JP4457242B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、サファイア基板を用いた半導体装置を製造する工程で、サファイア基板を予熱する必要がある工程に用いる半導体装置の製造方法に関する。

一般に、サファイア結晶からなる絶縁基板のおもて面上に、シリコン（Ｓｉ）等の薄膜の半導体層を積層したサファイア基板を用いた半導体装置の製造プロセスは、通常のシリコン基板を用いた半導体装置の製造プロセスをほぼ踏襲することができ、半導体製造装置を共有化してその製造ラインを低コストで製作することができる。
サファイア基板を用いた半導体装置の製造プロセスに、シリコン基板を用いた半導体装置の製造プロセスを流用した場合は、サファイアが透明であるために赤外線等による輻射熱の吸収率が低いことに起因する問題が生ずる。

輻射熱の吸収率が低いことに関し、従来の半導体製造装置は、サファイア基板の裏面に光吸収体または導電体からなる薄膜を密着形成し、ランプ加熱法または高周波誘導加熱法等により薄膜を輻射熱または渦電流により加熱して、加熱された薄膜からの熱伝導によりサファイア基板を昇温させ、当該工程におけるサファイア基板の予熱を行っている（例えば、特許文献１参照。）。

このような予熱を行う場合に、当該工程における雰囲気温度が低い製造工程、例えば常圧のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法に用いる常圧ＣＶＤ装置の予熱工程では、例えば、ホットプレートで、裏面からサファイア基板を加熱するとサファイア基板の表裏に温度差が生じ、昇温させたサファイア基板に、その中心部が持ち上がるホットプレート側に凸の反りが生じ、サファイア基板の裏面を負圧により吸引して保持することが困難になるという問題が生ずる。

このような問題点を解決するために、出願人は、特願２００６−１９４７８９において、サファイア基板の予熱工程におけるホットプレートによるサファイア基板の昇温中に、ホットプレートに設けたサファイア基板を吸引保持するための吸排穴から窒素（Ｎ_２）ガスを噴出させてサファイア基板の中央部の昇温速度を減少させて、反りを抑制しながらサファイア基板を均等に予熱し、その後に吸排穴に負圧を供給して平坦化されたサファイア基板の裏面を吸引保持し、ホットプレートに保持されたサファイア基板をＣＶＤ法による成膜工程へ送ってその工程作業を行う技術を提案している。
特開平１０−７０３１３号公報（第４頁段落００１９−第５頁段落００３２、第３図、第４図）

しかしながら、上述した吸引穴と噴出穴とを兼用した吸排穴から窒素ガスを噴出させて、サファイア基板の中央部を冷却してサファイア基板の反りを抑制する技術は、サファイア基板を均等に予熱することができると共に、平坦化されたサファイア基板の吸引による保持を円滑にして工程作業の効率化を図ることができる技術として有効であるが、まれに、吸着後のサファイア基板の平坦性が不十分な場合があり、サファイア基板を用いた半導体装置の製造における歩留りを低下させる要因になるという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、サファイア基板の予熱工程における予熱条件を適正にして、サファイア基板の吸引保持を円滑にする手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、サファイア基板を大気中で昇温するホットプレートと、前記ホットプレートと前記サファイア基板の裏面とを対向させて支持する支持部を設けた支持台と、前記ホットプレートに設けられ、前記サファイア基板の中心部に向けて気体を噴出する噴出穴と、前記支持台を昇降させる昇降装置と、を備えた半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、前記支持部に、前記サファイア基板を、その裏面を前記ホットプレートに対向させて支持させる工程と、前記昇降装置により前記支持台を上昇させ、前記サファイア基板の裏面と前記ホットプレートとの間隔が１ｍｍ以下となる位置に停止させると共に、前記サファイア基板の中心部に向けて、前記噴出穴から、２０Ｌ／ｍｉｎ以上の気体を噴出させる予熱工程と、前記サファイア基板の中心部温度が、外周縁部温度より６５℃以上低くなったときに、前記噴出穴からの気体の噴出を停止する工程と、を備えることを特徴とする。

これにより、本発明は、予熱工程における予熱条件を適正にして、サファイア基板の吸引保持時における平坦性を確保しながら、サファイア基板のホットプレートへの吸引保持を円滑に行うことができるという効果が得られる。

以下に、図面を参照して本発明による半導体製造装置および半導体装置の製造方法の実施例について説明する。

図１は実施例の半導体製造装置の断面を示す説明図、図２は実施例の半導体製造装置の上面を示す説明図である。
なお、図１は図２に示すＡ−Ａ断面線に沿った断面を示し、図２は図１に示すホットプレートとサファイア基板とを取り除いた状態を示す上面図である。
図１において、１は半導体製造装置であり、大気中等の比較的低い雰囲気温度でサファイア基板２を予熱し、半導体基板としてのサファイア基板２を昇温させた状態で半導体装置を製造する工程で用いる製造装置である。本実施例の半導体製造装置１は、常圧ＣＶＤ装置である。

サファイア基板２は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）結晶からなる絶縁基板のおもて面上に、シリコン（Ｓｉ）等をエピタキシャル成長させて形成された薄膜の半導体層を積層した基板であって、例えば、直径６インチ、厚さ０．３〜０．８ｍｍの円形の薄板である。
３はホットプレートであり、電気ヒータ等によって加熱されるサファイア基板２の直径より大きい直径を有する円盤状部材であって、後述する支持部６ａに支持されたサファイア基板２の裏面と対向してその上方に配置されており、サファイア基板２を昇温させると共に、サファイア基板２を昇温させた状態で行われる当該工程（本実施例では、成膜工程）の工程作業の作業台としても用いられる。

４ａは支持台であり、ホットプレート３に対向配置された、図２に２点鎖線で示すサファイア基板２の直径より大きい直径を有する円盤状の支持板５ａの外径部に、図２に示すように、石英ガラス等からなる角柱状の一対の支持部６ａが、複数（本実施例では３対）等配に取付けられており、支持部６ａに設けられた斜面７ａによりサファイア基板２を傾けずにその外周部を支持する機能を有している。

４ｂは支持台であり、支持台４ａの支持板５ａのホットプレート３側に配置された、支持板５ａの直径より小さい直径を有する円盤状の支持板５ｂの外径部に、図２に示すように、一対の支持部６ａの間に収容された石英ガラス等からなる角柱状の支持部６ｂが、複数（本実施例では３つ）等配に取付けられており、支持部６ｂに設けられた斜面７ｂのホットプレート３側の先端によりサファイア基板２を傾けずにその外周縁部を支持する機能を有している。

本実施例のサファイア基板２は、その裏面をホットプレート３に対向させて、支持部６ａまたは６ｂにより支持される。
図１において、８は昇降装置であり、先端に支持台４ａを接合した円筒状の昇降軸９ａと、昇降軸９ａの内筒側に挿入され、先端に支持台４ｂを接合した円柱状の昇降軸９ｂとをそれぞれ独立に昇降させる機能を有しており、それぞれの昇降軸９ａ、９ｂにより支持台４ａ、４ｂに設けられた支持部６ａ、６ｂを昇降させる。

１１は吸排穴であり、ホットプレート３の中心部をその厚さ方向に貫通して形成された貫通穴であって、負圧を供給する負圧供給管１２に接続して、サファイア基板２を吸引保持するための吸引穴として機能すると共に、後述する気体を噴出させる噴出穴としても機能する。
１３は負圧開閉バルブであり、吸排穴１１に接続する負圧供給管１２の管路を開閉するＯＮ／ＯＦＦバルブであって、吸引穴としての吸排穴１１に供給される負圧の供給、遮断を制御する機能を有している。

１５は気体供給管であり、負圧開閉バルブ１３と吸排穴１１との間の負圧供給管１２に接続しており、噴出穴としての吸排穴１１から噴出させる窒素（Ｎ_２）ガス等の気体を供給するパイプである。
１６は気体開閉バルブであり、気体供給管１５の管路を開閉するＯＮ／ＯＦＦバルブであって、吸排穴１１に供給される図示しない流量調整バルブで流量を調整された気体の供給、遮断を制御する機能を有している。

上記の構成の半導体製造装置１を用いたサファイア基板２の予熱工程、および予熱後のサファイア基板２の保持工程について、以下に、Ｐで示す工程に従って説明する。
本実施例のサファイア基板２は、直径６インチ、厚さ０．６ｍｍの基板であり、ホットプレート３の設定温度は、３８０℃に設定されている。
工程Ｐ１、昇降装置８の昇降軸９ａの先端に取付けた支持台４ａの支持部６ａの斜面７ａに、サファイア基板２の裏面を、３８０℃に設定されたホットプレート３の下面に対向させて載置し、その外周部を支持部６ａの斜面７ａに支持させる。

工程Ｐ２（予熱工程）、昇降装置８により昇降軸９ａ、９ｂを同時に上昇させて、支持台４ａ、４ｂをホットプレート３の方向に上昇させ、図３に示すように、サファイア基板２の裏面とホットプレート３の下面との間隔Ｓが所定の間隔（本工程では、２ｍｍ）になる位置に停止させる。
そして、サファイア基板２の停止と同時に、気体開閉バルブ１６を開作動させて、気体供給管１５から供給される、図示しない流量調整バルブで流量を標準状態で２９リットル／分（Ｌ／ｍｉｎと記す。）に調整された大気温度の気体（窒素ガス）を、ホットプレート３の中心部に開口する噴出穴としての吸排穴１１から、サファイア基板２の裏面の中心部に向けて噴出させる。

このとき、ホットプレート３により加熱された空気を介した熱伝達により、主にサファイア基板２の裏面から流入した熱でサファイア基板２の温度が上昇し、その中心部は、吸排穴１１から噴出させた気体により冷却されて昇温速度が減少する。
工程Ｐ３（保持工程）、予熱工程の開始時（サファイア基板２の所定の間隔Ｓへの停止時）から、２分間経過後に、気体開閉バルブ１６を閉作動させて、吸排穴１１からの気体の噴出を停止し、昇降装置８により昇降軸９ｂを上昇させて、その先端に取付けた支持台４ｂのみをホットプレート３の方向に上昇させ、図４に示すように、支持部６ｂの先端に外周縁部を支持されたサファイア基板２の裏面をホットプレート３の下面に接触させ、予熱工程の開始時から３分間経過後に、つまり気体の噴出を停止してから１分後に、負圧開閉バルブ１３を開作動させて、負圧供給管１２から吸排穴１１に供給される負圧により吸引して、サファイア基板２をホットプレート３に保持する。

上記の１分間の接触時間の間に、サファイア基板２の全体がほぼ均一な温度に昇温され、サファイア基板２の反りが抑制される。
工程Ｐ４、サファイア基板２の保持後に、昇降軸９ａ、９ｂを降下させ、支持台４ａ、４ｂを元の位置（図１参照）に戻して支持部６ａ、６ｂをサファイア基板２から退避させ、サファイア基板２を吸引保持したホットプレート３を、当該工程（本実施例では、成膜工程）の所定の作業位置へ移動させて所定の工程作業を行う。

上記した工程Ｐ２の予熱条件、つまり所定の間隔Ｓを２ｍｍとし、吸排穴１１からの気体を噴出量を２９Ｌ／ｍｉｎとした場合の、時間経過に伴うサファイア基板２の温度上昇の様子を図５に示す。
この場合の各温度は、サファイア基板２のおもて面の中心に設けた熱電対と、外周縁部の外周から１０ｍｍ程度中心側の位置に設けた２つの熱電対で測定した。

図５に示すように、工程Ｐ２における予熱工程の開始時には、およそ大気温度であったサファイア基板２の温度が、時間の経過に伴って、まず中心部が加熱されて外周縁部より温度が高くなり、一旦はホットプレート３に向かって凸の釣鐘状に反るが、その後に気体の噴出による昇温速度の減少により、外周縁部より温度が低くなって、２分間の経過後には、ホットプレート３に向かって凹の椀状に反った状態になり、工程Ｐ３における１分間の接触時間の間に、ほぼ均一な温度になることが判る。

しかしながら、上記の予熱条件および接触時間で予熱したサファイア基板２の吸着保持時における判定結果は、平坦性不足による「ＮＧ」であった。
これは、図５からは明らかではないが、予熱の終了条件である２分間経過後の椀状の反り量が少ないために、１分間の接触時間の間に大気温度に曝されている外周縁部の温度が僅かに低下し、これに伴ってサファイア基板２が僅かに釣鐘状に反り、中心部を吸着したときに、外周縁部の吸着力が低下して、保持時に僅かな反りが残ったためと思われる。

このため、予熱条件を適正化すべく、所定の隙間Ｓと気体の噴出量とをパラメータとして、吸着保持時の平坦性に対する依存性を評価した。その評価試験の結果を図６に示す。
この場合の評価試験は、同じ仕様の２つの半導体製造装置１（号機番号１３、１４）を用い、気体としては窒素ガスを用いて行った。
また、図６に示す各温度は、予熱開始時から２分間経過後の温度であり、その外周縁部温度は、２つの熱電対の温度の平均値である。

なお、図５に示した予熱条件の評価は、１３号機を用いたものであり、その評価結果は試験番号９に記載してある。
図６に示すように、同じ１３号機を用いて、同じ窒素ガス流量で所定の間隔Ｓを１ｍｍとした試験番号２に示す評価試験の吸着保持時の平坦性の判定結果は、「ＯＫ」となっており、予熱後のサファイア基板２の吸着保持時の平坦性は、所定の間隔Ｓに依存していることが示唆されている。

試験番号２の予熱条件における時間経過に伴うサファイア基板２の温度上昇の様子を図７に示す。
図７に示すように、工程Ｐ２における予熱工程の開始時には、およそ大気温度であったサファイア基板２の温度が、時間の経過に伴って、まず中心部が加熱されて外周縁部より温度が高くなるが、直ぐに気体の噴出による昇温速度の減少により、外周縁部より温度が低くなって、２分間（１２０秒）の経過後には、図５に示す場合に較べて温度差が大きくなって椀状に大きく反った状態になり、工程Ｐ３における１分間の接触時間の間においても、中心部温度が僅かに低くなっていることが判る。

これらの相違は、主に外周縁部の温度上昇の相違にあり、図６の試験番号２と９とを比較すれば、その中心部温度が同等であるのに対して、外周縁部温度は３２７℃と２３３℃との相違があり、この結果温度差が、１１５℃と２２℃とになって椀状の反り量が異なり、結果として吸着保持時に僅かな椀状の反りが残って、吸着保持時の平坦性が確保されたものと思われる。

これを確認するために更なる比較試験、つまり１３号機を用いて、窒素ガス流量を３２Ｌ／ｍｉｎで同一とし、間隔Ｓを１ｍｍ（試験番号１）および２ｍｍ（試験番号８）とした比較試験と、１４号機を用いて、窒素ガス流量を図５に示した２９Ｌ／ｍｉｎで同一とし、間隔Ｓを１ｍｍ（試験番号４）および２ｍｍ（試験番号１０）とした比較試験とを実施した。

これらから判るように、試験番号２と９との比較を含むいずれの場合においても、間隔Ｓが１ｍｍの場合は判定結果が「ＯＫ」、間隔Ｓが２ｍｍの場合は判定結果が「ＮＧ」となっており、予熱後のサファイア基板２の吸着保持時の平坦性は、予熱工程におけるホットプレート３とサファイア基板２との間隔Ｓに依存していることが判る。
このように、吸着保持時の平坦性は間隔Ｓに依存していることが判ったので、次に間隔Ｓを１ｍｍとして窒素ガス流量に対する依存性を評価した。

その結果を図６の試験番号１〜７、およびそれら各温度と、窒素ガス流量に対する依存性を示したグラフを図８に示す。
なお、図８に示す白抜きの記号は、図６に示す判定結果「ＯＫ」を示し、黒塗りの記号は判定結果「ＮＧ」を示す。
図８に示すように、間隔Ｓを１ｍｍとした場合に、窒素ガス流量を増加させていけば、予熱工程の終了時における温度は、主に中心部温度が低下して、外周縁部温度との温度差が増加していくことが判る。

このことは、上記した椀状の反り量が、窒素ガス流量に依存していくことを示しており、図８から判るように、その下限は、流量２０Ｌ／ｍｉｎであり、そのときのサファイア基板２の中心部温度は、外周縁部温度より６５℃以上低くなっている。
従って、適正な予熱条件は、所定の間隔Ｓを１ｍｍとし、窒素ガス流量を２０Ｌ／ｍｉｎ以上とすることが望ましく、予熱の終了条件を中心部温度が、外周縁部温度より６５℃以上低くなったとき、温度計測をしない場合には予熱条件設定後に２分間経過したとき、とすることが望ましい。

また、予熱終了後の接触時間は、１分間（６０秒間）以下に設定することが望ましい。
このようにすれば、予熱工程における予熱条件を適正にして、サファイア基板２の吸引保持時における平坦性を確保しながら、ホットプレート３への吸引保持を円滑に行うことができる。
なお、上記の所定の間隔Ｓは、０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下とすることが望ましい。更に好ましくは１ｍｍ以下とすることが望ましい。

間隔Ｓを０．７ｍｍより狭くすると、予熱の初期の釣鐘状の反りによって、サファイア基板２がホットプレート３に接触する虞があり、１．２ｍｍより拡げると、外周縁部が冷却されて、中心部と外周縁部の温度差を確保することが困難になるからである。
また、窒素ガス流量の上限は、窒素ガス流量の増加に伴う中心部と外周縁部の温度差の拡大により、椀状の反りが過大になって、サファイア基板２にクラックまたは割れが生じる流量を上限とするとよい。

以上説明したように、本実施例では、設定温度３８０℃のホットプレートで、サファイア基板を裏面から予熱する場合に、サファイア基板の予熱条件を、ホットプレートとサファイア基板との所定の間隔Ｓを１ｍｍ以下、吸排穴からの大気温度の窒素ガスの噴出量を２０Ｌ／ｍｉｎ以上とし、その予熱の終了条件を、サファイア基板の中心部温度が、外周縁部温度より６５℃以上低くなったとき、または予熱条件設定後に２分間経過したとき、としたことによって、予熱工程における予熱条件を適正にして、サファイア基板の吸引保持時における平坦性を確保しながら、ホットプレートへの吸引保持を円滑に行うことができる。

なお、上記実施例においては、サファイア基板の温度を制御するために噴出させる気体は窒素ガスであるとして説明したが、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスであればどのような気体であってもよい。
また、上記実施例においては、半導体製造装置で昇温させる半導体基板はサファイア基板であるとして説明したが、半導体基板は前記に限らず、シリコン基板に埋込み酸化膜を挟んでシリコンからなる薄膜の半導体層を形成したＳＯＩ構造のＳＯＩ基板等の半導体基板であってもよい。要は予熱工程において反りを抑制するための気体の噴出を必要とし、かつ吸引保持された半導体基板に成膜することが必要な半導体基板であれば、どのような半導体基板であっても上記と同様の効果を得ることができる。

更に、上記実施例においては、半導体製造装置は常圧ＣＶＤ装置であるとして説明したが、半導体製造装置は前記に限らず、減圧ＣＶＤ装置等であってもよい。要はサファイア基板の予熱時に吸排穴から反りを抑制するための気体を噴出させ、吸排穴に供給された負圧により吸引保持した半導体基板に成膜を行う半導体製造装置であればどのような半導体製造装置であっても上記と同様の効果を得ることができる。

実施例の半導体製造装置の断面を示す説明図 実施例の半導体製造装置の上面を示す説明図 実施例の半導体製造装置の予熱工程を示す説明図 実施例の半導体製造装置の保持工程を示す説明図 実施例の試験番号９のサファイア基板の温度上昇の様子を示すグラフ 実施例の予熱後のサファイア基板の吸着保持の評価試験結果を示す表 実施例の試験番号２のサファイア基板の温度上昇の様子を示すグラフ 実施例の評価試験の予熱終了時の温度の流量依存性を示すグラフ

符号の説明

１ 半導体製造装置
２ サファイア基板
３ ホットプレート
４ａ、４ｂ 支持台
５ａ、５ｂ 支持板
６ａ、６ｂ 支持部
７ａ、７ｂ 斜面
８ 昇降装置
９ａ、９ｂ 昇降軸
１１ 吸排穴
１２ 負圧供給管
１３ 負圧開閉弁
１５ 気体供給管
１６ 気体開閉弁

Claims (3)

1. サファイア基板を大気中で昇温するホットプレートと、
   前記ホットプレートと前記サファイア基板の裏面とを対向させて支持する支持部を設けた支持台と、
   前記ホットプレートに設けられ、前記サファイア基板の中心部に向けて気体を噴出する噴出穴と、
   前記支持台を昇降させる昇降装置と、を備えた半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   前記支持部に、前記サファイア基板を、その裏面を前記ホットプレートに対向させて支持させる工程と、
   前記昇降装置により前記支持台を上昇させ、前記サファイア基板の裏面と前記ホットプレートとの間隔が１ｍｍ以下となる位置に停止させると共に、前記サファイア基板の中心部に向けて、前記噴出穴から、２０Ｌ／ｍｉｎ以上の気体を噴出させる予熱工程と、
   前記サファイア基板の中心部温度が、外周縁部温度より６５℃以上低くなったときに、前記噴出穴からの気体の噴出を停止する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記噴出穴からの気体の噴出を停止する工程に代えて、
   前記予熱工程の開始時から、２分間経過後に前記噴出穴からの気体の噴出を停止する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記ホットプレートの設定温度が、３８０℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。