JPH11512232A - 低質量サセプタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体処理のためのウェーハサセプタであって、ウェーハの熱容量に近似する熱容量を持っている。該サセプタとウェーハの熱容量を近似させることで、より高い生産量を可能にするとともに、ウェーハを横切る温度不均一性を減らすことを可能にする。低質量サセプタは、中央ウェハーサセプタ凹部を備え又は備えない固体の薄いディスクで製作することができる。ウェハー温度検知孔をサセプタの中央に形成することができる。更に、低質量サセプタは、開放気泡形の炭化珪素発泡体で形成され、ウェハー支持面を形成する上面に固体炭化珪素の薄膜を有することができ、前記開放気泡発泡体を完全に覆うことができる。前記ウェーハは、好ましくは、前記サセプタから上方に延びる複数のピン上に支持される。第３の実施形態においては、超低質量サセプタが、中央に通孔を持ち且つ外側の突出部の下方に前記通孔を取り囲むウェハー支持棚部を備えるリング形状とされる。

Description

【発明の詳細な説明】 低質量サセプタ 発明の分野 本発明は、半導体処理チャンバ内におけるウェーハの支持体に関し、より詳し くは、化学蒸着チャンバー内でウェーハを支持するための低質量サセプタに関す る。 発明の背景 反応室と呼ばれる高温オーブンは、電子工業用の集積回路を得る半導体を処理 するために用いられる。円盤状のウェーハ又は基板は、典型的には、シリコンで 作られ、サセプタと呼ばれるウェーハ支持体上に載置される。ウェーハ及びサセ プタは、石英チャンバー内に閉じ込められ、典型的には、該石英チャンバーの周 囲に置かれた複数の放射ランプによって加熱される。反応ガスは、加熱されたウ ェーハ上を通過し、ウェーハ上に反応物質で成る薄い層を化学蒸着させる。他の 装置内でのこれに続くプロセスを通じて、これらの層が集積回路に形成され、ウ ェーハのサイズ及び前記回路の複雑さに応じて、一つの層は何十から何万という 集積回路からなる。 もし、下層のシリコンウェーハと蒸着層が同じ結晶構造 を有するなら、これはエピタキシャル層と呼ばれる。これは、単一の結晶構造を 有するため、時には単結晶層と呼ばれる。 様々なＣＶＤプロセスの要素が、製造される半導体の高品質を確保するために 、注意深く制御されなければならない。一つの重要な要素は、処理中のウェーハ の温度である。蒸着ガスは、特定の温度で反応し、ウェーハ上に付着する。もし 、温度がウェーハの表面に亘って大きく変化すると、反応ガスの不均一な付着が 起きる。 あるバッチ処理（例えば、一度に１枚以上のウェーハを処理するＣＶＤ反応室 ）では、ウェーハの温度を均一に保持するのを助けるために、黒鉛又は他の熱吸 収材料でできた比較的大きな質量のサセプタ上に置かれる。この観点で、“大き な質量”のサセプタは、ウェーハに対して大きな熱容量（thermal mass）を持っ ている。固体の熱容量又はその集合である総熱容量は、次の等式で与えられる。 ここで、ρは固体の密度、Ｖは固体の体積、ｃはその固体の比熱（熱容量）を 意味する。 従って、熱容量は、その質量、即ち密度と比熱と体積を 掛け合わせたもの、及び比熱に直接関係する。 大きな質量のサセプタの一例は、マックネイリーによる米国特許第４４９６６ ０９号明細書に示されており、この明細書は、ウェーハが比較的大きな質量のス ラブ状サセプタ上に直接置かれ、両者の間の熱伝導を許容するため、密接な接触 を維持させられたＣＶＤプロセスが開示されている。前記黒鉛サセプタは、おそ らくウェーハの温度を均一に維持するためにウェーハに熱を伝える熱の“フライ ホイール”として機能する。その目的は、サセプタの“フライホイール”効果無 しに発生し得るウェーハ周囲の一時的な温度変化を低減することにある。 大きな質量のサセプタは、理論的には、定常状態でのウェーハの温度均一化を 増進させるけれども、サセプタの大きな熱容量は、ウェーハよりも温度変化に対 する反応を遅らせ、その結果、これら２つの要素の温度が異なる場合が生じる。 これは、温度変化中において極めて好ましくないことであり、ウェーハ温度はサ セプタ温度と一致せず、プロセスの制御が困難となる。 近年、複数のウェーハを同時にバッチ処理するのとは反対に、大径のウェーハ の単一ウェーハ処理が、より高い精度等の種々の理由のために発達してきている 。典型的なウェーハは、直径２００ｍｍで厚みが０．７２５ｍｍを有す る共通サイズを持ったシリコンでできている。シリコンの密度が２３３０ｋｇ／ ｍ³であって、８００°Ｋにおける比熱が９１３Ｊ／ｋｇ／°Ｋとすると、この ような単一ウェーハ処理に用いられるウェーハの熱容量は、約４８Ｊ／°Ｋであ る。近時では、より大きな単一ウェーハ処理の利益をより効果的に活用するよう に、直径３００ｍｍ，厚み０．７７５ｍｍの大きなシリコンウェーハが提案され ている。３００ｍｍウェーハの熱容量は、１１７Ｊ／°Ｋである。更により大き なウェーハも将来予定される。 単一ウェーハの処理自体、バッチ処理を超える利点を備えるが、処理要素の制 御が重要であることに変わりなく、大きなウェーハのコスト上昇のために、おそ らくそれ以上に重要となる。単一ウェーハの一例は米国特許第４８２１６７４号 明細書に示され、そこでは、前記ウェーハよりも少し大きな直径を持つ円環状回 転式サセプタを実用化している。このサセプタは、好ましくは黒鉛で作られ、前 述のスラブ状バッチ処理サセプタよりもずっと小さい熱容量を有している。熱容 量を少なくしたことによる利点の一つは、処理時間の短縮と処理能力の向上であ る。それにも関わらず、米国特許第４８２１６７４号明細書に記述されたサセプ タの製品は、ウェーハの熱容量よりもずっと大きく、処理中の熱伝導からウェー ハとサセプタとの間の温度差を引 き起こす。これらのシステムでは、更に、サセプタ及びウェーハ周囲の温度がモ ニターされ、複雑な熱伝対や高温測定装置を必要とする。 サセプタとウェーハとの間の熱伝導は、互いに本体の表面領域の幾何学的突起 物に依存している。従って、ウェーハの直下にあるその領域は、サセプタの熱容 量を計測し比較する際に最もよく使用される。ウェーハ直下のサセプタ部分の熱 容量は、“有効”熱容量と呼ばれ得る。このサセプタ部分の外側の周囲範囲は、 サセプタとウェーハとの間の熱伝導をより少なくするが、大きな端部での損失が サセプタ内の望ましくない温度差を生じさせ得る。大きさの異なる標準的なディ スク状サセプタのための前記有効熱容量は、定数ｘと支持されているウェーハの 直径の２乗との積として表現され得る。換言すると、熱容量のための上述の等式 から、以下の比率で記述され得る： ここで、Ｃ_T.effはサセプタの熱容量（J/°K），Ｄはウェーハの直径（m）， ｘは乗数因子（J/°K/m²）である。 ここで、 ここで、ρは固体の密度（kg/m³）、ｔはサセプタの厚さ（m）、ｃは固体の比 熱（熱容量）（J/°K）である。 米国特許第４８２１６７４号明細書に記述された単一ウェーハ処理システムに 用いられる黒鉛サセプタは、例えば、直径２２０mm，厚さ６．４mm、密度２２５ ０kg/m³，質量０．５７kgを有している。８００°Ｋで１６５０J/kg/°Kの比熱 を持つと、前記黒鉛サセプタは、８００°Ｋでほぼ７４６Ｊ／°Ｋの有効熱容量 （例えば、２００mmウェーハの真下で）を有し、これは、２００mmウェーハの熱 容量の１５倍より大きい。これらのサセプタにとって、ＳＩ単位を用いると、乗 数因子ｘは、約１８６６１J/°K/m²に等しい。従って、３００mmウェーハにたい して、黒鉛サセプタの有効熱容量は、 であり、これは、３００mmウェーハの熱容量の１４倍より大きい。（もちろん、 これらの数値は、イギリスの単位及び定数を使用すると変わってくるだろう。） サセプタ及び ウェーハの熱容量におけるこれらの大きな違いは、最初の温度上昇及び温度下降 サイクル時において、サセプタがウェーハよりも大きく遅れを取ることを意味す る。 図１は、従来の単一ウェーハ処理サセプタ及び該サセプタ上のウェーハの昇温 及び冷却の結果を図示している。図示のように、ウェーハは昇温段階において、 より急勾配の温度上昇を有しているため、サセプタより先に定常状態に達し、こ れを超える。放熱ランプの変化する強度に対するウェーハ及びサセプタの反応の 遅れのために、いくらかの温度の行き過ぎ量が生じ得る（図では誇張されている ）。結局、この２つの要素は、冷却期間に入るまで定常状態の温度を達成し、冷 却期間ではウェーハはサセプタより早く冷却する。温度差がウェーハ上の温度不 均一化の危険を生じさせるだけでなく、その処理量は、サセプタを加熱及び冷却 するのに要する時間によって制限される。高い処理量は、単一のウェーハ半導体 処理において重要な問題を残している。 サセプタがその底部又は上部から均一に放射されたなら、サセプタの縁部は、 その中央よりも低温になるだろう。多くの肉厚のサセプタにおいて、その縁部の 表面積のために、縁部の熱損失がかなり有る。この状態は、図２に示されており 、厚いサセプタの縁部で比較的大きな熱損失を示して いる。従来の単一ウェーハ処理に使用された黒鉛サセプタの縁部表面積は、4.5 ×１０^-3m²であり、これは、全表面積のほぼ５％である。 縁部の大きな熱損失によるサセプタの温度不均一化は、図３のグラフに示すよ うに、ウェーハの温度不均一性を生じさせ、これは、生産される半導体の品質に 影響する。サセプタの周囲に構造物を配置したり、サセプタの異なる部位に放射 される熱の強度を変化させるという、種々の解決手段がサセプタの縁部での温度 の低下に対応するために提案されてきた。これらの提案の全てが処理装置を複雑 化させ、しかもコストを上昇させる。 結果として、半導体処理装置の処理量を増加させつつ、ウェーハ表面を横切る 温度均一性を確保するための改良がなされたサセプタが必要となる。 発明の概要 本発明は、ウェーハと同等の熱容量を持つ低質量サセプタを提供することによ って、ウェーハとサセプタとの間の熱的変化に伴う多くの問題を解決する。１つ の実施形態においては、低質量サセプタは、処理されるウェーハの厚みに近い厚 みを持つ薄い円環状本体として形成される。典型的な０．０２９インチ（０．７ ４mm）の厚みのウェーハに対しては、サセプタ本体は、わずか０．０３２インチ （０． ８１mm）にすぎない厚みを持つ。縁部の熱損失を最小限にするため、サセプタの 周縁部は、その本体と同じ厚みである。大きな中央の凹部は、そこで処理される ウェーハを受け入れるために、上面に形成される。これに関し、前記凹部は、外 側の突出部内に形成され、該突出部のある平面内にウェーハの上面を配置するの に十分な深さを有している。ウェーハとサセプタとの間にギャップを形成するた めに、ウェーハ載置面を形成するサセプタ上面に、スペーサを一体的に形成する か、又は固着しておくことが望ましい。１つの特定の実施形態においては、ウェ ーハの熱容量よりも小さい熱容量を持つリング状サセプタを形成するために、前 記凹部内に大きな中央孔が形成され得る。 他の実施形態においては、より厚い低質量サセプタは、従来の黒鉛サセプタか ら熱容量を減らした解放気泡の炭化珪素発泡体から形成されている。この発泡体 の３次元特性は、両者間の回転の一致に関係なくサセプタ支持体の腕部を受ける ように下面にほぼ完全な環状溝の形態をとることができる。また、中央の下方へ 向く孔は、熱伝対の検知部を受け入れるために設けられる。その孔は、ウェーハ の中央で温度を読みとる際の精度を高めるために、サセプタ上面の直ぐ下にまで 延びる。これとは別に、ウェーハの下側の温度を検知できるように、スルーホー ル（通孔）がサセ プタに形成され得る。第１の実施例においては、大きな中央の凹部が、処理され るウェーハを受けるためにその表面に形成され得る。該凹部は、外側の突出部内 に形成され、該突出部の面内にウェーハの上面を配置するのに十分な深さを有し ている。望ましくは、サセプタの上面に一体的に形成され、又は別体として取り 付けられたスペーサが、ウェーハとサセプタとの間のギャップを形成するために ウェーハの載置面に形成される。高密度炭化珪素の薄い膜が前記発泡サセプタの 少なくとも上面に付着又は載せられ、付加的に発泡サセプタ全体を覆う。 図面の簡単な説明 図１は、従来の単一ウェーハ処理用サセプタ上にあるウェーハの加熱及び冷却 サイクル図である。 図２は、従来の単一ウェーハ処理用サセプタによって生じる縁部の熱損失の概 念図である。 図３は、図２に示すサセプタを横切る温度分布を表す図である。 図４は、低質量サセプタ上のウェーハの加熱及び冷却サイクル図である。 図５は、本発明に係る低質量サセプタによって生じる縁部の熱損失の概念図で ある。 図６は、図５に示す低質量サセプタを横切る温度分布を 表す図である。 図７は、本発明に係る低質量サセプタの一実施形態の平面図である。 図８は、図７の線８−８に沿って見た低質量サセプタの断面図である。 図９は、図８の円９−９内における低質量サセプタの一方の縁部の詳細図であ る。 図１０は、低質量サセプタの他の実施形態の縁部の詳細図である。 図１１は、本発明に係る低質量サセプタの他の実施形態で連続気泡の発泡体か らなるサセプタの底面図である。 図１２は、線１２−１２に沿って見た図１１の連続気泡の発泡体サセプタを通 る断面図である。 図１３は、図１２の円１３−１３内における低質量サセプタの部分的な詳細図 である。 図１４は、炭化珪素の上部層を有する連続気泡の発泡体サセプタの他の実施形 態の詳細図である。 図１５は、本発明に係る低質量サセプタのリング状の実施形態の平面図である 。 図１６は、図１５の円１５−１５内における低質量サセプタの一方の縁部の詳 細図である。 図１７は、本発明に係る低質量サセプタの他の実施形態 であり、図７に近似しているが中央の温度検出用孔を備えたサセプタの平面図で ある。 図１８は、本発明に係る低質量サセプタを使用するウェーハ処理用反応チャン バの概略断面図である。 好適な実施形態の詳細な説明 本発明は、支持するウェーハの熱容量（thermal mass）と同じオーダーの熱容 量を有する低質量（low-mass）サセプタを備える。図４に示すように、ウェーハ を支持するこのようなサセプタの加熱及び冷却サイクルの間における熱応答は、 図１に示す単一ウェーハ処理用サセプタの場合よりも、ウェーハの応答により密 接に関連する。特に、反応チャンバ内における温度過渡の間、サセプタ及びウェ ーハの温度差は、図１の配置の場合よりも小さく、これにより、システムの均一 性及び処理量が改善される。 ウェーハ及びサセプタの物理的特性（すなわち、密度及び比熱）がほぼ等しい とすれば、両者の熱容量が等しくなるには、両者のサイズがほぼ等しくなければ ならない。ウェーハとほぼ同じ直径のこのようなサセプタは、従来のサセプタと 比べて相対的に薄い。図５は、相対的に薄いサセプタの縁部における熱損失を表 す。この熱損失は、図２に示すような厚いサセプタに関連する熱損失よりも極め て軽減されている。図６は、この場合の温度分布を示し、サセ プタを横切る温度が、図３に示す厚いサセプタの場合よりも長い距離に亘って一 定であることを表している。言い換えれば、薄いサセプタにおけるサセプタの縁 部での熱損失は、より小さく、これは、ウェーハ全体に亘る、より顕著な温度均 一性に通じる。 図７から図９は、本発明に係る低質量サセプタ２０の一実施形態を表す。サセ プタ２０は、一般的に、対向する上面及び底面と円形の周縁２１とを有する、薄 いディスク状の円形本体を備える。上面において、サセプタ２０は、内側のウェ ーハ用凹部２４を囲む外側の突出部２２を有し、該凹部は、肩部２６において前 記突出部の上面の下方に形成されている。ウェーハ用凹部２４は、ウェーハの縁 が肩部２６に極めて近接するように該ウェーハを収容し得るべく寸法決めされて いる。 １つの特定の実施形態において、低質量サセプタ２０は、約８．８インチ（２ ２５ｍｍ）の外径を有する固体炭化珪素から構成され、ウェーハ用凹部２４は、 約７．９インチ（２０２ｍｍ）の外径を有する。典型的には、単一ウェーハ処理 システムは、ウェーハの外縁が肩部２６から１ｍｍの範囲内にあるよう、直径２ ００ｍｍのウェーハを取り扱う。サセプタ２０は、厚みが約０．０３２インチ（ ０．８１２ｍｍ）以下で、好適には、約０．０３インチ（０．８ ｍｍ）である。 低質量サセプタ２０の縁の表面積は、０．５×１０^-3である。これは、全表面 積の約０．６％であり、米国特許第４８２１６７４号に示すサセプタの製造品の ような、従来の黒鉛サセプタよりも極めて少ない。外側の突出部２２平面の下方 にあるウェーハ用凹部２４の深さは、約０．０２８インチ（０．７１ｍｍ）。約 ３２００ｋｇ／ｍ³の密度とすれば、低質量サセプタ２０は、９．２×１０^-2ｋ ｇの質量を有する。サセプタは、８００°Ｋにおける１１３５Ｊ／ｋｇ／°Ｋの 比熱と、ウェーハ下で約８３Ｊ／°Ｋの有効熱容量を有する。該熱容量は、２０ ０ｍｍウェーハの熱容量の２倍未満であり、米国特許第４８２１６７４号に示す サセプタの製造品のような従来の黒鉛サセプタのほぼ１０分の１未満である。ウ ェーハの下の円形領域の外側の周縁部を含む、サセプタ２０全体を考慮に入れて も、サセプタ２０の熱容量は、約１０５Ｊ／°Ｋであり、２００ｍｍウェーハの 熱容量の２倍よりも僅かに大きいだけである。サセプタ２０について、有効熱容 量に対する増倍係数ｘは、約２０６８に等しい。従って、３００ｍｍウェーハに ついて、低質量サセプタ２０の有効熱容量は、約１８６Ｊ／°Ｋであるか、又は 、ウェーハの熱容量の２倍未満である。ウェーハ及びサセプタの熱容量がほぼ同 等であることは、 両者の間の温度変動を低減し、システムの処理量を改善する。 プロトタイプの実施形態において、低質量サセプタ２０は、８．８４５インチ 〜８．８５５インチ（２２４．６６ｍｍ〜２２４．９２ｍｍ）の外径、０．０２ ９５インチ〜０．０３１５インチ（０．７５０ｍｍ〜０．８００ｍｍ）の厚みを 有し、ウェーハ用凹部２４は、７．９３１インチ〜７．９５３インチ（２０１． ４５ｍｍ〜２０２．００ｍｍ）の外径を有する。外側突出部２２平面の下方のウ ェーハ用凹部２４の深さは、好適には、０．０２７５インチ〜０．０２８５イン チ（０．７００ｍｍ〜０．７２５ｍｍ）である。 サセプタ２０及びウェーハの間にギャップを形成する複数のスペーサが設けら れている。この目的のため、図示したサセプタ２０は、突出部２２の周縁から中 心部３２に向かう経路の約３分の１のところに形成された円３０の円周上に、等 しい間隔で設けられた３つの小さい孔２８を備える。孔２８は、その中に、ウェ ーハ用凹部２４の頂部を越えて延びるウェーハ支持ピン２９を収容している。中 心部３２から僅かに距離を隔てた単一の孔３３も同様に支持ピン２９を収容する 。第１の円３０よりもサセプタ２０の中心部に近い円３６の円周上に等しい間隔 で設けられた３つ の孔３４も、ウェーハ支持ピン２９を収容する。孔２８、３３、３４は、サセプ タ本体を通って上面から底面に貫通するのが好適であるが、貫通せず部分的に延 びるように形成されてもよい。円形に配置された孔２８、３４の群は、サセプタ の中心部３２の周りに互いに６０°だけ間隔をおかれている。したがって、中心 部から距離を隔てた孔３３と共に、ピン２９の集合は、ウェーハをサセプタ２０ の上方に配置するための等しく分配された平面支持台を形成する。ウェーハ支持 台を形成するには、３つのこのようなスペーサ又は支持ピンが必要とされるだけ であるが、図示した７つのピンは、ウェーハの下により多くの支持点を与え、ウ ェーハが重力によって撓むのを防止する。 典型的には、ウェーハのサセプタへの送出は、ウェーハを持ち上げ、下向きの ガス流を使用して上方からウェーハを運ぶための、ベルヌーイの原理を利用した 細棒（wand）又は他のピックアップデバイスによりなされる。しかしながら、へ ら状のピックアップ棒も使用することができる。前記棒が、処理されたウェーハ を持ち上げるために戻る際に、支持ピン２９は、ウェーハ及び凹部２４の間に、 生じ得る吸着を防止するための隙間を形成している。支持ピンは、孔２８、３４ 内に配置され、細棒によって下げられたウェーハを支持するため、ウェーハ用凹 部２４を越えて特 定の距離だけ延びている。典型的には、ピン２９は、図９に最もよく示すように 、ウェーハを支持するのに十分な、ウェーハ用凹部２４を越える高さを有する。 そのため、ウェーハの上面は、突出部２２と水平、又はガス流を考慮して突出部 ２２を僅かに越える位置にある。特に、好適な環境において、ガスは、最初に突 出部２２の上方を流れ、次に、ウェーハの上面の上方を流れ、そこにほぼ平行に なる。突出部２２からウェーハへの垂直段差のような、ガス流に対する急な物理 的障害物は、流れの不連続性を生成し、逆にウェーハ上の所望の均一な蒸着に影 響を与える。従って、ウェーハは、サセプタ２０の上方に突出部２２と同一平面 になるように好適に配置される。 支持ピンは、セラミック又は天然の若しくは人工的なサファイアから製造され 、サファイアは、アルミニウム酸化物から抽出される。種々の形態の支持ピンが 、ペンシルベニア州フィラデルフィアのスイス ジュエル カンパニー（Swiss Jewel Co.）から入手可能である。アルミナは、使用し得る好適なセラミックで ある。他の形態において、支持ピンは、石英から形成され得るが、この材料は、 ＣＶＤ環境内の繰り返される熱サイクルによってやがては非ガラス化（devitrif y）する。孔は、直径が約０．０２５インチ（０．６４ｍｍ）であり、ピンは、 孔に填め込まれて いる小径の尾部と、孔の縁に係止している大径の頭部とを備えた階段状の円筒構 造を有する。さらに他の実施形態において、孔２８、３４は、除去され、炭化珪 素の支持ピン、スペーサ又は他の突出部材がウェーハ用凹部２４に直接加工され る。 サセプタ支持用凹部４４が、第２の円３６から径方向に僅かに内側に位置する 第３の円４２の円周上に、等しい間隔で図示されている。図９に示すサセプタ支 持用凹部４４の各々は、反応チャンバ内に位置する支持又はスパイダ部品（図示 せず）のアームを受ける。スパイダ部品は、静的なものとし得るが、典型的には 、ウェーハ上の化学蒸着の均一性を高めるために回転動作をサセプタに伝える回 転シャフトに取り付けられる。１つの好適な実施形態において、スパイダ部品は 、径方向外側に延びた後、サセプタ２０の底面に向かって上方に延びる３つのア ームを備えた中央ハブを有する。スパイダ部品は、典型的には石英、又は繰り返 される極度の熱サイクルに耐えることができる、放射に透過性の他の材料から形 成される。 サセプタ２０の熱容量は、ウェーハよりもやや大きいが同じオーダー内にある 。従って、加熱及び冷却サイクルは、図４に示す場合と同等であり、従来の大き な熱容量のサセプタと比較して付随した処理量の増加を伴う。 他の実施形態において、図１０に示す低質量サセプタ５０は、図７に示すサセ プタ２０と同等の厚みを有するが、ウェーハ用凹部２４及び肩部２６によって形 成される窪みの無い、平坦なディスク形状の本体を備える。他の点では、サセプ タ５０は、孔２８、２９、３４及び支持アーム用凹部４４を備え、図７に示すも のと同様である。 図１１から図１３は、炭化珪素の連続気泡の発泡体（open-cell silicon carb ide foam）から構成される低質量サセプタ６０の第２の実施形態を表す。裏面図 である図１１は、サセプタを支持し回転するアームを受けるため、サセプタ６０ の下側に形成されたほぼ完全に円形の溝６２を表す。前述のように、これらの支 持アームは、回転可能なシャフトに取り付けられた石英のスパイダから好適に延 びている。アームの１つは、溝６２の閉端部６４ａ又は６４ｂの１つと接触し、 サセプタ６０に回転力と回転動作を伝える。 図１２は、サセプタ６０の横断面図であり、段差６８において内径が終端する 外側の円形突出部６６と、ウェーハ用凹部７０とを示す。ウェーハ用凹部７０の 僅かに上方でウェーハを支持するため、支持ピン７１が、等しく分配された孔に 填め込まれている。２００ｍｍウェーハを支持するための１つの特定のサセプタ の実施形態において、凹部 ７０は、約７．９インチ（２０．１ｃｍ）の直径を有する。したがって、２００ ｍｍウェーハは、取り囲む段差６８から１ｍｍの範囲内で延びる。ウェーハ用凹 部７０の深さは、約０．０５６インチ（１．４２ｍｍ）である。サセプタ６０の 外径は、約８．８５インチ（２２．５ｃｍ）であり、突出部６６における厚みは 、約．２５インチ（６．３５ｍｍ）である。 サセプタ６０の材料は、好適には、炭化珪素の連続気泡の発泡体である。特に 、前記材料は、１０〜２００ｐｐｉの間の密度、より好適には５０〜１５０ｐｐ ｉの密度を有する炭化珪素の連続気泡の発泡体とされ得る。種々の密度の発砲材 料が、カリフォルニア州オークランドのエネルギー リサーチ アンド ジェネ レーション インコーポレイテッド（Energy Research and Generation ,Inc.） から入手可能である。 約９１１ｋｇ／ｍ³の密度とすれば、低質量サセプタ６０は、２．３×１０^-1 ｋｇの質量を有する。また、サセプタ６０は、２００ｐｐｉの炭化珪素発泡体に 対して８００°Ｋにおける１１３５Ｊ／ｋｇ／°Ｋの比熱と、約２０６Ｊ／°Ｋ の有効熱容量（２００ｍｍウェーハの直下で）を有する。該熱容量は、ウェーハ の熱容量の約４倍であり、米国特許第４８２１６７４号に示すサセプタの製造品 のよ うな従来の黒鉛サセプタの熱容量の約４分の１である。ウェーハの下の円形領域 の外側の周縁部を含む、サセプタ６０全体を考慮に入れても、サセプタ６０の熱 容量は、約２６１Ｊ／°Ｋであり、ウェーハの熱容量の５倍よりも僅かに大きい 。サセプタ６０について、有効熱容量に対する増倍係数ｘは、約５１５７Ｊ／° Ｋ／ｍ²に等しい。従って、３００ｍｍウェーハについて、連続気泡の発泡体サ セプタ６０の有効熱容量は、約４６４Ｊ／°Ｋであり、ウェーハの熱容量の約４ 倍である。サセプタ６０の熱容量は、ウェーハより大きいが、未だ同じオーダー であり、処理における温度遷移によって引き起こされる２つの部材間の温度変動 は、極めて改善される。重要なことに、サセプタ６０は、従来のサセプタよりも 速く冷却し、システムの処理量を改善する。 プロトタイプの実施形態において、ウェーハ用凹部７０は、７．９３１インチ 〜７．９５３インチ（２０１．４５ｍｍ〜２０２．００ｍｍ）の直径を有し、ウ ェーハ用凹部７０の深さは、好適には、０．０５５５インチ〜０．０５６５イン チ（１．４１ｍｍ〜１．４３ｍｍ）である。サセプタ６０の外径は、好適には、 ８．８４５インチ〜８．８５５インチ（２２４．６６ｍｍ〜２２４．９２ｍｍ） である。 図１１は、サセプタ６０の下側の中央にあり、温度検知デバイスを受けるため の凹部７２を表す。特に、中央の凹部７２は、サセプタ６０の上面の直下で終結 する温度検知用熱電対に進入路を与える。すなわち、凹部７２の上のサセプタ６ ０の厚みは、ウェーハの中央における温度を検知する際の温度検知用熱電対の精 度を高めるために最小化されている。この厚みは、好適には０．０３インチ（０ ．８ｍｍ）以下である。或いは、ウェーハの中央の下側の温度を直接検知するた め、サセプタを通る孔を形成してもよい。サセプタの径方向周縁部における温度 を検出するための外側の温度検知用熱電対を、サセプタを囲む静止リング（図示 せず）中に設置してもよい。熱電対は、石英チャンバの外側の放射ランプによっ て供給される熱を調節するための制御システムに、フィードバックを与えるため 使用される。 図１４は、連続気泡の発泡体からなる低質量サセプタ８０の第２の実施形態を 表す。サセプタ８０は、下部の発泡体部分８２と上部のウェーハ支持面又は薄膜 ８４とを備える。発泡体部分８２は、図１１から図１３に示した発泡体サセプタ ６０と本質的に同じであるが、段差６８及びウェーハ用凹部７０によって形成さ れる中央の凹部がない。薄膜８４は、好適には、高密度炭化珪素又は他の同様の 手段から形成され、平坦なウェーハ支持面を形成する。薄膜８ ４の厚みは、好適には、ウェーハの厚みより小さく、さらに好適には、数１００ μｍである。薄膜８４は、発泡体部分８２上に蒸着により形成される。図示して いないが、支持ピンを薄膜８４の上方に延びるよう設けてもよい。 図示した実施形態は、サセプタ８０の上面にある平坦な平面状薄膜８４を示す が、代わりに、サセプタ全体を高密度炭化珪素で覆うことも可能である。連続気 泡の発泡体サセプタ８０全体を炭化珪素の薄膜で覆うことは、露出した連続気泡 の発泡体材料に吸着されたり集積されたりしがちな、反応チャンバ内の粒子の存 在を軽減するのに役立つ。さらに、連続気泡の発泡体は、新しい処理へと循環す る前に、反応ガス又は他のガスを抜くのにより多くの時間を必要とし、処理量を 低下させる。炭化珪素の薄膜は、この吸収を防止する。炭化珪素の薄膜で完全に 被覆された連続気泡の発泡体サセプタが、カリフォルニア州オークランドのエネ ルギー リサーチ アンド ジェネレーション インコーポレイテッドから種々 の仕様で商業的に入手可能である。炭化珪素の薄膜は、被覆作業の後つや出し又 は研磨され、ほとんど異物を集めそうにない滑らかな外観になることが期待され る。 図１５及び図１６は、超低質量のリング状サセプタ９０を表す。サセプタ９０ は、径方向内部の棚部９４の上方に 段差９６で延ばされた外側の突出部９２を備える。突出部９２の外周に形成され た複数のノッチ９８は、回転可能なサセプタ支持部材の駆動アーム（図示せず） を受ける。図１６は、棚部９４上に支持されるウェーハ１００を仮想線で示す。 サセプタ９０の寸法は、図７の低質量サセプタ２０の寸法と同等であり、約０ ．０３インチ（０．７６ｍｍ）の厚み、およそ８．８インチ（２２．３５ｃｍ） の外径、及びおよそ７．９インチ（２０．０６）の直径の段差９６を備える。段 差９６は、ウェーハ１００とほぼ同じ深さを有する。ウェーハ１００の下の孔を 形成する棚部９４の内径は、約７．７インチ（１９．５６ｍｍ）である。好適な 実施形態において、サセプタ９０は、炭化珪素から形成され、その有効熱容量は 、約３．７Ｊ／°Ｋである。該熱容量は、２００ｍｍウェーハの熱容量（４８Ｊ ／°Ｋ）の１０倍未満であり、米国特許第４８２１６７４号に示すサセプタの製 造品のような従来の黒鉛サセプタの約２００分の１である。 図１７は、図７に示すものと近似しているが中央の貫通孔１１２を備えた、本 発明に係る他の低質量サセプタ１１０を表す。このサセプタにおいて、熱電対や 高温計のような温度検知デバイスを、ウェーハの裏側の温度を検出する ために使用することができる。貫通孔１１２は、支持ピン２９を収容するための ６つの孔２８、３４用のサセプタ領域を維持するように、内部円３６内で寸法決 めされ、中心部から距離を隔てた孔３３は利用されない。 図１８は、チャンバ１２２を備えたウェーハ処理用反応容器１２０を示す。チ ャンバ１２２内には、低質量サセプタ１２４が回転台１２６に配置されている。 ウェーハ１２８は、サセプタ１２４上に支持されている。チャンバ１２２は、チ ャンバの上方及び下方に配置された複数の熱ランプ１３０から、サセプタ１２４ 及びウェーハ１２８に放射エネルギーを効率よく伝達するのに適した石英又は他 の材料とすることができる。チャンバ１２２の一端にあるガス導入口１３２は、 反応ガスを導入し、該反応ガスは、サセプタ１２４及びウェーハ１２８の上方を 矢符の方向に流れ、ガス排出口１３４に流れる。放射熱ランプ１３０からの熱エ ネルギーは、ウェーハを加熱し、これにより反応ガスがウェーハ上に蒸着する。 もちろん、低質量サセプタ１２４は、プラズマ反応室や垂直流「シャワーヘッド 」タイプ反応室のような他の反応室１２０にも都合良く使用することができる。 低質量サセプタ１２４は、周囲のランプ１３０によって生成される放射熱に対 してかなり均一に反応する。したが って、サセプタの周囲の点における温度をモニタするための複雑な検知手段は必 要とされない。前述のように、サセプタを横切る代表的な点での温度を得るため 、中央の熱電対（図示せず）を、サセプタ１２４の中央の直下、又は、サセプタ の中央の開いた又は閉じた孔内に配置することができる。この点について、熱電 対は、回転台１２６の中央の孔を通って延び、サセプタ１２４の下側に到達する ことができる。 本発明を、特定の好適な実施形態によって記載してきたが、当業者に自明の他 の実施形態もまた、本発明の範囲内にある。例えば、いくつかのサセプタの実施 形態は、その相対的に低い熱容量のため、高温の反応加熱炉における使用に特に 適するが、それらは、また、低い温度への応用にも利用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ，ＳＧ (72)発明者 ヴァン ダー ジュード コーネリアス エー. アメリカ合衆国 85282 アリゾナ テン プ パームクロフト ドライブ 1986 イ ー. (72)発明者 ウェンガート ジョン エフ. アメリカ合衆国 85044 アリゾナ フィ ーニクス ショーミ ストリート 3832 イー.

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ウェーハ処理システムであって、 反応チャンバーと、 前記反応チャンバーの取り囲む複数の加熱ランプと、 前記反応チャンバーへの反応ガス導入口と、 前記反応チャンバーからの反応ガス排出口と、 上面及び底面と周囲縁部とを有する円盤形状の本体によって形成され、処理 するウェーハを支持するためのサセプタとを有し、 前記本体は、約０．０３２インチ（０．８１mm）以下の厚みを有し、前記縁 部は、前記本体の厚みと同等の厚みを有していることを特徴とする、前記ウェー ハ処理システム。 ２．前記底面に形成された少なくとも３つのサセプタ支持受け入れ孔を有するこ とを特徴とする請求項１に記載のシステム。 ３．前記上面から突出し、前記表面に平行なウェーハ支持載置面を規定する少な くとも３本のピンを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。 ４．前記ピンが、前記本体と別個に形成され、前記サセプタが、前記上面に開口 するピン受け入れ孔を有して いることを特徴とする請求項３に記載のシステム。 ５．前記ピンがサファイアであることを特徴とする請求項４に記載のシステム。 ６．前記ピンが石英であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。 ７．前記ピンが前記本体に一体的に形成されていることを特徴とする請求項３に 記載のシステム。 ８．前記本体は、約３２００kg/m³の密度を有する炭化珪素で形成されているこ とを特徴とする請求項１に記載のシステム。 ９．前記サセプタは、支持されるべきウェーハと同等の大きさを持った中央円環 状部分を有し、そこでは、ＳＩ単位では、前記部分の熱容量は、前記部分の直径 の２乗の６０００倍よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のシステム。 １０．前記本体は、前記上面に同心円上に形成された円形のウェーハ受け入れ凹 部を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。 １１．前記上面から突出し、前記上面に平行なウェーハ支持載置台を規定する少 なくとも３本のピンを有することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。 １２．前記ピンは、前記本体から離反されて形成され、前 記サセプタは、前記上面に開口するピン受け入れ孔を有していることを特徴とす る請求項１１に記載のシステム。 １３．前記ピンがサファイアであることを特徴とする請求項１２に記載のシステ ム。 １４．前記凹部は、前記サセプタが、リング状に形成されるように、中央孔を形 成するウェーハ受け入れ棚部を有していることを特徴とする請求項１０に記載の システム。 １５．前記サセプタは、支持されるウェーハの外径と同じ外径を持つ前記孔を囲 む中央環状部分を有し、そこでは、ＳＩ単位系では、前記環状部分の熱容量がそ こに支持されるウェーハの熱容量の１０倍未満であることを特徴とする請求項１ ４に記載のシステム。 １６．前記サセプタは、その温度検知のためのウェーハの後部への通路を提供す るための中央通孔を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。 １７．ウェーハを載置するためのＣＶＤ処理用低質量サセプタであって、上面及 び底面と周囲縁部とを形成した円盤状で硬質の連続気泡形炭化珪素本体を有し、 該サセプタは、支持するウェーハと同じ大きさを持った中央円形部分を有し、そ こでは、ＳＩ単位で、前記部分の熱容量が前記部分の直径の２乗の６０００倍未 満であることを特徴とする前記サセプタ。 １８．熱電対のセンサー端部を受け入れるために中央下方向に向く孔が形成され ていることを特徴とする請求項１６に記載の低質量サセプタ。 １９．前記下方へ向く孔が、ウェーハの中央で温度を読みとる際の精度を高める ために、サセプタの上面の直ぐ下方まで延びることを特徴とする請求項１８に記 載の低質量サセプタ。 ２０．前記本体は、前記上面に同心円状に形成された円形のウェーハ受け入れ凹 部を有することを特徴とする請求項１７に記載の低質量サセプタ。 ２１．前記上面から突出し、前記上面に平行なウェーハ支持載置台を形成する少 なくとも３本のピンを有することを特徴とする請求項２０に記載の低質量サセプ タ。 ２２．前記ピンが、前記本体と別個に形成され、前記サセプタは、前記上面に開 口するピン受け入れ孔を有していることを特徴とする請求項２１に記載の低質量 サセプタ。 ２３．前記ピンがサファイアであることを特徴とする請求項２２に記載の低質量 サセプタ。 ２４．前記ピンが石英であることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。 ２５．高密度炭化珪素の薄膜を有していることを特徴とする請求項１７に記載の 低質量サセプタ。 ２６．前記高密度炭化珪素の薄膜は、前記上面に付着されていることを特徴とす る請求項２５に記載の低質量サセプタ。 ２７．前記連続気泡は、１インチ当たり１０〜２００個の気泡密度を有している ことを特徴とする請求項１７に記載の低質量サセプタ。 ２８．前記連続気泡は、１インチ当たり５０〜１５０個の気泡密度を有している ことを特徴とする請求項２７に記載の低質量サセプタ。 ２９．ウェーハを載置するＣＶＤ処理用低質量サセプタであって、該サセプタの 直径を規定する周囲縁部を有する円盤状本体を有し、前記縁部は、本体の厚みと 同等であり、そこでは、ＳＩ単位では、前記サセプタの熱容量が、前記直径の２ 乗の６０００倍未満であることを特徴とする、前記サセプタ。 ３０．前記本体は、約０．０３２インチ（０．８１mm）以下の厚みを有している ことを特徴とする請求項２９に記載の低質量サセプタ。 ３１．前記底面に形成された少なくとも３つのサセプタ支持受け入れ孔を有する ことを特徴とする請求項２９に記載の低質量サセプタ。 ３２．前記サセプタは、上面及び底面を有し、該上面から 突出し、且つ、前記上面に平行なウェーハ載置面を形成する少なくとも３本のピ ンを有することを特徴とする請求項２９に記載の低質量サセプタ。 ３３．前記ピンが前記本体と別個に形成され、前記サセプタが前記底面に開口す るピン受け入れ孔を有することを特徴とする請求項３２に記載の低質量サセプタ 。 ３４．前記ピンがサファイアであることを特徴とする請求項３３に記載の低質量 サセプタ。 ３５．前記ピンが石英であることを特徴とする請求項３３に記載の低質量サセプ タ。 ３６．前記ピンは、前記本体と一体的に形成されていることを特徴とする請求項 ３２に記載のシステム。 ３７．前記本体が、約３２００kg/m³の密度を有する炭化珪素で形成されている ことを特徴とする請求項２９に記載の低質量サセプタ。 ３８．前記サセプタは、上面及び底面を形成し、前記本体は、前記上面に同心円 上に形成され、且つ、ほぼ０．０２８インチ（０．７１mm）の深さを持った段部 によって形成された円形ウェーハ支持凹部を有していることを特徴とする請求項 ２９に記載の低質量サセプタ。 ３９．前記上面から突出し、前記上面に平行なウェーハ支持載置面を形成する少 なくとも３本のピンを有している ことを特徴とする請求項３８に記載の低質量サセプタ。 ４０．前記ピンは、前記本体と別個に形成され、前記サセプタは、前記上面に開 口するピン受け入れ孔を有していることを特徴とする請求項３９に記載の低質量 サセプタ。 ４１．前記ピンがサファイアであることを特徴とする請求項４０に記載の低質量 サセプタ。 ４２．前記凹部は、前記サセプタがリング状に形成されるように、中央孔を形成 したウェーハ受け入れ棚部を有していることを特徴とする請求項３８に記載の低 質量サセプタ。 ４３．前記サセプタは、温度検知のためにサセプタ上に支持されたウェーハへ通 じる通路を提供するための中央の通孔を有していることを特徴とする請求項２９ に記載の低質量サセプタ。 ４４．ＣＶＤシステムに用いられる組み合わせ体であって、厚み及び直径を有す る半導体ウェーハと、上面及び下面と周囲縁部とを有するウェーハ支持用円盤状 サセプタとを有し、該サセプタの熱容量が、ウェーハの熱容量の６倍未満である ことを特徴とする、前記組み合わせ体。 ４５．前記サセプタの熱容量が、ウェーハの熱容量の３倍未満であることを特徴 とする請求項４４に記載の組み合わせ体。 ４６．前記サセプタの熱容量は、ウェーハの熱容量より小さいことを特徴とする 請求項４５に記載の組み合わせ体。 ４７．前記サセプタは、連続気泡形発泡材料で構成されていることを特徴とする 請求項４４に記載の組み合わせ体。 ４８．前記サセプタは、炭化珪素発泡体で構成されていることを特徴とする請求 項４７に記載の組み合わせ体。 ４９．前記サセプタは、少なくとも前記上面上に、固体の炭化珪素の膜を有する 炭化珪素発泡体の芯で構成されていることを特徴とする請求項４８に記載の組み 合わせ体。 ５０．前記サセプタの中央部分が、前記ウェーハの厚みよりも大きくない厚みを 有していることを特徴とする請求項４４に記載の組み合わせ体。