JP2012023116A - ウェーハ支持治具及び軸状部材並びにシリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハの熱処理時において、スリップの発生を抑制すること。
【解決手段】ウェーハ３を熱処理炉内で熱処理するときに該ウェーハ３の下面と一端が当接して該ウェーハを下から支持する石英材を主材とする軸状部材１１を備え、軸状の第１の部材２５の外周面を該第１の部材２５よりも屈折率が小さい第２の部材２７で包囲するととともに両端面から第１の部材２５が露出してなること。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱処理時にウェーハを下面から支持するウェーハ支持治具及び軸状部材並びにシリコンウェーハの熱処理方法に係り、特にウェーハにおけるスリップ転位の発生を抑制するために好適なウェーハ支持治具に関する。

シリコンウェーハ（以下、ウェーハと略す。）を用いたデバイス製造工程、或いは、ウェーハ自体の加工工程においては、例えば、ウェーハ中に含まれる酸素析出物の濃度分布を制御すること等を目的として、ウェーハに熱処理が施される。このような熱処理工程では、赤外線ランプを光源としウェーハを加熱するＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いた急速熱処理が知られている。ＲＴＡの熱処理炉内には、ウェーハが１枚ずつ収容され、赤外線ランプから赤外光が照射されることにより、ウェーハは、例えば１０００℃以上の高温領域まで急速加熱された後、急速冷却される。この熱処理方法によれば、処理時間を短くすることができ、生産性を高めることができる。

ところが、ウェーハに急速熱処理を施した場合、ウェーハの表面にはスリップ転位（以下、スリップと略す。）が発生し、これが半導体素子の製造工程で歩留まり低下の原因となっている。このようなスリップの発生は、ウェーハの面内温度不均一による熱応力の発生が一つの要因である。例えば、熱処理中のウェーハは、その下面が３本のピン状の軸状部材の上に載置され、チャンバー内に収容された状態で赤外光が照射されるが、軸状部材は赤外光を吸収しない石英材で形成されているため、ウェーハの温度まで上がることがない。つまり、ウェーハの熱は低温側の軸状部材に向けて放熱されるため、ウェーハには局部的に温度が低い領域が発生する。そのため、ウェーハには熱応力が発生し、スリップが生じ易くなる。

このような熱処理時におけるスリップの発生を防ぐため、様々な試みがなされている。例えば、特許文献１では、ウェーハの下面を支持する石英材からなる軸状部材の先端部、つまりウェーハと当接する先端部の面積を小さくすること、及び先端部の形状を円錐状等にすることが記載されている。これによれば、熱処理中において、ウェーハから軸状部材への放熱を抑制できるため、ウェーハの局部的な温度の低下を抑制し、熱応力によるスリップの発生を抑制することができる。

一方、特許文献２には、ウェーハの下面を支持するピン状の軸状部材において、先端の材質を、赤外光を吸収するシリコン材質とすることが記載されている。これによれば、石英材で形成される軸状部材と比べて、熱処理時の軸状部材の温度を上げることができ、ウェーハから軸状部材への放熱を抑制できるため、ウェーハの局部的な温度の低下を抑制し、熱応力によるスリップの発生を抑制することができる。

特開２００６−５１７７号公報 特開２００８−１６６７６３号公報

ところで、特許文献１によれば、ウェーハの下面に向けて下方から照射された赤外光は、軸状部材を下から支持する支持部材等の表面で散乱してしまうため、軸状部材と対向するウェーハの領域には赤外光が照射される量が少ない領域が生じる。これにより、ウェーハから軸状部材への放熱を抑制しても、ウェーハには温度が低い領域が発生するため、熱応力によるスリップが発生するおそれがある。

また、特許文献２によれば、熱処理時において、軸状部材の温度を高めることができるが、軸状部材は、これを保持する構造部材等と接しており、軸状部材の熱が構造部材に放熱されるため、軸状部材の温度はウェーハの温度まで上がることがない。このため、ウェーハから軸状部材への放熱を完全になくすことはできない。また、軸状部材の下面に入射した赤外光は、シリコン材に吸収されるため、ウェーハには赤外光が照射される量が少ない領域が発生する。このため、ウェーハには局部的に温度が低い領域が生じてしまい、結果として熱応力によるスリップが発生するおそれがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ウェーハの熱処理時において、ウェーハの面内温度を均一化させて、スリップの発生を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のウェーハ支持治具は、ウェーハを熱処理炉内で熱処理するときに該ウェーハの下面と一端が当接して該ウェーハを下から支持する石英材を主材とする軸状部材を備えたウェーハ支持治具であって、軸状部材は、軸状の第１の部材の外周を該第１の部材よりも屈折率が小さい第２の部材で包囲するととともに両端面から第１の部材が露出してなるものとする。

すなわち、軸状部材は、第１の部材の外周面の周囲を、第１の部材よりも屈折率が低い第２の部材で包囲して形成されるため、軸状部材の一端に入射した赤外光は、第１の部材の外周面、つまり第１の部材と第２の部材との境界面で反射しながら他端に向かって透過する。したがって、軸状部材に入射した赤外光は、軸状部材と対向するウェーハの面に向けて損失なく照射されるため、ウェーハの局部的な温度の低下を防ぎ、ウェーハの面内温度均一性を高めることができる。一方、第１の部材の外周面は第２の部材で保護されているため、長期間使用してもその境界面が劣化することがなく、赤外光の散乱が経時的に増加することもない。したがって、このような軸状部材を有するウェーハ支持治具を用いることにより、ウェーハの熱応力の発生に起因するスリップの発生を長期間に渡って抑制することができる。

ところで、ウェーハの直径が大きくなり、これに伴って荷重が大きくなると、荷重を分散させるため、軸状部材がウェーハと接する端面を大きくしなければならなくなる。しかし、このようにすると、ウェーハから軸状部材への放熱量が増加し、ウェーハには局部的な温度の低下が生じ易くなる。この点、本発明によれば、軸状部材のウェーハと接する端面が大きくなっても、その分、軸状部材を介して多くの赤外光をウェーハに照射させることができるため、ウェーハの局部的な温度低下を抑制することができる。

この場合において、第１の部材は少なくとも一端部の断面が円錐台状に形成されてなるものとする。このように形成することで、ウェーハと当接する端面の面積を小さくすることができ、また、第１の部材を透過する赤外光を第１の部材と第２の部材との境界面で反射させながら集光させてウェーハに照射することができるため、ウェーハの局部的な温度低下をより効果的に抑制することができる。

また、ウェーハ支持治具は、第２の部材を石英材からなる平板状のベース板の一方の面から突出させてベース板と一体的に形成するとともに第１の部材をベース板に貫通させて形成してなるものとしてもよい。これによれば、ベース板の下方から照射された赤外光は、ベース板において反射や散乱等を起こすことなく、第１の部材の下端に直接入射するため、より多くの赤外光をウェーハに照射することができる。

また、第１の部材は、石英材中にゲルマニウムが添加されてなるものとする。このように石英材中に添加することで、屈折率を上昇させる元素としては、他にもリンやアルミニウム等があるが、これらの元素に比べて、ゲルマニウムは石英内部での赤外光の吸収が少なく、より多くの赤外光を透過できる点で優れている。

また、本発明の軸状部材は、ウェーハを熱処理炉内で熱処理するときにウェーハの下面と一端が当接してウェーハを下から支持する石英材を主材とするものであり、軸状の第１の部材の外周面を第１の部材よりも屈折率が小さい第２の部材で包囲するととともに両端面から第１の部材が露出してなるものとする。

また、このような軸状部材を用いたシリコンウェーハの熱処理方法としては、熱処理炉内において、複数の軸状部材によりシリコンウェーハを下から支持した状態で、酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素、アンモニア、水蒸気のうちのいずれか１種のガス又はこれらのガスのうち２種以上を混合した混合ガスの雰囲気中、３０℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下の昇降温速度で、１１５０℃以上１４００℃以下の温度まで急速昇温し、１ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下の時間保持した後、急速降温することを特徴とする。このような熱処理方法によれば、シリコンウェーハ中の酸素析出物の濃度分布を制御しながら、スリップの発生を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、ウェーハの熱処理時において、スリップの発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態のウェーハ支持治具を収容した熱処理装置の概略構成を説明する側断面図である。 本発明の第１の実施形態のウェーハ支持治具において、軸状部材の構成を示す側断面図である。 図２の軸状部材を構造部材で保持した状態を示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態のウェーハ支持治具を用いてウェーハを支持し、該ウェーハを熱処理するときの作用を説明する図である。 本発明の第２の実施形態のウェーハ支持治具において、軸状部材の構成を示す側断面図である。 本発明の第２の実施形態のウェーハ支持治具を用いてウェーハを支持し、該ウェーハを熱処理するときの作用を説明する図である。 本発明の第３の実施形態のウェーハ支持治具において、軸状部材を拡大して示す側断面図である。 本発明の第３の実施形態のウェーハ支持治具を用いてウェーハを支持し、該ウェーハを熱処理するときの作用を説明する図である。 従来のウェーハ支持治具を用いてウェーハを支持し、該ウェーハを熱処理するときの作用を説明する図である。 実施例１及び比較例１の軸状部材の構成を示す側断面図である。 実施例２の軸状部材の構成を示す側断面図である。 実施例３〜７及び比較例２、３の軸状部材の構成を示す側断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなるウェーハ支持治具の一実施形態について説明する。本実施形態のウェーハ支持治具は、例えば、枚葉式のＲＴＡ装置等に好適に用いられる。図１は、本発明のウェーハ支持治具を用いてウェーハを熱処理するＲＴＡ装置の概略断面図である。

本実施形態のＲＴＡ装置は、加熱ランプを熱源として急速熱処理を行うことが可能になっている。ここで、急速熱処理とは、急速昇温及び急速降温を意味し、例えば、昇温速度又は降温速度が１０〜２５０℃／ｓｅｃ、好ましくは３０〜１５０℃／ｓｅｃ、より好ましくは５０〜７０℃／ｓｅｃの急速加熱又は急速冷却を伴う熱処理のことをいう。本実施形態では、酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素、アンモニア、水蒸気のうちいずれか１種のガス、或いは、これらのガスのうち２種以上を混合した混合ガスの雰囲気中で、１０００℃〜１４００℃、好ましくは１１５０℃〜１４００℃の温度で１ｓｅｃ〜３００ｓｅｃ、好ましくは１〜６０ｓｅｃの時間保持する条件で熱処理を行うものとする。すなわち、熱処理温度は１４００℃を超えるとスリップが発生しやすくなり、１１５０℃以上であれば酸素析出濃度の制御が容易になるため、１１５０℃〜１４００℃の温度で処理することが好ましい。また、保持時間は１ｓｅｃ未満であると酸素析出濃度を効果的に制御できず、６０ｓｅｃ以下であればスリップの抑制が容易になるため、１ｓｅｃ〜６０ｓｅｃの時間保持することが好ましい。

図１に示すように、熱処理装置は、石英からなるチャンバー１の内部にシリコンウェーハ３（以下、ウェーハ３と略す。）が収容される空間が形成され、チャンバー１の外側の上方には複数の加熱ランプ５ａが平面状に配列され、外側の下方には複数の加熱ランプ５ｂが平面状に配列されている。チャンバー１内には、ウェーハトレイ７が設置され、ウェーハトレイ７の上にはウェーハ支持治具が設けられている。

ウェーハ支持治具は、ベース板９と軸状部材１１とを有して構成され、より具体的には、ウェーハトレイ７の上に支持部材等を介してベース板９が設置され、そのベース板９の上にはウェーハ３の下面と当接して支持する３つの軸状部材１１が立設されている。これらの軸状部材１１は円形のウェーハ３の自重を分散し安定して支持するため、例えば上面視で略１２０度の間隔となるように配置されている。チャンバー１、ウェーハトレイ７、ベース板９はいずれも石英材から形成され、軸状部材１１は後述するように石英材を主材として形成される。

チャンバー１には不活性ガスや反応ガス等をチャンバー１内に導入するガス導入口１３とチャンバー内のガスを外部に排気するガス排気口１５が設けられている。また、チャンバー１にはウェーハ３をチャンバー１内に搬送するための開口部１７が設けられている。開口部１７は、ウェーハ３がチャンバー１内に搬送された後、図示しないオートシャッターにより蓋がされるようになっている。チャンバー１の外部には、ウェーハ３の温度の測定が可能なパイロメータ１９が配置されている。

チャンバー１内には、設置されたウェーハ３と同じ高さ位置で、ウェーハ３の外周面から所定距離（例えば２ｍｍ）離れた位置に、ウェーハ３を取り囲むようにリング形状のガードリング３３が設けられている。このガードリング３３は、例えばシリコン材により形成され、複数に分割された構造部材をリング状に配列させて全体としてリング形状となるように構成されているが、リング状に一体的に形成されていてもよい。昇温後の一定温度の熱処理中及び降温中はウェーハ３の外周側からの放熱が中心部からの放熱よりも多く、ウェーハ３面内での温度均一性が悪くなるが、ウェーハ３をガードリング３３で包囲することにより、ウェーハ３の外周側からの放熱を抑制し、ウェーハ面内温度の均一性を高めることができる。

チャンバー１内に設置されたウェーハ３は、熱処理時において、ウェーハ支持治具の上に支持された状態で、ウェーハトレイ７に対して浮上しながら回転するようになっている。チャンバー１にはガス導入口１３とは別の経路でガスが導入され、このガスがベース板９の下方等に作用することで、ベース板９とその上に軸状部材１１を介して支持されたウェーハ３を浮上させるとともに所定の回転力を付与して回転させるようになっている。このようにウェーハ３を回転させることにより、加熱ランプ５ａ，５ｂの設置位置とウェーハ設置位置との相対関係や、その他ＲＴＡ装置内に設けられる部材との相対関係によるウェーハ面内温度の不均一化を抑制することができる。

加熱ランプ５ａ，５ｂはハロゲンランプであり、波長０.７〜３ミクロンの赤外光を主に発光させるものである。この加熱ランプ５ａ，５ｂは、それぞれ所定の配列面をなして所定の間隔で平面状に配列され、各配列面が互いに平行になるように対向配置されている。チャンバー１内に配置されたウェーハ３、ベース板９、ウェーハトレイ７の各面は、いずれも加熱ランプ５ａ，５ｂの配列面と平行になるように配置されている。本実施形態では、加熱ランプ５ａ，５ｂをウェーハ３の上方と下方にそれぞれ設ける例を説明したが、少なくともウェーハの下方から赤外光を照射する加熱ランプ５ｂが設けられていればよい。

次に、軸状部材１１の構成について図面を参照して説明する。本実施形態では、ベース板９上に３個の軸状部材１１が立設され、ウェーハ３の下面に軸状部材１１の一端面（変更はしておりません。別紙コメントを参照ください）が当接することにより、ウェーハ３が３点で支持されるようになっている。軸状部材１１は４つ以上用いてもよいが、ウェーハ３の自重を分散して安定に保持するためには３つあれば十分である。

図２は、軸状部材１１の全体構成を示す側断面図である。図に示すように、軸状部材１１は、円柱状に形成された胴部２１と、円錐台状に形成された先端部２３とが軸方向で一体的に形成された形状をなしている。軸状部材１１は、両端に渡って延在する第１の部材２５の外周面を第２の部材２７が包囲して形成され、第２の部材２７は第１の部材２５の外周面全体に好ましくは均一な厚みで形成されている。軸状部材１１の両端面は互いに平行な平面に形成される。軸状部材１１の両端面からは第１の部材２５が露出され、この露出する第１の部材２５は第２の部材２７と面一になっている。第１の部材２５は必ずしも第２の部材２７と面一になっていなくてもよいが、赤外光の散乱を防ぐためには、面一であることが望ましい。軸状部材１１の両端を平面とすることにより、下端面がベース板９の上面と接触し、上端面がウェーハ３の下面と接触する。これにより、軸状部材１１の下面には赤外光が散乱することなく入射するため、赤外光の入射する量が最大となり、また、軸状部材１１の上面からウェーハ３に向けて放射される赤外光の量が最大となる。そして、軸状部材１１の第１の部材２５と第２の部材２７の境界を含む面がウェーハ３の下面と接触することにより、軸状部材１１の下面から第１の部材２５に入射した赤外光を漏らさずウェーハ３に照射することができる。なお、本実施形態では、軸状部材１１からウェーハ３に照射する赤外光の量を最大とするため、軸状部材１１の両端を平面としているが、スリップの発生に影響を与えない範囲内で、軸状部材１１の両端又は一方の端面を平面以外の曲面等で形成することも可能である。

第１の部材２５は、石英中にゲルマニウムが添加されており、石英だけからなる第２の部材２７よりも赤外線に対する屈折率が大きくなっている。具体的には、第１の部材２５と第２の部材２７との屈折率の差の第２の部材２７の屈折率に対する比率を比屈折率差とすると、この比屈折率差は０.３％〜２.３％の範囲が好適である。０.３％より小さいと赤外光を効率よく集光することができず、２.３％より大きくなるとゲルマニウム等を添加して石英を作製することが困難になる。この比屈折率差に対応するゲルマニウム濃度は５ｍｏｌ％〜２５ｍｏｌ％となる。第１の部材２５の外周面、つまり屈折率が異なる境界面２９は、所定の面粗度、例えば、赤外光を透過させる際に光の散乱による影響が生じない程度の面粗度、例えば鏡面に形成され、第２の部材２７により外側から保護されるようになっている。この境界面２９は、胴部２１における境界面２９ａと先端部２３における境界面２９ｂとから形成され、境界面２９ａは軸方向に沿って真直ぐ延びているのに対し、境界面２９ｂは軸方向に沿って先細りとなるように斜めに延びている。第１の部材２５に取り込まれた光を軸方向に損失なく透過させるためには、境界面２９での赤外光の反射率を高める必要がある。本実施形態では、ゲルマニウムの添加率等を調整して、所定の反射率を得るために屈折率の差を調整するようにしている。このように、軸状部材１１には、第２の部材１７の内側に光の反射面となる境界面２９が両端に渡って形成されるため、入射した赤外光を損失なくウェーハ３まで到達させることができる。

図３に示すように、軸状部材１１は、炉内における回転等に伴う位置ずれや倒れ等を防ぐため、ベース板９の上に固着された構造部材３１に支持されるようになっている。つまり、ベース板９の上にはリング状に形成された構造部材３１の一端面が固着されており、その構造部材３１の内側の空間内に軸状部材１１の胴部２１が挿入されることで、軸状部材１１がベース板９の上に支持される。本実施形態の軸状部材１１は、このような単純な構造で用いられるため、従来のＲＴＡ装置の構造を大きく変更することなく、ウェーハ３を支持する軸状部材１１を交換するだけでウェーハ３の局部的な温度低下を抑制することができる。

次に、本実施形態のウェーハ支持治具を用いてウェーハ３をＲＴＡ装置内で熱処理するときの動作について説明する。まず、ウェーハ３を開口部１７からチャンバー１内に搬入し、３本の軸状部材１１の上端面の上に載せてから、開口部１７の蓋を閉じる。このとき、ウェーハ３は、水平の状態、つまり各赤外光５ａ，５ｂの配列面と平行になるように配置されている。続いて、熱処理中にウェーハ３が不純物と反応するのを防ぐため、ガス導入口１３から不活性ガス又は反応ガスを導入しながら、加熱ランプ５ａ，５ｂの加熱によりウェーハ３の熱処理を行う。

ここで、本発明に係る軸状部材１１の作用を解り易く説明するために、まず、従来の軸状部材を用いたときの作用について図９を参照して説明する。従来の軸状部材３５は、本実施形態の軸状部材１１と外形形状が同一であるが、１種類の石英材のみから形成され、屈折率が異なる境界面２９を内部に有していない点で本実施形態の軸状部材１１と相違する。

加熱ランプ５ａから照射された赤外光（矢印ａ）は、チャンバー１を透過してウェーハ３の上面に入射することで、ウェーハ３を上面側から加熱する。一方、加熱ランプ５ｂから照射された赤外光（矢印ｂ）は、チャンバー１、ウェーハトレイ７（図１）、ベース板９を順次透過した後、軸状部材３５や構造部材３１の下端面に入射する。ところが、軸状部材３５やこれを保持する構造部材３１に入射した赤外光（矢印ｃ）は、これらを透過する際に外面にて散乱するため、ウェーハ３に到達する赤外光は大幅に減少する。また、軸状部材３５や構造部材３１は石英材からなり赤外光を吸収しないため、ウェーハ３よりも温度が低い。このため、ウェーハ３の熱はウェーハ３と軸状部材３５との接触点を介して軸状部材３５に放熱される（矢印ｄ）。その結果、ウェーハ３において軸状部材３５が当接する領域は局部的に温度が低下し、その周囲との温度差に起因する熱応力により、スリップが発生し易くなる。

本実施形態の軸状部材１１によれば、図４に示すように、例えば、軸状部材３３の下面から入射した赤外光（矢印ｃ）は、第１の部材２５において、境界面２９ａの内側を透過した後、境界面２９ｂの内側を透過することにより、軸中心方向へ集光されてウェーハ３に照射される。特に、斜めに形成される境界面２９ｂは、赤外光ｃを集光させる効果が大きい。第１の部材２５に入射した赤外光は、軸状部材１１の表面で散乱することなく境界面２９で反射し、境界面２９の内側だけを透過する。これにより、ウェーハ３に入射する単位面積当たりの光量は、軸状部材１１が接する領域を除いた他の領域よりも、軸状部材１１が接する領域の方が多くなる。したがって、ウェーハ３の熱が軸状部材１１へ放熱されたとしても、その放熱する領域には、集光された赤外光ｃが照射されて熱が補填されるため、結果としてウェーハ３の局部的な温度の低下が抑制され、面内温度均一性を向上させることができる。これにより、ウェーハ３における熱応力の発生が抑制されるため、スリップの発生を防ぐことができる。

また、本実施形態では、ウェーハ３の直径が大きく、荷重の大きなウェーハを支持するときは、その荷重を分散させるために、軸状部材１１は、ウェーハ３と当接する先端面の面積が大きなものが用いられるが、その場合でも、面積が大きくなる分、軸状部材１１を介してより多くの赤外光がウェーハ３に照射されるため、ウェーハ３から軸状部材１１に放熱する量が増えたとしても、結果としてウェーハ３の局部的な温度低下を抑制することができ、スリップの発生を抑制することができる。

また、本実施形態の軸状部材１１は、屈折率の異なる境界面２９が第２の部材２７で保護されているため、例えば、軸状部材１１の洗浄や長時間使用等により、境界面２９が経時劣化したり、磨り減ることがない。このため、長期間使用しても境界面２９は当初の面状態、つまり研磨面が維持されるため、長期間に渡って光の散乱を防ぐ効果が持続され、しかも、境界面２９を定期的に研磨する等の作業が不要となるため、メンテナンスコストの増加を防ぐことができる。

また、本実施形態の軸状部材１１は、互いに平行な両端面がそれぞれベース板９及びウェーハ３と密着するとともに加熱ランプ５ａ，５ｂの配列面と平行に配置されている。このため、加熱ランプ５ｂから照射された赤外光ｂが軸状部材１１の下端面で反射することによる損失を抑制できるため、赤外光ｂを損失なく軸状部材１１に入射させることができる。

また、本実施形態の軸状部材１１は、第１の部材２５の石英中にゲルマニウムを添加しているが、これはリンやアルミニウム等のように石英の屈折率を高める他の元素と比べて、ゲルマニウムは、石英内部での赤外光の吸収が少なく、より多くの赤外光を透過できるためである。したがって、第１の部材２５の透過率を所定の範囲内に保持することができ、しかも、第１の部材２５の屈折率を第２の部材２７の屈折率よりも大きくできるのであれば、他の元素を第１の部材又は第２の部材に添加してもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態のウェーハ支持治具の構成について説明する。図５は、本実施形態の軸状部材３７の全体構成を示す側断面図である。図に示すように、本実施形態のウェーハ支持治具が第１の実施形態と異なる点は、軸状部材３７が全体で円錐台状をなしており、軸状部材１１のように円柱状の胴部を有していない点にある。なお、その他の構成については第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

軸状部材３７は、ウェーハ３と当接する上端面が第１の実施形態の軸状部材１１の上端面と同じ面積であるのに対し、ベース板９と当接する下端面は、軸状部材１１の下端面よりも面積が大きくなっている。このため、図６に示すように、加熱ランプ５ｂ（図１）から照射された赤外光ｂは、より広い領域から軸状部材３７の下端面に入射し、第１の部材２５を透過する際に斜めに形成される境界面２９ｃで反射して集光しながら上端面よりウェーハ３に照射される。このため、ウェーハ３には、単位面積当たりの入射する赤外光ｃの量が、第１の実施形態よりも多くなる。したがって、ウェーハ３の局部的な温度低下を一層抑制することができ、それに伴って熱応力の発生を一層抑制できるため、スリップの発生をより効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態の軸状部材３７は、第１の実施形態の軸状部材１１と比べてベース板９上での安定性が高いため、図６のように構造部材１１を用いなくてもよいが、炉内における回転等に伴う位置ずれや倒れ等を防ぐため、軸状部材１１と同様に、ベース板９の上に固着された構造部材３１に支持された状態で使用してもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態のウェーハ支持治具について説明する。図７は、本実施形態のウェーハ支持治具において軸状部材３９の部分を拡大して示す側断面図である。図に示すように、本実施形態のウェーハ支持治具が他の実施形態と異なる点は、軸状部材３９のうち、第１の部材２５がベース板９を貫通するとともに第２の部材２７がベース板９と一体的に形成されていることにある。なお、その他の構成については他の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

軸状部材３９は、第２の実施形態と同様、全体で円錐台状をなしており、ベース板９の上面側から突出するようにして形成される。第１の部材２５はベース板９を貫通してベース板９の下面側に面一で露出されており、第２の部材２７はベース板９と連続的に形成される。このように構成されるため、図８に示すように、加熱ランプ５ｂから照射された赤外光ｂは、ウェーハトレイ７（図１）を透過した後、ベース板９を透過することなく直接、軸状部材３９の下端面に入射する。そして、第１の部材２５を透過する際に斜めに形成される境界面２９ｄで反射して集光しながら上端面よりウェーハ３に照射される。したがって、赤外光ｂは、ベース板９で散乱することがないため、第２の実施形態の軸状部材３７よりも多くの赤外光ｃを軸状部材３９に入射させることができる。これにより、ウェーハ３には単位面積当たりでさらに多くの赤外光ｃが入射されるため、ウェーハ３の局部的な温度低下とこれに伴う熱応力の発生をより一層抑制することができ、スリップの発生をより確実に防ぐことができる。

以上述べたように、上記の実施形態では、軸状部材として３つの実施形態を説明したが、少なくとも、第１の部材２５と第２の部材２７との間の境界面２９が両端に渡って形成されていれば、必ずしも第１の部材２５の一部又は全部が円錐台状に形成されていなくてもよく、例えば、第１の部材２５が両端に渡って円柱状に形成されていてもよい。この場合、第１の部材２５に入射した赤外光は、軸中心方向へ集光されずに透過するが、境界面２９を有していれば、少なくとも赤外光を散乱させることなく、第１の部材２５を透過した赤外光をウェーハ３に照射することができる。したがって、従来構成（図８参照）よりも多くの赤外光をウェーハ３に照射できるため、スリップを抑制することができる。また、第１の部材２５が第２の部材２７で保護されていれば、境界面２９の経時劣化を防ぐことができるため、長期間に渡って光の散乱を抑制し、スリップの発生を抑制する効果が得られる。

なお、上記の実施形態では、熱処理するウェーハとしてシリコンウェーハを用いる例を説明したが、要は、赤外光の照射により熱処理可能なウェーハであれば、シリコンウェーハに限られるものではなく、例えばシリコンカーバイドウェーハを用いた場合でも、シリコンウェーハと同様にスリップの発生を抑制する効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例１〜７及び比較例１〜３について説明する。実施例１〜７及び比較例１〜３では、それぞれ軸状部材を作製し、その作製した軸状部材を備えたウェーハ支持治具を用いてシリコンウェーハを支持する状態で熱処理を施した。そして、熱処理後のシリコンウェーハの表面を観察し、スリップ発生の有無、発生の程度について評価した。熱処理は、各実施例及び各比較例において、図１と同じ構成のＲＴＡ装置を用いて、同じ条件の下で行った。なお、以下のすべての実施例及び比較例では、シリコンウェーハをウェーハと略して説明する。

（ＲＴＡ装置の概略仕様）
熱処理温度可能範囲：６００℃〜１４００℃／ｓｅｃ
熱処理時間可能範囲：１〜３００ｓｅｃ
昇温速度可能範囲：１０〜１５０℃／ｓｅｃ
降温速度可能範囲：１０〜１５０℃／ｓｅｃ
ウェーハの回転数可能範囲：５〜１００ｒｐｍ
導入可能なガス雰囲気：酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素、アンモニア、水蒸気、及びこれらの少なくとも２種を混合した混合ガス
処理可能なウェーハ直径：１５０ｍｍ，２００ｍｍ，３００ｍｍ
加熱ランプの配置：ウェーハの上方と下方にそれぞれウェーハと平行な配列面をなすように複数のランプを配置する（図１参照）。
軸状部材の配置：石英製のベース板の上に立設させて載置し、ウェーハの外周から３ｍｍ内側の位置に略１２０°間隔で３個配置した。

（熱処理条件）
温度：１２５０℃
保持時間：１０ｓｅｃ
昇温速度：５０℃／ｓｅｃ
降温速度：５０℃／ｓｅｃ
ウェーハ回転数：７０ｒｐｍ
雰囲気ガス：酸素ガス１００％
ウェーハ直径：３００ｍｍ

（軸状部材の作製例）
実施例１〜７の軸状部材は、いずれも周知の光ファイバーの製造技術を用いることにより作製できる。具体的には、まず、塩素化合物（四塩化ケイ素ガス）に酸素や水素を混ぜて燃やすと、塩素が酸素と置き換わり、スス状の酸化ケイ素が得られる。次に、これを集めて棒状にし、溶解して固めることにより、高純度で透明な石英ガラス棒が得られる。このとき、少量のゲルマニウムの塩素化合物を酸化ケイ素に混合して燃やすことにより、石英ガラス棒の屈折率を大きくすることができる。屈折率はゲルマニウムの添加量等を調整することにより、調整可能である。こうしてできた屈折率の大きい石英ガラス棒を中心軸にして、その周りにゲルマニウムを含まない酸化ケイ素のススを吹き付け、石英ガラスを太らせる。これにより、屈折率の大きな芯材の部分と、これを覆う屈折率の小さな外郭の部分からなる原型ができるため、これを以下の実施例の各形状に加工する。このように本実施例では、ゲルマニウムを混ぜて芯材の屈折率を高めることにより軸状部材を作製しているが、この方法以外に、例えば、芯材を覆う外郭の部分にフッ素等の屈折率を低下させる元素を添加する方法やこれらを組み合わせる方法も可能である。なお、実施例３〜７は、軸状部材とこれを支持するベース板９とが一体的に形成されているが、これについては、例えばベース板にテーパ状の穴を加工し、この穴内に軸状部材を差し込み焼結させることにより、軸状部材の外周面をベース板の穴内周面に固着させ、一体化させることができる。

次に、各実施例及び比較例における軸状部材の構成を説明する。

（実施例１）
本実施例では、図１０に示すように、円錐台状の先端部と円柱状の胴部が一体的に形成された軸状部材を作製した。この軸状部材は、図に示すように、全長が１７ｍｍ、胴部の長さが１２.５ｍｍ、先端部の長さが４.５ｍｍに形成される。両端面はいずれも平坦面で互いに平行に形成されるとともに芯材が露出して面一になっている。ウェーハと接する端面の直径は０.５ｍｍ、ベース板と接する円錐下の端面の直径は１.６ｍｍである。ベース板に立設させた時の垂直軸（以下、中心軸という）に対する芯材を覆う外郭の円錐の斜面角度は７°（表面はすりガラス面）である。外郭の厚さは０.１ｍｍである。芯材におけるゲルマニウムの含有量は、１５ｍｏｌ％であり、芯材と外郭との比屈折率差は約１.５％である。このようにして構成される軸状部材を厚さ２ｍｍのベース板の上に載置し、その軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。ここで、軸状部材は倒れ防止のため、ベース板に固着した構造部材で軸状部材を支持した（図３参照）。

（比較例１）
実施例１と外形形状、外形寸法が同じ軸状部材を、ゲルマニウムを加えない石英材（実施例１の外郭と同じ材質）のみで作製した。この軸状部材の波長１.５μｍの赤外光に対する屈折率は１.４５である。この軸状部材を厚さ２ｍｍのベース板の上に載置し、その軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。なお、実施例１と同様に、軸状部材は構造部材で支持した。

（実施例２）
本実施例では、図１１に示すように、全体として円錐台状に形成された軸状部材を作製した。この軸状部材は、実施例１と同様に、全長は１７ｍｍ、両端面はいずれも平坦面（円形）で互いに平行に形成されるとともに芯材が露出されて面一になっている。ウェーハと接する端面の直径は０.５ｍｍ、ベース板と接する円錐下の端面の直径は４.７ｍｍである。中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度は７°（表面はすりガラス面）であり、外郭の厚さは０.１ｍｍである。芯材におけるゲルマニウムの含有量は、１５ｍｏｌ％であり、芯材と外郭との比屈折率差は約１.５％ある。このようにして構成される軸状部材を厚さ２ｍｍのベース板の上に載置し、その軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（実施例３）
本実施例では、図１２に示すように、円錐台状の軸状部材がベース板と一体的に形成されたウェーハ支持治具を作製した。軸状部材は、ベース板（厚さ２ｍｍ）を貫通する部分を含めた全長が１９ｍｍ、ベース板から突出する部分の全長が１７ｍｍ、両端面はいずれも平坦面で互いに平行に形成されるとともに芯材が露出されて面一になっている。軸状部材は、ウェーハと接する端面の直径が０.５ｍｍ、ベース板の裏面と面一に形成される円錐下の端面の直径が５.２ｍｍである。中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度は７°（表面はすりガラス面）であり、外郭の厚さは０.１ｍｍである。芯材におけるゲルマニウムの含有量は、１５ｍｏｌ％であり、芯材と外郭との比屈折率差は約１.５％である。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（実施例４）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を３.８ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を５°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（実施例５）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を４.５ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を６°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（実施例６）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を５.８ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を８°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（実施例７）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を６.５ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を９°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（比較例２）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を３.２ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を４°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

（比較例３）
実施例３において、ベース板の裏面と面一に形成される軸状部材の円錐下の端面の直径を７.２ｍｍ、中心軸に対する外郭の円錐の斜面角度を１０°とする。その他の形状、寸法は実施例３と同じである。このようにして構成される軸状部材の上にウェーハを載せて熱処理した。

次に、実施例１〜７及び比較例１〜３の熱処理により、ウェーハに形成されたシリコン酸化膜（膜厚１４０Å）をエリプメータにより測定した。軸状部材が当接するウェーハの支持位置における膜厚と該支持位置から１ｃｍ離れた位置での膜厚の平均との差から、支持位置におけるウェーハの温度低下を推測した。膜厚差と推測される温度差の結果を以下に示す。
実施例１：膜厚差２Å → 温度差４℃
実施例２：膜厚差１Å → 温度差２℃
実施例３：膜厚差０.５Å → 温度差１℃
実施例４：膜厚差１Å → 温度差２℃
実施例５：膜厚差０.５Å → 温度差１℃
実施例６：膜厚差０.５Å → 温度差１℃
実施例７：膜厚差２Å → 温度差４℃
比較例１：膜厚差５Å → 温度差１０℃
比較例２：膜厚差１Å → 温度差２℃、軸状部材が折れていた。
比較例３：膜厚差５Å → 温度差１０℃

次に、ＸＲＴ（Ｘ線トポグラフ法）により、軸状部材が当接するウェーハの支持位置におけるスリップ発生の有無とスリップの長さを測定した結果について以下に示す。また、軸状部材をベース板と一体形成したウェーハ支持治具を用いた実施例４〜７及び比較例２、３について、対比した結果を表１にまとめて示す。
実施例１：支持位置で１ｍｍのスリップが１本発生
実施例２：支持位置で０.５ｍｍのスリップが１本発生
実施例３：スリップ発生なし
実施例４：支持位置で０.５ｍｍのスリップが１本発生
実施例５：スリップ発生なし
実施例６：スリップ発生なし
実施例７：支持位置で１ｍｍのスリップが１本発生
比較例１：支持位置で３ｍｍのスリップが１０本発生
比較例２：ウェーハ外周付近で２ｍｍのスリップが２０本発生
比較例３：支持位置で３ｍｍのスリップが１０本発生

上記の結果より、比較例１〜３では、いずれも長さが２ｍｍ以上で、１０本以上の多数のスリップが確認された。これに対し、実施例３，５，６はスリップが全く確認されず、他の実施例はスリップの発生が確認されたが、確認されたスリップはいずれも１ｍｍ以内の短いものであり、しかも１本のみであった。ここで、実施例１と比較例１は、軸状部材の形状及び寸法が全く同じであり、屈折率が異なる境界面（反射面）を内部に有するか否かの違いのみであるが、比較例１に対して実施例１はスリップの発生率（長さ、発生本数）が格段に低下している。このため、本発明の境界面の効果が確認された。

また、実施例７と比較例３は、軸状部材の斜面角度と円錐下端の直径が異なるのみであるが、実施例７に対して比較例３はスリップの発生率が増大している。これは、比較例３のように斜面角度が大きくなると、下方から入射する赤外光に対して、屈折率が異なる境界面の角度も大きくなることから、芯材に入射する赤外光のうち、境界面で反射して軸中心方向へ集光される光の割合が減少することによる。つまり、境界面の角度が大きくなると、赤外光が境界面を透過して外郭の外周面まで到達し、そこで散乱する割合が大きくなるため、光の損失が多くなる。また、軸状部材の斜面角度が大きくなると、軸状部材が太くなり熱容量が大きくなるため、ウェーハからの放熱があったとしても、軸状部材の温度が上がり難くなる。その結果、熱処理温度が上がるに従って、軸状部材とウェーハとの温度差が大きくなり、ウェーハから軸状部材への放熱量が増加する。このように、ウェーハの支持位置において、赤外光がウェーハに入射する量が減少することに加えて、支持位置におけるウェーハからの放熱量が増加することが、スリップの発生率を高める原因と推測される。

また、実施例４と比較例２は、軸状部材の斜面角度と円錐下端の直径が異なるのみであるが、実施例４に対して比較例２はスリップの発生率が増大している。これは、比較例２のように斜面角度が小さくなると、下方から軸状部材に入射する赤外光の量が減少するため、ウェーハに照射される赤外光の量が減少し、集光された赤外光の放射によるウェーハの温度上昇に比較して、ウェーハから軸状部材へ放熱される熱量の割合が大きくなるため、ウェーハの局部的な温度低下を招くことによる。また、軸状部材の斜面角度が小さくなると、軸状部材が細くなり、強度が不足するため、熱処理時に折れてしまい、ウェーハを水平保持できなくなる。このように熱処理中にウェーハが傾くと、外周に設定されるガードリングとの距離が離れることから、ウェーハの温度が下がり、結果としてウェーハの外周にスリップが入ったものと推測される。

１ チャンバー
３ シリコンウェーハ
５ａ，５ｂ 加熱ランプ
９ ベース板
１１，３７，３９ 軸状部材
２１ 胴部
２３ 先端部
２５ 第１の部材
２７ 第２の部材
２９ 境界面

上記課題を解決するため、本発明のウェーハ支持治具は、ウェーハを熱処理炉内で熱処理するときに該ウェーハの下面と一端が当接して該ウェーハを下から支持する石英材を主材とする軸状部材を備えたウェーハ支持治具であって、軸状部材は、軸状の第１の部材の外周を該第１の部材よりも屈折率が小さい第２の部材で包囲するとともに両端面から第１の部材が露出してなるものとする。

次に、軸状部材１１の構成について図面を参照して説明する。本実施形態では、ベース板９上に３個の軸状部材１１が立設され、ウェーハ３の下面に軸状部材１１の一端面が当接することにより、ウェーハ３が３点で支持されるようになっている。軸状部材１１は４つ以上用いてもよいが、ウェーハ３の自重を分散して安定に保持するためには３つあれば十分である。

Claims (6)

1. ウェーハを熱処理炉内で熱処理するときに該ウェーハの下面と一端が当接して該ウェーハを下から支持する石英材を主材とする軸状部材を備えたウェーハ支持治具であって、
   前記軸状部材は、軸状の第１の部材の外周面を該第１の部材よりも屈折率が小さい第２の部材で包囲するととともに両端面から前記第１の部材が露出してなるウェーハ支持治具。
2. 前記第１の部材は少なくとも一端部の断面が円錐台状に形成されてなる請求項１に記載のウェーハ支持治具。
3. 前記第２の部材を石英材からなる平板状のベース板の一方の面から突出させて該ベース板と一体的に形成するとともに前記第１の部材を該ベース板に貫通させて形成してなる請求項１又は２に記載のウェーハ支持治具。
4. 前記第１の部材は、石英材中にゲルマニウムが添加されてなる請求項１乃至３のいずれかに記載のウェーハ支持治具。
5. ウェーハを熱処理炉内で熱処理するときに該ウェーハの下面と一端が当接して該ウェーハを下から支持する石英材を主材とする軸状部材であって、
   軸状の第１の部材の外周面を該第１の部材よりも屈折率が小さい第２の部材で包囲するととともに両端面から前記第１の部材が露出してなる軸状部材。
6. 熱処理炉内に収容されたシリコンウェーハを急速加熱及び急速冷却して熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法において、
   請求項５に記載の軸状部材を複数用いて前記シリコンウェーハを下から支持した状態で、酸素、アルゴン、ヘリウム、窒素、アンモニア、水蒸気のうちのいずれか１種のガス又はこれらのガスのうち２種以上を混合した混合ガスの雰囲気中、３０℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下の昇降温速度で、１１５０℃以上１４００℃以下の温度まで急速昇温し、１ｓｅｃ以上６０ｓｅｃ以下の時間保持した後、急速降温することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。

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