JPH0547737A - 素子ウエハのエツチング制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エッチャントの浪費が少なく、且つ高い生産
性で、目標通りの平均厚み、及び、平坦度の素子ウエハ
を生産する。 【構成】 素子ウエハの外観的平坦度、及び、素子ウエ
ハの残留応力層の厚み分布を測定し、これらに基づいて
残留応力層を除去した後の有効平坦度を推定し、この推
定値を基に、最も平坦となるエッチング条件を選択して
エッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体材料の素子ウ
エハ、特にエッチング加工前の状態で、スライス及び／
又はラッピングによる機械加工に基づく残留応力層を有
する素子ウエハのエッチング制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料としての素子ウエハは、シリ
コンや砒化ガリュウム等のインゴットを鋸断（スライ
ス）して得られた平坦度の悪い状態から、エッジ研削、
ラッピング等の機械加工を経て、エッチング及びポリッ
シングにより、鏡面ウエハに仕上げられる。

【０００３】平坦度のよい鏡面ウエハを得るためには、
エッチングにおいてできる限り平坦にすると共に、最適
なポリッシング条件を選択しなければならない。

【０００４】ここで、エッチング工程は、ポリッシング
工程に先立ち有害な残留応力層を除去することを目的と
している。

【０００５】即ち、スライスやラッピング等の機械加工
によって、ウエハに生じた残留応力層は、無応力層に比
べて結晶光子が歪んでいるため、半導体素子としての電
子的特性を狂わせる大きな原因になる。更に、半導体製
造工程中に加えられる熱処理等で、割れの原因にもなる
ので、これをエッチングによって除去するものである。

【０００６】このようなエッチングが最適になされない
と、エッチングによってかえって素子ウエハの平坦度が
損なわれることになり、時間の無駄、エッチャントの浪
費を招くことになるために、最適エッチング条件を選択
する必要があり、このためには、従来は、エッチング前
あるいはエッチング後において、素子ウエハの平坦度を
測定し、これを適宜エッチング工程の条件選択にフィー
ドバックさせていた。

【０００７】このような従来からの素子ウエハの平坦度
の測定方法としては、静電容量センサによりウエハ表面
を相対的２次元走査を行う方法、特開平２−２８００３
号公報に開示されるような、差動トランス型距離測定セ
ンサを用いる方法がある。

【０００８】又、エッチング方法としては、例えば特開
昭５０−５３７７５号公報に開示されるような、素子ウ
エハのエッジをローラで垂直に支持して回転させながら
液槽に浸し、更に液の濃度と温度を一定に制御すること
によって、平坦でステイン（しみ）やスクラッチのない
ウエハを、少ないエッチャント使用量でエッチングする
方法がある。

【０００９】又、特開昭５８−１６６７２６号公報に
は、表面に導通路を持つ平板をウエハと平行に動かしな
がら素子ウエハをエッチングすることによって、エッチ
ャントが攪拌され、均一にエッチングされる装置が開示
されている。

【００１０】更に、特開昭５９−２１９４７６号公報に
は、主液槽と反応槽からなり、濾過されたエッチャント
が分配管と枝管を経て、スリット板で支持された多孔板
で整流されて反応槽に送り込まれることによって、平面
度と平行度のよい素子ウエハを得るようにしたエッチン
グ装置が開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記静電容量センサに
よって相対的２次元走査を行う方法は、残留応力層を有
する素子ウエハの平坦度測定に利用することができない
という問題点がある。

【００１２】即ち、静電容量センサは、被測定物及びセ
ンサと被測定物との間の誘電率が一定であることが必要
条件であるが、残留応力層を有する素子ウエハでは圧電
現象により素子ウエハ内の誘電率が無応力状態のそれか
ら変化していて、距離の測定値が残留応力の大小によっ
て大きく変化して、正確な距離の測定が不可能だからで
ある。

【００１３】又、前記差動トランス型距離測定センサを
用いたものが、センサを素子ウエハに直接押付けなけれ
ばならないので、素子ウエハの表面に新たな残留応力層
や欠陥を生じさせる恐れがあるという問題点がある。

【００１４】又、前記エッチング方法及びエッチング装
置では、素子ウエハの外観上の平坦度及び残留応力層の
厚みの分布のどちらも考慮されていなかった。換言すれ
ば、エッチングされる素子ウエハは、外観上平坦であっ
て、残留応力層の厚みが均一であることを前提としてい
た。

【００１５】従って、無応力層までエッチングしてしま
って、エッチング後の素子ウエハの厚み不良や、平坦度
不良、更には時間及びエッチャントの浪費という問題を
生じていた。

【００１６】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、残留応力の大きさ及び残留応力層
の厚みに影響されることなく、且つ、非接触で、素子ウ
エハの有効平坦度を推定し、これに基づき、無応力層を
必要以上にエッチングすることがなく、生産性を改善
し、且つ、エッチャントの浪費が少なく、目標通りの平
均厚み、及び、平坦度の素子ウエハを生産できる素子ウ
エハのエッチング制御方法を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、素子ウエハの
外観的平坦度、及び、該素子ウエハの残留応力層の厚み
分布を測定し、これらの測定値に基づき前記残留応力層
を除去した後の有効平坦度を推定し、該推定値を基に、
最も平坦となるエッチング条件を選択してエッチングす
ることにより、上記課題を達成するものである。

【００１８】ここで、前記エッチング条件は、エッチン
グ槽内におけるエッチャントの温度やエッチャントの成
分、濃度並びに素子ウエハ周囲での流速、素子ウエハの
回転速度であることにしてもよい。

【００１９】更に、前記エッチング条件を前記素子ウエ
ハの材料成分の種類及び濃度に応じて選定することにし
てもよい。

【００２０】

【作用及び効果】この発明によれば、まず素子ウエハの
平坦度を外観的平坦度として測定しているので、例えば
静電容量センサで平坦度を測定した場合のように、残留
応力層の影響を受けることがない。

【００２１】次に、素子ウエハの条件やラッピング条件
を一定に保てば、ラッピング後の素子ウエハの残留応力
層の厚みと素子ウエハ表層部の残留応力値とがよく対応
するから、素子ウエハの残留応力層の厚み分布を測定し
て、外観的平坦度と残留応力層の厚み分布の測定値に基
づいて、残留応力層を除去した後の素子ウエハの有効平
坦度を推定しているので、無応力層よりもはるかに速く
エッチングされる残留応力層の除去後の平坦度を正確に
推定することができる。

【００２２】更に、この推定値に基づいて、エッチング
条件を最適に選んでエッチングし、平坦な素子ウエハを
能率良く得ることができる。

【００２３】又、請求項２によれば、前記エッチング条
件を、エッチング槽内におけるエッチャントの温度、エ
ッチャントの成分、濃度並びに素子ウエハ周囲での流
速、及び、素子ウエハの回転速度としているので、平坦
な素子ウエハを能率良く得ることができる。

【００２４】素子ウエハのエッチング速度が、エッチン
グ槽内におけるエッチャントの温度と成分と、濃度及び
素子ウエハの周りの流速と、素子ウエハの回転速度の影
響を受けることによるものである。

【００２５】更に、請求項３によれば、前記エッチング
条件を前記素子ウエハの材料成分の種類及び濃度に応じ
て選定するので、更に平坦な素子ウエハを能率良く得る
ことができる。

【００２６】素子ウエハの残留応力層が無応力層よりも
はるかに速くエッチングされ、且つそのエッチング速度
が、半導体材料の成分の種類及びその濃度、例えばシリ
コン単結晶中のドーパントの種類とその濃度によって決
定されることによるものである。

【００２７】本発明の方法によって、推定した残留応力
層の厚みと、残留応力層を除去した後の有効平坦度を使
ってエッチング条件を最適に選定することによって、素
子ウエハのエッチング時間を、従来と比較して１０〜２
０％短縮でき、更にエッチング後の素子ウエハの平坦度
を２０〜３０％改善することができると共に、生産性、
エッチャント消費量の改善もできた。

【００２８】発明者は、硼酸（ボロン，Ｂ）やリン
（Ｐ）、砒素（Ａs ）等をドープしたシリコン単結晶の
素子ウエハをエッチした。

【００２９】ここで、エッチング速度はドーパントの種
類に依存し、更にドーパントの濃度や残留応力の大き
さ、エッチャントの温度に依存することを発見した。

【００３０】又、エッチングにおけるエッチャントの消
費量とエッチャントの温度上昇量もエッチング速度と同
様の傾向を示した。この特性をコンピュータのメモリに
記憶させた。

【００３１】実験に供した素子ウエハは、全て直径１５
０mmのラップ後ウエハで、外観上の平坦度は全て５μm
以内に入っていたが、残留応力層の厚みは２〜５μm に
ばらつき、なお且つ、素子ウエハの中心部で厚いグルー
プと外周部で厚いグループに２分された。これらの素子
ウエハ群を更に２分して、従来の方法と本発明の方法に
よってエッチした。

【００３２】本発明の方法では、残留応力層の厚みの分
布に応じてエッチャントの各成分の混合比や、循環流
量、素子ウエハの回転速度を調節し、それに対応してエ
ッチング時間を設定した。この結果、次に示すような違
いが見られた。

【００３３】 従来の方法 本発明の方法 1.平坦度の標準偏差 ２．８３μm ０．８７μm 2.平均厚みの標準偏差 ０．７５μm ０．３５μm 3.エッチング時間 １３秒 １１秒 4.エッチャント消費量 ２．３ l/100枚 １．７ l/100枚

【００３４】上記の比較データのうち、エッチャント消
費量については、従来は予め混合しておいたエッチャン
トを過去の経験に従って供給していたために、エッチン
グ反応によって消耗せずに活性を持ったまま残っている
成分も供給していたが、本発明の方法では、エッチング
反応によって消耗した成分だけを供給するようにしたも
のであって、各成分の単価を考慮すると、金額的な効果
は上の表の数値の比以上になる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。

【００３６】まず、本発明の基本的構成について説明す
る。

【００３７】本発明では、外観的な平坦度を素子ウエハ
内の残留応力の影響を受けることなく測定し、更に素子
ウエハ内の残留応力層の厚み分布を測定し、これらの測
定値を演算することによって、残留応力層を除去した後
のウエハの平坦度を推定し、この推定値に基づき、素子
ウエハが最も平坦になるエッチング条件を選択するもの
である。

【００３８】前記外観的な平坦度の測定は、例えばレー
ザ光のような単色光を素子ウエハ表面に照射し、その反
射光を三角測量法又はモアレ縞法等の光学的方法によっ
て測定して、ウエハの外観的な平坦度を測定する。

【００３９】素子ウエハ内の残留応力層の厚み分布は次
のようにして測定する。

【００４０】まず、素子ウエハの近傍に静電容量センサ
を置き、該静電容量センサを素子ウエハの表面に対して
略平行に、相対的に走査すると、素子ウエハや素子ウエ
ハと静電容量センサ間の空間の誘電率の積分値が得られ
る。

【００４１】ここで、素子ウエハの幾何学的形状及び前
記誘電率が一定であれば、前記積分値は、静電容量セン
サと素子ウエハとの間の距離を表わすが、前記幾何学的
形状及び誘電率が一定でないとすると、単純に距離を表
わすものとすることができない。

【００４２】ここで、前記静電容量センサの大きさ、及
び、静電容量センサと素子ウエハ間の距離を十分小さく
すると、静電容量センサと対象物の相対形状の影響を受
けずに誘電率の積分値が得られる。

【００４３】これに加え、前記三角測量法やモアレ縞法
等の光学的方法によって測定した距離を使って、素子ウ
エハの誘電率を求めることができる。

【００４４】誘電率から、静電容量の分布、更には残留
応力の分布は次のように求める。

【００４５】断面積Ｓの静電容量センサーを、比誘電率
εw の素子ウエハから距離Ｌa の点に置いた時の静電容
量Ｃは次式で表わされる。

【００４６】 Ｃ＝ε0 ・Ｓ・｛１／（Ｌa ／εa ＋Ｌw ／εw ）｝ …（１） 但し、ε0 ：真空の誘電率 εa ：空気の比誘電率 Ｌw ：素子ウエハの厚み

【００４７】（１）式において、εw 以外の量が全て既
知であれば、εw を求めることができる。

【００４８】更に、誘電体の比誘電率は次式で表わされ
る。

【００４９】 ε＝ε0 ＋（γ・Ｎ・e ² ／m ） ×｛１／（ω0 ² −ω² ＋i ・ω・f ／m ）｝ …（２） 但し、γ：幾何学的定数 Ｎ：単位体積当りの粒子数 e ：粒子の電荷 m ：粒子の質量 k ：ばね定数 ω0 ：k ／m ω：角周波数 i ：虚数（i ² ＝−１） f ：摩擦定数

【００５０】（２）式において、Ｎは誘電体に作用する
応力σに比例して変化するから、誘電率εも応力σに比
例して変化する。即ち、誘電率の微小変化d εと応力の
微小変化d σの間には次の関係がある。

【００５１】 d ε＝（γ・e ² ／m ）・１／（ω0 ² −ω² ＋i ・ω・f ／m ） ×（ΔＮ／Δσ）・d σ …（３） 但し、ΔＮ／ΔσはＮのσに対する微係数、Δは偏微分
演算子。

【００５２】又、比誘電率εと比抵抗ρの間には次の関
係がある。

【００５３】 １／ρ＝ω・ε′′／γ …（４） 但し、ε＝ε′＋i ε′′ ε′ ：複素誘電率の実数部 ε′′：複素誘電率の虚数部 cos θ＝ε′／｜ε｜・・・ （θ：力率）

【００５４】有効平坦度は次のように推定される。

【００５５】外観上の平坦度を、座標（r ，θ）上の厚
みＬo （r ，θ）とする。

【００５６】座標（r ，θ）の点の静電容量をＣ（r ，
θ）とする。

【００５７】（１）式より、ウエハの比誘電率εw は次
のように求められる。

【００５８】 εw ＝Ｌw ／｛（ε0 ・Ｓ／Ｃ）−（Ｌa ／εa ）｝ …（５）

【００５９】更に、（３）式の比誘電率εをεw と置き
換えると、比誘電率εw の微小変化d εw から、応力の
微小変化d σは次のように求められる。但し、ΔＮ／Δ
σは素子ウエハの縦弾性係数に比例する係数である。

【００６０】 d σ＝｛m ・（ω0 ² −ω² ＋i ・ω・f ／m ） ／（γ・e ² ・ΔＮ／Δσ）｝・d εw …（６）

【００６１】（５）式から、 εw ＝（−Ｌw ／Ｌa ）・εa ・｛１＋（ε0 ・εa ・Ｓ／Ｌa ） ／（Ｃ−ε0 ・εa ・Ｓ／Ｌa ）｝ …（７）

【００６２】これをＣに関して微分すると、次のように
なる。但し、lnは自然対数を表わす。

【００６３】 d εw ＝（−Ｌw ／Ｌa ² ）・εa ² ・ε0 ・Ｓ ×ln（Ｃ−ε0 ・εa ・Ｓ／Ｌa ）・d Ｃ …（８）

【００６４】（６）式と（８）式より、応力の微小変化
d σは次のように表わされる。

【００６５】 d σ＝｛m ・（ω0 ² −ω² ＋i ・ω・f ／m ）｝ ／（γ・e ² ・ΔＮ／Δσ） ×（−Ｌw ／Ｌa ² ）・εa ² ・ε0 ・Ｓ ×ln（Ｃ−ε0 ・εa ・Ｓ／Ｌa ）・d Ｃ …（９）

【００６６】この式を使うと、静電容量Ｃの分布Ｃ（r
，θ）から、残留応力の分布σ（r，θ）を知ることが
できる。

【００６７】半導体材料の素子ウエハは一般的に脆弱で
あるので、ラッピングによる残留応力層はウエハの表面
直下に集中し、その残留応力層の厚みτはウエハの表面
真下の残留応力σの大きさにほぼ比例し次のように表わ
される。

【００６８】 τ（r ，θ）＝α・σ（r ，θ） …（１０）

【００６９】即ち、（９）式と（１０）式より、静電容
量の分布Ｃ（r ，θ）を測定することにより、残留応力
層の厚みの分布τ（r ，θ）を知ることができる。

【００７０】従って、外観上の平坦度Ｌo （r ，θ）か
ら、対応する座標の残留応力層の厚みＬs （r ，θ）を
差し引くと、残留応力層を除去した後の有効平坦度Ｌc
（r，θ）を推定することができる。

【００７１】 Ｌc （r ，θ）＝Ｌo （r ，θ）−Ｌs （r ，θ） …（１１）

【００７２】（４）式の比抵抗ρは、公知のように、半
導体材料としての単結晶を作る段階で添加するドーパン
トの種類と、その濃度に強く影響され、なお且つチョク
ラルスキー法で作ったシリコン単結晶では、１本の単結
晶の中でも単結晶の長さ方向の位置によってドーパント
の濃度が異なり、それに応じて比抵抗の値も差違があ
る。更に１枚の素子ウエハの中でも半径方向の位置によ
って僅かに比抵抗の値に差違がある。これは単結晶を溶
融シリコンから引上げる際の固液界面が曲面状になって
いることによる。

【００７３】このように、１枚のウエハ内の比抵抗の値
は大まかには、ドーパントの種類と、その濃度によって
求めることができ、更に詳しくは、個々のウエハの面内
の代表点の比抵抗の値を４探針法等によって測定するこ
とによって把握し得る。

【００７４】一方、素子ウエハの硬度はドーパントの濃
度が高いほど大きく、同じ応力が作用してもそれによっ
て発生する結晶格子の歪みは小さい。

【００７５】次に、上記のようにして得られた情報を元
にしてエッチング条件を選定し、最も平坦な素子ウエハ
をエッチングする過程の基本原理について説明する。

【００７６】素子ウエハにはオリエンテーションフラッ
トが有り、厳密にはオリエンテーションフラットに対す
る相対位置を考慮する必要があるが、素子ウエハのウェ
ットエッチングにおいては、オリエンテーションフラッ
トの存在を考慮して制御することはできないので、以後
はこれを無視し、素子ウエハをオリエンテーションフラ
ットの無い完全な円盤状であると仮定する。

【００７７】次のように記号を定める。

【００７８】 r ：半径方向位置 Ｔ ：温度 ［Ｎ］：硝酸濃度 ［Ｆ］：弗酸濃度 ［Ａ］：酢酸濃度 Ｄ ：ドーパント濃度 Ｐ ：素子ウエハの回転速度 Ｑ ：エッチャントの流速 Ｒ ：素子ウエハの半径 Ｅ ：エッチング速度

【００７９】以下は下添字 o ：初期値 t ：目標値 a ：実際値 s ：残留応力層 n ：ドーパントの種類 c ：推定値（計算値） opt ：最適値

【００８０】前記（１１）式を次式のように簡単にす
る。

【００８１】 Ｌc （r ）＝Ｌo （r ）−Ｌs （r ） …（１２）

【００８２】目標の平坦度Ｌt （r ）を得るためのエッ
チング量d Ｌt （r ）は次式で表わされる。

【００８３】 d Ｌt （r ）＝Ｌo （r ）−Ｌt （r ） …（１３）

【００８４】ここでＬt （r ）＝Ｌt 、即ち面内にわた
って均一であるとしても良いが、後のポリッシング工程
における減厚パターンによっては、エッチング後の素子
ウエハの平坦度に分布を持たせる方が良いこともあるの
で、ここでは分布をつけることにする。

【００８５】理想的には、（１２）式のＬc （r ）がＬ
t （r ）に等しければ良いが、Ｌo（r ）及びＬs （r
）の値と素子ウエハ面内のエッチング速度の値のばら
つきによっては、必ずしもＬc （r ）はＬt （r ）に一
致しない。

【００８６】この問題点は、エッチング条件を最適に選
ぶことによって解決される。エッチング速度は、次式の
ように減厚速度として表わされる。

【００８７】 Ｅ（r ）＝−ΔＬ（r ）／Δt …（１４）

【００８８】又、エッチング速度は、素子ウエハの条件
やエッチングの条件によって、次のように表わされる。

【００８９】 Ｅ（r ）＝Ｅ（r ，Ｔ，［Ｎ］，［Ｆ］，［Ａ］，Ｄn ，Ｐ，Ｑ，Ｌs ，Ｒ） …（１５）

【００９０】エッチング速度に影響を及ぼす諸因子のう
ち、素子ウエハに固有のＤn とＬs、Ｒは、エッチング
に際して与えられるものであり、これに対して、Ｔや
［Ｎ］、［Ｆ］、［Ａ］、Ｐ，Ｑは、与えられたＤn や
Ｌs 、Ｒの下で、Ｅ（r ）を希望する値とパターンにす
るために調節可能な因子である。又、時間t は、希望す
るエッチング速度Ｅa （r ）の下でＬc （r ）をＬt
（r ）に一致させるために必要な時間である。

【００９１】次に、これらについて詳細に説明する。

【００９２】素子ウエハのエッチング速度Ｅは、素子ウ
エハの成分とその濃度（例えばシリコンウエハのドーパ
ントの種類n と、その濃度Ｄn ）、及び素子ウエハのエ
ネルギーレベル（即ち、残留応力層の厚みＬs 等）と、
エッチャントの成分（硝酸，弗酸，酢酸等）と、それぞ
れの濃度［Ｎ］、［Ｆ］、［Ａ］、及び温度Ｔと、更に
素子ウエハとエッチャントとの相対的な流速Ｑ等によっ
て決定される。

【００９３】エッチング速度Ｅの例は「半導体プロセス
材料実務便覧」第１９７頁、第１９８頁、及び図−２
に、又、サイエンスフォーラム発行の「エレクトロニク
ス用結晶材料の精密加工技術」第４３１頁、第４３２
頁、表１、図−１、同第４４０頁、第４４１頁、及び図
−２〜図−４に、それぞれ示されている。

【００９４】これらは、あるドーパントの種類n と濃度
Ｄn の素子ウエハに関する例であって、ドーパントの種
類n と濃度Ｄn が変れば定量的には差異が生じるが、そ
のドーパントの種類n と濃度Ｄn に対して最適のエッチ
ャントの濃度［Ｎ］opt 、［Ｆ］opt 、［Ａ］opt が有
ることを示している。

【００９５】即ち、硝酸と弗酸の混合液を酢酸（又は
水）で希釈したエッチャントでシリコンウエハをエッチ
する場合、最初にシリコンＳi は硝酸によって酸化され
てＳiＯ2 になる。次に、この酸化物が弗酸にとけて再
び新しいＳi 面がエッチャントに露出されて反応が継続
される。

【００９６】まず、硝酸濃度［Ｎ］が低い領域では酸化
作用が弱いため、Ｓiの酸化に触媒としてのＮＯが必要
である。一旦、エッチング反応が始まると、このＮＯは
エッチング反応の生成物として硝酸が分解されて供給さ
れる。又、素子ウエハの表面に結晶の欠陥や歪みが有る
場合には、素子ウエハのエネルギーレベルが高いため
に、触媒としてのＮＯが無くてもエッチング反応が進行
する。そして、一旦エッチング反応が始まると、生成さ
れるＮＯの触媒作用と反応熱によるエッチャントの温度
上昇によって、エッチング反応は加速度的に進行する。

【００９７】この現象はエッチャントが滞留し易い場合
に、より顕著になる。即ち、エッチャントと素子ウエハ
との間の相対流速Ｑが低く、且つ複数枚の素子ウエハを
平行に保持してエッチャントに浸漬している場合、素子
ウエハの中心部において起り易い。

【００９８】従って、この場合には素子ウエハは凹形状
になり易い。

【００９９】次に、硝酸濃度［Ｎ］が高く、且つ低希釈
の場合には、硝酸による酸化速度が大きく、ＮＯ触媒量
が飽和するが、一方で弗酸による溶解速度が小さいの
で、素子ウエハの表面は酸化膜で覆われる。従って、こ
の領域では、酸化膜の溶解は酸化膜への弗酸の拡散によ
って律速される。

【０１００】この反応は、素子ウエハとエッチャントと
の相対流速Ｑが大きい場合で、且つ素子ウエハの周辺部
において顕著になる。この結果、得られる素子ウエハは
凸形状になり易い。

【０１０１】前述のように、残留応力層Ｌs のエッチン
グ速度Ｅは、無応力層のそれよりもはるかに大きい。し
かし、無応力層と言えども、エッチング速度Ｅは零では
なく、ましてや触媒としてのＮＯの増加やエッチャント
温度Ｔの上昇が加味されると、無応力層の方がエッチン
グ速度Ｅが大きくなることもある。

【０１０２】このような状況に対し、調節可能な因子
［Ｎ］、［Ｆ］、［Ａ］、Ｐ、Ｑ、Ｔを、それぞれ独立
して、あるいは組合せて調節することによって、希望す
るエッチング速度パターンＥ（r ）を得ることができ
る。

【０１０３】即ち、残留応力層の分布Ｌs （r ）と、希
望のエッチング量の分布Ｌo （r ）−Ｌt （r ）によっ
て、次のように整理することができる。

【０１０４】 Ｌo(o)−Ｌt(o)＞Ｌo(R)−Ｌt(R) Ｌo(o)−Ｌt(o)＜Ｌo(o)−Ｌt(R) ［Ｎ］［Ｆ］［Ａ］ Ｐ Ｑ Ｔ ［Ｎ］［Ｆ］［Ａ］ Ｐ Ｑ Ｔ Ｌs(o)＞ 低 高 高 低 高 低 高 低 低 高 中 高 Ｌs(R) Ｌs(o)＜ 低 高 低 低 低 高 高 低 高 低 高 低 Ｌs(R)

【０１０５】これらは、各因子の増減に伴う次のような
影響に由来する。

【０１０６】

【０１０７】ドーパントの種類と濃度によってエッチン
グ速度が異なるということは、ドーパントの成分によっ
て、エッチャントの成分との反応の速度が異なることを
表わす。

【０１０８】更に、このことは、ドーパントの種類n と
濃度Ｄn によって、単位エッチング量当りのエッチャン
トの消費量が変わることも意味する。このエッチャント
の消費量については、本発明の発明者が既に出願してい
る別の発明「半導体材料の湿式処理方法及び装置」（特
開平３−１０７４７７号）と「半導体装置用ウエハーの
薬液処理方法及びその装置」（特開平３−１０８７１９
号）によって、ドーパントの種類n と濃度Ｄn 及び素子
ウエハの合計表面積に応じて消費される成分を消費され
る分だけ補給するフィードフォワード的方法、及び、エ
ッチャントの各成分の濃度をオンラインで滴定分析して
所定の濃度になるように新液を補給するフィードバック
的方法を提案している。

【０１０９】但し、上記のフィードフォワード的方法で
は、エッチング量即ちエッチングによって減少する素子
ウエハの厚みは、残留応力槽の厚みを考慮せず、単に外
観上の厚みと目標のエッチング語の厚みＴa の差として
求めた値を使っていたので、エッチャントの消費量の予
測精度が悪かった。

【０１１０】これに対し、本発明では、残留応力槽の厚
みＴs が測定され、それに応じてエッチング量が決定さ
れるので、必要なエッチャントの消費量が精度良く求め
られ、その分の新液を補給することによって、エッチャ
ントの濃度［Ｎ］、［Ｆ］、［Ａ］を所定の値に制御す
ることができる。

【０１１１】更に、あるエッチャントの濃度において、
ある量のエッチングを行った時の反応発熱量は実験と計
算によって求められ、それに応じてフィードフォワード
的に、又はエッチング槽の中のエッチャントの温度を測
定することによってフィードバック的に、液体窒素の量
を調節する等の手段でエッチャントの温度Ｔを所定の値
に制御することができる。

【０１１２】次に、図１及び図２を参照して、まず有効
平坦度を推定する方法を実施する装置によって、素子ウ
エハの有効平坦度推定を行う具体的過程について説明す
る。

【０１１３】図１は、本発明方法を実施する装置を示す
ものであり、被測定物たる素子ウエハ１０は、チャック
１２により吸着保持され、このチャック１２は、モータ
１４によって回転されるようになっている。

【０１１４】このモータ１４には、該モータ１４の、あ
る基準線からの回転角度を測定するための角度センサ１
６が取付けられている。

【０１１５】前記素子ウエハ１０に対面して、光学セン
サ１８、静電容量センサ２０、及び、比抵抗測定プロー
ブ２２が配置されている。

【０１１６】前記光学センサ１８はスキャナ２４によっ
て素子ウエハ１０の半径方向に走査され、該素子ウエハ
１０の外観上の平坦度を測定するようにされている。

【０１１７】又、前記静電容量センサ２０は、スキャナ
２６によって素子ウエハ１０の半径方向に走査され、該
素子ウエハ１０及び素子ウエハ１０までの空間との静電
容量を測定するようにされている。

【０１１８】更に、前記比抵抗測定プローブ２２は、ス
キャナ２８によって、素子ウエハ１０の半径方向に走査
され、素子ウエハ１０の比抵抗値を測定するようにされ
ている。

【０１１９】図２の符号３０は、人間とコントローラ３
２との中継をすると共に、情報処理をするためのコンピ
ュータを示す。

【０１２０】前記光学センサ１８、静電容量センサ２
０、及び、比抵抗測定プローブ２２は、それぞれ、素子
ウエハ１０の外観上の平坦度の測定値信号、素子ウエハ
１０及び該素子ウエハ１０までの空間との静電容量の測
定値信号を、更に素子ウエハ１０の比抵抗値の測定信号
を、コントローラ３２を介して前記コンピュータ３０に
伝送するようにされている。

【０１２１】又、前記スキャナ２４、２６及び２８は、
前記光学センサ１８、静電容量センサ２０、及び、比抵
抗測定プローブ２２の位置信号を、前記コントローラ３
２を介して前記コンピュータ３０に伝送するようにされ
ている。

【０１２２】更に、前記角度センサ１６からの回転角度
信号も、コントローラ３２を介して、コンピュータ３０
に伝送されるようになっている。

【０１２３】次に、前記素子ウエハ１０を、直径１５０
mm、厚さ約５００μm の、ボロン（硼素）をドープした
シリコンウエハをラッピングしたものとして、本発明方
法を実施する過程について図２（流れ図）を参照して説
明する。

【０１２４】まず、コンピュータ３０に、前記素子ウエ
ハ１０の仕様データを入力する（ステップ１０１）。

【０１２５】仕様データとしては、素子ウエハ１０の前
記直径、厚さや、オリエンテーョンフラットの長さ、ド
ーパントの種類とその濃度、酸素濃度等である。

【０１２６】一方、前記チャック１２に素子ウエハ１０
をセットする（ステップ１０２）。

【０１２７】素子ウエハ１０のセッティングは、通常、
ウエハマウント装置（図示省略）によって自動的にセッ
トされ、素子ウエハ１０の中心位置がチャック１２の中
心位置に合せられる。

【０１２８】次に、セットされた素子ウエハ１０の、オ
リエンテーションフラットの位置を把握するために、チ
ャック１２を回転させながらスキャナ２４により、光学
センサ１８を走査する。

【０１２９】光学センサ１８が素子ウエハ１０から初め
て外れる点として、基準線からオリエンテーションフラ
ットの中心線までの角度を角度センサ１６により求め
る。

【０１３０】ここでオリエンテーションフラットの中心
線までの角度を求めるのは、該オリエンテーションフラ
ットの中心線を、今後の測定における新たな基準線とす
るためである（ステップ１０３）。

【０１３１】次に、比抵抗測定プローブ２２とスキャナ
２８とによって、素子ウエハ１０の所定点の比抵抗値を
測定する（ステップ１０４Ａ）。ここで、比抵抗測定プ
ローブ２２は、４探針プローブ等から構成される。

【０１３２】なお、素子ウエハ１０の比抵抗値は、ドー
パントの種類とその濃度から計算するようにしてもよい
（ステップ１０４Ｂ）。

【０１３３】次に、光学センサ１８とスキャナ２４によ
って、素子ウエハ１０の外観上の平坦度を測定する（ス
テップ１０５）。

【０１３４】この測定は、光学的に行われるので、素子
ウエハ１０の残留応力の影響を受けることがない。

【０１３５】前記光学センサ１８によって得られた素子
ウエハ１０の平坦度データは、コントローラ３２を介し
てコンピュータ３０に送られ、該コンピュータ３０のメ
モリに記憶される（ステップ１０６）。

【０１３６】更に、静電容量センサ２０とスキャナ２６
によって、素子ウエハ１０及び該素子ウエハ１０と静電
容量センサ２０との間の空隙との静電容量を測定し（ス
テップ１０７）、その測定データを、コントローラ３２
を介してコンピュータ３０に送り、該コンピュータ３０
のメモリに記憶する（ステップ１０８）。

【０１３７】コンピュータ３０では、記憶された平坦度
データと静電容量データを、それぞれの座標に対応させ
て荷重加算し、それによって、素子ウエハ１０の残留応
力を除去した後の有効平坦度を、前記（１１）式によっ
て推定する（ステップ１０９）。

【０１３８】ここで、前記光学センサ１８としては、例
えば米国ＡＤＥ社製のオプトマイクロメータ、ＮＩＤＥ
Ｃ社のオプトマイクロメータ、日本光学社製の光束斜め
投射型干渉計、キャノン社、あるいは、ＳＩＬＴＥＣ社
製のオートコリメータ走査型干渉計、日本光学社製の多
重干渉計、富士写真光機社製のモアレ干渉計等を利用す
ることができる。

【０１３９】静電容量センサとしては、米国ＡＤＥ社製
のキャパシタンスメータを利用することができる。

【０１４０】なお、上記実施例において、素子ウエハ１
０の残留応力層の厚みの測定方法として、静電容量セン
サ２０によって行っているが、本発明はこれに限定され
るものでなく、条件さえ合えば、特開平３−１８７４４
号公報に開示されるレーザラマン分光法、特開昭６０−
１６６８４７号公報に開示されるＸ線コッセル回析像
法、特開昭６０−１６９７５７号公報に開示される渦電
流法、特開昭５６−４０２６、４０２７、６１−２２２
２１、６１−１７２０２３号公報等に開示されるストレ
ーンゲージ法、特開昭５６−１４０２２８号公報に開示
される応力腐蝕割れ法、センサ技術Ｖol・８、Ｎo.５
（１９８８年５月号Ｐ２９〜３１に開示されるバルクハ
ウゼンノイズ法）等によって、残留応力層の厚みを測定
するようにしてもよい。

【０１４１】更に、結晶歪みの測定方法としては、Ｘ線
３結晶回折計による方法がある。この方法は表層部の歪
みの大きさが、残留応力層の厚みを代表する場合には適
用できる。

【０１４２】又、波長９４００オングストロームの発光
ダイオードのパルス光を照射し、これによって励起され
た少数キャリヤのライフタイムによって、結晶の歪みを
測定する方法がある。この方法は表層部のみの測定であ
り、更に結晶中の不純物の影響を受ける。

【０１４３】更に又、光反射率スペクトル法がある。こ
れは、結晶に光を照射すると、その入射光のエネルギに
よって、結晶の原子の外殻電子のエネルギ状態が変わ
り、この電子が再び基底状態になるとき放出される光の
スペクトルを測定するものである。

【０１４４】格子欠陥のある結晶では、原子間結合に寄
与している外殻電子のエネルギ状態が変わり、光を照射
されるときの外殻電子のエネルギ状態の変化の様子が、
格子欠陥のないときと異なるのでスペクトル解析によっ
て歪みが測定できる。

【０１４５】この方法も、表層部の歪みの大きさが残留
応力層の厚みを代表する場合のみ適用できる。

【０１４６】又、強力なＸ線照射が必要であるが、結晶
歪みの測定方法としてＸ線散漫散乱による測定方法があ
る。

【０１４７】又、前述のレーザラマン分光法による結晶
歪みの測定方法の変形として、素子ウエハの表面に対し
てレーザ光を照射する方法で、非破壊的に測定すること
ができる。この場合も、素子ウエハの表層部のみが測定
できる。

【０１４８】例えば、スライシング条件やラッピング条
件を一定に保って行えば、素子ウエハ表層部の格子の歪
みの大きさが、残留応力層の厚みを代表することもでき
るので、このような場合には、表層部の歪みの大きさを
測定する方法を使うことができる。

【０１４９】次に、前記のようにして有効平坦度が推定
された素子ウエハ１０を、図３に示されるエッチング制
御装置によりエッチングする過程を説明する。

【０１５０】エッチング制御装置４０は、エッチャント
を満たすと共に、エッチングカセット４２に入れた素子
ウエハ１０を浸漬させるためのエッチング槽４４を含ん
で構成されている。

【０１５１】エッチング槽４４には、図４に示されるよ
うに、前記エッチングカセット４２、このエッチングカ
セット４２を、エッチング槽４４及びエッチング槽外の
純水槽（図示省略）に浸漬させるためのレバー４８と、
このレバー４８上に取付けられ、エッチングカセット４
２と共に動き、更に、該エッチングカセット４２を回転
させることによって素子ウエハ１０が均一にエッチされ
るようにするための回転機構５０と、を備えている。

【０１５２】前記エッチング槽４４には、図３に示され
るように、循環ポンプ５２により混合槽５４との間でエ
ッチャントが循環され、これによってエッチャントの温
度や濃度が均一化されるようになっている。

【０１５３】前記混合槽５４には、エッチャントの各成
分（硝酸、弗酸、氷酢酸）が、必要量だけ供液弁５６Ａ
〜５６Ｃを経て、供給槽（図示省略）から供給されるよ
うになっている。

【０１５４】前記混合槽５４は、供液弁５６Ａ〜５６Ｃ
を経て供給されたエッチャントの各成分を、循環ポンプ
５２によって循環されているエッチャントと混合するも
のである。

【０１５５】なお、エッチング槽４４が十分な容積と適
当な仕切や攪拌機を備えていれば、前記混合槽５４を設
置する必要がなく、この場合はエッチャントの各成分は
供液弁５６Ａ〜５６Ｃから直接エッチング槽４４に供給
されることになる。

【０１５６】前記エッチング槽４４の底部には、エッチ
ングの化学反応によって化学的活性度を失った古いエッ
チャントを排出するための排液弁５８が設けられてい
る。エッチャントの適正な合計量は、排液弁５８からの
排出、及び／又はエッチング槽４４あるいは混合槽５４
からのエッチャントの溢出によって保つようにする。

【０１５７】又、前記排液弁５８は、エッチャントを供
液弁５６Ａ〜５６Ｃから供給するに先立って、新たなエ
ッチャントの供給量と反応熱による蒸発量等を考慮し
て、エッチング槽４４の液面が所定の高さになるように
排液時間、即ち開弁時間が制御されるようになってい
る。

【０１５８】前記エッチング槽４４には、該エッチング
槽４４内のエッチャントの各成分の濃度を定量分析する
ための濃度センサ６０が取付けられている。

【０１５９】この濃度センサ６０は、中和滴定や酸化還
元滴定を自動化した装置である。

【０１６０】なお、濃度センサ６０は、エッチャントの
成分の種類や、使用する装置の種類によってその数を増
減させる。

【０１６１】前記循環ポンプ５２によって、エッチング
槽４４、混合槽５４を循環するエッチャントの循環経路
には、その途中にエッチャントの温度を希望する値にす
るための熱交換器６２が配置されている。この熱交換器
６２は、特に、エッチングの化学反応による発熱が急激
且つ大量であり、更にエッチャントの腐蝕性が極めて強
いことから大容量且つ高応答性のものが用いられ、冷却
媒体としては液体窒素等が有効である。

【０１６２】前記エッチング槽４４には、該エッチング
槽４４内のエッチャントの温度を測定するための温度セ
ンサ６４が取付けられている。

【０１６３】この温度センサ６４は、測定された温度と
目標温度との差によって、前記熱交換器６２を制御す
る、即ち、冷却媒体としての液体窒素等の流量を制御す
るものである。

【０１６４】前記レバー４８は、図示されない駆動装置
（電動モータ、空気シリンダ、空気モータ等）によっ
て、エッチングカセット４２をエッチング槽４４と純水
槽の間を往復動させるものであるが、これは、素子ウエ
ハ１０とエッチャントとの間の反応が開始すると、その
反応において生成されるＮＯが正の触媒として作用する
と共に、反応熱によってエッチャントの温度が上昇する
ことにより、エッチングの反応が、加速度的に進行する
ことを抑制するものである。

【０１６５】即ち、熱交換器６２によってエッチャント
を冷却しても、その反応を停止させることは困難であ
り、反応を停止させるには、素子ウエハ１０をエッチャ
ントから取出して純水中に浸漬し、素子ウエハ１０の表
面に付着しているエッチャントを洗い流さなければなら
ないからである。

【０１６６】なお、レバー４８によってエッチング槽４
４から純水槽に移送中の、素子ウエハ１０の表面では付
着したエッチャントによって反応が続行するので、該素
子ウエハ１０の表面にはオレンジピールや各種のステイ
ンが発生し易い。

【０１６７】従って、レバー４８は高速で、素子ウエハ
を移送しなければならないが、素子ウエハ１０は一般に
脆弱であるため、急激な加減速運動が、表面に疵を発生
させたり、破損させたりするので、レバー４８の駆動装
置は、上記のような条件を満たすように制御されなけれ
ばならない。

【０１６８】前記レバー４８、回転機構５０、循環ポン
プ５２、供液弁５６Ａ〜５６Ｃ、排液弁５８及び熱交換
器６２は、前記図１におけるコンピュータ３０によって
コントローラ３２を介して制御されるようになってい
る。

【０１６９】又、前記濃度センサ６０及び温度センサ６
４からの検出信号は、前記コントローラ３２を経てコン
ピュータ３０に送られるようになっている。

【０１７０】このコンピュータ３０は、更に、前記エッ
チング槽４４周りの各種装置と接続されて、最適なエッ
チング条件を算出すると共に、該最適条件になるように
各種装置を制御するようにされている。

【０１７１】又、コンピュータ３０は、操作者との間で
素子ウエハ１０の使用条件の入力や計算結果の出力（表
示）等を行うものである。

【０１７２】前記コントローラ３２は、コンピュータ３
０が計算によって求めた最適なエッチング条件の信号を
各装置に出力して設定すると共に、各センサからの測定
信号をコンピュータ３０にフィードバックする仲介をな
すものである。

【０１７３】コンピュータ３０には、前述の図１の装置
によって測定された、素子ウエハ１０の外観上の平坦
度、残留応力層の厚み及び計算された有効平坦度のデー
タが、該コンピュータ３０のメモリに記憶されていて、
該コンピュータ３０はこれらメモリから記憶を取出し
て、最適なエッチング条件を演算するときに利用する。

【０１７４】コンピュータ３０としては単に、工業用パ
ーソナルコンピュータや、工業用マイクロコンピュータ
にリアルタイムのオペレーティングシステム（ＯＳ）を
搭載したもの、コントローラ３２としては、工業用マイ
クロコンピュータやシーケンサでプロセス入出力制御装
置やリアルタイムＯＳを付加したものが利用される。

【０１７５】エッチング槽４４や、エッチングカセット
４２は、上記の各条件に加えて、エッチャントに耐え得
る工業用樹脂で作る。又、回転機構５０は、電動モータ
とプラスチック製ベルトで構成してもよいが、エッチャ
ントの蒸気等の環境条件を考慮して、空気モータとプラ
スチック製ベルトの組合せが望ましい。

【０１７６】又、循環ポンプ５２としては、ドローポン
プやダイヤフラムポンプが望ましい。

【０１７７】次に、図５のフローチャートを用いて、素
子ウエハをエッチングする過程について説明する。

【０１７８】まず、ステップ２０１に示されるように、
コンピュータ３０に素子ウエハ１０の主要データを入力
する。

【０１７９】ステップ２０２において、前記図１の装置
によって予め求められた、素子ウエハ１０の外観上の平
坦度のデータと、残留応力層の厚み分布のデータをコン
ピュータ３０に入力する。

【０１８０】このコンピュータ３０への入力は、操作者
がマニュアルによって行ってもよく、又オンライン伝送
してもよい。

【０１８１】ステップ２０３において、前記入力された
条件を元に、素子ウエハ１０の目標の厚みと目標の平坦
度を得るためのエッチング条件、即ちエッチャントの濃
度、温度、流速、素子ウエハの回転速度等の条件を仮定
する。

【０１８２】ステップ２０４において、素子ウエハ１０
内のエッチング量分布とエッチング速度分布を計算し、
目標の厚みと目標の平坦度を得るためのエッチング時間
を決定する。

【０１８３】次にステップ２０５において、ステップ２
０４で決定したエッチング時間によって得られる、素子
ウエハ１０の平均厚みと平坦度を計算する。

【０１８４】ステップ２０６においては、ステップ２０
５で計算された平均厚みと平坦度が許容値を満足するか
否かを判定する。

【０１８５】否であれば、ステップ２０７に進み、エッ
チング条件を見直して、ステップ２０４に戻る。

【０１８６】可であれば、ステップ２０８に進み、エッ
チング条件に応じて素子ウエハ１０を分類する。このと
きエッチング条件としては、ステップ２０３でのエッチ
ング条件以外にエッチング時間も加えて考える。

【０１８７】ステップ２０９では、ステップ２０８で求
められたエッチング条件になるように、各種の制御要素
を制御しながらエッチングを実行する。

【０１８８】以上によって、目標通りの平均厚みと平坦
度の素子ウエハを得ることができる。この際、過度のエ
ッチングがなされないことによって生産性の向上、エッ
チャントの消費量の改善が達成できた。

【０１８９】なお、前記図３の構成では、図１の有効平
坦度測定のための装置と、コンピュータ３０及びコント
ローラ３２を共有しているが、本発明はこれに限定され
るものでなく、コンピュータとコントローラを、有効平
坦度の推定及びエッチングのための装置において別々に
設けてもよい。

【０１９０】別々のコンピュータ及びコントローラを設
ける場合は、有効平坦度推定の過程で得られたデータ
は、コンピュータ間の伝送ラインによってオンライン的
に伝送してもよく、又、フロッピーディスク等の記憶媒
体を介してデータ移動を行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る素子ウエハエッチング制
御方法の前半過程である有効平坦度を推定する方法を実
施するための装置を示すブロック図である。

【図２】図２は、前記有効平坦度推定方法の過程を示す
流れ図である。

【図３】図３は、本発明に係る素子ウエハエッチング制
御方法の後半過程であるエッチングをするための装置を
示すブロック図である。

【図４】図４は、図３に示されるエッチング槽を拡大し
て示す断面図である。

【図５】図５は、図３の装置によってエッチングする過
程を示す流れ図である。

【符号の説明】

１０…素子ウエハ、 １８…光学センサ、 ２０…静電容量センサ、 ２４、２６、２８…スキャナ、 ３０…コンピュータ、 ３２…コントローラ、 ４０…エッチング制御装置、 ４４…エッチング槽、 ５０…回転機構、 ５６Ａ〜５６Ｃ…供液弁、 ５８…排液弁、 ６０…濃度センサ、 ６２…熱交換器、 ６４…温度センサ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】素子ウエハの外観的平坦度、及び、該素子
   ウエハの残留応力層の厚み分布を測定し、これらの測定
   値に基づき前記残留応力層を除去した後の有効平坦度を
   推定し、該推定値を基に、最も平坦となるエッチング条
   件を選択してエッチングすることを特徴とする素子ウエ
   ハのエッチング制御方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記エッチング条件
   は、エッチング槽内におけるエッチャントの温度、エッ
   チャントの成分、濃度並びに素子ウエハ周囲での流速、
   素子ウエハの回転速度であることを特徴とする素子ウエ
   ハのエッチング制御方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記エッチング
   条件を前記素子ウエハの材料成分の種類及び濃度に応じ
   て選定することを特徴とする素子ウエハのエッチング制
   御方法。