(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）使用済みシリコン単結晶部材の表面上に、シリコン片を載置する工程、
（２）載置された前記シリコン片を、上側から加熱することにより、前記シリコン片と、前記シリコン単結晶部材の前記シリコン片と接する表面とを融解させる工程、及び
（３）工程（２）で生成した融解物を冷却してシリコン単結晶を成長させる工程、
を含むことを特徴とする使用済みシリコン単結晶部材を補修する方法。
【請求項２】
工程（２）において、加熱が光加熱によって行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記光加熱が、キセノンランプ又はハロゲンランプにより行われることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
工程（２）が、前記使用済みシリコン単結晶部材を下側から補助加熱する補助加熱工程を含み、該補助加熱は前記シリコン片の加熱よりも前に開始され、工程（３）において前記シリコン片の加熱が停止された後に補助加熱が停止されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
工程（２）が、使用済みシリコン単結晶部材及び前記シリコン片の表面上を集光した光で走査しながら実施されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記走査の速度が、前記光の集光領域に融解したシリコンが常に存在するような速度であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
工程（１）が、前記シリコン片の表面上に、ドーパント用の固体片を載置する工程をさらに含み、工程（２）が、該固体片を融解させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記使用済みシリコン単結晶部材が、ドライエッチング装置のフォーカスリング、グランドリング、又は電極板であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン単結晶部材を補修する方法に関する。詳細には、使用済みのシリコン単結晶部材表面上にシリコン単結晶を成長させて該部材を補修する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ等の半導体集積デバイス製造におけるエッチング装置として、プラズマを用いたドライエッチング装置が用いられている。この装置では、エッチング対象のウエハが平面電極のカソード上に配置され、装置内にエッチングガスが導入された状態で、高周波発振器により対向電極（アノード）とカソードの間に高周波電圧が印加されると、電極間にエッチングガスのプラズマが発生する。プラズマ中の活性ガスであるプラスイオンがウエハ表面に入射しエッチングが行われる。
【０００３】
ドライエッチング装置内部では、金属製部品を用いると金属汚染が起こるので、シリコン製部品が用いられる。代表的なシリコン製部品としては、エッチング対象のウエハを囲むドーナツ状の形状をしたフォーカスリング、下部電極を囲むグランドリング、上部電極板、及びエッチングチャンバー上部及び下部の保護部材などがある。これらのうちフォーカスリング等はエッチング対象のウエハより大きな直径を有することが必要であり、現在主流の３００ｍｍウエハ用のものは３２０ｍｍ以上の直径を持ったシリコン結晶インゴットから作成されるため、高価である。加えて、結晶に粒界があると、粒界からパーティクルが発生しやすくなるため、粒界のない単結晶シリコンが求められ、さらに高価なものとなっている。
【０００４】
ドライエッチング装置内に設置されたシリコン製部品は、使用されるにつれ少しずつ表面がエッチングされて薄くなる。厚みが一定以上薄くなると、屑シリコンとして廃棄されてしまい、再利用する方法が求められていた。
【０００５】
フォーカスリング等を再生する方法として、シリコン廃材を洗浄し、不純物の含有量を測定して追加すべきシリコン原料と不純物を決定した後、るつぼ内で溶融して、多結晶シリコンインゴッドを調製し、新たなフォーカスリング等を製造する方法が提案されている（特許文献１）。また、シリコン基板の再利用については、所定の前処理を行ったスクラップウエハを複数枚重ねて円柱状に整列させたものを加熱炉中で４００〜１３５０℃で加熱し、スクラップウエハ同士を拡散接合させて再生インゴットを製造する方法が提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２０１３−１６５３２号公報
【特許文献２】特開平２００８−２１８９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記いずれの方法もシリコン廃材全体を溶融するので多大なエネルギーと時間を要し、コストもかかる。さらに、特許文献１の方法では、多結晶シリコンしか得られない。特許文献２の方法で得られる再生インゴットは、単結晶として使用できる状態にかなり近いとされているが、スクラップウエハ同士の接合面に結晶界面や酸化膜が生成される可能性があることも言及されており、ドライエッチング用途には不向きである。
【０００８】
そこで本発明は、より少ないエネルギーで、より迅速に使用済みシリコン単結晶部材を補修する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
即ち、本発明は以下の通りである。
［１］（１）使用済みシリコン単結晶部材の表面上に、シリコン片を載置する工程、
（２）載置された前記シリコン片を、上側から加熱することにより、前記シリコン片と、前記シリコン単結晶部材の前記シリコン片と接する表面とを融解させる工程、及び
（３）工程（２）で生成した融解物を冷却してシリコン単結晶を成長させる工程、
を含むことを特徴とする使用済みシリコン単結晶部材を補修する方法。
［２］工程（２）において、加熱が光加熱によって行われることを特徴とする［１］記載の方法。
［３］前記光加熱が、キセノンランプ又はハロゲンランプにより行われることを特徴とする［２］記載の方法。
［４］工程（２）が、前記使用済みシリコン単結晶部材を下側から補助加熱する補助加熱工程を含み、該補助加熱は前記シリコン片の加熱よりも前に開始され、工程（３）において前記シリコン片の加熱が停止された後に補助加熱が停止されることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の方法。
［５］工程（２）が、使用済みシリコン単結晶部材及び前記シリコン片の表面上を集光した光で走査しながら実施される［２］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］前記走査の速度が、前記光の集光領域に融解したシリコンが常に存在するような速度である［５］記載の方法。
［７］工程（１）が、前記シリコン片の表面上に、ドーパント用の固体片を載置する工程をさらに含み、工程（２）が、該固体片を融解させる工程をさらに含むこと特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
［８］前記使用済みシリコン単結晶部材が、ドライエッチング装置のフォーカスリング、グランドリング、又は電極板であることを特徴とする［１］〜［７］のいずれかに記載の方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法によれば、使用済みシリコン単結晶部材については、その表面付近だけを局所的に融解するので、より少ないエネルギーで、より迅速に同部材を補修することができる。これにより従来屑シリコンとして廃棄されていたシリコン部材を再利用することが可能となり、消耗品コストの低減にも繋がる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の方法の第１実施形態を説明する概略図である。
【図２】本発明の方法の第２実施形態を説明する概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、本発明の方法の第１実施形態を説明する概略図である。ここでは、使用済みシリコン単結晶部材１として、例えばドライエッチング装置のフォーカスリング等のリング形状の部材を水平方向に配置して処理する例である。該フォーカスリングの補修したい箇所の表面上に、シリコン片２を載置し、加熱手段３によりシリコン片２の上側から加熱する。
【００１３】
使用済みシリコン単結晶部材１（以下「部材１」という場合がある）は、単結晶であれば特定の種類のものに限定されず、その製造方法、純度、結晶方位、形状等任意であってよい。ドライエッチング装置における使用済みの部材としては、例えばフォーカスリング、グランドリング、及び電極板が挙げられる。
【００１４】
ドライエッチング装置の使用済み部材１は、エッチングにより部材１の表面が荒れ、金属などの汚染物質が付着している場合がある。そのため、補修に先立ち、弗酸と硝酸の混合液などにより表面をエッチングして鏡面状にした後、補修に供することが好ましい。該混合液としてはJIS規格H0609に規定の化学研磨液（弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）＝３：５：３）などを用いることができる。
【００１５】
シリコン片２を載置する場所は、部材１において補修したい箇所の表面上であり、補修したい特定の一箇所であっても、全面に亘ってもよい。例えば使用済みフォーカスリングの全表面を修復したい場合には、該フォーカスリングを水平に置き、その上に、板形状であってその一辺の長さがリングの幅程度である正方形のシリコン片を、該一辺をリングの内周に沿わせてシリコン片間の隙間が最小になるように載置する。
【００１６】
シリコン片２は、単結晶および多結晶のいずれであってもよい。シリコン片２の厚み及びサイズは、補修する部材１の大きさ、形状、結晶成長させたい厚み、及び加熱手段３等に依存して適宜定めることができる。加熱手段３として、集光可能な光加熱手段を用い、その集光サイズを直径１０〜３０ｍｍとする場合には、シリコン片２の厚みが０．１ｍｍ〜１０ｍｍであり、サイズが１ｘ１ｍｍ〜５０ｘ５０ｍｍであることが好ましい。厚みが前記上限値を超えると、シリコン片２を加熱した際に該シリコン片２の下部が十分に溶けない、あるいは溶けたとしても完全に溶けるまでに時間を要するため、部材１の全面に結晶成長させたいような場合には補修に要する時間が長くなり好ましくない。シリコン単結晶を１０ｍｍ以上厚く成長させたい場合には、複数回繰り返して結晶育成を行い、厚みを増加させることが好ましい。一方、厚みが前記下限値未満であると、加熱時の雰囲気を調整するためのアルゴンガスの流れによってシリコン片２が移動してしまう恐れがある。サイズに関しては、前記下限値未満であるとシリコン片２の比表面積（ｃｍ−１）が大きくなり、表面が酸化され、また金属付着等により汚染され易くなる。一方、前記上限値より大きいと、シリコン片２全体を均一に溶かすことが難しくなる。なお、シリコン片２の水平方向断面は正方形である必要は無く、補修対象に合わせて、上記集光サイズに適する長方形、円形等任意の形状であってよい。
【００１７】
ドライエッチング装置に用いられるシリコン製部品には比抵抗が仕様として規定されているものがある。抵抗の調整にはシリコン片２と共に、ドーパント用の固体片、例えばホウ素単体、シリコンとホウ素の合金（ＳｉＢ）、 シリコンとリンの合金（ＳｉＰ）などの固体片を、シリコン片２の上に載置して融解させ、シリコン融解物中に取り込ませることによって、部材１をドープしてもよい。なお、ホウ素単体はシリコンよりも高い融点を有するが、シリコン融解物と反応することで融解してシリコン中に取り込まれる。
【００１８】
載置されたシリコン片２を、所望によりドーパント用の固体片と共に、上側から加熱してシリコン片２と、部材１のシリコン片２と接する表面とを融解させる。「上側」は、図１に示すようにシリコン片２に対して垂直方向上側である必要はなく、斜め上側であってもよい。上側から加熱するので、先ずシリコン片２が融解してシリコン融解物が生成する。該融解物は、その下にある部材１の表面が融解していない状態では、部材１上で液滴のように丸まるが、部材１の表面が融解すると広がり出す。部材１における融解部の深さは、表面の損傷程度にも依存するが、部材表面から０．１〜１mm程度であれば十分である。このように部材１の融解は局所的であってよいので、従来技術のように部材全体を融解するのに比べて、遙かに経済的且つ効率的である。
【００１９】
加熱手段３としては、目的とする部分を局所的に加熱することができる手段であれば特に限定されない。好ましくは、加熱部位にフォーカスでき且つ供給する電力に応じて加熱量を変化させることが容易である点で、光加熱手段、例えば各種ランプ、レーザーが使用される。該ランプとしては、赤外線結晶成長装置に一般的に用いられるキセノンランプやハロゲンランプを用いることができる。出力としては１〜３０ｋW程度のものが好ましい。
【００２０】
加熱時間は、加熱手段３の出力、シリコン片２の大きさ、及び厚み等に依存して異なるが、後述する実施例で使用した２８ｘ２８ｘ２ｍｍのシリコン片の場合、約２〜５分程度であった。
【００２１】
上記ランプを用いる場合には、例えば双曲面ミラー等の集光手段４を用いて融解させたいシリコン片２の上に集光する。その際、複数個もしくは複数種類の加熱手段３を、同じシリコン片２上に重ねて集光することによって加熱パワーを上げてもよい。シリコンを融解させる前に、部材１の位置に合わせて集光位置及び集光領域の面積を調整しておき、シリコン融解物が生成して広がり始めたら、集光領域の面積をそれに合わせて微調整することが好ましい。該面積はシリコン融解物の面積の６０〜１００％とすることが好ましい。また、シリコン融解物は、最も温度が高い箇所に集まり易い性質があるので、該融解物が均等な厚みで広がるように、集光領域を該融解物に対して動かすことが好ましい。例えば部材１がリング形状である場合、集光領域がリングの半径方向に所定の速度でリングの幅に亘って動くように、加熱手段３及び部材１の一方又は双方を移動させる。
【００２２】
次いで、工程（３）において、工程（２）で生成した融解物を冷却し、融解したシリコンを部材１の単結晶方向に沿って単結晶化させる。この際、部材１の冷却速度が、結晶中の転位が移動可能な温度域であるシリコンの融点（約１４００℃）から７００℃までの温度域で概ね１〜１０℃／分に入るように制御することが好ましい。前記下限値未満では冷却時間が長くなり、補修効率が悪い。また前記上限値より大きいとシリコン結晶中の転位が増える傾向がある。該冷却速度は、シリコンの融解が完了した後、加熱手段３の出力を徐々に低下して、シリコン融解物が認められなくなった後に加熱を停止することによって制御することができる。
【００２３】
図２は本発明の第２実施形態を説明する概略断面図である。同図において、図１と同じ構成要素には同じ符合が付されており、それらに関する説明は省略する。本実施形態では、複数のシリコン片２が部材１表面の全面に亘って載置されており、シリコン片２及び部材１の表面上を加熱手段３からの光が走査するように、部材１を回転させながらチャンバー６内で補修が行われる。
【００２４】
チャンバー６には石英窓７が設けられており、光加熱手段３からの光がここを通ってシリコン片２上に照射され、部材１をモーター１１により回転する回転台９により一定速度で回転し、それによって光加熱手段の集光領域がシリコン片２及び部材１の表面上を走査するようにする。走査速度は、部材１の大きさ、シリコン片２の大きさ、加熱手段３の出力、集光領域等に応じて異なるが、集光領域中にシリコン融解物が常に存在するような速度に調整することが好ましい。走査が速すぎて、シリコン融解物が全く存在していない部分まで集光領域を移動させてしまうと、シリコンの融解が不十分となり、融解物の冷却速度も速くなり過ぎる傾向がある。一方、遅すぎると補修効率が悪くなるだけでなく、部材１表面の融解量が必要以上に多くなる。例えば、後述する実施例では、外径３９０ｍｍ、内径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍのリング状のシリコン単結晶部材１を、３度／分の角速度で回転させた。
【００２５】
上記回転台９はX、Y−ステージ１２の上に配置される。該X、Y−ステージ１２は、部材１をX、Y−方向に移動し、実施形態１に関しても述べたとおり、シリコン融解物の厚みを均等化する。例えば部材１がリング形状である場合、集光領域がリングの半径方向に所定の速さでリングの幅内を反復走査するように、部材１をX、Y−方向に移動させる。加熱部の移動に伴ってシリコン融解物が加熱中心を追いかけるように移動し、塊となること無く、均一な厚みの結晶成長を実現できる。
【００２６】
以上のように部材１を局所的に加熱する場合、加熱領域とそれに隣接する部分の間で温度差によって部材１にひずみが生じ、転位等の結晶の欠陥の増加を招く場合がある。本実施形態では、この温度差を緩和するため、部材１全体を下側から補助加熱手段５によって、シリコンの融点よりも低い温度、例えば８００〜１３００℃に加熱する。補助加熱はシリコン片２の加熱開始に先立って開始し、部材１が上記温度になった後にシリコン片２の加熱を開始し、シリコン片２を加熱する間継続する。そして、工程（３）において、シリコン片２の加熱を停止した後、即ち加熱手段３を消灯した後に停止する。補助加熱手段５としては、カンタル（鉄クロムアルミ合金）などの電熱線やＳｉＣなどのセラミックを用いた一般的な抵抗加熱ヒーターを用いることができる。なお、図２では集光領域に対応する箇所に補助加熱手段５が備えられているが、ここには限定されず、他の箇所であってもよい。
【００２７】
加熱部が移動するに伴い、加熱部を過ぎた部分のシリコン融解物は輻射熱を発しながら徐々に温度が低下し、部材１の結晶方位に従って単結晶化し始める。部材１上の最後のシリコン片を融解させ終わったら、加熱温度を下げる。この際の部材１の冷却速度については第１の実施形態に関して上で述べたとおりである。加熱手段３の出力を低下しながら部材１の回転を継続し、加熱手段３を消灯した後に補助加熱手段５を消灯することにより、熱歪みによる転位密度の増加、内部歪の増加などを抑制することができる。
【００２８】
本発明の方法において、工程（２）及び（３）は、シリコンの酸化を防ぐためにチャンバー６内を１０〜２００ｔｏｒｒ（約１３３３〜２６６６４Pa）のアルゴン雰囲気にして行うことが好ましい。アルゴンガスは、図示しないガスボンベ等が接続されているアルゴンガス導入口８から矢印で示す方向で供給され、排気ポンプ１０により排出される。アルゴンガスを使用せずに、減圧することによって酸化を防ぐこともできるが、減圧にするとシリコンの蒸発が起き、チャンバー６内が汚れる場合があるので好ましくない。また窒素ガスによっても酸化を防ぐことはできるが、1200℃以上でシリコンの窒化が起こるため、望ましくない。
【００２９】
上記の方法で得られた部材１は、そのままでも使用に供することができるが、好ましくは研磨する。研磨の方法は、特に限定されずラッピング、バフ研磨等、慣用の方法で行ってよい。また研磨後、加工歪を取るために表面をエッチングしてもよい。エッチング液としてはJIS規格H0609に規定の化学研磨液（弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）＝３：５：３）などを用いることができる。
【実施例１】
【００３０】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。
図２に示すような装置を用いて、ドライエッチング装置内で使用済みの外径３９０ｍｍ、内径３３０ｍｍ、厚み５ｍｍのリング状のシリコン単結晶部材１の表面上に、約２ｍｍの厚みの単結晶を育成して、厚み約７ｍｍまで補修した。
【００３１】
前処理として、この部材１を弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）＝３：５：３の混合液で表面を約50μmエッチングした。部材１を洗浄、及び乾燥した後、回転台９の上に設置した。部材１の表面上に複数の２８ｘ２８ｘ２ｍｍのシリコン片２をその一辺を部材１の内周に沿わせて、できるだけ隙間が空かないように並べた。チャンバー６内を真空引きして、アルゴンガスを５Ｌ／分で流すことにより、チャンバー６内を約１００ｔｏｒｒ（１３３３２．２Pa）のアルゴンガス雰囲気とした。
【００３２】
チャンバー６内に設置したＳｉＣヒーター５（株式会社日本シリコニット製）により部材１の一部を部材１の下部から、加熱手段３照射前での部材上部表面の最高温度が１２００℃になるように熱した。次いで、加熱手段３として５ｋＷのキセノンランプ（ウシオ電機社製）を、集光手段４として双曲面ミラーを用いて、シリコン片２の上部から加熱した。キセノンランプの光が集光する領域は部材１の表面の位置で直径約２０ｍｍの円形となるように、該ランプの双曲面ミラー内での位置及び、双曲面ミラーと部材１との距離を動かすことにより予め調整を行った。該ランプを点灯後、集光領域が１枚のシリコン片２の中央に来るように、部材１の位置をチャンバー６ごとX、Y−ステージ１２で動かすことにより調整した。調整後、該ランプの出力を増加させるに従い、まずシリコン片が融解したが部材１の表面は溶けておらず、溶けた融液は広がらず部材の幅中央付近で丸まってしまった。さらに出力を増加させると、融解物の下部の部材１の表面が溶けだし、シリコン片２が溶けてできた融解物が部材１の表面に広がりだした。そこで、キセノンランプの出力を調節することにより、部材１上での融解部が直径約２５ｍｍの円形状となるようにした。
【００３３】
次いで、集光領域が２８ｍｍ幅のシリコン片２の端から端までカバーするように部材１を、１０ｍｍ／分の速さで２．５ｍｍ幅ずつ半径方向に往復させながら、回転台９を３度／分の角速度で回転させて、移動させた。この部材１の移動により、シリコン片２は集光領域に入ると順次溶解していき、集光領域には定常的にシリコン融解物が存在し、集光領域から出ると次第に結晶化していった。部材１が一周して全てのシリコン片２が融解し終わったところで、半径方向の移動を止め、回転は継続しながら、キセノンランプの強度を２．５ｋWまで３分間で弱めたところ、融解部が消滅した。融解部がなくなったことを確認して、キセノンランプを消灯した。次いで、ＳｉＣヒーター５の電源を切った。全工程に要した時間は、前処理を除き、約２時間１０分であった。
【００３４】
部材１が室温まで冷却した後、チャンバー６内から取り出し、結晶成長させた表面をアルミナの砥粒（１５００番：平均粒径約８μｍ）でラップ研磨し、弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）＝３：５：３の混合液で表面を約50μmエッチングすることにより、厚み６．５ｍｍのシリコン部材として再生することができた。
【実施例２】
【００３５】
実施例１と同様の方法で厚み６．３ｍｍのシリコン部材を作成した。
【００３６】
［評価］
双方のシリコン部材を、切断して結晶評価を行った。欠陥を見るためJIS規格H0609試験法（選択エッチング法によるシリコンの結晶欠陥）に従い、Ｂ液（弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）：水＝１：１２．７：３：５．７）でエッチングを行い、観察したところ、粒界は見られず単結晶となっていることが分かった。また双方共に転位密度は約１０５／ｃｍ２であった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の方法は、使用済み単結晶シリコン部材を従来よりも顕著に低いエネルギーで迅速に補修することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  使用済みシリコン単結晶部材
２  シリコン片
３  加熱手段
４  集光手段
５  補助加熱手段
６  チャンバー
７  石英窓
８  アルゴンガス導入口
９  回転台
１０  排気ポンプ
１１  モーター
１２  X、Y−ステージ
【図１】
0006684403.tif 000002
【図２】
0006684403.tif 000003