JP6054213B2 - 支持部材及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、支持部材及び半導体製造装置に関する。

従来、半導体装置等の製造プロセスでは、縦型炉を用いてシリコン基板上に成膜処理を行っている。このような製造装置では、その構造上、シリコン基板の両面にほぼ同等の膜が付着してしまう。このようなシリコン基板の両面への膜の付着を回避する方法の一つとして、例えば、特許文献１に開示されているように２枚の基板の裏面を、それぞれ支持部材の表面と裏面とに貼り合わせる方法がある。これにより、２枚の基板の表面のみにそれぞれ成膜をすることが可能となる。

特開２０１２−１９０８５０号公報

しかし、支持部材の表面と裏面とに２枚の基板を貼り合わせ、一般的な縦型炉の基板支持部材にシリコン基板を設置し、熱処理を行うと、シリコン基板の熱膨張の影響で反りが発生しまう場合がある。特に、基板支持部材の下側に設けられた基板では、シリコン基板の自重の影響も加わり、より強い反り（基板の垂れ）が発生しやすい。さらに、このように反った基板の裏面に、成膜の回り込みが発生してしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱処理時、特に、成膜時の基板の反りを抑制することが可能な支持部材、及び、これを有する半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる支持部材は、
被処理体が載置される載置部と、
前記載置部の外周縁に沿うように、その外周の一部に設けられ、前記載置部の一方の主面に載置された前記被処理体より高くなるように形成された壁と、を備え、
前記壁の内周面は、テーパー状に形成され、
前記壁は、前記載置部の他方の主面に載置された前記被処理体よりも高くなるように形成され、
前記他方の主面側に位置する前記壁の内周面は、テーパー状に形成されている、ことを特徴とする。

本発明の第２の観点にかかる半導体製造装置は、
本発明の第１の観点にかかる支持部材と、
前記支持部材が挿入される開口部を有し、前記支持部材を保持する保持具と、
を備える、ことを特徴とする。

前記支持部材の壁は、例えば、前記保持具の前記開口部に位置する部分に対応する位置に形成されている。

本発明によれば、熱処理時、特に、成膜時の基板の反りを抑制することが可能な支持部材、及び、これを有する半導体製造装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の半導体製造装置を示す図である。 ウエハボートの構造を示す図である。 本実施の形態の支持部材の一例を示す平面図である。 図３に示すＩＢ−ＩＢ線断面図である。 ウエハボートと本発明の実施の形態の支持部材との位置関係を説明する図である。 ウエハボートにウエハ及び支持部材が保持された状態を示す図である。 制御部の構成を示す図である。 本実施の形態の支持部材と、壁を設けない支持部材とにおける、表面の成膜量に対する裏面の成膜量の比率を示すグラフである。 図８Ａの一部を拡大したグラフである。 本実施の形態の支持部材と、内周面をテーパー状に形成していない壁を有する支持部材とにおける、表面の成膜量に対する裏面の成膜量の比率を示すグラフである。 図９Ａの一部を拡大したグラフである。

以下、本発明の支持部材、及び、これを有する半導体製造装置について説明する。本実施の形態では、半導体製造装置として、図１に示すバッチ式の縦型の熱処理装置を用いた場合を例に説明する。

図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内管３と、内管３を覆うとともに内管３と一定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。

外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出するとともに、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。

マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。そして、ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ８により蓋体７が下降すると、マニホールド５の下方側（炉口部分）が開口される。

蓋体７には、例えば、石英からなるウエハボート９が載置されている。ウエハボート９は、被処理体、例えば、ウエハＷが垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚収容可能に構成されている。図２にウエハボート９の構造を示す。

図２に示すように、ウエハボート９は、天板９１と底板９２とを備え、天板９１と底板９２との間に複数本、例えば、３本の支柱９３が設けられている。支柱９３の間には補助柱９４が設けられている。また、支柱９３には、後述する図６に示すように、ウエハＷと、ウエハＷを支持する支持部材５０の平板５１とを保持するための爪部９３ａが所定の間隔で設けられている。爪部９３ａは、ウエハボート９の中心方向に向かって突き出し、天板９１及び底板９２と水平な面を有するように形成されている。なお、支柱９３と補助柱９４との間に円弧状の支持板を設けてもよい。

図３及び図４に本発明の支持部材５０の構造を示す。図３は支持部材５０の一例を示す平面図であり、図４は図３のＩＢ−ＩＢ線断面図である。

図３及び４に示すように、支持部材５０は、平板５１と、壁５２，５３とを備えている。

平板５１は、被処理体を載置する載置部であり、例えば、略円形の平板状の部材から形成されている。平板５１は、例えば、石英、ＳｉＣ、シリコン等から形成されている。平板５１は、図４に示すように、その一方の主面、及び、他方の主面にウエハＷを載置する。平板５１の外径はウエハＷの外径とほぼ同じとなるように形成されている。なお、平板５１は、ウエハＷを支持できればよく、例えば、リング状に形成されていてもよい。また、平板５１には、その外周縁にウエハＷを搬送する際に用いる切り欠け５１ａが形成されている。

壁５２は、図３に示すように、平板５１の外周縁に沿うように、その外周の一部に設けられている。壁５２は、図４に示すように、平板５１の一方の主面に保持されたウエハＷより高くなるように形成されている。また、壁５２は、平板５１の他方の主面に保持されたウエハＷより高くなるように形成されている。壁５２の内周面５２ａは、平板５１上に配置されるウエハＷを保持可能な形状に形成されている。本実施の形態では、壁５２の内周面５２ａは逆テーパー状（テーパー状）に形成されている。このため、図４に示すように、壁５２の内周面５２ａは平板５１の主面に対して鋭角をなす。なお、壁５２の内周面５２ａは、図４に示すように直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。また、壁５２の断面が鉤状に形成されていてもよい。

壁５２は、平板５１の外周縁に沿うように、その外周の一部、例えば、外周の１／４〜１／２程度の範囲に設けられている。支持部材５０に載置されたウエハＷは、ウエハボート９の挿入口（開口部）に位置する部分で、特に反りが発生しやすい。このため、壁５２は、平板５１の外周縁のウエハボード９の開口部に対応する部分に設けることが好ましい。

また、ウエハＷの一部は、図４に示すように、壁５２の内周面５２ａに当接するように配置される。壁５２のウエハＷが当接する部分（内周面５２ａ）がテーパー状に形成されているので、後述するように、ウエハＷの反りを良好に抑制することが可能となる。

壁５３は、図３に示すように、平板５１の外周縁の一部に沿って、壁５２に対向する位置に設けられている。壁５３は、壁５２と同様に平板５１の一方の主面に保持されたウエハＷより高くなるように形成され、同様に、他方の主面に保持されたウエハＷより高くなるように形成されている。なお、壁５３は省略することも可能であり、壁５３の内周面がテーパー状に形成されていなくともよい。

図５に支持部材５０がウエハボート９に設置された場合における、支持部材５０と支柱９３及び補助柱９４との位置関係を示す。なお、図５では、図示の都合上、支柱９３を円形に、補助柱９４を半円で示す。また、図５に破線で囲った部分が開口部に相当しており、支持部材５０は、この開口部を介して下方向から上方向に挿入される。また、図６に、ウエハボート９に、ウエハＷ、及び、支持部材５０が保持された状態を示す。

開口部より奥に位置する部分では、図６に示すように、支柱９３（爪部９３ａ）によって支持部材５０（平板５１）とウエハＷとが保持される。このため、ウエハＷに反りが発生しにくくなる。一方、ウエハＷを挿入する開口部にあたる部分、すなわち、支持部材５０の下側の左右の支柱９３の間の部分では、爪部９３ａが設けられていないので、支持部材５０とウエハＷとが爪部９３ａに保持されない。このため、開口部に位置する部分、特に、開口部の中心部分（図５ではウエハＷの下部分）では、ウエハＷに反りが発生しやすくなる。

本実施の形態では、この開口部に合わせた位置に壁５２を設け、さらに図４に示すように、壁５２の内周面５２ａがテーパー状（ウエハＷを保持可能な形状）に形成されている。このため、開口部の中心部分であっても、ウエハＷに反りを抑制することができる。したがって、ウエハＷに成膜の回り込みが発生することを抑制することができる。

反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように断熱体１１が設けられている。断熱体１１の内壁面には、例えば、抵抗発熱体からなる昇温用ヒータ１２が設けられている。この昇温用ヒータ１２により反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、ウエハＷが所定の温度に加熱される。

マニホールド５の側面には、複数の処理ガス導入管１３が挿通（接続）されている。なお、図１では処理ガス導入管１３を１つだけ描いている。処理ガス導入管１３は、内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、処理ガス導入管１３は、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面に挿通されている。

処理ガス導入管１３は、図示しないマスフローコントローラ等を介して、図示しない処理ガス供給源に接続されている。このため、処理ガス供給源から処理ガス供給管１３を介して所望量の処理ガスが反応管２内に供給される。

マニホールド５の側面には反応管２内のガスを排気するための排気口１４が設けられている。排気口１４は支持リング６より上方に設けられており、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、内管３で発生した排ガス等が内管３と外管４との間の空間を通って排気口１４に排気される。

マニホールド５の側面の排気口１４の下方には、パージガス供給管１５が挿通されている。パージガス供給管１５には、図示しないパージガス供給源が接続されており、パージガス供給源からパージガス供給管１５を介して所望量のパージガス、例えば、窒素ガスが反応管２内に供給される。

排気口１４には排気管１６が気密に接続されている。排気管１６には、その上流側から、バルブ１７と、真空ポンプ１８とが介設されている。バルブ１７は、排気管１６の開度を調整して、反応管２内の圧力を所定の圧力に制御する。真空ポンプ１８は、排気管１６を介して反応管２内のガスを排気するとともに、反応管２内の圧力を調整する。

なお、排気管１６には、図示しないトラップ、スクラバー等が介設されており、反応管２から排気された排ガスを、無害化した後、熱処理装置１外に排気するように構成されている。

また、熱処理装置１は、装置各部の制御を行う制御部１００を備えている。図７に制御部１００の構成を示す。図７に示すように、制御部１００には、操作パネル１２１、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ヒータコントローラ１２４、マスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）制御部１２５、バルブ制御部１２６等が接続されている。

操作パネル１２１は、表示画面と操作ボタンとを備え、オペレータの操作指示を制御部１００に伝え、また、制御部１００からの様々な情報を表示画面に表示する。

温度センサ（群）１２２は、反応管２内、処理ガス導入管１３内、排気管１６内等の各部の温度を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。
圧力計（群）１２３は、反応管２内、処理ガス導入管１３内、排気管１６内等の各部の圧力を測定し、その測定値を制御部１００に通知する。

ヒータコントローラ１２４は、昇温用ヒータ１２を個別に制御するためのものであり、制御部１００からの指示に応答して、これらに通電してこれらを加熱し、また、これらの消費電力を個別に測定して、制御部１００に通知する。

ＭＦＣ制御部１２５は、処理ガス導入管１３、及び、パージガス供給管１５に設けられた図示しないＭＦＣを制御して、これらに流れるガスの流量を制御部１００から指示された量にするとともに、実際に流れたガスの流量を測定して、制御部１００に通知する。

バルブ制御部１２６は、各管に配置されたバルブの開度を制御部１００から指示された値に制御する。

制御部１００は、レシピ記憶部１１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３と、Ｉ／Ｏ（Input/Output Port）ポート１１４と、ＣＰＵ（Central Processing Unit)１１５と、これらを相互に接続するバス１１６とから構成されている。

レシピ記憶部１１１には、セットアップ用レシピと複数のプロセス用レシピとが記憶されている。熱処理装置１の製造当初は、セットアップ用レシピのみが格納される。セットアップ用レシピは、各熱処理装置に応じた熱モデル等を生成する際に実行されるものである。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行う熱処理（プロセス）毎に用意されるレシピであり、例えば、反応管２へのウエハＷのロードから、処理済みのウエハＷをアンロードするまでの、各部の温度の変化、反応管２内の圧力変化、処理ガスの供給の開始及び停止のタイミングと供給量などを規定する。

ＲＯＭ１１２は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１１５の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。
ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１５のワークエリアなどとして機能する。

Ｉ／Ｏポート１１４は、操作パネル１２１、温度センサ１２２、圧力計１２３、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に接続され、データや信号の入出力を制御する。

ＣＰＵ１１５は、制御部１００の中枢を構成し、ＲＯＭ１１２に記憶された制御プログラムを実行し、操作パネル１２１からの指示に従って、レシピ記憶部１１１に記憶されているレシピ（プロセス用レシピ）に沿って、熱処理装置１の動作を制御する。すなわち、ＣＰＵ１１５は、温度センサ（群）１２２、圧力計（群）１２３、ＭＦＣ制御部１２５等に反応管２内、処理ガス導入管１３内、パージガス供給管１５内、及び、排気管１６内の各部の温度、圧力、流量等を測定させ、この測定データに基づいて、ヒータコントローラ１２４、ＭＦＣ制御部１２５、バルブ制御部１２６等に制御信号等を出力し、上記各部がプロセス用レシピに従うように制御する。
バス１１６は、各部の間で情報を伝達する。

次に、以上のように構成された支持部材５０を有する熱処理装置１の効果を確認するため、支持部材５０を有する熱処理装置１を用いてウエハＷ上にシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜した。具体的には、３００ｍｍのウエハＷ（Ｓｉ基板）を支持部材５０の上面及び下面に配置してウエハボート９に収容した後、７８０℃でＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法によりＳｉＮ膜を成膜した。ウエハＷにＳｉＮ膜を成膜した後、支持部材５０の下面に配置されたウエハＷについて、開口部側からウエハボート９の奥に向かって直線的に（図５に示す例では下から上）、ウエハＷの表面とウエハＷの裏面との膜厚を測定した。そして、同じ位置におけるウエハＷの表面に成膜された厚さに対するウエハＷの裏面に成膜された厚さの割合（（裏面／表面）［％］）を算出した。

なお、比較のため、壁５２を設けない支持部材を用いた場合についても、同様にウエハＷ上にＳｉＮ膜を成膜し、同じ位置におけるウエハＷの表面に成膜された厚さに対するウエハＷの裏面に成膜された厚さの割合を算出した。結果を図８Ａ、図８Ｂに示す。図８Ａでは、横軸にウエハＷ（Ｓｉ基板）の位置、縦軸に厚さの割合（（裏面／表面）［％］）を示す。なお、図８Ａの横軸では、基板の中心を０ｍｍとし、開口部側の端を−１５０ｍｍ、ボートの奥側の端を１５０ｍｍとして表記した。また、図８Ｂに、特に裏面への成膜が問題となる開口側の−１５０ｍｍ〜−１００ｍｍの範囲を拡大して示す。

図８Ａに示すように、壁５２を設けない支持部材では、ウエハＷの裏面への成膜の回り込み量は、ウエハＷの端から１０ｍｍの位置（図８Ａで示す−１４０ｍｍ）では５０％であり、２５ｍｍ（図８Ａに示す−１２５ｍｍ）の位置で２０％程度であった。これに対して、壁５２を設けた支持部材５０では、ウエハＷの端から１０ｍｍの位置（図８Ａで示す−１４０ｍｍ）で、２０％と大幅な改善がみられた。

次に、壁５２の内周面５２ａがテーパー状（ウエハＷを保持可能な形状）に形成されていない支持部材と、本実施の形態のように内周面５２ａがテーパー状に形成された壁５２を有する支持部材５０とを用いた場合について、同様に、ウエハＷ上にＳｉＮ膜を成膜し、同じ位置におけるウエハＷの表面に成膜された厚さに対するウエハＷの裏面に成膜された厚さの割合を算出した。結果を図９Ａ、図９Ｂに示す。ここで、内周面５２ａがテーパー状に形成されていないとは、支持部材５０の平板５１の主面に対して壁５２の内周面５２ａがほぼ垂直をなすように設けられていることを意味する。

図９Ａに示すように、内周面５２ａがテーパー状に形成されていない壁（△壁あり（テーパーなし））では、ウエハＷの端から２５０ｍｍの位置（図９Ａで示す１００ｍｍ）まで裏面に成膜されており、ウエハＷの中心領域で３０％というかなり顕著な成膜の回り込みが確認できた。これは、壁５２にウエハＷの端が接触すると、ウエハＷの端が壁へ乗り上げてしまったためと推測される。一方、本実施の形態のように、内周面５２ａがテーパー状に形成されている壁５２では（◆壁あり（テーパーあり））、ウエハＷの端が壁５２に接触した状態で熱処理を行っても、壁５２への乗り上げ傾向は見られない。これは、内周面５２ａのテーパー形状が基板熱膨張時の乗り上げを押さえ込む効果があり、基板の膨張が壁５２と逆の方向に逃げることができるためである。図９Ｂに示すように、−１３５ｍｍの位置では、成膜率がほぼゼロに達していることからも、内周面５２ａがテーパー状に形成されている壁５２を用いることにより、裏面への成膜回り込みを抑制する顕著な効果を有していることが確認できた。

なお、図８Ａ、８Ｂ、９Ａ及び９Ｂでは、支持部材５０の下面に配置されたウエハＷについて、同じ位置におけるウエハＷの表面に成膜された厚さに対するウエハＷの裏面に成膜された厚さの割合を算出したが、支持部材５０の上面に配置されたウエハＷについても、同様の測定をしたところ、支持部材５０の下面に配置されたウエハＷと同様の結果となることを確認した。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、支持部材５０の壁５２の内周面５２ａをウエハＷを保持可能な形状（テーパー状）に形成することにより、ウエハＷの反りを抑制することができ、ウエハＷに成膜の回り込みが発生することを抑制することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。

上記実施の形態では、内周面５２ａがテーパー状（逆テーパー状）の場合を例に本発明を説明したが、内周面５２ａはウエハＷを保持可能な形状であればよく、テーパー状に限定されるものではない。例えば、内周面５２ａは、曲線状や鉤状であってもよい。

上記実施の形態では、支持部材５０の両主面ともに、内周面５２ａがテーパー状に形成された壁５２を有する場合を例に本発明を説明したが、例えば、一方の主面のみに内周面５２ａがテーパー状に形成された壁５２を有していてもよい。また、一方の主面、他方の主面ともに壁５２を形成し、いずれか一方の内周面５２ａのみをテーパー状に形成してもよい。

上記実施の形態では、ウエハＷを載置する載置部として平板５１を用いた場合を例に本発明を説明したが、載置部はウエハＷを支持できればよく、例えば、リング状に形成されていてもよい。

上記実施の形態では、平板５１と壁５２とが一体に形成されている場合を例に本発明を説明したが、例えば、平板５１と壁５２とを別々のパーツとし、組み合わせてもよい。

また、上記の実施の形態では、支柱９３の間に連続した壁５２を設けた場合を例に本発明を説明したが、例えば、連続した１つの壁５２ではなく、複数に分割して設けられてもよい。

上記実施の形態では、熱処理装置として、二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置を用いた場合を例に本発明を説明したが、例えば、本発明を単管構造のバッチ式熱処理装置に適用することも可能である。

本発明の実施の形態にかかる制御部１００は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納した記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）など）から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する制御部１００を構成することができる。

そして、これらのプログラムを供給するための手段は任意である。上述のように所定の記録媒体を介して供給できる他、例えば、通信回線、通信ネットワーク、通信システムなどを介して供給してもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板（ＢＢＳ：Bulletin Board System）に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Operating System）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。

本発明は、支持部材及び半導体製造装置に有用である。

１ 熱処理装置
２ 反応管
３ 内管
４ 外管
５ マニホールド
６ 支持リング
７ 蓋体
８ ボートエレベータ
９ ウエハボート
１１ 断熱体
１２ 昇温用ヒータ
１３ 処理ガス導入管
１４ 排気口
１５ パージガス供給管
１６ 排気管
１７ バルブ
１８ 真空ポンプ
５０ 支持部材
５１ 平板
５１ａ 切り欠け
５２，５３ 壁
５２ａ 内周面
９１ 天板
９２ 底板
９３ 支柱
９３ａ 爪部
９４ 補助柱
１００ 制御部
１１１ レシピ記憶部
１１２ ＲＯＭ
１１３ ＲＡＭ
１１４ Ｉ／Ｏポート
１１５ ＣＰＵ
１１６ バス
１２１ 操作パネル
１２２ 温度センサ
１２３ 圧力計
１２４ ヒータコントローラ
１２５ ＭＦＣ制御部
１２６ バルブ制御部
Ｗ ウエハ

Claims (3)

1. 被処理体が載置される載置部と、
   前記載置部の外周縁に沿うように、その外周の一部に設けられ、前記載置部の一方の主面に載置された前記被処理体より高くなるように形成された壁と、を備え、
   前記壁の内周面は、テーパー状に形成され、
   前記壁は、前記載置部の他方の主面に載置された前記被処理体よりも高くなるように形成され、
   前記他方の主面側に位置する前記壁の内周面は、テーパー状に形成されている、ことを特徴とする支持部材。
2. 請求項１に記載の支持部材と、
   前記支持部材が挿入される開口部を有し、前記支持部材を保持する保持具と、
   を備える、ことを特徴とする半導体製造装置。
3. 前記支持部材の壁は、前記保持具の前記開口部に位置する部分に対応する位置に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置。