JP4029610B2 - ウェーハ支持具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェーハに熱処理を施す際にウェーハを搭載するウェーハ支持具に関し、急速熱処理（ＲＴＡ；Rapid Thermal Annealing）中に発生するスリップを防止することができるウェーハ支持具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンウェーハ等の被処理基板を熱処理する際にそのシリコンウェーハを支持するウェーハ支持具として、円板状の支持板の上面側に上端が先細に形成されたピン状の突起を３本同一高さに立設し、この突起の上端縁にウェーハを載せてウェーハを水平に支持する３点支持具や、リング状の支持体の内周縁部に形成された水平部にウェーハを載せてウェーハを水平に支持するリング状支持具等が知られている。
【０００３】
一般にリング状支持具には、熱処理によるウェーハの高温変形時の接触面近傍の応力を緩和する目的のため、ウェーハが接触する平坦面に続いて支持具本体の軸線に向かって下向きに穏やかに傾斜する傾斜面が付加されている。
図６（ａ）に示すように、傾斜面３を設けたウェーハ支持具１の上面である平坦面４にウェーハ５を載せると、ウェーハ５はその自重により小さく撓み、支持具本体２の平坦面４と傾斜面３が交わる部分６に接触面がくるようにして、ウェーハ支持具に支持される。図８はウェーハ支持具１の上にウェーハ５を載せた状態の上面図である。
【０００４】
一方、シリコンウェーハの酸化膜耐圧（Time Zero Dielectric Breakdown）等の電気特性を改善するためには、デバイスが作製されるウェーハ表層部を無欠陥層とする必要がある。シリコンウェーハの表層部には結晶成長時に導入されるＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼ばれる正八面体構造の結晶欠陥が存在し、このＣＯＰが電気特性を劣化させる原因となっている。酸化膜耐圧を改善するためにシリコンウェーハを例えば、１２５０℃程度の高温で１〜６０秒間といった短時間の急速熱処理（ＲＴＡ）を施すことにより、シリコンウェーハ表面のＣＯＰ密度は著しく減少し、電気特性である酸化膜耐圧及び経時絶縁破壊特性（Time Dependent Dielectric Breakdown）も著しく改善されることが報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような高温で急速な昇温及び降温を行う急速熱処理を施すとウェーハの弾性率は大きく下がり、またその自重により大きく撓むため、図６（ｂ）に示すように、支持具本体２の平坦面４と傾斜面３が交わる部分６から傾斜面３と支持具本体の内周面７が交わる部分８に接触面が移動する接触面の乗り移りが起こる。図７は図６（ａ）と図６（ｂ）のウェーハ支持具とウェーハとの接触面を拡大して重ね合わせた部分拡大図であり、急速熱処理により大きく撓んだウェーハが支持具本体との接触面を移動させている状態を示す。
【０００６】
このように、ウェーハの大きな撓みにより接触面の乗り移りが起きると、ウェーハの内側に接触面が２〜３ｍｍ程度入り込むことになるため、ウェーハ裏面の内側領域に接触面の移動に伴うスリップが発生し、これにより歩留まり低下をもたらす危険性があった。
また、急速熱処理におけるウェーハの大きな撓みによる接触面の移動は、任意の温度に到達すると急激に生じるため、接触面の移動における応力付加が大きくなり接触面にスリップが発生するおそれもあった。
【０００７】
本発明の目的は、熱処理時の加熱によって生じるウェーハの撓みによる支持具本体との接触面の移動に起因するスリップの発生を抑制し得るウェーハ支持具を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、リング状の支持具本体１１と、支持具本体１１の外周面１２と内周面１３との間の上面に外周面１２に続く熱処理前のウェーハ１７が接触する平坦面１４とこの平坦面１４から支持具本体１１の軸線１１ａに向って平坦面１４に対して下向きに傾斜する傾斜面１６とを有し、支持具本体１１の上面にウェーハ１７を載せて急速熱処理されるウェーハ支持具の改良である。
その特徴ある構成は、ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．２０°≦θ≦１０°であることにある。
請求項１に係る発明では、ウェーハ支持具の傾斜面の角度θを急速熱処理によって大きく撓んだウェーハの臨界角θ_cと同等の角度か、臨界角θ_cと接触しない上記範囲内に規定することにより、ウェーハが大きく撓んでも、接触面の乗り移りが起こらない。従って、接触面の跡が付かないためスリップを生じ難い。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ウェーハの直径が２００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．２０°≦θ≦１０°であり、ウェーハの直径が３００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．８２°≦θ≦１０°であるウェーハ支持具である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、図４（ａ）、（ｂ）及び図５に示すように、リング状の支持具本体１１と、支持具本体１１の外周面１２と内周面１３との間の上面に外周面１２に続く熱処理前のウェーハ１７が接触する平坦面１４と平坦面１４から支持具本体１１の軸線１１ａに向って平坦面１４に対して下向きに傾斜する傾斜面１６とを有し、支持具本体１１の上面にウェーハ１７を載せて急速熱処理されるウェーハ支持具の改良である。
その特徴ある構成は、ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、支持具本体１１の外周面１２の直径をｒ₃とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．０Ｄ≦ｒ₃≦１．１５Ｄ、１．５°≦θ≦４°であり、傾斜面１６が曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面に形成されることにある。
請求項３に係る発明では、ウェーハ支持具の傾斜面を上記範囲内の曲率半径を有する凸面とすることにより、急速熱処理により大きくウェーハが撓んでも、凸面に形成した傾斜面が接触面の移動を段階的に生じさせるため、ウェーハ接触面の移動における応力付加を緩和する。従って、支持具本体との急激な接触面の移動に起因するスリップの発生を抑制できる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、ウェーハの直径が２００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．５°≦θ≦３°であり、ウェーハの直径が３００ｍｍであるとき、傾斜角度θが２°≦θ≦４°であるウェーハ支持具である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のウェーハ支持具は、ウェーハに急速熱処理（ＲＴＡ処理）を施す際に熱処理炉にウェーハを搭載するのに用いられる。
第１の実施の形態について説明する。図３に本発明のウェーハ支持具１０を備えた枚葉式の熱処理炉２０を示す。この枚葉式の熱処理炉２０は断熱性材質からなる装置本体２１から構成され、装置本体２１内部は所定の間隔をあけて２枚の仕切板２６により水平に仕切られる。仕切板２６，２６により仕切られた装置本体２１内部の頂部及び底部には発熱体２２がそれぞれ設置される。熱処理炉内で急速熱処理に用いられる発熱体２２の加熱源としては白熱ランプ、ハロゲンランプ、アークランプ、グラファイトヒータ等が挙げられる。仕切板２６，２６で仕切られた空間に熱処理用ガスを供給するように装置本体２１の一方の側部には、ガス供給口２４が設けられる。仕切板２６，２６により仕切られた空間は、加熱室２７としてウェーハ１７とともにウェーハ支持具１０が収容され、装置本体２１の他方の側部に系外へ熱処理炉２０内に供給した熱処理用ガスを排出するガス排出口２８が設けられる。加熱室２７内には所定の間隔をあけてＳｉＣにより形成された棒状の複数の支持柱２９が取出し台３０に立設される。
【００１３】
図１又は図２に示すように、ウェーハ支持具１０はリング状に形成された支持具本体１１からなり、支持具本体１１はＳｉＣにより形成される。一例として支持具本体１１と同一形状に形成されたカーボン基材上にＣＶＤ法にてＳｉＣを堆積していき、このＳｉＣが所定の厚さになったときに上記カーボン基材を焼失することにより、支持具本体１１が所定の形状に形成される。ウェーハ支持具１０を構成する支持具本体１１は複数の支持柱２９の上端に載り、被処理基板であるシリコンウェーハ１７の下面は支持具本体１１上面の平坦面１４に載せられ、そのウェーハ１７はウェーハ支持具１０により水平に支持されるように構成される。リング状の支持具本体１１の外周面１２と内周面１３との間の上面には、ウェーハ１７を上に載せる平坦面１４と平坦面１４から支持具本体１１の軸線１１ａに向って平坦面１４に対して下向きに傾斜する傾斜面１６とを有する。ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．２０°≦θ≦１０°の範囲内にそれぞれ形成される。
【００１４】
傾斜面１６の角度θはＦＥＭ（Finite Element Method、有限要素法）を用いることにより、急速熱処理時のシリコンウェーハの大きく撓んだ形状について解析して、この大きく撓んだウェーハの臨界角θ_cを計算することにより算出される。このＦＥＭ法は、各要素についての剛性方程式を重ね合わせたマトリックスからなる方程式に境界条件（拘束条件）を導入し、未知量を解析する方法である。
上述したＦＥＭ法を用いてウェーハ支持具１０の傾斜面１６の角度θを臨界角θ_cと同等の角度か、臨界角θ_cより大きく規定することにより、急速熱処理における加熱によりウェーハ１７が大きく撓んでも、接触面の乗り移りが起こらない。従って、乗り移りによる接触面の跡が付かないのでスリップを生じない。
【００１５】
傾斜面１６の角度θは、ウェーハ１７の大きさ、厚さ等によりそれぞれ設定が必要であり、例えば、直径２００ｍｍ、厚さ０．７２５ｍｍのウェーハを支持するウェーハ支持具では、１８０ｍｍ≦ｒ₁≦１９６ｍｍ、１８４ｍｍ≦ｒ₂≦１９８ｍｍの範囲内にそれぞれ形成され、傾斜面１６の角度θは平坦面１４に対して臨界角θ_c＝１．２０°と同等の角度か、臨界角θ_cより大きい角度である１．２０°≦θ≦１０°だけ下向きに調整され、直径３００ｍｍ、厚さ０．７７５ｍｍのウェーハを支持するウェーハ支持具では、２７０ｍｍ≦ｒ₁≦２９４ｍｍ、２７６ｍｍ≦ｒ₂≦２９７ｍｍの範囲内にそれぞれ形成され、傾斜面１６の角度θは平坦面１４に対して臨界角θ_c＝１．８２°と同等の角度か、臨界角θ_cより大きい角度である１．８２°≦θ≦１０°だけ下向きに調整される。
【００１６】
このように構成されたウェーハ支持具１０にウェーハ１７を載せた後、そのウェーハ支持具１０をウェーハ１７とともに熱処理炉２０まで搬送し、装置本体２１内の加熱室２７に収納する。その後発熱体２２，２２によりウェーハ１７を加熱し、熱処理用ガスをガス供給口２４から加熱室２７に供給して、ウェーハ１７を熱処理し、ガスを排気口２８から排出して、ウェーハ１７の熱処理を行う。熱処理炉２０を稼働して１２５０℃の高温まで５０℃／ｓｅｃの昇温速度で昇温すると、ウェーハは弾性率が大きく低下し、その自重により大きく撓む。傾斜面１６を大きく撓んだウェーハ１７の臨界角θ_cと同等の角度か、臨界角θ_cより大きい角度θだけ下向きに形成したため、接触面の乗り移りは起こらない。このように上記範囲内に傾斜面１６の角度θを規定することにより、ウェーハ１７に大きな撓みが生じても接触面の移動に伴うスリップの発生を防ぐことができる。
熱処理炉２０内でのウェーハ１７の急速熱処理が終了すると、ウェーハ支持具１０をウェーハ１７とともに熱処理炉２０から取出し、そのウェーハ支持具１０から図示しないロボットアームにより熱処理済みのウェーハ１７を次の処理工程に移送する。
【００１７】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、図５に示すように、ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、支持具本体１１の外周面１２の直径をｒ₃とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．０Ｄ≦ｒ₃≦１．１５Ｄ、１．５°≦θ≦４°の範囲内になるようにそれぞれ形成され、傾斜面１６が曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面に形成される。傾斜面１６の角度θは、平坦面１４に対して１．５°≦θ≦４°下向きである。傾斜面１６の角度θは、シリコンウェーハの直径によりそれぞれ異なるが、例えば、直径が２００ｍｍのウェーハを支持するウェーハ支持具の場合では１．５°≦θ≦３°、直径が３００ｍｍのウェーハを支持するウェーハ支持具の場合では２°≦θ≦４°の範囲内にそれぞれ規定して傾斜面の角度が設けられる。傾斜面１６の角度θが下限値未満であると、傾斜面１６を凸面とする効果が少なく、傾斜面１６の角度θが上限値を越えると傾斜面１６を凸面に形成しても急速熱処理における接触面の移動が急激に起こるおそれがある。
【００１８】
図４（ａ）に示すように、ウェーハ支持具１０断面における支持具本体１１の内周面１３と傾斜面１６が交わる点Ａ、平坦面１４と傾斜面１６が交わる点Ｂ、外周面１２と平坦面１４が交わる点Ｃの３点の座標を求め、この３点をそれぞれ通過するような円の半径を曲率半径として算出し、この曲率半径に沿った円弧状に傾斜面１６を加工することにより、凸面状の傾斜面１６を形成する。図４（ａ）及び図４（ｂ）中の一点鎖線は３点の座標を通過する円弧を示し、点線は従来の傾斜面を示す。
例えば、直径が２００ｍｍのウェーハを支持するウェーハ支持具１０では、傾斜面１６の角度θは平坦面１４に対して１．５°≦θ≦３°下向きに形成され、１８０ｍｍ≦ｒ₁≦１９６ｍｍ、１８４ｍｍ≦ｒ₂≦１９８ｍｍ、２００≦ｒ₃≦２３０ｍｍの範囲内にそれぞれ形成され、傾斜面１６が曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面となるように加工される。
【００１９】
このように構成されたウェーハ支持具１０の上にウェーハ１７を載せると、急速熱処理する前は、図４（ａ）に示すように、ウェーハ１７は小さく撓み、平坦面１４と傾斜面１６が交わる部分１８にウェーハ１７の接触面が位置してウェーハ１７は支持具上に支持される。
ウェーハ支持具１０にウェーハ１７を載せた後、そのウェーハ支持具１０をウェーハ１７とともに熱処理炉２０まで搬送し、装置本体２１内の加熱室２７に収納する。その後発熱体２２，２２によりウェーハ１７を加熱し、熱処理用ガスをガス供給口２４から加熱室２７に供給して、ウェーハ１７を熱処理し、ガスを排気口２８から排出して、ウェーハ１７の熱処理を行う。熱処理炉２０を稼働して１２５０℃の高温まで５０℃／ｓｅｃの昇温速度で昇温すると、図４（ｂ）に示すように、ウェーハ１７の弾性率は大きく下がり、またその自重により大きく撓むため、平坦面１４と傾斜面１６が交わる部分１８から凸面状の傾斜面１６上へと接触面は移動するが、凸面状に形成された傾斜面１６が接触面の移動を段階的に生じさせるため、ウェーハに接触面の移動に伴う急激な応力を付加させることはない。傾斜面１６を上記範囲内の曲率半径を有する凸面とすることにより、急速熱処理により大きくウェーハが撓んでも、凸面に形成した傾斜面１６が接触面の移動を段階的に生じさせるため、接触面の移動における応力を分散できる。
熱処理炉２０内でのウェーハ１７の急速熱処理が終了すると、ウェーハ支持具１０をウェーハ１７とともに熱処理炉２０から取出し、そのウェーハ支持具１０から図示しないロボットアームにより熱処理済みのウェーハ１７を次の処理工程に移送する。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の第１のウェーハ支持具は、リング状の支持具本体と、支持具本体の外周面と内周面との間の上面に外周面に続く熱処理前のウェーハが接触する平坦面と平坦面から支持具本体の軸線に向って平坦面に対して下向きに傾斜する傾斜面とを有し、支持具本体の上面にウェーハを載せて急速熱処理されるウェーハ支持具の改良であり、その特徴ある構成は、ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．２０°≦θ≦１０°、具体的にはウェーハの直径が２００ｍｍの時、１．２０°≦θ≦１０°、ウェーハの直径が３００ｍｍの時、１．８２°≦θ≦１０°であることにある。ウェーハ支持具の傾斜面の角度θを上記範囲内に規定することにより、急速熱処理における加熱によりウェーハが大きく撓んでも、傾斜面の傾斜角度θを大きく撓んだウェーハの臨界角θ_cと同等の角度か、臨界角θ_cと接触しない上記範囲内に規定したため、接触面の乗り移りが起こらない。従って、接触面の跡が付かないのでスリップを生じない。
【００２１】
また、本発明の第２のウェーハ支持具は、リング状の支持具本体と、支持具本体の外周面と内周面との間の上面に外周面に続く熱処理前のウェーハが接触する平坦面と平坦面から支持具本体の軸線に向って平坦面に対して下向きに傾斜する傾斜面とを有し、支持具本体の上面にウェーハを載せて急速熱処理されるウェーハ支持具の改良である。その特徴ある構成は、ウェーハ１７の直径をＤとし、支持具本体１１の内周面１３の直径をｒ₁とし、平坦面１４と傾斜面１６とが交わる部分１８の直径をｒ₂とし、支持具本体１１の外周面１２の直径をｒ₃とし、傾斜面１６の平坦面１４に対する傾斜角度をθとするとき、０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．０Ｄ≦ｒ₃≦１．１５Ｄ、１．５°≦θ≦４°、具体的にはウェーハの直径が２００ｍｍの時、１．５°≦θ≦３°、ウェーハの直径が３００ｍｍの時、２°≦θ≦４°であり、傾斜面１６が曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面に形成されることにある。ウェーハ支持具の傾斜面を曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面とすることにより、急速熱処理における加熱によりウェーハが大きく撓んでも、凸面に形成した傾斜面が接触面の移動を段階的に生じさせるので、ウェーハ移動時における応力負荷を緩和する。従って、支持具本体との接触面の移動に起因するスリップの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェーハが大きく撓んだ状態を示す図２の部分拡大図。
【図２】本発明の第１実施形態を示すウェーハ支持具の断面図。
【図３】そのウェーハ支持具を含む枚葉式熱処理炉の断面構成図。
【図４】（ａ）ウェーハの撓みが小さい状態を示す図５の部分拡大図。
（ｂ）ウェーハの撓みが大きい状態を示す図４（ａ）に対応する部分拡大図。
【図５】本発明の第２実施形態を示すウェーハ支持具の断面図。
【図６】（ａ）ウェーハの撓みが小さい状態を示す図８の断面図。
（ｂ）ウェーハの撓みが大きい状態を示す図６（ａ）に対応する断面図。
【図７】図６（ａ）及び図６（ｂ）の接触面を重ね合わせた部分拡大図。
【図８】従来のウェーハ支持具の上にウェーハを載せた上面図。
【符号の説明】
１０ ウェーハ支持具
１１ 支持具本体
１１ａ 軸線
１２ 外周面
１３ 内周面
１４ 平坦面
１６ 傾斜面
１７ ウェーハ
１８ 平坦面と傾斜面とが交わる部分

Claims (4)

1. リング状の支持具本体(11)と、前記支持具本体(11)の外周面(12)と内周面(13)との間の上面に前記外周面(12)に続く熱処理前のウェーハ(17)が接触する平坦面(14)と前記平坦面(14)から前記支持具本体(11)の軸線(11a)に向って前記平坦面(14)に対して下向きに傾斜する傾斜面(16)とを有し、
   前記支持具本体(11)の上面に前記ウェーハ(17)を載せて急速熱処理されるウェーハ支持具において、
   前記ウェーハ(17)の直径をＤとし、前記支持具本体(11)の内周面(13)の直径をｒ₁とし、前記平坦面(14)と前記傾斜面(16)とが交わる部分(18)の直径をｒ₂とし、前記傾斜面(16)の前記平坦面(14)に対する傾斜角度をθとするとき、
   ０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．２０°≦θ≦１０°であることを特徴とするウェーハ支持具。
2. ウェーハの直径が２００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．２０°≦θ≦１０°であり、ウェーハの直径が３００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．８２°≦θ≦１０°である請求項１記載のウェーハ支持具。
3. リング状の支持具本体(11)と、前記支持具本体(11)の外周面(12)と内周面(13)との間の上面に前記外周面(12)に続く熱処理前のウェーハ(17)が接触する平坦面(14)と前記平坦面(14)から前記支持具本体(11)の軸線(11a)に向って前記平坦面(14)に対して下向きに傾斜する傾斜面(16)とを有し、
   前記支持具本体(11)の上面に前記ウェーハ(17)を載せて急速熱処理されるウェーハ支持具において、
   前記ウェーハ(17)の直径をＤとし、前記支持具本体(11)の内周面(13)の直径をｒ₁とし、前記平坦面(14)と前記傾斜面(16)とが交わる部分(18)の直径をｒ₂とし、前記支持具本体(11)の外周面(12)の直径をｒ₃とし、前記傾斜面(16)の前記平坦面(14)に対する傾斜角度をθとするとき、
   ０．９０Ｄ≦ｒ₁≦０．９８Ｄ、０．９２Ｄ≦ｒ₂≦０．９９Ｄ、１．０Ｄ≦ｒ₃≦１．１５Ｄ、１．５°≦θ≦４°であり、
   前記傾斜面(16)が曲率半径４〜１２００ｍｍの凸面に形成されることを特徴とするウェーハ支持具。
4. ウェーハの直径が２００ｍｍであるとき、傾斜角度θが１．５°≦θ≦３°であり、ウェーハの直径が３００ｍｍであるとき、傾斜角度θが２°≦θ≦４°である請求項３記載のウェーハ支持具。

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