JP4361177B2

JP4361177B2 - 炭化ケイ素材料及びｒｔｐ装置用治具

Info

Publication number: JP4361177B2
Application number: JP31183299A
Authority: JP
Inventors: 暁野上
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: JP2001130964A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造等の熱処理用治具、特にＳｉウェハー上に単結晶膜を形成する製造工程に用いられるＲＴＰ装置に使用される炭化ケイ素材料及びそれを用いたＲＴＰ装置用治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造工程においては、素子の微細化や、非常に浅い接合形成、不純物の再分布低減、不純物の突き抜け防止や、またウェーハの大口径化に伴い熱ストレスの低減が強く求められている。これらの要求を満足するために低温化、処理時間の短縮等の生産効率の向上が求められている。
【０００３】
そこで、急速な昇温、降温が可能であるとともに、枚葉処理が可能であるランプアニール装置に代表されるＲＴＰ(Rapid Thermal Processing)装置が最近になり広く採用されるようになってきた。ランプアニール装置はハロゲンランプ等の光加熱方式により、急速な加熱処理を行っている。そして、ランプアニール装置は雰囲気制御性が良好であり、反応性の高いＴｉ系シリサイド形成やバリヤメタル形成、また、アンモニア、一酸化窒素、二酸化窒素ガスを用いる窒化処理等に使用されている。
【０００４】
そして、ウェーハを載置する治具や、遮光リングと呼ばれる治具には、ウェーハへの影響や、耐化学薬品性等が考慮され、炭化ケイ素（以下、ＳｉＣという）製の治具が使用されている。また、従来、温度測定には熱電対が使用されていた。しかしながら、温度測定に熱電対を使用する場合、治具を特殊形状にする必要があるとともに、装置構造も複雑になり、また正確な温度測定をするためには熱電対保護管を特殊なものにする必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような事情より、最近になり、放射温度計による温度測定が行われるようになってきている。しかしながら、ランプアニール装置用の治具は、急速な昇温、降温を可能とするように熱容量の小さい治具が要求され、例えば、ウェーハを載置する治具や、遮光リングと呼ばれる治具は、厚みが１ｍｍ以下と大変薄いものとなっている。そのため、ランプ加熱による加熱方法の場合、放射温度計により読み取られる波長１１００ｎｍ以下の光がＳｉＣ製の治具を透過してしまい、放射温度計で正確な温度が測定できないという問題がある。
【０００６】
そして、ランプアニール装置の温度制御は、クローズドループ方式が採用されている。これは、温度計による測定温度を温度コントローラーにフィードバックし、温度制御を行う方式のことである。このため、温度が正確に測定できないと、装置内の温度が均熱状態とならずに、例えば、熱処理によって形成される化合物が異なったり、エッチング速度が異なったり等の、被処理物に欠陥をもたらす結果になってしまう。そのため、ランプアニール装置を含む半導体製造装置では、正確な温度測定は、製品の品質の向上、歩留りの向上のための必須要件となっている。
【０００７】
そこで、本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、厚みが１ｍｍ以下であっても、均熱性が高く、放射温度計により温度測定されるランプ光を透過しないランプアニール装置等に用いられるウェーハ加熱処理装置用のＳｉＣ材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明のＳｉＣ材料は、多孔質ＳｉＣ基材の表面に緻密なＳｉＣ膜が２層形成され、波長が１１００ｎｍ以下の光の透過率が０．２５％以下であり、前記ＳｉＣ膜が多結晶ＳｉＣ膜であり、前記多結晶ＳｉＣ膜の最外表面に形成されている多結晶ＳｉＣ膜を構成する各結晶と、２層目に形成されている多結晶ＳｉＣ膜を構成する各結晶とが、互いに異なっており、前記最外表面に形成される多結晶ＳｉＣ膜を構成する各結晶の結晶面が、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面であり、前記２層目に形成される多結晶ＳｉＣ膜を構成する各結晶の結晶面が、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２２２）面であることを特徴とする。また、前記多孔質炭化ケイ素基材の気孔率が１５〜３０％であることが好ましい。そして、半導体製造工程におけるＲＴＰ装置に用いられることを特徴とする。また、本発明のＲＴＰ装置用治具は、上記炭化ケイ素材料を用いていることが好ましい。
【０００９】
このように、基材に多孔質ＳｉＣを使用しているため、同程度の厚みの緻密質ＳｉＣに比較すると、放熱性は少し悪くなるが、軽量になり、断熱性が良くなる。また、光が透過する際に乱反射が起こり優れた光の不透過性が得られる。さらに、この多孔質ＳｉＣの表面に緻密なＳｉＣ膜が形成されているため、これら両者の境界で光の散乱が起こり、より一層光の不透過性が良くなる。また、基材の表面に少なくとも１層以上のＳｉＣ膜を形成させ、その最外表面に形成されているＳｉＣを構成する結晶構造と、２層目以下のＳｉＣを構成する結晶構造が異なっているため、１層目と２層目の境界層で光の反射方向が異なり、光の不透過性をより一層良くすることができる。すなわち、多孔質ＳｉＣの基材の表面に、１若しくは方位の異なる複数の結晶から構成されたＳｉＣ被覆層を２層以上形成することで、各層による光の散乱を大きくすることが可能となり、すぐれた光の不透過性を得ることができる。これにより、光加熱方式のランプアニール装置等にあっては、光が治具を透過して炉外に逃げることが少なく、内部側に乱反射されることが多くなり、その結果として、炉内の均熱性を保つと同時に波長１１００ｎｍ以下の光の透過を抑制することが可能となり、放射温度計による温度測定を正確に行うことが可能となる。
【００１０】
本発明で使用される基材は、化学気相反応法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＲｅａｃｔｉｏｎ（以下、ＣＶＲ法という。））による多孔質ＳｉＣ（以下、ＣＶＲ−ＳｉＣという）や、焼結ＳｉＣが例示できるが、本発明者の開発したＣＶＲ法による黒鉛材から転化したＣＶＲ−ＳｉＣを使用することが好ましい。具体的には、ある程度多孔質の黒鉛基材を、雰囲気炉に原料の石英粉末を炭素粉末と共に設置し、１８００〜２０００℃に加熱し、原料から発生するＳｉＯ系のガスと、一酸化炭素ガスの雰囲気下で黒鉛基材を反応させて、黒鉛基材をＳｉＣに転化させる方法をいう。ここで、形成されるＳｉＣには六方晶であるα型、立方晶であるβ型の２種類があるが、本発明においては多孔質であれば、α型、β型のいずれの型であってもよい。
【００１１】
ここで、前述のＣＶＲ−ＳｉＣ基材のうち、気孔率が１０〜４０％、好ましくは１５〜３０％、平均気孔半径が１〜４μｍ、好ましくは２〜３μｍの多孔質のＳｉＣを使用することが好ましい。このような気孔を多く含むＣＶＲ−ＳｉＣを基材とすることにより、光を乱反射するからである。ここで、黒鉛基材から転化して形成された基材の気孔率を１０％以下とすると、光の乱反射が少なくなるため好ましくない。また、開気孔率を４０％以上とすると、後述する緻密なＳｉＣを表面に形成させることが困難となるため好ましくない。なお、平均気孔半径は、水銀圧入法による測定値（水銀と試料との接触角１４１．３°、最大圧力１０２ＭＰａのときの累積気孔容積の半分の値）を採用した。
【００１２】
そして、肉厚はできるだけ熱容量を小さくするために、０．５〜０．８ｍｍであることが好ましい。０．５ｍｍより薄い場合は、強度が小さくなることは勿論であるが、光の乱反射を目的として多孔質とした意味がなくなるため好ましくない。また、０．８ｍｍよりも厚くした場合は、熱容量が大きくなるため好ましくない。
【００１３】
次に、この基材の表面に更にＣＶＤ法により緻密なＳｉＣを被覆する。このＣＶＤ法により被覆されるＣＶＤ−ＳｉＣ膜とは、ＣＶＤ処理時に原料ガスから生成されるＳｉＣの核が、基材表面に析出し、析出した核が成長していくことにより形成される非常に緻密な膜である。
【００１４】
ＣＶＤ法に使用される原料ガスとしては、ＳｉＣｌ₄とＣ₃Ｈ₈の混合ガスや、ＳｉＨ₄とＣ₃Ｈ₈の混合ガス等が例示できる。この原料ガスにキャリアーガスとして水素ガスを使用して、黒鉛基材温度１０００〜１５００℃でＣＶＤ処理を行い、全面に厚み１００〜１５０μｍのＳｉＣを被覆させる。
【００１５】
なお、最外表面をβ型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面で構成されるようにすることが好ましい。このように、各方位に乱雑に成長した結晶から構成されることにより、表面での光の散乱が大きくなる。そして、この最外表面以下の層をβ型ＳｉＣの（１１１）面、（２２２）面のみの結晶から構成される層とすることで、これらの方位の異なる層の界面においても光が散乱することとなり、光の透過を抑制することが可能となる。
【００１６】
ここで、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面を形成させるためには、ＣＶＤ処理温度を少なくとも１３００〜１６００℃の温度で行うことが必要である。また、（１１１）面、（２２２）面のみの結晶面を構成させるには最外表面を形成する際のＣＶＤ処理温度よりも低い温度である１０００〜１３００℃でＣＶＤ処理することで、得ることができる。
【００１７】
以上のように、最外表面にβ型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面を形成させることにより、光がこの面で散乱し、ＳｉＣを透過する量が少なくなる。したがって、ランプアニール装置等の光加熱方式の半導体製造装置に用いられるＳｉＣ製治具の最表面に該結晶面を有するＳｉＣを形成すると、赤外線の光や熱の外部に透過する量が少なくなり、炉内部の温度を維持することが可能となる。
【００１８】
また、最近になり半導体製造用のウェハー加熱処理装置の治具は、急速な昇温、降温が可能なように熱容量をできるだけ小さくするために肉厚１ｍｍ以下の治具が採用されている。しかしながら、基材の多孔質ＳｉＣと、表面に被覆されるＳｉＣとの熱膨張率に差異がないため、ＣＶＤ法によって、緻密なＳｉＣを全面に被覆した場合であっても、基材厚みが１ｍｍ以下と薄いにも係わらず、反りや、割れ等が発生することがない。
【００１９】
以上のようにして形成されたＳｉＣは、ＲＴＰ装置用治具として使用することができ、例えば、ランプアニール装置に用いられるウェーハを載置する治具や、遮光リングと呼ばれる治具として使用される。図４にランプアニール装置の一例の模式概略図を示す。図４において、３０はランプアニール装置、３１はハロゲンランプ、３２はウェーハ、３３は治具、３４は放射温度計を示している。
【００２０】
図４に示すように、ランプアニール装置３０は、ハロゲンランプ３１により加熱される。そして、ウェーハ３２は治具３３に載置されて、表面に均等に熱を受けるように一定速度で回転している。そして、ハロゲンランプ３１の対面側に石英ガラスを介して設置された放射温度計３４で温度が測定され、温度制御されている。前述してきたように、放射温度計３４は波長１１００ｎｍ以下の範囲の光を読み取ることにより温度を計測している。このため、ハロゲンランプ３１からの光が治具３３を透過してしまうと、放射温度計３４による正確な温度測定は困難となってしまう。そこで、本発明におけるＳｉＣを治具３３に使用すると、ハロゲンランプ３１の光の透過を抑制することが可能となる。これによって放射温度計３４による正確な温度測定ができ、ランプアニール装置３０内の均熱を確保することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（参考例１）
基材としてかさ密度１．３Ｍｇ／ｍ^３の黒鉛材料を使用した。この黒鉛基材を厚み０．７ｍｍの所定の形状に加工し、１８００℃、２０ｋＰａの下に１２時間ＳｉＯガスと反応させてＳｉＣ成形体に転化させた。転化されたＳｉＣの嵩密度は２．１Ｍｇ／ｍ^３、開気孔率３０％であった。次にこれをＣＶＤ装置内に設置して、原料ガスにＳｉＣｌ_４＋Ｃ_３Ｈ_８を使用し、炉内圧力５０ｋＰａ、基材温度１５００℃でＣＶＤ処理を行い、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面からなるＳｉＣを１００μｍ被覆した。図１に本実施例におけるＳｉＣの断面を示す写真を示す。また、図２にこの表面のＸ線回折の結果を示す。
【００２３】
（実施例１）
参考例１と同様にして基材となるＣＶＲ−ＳｉＣを作製した。そして、参考例１同様にＣＶＤ装置に設置して、原料ガスにＳｉＣｌ_４＋Ｃ_３Ｈ_８を使用し、炉内圧力５０ｋＰａ、基材温度１２００℃でＣＶＤ処理を行い、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面からなるＳｉＣを５０μｍ被覆した。引き続き１５００℃でＣＶＤ処理を行い、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面からなるＳｉＣを５０μｍ被覆して供試体を作製した。
【００２４】
（実施例２）
開気孔率２０％、かさ密度２．３Ｍｇ／ｍ^３のＣＶＲ−ＳｉＣを基材としたことを除き、実施例１と同様にして供試体を作製した。
【００２５】
（実施例３）
開気孔率１５％、かさ密度２．４Ｍｇ／ｍ^３のＣＶＲ−ＳｉＣを基材としたことを除き、実施例１と同様にして供試体を作製した。
【００２６】
（比較例１）
参考例１と同様にして基材となるＣＶＲ−ＳｉＣを作製した。そして、参考例１同様にＣＶＤ装置に設置して、原料ガスにＳｉＣｌ_４＋Ｃ_３Ｈ_８を使用し、炉内圧力５０ｋＰａ、基材温度１２００℃でＣＶＤ処理を行い、表面全面に厚さ１００μｍのβ型ＳｉＣの（１１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面のみから構成されるＳｉＣを被覆した。図３にこの表面のＸ線回折の結果を示す。
【００２７】
（比較例２）
基材として緻密な等方性黒鉛材料（東洋炭素（株）製）を使用し、所定の形状に加工後、その表面に処理温度１５００℃で、ＣＶＤ法によりＳｉＣを厚さ１ｍｍ被覆形成した。被覆後、端面を加工し、基材の黒鉛を表出させて灰化法により黒鉛を除去し厚み０．９ｍｍの緻密なＣＶＤ−ＳｉＣを作製した。
【００２８】
参考例１、実施例１乃至３、比較例１及び２の供試体について、透過率及び均熱性について調べた。透過率は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ法）によって測定し、放射温度計の測定波長である１１００ｎｍ以下の範囲の光の透過率を透過率とした。また、均熱性は、加熱処理時の各放射温度計の測定温度の差を比較し、その差がないものを◎、僅かに差が生じたものを○、差が大きくなったものを△とした。以上の、結果を表１にまとめて示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
参考例１、実施例１乃至３の試料の平均透過率は０．２５％以下、比較例１と２の試料の平均透過率は０．３０％であった。表１より、参考例１と比較例２の両者の表面に形成されているＳｉＣは同じであり、また、供試体の肉厚も同じであるにもかかわらず、多孔質ＳｉＣに緻密質ＳｉＣが被覆されている参考例１の方が透過率が低くなっているのがわかる。また、形成されている膜の層数や、内部の気孔率により透過率が変化することもわかる。また、炉内の温度分布も透過率の小さいものほど良いことが判る。すなわち、透過率の小さい治具を使用することによって、正確な温度測定が可能となる。また、参考例１と比較例１より、β型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ多くの結晶面からなるＳｉＣを１層被覆することで、透過率を小さくできることがわかる。そして、実施例１乃至３のように最外層にこのβ型ＳｉＣの（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面の方位を持つ結晶面からなるＳｉＣを形成し、この層以下に結晶面の方位の異なるＳｉＣ層を形成させた２層構造とすることで平均透過率をより小さくできることがわかる。以上のように、基材内部にある程度以上の気孔を有する多孔質の材料を用い、実施例１乃至３のようにＳｉＣ被覆層を２層形成することで光の透過を抑制でき、ランプアニール装置等のＲＴＰ装置用治具として好適に使用することができることが判る。
【００３１】
【発明の効果】
多孔質ＳｉＣの基材の表面に、１若しくは方位の異なる複数の結晶から構成されたＳｉＣ被覆層を２層形成することで、各層による光の散乱を大きくすることが可能となり、すぐれた光の不透過性を得ることができる。これによって、例えば、光加熱方式のＲＴＰ装置等の治具として使用した場合は、肉厚を薄くしても放射温度計に悪影響を与える光の透過を抑制することとなり、正確な温度測定を可能とする。また、均熱管等に使用した場合は、均熱管の内径部に位置する製品から放射される加熱による赤外線等を外部に放出することが少なくなり、均熱性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＳｉＣの断面の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図２】本発明の実施例１のＳｉＣのＸ線回折結果を示す図である。
【図３】本発明の比較例２のＳｉＣのＸ線回折結果を示す図である。
【図４】ランプアニール装置の一例の模式概略図である。
【符号の説明】
３０ランプアニール装置
３１ハロゲンランプ
３２ウェーハ
３３治具
３４放射温度計

Claims

多孔質炭化ケイ素基材の表面に緻密な炭化ケイ素膜が２層形成され、
波長が１１００ｎｍ以下の光の透過率が０．２５％以下であり、
前記炭化ケイ素膜が多結晶炭化ケイ素膜であり、
前記多結晶炭化ケイ素膜の最外表面に形成されている前記多結晶炭化ケイ素膜を構成する各結晶と、２層目に形成されている前記多結晶炭化ケイ素膜を構成する各結晶とが、互いに異なっており、
前記最外表面に形成される前記多結晶炭化ケイ素膜を構成する前記各結晶の結晶面が、β型炭化ケイ素の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（２２２）面であり、前記２層目に形成される前記多結晶炭化ケイ素膜を構成する前記各結晶の結晶面が、β型炭化ケイ素の（１１１）面、（２２２）面であることを特徴とする炭化ケイ素材料。
前記多孔質炭化ケイ素基材の気孔率が１５〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素材料。
半導体製造工程におけるＲＴＰ装置に用いられる請求項１又は２に記載の炭化ケイ素材料。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化ケイ素材料を用いたＲＴＰ装置用治具。