JP4785834B2 - 半導体被覆基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、半導体処理において使用するに適する基板の製造に関し、コーティング物質の接着を促進するように基板の表面を最初に粗面化処理する。次いで、表面を処理して基板上の残留粒子を除去し、その後、表面を金属酸化物組成物で被覆する。

石英などの基板材料は、半導体産業において種々の目的で使用されている（例えば、エッチング処理チャンバにおける誘電体バリア）。基板表面は、しばしば、機械的に強化されて表面積を増加させなければならない。

機械的強化は、米国特許第5,202,008号明細書、第5,391,275号明細書及び第6,565,667号明細書（本願に援用する）に開示されているようなビードブラスト処理（bead blasting）として一般に知られている圧力下での研磨材による表面処理により達成され得る。

ビードブラスト処理（bead blasting）は、コーティング物質の新しい層の接着を促進するべく、基板表面上に存在するコーティングを除去するために及び／又は表面積を増加させることにより表面を準備するためにしばしば用いられる。しかし、ビードブラスト処理（bead blasting）は、表面に塗膜されたコーティングに不利な影響を与え得る小さな粒子を含む表面を創製することがある。

ビードブラスト処理された基板表面を続いて強酸で処理することにより、いくつかの成功例が得られている。これは、埋設粒子及び遊離破片を取り除くことができ、こうしてビードブラスト処理（bead blasting）単独で得ることができるよりも清浄な表面を提供する。しかし、ビードブラスト処理（bead blasting）と酸処理との組み合わせは、処理済み基板表面からすべての粒子を常に除去するわけではない。さらに、残りの表面は、ギザギザの部分を含み得る。ギザギザの部分は、基板を更に処理する際に遊離粒子を生じさせ得る。

例えば、半導体ウェハ製造チャンバ内の消耗成分として石英を使用することは通常行われることである。ここで、チャンバの目的は二酸化珪素、酸化銅などの金属酸化物をシリコンウェハ表面から除去することにあってもよい。このチャンバ内において、高周波はアルゴン原子を励起させ、励起されたアルゴン原子はウェハ表面をスパッタエッチングし、こうして表面酸化物層を取り除く。ビードブレスト処理された石英もまた、二酸化珪素の小さな粒子を含む。この小さな粒子は、プラズマエッチング処理中に外れて、シリコンウェハ表面上に堆積し、欠陥を生じさせることがある。チャンバ内のビードブラスト処理された石英成分について、この塗膜は、プラズマガンを通して基板材料の表面に集中された物質によるビードブラスト処理された石英の被覆に特異的であり、ウェハからエッチングされた物質の接着を促進し並びにビードブラスト（bead blasting）処理により発生する粒子内に封じ込める。コーティングの塗膜は、塗膜ガン（銃）内部でのプラズマの形成に由来し、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム及びこれらの混合物などのガスを介して典型的に利用され（applied）、創製される。粒子を含まないビードブラスト処理された石英表面を達成するための従来の方法は、the BOC Group, Inc.のthe BOC Edwards Divisionにより上市されているような半導体物質の表面を化学的にエッチングすることにより行われていた。

この種のプロセスは、後ビードブレスト処理された（post bead blasted）金属又は絶縁物質が化学的にエッチングされて、埋設不純物を取り除き、表面の機械的改質によって発生した基板の遊離破片を取り除く場面での利用である。

いくつかのプラズマエッチングシステムにおいて、基板材料の緩やかに保持されている粒子は残存し、基板及び半導体アセンブリの一体性に不利な影響を与え得る。粗面化処理及びその後の化学的エッチングのシステムは、そのような基板材料の緩やかに保持されている粒子の除去を改良したが、いくつかのケースでは、基板は、粒子状物質又は半導体アセンブリの更なる処理の間に取り除かれるようになり得る粒子状物質を発生させ得る小さなクラックのいずれかを含む。前述のように、これらの粒子は、基板材料及び基板材料により製造される半導体ウェハの機能に不利な影響を与えることがある。

したがって、半導体産業において使用するに典型的に適する基板材料の表面を、表面の粗面化処理中に形成される基板材料のいかなる粒子も少なくとも実質的に含まないようにすることができる方法を提供することが望ましい。また、半導体アセンブリ形成プロセスの後続の工程中に小さな粒子が発生しないように、基板材料の表面を処理することが望ましい。このような方法は、基板を半導体アセンブリの製造に用いられるに適するようにする。

本発明は、概して、基板材料の表面を初期粗面化処理により処理し、さらに粗面化処理中に形成される遊離粒子を除去する、半導体処理における使用に適する基板の製造方法に関する。粗面化処理された表面は、最終的に、少なくとも1種の金属酸化物を含むコーティング組成物で被覆される。このような金属酸化物としては、薄層コーティングを提供するために、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、二酸化珪素、これらの組み合わせなどを挙げることができる。

本発明の特定の側面において、半導体処理における使用に適する基板の製造方法であって、
a)基板材料の表面を粗面化処理して、ミクロ割れを発生させる工程と
b)粗面化処理された表面を処理して、粗面化処理された表面上に残留している基板材料の少なくとも実質的にすべての粒子を除去する工程と、
c)粗面化処理された表面を、少なくとも1種の金属酸化物を含むコーティング組成物で被覆する工程と、
を含む方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態において、コーティング組成物は酸化ジルコニウムを含む。

好ましい実施形態

添付図面は、本発明の実施形態を示すもので、本願特許請求の範囲によって規定される発明を限定するものではない。
本発明は、概して、基板表面を最初に粗面化処理して、次いで、半導体アセンブリにまで更に処理するに適する基板材料の非導電性表面を提供するために好ましくは誘電体であるコーティング組成物の薄層で最終的に被覆する、半導体処理において使用するに適する基板を製造する方法に関する。

半導体材料の表面を最初に粗面化処理して、基板材料の特性に不利な影響を与えることがある表面物質を取り除き、表面の接着性を改良し、ウェハなどの半導体アセンブリの形成に適するものとしなければならない。基板材料は、石英、セラミック、酸化アルミニウムを含む金属酸化物及びアルミニウム等の金属などの半導体産業において使用するに適する適宜の物質でよい。石英は誘電性で製造時に比較的純粋なので、石英は特に有用な基板材料である。

基板材料の表面を粗面化処理する態様は変えることができるが、典型的にはビーズの形態での研磨材を用いることが望ましい。ビーズの形態での研磨材は、半導体アセンブリ製造時の使用に適する表面粗さを生じさせる特定の条件下でノズルを通して加圧下で与えられる。表面粗さの程度は、典型的には180〜320μインチRa（micro-inches Ra）の範囲であり、好ましくは200〜300μインチRa（micro-inches Ra）の範囲であり、最も好ましくは200〜250μインチRa（micro-inches Ra）の範囲であろう。このような表面粗さ状態は、圧力、グリット・サイズ（grit size）及び研磨材までの距離を調節することによって得ることができる。このようなシステムは、望ましくは粗面化処理された表面を生じさせるが、ミクロ割れ内に留まる粒子を含む表面上に、基板材料の微粒子を残留させることを特徴とする。

これらの留まっている粒子は、次いで、粗面化処理された基板材料を硝酸及び／又はフッ化水素酸などの強酸を比較的高濃度で典型的に含有する薬浴で処理することによって、少なくともある程度までは除去され得る。強酸の典型的な濃度は15〜50 vol％であり、好ましくは25〜35 vol％である。酸薬浴は、十分に高濃度で強酸を含み、基板表面上に残留している基板材料の粒子の少なくとも幾分かの除去を促進することができる。好ましい方法において、粗面化処理された表面は化学的にエッチングされて、埋設不純物が取り除かれ、表面の機械的改質により発生する基板材料の遊離破片が取り除かれる。

上述の酸エッチング処理システムは、緩やかに保持されている粒子を取り除くために効果的に作用するが、半導体アセンブリを製造するために更に処理する間に、粗面化処理された表面のミクロ割れがさらに追加の粒子を形成し得ることが観察されている。酸エッチング処理後に、ミクロ割れのギザギザの縁片は、表面から取り除かれるか又は破壊され、こうして、ミクロ割れ自身が望ましくない遊離粒子源となり得る。

本発明によれば、薄コーティング、好ましくは誘電体コーティングを粗面化処理され酸エッチング処理された表面に与えることにより、少なくとも実質的にすべての遊離粒子が取り除かれている粗面化処理された基板材料の表面をさらに処理することができ、粗面化処理された表面に含まれているミクロ割れから基板材料の追加の粒子が外れて発生することを防止する。

薄コーティングを形成するために用いられるコーティング組成物は、効果的な好ましくは誘電体コーティングを形成する適宜のコーティング組成物でよく、半導体アセンブリへの基板材料の更なる処理中に、基板表面の粒子が外れて発生することを防止する。コーティングは、ミクロ割れを充填し被覆するために十分な厚み、典型的には0.025cm（0.010インチ）以下であろう。コーティング組成物は、二酸化珪素を含む金属酸化物コーティングから選択される。好ましい金属酸化物コーティングとしては、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム及び／又は酸化アルミニウムを挙げることができる。酸化ジルコニウムの存在、特にコーティング組成物の主成分としての存在が好ましい。本発明の好ましい形態において、コーティング組成物は、少なくとも92%の酸化ジルコニウムを含むであろう。酸化ジルコニウムは酸化アルミニウムなどの他の金属酸化物よりも化学的に純粋であるように見えるので、コーティング組成物の好ましい成分である。酸化アルミニウムは、しばしば、少量の酸化ナトリウムを含む。プラズマプロセス中、ナトリウムは基板材料に転移する。

コーティング組成物は、望ましくはプラズマとして適用され、プラズマの形成は図1に概略図示されている。図１を参照すれば、コーティング組成物のプラズマスプレイ4を発生させるプラズマスプレイアセンブリ2は、プラズマを展開するための源6、典型的には水素、窒素、アルゴン、ヘリウム及びこれらの混合物からの適宜のガスを提供することにより創製され得る。プラズマガスは、プラズマガン9に固体として、典型的には粉末形態で供給されるコーティング組成物材料8（例えば、酸化ジルコニウム）と組み合わせられる。プラズマガン9のプラズマチャンバにて発生する高温（例えば、5537.8℃〜16648.9℃（10,000゜F〜30,000゜F））は粉末を溶解させて、コーティング組成物を薄層として、ビードブラスト（bead blasting）により粗面化処理された基板などの上述の粗面化処理された基板に塗膜させ得る。

圧縮空気又は適宜圧縮ガスは、源10からプラズマガン9に提供され、プラズマガン内の溶融物質を基板表面まで進行させる。加えて、氷結器12からの氷の結晶の形態での凍結水は、プラズマガンに提供されて、プラズマガンから提供されるプラズマスプレイの温度を制御する。

コーティング組成物の厚みは、基板の粗面化処理された表面に含まれるミクロ割れ（典型的には0.013cm（0.005インチ）以下であり、より好ましくは0.015cm（0.006インチ）以下である）を充填するに十分であろう。したがって、コーティング組成物は典型的には0.025cm（0.010インチ）以下の厚みを有するであろう。ミクロ割れの充填は、ミクロ割れのギザギザの縁部が外れて、遊離粒子となることを防止する。結果的に得られる被覆表面は、ミクロ割れのギザギザの部分からの望ましくない粒子の形成を防止することに加えて、半導体アセンブリの連続展開のためのより良好な接着性を提供する平滑な基板表面をも提供し、表面上の望ましくないガスの存在（すなわち、ガス放出）を顕著に減少させる。

本発明の別の好ましい実施形態において、基板材料の実質的にすべての遊離粒子が粗面化処理された基板表面から取り除かれた後、粗面化処理された基板は、次いで、典型的には脱イオン水中で、好ましくは米国特許第5,651,797号明細書（本願に援用する）に記載されているタイプの超音波洗浄タンク内に浸しながら、超音波洗浄されてもよい。

二酸化珪素の層を有する石英製の薄ウェハ基板（試料１）をシリコンカーバイドのビードでビードブラスト処理して、0.076cm（0.03インチ）カット長を用いて、表面粗さを180〜220μインチRa（micro inch Ra）の範囲とした。次いで、ビードブラスト処理されたウェハを、70%強硝酸33% v/v、69%強フッ化水素酸33% v/v及び脱イオン水34%を含む酸薬浴で１〜２分間、処理した。

こうして処理したウェハを脱イオン水でリンスして、5.0 Meg Ohm-cm超過、23.89℃〜32.2℃（75〜90゜F）の温度で、2分間、米国特許第5,651,797号明細書に記載されている超音波洗浄タンク内で、脱イオン水中で超音波洗浄した。次いで、ウェハを0.01ミクロン濾過窒素を用いて乾燥し、121.1℃（250゜F）で2時間窒素雰囲気中で焼いた。

こうして乾燥して焼いたウェハを98%よりも多い酸化アルミニウムを含むコーティング組成物で被覆して、ウェハの表面上に0.005cm（0.002インチ）の厚みを有するコーティングを形成し、半導体アセンブリの形成のための後続の処理中に、粒子の解離を少なくとも実質的に防止するに十分な接着性を有するコーティング層を生じさせた。

コーティング物質、コーティング厚み及びウェハ表面粗さをTable 1に示すように変えた点を除いて、試料2〜18を試料１と同じ態様で調製した。

試料2〜18の各々は、半導体アセンブリの形成のための後続の処理中に少なくとも実質的に粒子解離を防止するに十分な接着性を有するコーティング層を示した。酸化ジルコニウムコーティングは、酸化アルミニウムコーティングよりも好ましい。なぜなら、酸化ジルコニウムコーティングはガス放出がより少なく、水蒸気保持がより少なく、基板材料の表面上での残留アニオン及びカチオン種がより少ないからである。

図１は、本発明によりコーティング組成物を粗面化処理された基板表面に与えるためのプラズマスプレイアセンブリの構成要素の説明図である。

Claims (15)

1. 半導体処理において使用するに適する基板の製造方法であって、
   ａ）基板材料の表面を粗面化処理して、ギザギザの縁部を有するミクロ割れを生じさせる工程と、
   ｂ）前記ａ）工程で粗面化処理された表面を、１５〜５０ｖｏｌ％の強酸を含む薬浴に１〜２分間浸漬して、粗面化処理された表面上に残っている基板材料の粒子を除去する工程と、
   ｃ）前記ｂ）工程で粗面化処理された表面を、少なくとも１種の金属酸化物を含むコーティング組成物で被覆する工程と、を含む方法。
2. 前記基板は、石英、セラミック、金属及び金属酸化物からなる群より選択される物質から構成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記コーティング組成物は、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記コーティング組成物は、酸化ジルコニウム及び酸化イットリウムを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記粗面化処理された表面を被覆する工程は、プラズマ発生ガス及び前記コーティング組成物を含むプラズマを発生させ、該コーティング組成物を該粗面化処理された表面に塗膜するに十分な態様で該プラズマを該粗面化処理された表面に誘導することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記プラズマを圧縮空気の存在下で発生させることをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記プラズマを５，５３７．８℃〜１６，６４８．９℃（１０，０００〜３０，０００゜Ｆ）の温度で発生させることを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記基板材料の表面を粗面化処理する工程は、
   ａ）前記基板材料を粗面化処理する物質の固体粒子と接触させて、表面粗さを１８０〜３２０μインチＲａ（ｍｉｃｒｏ ｉｎｃｈ Ｒａ）の範囲とすることを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記表面粗さは２００〜３００μインチＲａ（ｍｉｃｒｏ ｉｎｃｈ Ｒａ）である、請求項８に記載の方法。
10. 前記ｃ）工程の前に、前記ｂ）工程で粗面化処理された表面を超音波洗浄処理することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記強酸の濃度は２５〜３５ ｖｏｌ％である、請求項１に記載の方法。
12. 前記薬浴は、硝酸及びフッ化水素酸を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記ミクロ割れの深さは０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）以下である、請求項１に記載の方法。
14. 前記ｂ）工程で粗面化処理された表面を被覆する工程は、ギザギザの縁部を有するミクロ割れを被覆することを含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記コーティングの厚みは０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ）以下である、請求項１４に記載の方法。

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