JP4157812B2 - ウエハ保持方法及びこの方法に使用する枚葉式熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導製造装置に係わり、特にウエハを保持して熱処理を施す際に用いられるウエハ保持方法とウエハ支持体に関するものである。

半導体デバイスや表示デバイス等の製造においては、半導体ウエハ（以下ウエハという）として、例えば、円板状のウエハに、酸化、拡散、成膜、アニール等の熱処理を行うために、各種の熱処理装置が用いられている。この種の熱処理装置として、複数枚のウエハを一括で熱処理するバッチ式の熱処理装置と、１枚ずつ熱処理する枚葉式の熱処理装置が知られている。このうち、枚葉式熱処理装置は、バッチ式のものに比べ、急速な昇降温を要する熱処理やウエハの面内の均一な熱処理を比較的容易にできることから、ウエハの大口型化に伴い、汎用されるようになっている。

ところで、熱処理を行う際、ウエハは金属汚染等を防止するため、一般には石英部材で構成されるプロセスチャンバー（処理室）の中に保持される。そこで、従来の枚葉式熱処理装置においては、チャンバー内での保持方法として、８インチ以下のウエハでは、当該ウエハとの接触を極力小さくするために、複数のピンにより点支持されるものが知られていた。しかし、近年のウエハ直径の大口径化にともない（例えば直径３００ｍｍウエハ）ウエハの自重が増大し、このような点支持では支持部での応力集中が大きくなる。また、ウエハの保持は、ウエハを移載してくるロボットのハンドとの干渉も考慮する必要があるため、ウエハが大口径化することは支持部の配置にさらに制約が付加される。
このため、面内応力を均一に分散して保持することが難しく、スリップ（転位による結晶欠陥）の発生が問題となっている。スリップが発生すると、デバイス製造の歩留まりが悪くなる。

前記スリップの主たる発生要因は大きく２つあり、１つは上述のウエハ面内の応力不均一や、特に応力集中であり、もう１つはウエハの面内温度差である。
そこで、ウエハ支持部での応力集中の対策として、ウエハの外周縁を円弧状またはリング状の支持部体に面接触させて、ウエハを支持する熱処理用ボート等が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、面内温度差を緩和する対策として、熱処理時に付与される熱を保持体に蓄熱してから、この蓄熱された熱をウエハの周縁部に熱伝導することにより、ウエハ全体を均一に熱処理する熱処理装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平６−２６０４３８号公報（図３及び請求項１） 特開２００１−２８４２８０号公報（図２） 特許第３０６７６５８号公報（図１及び請求項１）

しかしながら、上記従来のウエハを面接触させて支持する場合（特許文献１）では、支持体はウエハの周縁部でウエハの中心部に対して点対称に配置されていないので、特に大口径ウエハでは、ウエハ面内の応力の均一化は十分でない。ウエハの全周を均等に支持する場合（特許文献２）であっても、支持体がウエハの全周に設けられているので、搬送時に直接ロボットハンドを入れることができない。このため、ウエハを持ち上げるリフタピンや、上下動させるアクチュエーター等が必須となり、熱処理装置の機構が複雑となりコスト高となる。また、保持体に蓄熱して熱処理する場合（特許文献３）では、ウエハが点支持とされているので、ウエハ面内の応力集中が発生する。したがって、ウエハのスリップ発生の問題は依然残されたままである。

本発明は、このような実情に鑑み、簡単な構成でありながら、ウエハ面内の応力不均一とウエハ面内の温度差を緩和して、スリップ発生を抑制できるウエハ保持方法とこの方法に使用するウエハ熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、ウエハを一枚ずつ収容して熱処理する枚葉式熱処理装置の処理室内における当該ウエハの保持方法であって、ウエハの中心部を挟んで互いに対称の位置に対向し、かつウエハの周縁部に対応する位置に、ウエハ移載ロボットの二股のハンドとの干渉を回避しつつウエハ周縁部に沿って周方向に延び、それぞれウエハ周縁部に対する接触面積が同一とされた複数対の支持エリアを当該周縁部に沿って均等間隔で設け、このうち少なくとも１対をウエハの移送方向と直交方向に配置するとともに、その他の対を前記移送方向に対して軸対象の位置に配置した状態で、各支持エリアで、ウエハ周縁部の下面に各ウエハ支持体を面接触させてウエハの下方を支持することを特徴とする。
これにより、ウエハ周縁部の点対称となる位置に設けられた支持エリアで、ウエハがほぼ均一に面接触して支持され、ウエハ面内の応力の偏りや、応力集中が低減しウエハ面内の応力不均一が緩和される。同時に、ウエハ面内の温度差も緩和される。このように、ウエハ面内の応力不均一とウエハ面内の温度差が緩和されるので、スリップ発生を抑制できる。さらに、ウエハ支持体を移載ロボットのハンドと干渉しないように構成することで、ウエハの昇降機構等が不要となり、枚葉式熱処理装置の構造を簡素化できる。

また、本発明は、ウエハが一枚ずつ収容される処理室と、当該処理室に配置されたウエハを加熱する加熱手段と、処理室内でウエハを保持するウエハ支持体とを備えた枚葉式熱処理装置であって、前記ウエハ支持体は、ウエハの中心部を挟んで互いに対称の位置に対向した状態でウエハの周縁部に対応する位置に当該周縁部に沿って均等間隔で複数対設けられ、このうち少なくとも１対がウエハの移送方向と直交方向に配置されてウエハ周縁部に沿って周方向に延び、かつその周方向長さがウエハ移載ロボットのハンドの二股に分かれた両先端部間に収まる寸法とされ、その他の対が前記移送方向に対して軸対象の位置に配置されてウエハ周縁部に沿って周方向に延び、かつその周方向の長さが前記ハンドとの間隔に余裕ができる寸法とされており、複数対のウエハ支持体には、それぞれ等しい接触面積でウエハ周縁部の下面に面接触させてウエハの下方を支持する載置部が設けられていることを特徴とする。
この場合、ウエハ周縁部の点対称となる位置に設けられたウエハ支持体の載置部で、ウエハが面接触によって支持されるので、ウエハ面内の応力の偏りや、応力集中が低減するのでウエハ面内の応力不均一は緩和される。同時に、ウエハ支持体がウエハ周縁上で均等間隔に配置され、ウエハ面内の温度差も緩和される。このように、ウエハ面内の応力不均一とウエハ面内の温度差が緩和されるので、スリップ発生を抑制できる。さらに、ウエハ支持体を移載ロボットのハンドと干渉しないように構成することで、ウエハの昇降機構等が不要となり、枚葉式熱処理装置の構造を簡素化できる。

さらに、上記枚葉式熱処理装置において、前記ウエハ支持体はウエハトレー上に設けられ、当該ウエハトレーは、処理室に着脱自在とされ、かつ別に設けられたセンタリングピンにより位置決めされていることが好ましい。
この場合には、ウエハサイズごとに構成されたウエハトレーを準備しておくことにより、熱処理するウエハサイズに合わせて当該ウエハトレーを適宜選択して使用することができる。また、センタリングピンにより、ウエハトレーが処理室に対して位置決めされるので、ウエハを常に処理室内の定位置に置いた状態で熱処理できる。
また、上記枚葉式熱処理装置において、前記ウエハ支持体は、載置部にウエハを載置した状態で当該ウエハの上面と当該ウエハ支持体の上部端面とが、面一となるように形成されていることが好ましい。これにより、プロセスガスの流れをウエハ周縁部で乱すことなく熱処理できるので、ウエハの品質を安定させることができる。

また、上記枚葉式熱処理装置において、互いに隣接する前記ウエハ支持体の相互間であって、前記載置部の載置面と並列に、前記加熱手段による熱を一旦蓄熱してウエハを加熱する蓄熱部材が設けられていることが好ましい。
この場合、ウエハに加えられる熱は、ウエハ支持体と蓄熱部材によりほぼ均等に蓄熱されるので、ウエハ全体が均等に熱処理される。また、ウエハの急速な昇温や冷却を抑制できる。なお、蓄熱部材は、水平面上への影射がウエハ支持体と重ならず、かつウエハ支持体と同じか乃至はこれに近い熱容量を有する素材で構成するのが好ましい。

本発明によれば、ウエハ周縁部で均等間隔に配置された支持エリアで面接触させて、ウエハを支持しているので、簡単な構成でウエハ面内の応力不均一とウエハ面内の温度差を緩和してスリップ発生を抑制できる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る枚葉式熱処理装置１の概略構成を示す断面図である。この枚葉式熱処理装置１は、被処理物として例えば円板状のウエハＷに、酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の熱処理を施すもので、ウエハＷを１枚ずつ加熱及び冷却することができるものである。
図１に示すように、この枚葉式熱処理装置１は、ウエハＷが１枚ずつ収容される処理室２と、この処理室２の外壁面側に離隔して外装された加熱手段３と、処理室２の外壁面と加熱手段３の内壁面との間に設けられた冷却媒体用流通路４とを備え、さらにウエハＷを処理室２内に搬送、搬出する移載ロボットを備えている。なお、この移載ロボットにはロボットのハンド７が備えられている。処理室２内には、ウエハトレー５が設置され、図２に示すように、当該ウエハトレー５上の４箇所にウエハ支持体６が構成され、このウエハ支持体６でウエハＷが保持されている。

処理室２は一端が開放された有底筒状の処理室本体２ａと、その一端側（図１では左側）に設けられたウエハを搬出入するための開口部２ｂと、この開口部２ｂの周縁に設けられたフランジ部２ｃと、他端側（図１では右側）に設けられたガスの導入や脱気等のための小径の通気口２ｄとを有している。なお、図示しないが、処理室２内には、雰囲気温度を測定する熱電対が配設され、開口部２ｂや通気口２ｄには、処理室２を密閉空間にするための蓋体や弁体等が適宜設けられている。

処理室本体２ａは、石英ガラス等の透明な耐熱性素材で構成され、その内部は、ウエハＷを１枚ずつ収容できる容積が確保されている。通気口２ｄは、熱処理として、例えば、熱ＣＶＤによる成膜処理を行う場合に、処理室２内に充填される成膜ガスを供給する導入口であり、図示しないガス供給装置に接続されている。
加熱手段３は、加熱体の熱源として例えば、抵抗加熱タイプのものが採用されており、抵抗発熱体と、その外周を取り巻く断熱材と、図示しない電気を供給する電気供給部とを有しており、発熱体に電気が供給され、その抵抗によりジュール熱が発生する仕組みになっている。ただし、この加熱手段３に限られるものではなく、誘導加熱方式などその他の加熱手段３を採用することも可能である

図２は、処理室２内に移載ロボットのハンド７が挿入され、２対のウエハ支持体６によりウエハＷが保持されている状態を示している。ウエハトレー５は、ウエハＷの移送方向２０に向かって左右（図２では上下）２本の枠体５ａ、５ｃと、前後（図２では左右）２本の枠体５ｂ、５ｄが繋げられて方形状に構成されている。さらに、ウエハトレー５は、処理室２の底面上に載置され、かつ着脱可能となっている。前記各枠体５ａ、５ｃの一端側は、枠体５ｄよりも手前側に延びている。
処理室２の底面上には、６本のセンタリングピン８が立設されており、そのうち各枠体５ａ、５ｃの外側に各２本と、枠体５ｂの外側に２本が配設されている。そして、この各センタリングピン８にウエハトレー５が当接され、当該ウエハトレー５の位置が決められている。なお、センタリングピン８は、円柱状でウエハトレー５より上部に突出可能な長さに形成されている。

各枠体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ上には、ウエハ支持体６が構成されている。これらウエハ支持体６のうち、対向する１対は前記移送方向２０に沿って配置し、対向する他の１対は当該移送方向２０と直交方向に沿って配置されている。
ウエハ支持体６は、両端下部に設けられた２本の脚部６ｂで、ウエハトレー５に固定されている。図１の要部拡大図に示すように、支持体本体部６ａの径方向内側の上側角部には、段差部が周方向に沿って形成されている。この段差部には、ウエハＷ下面周縁を受ける所要幅と、前記段差部周方向にわたる長さを有する載置部９が形成されている。また、一対のウエハ支持体６に形成されている各載置部９のウエハＷ周縁部の下面への接触面積は、同一となっている。さらに、一対のウエハ支持体６は、それぞれ同じ熱容量を有している。

ウエハ支持体６の段差部の高さＬ（ウエハ支持体６の上部端面と載置部９間）は、ウエハＷの厚みとほぼ同じとされ、載置部９にウエハＷを載置した状態で、当該ウエハＷの上面とウエハ支持体６の上部端面とが面一となっている。
また、図２に示すように、移送方向２０に臨む１対のウエハ支持体６の周方向長さは、ハンド７の二股に分かれた両先端部間に収まる寸法とされている。他の１対のウエハ支持体６の周方向長さは、当該ウエハ支持体６とハンド７との間に余裕ができる寸法とされている。これにより、ハンド７とウエハ支持体６が干渉することがない。

上記構成による枚葉式熱処理装置１により、点対称に配置された２対の載置部９が、ウエハ周縁に沿って均等間隔に配置され、これら載置部９によって、ウエハＷの周縁部の下面をその下方から均一に面接触して支持する支持エリアが形成される。
この支持エリアによるウエハＷの保持は、つぎのようにして行われる。移載ロボットのハンド７により処理前のウエハＷを、ウエハ支持体６の真上まで進入させ、次いで前記ハンド７をわずかに下降させることにより、ウエハＷが２対の各ウエハ支持体６の載置部９に受け渡される。これにより、ウエハＷの周縁部が、前記載置部９により形成された各支持エリアで均一に面接触されて、当該ウエハＷが保持される。次に移載ロボットは、処理室２の外に待避する。

したがって、このウエハ保持方法でウエハＷを保持した場合、ウエハＷの自重がその周縁部で均等に分散されるので、ウエハＷ面内の応力の偏りや、応力集中が低減され、ウエハ面内の応力不均一が緩和される。
例えば、枠体５ｄ上のウエハ支持体６を除く３つで、３００ｍｍウエハを保持した場合、その周縁部の特定の２箇所に集中する最大応力は、４．３７×１０^６Ｎ／ｍ^２であった。これに対し、本実施形態のように、４つのウエハ支持体６で３００ｍｍウエハを保持した場合は、応力は周縁部の特定の８箇所に均等に分散され、その最大応力は１．７９×１０^６Ｎ／ｍ^２という低い値を示した。
一方、支持エリアを形成する各ウエハ支持体６は同じ熱容量を有するが、本実施形態ではウエハ支持体６をウエハＷの周縁上で偏った部分に配置せず、点対称となる部分で均等に配置しているので、熱処理時のウエハＷ面内の温度差も緩和される。
以上説明したように、ウエハ面内の応力不均一とウエハ面内の温度差が緩和されるので、スリップ発生を抑制できる。その結果、小口径のウエハＷは勿論、大口径の３００ｍｍウエハＷを熱処理する場合であっても、その品質を向上するとともにスリップ発生を抑制して、歩留まりの低下を防ぐ効果が発揮される。

さらに、ウエハ支持体６が移載ロボットのハンド７と干渉しないので、枚葉式熱処理装置１に従来技術のようなウエハＷの昇降機構等を設ける必要はなく、構造を簡素化でき、コストを抑えることができる。
また、ウエハサイズに合わせたウエハ支持体６が構成されたウエハトレー５を別に製作しておくことで、熱処理するウエハサイズに合わせて当該ウエハトレーを適宜選択して、枚葉式熱処理装置１にセットすることができる。このため、異なるサイズのウエハＷを同じ枚葉式熱処理装置１で熱処理することが可能となるので利便性が高い。また、センタリングピン８により、ウエハトレー５が処理室に対して位置決めされるので、ウエハＷを常に処理室内の定位置に置いた状態にできる。したがって、プロセスガスの流れをウエハ周縁部で乱すこともなく熱処理できるので、ウエハの品質を安定させることができる。

図３（ａ）は、本発明の第二実施形態にかかる枚葉式熱処理装置１の概略構成を示す断面図を示しており、図３（ｂ）は、同実施形態における一部欠截平面図を示している。本実施形態が第一実施形態と異なる点は、ウエハ支持体６の上部に蓄熱部材１０を設けている点である。この蓄熱部材１０は、ウエハ支持体６と同じ熱容量を有する素材（例えば石英ガラスや炭化ケイ素）からなっている。この蓄熱部材１０は、支持体本体部６ａと同様の形状で、隣接するウエハ支持体６の間隔を超えることなく、ウエハ支持体６の載置部９の載置面と並列して設けられている。

この場合、ウエハＷに加えられる熱を、蓄熱部材１０に一旦蓄熱してからウエハＷに熱伝導させるので、ウエハ全体がほぼ均等に熱処理される。また、昇温時において、ウエハＷ中心部よりもウエハＷ周縁部の方が急速に加熱されるのを抑制でき、ウエハＷの中心部と周辺部の温度勾配を緩やかにすることができる。これにより、ウエハＷ面内の温度差がさらに緩和されるので、スリップ発生の抑制効果が高まり、高品質のウエハＷが得られる。なお、蓄熱部材１０は、ウエハ支持体６の下側に配置してもよいし、或いは当該蓄熱部材１０の厚みをウエハ支持体６の厚みの略半分とし、当該ウエハ支持体６の上下両側に配置してもよい。
なお、本発明は、前記した各実施例の形態に限定されるものではない。
例えば、第一、第二実施形態に係るウエハ支持体６を別形状としたり、蓄熱部材１０の材質を熱処理条件等に合わせて変更してもよい。また、ウエハトレー５の形状やセンタリングピン８の位置も適宜変更することも可能である。

本発明の第一実施形態に係る枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、処理室内に移載ロボットのハンドが挿入され、ウエハ支持体にウエハが保持されている状態を示す平面図である。 （ａ）は、本発明の第二実施形態に係る枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図であり、（ｂ）は、同実施形態におけるウエハを載置していない一部欠截平面図である。

符号の説明

１ 枚葉式熱処理装置
２ 処理室
３ 加熱手段
５ ウエハトレー
６ ウエハ支持体
７ ハンド
８ センタリングピン
９ 載置部
１０ 蓄熱部材
Ｗ ウエハ
Ｌ 段差部の高さ

Claims (5)

1. ウエハを一枚ずつ収容して熱処理する枚葉式熱処理装置の処理室内における当該ウエハの保持方法であって、
   ウエハの中心部を挟んで互いに対称の位置に対向し、かつウエハの周縁部に対応する位置に、ウエハ移載ロボットの二股のハンドとの干渉を回避しつつウエハ周縁部に沿って周方向に延び、それぞれウエハ周縁部に対する接触面積が同一とされた複数対の支持エリアを当該周縁部に沿って均等間隔で設け、このうち少なくとも１対をウエハの移送方向と直交方向に配置するとともに、その他の対を前記移送方向に対して軸対象の位置に配置した状態で、各支持エリアで、ウエハ周縁部の下面に各ウエハ支持体を面接触させてウエハの下方を支持することを特徴とするウエハの保持方法。
2. ウエハが一枚ずつ収容される処理室と、当該処理室に配置されたウエハを加熱する加熱手段と、処理室内でウエハを保持するウエハ支持体とを備えた枚葉式熱処理装置であって、
   前記ウエハ支持体は、ウエハの中心部を挟んで互いに対称の位置に対向した状態でウエハの周縁部に対応する位置に当該周縁部に沿って均等間隔で複数対設けられ、このうち少なくとも１対がウエハの移送方向と直交方向に配置されてウエハ周縁部に沿って周方向に延び、かつその周方向長さがウエハ移載ロボットのハンドの二股に分かれた両先端部間に収まる寸法とされ、その他の対が前記移送方向に対して軸対象の位置に配置されてウエハ周縁部に沿って周方向に延び、かつその周方向の長さが前記ハンドとの間隔に余裕ができる寸法とされており、
   複数対のウエハ支持体には、それぞれ等しい接触面積でウエハ周縁部の下面に面接触させてウエハの下方を支持する載置部が設けられていることを特徴とする枚葉式熱処理装置。
3. 互いに隣接する前記ウエハ支持体の相互間であって、前記載置部の載置面と並列に、前記加熱手段による熱を一旦蓄熱してウエハを加熱する蓄熱部材が設けられている請求項２に記載の枚葉式熱処理装置。
4. 前記ウエハ支持体は、載置部にウエハを載置した状態で当該ウエハの上面と当該ウエハ支持体の上部端面とが、面一となるように形成されている請求項２または３に記載の枚葉式熱処理装置。
5. 前記ウエハ支持体はウエハトレー上に設けられ、当該ウエハトレーは、処理室に着脱自在とされ、かつ別に設けられたセンタリングピンにより位置決めされている請求項２〜４のいずれかに記載の枚葉式熱処理装置。

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