JP2023531074A - 炉内で半導体ウエハを支持するためのウエハボート - Google Patents

Abstract

炉内で複数の半導体ウエハを支持するためのウエハボート。ウエハボートは、半導体ウエハと接触して支持するコンタクト突起部をそれぞれが有するフィンガのセットを含む。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６３／０４４，６９８号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の分野は、半導体ウエハを支持するための半導体ウエハボートに関し、より具体的には、炉内での半導体ウエハの熱処理に使用するための半導体ウエハボートに関する。

半導体ウエハは、特定の望ましい特性を達成するために、通常、高温で熱処理（すなわち、アニール）される。例えば、アニール工程を使用して、ウエハにシリコンの無欠陥層を作製できる。高温アニールプロセスは、典型的には、１１００℃を超える温度（例えば、約１２００℃から約１３００℃の間）にウエハをさらす縦型炉で実施される。

複数の半導体ウエハは、ウエハボートまたは「ラック」によって縦型炉内で支持され得る。ウエハボートには、半導体ウエハが乗る１つまたは複数の支持が含まれる。高温、特に１１００℃以上の温度にさらされると、ウエハは一時的に可塑性が高くなる。つまり、ウエハの耐力は低下する。ウエハが支持されているウエハ上の接触領域は、局所的な重力応力と熱応力によりスリップする可能性がある。スリップはウエハに汚染物質を導入する可能性がある。また、過剰なスリップは、ウエハの塑性変形につながり、デバイス製造における歩留り損失を引き起こすフォトリソグラフィオーバーレイ欠陥などの生産上の問題につながる可能性がある。

支持は半導体ウエハを保持することを目的としているが、ウエハが熱処理されている間、スリップや塑性変形を防ぐために局所的な重力応力と熱応力を最小限に抑える。従来、縦型炉で使用されるウエハボートは、３本以上のロッドを備えている。ロッドは、一般に共通の水平面にある横方向に延びるフィンガを有する。この構成は従来のものであり、通常、２００ｍｍ以下などのより小さな直径ウエハの加熱に適している。より大きな直径のウエハ（たとえば、２００ｍｍを超える）は、より小さな直径のウエハよりも大きな局所的な重力および熱応力にさらされる。このような大きな直径のウエハは、通常、ウエハを支持するためのより大きな表面積を提供する支持リングに搭載される。支持リングは半導体ウエハのウエハボートへの積み降ろしの時間を増加させる。

プロセス中に高温にさらされる半導体ウエハを支持しながら、スリップの発生を制限するために局所的な重力および熱応力を軽減する支持構造を含むウエハボートと、ウエハの積み下ろしのスループットが比較的高いウエハボートが必要とされる。

このセクションは、以下で説明および／または特許請求される、本開示のさまざまな態様に関連し得る技術のさまざまな態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、読者に背景情報を提供して、本開示の様々な側面のより良い理解を促進するのに役立つと考えられる。したがって、これらの記述は、先行技術の承認としてではなく、この観点から読まれるべきであることが理解されるべきである。

本開示の一態様は、炉内で複数の半導体ウエハを支持するためのウエハボートに関する。ウエハボートは、垂直ロッドと、垂直ロッドから半径方向内側に延びるフィンガのセットとを含む。セットの各フィンガには、垂直ロッドから延びる細長いセグメントが含まれる。コンタクト突起部は、半導体ウエハと接触して支持するために、フィンガの遠位端に向かって細長いセグメント上に配置される。コンタクト突起部の少なくとも一部は、細長いセグメントに対して隆起している。

本開示の上述の態様に関連して言及された特徴の様々な改良が存在する。さらなる特徴もまた、本開示の上述の態様に組み込むことができる。これらの改良と追加機能は、個別に、または任意の組み合わせで存在する可能性がある。例えば、本開示の例示された実施形態のいずれかに関連して以下で論じられる様々な特徴は、本開示の上述の態様のいずれかに、単独で、または任意の組み合わせで組み込むことができる。

ウエハボートの斜視図である。 コンタクト突起部を示すウエハボートの平面図である。 図２に示すコンタクト突起部の詳細図である。 コンタクト突起部の他の実施形態の詳細図である。 コンタクト突起部の第１および第２の長さに対するスリップ長さの確率プロットである。

対応する参照符号は、図面全体にわたって対応する部分を示す。

縦型炉で複数の半導体ウエハを支持するためのウエハボートの例が、図１に全体が「１０」で示されている。ウエハボート１０は、高温熱処理工程（本明細書では「アニール」とも呼ぶ）の間、複数の半導体ウエハを支持する。ウエハボート１０は、ウエハボート１０の頂部１４および底部１６に結合された少なくとも１つの垂直ロッド１２（および典型的には３つ以上のロッド）を含む。ウエハボート１０は、頂部１４から底部１６まで延在する長手方向中心軸Ｙ_１０を含む。垂直ロッド１２は、長手方向中心軸Ｙ_１０から距離Ｄ_１に配置される（図１）。

図示したウエハボート１０は、３本の垂直ロッド１２、特に中央ロッド１８および２本の前方ロッド２０を含む。垂直ロッド１２の各々は、長手方向中心軸Ｙ_１０を中心とし、半径Ｒ_１を有する第１の円Ｃ_１上に配置される（図２）。２つの前方ロッド２０は、長手方向中心軸Ｙ_１０の周りに第１の角度α_１だけ離間している。中央ロッド１８は、２つの前方ロッド２０のそれぞれに対して中央ロッド１８が長手方向中心軸Ｙ_１０の周りにて第２の角度α_２だけ離間されるように、２つの前方ロッド２０の間で等しい周方向距離だけ離間される。入口２４（図１）が２つの前方ロッド２０の間に規定されるように、２つの前方ロッド２０は第１の角度α_１だけ離間している。第１の角度α_１は、入口２４が、半導体ウエハが入口２４を通過でき、ウエハボート１０の内部空間２６内に配置されるような大きさになるような、任意の適切な角度であり得る。例えば、第１の角度α_１は１８０°以上であり、第２の角度α_２は９０°以下である。

ウエハボート１０は、半導体ウエハを支持するために垂直ロッド１２から半径方向内側に延びるフィンガ３０を含む（すなわち、ボートはウエハを支持するための支持リングを含まない）。２つの前方垂直ロッド２０は、フィンガ３０の第１および第２のセット３６、３８をそれぞれ含む。中央垂直ロッド１８は、フィンガ３０の第３のセット４０を含む。フィンガ３０の第１のセット３６は第１のフィンガ軸Ａ_３６に沿って延び、フィンガ３０の第２のセット３８は第の２フィンガ軸Ａ_３８に沿って延び、フィンガの第３のセット４０は第３のフィンガ軸Ａ_４０に沿って延びる。各フィンガ軸Ａ_３６、Ａ_３８、Ａ_４０は、フィンガ３０の近位端３２からフィンガ３０の遠位端３４まで延在する。フィンガ３０の近位端３２は、垂直ロッド１２に近接しており、フィンガ３０の遠位端３４は、ウエハボート１０の内部空間２６に配置されている。フィンガ３０は、垂直ロッド１２と一体的に形成されてもよく、例えば、フィンガ３０を形成するために細長い一体構造に切り込みが入れられてもよい。あるいは、フィンガ３０は、別個に形成され、垂直ロッド１２に結合されてもよい。

フィンガ３０の第１および第２のセット３６、３８のフィンガ軸Ａ_３６、Ａ_３８は、それぞれ、第１の円Ｃ_１の弦Ｘ_３６、Ｘ_３８上に延在する。弦Ｘ_３６、Ｘ_３８は、ウエハボート１０の長手方向中心軸Ｙ_１０と交差しない（すなわち、フィンガの第１および第２のセット３６、３８は、それらが長手方向中心軸Ｙ_１０を指すように中心合わせされない）。フィンガ３０の第３のセット４０のフィンガ軸Ａ_４０は、長手方向中心軸Ｙ_１０と交差する第１の円Ｃ_１の弦Ｘ_４０上に延在する。

垂直ロッド１２のそれぞれから延在するフィンガ３０のグループ４２は、フィンガ３０のグループ４２が半導体ウエハを支持できるようにするために、同じ、ほぼ水平な平面内にある。グループ４２のフィンガ３０の遠位端３４は、第２の円Ｃ_２上にある。第２の円Ｃ_２は、半径Ｒ_２を有し、長手方向中心軸Ｙ_１０を中心とする。半径Ｒ_２は、フィンガ３０の遠位端３４からウエハボート１０の長手方向中心軸Ｙ_１０まで延在する。図示の実施形態では、グループ４２内のフィンガ３０の遠位端３４の各々は、グループ４２内の他のフィンガ３０の他の遠位端３４の各々から等周距離に配置される。例えば、フィンガ３０の第１、第２、および第３のセット３６、３８、４０を含む図示の実施形態では、フィンガ３０の第１、第２、および第３のセット３６、３８、４０のそれぞれの遠位端３４は、それぞれ、長手方向中心軸Ｙ_１０を中心とする第２の円Ｃ_２上で規定される角度βだけ離間している。図示の実施形態では、角度βは１２０°である。

図３を参照すると、フィンガ３０のそれぞれは、垂直ロッド１２から延びる細長いセグメント５０と、フィンガ３０の遠位端３４に向かって細長いセグメント５０上に配置されたコンタクト突起部５２とを含む。コンタクト突起部５２は、半導体ウエハに接触し、支持する。コンタクト突起部５２は、細長いセグメント５０に対して隆起している。コンタクト突起部５２は、第１の端部５４、第２の端部５６、およびコンタクト突起部５２の第１および第２の端部５４、５６を通って延びる長手方向のコンタクト突起部軸Ａ_５２を有する。コンタクト突起部５２は、直径２００ｍｍのウエハ、直径３００ｍｍのウエハ、および／または直径３００ｍｍより大きいウエハを含むウエハの任意の直径を支持するために使用され得る。

図示されたコンタクト突起部５２は丸みを帯びている（例えば、各側面から軸Ａ_３６に沿って延びる頂点まで高さが増加する）。丸いコンタクト突起部５２は、形状がほぼ円筒形である表面を含む。各コンタクト突起部５２は、長手方向コンタクト突起部軸Ａ_５２に沿って延びる長さＬ_１と、長さＬ_１に垂直な幅Ｗ_１とを含む。ウエハは、長手方向コンタクト突起部軸Ａ_５２にほぼ沿って丸みを帯びたコンタクト突起部５２上に載っている。

いくつかの実施形態では、コンタクト突起部５２は、３ｍｍから２０ｍｍの幅Ｗ_１、１０ｍｍから５０ｍｍの長さＬ_１を有し、コンタクト突起部５２からウエハボートの長手方向中心軸Ｙ_１０までの距離は、７５ｍｍから１２５ｍｍである。いくつかの実施形態では、コンタクト突起部５２は、８ｍｍの幅Ｗ_１、３０ｍｍの長さＬ_１を有し、コンタクト突起部５２からウエハボート１０の長手方向中心軸Ｙ_１０までの距離は１００ｍｍである。

図４に示される実施形態などのいくつかの実施形態では、コンタクト突起部５２は平坦である。図４に示される構成要素のうち、図１～３の構成要素に類似する構成要素は、図１～３の対応する参照番号に「１００」を加えて示される（例えば、パーツ５２はパーツ１５２となる）。平坦なコンタクト突起部１５２は、長手方向コンタクト突起部軸Ａ_１５２に沿って延びる長さＬ_１と、長さＬ_２に垂直な幅Ｗ_１とによって規定される表面積を有する接触面を含む。接触面は、全体として、平坦なコンタクト突起部１５２上に載っている半導体ウエハとほぼ接触している。

いくつかの実施形態では、コンタクト突起部１５２は、３ｍｍから２０ｍｍの幅Ｗ_１、１０ｍｍから５０ｍｍの長さＬ_１を有し、コンタクト突起部１５２からウエハボート１０の長手方向中心軸Ｙ_１０までの距離は、７５ｍｍ～１２５ｍｍである。あるいは、またはさらに、コンタクト突起部１５２は、８ｍｍの幅Ｗ_１、２５ｍｍの長さＬ_１を有し、コンタクト突起部１５２からウエハボートの長手方向中心軸Ｙ_１１０までの距離は１００ｍｍである。ウエハは、ウエハが表面積の全体と接触するように、平らなコンタクト突起部１５２上に載る。

あるいは、コンタクト突起部５２は、半導体ウエハが比較的小さな点状の領域上に載置される、概ねドーム形状であってもよい。

本開示のウエハボートは、従来のウエハボートと比較していくつかの利点を有する。コンタクト突起部により、ウエハボートとウエハの接触面積が減少し、スリップが軽減される。円周方向に等間隔に配置されたコンタクト突起部は、各コンタクト突起部へのウエハの重量の均一な分布を促進する。当業者に知られているように、ウエハのピーク応力は、不均一な負荷を引き起こす可能性のあるコンタクト突起部の機械加工の不正確さに敏感である。コンタクト突起部が丸みを帯びている実施形態では、丸みを帯びたコンタクト突起部の寸法および形状は、潜在的な機械加工の不正確さの影響を最小限に抑え、ウエハの重量の不均一な負荷を制限する。

例
本開示のプロセスは、以下の実施例によってさらに例示される。これらの例は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

例１：スリップ長さの確率プロット
シリコンウエハのセットが、長さ１０ｍｍの丸いコンタクト突起部を含むウエハボートを使用してアニールされ、他のセットは、長さ２０ｍｍの丸いコンタクト突起部を含むウエハボートでアニールされた。コンタクト突起部の長さのそれぞれが１０ｍｍと２０ｍｍである、円柱状のコンタクト突起部を有するウエハボートについて、９５％の信頼区間での確率スリップ長さが決定された（図５）。図５に示すように、長さ２０ｍｍのコンタクト突起部では、１０ｍｍのコンタクト突起部に比べてスリップ長さが減少した。

本明細書で使用される「約」、「実質的に」、「本質的に」および「ほぼ」という用語は、寸法、濃度、温度、または他の物理的もしくは化学的特性または特徴の範囲と併せて使用される場合、例えば、四捨五入、測定方法、またはその他の統計的変動に起因する変動を含む、特性または特性の範囲の上限および／または下限に存在し得る変動を包含することを意味する。

本開示またはその実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「該（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素があることを意味することを意図する。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。特定の方向を示す用語の使用（「上（ｔｏｐ）」、「下（ｂｏｔｔｏｍ）」、「側面（ｓｉｄｅ）」など）は説明の便宜のためであり、説明されているアイテムの特定の向きを必要としない。

本開示の範囲から逸脱することなく、上述の構造および方法に様々な変更を加えることができるので、上述の説明に含まれ、添付の図面に示されるすべての事項は、例示として解釈されるべきであり、限定するもの解釈されるべきではないことが意図されている。

Claims (12)

1. 炉内で複数の半導体ウエハを支持するためのウエハボートであって、
   垂直ロッドと、
   垂直ロッドから半径方向内側に延びるフィンガのセットと、を含み、
   セットの各フィンガは、
   垂直ロッドから延びる細長いセグメントと、
   半導体ウエハに接触して支持するために、フィンガの遠位端に向かって、細長いセグメント上に配置されたコンタクト突起部であって、コンタクト突起部の少なくとも一部は細長いセグメントに対して隆起しているコンタクト突起部と、を含む、ウエハボート。
2. コンタクト突起部は、丸みを帯びている請求項１に記載のウエハボート。
3. コンタクト突起部は、３ｍｍ～２０ｍｍの幅、１０ｍｍ～５０ｍｍの長さを有し、コンタクト突起部からウエハボートの長手方向中心軸までの距離は、７５ｍｍ～１２５ｍｍである請求項２に記載のウエハボート。
4. コンタクト突起部は、８ｍｍの幅、３０ｍｍの長さを有し、コンタクト突起部からウエハボートの長手方向中心軸までの距離は１００ｍｍである請求項２に記載のウエハボート。
5. コンタクト突起部は、平坦である請求項１に記載のウエハボート。
6. コンタクト突起部は、３ｍｍ～２０ｍｍの幅、１０ｍｍ～５０ｍｍの長さを有し、コンタクト突起部からウエハボートの長手方向中心軸までの距離は、７５ｍｍ～１２５ｍｍである請求項５に記載のウエハボート。
7. コンタクト突起部は、８ｍｍの幅、２５ｍｍの長さを有し、コンタクト突起部からウエハボートの長手方向中心軸までの距離は、１００ｍｍである請求項５に記載のウエハボート。
8. フィンガ軸は、長手方向中心軸を中心とする円の弦上に延在し、弦はウエハボートの長手方向中心軸と交差しない請求項１～７のいずれか１項に記載のウエハボート。
9. 垂直ロッドは第１のロッドであり、フィンガのセットはフィンガの第１のセットであり、ウエハボートは、
   第２の垂直ロッドと、
   フィンガ軸に沿って第２の垂直ロッドから半径方向内側に延びたフィンガの第２のセットであって、フィンガ軸は円の弦の上に延在し、弦はウエハボートの長手方向中心軸と交差しない、フィンガの第２のセットと、を含み、
   第２のセットの各フィンガは、
   第２の垂直ロッドから延びた細長いセグメントと、
   半導体ウエハに接触して支持するためにフィンガの遠位端に向かって細長いセグメント上に配置されたコンタクト突起部であって、コンタクト突起部の少なくとも一部は細長いセグメントに対して隆起しているコンタクト突起部と、を含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のウエハボート。
10. 第３のロッドと、
    フィンガ軸に沿って第３の垂直ロッドから半径方向内側に延びるフィンガの第３のセットであって、フィンガ軸は円の弦の上に延在し、弦はウエハボートの長手方向の中心軸と交差するフィンガの第３のセットと、をさらに含み、
    第３のセットの各フィンガは、
    第２の垂直ロッドから延びる細長いセグメントと、
    半導体ウエハに接触して支持するためにフィンガの遠位端に向かって細長いセグメント上に配置されたコンタクト突起部であって、コンタクト突起部の少なくとも一部は細長いセグメントに対して隆起しているコンタクト突起部と、を含む、請求項９に記載のウエハボート。
11. 各フィンガの遠位端は、ウエハボートの周りで約１２０°離間している請求項１０に記載のウエハボート。
12. 第１、第２、および第３のコンタクト突起部の各々は、ウエハボートの周りで１２０°離間している請求項１０に記載のウエハボート。

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