JP4317871B2 - 熱処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱処理装置に関し、特に、被処理基板の保持技術に係り、例えば、半導体集積回路装置(以下、ICという。)の製造方法において、ICが作り込まれる半導体ウエハ(以下、ウエハという。)に熱処理(thermal treatment )を比較的に高い温度で施す熱処理工程に利用して有効な技術に関する。
ICの製造方法においてウエハに酸化処理や拡散処理およびアニール処理のような熱処理を比較的に高い温度で施す熱処理工程には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置が、広く使用されている。
バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置(以下、熱処理装置という。)は、ウエハが搬入される処理室を形成し縦形に設置されたプロセスチューブと、プロセスチューブの外に敷設されて処理室を加熱するヒータユニットと、複数枚のウエハを複数段の保持溝によって保持して処理室に対して搬入搬出するボートと、処理室への搬入搬出に対してボートが待機する待機室とを備えている。
待機室において複数枚のウエハはボートに装填(ウエハチャージング)された後に、待機室から予熱された処理室に搬入(ボートローディング)される。そして、処理室が所定の熱処理温度にヒータユニットによって加熱されることにより、所望の熱処理がウエハに施される。
従来のこの種の熱処理装置におけるボートは、上下で一対の端板と、両端板間に架設されて垂直に配設された例えば三本の保持部材と、この三本の保持部材に長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように刻設された多数の保持溝とを備えている。ウエハは三本の保持部材の保持溝間に挿入されることにより、複数枚のウエハは水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持される。
ところが、このような構成のボートにおいては、次のような問題点がある。ウエハの全重量は三箇所の保持溝だけで支えられることになるため、熱ストレスがウエハに急激に加わった際に、結晶欠陥(スリップ)がウエハと保持溝との接触面間の引張応力や自重応力の関係から発生したり、ウエハが反ったりする。
この問題点を解決するための技術として、特許文献1には次のようなウエハホルダが開示されている。
このウエハホルダは炭化シリコン(SiC)が使用されてウエハの周辺部を載置する円形リング形状に形成されている。このウエハホルダがウエハの全重量を全周にわたって分散して支持することにより、ウエハのウエハホルダとの支持点に作用する重力の負担を軽減してウエハのスリップや損傷および反りの発生を防止している。
特開平7−45691号公報
一般に、ウエハと支持部との間に存在する突起との接触により、ウエハ自重による傷がウエハの裏面に形成され、その傷に起因する歪がスリップを発生させると、考えられている。そのため、ウエハを支持する支持部の表面を平滑に形成することによって突起を無くすことにより、ウエハと支持部との間に働く摩擦力を低減することが、従来からの「スリップ抑制」手段であった。
しかしながら、支持部の表面を平滑にし過ぎた場合には、突起による傷に起因するスリップではないスリップが確認されることがある。これは、支持部の表面を平滑にし過ぎたことにより、ウエハと支持部との界面の凝着力(2材料間の表面において、お互いの分子同士の分子力間力による結合力)によって、ウエハと支持部の表面とが貼り付き、それが剥がれるときにスリップが発生したと、考えられる(図15参照)。
本発明の目的は、従来から問題とされて来た突起による傷に起因するスリップの発生を防止するとともに、平滑にし過ぎるために発生する凝着力に起因するスリップの発生を防止することにある。
本願が開示する発明のうち代表的なものは、次の通りである。
(1)基板を熱処理する処理室と、この処理室において前記基板を支持する支持具とを有し、前記支持具は前記基板と接触する支持板と、この支持板を支持する本体部とを有し、前記支持板の直径が前記基板の直径の63〜73%であるとともに、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、1μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
(2)前記(1)において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、1.5μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
(3)前記(1)において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、2μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
(4)前記(1)において、前記基板の直径が300mmであり、前記支持板の直径が、190mm〜220mmであることを特徴とする熱処理装置。
(5)前記(1)において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の硬度は、前記基板の硬度と同等もしくはそれよりも大きいことを特徴とする熱処理装置。
(6)前記(1)において、前記本体部は炭化シリコンによって形成されており、前記支持板はシリコンまたは炭化シリコンによって形成されていることを特徴とする熱処理装置。
(7)前記(6)において、前記支持板の表面には酸化シリコン、炭化シリコンまたは窒化シリコンからなる層が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
(8)前記(1)において、前記熱処理とは1300℃以上の温度で行われる処理であることを特徴とする熱処理装置。
(9)前記(1)において、前記支持板には少なくとも一つの貫通孔が設けられていることを特徴とする熱処理装置。
(10)直径が基板の直径の63〜73%であるとともに、少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが1μm〜1000μmである支持板にて前記基板を支持するステップと、
前記支持板にて支持した前記基板を処理室内に搬入するステップと、
前記支持板にて支持された前記基板を前記処理室内で熱処理するステップと、
前記熱処理後の前記基板を前記処理室内から搬出するステップと、
を有することを特徴とする基板の製造方法。
前記(1)によれば、基板の変位量(撓み量)が最小になるように基板を支持することができ、また、そのように基板を支持した場合における支持板の表面の突起による傷に起因するスリップと、支持板の表面を平滑にし過ぎた場合に発生する凝着力に起因するスリップとの両方を防止することができる。
前記(2)によれば、基板の変位量が最小になるように基板を支持する場合において、両方のスリップを確実に防止することができる。
前記(3)によれば、基板の変位量が最小になるように基板を支持する場合において、両方のスリップをより一層確実に防止することができる。
前記(4)によれば、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(5)によれば、支持板の少なくとも基板と接触する部分の硬度が基板の硬度と同等もしくはそれよりも大きい場合であっても、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(6)によれば、本体部が炭化シリコンによって形成されており、支持板がシリコンまたは炭化シリコンによって形成されている場合であっても、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(7)によれば、支持板の表面に酸化シリコン、炭化シリコンまたは窒化シリコンからなる層が形成されている場合であっても、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(8)によれば、熱処理が1300℃以上の温度で行われる処理である場合であっても、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(9)によれば、支持板に少なくとも一つの貫通孔が設けられている場合であっても、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
前記(10)によれば、前記(1)と同様の効果を得ることができる。
本発明の一実施の形態である酸化装置を示す一部省略正面断面図である。 主要部を示す正面断面図である。 ボートの保持溝の部分を示す斜視図である。 平面と半球状突起との接触モデルを示す模式図である。 複数の半球状突起の連続体の支持モデルを示す模式図であり、(a)は拡大した部分図、(b)は全体図を示している。 垂直荷重および凝着力と摩擦係数との関係を示すグラフである。 摩擦係数μおよび支持点当たりの単位面積に働く垂直荷重と、曲率半径Rpとの関係を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態である酸化装置を示しており、(a)はボートの保持溝の部分を示す平面断面図、(b)は一部省略正面図である。 ウエハホルダ支持モデルと4点支持モデルとによる支持位置とウエハの端、中心での変位量の関係に関する解析結果を示すグラフである。 その解析に使用されたモデルを示す模式図であり、(a)はウエハホルダ支持モデルを示し、(b)は4点支持モデルを示している。 半径100mmの位置での4点支持モデルによる熱処理を実施した結果を示しており、(a)は表面検査装置によるウエハの全面観察写真、(b)はウエハ裏面の光学顕微鏡観察写真である。 直径180mmのウエハホルダ支持モデルによる熱処理の結果を示しており、(a)は表面検査装置によるウエハの全面観察写真、(b)はウエハ裏面の光学顕微鏡観察写真である。 表面粗さRaを求めるためのモデルを示す模式図である。 表面粗さRaと表面最大高さRyとの関係を示すグラフである。 表面粗さRaがスリップ発生領域にあるウエハでの処理結果を示しており、(a)は表面検査装置による観察写真、(b)は傷を起点としたスリップの顕微鏡観察写真をそれぞれ示している。 表面粗さRaがスリップフリーの領域にあるウエハでの処理結果を示しており、(a)はX線トポグラフによる観察写真、(b)はウエハ端の小傷の顕微鏡写真をそれぞれ示している。
符号の説明
1…ウエハ(被処理基板)、10…酸化装置(バッチ式縦形ホットウォール形熱処理装置、熱処理装置)、11…筐体、12…プロセスチューブ、13…処理室、14…炉口、15…流通孔、16…ガス溜、17…均熱チューブ、18…ヒータユニット、19…熱電対、20…シールキャップ、21…ボート、22、23…端板、24…保持部材、25…保持溝、26…保持面、27…R面取り部、32…排気管、33…排気ライン、34…排気装置、35…圧力調節器、36…圧力センサ、37…供給管、38…処理ガス供給ライン、40…酸素ガス源、41…酸素ガス供給ライン、42…窒素ガス源、43…窒素ガス供給ライン、29…ウエハホルダ(支持板)。
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
本実施の形態においては、本発明に係る熱処理装置は図1および図2に示されているように、構造的には熱処理装置(バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置)として構成されており、機能的にはウエハに酸化膜を形成するための酸化膜形成装置の一例であるドライ酸化装置(以下、単に、酸化装置という。)として構成されている。
酸化装置10はプロセスチューブ(反応管)12を備えており、プロセスチューブ12は石英(SiO2 )または炭化シリコン(SiC)が使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。プロセスチューブ12は中心線が垂直になるように縦に配されて、筐体11の上部の設置室11aに支持されている。
プロセスチューブ12の筒中空部は処理室13を形成しており、処理室13は複数枚のウエハ1を同心的に整列させた状態で保持したボート21が搬入されるように構成されている。プロセスチューブ12の下端開口はボート21を搬入搬出するための炉口14を構成している。
プロセスチューブ12の上端の閉塞壁(以下、天井壁という。)には、複数個の流通孔15がガスを処理室13の全体に分散させるように配置されて厚さ方向に開設されており、プロセスチューブ12の天井壁の上にはガス溜16が流通孔15群を覆うように形成されている。
プロセスチューブ12の外側には均熱チューブ(均熱管)17が同心円に設置されており、均熱チューブ17も筐体11に支持されている。均熱チューブ17は炭化シリコン(SiC)が使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。
均熱チューブ17の外側にはヒータユニット18が均熱チューブ17を包囲するように同心円に設置されており、ヒータユニット18も筐体11に支持されている。プロセスチューブ12と均熱チューブ17との間には、熱電対19が上下方向に敷設されており、ヒータユニット18は熱電対19の温度検出に基づくコントローラ(図示せず)の制御により、処理室13内を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱するように構成されている。
プロセスチューブ12の側壁の下部には排気管32が、処理室13に連通するように接続されており、排気管32には排気ライン33の一端が接続されている。排気ライン33の他端には真空ポンプやブロア等によって構成された排気装置34が接続されている。排気ライン33の途中には圧力調節器35が介設されており、圧力調節器35は排気ライン33の途中に接続された圧力センサ36の検出結果に基づいてコントローラ(図示せず)によって制御されることにより、処理室13の圧力を所定の圧力に制御するように構成されている。
プロセスチューブ12の外側には供給管37が敷設されており、供給管37はプロセスチューブ12の一部に沿って上下方向に延在した状態になっているとともに、上端がガス溜16に接続されている。供給管37の下端には処理ガス供給ライン38が接続されており、処理ガス供給ライン38には酸素(O2 )ガス源40に接続された酸素ガス供給ライン41と、窒素(N2 )ガス源42に接続された窒素ガス供給ライン43とがそれぞれ接続されている。
筐体11の下部室である待機室11bにおけるプロセスチューブ12の真下には、プロセスチューブ12の外径と略等しい円盤形状に形成されたシールキャップ20が同心的に配置されており、シールキャップ20は送りねじ機構によって構成されたボートエレベータ(図示せず)によって垂直方向に昇降されるようになっている。シールキャップ20の上には基板を支持する支持具としてのボート21が垂直に立脚されて支持されている。
ボート21は炭化シリコンが使用されて構成されており、上下で一対の端板22、23と、両端板22、23間に架設されて垂直に配設された複数本(図示例では三本)の保持部材24とを備えている。各保持部材24には多数段の保持溝25が、長手方向に等間隔に配されて同一の段において互いに対向して開口するように刻設されている。
図3に示されているように、各保持溝25の上向き面から構成された保持面26の外周縁辺(エッジ)には、R面取り部27が形成されている。R面取り部27の曲率半径は、1mm以上に設定されている。
保持面26のウエハ1と接触する部分の表面は、表面粗さ(Ra)が10-6m(1μm)ないし10-3m(1000μm)に設定されている。ウエハ1は三本の保持部材24、24、24の同一の段の保持溝25、25、25に外周部を挿入されて、その下面における周辺部の三箇所を表面粗さ(Ra)が10-6mないし10-3mに設定された保持面26によって受けられることによって保持される。各保持溝25によってそれぞれ保持された状態において、複数枚のウエハ1はボート21に水平にかつ互いに中心を揃えて整列された状態になる。
次に、ウエハ1の下面に接触してウエハ1を支持する本発明の特徴である支持部における表面形状,粗さの設定方法について説明する。
一般に、ウエハの自重による傷がウエハと支持部に存在する突起との接触によってウエハに形成され、その傷に起因する歪がウエハにスリップを発生させると考えられている。したがって、スリップの発生を防止(以下、スリップフリーという場合がある。)するためには、ウエハの自重による傷の発生を抑制する必要がある。さらに、ウエハの自重による傷を抑制するためには、突起で発生する力を低減する必要がある。
一般的には、ウエハと支持部との間に働く摩擦力Ffは、次式(1)の通り、ウエハの自重による垂直荷重Lに摩擦係数μを乗じた大きさで表される(クーロンの法則)。
Ff=μ×L ・・・(1)
そのため、スリップフリーを実現するための手段としては、ウエハを支持する部分の表面を可及的に平滑に形成することにより、ウエハと支持部との間の摩擦係数μを小さくする場合が多い。
ところが、摩擦係数μは原則的に一定であり、支持部の表面を平滑にすることは、実際には垂直荷重を微視的な支持点の増加で分割させることにより、各支持点に働く摩擦力を低減していることになる。
ここで、ウエハと支持部との接触は、図4に示されているような平面(ウエハ)と半球状突起との接触であると、想定する。
図4において、Rは半球状突起の曲率半径、aは半球状突起によって平面に形成される傷の半径、hは同じく傷の深さ、Aは同じく傷の表面積、である。傷の表面積Aは真実接触面積と呼ばれている。真実接触面積Aは、二つの材料が垂直荷重Lで接触した場合に、軟らかい材料(降伏応力が小さい方の材料)が塑性変形し、接触面にかかる応力が当該降伏応力(σ)に等しくなるまで変形する面積であり、次式(2)で表される。そして、真実接触面積Aの値は、接触する二つの材料に固有の値であり、表面状態に依存しない。
A[m2 ]=L[N]/σ[Pa] ・・・(2)
ここで、図5に示されているように、複数の半球状突起の連続体がウエハを支持しているものと仮定した場合について説明する。
複数の半球状突起のそれぞれには「ウエハの自重L/支持点数P」の垂直荷重がかかる。なお、以降に記載する記号で、添字に「p」が付加されているものは、「支持点一箇所当たり」という意味とする。
表面粗さ(Ra)が大きいということは、図5(a)に示されているように、半球状突起の曲率半径(Rp)が大きく、支持点数が少ない状態である。表面粗さ(Ra)が小さいということは、図5(b)に示されているように、半球状突起の曲率半径(Rp)が小さく、支持点数が多い状態である。
半球状突起の曲率半径が大きい場合には、各支持点に働く摩擦力が大きくなることにより、ウエハに形成される傷が深く、大きくなるために、その傷を起点としたスリップが発生し易くなる。逆に、半球状突起の曲率半径が小さい場合には、各支持点に働く垂直荷重が低減することにより、スリップの起点となる傷の形成が抑制されることになる。
ところが、図6の垂直荷重および凝着力と摩擦係数との関係を示すグラフにおける実線曲線に示されているように、垂直荷重が非常に小さい条件下においては、摩擦係数μが非常に大きくなることがある。これは、摩擦力Ffが実際には、次式(3)で表される通り、垂直荷重Lと「凝着力Fa」の和に界面での一定値の見かけの摩擦係数(μ’)を乗じた大きさで表されるからである。なお、図6および考察の出典は、次の通りである。
安藤泰久,「マイクロマシーンとトライボロジー」,表面科学,1998年,第19巻,第6号,p.385−391
ここで、「凝着力Fa」とは、二つの材料の間の表面において、お互いの分子同士の分子間力(ファンデルワールス力)による結合力のことである。
Ff=μ’(L+Fa) ・・・(3)
ここで、凝着力Faは、図4に示された接触モデルを想定した場合には、JKR理論から次式(4)で表される。
Fa=3/2×γπR ・・・(4)
式(4)において、γは材料に固有の平面の表面エネルギーであり、Si(100)場合は、2.13[N/m]、である。式(4)からは、凝着力Faが半球状突起の曲率半径Rに比例することが判る。
式(1)と式(3)とから、摩擦係数μは、次式(5)で表される。
μ=μ’(L+Fa)/L ・・・(5)
但し、Fa=p×Fap ・・・(6)
図7は、事前の評価として「1200℃」の熱処理を実施した時に得られたシリコンの降伏応力値および既に公知のSiの降伏応力値から、「1350℃」の熱処理での真実接触面積Aを近似計算し、式(5)に適用した場合の摩擦係数μおよび支持点当たりの単位面積に働く垂直荷重と、曲率半径Rpとの関係を示している。このとき、見かけの摩擦係数μ’は一定値「1」としている。
半球状突起の曲率半径が小さい領域(平滑平面)において摩擦係数μは、凝着力Fa項が支配的になるために、急激に増加し、ウエハと支持部との間に大きな摩擦力Ffが働くことが判る。逆に、支持点当たりの単位面積に働く荷重は、曲率半径(Rp)と共に増加する。
スリップの発生を抑制するには、突起による傷の形成を抑制(突起一個当たりに働く荷重を小さく)すること、また、ウエハと支持部との間に働く摩擦力Ffを小さくする必要がある。そのためには、図7において、次の二つの領域のバランスが取れた曲率半径Rpとなる表面状態が必要になる。
1) 摩擦係数μが小さい領域
2) 支持部一点当たりの垂直荷重が小さい領域
図7に示す例でいえば、曲率半径が10-6m以上の連続突起で支持した場合、摩擦係数(μ)は「10」程度と大きいが、垂直荷重は10-4[N/個/m2 ]と小さく、突起による傷形成が原因となるスリップは発生し難いと、考えられる。
これ以上小さい連続突起での支持の場合、垂直荷重はさらに小さくなるが、凝着力に影響する摩擦係数(μ)が増加するため、突起とウエハとの接触部において凝着力により傷が形成され、それに起因するスリップが発生する。
また、逆に、曲率半径が10-3m以上の「大きな」連続突起で支持した場合には、摩擦係数は充分に小さいが、支持点当たりの垂直荷重が大きくなり、突起による傷形成が原因となるスリップが発生し易くなる。
つまり、最適なウエハ支持表面としては、曲率半径が10-6mないし10-3m程度の連続突起で支持するとよい。このときの表面粗さ(Ra)を計算すると、約10-6mないし10-3mになる。
ここで、図4に示された半球状突起から、図7に示された摩擦係数μ、実評価に用いた表面粗さRaを導出するまでを説明する。
まず、支持点当たりの各パラメータの計算を説明する。真実接触面積Aは、曲率半径Rの半球状突起を半径a(傷の半径)で切り取った部分の表面積になる。切り取った部分の高さh(傷の深さ)で、角度をθとすると、次式の通りになる。
A=2πR2 (1−sinθ) ・・・(7)
a=Rcosθ ・・・(8)
h=R(1−sinθ) ・・・(9)
ここで、傷の深さhを傷の半径aで除した食い込み度をDpとすると、
Dp=h/a ・・・(10)
a=[A/{π×(1+Dp2 )}]1/2 ・・・(11)
h=a×Dp=Dp×[A/{π×(1+Dp2 )}]1/2 ・・・(12)
R={A×(1+Dp2 )/(4πDp2 )}1/2 ・・・(13)
が求まる。
P個の支持点数で支持する場合には、真実接触面積Aおよび垂直荷重は、その支持点数Pで分割すればよく、
Ap=A/P ・・・(14)
Lp=L/P ・・・(15)
となる。これを式(3)、(4)、(11)ないし(13)に適用すると、
Ffp=μ’(Lp+Fap) ・・・(16)
Fap=3/2×γπRp ・・・(17)
ap=[Ap/{π×(1+Dp2 )}]1/2 ・・・(18)
hp=a×Dp=Dp×[Ap/{π×(1+Dp2 )}]1/2 ・・・(19)
Rp={Ap×(1+Dp2 )/(4πDp2 )}1/2 ・・・(20)
がそれぞれ支持点一点当たりの値になる。
次に、ICの製造方法において、前記構成に係る酸化装置を用いてウエハに酸化膜を形成する工程を説明する。
図1に示されているように、酸化膜形成処理に際して、複数枚のウエハ1を整列保持したボート21はシールキャップ20の上にウエハ1群が並んだ方向が垂直になる状態で載置され、ボートエレベータによって差し上げられてプロセスチューブ12の炉口14から処理室13に搬入(ボートローディング)されて行き、シールキャップ20に支持されたままの状態で処理室13に存置される。この状態で、シールキャップ20はシールリングを挟んで密着することにより、処理室13を気密に閉じた状態になる。
処理室13が気密に閉じられた状態で、処理室13の内部が排気ライン33によって排気され、ヒータユニット18によって所定の温度に加熱され、ウエハの温度が処理温度(例えば、1000〜1200℃)に達して安定化すると、酸素ガスおよび窒素ガスがそれぞれ酸素ガス供給ライン41および窒素ガス供給ライン43によって処理ガス供給ライン38へ所定の流量供給される。
処理ガス供給ライン38に供給された酸素ガスおよび窒素ガスは、処理ガス供給ライン38から供給管37へ送り出され、供給管37によりプロセスチューブ12のガス溜16に供給される。ガス溜16に供給された処理ガスは流通孔15によって処理室13内の全体にわたって均等に分散される。
処理室13に均一に分散された処理ガスはボート21に保持された複数枚のウエハ1にそれぞれ均一に接触しながら処理室13を流下し、排気管32から排気ライン33の排気力によって処理室13の外部に排気される。処理ガスのウエハ1の表面への接触による処理ガスの酸化反応により、ウエハ1の表面には酸化膜が形成される。
予め設定された処理時間が経過すると、処理室13への酸素ガスおよび窒素ガスの供給が停止される。そして、処理室13やガス溜16等が窒素ガスによってパージされた後に、シールキャップ20がボートエレベータによって下降され、ボート21が処理室13から待機室11bに搬出(ボートアンローディング)される。
ボートアンローディングステップが終了すると、ボート21から処理済みのウエハ1を取り出すためのウエハディスチャージステップが実行される。
以降、前述した作用が繰り返されることにより、酸化装置によってウエハがバッチ処理されて行く。
以上の酸化膜形成工程においては、一般に、ウエハと支持部間との間に存在する突起との接触により、ウエハ自重による傷がウエハの裏面に形成され、その傷に起因する歪がスリップを発生させると、考えられている。そのため、従来から、ウエハ支持の表面を平滑にし、突起を無くすことにより、ウエハと支持部との間に働く摩擦力を低減することが実施されている。
しかしながら、支持部の表面を平滑にし過ぎた場合には、突起による傷に起因するスリップではないスリップが確認されることがある。これは、支持部の表面を平滑にし過ぎたことにより、ウエハと支持部との界面の凝着力によって、ウエハと支持部表面とが貼り付き、それが剥がれるときにスリップが発生したと、考えられる。
本実施の形態においては、支持部すなわちボート21の保持溝25の保持面26の表面粗さ(Ra)が10-6mないし10-3mに設定されていることにより、従来から問題とされて来た突起による傷に起因するスリップと、平滑にし過ぎるために発生する凝着力に起因するスリップとの両方を防止することができる。
前記した実施の形態によれば、次の効果が得られる。
1) ウエハに接触して支持する支持部の表面粗さ(Ra)を10-6mないし10-3mに設定することにより、酸化装置での酸化処理に際して、ウエハの支持部との接触部位にスリップが発生するのを防止することができるので、酸化装置ひいてはICの製造方法全体としての製造歩留りを向上させることができる。
2) 支持部を炭化シリコンによって形成することにより、支持部のシリコンウエハとの接触部位での凝着度を所定値に設定することができるので、食い込み度を所定値未満に設定して、支持部の表面粗さ(Ra)を10-6mないし10-3mに設定することにより、酸化装置での酸化処理に際して、ウエハの支持部との接触部位にスリップが発生するのを防止することができる。
図8は本発明の他の実施の形態である酸化装置を示しており、(a)はボートの保持溝の部分を示す平面断面図、(b)は一部省略正面図である。
本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、支持具がウエハと接触する支持板としてのウエハホルダ29と、この支持板としてのウエハホルダ29を支持する本体部とを有し、ウエハ1がウエハホルダ29によって支持されるように構成されている点、である。
本実施の形態に係るウエハホルダ29は、シリコンからなる円板形状のプレートの表面に、硬度がシリコンのそれよりも大きい炭化シリコン膜または窒化シリコン膜が形成されて構成されている。
なお、ウエハホルダ29は、シリコンからなる円板形状のプレートの表面に硬度がシリコンのそれよりも小さい酸化シリコン膜を形成して、構成してもよい。
また、ウエハホルダ29は炭化シリコンによって構成してもよい。
ウエハホルダ29の直径D29は、ウエハ1の直径D1 の略2/3以上ないしウエハ1の直径D1 未満に設定され、好ましくは、ウエハ1の直径D1 の63〜73%に設定され、さらに好ましくは、ウエハ1の直径D1 の65〜75%に設定される。
例えば、ウエハの直径D1 が300mmである場合には、ウエハホルダ29の直径D29は略200mmないし300mmに設定され、好ましくは190〜220mm、さらに好ましくは、195〜210mmに設定される。
ウエハホルダ29のウエハ1と接触する表面の表面粗さ(Ra)は、10-6m(1μm)ないし10-3m(1000μm)に設定され、好ましくは、1.5〜1000μmに設定され、さらに好ましくは、2〜1000μmに設定される。
次に、本実施の形態に係る特徴であるウエハホルダ29の直径の設定方法について説明する。
図9はウエハをウエハホルダで支持したモデル(以下、ウエハホルダ支持モデルという。)と、ウエハを4点で支持したモデル(以下、4点支持モデルという。)とによる支持位置とウエハの端、中心での変位量の関係に関する解析結果を示すグラフである。
図9において、実線曲線がウエハホルダ支持モデルの場合を示しており、破線曲線が4点支持モデルの場合を示している。
図10はその解析に使用されたモデルを示す模式図であり、(a)はウエハホルダ支持モデルを示し、(b)は4点支持モデルを示している。
図10中、1はウエハ、29はウエハホルダ、61、62、63、64は四つの支持点であり、ウエハホルダ29の半径rと同一の半径rの上に互いに90度の位相差をもってそれぞれ配置されている。71ないし75は各測定点である。第一測定点71はウエハホルダ支持モデルの中心Oに位置し、第二測定点72はウエハホルダ支持モデルのウエハ1の端に位置する。第三測定点73は4点支持モデルの中心Oに位置し、第四測定点74はウエハの中心Oから第四支持点64の延長線上のウエハ1の端に位置し、第五測定点75はウエハの中心Oから隣合う第一支持点61と第四支持点64との中点を結ぶ直線の延長線上のウエハ1の端に位置する。
図9によれば、ウエハホルダ支持モデルおよび4点支持モデルに関わらず、支持位置をウエハの中心から半径95mm〜110mm、好ましくは97.5mm〜105mm、さらに好ましくは略100mmの位置に設定することにより、最も変位量が小さくなることが判る。
しかしながら、4点支持モデルにおいては、ウエハの中心から支持点を通る延長線上に位置する第四測定点74において変位量が0mmになるが、隣合う支持点の中点に位置する第五測定点75においては、下方向に僅かに垂れる(−0.016mm)という結果になっている。すなわち、4点支持モデルの場合には、支持点の位置(角度ないし位相差)によって、同心円状で変位量が異なるということになる。
つまり、図8に示されているように、半径が150mmすなわち直径が300mmのウエハ1を半径が95mm、好ましくは97.5mm、さらに好ましくは100mmすなわち直径が190mm、好ましくは195mm、さらに好ましくは200mm以上のウエハホルダ29によって支持すれば、ウエハ1の自重による変位は問題とならない。
すなわち、ウエハホルダ29の直径はウエハ1の直径の63%以上、好ましくは65%以上、さらに好ましくは「2/3」以上あればよい。
但し、本実施の形態においては、ウエハ1をウエハホルダ29に対して授受するウエハ移載装置(wafer transfer equipment)のツィーザの挿入スペース等を考慮し、ウエハホルダ29の直径はウエハ1の略「2/3」以上ウエハ1の直径未満、好ましくはウエハ1の直径の60%以上73%以下、好ましくは63%以上70%以下、に設定した。
ウエハホルダ支持モデルと4点支持モデルとを巨視的支持形状として、微視的表面形状として表面粗さRaについて、1350℃においての熱処理評価を実施した。
図11は半径100mmの位置での4点支持モデルによる熱処理を実施した結果を示しており、(a)は表面検査装置によるウエハの全面観察写真、(b)はウエハ裏面の光学顕微鏡観察写真である。
図11中の一点鎖線が半径100mmの円であり、この円周上の対角線との交点においてウエハが支持されている。
表面検査装置の結果では、四箇所の支持点の全てでスリップ(図中の矢印が指示する十字)が確認される。
図11(b)のウエハ裏面顕微鏡写真が示すように、ウエハの自重および昇降温時の熱膨張による変形に起因した応力が、ウエハ支持点に集中して付加されたことにより傷が形成され、それを起点としてスリップが発生したと、考えられる。
図12は直径180mmのウエハホルダ支持モデルによる熱処理の結果を示しており、(a)は表面検査装置によるウエハの全面観察写真、(b)はウエハ裏面の光学顕微鏡観察写真である。
図12中の一点鎖線が直径180mm(半径90mm)の円である。
図12中の縦線および横線のそれぞれがスリップを示しており、その縦線および横線で示されるスリップが交差する点がスリップの起点である。
図12(a)においては、ウエハホルダの端と思われる箇所からのスリップを大量に確認することができる。
図12(b)においては、ウエハホルダの形状に沿ったと思われる傷の列が見られ、その傷を起点としてスリップが確認される。この場合においても、4点支持モデルと同じく、ウエハの自重および昇降温時の熱膨張による変形に起因した応力が、ウエハ支持点に集中して付加されたことにより傷が形成され、それを起点としてスリップが発生したと、考えられる。
以上の評価結果から、ウエハホルダの直径を190mm〜220mm、好ましくは195mm〜210mm、例えば200mmに設定し、表面粗さ(算術的平均粗さ)Raを次の通り求め、その粗さを中心とした表面粗さ条件で熱処理評価を実施した。
表面粗さ(算術的平均粗さ)Raは、その表面断面関数f(x)を積分し、その積分間隔で除することで求まる。図13に示すモデルで簡単に導入方法を示す。
図13において、円弧が連続した部分を支持表面とすると、その表面粗さRaは以下の式で表される。
Figure 0004317871
図14は評価した直径200mmのウエハホルダの表面粗さRaと表面最大高さRyとの関係を、スリップフリーとなったウエハ(図14中の☆)、傷を起点とするスリップが確認されたウエハ(図14中の×)で示すグラフである。
1350℃での熱処理において、直径300mmのウエハのスリップフリーが検証されている。但し、図14中の左側領域においてはスリップが確認された(「スリップ発生」領域)。また、図14中の中央領域においては、スリップが確認されたウエハもあった(「混在」領域)。複数枚のウエハで、安定してスリップフリーを達成することができたのは、右端部の領域である(「スリップフリー」領域)。
なお、スリップ発生領域の表面粗さRaと混在領域の表面粗さRaとの境界値は、1μm程度であり、混在領域の表面粗さRaとスリップフリー領域の表面粗さRaとの境界値は、1.5μm程度である。
また、ウエハホルダの表面粗さRaの値を2.0μmに設定することにより、確実にスリップフリーを達成することができるのを、確認することができた。
ここで、図4〜図7について説明したように、凝着力は摩擦力に置き換えて考えることができる。
そして、表面粗さRaと相関する突起の曲率半径が小さくなると、摩擦係数は大きくなるために、凝着力は増加する。
逆に、突起の曲率半径が大きくなると、摩擦係数は小さくなるために、凝着力は低減する。
この摩擦係数から応力を計算すると、突起の曲率半径が1μm以下である場合は、トータル応力がウエハの降伏応力を超えるために、スリップが発生する。しかし、突起の曲率半径が1μm以上である場合は、スリップは発生しないことがわかる。
但し、突起の曲率半径が1μmきっかりではマージンが少ないために、スリップが発生する可能性がある。そこで、突起の曲率半径を1.5μmに設定すると、マージンもかなり発生するために、スリップの発生はかなりの確率で防止することができる。突起の曲率半径を2.0μmに設定すると、確率はさらに高めることができる。
他方、ウエハホルダの表面粗さRaの上限値である1000μm超では、ウエハホルダの実際の表面加工において加工精度を維持することが困難になるために、スリップフリーを実現することが困難になる。
また、ウエハホルダの直径を190mm〜220mmの間で変化させても、図14に示されたような結果を同様に確認することができた。
なお、ウエハホルダの直径を180mm以下に設定した場合、および、ウエハホルダの直径を230mm以上に設定した場合には、図14に示されたような結果は得られなかった。
これは、次の理由による。
まず、ウエハにおいてスリップが発生するか否かは、ウエハホルダのウエハと接触する部分の表面粗さRaだけで定まるものではなく、ウエハホルダのウエハとの接触面積(ウエハホルダの直径)やウエハホルダによるウエハの支持箇所にも依存する。
例えば、所定の温度(例えば、1350℃)での熱処理において、直径300mmのウエハを所定の表面粗さRa(例えば、2.0μm)のウエハホルダによって支持した場合であっても、ウエハホルダの直径すなわちウエハホルダのウエハとの接触面積やウエハホルダによるウエハの支持箇所が変わると、ウエハにおいてスリップが発生する場合と、発生しない場合とが生じることになる。
つまり、ウエハホルダの直径を190mm〜220mmとして、ウエハホルダによりウエハの変位量(撓み量)が最も小さくなるようにウエハを支持する場合には、ウエハホルダの表面粗さRaを1μm〜1000μm、好ましくは1.5μm〜1000μm、さらに好ましくは、2μm〜1000μmとすれば、ウエハホルダの表面の突起による傷に起因するスリップおよびウエハホルダを平滑にし過ぎる場合に発生するスリップの両方の発生を防止することができる。しかしながら、ウエハホルダの直径を180mm以下とした場合、および、ウエハホルダの直径を230mm以上とした場合すなわちウエハの変位量(撓み量)が比較的大きい場合には、ウエハホルダの表面粗さRaを1μm〜1000μm、好ましくは1.5μm〜1000μm、さらに好ましくは、2μm〜1000μmとしても、ウエハホルダの表面の突起による傷に起因するスリップまたはウエハホルダを平滑にし過ぎる場合に発生するスリップの少なくとも一方が発生してしまうという訳である。
図15は表面粗さRaが「スリップ発生」領域にあるウエハホルダを用いた場合の処理結果を示しており、(a)は表面検査装置による観察写真、(b)は傷を起点としたスリップの顕微鏡観察写真をそれぞれ示している。
ウエハの中央付近に集中したスリップを確認することができる。
この結果は以下のように考えられる。
表面粗さRaが小さいため、ウエハと支持部(ウエハホルダ)との間には大きな凝着力Faが発生し、ウエハの中心付近においてウエハと支持部とが凝着した状態で、熱処理が進行したために、スリップが発生した。その証拠として、図15(b)においては、ウエハの裏面に支持部すなわちウエハホルダ表面の一部がはぎ取られた痕跡があり、さらに、その衝撃でスリップも観察される。
図16は表面粗さRaが「スリップフリー」の領域にあるウエハホルダを用いた場合の処理結果を示しており、(a)はX線トポグラフ(X-Ray Topograph)による観察写真、(b)はウエハホルダ端の小傷の顕微鏡写真をそれぞれ示している。
ウエハにはスリップは一切確認することができない。但し、顕微鏡写真に示されているように、ウエハホルダ端の円周上に小さな傷が形成されている。小さな傷からは、表面検査装置、X線トポグラフおよび顕微鏡観察において、スリップの発生は確認することができない。また、この小さな傷はX線トポグラフにおいては確認することができないほど小さいながら、ウエハホルダとの接触部全面に存在している。顕微鏡においては確認することができる。これはウエハと支持部すなわちウエハホルダとの界面全域に存在する微少突起が、摩擦力Ffをバランスよく分散させている証拠と考えられる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、ウエハホルダは、シリコン製のプレートの表面に炭化シリコン膜や窒化シリコン膜等のシリコンよりも硬い物質の膜を被着して構成するに限らず、シリコン製のプレートの表面に酸化シリコン膜等のシリコンよりも硬度の小さい物質からなる膜を被着して構成してもよく、また、炭化シリコン製のプレートや窒化シリコン製のプレートによって構成してもよい。
また、ウエハホルダには少なくとも一つの貫通孔を設けるようにしてもよい。このような構成とすることにより、ウエハホルダへのウエハ移載時に、ウエハとウエハホルダとの間の空気を貫通孔を通して外部に逃がすことができ、ウエハのウエハホルダに対する滑りを防止することができる。このような構成のウエハホルダであっても、ウエハホルダの表面の突起による傷に起因するスリップおよびウエハホルダを平滑にし過ぎ場合に発生するスリップの両方の発生を防止することができる。
前記実施の形態においては、ICの製造方法においてウエハに酸化膜を形成する工程について説明したが、本発明に係る熱処理装置はICの製造方法の他の熱処理工程に適用することもできる。
特に、比較的に高い温度で実施される熱処理、例えば、ドライ酸化、ウエット酸化、水素燃焼酸化(パイロジェニック酸化)、塩酸(HCl)酸化等の熱酸化工程や、硼素(B)、燐(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等の不純物(ドーパント)を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程、アニール工程等に適用するのが好ましい。
このようなICの製造方法の熱処理工程に本発明に係る熱処理装置を適用することにより、ウエハのスリップの発生を防止することができる。
さらに、本発明に係る熱処理装置は、基板の製造方法に適用して優れた効果を発揮する。
例えば、SOI(silicon on insulator) ウエハの一種であるSIMOX(separation by implanted oxygen) ウエハの製造方法の熱処理工程に、本発明に係る熱処理装置を適用する場合について説明する。
まず、酸素イオンが単結晶シリコンウエハの内部にイオン注入装置等によって注入される。その後に、酸素イオンが注入されたウエハが本発明に係る熱処理装置によって、例えば、アルゴン(Ar)や酸素(O2 )雰囲気の下で、1300℃〜1400℃程度(例えば、1350℃以上)の高温をもってアニール処理される。これらの処理によって、酸化シリコン(SiO2 )層がウエハの内部に形成された(酸化シリコン層が埋め込まれた)SIMOXウエハが製造される。
また、水素アニールウエハの製造方法の熱処理工程にも、本発明に係る熱処理装置を適用することができる。この場合には、本発明に係る熱処理装置を使用して水素雰囲気中で、1200℃程度以上の高温をもってウエハをアニール処理することになる。これによって、ICが製造されるウエハの表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。
この他には、エピタキシャルウエハの製造方法の熱処理工程にも、本発明に係る熱処理装置を適用することができる。
以上のような基板の製造方法の一工程である高温アニール処理を実施する場合であっても、本発明に係る熱処理装置を使用することにより、ウエハのスリップの発生を防止することができる。
ドライ酸化装置に適用するに限らず、その他の酸化装置、拡散装置、アニール装置およびその他の熱処理装置等の熱処理装置全般に適用することができる。
前記実施の形態ではシリコンウエハに処理が施される場合について説明したが、被処理基板はゲルマニウムウエハや化合物半導体ウエハ等であってもよく、さらには、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

Claims (10)

  1. 基板を熱処理する処理室と、この処理室において前記基板を支持する支持具とを有し、前記支持具は前記基板と接触する支持板と、この支持板を支持する本体部とを有し、前記支持板の直径が前記基板の直径の63〜73%であるとともに、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、1μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
  2. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、1.5μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
  3. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが、2μm〜1000μmに設定されていることを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記基板の直径が300mmであり、前記支持板の直径が、190mm〜220mmであることを特徴とする熱処理装置。
  5. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記支持板の少なくとも前記基板と接触する部分の硬度は、前記基板の硬度と同等もしくはそれよりも大きいことを特徴とする熱処理装置。
  6. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記本体部は炭化シリコンによって形成されており、前記支持板はシリコンまたは炭化シリコンによって形成されていることを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項6に記載の熱処理装置において、前記支持板の表面には酸化シリコン、炭化シリコンまたは窒化シリコンからなる層が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記熱処理とは1300℃以上の温度で行われる処理であることを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項1に記載の熱処理装置において、前記支持板には少なくとも一つの貫通孔が設けられていることを特徴とする熱処理装置。
  10. 直径が基板の直径の63〜73%であるとともに、少なくとも前記基板と接触する部分の表面粗さRaが1μm〜1000μmである支持板にて前記基板を支持するステップと、
    前記支持板にて支持した前記基板を処理室内に搬入するステップと、
    前記支持板にて支持された前記基板を前記処理室内で熱処理するステップと、
    前記熱処理後の前記基板を前記処理室内から搬出するステップと、
    を有することを特徴とする基板の製造方法。
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