JP5867377B2 - 円筒研削機および単結晶ウエーハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶インゴットの外周部を円筒研削する円筒研削機および単結晶ウエーハの製造方法に関する。

単結晶ウエーハ（以下、単にウエーハと言うことがある）、例えば、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ）の基板材料として用いられているシリコン単結晶ウェーハ（以下、単にシリコンウエーハと言うことがある）などには、表面の清浄性や平坦性が求められている。
シリコンウェーハに平坦性が要求される背景としては、リソグラフィやＣＶＤなどに代表されるＬＳＩの製造工程プロセスにおいて面内均一性などのプロセス精度を向上させるためである。

また、ＬＳＩ製造工程プロセスの精度を上げるためのウェーハの品質項目として、前述の項目に加えてウェーハの真円度が挙げられる。

ここで、真円度とは「円形形体を２つの同心の幾何学的円で挟んだとき、同心円の間隔が最小となる場合の、２円の半径の差で表す」で定義される値である（非特許文献１参照）。

特許第４８６２８９６号

ＪＩＳ Ｂ ０６２１−１９８４

ウエーハの真円度に関して本発明者は鋭意研究を行った。
図７にシリコンウェーハ（面方位（１００））の外周部の形状を示す（点線の従来技術参照）。形状測定はＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ社製のタリロンドを用いて行った。そして真円度は５．３μｍであった。
なお、測定の際には、ウェーハのノッチ部（図７の測定図の下方）の周囲±１０度の位置は除外している。
また、図７には基準円を併せて示した。この基準円とはＬＳ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ Ｃｉｒｃｌｅ）円であり、円の中心から外周部の形状の距離の和が最小となるような円である。

図７に示すように、シリコンウェーハの形状は真円ではなく、４５°周期で凹凸が繰り返されるような形状となっている。すなわち、円周方向において半径のばらつきが生じている。この凹凸形状のために、シリコンウェーハの真円度の値は悪化してしまい、例えば顧客の要求する真円度を満たすことができない場合がある。

この凹凸が生じる原因について本発明者はさらに調査を行ったところ、この凹凸形状が生じる原因は、ウェーハ作製プロセス中のエッチングであることが分かった。
例えばＣＺ法などにより引上げられた単結晶インゴットは、外周部を円筒研削し、ウエーハ状にスライスされる。この時点での真円度は高い。ところが、その後、エッチングを含む種々のプロセスがスライスウエーハに施される。このようなウエーハ作製プロセスにおけるエッチング工程において、結晶方位によるエッチングレートの違いにより、ウエーハ外周部の凹凸形状が形成されてしまう。

そして、この凹凸を解消するための方法として、ウエーハの面取り時に、円周方向において４５°周期で面取り形状を変化させる面取り装置、面取り方法がある（特許文献１参照）。
しかしながら、この方法はウェーハ１枚ずつに対する加工であり、生産性を維持するためには、面取り装置を複数台用意しなければならず、非効率的である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、円筒研削工程、スライス工程およびエッチング工程を経た後において円周方向の半径のばらつきが抑制された高品質の単結晶ウエーハを効率良く得ることができる円筒研削機および単結晶ウエーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、研削砥石を用いて単結晶インゴットの外周部を円筒研削する工程と、該円筒研削工程後に前記単結晶インゴットをウエーハ状にスライスする工程と、該スライス工程後の単結晶ウエーハの少なくとも外周部をエッチング処理する工程を有する単結晶ウエーハの製造方法であって、前記エッチング工程における単結晶ウエーハの円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量に基づいて、該周期的な半径変化量を相殺するように、前記単結晶インゴットの円周方向の位置に応じて、前記研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を周期的に変更制御して前記単結晶インゴットの半径を変化させながら前記円筒研削工程を行った後、前記スライス工程およびエッチング工程を行い、単結晶ウエーハを製造することを特徴とする単結晶ウエーハの製造方法を提供する。

このようにすれば、まず、円周方向の位置に応じて半径があえて変更された単結晶インゴットを得ることが可能である。しかも、エッチング工程における単結晶ウエーハの、円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を相殺するように研削された単結晶インゴットであるため、スライス工程およびエッチング工程を経た後では、かえって円周方向の半径のばらつきが極めて抑制されたエッチドウエーハを得ることが可能になる。
しかも、円筒研削工程において、単結晶インゴットごと、つまりは単結晶ウエーハの全数分について、一度に円周方向の半径を簡便に変更でき、効率が良い。

このとき、前記単結晶インゴットの結晶方位を＜１００＞または＜１１１＞とし、それぞれ、前記砥石送り量の変更周期を４５°または１２０°とすることができる。

このようにすれば、円周方向の半径のばらつきが抑制された面方位（１００）または（１１１）のエッチドウエーハを得ることができる。

また、前記単結晶ウエーハの円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を、予め試験を行い求めることができる。

このようにすれば、同じ工程を用いたウエーハの円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を正確に求めることができ、その結果、一層、円周方向の半径のばらつきが抑制されたエッチドウエーハを得ることができる。

また、前記エッチング工程を、水酸化ナトリウム水溶液および水酸化カリウム水溶液のうちいずれか１つ以上を用いて行うことができる。

このようにすれば、エッチング処理による単結晶ウエーハの主面の形状変化を比較的抑制してエッチングすることができ、平坦度の高いエッチドウエーハを得ることができる。

また、前記エッチング工程後の単結晶ウエーハの真円度を３．０μｍ以下とすることができる。

本発明であれば、円周方向の半径のばらつきが十分に抑制された、一層高品質のエッチドウエーハを得ることができる。

また本発明は、研削砥石を用いて単結晶インゴットの外周部を円筒研削する円筒研削機であって、前記単結晶インゴットを保持するとともに回転させる保持具と、該保持具に保持された単結晶インゴットの外周部を研削する研削砥石と、該研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を数値制御により制御して、円周方向の位置に応じて単結晶インゴットの半径を制御するための制御装置を具備し、該制御装置は、前記保持具に保持された単結晶インゴットの円周方向の位置に応じ、研削するときの前記研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を周期的に変更制御するものであることを特徴とする円筒研削機を提供する。

従来の円筒研削機は単結晶インゴットの外周部を均一に研削するものであったが、これとは異なり上記本発明であれば、単結晶インゴットの円周方向の位置に応じて周期的に半径を変化させながら研削することが可能である。したがって、円周方向の位置に応じて半径があえて変更された単結晶インゴットを得ることができ、ウエーハ状にスライスしてエッチングした後では、円周方向の半径のばらつきが極めて抑制されたエッチドウエーハを得ることが可能になる。
しかも、本発明の円筒研削機により、単結晶インゴットごと、つまりは単結晶ウエーハの全数分について、一度に円周方向の半径を簡便に変更でき、効率が良い。

このとき、前記単結晶インゴットの結晶方位が＜１００＞または＜１１１＞であり、それぞれ、前記砥石送り量の変更周期が４５°または１２０°であるものとすることができる。

このようなものであれば、円周方向の半径のばらつきが抑制された面方位（１００）または（１１１）のエッチドウエーハを得ることができる。

従来の円筒研削機を用いて単結晶インゴットを均一に円筒研削しても、スライスしてエッチング工程を経ると、エッチングの結晶方位異方性のために、円周方向の位置に応じて半径の大きさが不均一になってしまうが、本発明であれば、エッチング工程後において、円周方向の半径のばらつきが抑制された高品質の単結晶ウェーハを効率良く得ることができる。

本発明の円筒研削機の一例を示す概略図である。 インゴットの外周面と研削砥石の進行方向の関係の一例を示す説明図である。 本発明における垂直砥石送り量の数値制御の一例を示すグラフである。 本発明の単結晶ウエーハの製造方法の工程の一例を示す説明図である。 本発明の製造方法によるシリコンウエーハの外周部の形状の一例を示す測定図である。 円周方向の位置に応じた、本発明および従来法によるシリコンウエーハの半径と、基準円の半径との差異の一例を示すグラフである。 従来のウエーハの製造方法によるシリコンウエーハの外周部の形状の一例を示す測定図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明の円筒研削機の一例を示す。本発明の円筒研削機１は、まず、単結晶インゴット２を保持するとともに回転させる保持具３と、インゴット２の外周部を研削する研削砥石４とを備えている。

なお、ここでは単結晶インゴット（以下、単にインゴットと言うことがある）２としてシリコン単結晶インゴット（以下、単にシリコンインゴットと言うことがある）を例に挙げて説明するが、当然これに限定されるものではない。また、インゴット２の結晶方位は特に限定されず、適宜決定することができる。ここではインゴット２の結晶方位が＜１００＞のものを例に挙げるが、例えば＜１１１＞のものとすることもできる。

保持具３は、インゴット２を保持するクランプ５と、回転手段６とを備えている。回転手段６によってクランプ５に保持されたインゴット２を軸周りに回転できるようになっている。この保持具３は、例えば従来と同様のものを用いることができる。この回転手段６は、例えば従来と同様のものを用いることができる。

そして研削砥石４自体は特に限定されず、インゴット２の外周部を円筒研削できるものであれば良く、例えば従来と同様のものを用いることができる。
また研削砥石４には、高速回転させるとともに移動させる手段（研削砥石移動手段７）がさらに備えられている。この研削砥石移動手段７は、研削砥石４を、インゴット２の軸方向に沿って移動させることができる上、研削砥石４の回転軸方向（すなわち、インゴット２の軸に対して垂直方向）に沿って移動させることができる。

また円筒研削機１は、インゴット２の回転や、研削砥石４の回転や移動を制御するための制御装置８をさらに備えている。この制御装置８は例えばコンピュータとすることができる。コンピュータに予めプログラムを設定するなどして、インゴット２の回転速度等の条件を調整したり、インゴット２の回転条件に応じて研削砥石４の回転速度、移動速度や移動量（砥石送り量。特に、インゴット２の軸に対して垂直方向の移動量を垂直砥石送り量とする）等の条件を数値制御できるようになっている。

研削時には、インゴット２が回転しつつ、インゴット２の軸方向に沿って研削砥石４が回転しながら移動するよう設定されているので、インゴットの外周部に対し、螺旋を描くようにして研削が行われることになる。図２にインゴット２（結晶方位＜１００＞）の外周面と研削砥石４の進行方向の関係を示す。矢印が研削砥石４の進行方向を示している。

また特に、研削時において、インゴット２の回転と同期させて、インゴット２の軸に対して垂直方向に沿った砥石送り量が変更されるよう設定されている。より具体的には、インゴット２の円周方向の位置に対応して、研削砥石４の垂直砥石送り量が周期的に変更制御される。
インゴット２は研削時に回転されているので、上記のように研削砥石４の垂直砥石送り量が周期的に変更制御されるよう設定されていると、円周方向の位置に応じてインゴット２の外周部の研削量が周期的に変化する。すなわち、研削されたインゴットは、円周方向の位置に応じてその半径が周期的に変化しているものになる。従来の円筒研削では、できるだけ研削後のインゴットの真円度を向上させるように研削がなされていたが、前述のように本発明の円筒研削機１によって、円周方向において半径をあえてばらつかせた、外周部に凹凸のあるインゴットを得ることができる。

なお、垂直砥石送り量の変更周期としては、例えば、円筒研削するインゴット２の結晶方位が＜１００＞の場合は４５°となるよう設定することができる。
ここで、インゴット２（結晶方位＜１００＞）に対する垂直砥石送り量の数値制御の一例を図３に示す。なお、図３は、縦軸に垂直砥石送り量、横軸にインゴット２の横断面における結晶方位＜１１０＞からの円周方向の角度を示している。変更周期は４５°であり、０〜５．０μｍの間で垂直砥石送り量が周期的に変更制御されている。０°から４５°間隔で、インゴット２の軸に垂直方向に沿って、インゴット２に向かって研削砥石４を５．０μｍ移動させている。一方、２２．５°から４５°間隔で、インゴット２の軸に垂直方向に沿って、インゴット２と反対方向に向かって研削砥石４を引き戻し、垂直砥石送り量を０μｍにしている。
さらに図２を用いて説明すると、研削砥石４が矢印に沿ってインゴットを研削する時に、４５°間隔にある点線上の領域を研削する際に垂直砥石送り量を増やす（５．０μｍの垂直砥石送り量）ように設定されていることになる。

また、結晶方位が＜１１１＞の場合は、垂直砥石送り量の変更周期を１２０°となるよう設定することができる。
なお、当然、変更周期はこれらに限定されず、インゴット２の結晶方位等に応じて適宜決定することができる。

次に、上記円筒研削機１を用いた本発明の単結晶ウエーハの製造方法について説明する。なお、ここではシリコン単結晶ウエーハを例に挙げて説明するが、これに限定されない。
例えば、予備試験を有する図４で示される工程に沿ってシリコンウエーハを製造する。なお、本発明の製造方法はこれに限定されず、必ずしも予備試験を行わず、例えば過去の蓄積データ等を利用してシリコンウエーハを製造することも可能である。

（予備試験）
まず、予備試験用としてのサンプルウエーハを準備する。例えばＣＺ法により育成したシリコン単結晶インゴットの外周部を円筒研削する（円筒研削工程：図４（Ａ））。この工程において使用する円筒研削機は特に限定されず、従来と同様のものを用いることができる。従来の円筒研削方法によって、インゴットの外周部を均一に円筒研削して外周部に凹凸のないインゴットを得る。

次に、ウエーハ状にスライスしてシリコンウエーハを得る（スライス工程：図４（Ｂ））。また、必要に応じてラッピング工程または両面研削工程にかける（図４（Ｃ））。
さらにこのシリコンウエーハの少なくとも外周部をエッチング処理する（エッチング工程：図４（Ｄ））。
エッチング処理として、例えば水酸化ナトリウム水溶液および水酸化カリウム水溶液のうち、いずれか１つ以上を用いると良い。ただし、これらに限定されず、その都度適切なものを選択することが可能である。そして例えば、温度８３℃で５０質量％の水酸化ナトリウム水溶液を用い、１０分間のエッチング処理を施すことができる。
このようなアルカリエッチングであれば、酸エッチングよりも、ウエーハの表裏面の形状維持性能が比較的高く、顧客からの平坦度要求を達成しやすいので好ましい。

このとき、アルカリエッチングの結晶方位異方性により、シリコンウエーハの円周方向の位置に応じて、エッチング量が周期的に異なり、外周部の形状が不均一となる。すなわち、円周方向の位置に応じて半径にばらつきが生じ、外周部に凹凸が見られるエッチドウエーハになる。

エッチングを行った後、エッチドウエーハの外周部の形状を測定し、円周方向の位置に応じた周期的な半径のばらつき、真円度等を求める。

一方で、エッチング前においては、先に行った円筒研削によって円周方向において半径はほぼ均一である。
これらのエッチング前後の半径の値から、円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を求めることができる。

例えば、エッチング後においては、前述した図７と同様のシリコンウエーハの外周部の形状が得られる。結晶方位＜１１０＞からの円周方向の角度が０°から４５°間隔で凸部が見られ、２２．５°から４５°間隔で凹部が見られる。エッチング前では、半径の大きさは円周方向でほぼ均一であるので、図７の凸部は、エッチング工程においてエッチング量が少なく（すなわちエッチング前後で半径が比較的変化していない）、一方、凹部はエッチング量が多かった（半径が大きく変化した（小さくなった））ことが分かる。

（円筒研削条件の設定）
このようにして得られた半径変化量に基づいて本試験での円筒研削工程における条件を設定する（図４（Ｅ））。
より具体的には、エッチングによる周期的な半径変化量を相殺するように、予め円筒研削工程において、円周方向の位置に応じて周期的に不均一に垂直砥石送り量を変更制御し、インゴットの外周部を凹凸にして半径が変化するような条件を設定する。
すなわち、エッチング工程で多くエッチングされる箇所では予め円筒研削される量を減らしておき（垂直砥石送り量を小さくしておき）、少なくエッチングされる箇所では予め円筒研削される量を比較的増やしておく（垂直砥石送り量を大きくしておく）。

例えば、エッチング後に図７のような外周部の形状のシリコンウエーハ（面方位（１００））が得られるのであれば、エッチング後により均一になるように、垂直砥石送り量を図３のように数値制御する。すなわち、結晶方位＜１００＞のインゴットの円筒研削条件に関して、結晶方位＜１１０＞からの円周方向の角度が０°から４５°間隔（エッチング量が少ない箇所）で垂直砥石送り量を多くする（５．０μｍ）。一方で２２．５°から４５°間隔（エッチング量が多い箇所）で垂直砥石送り量を少なくする（０μｍ）。
このように垂直砥石送り量の変更周期が４５°の円筒研削条件を設定することで、エッチング後において、最終的に円周方向の半径のばらつきが抑制されることが見込まれる。

なお、インゴットの結晶方位が＜１１１＞の場合においても、やはり円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を相殺するように、垂直砥石送り量の変更周期が１２０°の円筒研削条件を設定することができる。

（本試験）
このようにして円筒研削条件の設定を行った後、本試験を行う。まず、予備試験と同様にしてＣＺ法によりシリコン単結晶インゴットを育成し、上記のようにして得られた円筒研削条件をもとにして、円周方向において研削量が均一な円筒研削ではなく、円筒研削機１の制御装置８により、インゴット２の回転に同期させ、研削砥石４をインゴット２の軸方向に移動させつつ垂直砥石送り量を周期的に変更制御し、インゴット２の外周部の円筒研削を行う。これによって円周方向の位置に応じて周期的に半径が変化しているインゴットを得る（図４（Ｆ））。

このような円周方向で半径が不均一なインゴットをウエーハ状にスライスし（図４（Ｇ））、必要に応じてラッピングまたは両面研削（図４（Ｈ））を行った後、予備試験と同様の条件でエッチング処理を行う（図４（Ｉ））。このとき、予備試験と同様に、エッチングの結晶方位異方性により、円周方向の位置（つまりは結晶方位）に応じてエッチング量に差が生じる。
しかしながら、本発明の製造方法では、もともと、エッチング工程での結晶方位に依存するエッチングの異方性を考慮した上で、それによって生じる円周方向の位置に応じた不均一なエッチングを打ち消すように、円筒研削工程（図４（Ｆ））で、予め、わざと外周部が凹凸になるように（半径が不均一になるように）円筒研削を行っている。その結果、エッチング工程後においては、エッチドウエーハの円周方向の半径のばらつきは従来品に比べて極めて抑制されており、真円度の高い高品質のウエーハを得ることができる。

しかも、前述したように、このようにエッチングの結晶方位異方性に対応した外周形状を、インゴットの円筒研削工程において既に形成している。すなわち、スライスされたウエーハに対し、一枚一枚、対応する外周形状を作り込むのではなく、インゴット、すなわちウエーハ全数分の外周形状について、円筒研削工程で一度に形成することができるので、簡便である上に効率が良い。生産性を落とすことなく、また、エッチングの結晶方位異方性に対応した外周形状をウエーハ１枚ごとに作り込むための装置を複数用意する必要もないためコストも必要以上にかけることなく、高品質のエッチドウエーハを製造することができる。

図５に、本発明の製造方法によるシリコンウエーハ（面方位（１００））の外周部の形状の一例を示す。測定はＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ社製のタリロンドを用いて行った。なお、図５には、比較のため、図７で示した従来法によるシリコンウエーハの外周部の形状も併せて示している。
さらに図６には、円周方向の位置に応じた、本発明および従来法によるシリコンウエーハの半径と、基準円の半径との差異をグラフで示した。

図５に示すように、また前述したように、従来技術では外周部の周期的な凹凸が激しく見られ、半径のばらつきが大きい。図６に示すように基準円との半径の差異は−３〜２．５μｍの範囲にわたっている。真円度は５．３μｍであった。

一方で本発明によるシリコンウエーハの場合、図５に示すように従来技術に比べて凹凸が抑制されていることがわかる。また図６からも分かるように基準円との半径の差異は−１．２〜１．６μｍの範囲であり、従来技術に比べ、基準円との差異が小さくなっている。真円度は２．８μｍであり、従来技術に比べて改善されていることがわかる。このような真円度が３．０μｍ以下のエッチドウエーハであれば極めて高品質であり、顧客の要求を十分に満たすことが可能である。

なお、図４に示すこれ以降の鏡面研磨工程（図４（Ｊ））等は特に限定されず、例えば従来と同様の方法により行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…円筒研削機、 ２…単結晶インゴット、 ３…保持具、 ４…研削砥石、
５…クランプ、 ６…回転手段、 ７…研削砥石移動手段、 ８…制御装置。

Claims (7)

1. 研削砥石を用いて単結晶インゴットの外周部を円筒研削する工程と、該円筒研削工程後に前記単結晶インゴットをウエーハ状にスライスする工程と、該スライス工程後の単結晶ウエーハの少なくとも外周部をエッチング処理する工程を有する単結晶ウエーハの製造方法であって、
   前記エッチング工程における単結晶ウエーハの円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量に基づいて、該周期的な半径変化量を相殺するように、前記単結晶インゴットの円周方向の位置に応じて、前記研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を周期的に変更制御して前記単結晶インゴットの半径を変化させながら前記円筒研削工程を行った後、前記スライス工程およびエッチング工程を行い、単結晶ウエーハを製造することを特徴とする単結晶ウエーハの製造方法。
2. 前記単結晶インゴットの結晶方位を＜１００＞または＜１１１＞とし、それぞれ、前記砥石送り量の変更周期を４５°または１２０°とすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ウエーハの製造方法。
3. 前記単結晶ウエーハの円周方向の位置に応じたエッチングによる周期的な半径変化量を、予め試験を行い求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶ウエーハの製造方法。
4. 前記エッチング工程を、水酸化ナトリウム水溶液および水酸化カリウム水溶液のうちいずれか１つ以上を用いて行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の単結晶ウエーハの製造方法。
5. 前記エッチング工程後の単結晶ウエーハの真円度を３．０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の単結晶ウエーハの製造方法。
6. 研削砥石を用いて単結晶インゴットの外周部を円筒研削する円筒研削機であって、
   前記単結晶インゴットを保持するとともに回転させる保持具と、該保持具に保持された単結晶インゴットの外周部を研削する研削砥石と、該研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を数値制御により制御して、円周方向の位置に応じて単結晶インゴットの半径を制御するための制御装置を具備し、
   該制御装置は、前記保持具に保持された単結晶インゴットの円周方向の位置に応じ、研削するときの前記研削砥石の単結晶インゴット軸に対する垂直方向の砥石送り量を周期的に変更制御するものであることを特徴とする円筒研削機。
7. 前記単結晶インゴットの結晶方位が＜１００＞または＜１１１＞であり、それぞれ、前記砥石送り量の変更周期が４５°または１２０°であることを特徴とする請求項６に記載の円筒研削機。

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