JP4805741B2 - 半導体製造装置および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、サファイア基板を昇温させる必要がある工程に用いる半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）結晶からなるサファイア基板上にシリコン（Ｓｉ）等をエピタキシャル成長させて薄膜の素子形成層を積層したサファイアウェハにより製造される半導体装置は、シリコン基板を用いたシリコンウェハで製造される半導体装置のトランジスタに比べ、寄生容量が低減される等の効果でトランジスタ特性を大幅に向上させることができる。

また、一般にサファイアウェハを用いた半導体装置の製造プロセスは、シリコンウェハ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。
サファイアウェハを用いた半導体装置の製造プロセスに、シリコンウェハを用いた半導体装置の製造プロセスを流用した場合は、サファイア基板がシリコン基板に比べて熱伝導性が低いこと、およびサファイア基板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。）。
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、上述した従来の技術においては、サファイア基板に密着形成された薄膜を輻射熱等で加熱し、薄膜からの熱伝導により裏面からサファイア基板を昇温させてサファイア基板を予熱しているため、当該工程における雰囲気温度が低く、かつサファイア基板の加熱が必要な製造工程、例えば常圧のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による工程で用いる常圧ＣＶＤ装置では、サファイア基板の熱伝導性が低いことに起因して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、その外周部が持ち上がる裏面側に凸の反りが生じ、サファイア基板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ある。

このような反りの原因を究明するために、発明者は以下のような確認試験を行った。
図８はサファイア基板の反りの様子を示す説明図である。
図８において、１はサファイア基板であり、サファイア結晶で形成された円形の薄板である。
５１は加熱板であり、ヒータ５２により加熱され、その上面に載置されたサファイア基板１を加熱する機能を有する実験用の加熱板である。

５３は室温プレートであり、室内に設置され、その雰囲気温度、つまり室温と同等の温度を保つ機能を有している。
雰囲気温度を室温にして加熱板５１の温度をヒータ５２により加熱して３５０℃に設定し、その上に載置したサファイア基板１の反りの様子を観察した。
なお、以下の説明においては、サファイア基板１の素子形成層を積層する、または積層した面をおもて面といい。その反対側の面を裏面という。

加熱板５１の上面に平板状のサファイア基板１の裏面を載置（図８（ａ））すると、その直後から裏面側に凸の椀型に反り始め、１０秒程度経過すると中心部のみが加熱板５１の上面に接触した裏面側に凸に反った椀型形状になる（図８（ｂ））。これは、サファイア基板１の熱伝導性が低いために、サファイア基板１の厚さ方向に温度分布が生じ、加熱された裏面の温度が高く、雰囲気温度に曝されているおもて面の温度が低くなって、サファイア基板１の表裏に熱膨張差が生じ、伸びの少ないおもて面側に引張られてサファイア基板１の外周部が持ち上がるからである。

その後、５分間以上放置しても反りは保たれたままであった（図８（ｃ））。これは接触しているサファイア基板１の裏面の中心部のみが加熱により熱膨張し、外周部から冷却されても中心部の熱膨張により元の平板に戻ることができないためである。
このような裏面側に凸に反ったサファイア基板１を、そのままその裏面から室温プレート５３の上面に載置（（図８（ｄ））すると、載置した瞬間に反り方が逆になりサファイア基板１の中心部が盛り上がったおもて面側に凸の釣鐘状の反りになる（（図８（ｅ））。これは、裏面側に凸の状態に反ったサファイア基板１の裏面の中心部が室温プレート５３により急激に冷却され、サファイア基板１の外周部の温度よりも低くなるために、裏面側の中心部が縮んで裏面側の伸びが減少し、これに引張られてサファイア基板１の中心部が持ち上がるからである。

その後、数分間放置すると、サファイア基板１の全体が冷却されて室温となり元の平板状に戻る。
次に、サファイア基板の裏面から１ｍｍ程度離した位置に３８０℃に設定した加熱板を設置して大気圧状態での非接触による加熱の影響を確認した。
図９は非接触でサファイア基板を昇温させたときの温度変化を示すグラフである。

図９は、サファイア基板のおもて面の中心と外周部とに埋め込んだ熱電対を用いて、時間経過に伴う温度変化を測定した測定結果であり、中心の温度変化を実線で、外周部の温度変化を破線で示し、比較のために同様に加熱したシリコン基板の中心の温度変化を一点鎖線で示したものである。
図９に示すように、サファイア基板の温度上昇は、シリコン基板に比べて緩やかに上昇し、サファイア基板の外周部の温度は３２０℃付近で安定しでいるが、中心の温度は、サファイア基板のおもて面の温度が２００℃付近を超えたところから温度上昇が速まり、３３０℃付近を超えたところで急激に立ち上がって加熱板の設定温度である３８０℃に達していることが判る。

また、シリコン基板の中心の温度変化にサファイア基板の中心のような急激な温度変化は見られない。
このことは、非接触による加熱においても、サファイア基板を一方の面のみから加熱すれば加熱板に近い裏面に加熱板からの空気を介した熱伝達により熱が伝わり、室温に曝されている反対側のおもて面とに厚さ方向の温度差が生じて図８（ｂ）に示したと同様にサファイア基板に裏面側に凸の反りが発生し、中心部が加熱板に近づいて温度上昇が速まり、ついには中心部が加熱板に接触することを示しており、上記特許文献１の技術においても雰囲気温度が低い場合の予熱工程においてサファイア基板を一方の面から接触の状態で加熱すると同様の反りが生ずることになる。

また、サファイア基板の表裏の温度差による反り量は、図１０に示すサファイア基板の熱膨張特性から以下のように推定される。
図１０に示す横軸はサファイア基板の温度であり、縦軸は絶対０度から当該温度までのの熱膨張（伸び量）と全長との比をパーセントで示し、サファイア結晶のＣ軸方向の熱膨張を実線で、Ｃ軸に垂直な方向の熱膨張を破線で示したものである。

図１０に示すように、サファイア基板の熱膨張率はそれぞれの熱膨張線の傾きで表され、その値は約８ｐｐｍ／℃である。
従って、サファイア基板の表裏に６０℃程度の温度差が生じた場合には、そのサファイア基板の直径に対する伸びの差は４８０ｐｐｍ程度になり、直径６インチ、厚さ６２５μｍのサファイア基板に２ｍｍの反りが生じた場合の表裏の直径の差が４５０ｐｐｍ程度であることからサファイア基板の表裏に６０℃程度の温度差が生じた場合には２ｍｍ程度の反りが生ずると考えられる。

更に、サファイア基板の予熱時における反りには、その反りの程度が一様でないという以下に示す問題もある。
（１）サファイア基板の成形時には、最大で数十ミクロンの反りが存在し、特に中心が数十ミクロン加熱板側に凸の状態に反ったサファイア基板に反りが生じやすくなる。
（２）半導体装置の製造工程において、サファイア基板上に半導体装置を製造するための各種の膜が形成されると、その膜により輻射熱の吸収率が変化し、これにより生ずる面方向の温度分布により、予熱時の局所的な反りが発生する。
等である。

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、大気中でサファイア基板を昇温させることが必要な工程に用いる半導体製造装置おけるサファイア基板の反りを抑制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、半導体製造装置が、サファイア基板を大気中で昇温させるホットプレートと、前記ホットプレートと所定の間隔を隔てて設置された支持板と、前記サファイア基板を、前記ホットプレートと前記支持板との間に所定の間隔を隔てて支持すると共に、前記ホットプレートと前記サファイア基板の裏面とが対向するように支持する支持部を設けた支持台と、前記支持台を昇降させる昇降装置と、前記支持板上に、前記サファイア基板と所定の間隔を隔てると共に、前記サファイア基板のおもて面と対向するように配置され、前記ホットプレートからの輻射熱を吸収する輻射熱吸収プレートとを備え、前記ホットプレートに、前記サファイア基板に向けて気体を噴出する噴出穴を設けたことを特徴とする。

これにより、本発明は、ホットプレートからサファイア基板を透過した輻射熱を輻射熱吸収プレートで吸収してサファイア基板の周囲の空気をサファイア基板の表裏の面から加熱することができ、空気を介した熱伝達によってサファイア基板をほぼ均一に予熱してサファイア基板の反りを抑制することができると共に、サファイア基板上に形成した半導体装置の製造に用いる各種の膜の熱膨張がサファイア基板と異なる場合に生じる反りを抑制することができ、サファイア基板を昇温させることが必要な工程におけるホットプレートへのサファイア基板の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の実施例について説明する。

図１は実施例１の半導体製造装置の断面を示す説明図、図２は実施例１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。また上記図８と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１、図２において、２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１等を予熱し、サファイア基板１等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って、例えば常圧ＣＶＤ装置である。
なお、本実施例のサファイア基板１は、例えば直径６インチ、厚さ０．３〜０．８ｍｍのサファイア結晶からなる円形の薄板である。

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１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７に支持されたサファイア基板１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１を予熱すると共に、サファイア基板１を昇温させた状態で行われる当該工程の工程作業の作業台としても用いられる。

４は支持台であり、ホットプレート３と所定の間隔を隔てて対向配置された円盤状の支持板５の外径部に、先端部に段部６ａを形成したＬ字状のアーム６を３本等配に溶接等の接合手段により接合して形成され、アーム６の段部６ａには支持部７が取付けられている。
なお、支持板５とアーム６とは一体にして形成するようにしてもよく、アーム６の数は４以上であってもよい。

支持部７は、石英ガラス等で製作された斜面７ａが形成された角柱状部材であって、その斜面７ａによりサファイア基板１を傾けずに、サファイア基板１の外周部を支持する機能を有しており、サファイア基板１を、ホットプレート３と支持板５との間に所定の間隔を隔てて支持すると共に、ホットプレート３とサファイア基板１の裏面とが対向するように支持する。

８は輻射熱吸収プレートであり、アルミニウム（Ａｌ）等で製作されたサファイア基板１の直径以上の直径を有する円盤状部材であって、支持板５上に、サファイア基板１と所定の間隔を隔てると共に、サファイア基板１のおもて面と対向するように配置され、輻射熱吸収プレート８の上面とホットプレート３の下面との間を所定の設置間隔を隔てて、皿ネジ等の締結手段９によって支持台４のアーム６に取付けられており、サファイア基板１を透過した輻射熱を吸収して自身が加熱される機能を有している。

また、輻射熱吸収プレート８の外周部の支持部７に対応する部位には切欠部８ａが設けられている。これにより、輻射熱吸収プレート８が、切欠部８ａから輻射熱吸収プレート８上に突出させた支持部７の斜面７ａに支持されたサファイア基板１のおもて面に対向してその下方に配置される。
１１は昇降装置であり、円柱状の昇降軸１２を昇降させる機能を有しており、昇降軸１２の先端に接合手段によりにより接合された支持板５を介して支持台４を昇降させる。

上記の輻射熱吸収プレート８の上面とホットプレート３の下面との間の所定の設置間隔は、サファイア基板１の厚さの３倍以上、５ｍｍ以下に設定することが望ましい。
輻射熱吸収プレート８の上面とホットプレート３の下面との間の間隔を、５ｍｍより広くすると、輻射熱吸収プレート８のサファイア基板１を透過した輻射熱による加熱が不十分になり、また、サファイア基板１の厚さの３倍未満に狭くすると、サファイア基板１と輻射熱吸収プレート８の上面との間、およびホットプレート３の下面との間のいずれか一方がサファイア基板１の厚さより狭い隙間となり、サファイア基板１の成形時のバラツキによる反りによって、上記図９を用いて説明したと同様にサファイア基板１の中心部がホットプレート３または輻射熱吸収プレート８に近づきすぎて温度上昇が速まり、サファイア基板１に反りが生じやすくなり、サファイア基板１とホットプレート３または輻射熱吸収プレート８とが接触して図８（ｂ）に示したような反りが生じやすくなるからである。

この場合に、輻射熱吸収プレート８にサファイア基板１が接触すると、更にサファイア基板１のおもて面、つまり素子形成層側の面が汚染される虞がある。
本実施例のサファイア基板１は、その外周部を支持部７の斜面７ａに当接させて支持され、そのときのサファイア基板１のおもて面と輻射熱吸収プレート１１の上面との隙間が２ｍｍ、サファイア基板１の裏面とホットプレート３の下面との隙間が１ｍｍとなるように設定されている。

また、ホットプレート３の設定温度は、３８０℃に設定されている。
上記のように設定された半導体製造装置２の支持台４の支持部７に、直径６インチ、厚さ０．６ｍｍのサファイア基板１を載置し、サファイア基板１のおもて面の中心と外周部に埋め込んだ熱電対を用いて、時間経過に伴う温度変化を測定した。
図３は上記の設定および加熱条件を用いて、本実施例の半導体製造装置２により大気中でサファイア基板１を昇温させたときの測定結果である。

図３は、その横軸を経過時間、縦軸を温度とし、サファイア基板１の中心の温度変化を実線で、外周部の温度変化を破線で示したものである。
図３に示すように、サファイア基板１の下方に輻射熱吸収プレート８を設置することによって、サファイア基板１の中心と外周部の温度は、ほぼ均等に上昇して３３０℃付近で安定し、中心と外周部との温度差は数℃以内になっていることが判る。

また、図９に示したようなサファイア基板１の中心における急激な温度変化が生じておらず、サファイア基板１を反りが生じない状態で昇温が行われていることが判る。
このように、本実施例の半導体製造装置２を用いれば、輻射熱の吸収率が低いサファイア基板１の昇温において、ホットプレート３から放射された赤外線等がサファイア基板１を透過して輻射熱吸収プレート８に達し、サファイア基板１の下方に設置した輻射熱吸収プレート８がその輻射熱により加熱され、ホットプレート３とサファイア基板１の間、および輻射熱吸収プレート８とサファイア基板１の間の空気を加熱し、この空気を介した熱伝達によりサファイア基板１に表裏の面から熱を流入させ、サファイア基板１を昇温させるので、比較的熱伝導性が低いサファイア基板１をその表裏の面から均等に加熱して、反りを抑制しながらサファイア基板１を昇温させることができる。

上記の半導体製造装置２を用いてサファイア基板１の反りを抑制しながらサファイア基板１を昇温させた状態で半導体装置を製造する場合は、昇降装置１１の昇降軸１２の先端に取付けた支持台４の支持部７の斜面７ａに、輻射熱吸収プレート８からの隙間が２ｍｍとなるようにおもて面を下方にしたサファイア基板１を載置し、昇降装置１１により支持台４をホットプレート３の方向に上昇させてホットプレート３とサファイア基板１の裏面との隙間が１ｍｍとなる位置に停止させる。

これにより、サファイア基板１が、ホットプレート３と輻射熱吸収プレート８との間にそれぞれ所定の隙間を隔てて支持される。
次いで、ホットプレート３を所定の設定温度（本実施例では、３８０℃）に加熱し、その輻射熱で輻射熱吸収プレート８を加熱して、ホットプレート３とサファイア基板１との間の空間、およびサファイア基板１と輻射熱吸収プレート８との間の空間の空気を加熱し、空気を介した熱伝達によりサファイア基板１の表裏の面から熱を流入させてサファイア基板１の温度を上昇させる。

これにより、予熱工程におけるサファイア基板１が、その表裏の面からほぼ均等に加熱され、サファイア基板１の全体をほぼ均一な温度に昇温させてサファイア基板１が予熱される。
この場合に、輻射熱吸収プレート８には、切欠部８ａが支持台４の支持部７に対応する位置に設けられているが、この切欠部８ａの下方には支持部７を取付ける段部６ａが設けられているので、この段部６ａが輻射熱を吸収して輻射熱吸収プレート８と同様の機能を発揮し、予熱工程におけるサファイア基板１の予熱に支障が生ずることはない。

そして、サファイア基板１の温度が所定の予熱温度、例えば３３０℃以上に予熱された時に昇降軸１２を上昇させ、サファイア基板１の裏面をホットプレート３の下面に接近させ、図示しない吸引穴に供給される負圧によりサファイア基板１をホットプレート３に吸引して当接させ、サファイア基板１をホットプレート３に保持させる（保持工程）。
サファイア基板１の保持後に、昇降軸１２を降下させて支持台４の支持部７をサファイア基板１から退避させ、ホットプレート３に保持されたサファイア基板１に対する当該工程の所定の工程作業を開始する。この工程作業は、ゲート電極を形成した後の工程、例えば、層間絶縁膜を形成する工程である。

この場合に、サファイア基板１の所定の予熱温度は１００℃以下、望ましくは５０℃以下に設定するとよい。ホットプレート３の設定温度との予熱後のサファイア基板１との温度差を１００℃以下（本実施例では５０℃以下）とすれば、作業台としてのホットプレート３へサファイア基板１が接触した時のおもて面と裏面との温度差が１００℃以内になり、ホットプレート３への吸引による保持に支障が生じないことを実験的に確認したからである。

また、本実施例の半導体製造装置２は、ホットプレート３の設定温度を、サファイア基板１周りの雰囲気温度より３００℃以上高く設定する必要がある工程に適用することが望ましい。雰囲気温度とホットプレート３の設定温度との差が３００℃未満であれば、当該工程におけるサファイア基板１の吸引や工程作業に支障が生ずる程の反りが生じないからである。

上記のように、本実施例の半導体製造装置２を用いた予熱工程においては、サファイア基板１を透過した赤外線等による輻射熱によりサファイア基板１の下方に設置した輻射熱吸収プレート８を加熱し、ホットプレート３および輻射熱吸収プレート８によりサファイア基板１の表裏の面から空気を介した熱伝達により熱を流入させてサファイア基板１を昇温させるので、比較的熱伝導性が低いサファイア基板１においても、反りを抑制しながらサファイア基板１を均等に予熱することができると共に、当該工程におけるホットプレート３へのサファイア基板１の保持を円滑にして、当該工程の工程作業の効率化を図ることができる。

また、ホットプレート３の温度を設定すれば、輻射熱吸収プレート８がその輻射熱を吸収して自動的に加熱されるので、特別な制御装置を追加することなく、サファイア基板１の表裏の面から熱を流入させて効率的に厚さ方向の温度差を低減することができると共に安価な半導体制御装置２を得ることができる。
更に、通常の半導体装置の製造工程においては、塵芥等の異物の浮遊を防止するためにホットプレート３側から支持台４に向けて気流を発生させており、この下降気流がホットプレート３の下で巻き込まれて予熱時のサファイア基板１を不均一に冷却する現象が生ずるが、本実施例の輻射熱吸収プレート８はサファイア基板１の下方に接近して設置されているので、サファイア基板１への気流の侵入を抑制することができ、サファイア基板１の周辺の気流等による外乱の影響を防止して、反りの発生を更に抑制することができる。

更に、輻射熱吸収プレート８の直径を、サファイア基板１の直径以上に設定したので、サファイア基板１の周囲の空気を確実に加熱することができる。
更に、サファイア基板１上に半導体装置の製造に用いる各種の膜を形成した後の、予熱工程においては、輻射熱の吸収率が高くなった部位の下方に位置する輻射熱吸収プレート８の部位に到達する輻射熱が減少し、その部位が他の部位に較べて低温度になり、膜の形成により輻射熱を吸収したサファイア基板１の部位を冷却して、結果としてサファイア基板１の面方向の温度分布を均一に保つことができ、半導体装置の製造に用いる各種の膜を形成した後のサファイア基板１においても、その反りを抑制することができる。

以上説明したように、本実施例では、サファイア基板を大気中で昇温させるホットプレートと、ホットプレートと所定の設置間隔を隔てて設置されたホットプレートからの輻射熱を吸収する輻射熱吸収プレートとの間に、おもて面を輻射熱吸収プレートに対向させたサファイア基板を支持台の支持部により支持して配置するようにしたことによって、ホットプレートからサファイア基板を透過した輻射熱を輻射熱吸収プレートで吸収してサファイア基板の周囲の空気をサファイア基板の表裏の面から加熱することができ、空気を介した熱伝達によってサファイア基板をほぼ均一に予熱してサファイア基板の反りを抑制することができると共に、サファイア基板を昇温させることが必要な工程におけるホットプレートへのサファイア基板の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。

また、輻射熱吸収プレートの直径をサファイア基板の直径以上に設定したので、サファイア基板の周囲の空気を確実に加熱することができる。

図４は実施例２の半導体製造装置の断面を示す説明図、図５は実施例２の半導体製造装置の上面を示す説明図である。
なお、図４は図５に示すＢ−Ｂ断面線に沿った断面を示し、図５は図４に示すホットプレートとサファイア基板を取り除いた状態を示す上面図である。
また、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施例の半導体製造装置２においては、図４、図５に示すように上記実施例１の輻射熱吸収プレート８は省略されており、図４に示すようにホットプレート３のみがサファイア基板１の上方に所定の隙間を隔てて設置されている。
このような場合の、サファイア基板１の反り状態を把握するために、サファイア基板１の裏面から２ｍｍ程度離した位置に３８０℃に設定した加熱板を設置して大気圧状態での非接触による加熱の影響を確認した。

図６は非接触でサファイア基板１を昇温させたときの温度変化を示すグラフである。
なお、図６はサファイア基板の裏面と加熱板との隙間が２ｍｍとなっている以外は、上記図９の場合と同様である。
図６に示すように、サファイア基板１の温度上昇は、経過時間は異なるが図９の場合と同様の温度変化を示しており、２ｍｍ離した非接触による加熱においても、サファイア基板１を一方の面のみから加熱すれば加熱板に近い裏面と室温に曝されているおもて面とに温度差が生じて雰囲気温度が低い場合の予熱工程においてサファイア基板１に図９の場合と同様の反りが生ずることが判る。

この予熱工程におけるサファイア基板１の反りを抑制するために、本実施例の半導体製造装置２は以下のように構成されている。
図４において、２１は吸引穴であり、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、サファイア基板１を吸引して保持するための負圧を供給する負圧供給管２２に接続している。

また、本実施例の吸引穴２１は、後述する気体を噴出させる噴出穴としても機能する。
２３は負圧供給管２２に設けられた開閉バルブであり、吸引穴２１に供給する負圧供給管２２の管路を開閉する機能を有している。
２５は気体供給管であり、負圧供給管２２の開閉バルブ２３と吸引穴２１との間の負圧供給管２２に接続しており、噴出穴としての吸引穴２１から噴出させる窒素（Ｎ_２）ガスや乾燥空気等の気体を供給するパイプである。

２６は気体供給管２５の流量調整バルブであり、吸引穴２１から噴出させる気体の流量を調整する機能を有している。
本実施例のサファイア基板１は、直径６インチ、厚さ０．６ｍｍの基板であり、その外周部を支持部７の斜面７ａに当接させて支持され、そのときのサファイア基板１の裏面とホットプレート３の下面との隙間が２ｍｍとなるように設定されている。

また、ホットプレート３の設定温度は、３８０℃に設定されている。
上記の構成において、サファイア基板１の反りを抑制しながらサファイア基板１を昇温させた状態で半導体装置を製造する場合は、昇降装置１１の昇降軸１２の先端に取付けた支持台４の支持部７の斜面７ａに、サファイア基板１を載置し、昇降装置１１により支持台４をホットプレート３の方向に上昇させてホットプレート３とサファイア基板１の裏面との隙間が２ｍｍとなる位置に停止させる。

次いで、ホットプレート３を所定の設定温度（本実施例では、３８０℃）に加熱し、ホットプレート３とサファイア基板１との間の空間の空気を加熱し、空気を介した熱伝達によりサファイア基板１の裏面から熱を流入させてサファイア基板１の温度を上昇させると共に、気体供給管５から供給される気体を流量調整バルブ２６で流量を調整してホットプレート２の中心部に開口する吸引穴２１からサファイア基板１の裏面に向けて噴出させ、サファイア基板１の中心部の昇温速度を減少させる。

この場合に、噴出させる気体をホットプレート３を貫通する吸引穴２１から噴出させるので、噴出させる気体の温度は、流量調整バルブ２６による流量調整により制御する。
これにより、予熱工程におけるサファイア基板１の全体が、ほぼ均一な温度に昇温され、サファイア基板１が予熱される。
そして、サファイア基板１の温度が所定の予熱温度、例えば３３０℃以上に予熱された時に昇降軸１２を上昇させ、図７に示すように、サファイア基板１の裏面をホットプレート３の下面に接近させ、吸引穴２１からサファイア基板１の裏面に向けて噴出させながら所定の時間、例えば３分間停止させる。

これにより、予熱工程において成形時のバラツキや一方向からの加熱による裏面側に凸の反りが残留している場合に、保持工程においてサファイア基板１の中心の温度を低下させることによって、サファイア基板１の外周部をホットプレート３に近づけて、ホットプレート３へ当接させる際のサファイア基板１が平坦化される。
所定の時間の経過後に、流量調整バルブ２６を締切り、負圧供給管２２の開閉バルブ２３を開放して吸引穴２１に負圧を供給し、負圧によりサファイア基板１をホットプレート３に吸引して当接させ、サファイア基板１をホットプレート３に保持させる。

サファイア基板１の保持後に、昇降軸１２を降下させて支持台４の支持部７をサファイア基板１から退避させ、ホットプレート３に保持されたサファイア基板１に対する当該工程の所定の工程作業を開始する。
この場合に、サファイア基板１の所定の予熱温度および半導体製造装置２のホットプレート３の設定温度の限度は、上記実施例１の場合と同様である。

上記のように、本実施例の半導体製造装置２を用いた予熱工程においては、ホットプレート３の熱により昇温するサファイア基板１の中心部の昇温速度を噴出穴としての吸引穴２１から噴出させた気体により制御しながらサファイア基板１を昇温させるので、比較的熱伝導性が低いサファイア基板１においても、反りを抑制しながらサファイア基板１を均等に予熱することができる。

また、予熱時のサファイア基板に、成形時のバラツキや一方向からの加熱による裏面側に凸の反りが残留している場合に、サファイア基板１の保持工程においても吸引穴２１から気体を噴出してサファイア基板１の中心の温度を低下させることによって平坦化するので、サファイア基板１の裏面とホットプレート３の下面との接近によりサファイア基板１の中心のみが接触することによる反り（図８（ｂ）参照）を防止することができると共に、当該工程におけるホットプレート３へのサファイア基板１の保持を円滑にして、当該工程の工程作業の効率化を図ることができる。

更に、サファイア基板１上に半導体装置の製造に用いる各種の膜を形成した後の、予熱工程における輻射熱の吸収率が高くなった部位の反りを、気体により冷却しながら予熱することが可能になり、結果としてサファイア基板１の面方向の温度分布を均一に保ってサファイア基板１の反りを抑制することができる。
このことは、半導体装置の製造に用いる各種の膜の熱膨張が、サファイア基板１と異なる場合に生じる反りに対しても有効である。

以上説明したように、本実施例では、サファイア基板を大気中で昇温させるホットプレートの中心部に、サファイア基板に向けて気体を噴出する噴出穴を設けたことによって、ホットプレートにより昇温させられるサファイア基板を、その中心部の昇温速度を噴出穴から噴出させた気体により制御しながら昇温させることができ、サファイア基板の反りを抑制しながら均等に予熱することができると共に、サファイア基板を昇温させることが必要な工程におけるホットプレートへのサファイア基板の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。

なお、本実施例においては、噴出穴はホットプレートの中心部に設けるとして説明したが、ホットプレートの面内の複数箇所に厚さ方向の貫通穴を設けてこれらを噴出穴として用いるようにしてもよい。このようにすれば、予熱工程における温度制御性を更に高めることができる。
この場合に、複数の噴出穴を上記と同様に吸引穴と兼用して用いるようにしてもよい。

また、本実施例では、噴出穴を設けたホットプレートを単独で用いた場合を例に説明したが、上記実施例１の輻射熱吸収プレートをサファイア基板におもて面側に設置するようにしてもよい。
このようにすれば、実施例１において、サファイア基板上に形成した半導体装置の製造に用いる各種の膜の熱膨張がサファイア基板と異なる場合に生じる反りを抑制することができると共に、サファイア基板をホットプレートに保持させる際の保持工程のおいてサファイア基板の平坦性をより有効に保つことができ、ホットプレートへのサファイア基板の保持を更に円滑にして当該工程作業の効率化を更に図ることができる。

上記各実施例においては、本発明の半導体製造装置に投入するサファイア基板上の素子形成層は、シリコンで形成するとして説明したが、素子形成層は前記に限らず、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）等の結晶層をエピタキシャル成長させて形成した、トランジスタや発光ダイオード等の半導体素子を形成する素子形成層であってもよい。このようなサファイア基板を本発明の半導体製造装置に投入した場合においても本発明の半導体製造装置を用いれば上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施例においては、本発明の半導体製造装置は常圧ＣＶＤ装置であるとして説明したが、本発明を適用する半導体製造装置は前記に限らず、減圧ＣＶＤ装置や枚様式のプラズマＣＶＤ成膜装置、ランプ熱処理装置、フォトレジスト等の剥離装置、エッチング装置等であってもよい。要は比較的低い雰囲気温度でサファイア基板やそれを用いたサファイアウェハを加熱しながら工程作業を行う必要のある工程に本発明の半導体製造装置を適用すれば上記と同様の効果を得ることができる。

実施例１の半導体製造装置の断面を示す説明図 実施例１の半導体製造装置の上面を示す説明図 実施例１のサファイア基板を非接触で昇温させたときの温度変化を示すグラフ 実施例２の半導体製造装置の断面を示す説明図 実施例２の半導体製造装置の上面を示す説明図 サファイア基板を非接触で昇温させたときの温度変化を示すグラフ サファイア基板の保持工程を示す説明図 サファイア基板の反りの様子を示す説明図 サファイア基板を非接触で昇温させたときの温度変化を示すグラフ サファイア基板の熱膨張特性を示すグラフ

符号の説明

１ サファイア基板
２ 半導体製造装置
３ ホットプレート
４ 支持台
５ 支持板
６ アーム
６ａ 段部
７ 支持部
７ａ 斜面
８ 輻射熱吸収プレート
９ 締結手段
１１ 昇降装置
１２ 昇降軸
２１ 吸引穴
２２ 負圧供給管
２３ 開閉バルブ
２５ 気体供給管
２６ 流量調整バルブ

Claims (6)

1. サファイア基板を大気中で昇温させるホットプレートと、
   前記ホットプレートと所定の間隔を隔てて設置された支持板と、前記サファイア基板を、前記ホットプレートと前記支持板との間に所定の間隔を隔てて支持すると共に、前記ホットプレートと前記サファイア基板の裏面とが対向するように支持する支持部を設けた支持台と、
   前記支持台を昇降させる昇降装置と、
   前記支持板上に、前記サファイア基板と所定の間隔を隔てると共に、前記サファイア基板のおもて面と対向するように配置され、前記ホットプレートからの輻射熱を吸収する輻射熱吸収プレートとを備え、
   前記ホットプレートに、前記サファイア基板に向けて気体を噴出する噴出穴を設けたことを特徴とする半導体製造装置。
2. 請求項１において、
   前記ホットプレートと、前記輻射熱吸収プレートとの設置間隔を、５ｍｍ以下としたことを特徴とする半導体製造装置。
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、雰囲気温度より３００℃以上高く設定されていることを特徴とする半導体製造装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記輻射熱吸収プレートの外径が、前記サファイア基板の外径以上であることを特徴とする半導体製造装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項において、
   前記輻射熱吸収プレートは、アルミニウムにより構成されていることを特徴とする半導体製造装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の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、そのおもて面を前記輻射熱吸収プレートに対向させて、前記ホットプレートと前記輻射熱吸収プレートとの間に支持させる工程と、
   前記ホットプレートを加熱し、その輻射熱で前記輻射熱吸収プレートを加熱して、前記サファイア基板を昇温させる工程と、
   前記支持台を、前記昇降装置により上昇させ、昇温された前記サファイア基板の裏面を前記ホットプレートに接近させる工程と、
   該サファイア基板の裏面に向けて前記噴出穴から気体を噴出させる工程と、
   前記サファイア基板を前記ホットプレートに当接させる工程と、
   前記ホットプレートに当接させた前記サファイア基板に対して、工程作業を行う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。