JP6757953B2 - 表面加工方法、構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象物に対する表面加工方法、及び構造体の製造方法に関する。

従来より、半導体ウェハの全体にイオン注入を行った後に半導体ウェハを加熱することにより、半導体ウェハの内部にブリスタリングすなわち空洞部を形成して半導体ウェハの表層部を層状に剥離するスマートカット（登録商標）技術が、例えば非特許文献１で提案されている。

このスマートカット（登録商標）技術は、例えばＳＯＩ基板（Silicon on Insulator；ＳＯＩ）の製造に利用されている。具体的には、まず、シリコンウェハＡを用意し、シリコンウェハＡの表面全体を熱酸化してＳｉＯ_２絶縁層を形成する。また、シリコンウェハＡのシリコン層に対し、ＳｉＯ_２絶縁層を介して水素イオンをイオン注入する。

次に、酸等の化学薬品と純水を用いてＳｉＯ_２絶縁層の表面を洗浄する。また、シリコンウェハＢを用意する。そして、各シリコンウェハＡ、Ｂに親水化処理を施してＳｉＯ_２絶縁層をシリコンウェハＡのシリコン層とシリコンウェハＢとで挟むように重ね合わせ、室温で接合する。

続いて、積層ウェハに対して４００℃〜６００℃で熱処理を行う。これにより、シリコンウェハＡにブリスタリングを発生させてシリコン結晶の結合を切断し、シリコンウェハＡから数μｍの厚さのシリコン層を剥離する。

この後、各シリコンウェハＡ、Ｂの界面に対して１０００℃以上で熱処理を行う。最後に、剥離したシリコンウェハＡの表面の研磨を行う。このようにして、ＳＯＩ基板が完成する。以上が、スマートカット（登録商標）技術を利用した工程である。

M. Bruel, Electronics Letters, Volume 31, Issue 14, 6 July 1995, p.1201-1202

上記従来の技術は、半導体ウェハの表層部を薄い層として剥離させる技術であるが、イオン注入はシリコンウェハＡの全体に対して行われるので、剥離面の全体が平面となる。したがって、上記従来の技術を用いて剥離面に凹凸等の微細構造を形成することは困難である。

ここで、半導体ウェハにイオン注入を行うと共に半導体ウェハを加熱すると、イオン注入した部分に「ブリスタリング」と呼ばれる空洞が発生する現象が知られている。この空洞によって半導体ウェハの表面に膨らみが生じることで半導体ウェハの表面に微細構造を形成することは可能である。

しかし、上記の現象自体は知られているものの、ブリスタリングによる半導体ウェハの表面の膨らみ、すなわち構造物の高さはナノレベルであり、極めて小さい。また、微細構造の形成の制御性が無いのが現状である。したがって、ブリスタリングを利用して半導体ウェハの表面を効率的に加工することにより微細構造を形成する方法が望まれている。

なお、上記では加工対象として半導体ウェハを例に述べたが、加工対象の材料は半導体材料に限られない。

本発明は上記点に鑑み、ブリスタリングを利用して加工対象物の表面を効率的に加工することができる表面加工方法を提供することを第１の目的とする。また、当該表面加工方法を用いた構造体の製造方法を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、加工対象物（２００）の表面（２１０）に微細な構造体（２６０）を形成する表面加工方法であって、以下の点を特徴としている。

まず、加工対象物（２００）に対してイオン注入を行うことにより、加工対象物（２００）にイオン注入層（２３０）を形成するイオン注入工程を行う。

イオン注入工程の後、加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、加工対象物（２００）のうちレーザ光の照射部分を局所的に加熱して加工対象物（２００）にブリスタリング（２５０）を発生させることにより、加工対象物（２００）の表面（２１０）に構造体（２６０）として、表面（２１０）の一部が***した***構造を形成するレーザ光照射工程を行う。レーザ光照射工程では、構造体（２６０）として、加工対象物（２００）の表面（２１０）に垂直な厚み方向における厚みが７μｍ以下のミクロンオーダーの***構造を形成することを特徴とする。

これによると、加工対象物（２００）に対してイオン注入及びレーザ光の照射を行うことにより、加工対象物（２００）の内部を局所的に急速かつ容易に加熱することができる。これにより、ブリスタリング（２５０）のサイズと制御性を向上させることができる。したがって、ブリスタリング（２５０）を利用して加工対象物（２００）の表面（２１０）を効率的に加工することができる
請求項２に記載の発明では、レーザ光照射工程では、レーザ光として連続発振のレーザ光を加工対象物（２００）に照射することを特徴とする。連続発振のレーザ光を用いることにより、微細な構造体（２６０）を確実に形成することができる。

また、請求項３に記載の発明では、レーザ光照射工程では、レーザ光として赤外光のレーザ光を加工対象物（２００）に照射することを特徴とする。赤外光のレーザ光を用いることにより、微細な構造体（２６０）を確実に形成することができる。

さらに、請求項４に記載の発明では、レーザ光照射工程では、加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする。加工対象物（２００）として半導体材料で構成されたものを用いることにより、微細な構造体（２６０）を確実に形成することができる。

上記では、加工対象物（２００）に微細な構造体（２６０）を形成する表面加工方法について述べたが、加工対象物（２００）に構造体（２６０）を形成する構造体の製造方法としても同様の特徴及び効果を有する。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態において、レーザ光照射工程で用いられるレーザ光照射装置の全体構成を示した図である。 （ａ）はイオン注入工程を行った後のＳｉウェハの断面図であり、（ｂ）はレーザ光照射工程を行った後のＳｉウェハの断面図である。 Ｓｉウェハに発生した結晶の転位を示した図である。 Ｓｉウェハに発生した空洞、クラック、転位部を示した図である。 白色光干渉式非接触三次元表面性状測定機（ＣＣＩ）によってＳｉウェハの表面を観察した平面図である。 ＣＣＩによってＳｉウェハの表面を観察した斜視図である。 図６に示された構造体の断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態に係る表面加工方法及び構造体の製造方法は、加工対象物の表面に微細な構造体を形成するための方法である。以下では、加工対象物として半導体材料で構成されたＳｉウェハの表面に微細構造を形成する例について説明する。なお、「Ｓｉウェハの表面」とは、Ｓｉウェハの表面だけでなく当該表面を含んだ表層部も含んでいる。

まず、イオン注入工程で用いるイオン注入装置について説明する。イオン注入装置は半導体プロセスにおいては周知の装置である。詳しい説明は省略するが、イオン注入装置は、概ね、イオン源からイオンビームを照射し、当該イオンビームを加速管で加速させてＳｉウェハ２００に打ち込む構成になっている。本実施形態では、水素イオンやヘリウムイオンをＳｉウェハ２００に打ち込む。

続いて、レーザ光照射工程で用いるレーザ光照射装置について説明する。図１に示されるように、レーザ光照射装置１００は、レーザ光源１１０、集光レンズ１２０、及びステージ１３０を備えて構成されている。

レーザ光源１１０は、Ｓｉウェハ２００に対してレーザ光を発生させるものである。レーザ光源１１０として、レーザ光の波長が例えば１０６４ｎｍであり、連続発振のレーザ光を発するものが用いられる。なお、この条件は一例であり、他の条件でレーザ光源１１０を駆動しても構わない。

ここで、Ｓｉウェハ２００は、レーザ光の一部を吸収する。言い換えると、レーザ光は、エネルギーの一部がＳｉウェハ２００に吸収されながらＳｉウェハ２００を透過していく。つまり、上記のレーザ光の波長域では、Ｓｉウェハ２００は半透明に構成されている。

集光レンズ１２０は、レーザ光源１１０から発せられたレーザ光を入射してＳｉウェハ２００の内部に集光するものである。すなわち、集光レンズ１２０は、レーザ光の焦点１４０がＳｉウェハ２００の内部に位置するようにＳｉウェハ２００に対して配置される。

なお、集光レンズ１２０はレーザ光源１１０と共にパッケージ化されている。このようなものとして、例えば、浜松ホトニクス社製のＬＤ照射光源装置を用いることができる。一方、レーザ光照射装置１００は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分加熱できるように構成されていれば良いので、集光レンズ１２０はレーザ光照射装置１００に必須の構成ではない。すなわち、レーザ光照射装置１００はレーザ光源１１０から照射されるレーザ光によってＳｉウェハ２００の表面２１０近傍を十分加熱できる条件に設定されていれば良い。

ステージ１３０は、Ｓｉウェハ２００を乗せるための設置面１３１を有している。ステージ１３０は、石英ガラス板やＡｌ板等の金属板で構成されている。本実施形態では、Ｓｉウェハ２００の表面２１０側が集光レンズ１２０に向けられると共に、Ｓｉウェハ２００の裏面２２０が設置面１３１に接触するように、Ｓｉウェハ２００がステージ１３０の設置面１３１に設置される。以上が、レーザ光照射装置１００の構成である。

続いて、上記の各装置を用いてＳｉウェハ２００に構造体を形成する方法について説明する。まず、イオン注入工程では、Ｓｉウェハ２００の表面２１０側からＳｉウェハ２００の内部に対してＳｉウェハ２００の表面２１０の上方からイオン注入を行う。これにより、図２（ａ）に示されるように、Ｓｉウェハ２００にイオン注入層２３０を形成する。

具体的な条件としては、ヘリウムイオンや水素イオンをイオン注入する場合、ドーズ量は８×１０^１６／ｃｍ^２、イオンのエネルギーは４０ｋｅＶ〜２ＭｅＶである。この条件ではイオンのエネルギーが比較的小さいので、イオン注入層２３０はＳｉウェハ２００の表面２１０から１００ｎｍ〜２０μｍ程度の深さに形成される。

この後、レーザ光照射工程を行う。レーザ光の照射環境は、真空中や特定のガス中である必要は無い。空気中でＳｉウェハ２００に対するレーザ光の照射を行う。

具体的には、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせて表面２１０の上方から内部にレーザ光を照射して、Ｓｉウェハ２００のうちレーザ光の照射部分を局所的に加熱する。Ｓｉウェハ２００の表面２１０に照射されるレーザ光の径は例えば４００μｍ程度である。

このレーザ光照射工程では、レーザ光として、連続発振のレーザ光をＳｉウェハ２００に照射する。また、レーザ光として波長が９１５ｎｍの赤外光のレーザ光をＳｉウェハ２００に照射する。レーザ光の照射出力は例えば１０Ｗ〜１８Ｗである。Ｓｉウェハ２００に対するレーザ光の照射時間は、例えば数秒あるいは十数秒程度である。ランプアニールよりも早くＳｉウェハ２００を局所的に加熱することができる。また、連続発振のレーザ光を使用しているので、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に穴を開けずにＳｉウェハ２００の表層部を加熱することができる。

これにより、図２（ｂ）に示されるように、Ｓｉウェハ２００の内部に空洞２４０を形成し、ブリスタリング２５０を発生させる。空洞２４０は、例えば卵型やカプセル型の空間を構成する。ブリスタリング２５０の形成によって、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に構造体２６０として、表面２１０の一部が***した***構造が形成される。

図３〜図７は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の結晶面が（１００）面のものに対し、レーザ光の照射時間を５秒として構造体２６０を形成したものを示している。

図３のＴＥＭ画像に示されるように、Ｓｉウェハ２００の内部に白い領域が形成されている。この白い領域は空洞２４０である。したがって、Ｓｉウェハ２００のうち空洞２４０によって盛り上がった部分がブリスタリング２５０である。

Ｓｉウェハ２００のうちブリスタリング２５０に対応する部分、すなわち表面２１０と空洞２４０との間の領域には多数の黒いスジが形成されている。この黒いスジは、結晶の転位があったことを示している。結晶の転位は、Ｓｉウェハ２００がレーザ光によって加熱されたことによる熱的ストレスによって発生したと考えられる。また、空洞２４０の下部に見える黒いスジは、結晶の転位あるいはベンドコンターであると考えられる。

なお、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に位置する層はＳｉＯ_２層２７０である。このＳｉＯ_２層２７０の上に位置する層はタングステンガード層２８０である。これらは断面観察を可能にするための集束イオンビーム加工（ＦＩＢ）における前処理のためのものである。

図４は、図３よりも広域なＴＥＭ図である。図４に示されるように、円形の白い部分は空洞２４０である。空洞２４０と空洞２４０との間にある長細い白い部分は、空洞２４０間に発生したクラック２４１である。さらに、複数の空洞２４０が並んだ直線状のラインの上側や下側に位置する複数の白い点部分や複数の黒い点部分等は結晶の転位が起こった転位部２４２である。なお、図４では空洞２４０、クラック２４１、及び転位部２４２の一例を示している。

そして、ブリスタリング２５０によってＳｉウェハ２００の表面２１０の一部が盛り上がった部分が微細な構造体２６０である。具体的には、図５〜図７のＣＣＩ画像に示されるように、構造体２６０は、Ｓｉウェハ２００の表面２１０の一部がピラミッドのように三角錐状に***した構造になっている。なお、当該観察にはＣＣＩとしてTaylor Hobbson社のTalysurfを用いた。

特に、図７の断面プロファイルに示されるように、構造体２６０は、高さが約７μｍ、平面サイズが約０．２ｍｍであった。これは、数ｎｍから大きくても数百ｎｍ程度の従来の微細な構造と比較して非常に大きなサイズである。このように、従来よりも大きなミクロンレベルの構造体２６０を形成することが可能になった理由として考えられることは、レーザ光の照射によってＳｉウェハ２００の内部に従来よりも大きな空洞２４０を形成できるようになったからであると考えられる。空洞２４０が大きくなるので、Ｓｉウェハ２００の表層部のうち空洞２４０によって盛り上げられる部分の体積が大きくなる。したがって、従来よりも大きなサイズの構造体２６０を形成できるようになった。

ここで、図５の平面図及び図６の斜視図に示されるように、Ｓｉウェハ２００の表面２１０には複数の凹部が形成されている。この凹部は、Ｓｉウェハ２００に対するイオン注入及びレーザ光の照射によってＳｉウェハ２００の一部が剥離した部分である。

そして、構造体２６０を形作っている空洞２４０、空洞２４０の周囲の転位部２４２、そして微細なクラック２４１は、外部からＳｉウェハ２００に入射する光を遮断する遮光効果がある。また、空洞２４０は気体が充満しているので、熱が伝わりにくく、遮熱効果がある。遮光効果及び遮熱効果によって、Ｓｉウェハ２００の表層部はより温度上昇しやすくなるという昇温効果も得られる。

以上説明したように、本実施形態では、加工対象物であるＳｉウェハ２００にイオン注入を行った後にレーザ光を照射する方法が特徴となっている。この方法により、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に、当該表面２１０の一部が***した***構造を有する構造体２６０を形成することができる。構造体２６０が形成された原因としては、レーザ光がＳｉウェハ２００に照射されたことによって照射部分が融点近傍まで加熱され、空洞２４０が形成され、その空洞２４０が拡大した結果であると考えられる。

また、Ｓｉウェハ２００に対するイオン注入が必要ではあるものの、Ｓｉウェハ２００にレーザ光を所定時間だけ照射することで表面２１０のうちレーザ光の照射範囲に構造体２６０を形成することができる。レーザ光を照射する設備については、簡易な構成で実現することができる。したがって、Ｓｉウェハ２００の表面２１０に微細な構造体２６０を容易に形成することができる。

特に、従来は構造体２６０をナノオーダーの厚みでしか形成できなかったが、上記の方法によって約１０００倍、すなわちミクロンオーダーの厚みの構造体２６０を形成することができるようになった。より具体的には、従来では平面方向のサイズが数μｍ、厚み方向のサイズが数ｎｍのオーダーの構造物しか形成することができなかったが、上記の方法によって平面方向のサイズが数十μｍ、厚み方向のサイズが数μｍのオーダーの構造体２６０を形成することができるようになった。また、レーザ光の照射時間を調整することにより、構造体２６０のサイズを調整することが可能である。さらに、構造体２６０のサイズの制御性も向上した。

上記の構造体２６０の形成方法は、非接触、無塵、切りしろ無しを特徴とする微細加工の要素手法として様々な形で応用することができる。例えば、構造体２６０の応用例として、発光デバイスの光量向上や、ナノインプリントの金型作製や、回折格子／散乱ターゲットの作製に役立つ可能性がある。さらに、ＭＥＭＳ要素部品への応用も考えられる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、Ｓｉウェハ２００が特許請求の範囲の「加工対象物」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された構造体２６０を形成する方法は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体材料、ダイヤモンド、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３等のイオン注入及びレーザ光の照射が可能な材料を加工対象物としても良い。

また、レーザ光照射工程におけるレーザ光の照射は、加工対象物の一カ所に対する照射だけでなく、表面２１０を走査しても良い。レーザ光を走査する場合、レーザ光の焦点１４０と加工対象物とを相対的に移動させれば良い。したがって、レーザ光源１１０及び集光レンズ１２０の位置を固定した状態でステージ１３０を移動させても良いし、ステージ１３０の位置を固定した状態でレーザ光源１１０及び集光レンズ１２０の位置を移動させても良い。

さらに、上記のレーザ光照射工程では、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせて表面２１０の上方から内部にレーザ光を照射していたが、これはレーザ光照射の一例である。Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０が位置していなくても良い。したがって、Ｓｉウェハ２００の内部にレーザ光の焦点１４０を合わせずに表面２１０の上方からＳｉウェハ２００にレーザ光を照射しても良い。

１１０ レーザ光源
１２０ 集光レンズ
１４０ 焦点
２００ Ｓｉウェハ（加工対象物）
２１０ 表面
２３０ イオン注入層
２５０ ブリスタリング
２６０ 構造体

Claims (8)

1. 加工対象物（２００）の表面（２１０）に微細な構造体（２６０）を形成する表面加工方法であって、
   前記加工対象物（２００）に対してイオン注入を行うことにより、前記加工対象物（２００）にイオン注入層（２３０）を形成するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程の後、前記加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、前記加工対象物（２００）のうち前記レーザ光の照射部分を局所的に加熱して前記加工対象物（２００）にブリスタリング（２５０）を発生させることにより、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に前記構造体（２６０）として、前記表面（２１０）の一部が***した***構造を形成するレーザ光照射工程と、
   を含み、
   前記レーザ光照射工程では、前記構造体（２６０）として、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に垂直な厚み方向における厚みが７μｍ以下のミクロンオーダーの前記***構造を形成することを特徴とする表面加工方法。
2. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として連続発振のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項１に記載の表面加工方法。
3. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として赤外光のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項１または２に記載の表面加工方法。
4. 前記レーザ光照射工程では、前記加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の表面加工方法。
5. 加工対象物（２００）の表面（２１０）に微細な構造体（２６０）を形成する構造体の製造方法であって、
   前記加工対象物（２００）に対してイオン注入を行うことにより、前記加工対象物（２００）にイオン注入層（２３０）を形成するイオン注入工程と、
   前記イオン注入工程の後、前記加工対象物（２００）にレーザ光を照射して、前記加工対象物（２００）のうち前記レーザ光の照射部分を局所的に加熱して前記加工対象物（２００）にブリスタリング（２５０）を発生させることにより、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に前記構造体（２６０）として、前記表面（２１０）の一部が***した***構造を形成するレーザ光照射工程と、
   を含み、
   前記レーザ光照射工程では、前記構造体（２６０）として、前記加工対象物（２００）の前記表面（２１０）に垂直な厚み方向における厚みが７μｍ以下のミクロンオーダーの前記***構造を形成することを特徴とする構造体の製造方法。
6. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として連続発振のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項５に記載の構造体の製造方法。
7. 前記レーザ光照射工程では、前記レーザ光として赤外光のレーザ光を前記加工対象物（２００）に照射することを特徴とする請求項５または６に記載の構造体の製造方法。
8. 前記レーザ光照射工程では、前記加工対象物（２００）が半導体材料で構成されたものを用いることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の構造体の製造方法。