JP4589545B2

JP4589545B2 - ウェハ支持部材、ウェハ保持具およびウェハ保持装置

Info

Publication number: JP4589545B2
Application number: JP2001042476A
Authority: JP
Inventors: 宜治井上; 幸基田中; 俊一林; 啓介川村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP2002246449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェハの熱処理、特にＳＩＭＯＸ（Separation by implanted oxygen）ウェハやアニールウェハの作製等の高温熱処理に適したウェハ保持部材、ウェハ保持具、ウェハ保持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコンウェハの大口径化に伴い、シリコンウェハの熱処理装置には、縦型熱処理炉が用いられるようになっている。この縦型熱処理炉内には縦型ボートが設置されており、この縦型ボートには複数本の垂直にのびた支柱が設けられ、支柱内側の側面に複数設けられた支持溝にウェハを搭載して、熱処理が行われる。ところが、このような支持方法では、ウェハの最外周部にウェハ支持部が設けられることになり、かつ支持部付近にウェハの自重が集中するために、ＳＩＭＯＸウェハやアニールウェハの作製等の高温熱処理の場合には、ウェハ支持部付近に大きな曲げ応力が発生し、この応力が当該熱処理温度でのシリコンウェハの降伏応力を超えてしまうと、熱処理中に、ウェハ内部にスリップと言われている欠陥が発生する問題があった。
【０００３】
この問題を回避するために、図５に示すように、ボート１の複数の支柱２の支持溝３にウェハ支持板６を載せ、その上にウェハを載せて、熱処理を行うことで支持面積を増大させ、スリップの発生を抑制する方法が用いられてきている。さらに、この支持板に凹状に切り欠き７を形成することで、真空チャックによりウェハ裏面を吸着、搬送する方式のウェハ搬送装置を適用することが可能であり、高速搬入出による高生産性が実現されている。
【０００４】
しかし、この技術でも、スリップを十分抑制するには至っていない。前記技術では、ウェハ支持板の形状は、その中心に対して対称でなく、かつ、支持板自身が支柱２によって非対称に支持されているため、ウェハ支持板が熱処理中に変形する。一方、ウェハ支持板とシリコンウェハの接触面積が増大したことにより、ウェハ支持板とシリコンウェハと間の摩擦力が増大する。このため、ウェハ支持板の熱変形による応力が、シリコンウェハに伝わり易くなり、スリップが容易に発生してしまう。
【０００５】
この問題を回避するために、特開２０００−９１４０６号公報には、図６に示すように、切り欠きの無いウェハ支持板１１に、ウェハの受け部材となるシリコン球１２を３個載せ、このシリコン球によってシリコンウェハ１０を３点支持する支持具が提案されている。この方法では、ウェハ支持板に切り欠きが無いために、ウェハ支持板の熱変形が比較的少ない。さらに、シリコン球とシリコンウェハとが溶着しない非酸化性雰囲気熱処理においては、点支持によってウェハ支持板とウェハの摩擦力を緩和できる。このため、ウェハ支持板の熱変形に起因するスリップを抑制できる。
【０００６】
しかし、この技術でも、ＳＩＭＯＸアニールで用いられる酸化性雰囲気での熱処理においては、シリコン球がシリコンウェハと溶着してしまうため、ウェハ支持板の熱変形によるスリップを十分抑制するには至っていない。また、ウェハ支持板に切り欠きが無いため、ウェハ搬送装置が大型化し、搬送動作に必要な空間がウェハ支持板の上下に広がってしまう。さらに、搬送動作も複雑となるため、搬送時間が従来よりも長くなる。このため、バッチ当りの熱処理炉の生産性が低下する。さらに大きな問題は、この技術では、支持部にウェハ自重の１／３の荷重が集中して加わるため、ウェハ自重による応力によって、ウェハ支持部にスリップが発生してしまうことである。このように、ウェハの自重を３箇所のみのウェハ支持部に分配する上記方法では、シリコンウェハの大口径化に伴って、ウェハの自重が増大し続けている中で、今後、スリップ発生の問題がますます深刻化してくることは明白である。
【０００７】
一方、ウェハ支持板を用いずにスリップ発生を防止する方法も提案されている。例えば、特開平１１−４０５６９号公報のように、ボートにウェハ１枚当り４箇所のウェハ支持部を設けた方法である。この場合、ウェハ支持部が４箇所あるため、３箇所の同様な形状のウェハ支持部でウェハを支持する場合に比べ、各ウェハ支持部でシリコンウェハの自重によって発生する応力が小さくなることは明白である。しかしながら、この方法では、ウェハ支持部の高さが４箇所とも３０μｍ以内の精度で揃っていることが必要であるため、この寸法精度を有するボートの製造が極めて困難、かつ高価になってしまうと言う問題がある。さらに、ボートにウェハ１枚当り５箇所以上のウェハ支持部を設けようとすると、この寸法精度を有するボートの製造は、さらに困難となるため、ウェハ支持部の個数を簡易に増やすことができないと言う問題がある。なお、同様の問題は、前記の特開２０００−９１４０６号公報の方法において、ウェハ支持板に載せるシリコン球の数を４個以上とした場合にもやはり生ずることは、言うまでもない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンウェハの熱処理、特にＳＩＭＯＸウェハやアニールウェハの作製等の高温熱処理において、生産性を損なわずに、かつ、廉価なウェハ保持具を用いてスリップの発生を十分に抑制することは、シリコンウェハの製造歩留向上の観点から、解決しなければならない重要な課題であり、その実現には、以下の要件を満足したウェハ保持具が必要である。即ち、（１）工業的に実現可能な、かつ安価な保持具の製造を可能とするため、３０μｍを越える寸法誤差を許容できる保持具構造であること、（２）ウェハの自重による応力の発生を抑制するため、ウェハを４箇所以上のウェハ支持部で支持できる構造であること、（３）ウェハ支持板の熱変形による応力を緩和するために、ウェハを点支持する構造であること、（４）高生産性を維持するために、ウェハ保持具には凹状に切り欠きが形成され、真空チャックによりウェハ裏面を吸着、搬送する方式のウェハ搬送装置を適用することが可能であること、（５）保持具がシリコンウェハと熱処理中に溶着しない材料により構成されていること、等を満たしていなければならない。また、さらには前記要件を満足したウェハ保持具が組み込まれた、ウェハ保持装置及び熱処理炉が必要である。
【０００９】
しかしながら、既に述べたように、従来技術では、上記課題を解決するに至っていない。
【００１０】
本発明は、以上に述べた課題を解決し、シリコンウェハの高温熱処理に適したウェハ支持部材、ウェハ保持具およびウェハ保持装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上、説明してきたように、本発明者は、シリコンウェハの熱処理、特にＳＩＭＯＸウェハやアニールウェハの作製等の高温熱処理に適した、前記（１）〜（５）の要件を満足するシリコンウェハの保持方法について、これまで鋭意検討を重ねてきた。その中で、ウェハを支持する支持部材に高さ調整機能を付与することにより前記５つの要件を満足させうる保持具を作製できると考え、実験を行い、発明を完成させるに至ったのである。
【００１２】
すなわち、本発明は、
（１）ウェハ保持具上に配置し、上部にウェハを載せる支持部材であって、該支持部材が上部、中間部、下部の３つの構造体からなり、少なくとも前記中間部構造体の材質が、ウェハ熱処理温度で軟化する材質からなることを特徴とするウェハ支持部材。
（２）前記支持部材の上部および下部構造体がウェハまたはウェハ保持具と点接触するような凸部形状を有することを特徴とする前記（１）記載のウェハ支持部材。
（３）前記支持部材の上部および下部構造体の材質が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種、又は、これらの組み合わせであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のウェハ支持部材。
（４）前記中間部構造体の材質が石英ガラスであることを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか1項に記載のウェハ支持部材。
（５）上面にウェハを載せる板状の保持具であって、該保持具にウェハ受け部材がｎ個以上配置されるとともに、前記ウェハ受け部材のうち、少なくとも、（ｎ−２）個（但し、ｎは４以上の整数）が、前記（１）〜（４）の何れか1項に記載のウェハ支持部材であることを特徴するウェハ保持具。
（６）前記板状の保持具の材質が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ｓｉ、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種であることを特徴とする前記（５）記載のウェハ保持具。
（７）複数のウェハを支持、戴置するウェハ保持装置であって、該保持装置の複数本略平行に配された支柱に形成された複数の保持具用凹溝に、前記（５）又は（６）記載のウェハ保持具を水平に挿入、保持してなることを特徴とするウェハ保持装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
本発明の支持部材は、ウェハ保持具上に配置し、ウェハを支持するものである。本発明の支持部材は、上部構造体、中間部構造体、下部構造体という３つの主要な構造体から構成される。そのうち、上部構造体と下部構造体は、アニール処理中にＳｉウェハからの加重に耐える剛性を失わない材質からなる部材で構成される。また、これらの構造体は、Ｓｉウェハ及びウェハ支持板と溶着しないことが望ましい。具体的には、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種又はこれらの組み合わせである。これに対し、中間部構造体の材質は、室温ではウェハ自重に耐える剛性を持つが、アニール中の高温では軟化する物質が良い。ただし、溶融しないことが必要である。具体的には、石英ガラスが好ましい。
【００１５】
さらに、上部および下部構造体は、ウェハおよびウェハ保持具と点接触するように凸部を有することが望ましい。点接触で支持することによりウェハ及びウェハ保持部具との溶着の可能性を減少できる。具体的には、曲率半径が１００ｍｍ以下の球面加工形状であることが望ましい。さらに、中間部構造体が変形時に不均一な変形を起こさないようにする必要がある。支持部材作製の容易さから、上部構造体の下面および下部構造体の上面、さらに、中間部構造体の上面および下面は平行な平面であることが望ましい。しかし、中間部構造体が不均一な変形をしない限り、形状は限定されるものでない。また、中間部構造体の座屈を避けるため、高さより幅方向を大きくした方が好ましい。最も簡単な構造の場合、図１に示すように、上部及び下部構造体は半球状、中間部構造体は円柱形状となる。上部構造体と下部構造体は通常同じものを用いるが、本発明の条件を満たしていれば、図２に示すように形状や大きさが異なっていても問題はない。
【００１６】
本発明のウェハ保持具は、上面にウェハを載せる板状保持具であって、該保持具上にウェハ受け部材がｎ個以上配置される。ここで、ｎは４以上の整数である。即ち、本発明のウェハ保持具は、ウェハの支持点を４点以上有するものである。支持点が３個以下では、ウェハの自重による応力によって、ウェハ支持部にスリップが発生しやすくなるので好ましくない。さらに、前記ウェハ受け部材のうち、少なくとも（ｎ−２）個が、上述の本発明のウェハ保持部材でなければならない。通常４個以上の支持点でウェハを支持する場合、全ての支持点をほぼ同一の平面上に揃えなければならないため、支持点の高さを高精度、例えば、３０μｍ以内の精度で揃える必要がある。しかし、本発明の支持部材は、その構造体内に、高温で変形する材質で構成される中間部構造体を持つため、アニールが進行すると、中間部構造体が軟化するため、ウェハ自重により支持点の高さが揃い、ウェハ自重が支持点に均等に分散される。また、ウェハ保持具が熱応力によって変形した場合も、同様の機構により、各支持点での均等加重は実現できる。加えて、支持部材の数をさらに数を増やして５個以上としても、同様の機構により各支持点での均等加重が実現できる。本発明の支持部材を用いれば、今後のウェハの大口径化、つまり、ウェハの重量化にも容易に対応できる。
【００１７】
また、支持点のうち、１個又は２個であれば、本発明の支持部材の代わりに中間構造体を持たない従来の支持部材、例えば、球体やピン形状等の支持部材、を用いても良い。これらの支持点以外は、本発明の支持部材を用いて支持する場合、本発明の支持部材が高さを調整して均等加重が実現できるため、全支持点に本発明の支持部材を用いる場合とほぼ同等の効果を得ることができる。従来の支持部材の代わりにウェハ保持具と一体化した固定支持部材を用いても良い。
【００１８】
本発明のウェハ保持板は、例えば、図３に示すように、円板形状のウェハ保持板にウェハ支持部材が搭載されるものである。このウェハ保持板の材質は、通常、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ｓｉ、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種である。固定支持部材を持つ場合は、固定支持部材部はＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉで作製することが望ましい。一例を図４に示す。ウェハ保持具には、真空チャックによりウェハ裏面を吸着、搬送する方式のウェハ搬送装置が適用可能となるよう、真空チャックの挿入位置に、切り欠きが形成されていることが望ましい。
【００１９】
このようなウェハ保持具は、半導体熱処理炉に設けられた複数のウェハを支持、戴置するためのウェハ保持装置に挿入され、水平に保持される。このウェハ保持装置は、例えば図５に示すような、鉛直方向に３本ないし４本の支柱２を有する縦形ボート１であり、この場合、ウェハ保持具は、保持具用溝３に挿入される。縦形ボートは、通常、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂又はＳｉによって形成される。
【００２０】
ウェハ保持具がウェハ保持装置に水平に保持された後、真空チャックを有するウェハ搬送装置によって、ウェハ１０が、その裏面を吸着され、切り欠き２２の開口方向からウェハ保持具の上部に水平に搬入される。ウェハ１０が、ウェハ１０の中心とウェハ保持具２１の略中心が鉛直方向に並ぶ位置まで水平に搬入されると、真空チャックが垂直方向に下降する。これに伴って、ウェハ１０も垂直方向に下降し、ここで真空チャックによるウェハ吸着が解除されることにより、受け部材を介してウェハ保持具上にウェハ１０が支持される。
【００２１】
真空チャックは、その後切り欠き２２の開口部から外部に引き出され、次の搬送動作に移る。このような搬送動作は、従来技術であるボートによるシリコンウェハの直接支持でも採用されている方法である。この方式は、特開２０００−９１４０６号公報に記載されているような、昇降ピンと自動搬送チャックとの組み合わせで搬送を行う方式と比較して、保持具用溝３の間隔を小さくとることが可能であり、生産性を損ねることがない。また、搬送機構も単純であるため、高速搬送が可能であると同時に、搬送装置が大型化しにくい。
【００２２】
ウェハ１０が、上記の手順にしたがって、複数の受け部材を介してウェハ保持具上に保持された後、例えば縦形ボート１であるウェハ保持装置は、熱処理炉内に設置された熱処理用チューブ内に導入され、引き続き、所定の熱処理が実施される。熱処理の条件は処理目的により様々であるが、その多くは縦形ボート１を炉内に導入する際の待機時炉内温度が６００〜１０００℃の範囲であり、そこから０．１〜２０℃／ｍｉｎ程度の昇温速度にて炉内温度を上げ、６００〜１４００℃の範囲で所定時間熱処理を行い、さらに０．１〜２０℃／ｍｉｎ程度の降温速度にて待機時炉内温度に戻す処理となる。この際、炉内の雰囲気は、一般に、アルゴン、水素、酸素、ＨＣｌ等やこれらの混合体である。
【００２３】
なお、ウェハの熱処理には、縦形熱処理炉による処理の他に、ウェハを炉内に導入後、急速に昇降温を行う、急速熱アニール／酸化（Rapid Thermal Annealing / Oxidation：ＲＴＡ／ＲＴＯ）処理があり、本発明に記載のウェハ保持具は、このＲＴＡ／ＲＴＯ処理にも利用可能であることはいうまでもない。
【００２４】
熱処理を終えたウェハは、縦形ボート１とともに熱処理チューブから排出される。その後、真空チャックを有するウェハ搬送装置が、上記に述べたウェハ搬入手順の逆動作を行うことによって、ウェハ１０は、ウェハ保持具２１の上部からウェハ保持具２１に形成された切り欠き２２の方向に水平に排出される。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００２６】
（実験例）
本発明のウェハ支持部材及び保持具が、所望の効果を発揮するかを実験より確認した。作製した支持部材は、図１に示したタイプのものであり、具体的には、上部構造体と下部構造体の材質がＳｉＣで、その形状は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ、曲率半径５ｍｍの半球状、中間部構造体の材質が石英ガラスで、その形状は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱である。これらを重ねて一体とした。また、この一体化した支持部材とほぼ同じ大きさのＳｉＣ製の支持部材を作製して使用した。ウェハ保持具は、図３に示すような円盤を用いた。材質はＳｉＣを使用した。また、図５に示したような固定支持部材付き保持具も使用した。保持具の大きさは、８インチ（２００ｍｍ）用が直径２２０ｍ、１２インチ（３００ｍｍ）用が直径３２０ｍｍである。支持部材は、保持具の中心からウェハ半径の７０％離れた位置、かつ、支持点が作る多角形が正多角形となるような位置に配置した。
【００２７】
実験に用いたウェハは、８インチシリコンウェハ（直径２００ｍｍ）及び１２インチウェハ（直径３００ｍｍ）である。熱処理パターンは１３９０℃で１２時間のドライ酸化処理を行い、その時のスリップ発生状況はＸ線トポグラフィを用いて調査した。
【００２８】
その結果を表１に示す。表中で、○はスリップの発生がないこと、△は軽度のスリップがあること、×は重度のスリップがあることを示す。表１に示すように、比較例では、△かまたは×が多いのに対し、本発明例では、全て○であり、本発明がスリップ防止に極めて有効であることを示している。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればシリコンウェハの熱処理、特にＳＩＭＯＸウェハやアニールウェハの作製等の高温熱処理に適した、工業的に実現可能な、かつ高価でないウェハ支持部材およびウェハ保持具であり、シリコンウェハのスリップ発生を防止できるウェハ支持部材およびウェハ保持具を提供できる。さらに、本発明によれば、前記ウェハ保持具を搭載することにより高生産性を維持したまま、シリコンウェハのスリップを防止できるウェハ保持装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の支持部材の一実施形態を示す図
【図２】本発明の支持部材の別の実施形態を示す図
【図３】本発明の保持具の一実施形態を示す図
【図４】本発明の保持具の別の実施形態を示す図
【図５】ウェハ保持具が搭載され縦型ボートを示す図
【図６】従来技術のウェハ保持具を示す図
【符号の説明】
１…ボート
２…ボート支柱
３…支持溝
６…ウェハ保持板
７…切り欠き
１０…シリコンウェハ
１１…ウェハ保持板
１２…シリコン球
２１…支持部材の上部構造体
２２…支持部材の中間部構造体
２３…支持部材の下部構造体
３１…ウェハ支持部材
３２…ウェハ固定支持部材

Claims

ウェハ保持具上に配置し、上部にウェハを載せる支持部材であって、該支持部材が上部、中間部、下部の３つの構造体からなり、少なくとも前記中間部構造体の材質が、ウェハ熱処理温度で軟化する材質からなることを特徴とするウェハ支持部材。
前記支持部材の上部及び下部構造体が、ウェハ又はウェハ保持具と点接触するような凸部形状を有することを特徴とする請求項１記載のウェハ支持部材。
前記支持部材の上部及び下部構造体の材質が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種、又は、これらの組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ支持部材。
前記中間部構造体の材質が、石英ガラスであることを特徴とする請求項１〜３の何れか1項に記載のウェハ支持部材。
上面にウェハを載せる板状の保持具であって、該保持具にウェハ受け部材がｎ個以上配置されるとともに、前記ウェハ受け部材のうち、少なくとも、（ｎ−２）個（但し、ｎは４以上の整数）が、請求項１〜４の何れか1項に記載のウェハ支持部材であることを特徴するウェハ保持具。
前記板状の保持具の材質が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ｓｉ、又は、表面にＳｉＣ及び／又はＳｉ₃Ｎ₄を被覆したＳｉから選ばれたる１種であることを特徴とする請求項５記載のウェハ保持具。
複数のウェハを支持、戴置するウェハ保持装置であって、該保持装置の複数本略平行に配された支柱に形成された複数の保持具用凹溝に、請求項５又は６に記載のウェハ保持具を水平に挿入、保持してなることを特徴とするウェハ保持装置。