JP2007529909A - 半導体ウェーハキャリヤ用改良型レール - Google Patents

Abstract

複数の半導体ウェーハを保持する装置においてサポートとして使用するレールが提供される。レールは垂直列に配置された複数の歯を有し、１つの歯の頂面と次に高い隣接歯の底面間のスペースが半導体ウェーハを受け入れるためのスロットを形成するようにされている。ウェーハを支持する支持構造がスロットの底を形成する実質的に全ての歯の頂面上に配置されており、支持構造は側壁および頂面から間隔のとられた上面を有する。各支持構造上で、側壁と上面の各交点に半径が形成される。支持構造は各歯の長さの少なくともおよそ５０％に対して延びている。

Description

（技術の背景）
本発明は一般的に熱処理中に半導体ウェーハを保持する垂直キャリヤすなわちボートに関し、特に、およそ２００ｍｍ以上の公称直径を有する大型ウェーハを有効に支持するように設計されたキャリヤに関し、本発明は処理中の結晶転位を低減する特徴を含んでいる。

（関連技術の説明）
特にシリコンで作られた半導体ウェーハは、垂直方向に間隔を置いて保持装置すなわちキャリヤ内に水平に配置し、ウェーハ表面を炉内の高温ガスに曝して表面上に酸化膜を形成するか窒化物およびポリシリコン等の膜を堆積し、あるいはイオン注入後にウェーハをアニールすることにより従来処理することができる。熱処理に曝される表面積を最小限に抑えるためにウェーハは通常「ボート」、すなわち、キャリヤ内に保持され、それは典型的に長さに沿って均一な間隔とされた比較的短いスロットを有する平行な垂直サポート、すなわち、レールを含んでいる。１つのサポート内のスロットは通常他のサポート内のスロットと揃えられ、各サポート内の対応するスロットが一緒にウェーハを受け止められるようにされる。ウェーハをサポート上の適切なスロット内に配置することにより、ボートはウェーハの両側が熱処理に曝されるように互いに離された一山のウェーハを運ぶことができる。

従来の垂直ボートおよびキャリヤは２００ｍｍ以下の公称直径を有するウェーハを支持するように設計されてきている。このサイズのウェーハは通常およそ２０ｍｍよりも短い非常に短い距離だけウェーハの縁周りに内向きに延びる垂直レール上のスロットにより典型的に支持される。残念ながら、およそ２００ｍｍよりも大きい公称直径を有する大型ウェーハを支持するのにこのような設計が利用されると、ウェーハは自重により撓んでしまう。

炉内温度が上昇すると、この撓みすなわち変形により結晶転位、すなわち、「スリップ」および他の応力がウェーハ上に生じる。２００ｍｍの公称直径を有するウェーハに対して「スリップ」は典型的におよそ１２００℃で生じるが、３００ｍｍ以上の直径を有するウェーハに対しては１０００℃以下の温度で生じることがある。ウェーハ上の応力に起因する結晶転位によりウェーハ上に作ることがあるチップ数が減少する。製品歩留りのこの減少はウェーハサイズと共に増大するため、従来の垂直ボート内で大型ウェーハを処理することは一般的に回避されてきている。

ウェーハ上の曲げ応力を減少させるためにさまざまな技術が示唆されてきていいる。その１つの方法はボートすなわちキャリヤのレールすなわち垂直サポートを、ウェーハがロードされるキャリヤの最前部へ向けてより多く配置することである。しかしながら、妨げられないローディングパスを必要とするためこれは困難である。

米国特許第５，９３１，６６６号はスロットを形成する各歯の内縁に丸みをつけた下向きに傾斜する歯先を設けることを開示している。従来技術設計において各歯の上面端部におけるシャープエッジに沿って通常発生するウェーハ内の応力集中は丸みをつけた端部により低減される。

大型ウェーハ上の曲げ応力を減少するためもう１つの技術が米国特許第５，４９２，２２９号に開示されており、それは、ウェーハをそれらのエッジにおいてではなくそれらの中心に向かって支持するための歯の端部またはその近くに配置された小さなコンタクトパッドを有する比較的長い支持歯、すなわち、支持レール上の長いスリットまたはスロットにより形成された支持アームを教示している。この特許では、コンタクトパッドやサポート突起は各ウェーハの内部がパッドにより支持され、周辺部すなわちウェーハ半径の１０％までの距離だけウェーハのエッジから内向きに延びる部分はパッドやアームと接触しない。ウェーハをそれらの内部で支持することにより、この設計はその自重によるウェーハ上の応力を低減するだけでなく、垂直サポート内のスリットからウェーハへの直接伝熱により生じる熱応力も低減する。

前記した特許はウェーハ上の応力を減少させるために長い支持アームすなわち歯の使用を提案しているが、ウェーハサポートは支持アームの端部またはその近くに配置された小さなコンタクトパッドを頼りにするため決して均一ではなく、パッドは支持アームの長さの小部分しか占有せず各ウェーハの小面積としか接触しない。さらに、この特許に示された設計では歯の頂部から材料を除去して小さな支持パッドすなわち突起を形成することにより歯強度が低減する。

キャリヤレールに対する代替設計が米国特許第６，１７１，４００号および第６，３５７，６０４号に開示されており、それらは共に同じ出願に基づいており本開示の一部としてここに組み入れられている。添付図１は４つの垂直サポートすなわちレール１２，１４が搭載される底部すなわち底板１０を含む従来技術の半導体ウェーハキャリヤ１１を示している。レール１２，１４は底板１０および、図示せぬ、頂部すなわち天板間を上向きに延びている。キャリヤ１１の左側に配置された２本のレール１２は同一であり、キャリヤ１１の右側に配置されたレール１４のミラーイメージである。添付図２はレール１４の各側の詳細を示す斜視図を含んでいる。一般的に、底板１０および天板の設計はウェーハを処理する炉にキャリヤ１１を出入りさせるのに使用される装置のタイプと炉自体の設計によって決まる。

ウェーハ１６はウェーハキャリヤ１１内に挿入された後のその適切な位置に点線で図１に示されている。一般的に、キャリヤ１１の設計は保持され支持されるウェーハ１６のサイズによって決まる。典型的に、キャリヤ１１内に保持されるウェーハ１６の公称直径はおよそ２００ｍｍからおよそ４００ｍｍであり、所望により、他の直径のウェーハ１６も収納することができる。このサイズのウェーハ１６は通常およそ０．５からおよそ１．５ｍｍの厚さを有する。

図１および図２の両方について、各支持レール１２，１４は底板１０の上面１８上に搭載され、２本のレール１２，１４は横方向中心線２０および縦方向中心線２２の両側に配置される。各レール１２，１４は、それぞれ、複数の支持アームすなわち歯２４，２６を含み、それらはウェーハ１６が挿入されるスロット２８を画定する。スロット２８は１枚のウェーハ１６が各レール１２，１４内の対応するスロットにより一緒に受け入れられ、キャリヤ１１がウェーハ１６を積重ねて保持できるように揃えられる。

図１にはキャリヤ１１上の４本の支持レール１２，１４が示されているが、キャリヤ１１は２本のレール１２，１４しか持たないこともできる。キャリヤ１１の支持および製作コストの観点から、通常は３本または４本の支持レール１２，１４が好ましいが、所望により、より多くのレール１２，１４を使用することができる。

レール１２は底板１０の左側に取り付けられかつ配置され、レール１４は底板１０の右側に配置される。理想的には、ウェーハ１６の最も均一な支持に対して、レール１２，１４は底板１０上の円内で互いに等間隔、すなわち、９０°でなければならない。残念ながら、このような構成ではウェーハ１６をキャリヤ１１内に配置することができない。ウェーハ１６をキャリヤ１１の前面内にロードするのに十分なクリアランスとするために、底板１０の前面部上に配置された各レール１２，１４は底板１０周りの短い距離を測定した時に、通常、互いにおよそ１５０°およびおよそ１７５°間の間隔としなければならない。３本のレール１２，１４しか利用したくない場合には、図１に示すように２本のレール１２，１４はキャリヤ１１の前面に向かって配置され、１本のレール１２，１４はキャリヤ１１の背面に配置される。典型的に、前面のレール１２，１４は各ウェーハ１６の重量のおよそ５５％から９０％を支持する。

‘４００および‘６０４特許は各歯２４，２６の一面に沿ってそのフロントチップからそのバックエッジ３４へ向かって歯長の少なくとも７０％、通常は、少なくとも８０％に等しい距離だけ延びる支持構造すなわち突起３０を開示している。通常、突起３０はウェーハ１６の外縁から内向きにウェーハ１６の中心からウェーハ半径のおよそ２５％およびおよそ８０％間、好ましくは、およそ４５％および６０％間に等しい距離に位置する点までウェーハ１６に対する支持を行うように設計される。突起３０はウェーハ１６をそのエッジから内向きに支持するのが好ましいが、実際の支持はウェーハ１６のエッジからその半径の９％、より好ましくは、ウェーハ１６のエッジからその半径の５％未満から開始することができる。

通常、突起３０はそのエッジから内向きにウェーハ１６の連続的支持を行うように設計されるが、ウェーハ１６の最大量の表面積を熱処理工程に曝しかつ熱伝導率によるウェーハ１６底部への熱伝達、非均一膨張を生じる熱伝達およびウェーハ１６上の応力を低減するために、ウェーハ１６の下側との接触面積はできるだけ小さくするのが好ましい。もちろん、突起３０の頂部の表面積は歯２４，２６のサイズによって決まり、それは支持されるウェーハ１６のサイズによって決まる。典型的に、およそ２００ｍｍおよび４００ｍｍ間の公称直径を有するウェーハ１６に対して、突起３０の頂部の表面積はおよそ２０および２００ｍｍ^２間、好ましくは、およそ３０および１２０ｍｍ^２間の範囲である。

通常、突起３０の高さは炉内のガスが歯２４，２６の頂面と各ウェーハ１６の下側間のエリアに接近できるようにするのに十分である。典型的に、高さはおよそ０．２５およびおよそ２．５ｍｍ間、好ましくは、０．５および１．２５ｍｍ間の範囲である。突起３０の頂部と次に高い隣接歯２４，２６の底面間の距離は通常およそ０．７５およびおよそ４．０ｍｍ間、好ましくは、１．５および３．０ｍｍ間の範囲である。

突起３０がウェーハ１６のエッジに近い点で始まり内向きに続く各ウェーハ１６に対する支持を行うと、ウェーハ１６の重量による応力はウェーハ１６の内部でしか支持されない場合に較べて実質的に低減されることが判っている。さらに、一体型で各歯２４，２６の長さの少なくとも５０％を占有する突起３０を利用すると個別の各歯２４，２６の強度が増す。

前記した方法によりウェーハ処理中のスリップは低減されるが、ウェーハキャリヤに対する改善されたレール設計が必要とされている。改善された設計により各歯の頂面よりも上にウェーハを支持する突起が提供され、各突起は応力集中を低減してさらにスリップを制限するための丸みをつけたエッジを有する。

（発明の概要）
複数の半導体ウェーハを保持する装置内でサポートとして使用するレールが提供される。このレールは垂直列に配置された複数の歯を有し、１つの歯の頂面と次に高い隣接歯の底面間のスペースが半導体ウェーハの一部を受け入れるスロットを形成するようにされている。ウェーハを支持する支持構造がスロットの底部を形成する実質的に全ての歯の頂面上に配置され、支持構造は側壁および頂面から間隔のとられた上面を有する。各支持構造上で、側壁と上面の各交点に半径が形成される。支持構造は各歯の長さの少なくともおよそ５０％に対して延びている。

本発明の特性と信じられる新しい特徴が添付した特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自体および好ましい使用モード、そのさらなる目的および利点は添付図と共に実施例の下記の詳細な説明を読めば最もよく理解できる。図３は本発明のウェーハキャリヤの斜視図であり、図４は図３のレールの一実施例の斜視図である。レール３６は前記したレール１２の直接置換品であり、レール３６のミラーイメージを有するレール３８はレール１４の直接置換品である。

図３はウェーハキャリヤ４０を示し、それは底板１０および４本の垂直レール３６，３８を含んでいる。レール３６，３８は底板１０および天板（図示せず）間を上方に延びている。キャリヤ４０の左側に配置された２本のレール３６は同一であり、キャリヤ４０の右側に配置されたレール３８のミラーイメージである。図４はレール３６の詳細を示す。

図３および４について、各レール３６，３８は板状構造とされ、狭い幅および延長された高さを有する。複数の支持アームすなわち歯４２がウェーハ１６を挿入するスロット４４を画定する。レール３６，３８がキャリヤ４４上に設置されると、スロット４４は１枚のウェーハ１６を各レール３６，３８内の対応するスロット４４で一緒に受け入れて、キャリヤ４０はウェーハ１６をスタック内に保持できるように揃えられる。垂直サポート４８は一番下の歯４２から垂れ下がっており、垂直サポート４８および垂直部４６の下端は底板１０の上面１８に隣接している。

各歯４２は垂直部４６から横方向外向きに延びており、好ましくは、歯４２は互いに平行で等間隔とされている。矩形垂直断面を有するように図示されてはいるが、各歯４２は異なる形状、たとえば、楔状または半円状の垂直断面を有することができる。同様に、レール３６，３８は板状部材として図示されてはいるが、レール３６は他の形状を有することができる。たとえば、それらはＵ字形またはＣ字形を有することができる。レール３６，３８の垂直高さはウェーハ１６が処理される炉の高さによって決まる。典型的には、レール３６，３８の長さはおよそ０．５および１．５ｍ間で変動するが、通常はおよそ０．６および１．０ｍ間の長さである。

各レール３６，３８内のスロット４４数はキャリヤ４０により保持されるウェーハ１６の数によって決まる。それは熱処理に使用される炉のサイズおよびウェーハ１６の頂面および底面の両方を適切に熱処理に曝すのに望ましいウェーハ１６間の分離によって決まる。通常、各レール３６，３８はおよそ５０およびおよそ２４０間のスロットを含んでいる。典型的なサイズの炉に対して、スロット４４の数はおよそ８０およびおよそ１６０の間である。

支持構造５０は各歯４２の一面に沿ってそのフロントチップ５２からそのバックエッジ５４へ向かって各歯４２の長さの好ましくは少なくとも７０％、通常は少なくとも８０％、に等しい距離だけ延びている。図３および図４に示すように、支持構造５０は狭幅のニアバックエッジ５４および比較的広幅のニアフロントチップ５２を有する。

支持構造５０は通常ウェーハ１６の外縁から内向きにその中心からウェーハ１６の半径のおよそ２５％およびおよそ８０％間、好ましくは、およそ４５％および６０％間に等しい距離にある点までウェーハ１６に対する支持を行うように設計されている。支持構造５０はウェーハ１６をその外縁から内向きに支持することが好ましいが、実際の支持はウェーハ１６の外縁の内向きに始まるかもしれない。

前記した理由から、ウェーハ１６の下側との接触面積はできるだけ小さいことが望ましい。ウェーハ１６は上面５６上に静止し、それは各歯の頂面５８から間隔がとられている。側壁６０，６２，６４が上面５６および頂面５８間を延びて、実質的に三角形または楔状の支持構造５０を形成する。熱処理中のウェーハ１６上の応力集中を低減するために、側壁６０，６２，６４は丸められ、各側壁６０，６２，６４の上面５６との交点に半径が形成される。好ましくは、半径は１ｍｍから２．５ｍｍであるが、他の値を使用することもできる。支持構造５０の頂部の実際の表面積は各歯４２のサイズによって決まり、それは支持されるウェーハ１６のサイズによって決まる。隆起支持構造５０と上面５６および側壁６０，６２，６４の交点に沿った半径との組合せにより、いずれかの技術しか使用しない場合に達成される低減を超えて有効にスリップが低減される。

支持構造５０の高さは通常炉内のガスが歯４２の頂面５８と各ウェーハ１６の下側との間のエリアへ到達できるようにするのに十分である。典型的には、高さはおよそ０．２５ｍｍおよびおよそ２．５ｍｍ間、好ましくは、０．５ｍｍおよび１．２５ｍｍ間の範囲である。支持構造５０の上面５６と次に高い隣接歯４２の底面間の距離は通常およそ０．７５ｍｍおよびおよそ４．０ｍｍ間、好ましくは、およそ１．５ｍｍおよび３．０ｍｍ間の範囲である。

レール３６，３８の歯４２は、それぞれ、レール３６，３８内にスロット４４が切り込まれる時に形成され、引例‘４００および‘６０４に詳説されているのと同様な工程である。歯の形状は典型的にレールが作られる板状部材の形状によって決まる。歯４２は図３および４に示すようにまっすぐであるが、フロントチップ５２からバックエッジ５４へ向かって外向きに先細の楔状とすることができる。歯２は円弧のように湾曲することもできる。一般的に、歯はまっすぐであれば、その長さはウェーハ１６の半径のおよそ２０％からおよそ８０％間、好ましくは、４０％および６０％間の範囲である。通常、歯はおよそ２０から１５０ミリメートル、好ましくは、５０から１００ミリメートル間の長さである。

本発明によりいくつかの利点が実現される。本発明のレールは隆起支持構造を提供し、応力およびスリップを増加させることがある加熱中の半導体ウェーハの非均一膨張を制限する。さらに、長い歯の使用によりウェーハ半径の大きい部分に対する支持がなされ、さらにスリップを制限する。また、支持構造の上面において丸みをつけたエッジに使用してこのエリア内への応力集中を低減し、さらにスリップを制限する。

本発明をそのいくつかの形についてのみ示し説明してきたが、当業者ならば本発明はそのように限定はされず、発明の範囲内でさまざまな変更を行うことができることをお判りであろう。

４本のレールを有する従来技術のウェーハキャリヤの低部の斜視図である。 図１の２本の従来技術のレールの斜視図である。 本発明に従って構成された４本のレールを有するウェーハキャリヤの低部の斜視図である。 図３の２本のレールの斜視図である。

Claims (22)

1. 複数の半導体ウェーハを保持する装置においてサポートとして使用するレールであって、前記レールは、
   各々が頂面、底面、および長さを有する複数の歯であって、歯は１つの歯の頂面と次に高い隣接歯の底面間のスペースが半導体ウェーハの一部を受け入れるためのスロットを形成するようにされている複数の歯と、
   前記ウェーハと接触してそれを支持しスロットの底を形成する実質的に全ての歯の頂面上に配置される隆起支持構造であって、その間の上面と交差してそれを画定する対向する側壁を有し、上面は頂面から間隔がとられており、各隆起支持構造は対応する歯の長さの少なくともおよそ５０％に対して延びている隆起支持構造と、を含み、
   各隆起支持構造上で、少なくとも選択された側壁および上面の各交点に半径が形成されるレール。
2. 請求項１に記載のレールであって、各隆起支持構造上で、各側壁および上面の各交点に半径が形成されるレール。
3. 請求項１に記載のレールであって、各歯の長さは２５ｍｍよりも大きいレール。
4. 請求項１に記載のレールであって、各歯の長さはおよそ３０およびおよそ１００ｍｍ間であるレール。
5. 請求項１に記載のレールであって、半径は少なくとも１ｍｍであるレール。
6. 請求項１に記載のレールであって、半径は少なくとも１ｍｍで２．５ｍｍよりも大きくはないレール。
7. 請求項１に記載のレールであって、隆起支持構造は各歯の長さの少なくともおよそ７０％延びているレール。
8. 請求項１に記載のレールであって、各隆起支持構造は１つの歯の一面に沿って延びる楔状隆起であるレール。
9. 請求項１に記載のレールであって、各隆起支持構造は１つの歯のフロントチップから歯の先端から歯の長さの少なくとも８０％の歯の上の点まで連続的に延びているレール。
10. 請求項１に記載のレールであって、レールは炭化ケイ素により構成されるレール。
11. 請求項１に記載のレールであって、レールはモノリシック構造として形成されるレール。
12. 複数の半導体ウェーハを支持するためのウェーハキャリヤであって、前記キャリヤは、
    少なくとも１つの一般的に平面状の板と、
    少なくとも２つの支持レールであって、各々が垂直軸を有し、その垂直軸を一般的に板に垂直にして搭載される少なくとも２つの支持レールと、を含み、
    各支持レールは垂直に積重ねられた複数の歯を有し、歯は互いに平行にかつ一般的に板面に平行に延びており、各歯はその上に隆起支持構造を有し、支持構造は歯の頂面上に間隔のとられた上面および上面を頂面につなぐ側壁を含み、少なくとも選択された側壁と上面の交点に半径が形成されるウェーハキャリヤ。
13. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、半径は各側壁と上面の各交点に形成されるウェーハキャリヤ。
14. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各歯の長さは２５ｍｍよりも大きいウェーハキャリヤ。
15. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各歯の長さはおよそ３０およびおよそ１００ｍｍ間であるウェーハキャリヤ。
16. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、半径は少なくとも１ｍｍであるウェーハキャリヤ。
17. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、半径は少なくとも１ｍｍで２．５ｍｍよりも大きくないウェーハキャリヤ。
18. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各支持構造は各歯の長さの少なくともおよそ７０％延びているウェーハキャリヤ。
19. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各支持構造は１つの歯の一面に沿って延びる楔状隆起であるウェーハキャリヤ。
20. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各支持構造は１つの歯のフロントチップから歯の先端から歯の長さの少なくとも８０％の歯の上の点まで連続的に延びているウェーハキャリヤ。
21. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各支持レールは炭化ケイ素により構成されるウェーハキャリヤ。
22. 請求項１２に記載のウェーハキャリヤであって、各支持レールはモノリシック構造として形成されるウェーハキャリヤ。

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