JPH01259528A - 半導体ウエハ熱処理装置のウエハ支持装置及び半導体ウエハ熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は拡散＠置、ＣＶＤ装置などの半導体ウェハ熱処
理装置のウェハ支持装置及び半導体ウェハ熱処理装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体ウェハ熱処理装置としては、特開昭６０−
１７１７２３号公報に記載のものが挙げられる。高温炉
にウェハを挿入し、該ウェハを加熱する装置に於いて、
ウェハ支持装置はウェハを支持する支持部と、一端側に
前記支持部を有する支柱とを備えている。そして、支柱
は中実の棒を材料としたものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は支柱が中実の棒であると、その熱容量が
ウェハの熱容量よりも非常に大きいという点を考察して
いない。そのためウェハ支持装置を熱処理装置の高温炉
内に挿入した時に、ウェハ自身の温度上昇速度よりもウ
ェハ支持装置の温度上昇速度が遅くなり、ウェハの該支
持装置に接触する部分及びその近傍のウェハ温度が他の
ウェハ面内温度より低温となるようなウェハ面内温度分
布にバラツキが生じるという問題があった。特に１〜３
枚のウェハに２〜３分間の短時間熱処理を行う場合には
、デバイス特性及び結晶欠陥発生に過渡時の前記ウェハ
面内温度分布が大きく影響するという問題があった。

本発明の目的は高温炉にてウェハを熱処理する際に、ウ
ェハ面内を均一温度で熱処理し、結晶欠陥発生を防止で
きる。ウェハ支持装置及び半導体ウェハ熱処理装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明に係るウェハ支持装置
は半導体ウェハを支持する支持部と、−端側に前記支持
部を有する支柱とを備えた半導体ウェハ熱処理装置のウ
ェハ支持装置において、前記支柱は中空状に形成されて
いるものである。

また、前記中空状の支柱に代えて、断面がＳ字状、円弧
形状、Ｘ字状、コ字状、Ｈ字状、Ｌ字状、Ｔ字状又は平
板状の支柱を備えたウェハ支持装置である。

前記支柱の肉厚は、ウェハ支持装置の熱処理装置の加熱
部に挿入されている部分の表面積と重量との比率を、半
導体ウェハ自身の表面積と重量との比率と略一致するよ
う薄肉に設定するのがよい。

また、中空状の支柱は、熱処理装置の加熱部に挿入され
ない部分に穴が穿設され、この穴を通してのみ支柱内外
空間が連通されているようにするのが望ましい。

更に、支持部の半導体ウェハとの接触部は溝に形成され
ていると共に、この溝は丸棒又はパイプ材の外面に設け
られている構造としたり、同接触部は半導体ウェハと同
一材料にて形成するのもよい。

支持部は、半導体ウェハの周縁側を囲うリングを有する
ものも、ウェハの面内温度分布を均一にする上でよい。

〔作用〕

支柱を中空状にしたり、断面Ｓ字状、コ字状。

平板状等に形成することにより、中実構造より表面積が
大きくなる。これにより熱処理装置の加熱部にウェハ支
持装置を挿入したとき、支柱の伝熱面積が大きくなって
いることによって温度上昇速度が中実の支柱より早くな
り、肉厚の薄いウェハの温度上昇速度に近づく。よって
、過渡時のウェハ面内に生ずる温度分布のバラツキが低
減する。

尚、中空状の支柱としては断面円形状、口形状、Δ形状
、楕円形状等のパイプが挙げられる。

支柱の肉厚を、その表面積と重量の比率で規定し、その
値をウェハ自身の同比率と略一致させることが両者の温
度上昇速度を近づける上で最も望ましい、この比率の一
致程度としては、熱処理時間を３分間で終了できる程度
が最も良く、範囲としては１〜１０分間の熱処理時間を
考慮すれば効率的で温度分布にバラツキのない熱処理が
できる。

中空状の支柱内外を連通ずる穴を設けたことにより、加
熱部に支柱が挿入されたとき、支柱内の気体が熱膨張し
ても、前記穴から外部に流出するため、支柱が破損する
おそれがない。

ウェハ支持装置の支持部のうち、ウェハとの接触部を丸
棒又はパイプ材とすると、その部分の強度が向上する。

また、同接触部をウェハと同一材料で形成すると、材質
の共通性によってウェハの温度分布のバラツキを一層低
減できる。

ウェハの周縁側を囲うリングは、加熱部からの熱幅射を
面と対向方向からに限定でき１周縁に熱幅射が集中する
のを抑制する働きをする。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図及び第２図により説明す
る。第１図は本発明に適用したウェハ支持装置の外観斜
視図である。第２図は本発明を適用したウェハ支持装置
を有する拡散装置の高温炉の縦断図面である。

ウェハ支持装置１は薄肉のパイプ状の支柱２とウェハ３
を載せるための溝４を形成した接触部８を先端に有する
ウェハの支持部５と、搬送台６に取り付けるためのフラ
ンジ７から構成されている。

支持部５は薄板で形成され、溝４を有するウェハの接触
部８が丸棒に形成されている。ウェハ支持装置１は石英
ガラス、ポリシリコン、シリコンカーバイトなどで製造
する。接触部８をウェハ３と同一材料で形成すると、両
者の温度特性が共通するため、温度分布のバラツキ低減
によい効果がある。支柱２の下方にて、高温炉１０に入
らない位置に通気穴９を有し、支柱２の他の部分は密閉
構造ｉなっている。

高温炉１０は第２図に示した如く直方体形状をしており
、複数に分割された平板状ヒータ１１゜反応管１２（石
英ガラス製など）、均熱管１３（シリコンカーバイト製
など）、断熱材１４で構成され、架台１５に乗せられて
いる。高温炉１０は下方が開放され、ウェハ３が支持装
置１の溝４に載せられて高温炉１ｏの内部に挿入される
。支持装置１のフランジ７は搬送台６に取り付けられて
おり、搬送台６は駆動手段１６に連結され、コントロー
ラ（図示せず）からの制御信号によって支持装置１とウ
ェハ３を矢印２１の方向に上下に移動して該支持装置１
を加熱部すなわち高温炉１Ｏ内に出入するものである。

反応管１２の内部には拡散装置の使用目的に応じて窒素
、アルゴン、ａ素、水蒸気などのガスが上方から下方に
向かって流れている（ガスの供給管は図に示していない
）。

複数に分割されたヒータ１１は各ゾーンごとに発熱量が
コントローラによって制御され、高温炉１０の内部空間
に均一な温度場が形成されている。

以上のように構成された拡散装置を用いてウェハ３に熱
処理を行う場合の動作を次に示す。高温炉１０の内部に
たとえば１０００℃の均一の温度場を形成する。高温炉
１０の下方に取り出された支持装置１にウェハ３が乗せ
られる。第１図、第２図ではウェハが２枚の場合を示し
たが、目的の応じて、１枚ないし、２枚以上の場合でも
よい。

駆動手段１６の作用により、ウェハ３を乗せた支持装置
１及び搬送台６が上方に移動し、ウェハ３を高温炉１０
の内部に収納する。高温炉１０の内部にて所要時間（た
とえば数十秒から数十分）、ウェハ３を加熱した後、駆
動手段１６の作用により、支持装置１を高温炉１０の下
方に取り出し、冷却し、新しいウェハ３と交換し、上記
動作が繰り返される。

支持装置１は高温炉１０の出入に応じて温度変動する。

支柱２が中空のパイプであるため、パイプ内部のガスが
温度変動により膨張、収縮するが。

支柱２の下方に設けられた通気穴９を経て外気とガス呼
吸を行うため、パイプ内部のガスの圧力が高まってパイ
プが破裂することがない。さらに通気穴９を高温炉１０
の内部に入らない位置としているため、パイプ内部のガ
ス呼吸によってゴミを含んだ外気を高温炉１０の内部に
持ち込んで吹き出すことがなく、高温炉１０の内部を清
浄に保つことができる。

冷却された支持装置１及びウェハ３を高温炉１０の内部
に挿入した時、ウェハ３は肉厚が薄いため（たとえば肉
厚０．５＋ｍ）、高速で高温炉内部温度に上昇する。一
方、支持装置１も薄肉パイプの支柱２と薄板の支持部５
で形成されているため（たとえば肉厚１ａ＋＋）、すみ
やかに高温炉内部温度に上昇し、温度上昇の過渡時のウ
ェハ面内に生ずる温度分布のバラツキが小さい。支持装
置１の支持部５にて、ウェハ３を乗せる溝４を有する接
触部８が丸棒となっているのは強度を大きくするためで
、この丸棒の直径をなるべく小さく　（たとえば５ｍ以
下に）することにより、熱容量を小さく保つことができ
る。

本実施例によれば、支持装置１の支柱２を中空のパイプ
状とすることにより、中実のものより薄肉に形成するこ
とが可能となるため、支柱の表面積すなわち伝熱面積を
大きくすることができ、以って低温のウェハ３を高温炉
１０の内部に挿入した際の過渡時のウェハ面内の温度分
布を小さくすることができる効果がある。

第３図に約１０００℃の高温炉（第２図に示した構造の
場合）の内部にウェハ及びウェハ支持装置を挿入した時
の過渡温度変化について数値シミュレーションした結果
を示す。厚さ１ｍのパイプ状の支柱からなるウェハ支持
装置１にウェハ（厚さ０．５ｒｎ）を乗せて挿入した場
合について、該ウェハの中心位置の温度変化を実線３１
．ウェハ下部の温度変化を実線３２、ウェハ支持装置の
支持部先端部の温度変化を実線３３に示す、ウェハ支持
装置の厚さがウェハより厚いため、該支持装置の温度上
昇がやや遅くなるが、約２分後にはほぼ同一温度になっ
ている。

一方、厚さ５ｍのパイプ状の支柱を有するウェハ支持装
置にウェハ（厚さ０　、５　ｔｒｙｓ　）を乗せて挿入
した場合について、ウェハ中心位置の温度変化を破線３
４、ウェハ下部の温度変化を破線３５、該支持装置の先
端部の温度変化を破線３６に示す。

ウェハの厚さが厚いため、３分後でも支持装置の温度が
約８００℃であり、その結果ウェハ面内にまだ温度分布
が生じていて、更に長時間の加熱が必要であることが解
る。なお、ウェハ温度３４゜３５が一旦高温となってか
ら少し下がる理由は、高温炉の内部温度がウェハ挿入直
後からウェハ支持装置の加熱のために冷やされるからで
ある。以上のことから、ウェハ面内の温度分布を低減す
るにはウェハ支持装置を薄肉材とすることが重要である
ことがわかる。

薄肉化の一つの方法として、本実施例の支柱を中空状に
すれば同じ重量の材料を用いて中実の支柱を作る場合よ
り板厚が薄くなり、伝熱面積が大きくなり、以って温度
上昇速度が速くなる。

本発明の他の実施例のウェハ支持装置の外観視斜図を第
４図に示す。この支持装置１は先端支持部５の構造が異
なっている。また、溝４を有する接触部１７がパイプで
形成されている。本実施例によれば、溝４を有する接触
部１７がパイプで形成されているため、ウェハに直接接
触する溝４の部分の熱容量を更に小さくすることができ
、ウェハ面内の温度分布を更に小さくすることができる
。

本発明の他の実施例を第５図に示す。ウェハ支持装置１
の支柱２に補強用のパイプ１８が並設されている。補強
用のパイプ１８も上部１９が密封され、下部に通気穴２
０を有する。この支持装置１の先端支持部５もパイプで
形成されている。支持部５のパイプ内の空間と支柱２の
内部空間は連通している。本実施例によれば支持装置１
の剛性がパイプ１８によって増し、加熱部への挿入や取
＼ り出しなど支持装置を移動する時に振動が生じにくくす
ることができる。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第６図に示す、この
支持装置１の支柱２は口字状の断面形状になっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第７図に示す。支柱
２はＸ字状の断面形状になっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第８図に示す。支柱
２はＳ字状の断面形状になっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第９図に示す。支柱
２は円弧状の断面形状になっている。

本発明の他の実施例の支柱の断面図を第１０図〜第１５
図に示す。第１０図は口字状の断面形状、第１１図はＨ
字状の断面形状、第１２図はＬ字状の断面形状、第１３
図はＴ字状の断面形状、第１４図は楕円状の断面形状、
第１５図はΔ字状の断面形状のものである。第１４図と
第１５図に示す支柱については、第１図に示したごとく
、支柱２が高温炉１０の内部に挿入される部分を密閉構
造とし、装置外部の部分に通気穴９を設けることが望ま
しい。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第１６図に示す。こ
の支持装置１の支柱２は３本のパイプからなっている。

支持部５は丸棒の接触部８のみからなっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第１７図に示す。支
柱２は３枚の平板からなっている。支持部５は平板上端
に設けた溝４のみからなっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第１８図に示す。支
持部５が薄板で形成された箱形になっている。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第１９図に示す。支
柱２がパイプになっていると共に、その下部の直径が大
きくなっている１本実施例によれば支柱２の剛性を増す
ことができる。

本発明の他の実施例の外観斜視図を第２０図に示す。支
持部５は先端にウェハよりも大きくて。

ウェハの周縁側を囲うリング２６を有し、その内側に溝
４をもつ丸棒からなる接触部８をもつ。本実施例によれ
ばウェハ２枚を乗せて支持装置１を高温炉１０の内部に
挿入する際に、２枚のウェハの側方から２枚のウェハの
内側に放射される熱をリング２６がさえぎるため、２枚
のウェハとも外側の面のみで均一に加熱され、ウェハ面
内に生じる温度分布のバラツキを低減する効果がある。

本発明の他の実施例のウェハ支持装置と高温炉の断面図
を第２１図に示す。円筒形状の高温炉１０に水平状態の
ウェハ３を挿入する。このウェハ３は先端が針状になっ
た接触部８に乗せられている。

本発明の他の実施例のウェハ支持装置とランプ加熱装置
の断面図を第２２図に示す、ハロゲンランプ２３、反射
板２４、反応管１２で構成された直方体形状のランプ加
熱装置２５の内部に、ウェハ３が支持装置１に乗せられ
て挿入されている。

この支持装置１はパイプ状の支柱２の側面に針状の突起
２２を支持部５として形成されており、ウェハ３がこの
突起２２に乗せられている。支持装置１はランプ加熱装
置２５の内部に挿入されている部分が密封構造であり、
同装置２５外部に通気穴９を有する。この支持装置１は
搬送台６に取り付けられ、矢印２１の方向に移動してウ
ェハ３の挿入、取出しを行う。

尚、中空状の支柱内部に発熱源と冷却源を備え、ウェハ
支持装置自体の温度がウェハと同一となるよう温度制御
することによっても温度上昇速度を両者近づけることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ウェハ支持装置の支柱を中空状とした
り、あるいは断面Ｓ字状、Ｘ状等とすることにより中実
にするよりは肉厚を薄く形成でき。

これにより同重量の材料で形成したときの表面積を大き
くすることができるので、伝熱面積が増大する。従って
、ウェハ支持装置全体の熱容′量を低減することができ
るので、ウェハ及びウェハ支持装置を高温炉内等の加熱
部に挿入した時に、ウニへとウェハ支持装置の温度上昇
速度がほぼ等しくなる。そのため、過渡時も含めてウェ
ハ面内の温度分布のバラツキを低減することができる。

その結果ウェハ面内温度分布の低減により、短時間熱処
理でもウェハの熱処理を均一に行うことができる。

本発明に係る半導体ウェハ熱処理装置によれば、ウェハ
の均一熱分布加熱が容易かつ確実にできるため、ウェハ
に結晶欠陥が発生するのを防止でき、熱処理の不良率が
低下する効果がある。これらの効果により、熱処理の歩
留りが向上する。

支柱が中空状のときは通気穴を設けることにより内部気
体の膨張、収縮による支柱破損の恐れをなくせる。

支持部のウェハとの接触部をウェハと同一材料にて形成
すれば、温度特性が共通することによって温度分布のバ
ラツキが更に低減できる。

支持部にリングを設けてウェハの周縁側を囲えば、構造
面から熱輻射のウェハ周縁への集中を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るウェハ支持装置の斜視図。 第２図は本発明に係る半導体ウェハ熱処理装置の要部縦
断面、第３図は約１０００℃の高温炉内にウェハ及びウ
ェハ支持装置を挿入した時の過渡温度変化についての数
値シミュレーション結果を示す図、第４図乃至第９図は
本発明の各々異なる他実施例を示す斜視図、第１０図乃
至第１５図はそれぞれ異なる実施例に係る支柱の断面図
、第１６図乃至第２０図は本発明の各々異なる実施例の
斜視図、第２１図及び第２２図は、半導体ウェハ熱処理
装置の各々異なる実施例を示す断面図である。 １・・・ウェハ支持装置、２・・・支柱、３・・・ウェ
ハ、４・・・溝、Ｓ・・・支持部、９・・・通気穴、１
０・・・高温炉（加熱部）、１６・・・駆動手段、１８
・・・補強パイプ、２０・・・通気穴、２２・・・針状
の突起、２６・・・リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体ウェハを支持する支持部と、一端側に前記支
   持部を有する支柱とを備えた半導体ウェハ熱処理装置の
   ウェハ支持装置において、前記支柱は中空状に形成され
   ていることを特徴とする半導体ウェハ熱処理装置のウェ
   ハ支持装置。 ２、請求項１記載のウェハ支持装置において、中空状の
   支柱に代えて、断面がＳ字状、円弧形状、Ｘ字状、コ字
   状、Ｈ字状、Ｌ字状、Ｔ字状又は平板状の支柱を備えた
   ことを特徴とする半導体ウェハ熱処理装置のウェハ支持
   装置。 ３、支柱の肉厚は、ウェハ支持装置のうち熱処理装置の
   加熱部に挿入されている部分の表面積と重量との比率を
   、半導体ウェハ自身の表面積と重量との比率と略一致す
   るよう薄肉に設定されている請求項１又は２記載の半導
   体ウェハ熱処理装置のウェハ支持装置。 ４、中空状の支柱は、熱処理装置の加熱部に挿入されな
   い部分に穴が穿設され、この穴を通してのみ支柱内外空
   間が連通されている請求項１記載の半導体ウェハ熱処理
   装置のウェハ支持装置。 ５、支持部の半導体ウェハとの接触部は溝に形成されて
   いると共に、この溝は丸棒又はパイプ材の外面に設けら
   れている請求項１又は２記載の半導体ウェハ熱処理装置
   のウェハ支持装置。 ６、支持部の半導体ウェハとの接触部は半導体ウェハと
   同一材料にて形成されている請求項１又は２記載の半導
   体ウェハ熱処理装置のウェハ支持装置。 ７、支持部は、半導体ウェハの周縁側を囲うリングを有
   する請求項１又は２記載の半導体ウェハ熱処理装置のウ
   ェハ支持装置。 ８、加熱部と、ウェハ支持装置を該加熱部内に出入させ
   る駆動手段とを備えた半導体ウェハ熱処理装置において
   、ウェハ支持装置は請求項１乃至７のうちいずれかのも
   のである半導体ウェハ熱処理装置。