JP2004523131A - 弧状ウェハ支持アームを備えたウェハ・ボート - Google Patents

Abstract

所定半径Ｒを有するシリコン・ウェハを支持する垂直型セラミック製ウェハ・ボート。該ウェハ・ボートは、基部と、一対の柱状ラックとを備える。上記柱状ラックは上記基部から概略的に垂直上方に延在する。各柱状ラックは、円弧状区画を有する少なくとも一本のアームを含む。各円弧状区画は、ウェハの０．７Ｒ境界領域に対する実質的な支持を提供すべく寸法設定され且つ１８０°未満の円弧に亙り延在する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願中に開示される材料の幾つかは、Ｒ． Ｂｕｃｋｌｅｙ等による”Ｙ形状の柱状ラックを備えた単一成形式の垂直型ウェハ・ボート（Ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｓｔ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｗａｆｅｒ Ｂｏａｔ Ｗｉｔｈ Ａ Ｙ Ｓｈａｐｅｄ Ｃｏｌｕｍｎ Ｒａｃｋ）”と称された次の米国特許出願（代理人処理番号６０９６−０２、米国特許出願第０９／９０４，１４３号）において開示かつ権利請求されているが、該米国特許出願は言及したことにより援用されると共に本出願と同時に出願される。
【０００２】
本発明は、半導体製造に関する。より詳細には本発明は、円弧に沿いウェハに接触して支持するウェハ支持アームを有するウェハ・ボートに関する。
【背景技術】
【０００３】
たとえばシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）もしくは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などの他の材料が使用され得るが、現在においてシリコン（Ｓｉ）は電子工業分野に対する最も重要な半導体である。超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路技術（すなわちチップ当たり約１００，０００個のデバイス）および超々大規模集積（ＵＬＳＩ）回路技術（すなわちチップ当たり１００，０００個を超え、場合により１０億個のデバイス）は、殆ど完全にシリコンに基づいている。
【０００４】
シリコン基板上で行われるＶＬＳＩおよびＵＬＳＩ回路の作製が結晶の非常に高度な完全性もしくは純度を要することは重要である。すなわち結晶質固体において該固体を構成する原子は、周期的に空間配置される。もし周期的配置が固体全体に亙り存在するならば、その物質は単一結晶で形成されると定義される。結晶における原子の周期的配置は、格子と称される。結晶の非常に高度な完全性のためには、シリコン基板の単一結晶シリコン格子の全体に亙り不純物および構造欠陥が最小限とされる必要がある。
【０００５】
概略的に、たとえば珪岩（けいがん）などの原料は、電子等級ポリシリコン（ＥＧＳ）へと精錬されて溶融される。次に、溶融ＥＧＳから単一結晶シリコン・インゴットを成長させるべくシリコン・シード結晶が用いられる。上記インゴットは次に、正確にスライスかつ研磨されることで、シリコン・ウェハとされる。このシリコン・ウェハは基板を提供し、該基板上には、複雑な順序のウェハ作製プロセスを経て最終的にＶＬＳＩおよびＵＬＳＩ回路が構築される。
【０００６】
シリコン材料技術においてシリコン・ウェハのサイズ増大は、最も明らかな傾向のひとつである。現在では、１５０ｍｍおよび２００ｍｍウェハ用途の殆どが最終的に３００ｍｍ直径のウェハに置き換わると予測される。また、それほど遠くない将来に４００ｍｍのウェハが導入されることも予測される。更に大径のウェハを使用し乍らも生産性を維持する上で、半導体の製造業者には幾つかの重要な問題が突きつけられる。たとえば更に大寸のウェハを取り扱い得る機器を備えた垂直炉などの設備が構築されねばならない。更に大きな面積に亙り更に小寸の特定形状サイズをプリントすべく、新たなパターン形成技術が開発されねばならない。また更に大寸のウェハは、反り（ｗａｒｐｉｎｇ）およびその他の構造的変形に対する耐性を高めるべく、更に厚寸ともされねばならない。しかも、更に大寸のウェハは更に高重量であり、自動ウェハ搬送システムを使用する必要がある。
【０００７】
シリコン・ウェハが更に大寸で更に高重量となるにつれ、格子に対する不純物および構造的欠陥を防止し、すなわち非常に高度な結晶完全性を維持するという課題は更に重要となる。３００ｍｍおよびそれより大寸のシリコン・ウェハにおいて特に問題となる斯かる構造的欠陥の２つが、格子構造における”背面損傷（ｂａｃｋ ｓｉｄｅ ｄａｍａｇｅ）”および”滑り（ｓｌｉｐ）”である。
【０００８】
背面損傷とは、ウェハがウェハ支持デバイスの表面と接触し乍ら移動したときにウェハの背面に生ずる擦過痕（ｓｃｒａｔｃｈ）である。
【０００９】
シリコン・ウェハにおける滑りは、該ウェハに付与された応力の関数である。この応力は、（たとえば摩擦的に誘起された）機械的および／または熱的なものであり得る。ウェハが応力を受けるにつれて結晶格子は弾性変形を受けるが、この弾性変形は上記応力が解除されて固体結晶がその元の位置に戻るにつれて消失する。但し過酷な応力は滑りに繋がり、この滑りは結晶格子における塑性的もしくは永続的な変形であって応力が解除された場合にも残存するという変形である。滑りはシリコンの弾性限界（もしくは降伏強度）を超えたときに生ずるものであり、格子は永続的に誤整列される。
【００１０】
滑りは一般的に加熱処理炉内でシリコン・ウェハの高温処理（加熱炉処理操作）を行う間に生じる、と言うのも、熱的応力は処理温度に比例するからである。ウェハの脆性挙動から延性挙動への遷移温度は概略的に、約７２０℃乃至１，０００℃の範囲内である。故に、熱的応力もしくは機械的応力のいずれにより誘起されても、滑りは７２０℃より高い処理温度にて特に問題となる。
【００１１】
ウェハ・ボートは、半導体ウェハ処理の間に加熱炉処理操作に委ねられるウェハ支持デバイスである。高温処理用の水平炉管内に挿入される水平なウェハ列を支持する上で典型的には、水平型ウェハ・ボートが設計される。また、垂直炉管内に挿入されるべく垂直に積層されたウェハを支持する上で典型的には、垂直型ウェハ・ボートが設計される。概略的に、たとえば３００ｍｍなどの大径のシリコン・ウェハに対しては垂直型ウェハ・ボートが更に一般的に用いられる。これは、垂直型加熱炉は水平型加熱炉よりも占有面積が少ないので貴重な製造領域を占める割合が少ないからである。これに加え、垂直型加熱炉は概略的に水平型加熱炉よりも良好な温度制御性を示す。
【００１２】
ウェハ・ボートは一般的に、セラミック材料から構成される。イオン結合もしくは共有結合により結合されたセラミック材料は典型的に、金属元素および非金属元素の両者を含む錯化合物で構成される。セラミクスは典型的に、硬質かつ脆性であると共に高融点を有し、導電性および熱伝導性が低く、化学的および熱的な安定性が良好であり且つ高い圧縮強度を有する材料である。セラミック材料の例としては、石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および再結晶ＳｉＣが挙げられる。斯かる再結晶ＳｉＣのひとつは、ＣＲＹＳＴＡＲ（登録商標）の商品名にてマサチューセッツ、ウースター（Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ）のＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＆ Ｐｌａｓｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．から入手可能である。この材料は、高純度シリコン金属により含浸された炭化ケイ素セラミックである。
【００１３】
図１を参照すると、典型的な先行技術の垂直型ウェハ・ボート１０は概略的に、略円形の水平基部１４から垂直上方に延在する３本もしくは４本の支持ロッド１２であって上記基部の周縁部に沿い径方向に離間された支持ロッド１２を含む。各ロッド１２は、一端のみにて支持された複数の片持ち式ウェハ支持アーム（もしくは歯部）１６であって基部１４の中心に向けて内方に延在することで当該各アーム間に一連のスロットを画成するウェハ支持アーム１６を有する。上記各スロットは、加熱炉処理操作の間において各アーム１６により支持されるシリコン・ウェハを受容すべく寸法設定される。
【００１４】
しかし更に大寸のウェハに対しては問題があり、先行技術のウェハ支持アーム１６はその支持の殆どをウェハの外周縁にて提供する。従って、ウェハの重量の殆どは支持されずにその中心に向けて配分される。故に高温の熱処理の間、ウェハの中心は垂れる（ｓａｇ）傾向となり、ウェハの結晶格子における滑りが促進される。
【００１５】
円形ウェハの幾何学形状の故に、実質的にウェハの重量の半分すなわち内側ウェハ重量はウェハの半径（Ｒ）の７０％の円形領域内に分布される。逆に、ウェハの重量の半分すなわち外側ウェハ重量は、０．７Ｒの内側半径と１．０Ｒの外側半径とを有する環状領域の全体に亙り分布される。結果として、たとえば０．６Ｒ乃至０．８Ｒというウェハの０．７Ｒの円形境界領域もしくはその近傍にてウェハを支持すると、内側および外側のウェハ重量は平衡化されると共に、高温熱処理の間における垂れの可能性は相当に減少する。
【００１６】
現在における先行技術のボート設計態様は深いスロットを必要とすることから、支持ロッド１２のアーム１６は０．７Ｒ点まで延在するに十分なほど長寸とされる。しかしこの幾何学形状を製造することは、必要とされる精密加工および本来的に低い歩留まり率の故に手間が掛かるものである。また片持ちアームの付加的長さの故に、ロッド本体に対して該アームが取付けられる単一支持点に対しては大きなモーメント力が加わり、破損もしくは破壊の可能性が不当に大きくなる。更に、上記各アームはウェハ上の３箇所もしくは４箇所の小寸離散領域においてのみ支持を提供することから、一層高重量のウェハに対しては背面損傷の可能性が大きくなる。
【００１７】
この問題を解決せんとするひとつの先行技術の試みは、夫々が０．７Ｒより小さな内側半径と０．７Ｒより大きな外側半径とを有する複数個の個別の円形セラミック・リングを配備することである。上記各リングが夫々スロット内に摺動挿入されてから、ウェハは各セラミック・リング上に着座する。
【００１８】
しかし各リングは製造する上で１，０００ドル乃至２，０００ドルの費用が掛かるのが典型的であることから、上記ボートは非常にコスト高となる。更に上記リングは本質的に、ウェハが着座する支持領域を囲繞する。この故に、各スロットからウェハを取り外すべく習用の移送機器がリングとウェハとの間に進入することが困難となる。しかも、上記の如く囲繞された設計態様は、ウェハの処理に対して重要であることの多いガスの自由な流れを阻害する。また上記リングは（各スロットに対して１個とすると）上記ボートに対して１００個までの付加的な個別の移動部分を加えるのが典型的であることから、粒子もしくは他の不純物を発生する可能性が非常に大きくなる。すなわち上記セラミック・リングは処理もしくは取り扱いの間において上記ウェハ支持アームを擦過し得ると共に摩擦的に微粒子を擦（こす）り落とし、ウェハの半導体回路が損傷される可能性がある。
【００１９】
故に、合理的なコストにて、ウェハの垂れを減少すべく増進された支持を提供すると共に大径のシリコン・ウェハにおける滑りを最小化する一方、材料の取り扱いに対して最大の開放度も提供し得る優れたウェハ・ボートに対する要望が在る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、所定半径Ｒのシリコン・ウェハを支持するウェハ・ボートを提供することにより、先行技術と比較しての利点および代替策を提供する。上記ウェハ・ボートは、実質的に０．７Ｒの円弧に沿いウェハを支持するウェハ支持アームであって１８０°未満の円弧に亙り延在するウェハ支持アームを有する。
【００２１】
本発明は、先行技術と比較して相当数の利点を提供する。各ウェハはその０．７境界領域の相当部分に沿い支持されることから、ウェハの中央部分の垂れは相当に減少される。これに加え、円弧状区画５０は完全円を囲繞しないので、ガス流および材料取扱い機器に対する相当の開放領域が残置される。
【００２２】
これらの及び他の利点は、所定半径Ｒを有するシリコン・ウェハを支持する垂直型セラミック製ウェハ・ボートを提供することで本発明の好適実施例において達成される。上記ウェハ・ボートは、基部および一対の柱状ラックを備える。上記柱状ラックは、上記基部から概略的に垂直上方に延伸する。各柱状ラックは、円弧状区画を有する少なくとも一本のアームを含む。各円弧状区画は、ウェハの０．７Ｒ境界領域に対して実質的な支持を提供すると共に１８０°未満の円弧に亙り延在すべく寸法設定される。
【００２３】
本発明の代替実施例において上記円弧状区画は、０．６Ｒ乃至０．８Ｒの半径を含むか又は９０°乃至１３５°の円弧に亙り延在し得る。
【００２４】
本発明の別実施例において上記ウェハ・ボートの上記基部および一対の柱状ラックはウェハを支持する単一モノリシック構造を形成する。
【００２５】
本発明の別の代替実施例においては１本の柱状ラックの各円弧状区画に対し、同一ウェハを支持する他の柱状ラック上の対向円弧状区画が在る。上記対向円弧状区画の夫々は、実質的にウェハの半分の重量を支持すべく配向される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図２乃至図５を参照すると、本発明に係る垂直型ウェハ・ボートは概略的に２０で示される。ウェハ・ボート２０全体すなわちウェハ・ボートの本体は、成形再結晶ＳｉＣから構成されると共に、対向する一対の支持用柱状ラック２２と、基部２４と、概略的に円形の頂部プレート２６とを含む。以下において更に詳細に説明される如くモノリシックな柱状ラック２２は、シリコン・ウェハの０．７Ｒ境界領域にて該シリコン・ウェハに対する弧状支持部を好適に提供する一方でウェハの取り扱いを容易とするために移送機器に対する開放領域を維持すべく寸法設定される。
【００２７】
基部２４は、概略的に円形状であると共に、所定直径を有する概略的に水平な平坦基部プレート２８を含む。基部２４はまた、基部プレート２８の下側表面から下方へと延在する垂直縁部３０も含む。平坦基部プレート２８の外周縁が該垂直縁部３０を越えて延在することで円形唇部３１を画成する如く、縁部３０は基部プレート２８と同心的であり且つ基部プレート２８より小寸の直径である。（図５に最適に見られる如く）膨脹用スロット３２は中心孔３４から外径方向に向けて切開される。この膨脹用スロット３２は、基部プレート２８の外周縁を貫通すると共に縁部３０を貫通して延在する。スロット３２は、たとえば加熱炉処理操作などの上記熱的操作の間において基部２４の熱的な膨張および収縮を許容する。垂直縁部３０はまた、加熱炉処理操作の間において（不図示の）垂直型加熱炉内に載置されたときにウェハ・ボート２０を正しく配向する位置決め用矩形ノッチ３６も含む。
【００２８】
支持用柱状ラック２２は、（図５に最適に見られる如く）概略的に円弧状の断面を有する長寸構造である。各柱状ラック２２の外側縁部３７は基部プレート２８の外周縁に対して面一に配向され、且つ、各柱状ラック２２は基部プレート２８上にてたとえば３００ｍｍの所定直径のシリコン・ウェハを受容すべく配向される。各柱状ラック２２は、それらの下側末端３８にて基部プレート２８の上側表面に溶接されると共に、其処から実質的に垂直上方に延在する。各柱状ラック２２の上側末端４０は、基部プレート２８に対して実質的に平行に延在する円形状平坦プレートである頂部プレート２６の下側表面に溶接される。
【００２９】
各柱状ラック２２、基部２４および頂部プレート２６は相互に溶接されて単一モノリシック構造を形成すると記述されるが、各構成要素を相互にボルト接合、圧力嵌めもしくは化学接合するなどの他の組立て技術も本発明の有効範囲内である。基部２４においては付加的な取付けスロットが形成可能であり、該スロットに対しては各柱状ラック２２が圧力嵌めされて相互に対して固定関係で保持され得る。
【００３０】
各柱状ラック２２は各外側縁部３７の近傍に夫々配置された一対の連続垂直部分４２を含み、該部分からは、基部プレート２８の中心に向けて複数本のセラミック・アーム４４が延在することで柱状ラックが画成される。セラミック・アーム４４は、該セラミック・アーム４４に対する二重支持部を提供する一対の繋止末端４６を含む。繋止末端４６からは、概略的に基部プレート２８の中央部分の方向において且つ概略的に基部プレート２８に対して平行に、一対の直線状アーム区画４８が延在する。一対の直線状アーム区画４８は、セラミック・アーム４４の（図５に見られる）円弧状区画５０に対して一体的に接続される。
【００３１】
円弧状区画５０は、所定半径Ｒを有するウェハの０．７Ｒ境界領域に対する実質的な支持を提供すべく設計される。柱状ラック２２の各円弧状区画５０に対しては、他の柱状ラック２２上の対向円弧状区画が在る。２つの対向円弧状区画５０は夫々、実質的にウェハの半分の重量を支持すべく配向される。この実施例における円弧状区画５０は典型的に、０．６Ｒ乃至０．８Ｒの半径を有する。上記円弧状区画はまた典型的に９０°乃至１３５°の円弧に亙り延在するが、以下に説明される如くガス流および材料取り扱いに対する開放領域を残置すべく、常に１８０°未満の円弧に亙り延在せねばならない。
【００３２】
アーム４４の設計態様は、先行技術との比較において相当数の利点を提供する。各ウェハはその０．７Ｒ境界領域の相当部分に沿い支持されることから、該ウェハの中央部分の垂れは相当に減少される。各アーム４４は相互に対向する２つの繋止末端４６にて支持されることから、高重量のウェハが更に容易に支持され得ると共にアーム４４が破壊される可能性は非常に低くなる。更に、円弧状区画５０は完全円を囲繞せず、すなわち、各円弧は１８０°未満で延在することから、ガス流および材料取扱い機器に対する実質的な開放領域が残置される。同様に、各柱状ラック２２は０．７Ｒ境界領域においてウェハを支持するモノリシック構造である。故に、リングなどの複数の個別移動部分を利用する先行技術の設計態様と対照的に、損傷を引き起こす粒子を発生する可能性は相当に低くなる。
【００３３】
図６および図７を参照すると、セラミック・アーム４４の異なる２つの実施例が示される。シリコン・ウェハと接触してその重量を支持するウェハ・ボート２０のセラミック・アーム４４の表面は典型的に、ウェハ接触表面と称される。図６においてウェハ接触表面は、セラミック・アーム４４の頂部平坦表面５２全体である。これにより、大きな表面積の全体に亙り最大の支持が提供される。図７においては、アーム４４の頂部上に隆起パッド５４が配設されると共に、パッド５４の頂面５６がウェハ接触表面である。この場合に擦過痕などの”背面損傷”の可能性は少なくなると共に、依然として０．７Ｒ境界領域における支持は維持される。
【００３４】
図８を参照すると、異なる幾何学的断面形状を有するウェハ・ボートを示す代替的な好適実施例は６０で示される。ウェハ・ボート６０は、基部６４から概略的に垂直に延在して対向する一対の柱状ラック６２を含む。柱状ラック６２は、複数本のセラミック・アーム６６を含む。各セラミック・アームは、円弧状区画６８と、一対の直線状支持アーム区画７２とを有する。各支持アーム区画７２はウェハ・ボート６０の背部に配置されるので、加熱炉用の自動機器はこれらの区画を利用することで処理の間においてウェハ位置決めに関するフィードバックを得ることができる。
【００３５】
これらの好適実施例は３００ｍｍ直径のウェハに対して寸法設定されたウェハ・ボートを論じているが、本発明に係るウェハ・ボートはたとえば１５０ｍｍ、２００ｍｍまたは４００ｍｍなどの他のウェハ直径に対して寸法設定され得る。更に上記ウェハ・ボートは、再結晶ＳｉＣ以外の石英、焼結ＳｉＣもしくはポリシリコンなどのセラミックからも構成され得る。
【００３６】
好適実施例が示されて記述されたが、本発明の精神および有効範囲から逸脱せずに種々の改変および置き換えが為され得る。故に、本発明は例示的にのみ記述されたものであり限定的でないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】先行技術の垂直型ウェハ・ボートの代表的実施例の斜視図である。
【図２】本発明に係る垂直型ウェハ・ボートの好適実施例の斜視図である。
【図３】図２のウェハ・ボートの前面図である。
【図４】図２のウェハ・ボートの左側面図である。
【図５】図４のウェハ・ボートの５−５線に沿った断面図である。
【図６】本発明に係る弧状支持アームの好適実施例の平面図である。
【図７】本発明に係るウェハ支持用隆起パッドを備えた弧状支持アームの好適実施例の平面図である。
【図８】本発明に係るウェハ・ボートの代替実施例の断面図である。

Claims (12)

1. 所定半径Ｒを有するシリコン・ウェハを支持する垂直型セラミック製ウェハ・ボートにおいて、
   基部と、
   上記基部から概略的に垂直上方に延在する一対の柱状ラックであって、円弧状区画を有する少なくとも一本のアームを各々が含む一対の柱状ラックとを備え、
   各円弧状区画は、ウェハの０．７Ｒ境界領域に対する実質的な支持を提供すべく寸法設定され且つ１８０°未満の円弧に亙り延在するウェハ・ボート。
2. 前記円弧状区画は０．６Ｒ乃至０．８Ｒの半径を含む、請求項１記載のウェハ・ボート。
3. 前記円弧状区画は９０°乃至１３５°の円弧に亙り延在する、請求項１記載のウェハ・ボート。
4. 前記基部および前記一対の柱状ラックはウェハを支持する単一モノリシック構造を形成する、請求項１記載のウェハ・ボート。
5. 前記アームの前記円弧状区画は、ウェハを支持するウェハ接触表面を画成する頂面を含む、請求項１記載のウェハ・ボート。
6. 前記アームの前記円弧状区画は、ウェハを支持するウェハ接触表面を画成する頂面を有する隆起パッドを含む、請求項１記載のウェハ・ボート。
7. 前記セラミックは、石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および再結晶ＳｉＣの内のひとつである、請求項１記載のウェハ・ボート。
8. 前記少なくとも一本のアームは複数本のアームから成る、請求項１記載のウェハ・ボート。
9. 前記一対の柱状ラックの内の一方の柱状ラックの各円弧状区画に対しては、同一ウェハを支持すべく上記一対の柱状ラックの他方の柱状ラック上の対向円弧状区画が在る、請求項１記載のウェハ・ボート。
10. 前記対向円弧状区画の各々は実質的にウェハの半分の重量を支持する、請求項９記載のウェハ・ボート。
11. 前記柱状ラックは、前記基部から上方に延在する実質的に垂直な一対の連続部分を備え、
    各アームは上記垂直部分の各々に取付けられた一対の繋止末端を含む、請求項１記載のウェハ・ボート。
12. 各アームは前記基部に対して概略的に平行に前記繋止末端から延在する実質的に直線状である一対のアーム区画を含み、該直線状アーム区画は前記円弧状区画に対して接続される、請求項１１記載のウェハ・ボート。