JP2008147639A

JP2008147639A - 単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置

Info

Publication number: JP2008147639A
Application number: JP2007294174A
Authority: JP
Inventors: Kio En; 紀旺閻; Tsunemoto Kuriyagawa; 常元厨川
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】本発明の目的は、単結晶ウエハー表面の材料を除去することがなく、機械加工により生じた加工変質層を基板部分と全く同様な結晶構造に修復することであり、部品の加工精度を維持したままで、生産コストの削減、環境負荷の低減が期待できる、大気中で作動可能で、高速・高能率で簡単な単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置を提供することである。
【解決手段】半導体やＭＥＭＳや光学レンズに使用されている単結晶ウエハーの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザーを１回照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体やＭＥＭＳや光学レンズに使用されている単結晶ウエハーの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法及び修復装置に関するものである。

従来、単結晶シリコン（以下、シリコンと記す）は、最もポピュラーな半導体材料として、ほとんどの集積回路(IC)やMEMSなどで使われている。また、シリコンは優れた赤外線光学材料でもあり、暗視野光学レンズの基板としても用いられている。そのため、シリコンの高精度・高品質加工は極めて重要であると言える。また、単結晶ゲルマニウムは、赤外線レンズやウィンドウ材料として実用化されている。

通常、シリコンウエハーやゲルマニウムウエハーの表面加工は、ダイヤモンド工具を用いた切削・研削・ラッピング・ポッリシングなどの機械加工プロセスによって行われている。加工条件を適正に設定すれば、nmレベルの精度を有する超平滑表面を得ることが可能である。しかし、加工面が平滑であっても、その表面および内部にはSubsurface Damageと呼ばれる加工変質層が形成されてしまうことが多い。加工変質層は、主にアモルファスシリコン層やアモルファスゲルマニウム層および転位層から構成されている。一部の加工変質層には、マイクロクラック（微小亀裂）が含まれることもある。この加工変質層は極めて薄いものであるが、シリコンやゲルマニウムの機械的・電気的・光学的性能に大きな影響を及ぼす。そのため、加工変質層を除去するための研究開発が、各方面から展開されている。

これまでに、加工変質層の除去は、主にエッチングや化学機械研磨（CMP）等の化学的・機械的方法により行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、異なる加工変質層の除去方法として、プラズマガス放電を利用した、ドライエッチングを使用するプロセスの検討も進んでいる（例えば、特許文献３参照）。

一方、レーザー照射を使用することで、シリコンウエハーの酸素排除処理および結晶性の向上が可能であり（例えば、特許文献４参照）、成膜プロセスで製作されたシリコンウエハー表面のアモルファスＳｉ層や多結晶薄膜の単結晶化も可能である（例えば、特許文献５、６、７参照）。そのためのレーザ照射装置の開発も行われている（例えば、特許文献８参照）。

特開２００４−３５６２５２号公報特開平９−４７９４７号公報特開２００２−２５９８０号公報特開昭５６−１４７４３０号公報特開昭６２−１１４２１４号公報特開平２−４７６２１号公報特開２００２−２３１６２８号公報特開平１０−１２５６１４号公報

しかしながら、特許文献１および２記載の方法では、プロセスが複雑であり、環境汚染や廃液処理等が問題となっている。また、特許文献３記載の方法では、真空装置や高圧電源等が必要で、装置が大掛かりになり、コストも大きくなるという問題がある。更に、前述のエッチングやドライエッチングは基本的には加工変質層の削除であり、表面の原子層を取り除くことなので、折角、前工程でウエハー表面の平坦度を良くしていても、加工変質層の削除の条件によっては、ウエハー表面の平坦度を低下させてしまう可能性がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、本発明の目的は、単結晶ウエハー表面の材料を除去することがなく、機械加工により生じた加工変質層を基板部分と全く同様な結晶構造に修復することであり、部品の加工精度を維持したままで、生産コストの削減、環境負荷の低減が期待できる、大気中で作動可能で、高速・高能率で簡単な単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置を提供することである。

なお、本発明と特許文献４乃至８記載のレーザー照射プロセスとの差異を以下に記す。
特許文献４は、ウエハーを高真空容器に設置し、レーザー照射することでウエハーの中の酸素を排出させ、結晶性を向上させるものである。一方、本発明は、必ずしも真空を必要としないプロセスである。また、酸素の排除ではなく、加工中にできた結晶の相変態や転位、マイクロクラックを一括して単結晶に修復することができるものである。

特許文献５、６はCVD等の成膜方法でウエハー上の絶縁膜（Ｓｉの酸化膜）上に形成されたポリＳｉをレーザー照射によるアニールで単結晶にし、素子を形成するものである。本発明は、単結晶基板を機械加工時に発生した結晶の欠陥（具体的にはアモルファス相変態、転位、マイクロクラック等から構成される）を完全な単結晶基板に修復することができるものである。本発明では、特許文献５、６のような中間絶縁膜が存在しないため、対象材料の組成や構造が全く異なる。また、本発明ではアモルファス相、転位層およびマイクロクラックを同時に単結晶に修復できる点で、文献５、６と大きく異なり、全く新しい手法である。特許文献５、６は、最終的にウエハー上に形成された微小素子を提供するが、本発明は、欠陥の全くない単結晶基板あるいは曲面形状を有する光学レンズを提供することができるものである。

特許文献７は、レーザー照射により半導体基板に多結晶あるいは単結晶の薄膜を形成させるものであり、使用するレーザーは紫外レーザーである。本研究は、薄膜を形成するのではなく、単結晶基板を修復するものである。しかも使用するレーザーは、紫外レーザーではなく、可視光領域のグリーンレーザーを使用することができる。
特許文献８は、パルス幅の大きなパルスレーザー発生装置の開発に関するのであり、本発明と内容的に異なる。

本発明によれば、半導体やＭＥＭＳや光学レンズに使用されている単結晶ウエハーの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザーを照射することを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。

また、本発明によれば、前記単結晶ウエハーは、シリコン単結晶ウエハーまたはゲルマニウム単結晶ウエハーであることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。

また、本発明によれば、前記パルスレーザーは、波長が５３２nmまたは３５５nmのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーの第２または第３高調波で、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内で、パルス幅１パルス当たりのエネルギーが0.5μジュールから３０μジュール、エネルギー密度が0. 125J/cm²から7.5J/cm²であることを特徴とする請求項１または２記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。

また、本発明によれば、単結晶ウエハーの表面をレーザーで走査照射するように、レーザー照射装置を２次元または３次元高速移動機構に設置して構成されていることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復装置が得られる。

また、本発明によれば、単結晶ウエハーの表面をレーザーで走査照射するように、レーザー照射装置を固定し、前記単結晶ウエハーを２次元または３次元高速移動機構に搭載可能に構成されていることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復装置が得られる。

また、本発明によれば、切削、研削またはラッピングなどの機械加工を行った後の単結晶ウエハー表面に形成された、厚さ数ナノメートル〜数ミクロンの加工変質層を対象に、レーザーを照射することを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。単結晶ウエハー表面は、特に、研削砥石を用いて研削加工されたり、切削工具を用いて切削加工されたり、遊離砥粒を用いてラッピングされたりしたものから成っていることが好ましい。加工変質層は、具体的にはアモルファス層、マイクロクラックまたは転位などから構成されている。

また、本発明によれば、前記加工変質層部分のレーザー吸収率がバルク領域より著しく高いことを利用し、前記加工変質層部分のみを瞬間的に溶融させ、その後、無転位のバルク領域を種として、ナノ秒速で液相エピタキシャル単結晶成長させることを修復原理とすることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。

また、本発明によれば、前記加工変質層の形成された前記単結晶ウエハーを高速で回転させ、前記パルスレーザーを照射可能な高周波ナノ秒パルスNd:YAGレーザ照射装置をＸＹＺ３次元高速ステージに搭載し、移動しながら前記単結晶ウエハー表面を照射し、照射痕を連続的あるいは断続的に配置させることにより、前記単結晶ウエハーの全面あるいは一部の前記加工変質層を完全な単結晶構造に修復することを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。

また、本発明によれば、前記単結晶ウエハーおよび前記パルスレーザーを照射可能な照射装置は大気中に設置されていることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法が得られる。この場合、特殊なガス雰囲気や真空などを必要としない。

本発明により、単結晶ウエハー表面の材料を除去することがなく、機械加工により生じた加工変質層を基板部分と全く同様な結晶構造に修復することであり、部品の加工精度を維持したままで、生産コストの削減、環境負荷の低減が期待できる、大気中で作動可能で、高速・高能率で簡単な単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、直径5インチ、厚さ０．７mm、CMP（化学的機械研磨）仕上げの単結晶シリコンウエハー（１００）面を使用し、超精密旋盤と単結晶ダイヤモンドバイトとを用いてシリコンウエハーを超精密切削加工し、シリコンウエハー表面に加工変質層を形成した後、レーザー照射実験に供した。このときの表面は鏡面状態であり、最大表面粗さは約２０nmRyである。また、ダイヤモンド砥石を使用してシリコンウエハーを研削加工し、加工変質層および表面研削条痕を形成させた後、レーザー照射実験に供した。このときの表面は曇り状態であり、最大表面粗さは約100nmRyである。

使用したレーザー装置は、New Wave Research社製QuikLaze-50 Nd:YAG レーザー加工システムで、絞り方式：3mm×3mmのXYアパーチャ（絞り）により、×50倍の対物レンズを使用した場合、最大60ミクロン×60ミクロンの矩形照射が可能である。今回の実験は20ミクロン×20ミクロンの照射範囲で行った。レーザー照射装置の対物レンズとシリコンウエハーとの距離を１．５ｍｍとした。

パルスレーザーは、波長が５３２ｎｍのグリーンＹＡＧレーザーで、パルス照射時間が３ナノ秒で、１パルス当たりのエネルギーが０．５μジュールである。パルスレーザーの照射は、１パルス照射で行った。図１は、パルスレーザー照射部とTEM（透過型電子顕微鏡）観察像との位置関係を示すシリコンウエハー表面の顕微鏡写真である。図１の写真中央部の一辺が約２０ミクロンのほぼ四角い部分がパルスレーザー照射部で、断面観察箇所を実線で示した。

尚、本発明者は、パルス照射条件を検討し、本発明の効果が得られるパルスレーザー条件は、波長が５３２ｎｍで、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内で、パルス幅１パルス当たりのエネルギーが０．５μジュールから３０μジュール、エネルギー密度が０．１２５J/cm²から７．５J/cm²であることを見出した。これよりパルスレーザーの強度や時間が少ない場合は、十分な修復効果が得られず、また、パルスレーザーの強度が大きく、また、時間が長い場合は、照射表面で原子の飛び散りが発生し、単結晶表面を損傷してしまうことを見出した。

図２（ａ）は、図１の実線箇所であるパルスレーザー照射部および近傍の断面TEM観察像で、図２（ｂ）は、レーザー照射部および近傍のＴＥＭ断面観察のイメージ図である。図２から、パルスレーザー照射部では表面欠陥のアモルファス層および転移層が単結晶シリコンに修復しているのが明らかである。また、図３（ａ）は、パルスレーザー未照射部の断面TEM観察像であり、図３（ｂ）は、パルスレーザー照射部の断面TEM観察像である。図３（ｂ）からも、パルスレーザーを１回照射することで、表面欠陥のアモルファス層および転移層が単結晶シリコンに修復しているのが明らかである。

更に、図４は、パルスレーザー照射部分、未照射部分、それらの境界部、レーザーの届かない単結晶基板部分の電子線回折像である。これらからも、パルスレーザーを１回照射することで、表面欠陥のアモルファス層および転移層が単結晶シリコンに修復しているのが明らかである。

図５は、レーザー照射による加工変質層修復の原理を示す。以上詳細に説明したような、パルスレーザーを照射することにより、表面欠陥のアモルファス層および転移層が単結晶シリコンに修復できる原因としては、図５のように考えられる。すなわち、加工変質層部分のレーザー吸収率がバルク領域より著しく高いため、レーザー照射を行うと変質層のアモルファス部分のみがナノ秒速で溶融する（図５（ａ）および（ｂ））。それと同時に、下層の転位が液相・固相の界面に向けて移動し消滅する（図５（ｃ）および（ｄ））。その後、無転位のバルク領域を種としてナノ秒速で液相エピタキシャル結晶成長が行われる（図５（ｅ））。その結果、機械加工で生じた結晶欠陥が完全になくなり、バルク領域と全く同様な単結晶構造が得られる（図５（ｆ））。

シリコン単結晶ウエハーの加工変質層の発生メカニズムと加工変質層の性質が類似しているゲルマニウム単結晶ウエハーにおいても、同様にパルスレーザーを照射することで、表面欠陥のアモルファス層および転移層が単結晶ゲルマニウムに修復できることは、明らかに類推できる。

次に、単結晶ウエハー上の大面積の加工変質層の修復を目的として、単結晶ウエハーをテーブル上に固定し、パルスレーザーの照射と同期して、Ｘ−Ｙ方向に２０ミクロンずつステップ状に単結晶ウエハーの表面をレーザーで走査照射するように、２次元高速移動機構にレーザー照射装置を設置した。２０ミクロン角の照射痕の間は、約１ミクロンの幅でオーバーラップしている。図６（ａ）はオーバーラップ照射時の表面画像、図６（ｂ）は照射後の顕微レーザーラマンスペクトルを示している。照射痕の境界付近においても結晶性のムラが見られず、完全な単結晶に修復されていることがわかる。なお、パルスレーザーの繰り返し周波数を５０Ｈｚで実験したところ、１ｍｍ／秒の速度で修復が可能であった。パルスレーザーの繰り返し周波数を２０ＫＨｚにすれば、４００ｍｍ／秒の速度で修復が可能である。

図７は、ダイヤモンド砥石を使用してシリコンウエハーを研削加工し、加工変質層および表面研削条痕を形成させた後、レーザー照射実験を行った結果である。図７（ａ）は照射痕の位置を示すものである。図７（ｂ）はレーザー照射を行っていない領域の顕微レーザーラマンスペクトルで、表面層にアモルファス化などの材料変質が著しく形成されていることがわかる。一方、図７（ｃ）はレーザー照射を行った領域の顕微レーザーラマンスペクトルで、レーザー照射を行った後、加工変質層が完全になくなり、単結晶シリコンのみの構造となったことがわかる。また、照射部は比較的平滑になっている。

また、図８に示すように、防振台１に設けられたＸ軸ステージ２、Ｙ軸ステージ３およびＺ軸ステージ４を有する３次元高速ステージと、Ｘ軸ステージ２およびＹ軸ステージ３により移動可能に設けられた回転テーブル５とを有する修復装置において、加工変質層の大面積の修復効果として、前述のシリコン単結晶ウエハーを回転テーブル５の上に固定し、レーザー装置を３次元高速ステージのＺ軸ステージ４に固定し、Ｘ軸ステージ２、Ｙ軸ステージ３、Ｚ軸ステージ４および回転テーブル５をステップ状高速移動して、シリコン単結晶ウエハーの表面を走査照射することと、レーザー照射装置を固定して、単結晶ウエハーをステップ状移動して、単結晶ウエハーの表面を走査照射することとは、同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の、パルスレーザー照射部とTEM観察像との位置関係を示す単結晶シリコンウエハー（１００）面の顕微鏡写真である。図１に示す単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の単結晶シリコンウエハーの（ａ）パルスレーザー照射部および近傍の断面TEM観察像を示す顕微鏡写真、（ｂ）パルスレーザー照射部および近傍のＴＥＭ断面観察のイメージを示す断面図である。図１に示す単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の単結晶シリコンウエハーの（ａ）パルスレーザー未照射部の断面TEM観察像を示す顕微鏡写真、（ｂ）パルスレーザー照射部の断面TEM観察像を示す顕微鏡写真である。図１に示す単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の単結晶シリコンウエハーの電子線回折像を示す（ａ）パルスレーザー照射部領域で欠陥の修復部のＸ線写真、（ｂ）パルスレーザー照射部と未照射部との境界領域部のＸ線写真、（ｃ）加工変質層より下の単結晶基板部分のＸ線写真、（ｄ）アモルファスの加工変質層部のＸ線写真である。本発明の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の、レーザー照射による単結晶シリコンウエハーの加工変質層の修復の原理図である。本発明の実施の形態の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の、オーバーラップ照射による単結晶シリコンウエハーの加工変質層の修復の効果を示す、（ａ）オーバーラップ照射時の単結晶シリコンウエハーの表面を示す顕微鏡写真、（ｂ）オーバーラップ照射後の単結晶シリコンウエハーの表面の顕微レーザーラマンスペクトルである。本発明の実施の形態の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法及び修復装置の、ダイヤモンド砥石を使用してシリコンウエハーを研削加工し、加工変質層および表面研削条痕を形成させた後、レーザー照射実験を行ったときの、（ａ）照射痕の位置を示す顕微鏡写真、（ｂ）レーザー照射を行っていない領域の顕微レーザーラマンスペクトル、（ｃ）レーザー照射を行った領域の顕微レーザーラマンスペクトルである。本発明の実施の形態の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復装置を示す斜視図である。

符号の説明

１防振台
２Ｘ軸ステージ
３Ｙ軸ステージ
４Ｚ軸ステージ
５回転テーブル

Claims

半導体やＭＥＭＳや光学レンズに使用されている単結晶ウエハーの表面の加工変質層である表面欠陥の修復方法において、単結晶表面にパルスレーザーを照射することを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
前記単結晶ウエハーは、シリコン単結晶ウエハーまたはゲルマニウム単結晶ウエハーであることを特徴とする請求項１記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
前記パルスレーザーは、波長が５３２nmまたは３５５nmのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーの第２または第３高調波で、パルス照射時間が３ナノ秒から４ナノ秒の範囲内で、パルス幅１パルス当たりのエネルギーが0.5μジュールから３０μジュール、エネルギー密度が0. 125J/cm²から7.5J/cm²であることを特徴とする請求項１または２記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
単結晶ウエハーの表面をレーザーで走査照射するように、レーザー照射装置を２次元または３次元高速移動機構に設置して構成されていることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復装置。
単結晶ウエハーの表面をレーザーで走査照射するように、レーザー照射装置を固定し、前記単結晶ウエハーを２次元または３次元高速移動機構に搭載可能に構成されていることを特徴とする単結晶ウエハーの表面欠陥の修復装置。
切削、研削またはラッピングなどの機械加工を行った後の単結晶ウエハー表面に形成された、厚さ数ナノメートル〜数ミクロンの加工変質層を対象に、レーザーを照射することを特徴とする請求項１、２または３記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
前記加工変質層部分のレーザー吸収率がバルク領域より著しく高いことを利用し、前記加工変質層部分のみを瞬間的に溶融させ、その後、無転位のバルク領域を種として、ナノ秒速で液相エピタキシャル単結晶成長させることを修復原理とすることを特徴とする請求項１、２、３または６記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
前記加工変質層の形成された前記単結晶ウエハーを高速で回転させ、前記パルスレーザーを照射可能な高周波ナノ秒パルスNd:YAGレーザ照射装置をＸＹＺ３次元高速ステージに搭載し、移動しながら前記単結晶ウエハー表面を照射し、照射痕を連続的あるいは断続的に配置させることにより、前記単結晶ウエハーの全面あるいは一部の前記加工変質層を完全な単結晶構造に修復することを特徴とする請求項１、２、３、６または７記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。
前記単結晶ウエハーおよび前記パルスレーザーを照射可能な照射装置は大気中に設置されていることを特徴とする請求項１、２、３、６、７または８記載の単結晶ウエハーの表面欠陥の修復方法。