JP5926730B2 - 改良されたウェハキャリア - Google Patents

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Description

本発明は、ウェハ処理装置と、そのような処理装置において使用するためのウェハキャリアと、ウェハを処理する方法とに関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年８月１３日に出願された米国特許出願第１２／８５５，７３９号の継続出願であり、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
数多くの半導体デバイスが、基板上に半導体材料をエピタキシャル成長させることによって形成される。この基板は通常、円板形の結晶質の素材であり、一般的には「ウェハ」と称される。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体等の化合物半導体から形成される素子は通常、有機金属気相成長法すなわち「ＭＯＣＶＤ」を用いて化合物半導体の連続層を成長させることによって形成される。このプロセスでは、ウェハは、高温で維持されている間にそのウェハの表面上を流れるガスの組み合わせに晒され、このガスの組み合わせは通常、金属有機化合物及び第Ｖ族元素源を含む。ＩＩＩ−Ｖ族半導体の１つの例は、有機ガリウム化合物とアンモニアとの反応によって、好適な結晶格子間隔を有する基板、例えばサファイヤウェハ上等に形成することができる窒化ガリウムである。通常、ウェハは、窒化ガリウム及び関連化合物の堆積中に５００℃〜１２００℃程度の温度で維持される。
半導体の結晶構造及びバンドギャップを変化させるように僅かに異なる反応条件下で、例えば他の第ＩＩＩ族元素又は第Ｖ族元素の付加という条件下で、ウェハの表面上に連続して多数の層を堆積することによって複合素子を作製することができる。例えば、窒化ガリウム系半導体において、インジウム、アルミニウム又はその双方を様々な割合で用いて、その半導体のバンドギャップを変化させることができる。また、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパントを加えて各層の導電率を制御することができる。全ての半導体層が形成された後で、通常は適切な電気接点が加えられた後で、ウェハは個々の素子に切り分けられる。このようにして、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）やレーザー等の素子や、他の電子素子及びオプトエレクトロニック素子を作製することができる。
通常の化学気相成長プロセスでは、多くのウェハを、各ウェハの上面が一般的にはウェハキャリアと称される素子の上面において露出されるように、そのウェハキャリア上に保持する。次いでこのウェハキャリアを反応チャンバ内へと配置し、ガス混合体がウェハキャリアの表面にわたって流れる間にこのウェハキャリアを所望の温度で維持する。プロセス中は、キャリア上の種々のウェハの上面上の全ての箇所において均一の条件を保つことが重要である。反応性ガスの組成における僅かなばらつき及びウェハ表面の温度における僅かなばらつきは、結果として得られる半導体素子の特性において所望ではないばらつきを引き起こす。例えば、窒化ガリウムインジウム層を堆積する場合、ウェハ表面温度におけるばらつきは、堆積層の組成及びバンドギャップにおけるばらつきを引き起こす。インジウムは比較的高い蒸気圧を有するため、堆積層は、表面温度がより高いウェハの領域においてより低い割合のインジウムとより大きなバンドギャップとを有する。堆積層がＬＥＤ構造体の活性発光層である場合、そのウェハから形成されたＬＥＤの発光波長も変化する。したがって、これまでに均一の条件を保つことに対して当該技術において多大な努力がささげられてきた。
本産業界において広く受け入れられている１つのタイプのＣＶＤ装置が、例えば、米国特許出願公開第２０１０−００５５３１８号において記述されており、その開示は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。この出願公開において示される或る実施形態による装置は、それぞれが１つのウェハを保持するように構成される数多くのウェハ保持領域を有する大きな円板形のウェハキャリアを使用する。ウェハキャリアは、ウェハの露出した表面を有するウェハキャリアの上面がガス分配要素に向かって上を向くように、反応チャンバ内でスピンドル上に維持される。スピンドルが回転している間に、ガスはウェハキャリアの上面上に下方に方向付けられて、ウェハキャリアの周縁に向かって上面を横切って流れる。使用済みガスは、反応チャンバからウェハキャリアの下に配設されるポートを通じて排出される。ウェハキャリアは、加熱素子、通常はウェハキャリアの底面下に配設される電気抵抗加熱素子によって、所望の高温で維持される。これらの加熱素子は、ウェハ表面の所望の温度を上回る温度で維持されるが、ガス分配要素は通常、ガスの早期反応（premature reaction）を防ぐように所望の反応温度を十分に下回る温度で維持される。したがって、熱は、加熱素子からウェハキャリアの底面まで伝達され、ウェハキャリアを通じて個々のウェハまで上方に流れる。
そのようなシステムの最適化を設計するためにこれまでに当該技術において多大な努力がささげられてきたが、なお更なる改良が望ましい。詳細には、各ウェハの表面にわたる、より良好な温度均一性、及びウェハキャリア全体にわたるより良好な温度均一性を提供することが望ましい。
本発明の一態様はウェハを処理する方法を提供する。本発明のこの態様による方法は、キャリアを軸の回りで回転させるステップを含むことが望ましい。そのキャリアは、その上に配置された複数のウェハを有し、ウェハの上面は上向きであり、その向きは軸に対して平行である。その方法は、回転させるステップ中にウェハをキャリアの上向き支持面上に支持することと、回転させるステップ中にウェハが支持面から離れて上方に動かないように抑止することと、回転させるステップ中にウェハを処理することとを含むことが好ましい。処理するステップは、キャリアからウェハに熱を伝達することを含むことができる。例えば、上記のような化学気相成長プロセスは、その回転させるステップ中に実行することができる。その方法は、回転させるステップ中にウェハが軸から離れて径方向に動かないように抑止するステップを更に含むことが望ましい。本発明のこの態様による望ましい方法では、ウェハが上方に動かないように抑止することは、ウェハの歪みがキャリアとウェハとの間の伝熱に及ぼす影響を制限し、それにより、後に更に論じられるように、ウェハ表面温度の均一性を改善する。
本発明の更なる態様はウェハキャリアを提供する。本発明のこの態様によるウェハキャリアは、対向する上面及び底面を有する本体を含み、本体は、本体の上面に対して開口している複数のポケットを有することが望ましい。キャリアは、各ポケット内の本体の上面下に配置される上向き支持面を画定することが好ましい。最も好ましくは、本発明のこの態様によるキャリアは、ポケットに関連付けられるロックを含む。各ロックは、下向きロック面を有することが望ましい。ロックが作動位置にあるとき、ロック面は関連するポケットの中に、又はポケットの上方に延在し、それにより、ポケット内に配置され、支持面上に載置されるウェハが、ロック面によって上方に動かないように少なくとも部分的に抑止されるようにする。
本発明の更なる態様によるウェハキャリアは、水平方向に延在する対向する上面及び底面を有する本体と、上面に対して開口している複数のポケットとを含み、そのような各ポケットは、ウェハの上面が本体の上面において露出するようにしてウェハを保持するように構成される。その本体は、第１の熱伝導率を有する第１の材料から形成される主要部分を含むことが望ましい。好ましくは、主要部分はポケットと位置合わせされた垂直に延在する穴を有し、本体は主要部分の穴内に配置される小部分を更に含む。小部分は第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する第２の材料から形成されることが好ましい。本体は主要部分と各小部分との間に垂直に延在する熱障壁を更に含むことができ、熱障壁は、主要部分と小部分との間で水平方向に熱が伝導するのを阻止する。
本発明の更に別の態様によるウェハキャリアは、主要部分及び小部分を有する本体を含むことができ、主要部分と各小部分との間に垂直に延在する境界部分を更に有する。境界部分は、主要部分の熱伝導率とは異なる垂直方向の熱伝導率を有することが望ましい。
本発明の更に別の態様は、上記のようなウェハキャリアを組み込む処理装置を提供する。
本発明の一実施形態による、化学気相成長装置を示す簡略化された断面図である。 図１の装置において用いられるウェハキャリアの概略的な平面図である。 ウェハとともにウェハキャリアを示す、図２の線３−３に沿って見た概略的な部分断面図である。 図２及び図３のウェハキャリアの一部を示す部分平面図である。 図４に示される領域を示す部分拡大図である。 図３に類似であるが、異なる動作条件中の図１〜図５のウェハキャリア及びウェハを示す図である。 図６に類似であるが、図６の動作条件に類似の動作条件における従来のウェハキャリア及びウェハを示す図である。 本発明の更なる実施形態によるウェハキャリアを示す部分平面図である。 図８の線９−９に沿って見た部分拡大断面図である。 図８の線１０−１０に沿って見た部分拡大断面図である。 本発明の更なる実施形態によるウェハキャリアの一部を示す概略的な部分断面図である。 本発明の更なる実施形態によるウェハキャリアの一部を示す概略的な部分断面図である。 本発明の更なる実施形態によるウェハキャリアの一部を示す概略的な部分断面図である。
本発明の１つの実施形態による化学気相成長装置が、一端にガス分配要素１２が配置されている反応チャンバ１０を備える。ガス分配要素１２を有するチャンバ１０の端は、本明細書においてチャンバ１０の「上（top）」端と称される。チャンバのこの端は必ずしもではないが通常、標準の重力基準系におけるチャンバの上部（top）に配設されている。したがって、本明細書において用いられる下向き方向は、ガス分配要素１２から離れる方向を指し、その一方で上向き方向は、ガス分配要素１２に向かう、チャンバ内での方向を指す。これらの方向は、重力による上向き方向及び下向き方向と一致する（aligned with）か否かには関係ない。同様に、部材の「上」面及び「底」面は、本明細書において、チャンバ１０及びガス分配要素１２の基準系を参照して説明される。
ガス分配要素１２は、キャリアガス及び反応ガスのような、ＣＶＤプロセスにおいて用いられることになるガスの供給源１４に接続され、反応ガスの供給源は、例えば、ＩＩＩ族金属、通常、金属有機化合物の供給源、及び例えば、アンモニア又は他のＶ族水素化物のようなＶ族元素の供給源である。ガス分配要素は、種々のガスを収容し、ガスの流れを概ね下方に向けるように構成される。ガス分配要素１２は、動作中に要素の温度を所望の温度に保持するために、ガス分配要素の中に液体を循環させるように構成される冷却液システム１６にも接続されることが望ましい。チャンバ１０は排気システム１８も備えており、排気システム１８は、ガス分配要素から下方にガスを連続して流すことができるようにするために、チャンバの底部に、又は底部付近にあるポート（図示せず）を通してチャンバの内部から使用済みのガスを除去するように構成される。
スピンドルの中心軸２２が上方及び下方に延在するように、スピンドル２０がチャンバ内に配置される。スピンドルは、その上端部、すなわち、ガス分配要素１２に最も近いスピンドルの端部において取付具２４を有する。図示される特定の実施形態では、取付具２４は概ね円錐形の要素である。スピンドル２０は電気モータドライブのような回転ドライブ機構２６に接続され、その機構は、軸２２の回りでスピンドルを回転させるように構成される。加熱要素２８がチャンバ内に取り付けられ、取付具２４の下方でスピンドル２０を包囲する。チャンバはウェハキャリアの挿入及び取出しのための開閉式ポート３０も設けられる。上記の要素は従来の構造からなることができる。例えば、適切な反応チャンバは、本出願の譲受人である、Veeco Instruments, Inc.（米国ニューヨーク州プレーンビュー）からＴＵＲＢＯＤＩＳＣの商標で市販されている。
図１に示される動作条件において、ウェハキャリア３２がスピンドルの取付具２４に取り付けられる。ウェハキャリアは、上面及び底面に対して垂直に延在する中心軸２５を有する、概ね円板形の本体を含む構造を有する。ウェハキャリアの本体は、本明細書において「上」面３４と呼ばれる第１の主面と、本明細書において「底」面３６と呼ばれる第２の主面とを有する。ウェハキャリアの構造は、スピンドルの取付具２４に係合し、スピンドル上にウェハキャリアの本体を保持するように構成される取付具３９も有し、上面３４がガス分配要素１２に向かって上向きになり、底面３６が加熱要素２８に向かって、ガス分配要素から離れて下向きになるように保持される。一例にすぎないが、ウェハキャリア本体は直径が約４６５ｍｍとすることができ、上面３４と底面３６との間のキャリアの厚みは概ね１５．９ｍｍとすることができる。図示される特定の実施形態では、取付具３９は本体３２の底面内に切頭円錐の凹部として形成される。しかしながら、その開示が引用することにより本明細書の一部をなすものとする、同じ譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願公開第２００９−０１５５０２８号において記述されるように、その構造は、本体とは別に形成されたハブを含むことができ、取付具はそのようなハブ内に組み込むことができる。また、取付具の構成は、スピンドルの構成にもよる。
本体は主要部分３８を含むことが望ましく、この主要部分は、例えば、炭化シリコン、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、石英、グラファイト、及びそれらの組み合わせからなる群から選択された材料のような非金属、耐火性の第１の材料のモノリシックスラブとして形成され、例えば、炭化物、窒化物又は酸化物のような耐火物コーティングを有する場合、有しない場合がある。
キャリアの本体は上面に対して開口している複数の円形ポケット４０を画定する。図１及び図３に最もわかりやすく示されるように、本体の主要部分３８は概ね平坦な上面３４を画定する。主要部分３８は、主要部分を貫通して、上面３４から底面３６まで延在する穴４２を有する。小部分４４が各穴４２内に配置される。各穴内に配置される小部分４４は、ポケット４０の床面４６を画定し、床面は上面３４から下方に後退している。小部分４４は、第２の材料、好ましくは、例えば、炭化シリコン、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、サファイア、石英、グラファイト、及びそれらの組み合わせからなる非金属耐火性材料から形成され、例えば、炭化物、窒化物又は酸化物のような耐火物コーティングを有する場合、有しない場合がある。第２の材料は、主要部分を構成する第１の材料とは異なることが望ましい。第２の材料は、第１の材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することが最も好ましい。例えば、主要部分がグラファイトから形成される場合、小部分は炭化シリコンから形成することができる。小部分４４及び主要部分３８は共同で本体の底面３６を画定する。図３に示される特定の実施形態では、主要部分３８の底面は平坦であり、小部分４４の底面は主要部分の底面と同一平面を成すので、底面３６は平坦である。
小部分４４は穴４０の壁と摩擦係合する。例えば、小部分は穴に圧入することができるか、又は主要部分を高温に上げて、冷たい小部分を穴に挿入することによって締まりばめすることができる。全てのポケットが均一な深さからなることが望ましい。この均一性は、全ての小部分を均一な厚みに形成することによって、例えば、小部分を研削又は研磨することによって容易に達成することができる。
各小部分４４と、主要部分３８の包囲している材料との間に熱障壁４８が存在する。熱障壁は、キャリアの上面及び底面に対して平行な水平方向において熱伝導率を有する領域であり、その熱伝導率は主要部分のバルク材料の熱伝導率よりも低い。図３に示される特定の実施形態では、熱障壁は、例えば、穴４２を画定する主要部分３８の壁内の溝によって形成される約１００マイクロメートル厚以上の間隙のような、肉眼視できる程度の間隙４８を含む。この間隙は、空気又は動作中に存在するプロセスガスのようなガスを含み、それゆえ、隣接する固体材料よりもはるかに低い熱伝導率を有する。
小部分４４及び主要部分３８の当接する表面も熱障壁の一部を画定する。これらの表面は互いに肉眼視できる程度で当接するが、いずれの表面とも完全に平滑ではない。それゆえ、当接する表面の部分間には、ガスが充填された非常に小さな間隙が存在することになる。これらの間隙も、小部分４４と主要部分３８との間の熱伝導を妨げることになる。
図３及び図４に最もわかりやすく示されるように、キャリアは、ポケットと関連付けられるロック５０も更に含む。ロック５０は、小部分４４の熱伝導率よりも低く、好ましくは主要部分３８の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する耐火性材料から形成されることが好ましい。例えば、ロックは石英から形成することができる。各ロックは、垂直な円柱形シャフトの形の中央部５２（図３）と、中央部と同軸を成し、中央部の軸から離れるように外側に突出する円板形の底部５４とを含む。各ロックの底部は上向き支持面５６を画定する。各ロックは、中央部の軸に対して横切るように突出する上部５８を更に含む。上部は中央部５２の軸の回りで対称ではない。各ロックの上部５８は、ロックの支持面５６の上方にあるが、支持面から離隔して配置される下向きロック面６０を画定する。したがって、各ロック面は、表面５６と６０との間で間隙６２を画定する。
各ロックはウェハキャリアに固定される。図３及び図５に最もわかりやすく示されるように、各ロックの中央部５２は、主要部分内の穴４２の壁に当接している。底部５４は、穴の壁内のアンダーカット６４（図３）の中に延在し、それにより、ロックはウェハキャリアの本体に対して垂直に動かないように保持され、底部５４はポケットの床面４６上に載置されるようになる。図５に示されるように、主要部分３８は、ロックが水平方向に動かないように保持するために、穴４２の壁からポケットの中に延在する突出部６６を有することができる。
ロックが図３及び図４に示される作動位置にある場合、各ロックの上部５８はポケットの中心６８に向かって内側に突出する。各ロックは不作動位置に回すことができ、不作動位置では、上部が図５の５８’において破線で示されるように回転し、それにより、上部はポケットの中心に向かって内側に突出しなくなる。
各ポケット４０に対して３つのロック５０が設けられる。本明細書において「内側」ロックと呼ばれるロック５０ａは、キャリア本体の中心軸２５から距離Ｄ５０Ａ（図４）にある場所に配置され、その距離は、ポケットの中心６８から中心軸２５までの距離ＤＬよりも短い。ロック５０ｂ及び５０ｃは「外側」ロックであり、中心軸からポケットの中心６８までの距離ＤＬよりも、キャリアの中心軸２５から離れた距離に配置される。図示される特定の構成では、ロックはポケット４０の周辺を囲むように互いに離隔して配置され、隣接するロック間の間隔は等しい。内側ロック５０ａはキャリアの中心軸２５及びポケットの中心６８を通って延在する径方向ラインＲ上にあるのに対して、２つの外側ロック５０ｂ及び５０ｃは、この径方向ラインの両側に配置される。
動作時に、キャリアは円板形のウェハ７０を装填される。各ポケットに関連付けられるロック５０のうちの１つ又は複数が不作動位置にある場合、ウェハの底面７２がロックの支持面５６上に載置されるように、ウェハがポケット内に配置される。ロックの支持面は共同でウェハの底面７２をポケットの床面４６の上方に支持し、それにより、ウェハの底面とポケットの床面との間の間隙７３が生じ（図３）、ウェハの上面７４はキャリアの上面３４と同一平面を成すか、又は概ね同一平面を成す。ロックを含む、キャリアの寸法は、ウェハのエッジ又は外周面７６と、ロックの中央部５２との間に非常に小さなクリアランスが存在するように選択される。したがって、ロックの中央部によって、ウェハはポケット内の中央に配置され、それにより、ウェハのエッジとポケットの壁との間の距離ＤＷは、ウェハの外周の回りで概ね均一である。
ロックは作動位置に動かされ、それにより、各ロックの上部５８、及び下向きロック面６０（図３）がポケット上の内側に、それゆえ、ウェハの上面７４上に突出する。ロック面６０は支持面５６よりも高い垂直高に配置される。それゆえ、ウェハは支持面５６とロック面との間に係合し、キャリアに対して上下方向に動かないように抑止される。ロックの上下の要素は、これらの要素が各ウェハの周辺に隣接してウェハ表面のわずかな部分のみと接触するように、実用可能な限り小さいことが望ましい。例えば、ロック面及び支持面は、ウェハ表面の数平方ミリメートルのみと係合することができる。
通常、キャリアが反応チャンバの外部にあるときに、ウェハがキャリア上に装填される。キャリアは、その上にあるウェハとともに、従来のロボット装置（図示せず）を用いて反応チャンバ内に装填され、それにより、キャリアの取付具３９がスピンドルの取付具２４と係合し、キャリアの中心軸２５がスピンドルの軸２２と一致するようになる。スピンドル及びキャリアはこの共通の軸の回りを回転する。用いられる特定のプロセスに応じて、そのような回転は、毎分数百回転、又はそれ以上にすることができる。
ガス供給源１４が作動して、プロセスガス及びキャリアガスをガス分配要素１２に供給し、それにより、これらのガスがウェハキャリア及びウェハに向かって下方に流れ、その後、キャリアの上面３４にわたって、ウェハの露出した上面７４にわたって概ね径方向外側に流れる。ガス分配要素１２及びチャンバ１０の壁は相対的に低い温度に保持され、これらの表面においてガスが反応するのを阻止する。
ヒータ２８が作動して、キャリア及びウェハを所望のプロセス温度まで加熱し、その温度は或る化学気相成長プロセスの場合に概ね５００℃〜１２００℃とすることができる。熱は主に放射伝熱によってヒータからキャリア本体の底面３６に伝達される。その熱は伝導によってキャリア本体の主要部分３８を通って本体の上面３４まで上方に流れる。また、熱は、ウェハキャリアの小部分４４を通り、ポケットの床面とウェハの底面との間の間隙７３を横切って、ウェハを通ってウェハの上面７４まで上方に流れる。熱は放射によって本体及びウェハの上面からチャンバ１０の壁に、ガス分配要素１２まで伝達され、プロセスガスにも伝達される。
プロセスガスは、ウェハの上面において反応し、ウェハを処理する。例えば、化学気相成長プロセスでは、プロセスガスはウェハ上面上に堆積物を形成する。通常、ウェハは結晶材料から形成され、その堆積プロセスはウェハ材料の格子間隔に類似の格子間隔を有する結晶材料のエピタキシャル堆積である。
プロセスを均一にするために、各ウェハの上面の温度はウェハの上面全体にわたって一定に、キャリア上の他のウェハの温度に等しくすべきである。これを果たすために、各ウェハの上面７４の温度は、キャリア上面３４の温度に等しくすべきである。キャリア上面の温度は、本体の主要部分３８を通しての伝熱速度によって決まるのに対して、ウェハ上面の温度は、小部分４４、間隙７３及びウェハ自体を通しての伝熱速度によって決まる。小部分４４の熱伝導率が高く、結果として熱抵抗が低いことが、間隙７３の高い熱抵抗を補償し、それにより、ウェハ上面がキャリア上面の温度に概ね等しい温度に保持される。これは、ウェハのエッジとキャリアの包囲する部分との間の伝熱を最小限に抑え、それにより、各ウェハの上面全体にわたって均一な温度を保持するのを助ける。この効果を与えるために、ポケット４６の床面は主要部分３８の隣接する部分よりも高い温度でなければならない。小部分４４と本体の主要部分３８との間の熱障壁４８は、小部分４４から主要部分への熱損失を最小限に抑え、それにより、この温度差を保持するのを助ける。
動作中に、キャリアの回転によって引き起こされる遠心力に起因して、各ウェハはキャリアの中心軸２５から離れるように動く傾向がある。各ウェハはロックの中央部５２によってポケット内の中心に位置するように正確に保持される。遠心力は、各ウェハを外側ロック５０ｂ及び５０ｃの中央部５２に対して押し付けるように作用する。これらの部分は当接要素としての役割を果たし、ウェハが外側に動かないように抑止する。ウェハの正確な中心合わせによって、ウェハのエッジとポケットの包囲壁との間の均一な距離ＤＷが保持され、ウェハとポケット壁が直接接触するのが避けられる。これはウェハとキャリアとの間の伝熱を最小限に抑え、伝熱があっても、ウェハの中心に対して径方向に概ね対称に生じるのを確実にするのに有効である。
動作中に、ウェハは平坦な円板からドーム形に歪む場合がある。例えば、ウェハの結晶材料の歪みのない格子間隔とはわずかに異なる歪みのない格子間隔を有する結晶材料のエピタキシャル堆積は、ウェハの上面に引張応力又は圧縮応力を加え、そのような応力を緩和するためにウェハが歪む。図６は、図３に示されるのと同じウェハ及びポケットを示すが、ウェハ７０はドーム形に歪んでいる。そのような歪みによって、ウェハの中心がポケットの床面４６に向かって、又は床面から離れるように弓状に曲がり、それにより、ウェハ底面７２と床面４６との間の間隙７３の高さが変化する。ウェハのエッジがロック５０によって上方に動かないように抑止されている場合、間隙の高さの差ΔＨは相対的に小さい。それは以下の式によって与えられる。
ΔＨ＝Ｋ＊ｄ２／８
ここで、Ｋはウェハ曲率であり、
ｄはウェハの直径である。
図７に示される従来のウェハキャリアでは、ポケットはアンダーカットされた周壁１４２及び円形の支持面１５６を有する。ウェハは、キャリアの中心軸から最も離れている周壁の外側部分１４２ａに当接して載置されるようになる。アンダーカットされた周壁は支持面１５６に当接するようにウェハの外側部分１０１を押下する。しかしながら、キャリアの中心軸に最も近い、ウェハの内側部分１０３はキャリアに対して上方に動かないように抑止されないので、ウェハが曲がると、内側部分１０３は、支持面１５６から離れるように上方に持ち上がる。これにより、ウェハの底面１７２とポケットの床面１４６との間の間隙１７３の高さの差ΔＨ’が大きくなる。従来のウェハキャリアを用いるとき、以下の式が成り立つ。
ΔＨ’＝Ｋ＊ｄ２／２
別の言い方をすると、ウェハのエッジがロックによって抑止されている（図３）場合の差ΔＨは、従来のキャリアの場合の差ΔＨ’の４分の１にすぎない。間隙を横切る伝熱速度は間隙の高さに比例して変化するので、間隙高の差の劇的な減少は、それに応じて、ウェハの種々の部分に対する伝熱の差を減少させる。さらに、ウェハがロックによって抑止されている場合（図３）、間隙高、それゆえ、伝熱は、ウェハの中心に対して径方向に対称なパターンにおいて変化する。ウェハが抑止されるとき、ウェハエッジの内側部分は持ち上がらないので、ウェハキャリア上面及びウェハ上面にわたるガスの流れにおいて、ウェハのエッジがキャリアの上面から上方に突出することによって引き起こされる外乱は生じないであろう。
ロック自体がガスの流れに小さな局所的外乱を引き起こす場合がある。この現象は、ロック、特にロックの上部５８をできる限り小さく、できる限り薄くすることによって最小限に抑えられる。また、ロックの上部は流線形を有することが好ましい。ロックを通しての伝導によって或るわずかな量の伝熱が生じることになるが、この影響はロックとウェハとの間の接触面積が小さいことによって、ロックの熱伝導率が低いことによって制限される。
上記の構成は変更することができる。例えば、上記のようなロックは、上記の小部分を用いない単一の本体を有するウェハキャリアとともに用いることができる。また、ロック、支持面及び当接要素の構成を上記の構成から変更することができる。図８〜図１０に示されるウェハキャリアは、ポケット２４０を画定する単一の本体２３２を有する。各ポケット内の上向き支持面が、ポケットの床面２４６上に載置される円板状のボタン形の複数の小さな支持要素２５４によって画定される。これらの支持要素は、ポケットの周辺を囲むように分散配置される。
各ポケットはロック２５０も有する。そのロックは、キャリアの中心軸２２５に対して近接離反する方向に動かすために、キャリア本体にスライド可能に取り付けられる。ロックはウェハ係合面２６０（図８及び図１０に示される）を有し、ウェハ係合面は、ポケットの中心２６８から離れるように下方に傾斜する。別の言い方をすると、表面２６０の下側部分ほど、同じ表面の上側部分よりも、ポケットの中心２６８から離れ、キャリアの中心軸２２５に近づくように位置する。したがって、表面２６０は、床面２４６に向かって下向きであり、ポケットの中心に向かって内向きである。キャリアは溝２０２を有し、溝は図９に断面で示されるように、ハトの尾の形状又は概ね台形の形状を有する。ロック２５０は、対応する形状を有する。ロックは、２５０’において破線で示される不作動位置と、実線で示される作動位置との間で動くことができるように、溝内に係合する。作動位置では、係合面２６０を有するロックの端部がポケットの垂直壁２４２を越えてポケットの中に延在し、それによってその表面２６０がポケット内に収容されるウェハ２７０の上側エッジを押すようになる。キャリアの回転によって引き起こされる遠心力は、ロックが中心軸２２５から離れるように、それゆえ、ポケットの中心２６８に向かうように作用する。したがって、キャリアが回転すると、ロック２５０がウェハの内側部分２５３を押下し、ウェハを支持体２５４に強制的に係合させる。ロックの寸法は、明確に図示するために誇張されている。実際には、ウェハと接触するロックのそれらの部分は、実用可能な限り小さくして、ロックを通しての伝熱を最小限に抑えるべきである。
各ポケットは当接要素２５２も有する。当接要素は、ポケットの中心２６８よりも、キャリアの中心軸２２５から離れた距離に配置される。当接要素は、中心軸２２５から離れるように下方に傾斜する表面２６９を有する。動作時に、ウェハにかかる遠心力は、ウェハを表面２６９に押し付ける傾向があり、それにより、当接要素はウェハの外側部分２５１を支持体２５４に当接するように押下する。当接要素は、キャリア本体と別に形成することができるか、又はキャリア本体と一体に形成することができる。
更なる変形形態（図１１）では、石英、又は主要部分及び小部分の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する別の材料から形成されたブッシング３４８によって、キャリア本体の小部分３４４を主要部分３３８に取り付けることができる。ここで再び、小部分は主要部分よりも高い熱伝導率を有することが望ましい。ブッシングは、小部分と主要部分との間の熱障壁の一部としての役割を果たす。ブッシングと小部分との間、及びブッシングと主要部分との間の固体間の界面も、更なる熱障壁を提供する。この変形形態では、ブッシングはポケットの垂直壁３４２を画定する。
図１２の実施形態は、図１〜図６を参照しながら上記で論じられた実施形態に類似であるが、各小部分４４４が主要部分４３８内の対応する穴４４２よりも小さな直径の本体４４３を含み、それにより熱障壁として間隙４４８が設けられることが異なる。小部分と穴４４２との同心性を保持するために、各小部分は、主要部分４３８内に間隙なく嵌め込まれるヘッド４４５も含む。
図１３のウェハキャリアは、図１〜図６を参照しながら上記で論じられたキャリアに類似の主要部分及び小部分５４４を含む。しかしながら、図１３のキャリア本体は、小部分を取り囲み、各小部分と主要部分との間に配置される環状の境界部分５０２を含む。境界部分５０２は、主要部分及び小部分の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有する。図示されるように、境界部分は、各ポケットの周辺部の下方に位置合わせされる。更なる変形形態では、境界部分は、各ポケットを包囲する上面５３４の一部の下方に位置合わせすることができる。境界部分の熱伝導率は、ウェハのエッジへの／からの伝熱を相殺するように独立して選択することができる。例えば、上面５３４の部分がウェハよりも熱い傾向がある場合には、境界部分の熱伝導率を主要部分の熱伝導率よりも低くすることができる。
上記のウェハキャリア及び装置はウェハの表面にわたる温度差を著しく小さくすることができる。しかしながら、上記の特徴を用いる場合であっても、或る温度不均一性が生じる可能性がある。その温度分布は各ウェハの中心の回りで径方向において概ね対称であるので、温度差を抑制する傾向がある他の措置を容易に適用することができる。例えば、その開示が引用することにより本明細書の一部をなす、同じ譲受人に譲渡された同時係属の米国特許出願公開第２０１０−００５５３１８号において記述されているように、ウェハキャリアの熱伝導は、その厚みを変更することによって変更することができる。例えば、図６に示されるように、ウェハが、ポケットの中心において、ポケットの床面に向かって弓状に曲がる傾向がある場合、ポケットの中心における間隙の熱伝導はポケットのエッジ付近の間隙の熱伝導よりも高いであろう。これは、ポケットの中心の下方の本体の領域において熱伝導を低減できるように、このエリアにおいてキャリア本体の厚みを増すことによって相殺することができる。
上述した特徴の他の変形及び組合せを利用することができるため、好ましい実施形態の上述した説明は、本発明の範囲の限定としてではなく例示として解釈されるべきである。
本発明は、例えば半導体デバイスの製造に適用することができる。

Claims (15)

  1. 水平方向に延在する対向する上面及び底面と、該上面の中に延在し、該上面に対して開口している複数のポケットとを有する本体を含むウェハキャリアであって、そのような各ポケットはウェハを保持するように構成され、前記ウェハの上面が前記本体の前記上面において露出しており、前記本体は第１の熱伝導率を有する第１の材料から形成される主要部分を含み、前記主要部分は前記ポケットと位置合わせされた垂直に延在する穴を有し、前記本体は、前記第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する第２の材料から形成される小部分を更に含み、該小部分は前記主要部分の前記穴内に配置され、前記ポケットの床面を画定し、前記本体は、前記主要部分と各小部分との間に垂直に延在する熱障壁を有し、前記熱障壁は前記主要部分と前記小部分との間で水平方向に熱が伝導するのを阻止し、前記キャリアの前記本体の前記底面に熱を伝達することによって前記キャリアが加熱されるときに、前記主要部分及び前記小部分は、前記キャリアの前記本体の前記上面及び前記ウェハの前記上面にわたって相対的に均一な温度分布を与えるように構成されており、前記小部分は前記本体の前記底面の一部も画定しており、前記ポケットのそれぞれは、前記ポケットに配置されたウェハを前記ポケットの前記床面から離間して配置するように、前記ポケットの周辺を囲むように分散配置された支持体を含んでおり、前記本体はスピンドルに接続するように適合された取付具を含んでいる、ウェハキャリア。
  2. 前記熱障壁は、前記小部分及び前記主要部分の当接する表面間の界面を含む、請求項１に記載のウェハキャリア。
  3. 前記小部分は、前記主要部分にある前記穴の内部で前記主要部分と摩擦係合している、請求項１に記載のウェハキャリア。
  4. 前記熱障害は、前記主要部分の前記垂直に延在する穴の壁に隣接している、請求項２に記載のウェハキャリア。
  5. 水平方向に延在する対向する上面及び底面と、該上面の中に延在し、該上面に対して開口している複数のポケットとを有する本体を含むウェハキャリアであって、そのような各ポケットはウェハを保持するように構成され、前記ウェハの上面が前記本体の前記上面において露出し、前記本体は、前記ポケットと位置合わせされた垂直に延在する穴を有する主要部分を含み、前記本体は、前記主要部分の前記穴内に配置された小部分を更に含み、前記本体は、前記主要部分と各小部分との間に垂直に延在する境界部分を有し、該境界部分は前記主要部分の熱伝導率とは異なる、垂直方向の熱伝導率を有し、前記キャリアの前記本体の前記底面に熱を伝達することによって前記キャリアが加熱されるときに、前記主要部分及び前記小部分は、前記キャリアの前記本体の前記上面及び前記ウェハの前記上面にわたって相対的に均一な温度分布を与えるように構成されており、前記小部分は前記本体の前記底面の一部も画定しており、前記ポケットのそれぞれは、前記ポケットに配置されたウェハを前記ポケットの前記床面から離間して配置するように、前記ポケットの周辺を囲むように分散配置された支持体を含んでおり、前記本体はスピンドルに接続するように適合された取付具を含んでいる、ウェハキャリア。
  6. 前記小部分は、前記主要部分とは異なり、前記境界部分とは異なる熱伝導率を有する、請求項５に記載のウェハキャリア。
  7. 前記ポケットは円形である、請求項５に記載のウェハキャリア。
  8. 前記境界部分は、前記主要部分の前記垂直に延在する穴の壁に隣接している、請求項５に記載のウェハキャリア。
  9. 前記小部分は、前記主要部分にある前記穴の内部で前記主要部分と摩擦係合している、請求項５に記載のウェハキャリア。
  10. 水平方向に延在する対向する上面及び底面と、該上面の中に延在し、該上面に対して開口している複数のポケットとを有する本体を含むウェハキャリアであって、そのような各ポケットはウェハを保持するように構成され、前記ウェハの上面が前記本体の前記上面において露出し、前記本体は、前記ポケットと位置合わせされた垂直に延在する穴を有する主要部分を含み、前記本体は、前記主要部分の前記穴内に配置された小部分を更に含み、前記本体は、前記主要部分と各小部分との間に垂直に延在する境界部分を有し、該境界部分は前記主要部分の熱伝導率とは異なる、垂直方向の熱伝導率を有し、前記小部分は前記主要部分及び前記境界部分の熱伝導率とは異なる熱伝導率を有し、前記境界部分は、前記主要部分の熱伝導率とは異なる、垂直方向の熱伝導率を有する少なくとも１つの挿入物を含んでおり、前記小部分は前記本体の前記底面の一部も画定しており、前記ポケットのそれぞれは、前記ポケットに配置されたウェハを前記ポケットの前記床面から離間して配置するように、前記ポケットの周辺を囲むように分散配置された支持体を含んでいる、ウェハキャリア。
  11. 前記小部分は、前記上面よりも下方に後退した、前記ポケットの床面を画定している、請求項１０に記載のウェハキャリア。
  12. 前記ポケットは円形である、請求項１０に記載のウェハキャリア。
  13. 前記本体は、スピンドルに接続するように適合された取付具を含んでいる、請求項１０に記載のウェハキャリア。
  14. 前記小部分は、前記主要部分にある前記穴の内部で前記主要部分と摩擦係合している、請求項１０に記載のウェハキャリア。
  15. 前記境界部分は、前記主要部分と各小部分との間に界面を形成しており、該界面は、前記主要部分の前記垂直に延在する穴の壁に隣接している、請求項１０に記載のウェハキャリア。
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