JP2006310881A

JP2006310881A - 半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法

Info

Publication number: JP2006310881A
Application number: JP2006175073A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yamaguchi; 慎治山口; Taiji Kiku; 泰二菊; Nobuyuki Kondo; 暢之近藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法であって、セラミック部材から半導体への金属移行量を大きく低減できるようなセラミック部材の洗浄方法を提供する。
【解決手段】半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法を提供する。セラミック部材をブラスト処理する工程と、この後にセラミック部材を洗浄する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法に関するものである。

現在、半導体ウエハーの搬送、露光、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜プロセス、微細加工、洗浄、エッチング、ダイシング等の工程において、半導体ウエハーを吸着し、保持するために、静電チャックが使用されている。また、半導体ウエハーを加熱処理するためのセラミックヒーターや、高周波発生用の電極装置が実用化されている。

最近、半導体の配線ルールが更に微細化されてきており、例えば０．１３μｍ以下の微細配線が採用されてきている。このために、従来は問題とならなかったような水準の金属汚染（メタルコンタミネーション）が問題になってきている。即ち、セラミック部材の表面にシリコンウエハーを設置し、高温、例えば５００℃以上の温度で保持したときに、セラミック部材の表面に存在する微量の金属元素がシリコンウエハーに移行、拡散すると、半導体欠陥を引き起し、不良品の原因となる。

セラミック部材の金属汚染を防止するための従来の洗浄方法としては、有機溶剤および純水を用いて超音波洗浄する方法が知られている。

しかし、配線ルールの微細化に伴い、シリコンウエハー裏面への金属汚染量を大きく低減することが求められている。一例を挙げると、８インチウエハーについて、金属原子数を１×１０^１１ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^２以下とすることが求められている。これに対応するために、本発明者は、セラミック部材を高純度の原料粉末から製造することを行ってきた。しかし、セラミック部材の仕様や製造方法によっては、ウエハーの裏面に、前述の上限値を超える個数の金属元素が拡散することがあり、対策が必要になっていた。

本発明の課題は、半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法であって、セラミック部材から半導体への金属移行量を大きく低減できるようなセラミック部材の洗浄方法を提供することである。

本発明は、半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法であって、セラミック部材をブラスト処理する工程と、この後にセラミック部材を洗浄する工程とを含むことを特徴とする。

本発明者は、セラミック部材の表面領域に若干量の金属汚染物質が拡散している場合に、セラミック部材をブラスト処理後に洗浄することで、セラミック部材の表面から半導体への金属元素の移行や拡散を著しく低減できることを見いだし、本発明に到達した。

従来、半導体ウエハーの洗浄方法としては、いわゆるＲＣＡ洗浄法やＨＦ−ＨＮＯ_３洗浄法が知られている。ＲＣＡ洗浄法においては、シリコンウエハーを、ＳＣ−１洗浄液（ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：５）、希ＨＦ、ＳＣ−２洗浄液（ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：５）によって洗浄する。

本発明者は、セラミック部材を各種の洗浄方法によって処理し、セラミック部材から半導体への金属元素の拡散を低減することを試みた。本発明者が検討した洗浄処理方法は、ナイロンタワシによる洗浄、メラミンフォームによる洗浄、ＳＣ−１洗浄液、硝酸、塩酸による洗浄を含む。しかし、いずれの洗浄方法によっても、例えばシリコンウエハーへと移行する金属原子数を１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下とすることはできなかった。

しかし、シュウ酸などの有機酸や弱酸によってセラミック部材を洗浄したところ、他の方法を採用した場合に比べて、半導体に移行する金属元素量を著しく低減できることを見いだし、本発明に到達した。

本発明において洗浄時に使用可能な有機酸としては、以下を例示できる。
（１）カルボン酸
（１置換カルボン酸）
酢酸、アクリル酸、プロピオン酸などの脂肪族カルボン酸。
安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸などの芳香族カルボン酸。
（２置換カルボン酸）
シュウ酸、グルタル酸、アジピン酸、マロン酸、コハク酸、マレイン酸、フマル酸、酒石酸などの脂肪族カルボン酸。
ニコチン酸などの芳香族カルボン酸。
（多置換カルボン酸）
クエン酸など
（２）フェノール性水酸基を有する有機化合物
（３）脂肪族アミン

本発明において使用可能な弱酸とは、水中での解離定数が５以下のものが良い。弱酸を例示すると、以下のものがある。
（１）上述のカルボン酸
（２）芳香族アミン

本発明における半導体製造装置とは、半導体の金属汚染が懸念されるような、幅広い半導体製造プロセスにおいて使用される装置のことを意味している。これには、成膜装置の他、エッチング装置、クリーニング装置、検査装置が含まれる。

セラミック部材としては、例えば、半導体ウエハーを設置するためのサセプター、ダミーウエハー、シャドーリング、高周波プラズマを発生させるためのチューブ、高周波プラズマを発生させるためのドーム、高周波透過窓、赤外線透過窓、半導体ウエハーを支持するためのリフトピン、シャワー板、静電チャック、真空チャック、プラズマを発生させるための高周波電極をセラミックス基体中に埋設した製品、抵抗発熱体がセラミックス基体中に埋設されている製品がある。

セラミック部材の材質は限定しないが、半導体汚染の可能性を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。

セラミック部材は、セラミックスを構成しない金属元素の含有量が少ないことが好ましく、１００ｐｐｍ以下とすることが特に好ましい。特には、周期律表のＩａ〜ＶＩＩａ、ＶＩＩＩ、Ｉｂ、ＩＩｂに属する金属元素およびＩＩＩｂ、ＩＶｂに属する元素の一部（Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ等）の含有量を１００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。これはＩＣＰ法によって測定する。

本発明においては、セラミック部材を強酸によって洗浄した後に、有機酸や弱酸によって洗浄することができる。強酸とは、水中における解離定数が６以上のものを意味している。強酸としては、硝酸、塩酸、塩酸と硝酸との混合物、硫酸、フッ酸を例示できる。

本発明者は、有機酸や弱酸によって洗浄する前に、セラミック部材の表面をブラスト処理することが特に有効であることを見いだした。この理由は以下のように考えられる。

セラミック部材の原料粉末を高純度の粉末とし、原料粉末中の汚染金属種を極微量に制限した場合でも、セラミック部材の表面には、種々の原因によって、金属元素が拡散していることがあった。この理由は一定しないが、例えば製造時の電力供給設備や炉内雰囲気の金属元素が、セラミック部材を加熱するときにその表面領域に移行、拡散しているものと思われる。遷移金属元素、特に銅の拡散が生じやすい。

このような場合には、セラミック部材の表面領域に、数μｍの深さにわたって金属元素が拡散していることがある。このため、ブラスト処理を行うことによって、セラミック部材の表面領域を研削し、除去することが、セラミック部材から半導体への金属の移行を抑制する上で効果的である。

ブラスト処理を行った後で、強酸によって洗浄する場合よりも、弱酸や有機酸によって洗浄する場合の方が、半導体の金属汚染を抑制する上で優れた作用が得られる。

ブラスト処理後に行う洗浄としては、有機溶剤および純水による超音波洗浄が挙げられる。更に、弱酸、有機酸による洗浄を組み合わせることが、メタルコンタミネーション量を低減する上で好ましい。他に、オゾン水、水素水、電解イオン水による洗浄も効果が大きい。オゾン水の濃度は５ｐｐｍ以上であることが好ましく、水素水の濃度は１ｐｐｍ以上であることが好ましい。

ブラスト処理には、以下の方法が含まれる。
（サンドブラスト）
サンドブラストにおけるブラスト材としては、炭化珪素、アルミナ等のセラミックが好ましく、金属はメタルコンタミネーション源となるので好ましくない。ブラスト材の粒径は、♯１８０以上の細かいものが、セラミックスの表面へのダメージを低減でき、ダメージ部のメタル成分残留量を低減できるため、好ましい。ブラストノズル材はセラミックスが好ましい。湿式、乾式のいずれであってもよい。

図１は、半導体保持装置１上に半導体ウエハーＷを設置した状態を模式的に示す図である。半導体保持装置１は、セラミック部材２と、セラミック部材２を保持する円筒状の保持部３と、基部４とを備えている。保持部３の端面３ａはセラミック部材２の背面２ｂに接合されている。保持部３の端面３ｂは基部４に接合されている。セラミック部材２は、本例では平板形状のサセプターであり、セラミック部材２の半導体設置面２ａに半導体ウエハーＷが設置されている。２ｃはセラミック部材２の側面である。セラミック部材２の内部には、例えば抵抗発熱体や静電チャック電極を埋設できる。

半導体ウエハーＷをセラミック部材２の半導体設置面２ａに設置した状態で、半導体ウエハーＷを、高温、例えば５００℃以上の温度に加熱すると、セラミック部材２の半導体設置面２ａ側から半導体ウエハーＷの表面領域へと金属元素が拡散する。本発明においては、セラミック部材２の少なくとも半導体設置面２ａを洗浄することによって、このような金属元素の移行、拡散を抑制することができる。

好適な実施形態においては、セラミック部材の半導体設置面にエンボス部を設けることによって、セラミック部材と半導体との接触面積を減少させる。前述したセラミック部材から半導体への金属元素の拡散は、セラミック部材と半導体との接触面において生ずる。従って、エンボス部を設けることでセラミック部材と半導体との接触面積を減らすことは、半導体への金属元素の拡散を抑制する上で有効である。

また，本発明者は、半導体処理時、成膜時などに半導体をセラミック部材上で加熱しているときに、メタルコンタミネーション成分が半導体チャンバー内に遊離することにより、半導体への金属の拡散が生じ、半導体の金属拡散量を増加させる一因となっていることを見いだした。

このため、好適な実施形態においては、セラミック部材の半導体設置面に、半導体設置面の少なくとも一部を包囲するエンボス部を設けることによって、エンボス部の内側空間を、チャンバーの内部空間に対して閉ざされた閉空間とすることができる。この結果、検査チャンバーの雰囲気内にあるメタルコンタミネーション成分が、ヒーター表面の半導体裏面領域へと侵入することを防止でき、半導体ウエハーへの金属拡散を低減することができる。

好ましくは、半導体設置面を平面的に見たときに、エンボス部が閉曲線を形成する。エンボス部の具体的平面形状は特に限定されず、円環形状の他、三角形、四角形等の多角形であってよい。特に好ましくは、このエンボス部が半導体設置面の周縁部を一周している。

また、好適な実施形態においては、セラミック部材に、半導体設置面に開口する連通孔が設けられている場合に、半導体設置面に開口を包囲するエンボス部を設ける。この連通孔は、典型的にはリフトピンを挿通するための貫通孔である。この場合にも、連通孔中の雰囲気が半導体チャンバー内から流入することにより、金属元素の半導体への拡散が生ずる。従って、開口の周囲を包囲すようなエンボス部を設けることによって、連通孔内の雰囲気を閉じ込め、半導体への雰囲気からの金属元素の拡散を抑制する。
この場合にも、半導体設置面を平面的に見たときに、エンボス部が閉曲線を形成していればよい。このエンボス部の具体的平面形状は特に限定されず、円環形状の他、三角形、四角形等の多角形であってよい。

図２〜図４は、この実施形態に係るものである。図２は、この実施形態に係るセラミック部材２を半導体設置面２ａ側から見た平面図であり、図３は、セラミック部材２の半導体設置面２ａ付近の断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面に相当する。図４は、図３のセラミック部材２の半導体設置面２ａに半導体ウエハーＷを設置した状態を示す断面図である。

本例では、半導体設置面２ａは略円形である。半導体設置面２ａの周縁には、円環形状のエンボス部５が形成されており、エンボス部５が半導体設置面２ａを一周している。セラミック部材２には、半導体設置面２ａから背面２ｃまで貫通する連通孔７が、例えば３箇所に設けられている。本例では連通孔７を、リフトピン挿通用の貫通孔として使用する。そして、各連通孔７の開口７ａをそれぞれ包囲するように、円環形状のエンボス部８が形成されている。そして、半導体設置面の環状のエンボス部５と８との間の領域には、多数の小さいエンボス部６が所定間隔で規則的に形成されている。

図４に示すように、半導体ウエハーＷを半導体設置面に設置すると、半導体ウエハーＷの裏面Ｗａが、エンボス部６、５、８の上面６ａ、５ａ、８ａに接触する。この結果、半導体ウエハーＷと半導体設置面との間には、閉空間９が形成される。また、エンボス部８の内側にも、閉空間９と分離された閉空間１０が形成される。

本発明において、各エンボス部の高さは特に限定されない。しかし、セラミック部材から半導体への金属元素の拡散を抑制するという観点からは、１０μｍ以上とすることが好ましい。

本発明においては、個々の各エンボス部の直径φは種々変更できるが、セラミック部材から半導体への金属元素の拡散を抑制するという観点からは、φ５ｍｍ以下とすることが好ましい。また、半導体を安定に保持するという観点からは、０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、エンボス部と半導体との接触面積は、半導体の裏面の面積の０．００１％以上であるが、３％以上とすることが好ましく、また、２０％以下とすることが好ましい。
また、特に半導体設置面の外周縁部に設けられた環状のエンボス部の幅は０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、１０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、半導体設置面の外周縁部に設けられた環状のエンボス部の高さは１０μｍ以上であることが好ましい。

また、個々の分散された島状のエンボス部６の平面的形状や平面的寸法は種々変更できる。例えば、エンボス部６の半導体への接触面６ａの形状は、円形の他、三角形、四角形、六角形、八角形等の多角形、またはリング状や帯状であってよい。また、エンボス部６の個数も特に限定されない。

各エンボス部の形状は、ダイヤルゲージもしくは三次元形状測定装置によって測定できる。

エンボス部の材質は特に限定されないが、半導体の汚染を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。エンボス部は、ブラスト加工、化学的気相成長法などによって形成できる。

（例１）
平板形状のセラミックヒーターを製造した。具体的には、還元窒化法によって得られた窒化アルミニウム粉末を使用し、この粉末にアクリル系樹脂バインダーを添加し、噴霧造粒装置によって造粒し、造粒顆粒を得た。３層のシート状成形体を順次一軸加圧成形し、３層の成形体を積層し、一体化した。この一軸加圧成形体の中には、モリブデン製のコイル状の抵抗発熱体を埋設した。

この成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。この温度を上昇させる際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、更に仕上げ加工してヒーターを得た。このセラミック部材２の直径を２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとした。次いで、後述するような各方法に従って、半導体設置面を洗浄した。

次いで、セラミック部材２を、図１に示すように装備し、セラミック部材２の半導体設置面２ａに、８インチのシリコンウエハーの鏡面を設置した。次いで、抵抗発熱体に電力を供給し、セラミック部材２の半導体設置面２ａの平均温度を約６５０℃にした。チャンバー内の圧力は１×１０^−３Ｔｏｒｒとした。６５０℃で１０分間保持し、次いで降温し、セラミック部材２からシリコンウエハーを取り外した。

次いで、ＩＣＰ−ＭＳ法によって、シリコンウエハーへの金属元素の拡散量を測定した。即ち、シリコンウエハー表面を、１ｃｍ^３のフッ化水素酸および過酸化水素水の混酸によって処理し、得られた試料溶液を分取し、蒸発乾固させる。この残滓をフッ化水素水に溶解し、霧吹き状にＩＣＰ（誘導結合プラズマ）質量分析装置に散布する。散布された溶液は、装置中でプラズマによりイオン化される。このイオンをイオンレンズに通すことによって、余分な元素を除去する。次いで、４重極の＋、−電極で、質量数の小さい元素から順にイオンの進行方向を９０°曲げ、そのイオン数をカウントする。これによっで質量数ごとのイオンのカウント数を検出することができる。

この結果、銅のカウント数は６．５×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。
（例２）
前記セラミック部材２を製造した後、この半導体設置面をナイロンタワシによって洗浄した。この結果、銅のカウント数は１．２０×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例３）
例２において、ナイロンタワシによる洗浄を、メラミンフォームによる洗浄に変更した。この結果、銅のカウント数は３．２０×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例４）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面をＳＣ−１洗浄液（ＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：５）によって洗浄し、次いで硝酸によって洗浄した。この結果、銅のカウント数は３．０×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例５）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面を、例２と同様にしてブラスト処理した。次いで、硝酸によって洗浄した。この結果、銅のカウント数は２．０×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例６）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面を、例２と同様にしてブラスト処理した。次いで、塩酸によって洗浄した。この結果、銅のカウント数は２．５×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例７）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面を、例２と同様にしてブラスト処理した。次いで、シュウ酸の水溶液によって洗浄した。シュウ酸の濃度を１Ｎとし、処理時間を５分間とした。この結果、銅のカウント数は４．７×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例８）
例７において、シュウ酸の濃度を０．０１〜１Ｎの範囲内で種々変更した。この結果、銅のカウント数は４．７〜６．６×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例９）
例７において、シュウ酸による処理時間を１〜１０分間の範囲内で種々変更した。この結果、銅のカウント数は４．７〜６．０×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。これらの結果から、シュウ酸の濃度や処理時間は、結果に大きな影響を与えないことが分かる。

（例１０）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面を、例２と同様にしてブラスト処理した。次いで、硝酸によって処理し、次いで塩酸によって処理した。最後にシュウ酸の水溶液によって洗浄した。シュウ酸の濃度を１Ｎとし、処理時間を３分間とした。この結果、銅のカウント数は４．６×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

（例１１）
前記セラミック部材２を製造した後、その半導体設置面を、例２と同様にしてブラスト処理した。次いで、塩酸によって処理し、最後にシュウ酸の水溶液によって洗浄した。シュウ酸の濃度を１Ｎとし、処理時間を１０分間とした。この結果、銅のカウント数は７．７×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２であった。

以上述べたように、本発明によれば、セラミック部材から半導体への金属移行量を大きく低減できるようなセラミック部材の洗浄方法を提供できる。

半導体保持装置上に半導体ウエハーＷを設置している状態を模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るセラミック部材２の半導体設置面２ａの平面的形状を示す平面図である。図２のセラミック部材２の半導体設置面２ａ付近の断面図である。図３のセラミック部材２の半導体設置面２ａ上に半導体ウエハーＷを設置した状態を示す断面図である。

符号の説明

１半導体保持装置２セラミック部材２ａ半導体設置面２ｂ背面２ｃ側面３保持部５半導体設置面上に閉空間９を形成するエンボス部５ａ、６ａ、８ａエンボス部の上面６エンボス部７連通孔７ａ連通孔７の開口８開口７ａを包囲するエンボス部９エンボス部５によって包囲される閉空間１０エンボス部８によって包囲される空間Ｗ半導体ウエハーＷａ半導体ウエハーの裏面Ｗｂ半導体ウエハーの処理面

Claims

半導体製造装置中で使用するためのセラミック部材を洗浄する方法であって、
前記セラミック部材をブラスト処理する工程と、この後にセラミック部材を洗浄する工程とを含むことを特徴とする、洗浄方法。
前記ブラスト処理によって前記セラミック部材の表面領域を研削し、除去することを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記セラミック部材の前記表面領域に拡散している金属元素を除去することを特徴とする、請求項２記載の方法。
前記セラミック部材をブラスト処理した後に有機酸によって洗浄することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記セラミック部材を前記有機酸によって洗浄する前に強酸によって洗浄することを特徴とする、請求項４記載の方法。
前記セラミック部材をブラスト処理した後に弱酸によって洗浄することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
前記セラミック部材を前記弱酸によって洗浄する前に強酸によって洗浄することを特徴とする、請求項６記載の方法。