JP2004014543A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プロセスチューブの熱変形を防止する。
【解決手段】石英が使用され上端閉塞の円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室36を形成するプロセスチューブ35と、プロセスチューブ35の外部に敷設されたヒータ33と、プロセスチューブ35とヒータ33との間に敷設された均熱チューブ34と、複数枚のウエハWを保持し処理室に搬入搬出するボート21とを備えたホットウオール形熱処理装置10において、プロセスチューブ35には自重による熱変形に対して抵抗力を持つ天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されている。
【効果】プロセスチューブで内部粘性流動が起こる状況になってもプロセスチューブの自重による熱変形を天井部補強リブと胴部補強リブにより防止でき、プロセスチューブの寿命を延長でき、熱処理装置の運用コストを低減できる。
【選択図】 図4
【解決手段】石英が使用され上端閉塞の円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室36を形成するプロセスチューブ35と、プロセスチューブ35の外部に敷設されたヒータ33と、プロセスチューブ35とヒータ33との間に敷設された均熱チューブ34と、複数枚のウエハWを保持し処理室に搬入搬出するボート21とを備えたホットウオール形熱処理装置10において、プロセスチューブ35には自重による熱変形に対して抵抗力を持つ天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されている。
【効果】プロセスチューブで内部粘性流動が起こる状況になってもプロセスチューブの自重による熱変形を天井部補強リブと胴部補強リブにより防止でき、プロセスチューブの寿命を延長でき、熱処理装置の運用コストを低減できる。
【選択図】 図4
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、例えば、半導体集積回路装置(以下、ICという。)が作り込まれる半導体ウエハ(以下、ウエハという。)に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローおよびアニール等の熱処理(thermal treatment)を施す熱処理装置(furnace)に利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ICの製造方法におけるアニール等の熱処理には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置(以下、ホットウオール形熱処理装置という。)が、広く使用されている。ホットウオール形熱処理装置は、石英が使用されて上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、処理室内の温度の均一化および汚染低減のためにプロセスチューブとヒータとの間に敷設された均熱チューブ(均熱管)と、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートとを備えており、処理室内に炉口から搬入されたボート上のウエハ群をヒータによって加熱することにより、ウエハ群に熱処理を一括して施すように構成されている。
【0003】
従来のホットウオール形熱処理装置のプロセスチューブは、不純物が少なく汚染源にならないこと、熱膨張係数が小さいこと、透過率が高いこと等の理由から石英が使用されて形成されている。この石英からなるプロセスチューブの天井壁は、図1(a)に示されているように平板形状や、図1(b)に示されているように彎曲面形状に形成されている場合が多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、石英からなるプロセスチューブにおいては、熱処理温度が900℃以上になるとプロセスチューブの内部において粘性流動が始まるため、図2に矢印Aで示されているように、天井壁が窪んだり、図2に矢印Bで示されているように、胴部が膨んだり、図2に矢印Cで示されているように、胴部が縮んだりする変形が発生するという問題点がある。このようなプロセスチューブの変形は熱処理温度が高くなるほど顕著になり、1000℃以上の歪点や徐冷点領域では内部粘性流動が著しくなるため、自重によるクリープ変形を起こす場合がある。また、このような変形は石英の材料の組成にも影響される。一般に、不純物の含有量が天然石英に比べて少ない合成石英が使用されたプロセスチューブは、OH基の含有量が多くて粘性が高いため、変形が発生し易い。
【0005】
処理の内容にもよるが、概ね、熱処理は1200℃付近の温度帯域で実施されるため、石英からなるプロセスチューブの内部粘性流動は充分に起こり得る状況になる。そして、自重によるクリープ変形が発生して進行すると、プロセスチューブの強度低下による破損やボートとの干渉による破損が引き起こされる。特に、水素(H2 )等の爆発性のガスが使用される場合には、プロセスチューブの破損がガス爆発の原因になるため、注意を要する。また、ホットウオール形熱処理装置のタクトタイムを短縮するために、ヒータの内部の温度が急速に上昇されたり降下されたりする場合には、プロセスチューブに大きな熱応力が作用するので、プロセスチューブの強度の低下が問題となる。
【0006】
なお、プロセスチューブの肉厚は3mm〜8mmが一般的である。これを厚く設定すると、石英からなるプロセスチューブの自重による熱変形に対しては有利となるが、石英からなるプロセスチューブの処理室における熱の応答性が損なわれるため、ホットウオール形熱処理装置のタクトタイムが長くなってしまうという問題点がある。
【0007】
本発明の目的は、プロセスチューブの寿命を延長して、ランニングコストを低減することができるとともに、安全性や稼働率が高い半導体製造装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体製造装置は、補強リブが胴部に長手方向に伸びるように敷設されたプロセスチューブを備えていることを特徴とする。
【0009】
前記した手段によれば、プロセスチューブに補強リブが敷設されているため、プロセスチューブの内部粘性流動が起こり得る状況になったとしても、プロセスチューブの自重による熱変形が発生するのを防止することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【0011】
本実施の形態において、図3および図4に示されているように、本発明に係る半導体製造装置は、ICの製造方法における熱処理工程を実施するホットウオール形熱処理装置(バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置)10として構成されている。
【0012】
図3および図4に示されたホットウオール形熱処理装置10は略立方体の気密室を形成する箱形状に構築された筐体11を備えており、筐体11の気密室はボート21が処理室への搬入搬出に対して待機する待機室12を構成している。待機室12にはボート21を昇降させるボートエレベータ13が設置されており、ボートエレベータ13は送りねじ軸装置によって構成されている。すなわち、ボートエレベータ13は待機室12に垂直に立脚されて回転自在に支承された送りねじ軸14と、待機室12の外部に設置されて送りねじ軸14を回転駆動するモータ15と、送りねじ軸14に噛合されて送りねじ軸14の回転に伴って昇降する昇降台16と、昇降台16に水平に突設された支持アーム17とを備えている。支持アーム17の先端部には処理室を閉塞するシールキャップ20が水平に支持されており、シールキャップ20はプロセスチューブ35の外径と略等しい円盤形状に構築されている。シールキャップ20の中心線上にはボート21が垂直に立脚されてベース19を介して支持されるようになっている。
【0013】
ボート21は上下で一対の端板22、23と、両端板22と23との間に架設されて垂直に配設された三本の保持部材24とを備えており、三本の保持部材24には多数の保持溝25が長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように刻設されている。ボート21は三本の保持部材24の保持溝25間にウエハWを挿入されることにより、複数枚のウエハWを水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。ボート21とシールキャップ20との間には内部に断熱材が封入された断熱キャップ部26が配置されており、断熱キャップ部26はボート21をシールキャップ20の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート21の下端を処理室の炉口の位置から適当な距離だけ離間させるように構成されている。
【0014】
待機室12の天井壁におけるボート21の真上にはボート搬入搬出口30が開設されており、待機室12の天井壁の上にはスカベンジャ31がボート搬入搬出口30を取り囲むように構築されている。スカベンジャ31の上には上端が閉塞した円筒形状に形成された断熱槽32が同心円に配置されて垂直に立ち上げられており、断熱槽32の内周には電気抵抗体からなるヒータ33が螺旋状に敷設されている。ヒータ33は温度コントローラによってシーケンス制御およびフィードバック制御されるように構成されている。
【0015】
ヒータ33の内側には均熱チューブ34が同心円に配されてスカベンジャ31の上に垂直に立脚されており、均熱チューブ34の内側にはプロセスチューブ35が同心円に配置されている。均熱チューブ34は炭化シリコン(SiC)または石英が使用されて外径がヒータ33の内径よりも小さく上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、プロセスチューブ35にその外側を取り囲むように同心円に被せられている。プロセスチューブ35はボート搬入搬出口30に同心円に配置されて筐体11の待機室12の天井壁に支持されており、プロセスチューブ35の下端部と均熱チューブ34の下端部との間はスカベンジャ31によって気密封止されている。
【0016】
プロセスチューブ35は石英ガラスが使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ35の筒中空部はボート21によって長く整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室36を形成しており、プロセスチューブ35の下端開口はウエハを出し入れするための炉口37を構成している。プロセスチューブ35の内径は取り扱うウエハの最大外径(例えば、三百mm)よりも大きくなるように設定されている。プロセスチューブ35の下端部には排気管38が接続されており、排気管38は排気装置(図示せず)に接続されて処理室36を排気し得るようになっている。スカベンジャ31には原料ガスやキャリアガス等を供給するためのガス供給装置40に接続されたガス導入管39が挿入されており、ガス導入管39はプロセスチューブ35の側面に沿って上方に敷設されて、プロセスチューブ35の天井部35aの上に形成されたバッファ室41に連通するように接続されている。プロセスチューブ35の天井部35aにおけるバッファ室41の内部には、複数個のガス噴出口42が開設されており、ガス導入管39からバッファ室41に導入されたガスはバッファ室41において拡散し、複数個のガス噴出口42から処理室36へシャワー状に吹き出すようになっている。ガス噴出口42群から処理室36の上端部に導入されたガスは、プロセスチューブ35の処理室36を流下して排気管38によって排気される。
【0017】
図5に詳しく示されているように、プロセスチューブ35には自重による熱変形に対して抵抗力を持つ天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されており、天井部補強リブ51および胴部補強リブ61はプロセスチューブ35と同質の石英が使用されて略矩形の平板形状に形成されている。天井部補強リブ51はプロセスチューブ35の天井部35aの垂れに対して抵抗力を持つように設定されており、天井部35aの彎曲面に沿った円弧を有する平板形状に形成されて天井部35aの中心を中心とする十文字形状に配置されて、天井部35aの表面に略一定幅一定高さをもって直角に溶着されている。胴部補強リブ61はプロセスチューブ35の胴部35bの座屈および長手方向の縮みに対して抵抗力を持つように断面二次モーメントが大きく設定されており、四枚の矩形の平板形状に形成されてプロセスチューブ35の胴部35bの外周における天井部補強リブ51の四箇所の下端に連続する位置においてプロセスチューブ35の外周面に直角に溶着されている。胴部補強リブ61の下端の位置はヒータ33の下端位置と略対応されている。これは次の理由による。ヒータ33によって加熱されるプロセスチューブ35の上部においては粘性流動が発生するのに対して、ヒータ33によって加熱されないプロセスチューブ35の下端部においては粘性流動は発生しない。その結果、胴部補強リブ61が温度差のある部位を跨ぐように敷設されていると、胴部補強リブ61がプロセスチューブ35の熱膨張を拘束する状態になるため、プロセスチューブ35に内部応力を発生させてしまうことになる。このプロセスチューブ35における内部応力の発生を防止するために、胴部補強リブ61は温度差のある部位を跨ぐように敷設しないことが望ましい。
【0018】
次に、前記構成に係るホットウオール形熱処理装置を使用してエピタキシャルウエハの代用品としての無欠陥層(DZ)ウエハ(以下、DZウエハという。)を製造するアニール工程について、図6に即して説明する。
【0019】
図3に示されているように、これからアニール処理すべき複数枚のウエハWは待機室12において待機しているボート21に図示しないウエハ移載装置(wafer transfer equipment )によって装填される。この際、プロセスチューブ35の炉口37はシャッタ18によって閉塞されているため、処理室36の熱気が待機室12に侵入することはない。
【0020】
所定の枚数が装填されると、図6に示されたボートローディングステップにおいて、ボート21はエレベータ13によって差し上げられてプロセスチューブ35の炉口37から処理室36に搬入(ボートローディング)され、図4に示されているように、シールキャップ20に支持されたままの状態で処理室36に存置される。図6に示されているように、昇温ステップが開始するまでは、処理室36の温度は予め設定されたスタンバイ温度である600℃に維持されている。
【0021】
ボート21が処理室36に存置されると、処理室36はヒータ33によって加熱されることにより、図6に示された昇温ステップの温度シーケンスをもって昇温されて行く。この際、ヒータ33のシーケンス制御の目標温度と処理室36の実際の上昇温度との誤差はフィードバック制御によって補正される。
【0022】
図6に示されているように、処理室36の温度がアニール処理の適当な温度として予め設定された高温処理ステップの1200℃に達すると、処理室36の温度は1200℃の一定温度に維持される。この際、プロセスチューブ35に内部粘性流動が起こったとしても、プロセスチューブ35には天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されているため、プロセスチューブ35の自重による熱変形の発生は防止されることになる。
【0023】
図6に示されているように、予め設定された高温処理ステップの処理時間である120分が経過すると、処理室36の温度は図6に示された降温ステップの温度シーケンスをもって降温されて行く。この際、プロセスチューブ35の熱容量は天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設された分だけ大きくなっているが、プロセスチューブ35の外面に敷設された天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が冷却フィンと同じ働きを果たすため、プロセスチューブ35の処理室36の温度を降下させる時間の延長を抑えることができる。
【0024】
処理室36の温度が予め設定されたスタンバイ温度である600℃になると、一定に維持される。処理室36の温度がスタンバイ温度になると、ボートアンローディングステップにおいて、シールキャップ20がボートエレベータ13によって下降されて炉口37が開口されるとともに、ボート21に保持された状態で処理済みのウエハW群が処理室36から待機室12に搬出される。図3に示されているように、ボート21が待機室12に搬出されると、処理室36の炉口37はシャッタ18によって閉塞され、処理済みのウエハWがボート21からウエハ移載装置によって脱装(ディスチャージング)される。
【0025】
以上のアニール工程において、図6に示されているように、アルゴン(Ar)ガスがアニールガスとして昇温ステップの開始から降温ステップの終了まで10〜40SLM(スタンダード・リットル・毎分)をもって流される。
【0026】
ところで、DZウエハをアニール処理によって製造する方法においては、アニールガスとしては水素ガスまたはアルゴンガスが使用される。水素ガスが使用される場合は、アルゴンガスが使用される場合に比べて無欠陥層の深さを深くすることができる。すなわち、水素は高温下では還元作用があり、ウエハのシリコン(Si)や酸化膜および石英の酸素(O2)と反応してH2Oになる。また、高温下ではウエハから気相中に酸素が拡散する。このようにシリコン中に固溶している酸素が無くなることにより、DZウエハが製造されることになる。
【0027】
しかし、次のような理由で、本実施の形態に係るDZウエハの製造方法においては、アルゴンガスが使用される。
1) アルゴンガスによるアニール処理によってもDZウエハを製造することができる。
2) アルゴンガスは水素ガスに比べて設備費用を低減することができる。
3) アルゴンガスのアニール処理は水素ガスのアニール処理に比べて汚染が少ない。すなわち、石英からなるプロセスチューブが水素ガスの還元作用によって削られることにより、プロセスチューブの石英中の汚染元素が気相(処理室)に出てきてしまい、この出てきた汚染元素がウエハに付着することにより、ウエハが汚染されることになる。これに対して、不活性ガスであるアルゴンガスはウエハと反応しないため、高温になったことによるウエハからの不純物の気相中への拡散によってDZウエハが製造されることになる。
【0028】
本実施の形態によれば、次の効果を得ることができる。
【0029】
1) プロセスチューブの外面に天井部補強リブおよび胴部補強リブを敷設することにより、プロセスチューブの機械的強度を高めることができるため、プロセスチューブの内部粘性流動が起こり得る状況になったとしても、プロセスチューブの自重による熱変形の発生を防止することができる。その結果、プロセスチューブの寿命を延長することができ、ひいては、ICの製造方法のランニングコストを低減することができる。
【0030】
2) 高温下におけるプロセスチューブの熱変形の発生を防止することにより、純度が高くウエハに対する汚染レベルが低いにもかかわらず従来は粘性が高いために高温に不向きとされている合成石英をプロセスチューブへの使用を実現させることができる。その結果、熱処理の精度を高めることができ、ひいては、ICの製造方法の歩留りやスループットを高めることができる。
【0031】
3) プロセスチューブの外面に敷設された天井部補強リブおよび胴部補強リブが冷却フィンと同じ働きを果たすことにより、プロセスチューブの処理室の温度を降下させる時間を短縮することができるため、熱処理工程全体のタクトタイムを短縮することができる。
【0032】
4) プロセスチューブの外面に天井部補強リブおよび胴部補強リブに敷設することにより、プロセスチューブの内側表面と外側表面との温度差による熱応力に対してプロセスチューブの剛性を高めることができるため、冷却ユニットによってヒータの内部(断熱層と均熱チューブとの間の空間)を強制的に排気して急速冷却させて、プロセスチューブの処理室の温度を降下させる時間を短縮することができ、熱処理工程全体のタクトタイムをより一層短縮することができる。
【0033】
5) プロセスチューブの熱変形の発生を未然に防止することにより、プロセスチューブの破損や変形によるボートへの干渉等を防止することができるため、それら破損や干渉による二次災害の発生を回避することができ、ホットウオール形熱処理装置およびその操業による熱処理工程の安全性を高めることができる。
【0034】
6) 胴部補強リブの下端の位置をヒータの下端位置と略対応させることにより、ヒータによって加熱されるプロセスチューブの上部とヒータによって加熱されないプロセスチューブの下端部との間に温度差が発生したとしても、胴部補強リブがプロセスチューブの熱膨張を拘束する状態になるのを回避してプロセスチューブに内部応力を発生させてしまうのを防止することができるため、胴部補強リブを敷設したことによるプロセスチューブの破損等の弊害の発生を防止することができる。
【0035】
なお、プロセスチューブに敷設する補強リブは前記実施の形態のように構成するに限らず、例えば、図7以降に示されているように構成してもよい。
【0036】
図7に示された第二の実施の形態に係るプロセスチューブ35Aが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に円形リング形状の胴部補強リブ(以下、補強フランジという。)62が二枚、軸方向に間隔をとって水平に連結されている点である。二枚の補強フランジ62はプロセスチューブの胴部35bの膨らみを防止する役目を果たすとともに、垂直方向に伸びた二枚の胴部補強リブ61の横倒れを防止する役目を果たす。
【0037】
図8に示された第三の実施の形態に係るプロセスチューブ35Bが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が六枚に増加されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0038】
図9に示された第四の実施の形態に係るプロセスチューブ35Cが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が六枚に増加されている点、六枚の胴部補強リブ61の下端がプロセスチューブの下端に突設されたフランジ35cに連結されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。六枚の胴部補強リブ61は下端に連結されたプロセスチューブのフランジ35cによって横倒れを防止される。
【0039】
図10図に示された第五の実施の形態に係るプロセスチューブ35Dが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に補強フランジ62が水平に連結されている点、天井部35aが水平に形成されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0040】
図11図に示された第六の実施の形態に係るプロセスチューブ35Eが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の下端がプロセスチューブのフランジ35cに連結水平に連結されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に補助フランジ62が水平に連結されている点、天井部35aが水平に形成されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0041】
図12図に示された第七の実施の形態に係るプロセスチューブ35Fが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61およびバッファ室41が省略されている点である。
【0042】
図13図に示された第八の実施の形態に係るプロセスチューブ35Gが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61およびバッファ室41が省略されている点、天井部35aが水平に形成されている点、略矩形の平板形状の天井部補強リブ52が二枚、互いに平行に敷設されている点である。
【0043】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【0044】
例えば、アニールガスとしては、アルゴンガスを使用するに限らず、水素ガスを使用してもよい。
【0045】
また、DZウエハを製造するのに使用するに限らず、SOI(silicon on insulator)ウエハを製造するのに使用してもよい。
【0046】
本発明は、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置に限らず、縦形ホットウオール形減圧CVD装置等の熱処理装置全般に適用することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プロセスチューブの寿命を延長して、ランニングコストを低減することができるとともに、安全性や稼働率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のプロセスチューブを示す各正面図であり、(a)は天井部が平板形状のプロセスチューブを示しており、(b)は天井部が彎曲面形状のプロセスチューブを示している。
【図2】従来のプロセスチューブの熱変形を示す正面断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態であるホットウオール形熱処理装置のボートローディングステップ前を示す正面断面図である。
【図4】その熱処理ステップを示す正面断面図である。
【図5】プロセスチューブの第一の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図6】本発明の一実施の形態であるICの製造方法におけるアニール工程の温度シーケンスを示すグラフである。
【図7】プロセスチューブの第二の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図8】プロセスチューブの第三の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図9】プロセスチューブの第四の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図10】プロセスチューブの第五の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図11】プロセスチューブの第六の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図12】プロセスチューブの第七の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図13】プロセスチューブの第八の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【符号の説明】
W…ウエハ(基板)、10…ホットウオール形熱処理装置(半導体製造装置)、11…筐体、12…待機室、13…ボートエレベータ、14…送りねじ軸、15…モータ、16…昇降台、17…支持アーム、18…シャッタ、19…ベース、20…シールキャップ、21…ボート、22、23…端板、24…保持部材、25…保持溝、26…断熱キャップ部、30…ボート搬入搬出口、31…スカベンジャ、32…断熱槽、33…ヒータ、34…均熱チューブ、35、35A〜35G…プロセスチューブ、35a…天井部、35b…胴部、35c…フランジ、36…処理室、37…炉口、38…排気管、39…ガス導入管、40…ガス供給装置、41…バッファ室、42…ガス噴出口、51…天井部補強リブ、52…矩形の平板形状の天井部補強リブ、61…胴部補強リブ、62…補強フランジ(胴部補強リブ)。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に関し、例えば、半導体集積回路装置(以下、ICという。)が作り込まれる半導体ウエハ(以下、ウエハという。)に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローおよびアニール等の熱処理(thermal treatment)を施す熱処理装置(furnace)に利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ICの製造方法におけるアニール等の熱処理には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置(以下、ホットウオール形熱処理装置という。)が、広く使用されている。ホットウオール形熱処理装置は、石英が使用されて上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、処理室内の温度の均一化および汚染低減のためにプロセスチューブとヒータとの間に敷設された均熱チューブ(均熱管)と、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートとを備えており、処理室内に炉口から搬入されたボート上のウエハ群をヒータによって加熱することにより、ウエハ群に熱処理を一括して施すように構成されている。
【0003】
従来のホットウオール形熱処理装置のプロセスチューブは、不純物が少なく汚染源にならないこと、熱膨張係数が小さいこと、透過率が高いこと等の理由から石英が使用されて形成されている。この石英からなるプロセスチューブの天井壁は、図1(a)に示されているように平板形状や、図1(b)に示されているように彎曲面形状に形成されている場合が多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、石英からなるプロセスチューブにおいては、熱処理温度が900℃以上になるとプロセスチューブの内部において粘性流動が始まるため、図2に矢印Aで示されているように、天井壁が窪んだり、図2に矢印Bで示されているように、胴部が膨んだり、図2に矢印Cで示されているように、胴部が縮んだりする変形が発生するという問題点がある。このようなプロセスチューブの変形は熱処理温度が高くなるほど顕著になり、1000℃以上の歪点や徐冷点領域では内部粘性流動が著しくなるため、自重によるクリープ変形を起こす場合がある。また、このような変形は石英の材料の組成にも影響される。一般に、不純物の含有量が天然石英に比べて少ない合成石英が使用されたプロセスチューブは、OH基の含有量が多くて粘性が高いため、変形が発生し易い。
【0005】
処理の内容にもよるが、概ね、熱処理は1200℃付近の温度帯域で実施されるため、石英からなるプロセスチューブの内部粘性流動は充分に起こり得る状況になる。そして、自重によるクリープ変形が発生して進行すると、プロセスチューブの強度低下による破損やボートとの干渉による破損が引き起こされる。特に、水素(H2 )等の爆発性のガスが使用される場合には、プロセスチューブの破損がガス爆発の原因になるため、注意を要する。また、ホットウオール形熱処理装置のタクトタイムを短縮するために、ヒータの内部の温度が急速に上昇されたり降下されたりする場合には、プロセスチューブに大きな熱応力が作用するので、プロセスチューブの強度の低下が問題となる。
【0006】
なお、プロセスチューブの肉厚は3mm〜8mmが一般的である。これを厚く設定すると、石英からなるプロセスチューブの自重による熱変形に対しては有利となるが、石英からなるプロセスチューブの処理室における熱の応答性が損なわれるため、ホットウオール形熱処理装置のタクトタイムが長くなってしまうという問題点がある。
【0007】
本発明の目的は、プロセスチューブの寿命を延長して、ランニングコストを低減することができるとともに、安全性や稼働率が高い半導体製造装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体製造装置は、補強リブが胴部に長手方向に伸びるように敷設されたプロセスチューブを備えていることを特徴とする。
【0009】
前記した手段によれば、プロセスチューブに補強リブが敷設されているため、プロセスチューブの内部粘性流動が起こり得る状況になったとしても、プロセスチューブの自重による熱変形が発生するのを防止することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【0011】
本実施の形態において、図3および図4に示されているように、本発明に係る半導体製造装置は、ICの製造方法における熱処理工程を実施するホットウオール形熱処理装置(バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置)10として構成されている。
【0012】
図3および図4に示されたホットウオール形熱処理装置10は略立方体の気密室を形成する箱形状に構築された筐体11を備えており、筐体11の気密室はボート21が処理室への搬入搬出に対して待機する待機室12を構成している。待機室12にはボート21を昇降させるボートエレベータ13が設置されており、ボートエレベータ13は送りねじ軸装置によって構成されている。すなわち、ボートエレベータ13は待機室12に垂直に立脚されて回転自在に支承された送りねじ軸14と、待機室12の外部に設置されて送りねじ軸14を回転駆動するモータ15と、送りねじ軸14に噛合されて送りねじ軸14の回転に伴って昇降する昇降台16と、昇降台16に水平に突設された支持アーム17とを備えている。支持アーム17の先端部には処理室を閉塞するシールキャップ20が水平に支持されており、シールキャップ20はプロセスチューブ35の外径と略等しい円盤形状に構築されている。シールキャップ20の中心線上にはボート21が垂直に立脚されてベース19を介して支持されるようになっている。
【0013】
ボート21は上下で一対の端板22、23と、両端板22と23との間に架設されて垂直に配設された三本の保持部材24とを備えており、三本の保持部材24には多数の保持溝25が長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように刻設されている。ボート21は三本の保持部材24の保持溝25間にウエハWを挿入されることにより、複数枚のウエハWを水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。ボート21とシールキャップ20との間には内部に断熱材が封入された断熱キャップ部26が配置されており、断熱キャップ部26はボート21をシールキャップ20の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート21の下端を処理室の炉口の位置から適当な距離だけ離間させるように構成されている。
【0014】
待機室12の天井壁におけるボート21の真上にはボート搬入搬出口30が開設されており、待機室12の天井壁の上にはスカベンジャ31がボート搬入搬出口30を取り囲むように構築されている。スカベンジャ31の上には上端が閉塞した円筒形状に形成された断熱槽32が同心円に配置されて垂直に立ち上げられており、断熱槽32の内周には電気抵抗体からなるヒータ33が螺旋状に敷設されている。ヒータ33は温度コントローラによってシーケンス制御およびフィードバック制御されるように構成されている。
【0015】
ヒータ33の内側には均熱チューブ34が同心円に配されてスカベンジャ31の上に垂直に立脚されており、均熱チューブ34の内側にはプロセスチューブ35が同心円に配置されている。均熱チューブ34は炭化シリコン(SiC)または石英が使用されて外径がヒータ33の内径よりも小さく上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、プロセスチューブ35にその外側を取り囲むように同心円に被せられている。プロセスチューブ35はボート搬入搬出口30に同心円に配置されて筐体11の待機室12の天井壁に支持されており、プロセスチューブ35の下端部と均熱チューブ34の下端部との間はスカベンジャ31によって気密封止されている。
【0016】
プロセスチューブ35は石英ガラスが使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ35の筒中空部はボート21によって長く整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室36を形成しており、プロセスチューブ35の下端開口はウエハを出し入れするための炉口37を構成している。プロセスチューブ35の内径は取り扱うウエハの最大外径(例えば、三百mm)よりも大きくなるように設定されている。プロセスチューブ35の下端部には排気管38が接続されており、排気管38は排気装置(図示せず)に接続されて処理室36を排気し得るようになっている。スカベンジャ31には原料ガスやキャリアガス等を供給するためのガス供給装置40に接続されたガス導入管39が挿入されており、ガス導入管39はプロセスチューブ35の側面に沿って上方に敷設されて、プロセスチューブ35の天井部35aの上に形成されたバッファ室41に連通するように接続されている。プロセスチューブ35の天井部35aにおけるバッファ室41の内部には、複数個のガス噴出口42が開設されており、ガス導入管39からバッファ室41に導入されたガスはバッファ室41において拡散し、複数個のガス噴出口42から処理室36へシャワー状に吹き出すようになっている。ガス噴出口42群から処理室36の上端部に導入されたガスは、プロセスチューブ35の処理室36を流下して排気管38によって排気される。
【0017】
図5に詳しく示されているように、プロセスチューブ35には自重による熱変形に対して抵抗力を持つ天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されており、天井部補強リブ51および胴部補強リブ61はプロセスチューブ35と同質の石英が使用されて略矩形の平板形状に形成されている。天井部補強リブ51はプロセスチューブ35の天井部35aの垂れに対して抵抗力を持つように設定されており、天井部35aの彎曲面に沿った円弧を有する平板形状に形成されて天井部35aの中心を中心とする十文字形状に配置されて、天井部35aの表面に略一定幅一定高さをもって直角に溶着されている。胴部補強リブ61はプロセスチューブ35の胴部35bの座屈および長手方向の縮みに対して抵抗力を持つように断面二次モーメントが大きく設定されており、四枚の矩形の平板形状に形成されてプロセスチューブ35の胴部35bの外周における天井部補強リブ51の四箇所の下端に連続する位置においてプロセスチューブ35の外周面に直角に溶着されている。胴部補強リブ61の下端の位置はヒータ33の下端位置と略対応されている。これは次の理由による。ヒータ33によって加熱されるプロセスチューブ35の上部においては粘性流動が発生するのに対して、ヒータ33によって加熱されないプロセスチューブ35の下端部においては粘性流動は発生しない。その結果、胴部補強リブ61が温度差のある部位を跨ぐように敷設されていると、胴部補強リブ61がプロセスチューブ35の熱膨張を拘束する状態になるため、プロセスチューブ35に内部応力を発生させてしまうことになる。このプロセスチューブ35における内部応力の発生を防止するために、胴部補強リブ61は温度差のある部位を跨ぐように敷設しないことが望ましい。
【0018】
次に、前記構成に係るホットウオール形熱処理装置を使用してエピタキシャルウエハの代用品としての無欠陥層(DZ)ウエハ(以下、DZウエハという。)を製造するアニール工程について、図6に即して説明する。
【0019】
図3に示されているように、これからアニール処理すべき複数枚のウエハWは待機室12において待機しているボート21に図示しないウエハ移載装置(wafer transfer equipment )によって装填される。この際、プロセスチューブ35の炉口37はシャッタ18によって閉塞されているため、処理室36の熱気が待機室12に侵入することはない。
【0020】
所定の枚数が装填されると、図6に示されたボートローディングステップにおいて、ボート21はエレベータ13によって差し上げられてプロセスチューブ35の炉口37から処理室36に搬入(ボートローディング)され、図4に示されているように、シールキャップ20に支持されたままの状態で処理室36に存置される。図6に示されているように、昇温ステップが開始するまでは、処理室36の温度は予め設定されたスタンバイ温度である600℃に維持されている。
【0021】
ボート21が処理室36に存置されると、処理室36はヒータ33によって加熱されることにより、図6に示された昇温ステップの温度シーケンスをもって昇温されて行く。この際、ヒータ33のシーケンス制御の目標温度と処理室36の実際の上昇温度との誤差はフィードバック制御によって補正される。
【0022】
図6に示されているように、処理室36の温度がアニール処理の適当な温度として予め設定された高温処理ステップの1200℃に達すると、処理室36の温度は1200℃の一定温度に維持される。この際、プロセスチューブ35に内部粘性流動が起こったとしても、プロセスチューブ35には天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設されているため、プロセスチューブ35の自重による熱変形の発生は防止されることになる。
【0023】
図6に示されているように、予め設定された高温処理ステップの処理時間である120分が経過すると、処理室36の温度は図6に示された降温ステップの温度シーケンスをもって降温されて行く。この際、プロセスチューブ35の熱容量は天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が敷設された分だけ大きくなっているが、プロセスチューブ35の外面に敷設された天井部補強リブ51および胴部補強リブ61が冷却フィンと同じ働きを果たすため、プロセスチューブ35の処理室36の温度を降下させる時間の延長を抑えることができる。
【0024】
処理室36の温度が予め設定されたスタンバイ温度である600℃になると、一定に維持される。処理室36の温度がスタンバイ温度になると、ボートアンローディングステップにおいて、シールキャップ20がボートエレベータ13によって下降されて炉口37が開口されるとともに、ボート21に保持された状態で処理済みのウエハW群が処理室36から待機室12に搬出される。図3に示されているように、ボート21が待機室12に搬出されると、処理室36の炉口37はシャッタ18によって閉塞され、処理済みのウエハWがボート21からウエハ移載装置によって脱装(ディスチャージング)される。
【0025】
以上のアニール工程において、図6に示されているように、アルゴン(Ar)ガスがアニールガスとして昇温ステップの開始から降温ステップの終了まで10〜40SLM(スタンダード・リットル・毎分)をもって流される。
【0026】
ところで、DZウエハをアニール処理によって製造する方法においては、アニールガスとしては水素ガスまたはアルゴンガスが使用される。水素ガスが使用される場合は、アルゴンガスが使用される場合に比べて無欠陥層の深さを深くすることができる。すなわち、水素は高温下では還元作用があり、ウエハのシリコン(Si)や酸化膜および石英の酸素(O2)と反応してH2Oになる。また、高温下ではウエハから気相中に酸素が拡散する。このようにシリコン中に固溶している酸素が無くなることにより、DZウエハが製造されることになる。
【0027】
しかし、次のような理由で、本実施の形態に係るDZウエハの製造方法においては、アルゴンガスが使用される。
1) アルゴンガスによるアニール処理によってもDZウエハを製造することができる。
2) アルゴンガスは水素ガスに比べて設備費用を低減することができる。
3) アルゴンガスのアニール処理は水素ガスのアニール処理に比べて汚染が少ない。すなわち、石英からなるプロセスチューブが水素ガスの還元作用によって削られることにより、プロセスチューブの石英中の汚染元素が気相(処理室)に出てきてしまい、この出てきた汚染元素がウエハに付着することにより、ウエハが汚染されることになる。これに対して、不活性ガスであるアルゴンガスはウエハと反応しないため、高温になったことによるウエハからの不純物の気相中への拡散によってDZウエハが製造されることになる。
【0028】
本実施の形態によれば、次の効果を得ることができる。
【0029】
1) プロセスチューブの外面に天井部補強リブおよび胴部補強リブを敷設することにより、プロセスチューブの機械的強度を高めることができるため、プロセスチューブの内部粘性流動が起こり得る状況になったとしても、プロセスチューブの自重による熱変形の発生を防止することができる。その結果、プロセスチューブの寿命を延長することができ、ひいては、ICの製造方法のランニングコストを低減することができる。
【0030】
2) 高温下におけるプロセスチューブの熱変形の発生を防止することにより、純度が高くウエハに対する汚染レベルが低いにもかかわらず従来は粘性が高いために高温に不向きとされている合成石英をプロセスチューブへの使用を実現させることができる。その結果、熱処理の精度を高めることができ、ひいては、ICの製造方法の歩留りやスループットを高めることができる。
【0031】
3) プロセスチューブの外面に敷設された天井部補強リブおよび胴部補強リブが冷却フィンと同じ働きを果たすことにより、プロセスチューブの処理室の温度を降下させる時間を短縮することができるため、熱処理工程全体のタクトタイムを短縮することができる。
【0032】
4) プロセスチューブの外面に天井部補強リブおよび胴部補強リブに敷設することにより、プロセスチューブの内側表面と外側表面との温度差による熱応力に対してプロセスチューブの剛性を高めることができるため、冷却ユニットによってヒータの内部(断熱層と均熱チューブとの間の空間)を強制的に排気して急速冷却させて、プロセスチューブの処理室の温度を降下させる時間を短縮することができ、熱処理工程全体のタクトタイムをより一層短縮することができる。
【0033】
5) プロセスチューブの熱変形の発生を未然に防止することにより、プロセスチューブの破損や変形によるボートへの干渉等を防止することができるため、それら破損や干渉による二次災害の発生を回避することができ、ホットウオール形熱処理装置およびその操業による熱処理工程の安全性を高めることができる。
【0034】
6) 胴部補強リブの下端の位置をヒータの下端位置と略対応させることにより、ヒータによって加熱されるプロセスチューブの上部とヒータによって加熱されないプロセスチューブの下端部との間に温度差が発生したとしても、胴部補強リブがプロセスチューブの熱膨張を拘束する状態になるのを回避してプロセスチューブに内部応力を発生させてしまうのを防止することができるため、胴部補強リブを敷設したことによるプロセスチューブの破損等の弊害の発生を防止することができる。
【0035】
なお、プロセスチューブに敷設する補強リブは前記実施の形態のように構成するに限らず、例えば、図7以降に示されているように構成してもよい。
【0036】
図7に示された第二の実施の形態に係るプロセスチューブ35Aが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に円形リング形状の胴部補強リブ(以下、補強フランジという。)62が二枚、軸方向に間隔をとって水平に連結されている点である。二枚の補強フランジ62はプロセスチューブの胴部35bの膨らみを防止する役目を果たすとともに、垂直方向に伸びた二枚の胴部補強リブ61の横倒れを防止する役目を果たす。
【0037】
図8に示された第三の実施の形態に係るプロセスチューブ35Bが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が六枚に増加されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0038】
図9に示された第四の実施の形態に係るプロセスチューブ35Cが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が六枚に増加されている点、六枚の胴部補強リブ61の下端がプロセスチューブの下端に突設されたフランジ35cに連結されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。六枚の胴部補強リブ61は下端に連結されたプロセスチューブのフランジ35cによって横倒れを防止される。
【0039】
図10図に示された第五の実施の形態に係るプロセスチューブ35Dが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に補強フランジ62が水平に連結されている点、天井部35aが水平に形成されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0040】
図11図に示された第六の実施の形態に係るプロセスチューブ35Eが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61の枚数が二枚に減少されている点、二枚の胴部補強リブ61の下端がプロセスチューブのフランジ35cに連結水平に連結されている点、二枚の胴部補強リブ61の軸方向の中間部に補助フランジ62が水平に連結されている点、天井部35aが水平に形成されている点、天井部補強リブ51が省略されている点である。
【0041】
図12図に示された第七の実施の形態に係るプロセスチューブ35Fが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61およびバッファ室41が省略されている点である。
【0042】
図13図に示された第八の実施の形態に係るプロセスチューブ35Gが第一の実施の形態と異なる点は、胴部補強リブ61およびバッファ室41が省略されている点、天井部35aが水平に形成されている点、略矩形の平板形状の天井部補強リブ52が二枚、互いに平行に敷設されている点である。
【0043】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【0044】
例えば、アニールガスとしては、アルゴンガスを使用するに限らず、水素ガスを使用してもよい。
【0045】
また、DZウエハを製造するのに使用するに限らず、SOI(silicon on insulator)ウエハを製造するのに使用してもよい。
【0046】
本発明は、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置に限らず、縦形ホットウオール形減圧CVD装置等の熱処理装置全般に適用することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プロセスチューブの寿命を延長して、ランニングコストを低減することができるとともに、安全性や稼働率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のプロセスチューブを示す各正面図であり、(a)は天井部が平板形状のプロセスチューブを示しており、(b)は天井部が彎曲面形状のプロセスチューブを示している。
【図2】従来のプロセスチューブの熱変形を示す正面断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態であるホットウオール形熱処理装置のボートローディングステップ前を示す正面断面図である。
【図4】その熱処理ステップを示す正面断面図である。
【図5】プロセスチューブの第一の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図6】本発明の一実施の形態であるICの製造方法におけるアニール工程の温度シーケンスを示すグラフである。
【図7】プロセスチューブの第二の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図8】プロセスチューブの第三の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図9】プロセスチューブの第四の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図10】プロセスチューブの第五の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図11】プロセスチューブの第六の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図12】プロセスチューブの第七の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図13】プロセスチューブの第八の実施形態を示しており、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【符号の説明】
W…ウエハ(基板)、10…ホットウオール形熱処理装置(半導体製造装置)、11…筐体、12…待機室、13…ボートエレベータ、14…送りねじ軸、15…モータ、16…昇降台、17…支持アーム、18…シャッタ、19…ベース、20…シールキャップ、21…ボート、22、23…端板、24…保持部材、25…保持溝、26…断熱キャップ部、30…ボート搬入搬出口、31…スカベンジャ、32…断熱槽、33…ヒータ、34…均熱チューブ、35、35A〜35G…プロセスチューブ、35a…天井部、35b…胴部、35c…フランジ、36…処理室、37…炉口、38…排気管、39…ガス導入管、40…ガス供給装置、41…バッファ室、42…ガス噴出口、51…天井部補強リブ、52…矩形の平板形状の天井部補強リブ、61…胴部補強リブ、62…補強フランジ(胴部補強リブ)。
Claims (5)
- 補強リブが胴部に長手方向に伸びるように敷設されたプロセスチューブを備えていることを特徴とする半導体製造装置。
- 前記補強リブが前記プロセスチューブの下端に突設されたフランジから延設されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。
- 前記プロセスチューブの閉塞壁に補強リブが突設されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体製造装置。
- 前記補強リブが複数、前記プロセスチューブの胴部に周方向に等間隔に配されていることを特徴とする請求項1、2または3に記載の半導体製造装置。
- 複数枚の基板を保持したボートが補強リブ胴部に長手方向に伸びるように敷設されたプロセスチューブの処理室に搬入されるステップと、
前記処理室に搬入された複数枚の基板が前記プロセスチューブ外に敷設されたヒータによって加熱されるステップと、
前記加熱された複数枚の基板を保持したボートが前記処理室から搬出されるステップと、を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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