JP4323562B2 - 焼結シリコンウエハ - Google Patents

Description

本発明は、機械的特性に優れた焼結シリコンウエハに関する。

シリコン半導体製造工程においては、単結晶引上げによって製造されたウエハが専ら使用されている。この単結晶シリコンウエハは時代と共に大きくなり、近い将来４００ｍｍ以上となることが予想される。そして、半導体製造プロセスに必要な装置及び周辺技術を確立するために、試験用に所謂メカニカルウエハが必要となっている。
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、４００ｍｍ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。

一方、このような半導体製造装置の構成部品としてシリコンの矩形又は円盤状の板からなるスパッタリングターゲットへの使用も提案されている。スパッタリング法は薄膜を形成手段として使用されているが、これには２極直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法など、いくつかのスパッタリング法があり、それぞれ固有のスパッタリングの性質を利用して各種電子部品の薄膜が形成されている。
このスパッタリング法は、陽極となる基板と陰極となるターゲットとを対向させ、不活性ガス雰囲気下でこれらの基板とターゲットの間に高電圧を印加して電場を発生させるものであり、この時電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、このプラズマ中の陽イオンがターゲット表面に衝突してターゲット構成原子を叩きだし、この飛び出した原子が対向する基板表面に付着して膜が形成されるという原理を用いたものである。

このようなスパッタリングターゲットに、多結晶のシリコン焼結体が提案されているが、この焼結体ターゲットは成膜効率を高めるために、厚さが大きくかつ大型の矩形又は円盤状のターゲットが要求されている。また、この多結晶のシリコン焼結体を、単結晶シリコンウエハの保持用ボードとして使用する提案もなされている。しかし、多結晶シリコンは、焼結性が悪く、得られた製品は低密度で、機械的強度が低いという大きな問題がある。
このようなことから、上記のシリコン焼結体の特性を改善しようとして、減圧下で１２００°Ｃ以上珪素の融点未満の温度範囲で加熱して脱酸した珪素粉末を圧縮成形し焼成して形成した珪素焼結体であり、焼結体の結晶粒径を１００μｍ以下に設定した珪素焼結体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、このようにして製造されるシリコン焼結体は、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シリコン焼結体を製造することができないという問題があった。

以上のようなことから、本出願人は、先に平均結晶粒径が５０μｍ以下、相対密度が９９％以上であるシリコン焼結体及びその製造方法を提案した（特許文献２参照）。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る。
特許第３３４２８９８号 特許第３８１９８６３号

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、大径の焼結シリコンウエハにおいても、一定の強度を備えた焼結体ウエハであり、単結晶シリコンの機械的物性に類似した焼結シリコンウエハを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明者は、焼結条件を工夫し、不純物の存在形態に着目し、その不純物の形態及び存在量を調節することにより機械的強度を向上させた焼結シリコンウエハを得ることができるとの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づき、
１．焼結シリコンウエハであって、当該ウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下であることを特徴とする焼結シリコンウエハ
２．シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径が３μｍ以下であることを特徴とする上記１記載の焼結シリコンウエハ
３．直径が４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハであって、当該焼結シリコンウエハから複数の試験試料を採取して測定した、下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする上記１又は２記載の焼結シリコンウエハ
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下

以上により、大径の焼結シリコンウエハにおいても、強度が著しく向上した焼結体ウエハを提供することが可能であり、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に類似した焼結シリコンウエハを提供することができる。また、強度が高いので、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、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。

本発明は、当該ウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下である焼結シリコンウエハを提供する。なお、金属ケイ化物の対象となる金属としては、モリブデン、タングステン、クロム、マンガン、チタン、鉄、チタン、ニッケルなどが代表的なものとして挙げられるが、これらの金属に制限されるものではなく、不純物として含有される金属ケイ化物は全て含まれる。
これによって、直径が４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハであっても、当該ウエハの３点曲げ法による抗折力（曲げ強度）の平均値を、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下とすることが可能となる。
これは、単結晶ウエハの機械的特性に一致する条件でもある。焼結シリコンウエハで最も大きな弱点は、抗折力（曲げ強度）の低下であるが、本願発明はこの弱点を克服することができる。

上記の機械的特性を向上させる場合に、シリコン酸化物、シリコン炭化物、金属ケイ化物の存在量は非常に重要である。シリコン酸化物の体積比率が０．２％を超える量、シリコン炭化物の体積比率が０．１５％を超える量、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％を超える量が存在する焼結シリコンウエハは、単結晶ウエハの機械的特性に適合する機械的特性、すなわち３点曲げ法による抗折力の平均値、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２〜５０ｋｇｆ／ｍｍ^２、引張り強度の平均値５ｋｇｆ／ｍｍ^２〜２０ｋｇｆ／ｍｍ^２、ビッカース硬度の平均値Ｈｖ８００〜Ｈｖ１２００を達成することができない。
シリコン酸化物の下限値である体積比率が０．０１％未満、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％未満でも実害はないが、これ未満にすることは、精製コストを上昇させ、効率的でないために設けられた下限値である。金属ケイ化物も同様であるが、特に下限値は設けなかった。いずれにしても、できるだけ少ない方が望ましい。

このようなシリコン焼結体ウエハは、機械的強度が高く、加工性に富むので、メカニカルウエハ（あるいはダミーウエハ）として使用するだけでなく、スパッタリングターゲットや半導体製造装置のホルダー等の各種部品として使用することもできる。
部品の製作に際しては、焼結シリコンウエハの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、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。
以上から、本願発明は、ウエハの３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下である直径が４００ｍｍ以上である焼結シリコンウエハを提供する。従来は、この特性を備えた直径が４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハは存在していない。

また、本願発明の好ましい条件として、シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径を３μｍ以下とすることである。不純物となる上記物質が微細であれば、より不純物の影響が少なく、焼結シリコンウエハの特性を向上させることができる。これらのシリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物は、通常結晶粒界に濃縮する傾向がある。

シリコン焼結体の製造方法としては、例えば５Ｎ以上の高純度シリコンの粗粒をジェットミルで粉砕して製造したシリコン粉末を減圧下、１１００〜１３００°Ｃの範囲、好ましくは１２００°Ｃ未満でベーキングして脱酸し、ホットプレスで一次焼結した後、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することによって製造することができる。
この場合に、高純度シリコン粉末の使用及びこの粉末の粉砕、ベーキングによる脱酸条件（温度、時間、雰囲気）及びＨＩＰ処理の温度と加圧条件の採用により、前記不純物含有量の調整が可能であり、ウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下となるように焼結条件を調節する。

また、脱酸素は重要であり、微細結晶のシリコン焼結体を得るためには十分な脱酸が必要である。ベーキング温度を１０００〜１３００°Ｃ、好ましくは１２００°Ｃ未満としたのは、１０００°Ｃ未満では酸素の除去が十分でないからである。酸素の存在は、シリコン酸化物の直接の形成を助長する要因となる。
１２００°Ｃ以上であると脱酸は進行するが、ネッキング（粉と粉がくっ付き合う現象）が多くなり、ホットプレスの際にネッキングをほぐしても、粒度分布にムラが生じ、また作業時間が長くなる欠点がある。このため、上限の温度は１３００°Ｃとするのが望ましい。

さらにＨＩＰの条件において、１２００°Ｃ未満、圧力１０００気圧未満では、同様に高密度シリコン焼結体が得られず、同様に１４２０°ＣではＳｉの融点を超えるためである。保持時間については、ベーキング時間は５時間程度、ＨＩＰ処理は３時間程度で実施するのが望ましい。長時間のＨＩＰ処理は結晶粒の粗大化になるので好ましくない。但し、これらの時間は処理条件に応じて適宜変更できるものであり、上記時間に制限されるものではない。

次に、実施例に基づいて本発明を説明する。なお、以下の実施例は発明を容易に理解できるようにするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく他の例又は変形は、当然本発明に含まれるものである。

（実施例１）
純度６Ｎのシリコン粗粒をジェットミルで粉砕したシリコン粉末を、減圧下、温度を１０００°Ｃ上げ、５時間ベーキング処理し、脱酸した。
次に、温度を１２００°Ｃとし、同時に面圧を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２としてホットプレスし、次にこれを、温度１２００°Ｃ、加圧力１４００気圧でＨＩＰして、直径４００ｍｍのシリコン焼結体を得た。
シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の存在量は、原料の選択すなわち高純度シリコンの使用、ベーキング（脱酸素）条件の選択、ＨＩＰ条件の厳密な管理において、達成できる。このようにして得た研磨して、シリコンウエハとした。

実施例１のシリコン焼結体ウエハは、シリコン酸化物が０．１６％体積比率、シリコン炭化物が０．１２％体積比率、金属ケイ化物が０％体積比率（分析レベルに達していなかった）を有していた。この焼結シリコンウエハの機械的強度を測定した。機械的強度の測定に際しては、ウエハから任意に５点をサンプリングした平均値である。
その結果、サンプリングした５点の平均の曲げ強度は２５ｋｇｆ／ｍｍ^２、同平均の引張り強度は９ｋｇｆ／ｍｍ^２、同平均のビッカース硬度はＨｖ１０２０であり、メカニカルウエハとして要求される特性を満足していた。なお、特性値の小数点以下は、四捨五入した。この結果を、表１に示す。なお、表１において、ケイ化金属で分析できない量については、−で表示した。以下、同様である。
このように、シリコン焼結体ウエハは充分な強度を有しているので、ウエハの径を、４２０ｍｍ、４４０ｍｍ、４６０ｍｍ、４８０ｍｍ・・と増加させた場合でも、割れやチッピングが発生することはなかった。

（実施例２−７）
純度５Ｎと６Ｎのシリコン粉末を、実施例１と同様に、減圧下、１１００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして、脱酸し、次にこれを、１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、これによって得たシリコンを、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することによって、表１に示すように、シリコン酸化物が０．０１〜０．２％体積比率、シリコン炭化物が０．０１〜０．１５％体積比率、及び金属ケイ化物が〜０．００６％体積比率の焼結シリコンを製造した。この結果を、同様に表１に示す。
この表１に示すように、いずれも３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下となり、本願発明の機械的特性を有し、メカニカルウエハとして使用できるものであった。

（実施例８−１０）
次に、本願発明の代表的な実施例１をベースに、シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径を変化させた場合の機械的特性を調べた。
この結果を、表２に示す。これによると、シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径が３μｍ以下である場合に、シリコンウエハの機械的特性を向上させる上で、さらに望ましいことが分る。
しかしながら、このシリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径の範囲は、本願発明のウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下である要件に入っている限り、大きな問題となるものでないことは、理解されるべきことである。

（比較例１）
純度５Ｎのシリコンを使用し、ベーキング（脱酸素）処理をせず、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、シリコン酸化物が０．２５％体積比率、シリコン炭化物が０．２％体積比率、及び金属ケイ化物が−％体積比率を有する焼結シリコンウエハを作製し、実施例１と同様にして、機械的強度を測定した。この結果を表３に示す。この機械的強度の測定値は、サンプリングした５点の平均値である。

表３に示すように、曲げ強度は１５ｋｇｆ／ｍｍ^２、引張り強度は１０ｋｇｆ／ｍｍ^２、ビッカース硬度はＨｖ１１００となり、メカニカルウエハとして要求される抗折力の平均値２０ｋｇｆ／ｍｍ^２〜５０ｋｇｆ／ｍｍ^２を満足していなかった。これは、本願発明のウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％〜０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％〜０．１５％以下の条件を満たしていないことが原因と考えられた。

（比較例２−７）
次に、純度５Ｎのシリコンを使用し、ベーキング（脱酸素）処理をせず、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、シリコン酸化物が０．２０〜０．４０％体積比率、シリコン炭化物が０．１〜０．３０％体積比率、及び金属ケイ化物が〜０．０８％体積比率を有する焼結シリコンウエハを作製し、実施例１と同様にして、機械的強度を測定した。この結果を表３に示す。この機械的強度の測定値は、サンプリングした５点の平均値である。

表２に示すように、抗折力は５〜１８ｋｇｆ／ｍｍ^２、引張り強度は３〜１０ｋｇｆ／ｍｍ^２、ビッカース硬度はＨｖ１０８０〜Ｈｖ１３１０となり、メカニカルウエハとして要求される抗折力の平均値２０ｋｇｆ／ｍｍ^２〜５０ｋｇｆ／ｍｍ^２に達することはなかった。また、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２〜２０ｋｇｆ／ｍｍ^２未満のもの（比較例５、６、７）も存在し、この点においても、不十分な比較例が存在した。さらに、ビッカース硬度の平均値がＨｖ１２００を超えるもの（比較例５、６、７）が存在するようになり、この点においても、本願発明の条件を満足していなかった。
これは、本願発明のウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下の条件を満たしていないことが原因と考えられた。
特に、シリコン酸化物及びシリコン炭化物の増加と共に大きくなり、さらに金属ケイ化物が範囲を超えた場合に、著しい不適合な焼結シリコンウエハとなった。

本発明は、大型の円盤状焼結シリコンウエハにおいても、単結晶シリコンの機械的物性に類似し、強度が著しく向上した焼結体ウエハを得ることが可能であり、メカニカルウエハとして有用である。また、このようなシリコン焼結体ウエハ機械的強度が高いのでスパッタリングターゲットや半導体製造装置の各種部品として使用することもできる。

Claims (3)

1. 直径が４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハであって、当該ウエハに含まれるシリコン酸化物の体積比率が０．０１％以上、０．２％以下、シリコン炭化物の体積比率が０．０１％以上、０．１５％以下、金属ケイ化物の体積比率が０．００６％以下であることを特徴とする焼結シリコンウエハ。
2. シリコン酸化物、シリコン炭化物及び金属ケイ化物の、それぞれの平均粒径が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の焼結シリコンウエハ。
3. 直径が４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハであって、当該焼結シリコンウエハから複数の試験試料を採取して測定した、下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の焼結シリコンウエハ
   （１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下
   （２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下
   （３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下