JP5234863B2 - ハイブリッドシリコンウエハ - Google Patents
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Description
一般に、このようなメカニカルウエハは、かなり精度の高い試験が必要とされるので、単結晶シリコンの機械的物性に類似した特性が必要とされる。したがって、従来は、試験用とは言っても、実際に使用される単結晶シリコンウエハをそのまま使用しているのが実情である。しかし、φ400mm以上の単結晶シリコンウエハは非常に高価であるため、単結晶シリコンの特性に類似した安価なウエハが要求されている。
しかし、このようにして製造されるターゲットは、厚みが薄い場合、例えば5mm以下の場合には、比較的密度が高くなり強度的にも向上するが、それを超えるような厚さになった場合には、依然として低密度(99%に満たない)であり、それに伴って機械的強度が劣ることとなり、大型の矩形又は円盤状のターゲットを製造することができないという問題があった。
このシリコン焼結体は、高密度で、機械的強度が高く、多くの利点を有しているものであるが、これらの特性をさらに改善することが要求されていたが、この点を改良した特許出願を行った。
これらシリコン焼結体を用いたウエハは、機械的特性が単結晶シリコンと近いため、半導体製造装置の搬送系や、ロボティックスの開発用としてのダミーウエハに用いることが出来る。また、SOIウエハのベース基板としての適用も検討されている。
また、単結晶シリコンに替えて、高品質の多結晶シリコンを製造するという提案もなされている(特許文献3参照)。しかし、多結晶シリコンは、どのような工夫をしても、単結晶シリコンの特性に及ばないという欠点を有する。
また、本出願人による、先に発明した出願があるが、焼結シリコンを多結晶部に使用するため、結晶方位がランダムであり、研磨時の段差が発生するという問題及びガス成分の不純物が多量に含有するという問題がある(特許文献5参照)。
1)シリコンウエハであって、一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を有することを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ
2)一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコンと単結晶シリコンとの接合界面が、拡散接合していることを特徴とする1)記載のハイブリッドシリコンウエハ
3)ウエハ表面の全面積に対する単結晶シリコンの面積比率が30%以上であることを特徴とする1)又は2)記載のハイブリッドシリコンウエハ
4)一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコン部の面方位が、(331)、(422)、(511)からなることを特徴とする1)〜3)のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
5)一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコン部の結晶粒形状が長尺な面をウエハ面とし、その長尺方向が単結晶シリコンの劈開面に対して、120°〜150°の角度となるように埋め込まれた構造を有することを特徴とする1)〜4)のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
6)多結晶シリコン部の、ガス成分を除く純度が6N以上であり、かつ金属不純物の総量が1wtppm以下、金属不純物の内、Cu、Fe、Ni、Alがそれぞれ0.1wtppm以下であることを特徴とする1)〜5)のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
7)多結晶シリコン部のガス成分であるC及びOが、それぞれ100wtppm以下であることを特徴とする1)〜6)のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
8)ウエハが円盤形であり、該ウエハの全体の直径が400mm以上であることを特徴とする1)〜7)のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ、を提供するものである。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。
一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコンと単結晶シリコンとの接合界面を拡散接合させるのが望ましい。これによって、両者の接合が確実に行うことができる。また、ウエハ表面の全面積に対する単結晶シリコンの面積比率が30%以上とするのが望ましい。これは、単結晶シリコンを有効活用する面積を増加させることを狙いとする。
また、一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコン部の結晶粒形状が長尺な面をウエハ面とし、その長尺方向が単結晶シリコンの劈開面に対して、120°〜150°の角度となるように埋め込むのが、さらに好ましい構造である。これは、後述する実施例に示すように、ハイブリッドシリコンウエハの破壊強度を増加させるためである。
従って、たとえばφ400mm以上の円盤型多結晶シリコンウエハの一部に、円盤型単結晶シリコンウエハが埋め込まれた形のハイブリッドウエハであれば、製作が容易であり、かつ安価に製造可能となる。
単結晶シリコンの大きさには、特に制限はないが、単結晶ウエハの最も長い径が、ウエハ全体の径の50%以上を有していることが望ましい。これによって、単結晶ウエハの特性を利用する試験において、ハイブリッドシリコンウエハを有効に活用できる。特に単結晶の埋め込み位置を偏芯させ、半径方向の分布を試験する場合には有効である。
しかし、これらの形に制限されるものではない。大きさの限界は、多結晶シリコンウエハに単結晶ウエハを保持できるサイズであり、これも特に限界があるといものではない。また、上記よりも小さいサイズの単結晶ウエハを埋め込むことも、勿論可能である。さらに、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハとの接合強度を高めるために、接合界面は、相互に拡散接合していることが望ましい。用途によっては接着層を挿入しても良い。
次に、この複合体をスライスして多結晶シリコンの中に単結晶シリコンウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを作製することができる。
この製作方法は、一度に多数枚のハイブリッドシリコンウエハを製造することを目的とするものであり、一枚毎にハイブリッドシリコンウエハを製造することも、当然可能である。
以上から、本願発明の「ハイブリッドシリコンウエハ」は、多目的利用が可能であり、従来は、この特性を備えたシリコンウエハは存在していない。
一方向凝固溶解法により純度6N、Cu、Fe、Ni、Alの不純物濃度が各々0.1ppm以下、酸素及び炭素含有量100ppm以下の柱状晶多結晶シリコンインゴットを作製した。この場合、一方向凝固溶解法により作製した柱状晶の多結晶シリコンの面方位は、(331)、(422)、(511)からなっていた。
また、本実施例では、極力多結晶シリコン部の純度を高めるために、上記の通りガス成分を除く純度が6N以上であり、かつ金属不純物の総量が1wtppm以下、金属不純物の内、Cu、Fe、Ni、Alがそれぞれ0.1wtppm以下、ガス成分であるC及びOが、それぞれ100wtppm以下である原料を使用した。
次に、この複合体を厚さ1.01mmにスライスし、直径450mmの多結晶シリコンウエハの中に、直径300mmの単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドウエハを作製した。この後、スライス面を粗研磨、精密研磨し、厚み0.925mm、平均表面粗さRa0.02μmの鏡面ハイブリッドシリコンウエハを得た。
次に、単結晶ウエハの劈開面に沿った方向に曲げ荷重を負荷した時のウエハが割れる荷重を比較した。この場合の試験は、図2に示すように、サンプルサイズを全て直径450mm、厚さ925μmとし、ウエハより十分に長いウエハの中心を通る棒と、その線に対称で150mm離れた2本の棒を支点として、3点曲げした場合の破断荷重を測定することのより行った。
前記表1から、多結晶シリコンの結晶粒の長尺方向と単結晶シリコンの劈開面との角度が、特に120°〜150°の範囲で、破壊荷重が増大することが判った。しかしながら、90°〜120°、150°〜180°の範囲においても、破壊荷重が14.5〜17.5Kgfレベルを有する。
なお、多結晶シリコンは不純物の混入は好ましくないので、純度6Nのシリコンを使用したが、純度5Nレベルであっても、不純物金属成分Cu、Fe、Ni、Alが各々0.1ppm以下であれば、特に問題なく使用できる。また、純度5N以上であれば、機械的特性に影響を受けることもなかった。
多結晶シリコン部の、不純物であるCu、Feがそれぞれ0.5wtppm、0.3wtppm、Ni、Alがそれぞれ0.1wtppm以下であり、ガス成分を除く純度が6N以上であるハイブリッドシリコンウエハを作製した。
この場合、不純物であるCu、Feの影響を調べるために、熱転写試験を実施したところ、接触させた単結晶ウエハにCu、Feの転写が見られた。したがって、高温での熱処理が含まれる工程に使用するダミーウエハとしては使用できない。しかしながら、不純物であるCu、Feの影響はそれほど大きくなく、高温での熱処理を含まない工程のダミーウエハとしては、十分に使用できるものであった。
多結晶シリコン部の、不純物であるCu、Fe、Ni、Alがそれぞれ0.8wtppm、1.2wtppm、0.3wtppm、0.6wtppm、ガス成分を除く純度が5N以上であるハイブリッドシリコンウエハを作製した。
この場合、不純物であるCu、Fe、Ni、Alの影響を調べるために、熱転写試験を実施したところ、接触させた単結晶ウエハにCu、Fe、Ni、Alの転写が見られた。しかし、それ以外の不純物の転写は見られなかった。
以上の結果、高温での熱処理が含まれる工程に使用するダミーウエハとしては使用できないが、不純物であるCu、Fe、Ni、Alの影響はそれほど大きくなく、高温での熱処理を含まない工程のダミーウエハとしては、十分に使用できるものであった。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。本願発明のハイブリッドシリコンウエハに備わる一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコンウエハは、メカニカルウエハとして使用される単結晶シリコンの機械的物性を向上させた特性を備えている。
すなわち、強度が高く、割れやチッピングを発生することなく、複雑な形状にも容易に加工することができる。このように、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハは、単結晶ウエハ単独に比べ、歩留まりを大きく向上させ、製造コストを低減できるという大きな特徴を有するので、成膜装置などのテストウエハとして、また半導体製造装置の各種部品としても有用である。
Claims (7)
- シリコンウエハであって、一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を有し、多結晶シリコンと単結晶シリコンとの接合界面が、拡散接合していることを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。
- ウエハ表面の全面積に対する単結晶シリコンの面積比率が30%以上であることを特徴とする請求項1記載のハイブリッドシリコンウエハ。
- 一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコン部の面方位が、(331)、(422)、(511)からなることを特徴とする請求項1〜2のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
- 一方向凝固溶解法により作製した多結晶シリコン部の結晶粒形状が長尺な面をウエハ面とし、その長尺方向が単結晶シリコンの劈開面に対して、120°〜150°の角度となるように埋め込まれた構造を有す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ハイブリッドシリコンウエハ。
- 多結晶シリコン部の、ガス成分を除く純度が6N以上であり、かつ金属不純物の総量が1wtppm以下、金属不純物の内、Cu、Fe、Ni、Alがそれぞれ0.1wtppm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
- 多結晶シリコン部のガス成分であるC及びOが、それぞれ100wtppm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
- ウエハが円盤形であり、該ウエハの全体の直径が400mm以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
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