JP2024058822A - 陰極部材、陰極、高速原子ビーム源および接合基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板接合に際し、接合前の表面処理である照射工程において使用する高速原子ビーム源について、当該ビーム源からの発塵による異物に起因する接合不良の発生を低減させることのできる陰極部材、陰極、高速原子ビーム源および接合基板の製造方法を提供する。【解決手段】 高速原子ビーム源の陰極を構成する平板状の陰極部材であって、前記陰極の内面を構成する平面を備え、前記平面の全体において、表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ～２．０μｍである、陰極部材。【選択図】図５

Description

本発明は、陰極部材、陰極、高速原子ビーム源および接合基板の製造方法に関し、特に、基板接合に際し、接合前の表面処理である照射工程において使用する、高速原子ビーム源を構成する陰極部材に関する。

半導体基板同士を接合する技術の一つとして、特許文献１には、単結晶の薄層を支持基板の上に備えた構造の基板製造法が開示されている。基板接合技術の適用により、二つの異なる材料を一体化している。

また、特許文献２には、高速原子ビーム照射を用いた基板接合技術が開示されている。これは、接合対象の半導体基板の接合対象面に原子ビームを照射して表面汚染や酸化膜を除去するとともに、未結合手であるダングリングボンドを露出させて表面活性化したのち、半導体基板の接合対象面同士を重ね合わせて圧接することで、半導体基板同士を接合する技術である。特許文献２には、薄層に形成された単結晶基板を支持基板の上に備えた構造の接合基板の製造方法が開示されている。この製造方法においては、基板接合技術の適用により、二つの異なる材料を一体化している。

半導体基板の接合に用いられる原子ビーム源（ＦＡＢガン、（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ））としては、サドルフィールド型の高速原子ビーム源が用いられている。サドルフィールド型の高速原子ビーム源は、内部に陽極を有する陰極筐体内にアルゴンやネオン、キセノン等の不活性ガスを供給し、陽極‐陰極間の電圧印加により不活性ガス原子をイオン化し、陰極の一部に設けた開口部から不活性ガス原子のビームを取り出し、半導体基板の接合対象面へ照射するものである。イオン化された不活性ガス原子の大部分は陰極に向かう途中で電子を捕獲して中性の原子ビームとして照射されるため、原子間の静電反発が少なく、指向性の高いビームとなって基板に照射される特徴を持つ。

特許第５４７７３０２号 特開２０１２－１４６６９４号 特開２０１４－８６４００号

基板接合技術を用いた接合基板（図１）の製造においては、接合工程内において接合不良が発生することがある。図１は、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０とを接合して製造された接合基板７５０を模式的に示す斜視図である。ここで、図３は、接合不良の一例を示す断面図である。図３に示された接合不良は、第１の半導体基板７１０および第２の半導体基板７２０の接触部位にあたる接合界面７３０に、異物ｍが混入することにより、局所的に接触していない空隙Ｖが生じたものである。接合界面７３０に空隙Ｖが生じると、最終製品である接合基板７５０の各種特性に影響を与えることがある。

異物ｍの混入経路としては、例えば、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の洗浄不足、接合工程に用いる各装置内の清浄度、または、接合工程の照射工程に用いられる各種粒子線の粒子源からの異物の射出等が挙げられる。図２は、高速原子ビーム源８００から第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１に高速原子ビーム８１０を照射する様子を模式的に示す図である。図２においては、高速原子ビーム源８００から異物ｍが射出され、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１に付着している。このような異物ｍが付着した接合対象面７１１に第２の半導体基板７２０を接合させると、図３に示したように、空隙Ｖが発生し得る。

異物ｍの混入経路のうち、各種粒子線の粒子源からの異物の射出に注目して、高速原子ビーム源からの異物の射出を抑制することができる、高速原子ビーム源、およびそれを具備した接合装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示された発明では、基板の接合対象面への原子ビームの照射に用いる高速原子ビーム源において、原子ビームを照射するときに発生する異物の射出を抑制する目的で、高速原子ビーム源内部に用いる陰極部材の材質を選定している。

本願発明者らの実験において、接合前の表面処理に用いられる高速原子ビーム源からの発塵等による異物の射出に関しては、定常的に一定数発生しているものと、その他に、経時的に発生数が増加するものの存在が明らかとなった。さらに、経時的に増加するものについては、数自体が増加するだけでなく、そのサイズも大きくなる傾向にあることが分かった。

図４は、第１の半導体基板７１０，第２の半導体基板７２０を接合させた接合基板７５０の接合界面７３０にサイズの大きい異物（図４のＭ）が混入したときに発生する接合不良の一例を示す図である。接合界面７３０に混入する異物のサイズが大きくなると、発生する接合不良のサイズ（図４のＦ）が大きくなることに加えて、接合対象である第１の半導体基板７１０の破損Ｃを伴った接合不良の発生につながる。破損Ｃを伴う接合不良は、接合対象の第１の半導体基板７１０が薄層の場合に発生する割合が高くなる。図４に示された第１の半導体基板７１０の破損Ｃを伴った接合不良は、破損していないものと比較して、大きさの面でも構造の面でも、接合基板７５０の特性に対して及ぼす影響が大きいため、特に発生を抑制する必要がある。

このことから、高速原子ビーム源の発塵に関しては、大きさの異なる二種類の異物の発生機構を明らかにし、双方に対して効果的な対策を講じることで、接合不良の発生を抑制する必要がある。

よって、本発明は、基板接合に際し、接合前の表面処理である照射工程において使用する高速原子ビーム源について、当該ビーム源からの発塵による異物に起因する接合不良の発生を低減させることのできる陰極部材、陰極、高速原子ビーム源および接合基板の製造方法を提供することを目的とする。

二種類の異物の発生機構としては、次のことが明らかになった。すなわち、照射工程に用いられる高速原子ビーム源の内部において、生成された荷電粒子により陰極の一部がスパッタリングを受け、その結果として発生したスパッタ塵が異物となり（以降、「第一の異物」と呼ぶ場合がある）、粒子線とともに高速原子ビーム源の外部に飛び出して接合界面に付着する結果、接合不良の発生源となる。一方、外部に飛び出さずに高速原子ビーム源内部にとどまったスパッタ塵については、陰極に再付着するが、陰極のうち、スパッタリングによるスパッタ塵や陰極の除去量よりもスパッタ塵の再付着量の多い部位が存在し、この部位においては、スパッタ塵が膜状に堆積して堆積物となる。この堆積物の剥がれたものが、第一の異物よりもサイズの大きな異物（以降、「第二の異物」と呼ぶ場合がある）となり、第二の異物は、第一の異物に起因する接合不良とは異なる、もう一つの接合不良の発生源となる。

本願発明者らは、これら２種類の異物に対して、その発生に影響を与える陰極の内面を構成する陰極部材の表面粗さを適切な範囲に設定することで、陰極のスパッタリングによる第一の異物の発生を抑えるとともに、スパッタ塵の再付着に起因する堆積物の剥がれを抑制し、第二の異物の発生を抑えることが可能となることを見出した。

すなわち、上記の課題を解決するため、本発明の陰極部材は、高速原子ビーム源の陰極を構成する平板状の陰極部材であって、前記陰極の内面を構成する平面を備え、前記平面の全体において、表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ～２．０μｍである。

本発明の陰極部材は、グラファイト製、ガラス状カーボン製、炭化ケイ素製のいずれかであってもよい。

また、上記の課題を解決するため、本発明の陰極は、高速原子ビーム源の陰極であって、上記本発明の陰極部材を備え、６つの内面を有する、内部が中空の箱状であり、６つの前記内面として、底面と、前記底面と対向する上面と、前記底面と前記上面とをつなぐ４つの側面と、を備え、４つの前記側面は、対向する前記側面同士が互いに平行であり、４つの前記側面のうち、対向する２つの前記側面の一方には、前記陰極内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入口が設けられ、他方には、前記陰極の外部に高速原子ビームを放出する粒子線放出口が設けられている。

また、上記の課題を解決するため、本発明の高速原子ビーム源は、上記本発明の陰極と、前記陰極の内部に設けられた陽極と、を備える。

また、上記の課題を解決するために、本発明の接合基板の製造方法は、第１の半導体基板と、第２の半導体基板とが積層した接合基板を製造する方法であって、上記本発明の高速原子ビーム源を用いて、前記第１の半導体基板の接合面と、前記第２の半導体基板の接合面に、高速原子ビームを真空中で照射する照射工程と、前記高速原子ビームが照射された、前記第１の半導体基板の接合面と前記第２の半導体基板の接合面とを接触させて、接合界面を有する積層体を得る接触工程と、前記接触工程で得られた前記積層体を熱処理して接合基板を得る熱処理工程と、を備える。

前記第１の半導体基板および前記第２の半導体基板が、それぞれ、３Ｃ－ＳｉＣ単結晶基板、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、６Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、ＳｉＣ多結晶基板のうちのいずれかであってもよい。

前記高速原子ビームが、アルゴン、ネオン、キセノンのいずれかを含んでもよい。

本明細書に開示されている技術によれば、基板接合に際し、接合前の表面処理である照射工程において使用する高速原子ビーム源について、当該ビーム源からの発塵による異物に起因する接合不良の発生を低減させることのできる陰極部材、陰極、高速原子ビーム源および接合基板の製造方法を提供することができる。

本実施形態の接合基板の製造方法において製造される接合基板を示す斜視図である。 従来の高速原子ビーム源から半導体基板に高速原子ビーム８１０を照射する様子を模式的に示す図である。 接合基板の製造において発生する接合不良の一例を模式的に示す断面図である。 接合基板の製造において発生する接合不良の他の一例を模式的に示す断面図である。 本実施形態の高速原子ビーム源を模式的に示す斜視図である。 本実施形態の陰極部材である、側面１３０を示す平面図である。 本実施形態の高速原子ビーム源の断面を示す断面図である。 本実施形態の高速原子ビーム源の断面において、第一領域Ｒ１、第二領域Ｒ２の箇所を説明する断面図である。 従来の高速原子ビーム源８００において、高速原子ビーム線照射時の様子を示す断面図である。 本実施形態の接合基板の製造方法のフローを説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる接合基板の製造方法を説明する図である。 異物のサイズと接合不良のサイズの関係について一例を示すグラフである。 高速原子ビームの積算照射時間１５時間時における異物の数（サイズ＜５μｍΦ、および≧５μｍΦ）と陰極部材の表面粗さＲａの平均値との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本明細書で開示する発明の実施の形態について説明する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

［接合基板の構成］
図１に、本願発明の製造方法によって製造することのできる接合基板７５０の一例の斜視図を模式的に示す。接合基板７５０は略円盤状に形成されている。接合基板７５０は、下側に配置された支持基板である第２の半導体基板７２０と、第２の半導体基板７２０の上面に貼り合わされた単結晶基板である第１の半導体基板７１０とを備えている。第１の半導体基板７１０は、例えば、化合物半導体（例：６Ｈ－ＳｉＣ、４Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ）の単結晶によって形成されていてもよい。また例えば、単元素半導体（例：Ｓｉ、Ｃ）の単結晶によって形成されていてもよい。

また、第２の半導体基板７２０には、各種の材料を用いることができる。第２の半導体基板７２０は、第１の半導体基板７１０に適用される各種の熱プロセスに対する耐性を有することが好ましい。また、第２の半導体基板７２０は、第１の半導体基板７１０との熱膨張率の差が小さい材料であることが好ましい。例えば、第１の半導体基板７１０にＳｉＣを用いる場合には、第２の半導体基板７２０には、単結晶ＳｉＣ、多結晶ＳｉＣ、単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ、サファイア、ＧａＮ、カーボンなどを用いることが可能である。多結晶ＳｉＣには、様々なポリタイプのＳｉＣ結晶が混在していても良い。様々なポリタイプが混在する多結晶ＳｉＣは、厳密な温度制御を行うことなく製造することができるため、第２の半導体基板７２０を製造するコストを低減させることが可能となる。

［高速原子ビーム源、陰極、および、陰極部材］
次に、本発明の一実施形態にかかる高速原子ビーム源、陰極、および、陰極部材について説明する。

本実施形態の高速原子ビーム源は、サドルフィールド型の高速原子ビーム源であり、内部に不活性ガスを供給して、イオン化された不活性ガスの高速原子ビームを高速原子ビーム放出口から外部に放出するものである。また、本実施形態の高速原子ビーム源は、例えば、２枚の半導体基板を貼り合わせた接合基板を製造するときに、接合工程の前に基板の接合対象面の表面処理を行うために用いられる。すなわち、高速原子ビーム源から放出された高速原子ビームを基板の接合対象面に照射して、接合対象面の表面を活性化する表面処理を行う目的で用いられる。

図５には、本発明の一実施形態にかかる高速原子ビーム源５００が示されている。高速原子ビーム源５００は、陰極１００と、陰極１００の内部に設けられ、円柱状、かつ、円柱断面の形状が同一である、第１陽極２１０および第２陽極２２０と、を備える。なお、本実施形態の高速原子ビーム源５００、陰極１００、第１陽極２１０および第２陽極２２０において、図５における矢印Ｘ方向、矢印Ｙ方向、矢印Ｚ方向を、それぞれ、幅方向、奥行き方向、高さ方向とする。

本実施形態の陰極１００は、後述する陰極部材１０３を備え、６つの内面を有する、内部が中空の箱状である。また、陰極１００は、６つの内面として、底面１１０と、底面１１０と対向する上面１２０と、底面１１０と上面１２０とをつなぐ４つの側面１３０，１４０，１５０，１６０と、を備える。また、底面１１０と上面１２０、側面１３０と側面１４０、側面１５０と側面１６０は互いに平行である。例えば、陰極１００は、内寸が幅５６ｍｍ、奥行きが６４ｍｍ、高さが１０２ｍｍの直方体状である。

また、底面１１０と上面１２０は、ＸＹ平面に平行であり、側面１３０、１４０は対向しているとともにＸＺ平面に平行であり、側面１５０、１６０は対向しているとともにＹＺ平面に平行である。また、これらの６つの内面は、６枚の平板状の陰極部材から構成されている。本実施形態においては、６枚の陰極部材を箱状に組み立てることで陰極１００が形成されている。

対向する２組の側面（側面１３０、１４０と側面１５０、１６０）のうち、側面１３０、１４０には、高速原子ビーム放出口１０１、不活性ガス導入口１０２が設けられている。すなわち、側面１３０には、陰極１００の内部でイオン化された不活性ガスの高速原子ビームが放出される高速原子ビーム放出口１０１が設けられている。また、側面１３０と矢印Ｙ方向に対向する側面１４０には、陰極１００内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入口１０２が設けられている。本実施形態の一例において、高速原子ビーム放出口１０１は、側面１３０の中央付近に、直径２ｍｍの円形状の貫通孔が高さ方向に５列、幅方向に５列に、等間隔に並んで合計２５個設けられている。また、不活性ガス導入口１０２は、側面１４０に、例えば直径３ｍｍの円形状の貫通孔が設けられている。ただし、高速原子ビーム放出口や不活性ガス導入口の形状、個数、場所は本実施形態に限定されず、他の形態でもよい。

図７は、高速原子ビーム源５００のＸＹ平面に平行な断面を示す断面図である。本実施形態において、第１陽極２１０および第２陽極２２０は、陰極１００の内部において、互いに離隔しており、第１陽極２１０および第２陽極２２０の中心軸は、互いに平行であるとともに、４つの側面１３０、１４０、１５０、１６０のいずれに対しても平行である。そして、第１陽極２１０の中心軸２１０ａと、高速原子ビーム放出口１０１を有する側面１３０との最短距離（図７のＬ１）と、第２陽極２２０の中心軸２２０ａと、高速原子ビーム放出口１０１を有する側面１３０との最短距離（図７のＬ２）と、が同じである。すなわち、第１陽極２１０と第二陽極２２０は、それぞれ、第１陽極２１０の中心軸２１０ａと第２陽極２２０の中心軸２２０ａが高速原子ビーム源５００のＸＺ平面に平行な１つの断面上においてＺ方向と平行になるように、配置されている。

また、第１陽極２１０、第２陽極２２０は、陰極１００の内部に２本設けられており、陰極１００の内部には絶縁部材（不図示）を介して固定されている。また、第１陽極２１０、第２陽極２２０の形状は、例えば断面の直径が１０ｍｍ、高さ寸法は陰極１００の高さとほぼ同じ円柱状である。第１陽極２１０、第２陽極２２０は、円形の断面がＸＹ平面に平行であり、かつ、円柱の中心軸がＺ方向と平行である。また、図７に示すように、２本の第１陽極２１０、第２陽極２２０は、陰極１００の奥行き方向の真ん中の位置（側面１３０，１４０からそれぞれ３２ｍｍの位置）において、２本の第１陽極２１０、第２陽極２２０の中心軸間距離が２５ｍｍとなるように、互いに離隔して設けることができる。

また、陽極の材質は、グラファイト、ガラス状カーボン、シリコン、炭化ケイ素などを用いることができる。

また、陰極１００には直流電源の負極が接続され、第１陽極２１０、第２陽極２２０には直流電源の正極が接続されており、例えば、０．８ｋＶ～２ｋＶ程度の高電圧が印加される。これにより電界が生じて、不活性ガス導入口１０２から陰極１００内部に導入された不活性ガスが電離して２本の第１陽極２１０、第２陽極２２０間にプラズマが発生する。さらに、不活性ガスの陽イオンが、高速原子ビーム放出口１０１を有する側面１３０、およびそれに対向する側面１４０の近傍に滞留する電子を捕獲して中性化し、高速原子ビーム放出口１０１より高速原子ビーム源５００の外部に高速原子ビーム５１０（図１１）として放出される。このとき、照射電流は、例えば、１０ｍＡ～１００ｍＡ程度となるように、不活性ガスの流量を調整する。

陰極部材１０３は、例えば平板状であり、４つの隅角部１０３ａと、隅角部１０３ａをつなぐ４つの辺１０３ｂで輪郭が構成された、陰極１００の内面を構成する平面を備える。この平面において、隅角部１０３ａと辺１０３ｂとを含み、かつ、高速原子ビーム源５００の使用により発生するスパッタリングによる陰極部材１０３の除去量よりも、スパッタリングにより発生したスパッタ塵の再付着量の方が大きい領域である第一領域Ｒ１（図６、図８）と、平面から第一領域Ｒ１を除いた領域である第二領域Ｒ２（図６、図８）と、を有する。

ここで、図６は、陰極部材１０３である側面１３０の平面図であり、高速原子ビーム源を一定時間使用後にスパッタ塵が堆積しやすい領域を斜線で示している。このように、陰極部材の隅角部１０３ａおよび辺１０３ｂを含む、スパッタ塵が堆積しやすい領域が第一領域Ｒ１であり、第一領域Ｒ１を除く内部の領域が第二領域Ｒ２である。なお、陰極部材１０３の厚さは、例えば、１ｍｍ～５ｍｍ程度とすることができる。

本実施形態の陰極部材において、陰極１００の内面を構成する平面の全体において、表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ～２．０μｍである。陰極１００の内面における表面粗さＳａの測定場所や測定距離によって、表面粗さＲａの測定値が異なるおそれがあり、測定場所によっては表面粗さＲａが０．３μｍ未満である場合や２．０μｍを超える場合が考えられるが、複数の測定場所における表面粗さＲａの測定値の平均値が０．３μｍ～２．０μｍであればよい。このような陰極１００の内面であることにより、第一の異物の発生および第二の異物の発生のいずれも抑制することができる。

ここで、表面粗さＲａの平均値は、例えば陰極１００の内面を構成する平面において、２つの隅角部１０３ａと陰極部材１０３の中心部Ｐ１（図６）とを通る対角線上の複数点において表面粗さの測定を行い、それらの測定値の平均値とすることができる。測定方法は、例えば触針式表面粗さ測定機を用いた接触式の測定や、位相差顕微鏡等を用いた光学的な測定などが挙げられる。

また、陰極１００の内面を構成する平面の全体において、第一領域Ｒ１および第二領域Ｒ２のいずれの測定場所であっても、また、測定距離が異なっても、表面粗さＲａが０．３μｍ～２．０μｍの範囲内であることが好ましい。すなわち、どのように測定しても陰極１００の内面の表面粗さＲａが０．３μｍ～２．０μｍの範囲内であることが好ましい。このように、陰極１００の内面を構成する平面の全体において、いずれの場所も表面粗さＲａが０．３μｍ～２．０μｍの範囲内であることにより、第二の異物の発生を抑えつつ、第一の異物の発生をより抑制することができる。

さらに、表面粗さＲａの複数の測定値のばらつきが、平均値±０．２μｍであることが好ましい。すなわち、陰極１００の内面を構成する平面の全体において、表面粗さＲａが一定のばらつきがありつつも、ほぼ均一な表面粗さであることにより、第一の異物の発生および第二の異物の発生のいずれもさらに抑制することができる。例えば、上記１７点に対して表面粗さＲａを測定した場合、測定値の平均が０．５μｍ、測定値の最小値が０．３μｍ、測定値の最大値が０．７μｍである場合が挙げられ、測定値の平均が１．０μｍ、測定値の最小値が０．８μｍ、測定値の最大値が１．２μｍである場合が挙げられ、また、測定値の平均が１．８μｍ、測定値の最小値が１．６μｍ、測定値の最大値が２．０μｍである場合が挙げられる。なお、これらの例は平均値±０．２μｍの場合であるが、平均値±０．１μｍであってもよく、平均値±０．０５μｍであってもよく、平均値±０．０μｍというばらつきが無い場合であってもよい。このように、表面粗さＲａの複数の測定値のばらつきが無いことで、個々の陰極部材１０３の性能のばらつきを無くすことができ、すなわち、側面１１０、上面１２０、側面１３０～１６０に用いられるいずれの陰極部材１０３であっても、第一の異物の発生および第二の異物の発生のいずれも安定して抑制することができる。

また、陰極１００の内面を構成する平面の全体を所定の表面粗さＲａに設定するための陰極部材の表面形状は、特に限定されない。特に第一領域Ｒ１においては、スパッタ塵の堆積物が剥がれることを抑制するために、表面積を大きくすることが有効であるが、等方的な形状だけではなく、例えば堆積したスパッタ塵が平面状となる事を避けるために、表面形状を、内部応力を分散できるように凹凸状もしくは波状にするなど、様々な形状を適用することができる。

ここで、図８に示すように、第１陽極２１０と第２陽極２２０の中心軸間距離をＰ、第１陽極２１０および第２陽極２２０の円柱断面の半径をｒとすると、第１陽極２１０および第２陽極２２０の中心軸２１０ａ、２２０ａと直交する断面（図１１に示すＸＹ平面に平行な断面Ｓ）において、高速原子ビーム放出口１０１を備える陰極部材（側面１３０）の、断面Ｓにおける第二領域Ｒ２の幅Ｗが、Ｗ≧Ｐ－２ｒとすることができる。また、第１陽極２１０と第２陽極２２０の中心軸間距離をＰ、第１陽極２１０および第２陽極２２０の円柱断面の半径をｒとすると、第１陽極２１０および第２陽極２２０の中心軸２１０ａ、２２０ａと直交する断面Ｓにおいて、高速原子ビーム放出口１０１を備える陰極部材（側面１３０）の、断面Ｓにおける第二領域Ｒ２の幅Ｗが、Ｗ≦Ｐ＋２ｒとすることができる。本発明者らの検討により、所定時間高速原子ビームを照射後の陰極部材において、陰極部材の中心に対して幅がＰ－２ｒまでの範囲までは比較的平滑な表面形状をしており、Ｐ－２ｒからＰ＋２ｒまでの範囲にかけて徐々に平滑性が失われていく様子が観察されたものの、堆積物は確認されないことが分かっており、また、Ｐ＋２ｒよりも外側の領域は膜状の堆積物が存在し、さらに、一部が剥落している様子が確認された。以上のように第二領域Ｒ２を規定することにより、異物の発生機序に応じて第一領域Ｒ１、第二領域Ｒ２における陰極部材の表面粗さＲａを適切に設定して、高速原子ビーム源からの異物の射出を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の陰極部材としては、例えば、導電性を有し、かつ、粒子線照射時に高速原子ビーム源内部において発生するスパッタリングに対する耐性の高い材質を用いて形成することが適しており、例えば、グラファイト製、ガラス状カーボン製、炭化ケイ素製のいずれかとすることができる。

［接合基板の製造方法］
次に、本発明の一実施形態にかかる接合基板の製造方法について図１０、図１１を参照して説明する。図１０は、本実施形態の接合基板の製造方法のフローを説明する図である。そして、図１１（Ａ）は、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の接合対象面７１１，７２１に高速原子ビーム５１０を照射する接合装置６００の様子を示す模式図である。また、図１１（Ｂ）は、照射工程後の、第１の半導体基板７１０’および第２の半導体基板７２０’を模式的に示す断面図である。また、図１１（Ｃ）は、接触工程後に得られた積層体７００を模式的に示す断面図である。本実施形態においては、一例として、第１の半導体基板７１０が単結晶層である単結晶４Ｈ－ＳｉＣ基板であり、第２の半導体基板７２０が支持基板である多結晶ＳｉＣ基板である場合を例示する。

本実施形態の接合基板の製造方法は、第１の半導体基板と、第２の半導体基板とが積層した接合基板を製造する方法である。前述した実施形態の高速原子ビーム源５００を用いて、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１と、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１に、高速原子ビーム５１０を真空中で照射する照射工程（図１０のＳ１）と、高速原子ビーム５１０が照射された、第１の半導体基板７１０’の接合対象面７１１と第２の半導体基板７２０’の接合対象面７２１とを接触させて、接合界面７３０を有する積層体を得る接触工程（図１０のＳ２）と、接触工程で得られた積層体７００を熱処理して接合基板を得る熱処理工程（図１０のＳ３）と、を備える。

本実施形態の接合基板の製造方法において、第１の半導体基板７１０および第２の半導体基板７２０は、それぞれ、３Ｃ－ＳｉＣ単結晶基板、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、６Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、ＳｉＣ多結晶基板のうちのいずれかとすることができる。また、第１の半導体基板７１０を単結晶層とする場合、４Ｈ－ＳｉＣの単結晶に限られない。３Ｃ－ＳｉＣや６Ｈ－ＳｉＣなど、様々なポリタイプの単結晶ＳｉＣを用いることができ、単結晶層を形成するために、水素原子のアブレーションによる剥離技術（スマートカット（登録商標）とも呼ばれる）を用いてもよい。また、第１の半導体基板７１０を単結晶層とする場合、第２の半導体基板７２０は、単結晶層に適用される各種の熱プロセスに対する耐性を有する材料であれば、どのような材料であってもよい。

また、高速原子ビーム５１０は、アルゴン、ネオン、キセノンのいずれかを含むものとすることができる。

接合装置６００は、筐体と、２つの高速原子ビーム源５００と、筐体内を真空にする真空ポンプ（不図示）と、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０を保持するとともに、製造の各工程において第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０を所定の位置に移動させる保持手段（不図示）と、を備える。２つの高速原子ビーム源５００は、図１１に示すように、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１に高速原子ビーム５１０を照射するように設置されている。

具体的な手順について、図１０、図１１を参照して説明する。まず、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０を準備する。第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０の表面は、平坦化されていることが好ましい。平坦化は、研削や切削によって行われてもよいし、ＣＭＰ法によって行われてもよい。

まず、ステップＳ１として照射工程を行う。照射工程は、図１１（Ａ）に示すように、高速原子ビーム源５００から高速原子ビーム５１０を第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１と、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１とに照射する工程である。これにより、接合対象面７１１、７２１が活性化された、第１の半導体基板７１０’と第２の半導体基板７２０’が得られる。

接合対象面７１１、７２１の活性化とは、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の接合対象面７１１、７２１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、未結合手であるダングリングボンドを表出させることを指す。また、高速原子ビーム照射時に、接合対象面７１１、７２１の結晶構造を、表面から一定の深さで破壊することができる。その結果、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の表面に、ＳｉとＣを含んでいる非晶質層が形成される。非晶質層とは、原子が結晶構造のような規則性を持たない状態となっている層のことである。

手順としては、図１１（Ａ）のように、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１と、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１とが相対するように、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０を接合装置６００のチャンバー内に設置して相対位置の位置合わせを行う。位置合わせは、後述する接合工程で両基板が正しい位置関係で接触できるように行われる。次に、筐体の内部を真空引きして、例えば１×１０^－４～１×１０^－７（Ｐａ）程度の真空状態としておく。

次に、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１と、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１とに高速原子ビーム源５００を用いて、高速原子ビーム５１０を照射する。高速原子ビーム５１０については、例えば高速原子ビーム（ＦＡＢ：Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）がある。粒子源を構成する部品の材質については、グラファイト、ガラス状カーボン、炭化ケイ素など、導電性を有してかつ粒子線照射時に粒子源内部において発生するスパッタリングに対する耐性の高い材質が適している。

高速原子ビーム５１０は、第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１と、第２の半導体基板７２０の接合対象面７２１の全面に対して照射される。これにより、接合対象面７１１と接合対象面７２１の酸化膜や吸着層を除去して結合手を表出させることができる。この状態を活性状態と呼ぶ。また照射工程は真空中での処理であるため、接合対象面７１１と接合対象面７２１は、酸化等されず活性状態を保持することができる。また照射工程において、接合対象面７１１と接合対象面７２１の結晶構造を、表面から一定の深さで破壊することができる。その結果、接合対象面７１１と接合対象面７２１に、ＳｉとＣを含んでいる非晶質層を形成することができる。

ステップＳ２において、接触工程が行われる。接触工程では、接合対象面７１１と接合対象面７２１とを、チャンバー内において常温かつ真空中で接触させることができる。これにより、活性状態の表面に存在する結合手同士が結びつき、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０とを接合することができる。図１１（Ｂ）に示すように、接合対象面７１１、７２１が近づく方向（図１１（Ｂ）の矢印方向）に、接合対象面７１１、７２１が接するまで、第１の半導体基板７１０’、第２の半導体基板７２０’を移動させる。接合対象面７１１、７２１が接触したのちに、所定の荷重（例えば、１００ｋｇｆ（０．９８ｋＮ））を印加し、所定時間（例えば、３分間）保持する。これにより、活性状態の接合対象面７１１、７２１に存在するダングリングボンド同士が結びつき、第１の半導体基板７１０’と第２の半導体基板７２０’とを接合させることができる。以上により接触工程が終了し、接合界面７３０を有する、積層体７００（図１１（Ｃ））が得られる。

次に、ステップ３として熱処理工程を行う。熱処理工程は、第１の半導体基板７１０’、および第２の半導体基板７２０’の非晶質層同士が接触している状態で、積層体７００を熱処理する。熱処理工程は、ファーネス（加熱炉）を用いて行われる。熱処理工程は、接合装置６００のチャンバー内で減圧下において行われてもよいし、チャンバー以外の他の炉内で行われてもよい。

熱処理工程では、第１の半導体基板７１０’と第２の半導体基板７２０’の積層体７００が、所定温度に加熱される。所定温度は、接合基板の材料に応じて決定してもよい。例えば、ＳｉＣを用いる場合には、１５００℃以上（好ましくは１７００℃程度）に加熱してもよい。これにより、第１の半導体基板７１０’と第２の半導体基板７２０’の非晶質層を、原子配列に規則性がない状態から、原子配列に規則性を有する状態へ再結晶化させることができる。再結晶化が完了すると、非晶質層が消滅し、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０とが直接に接合している接合基板が形成される。

本実施形態の接合基板の製造方法によれば、陰極１００を備える高速原子ビーム源５００を用いて第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の接合対象面７１１，７２１を照射することから、第一の異物の発生および第二の異物の発生を抑制することができる。その結果、第一の異物および第二の異物に起因する高速原子ビーム源５００からの堆積物の放出、すなわち、サイズの異なる異物の射出が抑制され、接合対象面７１１，７２１上へのサイズの異なる異物の付着を抑制することができる。これにより、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０同士を接合する際に、例えば第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の破損を伴う接合不良が発生することを抑制して、接合基板の製造歩留まりを改善することにより、接合基板の製造効率を高めることができる。

［接合基板の製造工程における接合不良］
以下、接合基板の製造工程において発生しうる接合不良について説明する。

＜接合不良における異物のサイズ＞
接合基板の製造工程における接合不良の形成のうち、高速原子ビーム源からの異物の射出に起因するものについて説明する。図２は、照射工程において、高速原子ビーム源８００から第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１に高速原子ビーム８１０を照射する様子を模式的に示す図である。ここでは、第１の半導体基板７１０への照射を例に挙げているが、同様の現象は、対向位置に配置されている第２の半導体基板７２０への照射においても発生しうる。高速原子ビーム源８００の内部から異物ｍが射出され、図２に示すように、この異物ｍが飛来して第１の半導体基板７１０の接合対象面７１１に付着することがある。この状態で、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０の接合が行われると、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０の接合対象面７１１、７１２の接触により形成される接合界面７３０において、異物ｍが存在する部位において接合対象面７１１、７２１同士の接触が阻害されることになり、その結果、図３に示すように、局所的に接触していない空隙Ｖが生じることがある。この空隙Ｖが、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０との接合不良の要因となる。

接合不良のサイズは、異物ｍの大きさ、接合対象面７１１、７２１の接合強度および第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の機械的強度等に依存する。このうち、接合対象面７１１、７２１の接合強度については、高速原子ビーム線の照射における照射条件や接合後の熱処理条件等に依存する。また、第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０の機械的強度については、これらの基板の物性と厚みに依存し、第１の半導体基板７１０と第２の半導体基板７２０との接合不良が発生した領域のサイズは、接合対象面７１１、７２１の間に付着した異物ｍのサイズに強く依存する。

図１２に異物ｍ、Ｍのサイズと接合不良のサイズの関係について一例を示す。接合不良が発生した接合基板を対象とし、異物のサイズと接合不良のサイズを調査して得られた図である。ここで調査した接合基板の第１の半導体基板７１０の厚みは、およそ１μｍである。縦軸の「接合不良の直径」、および横軸の「異物の直径」は、光学顕微鏡を使用して第１の半導体基板７１０表面側から観察して得られる光学顕微鏡観察像を測長して得られた、接合不良の直径、および基板異物ｍ、Ｍの直径である。ここで、破損を伴わない接合不良の異物ｍの直径は、第１の半導体基板７１０を透過して観察された異物を測長して得られ、破損を伴う接合不良の異物Ｍの直径は、破損により第１の半導体基板７１０が存在しないため、接合界面７３０にある異物Ｍを直接観察して得られた。また、図１２において、図３に示す異物ｍによる第１の半導体基板７１０および第２の半導体基板７２０の破損を伴わない接合不良の発生を〇、図４に示す異物Ｍによる第１の半導体基板７１０または第２の半導体基板７２０の破損を伴う接合不良の発生を◆でプロットした。

図１２により、異物ｍまたは異物Ｍのサイズ（直径）と接合不良のサイズ（直径）とが正の相関を示すことが分かる。また、異物ｍまたは異物Ｍのサイズが大きくなると、接合不良のサイズが大きくなるだけではなく、その形態にも違いが現れる。接合不良における異物ｍまたは異物Ｍは、接合対象である第１の半導体基板７１０、第２の半導体基板７２０に対して、くさびのような役割を果たしており、各々の表面に圧力を加えている。そのため、異物ｍ、異物Ｍのサイズが大きくなるに従い、接合対象に対して加わる圧力が大きくなっていき、接合対象である半導体基板自身の機械的強度を超えると、図４に示すような半導体基板自身の破損を伴った接合不良となる。この傾向は、特に接合対象である半導体基板の厚みが薄い場合に顕著となる。図４に示す接合対象の破損を伴った接合不良は、図３に示された基板が破損していない接合不良と比較して、基板の特性に対して及ぼす影響が大きいため、特にその発生を抑制する必要がある。図１２に示す結果では、異物のサイズ（直径）の増加に伴い接合不良のサイズが拡大していき、異物のサイズがおよそ５μｍを超えてくると、接合不良のサイズが４０μｍ以上となり、且つ接合対象の破損を伴ったものが発生することを示している。すなわち、異物のサイズが５μｍであることを境として、半導体基板の破損を伴わない接合不良と、破損を伴う接合不良とが存在しており、これらの両方の接合不良の発生を抑制する必要がある。

＜異物のサイズと接合不良の発生機構の分類＞
高速原子ビーム源内部から飛来する異物ｍ、Ｍの発生機構について、図９を用いて説明する。図９に、ＸＹ平面に平行な断面における従来の高速原子ビーム源８００の断面における、高速原子ビーム線照射時の様子を示す。

まず、不活性ガス導入口９０２より導入された不活性ガスＧが、直流電圧（例えば、約０．８ｋＶ～２ｋＶ）が印可された第１陽極２１０、第２陽極２２０の間においてイオン化し、陽イオンｅとなる。この陽イオンｅが、陰極９００に向かって加速しながら飛行し、高速原子ビーム放出口９０１近傍に滞留している電子により中性化されて、高速原子ビーム８１０として高速原子ビーム源８００の外側に放出される。

一方、高速原子ビーム源８００の外側に放出されなかった陽イオンｅは、高速原子ビーム源８００を構成する陰極９００の内面に衝突し、陰極部材９０３をスパッタリングする。このスパッタリングにより生じた陰極の塵（以降、スパッタ塵９０５と呼ぶ）が、異物ｍ、Ｍの源となる。

以下に示す本願発明者らによる検証の結果、高速原子ビーム源８００内部で発生したスパッタ塵９０５に由来する異物の発生機構が２種類存在していることが明らかとなった。

表１に、高速原子ビーム源８００を用いて、高速原子ビームの積算照射時間０時間、３時間および１５時間における異物の数を測定した結果を示す。陰極部材はガラス状カーボン製のものを使用し、陰極の寸法は、幅５６ｍｍ、高さ１０２ｍｍ、奥行き６４ｍｍであり、陰極の内面を構成する陰極部材の表面粗さＲａは０．１μｍである。異物の測定にあたっては、各積算照射時間時点において、照射対象面であるシリコン基板上に３００秒間の高速原子ビーム８１０照射を行い、パーティクルカウンター（型式ＷＭ－７Ｓ、ＴＯＰＣＯＮ社製）を用いて異物の数、異物の直径および異物のある場所を測定し、そして照射後の異物数から照射前の異物数を除することにより、照射後のシリコン基板の照射対象面に到達した異物の数と大きさを分類した。なお、積算照射時間０時間の場合の異物数は、陰極が未使用の状態の高速原子ビーム源８００に対してシリコン基板上に３００秒間の高速原子ビーム８１０照射を行い、照射後の異物数から照射前の異物数を除した結果である。

その結果、積算照射時間０時間と３時間の比較において、異物の総数で１．２倍程度の増加にとどまる結果が得られた。異物のサイズ別に分類すると、接合対象の破損を伴った接合不良を発生させるサイズである５μｍに対し、それ５μｍ未満のサイズ（異物ｍ）において１４１個から１６７個へと１．２倍の増加、５μｍ以上のサイズ（異物Ｍ）において、共に１個で変化なしという結果が得られた。積算照射時間０時間と３時間の場合に見られた異物について、その発生の特徴は、定常的に一定数発生しており、比較的小さいサイズのものが大半を占めていることである。

一方、積算照射時間３時間と１５時間の比較において、異物の総数が１６７個から１１０６個へと６．６倍にまで増加する結果が得られた。さらに、異物の大きさ別に分類すると、５μｍ未満のサイズ（異物ｍ）において１６６個から１０９２個と６．６倍の増加、５μｍ以上のサイズ（異物Ｍ）においては１個から１４個と１４倍に増加するという結果が得られた。ここで見られた異物について、その発生の特徴は、積算時間に応じて異物ｍと異物Ｍのいずれも発生数が増加し、特に異物Ｍの増加が顕著なことである。

さらに、積算照射時間３時間時および１５時間時における陰極内面の表面の光学顕微鏡観察を行ったところ、積算照射時間３時間時は、全面においてスパッタ塵が堆積している様子が見られなかった。一方、積算照射時間１５時間時においては、図８に示す２か所（図６、８中Ｒ１、Ｒ２）において、それぞれ異なる表面形状が見られた。第一領域Ｒ１の特徴として、陰極面内のうち、粒子線が通り抜ける開口部、およびその対面の第二領域Ｒ２においては、一対の陽極間のピッチをＰ、円柱状の陽極の半径をｒとして、陰極中心に対して幅Ｐ－２ｒまでの範囲は比較的平滑な表面形状を示しており、幅Ｐ－２ｒから幅Ｐ＋２ｒの範囲にかけて、徐々に平滑性が失われていく様子が見られた。第二領域Ｒ２においては、スパッタ塵の堆積物の存在は見られなかった。一方、第一領域Ｒ１の特徴としては、陰極内面の面内のうち、第二領域Ｒ２よりも外側に位置しており、スパッタ塵が膜状となった堆積物が存在しており、更に堆積物が一部剥離している様子が確認された。

以上の結果から、高速原子ビーム源内部で発生したスパッタ塵が、高速原子ビーム源の外側に放出されて異物となる場合、積算照射時間により、異物の発生数およびサイズにおいて２種類に分類されることが明らかとなった。さらに、異物の発生するタイミングと、その時点における陰極部材にみられた特徴を加味して、２種類に分類された異物の発生機構について考察する。

考察の一つは、積算照射時間０時間時および３時間時にみられた、定常的に一定数発生している異物である。異物のサイズとして、比較的小さい異物ｍが大半を占めること、およびこのときに観察した陰極の内面となる陰極部材の表面に堆積物が見られていないことと合わせると、この異物は、発生したスパッタ塵が堆積等せずに直接高速原子ビーム源の外側に放出されたもの、すなわち第一の異物であると考えられる。第一の異物の発生箇所については、スパッタリングが優勢な部位において発生することから、積算時間１５時間時に観察した陰極部材のうち、陽極間に発生した荷電粒子が陰極に衝突する頻度が高く、かつ堆積物が確認されなかった第二領域Ｒ２であると思われる。

もう一つの考察は、積算照射時間１５時間時に見られた、積算時間に応じて発生数が増加し、特にサイズの大きな異物Ｍの増加が顕著となる異物である。このときに観察した陰極部材の第一領域Ｒ１において、膜状の堆積物およびその剥がれが確認されたことと合わせると、この異物は、スパッタ塵が陰極の内面に再付着し堆積して堆積物（第二の異物）となり、その第二の異物の剥がれにより発生したもの、と考えられる。第二の異物の発生箇所については、スパッタリングよりもスパッタ塵の堆積が優勢な部位において発生することから、積算時間１５時間時に観察した陰極部材の内面のうち、陽極間に発生した荷電粒子が陰極に衝突する頻度が低く、かつ膜状の堆積物の存在が確認された第一領域Ｒ１であると思われる。

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。以下の実施例では、接合基板を製造する際に使用する高速原子ビーム源を使用し、照射工程と同じ条件で高速原子ビーム源を稼働させて、高速原子ビーム源の陰極の内面において発生するスパッタ塵に起因する２種類の異物（異物ｍ、異物Ｍ）の数およびサイズと、スパッタリングを受ける陰極部材の表面粗さＲａとの相関について検証した。

［高速原子ビーム源］
高速原子ビーム源５００および高速原子ビーム源８００を使用した。なお、内面を構成する平面の表面粗さＲａの平均値が０．１μｍの陰極部材を用いて構成されたビーム源が高速原子ビーム源８００であり、内面を構成する平面の表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ～３．０μｍの陰極部材を用いて構成されたビーム源が高速原子ビーム源５００である。

〈陰極〉
陰極１００と同様の陰極を用いた。すなわち、陰極部材６枚により６つの内面を有する、内部が中空の箱状である。また、陰極１００は、６つの内面として、底面１１０と、底面１１０と対向する上面１２０と、底面１１０と上面１２０とをつなぐ４つの側面１３０、１４０、１５０、１６０と、を備える。また、底面１１０と上面１２０、側面１３０と側面１４０、側面１５０と側面１６０は互いに平行である。そして陰極１００は、ガラス状カーボン製で、内寸が幅５６ｍｍ、奥行きが６４ｍｍ、高さが１０２ｍｍの直方体状であり、陰極部材の厚さは３ｍｍとした。

〈陰極部材の平面の加工〉
６枚の陰極部材は、新品未使用の状態では陰極の内面を構成する平面の表面粗さＲａの平均値は０．１μｍである。従来例１では新品未使用の状態の陰極部材をそのまま使用して陰極を構成した。また、実施例１～３、比較例１の場合は、新品未使用の状態の陰極部材の平面に対してブラスト加工を行い、陰極の内面を構成する平面の表面粗さＲａの平均値は０．３μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍとなるように加工した。

〈陰極部材の平面の表面粗さＲａの平均値の算出方法〉
陰極１００の内面を構成する平面の表面粗さＲａの平均値は、第一領域Ｒ１および第二領域Ｒ２のいずれの領域とも陰極材面内の異なる測定点３点において触針式表面粗さ測定機による測定を行い、その平均値を用いた。具体的な測定点は、図６の丸で囲んだ点Ｐ１～Ｐ４である。第一領域Ｒ１についての測定点は、対角に位置する隅部２点（Ｐ２）、および陰極材長辺側の中間１点（Ｐ４）の計３点であり、第二領域Ｒ２についての測定点は、陰極材の中央（Ｐ１）を含む対角線上にある計３点（Ｐ１とＰ３）とした。
ここで、Ｐ１は高速原子ビーム放出口１０１を避けた陰極１００の内面における陰極部材１０３の中心部であり、Ｐ２はそれぞれ４つの隅角部１０３ａにできるだけ近い測定可能な点であり、Ｐ３は中心部Ｐ１とそれぞれ４つの隅角部１０３ａとの間の中心点であり、Ｐ４はそれぞれ４つの辺１０３ｂにおいて隅角部１０３ａと等距離にある中央部にできるだけ近い測定可能な点であり、Ｐ５は中心部Ｐ１とそれぞれ４つの中央部との中心点である。なお、今回はＰ５を測定点としていないが、Ｐ５を適宜測定点とすることもできる。

なお、実施例１において、陰極部材の平面の加工の条件は６枚の陰極部材のいずれも同じとした。そのため、１枚の陰極部材の表面粗さＲａの測定値の平均値は６枚とも０．３μｍであり、よって、陰極の内面における表面粗さＲａの測定値の平均値も０．３μｍであった。すなわち、６枚の陰極部材間において表面粗さＲａにバラつきはなかった。実施例２、３、比較例１についても同様であり、従来例１についても表面粗さＲａにバラつきはなかった。

〈陽極〉
第１陽極２１０と第２陽極２２０として、直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状でグラファイト製の陽極を２本用いた。２本の陽極は、絶縁部材を介して、陰極１００の奥行き方向の真ん中の位置（側面１３０、１４０からそれぞれ３２ｍｍの位置）において、２本の陽極の中心軸間距離が２５ｍｍとなるように、互いに離隔して底面１１０と上面１２０に固定した。

［試験条件］
高速原子ビーム源の照射条件は、まず、不活性ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを不活性ガス導入口から陰極１００内に導入し、高速原子ビーム源からの高速原子ビーム照射の加速電圧は１ｋＶとし、照射電流が３０ｍＡになるようにＡｒガス流量を調整して、照射する条件とした。照射対象となる基板には、照射対象面に異物の存在しないシリコン基板を用いた。異物の測定にあたっては、積算照射時間０時間と１５時間の時点において、照射対象面に異物の存在しないシリコン基板上に３００秒間の高速原子ビーム照射を行い、パーティクルカウンター（型式ＷＭ－７Ｓ、ＴＯＰＣＯＮ社製）を用いて、照射後のシリコン基板の照射対象面に到達した異物の数と大きさを分類した。

なお、積算照射時間０時間の場合の異物数は、陰極が未使用の状態の高速原子ビーム源に対してシリコン基板上に３００秒間の高速原子ビーム照射を行った結果である。また、積算照射時間１５時間の場合の異物数は、高速原子ビーム源による接合基板の製造を行い、高速原子ビーム照射を積算で１５時間行った後の高速原子ビーム源に対してシリコン基板上に３００秒間の高速原子ビーム照射を行った結果である。

表２には５μｍ未満のサイズの異物ｍの異物数、表３には５μｍ以上のサイズの異物Ｍの異物数を示す。なお、試験条件および異物の数と大きさの分類方法は、表１に示す結果を導いた試験と同じであり、表１の結果は、表２、３に示す従来例１の結果に相当する。

表２の結果より、積算照射時間０時間時における異物の数を見ると、表面粗さＲａの平均値の増加に伴い、異物数が増加している様子が見られた。一方、積算照射時間１５時間時における異物の数を見ると、初期値である積算照射時間０時間時と比較して、従来例１において著しい増加が見られた。一方で実施例１～３については、大きな増加は見られなかったが、比較例１については、積算照射時間０時間時における異物数が従来例１や実施例１～３と比較して２倍以上大きい値であり、この傾向は積算照射時間１５時間時においても同じであった。すなわち、表面粗さＲａの平均値を０．３μｍ～２．０μｍにすることで、積算照射時間０時間時～１５時間時において異物ｍの発生を抑制できる結果となった。

また、表３の結果より、積算照射時間０時間時における異物Ｍの数を見ると、表面粗さＲａの平均値に依らず、１～３個程度であった。すなわち、陰極が新品の状態において、大きな異物Ｍの発生数は少ない結果となった。一方、積算照射時間１５時間時における異物Ｍの数を見ると、初期値である積算照射時間０時間時と比較して、従来例１において異物Ｍの著しい増加が見られた。実施例１～３、比較例１については、異物Ｍの大きな増加は見られなかった。

＜本発明の効果＞
図１３に、表２、３の結果に基づいて作成した積算照射時間１５時間時における異物の数（異物ｍ（サイズ＜５μｍΦ）、および異物Ｍ（≧５μｍΦ））と陰極部材の表面粗さＲａの平均値との関係をグラフにしたものを示す。

高速原子ビーム源の陰極のスパッタ塵を源として発生する２種類の異物については、その発生機構と発生源である陰極材の表面形状に強い相関がある。第一の異物（異物ｍ）は、陰極材のうち、スパッタリングによる削れ量（スパッタリングにより削れた陰極材の量）と発生したスパッタ塵の再付着量を比較して、削れ量の多い部位において発生する。そのため、第一の異物の発生数は荷電粒子によりスパッタリングを受けた陰極材の削れ量に依存する。スパッタリングによる削れ量は、荷電粒子の持つエネルギーおよびスパッタリングを受ける対象の表面積によって決まる。そのため、第一の異物の発生を抑制するためには、荷電粒子が衝突する対象の表面積を低減するといった手段が有効であり、スパッタリングの対象である陰極材の表面粗さＲａについては、表面粗さを小さくすることが有効である。最適な粗さについては、最終製品に求める接合不良の仕様にもよるが、本実施例の水準においては、表面粗さＲａの平均値として２.０μｍ以下が望ましい結果であった（図１３）。

第二の異物（異物Ｍ）は、陰極材のうち、スパッタリングによる陰極材の削れ量と発生したスパッタ塵の再付着量とを比較して、スパッタ塵の再付着量の多い部位において発生する。そのため、その発生数は、第一の異物とは異なり、再付着したスパッタ塵の剥がれやすさに依存する。スパッタ塵の剥がれやすさは、スパッタ塵と陰極材の接着強度およびスパッタ塵の堆積様式によって決まる。一般的に接着された二つの物体間の接着強度は、その接触面積が大きいほど強くなる傾向が知られている。そのため、第二の異物の発生を抑制するためには、スパッタ塵と接触する陰極の表面積を大きくするといった手段が有効であり、スパッタリングの対象である陰極材の表面粗さＲａについては、表面粗さを大きくすることが有効である。最適な粗さについては、最終製品に求める接合不良の仕様にもよるが、本実施例の水準においては、表面粗さＲａの平均値として０．３μｍ以上が望ましい結果であった（図１３）。

これらの結果をまとめると、接合基板における接合不良の発生要因である高速原子ビーム源から飛来する２種類の異物に対して、その発生に影響を与える陰極の内面を構成する陰極部材の表面粗さＲａを０．３μｍ～２．０μｍに設定することで、陰極のスパッタリングを抑制し、一般的な接合不良の発生源となりうる第一の異物の発生を抑えるとともに、スパッタ塵の再付着に起因する堆積物の剥がれを抑制し、特に基板特性に及ぼす影響が大きい、接合対象の破損を伴った接合不良の発生源となりうる第二の異物の発生を抑えることができる。この効果は、例えば陰極の内面において、下面１１０と上面１２０における表面粗さの平均が０．３μｍであり、側面１３０～１６０における表面粗さの平均が２．０μｍの場合のように、表面粗さＲａが０．３μｍ～２．０μｍの範囲内であれば表面粗さにバラつきがあっても得られると考えられる。以上より、本発明は産業上有用である。

１００：陰極、１０１：高速原子ビーム放出口、１０２：不活性ガス導入口、１０３：陰極部材、１０３ａ：隅角部、１０３ｂ：辺、１１０：底面、１２０：上面、１３０：側面、１４０：側面、１５０：側面、１６０：側面、２１０：第１陽極、２２０：第２陽極、５００：高速原子ビーム源、７５０：接合基板、７１０：第１の半導体基板、７２０：第２の半導体基板、７１１，７２１：接合対象面、８００：高速原子ビーム源、８１０：高速原子ビーム、９００：陰極、９０１：高速原子ビーム放出口、９０２：不活性ガス導入口、９０３：陰極部材、９０５：スパッタ塵、ｅ：陽イオン、Ｇ：不活性ガス、Ｒ１：第一領域、Ｒ２：第二領域、Ｐ１：中心部、Ｐ２：場所、Ｐ３：中心点、Ｐ４：場所、Ｐ５：中心点

Claims (7)

1. 高速原子ビーム源の陰極を構成する平板状の陰極部材であって、
   前記陰極の内面を構成する平面を備え、
   前記平面の全体において、表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ～２．０μｍである、陰極部材。
2. グラファイト製、ガラス状カーボン製、炭化ケイ素製のいずれかである、請求項１に記載の陰極部材。
3. 高速原子ビーム源の陰極であって、
   請求項１または２に記載の陰極部材を備え、６つの内面を有する、内部が中空の箱状であり、
   ６つの前記内面として、底面と、前記底面と対向する上面と、前記底面と前記上面とをつなぐ４つの側面と、を備え、
   ４つの前記側面は、対向する前記側面同士が互いに平行であり、
   ４つの前記側面のうち、対向する２つの前記側面の一方には、前記陰極内に不活性ガスを導入する不活性ガス導入口が設けられ、他方には、前記陰極の外部に高速原子ビームを放出する粒子線放出口が設けられている、陰極。
4. 請求項３に記載の陰極と、
   前記陰極の内部に設けられた陽極と、を備える、高速原子ビーム源。
5. 第１の半導体基板と、第２の半導体基板とが積層した接合基板を製造する方法であって、
   請求項４に記載の高速原子ビーム源を用いて、前記第１の半導体基板の接合面と、前記第２の半導体基板の接合面に、高速原子ビームを真空中で照射する照射工程と、
   前記高速原子ビームが照射された、前記第１の半導体基板の接合面と前記第２の半導体基板の接合面とを接触させて、接合界面を有する積層体を得る接触工程と、
   前記接触工程で得られた前記積層体を熱処理して接合基板を得る熱処理工程と、
   を備える、接合基板の製造方法。
6. 前記第１の半導体基板および前記第２の半導体基板が、それぞれ、３Ｃ－ＳｉＣ単結晶基板、４Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、６Ｈ－ＳｉＣ単結晶基板、ＳｉＣ多結晶基板のうちのいずれかである、請求項５に記載の接合基板の製造方法。
7. 前記高速原子ビームが、アルゴン、ネオン、キセノンのいずれかを含む、請求項５または６に記載の接合基板の製造方法。

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