JP3909720B2

JP3909720B2 - 半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハ

Info

Publication number: JP3909720B2
Application number: JP17058296A
Authority: JP
Inventors: 博隆萩原; 栄一外谷; 正実天野
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2016-06-10
Also published as: JPH09330857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハに関し、詳しくは、半導体熱処理工程においてウエハボートに配置して用いるダミーウエハで熱等により異常に変形することなく多数回にわたり再使用が可能な形状に形成された半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、シリコンウエハ等の半導体基板は、炉芯管等の熱処理炉内で各種の処理が施されている。これら処理は、一般にウエハボード等の支持載置装置に被処理ウエハをセットして加熱した熱処理炉内に装入し、更に昇温加熱し、処理ガスを導入して行われる。例えば、図４に示すように、ウエハボート１０の保持棒１１にほぼ等間隔に設けた複数の保持溝１２に、被処理シリコンウエハＳＷを支持させて載置し、所定の熱処理炉芯管内に装入する。熱処理炉としては、ウエハを垂直に横方向に複数並列させる横型炉と、ウエハを水平に縦方向に複数並列させる縦型炉とのいずれかが処理条件に応じて用いられている。これらの熱処理炉においては、従来から上記のようなウエハボートの所定箇所に複数のダミーウエハを、被処理シリコンウエハと同様に保持溝で支持させ配置している。これらダミーウエハのウエハボードへの配置は、炉内に導入されるガスが被処理ウエハに直接あたらないようにして被処理ウエハ上に形成される膜厚の均一性を向上させたり、また、ガス流を制御して炉内の均熱化のために行われている。
【０００３】
上記の熱処理炉で用いられるダミーウエハとしては、一般的にはシリコン板でその他の材質としてはアルミナ単結晶板、石英板またはＳｉＣ膜板が、従来から用いられている。しかし、近年、半導体の高集積化に伴い基板もより高い均質性が求められ、従来より更に処理時の汚染を防止し、炉内の熱の不均一を防止するべく、また、それにより熱処理工程での歩留の向上を図るように、ダミーウエハの改良が種々提案されている。例えば、特開平５−２８３３０６号公報においては、ダミーウエハとして要求される所定波長光の非透過性の改良を主たる目的に、珪素含浸の炭化珪素基材表面に所定のアルミナ及びシリカからなるＣＶＤ膜を形成したダミーウエハが提案されている。ダミーウエハは、上記不透光性である外に、上記公報にも記載されるように、高清浄度、高耐食性、耐熱性、高強度等がよいことが一般に要求されている。
【０００４】
また、特開平７−２４０４０１号公報には、特にプラズマエッチング装置のチャンバー内を清浄化するために、実質的にガラス状カーボンでダミーウエハを構成して用いることが提案されている。ここで提案のエッチング用ダミーウエハは、被処理シリコンウエハと同時に用いるものでなく、単独でエッチングチャンバーの対向電極上にセットし、それ自体はエッチングされること無くチャンバー内に堆積したり付着したシリコン飛散物等をエッチング除去し、チャンバーを清浄化するものである。一方、出願人が所定のガラス状カーボンをプラズマエッチング用電極板に用いることを特開平３−２８５０８６号公報で提案したように、ガラス状カーボンは高強度、耐熱性、耐食性であり、半導体エッチング用電極として用いてもパーティクル等のダストを発生することなく長期間安定であることが知られている。従って、上記提案のエッチング用ダミーウエハは、ガラス状カーボンが耐食性に優れプラズマエッチングされ難いという既に特開平３−２８５０８６号公報で開示された特性を、それ自体が汚染源となることなく単にプラズマチャンバーの清浄化に適用したものといえる。
【０００５】
エッチングに対する耐食性等を鑑みてなされたガラス状カーボンをプラズマエッチング装置に適用する上記出願人等の提案とは別に、発明者らは、その優れた特性を十分発揮させることを検討した結果、特定のガラス状カーボンを半導体熱処理用のダミーウエハとして用いることを、先に特願平７−３２２３２８号及び同７−３２２３２９号において提案した。これらの提案は、プラズマエッチングの約２５０℃以下の比較的低温とは異なり、半導体熱処理が、通常、５００℃以上の高温で処理され、被処理ウエハを均一に熱処理するためには均熱性を保持する必要があることと、成膜熱処理ではダミーウエハ上にも形成される成膜による汚染を防止できることが共に要求されることから、単にガラス状カーボンの高強度、耐食性、耐熱性等の優れた特性に加え、特に、熱処理工程での成膜による汚染物の発生防止を検討し、その表面状態及び熱膨張係数を特定化することにより良好な熱処理用ダミーウエハとしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発明者らは、上記提案のガラス状カーボンの半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハの研究開発を更に継続し、長期間の使用による変化を観察した。その結果、成膜熱処理時にその高温及び膜形成の影響によりガラス状カーボン製ダミーウエハが反って変形し、所定のウエハボートにセットできなくなるおそれが生じることが知見された。発明者らは、それらの知見から、ダミーウエハの変形防止を検討した。また、それと同時に、変形させないという従来の発想とは別に、変形する性質から当初より変形させておくことを検討した。その結果、ガラス状カーボン製ダミーウエハを予め所定の曲面状に変形することにより、ボートへ保持するための機械的強度は低下することもなく、熱処理後に表面付着物の除去や反り変形回復処理等の後処理をすることなく繰り返し多数回継続再使用できることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハは、半導体熱処理炉に配設されるウエハボートに載置されるガラス状カーボン製の円形状のダミーウエハであって、その表面が所定の曲率半径を有して曲面に形成されており、当該曲面が、前記ダミーウエハの周端部により形成される円形平面に、該ダミーウエハの中心点から下ろした垂線の長さ（ｈ）が、該円形平面の直径（ｄ）と、ｈ／ｄ＝０．１×１０ ^-2 〜０．５×１０ ^-2 の関係に形成されていることを特徴としている。
なお、本発明において、上記ｈ／ｄ＝０．１×１０^-2〜０．５×１０^-2の関係は、前記ダミーウエハの周端部により形成される円形平面と前記曲率半径（ｒ）を有する球の中心を通過する直線との角度（θ）を用いて表示すれば、ｄ＝２ｒｃｏｓθであり、ｈ／２ｒｃｏｓθ＝０．１×１０^-2〜０．５×１０^-2の関係となる。
【０００８】
本発明は上記のように構成され、半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハを予め所定の曲面状に変形させることから、従来のフラット状のものに比し、却って熱処理における熱履歴や成膜組成物の堆積に対して耐久性を有し、ダミーウエハの異常変形が防止できる。また、曲面状を所定に制御することからダミーウエハの機械強度を低下させることもないため、破損等の問題がなく安定して長期間繰り返して使用することができる。その結果、半導体熱処理工程においてダミーウエハの交換を頻繁に行う必要がなくなり、生産性が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づき詳しく説明する。
図１は本発明の半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハの一実施例の断面説明図である。
図１において、ダミーウエハＤＷは、円形板状で且つ曲率半径ｒの凸曲面を有するように形成される。この場合、ダミーウエハの円形状は、完全な円形に限らずほぼ円形でよい。また、凸曲面状のダミーウエハＤＷを凸面を上に載置した面Ｂは、ダミーウエハＤＷの周端部Ｅで直径ｄの円形状に囲まれる。本発明において、ダミーウエハの凸曲面は、ダミーウエハ周端部Ｅで囲まれた直径ｄの円の中心と、ダミーウエハＤＷの内面の凹曲面との距離、即ち、垂直線の長さｈが、ｈ／ｄ＝０．１×１０^-2〜０．５×１０^-2であるように形成することが好ましい。この凸曲面形態は、更に、凸曲面の曲率半径ｒからは、ダミーウエハＤＷが載置された平面Ｂと曲率半径ｒを有する球の中心を通過する直線との角度θを用いて表示すれば、ｄ＝２ｒｃｏｓθであり、ｈ／２ｒｃｏｓθ＝０．１×１０^-2〜０．５×１０^-2となる。ダミーウエハの凸曲面形態ｈ／ｄが０．１×１０^-2未満では、使用中に意図しない方向への反りやうねりが発生し易く、０．５×１０^-2を超えた場合は、搬送ロボット等によるウエハボートの保持溝へのセットが困難となり好ましくない。通常、６インチのウエハであれば、凸曲面の最大凸距離であるｈが、約０．１５〜０．７５ｍｍである。
本発明の半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハは、上記のように凸曲面を有するものであり、その凸曲面は、例えば下記するように通常の平面状の円形のガラス状カーボンウエハから形成することができ、その円形ガラス状カーボンウエハは、ウエハボードに同時にセットされ熱処理される被処理シリコンウエハとほぼ同等の形態のほぼ円形状に形成される。
【００１０】
図２は本発明のダミーウエハの凸曲面の形態、即ち、底面と凸曲面中心部の距離である凸曲面距離ｈの測定方法を示した概略説明図である。
図２において、（ａ）ではダミーウエハＤＷを水平面Ｂに載置した状態でダミーウエハＤＷの厚さを含む中心部の長さｈ１をディップゲージにより測定する。次いで、（ｂ）に示すように、ダミーウエハＤＷの上方から圧力Ｐを均等に加えることにより水平面Ｂに密着させて、同様にディップゲージによりダミーウエハの厚さｈ２を測定する。得られたダミーウエハＷの厚さを含むｈ１からダミーウエハの厚さｈ２を差し引いた値を、凸曲面距離ｈとする。
【００１１】
本発明のダミーウエハはガラス状カーボン材により形成される。ガラス状カーボンは、外観がガラス状の高硬質炭素で、高純度性、耐摩耗性、ガス不透過性に特に優れた材料である。本発明で使用するガラス状カーボンは一般にそのような概念に属するものであれば特に制限はないが、耐熱温度２０００℃以上、カサ比重１．５〜１．６ｇ／ｃｍ³ 、曲げ強度１００ＭＰａ以上、熱伝導率５〜１０ＤＷ／ｍ・Ｋであり、特に、３．０〜３．５×１０^-6／℃の熱膨張率（石英押捧式測定法で室温から４５０℃の値）を有するものがダミーウエハとして好ましい。発明者等によれば、半導体熱処理により成膜処理される場合、ダミーウエハ上に形成される成膜組成物は、圧縮応力には強いが引張り応力には弱いことが知見されている。そのため、ダミーウエハの材質を成膜組成物の熱膨張係数より高い熱膨張係数を有する材質にすれば、高温のダミーウエハ上に形成される被膜は、成膜後の冷却時において膜の剥離が生じ難い。例えば、ポリシリコンを成膜する場合、ポリシリコンの熱膨張係数は約２．８×１０^-6／℃であり、そのポリシリコンの熱膨張係数よりも大きな３．０×１０^-6／℃以上の熱膨張係数を有するガラス状カーボン材を用いることにより、成膜の剥離や反りを大幅に改善することができる。一方、３．５×１０^-6／℃を超えるガラス状カーボン材は、成膜組成物との熱膨張との差が大きすぎ反りの原因となり好ましくない。本発明のダミーウエハは、半導体熱処理炉の縦型炉において、凸曲面が上向きになるように配置して使用することが上述の作用上特に好ましい。
【００１２】
次に、本発明のダミーウエハＤＷの製造方法について説明する。
本発明のダミーウエハは、例えば、フラン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、約８００℃以上の温度で緩やかに長時間焼成することにより生成される。特に、本発明のガラス状カーボンとしては、特開平３−２８５０８６号公報に開示される方法で製造される高純度のものが好ましい。即ち、熱硬化性樹脂に有機スルホン酸を添加して常温重合させ流動状重合物とし、流動状態で成形型に注入して緩やかに昇温して硬化させて成形体を形成し、得られた成形体を８００〜１２００℃に徐々に昇温して焼成炭化し、２０００〜２５００℃で加熱した後、上記のような所定の曲面状に機械加工した後、更に、２０００〜２５００℃に加熱して純化処理する方法である。この方法で得られるガラス状カーボン材は、粒界が存在することなく、最大気孔径が０．１μｍ以下の極小で開気孔率が０．０１％以下のものも製造することができ、特に、カーボン微粒子等の飛散のおそれがなく、汚染を極端に嫌う場合に適用することができる。
【００１３】
上記したように本発明のガラス状カーボン製ダミーウエハは、予め表面を所定の凸曲面状に変形して形成されたものであり、保持強度を低下させることなく、半導体熱処理炉のウエハボードに被熱処理シリコンウエハと共に配置して高温の熱履歴や処理ガスによる成膜がなされても、異常な変形が抑制され熱処理後の洗浄等の後処理をすることなく繰り返し再使用できる。また同時に、本発明のダミーウエハは、上記の優れた特性を有するガラス状カーボン材で形成されることから、熱処理時にその表面に生成した成膜を剥離、飛散することなく、被処理半導体ウエハを汚染することがなく、半導体製造工程の生産性が向上すると共に、半導体製造の歩留も向上する。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものでない。
実施例１〜２及び比較例１〜２
機械加工により、図１と同様の形状を有するダミーウエハＤＷを製造した。即ち、フリフリルアルコールに０．４重量部のｐ−トルエンスルホン酸を添加重合して得られた流動性ポリマーを用い、直径（ｄ＋α）２００ｍｍφ、厚さ７５０μｍの平円板状に成形し、加熱して硬化した。得られた平円板状硬化体を、窒素雰囲気中で１０００℃まで加熱焼成した。得られ平円板状焼成体を加熱手段により２３００℃に昇温加熱して表面機械加工した後、更に、２３００℃にて純化処理して、凸曲面距離ｈ及びｈ／ｄがそれぞれ表１に示すようなガラス状カーボン材製の凸曲面状のダミーウエハＤＷを得た。得られた凸曲面状ガラス状カーボン材のダミーウエハは、いずれも気孔率０．１％、表面粗さ（接触式表面粗さ計測定）１μｍであり、熱伝導率８ＤＷ／ｍ・Ｋ、熱膨張率３．２×１０^-6／℃であった。
【００１５】
【表１】

【００１６】
次いで、縦型拡散炉を用いて、シリコンウエハ表面にポリシリコン膜を成膜する熱処理を行った。Ｓｉ−ＳｉＣ基材表面にＣＶＤ−ＳｉＣ膜をコートした全長８００ｍｍで、溝数１２５個、ピッチ間隔が６．０ｍｍ、溝幅２．５ｍｍ、溝深さ５ｍｍの図４に示した形状と同様の縦型ボートに、上記で得られた４種の各ダミーウエハを、それぞれウエハボートの上部に２枚、下部に３枚を凸曲面を上方に向けてセットし、上下部にセットしたダミーウエハの間に、直径２００ｍｍ、厚さ７５０μｍのシリコンウエハを４ロットセットした。ダミーウエハ及びシリコンウエハとをセットしたウエハボートを、炉芯管内に装入して炉芯管内の中央部温度が６００℃になるように調節保持した。炉芯管には、処理ガスとしてＳｉＨ₄ ガスを０．５リットル／分（標準状態）の流量で導入処理して３０分間成膜した。上記したダミーウエハのウエハボートへのセット、ウエハボートの炉芯管への装入、及び成膜熱処理工程を繰り返し行い、ダミーウエハの連続使用回数を測定した。この連続使用回数は、ウエハボートの上部及び下部にセットした５枚のダミーウエハを１セットとして、そのうちのいずれかのダミーウエハが変形等により使用不能となった時点をライフエンドとして測定を行った。その結果を表１に示した。
【００１７】
比較例１では、ダミーウエハにねじれを伴う変形が生じ、ボートの保持溝に装入するこができなくなり１６２回目で使用不能となり測定を中止した。また、比較例２では、８８回目に反りによりボートの保持溝にダミーウエハをスムーズにセットすることが困難となり、その際にダミーウエハのエッヂに破断が生じてたため測定を中止した。これらに対して、実施例１及び２のダミーウエハは、２５０回目を終了した段階でも変形が生じず、ライフエンドには達しなかった。そのため、この時点で試験を中止した。
上記の実施例及び比較例から明らかなように、凸曲面距離ｈと凸曲面状ダミーウエハ底面円直径ｄとの比ｈ／ｄが０．１×１０^-2〜０．５×１０^-2であればダミーウエハ形状が安定し、長期間繰り返し使用できることが分かる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の半導体熱処理用ガラス状カーボンダミーウエハは、ダミーウエハの表面を凸曲面状に形成しているため、高温環境下で繰り返し多数回継続して使用した場合であっても、ダミーウエハに反りや割れ等の発生することを抑制することができる。従って、半導体熱処理工程においてダミーウエハの交換を頻繁に行う必要がなくなり、生産性が向上すると共に、ウエハに対して安定した熱処理作業を施すことができる。単に凸曲面状にしたものと異なり、凸曲面の凸曲面形態を所定値とすることから、より長寿命で安定的に長期間使用可能なダミーウエハを得ることができる。また、一般のシリコン板等で形成されたダミーウエハとは異なり、ガラス状カーボン製であり、高純度、高強度、耐食性、耐熱性、ガス不透過性等に優れているという特性も有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハの断面説明図
【図２】凸曲面距離（ｈ）測定の概略説明図
【図３】ウエハボードの断面説明図
【符号の説明】
ＤＷダミーウエハ
ＳＷシリコンウエハ
ｄ凸曲面状ダミーウエハの外周端が形成する底面円の直径
ｈ凸曲面距離
Ｂ水平面
Ｅダミーウエハの周端部
１０ウエハボード
１１支持棒
１２支持溝

Claims

半導体熱処理炉に配設されるウエハボートに載置されるガラス状カーボン製の円形状のダミーウエハであって、その表面が所定の曲率半径を有して曲面に形成されており、
当該曲面が、前記ダミーウエハの周端部により形成される円形平面に、該ダミーウエハの中心点から下ろした垂線の長さ（ｈ）が、該円形平面の直径（ｄ）と、ｈ／ｄ＝０．１×１０ ^-2 〜０．５×１０ ^-2 の関係に形成されていることを特徴とする半導体熱処理用ガラス状カーボン製ダミーウエハ。