(57)【要約】　　　（修正有）【課題】基板の内側領域がなお支持されたままで基板が熱処理を受ける時に基板の表面に擦傷が生じることない基板処理方法を提供する。【解決手段】縦型炉用の基板ホルダー１５が、縁だけではなく基板の内側部分で基板１０をスロット内に支持するように形成される。基板ホルダーは、炉内外への基板ホルダーの搬入出中に熱応力により引き起こされる基板の撓みまたは曲がりが、基板ホルダーの支持部材３０に基板を接触させることなく吸収され得るのに十分な、基板の実質的に全上面の上方の隙間を、ウェハスロット内の所与量の自由空間に対して、擦傷発生を防止する最高の搬入および／または搬出温度との関係で与える。【効果】所与の搬入出温度に対して、基板の擦傷発生を防止する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　垂直に間隔をおいた関係にある複数の収容部であり、各収容部が基板の縁から20mmを超える間隔をおいた位置の内側領域において少なくとも部分的に水平に前記基板を支持可能であるとともに、各収容部が自由高さ(h)を有する前記収容部を含むホルダーを準備するステップと、
　前記ホルダー内に複数の基板を配置するステップと、
　その複数の基板を有する前記基板ホルダーを、搬入温度（T搬入）で縦型炉内に搬入するステップと、
　前記炉を熱処理温度へ加熱するステップと、
　前記熱処理温度で熱処理を行うステップと、
　前記熱処理実行後に前記炉を搬出温度(T搬出)へ冷却するステップと、
　冷却後に前記炉から前記基板ホルダーを搬出するステップと、
　前記自由高さと搬出温度との間の所定の関係によって、(h)および（T搬出）から一方を選択するとともに、前記基板の擦傷の発生を防止する、 (h)および（T搬出）の他方を決定するステップと、
を含む基板熱処理方法。
【請求項２】
　前記所定の関係は、所与の所望の搬出温度に対して実験的に決定される最低限の自由高さを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
　前記所定の関係は、所与の所望の自由高さに対して実験的に決定される最高搬出温度を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
　T搬入＝T搬出である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
　前記搬出速度は、300mm/分以下である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
　前記搬出速度は、100mm/分以下である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
　前記炉は、約5℃/分以下の速度で900℃から前記搬出温度へ冷却される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
　前記炉は、5℃/分以下の速度で搬入温度から900℃へ加熱される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
　前記所定の関係は、標準厚さの基板の上方の各収容部内の隙間に基づいて決定される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
　縦型炉内に支持され、各基板の縁から少なくとも20mmの場所において少なくとも部分的に支持される前記基板上の擦傷の発生を防止する方法であって、該方法は、
　垂直に積み重ねられ、第１の被支持基板の下面と前記被支持基板の上方の支持構造体との間に設定される自由高さを有した複数の支持スロットを有する、基板ラックを準備するステップと
　前記設定された自由高さに対して、基板の擦傷の発生を防止するように搬出温度を選択するステップと、
　処理温度で、前記基板ラック内において被支持基板のバッチを処理するステップと、
　前記処理温度から前記選択した搬出温度へ前記基板を冷却するステップと、
　前記選択した搬出温度で前記ラックを搬出するステップと、
を含む、基板擦傷発生防止方法。
【請求項１１】
　前記処理温度は、約900℃を超える請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
　前記処理温度は、約1000℃を超える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
　前記処理温度は、約1100℃を超える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
　縦型炉内に垂直に間隔をおいて配置される基板のバッチを支持する基板ラックを設計する方法であって、該方法は、
　基板が熱処理後および搬出前に冷却される搬出温度を設定するステップと、
　擦傷を最小限にするように、前記設定された搬出温度に対して、被支持基板の下面と前記被支持基板の上方の支持構造体との間の最低限の自由高さを選択するステップと、
を含む基板ラック設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、基板熱処理分野、および、さらに詳細には、複数の基板が、炉内において熱処理中に基板ホルダーと垂直に間隔を置いた関係で収容される、基板のバッチ式熱処理に関連する。
【背景技術】
【０００２】
　縦型炉内における半導体ウェハのような基板のバッチ式熱処理が、当該技術において知られる。縦型炉内においては、基板が、熱処理中に基板ホルダー（例えば、縦型ウェハボート）内に垂直に間隔を置いた関係で収容される。通常、基板は、このような基板ホルダー内に縁で支持される。半導体ウェハの直径が大きくなると同時に縁の厚さのみが増す場合には、これらのウェハは、熱処理中にますます塑性変形を受けやすくなった。残念ながら、基板の機械的強度は、高温で低減し、重力および温度勾配による、基板における応力は、900℃またはそれを超える温度で、基板の降伏強度を容易に超える可能性がある。
【０００３】
　解決方法として、縁だけではなく縁から間隔をおいた内側領域においても基板を支持する基板ホルダーが、提案された（例えば、特許文献１および２を参照）。このように、重力による応力は、大きく低減する。Hengstによる米国特許第5,931,666号明細書、及びTanakaによる米国特許第5,492,229号明細書が例示するように、このような基板ホルダーの種々の設計が、提案された。これらの基板ホルダーは、基板の塑性変形を妨げるのに有効である。しかしながら、別の問題が、明らかになった。基板の表面に擦傷が、観察された。基板上における擦傷の位置は、基板ホルダーの支持部材の位置と一致する。
【０００４】
　別個の基板支持面を有する種々の基板支持装置が教示されているが、先行技術は、ウェハ処理中にウェハが曲がることによって基板が擦傷することを妨げることについての問題を処理するように、基板支持部が特に間隔をおいて配置される基板ホルダーまたはラックの使用を開示していない（特許文献３から３０を参照）。
【特許文献１】米国特許第5,931,666号明細書
【特許文献２】米国特許第5,492,229号明細書
【特許文献３】米国特許第4,407,654号明細書
【特許文献４】米国特許第4,770,590号明細書
【特許文献５】米国特許第5,162,047号明細書
【特許文献６】米国特許第5,192,371号明細書
【特許文献７】米国特許第5,219,079号明細書
【特許文献８】米国特許第5,310,339号明細書
【特許文献９】米国特許第5,316,472号明細書
【特許文献１０】米国特許第5,334,257号明細書
【特許文献１１】米国特許第5,407,449号明細書
【特許文献１２】米国特許第5,482,558号明細書
【特許文献１３】米国特許第5,482,559号明細書
【特許文献１４】米国特許第5,556,147号明細書
【特許文献１５】米国特許第5,556,275号明細書
【特許文献１６】米国特許第5,820,367号明細書
【特許文献１７】米国特許第5,858,103号明細書
【特許文献１８】米国特許第5,865,321号明細書
【特許文献１９】米国特許第5,897,331号明細書
【特許文献２０】米国特許第6,099,302号明細書
【特許文献２１】米国特許第6,203,617B1号明細書
【特許文献２２】米国特許第6,287,112B1号明細書
【特許文献２３】米国特許第6,321,680B2号明細書
【特許文献２４】米国特許第6,341,935B1号明細書
【特許文献２５】米国特許第6,361,313B1号明細書
【特許文献２６】米国特許第6,390,753B1号明細書
【特許文献２７】米国特許第6,464,445B2号明細書
【特許文献２８】特開昭63-102225A号公報
【特許文献２９】欧州特許出願公開第0238751A2号明細書
【特許文献３０】国際出願公開第WO00/689777号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　本発明の目的は、基板の内側領域がなお支持されたままで基板が熱処理を受ける時に基板の表面に擦傷が生じることに対する解決方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　本発明の一態様によれば、基板ホルダーが、内側領域で基板を支持するように形成される。基板ホルダーによって、基板の実質的に上面全体の上方に十分な隙間が得られ、この隙間は、炉内外へ基板ホルダーを搬入出する間に熱応力によって引き起こされる基板の撓みまたは曲がりを、基板ホルダーの支持部材に基板を接触させることなく吸収可能である。十分に低い搬入出温度が、基板ホルダーの収容部またはスロット内における自由空間量と関連して選択される。
【０００７】
　本発明の別の態様によれば、基板ホルダーが、複数の基板を垂直に間隔を置いた関係に保持するように形成される。基板ホルダーは、基板の縁から間隔をおいて位置する内側領域で少なくとも部分的に基板を支持する複数の支持収容部を含む。各支持収容部は、垂直に4.5mmとl2mmとの間の間隔を置いて配置された支持部材間の自由高さを有する。
【０００８】
　本発明の別の態様によれば、基板の熱処理方法が、提供される。本方法は、ホルダーに、垂直に間隔を置いた関係にある複数の収容部を設けることを含む。各収容部は、内側領域で基板を水平に支持可能であり、この内側領域は、基板の縁から少なくとも20mmの間隔をおいて位置し、各収容部は、自由高さ(h)を有する。複数の基板が、ホルダー内に支持される。被支持基板を有する基板ホルダーは、搬入温度(T搬入)で縦型炉内に搬入される。 次いで、炉は、熱処理温度に加熱され、熱処理が、行なわれる。熱処理を行なった後に、炉は、搬出温度T搬入に冷却される。基板ホルダーが、炉から搬出される。本方法はまた、基板の擦傷の発生が防止される、自由高さと搬出温度との間の所定の関係によって、(h)および (T搬出)の1つを選択し、かつ(T搬出)また(h)の他方を決定することを含む。
【０００９】
　本発明の別の態様によれば、縦型炉内において支持される基板上の擦傷の発生を防止する方法が、提供され、この方法において、各基板が、基板の縁から少なくとも20mmの場所で少なくとも部分的に支持される。本方法は、垂直に積み重ねられた複数の支持スロットを有する基板ラックを提供することを含み、この場合、スロットは、第１の被支持基板の下面と被支持基板の上方の支持構造体との間に設定される自由高さを有する。基板の擦傷を防止する搬出温度が、設定された自由高さに対して選択される。基板ラック内に支持された基板バッチが、処理温度で処理される。次いで、基板は、処理温度から選択された搬出温度へ冷却され、基板を有するラックは、選択された搬出温度で搬出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
　本発明のこれら及び他の態様は、以下の好ましい実施形態についての詳細な説明および添付の図面から、当業者に容易に明らかとなり、好ましい実施形態についてのこれら詳細な説明および添付の図面は、本発明を説明はするが、限定はしないものとする。
【００１１】
　半導体ウェハのような平坦な基板が、垂直に間隔をおいた関係で基板ホルダー内に収容されると同時に処理される時、基板同士の間の最低限のピッチが、基板の表面に物理的に接触することなく、基板の安全な処理およびロボットによる搬入出を可能にする隙間によって決まる。この最低限のピッチは、基板の厚さ、基板の自然な撓みにより異なり、この撓みは、前の加工によって引き起こされ、また現プロセス中に起こる。
【００１２】
　300mmの直径のシリコンウェハについて、熱処理開始時におけるウェハの有効な厚さを、図１に概略的に示す。ウェハの物理的厚さは、775μmである。ウェハは、完全に平坦ではなく、ある程度撓み、この撓みは25μm未満にすることを、製造業者が指定するのが一般的である。窒化シリコン膜の堆積のように、前の加工によって、（合計160μmに対して）135μmのさらなる撓みが、存在し得る。ウェハの有効厚さは、撓んだウェハを丁度収容し得るシリンダーの高さであって、これらの値の合計によって得られ、935μm（0.935mm）である。
【００１３】
　ウェハの熱処理中において、さらなる撓みが、重力による応力、および熱による応力によって起こる。基板ホルダーの設計を、（縁の支持に加えて）基板の内側領域を支持するようなものにすることによって、重力による応力が原因の撓みは、大部分が打ち消される。このようなホルダーは、基板を、基板縁から内側に少なくとも部分的に、好ましくは基板縁から内側に少なくとも約20mmの間隔をおいた位置で支持する。さらに好ましくは、内側の支持位置は、基板の縁から内側に少なくとも約30mmの間隔をおいた位置であり、最も好ましくは、縁から内側に少なくとも約40mmの間隔をおいた位置である。これは、支持部材が、基板の縁から少なくとも所定の量内側に位置する、基板部分の下にあることを意味する。このような支持部材は、実際に、（示した実施形態におけるように）基板の縁から内側に延び得るか、または、基板の中央または内側領域の下に独立した支持部材を含み得る。独立した支持部材は、必ずしも縁の支持部に連結する必要はない。しかしながら、好ましくは、支持構造体は、各基板の幾何学的な中央の下面を開放したままにするように、有利には、ロボット式エンドエフェクタがこの場所に触れ自動搬送を容易にすることができるように設計される。以下において、内側領域または基板の下を支持するこのようなウェハホルダーが、使用されて、重力による撓みが無視されることになると思われる。ウェハの加熱または冷却中に、熱勾配が、ウェハ全体に引き起こされる。
【００１４】
　図２は、温度の上昇下降中における熱勾配の概略を示す。加熱中にはウェハの縁はウェハの中央よりも高温となり、冷却中にはウェハの縁はウェハの中央より低温となる。特に冷却状態においては、ウェハは、ウェハの縁が収縮し図２Ａに示すウェハの中央部分に圧縮力をかけるので、撓みやすい。その結果、ウェハは、上方に撓むか（図２Ａ）、または下方に撓む（図２Ｂ）。加熱中においては、ウェハの縁は、膨張し、ウェハの中央部分に張力をかける。従って、冷却中と比較すると加熱中の方が撓みにくい。
【００１５】
　熱応力についての懸念は、特に、直径が200 mmまたは300 mm或いはそれ以上であるシリコンウェハにとって関連がある。これらのウェハのサイズについては、ウェハの塑性変形が900℃と同じ程度の低温度で生じ得ることが、分かった。1000℃またはそれ以上の処理温度については、著しく塑性変形し、1100℃またはそれ以上の温度については、急激に塑性変形することは、確かである。したがって、重力による力に起因する応力を低減しかつ塑性変形を低減または回避するために、ウェハの縁から間隔をおいて位置する内側領域を支持するウェハホルダーを利用することは有利である。
【００１６】
　処理中にピーク温度で問題が生じる可能性があるにもかかわらず、炉内外へのウェハホルダーの出し入れが、最も重大な難局であることが分かった。高温の熱処理にさらされた基板上の損傷のほとんどが、プロセスの終わりの部分および始めの部分の間に生じ、その間に温度がかなり低減すると思われる。他方では、損傷は、高温処理にさらされた基板上に見つかった。下に説明するように、損傷は、基板ホルダーのタイプと関係があって、それ自体が高温であることに起因しないことが明らかになった。
【００１７】
　図３は、基板ホルダー１５内に収容された基板１０の側面図である。基板ホルダー１５または「縦型ボート」は、水平に延びる支持部材３０が取り付けられる、垂直に延びる支持バー２０を備える。水平に延びる支持部材３０は、基板１０を基板１０の内側領域において支持するように内側に延びる。基板１０は、限界量の上向きの撓みを示す。示した位置に対して、それ以上撓むと、基板１０の上面が、この基板のすぐ上に位置する支持部材３０の下面と接触する結果になる。基板１０が下方へ撓む時、同様の限界の撓みが存在する。ウェハは、（ボウル形状になる）単なる撓みに加えて非対称的にも、曲がり得、その結果、さらに同様の問題が生じる。
【００１８】
　図４に、さらに詳細に、基板ホルダー１５中における基板収容部または「スロット」を示す。基板ホルダー１５の３つの重要な基準は、１）所与の高さ内に何枚の基板を収容可能かを決める、基板収容部のピッチ、２）支持部材の高さ、３）支持部材３０同士の間の自由空間または自由高さ。当然ながら、他の全てのものが同じであれば、当業者は、最低限のピッチを求め、その結果、より多くのウェハを所与の縦型炉内に納めることができ、かつスループット（単位時間あたりに処理される基板の枚数）を最大限にすることができる。
【００１９】
　ウェハ収納部またはスロット内における自由空間と、許容可能な最高搬出温度との間の関係が、理論によるモデリングおよび実験による観察に基づいて、決定された。この関係を、図５に示すグラフによって表わす。グラフ中のラインは、擦傷なしの処理と擦傷ありの処理との間の境界を示し、この場合、グラフの上方左側の部分が、擦傷なしの処理状態を示し、グラフの下方右側の部分が、擦傷ありの処理結果になる状態を示す。換言すると、ウェハスロット内の所与の自由空間に対して、搬出温度は、ラインで示した値を下回り、かつ、所与の搬出温度に対して、自由空間は、ラインで示した値を上回るようにすべきである。好ましくは、冷却後における基板の処理済みバッチに対する搬出温度（T搬出）は、加熱前における基板の未処理バッチに対する搬入温度（T搬入）とほぼ同じである。
【００２０】
　当然ながら、各基板収容部内における自由空間または隙間と、搬出および／または搬入温度との間の正確な関係が、異なる状況のために変化することを、当業者は理解するだろう。例えば、図５は、オランダ国ビルトーフェンのASM International N.V. から市販品を入手可能なAdvanced 412（登録商標）縦型リアクタ内において使用する特定の中央支持式縦型ボート上に支持された標準300mmシリコンウェハのために測定された正確な関係を反映する。図５と比較して、基板材料、厚さおよびサイズが異なれば、曲線が異なるが、一般的な関係および曲線の一般的な形は、同様のままであると思われる、すなわち、搬出および／または搬入温度が高くなればなるほど、擦傷を回避するために自由空間を広くするべきである。
【００２１】
　したがって、製造業者が、所望の搬入および／または搬出温度を設定することができ、かつ図５のチャートと同様のチャートから、基板の擦傷の発生を防止する最低限の自由空間を決定することができることを、当業者は、本開示を考慮して理解するだろう。一般に、搬入／搬出温度が処理温度により近いと加熱および冷却時間が少なくて済むので、搬入／搬出温度が高くなるほど、基板のバッチの処理を速く（かつスループットを高く）することができる。逆に、製造業者は、所望の自由空間を設定し、かつ図５のチャートと同様のチャートから、基板の擦傷の発生を防止する、最高の搬入および／または搬出温度を決定することができる。一般に、自由空間が狭くなるほど、所与の縦型炉内に垂直により多くの基板を積み重ねることができ、したがってスループットも高くすることができる。その構想は、ウェハスロット内の「自由空間」を参照することによって（図４を参照）ここに示されるが、この関係が、支持された基板の上面と、その基板の上に重なる支持部材の下面との間の「隙間」の点から見て同等に特徴づけられることを、当業者は、本発明を考慮して、容易に理解するだろう。隙間にこのように言及することによって、標準基板の厚さが説明される。
【００２２】
　先の考察によって、搬入および／または搬出温度は、温度上昇および／または下降時間を最低限にするように、好ましくは約300℃を超える温度に、さらに好ましくは約400℃を超える温度に、最も好ましくは約500℃を超える温度に設定される。したがって、支持構造体の上面とより高い次の支持構造体（上述したような、特に内側に位置する支持部）の下面との間の自由空間の高さは、擦傷の発生を防止するように、好ましくは4.5mmを超え、さらに好ましくは5mmを超える。他方では、自由空間は、約15.5mm未満のピッチを可能にする程度十分小さいことが望ましく、その結果、自由空間が、好ましくは12mm未満、さらに好ましくは8mm未満、最も好ましくは約5mm未満となる。それによって、同じ支持ホルダー１５内において、約50枚、さらに好ましくは約75枚、擦傷する大きな危険なしに最も好ましくは、約100枚を超える基板の同時処理を（長さ90cmの炉内における典型的なフラットゾーン内において）可能にするのに十分な積み重ね密度が、提供される。5mmの自由空間および8.5mmのピッチを有する、示した実施形態では、105枚のウェハが、単一の縦型ボート内に容易に収容されて、100枚の製品ウェハのバッチが（スタック強化のために加えた5枚の「フィラー（filler）」ウェハとともに）Advanced 412（登録商標）縦型炉内において同時処理され得る。
【００２３】
　搬入及び搬出温度が、基板上における擦傷発生率と非常に関連することが分かったが、基板ホルダーの搬入／搬出速度もまた、重大な影響がある。速度が、300mm/分から100mm/分へ減少すると、擦傷数の大幅な低減が、観察された。したがって、搬入及び搬出中のウェハボートの移動は、好ましくは約300mm/分未満で、さらに好ましくは約100mm/分未満で行なわれる。
【００２４】
　さらには、炉の加熱速度および冷却速度は、擦傷の発生について大きな効果があるようだった。加熱速度は、約5℃/分未満に維持されることが好ましく、冷却速度も、900 ℃未満の全温度範囲内に、約5℃/分未満に維持されることが好ましい。
【００２５】
　いくつかの好ましい実施形態に関して前記発明を説明したが、他の実施形態がここにおける開示を考慮して当業者に明らかとなるだろう。したがって、本発明は、好ましい実施形態を詳述することによっては限定されないが、添付の特許請求の範囲を参照することによってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】縦型炉ボート内に支持されたウェハが撓む様子を示す、一連の概略断面図である。
【図２】熱処理後の冷却中におけるウェハ上の熱勾配および応力を示す、上方及び下方へ撓んだウェハの概略平面図及び概略断面図である。
【図３】縦型炉ボート内に保持されたウェハであって、ウェハがボートの支持構造体に対して撓む様子を示す、ウェハの概略断面図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態に係る支持構造体の開口空間、自由空間およびピッチを示す、ウェハの一方の端部および支持構造体の概略断面図である。
【図５】擦傷の発生を防止するための、縦型炉の基板支持構造体内における搬入出温度と、自由空間または高さとの間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０：　基板
１５：　基板ホルダー
２０：　支持バー
３０：　支持部材
【図１】
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【図２】
2004080018.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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