(57)【要約】 シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を備えていることを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法。多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法を提供することを課題とする。
2010004863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を備えていることを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項２】
多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンとの接合部において、拡散接合していることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項３】
多結晶の焼結シリコン部分が、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満であることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項４】
単結晶シリコン部分の最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項５】
多結晶の焼結シリコンウエハの最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項６】
多結晶焼結シリコンウエハが下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下
【請求項７】
単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハの表面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下の研磨面を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項８】
多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項９】
スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことを特徴とする請求項８記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１０】
スライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨することを特徴とする請求項８及び９記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１１】
単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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φ４００ｍｍ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、φ４００ｍｍ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。【０００３】
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。【０００４】
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ターゲット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ターゲットは、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ターゲットを製造することができないという問題があった。【０００５】
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たが、この点を改良した特許出願を行った。
これらシリコン焼結体を用いたウエハは、機械的特性が単結晶シリコンと近いため、半導体製造装置の搬送系や、ロボティックスの開発用としてのダミーウエハに用いることが出来る。また、ＳＯＩウエハのベース基板としての適用も検討されている。
しかし、これらは全てシリコン焼結体からなる多結晶シリコンであり、単結晶の物性に類似する点は多数あるが、単結晶そのものの機能を有するものでないため、成膜試験等、プロセス試験用には使用できない、という基本的な欠点を備えている。
【特許文献１】特許第３３４２８９８号
【特許文献２】特許第３８１９８６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、多結晶シリコンウエハと単結晶シリコンウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明者は、焼結条件を工夫することにより、機械的強度を向上させた多結晶の焼結シリコンを得ると共に、この焼結シリコンに単結晶シリコンを埋め込み、多結晶シリコンウエハと単結晶シリコンウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハができるとの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づき、
１）シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を備えていることを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ
２）多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンとの接合部において、拡散接合していることを特徴とする上記１）記載のハイブリッドシリコンウエハ
３）多結晶の焼結シリコン部分が、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満であることを特徴とする上記１）又は２）記載のハイブリッドシリコンウエハ
４）単結晶シリコン部分の最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることを特徴とする上記１）〜３）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
５）多結晶の焼結シリコンの最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする上記１）〜４）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
６）多結晶焼結シリコン部分が下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする上記１）〜５）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下
７）単結晶シリコンと多結晶焼結シリコンの表面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下の研磨面を備えていることを特徴とする上記１）〜６）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
８）多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法
９）スライス後の単結晶シリコンの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことを特徴とする上記８）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法
１０）スライス後の単結晶シリコンと多結晶焼結シリコンを同時に加工及び研磨することを特徴とする上記８）及び９）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法
１１）単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上であることを特徴とする上記１）〜１０）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ、を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上により、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハを提供することができるので、単結晶ウエハとしての特性及び機能と多結晶シリコンウエハの持つ特性と機能を、同時に保有するという大きな効果を有する。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。本願発明のハイブリッドシリコンウエハに備わる多結晶の焼結シリコンウエハは、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特性を備えている。すなわち、強度が高く、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るため、単結晶シリコンを埋め込むための機械加工が可能である。この特徴により比較的安価である小径の単結晶シリコンを用い、必要とされる部分に、適当なサイズの単結晶シリコンを埋め込むことが出来る。
また、焼結シリコンは大型インゴットとして製造出来るため、大型インゴットに単結晶インゴットを埋めこみ、界面を接合させ、その接合体をスライスすることで、ハイブリッドシリコンウエハを製造することが出来る。
このように、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハは、同サイズの単結晶ウエハ単独に比べ、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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】円盤形、矩形（長方形）及び楕円形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図である。
【図２】レーストラック形、４個の四角形及び３個の円盤形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のハイブリッドシリコンウエハは、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を備えているものである。すなわち、１枚のハイブリッドシリコンウエハに、多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハが同居する構造を有する。換言すれば、多結晶の焼結シリコンウエハの中に、単結晶ウエハが保持された構造を呈している。多結晶の焼結シリコンウエハ及び単結晶ウエハの各面は、表面に露出しており、製作の段階では、同時に機械加工及び研磨するので、同等の研磨面を備えている。通常、この多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハの各面の表面粗さＲａの差は、０．０２μｍ以下とするのが望ましい。【００１１】
多結晶の焼結シリコンウエハ部分は、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下の組織とすることが有効である。
この組織により、３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下という単結晶ウエハとほぼ同等の機械的強度を有することが可能となる。
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。【００１２】
また、多結晶の焼結シリコンウエハは、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満の組織とすることが望ましい。これによって、単結晶シリコンの表面粗さと同等の焼結シリコンウエハを提供することができる。これは、焼結シリコンウエハの結晶方位を調節した結果によるものである。
単結晶シリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハのサイズは、大型のものが作製可能である。例えば、単結晶シリコンにおいてφ４００ｍｍを超える大型サイズの作製は困難であり、製作できたとしても、非常に高価となるが、多結晶の焼結シリコンウエハでは、φ４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハの作製が容易である。従って、たとえばφ４００ｍｍ以上の円盤型多結晶の焼結シリコンウエハの一部に、円盤型単結晶シリコンウエハが埋め込まれた形のハイブリッドウエハであれば、製作が容易であり、かつ比較的安価に製造可能となる。【００１３】
これらのウエハの形は、円盤型に限らず、矩形等に製作できることは容易に理解されるであろう。また、埋め込まれる単結晶シリコンの形状も円盤型に限らず、矩形、長円楕円、レーストラック状等に作製可能である。図１に、円盤形、矩形（長方形）及び楕円形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図を示す。また、図２に、レーストラック状、４個の四角形及び３個の円盤形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図を示す。
単結晶シリコンの大きさには特に制限はないが、単結晶ウエハの最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることが望ましい。これによって、単結晶ウエハの特性を利用する試験において、ハイブリッドシリコンウエハを有効に活用できる。特に半径方向の分布を試験する場合には有効である。【００１４】
また、単結晶シリコン部分が円盤形だけでなく、矩形、長円楕円、レーストラック状等を同時に埋め込むことが可能なので、この場合は単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上となるようにすることができる。
しかし、これらの形に制限されるものではない。大きさの限界は、多結晶の焼結シリコンウエハに単結晶ウエハを保持できるサイズであり、これも特に限界があるといものではない。また、上記よりも小さいサイズの単結晶ウエハを埋め込むことも、勿論可能である。さらに、多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハとの接合強度を高めるために、接合部は、相互に拡散接合していることが望ましいが、用途によっては接着層を挿入しても良い。【００１５】
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とＨＩＰ処理の温度と加圧条件の採用により、結晶粒径の調整が可能であり、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下となるように焼結条件を調節する。焼結に際し、特に平均粒径１０μｍ以下のシリコン粉末を用いることが有効である。【００１６】
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。
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とする必要がある。
さらにＨＩＰの条件において、１１００°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。各工程の保持時間については、ベーキング時間は５時間程度、上記ホットプレスは１０時間程度、さらにＨＩＰ処理は３時間程度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。  【００１７】
本発明のハイブリッドシリコンウエハの製造に際しては、上記のように、予め作製した多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合させて、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製する。
次に、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを作製することができる。
この製作方法は、一度に多数枚のハイブリッドシリコンウエハを製造することを目的とするものであり、一枚毎にハイブリッドシリコンウエハを製造することも、当然可能である。【００１８】
上記複合体をスライスして作製する場合、スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことが望ましい。これによって、ハイブリッドシリコンウエハの単結晶ウエハ部をスライスするだけで、面方位が調整された単結晶シリコンウエハを形成できる。このようにして得たスライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨してハイブリッドシリコンウエハを製作することができる。【００１９】
このようなハイブリッドシリコンウエハは、単結晶ウエハとしての機能を有効に活用でくる。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、単結晶上への成膜試験などの装置試験用テストウエハと使用することが出来る。また、多結晶焼結シリコンウエハとしての機能、すなわち機械的強度が高く、加工性に富むので、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、本願発明の「ハイブリッドシリコンウエハ」は、多目的利用が可能であり、従来は、この特性を備えたシリコンウエハは存在していない。
【実施例】
【００２０】
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。【００２１】
（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平均粒径７μｍのシリコン粉末を、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／ｃｍ２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、φ４１０ｍｍのシリコン焼結体を得た。
結晶粒径は、微細な高純度シリコンの使用、ベーキング（脱酸素）条件の選択、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、任意に調節することができる。【００２２】
この多結晶シリコン焼結体は、平均結晶粒径７μｍ、最大結晶粒径１６μｍを有していた。この焼結シリコンの機械的強度を測定した。機械的強度の測定に際しては、一旦ウエハに加工してから、このウエハを任意に５点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２６ｋｇｆ／ｍｍ２、同平均の引張り強度は１４ｋｇｆ／ｍｍ２、同平均のビッカース硬度はＨｖ１０００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。
このように、多結晶シリコン焼結体ウエハとした場合において、充分な強度を有しているので、例えばハイブリッドシリコンウエハに加工した場合、ウエハの径を、４２０ｍｍ、４４０ｍｍ、４６０ｍｍ・・・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。なお、シリコン焼結体は不純物の混入は好ましくないので、純度６Ｎのシリコンを使用したが、純度５Ｎ以上であれば、特に問題なく使用できる。また、純度５Ｎ位以上であれば、機械的特性に影響を受けることはなかった。【００２３】
次に、この多結晶シリコン焼結体（φ４１０ｍｍ）を用い、この多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に、予め作製した（φ１９０ｍｍ）の単結晶インゴットを挿入した。多結晶シリコン焼結体と単結晶インゴットとのクリアランスは、０．１ｍｍ以下とした。
この後、ＨＩＰにより、１２００°Ｃ、２時間加熱し、相互に加熱拡散接合させ、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製した。
次に、この複合体を、厚さ１．０１ｍｍにスライスして、φ４１０ｍｍの多結晶の焼結シリコンウエハの中に、φ１９０ｍｍ単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハ１２枚を作製した。この後、研磨し、平均表面粗さＲａ０．０２μｍの鏡面ハイブリッドシリコンウエハを得た。
この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。【００２４】
（実施例２）
上記実施例１と同様の条件で複合体を作製する場合、スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工して表面を（１００）方位とした後、多結晶焼結シリコンに埋め込んだ。これによって、ハイブリッドシリコンウエハの単結晶ウエハ部をスライスするだけで、面方位が（１００）に調整された単結晶シリコンウエハを得ることができた。
このようにして得たスライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨して、ハイブリッドシリコンウエハを製作した。この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、ハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。【００２５】
（実施例３−７）
純度５Ｎと６Ｎの、平均粒径１〜１０μｍの微細なシリコン粉末を、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／ｃｍ２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、φ４６０ｍｍ、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ〜１０μｍ以下の範囲の焼結シリコンを製造した。
このようにして得た焼結シリコンからウエハを製作した結果、平均抗折力は２１〜３３ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は１２〜１７ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ８３０〜Ｈｖ１１２０となった。いずれも３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下の範囲となり、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。【００２６】
次に、この多結晶シリコン焼結体（φ４６０ｍｍ）を用い、この多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に、予め作製した（φ３００ｍｍ）の単結晶インゴットを挿入した。多結晶シリコン焼結体と単結晶インゴットとのクリアランスは、０．１ｍｍ以下とした。
この後、ＨＩＰにより、１２００°Ｃ、２時間加熱し、相互に加熱拡散接合させ、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製した。
次に、この複合体を、厚さ１．０１ｍｍにスライスして、φ４６０ｍｍの多結晶の焼結シリコンウエハの中に、φ３００ｍｍ単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハ２０枚を作製した。この後、研磨し、平均表面粗さＲａ０．０２μｍの鏡面ハイブリッドシリコンウエハを得た。
この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。【００２７】
（比較例１）
純度５Ｎの、平均粒径が１０μｍのシリコン粉を使用し、ベーキング（脱酸素）条件、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、平均結晶粒径１２μｍ、最大結晶粒径２５μｍの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。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。
この結果、抗折力（曲げ強度）は１６ｋｇｆ／ｍｍ２、引張り強度は１０ｋｇｆ／ｍｍ２、ビッカース硬度はＨｖ７９０となり、メカニカルウエハとして要求される曲げ強度、ビッカース硬度を満足していなかった。これは、本願発明の最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均粒径１〜１０μｍの条件を満たしていないことが原因と考えられた。
これについては、焼結シリコンウエハの強度が十分ではないので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。【００２８】
（比較例２）
次に、溶解法で最大結晶粒径８ｍｍ、平均結晶粒径２ｍｍのシリコンインゴットを作製し、これを切り出しシリコンウエハに仕上げた。この鋳造シリコンウエハの機械的強度を、実施例１と同様に測定した。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。
この結果、平均抗折力は８ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は５ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ７８０となり、特に平均抗折力及び平均引張り強度の低下が著しく、メカニカルウエハとして要求される機械的特性を満足しなかった。この特性の低下は、結晶粒径の粗大化が原因と考えられる。
これについては、焼結シリコンウエハの強度が十分ではないので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。【００２９】
（比較例３―７）
純度５Ｎのシリコンを使用し、ベーキング（脱酸素）条件、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、表２に示す平均結晶粒径、最大結晶粒径の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。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。
この結果、比較例３−６については、平均抗折力は１２〜１９ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は７〜１１ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ７２０〜Ｈｖ８２０となり、メカニカルウエハとして要求される曲げ強度、ビッカース硬度を満足していなかった。【００３０】
一方、比較例７は、引張り強度やビッカース硬度が単結晶シリコンウエハより大きくなり過ぎ、機械的物性に類似しなくなるという問題があり、比較例７の焼結シリコンウヘハも適していなかった。これは、本願発明の最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均粒径１〜１０μｍの条件を満たしていないことが原因と考えられた。
いずれも、焼結シリコンウエハとしての機能を備えていなかったので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上により、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハを提供することができるので、単結晶ウエハとしての特性及び機能と多結晶シリコンウエハの持つ特性と機能を、同時に保有するという大きな効果を有する。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。本願発明のハイブリッドシリコンウエハに備わる多結晶の焼結シリコンウエハは、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特性を備えている。すなわち、強度が高く、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る。このように、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハは、単結晶ウエハ単独に比べ、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ので、成膜装置などのテストウエハとして、また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有用である。
【図１】
2010004863.tif 000003
【図２】
2010004863.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月5日(2009.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンインゴットの中に単結晶シリコンインゴットを埋め込み加熱拡散接合したインゴット複合体をスライスして得た、多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を備えているハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項２】
多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンとの接合部において、拡散接合していることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項３】
多結晶の焼結シリコン部分が、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満であることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項４】
単結晶シリコン部分の最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項５】
多結晶の焼結シリコンウエハの最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項６】
多結晶焼結シリコンウエハが下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下
【請求項７】
単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハの表面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下の研磨面を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項８】
多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項９】
スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことを特徴とする請求項８記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１０】
スライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨することを特徴とする請求項８及び９記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１１】
単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月9日(2011.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンインゴットの中に単結晶シリコンインゴットを埋め込み加熱拡散接合したインゴット複合体をスライスして得た、多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を備えているハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項２】
多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンとの接合部において、拡散接合していることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項３】
多結晶の焼結シリコン部分が、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満であることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項４】
単結晶シリコン部分の最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項５】
多結晶の焼結シリコンウエハの最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項６】
多結晶焼結シリコンウエハが下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下
【請求項７】
単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハの表面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下の研磨面を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【請求項８】
多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項９】
スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことを特徴とする請求項８記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１０】
スライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨することを特徴とする請求項８及び９記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１１】
単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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φ４００ｍｍ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、φ４００ｍｍ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。
【０００３】
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。
【０００４】
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ターゲット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ターゲットは、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ターゲットを製造することができないという問題があった。
【０００５】
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たが、この点を改良した特許出願を行った。
これらシリコン焼結体を用いたウエハは、機械的特性が単結晶シリコンと近いため、半導体製造装置の搬送系や、ロボティックスの開発用としてのダミーウエハに用いることが出来る。また、ＳＯＩウエハのベース基板としての適用も検討されている。
しかし、これらは全てシリコン焼結体からなる多結晶シリコンであり、単結晶の物性に類似する点は多数あるが、単結晶そのものの機能を有するものでないため、成膜試験等、プロセス試験用には使用できない、という基本的な欠点を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３３４２８９８号
【特許文献２】特許第３８１９８６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、多結晶シリコンウエハと単結晶シリコンウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明者は、焼結条件を工夫することにより、機械的強度を向上させた多結晶の焼結シリコンを得ると共に、この焼結シリコンに単結晶シリコンを埋め込み、多結晶シリコンウエハと単結晶シリコンウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハができるとの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づき、
１）シリコンウエハであって、多結晶の焼結シリコンインゴットの中に単結晶シリコンインゴットを埋め込み加熱拡散接合したインゴット複合体をスライスして得た、多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を備えているハイブリッドシリコンウエハ
２）多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンとの接合部において、拡散接合していることを特徴とする上記１）記載のハイブリッドシリコンウエハ
３）多結晶の焼結シリコン部分が、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満であることを特徴とする上記１）又は２）記載のハイブリッドシリコンウエハ
４）単結晶シリコン部分の最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることを特徴とする上記１）〜３）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
５）多結晶の焼結シリコンの最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする上記１）〜４）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
６）多結晶焼結シリコン部分が下記（１）〜（３）の機械的特性を有することを特徴とする上記１）〜５）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
（１）３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（２）引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下
（３）ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下
７）単結晶シリコンと多結晶焼結シリコンの表面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下の研磨面を備えていることを特徴とする上記１）〜６）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ
８）多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合して、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製し、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハの製造方法
９）スライス後の単結晶シリコンの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことを特徴とする上記８）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法
１０）スライス後の単結晶シリコンと多結晶焼結シリコンを同時に加工及び研磨することを特徴とする上記８）及び９）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法
１１）単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上であることを特徴とする上記１）〜１０）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハ、を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上により、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハを提供することができるので、単結晶ウエハとしての特性及び機能と多結晶シリコンウエハの持つ特性と機能を、同時に保有するという大きな効果を有する。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。本願発明のハイブリッドシリコンウエハに備わる多結晶の焼結シリコンウエハは、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特性を備えている。すなわち、強度が高く、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るため、単結晶シリコンを埋め込むための機械加工が可能である。この特徴により比較的安価である小径の単結晶シリコンを用い、必要とされる部分に、適当なサイズの単結晶シリコンを埋め込むことが出来る。
また、焼結シリコンは大型インゴットとして製造出来るため、大型インゴットに単結晶インゴットを埋めこみ、界面を接合させ、その接合体をスライスすることで、ハイブリッドシリコンウエハを製造することが出来る。
このように、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハは、同サイズの単結晶ウエハ単独に比べ、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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】円盤形、矩形（長方形）及び楕円形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図である。
【図２】レーストラック形、４個の四角形及び３個の円盤形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のハイブリッドシリコンウエハは、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を備えているものである。すなわち、１枚のハイブリッドシリコンウエハに、多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハが同居する構造を有する。換言すれば、多結晶の焼結シリコンウエハの中に、単結晶ウエハが保持された構造を呈している。多結晶の焼結シリコンウエハ及び単結晶ウエハの各面は、表面に露出しており、製作の段階では、同時に機械加工及び研磨するので、同等の研磨面を備えている。通常、この多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハの各面の表面粗さＲａの差は、０．０２μｍ以下とするのが望ましい。
【００１２】
多結晶の焼結シリコンウエハ部分は、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下の組織とすることが有効である。
この組織により、３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下という単結晶ウエハとほぼ同等の機械的強度を有することが可能となる。
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。
【００１３】
また、多結晶の焼結シリコンウエハは、表面のＸＲＤ測定で、最頻の結晶方位のピーク強度が、全ピーク強度の５０％未満の組織とすることが望ましい。これによって、単結晶シリコンの表面粗さと同等の焼結シリコンウエハを提供することができる。これは、焼結シリコンウエハの結晶方位を調節した結果によるものである。
単結晶シリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハのサイズは、大型のものが作製可能である。例えば、単結晶シリコンにおいてφ４００ｍｍを超える大型サイズの作製は困難であり、製作できたとしても、非常に高価となるが、多結晶の焼結シリコンウエハでは、φ４００ｍｍ以上の焼結シリコンウエハの作製が容易である。従って、たとえばφ４００ｍｍ以上の円盤型多結晶の焼結シリコンウエハの一部に、円盤型単結晶シリコンウエハが埋め込まれた形のハイブリッドウエハであれば、製作が容易であり、かつ比較的安価に製造可能となる。
【００１４】
これらのウエハの形は、円盤型に限らず、矩形等に製作できることは容易に理解されるであろう。また、埋め込まれる単結晶シリコンの形状も円盤型に限らず、矩形、長円楕円、レーストラック状等に作製可能である。図１に、円盤形、矩形（長方形）及び楕円形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図を示す。また、図２に、レーストラック状、４個の四角形及び３個の円盤形の単結晶シリコンを埋め込んだハイブリッドシリコンウエハの概念図を示す。
単結晶シリコンの大きさには特に制限はないが、単結晶ウエハの最も長い径が、ウエハ全体の径の５０％以上を有していることが望ましい。これによって、単結晶ウエハの特性を利用する試験において、ハイブリッドシリコンウエハを有効に活用できる。特に半径方向の分布を試験する場合には有効である。
【００１５】
また、単結晶シリコン部分が円盤形だけでなく、矩形、長円楕円、レーストラック状等を同時に埋め込むことが可能なので、この場合は単結晶シリコン部分の表面積が、ウエハ全体の表面積の５０％以上となるようにすることができる。
しかし、これらの形に制限されるものではない。大きさの限界は、多結晶の焼結シリコンウエハに単結晶ウエハを保持できるサイズであり、これも特に限界があるといものではない。また、上記よりも小さいサイズの単結晶ウエハを埋め込むことも、勿論可能である。さらに、多結晶の焼結シリコンウエハと単結晶ウエハとの接合強度を高めるために、接合部は、相互に拡散接合していることが望ましいが、用途によっては接着層を挿入しても良い。
【００１６】
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とＨＩＰ処理の温度と加圧条件の採用により、結晶粒径の調整が可能であり、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ以上、１０μｍ以下となるように焼結条件を調節する。焼結に際し、特に平均粒径１０μｍ以下のシリコン粉末を用いることが有効である。
【００１７】
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。
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とする必要がある。
さらにＨＩＰの条件において、１１００°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。各工程の保持時間については、ベーキング時間は５時間程度、上記ホットプレスは１０時間程度、さらにＨＩＰ処理は３時間程度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。  
【００１８】
本発明のハイブリッドシリコンウエハの製造に際しては、上記のように、予め作製した多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に単結晶インゴットを挿入し、これらをＨＩＰにより相互に加熱拡散接合させて、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製する。
次に、この複合体をスライスして多結晶の焼結シリコンの中に単結晶シリコンウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを作製することができる。
この製作方法は、一度に多数枚のハイブリッドシリコンウエハを製造することを目的とするものであり、一枚毎にハイブリッドシリコンウエハを製造することも、当然可能である。
【００１９】
上記複合体をスライスして作製する場合、スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工し、多結晶焼結シリコンに埋め込むことが望ましい。これによって、ハイブリッドシリコンウエハの単結晶ウエハ部をスライスするだけで、面方位が調整された単結晶シリコンウエハを形成できる。このようにして得たスライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨してハイブリッドシリコンウエハを製作することができる。
このようなハイブリッドシリコンウエハは、単結晶ウエハとしての機能を有効に活用でくる。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、単結晶上への成膜試験などの装置試験用テストウエハと使用することが出来る。また、多結晶焼結シリコンウエハとしての機能、すなわち機械的強度が高く、加工性に富むので、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、本願発明の「ハイブリッドシリコンウエハ」は、多目的利用が可能であり、従来は、この特性を備えたシリコンウエハは存在していない。
【実施例】
【００２０】
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。
【００２１】
（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平均粒径７μｍのシリコン粉末を、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／ｃｍ２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、φ４１０ｍｍのシリコン焼結体を得た。
結晶粒径は、微細な高純度シリコンの使用、ベーキング（脱酸素）条件の選択、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、任意に調節することができる。
【００２２】
この多結晶シリコン焼結体は、平均結晶粒径７μｍ、最大結晶粒径１６μｍを有していた。この焼結シリコンの機械的強度を測定した。機械的強度の測定に際しては、一旦ウエハに加工してから、このウエハを任意に５点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２６ｋｇｆ／ｍｍ２、同平均の引張り強度は１４ｋｇｆ／ｍｍ２、同平均のビッカース硬度はＨｖ１０００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。
このように、多結晶シリコン焼結体ウエハとした場合において、充分な強度を有しているので、例えばハイブリッドシリコンウエハに加工した場合、ウエハの径を、４２０ｍｍ、４４０ｍｍ、４６０ｍｍ・・・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。なお、シリコン焼結体は不純物の混入は好ましくないので、純度６Ｎのシリコンを使用したが、純度５Ｎ以上であれば、特に問題なく使用できる。また、純度５Ｎ位以上であれば、機械的特性に影響を受けることはなかった。
【００２３】
次に、この多結晶シリコン焼結体（φ４１０ｍｍ）を用い、この多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に、予め作製した（φ１９０ｍｍ）の単結晶インゴットを挿入した。多結晶シリコン焼結体と単結晶インゴットとのクリアランスは、０．１ｍｍ以下とした。
この後、ＨＩＰにより、１２００°Ｃ、２時間加熱し、相互に加熱拡散接合させ、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製した。
次に、この複合体を、厚さ１．０１ｍｍにスライスして、φ４１０ｍｍの多結晶の焼結シリコンウエハの中に、φ１９０ｍｍ単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハ１２枚を作製した。この後、研磨し、平均表面粗さＲａ０．０２μｍの鏡面ハイブリッドシリコンウエハを得た。
この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。
【００２４】
（実施例２）
上記実施例１と同様の条件で複合体を作製する場合、スライス後の単結晶ウエハの面方位に合わせて、単結晶シリコンインゴットを事前に加工して表面を（１００）方位とした後、多結晶焼結シリコンに埋め込んだ。これによって、ハイブリッドシリコンウエハの単結晶ウエハ部をスライスするだけで、面方位が（１００）に調整された単結晶シリコンウエハを得ることができた。
このようにして得たスライス後の単結晶ウエハと多結晶焼結シリコンウエハを同時に加工及び研磨して、ハイブリッドシリコンウエハを製作した。この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、ハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。
【００２５】
（実施例３−７）
純度５Ｎと６Ｎの、平均粒径１〜１０μｍの微細なシリコン粉末を、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／ｃｍ２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、φ４６０ｍｍ、最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均結晶粒径が１μｍ〜１０μｍ以下の範囲の焼結シリコンを製造した。
このようにして得た焼結シリコンからウエハを製作した結果、平均抗折力は２１〜３３ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は１２〜１７ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ８３０〜Ｈｖ１１２０となった。いずれも３点曲げ法による抗折力の平均値が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上、５０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、引張り強度の平均値が５ｋｇｆ／ｍｍ２、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下、ビッカース硬度の平均値がＨｖ８００以上、Ｈｖ１２００以下の範囲となり、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。
【００２６】
次に、この多結晶シリコン焼結体（φ４６０ｍｍ）を用い、この多結晶焼結シリコンの一部をくり抜き、このくり抜いた部分に、予め作製した（φ３００ｍｍ）の単結晶インゴットを挿入した。多結晶シリコン焼結体と単結晶インゴットとのクリアランスは、０．１ｍｍ以下とした。
この後、ＨＩＰにより、１２００°Ｃ、２時間加熱し、相互に加熱拡散接合させ、多結晶の焼結シリコンと単結晶シリコンインゴットの複合体を作製した。
次に、この複合体を、厚さ１．０１ｍｍにスライスして、φ４６０ｍｍの多結晶の焼結シリコンウエハの中に、φ３００ｍｍ単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハ２０枚を作製した。この後、研磨し、平均表面粗さＲａ０．０２μｍの鏡面ハイブリッドシリコンウエハを得た。
この結果、接合界面にはポアの発生がなく、また剥離や亀裂の発生もない、多結晶の焼結シリコンウエハの中に単結晶ウエハが埋め込まれた構造を有するハイブリッドシリコンウエハを得ることができた。
【００２７】
（比較例１）
純度５Ｎの、平均粒径が１０μｍのシリコン粉を使用し、ベーキング（脱酸素）条件、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、平均結晶粒径１２μｍ、最大結晶粒径２５μｍの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。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。
この結果、抗折力（曲げ強度）は１６ｋｇｆ／ｍｍ２、引張り強度は１０ｋｇｆ／ｍｍ２、ビッカース硬度はＨｖ７９０となり、メカニカルウエハとして要求される曲げ強度、ビッカース硬度を満足していなかった。これは、本願発明の最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均粒径１〜１０μｍの条件を満たしていないことが原因と考えられた。
これについては、焼結シリコンウエハの強度が十分ではないので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。
【００２８】
（比較例２）
次に、溶解法で最大結晶粒径８ｍｍ、平均結晶粒径２ｍｍのシリコンインゴットを作製し、これを切り出しシリコンウエハに仕上げた。この鋳造シリコンウエハの機械的強度を、実施例１と同様に測定した。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。
この結果、平均抗折力は８ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は５ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ７８０となり、特に平均抗折力及び平均引張り強度の低下が著しく、メカニカルウエハとして要求される機械的特性を満足しなかった。この特性の低下は、結晶粒径の粗大化が原因と考えられる。
これについては、焼結シリコンウエハの強度が十分ではないので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。
【００２９】
（比較例３―７）
純度５Ｎのシリコンを使用し、ベーキング（脱酸素）条件、ＨＩＰの温度と加圧力を、それぞれ選択することにより、平均結晶粒径、最大結晶粒径の少なくとも一方が本願発明よりも大きい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。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。
この結果、比較例３−６については、平均抗折力は１２〜１９ｋｇｆ／ｍｍ２、平均引張り強度は７〜１１ｋｇｆ／ｍｍ２、平均ビッカース硬度はＨｖ７２０〜Ｈｖ８２０となり、メカニカルウエハとして要求される曲げ強度、ビッカース硬度を満足していなかった。
【００３０】
一方、比較例７は、引張り強度やビッカース硬度が単結晶シリコンウエハより大きくなり過ぎ、機械的物性に類似しなくなるという問題があり、比較例７の焼結シリコンウヘハも適していなかった。これは、本願発明の最大結晶粒径が２０μｍ以下、平均粒径１〜１０μｍの条件を満たしていないことが原因と考えられた。
いずれも、焼結シリコンウエハとしての機能を備えていなかったので、ハイブリッドシリコンウエハの製作はしなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上により、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハを提供することができるので、単結晶ウエハとしての特性及び機能と多結晶シリコンウエハの持つ特性と機能を、同時に保有するという大きな効果を有する。
ハイブリッドシリコンウエハの支持母体となる多結晶の焼結シリコンウエハにおいては、大型化と強度の向上は必要なことである。本願発明のハイブリッドシリコンウエハに備わる多結晶の焼結シリコンウエハは、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特性を備えている。すなわち、強度が高く、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る。このように、多結晶シリコンウエハと単結晶ウエハの双方の機能を備えたハイブリッドシリコンウエハは、単結晶ウエハ単独に比べ、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ので、成膜装置などのテストウエハとして、また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有用である。
【国際調査報告】
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