JP2010262985A - 粗面化された基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＩ基板の裏面のサンドブラスト処理後にシリコン薄膜を研磨すると、局所的にシリコン薄膜が薄くなる膜厚ムラが生じる。
【解決手段】ＳＯＩ製造用絶縁性基板の一つの面、又はＳＯＩ基板の裏面（シリコン薄膜ではない側）の有機汚染物を除去するための洗浄を行う洗浄工程と、上記洗浄された面にサンドブラスト処理を行う工程と、上記サンドブラスト処理を行わなかった他の面を研磨する工程とを少なくとも含む。有機汚染物があるとこの部分がサンドブラストされず平面性が損なわれ、それをチャックするとウエハが反った状態となり、研磨にムラが生じるが、あらかじめ有機汚染物を除去しておけばそれが防止できる。
【選択図】なし

Description

本発明は、粗面化された基板、より具体的には、サンドブラスト処理されたＳＯＩ(Silicon On Insulator)製造用絶縁性基板、又はサンドブラスト処理された裏面を有するＳＯＩ基板の製造方法に関する。

ＳＯＱ（Silicon On Quartz）やＳＯＧ（Silicon On Glass）等を作製する方法としては、ＳＯＩＴＥＣ（Smart Cut）法やＳｉＧｅｎ法と呼ばれる方法が用いられる。

ＳＯＩＴＥＣ法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板（ドナー基板）と、石英基板やガラス基板等の絶縁性基板（ハンドリング基板）とを貼り合わせ、４００℃以上（例えば５００℃）の熱処理を施して、注入水素イオンの濃度が最も高い領域からシリコン薄膜を熱剥離させてＳＯＩ基板を得る方法である（例えば、特許文献１や非特許文献１）。この方法は、水素イオンの注入で形成された「マイクロキャビティ」と呼ばれる高密度の「気泡」を加熱により「成長」させ、この「気泡成長」を利用してシリコン薄膜を剥離するというメカニズムを基礎としている。

また、ＳｉＧｅｎ法は、貼り合せ面側に水素イオンを注入したシリコン基板（ドナー基板）と、石英基板やガラス基板等の絶縁性基板（ハンドリング基板）とを貼り合わせる前に、これらの基板の貼り合せ面の双方もしくは一方の表面をプラズマ処理し、表面が活性化された状態で両基板を貼り合わせ、低温（例えば、１００〜３００℃）で熱処理を施して接合強度を高めた後に、常温で機械的に剥離してＳＯＩ基板を得る方法である（例えば、特許文献２〜４）。

これら２つの方法の相違点は、主としてシリコン薄膜の剥離プロセスにあり、ＳＯＩＴＥＣ法はシリコン薄膜の剥離のために高温での処理を必要とするが、ＳｉＧｅｎ法は常温での剥離が可能である。
シリコン薄膜の剥離に高温を要するＳＯＩＴＥＣ法は、ハンドル基板がシリコンとは異なる材料の基板である場合、熱膨張率等の熱的諸特性の相違に起因して、割れや局所的なクラック等のダメージが生じ易くなる。
一方、低温剥離が可能なＳｉＧｅｎ法は、熱的諸特性の相違に起因した割れや局所的クラックは生じ難いものの、機械的にシリコン薄膜を剥離するため、剥離工程中にハンドル基板との接着面が剥がれたり、剥離痕が生じたり或いはシリコン薄膜に機械的なダメージが導入され易い。

また、ガラス、石英等のＳｉＯ_２ベースの基板や部品、サファイアベースの基板や部品等の曇り処理（フロスト処理）をする際に、サンドブラスト法が用いられることが知られている。これは、アルミナやシリカの微粉を荒らしたい面に吹き付ける方法であり、様々な用途に広く用いられている。

特許第３０４８２０１号公報 米国特許第６２６３９４１号明細書 米国特許第６５１３５６４号明細書 米国特許第６５８２９９９号明細書

A. J. Auberton-Herve et al., "SMART CUT TECHNOLOGY: INDUSTRIAL STATUS of SOI WAFER PRODUCTION and NEW MATERIAL DEVELOPMENTS" (Electrochemical Society Proceedings Volume 99-3 (1999) p.93-106).

この技術をシリコン薄膜がハンドル基板に積層されたＳＯＩ(silicon on insulator)基板に応用することが可能である。特に単結晶シリコン薄膜を積層したＳＯＱ（Silicon On Quartz）基板やＳＯＧ（Silicon On Glass）基板、ＳＯＳ（Silicon On Sapphire）基板などは、通常のシリコンウェーハと同じようなＣＭＯＳプロセスに投入されるため、ロボット・自動搬送の滑り止め、または搬送センサー対応の意味からも裏面を故意に荒らすことは特に重要である。

しかし、ＳＯＩ基板の裏面のサンドブラスト処理後にシリコン薄膜を研磨すると局所的にシリコン薄膜が薄くなる箇所が散見され、酷い場合にはシリコン層が無くなってしまう場合もある。ＳＯＱ、ＳＯＧ、ＳＯＳ基板においては、単結晶シリコン層の厚さが数十ｎｍ〜数百ｎｍと極めて薄いため、この様な局所的な膜厚ムラは致命的な問題といえる。

本発明者らは、この膜厚ムラを検討した結果、サンドブラスト面の通常数μｍ〜数百μｍの未処理部（未サンドブラスト部）に起因していることを見出し、本発明を完成した。
本発明は、ＳＯＩ製造用絶縁性基板の一つの面、又はＳＯＩ基板の裏面（シリコン薄膜ではない側）の有機汚染物を除去するための洗浄を行う洗浄工程と、上記洗浄された面にサンドブラスト処理を行う工程と、上記サンドブラスト処理を行わなかった他の面を研磨する工程とを少なくとも含む粗面化された基板の製造方法を提供する。

本発明によれば、ＳＯＩ基板の裏面（シリコン薄膜とは反対側の絶縁性基板の面）をサンドブラスト処理した後、シリコン薄膜を研磨しても、局所的にシリコン薄膜が薄くなる膜厚ムラが低減できる。これにより、滑り止めや曇り処理（フロスト処理）等のために、サンドブラスト処理をＳＯＩ基板の裏面に施すことが可能となる。

ＳＯＩ基板の裏面をサンドブラスト処理した後、シリコン薄膜を研磨したときに生じる膜厚ムラの発生機構を示す。 図２は、石英基板をサンドブラスト処理したときの処理後の表面のＳＥＭ写真を示す。 １枚のウェーハ当たりのサンドブラスト処理の未処理部数を示す。 １枚のウェーハ当たりのサンドブラスト処理の未処理部数を示す。

本発明者らは、ＳＯＩ基板の裏面をサンドブラスト処理した後、シリコン薄膜を研磨したときに生じる膜厚ムラの発生機構を図１に示すように推測する。
図１（Ａ）に示すように、絶縁性基板３上のシリコン薄膜２を有するＳＯＩ基板１には、有機汚染物質Ｃが存在する。この有機汚染物Ｃは、例えば、糊、油分等であり、環境中からもしくはウェーハのハンドリング中に絶縁性基板３上に付着する。有機汚染物Ｃの大きさはさまざまであるが、膜厚ムラに与える影響の大きさを考慮すると、通常１〜９００μｍのものである。これより大きくなるとサンドブラストにより飛ばされる可能性が高くなり、これより小さいと後述するような突起物として残る可能性が低くなるためである。
サンドブラスト処理を行うと、図１（Ｂ）に示すように、ブラストされた絶縁性基板３の面は荒れると同時に数百ｎｍ〜数μｍ程度除去されるため、未処理部分３ｂは、突起部となって残存する。サンドブラストは強い圧力で微粉を吹き付けるため、大抵の異物は処理と同時に除去されるが、粘着力の高い有機汚染物はマスクの働きをして均一なサンドブラスト処理妨げる。また、通常、サンドブラスト工程は、粉塵を発生する工程であることから、綺麗な環境化で行うことが非常に難しい工程といえる。
図２は、石英ウェーハを、後述する方法でサンドブラスト処理したときの処理後の表面の光学顕微鏡写真を示す。図２は、サンドブラスト処理の完了部分３ａとともに、未処理部分３ｂが存在することを示す。未処理部分３ｂの大きさは、通常５０〜２００μｍのものである。これらを大きくなるとサンドブラストにより飛ばされる可能性が高くなり、これらより小さいと突起物として残る可能性が低くなるためである。

この未処理部分３ｂを有するＳＯＩ基板１に、図１（Ｃ）に示すように、例えばシリコン面の鏡面化のために、研磨器のウェーハチャック１２でＳＯＩ基板１の裏面を固定し、研磨布１１でシリコン薄膜２を研磨する。その結果、図１（Ｄ）に示すように、未処理部分３ｂに対応する箇所のシリコン薄膜２が多く研磨されることとなる。したがって、ＳＯＩ基板１は、膜厚ムラを有するものとなる。

本発明は、例えば、滑り止め処理や曇り処理（フロスト処理）等により、裏面をサンドブラスト処理することが必要となるＳＯＩ基板に適用できる。
ＳＯＩ基板は、シリコン薄膜を提供するドナー基板である単結晶シリコン基板と、ハンドル基板である絶縁性基板とを接合させて製造できる。
絶縁性基板としては、特に限定されないが、石英基板、ガラス基板（例えば、ホウケイ酸ガラスウェーハ、結晶化ガスウェーハ等）、サファイア基板、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板等が挙げられ、曇り処理（フロスト処理）の点からは、好ましくは、石英基板、ガラス基板及びサファイア基板である。
したがって、ＳＯＩ基板としては、好ましくは、ＳＯＧ基板、ＳＯＱ基板及びＳＯＳ基板に適用できる。

本発明に用いるＳＯＩ基板は、ＳＯＩＴＥＣ法やＳｉＧｅｎ法（これらの改良方法を含む）を用いて、好ましくは、単結晶シリコン基板の一つの表面に水素イオンを注入するイオン注入工程と、絶縁性基板と上記単結晶シリコン基板のイオン注入面とを接合させる接合工程と、上記接合後、上記イオン注入層から上記絶縁性基板上のシリコン薄膜を剥離し、上記絶縁性基板上にシリコン薄膜を転写されたＳＯＩ基板を得る剥離工程とを少なくとも含んでなる製造方法より得られたものである。ＳＯＩＴＥＣ法及びＳｉＧｅｎ法の改良方法についても多くの報告があるが、その一つの例として特開２００７−２２０９００号公報が挙げられる。

絶縁性基板の好ましい厚さは、特に限定されないが、ＳＥＭＩ等で規定されているシリコンウェーハの厚さに近いものが望ましい。これは半導体装置はこの厚さのウェーハを扱うように設定されていることが多いためである。この観点から好ましくは３００〜９００μｍである。

単結晶シリコン基板としては、特に限定されないが、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が１００〜３００ｍｍ、導電型がＰ型またはＮ型、抵抗率が１０Ω・ｃｍ程度のものが挙げられる。
単結晶シリコン基板の表面は、あらかじめ薄い絶縁膜を形成しておくことが好ましい。絶縁膜を通して水素イオン注入を行えば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られるからである。絶縁膜としては、好ましくは５０〜５００ｎｍの厚さを有するシリコン酸化膜が好ましい。これはあまり薄いと、膜厚の酸化膜厚の制御が難しく、またあまり厚いと時間が掛かりすぎるためである。シリコン酸化膜は、一般的な熱酸化法により形成することができる。

本発明は、ＳＯＩ基板を製造するための絶縁性基板にも適用できる。ＳＯＩ基板と同様の問題は、突起物の発生が望ましくない、ガラス基板、石英基板等のＳＯＩ製造用絶縁性基板でも発生し、深刻な問題となるからである。
ＳＯＩ製造用絶縁性基板は、ロボットハンドリング時の滑り止めや、透明基板における在荷センサー対応策としてサンドブラスト処理が必要であり、その後シリコン薄膜を鏡面化するために研磨が必要となるため、ＳＯＩ基板と同様に膜厚ムラを生じる。

本発明によれば、サンドブラスト処理の前に、サンドブラスト処理の対象となる、ＳＯＩ製造用絶縁性基板の一つの面、又はＳＯＩ基板の裏面（シリコン薄膜ではない側）の有機汚染物を除去するための洗浄を行う洗浄工程を行う。洗浄工程で用いる洗浄液は、有機汚染物除去に有効なものであれば特に限定されないが、利便性や価格等から、好ましくは、有機溶剤、オゾン水、酸又はアルカリ溶液を用いることができる。
有機溶剤としては、好ましくは、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等のアルコール、アセトン等のケトン、トルエン等の芳香族炭化水素、又はこれらの組み合わせが挙げられる。好ましくは、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン及びトルエンからなる群から選ばれる一以上を含み、更に好ましくはエタノール又はイソプロピルアルコールである。酸としては、硫酸、硫酸と過酸化水素と水の混合物である硫酸過水が挙げられ、硫酸と過酸化水素の好ましい濃度は、それぞれ３０〜９８質量％であり、好ましくは体積比で１：１から４：１（９８質量％硫酸：３０質量％過酸化水素水）である。
アルカリ溶液としては、好ましくは、アンモニア、水酸化アンモニウムと過酸化水素と水の混合物であるアンモニア過水、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、エチレンジアミン−パイロカテコール−水（ＥＤＰ）及びヒドラジンからなる群からなる選らばれる一以上を含むものが挙げられる。使用する好ましいアルカリ濃度は、有機物の除去が目的であるので特に限定されるものではない。
また、好ましい洗浄工程としてドライ洗浄が挙げられる。ドライ洗浄は、好ましくは、ＵＶ洗浄、ＵＶオゾン洗浄及び酸素プラズマ洗浄（アッシング）からなる群から選択される。

洗浄工程は、基板のパーティクル除去が目的ではなく、あくまで有機物除去である。
洗浄の方法は、有機溶剤を含ませた布・紙等でふき取る方法や、または基板を有機溶剤、酸又はアルカリ溶液に浸漬し、洗浄する方法がある。いずれの方法も有効であるが、対象となる基板をサンドブラスト装置にセットする際に有機物汚染が発生する恐れがある場合は、基板セットの後に、有機溶剤を含ませた布や紙等でふき取る方法が単純で有効な方法といえる。

次に、洗浄された表面を粗面化するため、この表面にサンドブラスト処理を行う。
例えば、ブラスト用の微粉としては、平均粒径５〜５０μｍのアルミナやシリカが挙げられ、サンドブラスト処理は、市販の装置を用いて行うことができる。

サンドブラスト処理後、サンドブラスト処理を行わなかった他の面を研磨する
研磨は、例えば、ＣＭＰ等の研磨器を用い、チャックでＳＯＩ基板１の裏面を固定し、研磨布でシリコン薄膜を研磨して行われる。

本発明によれば、有機汚染物の除去に有効な方法で洗浄を行うというシンプルな工程を経ることにより、サンドブラスト未処理部分を大幅に減少させることができ、その後の研磨による膜厚ムラの発生を抑制できる。

以下、本発明を実験例に基づき説明する。
実験例１〜６
両面研磨を施した直径１５０ｍｍ、厚さ６２５μｍの石英ウェーハを複数枚用意した。石英ウェーハをサンドブラスト装置にセットし、サンドブラスト直前にイソプロピルアルコール（実施例１）又はエタノール（実施例２）で拭き取った。一方、上記サンドブラスト装置にセットする前に、石英ウェーハを熱硫酸溶液（濃度約３０質量％、温度８０℃）で３０分間の洗浄処理（実施例３）、又は石英ウェーハを硫酸過水（９８質量％硫酸：３０質量％過酸化水素水＝４：１体積比）で１０分間の洗浄処理（実施例４）、オゾンを溶存した水溶液（１０ｍｇ／Ｌ）に１０分間浸漬処理（実施例５）、５分間のＵＶオゾン洗浄（大気をＵＶランプで分解しオゾンを発生する装置を使用）（実施例６）、を行い、その後上記サンドブラスト装置にセットした。
サンドブラスト処理は、平均粒径１０μｍの微粉を噴射して、表面粗さ（中心線平均粗さＲａ５００ｎｍ）となるように行った。
サンドブラストされた表面は、２質量％フッ化水素酸を用いて洗浄された。
サンドブラスト未処理部の数をカウントした。未処理部は、集光灯で観察することで簡単に判別ができた。各水準１０枚を用意して実験を行い、平均して１枚のウェーハ当たりのサンドブラスト処理の未処理部数を算出した。結果を図３に示す。

比較実験例１
洗浄処理をしない以外は、実施例１と同様にして、サンドブラスト処理を行いサンドブラスト未処理部の数をカウントした。結果を図３に示す。
なお、図２は、石英基板をサンドブラスト処理したときの処理後の表面の光学顕微鏡写真を示す。図２は、サンドブラスト処理の完了部分３ａとともに、未処理部分３ｂが存在することを示す。

実験例１〜６とも比較実験例１よりは未処理部の数が減少したが、実験例３と４は若干高めの数値となった。

実験例７
洗浄後に基板を真空ピンセットでハンドリングし、サンドブラスト処理直前まで、密閉した箱の中で保管し、基板を極力汚染しないように留意した基板を用いた以外は、実験例３と同様にして、サンドブラスト処理を行い、サンドブラスト未処理部の数をカウントした。未処理部の数を実験例３の結果とともに図４に示す。
結果は良好で低い欠陥数となった。よって、溶液に浸漬して行う洗浄では、洗浄後の保管やハンドリングに留意することで有効に欠陥数を低減できた。

１ ＳＯＩ基板
２ シリコン薄膜
３ 絶縁性基板
３ａ サンドブラスト処理完了部分
３ｂ サンドブラスト処理の未処理部分
１１ 研磨布
１２ ウェーハチャック
Ｃ 有機汚染物

Claims (8)

1. ＳＯＩ製造用絶縁性基板の一つの面、又はＳＯＩ基板の裏面（シリコン薄膜ではない側）の有機汚染物を除去するための洗浄を行う洗浄工程と、
   上記洗浄された面にサンドブラスト処理を行う工程と、
   上記サンドブラスト処理を行わなかった他の面を研磨する工程と
   を少なくとも含む粗面化された基板の製造方法。
2. 上記ＳＯＩ製造用絶縁性基板又はＳＯＩ基板が、石英基板、ガラス基板、サファイア基板、ＳＯＱ基板、ＳＯＧ基板及びＳＯＳ基板からなる群から選択される請求項１に記載の粗面化された基板の製造方法。
3. 上記洗浄工程が、有機溶剤、オゾン水、酸、アルカリ溶液、又はドライ洗浄を用いて上記有機汚染物を除去することを含む請求項１又は請求項２に記載の粗面化された基板の製造方法。
4. 上記ドライ洗浄が、ＵＶ洗浄、ＵＶオゾン洗浄及び酸素プラズマ洗浄（アッシング）からなる群から選択される請求項３に記載の粗面化された基板の製造方法。
5. 上記有機溶剤が、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン及びトルエンからなる群から選ばれる一以上を含む請求項３に記載の粗面化された基板の製造方法。
6. 上記アルカリ溶液が、アンモニア過水、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、エチレンジアミン−パイロカテコール−水（ＥＤＰ）及びヒドラジンからなる一群から選ばれる一以上を含む請求項３に記載の粗面化された基板の製造方法。
7. 上記ＳＯＩ製造用絶縁性基板又はＳＯＩ基板が、ＳＯＩ製造用絶縁性基板である請求項１〜６のいずれかに記載の粗面化された基板の製造方法。
8. 請求項７に記載の製造方法で得られた粗面化された基板の粗面化されていない面にシリコン薄膜を形成するＳＯＩの製造方法。