DE19712556A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers.
Üblicherweise wird zur Ausbildung eines Dünnfilms, beispielsweise eines Oxydfilms, auf einem Wafer, oder um eine Verunreinigung in einen Wafer eindiffundieren zu lassen, eine Wärmebehandlung zur Erwärmung eines Wafers durchgeführt. Hierbei wird beispielsweise eine Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung verwendet, wie sie in Fig. 1A gezeigt ist.
Die Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung von Fig. 1A wird als Heißwand-Diffusionsofen mit Batch-Verarbeitung bezeichnet, und weist ein Schiffchen (also eine Aufspannvorrichtung) 2 zum Haltern mehrerer Wafer 1 auf, eine Kammer 3, welche eine Bearbeitungskammer zur Bearbeitung der in dem Schiffchen 2 gehalterten Wafer 1 darstellt, sowie eine Heizvorrichtung 4 zur Erwärmung der Wafer. In der Kammer 3 sind ein Einlaß 5, um beispielsweise ein Reaktionsgas in eine Reaktionskammer einzulassen, sowie ein Auslaß 6 zum Ausstoßen des Reaktionsgases aus der Reaktionskammer vorgesehen.
Jeder Wafer 1 wird horizontal so gehaltert, daß die Randabschnitte des Wafers 1 auf konvexen Abschnitten liegen, die in dem Schiffchen 2 vorgesehen sind. Der Wafer 1 wird, wie beispielsweise in Fig. 1B gezeigt ist, beispielsweise an vier Haltepunkten 7 gehaltert, die auf dem Randabschnitt vorgesehen sind, und zwar aus folgendem Grund. Hierdurch wird nämlich die Kontaktfläche zwischen dem Wafer 1 und dem Schiffchen 2 minimalisiert, um das Ausmaß der Wärmestrahlung zu verringern, die von dem Schiffchen 2 absorbiert wird, und um den Wafer 1 gleichmäßig zu erwärmen. Wenn der Wafer 1 auf das Schiffchen 2 geladen oder von dem Schiffchen 2 entladen wird, wird die voranstehende Anordnung eingesetzt, damit die Handhabung des Wafers 1 einfach ist. Hierbei wird ein Teil zur horizontalen Halterung des Wafers allgemein als Halterungsteil (susceptor) bezeichnet.
Infolge des Einflusses der Schwerkraft auf den Wafer 1 wird jedoch eine mechanische Spannung im Inneren des Wafers 1 und an den Haltepunkten 7 in dem Wafer 1 hervorgerufen. Da die Haltepunkte 7 tatsächlich Punkten entsprechen, wird insbesondere eine Konzentration der mechanischen Spannung an den Haltepunkten 7 hervorgerufen.
Die mechanische Spannung σ, die im Inneren des Wafers 1 hervorgerufen wird, läßt sich auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnen:
σ = (3 × (3 + ν) × q × r²)/(8 × h²) (1)
Hierbei ist ν das Poisson-Verhältnis, q die Belastung pro Flächeneinheit, r der Radius des Wafers, und h die Höhe (Dicke des Wafers.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der mechanischen Spannung, die im Inneren des Wafers hervorgerufen wird, und dem Durchmesser des Wafers. Hierbei wird die Dicke des Wafers als Parameter geändert. Da der Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer mit zunehmendem Durchmesser des Wafers zunimmt, nimmt die mechanische Spannung zu. Nimmt die Dicke des Wafers ab, so nimmt seine mechanische Spannung zu.
Wenn eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur in einem Zustand durchgeführt wird, in welchem im Inneren des Wafers derartige mechanische Spannung vorhanden sind, so tritt ein Kristallfehler im Inneren des Wafers auf, der allgemein als Schlupf bezeichnet wird. Weist der Wafer beispielsweise einen Durchmesser von 200 mm auf, so beträgt die mechanische
Spannung im Inneren des Wafers etwa 5×10⁶. Es ist bekannt, daß ein Schlupf infolge des Einflusses der Schwerkraft auf den Wafer auftritt, wenn eine Wärmebehandlung bei etwa 1200°C in einem Zustand durchgeführt wird, in welchem mechanische Spannungen im Inneren des Wafers vorhanden sind.
Bei einer Erhöhung des Durchmessers des Wafers nehmen, wie in Fig. 2 gezeigt, die im Inneren des Wafers hervorgerufenen mechanischen Spannungen zu. Mit wachsenden mechanischen Spannungen nimmt im allgemeinen die Temperatur ab, bei welcher der Schlupf auftritt.
Fig. 3A zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur, bei welcher ein Schlupf im Inneren eines Wafers auftritt, und dem Durchmesser des Wafers. Wie aus Fig. 3A hervorgeht, wird in einem Grenzbereich das Auftreten des Schlupfes nicht nur durch mechanische Spannungen beeinflußt, sondern durch einen weiteren Faktor. Aus diesem Grund zeigt Fig. 3A den Temperaturbereich, in welchem das Auftreten des Schlupfes sich ändert. Wie aus Fig. 3A hervorgeht, nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Wafers die mechanische Spannung (vergleiche Fig. 3B) zu, die durch den Einfluß der Schwerkraft erzeugt wird. Aus diesem Grund nimmt eine kritische Temperatur ab, bei welcher der Schlupf auftritt. Genauer gesagt wird das Auftreten eines Kristalldefekts, der durch mechanische Spannungen hervorgerufen wird, die durch den Einfluß der Schwerkraft erzeugt werden, zu einem schwerwiegenderen Problem, wenn der Durchmesser des Wafers ansteigt.
Die voranstehend geschilderten Schwierigkeiten lassen sich folgendermaßen zusammenfassen.
Bei einem konventionellem Verfahren und einer konventionellen Vorrichtung für die Halbleiterwafer-Wärmebehandlung werden im Inneren des Wafers infolge des Einflusses der Schwerkraft auf den Wafer mechanische Spannungen hervorgerufen. Wenn eine Wärmebehandlung bei Vorhandensein mechanischer Spannungen durchgeführt wird, tritt in nachteiliger Weise ein Kristalldefekt auf. Da der Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer mit zunehmendem Durchmesser des Wafers zunimmt, tritt auf nachteilige Weise ein Kristalldefekt bei einer Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur auf.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Halbleiterwafer-Wärmebehandlung, welche das Auftreten eines Kristalldefekts in einem Wafer unterdrücken können, wenn der Wafer horizontal gehaltert wird, um einer Wärmebehandlung unterworfen zu werden.
Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die Halbleiterwafer-Wärmebehandlung zur Verfügung gestellt, die ein Halterungsteil (susceptor) zum Haltern eines Wafers auf solche Weise aufweist, daß der Wafer bei der Wärmebehandlungstemperatur flach ist; eine Aufspannvorrichtung zum Haltern des Halterungsteils; sowie ein Heizvorrichtung zur Erwärmung des Wafers, der von dem Halterungsteil gehalten wird.
Bei einer derartigen Vorrichtung kann das Halterungsteil eine Vorrichtung aufweisen, die dazu dient, Verformungen zu verhindern, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer hervorgerufen werden. Das Halterungsteil kann eine Vorrichtung zur Unterdrückung mechanischer Spannungen aufweisen, die sonst im Inneren des Wafers erzeugt würden. Das Halterungsteil kann den Wafer an mehreren Abschnitten einschließlich des Zentrumsabschnitts des Wafers haltern. Das Halterungsteil kann durch ein elastisches, plattenförmiges Teil gebildet werden, welches nach oben konvex ausgebildet ist, in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft. In diesem Fall kann das Halterungsteil einen Niveauunterschied bezüglich seiner Höhe zwischen seinem Umfangsabschnitt und seinem Zentrumsabschnitt aufweisen, wobei der Niveauunterschied entsprechend der Steifigkeit, der Dicke, und dem Durchmesser des Halterungsteils festgelegt wird. Das Halterungsteil kann aus einem Material bestehen, welches eine höhere Steifigkeit aufweist als das Material des Wafers. Die Verteilung der Dicke des Halterungsteils kann ungleichförmig sein. Das Halterungsteil kann einen Hohlraum aufweisen. Das Halterungsteil kann einen ersten Abschnitt aufweisen, der einen Außenumfangsabschnitt des Halterungsteils bildet, sowie einen zweiten Abschnitt, der im Inneren des ersten Abschnitt angeordnet ist, und aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnung größer ist als jene des ersten Abschnitts. Das Halterungsteil und die Aufspannvorrichtung können zu einem Teil vereinigt ausgebildet sein. Das Halterungsteil kann auf einen Teil der Aufspannvorrichtung aufgeladen sein.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Halbleiterwafer-Wärmebehandlung zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte aufweist:
Ausbildung eines plattenförmigen Teils auf einer Oberfläche eines Wafers zur Erzeugung einer Zugspannung zwischen dem plattenförmigen Teil und dem Wafer; Haltern des plattenförmigen Teils auf solche Weise, daß die Zugspannung nach unten in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft wirkt, und der Wafer bei einer Wärmebehandlungstemperatur flach ausgebildet wird; und Durchführung eines Wärmebehandlung des Wafers.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt umfassen, die Dicke des plattenförmigen Teils so einzustellen, daß die mechanischen Spannungen, die in dem Wafer durch die Ausbildung des plattenförmigen Teils erzeugt werden, gleich den mechanischen Spannungen sind, welche durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer hervorgerufen werden.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Halbleiterwafer-Wärmebehandlung zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte umfaßt:
Ausbildung eines plattenförmigen Teils auf einer Oberfläche eines Wafers zur Erzeugung einer Druckspannung zwischen dem plattenförmigen Teil und dem Wafer; Haltern des plattenförmigen Teils auf solche Weise, daß die Druckspannung nach oben in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft einwirkt, und der Wafer bei einer Wärmebehandlungstemperatur flach ausgebildet wird; und Durchführung einer Wärmebehandlung des Wafers.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt aufweisen, die Dicke des plattenförmigen Teils so einzustellen, daß die mechanischen Spannungen, die in dem Wafer durch Ausbildung des plattenförmigen Teils hervorgerufen werden, gleich den mechanischen Spannungen sind, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer hervorgerufen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.
Die beigefügten Zeichnungen stellen einen Teil der Beschreibung dar, erläutern momentan bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und dienen zusammen mit der voranstehenden allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zur Erläuterung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Es zeigt:
Fig. 1A und 1B Schnittansichten des Aufbaus einer konventionellen Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung beziehungsweise eine Aufsicht auf einen Wafer;
Fig. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen der mechanischen Spannung, die im Inneren eines Wafers durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer erzeugt wird, und dem Durchmesser des Wafers;
Fig. 3A und 3B ein Diagramm und eine Ansicht, welche die Beziehung zwischen einer Temperatur, bei welcher ein Schlupf im Inneren eines Wafers auftritt, und dem Durchmesser des Wafers zeigen, in Bezug auf das Auftreten eines Schlupfes;
Fig. 4A und 4B Seitenansichten des Aufbaus plattenförmiger Teile einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Diagramm der Beziehung zwischen einer Verwerfung des Wafers, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer hervorgerufen wird, und dem Durchmesser des Wafers;
Fig. 6A und 6B Aufsichten auf den Aufbau plattenförmiger Teile einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7A bis 7D Aufsichten beziehungsweise Seitenansichten des Aufbaus plattenförmiger Teile einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8A und 8B Seitenansichten des Aufbaus plattenförmiger Teile einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Nunmehr werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Fig. 4A und 4B zeigen nur Abschnitte zum Haltern eines Wafers 1 in einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als die übrigen Abschnitte, beispielsweise eine Kammer oder eine Heizvorrichtung, die zur Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gehören, können die in Fig. 1A dargestellten Anordnungen verwendet werden. Fig. 4A zeigt einen Zustand, in welchem der Wafer 1 unbelastet ist, und Fig. 4B zeigt einen Zustand, in welchem der Wafer 1 belastet wird.
Wie in Fig. 4A gezeigt ist, weist die Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein plattenförmiges Teil 8 als Halterungsteil auf, welches auf einen Teil eines Schiffchens (also eine Aufspannvorrichtung) 2 geladen ist, und zeichnet sich dadurch aus, daß das plattenförmige Teil 8 eine derartige Verwerfung zeigt, daß diese nach oben konvex ist. Wie aus Fig. 4B hervorgeht, wird dann, wenn der Wafer 1 auf das plattenförmige Teil 8 geladen wird, das plattenförmige Teil 8 durch den Druck flach, der durch das Gewicht des Wafers 1 hervorgerufen wird, der auf das plattenförmige Teil 8 geladen ist. Das Ausmaß "a" der Verwerfung des plattenförmigen Teils 8 wird wie nachstehend angegeben eingestellt, so daß der Wafer 1 horizontal liegt.
Die Verwerfung W, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer 1 hervorgerufen wird, hängt von dem Durchmesser und der Dicke des Wafers 1 ab, und wird nach folgender Gleichung berechnet:
σ = (3 × (5 + ν) × q × r⁴)/(16 × (E/(1 - ν)) × h³) (2)
Hierbei ist ν das Poisson-Verhältnis, q die Belastung pro Flächeneinheit, r der Radius des Wafers, h die Breite (Dicke) des Wafers, und E der Elastizitätsmodul (Young-Modul).
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Verwerfung des Wafers, die auf der Grundlage der voranstehenden Gleichung berechnet wurde, und dem Durchmesser des Wafers. Hierbei wird als Parameter die Dicke des Wafers geändert. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, beträgt dann, wenn der Wafer einen Durchmesser von 200 mm hat, und eine Dicke von 725 mm, die Verwerfung W etwa 25 µm. Beträgt der Durchmesser des Wafers 300 mm, und die Dicke des Wafers 725 mm, so beträgt die Verwerfung W etwa 120 µm.
Nunmehr wird angenommen, daß das plattenförmige Teil 8 beispielsweise aus Silizium (Si) besteht, daß der Durchmesser des Wafers auf 300 mm eingestellt ist, und daß die Dicke des Wafers auf 725 µm eingestellt ist. In diesem Fall wird, wie in Fig. 4A gezeigt, das plattenförmige Teil 8 so ausgebildet, daß das plattenförmige Teil 8 eine derartige Verwerfung zeigt, daß es nach oben konvex ist, und zwar um ein Ausmaß a der Verwerfung von 120 µm in einem Zustand, in welchem nur das plattenförmige Teil 8 von dem Schiffchen 2 ohne Wafer gehaltert wird.
Diese Anordnung läßt sich auf folgende Weise erzielen. Es wird ein Si-Film mit einer Dicke von 725 µm beispielsweise durch ein CVD-Verfahren (chemische Dampfablagerung) auf einer Form ausgebildet, mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Verwerfung von 240 µm. Wenn das plattenförmige Si-Teil 8 von dem Schiffchen 2 so gehaltert wird, daß es nach oben konvex ausgebildet ist, nimmt die Verwerfung des plattenförmigen Teils 8 auf 120 µm ab, infolge des Einflusses der Schwerkraft auf das plattenförmige Teil 8.
Wenn ein Si-Wafer 1 mit einem Durchmesser von 300 mm und eine Dicke von beispielsweise 725 µm auf das plattenförmige Teil 8 geladen wird, wie in Fig. 4B gezeigt, drückt der Si-Wafer 1 das plattenförmige Teil um 120 µm nach unten, infolge des Einflusses der Schwerkraft auf den Si-Wafer 1. Aus diesem Grund gleichen sich die Verwerfung, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Si-Wafer 1 hervorgerufen wird, und das Ausmaß a der Verwerfung des plattenförmigen Teils 8 aus, so daß der Si-Wafer 1 flach ausgebildet wird.
In diesem Zustand wird im Inneren des Si-Wafers 1 kaum eine mechanische Spannung hervorgerufen, obwohl eine hohe mechanische Spannung im Inneren des plattenförmigen Teils 8 erzeugt wird, da der Si-Wafer 1 auf dem plattenförmigen Teil 8 praktisch horizontal ohne Verwerfung gehaltert wird. Wenn in diesem Zustand dann eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur durchgeführt wird, tritt daher kein Kristalldefekt wie beispielsweise ein Schlupf auf.
Obwohl bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform das plattenförmige Teil 8 eine Dicke aufweist, die gleich der Dicke des Si-Wafers 1 ist, und aus demselben Material wie jenem des Si-Wafers 1 besteht, kann auch ein plattenförmiges Teil 8 vorgesehen werden, dessen Dicke von jener des Wafers 1 unterscheidet. Wenn beispielsweise das plattenförmige Teil 8 eine bestimmte Dicke (beispielsweise 1450 µm) aufweist, wird die doppelte Dicke des Si-Wafers 1 eingesetzt, und das Ausmaß a der Verwerfung des plattenförmigen Teils 8, wenn das plattenförmige Teil 8 durch das Schiffchen 2 gehaltert wird, wird halb so groß gewählt wie bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform, also 60 µm. Auf diese Weise kann der Si-Wafer 1, wenn er auf das plattenförmige Teil 8 geladen ist, flach ausgebildet werden. Da in diesem Fall das Ausmaß der Änderung des plattenförmigen Teils 8, wenn der Wafer 1 aufgeladen ist, die Hälfte des Wertes im Vergleich zur voranstehenden Ausführungsform beträgt, verringern sich auch die mechanischen Spannungen, die in dem plattenförmigen Teil 8 erzeugt werden, auf die Hälfte. Aus diesem Grund kann die Möglichkeit des Auftretens eines Kristalldefekts im Inneren des plattenförmigen Teils 8 verringert werden, und läßt sich die Verläßlichkeit des plattenförmigen Teils 8 verbessern.
Als Material für das plattenförmige Teil 8 muß nicht notwendigerweise ein Material wie Si verwendet werden, also daßelbe Material wie das für den Wafer 1 verwendete Material, und es kann ein anderes Material verwendet verwendet werden, welches eine bestimmte Steifigkeit bei der Wärmebehandlungstemperatur aufweist, und nicht den Wafer kontaminiert. Da SiC ausreichende Steifigkeit bei hohen Temperaturen aufweist, und eine höhere Steifigkeit als Si, kann dann die Dicke des plattenförmigen Teils 8 verringert werden. Wird beispielsweise ein plattenförmiges Teil mit einem Durchmesser von 300 mm unter Verwendung von SiC hergestellt, so ist zum Ausgleich einer Verwerfung von 120 µm, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Si-Wafer 1 hervorgerufen wird, eine Dicke des plattenförmigen Teils von 362 µm erforderlich. Diese Dicke beträgt annähernd die Hälfte jener Dicke, die bei der ersten Ausführungsform erforderlich ist, bei welcher das plattenförmige Teil 8 aus Si besteht.
Wie voranstehend geschildert wurde kann, wenn die Dicke des plattenförmigen Teils 8 verringert werden kann, die Wärmekapazität des plattenförmigen Teils 8 verringert werden. Aus diesem Grund kann die Temperatur des Wafers 1, mit welchem die Wärmebehandlung durchgeführt wird, mit hoher Geschwindigkeit erhöht oder abgesenkt werden.
Wie voranstehend geschildert kann, wenn die Dicke und das Ausmaß a der Verwerfung des plattenförmigen Teils 8 ordnungsgemäß eingestellt sind, entsprechend den Eigenschaften wie beispielsweise dem Elastizitätsmodul eines Materials, aus welchem das plattenförmige Teil 8 besteht, der Wafer 1 dann flach ausgebildet werden, wenn der Wafer 1 auf das plattenförmige Teil 8 geladen wird.
Die Dicke des plattenförmigen Teils 8 muß in der Ebene des plattenförmigen Teils 8 nicht gleichmäßig sein, und es kann das plattenförmige Teil 8 beispielsweise einen dicken Abschnitt und einen dünnen Abschnitt in der Ebene aufweisen. Im allgemeinen weist der dicke Abschnitt des plattenförmigen Teils 8 eine große Wärmekapazität auf, und absorbiert eine größere Wärmestrahlungsmenge. Aus diesem Grund wird die Temperaturverteilung, die in der Ebene des Wafers 1 erzeugt wird, mit welchem eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, dadurch korrigiert, daß die Dicke in der Ebene des plattenförmigen Teils 8 geändert wird, so daß der Wafer 1 in der Ebene gleichförmig erwärmt werden kann.
Beispielsweise wird, wie in Fig. 1A gezeigt, der Umfangsabschnitt des Wafers 1 einfach erwärmt, bei einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung, bei welcher eine Heizvorrichtung 4 um den Wafer 1 herum angeordnet ist. Aus diesem Grund wird die Dicke des Umfangsabschnitts des plattenförmigen Teils 8 vergrößert, um die Wärmekapazität dieses Abschnitts zu vergrößern, so daß verhindert werden kann, daß der Umfangsabschnitt des Wafers 1 eine zu schnelle Temperaturerhöhung erfährt. Andererseits wird bei einer Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung, bei welcher Heizvorrichtungen einander entgegengesetzt an der oberen und unteren Oberfläche des Wafers 1 angeordnet sind, Wärme vom Umfangsabschnitt des Wafers abgestrahlt, und daher wird der Umfangsabschnitt nicht einfach erwärmt. Aus diesem Grund wird die Dicke des Umfangsabschnitts des plattenförmigen Teils 8 in diesem Fall verringert, um die Wärmekapazität dieses Abschnitts zu verringern, so daß die Temperatur des Umfangsabschnitts des Wafers 1 einfach erhöht werden kann.
Das plattenförmige Teil 8 muß nicht so ausgebildet sein, daß es die untere Oberfläche des Wafers 1 vollständig bedeckt. Die Fig. 6A und 6B sind Aufsichten auf plattenförmige Teile 8 der Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in den Fig. 6A und 6B gezeigt ist, kann das plattenförmige Teil 8 dadurch ausgebildet werden, daß radialförmige Plattenabschnitte (siehe Fig. 6A) oder konzentrisch angeordnete Plattenabschnitte (siehe Fig. 6B) so zusammengesetzt werden, daß Hohlräume vorhanden sind, oder können durch spiralförmige Anordnung plattenförmige Abschnitte ausgebildet werden. In diesem Fall können, obwohl sämtliche plattenförmigen Abschnitte einstückig ausgeformt werden können, mehrere plattenförmige Abschnitte zuerst ausgebildet und dann aneinander befestigt werden, um das plattenförmige Teil 8 auszubilden.
In diesem Fall kann der Elastizitätsmodul in der Ebene dadurch geändert werden, daß die Form, beispielsweise die Breite jedes plattenförmigen Abschnitts geändert wird. In diesem Fall kann, in dem Zustand, in welchem der Wafer 1 eingeladen ist, der Elastizitätsmodul in der Ebene des plattenförmigen Teils 8 ordnungsgemäß eingestellt werden, so daß der Wafer 1 noch ebener wird.
Die Einstellung des Elastizitätsmoduls in der Ebene kann auch durch Änderung der Dicke in der Ebene durchgeführt werden. Wenn das plattenförmige Teil 8 durch einstückiges Ausformen ausgebildet wird, läßt sich jedoch in der Ebene die Dicke nicht einfach ändern. Im Gegensatz hierzu wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dicke in der Ebene des plattenförmigen Teils 8 dadurch vergleichmäßigt, daß die Form der plattenförmigen Abschnitte geändert wird, so daß der Elastizitätsmodul geändert werden kann. Da jeder plattenförmige Abschnitt mit gleichmäßiger Dicke ausgebildet werden kann, kann auf diese Art und Weise ein plattenförmiges Teil 8 einfach hergestellt werden, welches eine Feineinstellung durchführen kann, um den Wafer 1 flach auszubilden.
Wenn das plattenförmige Teil 8 dadurch ausgebildet wird, daß ein plattenförmiger Abschnitt in mehrere plattenförmige Abschnitte unterteilt wird, so kann die Dicke jedes Teils eingestellt werden. Wenn die Dicke in der Ebene geändert wird, wie voranstehend geschildert, kann daher aus diesem Grund das plattenförmige Teil 8 einfach hergestellt werden. Auf diese Weise kann der Elastizitätsmodul in der Ebene so optimiert werden, daß der Wafer 1 noch stärker eben gehalten wird. Da die Dicke des plattenförmigen Teils 8 in der Ebene leicht geändert werden kann, wie voranstehend geschildert, kann darüber hinaus, wenn die Dicke geändert wird, die Temperaturverteilung in der Ebene des Wafers 1 während einer Wärmebehandlung noch gleichmäßiger ausgebildet werden.
In diesem Fall kann die Menge an Wärmestrahlung, die durch das plattenförmige Teil 8 bei einer Wärmebehandlung absorbiert wird, kleiner sein als in einem Fall, in welchem die untere Oberfläche des Wafers 1 vollständig abgedeckt ist. Daher kann die Strahlungsenergie wirksam genutzt werden, und kann die Temperatur des Wafers 1 schnell erhöht werden.
Wenn das plattenförmige Teil 8 durch Kombination mehrerer plattenförmiger Abschnitte gebildet wird, können das Ausmaß der Verwerfung, die Form und dergleichen des plattenförmigen Teils 8 einfach eingestellt werden.
Wenn der Wafer 1 auf das plattenförmige Teil 8 aufgeladen ist, oder wenn der Wafer 1 von dem plattenförmigen Teil 8 entfernt wird, ist bei der vorliegenden Ausführungsform eine Öffnung in dem plattenförmigen Teil 8 vorhanden. Aus diesem Grund kann der Wafer 1 einfach dadurch angebracht oder entfernt werden, daß ein Hebestift oder dergleichen verwendet wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform müssen, wenn das plattenförmige Teil 8 durch mehrere plattenförmige Abschnitte gebildet wird, sämtliche plattenförmigen Abschnitte nicht aus demselben Material bestehen. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 7D als dritte Ausführungsform der Erfindung ein Fall beschrieben, in welchem plattenförmige Abschnitte, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, miteinander so kombiniert werden, daß das plattenförmige Teil 8 ausgebildet wird. Die Fig. 7A und 7B sind Aufsichten, welche plattenförmige Teile 8 zeigen, und die Fig. 7C und 7D sind Seitenansichten der plattenförmigen Teile 8. Fig. 7C zeigt einen Fall, in welchem nur das plattenförmige Teil 8 von dem Schiffchen 2 gehaltert wird, ohne daß ein Wafer vorhanden ist, und Fig. 7D zeigt einen Fall, in welchem ein Wafer 1 auf das plattenförmige Teil 8 geladen ist.
Das plattenförmige Teil 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch einen ringförmigen Abschnitt 8a gebildet, der aus einem Material wie beispielsweise Quarz mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, und durch einen zentralen Abschnitt 8b, der aus einem Material wie etwa SiC besteht, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer ist als jener des Materials des ringförmigen Abschnitts 8a. Da der ringförmige Abschnitt 8a einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dehnt sich in diesem Fall der ringförmige Abschnitt 8a bei der Wärmebehandlungstemperatur nicht aus. Da jedoch der zentrale Abschnitt 8b einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer ist als jener des ringförmigen Abschnitts 8a, dehnt sich der zentrale Abschnitt 8b beispielsweise bei der Wärmebehandlungstemperatur aus. Da der Außenrand des zentralen Abschnitts 8b durch den ringförmigen Abschnitt 8a festgelegt wird, weist daher der expandierte zentrale Abschnitt 8b eine Form auf, die eine konvexen Verwerfung entspricht, wie in Fig. 7C gezeigt ist.
Die obere Oberflächenseite des plattenförmigen Teils 8 besteht aus einem Material, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer ist als jener der unteren Unterseite des plattenförmigen Teils 8, so daß die Ausdehnung der oberen Oberflächenseite größer ist als jene der unteren Oberflächenseite. Auf diese Weise kann bei dem plattenförmigen Teil 8 eine solche Verwerfung hervorgerufen werden, daß dieses nach oben konvex ausgebildet wird.
Das Material, die Dicke, die Form und dergleichen des plattenförmigen Abschnitts, welcher den zentralen Abschnitt 8b bildet, werden auf geeignete Weise so eingestellt, daß ein Ausmaß a′ der Verwerfung bei der Wärmebehandlungstemperatur und eine Verwerfung ausgeglichen werden, die infolge des Einflusses der Schwerkraft auf den Wafer 1 auftritt. Auf diese Weise kann, wie in Fig. 7D gezeigt, der Wafer 1 horizontal ausgebildet werden, wenn der Wafer 1 auf das plattenförmige Teil 8 aufgeladen wird.
Wie voranstehend geschildert weist die vorliegende Ausführungsform folgendes charakteristische Merkmal auf. Das plattenförmige Teil 8 wird nämlich durch zwei Abschnitte gebildet, die aus Materialien bestehen, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so daß ein gewünschtes Ausmaß einer Verwerfung bei einer Wärmebehandlungstemperatur auftritt. Daher muß ein plattenförmiges Teil 8, welches eine derartige Verwerfung aufweist, daß es bei Zimmertemperatur nach oben konvex ist, nicht ausgebildet werden. Bei Zimmer- oder Atmosphärentemperatur kann das plattenförmige Teil 8 verwendet werden, welches flach ausgebildet ist. Daher läßt sich das plattenförmige Teil 8 einfacher herstellen als jenes plattenförmige Teil 8, welches eine Verwerfung bei Atmosphärentemperatur aufweist. Die Handhabung des plattenförmigen Teils 8 ist daher einfach.
Voranstehend wurde der Fall geschildert, in welchem das plattenförmige Teil 8 in der Halbleiterwafer-Wärmebehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 8A und 8B ein Verfahren zur Verringerung mechanischer Spannungen im Inneren eines Wafers durch Ausbildung des plattenförmigen Teils 8 auf dem Wafer 1 beschrieben.
Die Fig. 8A und 8B sind Schnittansichten und zeigen einen Zustand, in welchem ein Nitridfilm oder dergleichen auf einem Wafer 1 als ein plattenförmiges Teil 9 ausgebildet wird. Wie beispielsweise in den Fig. 8A und 8B gezeigt ist, wird ein Si-Nitridfilm 9 auf einer Oberfläche des Wafers 1 hergestellt, beispielsweise unter Einsatz eines CVD-Verfahrens. Zu diesem Zeitpunkt, da der Si-Nitridfilm 9 auf dem Wafer 1 hergestellt wird, wie in Fig. 8A gezeigt ist, verwirft sich der Wafer 1, so daß die Oberfläche, auf welcher der Nitridfilm 9 ausgebildet ist, konkav ist. Wenn dieser Wafer 1 mit dem Nitridfilm 9 dann auf ein Schiffchen 2 geladen wird, so daß die Oberfläche, auf welcher der Nitridfilm 9 vorgesehen ist, nach unten zeigt, werden daher Zugspannungen, die durch den Nitridfilm 9 hervorgerufen werden, und Spannungen, die infolgen der Einwirkungen der Schwerkraft auf den Wafer 1 auftreten, ausgeglichen, und daher kann, wie in Fig. 8B gezeigt, der Wafer 1 in horizontalem Zustand gehalten werden.
Im allgemeinen nimmt die Zugspannung proportional zur Dicke des Nitridfilms 9 zu. Unter Nutzung dieser Beziehung kann die Dicke des Nitridfilms 9 so eingestellt werden, daß eine Spannung, welche die andere Spannung ausgleicht, im Inneren des Wafers 1 durch die Einwirkung der Schwerkraft auf den Wafer 1 erzeugt wird. Wenn beispielsweise der Durchmesser des Wafers 1 einen Wert von 300 mm aufweist, und die Dicke 725 µm beträgt, so ist die mechanische Spannung, die im Inneren des Wafers 1 durch die Einwirkungen der Schwerkraft auf den Wafer 1 hervorgerufen wird, etwa 9×10⁷ dyn/cm². Um diese Spannung auszugleichen muß die Dicke des Si-Nitridfilms etwa 0,725 µm betragen.
Wenn die Spannungen, die durch die Einwirkungen der Schwerkraft auf den Wafer 1 hervorgerufen werden, sich mit den Spannungen ausgleichen, die von dem Nitridfilm 9 hervorgerufen werden, sind lokal hohe Spannungen in der Grenzfläche 1 zwischen dem Wafer 1 und dem Si-Nitridfilm 9 vorhanden. Jedoch treten kaum Spannungen im Inneren des Wafers 1 auf. Daher wird in diesem Zustand die Wärmebehandlung durchgeführt, und kann das Auftreten von Kristalldefekten unterdrückt werden.
Wie beispielsweise aus Fig. 8A hervorgeht, werden dann, wenn der Nitridfilm 9 erzeugt wird, um bei dem Wafer 1 eine Verwerfung hervorzurufen, eine Zugspannung im Inneren des Wafers 1 erzeugt, jedoch ist kein Hochtemperaturzustand eingestellt. Daher treten im Inneren des Wafers 1 keine Kristalldefekte auf.
Als weiteres Beispiel für die vorliegende Ausführungsform kann die Dicke des Nitridfilms 9 in der Ebene geändert werden. Wenn wie voranstehend geschildert die Dicke des Nitridfilms 9 geändert wird, kann die Spannungsverteilung oder die Temperaturverteilung in der Ebene des Wafers 1 eingestellt werden. Es wird beispielsweise eine Niederdruck-CVD-Vorrichtung verwendet, die Temperatur auf 850°C eingestellt, der Druck auf 0,5 Torr eingestellt, es werden SiH₂Cl₂ und NH₃ als Ausgangsgase mit einer Flußrate von 100 sccm (Standardkubikzentimeter) beziehungsweise 1000 sccm zugeführt, es werden Wafer 1 jeweils mit einem Durchmesser von 200 mm in Abständen von 3 mm angeordnet, und es wird der Si-Nitridfilm 9 hergestellt. In diesem Fall ist die Dicke des Si-Nitridfilms am Umfangsabschnitt des Wafers 1 größer als die Dicke im Zentrumsabschnitt des Wafers 1, und zwar um etwa 30%. Auf diese Weise kann eine stärkere Korrektur von Spannungen am Zentrumsabschnitt des Wafers 1 als die Korrektur von Spannungen um Umfangsabschnitt erfolgen. Wenn die Dicke des Nitridfilms 9 in der Ebene entsprechend geändert wird, in Abhängigkeit von der Spannungsverteilung, die in der Ebene durch den Einfluß der Schwerkraft bei dem Wafer 1 hervorgerufen wird, werden die Spannungen im Inneren des Wafers 1 noch weiter verringert, und kann das Auftreten von Kristalldefekten infolge einer Wärmebehandlung noch weiter unterdrückt werden.
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform wird der Si-Nitridfilm 9 auf dem Wafer 1 hergestellt. Das plattenförmige Teil, welches auf dem Wafer 1 vorgesehen ist, ist nicht auf den Si-Nitridfilm bei dieser Ausführungsform beschränkt, sondern das plattenförmige Teil kann aus einem anderen Material bestehen, welches eine Zugspannung oder Druckspannung erzeugt. Wird in diesem Fall eine Druckspannung erzeugt, so verwirft sich die Oberfläche des Wafers 1, auf welchem das plattenförmige Teil 9 ausgebildet wird, so, daß sie konvex wird. Aus diesem Grund wird der Wafer 1 auf ein Schiffchen so aufgeladen, daß die Oberfläche nach oben zeigt, und dann lassen sich dieselben Auswirkungen erzielen wie dann, wenn eine Zugspannung erzeugt wird. Als Material, welches derartige Zugspannungen erzeugt, kann beispielsweise SiO₂, Polysilizium, SiC oder dergleichen verwendet werden. Hierbei sollte angemerkt werden, daß SiO₂ seine Eigenschaften in Abhängigkeit von dem Herstellungsverfahren für SiO₂ ändert. Da SiC bei hoher Temperatur stabile Eigenschaften zeigt, wird vorzugsweise SiC verwendet, insbesondere wenn eine Hochtemperaturwärmebehandlung durchgeführt wird.
Wie voranstehend geschildert weist die vorliegende Ausführungsform folgende charakteristischen Merkmale auf. Das plattenförmige Teil 9 wird auf einer Oberfläche des Wafers 1 ausgebildet, und Spannungen, die durch den Einfluß der Schwerkraft bei dem Wafer 1 hervorgerufen werden, werden durch Spannungen ausgeglichen, die von dem plattenförmigen Teil 9 erzeugt werden. Auf diese Weise werden im Inneren des Wafers 1 erzeugte Spannungen verringert, und kann daher das Auftreten von Kristalldefekten infolge einer Wärmebehandlung unterdrückt werden.
Wie voranstehend geschildert kann bei dem Verfahren und der Vorrichtung für eine Halbleiterwafer-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von Spannungen unterdrückt werden, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf einen Wafer auftreten. Wird daher bei einem derartigen Wafer eine Wärmebehandlung durchgeführt, so kann das Auftreten von Kristalldefekten in dem Wafer unterdrückt werden.
Fachleute auf diesem Gebiet werden schnell weitere Vorteile und Abänderungen erkennen. Daher ist die vorliegende Erfindung in ihrem Gesamtaspekt nicht auf die spezifischen Einzelheiten, beispielhaft genannten Vorrichtungen und dargestellten Beispiele beschränkt, die hier gezeigt und beschrieben wurden. Es lassen sich daher verschiedene Abänderungen vornehmen, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergeben und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen. Zwar wird beispielsweise bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen das Halterungsteil als plattenförmiges Teil von dem Schiffchen (der Aufspannvorrichtung) gehaltert, jedoch können diese Teile auch zu einem Teil vereinigt werden. In diesem Fall werden das Waschen und das Aufstellen für die Wärmebehandlung einfach.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Halbleiterwafer-Wärmebehandlung, welche aufweist:
ein Halterungsteil (8) zum Haltern eines Wafers (1) auf solche Weise, daß der Wafer (1) bei einer Wärmebehandlungstemperatur eben ausgebildet wird;
eine Aufspannvorrichtung zum Haltern des Halterungsteil (8); und
eine Heizvorrichtung zur Erhitzung des Wafers (1), der von dem Halterungsteil (8) gehalten wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) eine Vorrichtung aufweist, die dazu dient, Verformungen zu verhindern, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer (1) hervorgerufen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) eine Vorrichtung aufweist, die dazu dient, Spannungen zu unterdrücken, die im Inneren des Wafers (1) erzeugt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) den Wafer (1) an mehreren Abschnitten haltert, einschließlich dem zentralen Abschnitt des Wafers (1).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) durch ein elastisches, plattenförmiges Teil gebildet wird, welches nach oben konvex in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) einen Niveauunterschied in der Höhe zwischen seinem Umfangsabschnitt und seinem Zentrumsabschnitt aufweist, der entsprechend der Steifigkeit, der Dicke und dem Durchmesser des Halterungsteil (8) festgelegt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) aus einem Material besteht, welches eine höhere Steifigkeit aufweist als das Material des Wafers (1).
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Dicke des Halterungsteil (8) nicht gleichmäßig ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) einen Hohlraumabschnitt aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) einen ersten Abschnitt aufweist, der einen Außenumfangsabschnitt des Halterungsteils (8) bildet, sowie einen zweiten Abschnitt, der im Inneren des ersten Abschnitt angeordnet ist, und aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungsvermögen größer ist als jenes des ersten Abschnitts.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) und die Aufspannvorrichtung zu einem Teil vereinigt ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (8) auf einen Teil der Aufspannvorrichtung aufgeladen ist.
13. Verfahren zur Halbleiterwafer-Wärmebehandlung mit folgenden Schritten:
Ausbildung eines plattenförmigen Teils (9) auf einer Oberfläche eines Wafers (1) zur Erzeugung von Zugspannungen zwischen dem plattenförmigen Teil (9) und dem Wafer (1);
Haltern des plattenförmigen Teils (9) auf solche Weise, daß die Zugspannung nach unten in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft wirkt, und daß der Wafer (1) bei einer Wärmebehandlungstemperatur eben ausgebildet wird; und
Durchführung einer Wärmebehandlung für den Wafer (1).
14. Verfahren zur Halbleiterwafer-Wärmebehandlung mit folgenden Schritten:
Ausbildung eines plattenförmigen Teils (9) auf einer Oberfläche eines Wafers (1) zur Erzeugung von Druckspannungen zwischen dem plattenförmigen Teil (9) und dem Wafer (1);
Haltern des plattenförmigen Teils (9) auf solche Weise, daß die Druckspannung in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft nach oben wirkt, und der Wafer (1) bei einer Wärmebehandlungstemperatur eben ausgebildet wird; und
Durchführung einer Wärmebehandlung für den Wafer (1).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin der Schritt vorgesehen ist, die Dicke des plattenförmigen Teils (9) so einzustellen, daß die Spannungen, die in dem Wafer (1) durch Ausbildung des plattenförmigen Teils (9) hervorgerufen werden, gleich den Spannungen sind, die durch den Einfluß der Schwerkraft auf den Wafer (1) hervorgerufen werden.
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