ハイブリッドシリコンウエハ及びその製造方法
【課題】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。
【解決手段】溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンの複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【解決手段】溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンの複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
また、単結晶シリコンに替えて、高品質の多結晶シリコンを製造するという提案もなされている（特許文献３参照）。しかし、多結晶シリコンは、どのような工夫をしても、単結晶シリコンの特性に及ばないという欠点を有する。この欠点を補う手段として、Ｉｎｔｅｌ社のＭ．Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ等は、多結晶シリコンの中に単結晶シリコンを埋め込んだウエハを提案している（特許文献４参照）。
また、本出願人は、上記の多結晶シリコンに単結晶シリコンを埋め込んだウエハの多結晶部分に焼結法で作製したシリコンを使用する発明を先に出願しているが、焼結シリコン中には酸素、炭素等のガス成分が多量に含まれており、結晶粒界上にＳｉＯ２やＳｉＣの析出物が存在するため、研磨時に単結晶部との研磨速度の相違から段差が生じるという問題がある。（特許文献５参照）。
【０００９】
このようなことから、予め一方向凝固溶解法により作製した多結晶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シリコンのインゴットを挿入し、これらを相互に加熱拡散接合させて、多結晶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ハイブリッドシリコンウエハを製造する提案を行った（特許文献６参照）。
この方法では、全面が単結晶で構成されるウエハよりも低コストではあるが、多結晶のくり抜き加工や、嵌め込む単結晶の外周加工の公差を厳密に制御する必要があり、それが製造コストを増加させるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３３４２８９８号公報
【特許文献２】特許第３８１９８６３号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２６７１号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００８／０１２２０４２号公報
【特許文献５】国際公開ＷＯ２０１０−００４８６３号公報
【特許文献６】特願２００９−２５５０１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の通り、ＬＳＩプロセスに使用される単結晶ウエハの形状は、時代とともに大口径化しており、直径４００ｍｍ以上の単結晶ウエハへと移行する。しかし、直径４００ｍｍ以上の単結晶ウエハは非常に高価であり、それに伴ってダミーウエハも高価になり、ＬＳＩプロセスのコスト増になる。また、直径４００ｍｍ以上の大口径な単結晶シリコンウエハの場合、これまでの３００ｍｍウエハに比べ、単結晶劈開面での割れの頻度が多くなり、歩留まりが低下することが懸念される。
【００１２】
そこで、本発明は、汎用の３００ｍｍ単結晶を用いて、４００ｍｍ以上のダミーウエハに適応可能な、多結晶シリコンと単結晶シリコンを組み合わせた、いわゆるハイブリッドウエハを安価に提供すると同時に、ダミーウエハの強度を向上することによる歩留まりを向上することを可能とする。そして、本発明は、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を提供することができる。
【００１３】
ハイブリッドウエハの多結晶シリコン部分に、焼結シリコンを使用することも出来るが、溶解Ｓｉインゴットに比べ、Ｃ、Ｏ等のガス成分が多く、硬度の高いＳｉＣやＳｉＯ２が結晶粒界に析出するため、単結晶シリコン部に比して鏡面研磨工程における研磨速度が遅く、単結晶シリコン部と多結晶シリコン部で厚みに段差が生じる問題がある。本願発明はこのような問題を解決できるハイブリッドシリコンウエハを提供することを課題とするものであり、さらに安価なハイブリッドシリコンウエハ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】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明者は、機械的強度を向上させた多結晶シリコンと単結晶シリコンとを、一方を溶解させ、他方をインゴット（固体）とした状態で一体化させ、多結晶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。
【００１５】
本発明は、上記知見に基づき、次の１）〜４）の「ハイブリッドシリコンウエハ」を提供する。
１）溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。
２）単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合に、５以上であ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）ウエハの中心部又は偏芯させた一部が単結晶の結晶構造を有す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）ウエハが円盤形であり、ウエハの全体の直径が４００ｍｍ以上であ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。
【００１６】
また、本発明は、上記知見に基づき、次の５）〜８）の「ハイブリッドシリコンウエハの製造方法」を提供する。
５）予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
６）単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有する単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体であることを特徴とする上記５）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
７）鋳型を予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することを特徴とする上記５）又は６）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
８）多結晶シリコンを溶解する坩堝を、ＳｉＯ２を主成分とする坩堝とし、この坩堝の周囲にカーボンスリーブを配置し、高周波誘導加熱によりカーボンを昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させることを特徴とする上記５）〜７）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
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と機能を同時に保有するという大きな効果を有する。また、ハイブリッドシリコンウエハの多結晶部と単結晶部界面の接合安定性は、溶融状態からハイブリッドシリコンウエハを一体化した方が、より向上する効果がある。
【００１８】
本願発明のハイブリッドシリコンウエハは、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、かつ、この単結晶部で半導体製工程をモニターできる能力を有する。すなわち、半導体製造の搬送系やロボティックスの開発用のみならず、パーティクルモニターやリソグラフィーモニター用ウエハとしても用いることができる。
【００１９】
また、単結晶インゴットの周囲に、シリコンを溶解して多結晶シリコンを形成できるので、大型インゴットを容易に製作できる。そして、界面相互は一体化しているので、製造された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。さらに、コモディティー化した太陽電池用多結晶シリコンのブロックや破材及び３００ｍｍ単結晶シリコンインゴットを用いることにより、安価な４００ｍｍ以上のダミー用シリコンウエハを作製することができる大きな効果を有する。
【００２０】
また、純度６Ｎ以上の多結晶シリコンインゴットを使用することにより作製したダミー用シリコンウエハは、プロセス装置に導入しても装置及び他の部材を汚染しないという特徴を有する。さらに、劈開面のある単結晶の周辺に多結晶シリコンを溶解して接合するので、ウエハの強度を高めることができウエハの劈開割れによる歩留まり低下を防止できるという大きな効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】多結晶となるシリコンを溶解し、それを単結晶インゴットの周囲に鋳込んでインゴット複合体とする製造工程の一例を示す概略説明図である。
【図２】単結晶ウエハと多結晶ウエハの界面の様子を示す説明図である。図２のＡは、本願発明のハイブリッドウエハの様子を、図２のＢは、加熱拡散接合したハイブリッドウエハの様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明のハイブリッドシリコンウエハは溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハである。このハイブリッドシリコンウエハは、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することが大きな特徴である。
【００２３】
このハイブリッドシリコンウエハの製造に際しては、図１に示すように、予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化し、これにより単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とするものである。そして、このインゴットをウエハ状に切り出し（スライスして）、ハイブリッドシリコンウエハを製作するものである。
【００２４】
多結晶シリコンとなる原料を溶解するには、図１に示すようなＳｉＯ２を主成分とする坩堝１を使用し、この中でシリコン原料を入れて溶解する。坩堝１は、図１に示すように、周囲にカーボンスリーブ２を配置し、高周波誘導加熱（コイル３）によりカーボンスリーブ２を昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させる。
シリコンは１４５０〜１５５０°Ｃに加熱し溶融させる。溶融したシリコンの溶湯４をタンディッシュ５に一旦保持し、これを鋳型６に注湯する。鋳型は、熱衝撃を緩和するために、予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することが望ましい。また、鋳型６は、溶湯が均一に分布するように、回転させることが良い。
【００２５】
鋳型に、予め単結晶シリコンインゴット７を面方位の管理をしながら設置しておく。この単結晶シリコンインゴット７は、シリコンの溶湯の注湯時に、浮き上がったり、移動したりしないように、固定することが望ましい。通常、高融点で比重が大きくＳｉと反応しない材料で上から押さえつける方法が採用される。
このようにして、単結晶と多結晶シリコンを一体化させ、インゴットとし、これをウエハ状に切り出し（スライスして）、その組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部に、平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶が観察される。
【００２６】
この様子を、図２のＡに示す。また、インゴット外周の研削量が少なく鋳型内壁の近傍がウエハ外周に残る場合は、ウエハ周縁にも同様の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶が観察される。これが本願発明のハイブリッドシリコンウエハの大きな特徴である。これは、多結晶シリコンを鋳込んだときに、シリコンの溶湯の中に存在する遊離結晶が遊動する際に、温度の低い単結晶シリコンと鋳型の内壁に付着し、凝固開始の起点になると考えられる。
固体の単結晶シリコンと固体の多結晶シリコンを、単に加熱接合しただけでは、図２のＢに示すように、本願発明のハイブリッドシリコンウエハのような明確な微細結晶が観察されることはない。
【００２７】
凝固後は、単結晶シリコンの周囲に多結晶シリコンが凝固し、一体化した円柱状インゴットが得られるが、この一体化した円柱状の複合体を、スライスすることにより、周囲に多結晶、その内部に単結晶が一体化した円盤状のハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。このスライスは、通常のウエハと同様に、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ及びノッチ加工、研削及び研磨、洗浄等を行い、ハイブリッドウエハとすることができる。
【００２８】
このようにして得られたハイブリッドウエハは、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合、５以上であるという特徴を示す。
このようにして得られたハイブリッドシリコンウエハは円盤形であり、ウエハの全体の直径を４００ｍｍ以上とすることができる。また、インゴットからの切り出し方によっては、矩形その他の形状にすることは勿論可能である。
【００２９】
上記においては、単結晶インゴットを鋳型の中心部に配置して、中心部に単結晶ウエハを外周部に多結晶ウエハが存在する同心円形のハイブリッドシリコンウエハを製造する例を示したが、単結晶部を意図的に偏芯させ、ウエハ中心から周縁をモニタリングできる位置に配置しても良い。本願発明は、これらを包含するものである。
【００３０】
上記については、円盤状のハイブリッドシリコンウエハを、１個の単結晶と１個の多結晶の組み合わせで説明したが、１個の単結晶と複数の多結晶の組み合わせ、又は多結晶相互の組み合わせも当然可能である。例えば、前者の場合は、予め１個の単結晶と１個の多結晶の組み合わせによるインゴットを作製した後、これを同様に、鋳型内に該インゴットを配置し、この外周部に、融点が異なる（融点の低い）シリコン原料を溶解して注湯して、１個の単結晶と複数の多結晶からなる一体化した円柱状のインゴットを作製することができる。
【００３１】
そして、この一体化した円柱状の複合体を、スライスすることにより、内部に単結晶、その周囲に複数の異なる性質を持つ多結晶が一体化した円盤状のハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。
上記については、予め単結晶シリコンのインゴットを作製することが必須の要件であることを前提とした説明を行ったが、当然ながら多結晶シリコンのみからなる円盤状のハイブリッドシリコンウエハを製造できることは容易に理解できるであろう。本願発明はこれらを全て包含するものである。
【００３２】
このように、一方を溶融状態とし他方を固体状態として相互に一体化し２種類以上の結晶構造や成分が異なるシリコン又はシリコンを主成分とするウエハからなるハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。
坩堝を使用した製造工程からハイブリッドシリコンウエハは円盤形となるが、ウエハの切り出しの仕方により、矩形その他の形状にすることは可能である。円盤状のウエハについては、その全体の直径を４００ｍｍ以上とすることができる。
この場合は、前記インゴット複合体の直径が４００ｍｍ以上であることが必要となるが、この形状に特に制約はなく、設定は任意である。
【００３３】
ハイブリッドシリコンウエハは、多結晶シリコン部には、ドーパント及びガス成分を除く純度が６Ｎ以上であり、つまり、金属不純物の総量が１ｗｔｐｐｍ以下、かつ、金属不純物の内、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下とすることが望ましい。また、多結晶シリコン部のガス成分であるＣ及びＯが、それぞれ１００ｗｔｐｐｍ以下であることが望ましい。
このようにして作製したダミー用シリコンウエハは、プロセス装置に導入しても装置及び他の部材を汚染しないという特徴を有する。これにより、全体の直径が４００ｍｍ以上の円盤形ウエハの利用価値を、より高めることができる。
【００３４】
単結晶シリコンウエハの支持母体となる多結晶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。一方、単結晶シリコンでは、φ４００ｍｍを超える大型サイズになると非常に高価となる。上記の通り、多結晶シリコンウエハでは、φ４００ｍｍ以上のシリコンウエハの作製が容易である。
ハイブリッドシリコンウエハの一部に使用される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％以上を有している場合には、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メリットがある。
【００３５】
上記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又は多結晶ウエハとしての機能を有効に活用できる。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。すなわち、パーティクルモニターやリソグラフィーモニター等にも使用できるウエハとなる。
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】
【００３６】
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。
【００３７】
（実施例１）
多結晶シリコンの原料となる平均３０ｍｍ程度の不定形のシリコン（ドーパントとガス成分を除く純度が７Ｎ程度）を、周辺をカーボンで取り囲まれた石英坩堝に入れ、高周波誘導加熱により真空中で１５００°Ｃまで昇温し、シリコンを溶融させた。
一方、図１に示すように、鋳型６の方には、内径３６０ｍｍの鋳型の中に直径２００ｍｍ、高さ２２０ｍｍの純度が１１Ｎの単結晶インゴット７をセットした。単結晶インゴット７は、面方位を所定の位置に合わせ、また溶湯を流し込んだ時に動かないようにするためＳｉより比重が大きく高融点な金属を上に乗せて固定した。そして熱衝撃を低減するために、鋳型全体を１２００°Ｃに加熱して待機させた。
【００３８】
次に、坩堝で溶湯４となっているシリコンをタンディッシュ５経由で注ぎ口をコントロールしながら高さ１００ｍｍまで鋳込み、単結晶インゴットと鋳込んだ多結晶インゴットとを一体化させた。作製したハイブリッドインゴットの組織を観察すると、坩堝内壁と単結晶界面付近は、凝固開始の起点となるため微細な組織を有していた。
ハイブリッドインゴットは、通常のウエハと同様、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ及びノッチ加工、研削及び研磨、洗浄等を行い、直径３００ｍｍのハイブリッドウエハとした。
【００３９】
ハイブリッドウエハの組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径は、８ｍｍ以下の微細組織を有していた。またその（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合に、８であった。一方、単結晶境界とウエハ周縁部から５０ｍｍ以上離れた多結晶部の（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、１であった。
なお、ウエハ周縁部の組織は、直径が３６０ｍｍから３００ｍｍに小さくなったため、インゴット時のような特徴は緩和され、平均結晶粒径は１２ｍｍ程度であった。
【００４０】
（実施例２）
多結晶シリコンの原料となる直径が１０ｍｍ程度、純度６Ｎの単結晶シリコン破材を、周辺をカーボンで取り囲まれた石英坩堝に入れ、高周波誘導加熱により真空中で１５２０°Ｃまで昇温しシリコンを溶融させた。
一方、図１に示すように、鋳型６の方には、内径５００ｍｍの鋳型６の中に直径３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍの単結晶インゴット７をセットした。単結晶インゴット７は面方位を所定の位置に合わせ、また溶湯を流し込んだ時に動かないようにするためＳｉより比重が大きく高融点な金属を上に乗せて固定した。
【００４１】
そして、熱衝撃を低減するために、鋳型全体を１２５０°Ｃに加熱して待機させた。次に、坩堝１で溶湯となっているシリコン４をタンディッシュ５経由で注ぎ口をコントロールしながら高さ８０ｍｍまで鋳込み、単結晶インゴット７と鋳込んだ多結晶インゴットを一体化させた。鋳込み中は、鋳型６を回転させることにより、均一に鋳込むことができた。
作製したハイブリッドインゴットの組織を観察すると、図２（Ａ）に示すように、坩堝内壁と単結晶界面付近は、凝固開始の起点となるため微細な組織を有していた。
【００４２】
ハイブリッドインゴットは、通常のウエハと同様、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ＆ノッチ加工、研削＆研磨、洗浄等を行い、直径450ｍｍのハイブリッドウエハとした。ハイブリッドウエハの組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径は、８ｍｍ以下の微細組織を有していた。
また、その（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、１２であった。一方、単結晶境界とウエハ周縁部から５０ｍｍ以上離れた多結晶部の（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、２であった。ちなみにウエハ周縁部の組織は、直径が５００ｍｍから４５０ｍｍに小さくなったため、インゴット時のような特徴は緩和されていた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上により、本発明は単結晶シリコンウエハと多結晶シリコンウエハの双方又は異種多結晶シリコンウエハ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シリコンウエハにおいては、大型化を容易にすることができる。本願発明のハイブリッドシリコンウエハによる多結晶シリコンウエハは、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、かつ、この単結晶部で半導体製工程をモニターできる能力を有する。
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、有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１：ＳｉＯ２坩堝
２：カーボンスリーブ
３：誘導コイル
４：溶湯
５：タンディッシュ
６：鋳型
７：単結晶インゴット
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
また、単結晶シリコンに替えて、高品質の多結晶シリコンを製造するという提案もなされている（特許文献３参照）。しかし、多結晶シリコンは、どのような工夫をしても、単結晶シリコンの特性に及ばないという欠点を有する。この欠点を補う手段として、Ｉｎｔｅｌ社のＭ．Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ等は、多結晶シリコンの中に単結晶シリコンを埋め込んだウエハを提案している（特許文献４参照）。
また、本出願人は、上記の多結晶シリコンに単結晶シリコンを埋め込んだウエハの多結晶部分に焼結法で作製したシリコンを使用する発明を先に出願しているが、焼結シリコン中には酸素、炭素等のガス成分が多量に含まれており、結晶粒界上にＳｉＯ２やＳｉＣの析出物が存在するため、研磨時に単結晶部との研磨速度の相違から段差が生じるという問題がある。（特許文献５参照）。
【０００９】
このようなことから、予め一方向凝固溶解法により作製した多結晶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シリコンのインゴットを挿入し、これらを相互に加熱拡散接合させて、多結晶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ハイブリッドシリコンウエハを製造する提案を行った（特許文献６参照）。
この方法では、全面が単結晶で構成されるウエハよりも低コストではあるが、多結晶のくり抜き加工や、嵌め込む単結晶の外周加工の公差を厳密に制御する必要があり、それが製造コストを増加させるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３３４２８９８号公報
【特許文献２】特許第３８１９８６３号公報
【特許文献３】特開２００５−１３２６７１号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００８／０１２２０４２号公報
【特許文献５】国際公開ＷＯ２０１０−００４８６３号公報
【特許文献６】特願２００９−２５５０１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の通り、ＬＳＩプロセスに使用される単結晶ウエハの形状は、時代とともに大口径化しており、直径４００ｍｍ以上の単結晶ウエハへと移行する。しかし、直径４００ｍｍ以上の単結晶ウエハは非常に高価であり、それに伴ってダミーウエハも高価になり、ＬＳＩプロセスのコスト増になる。また、直径４００ｍｍ以上の大口径な単結晶シリコンウエハの場合、これまでの３００ｍｍウエハに比べ、単結晶劈開面での割れの頻度が多くなり、歩留まりが低下することが懸念される。
【００１２】
そこで、本発明は、汎用の３００ｍｍ単結晶を用いて、４００ｍｍ以上のダミーウエハに適応可能な、多結晶シリコンと単結晶シリコンを組み合わせた、いわゆるハイブリッドウエハを安価に提供すると同時に、ダミーウエハの強度を向上することによる歩留まりを向上することを可能とする。そして、本発明は、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を提供することができる。
【００１３】
ハイブリッドウエハの多結晶シリコン部分に、焼結シリコンを使用することも出来るが、溶解Ｓｉインゴットに比べ、Ｃ、Ｏ等のガス成分が多く、硬度の高いＳｉＣやＳｉＯ２が結晶粒界に析出するため、単結晶シリコン部に比して鏡面研磨工程における研磨速度が遅く、単結晶シリコン部と多結晶シリコン部で厚みに段差が生じる問題がある。本願発明はこのような問題を解決できるハイブリッドシリコンウエハを提供することを課題とするものであり、さらに安価なハイブリッドシリコンウエハ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】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明者は、機械的強度を向上させた多結晶シリコンと単結晶シリコンとを、一方を溶解させ、他方をインゴット（固体）とした状態で一体化させ、多結晶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。
【００１５】
本発明は、上記知見に基づき、次の１）〜４）の「ハイブリッドシリコンウエハ」を提供する。
１）溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することを特徴とするハイブリッドシリコンウエハ。
２）単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合に、５以上であ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）ウエハの中心部又は偏芯させた一部が単結晶の結晶構造を有す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）ウエハが円盤形であり、ウエハの全体の直径が４００ｍｍ以上であ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。
【００１６】
また、本発明は、上記知見に基づき、次の５）〜８）の「ハイブリッドシリコンウエハの製造方法」を提供する。
５）予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
６）単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有する単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体であることを特徴とする上記５）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
７）鋳型を予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することを特徴とする上記５）又は６）記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
８）多結晶シリコンを溶解する坩堝を、ＳｉＯ２を主成分とする坩堝とし、この坩堝の周囲にカーボンスリーブを配置し、高周波誘導加熱によりカーボンを昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させることを特徴とする上記５）〜７）のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
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と機能を同時に保有するという大きな効果を有する。また、ハイブリッドシリコンウエハの多結晶部と単結晶部界面の接合安定性は、溶融状態からハイブリッドシリコンウエハを一体化した方が、より向上する効果がある。
【００１８】
本願発明のハイブリッドシリコンウエハは、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、かつ、この単結晶部で半導体製工程をモニターできる能力を有する。すなわち、半導体製造の搬送系やロボティックスの開発用のみならず、パーティクルモニターやリソグラフィーモニター用ウエハとしても用いることができる。
【００１９】
また、単結晶インゴットの周囲に、シリコンを溶解して多結晶シリコンを形成できるので、大型インゴットを容易に製作できる。そして、界面相互は一体化しているので、製造された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。さらに、コモディティー化した太陽電池用多結晶シリコンのブロックや破材及び３００ｍｍ単結晶シリコンインゴットを用いることにより、安価な４００ｍｍ以上のダミー用シリコンウエハを作製することができる大きな効果を有する。
【００２０】
また、純度６Ｎ以上の多結晶シリコンインゴットを使用することにより作製したダミー用シリコンウエハは、プロセス装置に導入しても装置及び他の部材を汚染しないという特徴を有する。さらに、劈開面のある単結晶の周辺に多結晶シリコンを溶解して接合するので、ウエハの強度を高めることができウエハの劈開割れによる歩留まり低下を防止できるという大きな効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】多結晶となるシリコンを溶解し、それを単結晶インゴットの周囲に鋳込んでインゴット複合体とする製造工程の一例を示す概略説明図である。
【図２】単結晶ウエハと多結晶ウエハの界面の様子を示す説明図である。図２のＡは、本願発明のハイブリッドウエハの様子を、図２のＢは、加熱拡散接合したハイブリッドウエハの様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明のハイブリッドシリコンウエハは溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハである。このハイブリッドシリコンウエハは、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有することが大きな特徴である。
【００２３】
このハイブリッドシリコンウエハの製造に際しては、図１に示すように、予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化し、これにより単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とするものである。そして、このインゴットをウエハ状に切り出し（スライスして）、ハイブリッドシリコンウエハを製作するものである。
【００２４】
多結晶シリコンとなる原料を溶解するには、図１に示すようなＳｉＯ２を主成分とする坩堝１を使用し、この中でシリコン原料を入れて溶解する。坩堝１は、図１に示すように、周囲にカーボンスリーブ２を配置し、高周波誘導加熱（コイル３）によりカーボンスリーブ２を昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させる。
シリコンは１４５０〜１５５０°Ｃに加熱し溶融させる。溶融したシリコンの溶湯４をタンディッシュ５に一旦保持し、これを鋳型６に注湯する。鋳型は、熱衝撃を緩和するために、予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することが望ましい。また、鋳型６は、溶湯が均一に分布するように、回転させることが良い。
【００２５】
鋳型に、予め単結晶シリコンインゴット７を面方位の管理をしながら設置しておく。この単結晶シリコンインゴット７は、シリコンの溶湯の注湯時に、浮き上がったり、移動したりしないように、固定することが望ましい。通常、高融点で比重が大きくＳｉと反応しない材料で上から押さえつける方法が採用される。
このようにして、単結晶と多結晶シリコンを一体化させ、インゴットとし、これをウエハ状に切り出し（スライスして）、その組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部に、平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶が観察される。
【００２６】
この様子を、図２のＡに示す。また、インゴット外周の研削量が少なく鋳型内壁の近傍がウエハ外周に残る場合は、ウエハ周縁にも同様の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶が観察される。これが本願発明のハイブリッドシリコンウエハの大きな特徴である。これは、多結晶シリコンを鋳込んだときに、シリコンの溶湯の中に存在する遊離結晶が遊動する際に、温度の低い単結晶シリコンと鋳型の内壁に付着し、凝固開始の起点になると考えられる。
固体の単結晶シリコンと固体の多結晶シリコンを、単に加熱接合しただけでは、図２のＢに示すように、本願発明のハイブリッドシリコンウエハのような明確な微細結晶が観察されることはない。
【００２７】
凝固後は、単結晶シリコンの周囲に多結晶シリコンが凝固し、一体化した円柱状インゴットが得られるが、この一体化した円柱状の複合体を、スライスすることにより、周囲に多結晶、その内部に単結晶が一体化した円盤状のハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。このスライスは、通常のウエハと同様に、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ及びノッチ加工、研削及び研磨、洗浄等を行い、ハイブリッドウエハとすることができる。
【００２８】
このようにして得られたハイブリッドウエハは、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合、５以上であるという特徴を示す。
このようにして得られたハイブリッドシリコンウエハは円盤形であり、ウエハの全体の直径を４００ｍｍ以上とすることができる。また、インゴットからの切り出し方によっては、矩形その他の形状にすることは勿論可能である。
【００２９】
上記においては、単結晶インゴットを鋳型の中心部に配置して、中心部に単結晶ウエハを外周部に多結晶ウエハが存在する同心円形のハイブリッドシリコンウエハを製造する例を示したが、単結晶部を意図的に偏芯させ、ウエハ中心から周縁をモニタリングできる位置に配置しても良い。本願発明は、これらを包含するものである。
【００３０】
上記については、円盤状のハイブリッドシリコンウエハを、１個の単結晶と１個の多結晶の組み合わせで説明したが、１個の単結晶と複数の多結晶の組み合わせ、又は多結晶相互の組み合わせも当然可能である。例えば、前者の場合は、予め１個の単結晶と１個の多結晶の組み合わせによるインゴットを作製した後、これを同様に、鋳型内に該インゴットを配置し、この外周部に、融点が異なる（融点の低い）シリコン原料を溶解して注湯して、１個の単結晶と複数の多結晶からなる一体化した円柱状のインゴットを作製することができる。
【００３１】
そして、この一体化した円柱状の複合体を、スライスすることにより、内部に単結晶、その周囲に複数の異なる性質を持つ多結晶が一体化した円盤状のハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。
上記については、予め単結晶シリコンのインゴットを作製することが必須の要件であることを前提とした説明を行ったが、当然ながら多結晶シリコンのみからなる円盤状のハイブリッドシリコンウエハを製造できることは容易に理解できるであろう。本願発明はこれらを全て包含するものである。
【００３２】
このように、一方を溶融状態とし他方を固体状態として相互に一体化し２種類以上の結晶構造や成分が異なるシリコン又はシリコンを主成分とするウエハからなるハイブリッドシリコンウエハを得ることができる。
坩堝を使用した製造工程からハイブリッドシリコンウエハは円盤形となるが、ウエハの切り出しの仕方により、矩形その他の形状にすることは可能である。円盤状のウエハについては、その全体の直径を４００ｍｍ以上とすることができる。
この場合は、前記インゴット複合体の直径が４００ｍｍ以上であることが必要となるが、この形状に特に制約はなく、設定は任意である。
【００３３】
ハイブリッドシリコンウエハは、多結晶シリコン部には、ドーパント及びガス成分を除く純度が６Ｎ以上であり、つまり、金属不純物の総量が１ｗｔｐｐｍ以下、かつ、金属不純物の内、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下とすることが望ましい。また、多結晶シリコン部のガス成分であるＣ及びＯが、それぞれ１００ｗｔｐｐｍ以下であることが望ましい。
このようにして作製したダミー用シリコンウエハは、プロセス装置に導入しても装置及び他の部材を汚染しないという特徴を有する。これにより、全体の直径が４００ｍｍ以上の円盤形ウエハの利用価値を、より高めることができる。
【００３４】
単結晶シリコンウエハの支持母体となる多結晶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。一方、単結晶シリコンでは、φ４００ｍｍを超える大型サイズになると非常に高価となる。上記の通り、多結晶シリコンウエハでは、φ４００ｍｍ以上のシリコンウエハの作製が容易である。
ハイブリッドシリコンウエハの一部に使用される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％以上を有している場合には、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メリットがある。
【００３５】
上記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又は多結晶ウエハとしての機能を有効に活用できる。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。すなわち、パーティクルモニターやリソグラフィーモニター等にも使用できるウエハとなる。
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】
【００３６】
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。
【００３７】
（実施例１）
多結晶シリコンの原料となる平均３０ｍｍ程度の不定形のシリコン（ドーパントとガス成分を除く純度が７Ｎ程度）を、周辺をカーボンで取り囲まれた石英坩堝に入れ、高周波誘導加熱により真空中で１５００°Ｃまで昇温し、シリコンを溶融させた。
一方、図１に示すように、鋳型６の方には、内径３６０ｍｍの鋳型の中に直径２００ｍｍ、高さ２２０ｍｍの純度が１１Ｎの単結晶インゴット７をセットした。単結晶インゴット７は、面方位を所定の位置に合わせ、また溶湯を流し込んだ時に動かないようにするためＳｉより比重が大きく高融点な金属を上に乗せて固定した。そして熱衝撃を低減するために、鋳型全体を１２００°Ｃに加熱して待機させた。
【００３８】
次に、坩堝で溶湯４となっているシリコンをタンディッシュ５経由で注ぎ口をコントロールしながら高さ１００ｍｍまで鋳込み、単結晶インゴットと鋳込んだ多結晶インゴットとを一体化させた。作製したハイブリッドインゴットの組織を観察すると、坩堝内壁と単結晶界面付近は、凝固開始の起点となるため微細な組織を有していた。
ハイブリッドインゴットは、通常のウエハと同様、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ及びノッチ加工、研削及び研磨、洗浄等を行い、直径３００ｍｍのハイブリッドウエハとした。
【００３９】
ハイブリッドウエハの組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径は、８ｍｍ以下の微細組織を有していた。またその（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合に、８であった。一方、単結晶境界とウエハ周縁部から５０ｍｍ以上離れた多結晶部の（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、１であった。
なお、ウエハ周縁部の組織は、直径が３６０ｍｍから３００ｍｍに小さくなったため、インゴット時のような特徴は緩和され、平均結晶粒径は１２ｍｍ程度であった。
【００４０】
（実施例２）
多結晶シリコンの原料となる直径が１０ｍｍ程度、純度６Ｎの単結晶シリコン破材を、周辺をカーボンで取り囲まれた石英坩堝に入れ、高周波誘導加熱により真空中で１５２０°Ｃまで昇温しシリコンを溶融させた。
一方、図１に示すように、鋳型６の方には、内径５００ｍｍの鋳型６の中に直径３００ｍｍ、高さ１５０ｍｍの単結晶インゴット７をセットした。単結晶インゴット７は面方位を所定の位置に合わせ、また溶湯を流し込んだ時に動かないようにするためＳｉより比重が大きく高融点な金属を上に乗せて固定した。
【００４１】
そして、熱衝撃を低減するために、鋳型全体を１２５０°Ｃに加熱して待機させた。次に、坩堝１で溶湯となっているシリコン４をタンディッシュ５経由で注ぎ口をコントロールしながら高さ８０ｍｍまで鋳込み、単結晶インゴット７と鋳込んだ多結晶インゴットを一体化させた。鋳込み中は、鋳型６を回転させることにより、均一に鋳込むことができた。
作製したハイブリッドインゴットの組織を観察すると、図２（Ａ）に示すように、坩堝内壁と単結晶界面付近は、凝固開始の起点となるため微細な組織を有していた。
【００４２】
ハイブリッドインゴットは、通常のウエハと同様、外周研削、マルチワイヤーソー、エッジ＆ノッチ加工、研削＆研磨、洗浄等を行い、直径450ｍｍのハイブリッドウエハとした。ハイブリッドウエハの組織を観察すると、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径は、８ｍｍ以下の微細組織を有していた。
また、その（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、１２であった。一方、単結晶境界とウエハ周縁部から５０ｍｍ以上離れた多結晶部の（４００）方位のＸ解回折の相対強度は、（５１１）方位の強度を１００とした場合、２であった。ちなみにウエハ周縁部の組織は、直径が５００ｍｍから４５０ｍｍに小さくなったため、インゴット時のような特徴は緩和されていた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上により、本発明は単結晶シリコンウエハと多結晶シリコンウエハの双方又は異種多結晶シリコンウエハ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シリコンウエハにおいては、大型化を容易にすることができる。本願発明のハイブリッドシリコンウエハによる多結晶シリコンウエハは、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、かつ、この単結晶部で半導体製工程をモニターできる能力を有する。
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、有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１：ＳｉＯ２坩堝
２：カーボンスリーブ
３：誘導コイル
４：溶湯
５：タンディッシュ
６：鋳型
７：単結晶インゴット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有す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】
単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合、５以上であ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】
中心部又は偏芯させた一部が単結晶の結晶構造を有す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】
ウエハが円盤形であり、ウエハの全体の直径が４００ｍｍ以上であ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】
予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項６】
単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有する単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体であることを特徴とする請求項５記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項７】
鋳型を予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することを特徴とする請求項５又は６記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項８】
多結晶シリコンを溶解する坩堝を、ＳｉＯ２を主成分とする坩堝とし、この坩堝の周囲にカーボンスリーブを配置し、高周波誘導加熱によりカーボンを昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項１】
溶融状態の多結晶シリコンと固体状態の単結晶シリコンを用いて相互に一体化したウエハであって、単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有す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】
単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の（４００）方位のＸ線回折の相対強度が、（５１１）方位の強度を１００とした場合、５以上であ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】
中心部又は偏芯させた一部が単結晶の結晶構造を有す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】
ウエハが円盤形であり、ウエハの全体の直径が４００ｍｍ以上であ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】
予め鋳型の中に円柱状の単結晶シリコンインゴットをセットし、この単結晶インゴットの周囲に、溶融したシリコンを鋳込んで一体化して単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体とし、これをさらにウエハ状に切り出すことを特徴とするハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項６】
単結晶部との境界から１０ｍｍ以内の多結晶部の平均結晶粒径が８ｍｍ以下の微細結晶を有する単結晶シリコンと多結晶シリコンのインゴット複合体であることを特徴とする請求項５記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項７】
鋳型を予め８００〜１３００°Ｃに予備加熱することを特徴とする請求項５又は６記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【請求項８】
多結晶シリコンを溶解する坩堝を、ＳｉＯ２を主成分とする坩堝とし、この坩堝の周囲にカーボンスリーブを配置し、高周波誘導加熱によりカーボンを昇温させ、その伝熱で間接的にシリコンを加熱溶融させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のハイブリッドシリコンウエハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１７２２２（Ｐ２０１２−１７２２２Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５５５８１（Ｐ２０１０−１５５５８１）
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（５０２３６２７５８）ＪＸ日鉱日石金属株式会社 (482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（５０２３６２７５８）ＪＸ日鉱日石金属株式会社 (482)
【Ｆターム（参考）】
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