JPH09199438A - 熱処理用治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リング状トレ−を備えた熱処理用治具を用い
て、１２インチサイズのシリコンウエハを縦型熱処理炉
内で熱処理するにあたり、スリップと呼ばれる結晶欠陥
や反り返りを防止すること。 【解決手段】 垂立する複数本の支柱にリング状トレ−
３を各々水平に固定して熱処理用治具を構成する。リン
グ状トレ−の内径Ｒは２２０ｍｍ〜２５０ｍｍ、支持面
の厚さＤは２〜４ｍｍ、配列ピッチは１８ｍｍ〜２２ｍ
ｍである。リング状トレ−の内径の決定については、そ
の内径により１２インチサイズのウエハＷの自重による
せん断応力がどのように変わるのかというシュミレ−シ
ョン結果と１１５０℃でのシリコンの許容応力（降伏せ
ん断応力）とを比較し、更に昇降温するときのウエハ面
内の温度差と前記内径との関係を把握し、こうして自重
によるウエハのせん断応力及び面内温度差によるせん断
応力の両面から決定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１２インチサイズ
のシリコンウエハに対して縦型熱処理炉内で熱処理を行
うために用いられる熱処理用治具に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）
の製造プロセスの１つとして、酸化膜の形成やドーパン
トの拡散などを行うために高温下で熱処理を行うプロセ
スがある。この熱処理を行う縦型熱処理装置において
は、多数のウエハを上下に間隔をおいて搭載する熱処理
用治具によりウエハが熱処理炉内にロードされ、所定の
熱処理が行なわれる。このような熱処理用治具では、４
本の支柱に支持溝を形成し、この支持溝にてウエハを保
持させることにより、ウエハの外周縁部の４点を支持す
るものが一般的であるが、この他リング状トレーを棚状
に配列し、各ウエハをこのリング状トレーの上に載せる
リングボートなどと呼ばれる構造のものが知られてい
る。

【０００３】このリングボートは、例えば昇降温速度の
早い熱処理装置に適用されている。その理由について
は、熱処理用治具に配列されたウエハは、互いに上下に
接近しているので、下側のウエハは、上側のウエハによ
りヒータからの熱線が遮られ、このためウエハのエッジ
部に比べて中心部の昇温速度が遅くなる。また降温時に
はウエハのエッジ部の周囲は空間なので、エッジ部の方
がセンター部に比べて放熱が早く、降温速度が早くな
る。従って昇降温時、特に昇降温速度が早い時（降温速
度は例えば強制冷却により早められる）に、ウエハ面内
の温度分布の不均一の程度が大きくなり、面内温度差に
基づき大きなせん断応力がウエハに発生するため、スリ
ップと呼ばれる結晶欠陥が発生するおそれれがある。な
おスリップとは、目視では確認しにくい程度の微小な断
層であり、拡大鏡や顕微鏡などにより見ることができ
る。そこで熱容量の大きい材質例えばＳｉＣなどからな
るリング状トレー上にウエハを載せることにより、ウエ
ハのエッジ部の下面にＳｉＣを接触させて昇温（降温）
しにくいようにし、こうしてウエハのエッジ部とセンタ
ー部との昇降温速度の差を揃えるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これまでリングボ−ト
においては、ウエハ面内の温度差によって生じる応力に
ついての考慮が行われてはいるが、ウエハの自重によっ
て生じる応力についての考慮、またこの応力とウエハ面
内の温度差によって生じる応力との相乗作用についての
考慮はほとんど行われていない。

【０００５】一方、ウエハは大口径化が進みつつあり、
そのサイズは８インチから１２インチへの移行が検討さ
れている。しかしながらウエハが１２インチサイズにも
なると、単に従来の治具の各寸法を変更したものを用い
た場合、次のような問題が起こる。即ちシリコンの融点
に近い温度、例えば１０００℃程度の温度で熱処理を行
ったときに、上記の応力の相乗作用によりスリップや反
り返りがウエハに発生するおそれがある。

【０００６】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は１２インチサイズのシリコンウエ
ハを熱処理する場合にスリップの発生や反り返りを防止
することのできる熱処理用治具を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、支柱
にリング状支持部材を各々上下に間隔をおいて設け、１
２インチサイズのシリコンウエハをリング状支持部材に
支持させて縦型熱処理炉内に搬入出する熱処理用治具に
おいて、前記リング状支持部材の内径が１２０ｍｍ〜２
５０ｍｍであることを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、リング状支持部材の内径が２２０ｍｍ〜２５０ｍ
ｍ、支持面における厚さが２〜４ｍｍ、配列ピッチが１
８ｍｍ〜２２ｍｍであることを特徴とする。また請求項
３の発明は、請求項１または２の発明において、１００
０℃以上の処理温度で使用されるものであることを特徴
とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る熱処理用治具を含む縦型熱処理装置の一部を示す外観
斜視図、図２及び図３は、熱処理用治具の一部を示す図
である。熱処理用治具１は、上下にそれぞれ対向して配
置された円形の天板１１及び底板１２を備え、これらの
間に複数本例えば４本の支柱２１〜２４が固定されてい
る。なお図示の便宜上天板１１は円形としてあるが、リ
ング状であってもよいし、支柱の数は６本であってもよ
い。

【００１０】天板１１と底板１２との間には、例えば３
４枚のリング状支持部材であるリング状トレ−３が所定
の間隔をおいて平行に配置されている。この実施の形態
では、ウエハＷの配列ピッチＰ（トレ−３の配列ピッ
チ）は２０ｍｍに設定されている。リング状トレ−３の
固定方法については、図３に示すように、支柱２１〜２
４に形成された溝２０内にリング状トレ−３の周縁部が
挿入されて保持されている。この熱処理用治具１の材質
としては、ＳｉＣや石英などが用いられる。リング状ト
レ−３は、周縁が、ウエハＷの支持面よりも少し高い段
部３０として形成されており、内径Ｒｗが２４０ｍｍ，
外径ｒが３１５ｍｍ，支持面における厚さＤが３ｍｍ、
段部３０の幅が５．５ｍｍに設定されている。

【００１１】以上のように構成されたウエハボート１
は、図１に示すように下部にフランジ部４０を備えた保
温筒４の上に着脱自在に装着されており、この保温筒４
はボートエレベータ４１上に載置されている。このウエ
ハボート１の上方側には縦型炉５が配置されている。５
１は縦型熱処理炉５内の図では見えない反応管内に所定
のガスを供給するガス供給管、５２は反応管内を排気す
る排気管である。

【００１２】次に上述の作用について説明する。先ず別
の領域においてウエハボート１へのウエハＷの受け渡し
を行うが、この受け渡しは、図示しない突上げ機構をリ
ング状トレ−３の中を通過するように上昇させ、搬送ア
−ム上の１２インチサイズのシリコンウエハＷをこの突
上げ機構を介してリング状トレ−１の上に載置すること
により行われる。

【００１３】このようなウエハＷの受け渡しを例えばウ
エハボート１の上段側から順次行い、ウエハボート１に
所定枚数例えば３４枚搭載した後、ボートエレベータ４
１上の保温筒４の上にウエハボート１を移載し、ボート
エレベータ４１を上昇させてウエハＷを縦型熱処理炉５
内にロードする。例えば約１１５０℃の温度で熱処理を
行う場合は、縦型熱処理炉５内は例えば約８００℃に加
熱されており、ウエハＷがロードされた後例えば最大昇
温速度５０℃／分で約１１５０℃まで昇温され、所定の
熱処理が行われる。その後ボートエレベータ４１が下降
して、ウエハＷがアンロードされ、ウエハボート１が別
の領域に移し変えられて、上述と逆の操作でウエハＷが
ウエハボート１から取り出される。

【００１４】このような実施の形態によれば、１０００
℃を越える例えば１１５０℃程度の温度で熱処理を行っ
ても、リング状トレ−３の内径が２４０ｍｍに設定され
ているため、ウエハＷにスリップが入ったり、反り返り
が起こったりするおそれはない。その理由は、後述の説
明から分かるように、リング状トレ−３の内径により１
２インチサイズのウエハＷの自重によるせん断応力がど
のように変わるのかというシュミレ−ション結果と１１
５０℃でのシリコンの許容応力（降伏せん断応力）とを
比較し、更に昇降温するときのウエハ面内の温度差とリ
ング状トレ−３の内径との関係を把握し、こうして自重
によるウエハのせん断応力及び面内温度差によるせん断
応力の両面からリング状トレ−３の内径を決定している
からである。

【００１５】上述の例において、熱処理後のすべてのウ
エハについて表面を観察したところスリップの発生は見
られず、また反り返りの起こったウエハもなかった。た
だし１２インチサイズのウエハとは、ウエハの直径がほ
ぼ１２インチであるということであり、３００ｍｍのも
のも含まれる。

【００１６】以下に本発明に至るまでの経緯について述
べる。従来までの８インチウエハでは、ウエハの自重応
力が小さく、この自重応力が許容応力付近になってスリ
ップが発生するといったおそれはなかったので、リング
状トレイの内径の許容値がどのくらいであるかというこ
とを考えなくてよかった。ここに本発明者は、ウエハサ
イズが１２インチになるとウエハの自重が大きくなり、
一方処理温度が１０００℃付近を越える熱処理が行われ
るようになり、高温になると許容応力が小さくなって、
この結果スリップの発生を招くことになるので、リング
状トレーの内径を適切な値に選定することによってウエ
ハのせん断応力を最小限に抑えることに着眼した。

【００１７】以下に１２インチウエハを載せるリング状
トレーの内径の許容値について述べる。リング状トレー
の場合ウエハが完全な平面で支持されている保証がな
い。何故ならウエハは自重により周縁部に比べて中央部
が下がった椀状に歪むからである。従ってリング状トレ
ーの内径を支持直径とみなすことができる。そしてウエ
ハの歪み方によっては支持点が３点のみになることがあ
り、このときにはウエハに加わるせん断応力が最も大き
くなる。このため３点支持のときのウエハのせん断応力
が許容応力を越えないように設計する必要がある。

【００１８】図４はウエハを３点で支持したときの支持
直径に対する自重応力の最大値を示している。即ち図５
に示すように正三角形の頂点に対応する位置にて支持点
Ｓ１〜Ｓ３を設定し、この支持点Ｓ１〜Ｓ３を含む円Ｃ
の直径即ち支持直径Ｒｗを横軸にとっている。また図４
において、点線（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）は夫々
１０００℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃にお
けるシリコンウエハの許容応力（降状せん断応力）を示
す。

【００１９】この許容応力は温度が高くなるにつれて小
さくなり、１２００℃では支持直径がどのような値であ
っても、最大せん断応力が許容応力を越えてしまうた
め、理論上は１２００℃の処理温度においてはウエハに
スリップが発生してしまう。実際にウエハに対して熱処
理炉で行われる処理温度の最高温度は１１５０℃程度で
あるため、スリップの発生を防止するためには、最大せ
ん断応力が１１５０℃での許容応力のラインよりも下回
るような支持直径であることが必要である。ただし許容
応力と同等のせん断応力がウエハに生じると、スリップ
が少量入るため、支持直径は１２０ｍｍ〜２５０ｍｍで
あることが必要である。

【００２０】以上において図４の自重応力の最大値の計
算は、コンピューターによる有限要素法で行っている。
またウエハの許容応力の計算は、次式に基づいて行っ
た。τｙｌｄ＝２３．１７ｅｘｐ（16.1−0.00916T）＊
（ｄτ／ｄｔ）^0.4ただし応力の単位はパスカル、Ｔは
温度（℃）、ｔは時間（秒）であり、応力速度ｄτ／ｄ
ｔは、経験式である２．５＊１０⁵ （ｐａ／ｓ）を用い
ている。

【００２１】一方ウエハを昇降温するときに、ウエハの
面内に温度差が発生する。これはヒータからのウエハに
対する放射形態係数がウエハエッジ部で急激に増加して
いることに起因する。放射形態係数とは、定性的に云う
と温め易さであり、（数１）で表される。

【００２２】

【数１】 即ちこの放射形態係数が大きければ昇降温速度が早く、
ウエハエッジ部はウエハ中心部よりも昇降温速度が早い
ので、ウエハの昇降温時に面内温度差が発生する。図６
はウエハ位置（ウエハ中心からの距離）と放射形態係数
との関係を示すグラフであり、ａ，ｂ、ｃは夫々ウエハ
ボート上のウエハピッチ（ウエハ間の相互離間距離）が
１８ｍｍ、２０ｍｍ及び２２ｍｍのときの放射形態係数
を示す。ウエハピッチの値は、１８ｍｍから２２ｍｍの
間で設定される。１８ｍｍよりも狭いと搬送アームによ
るウエハの移載が困難になるし、２２ｍｍよりも広くす
ると、ウエハの最大搭載枚数が少なくなってしまい現実
的ではないからである。

【００２３】ところでリング状トレーの役割は、もとも
とウエハのエッジ部の下面を熱容量の大きな材質に接触
させて昇降温速度を遅くし、これによりウエハの中央部
とエッジ部との昇降温速度を揃えようとするものであ
り、従ってリング状トレーの内端は、放射形態係数が増
加し、昇降温速度が速くなり始めるポイントに位置させ
ることが必要である。このようなことから図６に基づい
てリング状トレーの最適な内端位置を求めると、ピッチ
が１８ｍｍ、２０ｍｍ及び２２ｍｍの場合夫々１１３ｍ
ｍ、１２０ｍｍ（グラフｂについては便宜上、最適位置
を図示していない）及び１２４ｍｍとなるが、このポイ
ントから多少外れても面内温度均一性は確保できるた
め、直径でいえばリング状トレーの内径は、２２０ｍｍ
から２５０ｍｍであればよい。

【００２４】以上のようにウエハの自重によるせん断応
力から決まるリング状トレーの内径と、昇降温時の面内
温度均一性を良くして面内温度差に基づくせん断応力を
極力小さく抑えるという観点から決まるリング状トレー
の内径とのオーバラップの範囲は２２０ｍｍ〜２５０ｍ
ｍであり、１２インチサイズのシリコンウエハに対して
用いられるリング状トレーの内径はこの範囲に設定すべ
きである。

【００２５】例えば２０℃／分以上の昇降温速度の早い
縦型熱処理炉の場合には、リング状トレ−の内径は、上
記の範囲であることが好ましいが、本発明（請求項１の
発明）では、昇降温速度が遅い場合には、必ずしも図６
に示す放射形態係数の特性から決まる値に制限されるも
のではなく、１２０ｍｍ〜２５０ｍｍであればよい。

【００２６】ここで厚さ３ｍｍ、材質がＳｉＣであるリ
ング状トレーについて、内径が２５０ｍｍ及び２６０ｍ
ｍのものを夫々３枚づつ作成し、これをウエハボートの
支柱に取り付けて、その上に１２インチサイズのウエハ
を保持し、熱処理炉内にて最大昇温速度５０°／分で温
度１１５０℃まで昇温し、１時間加熱した。その後炉か
らウエハを取り出して表面を観察したところ、内径が２
６０ｍｍのリング状トレーを用いたウエハについては少
量のスリップが見られたが、内径が２５０ｍｍのリング
状トレーを用いたウエハについてはスリップが全く見ら
れなかった。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、１２イン
チサイズのシリコンウエハをリング状トレ−を用いて熱
処理するにあたり、リング状トレ−の内径とウエハの自
重によるせん断応力との関係についてシミュレ−ション
を行い、その結果に基づいてリング状トレ−の内径を設
定しているため、スリップや反り返りの発生するおそれ
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全体を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態におけるリング状トレ−を
示す斜視図及び断面図である。

【図３】ウエハボートの一部を示す断面図である。

【図４】ウエハの支持位置と最大せん断応力との関係を
示す特性図である。

【図５】ウエハの支持位置を示す説明図である。

【図６】ウエハの半径方向位置と放射形態係数との関係
を示す特性図である。

【符号の説明】

Ｗ ウエハ（被処理基板） １ ウエハボート ２１〜２４ 支柱 ２０ 溝 ３ リング状トレ− ３０ 段部 Ｒ リング状トレ−の内径 ｒ リング状トレ−の外径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 物江 修 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支柱にリング状支持部材を各々上下に間
   隔をおいて設け、１２インチサイズのシリコンウエハを
   リング状支持部材に支持させて縦型熱処理炉内に搬入出
   する熱処理用治具において、 前記リング状支持部材の内径が１２０ｍｍ〜２５０ｍｍ
   であることを特徴とする熱処理用治具。
2. 【請求項２】 リング状支持部材の内径が２２０ｍｍ〜
   ２５０ｍｍ、支持面における厚さが２〜４ｍｍ、配列ピ
   ッチが１８ｍｍ〜２２ｍｍであることを特徴とする請求
   項１記載の熱処理用治具。
3. 【請求項３】 １０００℃以上の処理温度で使用される
   ものであることを特徴とする請求項１または２記載の熱
   処理用治具。