JP4392397B2 - ホウ素拡散材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はホウ素拡散材の製造方法に関する。

従来、ｐ型の半導体又は半導体層を形成するため、ホウ素をシリコン等に拡散させることが行われている。拡散方法としては、イオン注入による方法もあるが、ホウ酸をシリコン基板等の被処理基板の表面に付着させ、加熱してホウ素を拡散させる方がより簡便であり、大型のイオン注入装置も不要であることから広く用いられている。具体的には、被処理基板とホウ素拡散材（以下、「ウェハ」ともいう。）とを、数ｍｍの間隔を設けて対峙させ、非酸化性雰囲気下、９００〜１２００℃で加熱することによって、ウェハ表面から蒸発したホウ酸（Ｂ2 Ｏ3）を被処理基板に堆積させ、更に加熱を続けてホウ素を拡散させる方法である。ウェハとしては、被処理基板とほぼ同等広さの平面を持つ窒化ホウ素焼結体からなる面状体を例示することができる（特許文献１）。
特公昭５１−４３９４２号公報

ウェハの今日の課題は、半導体部材の大量生産に対応させるべく、シリコン基板等の被処理基板の表面にホウ酸を堆積させる工程時間を短縮することであり、ホウ酸の蒸発量の多いウェハを開発することである。

本発明の目的は、９００〜１２００℃の加熱によってホウ酸の蒸発量の多いウェハを提供することである。

本発明は、平均粒子径が１０〜３０μｍである窒化硼素粉末を５〜２５質量％、平均粒子径が３μｍ以上１０μｍ未満である窒化硼素粉末を７５〜９５質量％を含み、必要に応じて焼結助剤を含有させた原料粉末を型に充填し、一軸加圧焼結をして焼結体を製造した後、この焼結体から、ホウ素拡散材の使用時に被処理基板に対峙させる面と一軸加圧方向とのなす角度を１０度以下にして面状体を切り出すことを特徴とするホウ素拡散材の製造方法である。この場合において、面状体を切り出す前の一軸加圧焼結体には、非酸化性雰囲気下、温度２０００〜２１００℃で５〜１５時間保持する熱処理が施されていることが好ましく、またホウ素拡散材の窒化硼素の純度が９９質量％以上であることが好ましい。

本発明によれば、９００〜１２００℃の加熱によってホウ酸の蒸発量の多いウェハが提供される。

本発明は、平均粒子径の異なる二種類の窒化硼素粉末を含む原料粉末を用いて一軸加圧焼結体を製造し、特定の角度をもってウェハを切り出すことに特徴がある。原料粉末としては、平均粒子径が１０〜３０μｍである窒化ホウ素粉末（以下、「ＢＮ粗粉」ともいう。）を５〜２５質量％、平均粒子径が３μｍ以上１０μｍ未満である窒化ホウ素粉末（以下、「ＢＮ微粉」ともいう。）を７５〜９５質量％含み、必要に応じて焼結助剤を含有させたものを用いる。

ＢＮ粗粉の平均粒子径が３０μｍを超えると、一軸加圧焼結体中に３０μｍを超えるＢＮ粒子の割合が多くなるので、ウェハの局所的な酸化が起こり反りが発生しやすくなる。ＢＮ粗粉の平均粒子径が１０μｍ未満であるか、又はＢＮ粗粉の割合が５質量％未満であると、一軸加圧焼結体中の窒化ホウ素粒子が十分に配向しないので、本発明のような角度でウェハを切り出しても、ホウ酸蒸発量の多いウェハを得ることができない。ＢＮ粗粉の割合が２５質量％を超えると、一軸加圧焼結体のＢＮ粗粉の割合が大きくなり、ウェハを被処理基板に対峙させたときの対峙面における窒化ホウ素粒子の露出面積が小さくなってホウ酸の蒸発量が少なくなる。

ＢＮ微粉の平均粒子径が３μｍ未満であると、焼結に必要な量を超えるホウ酸を含有する粉末となるので、一軸加圧焼結時に液相を形成しやすくなり色ムラやシミの原因となる。色ムラやシミのある箇所には比較的多くの酸素が存在するので、ウェハのホウ酸の蒸発が不均一になる恐れがある。ＢＮ微粉の平均粒子径が１０μｍ以上であると、ホウ酸含有量の少ない粉末となり焼結性が低下する。これを補うべく焼結助剤を添加すると、ウェハ純度の低下が懸念される。ＢＮ微粉の割合が７５質量％未満であると、原料粉末中のＢＮ粗粉の割合が大きくなり（３０μｍを超えるＢＮ粒子の割合が多くなり）、ウェハの局所的な酸化が起こり反りが発生しやすくなる。ＢＮ微粉の割合が９５質量％を超えると、一軸加圧焼結体中の窒化ホウ素粒子が十分に配向しないため、本発明のような角度でウェハを切り出してもホウ酸蒸発量の多いウェハを得ることができない。

焼結助剤としては、窒化硼素の焼結に用いられている各種のホウ素化合物等を使用することができるが、ホウ酸が好ましい。使用量は、ＢＮ粉１００質量部に対して、Ｂ_２Ｏ_３として０．５〜３質量部であることが好ましい。

ＢＮ微粉、ＢＮ粗粉、焼結助剤の混合には、ボールミル、振動ミル、リボンブレンダー、ヘンシェルミキサーなどの混合装置が使用される。原料粉末を金型等の型に充填し、例えば温度１４００〜１９００℃、圧力１２〜１５ＭＰaで一軸加圧焼結して一軸加圧焼結体を製造する。これによって、窒化ホウ素粒子のa軸方向が一軸加圧方向に対して約９０°に配向した粒子の割合をより高めた焼結体を製造することができる。

一軸加圧焼結体にホウ酸が不均一分布していると、ウェハのホウ酸の蒸発がばらつき、また反りが大きくなる恐れがある。そこで、ウェハを切り出す前の一軸加圧焼結体にはできるだけホウ酸量を減じておくことが好ましく、それには一軸加圧焼結体を窒素等の非酸化性雰囲気下、温度２０００〜２１００℃で５〜１５時間保持する熱処理を施しておくことが好ましい。

一軸加圧焼結体からウェハを切り出すには、焼結体中に配向した窒化硼素粒子のa軸方向を、非処理基板と対峙させるウェハ面にできるだけ多く露出させるため、そのウェハの対峙面と一軸加圧方向とのなす角度を１０度以下、好ましくは５度以下にして面状体を切り出してウェハとする。この場合において、ウェハのＢＮ純度を９９質量％以上としておくことによって、窒化硼素粒子のa軸方向の露出効果が助長される。ウェハの寸法（面状体）の一例を示せば１０〜４０ｍｍ×３０〜２００ｍｍ×１〜２ｍｍである。

実施例１
パワフルミキサーで３時間混合し、表１に示す原料粉末を調製した。これを金型に充填し、１８００℃、１４ＭＰａの条件で一軸加圧焼結した後、更に窒素雰囲気下、温度２０７０℃で１０時間保持する熱処理を施して一軸加圧焼結体を製造した。この焼結体から、ウェハの使用時に被処理基板と対峙させる面と一軸加圧方向とのなす角度を表１に示す角度にして面状体（２５ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ）を切り出してウェハとした。切り出しはスライシングマシーンによって行った。

実施例２〜６
面状体の切り出し角度を５度（実施例２）又は１０度（実施例３）としたこと、一軸加圧焼結体に温度２０７０℃で１０時間の更なる熱処理を施さなかったこと（実施例４）、ＢＮ粗粉の平均粒子径を変えたこと（実施例５）、焼結助剤を添加しなかったこと（実施例６）以外は、実施例１と同様にしてウェハを製造した。

比較例１〜７
ＢＮ粗粉又はＢＮ微粉の平均粒子径を変えたこと（比較例１〜４）ＢＮ粗粉とＢＮ微粉の割合を変えたこと（比較例５、６）、面状体の切り出し角度を９０度に変更したこと（比較例７）以外は、実施例１と同様にしてウェハを製造した。

得られたウェハについて、以下に従う物性を測定した。それらの結果を表１に示す。
（１）ＢＮ純度
ＢＮ純度は、窒素の定量分析をケルダール法によって行い、式、ＢＮ純度（％）＝窒素の定量分析値×１００／ＢＮの理論窒素含有量、により算出した。
（２）焼結密度
ＢＮウェハの寸法と質量から密度を測定した。
（３）外観
ウェハの変色部を光学顕微鏡で観察し、１００μｍをこえる色ムラやシミ等の変色部を色ムラとした。また、ソリは大気雰囲気下、温度１０００℃で２４時間保持した後、隙間ゲージで測定し、１mm以上の隙間をソリとした。色ムラ及びソリが無いものを「色ムラ・ソリ無し」、色ムラがあるものを「色ムラ有り」、ソリのあるものを「ソリ有り」とした。
（４）ホウ酸の蒸発量
ソリ、シミのないウェハを管状炉内に直立させた状態で配置し、酸素雰囲気下、温度１０００℃、１時間保持した後、更に窒素雰囲気下、１０００℃で２０時間保持した。これら一連の処理の前後において、ウェハの質量を測定し、その減少量を処理前のウェハの質量で割り、その百分率を更にＢ_２Ｏ_３に換算した。

ウェハとして利用することができる。

Claims (4)

1. 平均粒子径が１０〜３０μｍである窒化硼素粉末を５〜２５質量％、平均粒子径が３μｍ以上１０μｍ未満である窒化硼素粉末を７５〜９５質量％を含む原料粉末を型に充填し、一軸加圧焼結をして焼結体を製造した後、この焼結体から、ホウ素拡散材の使用時に被処理基板に対峙させる面と一軸加圧方向とのなす角度を１０度以下にして面状体を切り出すことを特徴とするホウ素拡散材の製造方法。
2. 前記原料粉末に焼結助剤を含有させることを特徴とする請求項１に記載のホウ素拡散材の製造方法。
3. 面状体を切り出す前の一軸加圧焼結体に、非酸化性雰囲気下、温度２０００〜２１００℃で５〜１５時間保持する熱処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のホウ素拡散材の製造方法。
4. ホウ素拡散材の窒化硼素の純度が９９質量％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のホウ素拡散材の製造方法。