JP3868933B2

JP3868933B2 - 常圧ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP3868933B2
Application number: JP2003276073A
Authority: JP
Inventors: 宏一長谷川; 信一三波
Original assignee: 直江津電子工業株式会社
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: JP2005039121A

Description

本発明は、薄膜の形成に使用される常圧ＣＶＤ（化学的気相蒸着成長）装置における堆積膜厚の面内均一性の向上に関する。
詳しくは、半導体ウエハが１枚ずつ埋没した状態で支持されるように凹部を設けた加熱板と、この加熱板を加熱するヒーター部と、反応ガス供給部からなる常圧ＣＶＤ装置に関する。

従来、この種の常圧ＣＶＤ装置は、先ず、ウエハ搬入部（基板搬送部）の作動によりウエハ（半導体基板）が加熱板上の所定位置に自動的に載せられると、この加熱板上のウエハがヒータ部により加熱された加熱板と接触して熱伝導により加熱され、次に、反応ガス供給部（反応ガス供給ノズル）から反応ガスを供給し、加熱板上で加熱されたウエハの表面において、反応ガスの熱分解による化学反応により、ウエハ上に所望の薄膜を形成している（例えば特許文献１参照）。
更に、このものは、加熱板の上面にウエハが１枚ずつ埋没して支持する凹部を設け、半加熱板との接触部からの熱伝導のみでなく凹部側壁面からの熱輻射でウエハを加熱することにより、ＣＶＤ処理前の拡散工程における熱応力や、基板の両面に形成された熱酸化膜の一方が除去されて応力の均衡が崩れる等に起因して、ウエハに反りが発生しても、この前工程で発生した反りに影響されることなく薄膜を均一に生成できるようにしている。

特開平９−８２６９５号公報（第２〜３頁、図２〜図３）

しかし乍ら、このような従来の常圧ＣＶＤ装置では、ＣＶＤ処理の前工程で発生したウエハの反りに対応可能であるが、ＣＶＤ処理中にウエハの加熱に伴って発生する反りには対応できず、そのため最終的にウエハ上に均一に薄膜を形成できないという問題がある。
詳しく説明すれば、現在までの技術改良により、ＣＶＤ処理前の拡散工程における熱応力や、基板の両面に形成された熱酸化膜の一方が除去されて応力の均衡が崩れる等に起因するウエハの反りは改善されて殆ど発生しなくなり、全く反りが無い均一なウエハをＣＶＤ処理用の加熱板上に搬入できるようになった。
これに対し、ＣＶＤ処理中では、ヒータ部で加熱された加熱板からの熱伝導により、それと接触するウエハの下面側が、加熱されない上面側に比べてより多く熱膨張するため、図４（ａ）に示す如く、下面側が凸状となるように反りが発生して、加熱板の凹部内の平坦な底面との間に環状の隙間が発生してしまった。
その結果、ウエハの反った外周部分が凹部の平坦な底面と接触しないために、ウエハの全体が均一に加熱されず、特にウエハの外周部分の温度が周辺部に比べ低くなってしまい、薄膜の成長速度は温度に依存して温度が高い方がより成長速度が速いため、反ったウエハの上に成長した薄膜の膜厚は、図４（ｂ）に示した膜厚分布図の如く、外周部と中心部とで不均一となってしまう。
また、ＣＶＤ膜堆積中のウエハの反りは、熱伝導によるものに加え、ＣＶＤ膜自身の引張応力による影響も大きい。このＣＶＤ膜堆積による引張応力はＣＶＤ膜堆積面側がＣＶＤ膜非堆積面側に比べて著しく大きくなり、ウエハ形状はＣＶＤ膜非堆積面側が凸形状となる。
なお、図中、膜厚の分布領域を別々のクロスハッチングで示しており、膜厚が厚くなるに従ってハッチング間隔が密となるように表示している。
しかも、下面側が凸状となるように反ったウエハの中心部は、加熱板の凹部内の平坦な底面との接触面積が小さいため、例えば振動などの外力が加わると、簡単にスリップして位置ズレを起こし、この位置ズレなどに起因して、反応ガス供給部とウエハとの相対位置が狂いを生じて、薄膜の膜厚が更に不均一になるなどの問題もある。
ところで、上述したＣＶＤ膜堆積中に発生するウエハの反りは、ウエハの厚さが変化すればウエハが受ける外力が同じ場合、ウエハにはより大きな応力がかかる。ウエハの受ける応力は厚さの２乗に、たわみ量は厚さの３乗に反比例するため、ウエハ厚さが薄い程、反りは大きくなる。ＣＶＤ膜堆積中は、ＣＶＤ膜堆積面側の引張応力とＣＶＤ非堆積面側の引張応力とが平衡状態になるまで変形するため、ウエハ厚さが薄い程、この傾向は大きくなる。この反りの大きさが前記したウエハの熱伝導の悪循環を繰り返し、ＣＶＤ膜厚の均一性は、ウエハ厚さが薄い程、低下するという問題がある。

本発明は、簡単な構造で厚さ寸法が異なる多種類のウエハＷでも薄膜を略均一に生成することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明は、加熱板の凹部内の底面に、加熱板からの熱伝導に伴って下面側が凸状となるように反った半導体ウエハの下面と対向する外周熱伝導手段を設け、この外周熱伝導手段と、加熱板からの熱伝導により反ったウエハの下面外周部とを接近させると共に、前記外周加熱手段が、加熱板からの熱伝導により反ったウエハの最も突出する下面中心部と嵌め合うように、凹部の平坦な底面外周部分に載置したガイドリングであることを特徴とするものである。
このような構成から生じる発明の作用は、加熱板の凹部内の底面に設けた外周熱伝導手段と、加熱板からの熱伝導に伴って反ったウエハの下面外周部とを接近させることにより、加熱板からの熱伝導に伴って下面側が凸状となるように反っても、これら両者間に隙間が形成されないと共に、凹部に対するウエハのスリップが抑制されて、ウエハの全体に略均一な熱伝導が行われる。
更に、凹部の平坦な底面外周部分にガイドリングを載置することにより、加熱板からの熱伝導に伴いウエハが反って下面中心部分が最も突出するように変形しても、ガイドリングとの間に隙間が形成されないと共に、凹部に対するウエハのスリップが抑制されて、ウエハの全体に略均一な熱伝導が行われ、更にウエハの厚さ別に高さ寸法が違うガイドリングを予め準備すれば、ＣＶＤ処理を行うウエハの厚さ寸法が変化する度に、それに対応したガイドリングに交換するだけで準備作業が完了する。

以上説明したように本発明は、加熱板の凹部内の底面に設けた外周熱伝導手段と、加熱板からの熱伝導に伴って反ったウエハの下面外周部とを接近させることにより、加熱板からの熱伝導に伴って下面側が凸状となるように反っても、これら両者間に隙間が形成されないと共に、凹部に対するウエハのスリップが抑制されて、ウエハの全体に略均一な熱伝導が行われるので、加熱に伴うウエハの反りに影響されることなく薄膜を均一に生成できる。
従って、加熱板からの熱伝導によりウエハが反って薄膜の膜厚が外周部と中心部とで不均一となる従来のものに比べ、膜厚の面内均一性を向上できる。
また、凹部の平坦な底面外周部分にガイドリングを載置することにより、加熱板からの熱伝導に伴いウエハが反って下面中心部分が最も突出するように変形しても、ガイドリングとの間に隙間が形成されないと共に、凹部に対するウエハのスリップが抑制されて、ウエハの全体に略均一な熱伝導が行われ、更にウエハの厚さ別に高さ寸法が違うガイドリングを予め準備すれば、ＣＶＤ処理を行うウエハの厚さ寸法が変化する度に、それに対応したガイドリングに交換するだけで準備作業が完了するので、簡単な構造で厚さ寸法が異なる多種類のウエハＷでも薄膜を略均一に生成できる。
更に、加熱板の凹部にガイドリングを挿入するだけで、既設の加熱板及び凹部を改造することなくそのまま使用できるから経済的であると共に、ウエハの厚さ別に加熱板の全体やサセプターを交換する必要があるものに比べ、交換作業を大幅に削減でき、しかも多くのサセプターなどを準備する必要が無いから、消耗品費を大幅に削減できる。

本発明の常圧ＣＶＤ装置として、水平な加熱板１の下方に設けたヒータ部２により、加熱板１の全体を均一に加熱すると共に、固定配備された例えばＣＶＤガスヘッドなどの反応ガス供給部３に対して、上記加熱板１を水平移動させるなど相対的に移動させることにより、反応ガス供給部３から供給された反応ガスＧの熱分解による化学反応で、半導体シリコンウエハＷの表面に所望のＳｉＯ₂膜Ｔ又はＳｉ膜が積層形成される場合を示している。

この加熱板１の上面には、ウエハＷが１枚ずつ埋没して支持する凹部１ａを多数設け、これら凹部１ａ内の底面には、加熱板１からの熱伝導に伴って下面側が凸状となるように反った半導体ウエハＷの下面Ｗ１と対向する外周熱伝導手段４を設け、この外周熱伝導手段４と、加熱板１からの熱伝導により反ったウエハＷの下面外周部Ｗ２とを接近させる。
以下、その具体例を本発明の各実施例として図面に基づき説明する。

この実施例１は、図１（ａ）に示す如く、上記外周熱伝導手段４が、加熱板１からの熱伝導により反ったウエハＷの最も突出する下面中心部Ｗ３と嵌め合うように、凹部１ａの底面全体に亘ってその中心部を最も凹ませて形成した球状面４ａである場合を示している。

上記加熱板１からの熱伝導に伴って発生するウエハＷの反りは、ＣＶＤ処理を行うウエハＷの厚さ寸法が変化すると、それに伴って反りの曲率も変化するため、凹部１ａの底面全体に形成した球状面４ａの曲率も、それに合わせる必要がある。
具体的には、加熱実験によってウエハＷの厚さ寸法毎に予め得られた反りの曲率と一致するように球状面４ａの曲率を決める。

また、厚さ寸法が異なる複数種類のウエハＷに対応するためには、１枚の加熱板１に設けられる凹部１ａに形成した球状面４ａの曲率を全て同じにして、ＣＶＤ処理を行うウエハＷの厚さ寸法が変化する度に加熱板１ごと交換するか、又は１枚の加熱板１に曲率の異なる球状面４ａを混在させて形成し、一度に厚さ寸法が異なる複数種類のウエハＷのＣＶＤ処理を同時に行うようにしても良い。

次に、斯かる常圧ＣＶＤ装置の作用について説明する。
先ず、例えば特開平９−８２６９５号に記載されるようなウエハ搬入部（基板搬送部）の作動により、ウエハＷが加熱板１上の凹部１ａ内に自動的に載せられ、このウエハＷがヒータ部２からの熱伝導により加熱されると、それに伴って図１（ａ）に示した如く、ウエハＷは反って下面中心部分Ｗ３が最も突出するように変形する。

これと対向する加熱板１の凹部１ａ内の底面全体には、外周熱伝導手段４として球状面４ａが形成されているから、熱伝導よりウエハＷの下面側が凸状となるように反っても、これら両者間に隙間が形成されないと共に、凹部１ａに対するウエハＷのスリップが抑制される。

それにより、ウエハＷの全体に略均一な熱伝導が行われて、図１（ｂ）に示した膜厚分布図の如く、ウエハＷの中心側殆どが均一な膜厚となり、図４（ｂ）に示した膜厚分布図に比べて著しく膜厚精度が良くなった。
なお、図中、膜厚の分布領域を別々のクロスハッチングで示しており、膜厚が厚くなるに従ってハッチング間隔が密となるように表示している。
その結果、熱に伴うウエハＷの反りに影響されることなく薄膜を均一に生成できる。

更に図示例のものは、ウエハＷの反りと球状面４ａの曲率が完全に一致しないために、ウエハＷの下面外周部Ｗ２と球状面４ａとの間に若干の隙間が発生する場合を示しているが、これに限定されず、図示せぬがウエハＷの反りと球状面４ａの曲率を完全に一致させれば、反ったウエハＷの下面Ｗ１全体が球状面４ａに完全に嵌合して両者間に隙間が全く形成されず、ウエハＷの全体に均一な熱伝導が行われるから、膜厚の面内均一性を更に向上できるという利点がある。

この実施例２は、図２（ａ）に示す如く、前記外周熱伝導手段４として球状面４ａに代え、前記加熱板１からの熱伝導により反ったウエハＷの最も突出する下面中心部Ｗ３と嵌め合うように、凹部１ａの底面中心部分に円形段部４ｂを凹設した構成が、前記図１（ａ）（ｂ）に示した実施例１とは異なり、それ以外の構成は図１（ａ）（ｂ）に示した実施例１と同じものである。

上記円形段部４ｂの深さ寸法は、前述した球状面４ａの曲率と同様に、加熱実験によってウエハＷの厚さ寸法毎に予め得られた反りの曲率と一致するように決める必要があり、厚さ寸法が異なる複数種類のウエハＷに対応するためには、１枚の加熱板１に設けられる凹部１ａに形成した円形段部４ｂの深さ寸法を全て同じにして、ＣＶＤ処理を行うウエハＷの厚さ寸法が変化する度に加熱板１ごと交換するか、又は１枚の加熱板１に深さ寸法の異なる円形段部４ｂを混在させて形成し、一度に厚さ寸法が異なる複数種類のウエハＷのＣＶＤ処理を同時に行うようにしても良い。

従って、図２（ａ）に示すものは、加熱板１からの熱伝導に伴いウエハＷが反って下面中心部分Ｗ３が最も突出するように変形しても、それに沿って凹部１ａの底面外周部１ｂ及び円形段部４ｂが接近して配置されると共に、凹部１ａに対するウエハＷのスリップが抑制される。

それにより、ウエハＷの全体に略均一な熱伝導が行われて、図２（ｂ）に示した膜厚分布図の如く、ウエハＷの中心側が均一な膜厚となり、図４（ｂ）に示した膜厚分布図に比べて著しく膜厚精度が良くなった。
その結果、簡単な構造で加熱に伴うウエハの反りに影響されることなく薄膜を均一に生成できるという利点がある。

この実施例３は、図３（ａ）に示す如く、前記外周熱伝導手段４として球状面４ａに代え、前記加熱板１からの熱伝導により反ったウエハＷの最も突出する下面中心部Ｗ３と嵌め合うように、凹部１ａの平坦な底面外周部分１ｂにガイドリング４ｃを載置した構成が、前記図１（ａ）（ｂ）及び図１（ａ）（ｂ）に示した実施例１とは異なり、それ以外の構成は図１（ａ）（ｂ）に示した実施例１と同じものである。

上記ガイドリング４ｃの上面は、熱伝導により反ったウエハＷの下面Ｗ１に沿って図示せる如く円錐面状へ傾斜させるか、或いは球面状に傾斜させる。
このような傾斜角度は、前述した球状面４ａの曲率と同様に、加熱実験によってウエハＷの厚さ寸法毎に予め得られた反りの曲率と一致するように決める必要があり、ウエハＷの厚さ別に高さ寸法が違うガイドリング４ｃを予め準備しておき、ＣＶＤ処理を行うウエハＷの厚さ寸法が変化する度に、それに対応したガイドリング４ｃに交換して載置する。

従って、図３（ａ）に示すものは、加熱板１からの熱伝導に伴いウエハＷが反って下面中心部分Ｗ３が最も突出するように変形しても、ガイドリング４ｃの上面との間に隙間が形成されないと共に、凹部１ａに対するウエハＷのスリップが抑制される。

それにより、ウエハＷの全体に略均一な熱伝導が行われて、図３（ｂ）に示した膜厚分布図の如く、ウエハＷの中心側が均一な膜厚となり、図４（ｂ）に示した膜厚分布図に比べて著しく膜厚精度が良くなった。
更にＣＶＤ処理を行うウエハＷの厚さ寸法が変化する度に、それに対応したガイドリング４ｃに交換するだけで準備作業が完了する
その結果、簡単な構造で厚さ寸法が異なる多種類のウエハＷでも薄膜を略均一に生成できるという利点がある。

尚、前示各実施例では、加熱板１の下方に設けたヒータ部２により、加熱板１の全体を均一に加熱すると共に、固定配備された反応ガス供給部３に対して、加熱板１を水平移動させるなど相対的に移動させる場合を示したが、これに限定されず、固定配備された加熱板１に対して反応ガス供給部３を移動させるなど相対的に移動させても良い。

（ａ）が本発明の実施例１を示す常圧ＣＶＤ装置の部分拡大縦断面図であり、（ｂ）がそれにより製造された薄膜の分布状態を示す説明図である。（ａ）が本発明の実施例２を示す常圧ＣＶＤ装置の部分拡大縦断面図であり、（ｂ）がそれにより製造された薄膜の分布状態を示す説明図である。（ａ）が本発明の実施例３を示す常圧ＣＶＤ装置の部分拡大縦断面図であり、（ｂ）がそれにより製造された薄膜の分布状態を示す説明図である。（ａ）が従来の常圧ＣＶＤ装置の一例を示す部分拡大縦断面図であり、（ｂ）がそれにより製造された薄膜の分布状態を示す説明図である。油圧回路図である。

符号の説明

Ｗ半導体ウエハＷ１下面
Ｗ２下面外周部Ｗ３下面中心部
１加熱板１ａ凹部
１ｂ底面外周部分２ヒーター部
３反応ガス供給部４外周加熱手段
４ａ球状面４ｂ円形段部
４ｃガイドリング

Claims

半導体ウエハ（Ｗ）が１枚ずつ埋没した状態で支持されるように凹部（１ａ）を設けた加熱板（１）と、この加熱板（１）を加熱するヒーター部（２）と、反応ガス供給部（３）からなる常圧ＣＶＤ装置において、
前記加熱板（１）の凹部（１ａ）内の底面に、加熱板（１）からの熱伝導に伴って下面側が凸状となるように反った半導体ウエハ（Ｗ）の下面（Ｗ１）と対向する外周熱伝導手段（４）を設け、この外周熱伝導手段（４）と、加熱板（１）からの熱伝導により反ったウエハ（Ｗ）の下面外周部（Ｗ２）とを接近させると共に、前記外周加熱手段（４）が、加熱板（１）からの熱伝導により反ったウエハ（Ｗ）の最も突出する下面中心部（Ｗ３）と嵌め合うように、凹部（１ａ）の平坦な底面外周部分（１ｂ）に載置したガイドリング（４ｃ）であることを特徴とする常圧ＣＶＤ装置。