JP3936215B2

JP3936215B2 - カーボン製モニタウェハ

Info

Publication number: JP3936215B2
Application number: JP2002088066A
Authority: JP
Inventors: 公山田; 二郎松尾; 紀章豊田; 和俊村田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003282384A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセス機器に導入する高平坦度かつ高純度のガラス状カーボン製モニタウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造工程においては、製品となるＳｉウェハに熱酸化処理やＣＶＤ成膜処理を行う場合、製品Ｓｉウェハとともに、ダミーウェハやモニタウェハをウェハボートに同時に搭載することが行われる。ダミーウェハは製品ウェハの枚数が規定枚数に足りないときに補充し、あるいはＣＶＤ工程等において炉内温度、ガスの流れを均一にするために挿入されるもので、製品になり得ないものである。また、モニタウェハは、製品Ｓｉウェハに形成されるＣＶＤ膜等の膜厚並びに炉内パーティクル数をモニタするために製品Ｓｉウェハと全く同じ工程で処理されるものである。したがって、特に製品Ｓｉウェハとモニタウェハとは、ウェハボートに同時収容され、所定の処理によって製品ウェハ及びモニタウェハの表面に熱酸化膜或いはＣＶＤ膜が同時に形成される。
【０００３】
形成薄膜の膜厚、パーティクルなどの管理を行うためのモニタウェハには、表面粗さＲａ＝０．１ｎｍ程度のＳｉ単結晶ウェハが用いられている。シリコン単結晶では、このように非常に平坦な表面が得られているが、従来のモニタウェハは、ポリシリコン膜やシリコン酸化膜を形成した場合、膜を酸などによって洗い流して再使用することができず、１回限りの使い捨てとなっており、不経済であった。
このため、硝酸などに対する耐食性に優れており、エッチングによる付着物の除去が容易に行え、長期間の繰返し使用が可能であるカーボンウェハが注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体製造工程で用いられるプロセス管理用のパーティクルモニタウェハの表面には高い平坦性（鏡面）が要求されている。これはパーティクルの相当直径がモニタウェハの凹凸と同等かそれ以下の場合には、パーティクルが表面粗さの中に埋れてしまって検出できないからである。
【０００５】
カーボンウェハに対して、要求される平坦度の鏡面を得ようとして、従来の研磨方法を適用した場合には、その表面にスクラッチ傷が存在してしまう問題がある。また、表面清浄度に関しては、この研磨工程で不純物が混入することが多いことも問題となっている。したがって、これまでの研磨技術では、低コストに超平坦且つ清浄な表面を有するガラス状カーボンモニタウェハを製造することはできなかった。例えば、デザインルール０．１８μｍを想定した場合、少なくとも０．１μｍのパーティクル（ゴミ）を検出する必要がある。現状の量産対応の研磨技術では、その平坦粗さがＲａ＝１ｎｍ程度であるが、このような粗さを持つ表面ではパーティクル検出が出来ないことを確かめている。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、長期間の繰り返し使用が可能でパーティクルの検出が可能であってスクラッチ傷のない、表面清浄度が高く、表面粗さが極めて小さい超平坦面を有するカーボン製モニタウェハを提供することを目的とする。また、本発明は、低コストで超平坦且つ清浄な表面を有するガラス状カーボン製モニタウェハを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るカーボン製モニタウェハは、熱硬化性樹脂を硬化後に焼成炭化して得られたガラス状カーボン材をウェハ状に加工した後に表面を研磨し、その後、研磨面にガスクラスターイオンビーム（以下、ＧＣＩＢという。）を照射して表面が表面粗さＲａ０．２ｎｍ以上〜０．５ｎｍ以下であることを特徴としている。
このカーボン製モニタウェハは、少なくとも片面にＧＣＩＢを照射した表面が表面粗さＲａ０．２ｎｍ以上〜０．５ｎｍ以下の超平坦面であり、研磨された面の不純物密度が１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であることが望ましく、また、表面に照射するＧＣＩＢのガス種にＯ_２ガス単独、または、Ｏ_２ガスを含む混合ガスを用いるようにすればよい。
【０００８】
より具体的には、本発明に係るカーボン製モニタウェハは、その製造工程において、高純度化処理したカーボンを機械研磨することにより、その表面平坦粗さを１ｎｍ程度にした後、ＧＣＩＢを照射することによって得たものである。
ＣＦ₄、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＣＨＦ₃などを用いた反応性イオンエッチング技術は広く用いられている。Ａｒなどの不活性なガスを用いたエッチングより、大きな加工速度が得られる。しかし、モノマーイオンの場合には、表面に輸送されるイオンのエネルギーが大きいために、基板表面へダメージを与える。また、エッチング効果はあるものの、平坦化作用は無い。
【０００９】
一方、ＧＣＩＢ技術では、基板表面に原子集団１０００個程度からクラスターを照射する。このクラスターは基板表面に衝突した後、その衝撃により、基板表面に沿って分解、分散する。この時、基板表面の原子を基板水平方向にスパッタする。いわゆるラテラルスパッタ効果である。この効果により、基板表面は原子オーダーで平坦化される。
【００１０】
エッチングレート（加工速度）向上には、従来の反応性イオンエッチング同様、基板との化学反応が期待できるガスの導入が効果的である。カーボン材料の場合には、Ｏ₂ガスの使用が効果的である。基板表面で以下の反応が起こる。
【化１】

これによって、カーボン製モニタウェハの表面を最初に機械研磨によって所定の粗さまで調整した後、当該研磨処理後にＧＣＩＢの照射による鏡面仕上げすることによりスクラッチなどのない超平坦な面を有するカーボン製のモニタウェハを得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係るガラス状カーボン製モニタウェハの好ましい実施の形態を説明する。図１は実施形態に係るガラス状カーボン製モニタウェハの製造工程を示すフローチャートである。
【００１２】
図示のように、最初に基材となるアモルファスカーボンを得る。アモルファスカーボンは、緻密な等方性の非晶質構造を有し、化学的・機械的・熱的特性に優れた高機能材料であり、熱硬化性樹脂を形成したのち焼成炭素化して得ることができる。例えば、原料となる熱硬化性樹脂として予め精製処理した炭素残留率４０％以上のフェノール系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリカルボジイミド系樹脂、これらの混合樹脂を用い、予め成形処理によって例えば板状に成形しておく(ステップ１００)。
【００１３】
板状成形体は、大気中１５０〜３００℃の温度に加熱して硬化処理する（ステップ１０２）。硬化反応は発熱反応であるので、硬化反応を均等に進行させるために加熱硬化時の昇温速度はできるだけ緩慢に行われるようにする必要がある。硬化処理は、所定の温度に達した後、その温度に適宜時間保持することにより行うが、硬化時間は樹脂組成や硬化剤、硬化温度などによって適宜調整する。
【００１４】
硬化後の樹脂成形体は、フライス加工などの機械研削や機械研磨により板面のうねりや凹凸を矯正した後、非酸化性雰囲気に保持された加熱炉にて、８００℃以上の温度に加熱して焼成炭化することによりガラス状カーボン板が得られる（ステップ１０４）。
【００１５】
次いで、このガラス状カーボン基材を研削により、ウェハ形状に加工する(ステップ１０６)。その後、ダイアモンド砥粒を用いて、平均表面粗さがＲａ＝１ｎｍまで研磨する（ステップ１０８）。砥粒のサイズは、大きいもの（例えば１０μｍ）から小さなもの（例えば０．１μｍ）に徐々に変えていくが、これは通常の研磨方法と全く同じである。次に、機械研磨を施したウェハにＧＣＩＢを照射し、ウェハの平坦化を行う。ＧＣＩＢ装置を図２に示す。このＧＣＩＢ装置７０は、公知のものを使用すればよく、例えば図示のように、ソースチャンバー排気ポンプとメインチャンバー排気ポンプとによって作動排気されるソースチャンバー７１とメインチャンバー７２の２つの真空室を有している。ガスボンベなどから供給されたソースガスを、超音速でノズル７４より噴出させることによって、断熱膨張によりガスクラスターを形成する。生成したクラスターはスキマー７６を通過させ、ビーム形状を整えてイオン化部７８に導入される。このイオン化部７８では、フィラメントによる電子衝突によりイオン化される。この際に、加速部８０において、電界によりクラスターは加速され、ガスクラスターイオンは、減速電界部８２での減速電界によりクラスターの大きさが選別され、さらに加速部８４において加速されて高電圧を印加したターゲットとしてのウェハ５０へ照射される。ウェハ５０ヘ照射されたガスクラスターイオンはウェハ５０との衝突で壊れ、その際クラスター構成原子または分子および被加工物構成原子または分子と多体衝突が生じ、ウェハ５０表面に対して水平方向への運動が顕著になり、その結果、ウェハ５０表面に対して横方向の切削が可能となる。さらにウェハ５０表面を横方向に粒子が運動することにより、表面の凸部が主に削られ原子サイズでの平坦な超精密研磨が得られることになる。
【００１６】
導入するソースガスとしては、第一段階としてエッチングレートの大きいＯ₂単独を用いる(ステップ１１０)。この種のガスではエッチング速度は大きいが、平坦化能力に劣るので、たとえばアルゴン（Ａｒ）や、窒素ガス（Ｎ₂）等の他、化合物の炭酸ガス等、必要に応じて１種または２種以上のガスを単独にあるいは混合して使用することができる。実施形態ではＡｒガスを用いて照射するようにしている（ステップ１１２）。
【００１７】
このようなＧＣＩＢ照射により、表面粗さは、原子レベルサイズにまで向上する。また、ガスクラスターイオンビームは、イオンの持つエネルギーが通常のイオンエッチングと異なってより低いため、ウェハ表面に損傷を与えることなく、所要の超精密研磨を可能とする。なお、ガスクラスターイオンビームの被加工物表面への照射では、通常は、その表面に対して略垂直方向から照射するのが好ましい。
代表的な照射条件を表１に示す。
【表１】

エッチング深さは照射部とマスキングを施した非照射部との段差から求める。ＧＣＩＢ照射の平坦化への効果を表２に纏めている。
【表２】

表２に示すように、ＧＣＩＢを照射することにより、Ｒａ＝０．５ｎｍ以下の平坦な表面を得る事ができた。Ｏ₂とＡｒを比較した場合には、Ｏ₂の方がエッチングレート、表面粗さ、共に大きくなった。Ｏ₂照射後にＡｒ照射した場合には、エッチングレートを損なうことなく、平滑な表面Ｒａ＝０．２ｎｍを得る事ができた。また、機械研磨後の表面には多くのスクラッチ傷が存在していたが、ＧＣＩＢ後の表面には観察されなかった。
また、研磨された面の不純物密度を観察したところ、その不純物密度は、１×１０¹¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であることが観察された。
【００１８】
上記実施形態に係るカーボン製モニタウェハでは、熱硬化性樹脂を硬化後に焼成炭化して得られたガラス状カーボン材をウェハ状に加工した後に表面を機械研磨して予め平均表面粗さがＲａ＝１ｎｍ程度まで調整し、その後、研磨面にガスクラスターイオンビームを照射する。この際、ガス種Ｏ₂を用いて２５分間照射した後、ガス種Ａｒを用いて５分間照射して表面を超平坦化する。このようなガス種を変えて連続するＧＣＩＢ照射により、ガラス状カーボン基材に表面粗さＲａ＝０．２ｎｍの表面を作り出すことができる。このような程度の表面が得られれば、半導体製造プロセスで問題となる０．１μｍ以下のパーティクルを検出可能となる。したがって、パーティクルの検出が可能なカーボン製モニタウェハを低コストで作成することができるのである。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、熱硬化性樹脂を硬化後に焼成炭化して得られたガラス状カーボン材をウェハ状に加工した後に表面を研磨し、その後、研磨面にガスクラスターイオンビームを照射して表面を超平坦化するように構成したので、長期間の繰り返し使用が可能でパーティクルの検出が可能であってスクラッチ傷のない、表面清浄度が高く、表面粗さが極めて小さい超平坦面を有するカーボン製モニタウェハを得ることができ、また、低コストで作製することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るカーボン製モニタウェハの製造工程を示すフローチャートである。
【図２】ガスクラスターイオンビーム照射装置の構成図である。
【符号の説明】
５０………ウェハ（ターゲット）、７０………ＧＣＩＢ装置、７１………ソースチャンバー、７２………メインチャンバー、７４………ノズル、７６………スキマー、７８………イオン化部、８０………加速部、８２………減速電解部、８４………加速部。

Claims

熱硬化性樹脂を硬化後に焼成炭化して得られたガラス状カーボン材をウェハ状に加工した後に表面を研磨し、その後、研磨面にガスクラスターイオンビームを照射して表面が表面粗さＲａ０．２ｎｍ以上〜０．５ｎｍ以下であることを特徴とするカーボン製モニタウェハ。
少なくとも片面にガスクラスターイオンビームを照射した表面が表面粗さＲａ０．２ｎｍ以上〜０．５ｎｍ以下の超平坦面であり、研磨された面の不純物密度が１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１記載のカーボン製モニタウェハ。
表面に照射するガスクラスターイオンビームのガス種にＯ_２ガス単独、または、Ｏ_２ガスを含む混合ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載のカーボン製モニタウェハ。