に、図7に示されるように、直径101.6mm、厚さ400μm 、片面鏡面研磨仕上げのBドープp型シリコン基板73を準備した。更に、当該シリコン基板の鏡面仕上げ面には、厚さ50nmのTi膜74a、厚さ500nmのAu膜74bを順次蒸着し、第二金属接合層74を得た。
【0060】
その後、本発明のウェハ接合用ジグ1を準備した。ウェハ接合用ジグ1は、上プレート3及び下プレート4の直径はおよそ135mmとし、圧力分散板6の直径は104mmとした。圧力分散板6の厚みは20mmとした。
【0061】
次に、あらかじめ下プレート4上に設置しておいた圧力分散板6の上に図6(d)のエピタキシャル基板72の第一金属接合層71側の面と、図7のシリコン基板73の第二金属接合層74側の面を向かい合わせ、シリコン基板73が下側になるように重ね、接合用ウェハ2として設置した。この上にもう1枚の圧力分散板6を載せ、最後に上プレート3を載せた。
【0062】
この状態が図3(a)の状態である。そして、図3(b)のようにウェハ接合用ジグ1をネジ5aで軽く締結した。この仮締めした状態のウェハ接合用ジグ1を図3(c)のように油圧プレスにてプレスした。この時の印加圧力は約8.9kNとした。そして、この圧力が印加された状態でネジ5aを固締めし、図3(d)のようにネジ締め後に油圧プレスによる圧力印加を解除した。この状態では、油圧プレスによる圧力印加はされておらず、両プレート3,4を締結するネジ5aによって接合用ウェハ2に圧力が印加され、その圧力印加状態が保持されている。
【0063】
そして、このウェハ接合用ジグ1(接合用ウェハ2を含む)を図示しない熱処理炉に投入した。熱処理炉には油回転ポンプ(ロータリーポンプ)が接続されており、これを用いて炉内圧力を13.33Pa以下にまで減圧した。続いて熱処理炉のヒータ部を300℃に加熱し、300℃に到達してから30分の保持時間を持って熱処理を行った。そして30分経過後にヒータ部の加熱を中止し、炉内温度が100℃まで低下したところでウェハ接合用ジグ1を熱処理炉から取り出した。
【0064】
ここで、接合用ウェハ2をウェハ接合用ジグ1に装着して熱処理炉で行う熱処理について説明しておく。
【0065】
図14に示されるように、時間0分では、接合用ウェハ2を装着したウェハ接合用ジグ1を熱処理炉に投入する(S1)。このとき温度はまだ常温のままとする。時間10分で炉内の真空引きを開始し(S2)、時間20分で目標の炉内圧力になると同時に炉内昇温を開始する(S3)。時間50分のとき炉内温度が熱処理温度となり、温度保持を開始する(S4)。時間80分から炉内降温を開始する(S5)。時間160分では、炉内への大気導入を開始し(S6)、時間180分を過ぎると炉内が大気圧になると共に温度も100℃を下回るので、ウェハ接合用ジグ1を熱処理炉から取り出す(S7)。
【0066】
このようにして、ウェハ接合用ジグ1の表面温度が40℃以下まで低下したことを確認し、ネジ5aを緩めて接合用ウェハ2を取り出した。するとエピタキシャル基板72とシリコン基板73は金属接合層71,74を介して全面で接合しており、目視によるひび割れ等の接合不良は確認されなかった。更に、超音波顕微鏡を用いて検査したところ、図8に示すように、白い円(円周の線)のように見えるのがウェハ外周縁に沿った未接合領域81であり、その未接合領域81の内側を占めている黒い円(囲まれた面)のように見えるのが接合した基板面82であり、その基板面82内に剥離(未接合領域、空隙)は確認できなかった。
【0067】
このように、実施例1では、接合用ウェハ2にかかる圧力が場所によらず均一になり、接合用ウェハ2の割れ等もなくウェハ口径の大きな場合における接合歩留りが向上することが証明できた。
【0068】
ここで、ウェハ接合用ジグ1における圧力分布を測定するために、接合用ウェハ2を設置する位置へ感圧シートを置き、感圧シートの変色により圧力分布を測定した。感圧シートとは、富士フィルムビジネスサプライ株式会社製のプレスケール、感圧紙(いずれも登録商標)などの、所定値以上圧力がかかった部分が変色し、所定値未満の圧力しかかからなかった部分は変色しないシート状の試験具のことである。圧力測定の手順は、感圧シートを圧力分散板6にて上下から挟み込んだ後、その更に上下から両プレート3,4にて挟む様に設置した。その後、プレス機にて所望の圧力を印加し、最後にネジ5aを締め付けた。
【0069】
図9に示されるように、この時の感圧シートによる測定結果では、黒色で表示されている部分91が圧力が強く印加された部分であり、白色で示された所は圧力が殆どかからなかった部分である。図示した圧力印加部分91はウェハと形も大きさも一致しており、白色の圧力非印加部分はごく僅かしかない。つまりこれらによって、実施例1のウェハ接合用ジグ1は、この後に述べる比較例と同様に、プレス機による圧力印加後、その圧力を保持するべくネジ5aで締結したことによって両プレート3,4の湾曲が生じたとしても、接合用ウェハ2の上下に挟み込むようにして設けられた圧力分散板6によって接合用ウェハ2に印加される圧力の偏りが改善されたことを表している。
【0070】
次に、実施例1の接合用ウェハ2による発光素子の製造プロセスを説明する。
【0071】
初めに、熱処理後の接合用ウェハ2のGaAs基板61(図6(d)参照)を厚さ80μmまで機械研磨し、残ったGaAs基板61をアンモニア水と過酸化水素水の混合液でエッチングして完全に除去した。その後、塩酸(塩酸濃度50%)のエッチング液に接合用ウェハ2をディップし、表面に露出していたエッチストップ層62を除去した。
【0072】
次に、図10に示されるように、一般的なフォトリソグラフィ技術を用い、エッチストップ層62の除去によって露出したGaAs保護層63上に表面電極101のパターンニングを行った。その後、当該表面に厚さ150nmのAuGe合金、厚さ10nmのNi膜、厚さ500nmのAu膜を真空蒸着装置にて蒸着した。真空蒸着装置から接合用ウェハ2を取り出した後にはリフトオフ法を用いて完全なる電極形成を行った。続いて、ここまでプロセスした接合基板を硫酸と過酸化水素水の混合液に数秒間浸し、GaAs保護層63が電極形状とほぼ等しくなるようにエッチングした。これによって、GaAs保護層63は表面電極101の直下にだけ存在し、表面電極101直下以外の光取り出し面には光吸収層となるGaAsは存在しないことになる。
【0073】
次に、シリコン基板73にはスパッタ装置を用いて厚さ500nmのアルミニウム膜を形成し、裏面電極102とした。
【0074】
続いて、接合用ウェハ2をアロイ炉にセットし、アロイ温度350℃、アロイ時間5分の熱処理を行った。これによって、表面電極101、及び裏面電極102のオーミック性接触を得た。
【0075】
この後、接合用ウェハ2をダイシング装置で300μm角のチップへと加工し、金属ステム103へ搭載した。このとき、シリコン基板73が金属ステム103とAuSnはんだ(図示せず)を介して接触するように配置した。さらにワイヤボンディングを行い、Auワイヤ104が表面電極101に接続された形態とした。以上の工程により、接合用ウェハ2から発光ダイオードを製造するに至った。
(比較例)
実施例1と全く同じ条件にて、図6(a)のエピタキシャル基板68を作成し、図6(b)のようにオーミック電極69を形成し、図6(c)のようにオーミック接合合金層70を形成した。さらに、実施例1と全く同じ条件にて、図6(d)のように第一金属接合層71を形成してエピタキシャル基板72を得た。
【0076】
次に、実施例1と全く同じ条件にて、図7のシリコン基板73に第二金属接合層74を形成した。
【0077】
その後、図2に示す比較例のウェハ接合用ジグ21を準備した。ウェハ接合用ジグ21は、実施例1のウェハ接合用ジグ1と圧力分散板6以外は同じ条件となるよう、上プレート3及び下プレート4の直径も同じとした。
【0078】
次に、実施例1と同様に、下プレート4上にエピタキシャル基板72とシリコン基板73からなる接合用ウェハ2を設置し、図3(a)の状態とした。そして実施例1と同じ条件で、図3(b)のように仮締めし、図3(c)のようにプレスして固締めし、図3(d)のように圧力印加を解除した。
【0079】
そして、実施例1と同様に、このウェハ接合用ジグ21(接合用ウェハ2を含む)を図示しない熱処理炉に投入し、同じ条件で熱処理してウェハ接合用ジグ21を熱処理炉から取り出した。ウェハ接合用ジグ21の表面温度が40℃以下まで低下したことを確認し、ネジ5aを緩めて接合用ウェハ2を取り出した。
【0080】
ここまで、ウェハ接合用ジグ21を用いたこと以外は実施例1と全く同じ工程を行ったことになる。
【0081】
ところが、エピタキシャル層の付いたGaAs基板61は、目視で確認することが可能なレベルのクラックがGaAs基板61の表面(エピタキシャル層が付いた側とは反対の主表面)に数本発生していた。但し、クラックの発生はあるものの、GaAs基板61とシリコン基板73は金属接合層71,74を介して接合していた。この接合用ウェハ2を超音波顕微鏡を用いて検査したところ、図11に示されるように、白い部分を多く含んだ円(丸く囲まれた面=ウェハの全体形状である)のように見える基板面111の中に、黒ずんだ広がりを持つ部分である接合が達成された接合領域112と、白い部分である未接合領域113と、黒いひび割れ線のようなクラック114が確認された。
【0082】
ここで、ウェハ接合用ジグ21における圧力分布を測定するために、接合用ウェハ2を設置する位置へ感圧シートを置き、感圧シートの変色により圧力分布を測定した。圧力測定の手順は、実施例1と全く同じである。
【0083】
図12に示されるように、着色して表示されている圧力が強く印加された部分121と、白色で示された圧力が殆ど掛からなかった部分122とが明瞭に区別できる。つまり、比較例のウェハ接合用ジグ21は、プレス機による圧力印加後、その圧力を保持するべくネジ5aで締結したことによって両プレート3,4の湾曲が生じ、接合用ウェハ2に印加される圧力に偏りが生じてしまうことを表している。
(実施例2)
実施例2では、ウェハ接合用ジグ1の構成は実施例1と同じ、接合用ウェハ2のうちのエピタキシャル基板72に関する基本構成は実施例1とほとんど同じとし、エピタキシャル基板72に貼り合わせる相手の基板にシリコン基板74ではなくZnドープのp型GaAs基板を用いた。貼り合わせ相手の基板にGaAs基板を用いることで、実施例1とは金属接合層71,74の構造等が変更される。
【0084】
まず、実施例1と同じエピタキシャル基板72を作成すると共に、相手のGaAs基板(図示せず)を準備し、このGaAs基板に厚さ100nmのAuBe合金、厚さ10nmのNi膜、厚さ500nmのAu膜を真空蒸着装置にて蒸着した。次にこのGaAs基板をアロイ炉にセットし、アロイ温度400℃、アロイ時間5分の熱処理を行った。これによってGaAs基板へのオーミック性接触を得た。次に、このGaAs基板を再び真空蒸着装置にセットし、今度は厚さ50nmのTi膜、次いで厚さ500nmのAu膜を形成し、これによって金属接合層を得た。このGaAs基板をエピタキシャル基板72に重ねて接合用ウェハ2とした。この後は、実施例1の工程と同じように接合用ウェハ2をウェハ接合用ジグ1に設置し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持して熱処理を施し、その後、LEDの素子化プロセスを行った。
【0085】
実施例2は、実施例1と同等、若しくはそれ以上の結果を得ることが出来た。つまり、貼り合わせ支持体となる相手の基板にGaAs基板を用いた構成においても良好な結果を得られることが証明された。
【0086】
エピタキシャル基板72の製造方法は、実施例1で示したような有機金属気相成長法である必要はなく、例えば液相エピタキシャル成長等の方法を用いてもよい。
【0087】
接合膜に用いる金属膜やその構造は実施例1に限定されるものではなく、例えばAu層の部分がAgに置き換わっていたり、他の金属や合金を用いても良い。更に、必ずしも金属膜である必要はなく、導電性接着剤等を用いてもよい。また、温度、雰囲気等の接合条件に関しても実施例1に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
【0088】
実施例1においては、エピタキシャル基板72に貼合せる相手の基板をシリコン基板73としたが、相手の基板がCu−W合金基板、Ge基板、GaP基板などであっても、本発明の効果が得られる。
【0089】
図6の実施形態では、エピタキシャル基板72は、GaAs基板61、AlGaInPエッチストップ層62、GaAs保護層63、クラッド層64、活性層65、クラッド層66、GaPコンタクト層67を有する構造としたが、この構造に限定されるものではなく、これ以外に中間層が挿入されたり、ある層が別の材料によって構成されるコンタクト層に置き換わった構造としたり、DBR(分布ブラッグ反射層)が挿入されていたりしても、本発明の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明による発光素子は、照明機器、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等のデバイスに応用することができる。特に、大電流および大出力での特性に優れているため、自動車のストップランプ等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】本発明の一実施形態を示すウェハ接合用ジグの平面及び側面図である。
【図2】比較例のウェハ接合用ジグの平面及び側面図である。
【図3】(a)〜(d)は、図1のウェハ接合用ジグで接合用ウェハ2を保持する手順を示す側面図である。
【図4】本発明のウェハ接合用ジグにおける湾曲及び圧力のイメージ図である。
【図5】比較例のウェハ接合用ジグにおける湾曲及び圧力のイメージ図である。
【図6】(a)〜(d)は、本発明の発光素子に用いるエピタキシャル基板を製造する手順を示す側断面図である。
【図7】本発明の発光素子に用いるシリコン基板の側断面図である。
【図8】本発明のウェハ接合用ジグを用いた接合用ウェハの超音波顕微鏡による接合面の観察イメージ図である。
【図9】本発明のウェハ接合用ジグを感圧シートにより圧力分布測定した結果の観察イメージ図である。
【図10】発光素子の製造プロセスにおける接合用ウェハ及びチップ兼用の断面図である。
【図11】比較例のウェハ接合用ジグを用いた接合用ウェハの超音波顕微鏡による接合面の観察イメージ図である。
【図12】比較例のウェハ接合用ジグを感圧シートにより圧力分布測定した結果の観察イメージ図である。
【図13】本発明における圧力分散板の厚みに対する接合面積及び接合歩留まりの関係図である。
【図14】本発明における接合用ウェハを熱処理する際のタイムチャートである。
【符号の説明】
【0092】
1 ウェハ接合用ジグ
2 接合用ウェハ(重ね合わされたウェハ)
3 上プレート
4 下プレート
5 締結具
5a ネジ
6 圧力分散板
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りを有するウェハ接合用ジグ及び発光素子用ウェハの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、発光ダイオード(Light Emitting Diode;LED)の応用分野の拡大に伴い、光出力の増大に対する要求が高まっている。
【0003】
このような要求に対し、特許文献1には、発光層を支持する基板を発光波長に対して透明な材料に貼り換えるという方法が提案されている。従来、発光波長に対して不透明だった基板で吸収されていた光を外部へと取り出すことが可能となり、光取出効率が向上するのである。
【0004】
また、特許文献2には、発光層を支持する基板をより熱伝導率が大きい材料に貼り換えるという方法が提案されている。一般に、発光ダイオードの発光量は印加電流に比例して増加するが、同時に発熱量も増加し、発光層あるいは素子全体を劣化させてしまう。そこで、従来よりも熱伝導率が大きい基板を用いることで素子の放熱性を向上させ、より大電流での印加を可能とし、高出力が得られるようになるのである。
【0005】
これらの構造の発光素子は、基板を機能性の材料に貼り替えるという観点で共通している。この基板貼り替え技術は、例えば現在市販されている既存の貼合せ装置(ウェハボンダ)を用いて行うことが出来る。しかし、この貼合せ装置は基本的にウェハの一括大量処理を不得手としている。つまり、装置1台(チャンバ1基)に付き、1枚ずつの処理しかすることが出来ない場合が殆どである。
【0006】
また、貼り合わせ条件にもよるが、1回の貼り合わせ工程(試料投入〜加圧〜昇温〜保持〜降温〜試料取出)にはおよそ2時間から3時間を要する。これは、特に降温に時間がかかる為である。このため、ウェハ貼合せ工程に掛かる処理速度はMOCVD装置によって発光素子用エピタキシャルウェハの製造するスループットよりも悪く、これに対応するためにはウェハ貼合せ装置を大量に導入する等の莫大な費用を要する方法しかなかった。
【0007】
そこで、特許文献3に、簡便かつ安価なジグを用いて、ウェハ貼合せを一括大量処理出来る方法が提案されている。
【0008】
【特許文献1】特開2001−144322号公報
【特許文献2】特開2004−066924号公報
【特許文献3】特開2005−310939号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献3に示されたジグは、サイズが大きいウェハ同士の貼合せにおいて、ウェハ貼合せの歩留りが低くなってしまうという難点があった。これは、ウェハサイズの大径化に伴って、ジグ自体も必然的に大きくなる。また、ウェハサイズが大きくなる事でジグに印加すべき圧力が大きくなってくる。これによってジグが微小に湾曲し、ウェハ面内に印加される圧力の分布に偏りが生じてくるためである。
【0010】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りを有するウェハ接合用ジグ及び発光素子用ウェハの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するために本発明のウェハ接合用ジグは、重ね合わされたウェハを上面から覆う上プレートと、上記重ね合わされたウェハを下面から覆う下プレートと、これら上プレートと下プレートとを両プレートの周辺部で締結する締結具とを有し、両プレートにより上記重ね合わされたウェハを上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグにおいて、上記上プレートと上記下プレートとの間に少なくとも1枚の圧力分散板を設けたものである。
【0012】
上記圧力分散板を上記重ね合わされたウェハと上記上プレートとの間及び上記重ね合わされたウェハと上記下プレートとの間にそれぞれ設けてもよい。
【0013】
上記圧力分散板の面を上記ウェハの面より大きくしてもよい。
【0014】
上記圧力分散板を、カーボン又はグラファイトで形成してもよい。
【0015】
上記圧力分散板は、あらかじめ厚みの異なる複数の圧力分散板について上記重ね合わされたウェハの代わりに感圧シートを圧して圧力の均一さを調べ、その調べた結果に基づいて均一な圧力がかかる最低限の厚みを有する圧力分散板を採用してもよい。
【0016】
また、本発明の発光素子用ウェハの製造方法は、GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、その発光層付きウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを請求項1〜5いずれか記載のウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させるものである。
【発明の効果】
【0017】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0018】
(1)ウェハサイズが大きい場合においても良好なウェハ貼合せ歩留りが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0020】
図1に示されるように、本発明に係るウェハ接合用ジグ1は、重ね合わされたウェハ(以下、接合用ウェハという)2を上面から覆う上プレート3と、接合用ウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグ1において、上プレート3と下プレート4との間に少なくとも1枚の圧力分散板6を設けたものである。
【0021】
この実施形態では、接合用ウェハ2と上プレート3との間及び接合用ウェハ2と下プレート4との間に、それぞれ圧力分散板6を設けてある。
【0022】
両プレート3,4は、いずれもステンレス(SUS304)からなる円盤(円柱とも言う)であり、接合用ウェハ2や圧力分散板6に比して十分に剛性を有する。
【0023】
この実施形態では、締結具5はステンレス製のネジ5aで構成される。上プレート3にはこのネジ5aを螺合して貫通させるためのネジ穴(図示せず)又は素通しで貫通させるための丸穴7が設けられている。下プレート4にはこのネジ5aを螺合して貫通させるためのネジ穴8が設けられている。下プレート4にも丸穴を設けてボルトを螺合させるようにしてもよい。ネジ5aの頭部は、外周が六角形に形成されており、スパナや六角レンチにて螺合が可能となっている。締結具5はネジ5aに限らず、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持できれば何でも良い。
【0024】
ネジ5aは2本以上必要である。この実施形態では、ネジ5aは6本用い、各々のネジ5aに均等に力が作用するよう、両プレート3,4の周に沿って等間隔で配置してある。ネジ5aを両プレート3,4の周辺部に設けたのは、後述するプレスヘッドを上プレート3の中央部に当てるためである。
【0025】
圧力分散板6は、カーボン又はグラファイトからなる円盤(円柱とも言う)であり、圧力分散板の面が接合用ウェハ2の面より大きいのが好ましい。
【0026】
次に、圧力分散板6の厚みについて検討する。
【0027】
後述する実施例1,2において圧力分散板6の厚みは20mmとした。
【0028】
圧力分散板6の厚みは、両プレート3,4から接合用ウェハ2に伝わる圧力を均一に分散させる目的で、両プレート3,4のサイズ、両プレート3,4にプレス機から印加される圧力、両プレート3,4の材質に応じて設定するのが好ましい。
【0029】
具体的には、プレート3,4の径が圧力分散板6の径よりも非常に大きいときには、プレス機から圧力を印加した際にプレート3,4の歪みが大きくなるので、その影響を無くすために、圧力分散板6の厚みを厚くする。逆に、両プレート3,4の径がそれほど大きくないときは、圧力分散板6の厚みは厚くしなくてよい。
【0030】
プレート3,4の厚みが薄いときには、プレス機から圧力を印加した際にプレート3,4の歪みが大きくなるので、その影響を無くすために、圧力分散板6の厚みを厚くする。プレート3,4の厚みが厚いときは、圧力分散板6の厚みは薄くてよい。
【0031】
プレス機から印加される圧力が比較的小さいときにはプレート3,4の歪みが小さいので、圧力分散板6の厚みは薄くても良いが、プレス機から印加される圧力が大きいときには、圧力分散板6の厚みを厚くする。
【0032】
プレート3,4の材質が軟らかいときには、プレート3,4の歪みが大きいので、圧力分散板6の厚みを厚くする必要があるが、プレート3,4の材質が固いときには圧力分散板6の厚みを薄くしてもよい。
【0033】
ウェハ接合用ジグ1が後述する実施例1,2に用いたサイズの場合、圧力分散板6の厚みは3mm〜30mm程度の厚みが望ましい。勿論、圧力分散板6の厚みは厚ければ厚い方が接合用ウェハ2にかかる圧力が均一になる。反面、圧力分散板6を厚くすると、それだけウェハ接合用ジグ1の大きさが大きくなってしまう。これは熱処理炉に仕込む際に問題となる。ウェハ接合用ジグ1が大きくなると、大量に仕込むためには、熱処理炉を大型にする必要が生じる。熱処理炉を大型にしなければ、大量処理のスループットを悪化させてしまう。
【0034】
ここで、実施例1の接合用ウェハ2を処理する際における、圧力分散板6の厚みと接合面積(接合歩留まり)との関係を説明する。図13に示されるように、厚みがほとんど0mmのとき接合面積が20%に満たず、厚みが10mmになると接合面積がほぼ80%となり、厚みが20mmを超えると接合面積が100%に到達する。よって、この図から圧力分散板の厚みが15mm程度あれば良好な歩留まりが得られることがわかる。
【0035】
つまり、上下プレートの材質や厚さがある条件である場合において、図13に示すように圧力分散板6の厚さが薄すぎると、印加された圧力を均一に分散させて接合用ウェハ2にかけることが出来ず、圧力の偏りが生じてしまう。その結果、接合用ウェハ2には多数のクラックやボイドが発生し、接合面積は小さくなってしまう(接合歩留まりが低くなってしまう)。また、逆に前述した10〜15mmなどの良好な接合面積が得られる厚さ以上の厚みを圧力分散板6が有した場合、接合面積(接合歩留まり)は飽和する傾向が見られている。したがって、圧力分散板6の厚みは、感圧シートを用いて圧力の分布状況を調査して、その調査結果に基づいて、接合用ウェハ2に対し均一な圧力が掛かる最低限の厚み程度に抑えることが望ましいのである。
【0036】
次に、圧力分散板6の面の大きさについて検討する。
【0037】
圧力分散板6は、接合用ウェハ2のサイズよりも大きいことが望ましい。接合用ウェハ2のサイズよりも大きいとは、接合用ウェハ2の貼合せ主表面の面積よりも、圧力分散板6の接合用ウェハ2を押圧する面の面積が大きいことを指す。接合用ウェハ2のサイズよりも圧力分散板6が小さいと、実質的に接合用ウェハ2を押圧出来る領域が少なくなることとなり、得られる貼替え型発光素子の数が少なくなってしまう。また、それによって接合用ウェハ2にクラックを発生させる原因とも成り得る為、圧力分散板6のサイズが接合用ウェハ2よりも小さいことは好ましくないのである。
【0038】
圧力分散板6については、実施形態においてカーボン又はグラファイトとしたが、これに限定されるわけではなく、ステンレス鋼などの硬材を用いても圧力分散の機能を有する材料であれば本発明の効果が得られる。
【0039】
図1のウェハ接合用ジグ1においては、圧力分散板6を接合用ウェハ2を上下から挟み込むように2枚使用する形態としたが、圧力分散板6が1枚だけであっても、また、3枚以上を重ねて使用してもよい。上プレート3や下プレート4に湾曲が生じても、圧力分散板6を設けることにより、それに接する接合用ウェハ2においては圧力の偏りが改善されるものであり、それによってウェハ接合の歩留りが改善される。すなわち、圧力分散板6の枚数に制限はなく、適宜変更が可能である。
【0040】
また、両プレート3,4の材料については、実施形態においてSUS304ステンレスとしたが、これに限定されるわけではなく、モリブデン鋼やSUS304以外のステンレス鋼などであっても本発明の効果が得られる。
【0041】
さて、本発明の要点は、ウェハ接合用ジグ1に圧力分散板6を用いたことにある。接合用ウェハ2と両プレート3,4との間に圧力分散板6を設けることで、両プレート3,4及び接合用ウェハ2に圧力(荷重)を掛けた時に生ずる圧力の偏りを緩和し、接合用ウェハ2の割れを防止することができる。
【0042】
ここで、比較のために図2に比較例を示す。このウェハ接合用ジグ21は、接合用ウェハ2を上面から覆う上プレート3と、接合用ウェハ2を下面から覆う下プレート4と、これら上プレート3と下プレート4とを両プレート3,4の周辺部で締結する締結具5とを有し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持するものである。圧力分散板6は用いられない。
【0043】
次に、図1のウェハ接合用ジグ1で接合用ウェハ2を保持する手順を説明する。
【0044】
図3(a)に示されるように、下から順に、下プレート4、圧力分散板6、接合用ウェハ2、圧力分散板6、上プレート3を設ける。図3(b)に示されるように、上プレート3の丸穴7にネジ5aを通し、そのネジ5aをネジ穴8に緩く螺合させて全体を仮固定する。図3(c)に示されるように、プレス機(図示せず)のプレスヘッド31を上プレート3の中央部に当て、そのプレスヘッド31の中央部をプレスシャフト32で押し下げて上プレート3に下向きの圧力を印加する。下プレート4の下面はプレス機の定盤に置いて上向きの反力が生じるようにしておく。このように両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態で、ネジ5aをネジ穴8に固く螺合させて全体を固定する。図3(d)に示されるように、ウェハ接合用ジグ1をプレス機から取り出すと、接合用ウェハ2を上下から圧した状態が保持される。
【0045】
このとき、図4に示されるように、本発明のウェハ接合用ジグ1では、上プレート3と下プレート4とがその外周部においてネジ5aで締結されており、中央部には圧力を加えていたプレスヘッド31が除去されているため、両プレート3,4は外周部で上下から圧する力を受け、中央部で接合用ウェハ2及び圧力分散板6からの反力を受ける。このため、両プレート3,4が湾曲し、圧力分散板6の最外周の角部に力が集中する。しかし、圧力分散板6はこのような集中した力を分散して伝える働きがあるので、接合用ウェハ2には偏りがなく力が伝達される。
【0046】
これに対し、図5に示されるように、比較例のウェハ接合用ジグ21では、プレス機から取り出して接合用ウェハ2を上下から圧した状態に保持しようとしたとき、両プレート3,4が湾曲し、接合用ウェハ2の最外周の角部に力が集中する。つまり、接合用ウェハ2には偏った力が伝達される。
【0047】
以上説明したように、本発明のウェハ接合用ジグ1によれば、接合用ウェハ2にかかる圧力の分布に偏りが生じないので、ウェハ貼合せ歩留りが向上する。特に、ウェハサイズが大きい場合において、図4、図5で説明した両プレート3,4の湾曲が顕著になるが、本発明を適用することにより、圧力の偏りが解消され、良好なウェハ貼合せ歩留りが得られる。
【0048】
このようなウェハ接合用ジグ1を複数個用意し、大型の熱処理炉に同時に投入することで、貼り合わせ工程におけるスループットを大幅に向上させることが可能となる。
【0049】
さらに、ウェハ接合用ジグ1は両プレート3,4、ネジ5a、圧力分散板6といった簡易かつ安価な部材で構成されるため、従来のウェハ接合用ジグに比較すると圧倒的に安価である。
【0050】
本発明のウェハ接合用ジグ1は、基板貼り替え型LED等の発光素子における貼り替え工程のコストを極めて低く保つことが可能となる。すなわち、ウェハ接合用ジグ1は基板貼り替え型LED等の発光素子の大量生産に適している。
【0051】
以下、発光素子用ウェハの製造方法について説明する。
【0052】
ウェハ接合用ジグ1を用いた発光素子用ウェハの製造方法は、GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、この発光層付きGaAsウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを上記ウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させるものである。
【0053】
本発明の発光素子である発光ダイオードにおいて、半導体エピタキシャル基板を形成する材料に特に制限はない。半導体基板としてはGaAsの他にInP、Ge、サファイア等を用いてもよい。また、発光層としては、AlGaAs系化合物半導体、AlGaInP系化合物半導体の他に、GaN系化合物半導体、InGaAsP系化合物半導体等を用いてもよい。
【0054】
本発明の発光素子である発光ダイオードにおいて、貼り替え基板を構成する材料は、熱伝導や電気伝導を考慮すると、化合物および合金よりも単体が望ましく、例えば、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、金、銀、銅、白金、チタン、モリブデン、タングステン等が挙げられるが、貼り替え基板の線膨張係数とエピタキシャル基板やそこへ成長させたエピタキシャル層の線膨張係数との差があまりにも大きくなると、エピ層や基板の割れの問題につながるので、この点を考慮するとGaPやCu−W合金、Cu−Mo合金などの化合物材料も選択の範囲となる。したがって、必ずしもこれらの材料に限定されるものではない。
【実施例】
【0055】
以下、本発明のウェハ接合用ジグ1を用いて製造した発光素子及び比較例のウェハ接合用ジグ21を用いて製造した発光素子について述べる。
(実施例1)
図6(a)に示されるように、直径101.6mm、厚さ400μmのSiドープn型GaAs基板(ウェハのこと;以下、基板と言う)61を準備した。これをMOCVD装置に投入し、発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長した。成長したエピタキシャル層は、Siドープn型GaAs基板61上に、Siドープn型(Al0.7Ga0.3)In0.5Pエッチストップ層62、Siドープn型GaAs保護層63、Siドープn型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層64、アンドープ (Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P活性層65、Mgドープp型(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層66、Mgドープp型GaPコンタクト層67を順次成長し、エピタキシャル基板68を得た。
【0056】
次に、図6(b)に示されるように、エピタキシャル基板68のエピタキシャル成長を行った側(Mgドープp型GaPコンタクト層67側)に、厚さ50nmのAuBe膜を直径15μm、30μmピッチ間隔でドットマトリクス状に真空蒸着法にて形成してオーミック電極69とした。ドット状に形成するためには周知のフォトリソグラフィ技術を用いている。
【0057】
そして、図6(c)に示されるように、オーミック電極69を形成したこの試料を窒素雰囲気中で400℃、10分間の熱処理を行い、GaPコンタクト層67中にオーミック接合合金層70を得た。
【0058】
次に、図6(d)に示されるように、Mgドープp型GaPコンタクト層67側の主表面全面に厚さ200nmのAl膜71a、厚さ100nmのNi膜71b、厚さ500nmのAu膜71cを順次形成し、第一金属接合層71を得た。この状態のものをエピタキシャル基板72とする。
【0059】
次に、図7に示されるように、直径101.6mm、厚さ400μm 、片面鏡面研磨仕上げのBドープp型シリコン基板73を準備した。更に、当該シリコン基板の鏡面仕上げ面には、厚さ50nmのTi膜74a、厚さ500nmのAu膜74bを順次蒸着し、第二金属接合層74を得た。
【0060】
その後、本発明のウェハ接合用ジグ1を準備した。ウェハ接合用ジグ1は、上プレート3及び下プレート4の直径はおよそ135mmとし、圧力分散板6の直径は104mmとした。圧力分散板6の厚みは20mmとした。
【0061】
次に、あらかじめ下プレート4上に設置しておいた圧力分散板6の上に図6(d)のエピタキシャル基板72の第一金属接合層71側の面と、図7のシリコン基板73の第二金属接合層74側の面を向かい合わせ、シリコン基板73が下側になるように重ね、接合用ウェハ2として設置した。この上にもう1枚の圧力分散板6を載せ、最後に上プレート3を載せた。
【0062】
この状態が図3(a)の状態である。そして、図3(b)のようにウェハ接合用ジグ1をネジ5aで軽く締結した。この仮締めした状態のウェハ接合用ジグ1を図3(c)のように油圧プレスにてプレスした。この時の印加圧力は約8.9kNとした。そして、この圧力が印加された状態でネジ5aを固締めし、図3(d)のようにネジ締め後に油圧プレスによる圧力印加を解除した。この状態では、油圧プレスによる圧力印加はされておらず、両プレート3,4を締結するネジ5aによって接合用ウェハ2に圧力が印加され、その圧力印加状態が保持されている。
【0063】
そして、このウェハ接合用ジグ1(接合用ウェハ2を含む)を図示しない熱処理炉に投入した。熱処理炉には油回転ポンプ(ロータリーポンプ)が接続されており、これを用いて炉内圧力を13.33Pa以下にまで減圧した。続いて熱処理炉のヒータ部を300℃に加熱し、300℃に到達してから30分の保持時間を持って熱処理を行った。そして30分経過後にヒータ部の加熱を中止し、炉内温度が100℃まで低下したところでウェハ接合用ジグ1を熱処理炉から取り出した。
【0064】
ここで、接合用ウェハ2をウェハ接合用ジグ1に装着して熱処理炉で行う熱処理について説明しておく。
【0065】
図14に示されるように、時間0分では、接合用ウェハ2を装着したウェハ接合用ジグ1を熱処理炉に投入する(S1)。このとき温度はまだ常温のままとする。時間10分で炉内の真空引きを開始し(S2)、時間20分で目標の炉内圧力になると同時に炉内昇温を開始する(S3)。時間50分のとき炉内温度が熱処理温度となり、温度保持を開始する(S4)。時間80分から炉内降温を開始する(S5)。時間160分では、炉内への大気導入を開始し(S6)、時間180分を過ぎると炉内が大気圧になると共に温度も100℃を下回るので、ウェハ接合用ジグ1を熱処理炉から取り出す(S7)。
【0066】
このようにして、ウェハ接合用ジグ1の表面温度が40℃以下まで低下したことを確認し、ネジ5aを緩めて接合用ウェハ2を取り出した。するとエピタキシャル基板72とシリコン基板73は金属接合層71,74を介して全面で接合しており、目視によるひび割れ等の接合不良は確認されなかった。更に、超音波顕微鏡を用いて検査したところ、図8に示すように、白い円(円周の線)のように見えるのがウェハ外周縁に沿った未接合領域81であり、その未接合領域81の内側を占めている黒い円(囲まれた面)のように見えるのが接合した基板面82であり、その基板面82内に剥離(未接合領域、空隙)は確認できなかった。
【0067】
このように、実施例1では、接合用ウェハ2にかかる圧力が場所によらず均一になり、接合用ウェハ2の割れ等もなくウェハ口径の大きな場合における接合歩留りが向上することが証明できた。
【0068】
ここで、ウェハ接合用ジグ1における圧力分布を測定するために、接合用ウェハ2を設置する位置へ感圧シートを置き、感圧シートの変色により圧力分布を測定した。感圧シートとは、富士フィルムビジネスサプライ株式会社製のプレスケール、感圧紙(いずれも登録商標)などの、所定値以上圧力がかかった部分が変色し、所定値未満の圧力しかかからなかった部分は変色しないシート状の試験具のことである。圧力測定の手順は、感圧シートを圧力分散板6にて上下から挟み込んだ後、その更に上下から両プレート3,4にて挟む様に設置した。その後、プレス機にて所望の圧力を印加し、最後にネジ5aを締め付けた。
【0069】
図9に示されるように、この時の感圧シートによる測定結果では、黒色で表示されている部分91が圧力が強く印加された部分であり、白色で示された所は圧力が殆どかからなかった部分である。図示した圧力印加部分91はウェハと形も大きさも一致しており、白色の圧力非印加部分はごく僅かしかない。つまりこれらによって、実施例1のウェハ接合用ジグ1は、この後に述べる比較例と同様に、プレス機による圧力印加後、その圧力を保持するべくネジ5aで締結したことによって両プレート3,4の湾曲が生じたとしても、接合用ウェハ2の上下に挟み込むようにして設けられた圧力分散板6によって接合用ウェハ2に印加される圧力の偏りが改善されたことを表している。
【0070】
次に、実施例1の接合用ウェハ2による発光素子の製造プロセスを説明する。
【0071】
初めに、熱処理後の接合用ウェハ2のGaAs基板61(図6(d)参照)を厚さ80μmまで機械研磨し、残ったGaAs基板61をアンモニア水と過酸化水素水の混合液でエッチングして完全に除去した。その後、塩酸(塩酸濃度50%)のエッチング液に接合用ウェハ2をディップし、表面に露出していたエッチストップ層62を除去した。
【0072】
次に、図10に示されるように、一般的なフォトリソグラフィ技術を用い、エッチストップ層62の除去によって露出したGaAs保護層63上に表面電極101のパターンニングを行った。その後、当該表面に厚さ150nmのAuGe合金、厚さ10nmのNi膜、厚さ500nmのAu膜を真空蒸着装置にて蒸着した。真空蒸着装置から接合用ウェハ2を取り出した後にはリフトオフ法を用いて完全なる電極形成を行った。続いて、ここまでプロセスした接合基板を硫酸と過酸化水素水の混合液に数秒間浸し、GaAs保護層63が電極形状とほぼ等しくなるようにエッチングした。これによって、GaAs保護層63は表面電極101の直下にだけ存在し、表面電極101直下以外の光取り出し面には光吸収層となるGaAsは存在しないことになる。
【0073】
次に、シリコン基板73にはスパッタ装置を用いて厚さ500nmのアルミニウム膜を形成し、裏面電極102とした。
【0074】
続いて、接合用ウェハ2をアロイ炉にセットし、アロイ温度350℃、アロイ時間5分の熱処理を行った。これによって、表面電極101、及び裏面電極102のオーミック性接触を得た。
【0075】
この後、接合用ウェハ2をダイシング装置で300μm角のチップへと加工し、金属ステム103へ搭載した。このとき、シリコン基板73が金属ステム103とAuSnはんだ(図示せず)を介して接触するように配置した。さらにワイヤボンディングを行い、Auワイヤ104が表面電極101に接続された形態とした。以上の工程により、接合用ウェハ2から発光ダイオードを製造するに至った。
(比較例)
実施例1と全く同じ条件にて、図6(a)のエピタキシャル基板68を作成し、図6(b)のようにオーミック電極69を形成し、図6(c)のようにオーミック接合合金層70を形成した。さらに、実施例1と全く同じ条件にて、図6(d)のように第一金属接合層71を形成してエピタキシャル基板72を得た。
【0076】
次に、実施例1と全く同じ条件にて、図7のシリコン基板73に第二金属接合層74を形成した。
【0077】
その後、図2に示す比較例のウェハ接合用ジグ21を準備した。ウェハ接合用ジグ21は、実施例1のウェハ接合用ジグ1と圧力分散板6以外は同じ条件となるよう、上プレート3及び下プレート4の直径も同じとした。
【0078】
次に、実施例1と同様に、下プレート4上にエピタキシャル基板72とシリコン基板73からなる接合用ウェハ2を設置し、図3(a)の状態とした。そして実施例1と同じ条件で、図3(b)のように仮締めし、図3(c)のようにプレスして固締めし、図3(d)のように圧力印加を解除した。
【0079】
そして、実施例1と同様に、このウェハ接合用ジグ21(接合用ウェハ2を含む)を図示しない熱処理炉に投入し、同じ条件で熱処理してウェハ接合用ジグ21を熱処理炉から取り出した。ウェハ接合用ジグ21の表面温度が40℃以下まで低下したことを確認し、ネジ5aを緩めて接合用ウェハ2を取り出した。
【0080】
ここまで、ウェハ接合用ジグ21を用いたこと以外は実施例1と全く同じ工程を行ったことになる。
【0081】
ところが、エピタキシャル層の付いたGaAs基板61は、目視で確認することが可能なレベルのクラックがGaAs基板61の表面(エピタキシャル層が付いた側とは反対の主表面)に数本発生していた。但し、クラックの発生はあるものの、GaAs基板61とシリコン基板73は金属接合層71,74を介して接合していた。この接合用ウェハ2を超音波顕微鏡を用いて検査したところ、図11に示されるように、白い部分を多く含んだ円(丸く囲まれた面=ウェハの全体形状である)のように見える基板面111の中に、黒ずんだ広がりを持つ部分である接合が達成された接合領域112と、白い部分である未接合領域113と、黒いひび割れ線のようなクラック114が確認された。
【0082】
ここで、ウェハ接合用ジグ21における圧力分布を測定するために、接合用ウェハ2を設置する位置へ感圧シートを置き、感圧シートの変色により圧力分布を測定した。圧力測定の手順は、実施例1と全く同じである。
【0083】
図12に示されるように、着色して表示されている圧力が強く印加された部分121と、白色で示された圧力が殆ど掛からなかった部分122とが明瞭に区別できる。つまり、比較例のウェハ接合用ジグ21は、プレス機による圧力印加後、その圧力を保持するべくネジ5aで締結したことによって両プレート3,4の湾曲が生じ、接合用ウェハ2に印加される圧力に偏りが生じてしまうことを表している。
(実施例2)
実施例2では、ウェハ接合用ジグ1の構成は実施例1と同じ、接合用ウェハ2のうちのエピタキシャル基板72に関する基本構成は実施例1とほとんど同じとし、エピタキシャル基板72に貼り合わせる相手の基板にシリコン基板74ではなくZnドープのp型GaAs基板を用いた。貼り合わせ相手の基板にGaAs基板を用いることで、実施例1とは金属接合層71,74の構造等が変更される。
【0084】
まず、実施例1と同じエピタキシャル基板72を作成すると共に、相手のGaAs基板(図示せず)を準備し、このGaAs基板に厚さ100nmのAuBe合金、厚さ10nmのNi膜、厚さ500nmのAu膜を真空蒸着装置にて蒸着した。次にこのGaAs基板をアロイ炉にセットし、アロイ温度400℃、アロイ時間5分の熱処理を行った。これによってGaAs基板へのオーミック性接触を得た。次に、このGaAs基板を再び真空蒸着装置にセットし、今度は厚さ50nmのTi膜、次いで厚さ500nmのAu膜を形成し、これによって金属接合層を得た。このGaAs基板をエピタキシャル基板72に重ねて接合用ウェハ2とした。この後は、実施例1の工程と同じように接合用ウェハ2をウェハ接合用ジグ1に設置し、両プレート3,4により接合用ウェハ2を上下から圧した状態を保持して熱処理を施し、その後、LEDの素子化プロセスを行った。
【0085】
実施例2は、実施例1と同等、若しくはそれ以上の結果を得ることが出来た。つまり、貼り合わせ支持体となる相手の基板にGaAs基板を用いた構成においても良好な結果を得られることが証明された。
【0086】
エピタキシャル基板72の製造方法は、実施例1で示したような有機金属気相成長法である必要はなく、例えば液相エピタキシャル成長等の方法を用いてもよい。
【0087】
接合膜に用いる金属膜やその構造は実施例1に限定されるものではなく、例えばAu層の部分がAgに置き換わっていたり、他の金属や合金を用いても良い。更に、必ずしも金属膜である必要はなく、導電性接着剤等を用いてもよい。また、温度、雰囲気等の接合条件に関しても実施例1に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更が可能である。
【0088】
実施例1においては、エピタキシャル基板72に貼合せる相手の基板をシリコン基板73としたが、相手の基板がCu−W合金基板、Ge基板、GaP基板などであっても、本発明の効果が得られる。
【0089】
図6の実施形態では、エピタキシャル基板72は、GaAs基板61、AlGaInPエッチストップ層62、GaAs保護層63、クラッド層64、活性層65、クラッド層66、GaPコンタクト層67を有する構造としたが、この構造に限定されるものではなく、これ以外に中間層が挿入されたり、ある層が別の材料によって構成されるコンタクト層に置き換わった構造としたり、DBR(分布ブラッグ反射層)が挿入されていたりしても、本発明の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明による発光素子は、照明機器、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等のデバイスに応用することができる。特に、大電流および大出力での特性に優れているため、自動車のストップランプ等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図1】本発明の一実施形態を示すウェハ接合用ジグの平面及び側面図である。
【図2】比較例のウェハ接合用ジグの平面及び側面図である。
【図3】(a)〜(d)は、図1のウェハ接合用ジグで接合用ウェハ2を保持する手順を示す側面図である。
【図4】本発明のウェハ接合用ジグにおける湾曲及び圧力のイメージ図である。
【図5】比較例のウェハ接合用ジグにおける湾曲及び圧力のイメージ図である。
【図6】(a)〜(d)は、本発明の発光素子に用いるエピタキシャル基板を製造する手順を示す側断面図である。
【図7】本発明の発光素子に用いるシリコン基板の側断面図である。
【図8】本発明のウェハ接合用ジグを用いた接合用ウェハの超音波顕微鏡による接合面の観察イメージ図である。
【図9】本発明のウェハ接合用ジグを感圧シートにより圧力分布測定した結果の観察イメージ図である。
【図10】発光素子の製造プロセスにおける接合用ウェハ及びチップ兼用の断面図である。
【図11】比較例のウェハ接合用ジグを用いた接合用ウェハの超音波顕微鏡による接合面の観察イメージ図である。
【図12】比較例のウェハ接合用ジグを感圧シートにより圧力分布測定した結果の観察イメージ図である。
【図13】本発明における圧力分散板の厚みに対する接合面積及び接合歩留まりの関係図である。
【図14】本発明における接合用ウェハを熱処理する際のタイムチャートである。
【符号の説明】
【0092】
1 ウェハ接合用ジグ
2 接合用ウェハ(重ね合わされたウェハ)
3 上プレート
4 下プレート
5 締結具
5a ネジ
6 圧力分散板
【特許請求の範囲】
【請求項1】
重ね合わされたウェハを上面から覆う上プレートと、上記重ね合わされたウェハを下面から覆う下プレートと、これら上プレートと下プレートとを両プレートの周辺部で締結する締結具とを有し、両プレートにより上記重ね合わされたウェハを上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグにおいて、上記上プレートと上記下プレートとの間に少なくとも1枚の圧力分散板を設けたことを特徴とするウェハ接合用ジグ。
【請求項2】
上記圧力分散板を上記重ね合わされたウェハと上記上プレートとの間及び上記重ね合わされたウェハと上記下プレートとの間にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項1記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項3】
上記圧力分散板の面を上記ウェハの面より大きくしたことを特徴とする請求項1又は2記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項4】
上記圧力分散板を、カーボン又はグラファイトで形成したことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項5】
上記圧力分散板は、あらかじめ厚みの異なる複数の圧力分散板について上記重ね合わされたウェハの代わりに感圧シートを圧して圧力の均一さを調べ、その調べた結果に基づいて均一な圧力がかかる最低限の厚みを有する圧力分散板を採用したことを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項6】
GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、その発光層付きウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを請求項1〜5いずれか記載のウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させることを特徴とする発光素子用ウェハの製造方法。
【請求項1】
重ね合わされたウェハを上面から覆う上プレートと、上記重ね合わされたウェハを下面から覆う下プレートと、これら上プレートと下プレートとを両プレートの周辺部で締結する締結具とを有し、両プレートにより上記重ね合わされたウェハを上下から圧した状態を保持するウェハ接合用ジグにおいて、上記上プレートと上記下プレートとの間に少なくとも1枚の圧力分散板を設けたことを特徴とするウェハ接合用ジグ。
【請求項2】
上記圧力分散板を上記重ね合わされたウェハと上記上プレートとの間及び上記重ね合わされたウェハと上記下プレートとの間にそれぞれ設けたことを特徴とする請求項1記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項3】
上記圧力分散板の面を上記ウェハの面より大きくしたことを特徴とする請求項1又は2記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項4】
上記圧力分散板を、カーボン又はグラファイトで形成したことを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項5】
上記圧力分散板は、あらかじめ厚みの異なる複数の圧力分散板について上記重ね合わされたウェハの代わりに感圧シートを圧して圧力の均一さを調べ、その調べた結果に基づいて均一な圧力がかかる最低限の厚みを有する圧力分散板を採用したことを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のウェハ接合用ジグ。
【請求項6】
GaAsウェハ上に発光層を含む半導体エピタキシャル層を成長させた後、その発光層付きウェハとシリコンウェハとを重ね合わせ、これら重ね合わされたウェハを請求項1〜5いずれか記載のウェハ接合用ジグで上下から圧した状態に保持し、熱処理によってウェハ同士を接合させることを特徴とする発光素子用ウェハの製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2007−300033(P2007−300033A)
【公開日】平成19年11月15日(2007.11.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−128652(P2006−128652)
【出願日】平成18年5月2日(2006.5.2)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年11月15日(2007.11.15)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年5月2日(2006.5.2)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】
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