KR20100022514A - 소결 실리콘 웨이퍼 - Google Patents
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Abstract
소결 실리콘 웨이퍼로서, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)…(1)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)…(2)] 가 0.3 이상, 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼이다. 평활한 표면을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼로서, 단결정 실리콘과 동등한 표면 조도를 보유하는 소결 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것에 있다.
Description
본 발명은 평활한 표면을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.
실리콘 반도체 제조 공정에 있어서는, 단결정 인상(引上)에 의해 제조된 웨이퍼가 주로 사용되고 있다. 이 단결정 실리콘 웨이퍼는 시대와 함께 커져, 가까운 장래에 400 ㎜ 이상이 될 것으로 예상된다. 그리고, 반도체 제조 프로세스에 필요한 장치 및 주변 기술을 확립하기 위해, 시험용으로 소위 메커니컬 웨이퍼가 필요해졌다.
일반적으로, 이와 같은 메커니컬 웨이퍼는, 매우 정밀도가 높은 시험이 필요하기 때문에 단결정 실리콘의 기계적 물성과 유사한 특성이 필요하다. 따라서, 종래에는, 시험용이라고는 해도, 실제로 사용되는 단결정 실리콘 웨이퍼를 그대로 사용하고 있는 것이 실정이다. 그러나, 400 ㎜ 이상의 단결정 실리콘 웨이퍼는 매우 고가이므로, 단결정 실리콘의 특성과 유사한 저렴한 웨이퍼가 요구되고 있다.
메커니컬 웨이퍼로서 사용하는 경우에 있어서, 가장 큰 과제 중 하나는, 다결정 실리콘 소결체가 단결정 실리콘 웨이퍼와 동등한 평활성을 구비하는 것이다. 다결정 실리콘 웨이퍼는, 종래의 기술에서는 단결정 실리콘 웨이퍼와 동일한 정도의 평활성은 어려운 것으로 여겨져 왔다.
실리콘 소결체의 특성을 개선하고자, 감압하에서 1200 ℃ 이상 규소의 융점 미만의 온도 범위에서 가열하여 탈산된 규소 분말을 압축 성형하고 소성하여 형성된 규소 소결체로서, 소결체의 결정 입경을 100 ㎛ 이하로 설정한 규소 소결체가 제안되었다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그러나, 이와 같이 하여 제조되는 다결정 실리콘 소결체는, 표면의 평활성에 대해서는 전혀 무관심이었다.
본 출원인은 먼저 평균 결정 입경이 50 ㎛ 이하, 상대 밀도가 99 ％ 이상인 실리콘 소결체 및 그 제조 방법을 제안하였다 (특허문헌 2 참조). 이 실리콘 소결체는, 고밀도이며, 기계적 강도가 높아, 많은 이점을 갖고 있지만, 실리콘 소결체 표면의 평활성에 대한 개선이 요구되고 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제3342898호
특허문헌 2 : 일본 특허 제3819863호
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 평활한 표면을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼로서, 단결정 실리콘과 동등한 표면 조도 (粗度) 를 보유한 소결 실리콘 웨이퍼를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명자는, 소결 조건을 연구하고, 결정 방위를 조절함으로써, 단결정 실리콘과 동일한 정도의 표면 평활성을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다는 지견을 얻었다.
본 발명은 상기 지견에 기초하여,
1. 소결 실리콘 웨이퍼로서, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)…(1)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)…(2)] 가 0.3 이상, 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼
2. X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비가 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 소결 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
또한, 본원 발명은
3. 상기 소결 실리콘 웨이퍼면에서 측정되는 (220) 면에 대한 면 방위 강도비 (1) 와 (311) 면에 대한 면 방위 강도비 (2) 가, 당해 웨이퍼면에 수직인 면에서 측정되는 각각의 강도비 (1)' 및 (2)' 에 대해, │(1)-(1)'│ 가 0.1 이하, │(2)-(2)'│ 가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 에 기재된 소결 실리콘 웨이퍼
4. 상기 소결 실리콘 웨이퍼가, Ra 0.02 ㎛ 이하의 표면 조도를 구비한 소결 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
이상에 의해, 평활한 표면을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있고, 메커니컬 위에퍼로서 사용되는 단결정 실리콘의 표면 조도와 매우 유사한 소결 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다는 큰 특징을 갖는다.
발명을 실시하기
위한 최선의 형태
본 발명은 소결 실리콘 웨이퍼로서, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)…(1)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)…(2)] 가 0.3 이상, 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
이로써, 단결정 실리콘의 표면 조도와 동등한 소결 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다. 이것은 소결 실리콘 웨이퍼의 결정 방위를 조절한 결과에 의한 것으로, 상기 결정 방위에서 벗어나는 것은, 단결정 실리콘과 동등한 표면 조도를 구비할 수는 없다.
상기 결정 방위를 구비하는 본원 발명의 소결 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘과 동등한 표면 조도를 구비하는 것을 목적으로 하는 것으로, 기계적 특성의 향상을 도모하는 것을 제 1 목적으로 하는 것은 아니다. 그러나, 소결 실리콘 웨이퍼의 평활성을 도모함과 동시에 기계적 특성의 향상을 도모할 수도 있다. 본원 발명은 상기 결정 방위의 조정과 기계적 강도의 향상은 모순되는 것은 아니라는 것은 이해되어야 한다.
본원 발명은 X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비가 0.2 이하인 소결 실리콘 웨이퍼를 제공한다. X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면 방위로는, (331) 이나 (400) 을 들 수 있지만, 이들 면 방위는 평활성을 저해시키기 때문에 가능한 한 적은 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결 실리콘 웨이퍼면에서 측정되는 (220) 면에 대한 면 방위 강도비 (1) 와 (311) 면에 대한 면 방위 강도비 (2) 가, 당해 웨이퍼면에 수직인 면에서 측정되는 각각의 강도비 (1)' 및 (2)' 에 대해, │(1)-(1)'│ 가 0.1 이하, │(2)-(2)'│가 0.05 이하인 것이 바람직하다. 즉, 실리콘 웨이퍼에서의 면 방위가 균일한 것이, 단결정 실리콘 웨이퍼와의 공통된 특성을 갖게 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이와 같이 하여, 제조된 소결 실리콘 웨이퍼는, Ra 0.02 ㎛ 이하의 표면 조도를 구비하고 있다. 본원 발명은 이들을 포함하는 것이다.
기계적 특성을 향상시키는 경우에는, 결정 입경의 미세화 또는 소결 실리콘 웨이퍼에 함유하는 산화물, 탄화물, 금속 규화물의 제거가 유효하다. 이로써, 3 점 굽힘법에 의한 저항력의 평균값, 20 kgf/㎟ ∼ 50 kgf/㎟, 인장 강도의 평균값 5 kgf/㎟ ∼ 20 kgf/㎟, 비커스 경도의 평균값 Hv 800 ∼ Hv 1200 을 용이하게 달성할 수 있다. 상기에 서술한 바와 같이, 이에 의해 기계적 특성의 향상을 도모하는 것은, 결정 방위의 조정과 모순되는 것은 아니다.
실리콘 소결체의 제조 방법으로는, 예를 들어 5 N 이상의 고순도 실리콘의 조립 (粗粒) 을 제트 밀로 분쇄하여 제조한 실리콘 분말을 감압하, 1100 ∼ 1300 ℃ 의 범위, 바람직하게는 1200 ℃ 미만에서 베이킹하여 탈산시키고, 핫 프레스로 1 차 소결한 후, 다시 가열 온도 1200 ∼ 1420 ℃ 의 범위, 압력 1000 기압 이상으로 HIP 처리함으로써 제조할 수 있다.
이 경우, 고순도 실리콘 분말의 사용 및 이 분말의 분쇄, 베이킹에 의한 탈산 조건과, HIP 처리 온도나 유지 시간 및 가압 조건의 채용에 의해, 결정 방위를 조정할 수 있다. 즉, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)…(1)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)…(2)] 가 0.3 이상, 0.5 이하인 소결 실리콘 웨이퍼를 얻을 수 있다.
또한, 동일한 공정에 의해, 최대 결정 입경이 20 ㎛ 이하, 평균 결정 입경이 1 ㎛ 이상, 10 ㎛ 이하가 되도록 소결 조건을 조절할 수도 있어, 소결 실리콘 웨이퍼의 기계적 강도를 동시에 향상시킬 수도 있다. 또한, 상기 공정에 있어서, 기계적 강도를 향상시키기 위해서는, 탈산소도 유익한 공정 중 하나이며, 미세 결정의 실리콘 소결체를 효율적으로 얻기 위해서는 탈산이 유효하다. 베이킹 온도를 1000 ∼ 1300 ℃, 바람직하게는 1200 ℃ 미만으로 하여 이 탈산을 실시한다.
이와 같은 실리콘 소결체의 제조 조건은, 3 점 굽힘법에 의한 저항력의 평균값, 20 kgf/㎟ ∼ 50 kgf/㎟, 인장 강도의 평균값 5 kgf/㎟ ∼ 20 kgf/㎟, 비커스 경도의 평균값 Hv 800 ∼ Hv 1200 을 용이하게 달성할 수 있다. 이것은 비정질 실리콘의 기계적 특성과 동등한 성질을 갖는 것이다. 이하의 실시예 및 비교예에 대해서는, 이 제조 조건의 범위에 있는 것으로, 기계적 특성은 비정질 실리콘의 기계적 특성을 모두 충족시켰다.
실시예
다음으로, 실시예에 기초하여 본 발명을 설명한다. 또한, 이하의 실시예는 발명을 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위한 것으로, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 기술 사상에 기초하는 다른 예 또는 변형은, 당연히 본 발명에 포함되는 것이다.
(실시예 1)
순도 6 N 의 실리콘 조립을 제트 밀로 분쇄한 평균 입경 5 ㎛ 의 실리콘 분말을, 감압하, 온도를 1000 ℃ 로 올리고, 5 시간 베이킹 처리하여 탈산시켰다.
다음으로, 온도를 1200 ℃ 로 하고, 동시에 면압을 200 kgf/㎠ 로 하여 핫 프레스하고, 이어서 이것을 온도 1300 ℃, 가압력 1800 기압, 유지 시간 3 시간 동안 HIP 하여, 직경 400 ㎜ 의 실리콘 소결체를 얻었다.
결정 방위의 조정은, 고순도 실리콘의 사용, 베이킹 (탈산소) 조건의 선택, 핫 프레스의 온도와 가압력, HIP 의 온도와 가압력, 유지 시간을 각각 선택함으로써 임의로 조절할 수 있다. 또한, 이것을 연마하여 실리콘 웨이퍼로 하였다.
실시예 1 의 실리콘 소결체 웨이퍼에 대하여, X 선 회절을 실시하여 결정면의 강도를 측정하였다. 이 결과, (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)] 이 0.6 이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)] 이 0.4 였다. 이 경우의 표면 조도 Ra 는, 단결정 실리콘 웨이퍼와 동등한 표면 조도인 0.01 을 갖고 있었다.
(실시예 2-7)
순도 5 N 과 6 N 의 실리콘 분말을, 실시예 1 과 동일하게, 감압하, 1100 ∼ 1300 ℃ 의 범위에서 베이킹하여 탈산시키고, 다음으로 이것을 1200 ∼ 1420 ℃ 의 범위, 면압 200 kgf/㎠ 이상에서 핫 프레스하고, 이에 따라 얻은 실리콘을, 다시 1200 ∼ 1420 ℃ 의 범위, 압력 1000 기압 이상에서 HIP 처리함으로써, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 각종 실리콘 소결체 웨이퍼를 제조하였다.
이들에 대하여, 추가로 X 선 회절을 실시하여, 결정면의 강도를 측정하였다. 이 결과를 동일하게 표 1 에 나타낸다. 표 1 에 나타내는 바와 같이, (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)] 이 0.5 ∼ 0.8 이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)] 이 0.3 ∼ 0.5 가 되었다. 이 경우의 표면 조도 Ra 는 0.01 ∼ 0.02 가 되어, 단결정 실리콘 웨이퍼와 동등한 표면 조도를 갖고 있었다.
(실시예 8-10)
다음으로, 본원 발명의 대표적인 실시예 1 을 베이스로, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비를 0.2 이하로 한 경우를 비교 실험하였다. 이 결과를 표 2 에 나타낸다. 이 표 2 에 나타내는 바와 같이, (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 존재는, 표면 조도를 크게 하는 경향이 있었다. 실시예 8 의 강도비가 0.2 인 경우에는, Ra 가 겨우 0.02 ㎛ 이하로 되기 때문에, 더욱 바람직하게는 X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비는 0.2 이하가 바람직하다고 할 수 있다.
단결정 실리콘 웨이퍼에 대해서는, 웨이퍼면과 웨이퍼면에 수직인 면에서는, 기본적으로는 특성에 차이가 없다고 할 수 있다. 따라서, 소결 실리콘에서는, 동일하게 그 측정되는 (220) 면에 대한 면 방위 강도비 (1) 와 (311) 면에 대한 면 방위 강도비 (2) 와, 당해 웨이퍼면에 수직인 면에서 측정되는 각각의 강도비 (1)' 및 (2)' 의 차, 즉 │(1)-(1)'│ 가 0.1 이하, │(2)-(2)'│ 가 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 이런 의미에서 0.05 이하를 허용 범위로 했는데, 표에는 나타내지 않지만, 본원 실시예 1-10 에 대해서는, 모두 이 범위에 있는 것을 확인할 수 있었다.
(비교예 1-5)
순도 6 N 의 실리콘을 사용하고, 베이킹 (탈산소) 조건, HIP 의 온도, 유지 시간, 가압력을 각각 선택함으로써, 표 3 에 나타내는 소결 실리콘 웨이퍼를 제조하고, 이 실리콘 소결체 웨이퍼에 대하여, X 선 회절을 실시하여 결정면의 강도를 측정하였다. 이 결과, (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)] 이 0.4 이하, 0.9 이상이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)] 이 0.3 이하, 0.6 이상이었다. 그리고, 표면 조도 Ra 는 0.04 - 0.08 ㎛ 로 조대화 (粗大化) 되었다.
이것은 메커니컬 웨이퍼로서 요구되는 표면 조도 Ra 0.02 ㎛ 이하를 구비하지 않아, 메커니컬 웨이퍼로서 요구되는 특성을 만족시키지 못했다. 이 특성의 저하는, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311]/Ⅰ(111)] 이 0.3 이상, 0.5 이하라는 본원 발명의 조건을 만족시키지 못하는 것이 원인으로 볼 수 있다.
본 발명은 평활한 표면을 갖는 소결 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있고, 메커니컬 웨이퍼로서 사용되는 단결정 실리콘의 표면 조도와 매우 유사한 소결 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다는 큰 특징을 가져, 메커니컬 웨이퍼로서 유용하다.
Claims (4)
- 소결 실리콘 웨이퍼로서, X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(220)/Ⅰ(111)…(1)] 이 0.5 이상, 0.8 이하이고, 또한 (311) 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비 [Ⅰ(311)/Ⅰ(111)…(2)] 가 0.3 이상, 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼.
- 제 1 항에 있어서,
X 선 회절에 의해 측정되는 (220) 면 및 (311) 면 이외의 면의 강도와 (111) 면의 강도의 비가 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 소결 실리콘 웨이퍼면에서 측정되는 (220) 면에 대한 면 방위 강도비 (1) 와 (311) 면에 대한 면 방위 강도비 (2) 가, 당해 웨이퍼면에 수직인 면에서 측정되는 각각의 강도비 (1)' 및 (2)' 에 대해, │(1)-(1)'│ 가 0.1 이하, │(2)-(2)'│ 가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 소결 실리콘 웨이퍼. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
Ra 0.02 ㎛ 이하의 표면 조도를 구비한 소결 실리콘 웨이퍼.
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