CN107924821B - 外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销 - Google Patents

外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销，外延成长装置能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵，并且能够减少尘粒附着于晶片的表面。在所述外延成长装置中，在腔室的内部具备：载置硅晶片(W)的基座(4)；从下方支承该基座(4)，并且具有与基座(4)的中心位于同轴上的主柱和从该主柱呈放射状延伸的支承臂(17b)的支承轴；以及插通于设置在基座(4)的贯穿孔(4h)以及设置在支承臂(17b)的贯穿孔(17h)双方，并在铅垂方向上移动自如地配设的顶升销(15)，外延成长装置使该顶升销(15)升降来使硅晶片(W)载置于基座(4)上或与基座(4)分离，所述外延成长装置的特征在于，顶升销(15)的至少其表层区域由硬度低于基座(4)的硬度的材料构成，顶升销(15)的穿过基座(4)的贯穿孔(4h)内的直体部上部区域(15d)的表面粗糙度是0.1μm以上且0.3μm以下，并且顶升销(15)的穿过支承臂(17b)的贯穿孔(17h)内的直体部下部区域(15c)的表面粗糙度是1μm以上且10μm以下。

Description

外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶 升销
技术领域
本发明涉及一种外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销，尤其涉及一种能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵并且能够减少尘粒附着于晶片的表面的外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销。
背景技术
硅晶片一般通过如下方法而获得：利用切克劳斯基(Czochralski、CZ)法等培育硅单晶，在将该硅单晶切割成块之后，切成薄片，经平面磨削(研磨)工序、蚀刻工序以及镜面研磨(抛光)工序，最后进行清洗。之后，若通过进行各种质量检查而未确认到异常，则作为产品被出厂。
在此，在进一步要求晶体的完整性的情况或需要电阻率不同的多层结构等情况下，在所述硅晶片上进行单晶硅薄膜的气相成长(外延成长)来制造外延晶片。
对于外延晶片的制造，例如使用单片式外延成长装置。在此，关于一般的单片式外延成长装置，参考图1进行说明。如图1所示，外延成长装置100具有被上部圆顶11、下部圆顶12以及圆顶安装体13包围的腔室2。该腔室2在其侧面的对置的位置设置有进行反应气体的供给以及排出的进气口31以及排气口32。
另一方面，在腔室2内配置有载置硅晶片W的基座4。基座4的下表面的外周部通过与可旋转的主柱7a连结的支承臂7b嵌合支承，并与支承臂7b一同旋转。并且，在基座4以及支承臂7b分别形成有用于使进行硅晶片W的升降的顶升销5穿过的贯穿孔4h以及7h，顶升销5的基端通过升降轴6支承而升降。
即，关于导入至腔室2内的硅晶片W，将插通于基座4的贯穿孔4h以及支承臂7b的贯穿孔7h的顶升销5朝向基座4的上方移动，并使顶升销5的头部与硅晶片W的背面抵接，由此利用顶升销5暂且支承硅晶片W。在此，所述顶升销5的上升移动经由支承该顶升销5的基端的升降轴6的上升移动而进行。
接着，使支承所述基座4的支承轴7上升来使基座4移动至硅晶片W的位置，并将硅晶片W载置于基座4上。在该状态下，顶升销5的头部收纳在基座4的贯穿孔4h的扩径部(未图示)内。如此，将硅晶片W载置于基座4上，例如通过配置于基座4的上方以及下方的多盏加热灯14将硅晶片W加热至1000℃以上的温度，另一方面，向外延膜形成室2内供给反应气体，使规定厚度的外延膜成长来制造外延晶片。
之后，通过支承臂7b的下降而使基座4下降。该下降进行至顶升销5被升降轴6支承并从基座4突出的位置，利用顶升销5支承硅晶片W。然后，将未图示的传送叶片导入至腔室2内，将顶升销5下降而在传送叶片上载置硅晶片W，由此将硅晶片W从顶升销5转移到传送叶片上。之后，使硅晶片W与传送叶片一同从成长装置100退出。
随着近几年半导体器件的微细化以及高集成化，要求减少晶体缺陷或减少附着于晶片的表面的尘粒。在这样的背景下，在专利文献1中记载有如下内容：着眼于顶升销滑动而产生的磨损分量，由碳化硅(SiC)形成顶升销以及基座的表面，对顶升销的与基座接触的区域进行研磨而设成0.2μm至5μm的表面粗糙度，由此能够减少在外延成长中产生的尘粒的附着或减少晶体缺陷的形成。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-299260号公报
在专利文献1中记载的发明中，由于顶升销的表面的材质由SiC构成，因此存在在顶升销升降时，在晶片的与顶升销的顶部接触的背面部位产生接触瑕疵之类的问题。
即，并不限定于专利文献1中记载的发明，从耐热性以及耐酸性的观点来看，基座4一般使用由SiC包覆碳基材的基座或者由SiC制成基材其本身的基座等，顶升销也同样使用由SiC包覆碳基材的顶升销或者由SiC制成基材其本身的顶升销。
然而，SiC虽然耐热性以及耐酸性优异，但是其硬度高，因此在使用了SiC制成的顶升销的情况下，存在在顶升销5的前端部与硅晶片W的背面接触时，在晶片W的背面产生接触瑕疵或接触痕之类的问题。在现状的高集成化设备中，处于期望尽可能地降低因硅晶片W的背面与顶升销5之间的接触而对晶片W的背面产生接触瑕疵的状况下，需要提供一种减少了背面瑕疵的外延硅晶片。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵并且能够减少尘粒附着于晶片的表面的外延成长装置、外延晶片的制造方法以及外延成长装置用顶升销。
用于解决技术课题的方案
发明人想起通过由硬度低于SiC的硬度的材质构成顶升销5的材质来减少对硅晶片的背面产生瑕疵，并且通过调整顶升销5的表面粗糙度来减少尘粒的起尘，在反复进行各种各样的实验之后，获得了以下见解。
首先，由硬度低于基座4的硬度的材质制成顶升销5，并进行外延成长处理，结果确认出能够大幅减少对硅晶片W的背面产生接触瑕疵，另一方面，确认出尘粒附着于晶片的表面的量有所增加。
发明人推测尘粒附着于晶片的表面的原因是，因基座4与顶升销5之间的接触而产生了尘粒，从而使用尽可能减小与基座4接触的区域的表面粗糙度的平坦性优异的顶升销5进行了实验。其结果，确认出尘粒附着于晶片的表面的量的减少效果，但是重新确认出屡次发生尘粒附着于晶片的表面的量急剧增加的异常现象。
由于意想不到地发生该尘粒的急剧增加，因此可以预想在外延成长处理中产生一些故障。因此，发明人在外延成长处理中进行了顶升销5的升降动作是否正常进行的确认。具体而言，进行了如下实验：在开放腔室2的状态下，不使原料气体等流动，在将硅晶片W载置于室温的基座4上的状态下，反复进行驱动升降轴6来使顶升销5上下升降的操作，并目视确认顶升销5的升降动作。
其结果，确认出如下现象：在使升降轴6下降而使顶升销5向下方下降时，一部分顶升销5在支承臂7b的贯穿孔4h内卡挂，顶升销5不完全下降，之后，卡挂状态被解除而朝向顶升销5向下方飞快地落下来。
推测到或许在外延成长处理中，也产生了该顶升销5落下来之类的异常动作，并推测到通过该顶升销5的下落现象，导致因顶升销5与基座4的接触而产生的粉尘向比基座4靠上方的位置飞扬，意想不到地增加了绕到硅晶片W的表面的尘粒量。
因此，发明人对抑制顶升销5与支承臂7b的卡挂而能够抑制尘粒附着于晶片的表面的方法进行了深入研究，发现有效的方法不是减小顶升销5中的在支承臂7b的贯穿孔7h内移动的部分的顶升销5的外表面的表面粗糙度，而是相反地增大表面粗糙度，最后完成了本发明。
本发明的要旨结构如下。
(1)一种外延成长装置，其在腔室的内部具备：基座，其载置硅晶片；支承轴，其从下方支承该基座，并且具有与所述基座的中心位于同轴上的主柱和从该主柱呈放射状延伸的支承臂；以及顶升销，其插通于设置在所述基座的贯穿孔以及设置在所述支承臂的贯穿孔双方，并在铅垂方向上移动自如地配设，所述外延成长装置使该顶升销升降来使所述硅晶片载置于所述基座上或与所述基座分离，所述顶升销的至少其表层区域由硬度低于所述基座的硬度的材料构成，所述顶升销的穿过所述基座的贯穿孔内的直体部上部区域的表面粗糙度是0.1μm以上且0.3μm以下，并且所述顶升销的穿过所述支承臂的贯穿孔内的直体部下部区域的表面粗糙度是1μm以上且10μm以下。
(2)根据(1)所述的外延成长装置，其中，所述顶升销的至少其表层区域包含玻璃状碳，所述基座的至少其表层区域包含碳化硅(SiC)，所述支承臂包含石英。
(3)根据(1)或(2)所述的外延成长装置，其中，
所述顶升销的下端部被实施了圆角加工。
(4)一种外延晶片的制造方法，其利用所述(1)至(3)所述的外延成长装置在硅晶片上进行外延膜的成长。
(5)一种外延成长装置用顶升销，其插通于设置在基座的贯穿孔以及设置在支承臂的贯穿孔双方，在将所述硅晶片搬入所述外延成长装置内时或从所述外延成长装置取出时，支承所述硅晶片的背面而升降，所述基座设置于在硅晶片上进行外延层的气相成长的外延成长装置内，所述支承臂支承所述基座的下部，在所述外延成长装置用顶升销中，至少表层区域由硬度低于所述基座的硬度的材料构成，并且所述顶升销的穿过所述支承臂的贯穿孔内的直体部下部区域的表面粗糙度大于所述顶升销的穿过所述基座的贯穿孔内的直体部上部区域的表面粗糙度。
(6)根据(5)所述的外延成长装置用顶升销，其中，所述直体部上部区域的表面粗糙度是0.1μm以上且0.3μm以下，并且所述直体部下部区域的表面粗糙度是1μm以上且10μm以下。
(7)根据(5)或(6)所述的外延成长装置用顶升销，其中，至少表层区域包含玻璃状碳。
(8)根据(5)至(7)任一项所述的外延成长装置用顶升销，其中，所述顶升销的下端部被实施了圆角加工。
发明效果
根据本发明，能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵，并且能够减少尘粒附着于晶片的表面。
附图说明
图1是表示一般的外延成长装置的图。
图2是表示基于本发明的外延成长装置的图。
图3是表示基于本发明的外延成长装置中的顶升销的周边区域的图。
图4是表示顶升销的穿过支承臂的贯穿孔内的区域(直体部下部区域)的表面粗糙度与顶升销的升降不良发生率之间的关系的图。
图5是表示顶升销的穿过基座的贯穿孔内的区域(直体部上部区域)的表面粗糙度与每一片晶片的平均LPD的个数之间的关系的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明进行详细说明。
图2表示基于本发明的外延成长装置1。并且，图3表示外延成长装置1中的顶升销15的周边区域。另外，对与图1相同的结构标注相同的符号，省略说明。如图2以及图3所示，基于本发明的外延成长装置1具有由硬度低于基座4的硬度的材料即由柔软的材料构成的顶升销15，该顶升销15插通于基座4的贯穿孔4h以及支承臂17b的贯穿孔17h，并在铅垂方向上移动自如地配设。
如图3所示，顶升销15具有棒状的直体部15a和直径比该直体部15a以及贯穿孔4h的直径大的头部15b，以头部15b与基座4的贯穿孔4h的扩径部4w卡合的方式构成。另外，顶升销只要在棒状的直体部的前端具有直接支承硅晶片的头部，则无需限定形状，从而并不限定于图示的形状。
如上所述，顶升销15由硬度低于基座4的硬度的材料即由柔软的材料构成。由此，能够大幅减少对晶片W的背面产生的接触瑕疵。具体而言，顶升销15能够使用玻璃状碳、石墨、石英、氮化铝、镁橄榄石、堇青石、氧化钇、块滑石等。其中，玻璃状碳的成型加工性优异，高纯度且耐热性、耐酸性优异。另外，无需由上述材料构成顶升销15整体，只要至少其表层区域由比基座的表面材质软的材料构成即可。例如，能够在SiC等硬度高的基材的表面包覆上述材料而构成顶升销15。
从高纯度且耐得住在高温环境下使用的耐热性、耐酸性的观点来看，基座4通常由利用SiC包覆碳基材的表面的基座或由SiC制成基材其本身的基座等构成。
在本发明中，关键是顶升销15的穿过支承臂17b的贯穿孔17h内的直体部15a上的区域(以下，称作“直体部下部区域”)15c的表面粗糙度是1μm以上。如上所述，发现了在由比基座软的材料构成顶升销的情况下，在使升降轴下降来使顶升销朝向下方下降时，一部分顶升销在支承臂的贯穿孔内会卡挂。
虽然其原因并不明确，但是可以推测为：由于在顶升销15的表面粗糙度大时，与划分支承臂的贯穿孔的壁面接触的接触面积会下降，因此贯穿孔内的滑动性增高，其结果是能够抑制卡挂的发生。
因此，在本发明中，将顶升销15的穿过支承臂17b的贯穿孔17h内的直体部下部区域15c的表面粗糙度设为1μm以上。在此，在直体部下部区域15c的表面粗糙度小于1μm的情况下，无法充分抑制上述卡挂的发生。
并且，从防止发生上述卡挂的观点来看，顶升销15的穿过上述支承臂17b的贯穿孔17h内的直体部下部区域15c的表面粗糙度的上限并无特别限定，但是从表面粗糙度的调整加工的容易性的观点来看，优选设为10μm以下。另外，在本发明中，“表面粗糙度”是指JIS B0601(2001年)规定的算术平均粗糙度Ra。
顶升销15的这样的表面粗糙度能够通过机械加工等研磨处理而调整。并且，支承臂17b的贯穿孔17h内的壁面17s的表面粗糙度一般通过机械加工、蚀刻、淬火、喷砂处理等而调整，大致调整为0.5μm以下的表面粗糙度。
并且，在本发明中，将顶升销15的穿过基座4的贯穿孔4h内的直体部15a上的区域(以下，称作“直体部上部区域”)15d的表面粗糙度设为0.1μm以上且0.3μm以下。在本发明中，由于由比基座4软的材料构成顶升销15，因此通过将顶升销15的穿过基座4的贯穿孔4h内的直体部上部区域15d的表面粗糙度设为0.3μm以下，能够实现抑制上述起尘的效果。并且，通过将表面粗糙度设为0.1μm以上，避免加工成本增加而能够有效地抑制起尘的发生。
另外，由于顶升销的头部15b的下表面部与基座4的贯穿孔4h的扩径部4w接触，因此优选头部15b的下表面部的表面粗糙度设为0.3μm以下。
如此，基于本发明的顶升销15在穿过基座4的贯穿孔4h内的直体部上部区域15d和穿过支承臂17b的贯穿孔17h内的直体部下部区域15c具有不同的表面粗糙度，构成为直体部下部区域15c的表面粗糙度大于直体部上部区域15d的表面粗糙度。
另外，关于划分基座4的贯穿孔4h的壁面4s的表面粗糙度，也优选设为0.1μm以上且0.3μm以下。由此，能够更加提高起尘的抑制效果。
并且，优选顶升销15的下端部实施了圆角加工。如上所述，顶升销15插通于基座4的贯穿孔4h以及支承臂17b的贯穿孔17h双方，以能够在上下方向上移动的方式构成。此时，在顶升销15与贯穿孔4h以及17h之间设置有微小的间隙(clearance)，以便顶升销15能够在贯穿孔4h以及17h内顺畅地移动。
因此，在顶升销15进行升降运动时，顶升销15倾斜而有时会脱离顶升销15进行升降运动时的轨道，但是通过对顶升销15的下端部实施圆角加工而使其带有圆形，能够使顶升销15的升降运动的轨道恢复，从而能够抑制由于因脱离轨道产生的顶升销15与基座4之间的滑动而导致粉尘的发生。
这样，通过本发明，能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵，并且能够抑制尘粒附着于晶片的表面。
实施例
＜顶升销的制成＞
制成了具有表1所示的直体部上部区域以及直体部下部区域的表面粗糙度的8级顶升销(发明例1～4、比较例1～4)。此时，由玻璃状碳制成所有顶升销。
[表1]
Figure BDA0001487655010000091
＜顶升销升降不良动作确认实验＞
将所制成的发明例1～4以及比较例1～4的顶升销分别应用于图2所示的外延成长装置1，进行了动作确认实验，该动作确认实验是在将硅晶片W载置于基座上的状态下使顶升销进行升降动作的情况下，确认是否发生了动作的不良的实验。该动作确认实验在开放外延成长装置1的上部圆顶11的室温状态下进行，目视确认了动作不良发生。升降动作的次数设为100次，将往返动作设为1次来计数。
图4表示直体部下部区域的表面粗糙度与顶升销的升降不良发生率之间的关系。由图4明确可知，顶升销的升降不良发生率随着直体部下部区域的表面粗糙度的增加而减少，在表面粗糙度为1μm以上的情况下，顶升销的升降动作未发生不良。与此相对，在直体部下部区域的表面粗糙度小于1μm的情况下，观察到了顶升销的升降动作的不良。如此，在直体部下部区域的表面粗糙度为1μm以上的情况下，能够防止发生顶升销的升降动作的不良。
＜外延晶片制造实验1＞
将发明例1以及2、以及比较例1以及2的顶升销分别应用于图2所示的外延成长装置1，制造了外延晶片。在此，基座4使用了在碳基材的表面涂层SiC的基座。并且，作为外延晶片的基板，使用了掺杂硼的直径为300mm的硅晶片W。
关于外延晶片的制造，首先，将硅晶片W导入至外延成长装置1内，并利用顶升销15载置于基座4上。其后，在氢气体气氛下，以1150℃的温度进行了氢烘烤之后，在1150℃下，使硅外延膜在硅晶片W的表面上成长4μm而获得了外延硅晶片。在此，作为原料源气体，使用了三氯硅烷气体，并且作为掺杂剂气体，使用了二硼烷气体，作为载气，使用了氢气体。外延晶片相对于发明例以及比较例分别制造了各50片。
＜表面质量的评价＞
关于所获得的外延晶片，进行了形成于外延层的外延缺陷的数量的评价。具体而言，利用表面缺陷检查装置(KLA-Tencor公司制：Surfscan SP-2)，在DWO模式(Dark FieldWide Oblique模式：暗视野-宽-斜入射模式)下，观察评价外延层的表面，调查了尺寸(直径)为0.25μm以上的LPD(光点缺陷，Light Point Defect)的发生状况。分别对制成各50片的发明例1以及2、以及比较例1以及2的晶片进行该评价，求出了每一片晶片的LPD的个数。其结果，关于直体部下部区域的表面粗糙度超过1μm的发明例1以及2，未确认到意想不到的LPD增加的发生，能够推断顶升销的升降动作未发生不良。关于这些发明例1以及2，在制造出的所有外延晶片中，被观察到的LPD的个数为1个/wf以下。
与此相对，关于直体部下部区域的表面粗糙度小于1μm的比较例1以及2，确认出意想不到的LPD增加的发生，能够推断顶升销的升降动作发生了不良。关于这些比较例1以及2，被观察到的LPD的个数超过10个/wf的外延晶片的片数在比较例1中为两片，在比较例2中为两片。
＜外延晶片制造实验2＞
与发明例1以及2、以及比较例1以及2相同，将发明例3以及4、以及比较例3以及4的顶升销应用于图2所示的外延成长装置1，制造了外延晶片。在此，制造条件与发明例1以及2、以及比较例1以及2的情况完全相同。
在制造上述外延晶片时，关于发明例3以及4、以及比较例3以及4中的任一个，直体部下部区域的表面粗糙度也均为1μm以上，因此未确认到意想不到的LPD增加的发生。图5表示相对于发明例1、3以及4、以及比较例3以及4的、直体部上部区域的表面粗糙度与每一片晶片的平均LPD的个数之间的关系。根据图5可知，关于顶升销的直体部上部区域的表面粗糙度为0.3μm以下的发明例1(表面粗糙度：0.15μm)、发明例3(表面粗糙度：0.2μm)以及发明例4(表面粗糙度：0.3μm)，平均LPD的个数实现了1个/wf以下，而关于顶升销的直体部上部区域的表面粗糙度超过0.3μm的比较例3(表面粗糙度：0.5μm)以及比较例4(表面粗糙度：1μm)，平均LPD的个数未能实现1个/wf以下。
产业上的可利用性
根据本发明，由于能够减少对外延硅晶片的背面产生瑕疵，并且能够减少尘粒附着于晶片的表面，因此在半导体晶片制造业中有用。
附图标记说明
1、100-外延成长装置，2-腔室，4-基座，4h、7h、17h-贯穿孔，4s、17s-壁面，4w-扩径部，5、15-顶升销，6-升降轴，7-支承轴，7a、17a-主柱，7b、17b-支承臂，11-上部圆顶，12-下部圆顶，13-圆顶安装体，14-加热灯，15a-直体部，15b-头部，15c-直体部下部区域，15d-直体部上部区域，31-进气口，32-排气口，W-硅晶片。

Claims (8)

1.一种外延成长装置，其在腔室的内部具备：基座，其载置硅晶片；支承轴，其从下方支承该基座，并且具有与所述基座的中心位于同轴上的主柱和从该主柱呈放射状延伸的支承臂；以及顶升销，其具有棒状的直体部和直径比该直体部以及设置于所述基座的贯穿孔的直径大的头部，插通于设置在所述基座的贯穿孔以及设置在所述支承臂的贯穿孔双方，并在铅垂方向上移动自如地配设，所述外延成长装置使该顶升销升降来使所述硅晶片载置于所述基座上或与所述基座分离，所述外延成长装置的特征在于，
所述顶升销的至少其表层区域由硬度低于所述基座的硬度的材料构成，
所述顶升销的穿过所述基座的贯穿孔内的所述直体部的直体部上部区域的表面粗糙度是0.1μm以上且0.3μm以下，并且，
所述顶升销的穿过所述支承臂的贯穿孔内的所述直体部的直体部下部区域的表面粗糙度是1μm以上且10μm以下。
2.根据权利要求1所述的外延成长装置，其中，
所述顶升销的至少其表层区域包含玻璃状碳，所述基座的至少其表层区域包含碳化硅SiC，所述支承臂包含石英。
3.根据权利要求1或2所述的外延成长装置，其中，
所述直体部的下端部被实施了圆角加工。
4.一种外延晶片的制造方法，其特征在于，
利用权利要求1至3中任意一项所述的外延成长装置，在硅晶片上进行外延膜的成长。
5.一种外延成长装置用顶升销，其插通于设置在基座的贯穿孔以及设置在支承臂的贯穿孔双方，在将硅晶片搬入所述外延成长装置内时或从所述外延成长装置取出时，支承所述硅晶片的背面而升降，所述基座设置于在所述硅晶片上进行外延层的气相成长的外延成长装置内，所述支承臂支承所述基座的下部，所述外延成长装置用顶升销的特征在于，
具有棒状的直体部和直径比该直体部以及设置于所述基座的贯穿孔的直径大的头部，至少表层区域由硬度低于所述基座的硬度的材料构成，并且所述顶升销的穿过所述支承臂的贯穿孔内的所述直体部的直体部下部区域的表面粗糙度大于所述顶升销的穿过所述基座的贯穿孔内的所述直体部的直体部上部区域的表面粗糙度。
6.根据权利要求5所述的外延成长装置用顶升销，其中，
所述直体部上部区域的表面粗糙度是0.1μm以上且0.3μm以下，并且所述直体部下部区域的表面粗糙度是1μm以上且10μm以下。
7.根据权利要求5或6所述的外延成长装置用顶升销，其中，
至少表层区域包含玻璃状碳。
8.根据权利要求5或6所述的外延成长装置用顶升销，其中，
所述直体部的下端部被实施了圆角加工。
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