JP2011507266A - ハブを有するウエハキャリア - Google Patents

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Abstract

回転ディスク式ＣＶＤ反応器用のウエハキャリア（３０）は、炭化ケイ素のようなセラミックの単一プレート（３２）であって、その上流面（３４）にポケット（３８）のようなウエハ保持特徴部を画定している単一プレート（３２）を備えており、プレート（３２）の中心領域（４４）においてプレート（３２）に取外し可能に取り付けられたハブ（４０）も備えている。ハブ（４０）は、セラミックプレート（３２）に集中応力を加えることなく、反応器のスピンドル（１６）への確実な接続をもたらすようになっている。プレート（３２）の洗浄中、ハブ（４０）を取り外しておくことができる。また、ウエハキャリア（３０）は、好ましくは、プレート（３２）の中心領域（４４）の上流面（３４）上にガス流促進要素（３４８，４４８）を備えている。ガス流促進要素（３４８，４４８）は、入射ガスの流れを上流面（３４）に沿って中心領域（４４）の流れ不連続部から離れる方に方向転換させるのを助長するようになっている。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年１２月１２日に出願された「ハブを有するウエハキャリア」という表題の米国出願第１２／００１，７６１号の一部継続出願であり、この米国出願の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
［発明の分野］
本発明は、化学蒸着装置に関する。
化合物半導体のようなある種の材料は、被加工品、最も一般的には、ディスク状ウエハの表面を高温下でガスにさらし、これによって、ガスを反応させて被加工品の表面に所望の材料を堆積させることによって、形成されている。例えば、窒化ガリウム、窒化インジウム、ガリウムヒ素、リン酸インジウム、アンチモン化ガリウム、などのようなＩＩＩ−Ｖ属半導体の多数の層を基板上に堆積させ、ダイオード及びトランジスタのような電子素子及び発光ダイオード及び半導体レーザのような光電素子を生成することができる。同様のプロセスによって、ＩＩ−ＶＩ属半導体を堆積させることができる。完成した素子の特性は、プロセス中に堆積した種々の層のわずかな特性変動によって、著しく影響されることになる。そのために、当技術分野において、反応器に保持される１つの大きいウエハ表面又は多数の小さいウエハ表面の全体にわたって均一な堆積を達成することができる反応器及び加工方法を開発するために、多大な努力が注がれてきている。
当業界において広く用いられてきている反応器の一形態は、回転ディスク式反応器である。このような反応器は、典型的には、ディスク状のウエハキャリアを備えている。ウエハキャリアは、処理される１つ又は複数のウエハを保持するように配置されたポケット又は他の特徴部を有している。ウエハを保持しているキャリアは、反応チャンバ内に載置され、キャリアのウエハ支持面を上流方向に向けて、保持されることになる。キャリアは、上流から下流方向に延在している軸を中心として、典型的には、数百回転／分の回転速度で回転するようになっている。反応ガスが、反応器の上流端に配置された注入ヘッドからキャリア上のウエハに向かって、下流方向に流される。ウエハキャリアは、このプロセス中、所望の高温、最も一般的には、約３５０℃〜約１６００℃に保持されている。ウエハキャリアの回転は、露出しているウエハの全領域を実質的に均一な条件にさらすことを確実にするのに役立つと共に、所望の半導体材料の均一な堆積を得ることを確実にするのに役立つことになる。特定のウエハキャリア上のウエハが処理された後、該ウエハキャリアは、反応チャンバから取り外され、新しいウエハを保持している新しいウエハキャリアに取り換えられ、この新しいウエハキャリアを用いて、プロセスが繰り返されることになる。
多くの回転ディスク式反応器の設計は、スピンドルに恒久的に取り付けられた「サセプタ（susceptor）」と呼ばれるディスク状の金属要素を備えるスピンドルを含んでいる。処理されるウエハキャリアは、サセプタ上に配置され、処理プロセス中、サセプタによって保持されている。サセプタの下流側に配置された電気抵抗要素のような加熱要素が、プロセス中、サセプタ及びウエハキャリアを加熱するようになっている。最近になって、特許文献１に開示されているように、「サセプタのない（susceptorless）」反応器が開発されている。この特許の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。サセプタのない反応器では、ウエハキャリアは、ウエハキャリアが処理のために反応チャンバ内に載置されるとき、反応器のスピンドル上に直接取り付けられるようになっている。下流側を向いているウエハキャリアの表面が、加熱要素に直接晒されることになる。サセプタのない反応器の設計は、反応器の加熱要素からウエハキャリアへの熱伝達を著しく改良し、かつウエハキャリアの全領域への熱伝達の均一性を著しく改良することができる。
米国特許第６，６８５，７７４号明細書
サセプタのない反応器用のウエハキャリアは、反応チャンバ内に載置されるとき、ウエハキャリアがスピンドルに機械的に係合することを可能にする特徴部を含んでいなければならない。このような係合は、スピンドル又はウエハキャリアを損傷させることなく、なされねばならない。さらに、ウエハキャリアは、用いられる高温下においてかなりの強度及び剛性を有すると共にプロセスに用いられるガスと反応しない材料から形成されればならない。サセプタのない反応器用の満足のいくウエハキャリアを炭化ケイ素によって被覆されたセラミック材料のような材料から形成することもできるが、さらに一層の改良が望まれている。
本発明の一態様は、ＣＶＤ反応器用のウエハキャリアを提供している。望ましくは、ウエハキャリアは、非金属耐熱材料、好ましくは、炭化ケイ素のようなセラミック材料のプレートを備えている。プレートは、互いに向き合っている上流面及び下流面を有しており、また中心領域及び周辺領域を有している。プレートは、複数のウエハをプレートの周辺領域の上流面に露出させて保持するように適合されたウエハ保持特徴部を有している。本発明のこの態様によるウエハキャリアは、望ましくは、プレートの中心領域に取り付けられたハブも備えている。ハブは、プレートをスピンドルに機械的に接続させるために、
ＣＶＤ反応器のスピンドルに係合するように適合されたスピンドル接続部を有している。ハブのスピンドル接続部は、好ましくは、スピンドルに取外し可能に係合するように適合されている。ハブは、少なくとも部分的に、プレートの材料以外の一種又は複数種の材料から形成されていてもよい。例えば、ハブは、金属元素を含んでいてもよい。又はブは、スピンドル接続部を画定する、黒鉛のような比較的軟質の材料から形成されたインサートを備えていてもよい。他の例では、プレートが中心領域に開口を備え、インサートがこの開口に入れ込まれるようになっていてもよい。一例では、インサートは、開口内に圧入されていてもよい。また、好ましくは炭化ケイ素から形成されたキャップが、プレートの中心領域の上流面の一部を部分的に覆うように設けられていてもよい。他の例では、キャップは、インサートに固定されていてもよい。例えば、キャップ及びインサートは、各々、互いに係合するように作られたネジ山を備えていてもよい。運転時に、ハブは、損傷をもたらす可能性のある集中負荷をプレートに加えることなく、プレートをスピンドルに機械的に接続することになる。望ましくは、ハブは、プレートに取外し可能に取り付けられている。
本発明のさらに他の態様は、付加的な要素、例えば、反応チャンバと、上流から下流に向かう方向に概して延在している軸を中心として回転可能となるように反応チャンバ内に取り付けられたスピンドルと、一種又は複数種の反応ガスを反応チャンバ内に導入するための注入ヘッドと、スピンドルを取り囲んでいる１つ又は複数の加熱要素と一緒に、前述したようなウエハキャリアを含んでいる化学蒸着反応器を提供している。ウエハキャリアのスピンドル接続部は、プレートの上流面を注入ヘッドの方に向けて、かつプレートの下流面を１つ又は複数の加熱要素の方に向けて、ウエハキャリアをスピンドルに取り付けるように適合されている。好ましくは、ウエハキャリアがスピンドルに取り付けられたとき、プレートの周辺領域の下流面は、加熱要素と直接向き合っている。換言すると、ハブは、好ましくは、プレート下流面の周辺領域と加熱要素との間に延在していない。従って、ハブは、加熱要素とプレートとの間の輻射熱の伝達を妨げることがない。
本発明のさらに他の態様は、ウエハを処理する方法を提供している。本発明のこの態様による方法は、望ましくは、ハブ及びハブに取外し可能に取り付けられたプレートを各々が備えている複数のウエハキャリアを、各ウエハキャリアのハブを加工装置のスピンドルに係合させ、スピンドル及びウエハキャリアを回転させながら、プレート上に保持されたウエハを処理し、ウエハが加工された後、各ウエハキャリアからウエハを取り外すことによって、加工するステップを含んでいる。上記処理は、好ましくは、化学蒸着プロセスを含んでいる。これらのステップは、望ましくは、新しいウエハを用いて、繰り返されるようになっている、本発明のこの態様による方法は、望ましくは、ハブをプレートから取外し、プレートを洗浄し、次いで、プレートを同じ又は別のハブと再組立することによって、各ウエハキャリアを更新するさらに他のステップを含んでいる。プレートを洗浄するステップは、プレートをエッチングすることを含んでいてもよい。ハブが洗浄前にプレートから取り外されるので、プレートを洗浄するのに用いられるステップは、ハブを浸食する可能性のある処理を含んでいてもよい。
本発明の他の態様は、ＣＶＤ反応器用のウエハキャリアを提供している。ウエハキャリアは、望ましくは、互いに向き合っている上流面及び下流面を有するプレートを備えており、また中心領域及び周辺領域を有している。プレートは、複数のウエハをプレートの周辺領域の上流面に露出させて保持するように適合されたウエハ保持特徴部を有している。本発明のこの態様によるウエハキャリアは、望ましくは、プレートの中心領域の上流面から突出しているガス流促進要素も備えている。プレートは、中心軸を有していてもよく、ガス流促進要素は、望ましくは、中心軸を中心とする回転面の形態にある周辺表面を有している。
本発明のさらに他の態様は、付加的な要素、例えば、反応チャンバと、上流から下流に向かう方向に概して延在している軸を中心に回転可能となるように反応チャンバ内に取り付けられたスピンドルと、一種又は複数種の反応ガスを反応チャンバ内に導入するための注入ヘッドと一緒に、前述したようなウエハキャリアを含んでいる化学蒸着反応器を提供している。ウエハキャリアのスピンドル接続部は、プレートの上流面を注入ヘッドの方に向けて、かつガス流促進要素を軸に沿って位置させて、ウエハキャリアをスピンドルに取り付けるように適合されている。この反応器は、一種又は複数種の反応ガスをウエハキャリア及びガス流促進要素に向かって下流方向に導くように構成されている。
本発明の一実施形態による反応器及び関連するウエハキャリアの概略図である。 別の運転状態におけるシステムを示す、図１と同様の図である。 図１、２のシステムに用いられているウエハキャリアを示す、略上面図である。 図３の線４−４に沿った部分断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの一部を示す部分断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの一部を示す、図４と同様の図である。 本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアを示す、概略的な部分断面図である。 本発明の他の実施形態によるウエハキャリアの断面透視図である。 図９のウエハキャリアの一部を示す、部分断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に用いられる構成部品の概略的な分解透視図である。 図１１の構成部品の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるウエハキャリアの一部を示す部分断面図である。
本発明の一実施形態によるサセプタのない反応器システムは、反応チャンバ１０を含んでいる。チャンバ１０は、その上流端にガス注入ヘッド１２を有しており、その下流端に隣接してチャンバの内部に開いている排気接続部１４を有している。反応チャンバ１０は、チャンバの上流から下流に向かう方向に概して延在している軸１８を有するスピンドル１６を備えている。スピンドル１６は、軸１８を中心としてスピンドルを回転させるためのモータ駆動装置２０に接続されている。スピンドルは、適切な真空シール（図示せず）を備えている。加熱装置２２が、反応チャンバ１０内において、スピンドル１６の上流端の近くを包囲するように、固定位置に取り付けられている。例えば、加熱装置２２として、１つ又は複数の電気抵抗ヒータ、ＲＦエネルギーを受けて該エネルギーを熱に変換するのに適する１つ又は複数の要素、又はチャンバ１０の内部を汚染させることなく熱を放出することができる実質的に任意のその他の装置が挙げられる。
チャンバ１０の内部は、装填ロック２６によって、予装填チャンバ２４の内部に接続されている。ロック２６は、気密シャッタを備えている。この気密シャッタは、チャンバ１０，２４間の連通を可能とするために、又はこのような連通を塞ぐために、選択的に開閉可能になっている。予装填チャンバ２４は、ウエハキャリアを予装填チャンバ内に載置し、又はウエハキャリアを該予装填チャンバから取り出すために、適切な装填ドア（図示せず）を備えている。また、予装填チャンバ２４は、チャンバ１０内の雰囲気に対応する雰囲気をチャンバ２４内に供給するために、雰囲気制御システム（図示せず）に接続されている。チャンバ１０，２４は、ウエハキャリアを両チャンバ間で移動させるために、及びウエハキャリアをスピンドル１６上に載置し、又はウエハキャリアをスピンドルから取り外すために、適切なロボット操縦装置（図示せず）を備えている。
本システムは、１つ又は複数のウエハキャリア３０をさらに備えている。以下にさらに詳細に述べるように、各ウエハキャリアは、上流面３４及び対向している下流面３６を画定している単一のプレート又は本体３２を備えている。上流面３４は、ウエハをその表面を略上流側に向けて保持するように配置されたポケット３８のような特徴部を備えている。各ウエハキャリアは、本体３２の中心の近くに露出しているハブ４０も備えている。ハブ４０は、スピンドル１６の上流端と嵌合するように適合されている。図１に示されている装填位置では、ウエハをポケット３８内に保持しているウエハキャリア３４は、チャンバ２４内に配置されている。図２に示されている稼働位置、すなわち、堆積位置では、同じウエハキャリア３０が、反応チャンバ１０内に配置されており、スポンドル１６に係合されている。ウエハキャリアが図２に示されている稼働位置、すなわち、堆積位置にある間、ウエハキャリアの本体３２は、加熱要素２２の上方に覆い被さっている。この状態において、加熱要素が作動され、ウエハキャリアを所望の高温に加熱する。また、スピンドル１６が回転され、これによって、ウエハキャリア及び該ウエハキャリア上のウエハを軸１８を中心として回転させる。反応ガスが、注入ヘッド１２から下流に流れ、ウエハキャリアの上流側を向いた表面及びウエハキャリアのポケット内に配置されたウエハの表面の上を通過する。これらのガスは、ウエハの表面で反応し、これによって、ウエハの表面上に所望の材料が生成されることになる。単なる例示にすぎないが、ＩＩＩ−Ｖ属半導体を生成する堆積プロセスでは、反応ガスは、第１のガス及び第２のガスを含んでいるとよい。第１のガスは、窒素又は水素のようなキャリアガスとの混合物の形態にある一種又は複数種の有機金属化合物、最も典型的には、ガリウムアルキル、インジウムアルキル、及びアルミニウムアルキルからなる群から選択される金属アルキルを含んでいる。第２のガスは、一種又は複数種の第Ｖ属元素の水素化物、例えば、アンモニア又はアルシンを含んでおり、一種又は複数種のキャリアガスを含んでいてもよい。堆積の後、処理済みのウエハを保持しているウエハキャリアは、予装填チャンバ２４に戻され、新しいウエハを保持している別のウエハキャリアが、スピンドル１６上に載置されることになる。ウエハキャリアを除く堆積装置の特徴及びスピンドルの関連する嵌合特徴は、前述した米国特許第６，６８５，７７４号明細書に開示されているものとほぼ同様である。この特許の開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
図３、４に最もよく示されているように、ウエハキャリア３０は、中心軸４２を有している。中心軸４２は、ウエハキャリアがスピンドルに取り付けられたとき、スピンドルの軸１８と一致するようになっている。プレート３２は、一種又は複数種の耐熱材料、好ましくは、一種又は複数種の非金属耐熱材料のプレートである。本開示に用いられている「非金属（non-metallic）」材料という用語は、金属と非金属との化合物、例えば、金属の酸化物、窒化物、及び炭化物を含んでおり、また炭素及び他の非金属元素ならびにそれらの化合物も含んでいる。また、本開示に用いられている一種又は複数種の材料「の（of）」プレートは、以下のプレート、すなわち、該一種又は複数種の材料がプレートの面積の少なくとも大部分にわたってプレートの厚みの少なくとも大部分を占めており、かつ該一種又は複数種の材料がプレートの構造強度の少なくともかなりの部分を担っている、プレートを指すことを理解されたい。従って、他に規定がない限り、一種又は複数種の非金属材料のプレートは、他の材料から形成された副次的な層又は他の副次的な特徴を備えていてもよいことになる。プレートの材料は、望ましくは、ウエハ加工作業及びウエハキャリアを洗浄するのに用いられる作業において受ける温度及び化学環境に対して耐性を有している。プレートの材料は、かなりの構造強度を有しているべきであるが、局部的な応力に対して高感受性を有する脆弱な材料であってもよい。以下に述べるように、ウエハキャリアの構造は、望ましくは、使用時にスピンドルによって加えられる高局部応力からプレートを保護するようになっている。炭化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、水晶、黒鉛、及びそれらの組合せからなる群から選択される非金属耐熱材料が好ましい。最も望ましくは、プレートは、単一の非金属耐熱材料の単一平板である。炭化ケイ素から形成された単一プレートが、特に好ましい。場合によっては、プレートは、皮膜を含んでいてもよい。皮膜材料は、望ましくは、例えば、金属炭化物、金属酸化物、又は金属窒化物、具体的には、炭化チタン又は炭化タンタルの皮膜のように、使用時及びウエハキャリアの洗浄時に受ける温度及び化学薬品に対して耐性を有している。このような皮膜は、プレートが黒鉛から形成されている場合、特に望ましい。
上流面３４及び下流面３６は、上流面３４のポケット３８を除けば、完全な平面として描かれているが、これは、不可欠なものではない。プレート３２の厚みは、広範囲にわたって、変更可能である。しかし、一例では、プレート３２は、約３００ｍｍの外径及び約８ｍｍの厚みを有している。
プレート３２は、中心軸４２を含む中心領域４４及び中心領域４４を取り囲んでいる周辺領域を有している。例示を目的として、中心領域４４の境界線が図３に破線で描かれているが、中心領域と周辺領域との間に目に見える境界は存在していない。ウエハ係合特徴部又はポケット３８が、プレート３２の周辺領域に配置されている。プレート３２は、その中心領域に、プレートを上流面３４から下流面３６に向かって貫通している中心孔４６を有しており、この中心孔は、軸４２を取り囲んでいる。
ハブ４０が、最も好ましくは、プレート３２の中心領域に取外し可能に取り付けられている。ハブ４０は、上流側ハブ要素４８を備えている。上流側ハブ要素４８は、プレート３２の中心孔４６内に入れ込まれている略円筒状部分を有していると共に、中心孔を直接取り囲んでいるプレートの上流面３４の一部に重なっているフランジ５０も有している。ハブ４０は、下流側ハブ要素５２をさらに備えている。下流側ハブ要素５２は、中心孔４６内に延在している略円筒状部分を有していると共に、プレート３２の中心領域内において、プレートの下流面３６の一部に重なっているフランジ５４を有している。ハブ要素４８，５２は、中心孔４６内にわずかな隙間を残して嵌合している。例えば、（フランジを除く）ハブ要素の外径は、中心孔４６の内径よりも約２５μｍ（０．００１インチ）小さくなっているとよい。ハブ要素４８，５２は、締付け具、例えば、中心軸４２を中心として互いに離間したネジ５６（図４では１つのみが見える）によって、一緒に保持され、かつ互いの方に付勢されている。従って、フランジ５０，５４は、プレート３２の上流面３４及び下流面３４に強制的に係合されていることになる。ハブ要素は、プレートの材料以外の材料から形成されているとよい。ハブ要素５０，５２は、望ましくは、稼働中に受ける温度に耐えることができると共に使用中に反応チャンバの内部を腐食又は汚染させることがない金属から形成されている。例えば、ハブ要素は、モリブデン、タングステン、レニウム、これらの金属の組合せ、及びこれらの金属の合金からなる群から選択される金属から形成されているとよい。他の実施形態では、ハブ要素は、プレートの材料と同じ材料から形成されていてもよい。
ハブ４０は、下流方向を向いている（図４では底の方を向いている）開端を有するテーパ孔を画定しているインサート５８をさらに備えている。この孔は、上流方向に徐々に減少している内径を有している。インサート５８は、望ましくは、稼働中に達する温度に耐えることができ、かつハブ要素４８，５２を形成するのに用いられる材料よりもいくらか軟らかい材料から形成されている。例えば、インサート５８は、黒鉛から形成されているとよい。インサート５８は、インサート保持プレート６２によってハブ要素４８，５２内に保持されており、このインサート保持プレート６２は、１つ又は複数のネジによって下流側ハブ要素５２に固定されている。
図２，４に示されている稼働位置、すなわち、堆積位置では、ウエハキャリア３０は、スピンドル１６に取り付けられている。スピンドル１６は、テーパ端６６を有しており、このテーパ端が、インサートのテーパ孔６０内に入れ込まれている。図示されている特定の実施形態では、テーパ端６６の挟角は、インサートのテーパ孔６０の挟角よりもいくらか小さくなっており、これによって、スピンドルは、スピンドルの最上流端でのみインサート５８に係合することになり、孔６０の下流端、すなわち、開端の近くでは、テーパ端６６の周囲にわずかな隙間を残して嵌合されることになる。稼働位置では、プレート３２の下流面３６は、反応チャンバの加熱要素２２と向き合っている。ハブ４０、特に、下流ハブ要素５４がプレート３２の中心領域内にのみ配置されているので、周辺領域内のプレート３２の下流面３６は、ハブによって覆われていない。従って、図４に示されているように、周辺領域におけるプレートの下流面３６は、どのような固形構造物もプレート周辺領域の下流面３６と加熱要素２２との間に介在することなく、加熱要素２２と直接向き合っている。従って、加熱要素からプレートの周辺領域に至る輻射熱の伝達の直接経路が得られることになる。これによって、加熱要素２２とプレート３２との間の効率的な熱伝達が促進されることになる。換言すると、ハブ４０は、周辺領域において、加熱要素とプレートの下流面との間に延在していないので、加熱要素からプレートへの熱伝達を妨げることがない。ハブの使用は、プレートからスピンドル１６への熱伝達を遅らせる傾向にある。すなわち、図４に最もよく示されているように、プレート３２とハブ要素４８，５２との間の物理的な界面、ハブ要素とインサート５８との間の付加的な界面、及びインサート５８とスピンドル１６との間のさらに他の界面が存在している。これらの界面の全てが、プレートからスピンドルへの熱伝達を低減させる望ましい効果を有している。
無垢のプレート、例えば、高熱伝導率を有する炭化ケイ素などのような非金属耐熱材料の無垢のプレートを用いることによって、著しい利点が得られる。無垢のプレートは、温度の均一性を促進する傾向にある。良好に制御された表面形態を有する炭化ケイ素の無垢のプレートを作製することができる。また、炭化ケイ素の無垢のプレートは、耐久性があり、ウエハ加工中にプレートに堆積された材料を除去するための洗浄プロセス、例えば、湿式エッチングに耐えることができる。ハブは、このような洗浄プロセスの前に、プレートから取り外されるとよい。典型的には、本装置は、多数のウエハキャリアを有しているので、いくつかのウエハキャリアをウエハの処理に利用し、その一方、他のウエハキャリアを洗浄することができる。プロセス条件によっては、洗浄プロセスは、ウエハキャリアを用いて一バッチのウエハを処理した後ごとに行われてもよいし、又はそれほど頻繁に行われなくてもよい。また、洗浄の後、プレートは、同一のハブ又は別の同様のハブと再組立され、これによって、ウエハキャリアを更新することができる。
ハブは、反応チャンバのスピンドルへのプレートの確実な取付けをもたらすようになっている。スピンドルは、プレートに直接係合していないので、使用中にプレートに亀裂を生じさせにくい傾向にある。これは、脆弱な材料、例えば、無垢の炭化ケイ素から形成されたプレートを用いたとき、重要である。従来、無垢の炭化ケイ素からウエハキャリアの回転プレートを作製することができなかったが、その理由は、おそらく、スピンドルが使用中にプレートに亀裂を生じさせる傾向にあったからである。ウエハキャリアに加えられる局部的な応力を著しく増大させるテーパ付きスピンドルの場合、この亀裂を生じさせる傾向は、顕著になるだろう。しかし、本出願に開示されているようなハブを用いることによって、無垢の炭化ケイ素から形成されたウエハキャリアのプレートを、それらのプレートに損傷をもたらす危険を冒すことなく、回転ディスク式反応器に用いることが可能になる。
インサート５８が比較的軟質の材料から形成されていることによって、ウエハキャリアがスピンドルトに係合されたとき、反応チャンバのスピンドルを損傷させないことが確実になる。インサート５８は、ウエハキャリアの繰り返し使用によって摩耗することもあるが、容易に取外し、取り換えることができる。
前述した特徴の多くの変更及び組合せが可能である。例えば、図５に示されているように、プレートの中心孔１４６内に延在しているハブ要素１５２は、多角形の外面１５３を備えていてもよい。この多角形要素の隅部を除いて、ハブ要素と中心孔１４６の表面との間に、比較的大きな隙間１５５がもたらされている。この構成によって、プレート１３２からハブ要素１５２への伝導性熱伝達がさらに低減されることになる。伝導性熱伝達を同様に低減させるために、フルート溝形状又はスプライン溝形状のような他の形状が用いられてもよい。同様に、プレートとハブとの間の伝導性熱伝達を低減させ、これによって、スピンドルへの伝導性熱伝達を低減させるために、プレートの表面と接触しているフランジ５０，５４（図４）の表面に畝又はフルート溝が設けられていてもよい。
プレートに中心孔を設けることは、不可欠なものではない。例えば、図６に示されているように、プレート２３２には、中心領域の上流面と下流面との間に延在する一組の小さい孔２３３が設けられている。上流側ハブ要素２４８及び下流側ハブ要素２５２が、プレート２３２の上流面及び下流面に設けられ、孔２３３を貫通するボルト２５６によって互いに接続されている。この構成においても、ハブは、プレートに取外し可能に取り付けられている。この開示においてプレート及びハブに関連して用いられる「取外し可能に取り付けられる（removably attached）」という用語は、ハブが、プレートを損傷させることなく、かつハブの主要構成要素を損傷させることなく、プレートから取外し可能であることを意味している。ボルト取付け具以外の取外し可能な取付け具が用いられてもよい。例えば、取外し可能な取付け具として、ピン、楔、クリップ、又は他の機械的な締付け式装置が挙げられる。又はブとスピンドルとの接続部は、図４を参照して前述したようなテーパ付き接続具を含んでいなくてもよい。すなわち、図６の実施形態では、ハブは、スピンドル１０６の端の嵌合ピン２６６に係合する一組の凹部を備えるインサート２５８を有している。ハブとスピンドルとの間のどのような形式の他の機械的な接続具が用いられてもよい。
図１〜４を参照して前述した実施形態では、上流側ハブ要素は、低い平坦な輪郭を有している。しかし、図６に示されているように、上流側ハブ要素２４８は、中心軸２４２の近傍におけるガス流れを促進するために、ドーム形状を有していてもよい。ガス流れを促進する他の形状が用いられてもよい。例えば、図７に示されているように、上流側要素３４８は、その上流端で鋭利な先端３７０に達する凹状の周辺表面３６８を備えていてもよい。周辺表面３６８は、望ましくは、軸３４２を中心とする回転面である。このような設計によって、入射方向Ｄからの反応ガスの流れが、ウエハキャリア３３０の上流面３３４に沿って、回転しているウエハキャリア３３０の中心に生じる流れの不連続部から離れる方に、方向転換することが助長されることになる。他の例では、上流側要素４４８は、凸状の周辺表面４６８、例えば、図８に示されている略放物線形状の周辺表面４６８を備えていてもよい。周辺表面４６８も、望ましくは、中心軸を中心とする回転面の形態にある。
ウエハキャリアが急速に回転すると、ウエハキャリアの上流面が急速に運動することになる。ウエハキャリアの急速な運動によって、ガスは、中心軸３４２を中心とする回転運動に取り込まれ、軸３４２から離れて半径方向に流れ、次いで、境界層内においてウエハキャリアの上流面を横切って外方に流れることになる。勿論、実際の運転では、矢印Ｄによって示されている略下流に向かう流れの形態と境界層における流れとの間に穏やかな遷移が存在している。しかし、境界層は、ガス流れがウエハキャリアの上流面と実質的に平行になっている領域と見なすことができる。典型的な運転条件下では、境界層の厚みは、約１ｃｍほどである。本発明のいくつかの実施形態では、上流側要素の高さＨは、境界層よりも短くなっているとよい。他の実施形態では、上流側要素の高さＨは、境界層よりも高くなっていてもよい。
代替的な実施形態では、ハブ要素の片方又は両方が、インサートを介在させることなく、スピンドルに直接係合されるようになっていてもよい。さらに他の実施形態では、インサートが、ハブ要素を兼ねるようになっていてもよい。例えば、図９を参照すると、プレート５３２は、プレート５３２を上流面５３４から下流面５３６に向かって貫通している中心孔５４６を有している。インサート５７２が、孔５４６内に入れ込まれている。図１０に示されているように、インサート５７２は、プレート５３２の中心孔５４６内に入れ込まれている略円筒状部分を有している。インサート５７２は、中心孔５４６を直接囲んでいるプレート５３２の下流面５３６の部分と係合しているフランジ５５４も有している。インサート５７２は、好ましくは、インサート５７２とプレート５３２との間に確実な接続部をもたらすために、孔５４６内に圧入されるようになっている。例えば、インサート５７２の（フランジを除く）外径は、中心孔５４６の内径よりも、いくらか、例えば、約１／１０００ｃｍ大きくなっているとよい。一例では、インサート５７２は、例えば、プレート５３２を３００℃に加熱し、孔５４６を含むプレート５３２を拡張させることによって、孔５４６内に挿入されるとよい。インサート５７２は、プレート５３２の材料以外の材料から形成されているとよい。望ましくは、インサート５７２は、稼働中に受ける温度に耐えることができると共に使用中に反応チャンバの内部を腐食又は汚染させることがない材料から形成されている。インサート５７２がプレート５３２の熱膨張係数と等しいか又はそれよりも大きい熱膨張係数を有していると好ましく、これによって、インサート５７２は、高温においても、孔５４６内に固定して維持されることが可能になる。また、インサート５７２は、好ましくは、ウエハキャリアが反応チャンバのスピンドルに係合されたときに、該スピンドルを損傷させないために、比較的軟質であるとよい。好ましい実施形態では、インサート５７２は、黒鉛から形成されているとよい。インサート５７２は、ウエハキャリアの繰り返し使用によって摩耗することもあるが、容易に取外し、取り換えることができる。
フランジ５７７を有する中実の平坦な上部５７６を有しているキャップ５７４が具備されているとよい。フランジ５７７は、中心孔５４６を直接囲んでいる領域においてプレート５３２の上流面５３４上に部分的に重なっている。キャップ５７４は、上部５７６から下方に突出している部分５７８を備えている。この部分５７８は、中心孔５４６内に入れ込まれている。インサート５７２と同じように、キャップ５７４の突出部分５７８も、好ましくは、孔５４６内に圧入されている。キャップ５７４は、望ましくは、インサート材料が反応チャンバ内に注入される腐食性ガスと接触するのを防ぐようになっている。また、キャップ５７４は、好ましくは、上流面５３４を介して孔５４６によって引き起こされるガス流れの乱れの一部を均一にするようになっている。例えば、キャップ５７４は、図６〜８を参照して前述したような上流面を有していてもよい。望ましくは、キャップ５７４は、稼働中に受ける温度に耐えることができると共に使用中に反応チャンバの内部を腐食又は汚染させることがない材料から形成されている。好ましい実施形態では、キャップ５７４は、炭化ケイ素から形成されているとよい。
他の代替的な実施形態では、キャップ及びインサートは、互いに固定されていてもよい。例えば、図１１，１２を参照すると、インサート６７２ の略円筒状部分は、キャップ６７４の突出部分６７８のネジ山部分６８２と螺合するように作られているネジ山部分６８０を有しているとよい。キャップ６７４の突出部分６７８は、開いた内部６８４を有しており、この開いた内部６８４は、インサート６７２の一部を受け入れるように作られている。従って、インサート６７２を下流側から中心孔内に挿入し、キャップ６７４を上流側から中心孔内に挿入し、インサート６７２とキャップ６７４とを互いに螺合させることによって、インサート６７２をウエハキャリアのプレートに固定することができる。キャップ６７４をインサート６７２の周囲に徐々にねじ込むことによって、インサート６７２は、キャップ６７４の開いた内部にさらに入れ込まれ、インサート６７２のフランジ６５４が、キャップ６７４のフランジ６７７に接近することになる。キャップ６７４をインサート６７２の周囲にさらにねじ込むことによって、フランジ６５４，６７７は、ウエハキャリアのプレートの上流面及び下流面に強制的に係合され、これによって、インサート６７２及びキャップ６７４がウエハキャリアのプレートに固定されることになる。従って、この実施形態では、インサート及びキャップは、ウエハキャリアのプレートの中心孔内に圧入される必要がない。さらに、キャップ及びインサートは、互いにネジ止めされる必要がない。キャップをインサートに固定する他の形態が用いられてもよい。例えば、キャップ及びインサートは、図６に示されているのと同様の方法によって、互いにボルト止めされていてもよい。このような実施形態では、小さい孔をインサート又はキャップのいずれか又は両方に設け、ボルトをこれらの孔に通し、インサート及びキャップを互いに接続するようになっているとよい。例えば、インサート又はキャップのいずれかにおける孔は、ボルトのネジ山と係合するように作られたネジ山を備えているとよい。他の代替例では、ボルトがこれらの両方の構成部品を貫通し、ナットがボルトのネジ端に締め付けられるようになっていてもよい。
さらに他の実施形態では、プレートの中心孔は、ウエハキャリアのプレートを上流面から下流面に向かって完全に貫通していなくてもよい。例えば、図１３に示されているように、中心孔７４６は、上流面７３４に沿って孔７４６を覆っているプレート７３２の中心部分７８６を残して、下流面７３６から上流面７３４に向かってプレート７３２内に延在している。図９，１０に示されている実施形態に関して前述したように、この実施形態のインサート７７２は、孔７４６内に圧入されているとよい。この実施形態では、キャップを設ける必要がない。何故なら、孔７４６を覆っている中心部分が、好ましくは、インサート材料を反応チャンバ内に注入される腐食ガスと接触しないように保護しているからである。中心部分７８６は、プレート７３２の連続的な上流面７３４をもたらしているが、これによって、好ましくは、表面７３４を覆うガス流れの乱れを最小限に抑えることができる。
図９〜１３に示されているように、インサートは、図４に示されている実施形態と同様の下流方向を向いている開端を有するテーパ孔を画定しているとよい。このようなテーパ付きインサートと関連して、テーパ端を有するスピンドルが用いられるとよい。一例では、スピンドルのテーパ端の挟角は、インサートの孔の挟角よりもいくらか小さくなっているとよく、これによって、スピンドルは、スピンドルの最上流端でのみインサートに係合することになり、孔の下流端、すなわち、開端の近くでは、スピンドルのテーパ端の周囲にわずかな隙間を残して嵌合されることになる。さらに、ここに開示されている実施形態のいずれもが、前述したように、ガス流れを促進する種々の形状の１つを有する上流側要素を備えていてもよい。例えば、特定の輪郭を有する上流側要素が、回転の中心軸に沿って、ハブ、キャップ、又はウエハキャリアの上流面に取り付けられるか又は一体に形成されていてもよい。前述した特徴のこれら及び他の変更及び組合せは、本発明から逸脱することなく用いられてもよく、好ましい実施形態の前述の説明は、請求項に記載されているに本発明を限定する目的ではなく、例示の目的でなされていると解釈されたい。
本発明をここでは特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理及び用途の単なる例示にすぎないことを理解されたい。従って、例示的な実施形態に対して多数の修正がなされてもよいこと、及び添付の請求項に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他の構成が考案されてもよいことを理解されたい。

Claims (42)

  1. （ａ）互いに向き合っている上流面及び下流面を有している非金属耐熱材料のプレートであって、中心領域及び周辺領域を有しており、複数のウエハを前記プレートの前記周辺領域の前記上流面に露出させて保持するように適合されたウエハ保持特徴部を有している、プレートと、
    （ｂ）前記プレートと分離されて形成されているハブであって、前記プレートの前記中心領域に取り付けられており、前記プレートをＣＶＤ反応器のスピンドルに機械的に接続するために、前記スピンドルに係合するように適合されたスピンドル接続部を有している、ハブと
    を備える、ＣＶＤ反応器用のウエハキャリア。
  2. 前記非金属耐熱材料は、炭化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、水晶、黒鉛及びそれらの組合せからなる群から選択されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  3. 前記非金属耐熱材料は、本質的に炭化ケイ素を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  4. 前記プレートは、前記非金属耐熱材料から全体が形成されている単一平板であることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  5. 前記非金属耐熱材料は、炭化ケイ素であることを特徴とする請求項４に記載のウエハキャリア。
  6. 前記プレートは、前記プレートの少なくとも上流面において前記非金属耐熱材料を覆っている被膜を備えていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  7. 前記被膜は、炭化タンタル及び炭化モリブデンからなる群から選択される材料から形成されていることを特徴とする請求項６に記載のウエハキャリア。
  8. 前記ハブは、少なくとも部分的に、前記プレートの前記非金属耐熱材料以外の一種又は複数種の材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウエハキャリア。
  9. 反応チャンバと、上流から下流に向かう方向に概して延在している軸を中心として回転可能になるように前記反応チャンバ内に取り付けられたスピンドルと、一種又は複数種の反応ガスを前記反応チャンバ内に導入するための注入ヘッドと、前記スピンドルを取り囲んでいる１つ又は複数の加熱要素とを備えている化学蒸着装置において、前記装置は、請求項１に記載のウエハキャリアをさらに備えており、前記ウエハキャリアの前記接続部は、前記プレートの前記上流面を前記注入ヘッドの方に向けて、かつ前記プレートの前記下流面を前記１つ又は複数の加熱要素の方に向けて、前記ウエハキャリアを前記スピンドルに取り付けるように適合されていることを特徴とする化学蒸着装置。
  10. 前記ウエハキャリアが前記スピンドルに取り付けられたとき、前記プレートの前記周辺領域の前記下流面は、前記加熱要素と直接向き合うようになっていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  11. （ａ）ハブ及び前記ハブに取外し可能に取り付けられたプレートを各々が備えている複数のウエハキャリアを、各ウエハキャリアの前記ハブを加工装置のスピンドルに係合させ、前記スピンドル及び前記ウエハキャリアを回転させながら、前記プレート上に保持されたウエハを処理することによって、加工するステップと、
    （ｂ）前記ウエハキャリアが加工された後、各ウエハキャリアからウエハを取り外すステップと、
    （ｃ）各ウエハキャリアが新しいウエハを用いることによって、前記ステップ（ａ）及び（ｂ）を繰り返すステップと、
    （ｄ）前記ハブを前記プレートから取り外し、前記プレートを洗浄し、前記プレートを同じ又は別のハブと再組立することによって、各ウエハキャリアを更新するステップと
    を含む、ウエハを加工する方法。
  12. 前記プレートを洗浄する前記ステップは、前記プレートをエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ウエハを処理する前記ステップは、化学蒸着プロセスを行うことを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  14. ＣＶＤ反応器用のウエハキャリアにおいて、互いに向き合っている上流面及び下流面を有している非金属耐熱材料のプレートであって、中心領域及び周辺領域を有しており、複数のウエハを前記プレートの前記周辺領域の前記上流面に露出させて保持するように適合されたウエハ保持特徴部を有している、プレートを備えており、前記プレートは、本質的に炭化ケイ素を含んでいる単一平板であることを特徴とするウエハキャリア。
  15. 前記ウエハキャリアは、前記プレートをＣＶＤ反応器のスピンドルに機械的に接続するため、前記スピンドルに係合するように適合されたスピンドル接続部を有していることを特徴とする請求項１４に記載のウエハキャリア。
  16. 前記スピンドル接続部は、前記スピンドルに取外し可能に係合するように適合されていることを特徴とする請求項１５に記載のウエハキャリア。
  17. 前記下流面は、下流方向を向いており、前記スピンドル接続部は、前記下流方向を向いている開端を備える孔を有するソケットを備えていることを特徴とする請求項１又は１６のいずれか一項に記載のウエハキャリア。
  18. 前記上流面は、上流方向を向いており、前記孔には、前記孔の直径が前記上流方向に徐々に減少するテーパが付けられていることを特徴とする請求項１７に記載のウエハキャリア。
  19. 前記プレートとは別に形成されたハブをさらに備えており、前記ハブは、前記プレートの前記中心領域に取り付けられており、前記ハブは、前記プレートをＣＶＤ反応器のスピンドルに機械的に接続するために、前記スピンドルに係合するように適合されたスピンドル接続部を有していることを特徴とする請求項１４に記載のウエハキャリア。
  20. 前記ハブは、少なくとも部分的に、炭化ケイ素以外の材料から形成されていることを特徴とする請求項１９に記載のウエハキャリア。
  21. 前記ハブは、少なくとも部分的に、一種又は複数種の金属から形成されていることを特徴とする請求項８又は２０に記載のウエハキャリア。
  22. 前記一種又は複数種の金属は、モリブデン、タングステン、レニウム、それらの組合せ及びそれらの合金からなる群から選択されるようになっていることを特徴とする請求項２１に記載のウエハキャリア。
  23. 前記ハブは、前記スピンドル接続部を少なくとも部分的に画定しているインサートを備えており、前記インサートは、前記一種又は複数種の金属よりも軟質のインサート材料から形成されていることを特徴とする請求項２１に記載のウエハキャリア。
  24. 前記インサート材料は、本質的に黒鉛を含んでいることを特徴とする請求項２３に記載のウエハキャリア。
  25. 前記ハブは、前記スピンドル接続部を少なくとも部分的に画定しているインサートから構成されており、前記プレートは、前記中心領域に開口を有しており、前記インサートが前記開口に入れ込まれるようになっていることを特徴とする請求項８又は２０に記載のウエハキャリア。
  26. 前記インサートは、前記開口内に圧入されていることを特徴とする請求項２５に記載のウエハキャリア。
  27. 前記インサートは、黒鉛から形成されていることを特徴とする請求項２５に記載のウエハキャリア。
  28. 前記中心領域の前記開口は、前記上流面と前記下流面との間に延在していることを特徴とする請求項２５に記載のウエハキャリア。
  29. 前記プレートの前記中心領域の前記上流面の一部に少なくとも部分的に重なっているキャップをさらに備えていることを特徴とする請求項２８に記載のウエハキャリア。
  30. 前記キャップは、炭化ケイ素から形成されていることを特徴とする請求項２９に記載のウエハキャリア。
  31. 前記キャップは、前記インサートに固定されていることを特徴とする請求項２９に記載のウエハキャリア。
  32. 前記キャップ及び前記インサートは各々、ネジ山を備えており、前記キャップの前記ネジ山は、前記インサートの前記ネジ山に係合するように作られていることを特徴とする請求項３１に記載のウエハキャリア。
  33. 前記ハブは、前記プレートに取外し可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は１９のいずれか一項に記載のウエハキャリア。
  34. 前記ハブは、上流側ハブ要素であって、その少なくとも一部が前記プレートの前記中心領域の前記上流面の一部に重なっている、上流側ハブ要素と、下流側ハブ要素であって、その少なくとも一部が前記プレートの前記中心領域の前記下流面の一部に重なっている、下流側ハブ要素とを備えており、前記プレートの前記中心領域の少なくとも一部が、前記上流側ハブ要素と前記下流側ハブ要素との間に締め付けられていることを特徴とする請求項１又は１９のいずれか一項に記載のウエハキャリア。
  35. 前記プレートは、前記中心領域において前記上流面と前記下流面との間に延在している中心孔を有しており、前記ハブ要素の少なくとも１つは、前記中心孔内に突出していることを特徴とする請求項３４に記載のウエハキャリア。
  36. 前記プレートは、実質的に円形であることを特徴とする請求項１又は１４に記載のウエハキャリア。
  37. （ａ）互いに向き合っている上流面及び下流面を有しているプレートであって、中心領域及び周辺領域を有しており、複数のウエハを前記プレートの前記周辺領域の前記上流面に露出させて保持するように適合されたウエハ保持特徴部を有している、プレートと、
    （ｂ）前記プレートの前記中心領域の前記上流面から突出しているガス流促進要素と
    を備える、ＣＶＤ反応器用のウエハキャリア。
  38. 前記プレートは、中心軸を有しており、前記ガス流促進要素は、前記中心軸を中心とする回転面の形態にある周辺表面を有していることを特徴とする請求項３７に記載のウエハキャリア。
  39. 前記ガス流促進要素は、略凹状輪郭を有する周辺表面を有していることを特徴とする請求項３７に記載のウエハキャリア。
  40. 前記ガス流促進要素は、略凸状輪郭を有する周辺表面を有していることを特徴とする請求項３７に記載のウエハキャリア。
  41. 前記ガス流促進要素は、１ｃｍ未満の高さを有していることを特徴とする請求項３７に記載のウエハキャリア。
  42. 反応チャンバと、上流から下流に向かう方向に概して延在している軸を中心として回転可能となるように、前記反応チャンバ内に取り付けられたスピンドルと、一種又は複数種の反応ガスを前記反応チャンバ内に導入するための注入ヘッドとを備えている化学蒸着装置において、請求項３７に記載のウエハキャリアをさらに備えており、前記ウエハキャリアは、前記プレートの前記上流面を前記注入ヘッドの方に向けて、かつ前記ガス流促進要素を前記軸に沿って位置させて、前記スピンドルに取り付けられるように適合されており、前記装置が、前記一種又は複数種の反応ガスを前記ウエハキャリア及び前記ガス流促進要素に向けて下流方向に導くように、構成されていることを特徴とする化学蒸着装置。
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