JP2010123637A - ウェーハ熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張時の摩擦を転がり摩擦とし、ウェーハのサセプタへの傾斜載置を原因としたスリップの発生を防止可能なウェーハ熱処理装置を提供する。
【解決手段】各回転支持体上に半導体ウェーハを載置し、この状態でウェーハの表裏面が水平となるように、各高さ調整手段により各回転支持体の高さを個別に調整する。これにより、ウェーハ熱膨張時、ウェーハとサセプタとの間の摩擦を転がり摩擦に変更できる。しかも、熱処理時のウェーハ表裏面が常時水平状態となるので、ウェーハのサセプタへの傾斜載置を原因としたスリップの発生を防げるとともに、回転支持体での不安定なウェーハ支持であっても、熱処理時のウェーハ姿勢の安定性が高まる。
【選択図】図１

Description

この発明はウェーハ熱処理装置、詳しくはサセプタを使用し、半導体ウェーハを炉内で水平に支持して熱処理するウェーハ熱処理装置に関する。

シリコンウェーハを急熱した後に急冷する熱処理装置として、ハロゲンランプを熱源としたＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置が知られている。ＲＴＡ装置の炉内には、熱処理中のシリコンウェーハの姿勢を水平に維持するサセプタが配置されている。シリコンウェーハは、サセプタの上面の中央部に形成された平面視して円環形状のウェーハ収納部（ザグリ）に納められる。
シリコンウェーハは、その外周部がウェーハ収納部の内周部に滑り接触（面接触）の状態で載置される。そのため、熱処理時、シリコンウェーハがウェーハ半径方向へ熱膨張する過程で、ウェーハ外周部とサセプタの内周部との間に摩擦が生じる。この摩擦力はシリコンウェーハの熱膨張を妨げる方向に作用し、ウェーハ外周部のサセプタとの接触部分に、スリップ（転位列の欠陥）が発生し易かった。

そこで、これを解消する従来技術として、ウェーハボートに適用された特許文献１が知られている。特許文献１では、鉛直方向に立設された４本の支柱に所定ピッチで形成された溝に円板状のサセプタを挿入し、サセプタの上面にシリコンウェーハを載置するものである。サセプタの上面には、その周方向へ１２０°毎に球面の凹部が形成されている。各凹部には球形状の受け部材が収納され、各受け部材にシリコンウェーハが水平に載置される。その結果、シリコンウェーハが熱膨張する際のウェーハと溝との間の摩擦が、滑り摩擦ではなく転がり摩擦となる。これにより、熱膨張時にシリコンウェーハが受ける力が緩和され、スリップの発生を防止することができる。

特開平９−１２９５６７号公報

しかしながら、特許文献１では、このようにシリコンウェーハが熱膨張する際のウェーハと溝との間の滑り摩擦を、受け部材などにより転がり摩擦とするだけの構成であった。したがって、各受け部材上にシリコンウェーハが傾斜状態で載置された場合には、ウェーハの外周部の各受け部材と接触する部分のうち、下側に配置されたものほど垂直抗力が高まっていた。そのため、シリコンウェーハと溝との間の摩擦を転がり摩擦に変更したにも拘わらず、ウェーハ外周部の一部にスリップが発生していた。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、ウェーハと溝との間の摩擦を転がり摩擦とするだけでなく、ウェーハの表裏面が水平となるように各回転支持体の高さを個別に調整可能な構成とすれば、表裏面を常時水平にしてウェーハを熱処理可能で、上述の問題は発生しないことを知見し、この発明を完成させた。
この発明は、ウェーハ熱膨張時の摩擦を転がり摩擦とし、かつ半導体ウェーハのサセプタへの傾斜載置を原因としたスリップの発生を防止することができるウェーハ熱処理装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハを円板状または環状のサセプタにより支持して熱処理するウェーハ熱処理装置において、前記サセプタの上面に該サセプタの周方向に離間して配設され、前記半導体ウェーハの裏面の一部と転がり接触する複数の回転支持体と、前記サセプタの周方向に離間して配設され、該サセプタを介して、前記半導体ウェーハの表裏面が水平となるように前記各回転支持体の高さを個別に調整する複数の高さ調整手段とを備えたウェーハ熱処理装置である。

請求項１に記載の発明によれば、各回転支持体上に半導体ウェーハを載置し、この状態で、半導体ウェーハの表裏面が水平となるように、各高さ調整手段によりサセプタを介して各回転支持体の高さを個別に調整する。これにより、ウェーハ熱膨張時、ウェーハとサセプタとの間の摩擦を滑り摩擦ではなく転がり摩擦とすることができる。しかも、熱処理時の半導体ウェーハの表裏面が常時水平状態となるので、半導体ウェーハのサセプタへの傾斜載置を原因としたスリップの発生を防止することができる。

すなわち、各回転支持体上に半導体ウェーハが傾斜状態で載置された場合には、ウェーハの外周部の各回転支持体と接触する部分のうち、下側に配置されたものほど垂直抗力が高まる現象が生じる。これにより、半導体ウェーハと回転支持体との間の摩擦を転がり摩擦に変更したにも拘わらず、ウェーハ外周部の一部にスリップが発生するおそれがあった。しかしながら、ここではそのおそれが解消される。しかも、このような回転支持体による不安定なウェーハ支持であっても、熱処理時のウェーハ姿勢の安定性を高めることができる。

ウェーハ熱処理装置としては、ＲＴＡ（急速加熱）装置、ＲＴＯ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ；急速熱酸化）装置などの各種のアニール装置を採用することができる。その他、エピタキシャル成長装置、ＣＶＤ装置などでもよい。ただし、炉内で半導体ウェーハがサセプタに水平配置される横置式のものに限定される。
半導体ウェーハとしては、例えば単結晶シリコンウェーハ、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハなどを採用することができる。
サセプタとしては、例えば表裏面が平坦かつ互いに平行な平板を採用しても、平面視して円環状のものでもよい。また、サセプタは平坦な上面に半導体ウェーハが載置されるものでも、サセプタの上面に形成されたザグリ（凹部）に半導体ウェーハが収納されるものでもよい。
サセプタの素材としては、例えばＳｉＣ、シリコン、石英などを採用することができる。
サセプタに載置される半導体ウェーハの数は１枚（枚葉式）でも２枚以上（バッチ式）でもよい。

回転支持体としては、例えば円筒状または円柱状のコロ、球体を採用することができる。その他、球体を連結した形状でもよい。
回転支持体の素材としては、例えばＳｉＣ、シリコン、石英などを採用することができる。
回転支持体の使用個数は２つ以上、好ましくは半導体ウェーハの載置時の安定性を高めるため、３つ以上が好ましい。回転支持体が３つの場合、サセプタの周方向へ１２０°毎に回転支持体を配置することができる。また、回転支持体が４つの場合、サセプタの周方向へ９０°毎に回転支持体を配置することができる。各回転支持体がサセプタから落下しないように、サセプタの上面には、サセプタの周方向に離間して回転支持体の収納凹部を形成した方が好ましい。

「サセプタを介して、半導体ウェーハの表裏面が水平」とは、複数の高さ調整手段によりサセプタを部分的に上下動させ、サセプタの表面（裏面）の、水平面を基準とした傾斜角度を調整する。これにより、各回転支持体の高さを変動させ、半導体ウェーハの表裏面を水平状態にすることをいう。
「回転支持体の高さ」とは、回転支持体のうち、半導体ウェーハと接触する部分（上端）の高さである。
高さ調整手段としては、例えば上方へロッドを出し入れさせる各種のアクチュエータ、調整ねじなどを採用することができる。高さ調整手段の使用数は、回転支持体の個数に応じて変動する。
各高さ調整手段による高さ調整は、例えば、センサを移動しながら測定光を半導体ウェーハの表面に照射することで、その連続的な高さの変位を測定する非接触式の変位センサにより測定することで行われる。

請求項２に記載の発明は、前記回転支持体はコロまたは球体で、前記サセプタの上面には、前記コロまたは前記球体の収納凹部が前記サセプタの周方向に離間して複数形成された請求項１に記載のウェーハ熱処理装置である。

回転支持体としてコロを採用した場合には、ウェーハとの接触面積が広いので垂直抗力を低減できる。また、球体を採用した場合には、転がり易いので滑り摩擦を安定して転がり摩擦へ変換できる。
収納凹部の形成数は、回転支持体の使用数により適宜変更される。収納凹部は、サセプタの周方向に所定ピッチで形成した方が、半導体ウェーハの支持の安定性が高まる。

請求項３に記載の発明は、前記各高さ調整手段が、ロッドを昇降させることで前記サセプタの傾斜角度を調整するアクチュエータである請求項１または請求項２に記載のウェーハ熱処理装置である。

請求項３に記載の発明によれば、各アクチュエータのロッドを個別に昇降させ、半導体ウェーハの表裏面が水平となるようにサセプタの傾斜角度を調整する。

アクチュエータとしては、電動シリンダ、エアシリンダなどを採用することができる。

この発明によれば、各回転支持体の上に半導体ウェーハを載置して、各高さ調整手段により各回転支持体の高さを個別に調整することで、サセプタを介して、半導体ウェーハの表裏面を水平化する。これにより、ウェーハ熱膨張時、ウェーハとサセプタとの間の摩擦が転がり摩擦となり、半導体ウェーハのサセプタへの傾斜載置を原因としたスリップの発生を防止できる。しかも、この熱処理中、各高さ調整手段によりウェーハ表裏面は常に水平状態となるので、回転支持体による不安定なウェーハ支持であっても、熱処理時のウェーハ姿勢の安定性を高めることができる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１および図２において、１０はこの発明の実施例１に係るＲＴＡ装置（ウェーハ熱処理装置）で、このＲＴＡ装置１０は、アニール炉１１内に挿入された１枚のシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）１２を、平面視して円環状のサセプタ１３により水平状態で支持し、この状態のまま、高エネルギ光の照射によりシリコンウェーハ１２を急熱する枚葉式の熱処理装置である。
アニール炉１１の上方には、熱源であるハロゲンランプ１５が多数配設されている。また、アニール炉１１の一側部には、雰囲気ガス（アルゴンガス）を炉内に供給するガス供給口が配設されている。一方、アニール炉１１の他側部には、アルゴン雰囲気ガスの排気口が形成されている。
アニール炉１１の下部内には、水冷式の基台１６が収納されている。基台１６の上方に、シリコンウェーハ１２が載置されたサセプタ１３が昇降可能に設けられる。

次に、図１〜図２を参照して、サセプタ１３を詳細に説明する。
図１および図２に示すように、サセプタ１３は炭化珪素（ＳｉＣ）製の平面視して内径と外径とが常時一定の環状板である。サセプタ１３の表面の中央部には、表裏面を水平にした横置き状態でシリコンウェーハ１２が収納されるウェーハ収納部（ザグリ）１７が形成されている。ウェーハ収納部１７は、平面視して円形の底板１８と、底板１８の外周に配置される周壁１９とから区画されている。底板１８の上面には、周方向へ１２０°毎に、半球状の収納凹部２０が合計３つ形成されている。各収納凹部２０には、シリコンウェーハ１２の外周部の裏面が当接される球体（回転支持体）２１が収納されている。

球体２１の素材はＳｉＣである。また、球体２１の直径は収納凹部２０の上面の曲率半径より小さい。球体２１は、軸線方向が平面視してサセプタ１３の直径方向に直交するコロ形状の回転支持体でもよい。コロ形状の回転支持体の場合には、収納凹部２０の形状もコロがサセプタ１３の半径方向へ転がれる形状でなければならない。サセプタ１３の外周縁は、下方へ９０°湾曲して折り返されている。このように構成されたサセプタ１３は、３本の縦型の電動シリンダ（高さ調整手段、アクチュエータ）２２により、シリコンウェーハ１２の表裏面が水平となるように高さ調整される。

図２に示すように、各電動シリンダ２２は、上方へ出し入れされる長尺なロッド２２ａを有している。３本の電動シリンダ２２は、アニール炉１１の外周下部に炉周方向へ１２０°毎に配設されている。各ロッド２２ａの先端部は、サセプタ１３の外周縁付近の裏面のうち、各収納凹部２０の近傍に当接されている。任意の電動シリンダ２２のロッド２２ａを出し入れさせることで、サセプタ１３と球体２１とを介して、水平面を基準としたシリコンウェーハ１２の表裏面の傾斜角度が変更される。

次に、実施例１に係るＲＴＡ装置１０によるシリコンウェーハ１２の熱処理方法を説明する。
図１および図２に示すように、ウェーハ熱処理時には、まずシリコンウェーハ１２をアニール炉１１に挿入し、ウェーハ外周部を、サセプタ１３の３つの球体２１の上に載置する。
次に、この状態のまま、シリコンウェーハ１２の表裏面が水平となるように、各電動シリンダ２２のロッド２２ａの高さを個別に調整する。具体的には、図３に示すように、シリコンウェーハ１２の表裏面が角度θだけ傾斜していた場合、図３中の右側の電動シリンダ２２のロッド２２ａを、シリコンウェーハ１２の表裏面が水平状態になるまで引き込ませる（図４）。シリコンウェーハ１２の水平度（傾斜角度）の検査は、アニール炉１１の上方に水平移動可能に設けられたレーザ光照射式の変位センサ２３をシリコンウェーハ１２の上方で水平移動させて測定することで行われる。

その後、この状態を保持し、炉内圧力１００±２０ＫＰａ、炉内に所定量のアルゴンガスを流しながら、多数のハロゲンランプ１５を熱源として、シリコンウェーハ１２を１０００℃〜１４００℃で熱処理する。
このとき、シリコンウェーハ１２は、ランプ光による高温加熱により直径方向へ熱膨張する。ウェーハ外周部の裏面と接触している各球体２１は、シリコンウェーハ１２の熱膨張により回転モーメントが与えられ、サセプタ１３（またはウェーハ１２）の直径方向に直交する仮想中心線を中心として収納凹部２０内で回転（転動）する。このとき、球体２１はシリコンウェーハ１２の裏面に対して、転がり接触している。そのため、球体２１から受ける力は極めて小さく、シリコンウェーハ１２の接触部分の自由度は大きい。その結果、シリコンウェーハ１２の熱膨張はほとんど妨げられず、熱膨張を原因としたシリコンウェーハ１２の変形によるスリップの発生を防止することができる。

また、球体２１はＳｉＣ製である。そのため、高温加熱による球体２１の変形は小さく、シリコンウェーハ１２の熱膨張によって容易に回転する。これにより、シリコンウェーハ１２の熱膨張は、拘束されることなく円滑に行なわれる。しかも、ＳｉＣは熱容量が小さく、球体２１からシリコンウェーハ１２に与える熱的影響が極めて小さい。その結果、シリコンウェーハ１２の熱分布も小さくなり、スリップ発生の抑止効果をさらに高めることができる。

しかも、熱処理時のシリコンウェーハ１２の表裏面は、電動シリンダ２２により常時水平状態が保持されている。そのため、シリコンウェーハ１２のサセプタ１３への傾斜載置を原因としたスリップの発生を防止することができる。すなわち、各球体２１上にシリコンウェーハ１２が傾斜状態で載置された場合、ウェーハの外周部の各球体２１と接触する部分のうち、下側に配置されたものほど垂直抗力が高まる現象が生じる。これにより、従来のようにシリコンウェーハ１２と収納凹部２０との間の摩擦を、転がり摩擦に変換したにも拘わらず、ウェーハ外周部の一部にスリップが発生するという事態が解消される。しかも、各電動シリンダ２２により、ウェーハ表裏面が水平状態となるので、３個の球体２１による不安定なウェーハ支持であっても、熱処理時のウェーハ姿勢の安定性を高めることができる。

次に、図５を参照して、この発明の実施例２に係るウェーハ熱処理装置を説明する。
図５に示すように、実施例２のＲＴＡ装置（ウェーハ熱処理装置）１０Ａは、アニール炉１１内に挿入された１枚のシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）１２を、円板状のサセプタ１３Ａにより水平状態で支持している。サセプタ１３Ａの中央部の上面には、周方向へ１２０°毎に半球状の収納凹部２０が合計３つ形成され、これらにシリコンウェーハ１２の中心部の裏面が当接される球体（回転支持体）２１が収納されている。すなわち、実施例１のウェーハ外周部を支持する３つの球体２１に加えて、合計６つの球体２１の上にシリコンウェーハ１２が載置される。

大口径のシリコンウェーハ１２では、熱処理時にシリコンウェーハ１２の撓みが大きくなるが、このような構造のサセプタ１３Ａを使用すれば、大口径のシリコンウェーハ１２であっても熱処理時のウェーハ姿勢の安定性を高めることができる。
その他の構成、作用および効果は、実施例１と同じであるので、説明を省略する。

この発明の実施例１に係るウェーハ熱処理装置の要部平面図である。 この発明の実施例１に係るウェーハ熱処理装置の要部縦断面図である。 図１のＳ−Ｓ断面におけるウェーハ熱処理装置の高さ調整前の状態を示す要部縦断面図である。 図１のＳ−Ｓ断面におけるウェーハ熱処理装置の高さ調整後の状態を示す要部縦断面図である。 この発明の実施例２に係るウェーハ熱処理装置の要部平面図である。

符号の説明

１０，１０Ａ ＲＴＡ装置（ウェーハ熱処理装置）、
１２ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）、
１３，１３Ａ サセプタ、
２１ 球体（回転支持体）、
２２ 電動シリンダ（高さ調整手段）、
２２ａ ロッド。

Claims (3)

1. 半導体ウェーハを円板状または環状のサセプタにより支持して熱処理するウェーハ熱処理装置において、
   前記サセプタの上面に該サセプタの周方向に離間して配設され、前記半導体ウェーハの裏面の一部と転がり接触する複数の回転支持体と、
   前記サセプタの周方向に離間して配設され、該サセプタを介して、前記半導体ウェーハの表裏面が水平となるように前記各回転支持体の高さを個別に調整する複数の高さ調整手段とを備えたウェーハ熱処理装置。
2. 前記回転支持体はコロまたは球体で、
   前記サセプタの上面には、前記コロまたは前記球体の収納凹部が前記サセプタの周方向に離間して複数形成された請求項１に記載のウェーハ熱処理装置。
3. 前記各高さ調整手段が、ロッドを昇降させることで前記サセプタの傾斜角度を調整するアクチュエータである請求項１または請求項２に記載のウェーハ熱処理装置。

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