JPH04352680A - 黒鉛製ウエハ保持治具 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子用の原料ウ
エハを保持して、炉内に挿入するためのウエハ保持治具
に関し、特にその大部分を黒鉛材によって形成したウエ
ハ保持治具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ウエハ保持治具は、半導体素子を製造す
るプロセスにおいて、その原料となるシリコン等によっ
て形成したウエハに酸化膜を形成するために、図３に示
すように、多数のウエハを保持したまま高温炉内に挿入
されるものである。このウエハ上に酸化膜を形成する工
程では、同時に治具にも酸化膜が形成されるが、この治
具を繰り返し使用すると酸化膜がしだいに厚く堆積する
こととなり、これが使用中に剥離し、ウエハに悪影響を
及ぼすため、定期的にフッ酸による酸化膜の洗浄が必要
となる。

【０００３】この種のウエハ保持治具としては、一般に
は石英素材を使用して形成されているが、この石英素材
はフッ酸に弱いため、フッ酸洗浄を何回も繰り返すとこ
の石英素材からなるウエハ保持治具は細ってしまって使
用できなくなることから、耐久性に劣るものであった。

【０００４】そこで、フッ酸に対する耐触性を有するセ
ラミックスによって、この種のウエハ保持治具を形成す
ることも考えられているのであるが、近年の技術の進歩
に伴ってウエハ自体の径が大きくなってきており、セラ
ミックスの焼成収縮を考慮しながら大型化したウエハ保
持治具を形成することは非常に困難となってきているの
である。特に、セラミックスは、その優れた硬度が災い
して加工性が非常に悪いものであり、寸法精度において
も大型化すればするほど劣るものであるのである。そし
て、何よりも、セラミックスは、焼成助剤を使用して焼
成されるものであるが、この焼成助剤が焼成後に不純物
として残留するものであり、この残留不純物はウエハ保
持治具として問題となるのである。

【０００５】そこで、現在は、耐熱性、易加工性、耐薬
品等のウエハ保持治具を構成するものとしての長所を多
く有した黒鉛材を使用したものも提案されてきている。 このようなウエハ保持治具用の材料として使用されてい
る高密度黒鉛は、少なくとも優れた化学的安定性を備え
、高密度化も容易であることから、特性的に極めて好適
な材料である。

【０００６】ところが、黒鉛材を使用して形成したウエ
ハ保持治具においては、その使用を繰り返すと、黒鉛材
の一部が微細な粒子となって脱落することがあり、これ
がウエハの汚損の原因となることがあったのである。ま
た、この高密度黒鉛は、コークスあるいはカーボンの微
粉をタールピッチなどのバインダー成分と共に高密度に
形成した後焼成することにより黒鉛化したものであり、
巨視的には黒鉛の粒体集合による組織構造を有している
ため、粒体脱落による消耗が発生するだけでなく、脱落
した黒鉛粒子がウエハ上面を汚染する等の欠点を招く不
都合がある。さらには、高密度黒鉛は、その組織構造に
おいて気孔（細孔）を有するため、黒鉛製治具をフッ酸
で洗浄するとその気孔にフッ酸が入り込み、一旦気孔内
に入り込んだフッ酸はぬけにくいという不都合もある。

【０００７】以上のような、この種のウエハ保持治具に
おける開発・改良経過を詳細に検討した結果、本発明者
等は、この種のウエハ保持治具を構成するための材料と
しては全ての面を考慮するとやはり黒鉛材が優れている
との結論を得たのであるが、黒鉛材を使用するためには
上述した問題を解決しなければならないことになった。 そこで、本発明者等は、黒鉛材からの粒子の脱落をどの
ように防止するか、またフッ酸洗浄の際、フッ酸の入り
込みをどのように防止するかについて種々研究してきた
結果、所謂熱分解炭素を採用することが良い結果を生む
ことに気付き、本発明を完成したのである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の経緯
に基づいてなされたもので、その解決しようとする課題
は、ウエハ保持治具を黒鉛材によって形成した場合の黒
鉛粒子の脱落である。

【０００９】そして、本発明の目的とするところは、黒
鉛材から黒鉛粒子が脱落しないようにして、ウエハへの
汚損の問題を解決しながら黒鉛材の長所を十分生かすこ
とのできるウエハ保持治具を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明の採った手段は、「全体が等方性高密度高
純度で、かつ２０℃〜４００℃の平均熱膨張係数が１．
３〜７．０×１０−６／℃、異方比が１．２５以下であ
る黒鉛材によって形成されて、半導体素子用の原料ウエ
ハ２０を保持するためのウエハ保持治具１０であって、
黒鉛材の表面に、熱分解炭素からなる被膜を形成したこ
とを特徴とするウエハ保持治具１０」である。

【００１１】特に、本発明に係るウエハ保持治具１０に
おいて、その基材である黒鉛材が、２０℃〜４００℃の
平均熱膨張係数が１．３〜７．０×１０−６／℃、異方
比が１．２５以下のものであることが必要である。その
理由は、黒鉛材の表面に熱分解炭素被膜１４を形成した
場合に、この熱分解炭素被膜１４が、ウエハ保持治具１
０全体を激しいヒートサイクル中においても、支持台１
１等の各構成部材を形成している黒鉛材の表面にて亀裂
を生じたり剥離したりすることがないようにするためで
ある。つまり、各構成部材の基材である黒鉛材と、これ
の上に形成されるべき熱分解炭素被膜１４との特に熱膨
張係数の間に差がないようにして、熱分解炭素被膜１４
自体を耐久性に優れたものとする必要があるからである
。 その意味では、この黒鉛材の上記温度範囲における平均
熱膨張係数が２．０〜５．０×１０−６であることがよ
り好ましいものであり、また異方比についても１．０５
以下であることがより好ましいものである。

【００１２】また、黒鉛材の室温と任意の温度との間の
平均熱膨張係数を知るためには、表１に示した補正値を
利用すればよい。つまり、一般の黒鉛材における熱膨張
係数の温度による変化量は、その種類にかかわらず殆ど
一定であるので、２０℃〜１００℃で測定された値に表
１に示された補正値を加えることによって、室温と任意
の温度との間の平均熱膨張係数を求めることができるの
である。

【００１３】

【００１４】さらに、熱分解炭素の被膜層１４を黒鉛材
の表面に形成させる方法としては、各種化学蒸着法によ
り行うことができる。通常は、黒鉛材を加熱し、メタン
、プロパン等の炭化水素ガスを高温の黒鉛材に接触させ
ることにより反応させ、黒鉛材の表面に熱分解炭素を生
成させる方法による。この場合、炭化水素ガスの濃度調
整、あるいはキャリアガスには水素ガスまたはアルゴン
ガスが適している。また、反応は常圧もしくは減圧下で
行われるが、被膜１４の均一性及び平滑性を得るため減
圧下で行うのが好ましく、３００Ｔｏｒｒ以下で行うの
が望ましい。

【００１５】なお、熱分解炭素の被膜層１４は、１０μ
ｍ〜８００μｍの範囲の厚さが望ましく、厚すぎても被
膜１４の剥離やクラックを生じやすくなるので、５０μ
ｍ〜３００μｍ程度が最適である。

【００１６】

【発明の作用】以上のように構成した本発明に係るウエ
ハ保持治具１０の作用について説明すると、次の通りで
ある。

【００１７】まず、本発明に係るウエハ保持治具１０は
、その支持台１１や棚棒１２等の構成部材を黒鉛材によ
って形成してあるから、その加工が容易なものとなって
いるだけでなく、寸法精度にも優れており、これによっ
て保持するウエハ２０に酸化膜を形成する場合の温度に
十分耐え得るものとなっている。

【００１８】本発明に係るウエハ保持治具１０は、黒鉛
材によって形成した支持台１１等の各構成部材の表面に
熱分解炭素被膜１４を形成したのであるから、その表面
全体が熱分解炭素被膜１４によって覆われたものとなっ
ている。この熱分解炭素被膜１４は、その内側に位置す
る黒鉛材が粒体の集合体としての組織構造を有している
のに対して、粒体集合体とは異なる緻密組織となってい
る。つまり、この熱分解炭素被膜１４は気孔がほとんど
存在せず、しかも密度が大きく、ガラスなみの非常に低
い気体透過率を有したものとなっているのである。

【００１９】そして、特に重要なことは、このウエハ保
持治具１０の各構成部材を形成している黒鉛材として、
２０℃〜４００℃の平均熱膨張係数が１．３〜７．０×
１０−６／℃、異方比が１．２５以下であるものを使用
したから、上記熱分解炭素被膜１４を黒鉛材の表面に形
成した支持台１１等の各構成部材にあっては、ウエハ保
持治具１０全体を激しいヒートサイクル中においたとし
ても、黒鉛材と熱分解炭素被膜１４との間には熱膨張差
が殆ど生じない。従って、熱分解炭素被膜１４は、ウエ
ハ保持治具１０を繰り返しヒートサイクル中においたと
しても、クラックを生じたり、黒鉛材から剥離したりす
ることがないのであり、全体として、単なる黒鉛材によ
って構成したウエハ保持治具に比較すると、約３倍の寿
命を有したものとなったのである。

【００２０】一方、ウエハ保持治具１０の外表面全てが
、以上のような性質を有する熱分解炭素被膜１４によっ
て、図２に示すように被覆されているから、このウエハ
保持治具１０を図３に示したような炉内に入れて加熱し
その後に室温状態に置くというヒートサイクル中に何回
も曝した場合に、ウエハ保持治具１０表面の熱分解炭素
被膜は、上記ヒートサイクルによって影響されず、黒鉛
材のように粒子が脱落することはないのである。また、
気孔がほとんど存在しないため、炉外へ出し、大気にふ
れた場合でも、水分及びガス等の吸着はなく、使用時に
放出されるガス分は極めて少ない。従って、このウエハ
保持治具１０を使用すれば、ウエハ２０の汚損は解避さ
れるのである。なお、熱分解炭素被膜１４自体が含有す
る全灰分を、後述の実施例にて示すように、１０ｐｐｍ
以下に抑えることが可能であるから、この熱分解炭素被
膜１４の灰分によるウエハ２０の汚損は全く無視し得る
ものである。

【００２１】また、熱分解炭素被膜１４自体はフッ酸に
対する耐触性に非常に優れた性質を有しているので、こ
れによって被覆したウエハ保持治具１０をフッ酸によっ
て何回洗浄したとしても、これによりウエハ保持治具１
０が消耗することはないのである。従って、このウエハ
保持治具１０は、その耐久性に非常に優れたものとなっ
ているのである。さらに、熱分解炭素被膜は、粒体集合
体としての組織構造を有する黒鉛材とは異なる緻密組織
を有し、気孔をほとんど内在しないため、フッ酸が入り
込んでぬけにくいという不都合は生じない。

【００２２】

【実施例】次に、本発明に係るウエハ保持治具１０を、
図面に示した実施例に従って説明すると、このウエハ保
持治具１０は、図１に示すように、一対の支持台１１間
に多数の保持溝１３を有する棚棒１２を連結して一体化
したものであり、これらの支持台１１及び棚棒１２は、
等方性を有し、高密度（１．７〜２．０ｇ／ｃｍ３）で
しかも高純度（全灰分１０ｐｐｍ以下）の黒鉛材によっ
て形成したものである。また、このウエハ保持治具１０
を構成している支持台１１等の構造部材を形成している
黒鉛材は、２０℃〜４００℃の平均熱膨張係数が１．３
〜７．０×１０−６／℃、異方比が１．２５以下のもの
である。そして、これら支持台１１及び棚棒１２等の構
成部材の表面には、図２に示したように、厚さ１０〜５
００μｍ程度の熱分解炭素被膜１４が形成してある。

【００２３】このウエハ保持治具１０は、本実施例にお
いては次のように形成している。まず、前述したような
黒鉛材を使用して各支持台１１及び棚棒１２を形成する
。勿論、各棚棒１２には予め保持溝１３を形成しておく
。そして、これらを図１に示したような状態のものとし
て組み付けてから、その全体表面に熱分解炭素被膜１４
を形成したのである。

【００２４】熱分解炭素の被覆１４を、黒鉛基材表面に
形成する方法としては、前述したように、通常用いられ
る各種化学蒸着法（ＣＶＤ）により行うことができ、黒
鉛基材上を８００〜２６００℃に加熱しておき、炭化水
素あるいはハロゲン化炭化水素を水素ガス共存下で基材
と接触させ、多数の気孔を有する黒鉛基材上に熱分解炭
素の緻密な層を形成させる。これらの反応は常圧もしく
は減圧下で行われるが、熱分解炭素被膜の均一性、平滑
性を考えると減圧下、特に３００Ｔｏｒｒ以下で行うこ
とが望ましい。また、熱分解炭素表面層の厚みは、１０
μｍ〜５００μｍが望ましい。その理由は、１０μｍ以
下では十分な耐消耗性が得られないからであり、５００
μｍ以上では基材との熱膨張差により被膜にクラックを
生じる可能性が大きいからである。

【００２５】勿論、以上のように形成した熱分解炭素そ
れ自体は高純度であるが、これを積層させるために使用
した黒鉛基材中に種々な不純物、例えば、鉄、ニッケル
、コバルト、バナジウムが混入していることがあり、こ
れらが熱分解炭素側に残留することがある。熱分解炭素
中に不純物が混入する経路として考えられるのは、前述
した黒鉛基材中の不純物が、熱分解炭素形成中に拡散す
ること、及び供給ガス中に不純物が混入していることが
あげられる。これらの不純物は、高純度の黒鉛基材を用
いること及び供給ガスの純度（ガス供給部品、供給管及
び反応容器等の構造、材質を選択する）により、熱分解
炭素中に混入しないようにすることができるものである
。このような方法によって、当該熱分解炭素被膜１４中
の全灰分（鉄などの不純物）の量を１０ｐｐｍ以下とす
ることができるのである。

【００２６】熱分解炭素被膜１４を形成するための原料
ガスとしては、不純物を十分除去したメタン、プロパン
あるいはベンゼン等の炭化水素ガスを用い、その濃度の
調整をも行なうキャリアガスとして水素ガス及びアルゴ
ンガスを使用した。これにより、原料ガスは、高温にな
っている支持台１１等の表面で、分解、結合などにより
、熱分解炭素となって沈積した。

【００２７】以上の図１に示したウエハ保持治具１０は
、所謂横型のものであるが、本発明は図４に示すような
縦型のウエハ保持治具１０にも適用できることは言うま
でもない。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明においては
、上記実施例にて例示した如く、「全体が等方性高密度
高純度で、かつ２０℃〜４００℃の平均熱膨張係数が１
．３〜７．０×１０−６／℃、異方比が１．２５以下で
ある黒鉛材によって形成されて、半導体素子用の原料ウ
エハ２０を保持するためのウエハ保持治具１０であって
、黒鉛材の表面に、熱分解炭素からなる被膜を形成した
こと」にその特徴があり、これにより、黒鉛材から黒鉛
粒子が剥がれないようにして、ウエハへの汚損の問題を
解決しながら黒鉛材の長所を十分生かすことのできるウ
エハ保持治具を提供することができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る横型のウエハ保持治具にウエハを
保持させた状態を示す斜視図である。

【図２】ウエハ保持治具の表面に形成した熱分解炭素被
膜を示す部分拡大断面図である。

【図３】ウエハ保持治具を使用している状態の断面図で
ある。

【図４】縦型のウエハ保持治具の斜視図である。

【符号の説明】

１０　　ウエハ保持治具 １１　　支持台 １２　　棚棒 １３　　保持溝 １４　　熱分解炭素被膜 ２０　　ウエハ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　全体が等方性高密度高純度で、かつ２
   ０℃〜４００℃の平均熱膨張係数が１．３〜７．０×１
   ０−６／℃、異方比が１．２５以下である黒鉛材によっ
   て形成されて、半導体素子用の原料ウエハを保持するた
   めのウエハ保持治具であって、前記黒鉛材の表面に、熱
   分解炭素からなる被膜を形成したことを特徴とするウエ
   ハ保持治具。