JP2006013313A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ面内およびウエハ相互間の膜厚分布の均一性を向上させる。
【解決手段】ＣＶＤ装置１０は、有天筒形状のインナチューブ３３およびインナチューブ３３を取り囲むアウタチューブ３２から成るプロセスチューブ３１と、複数枚のウエハ１を保持してインナチューブ３３の処理室３４に搬入するボート２３と、処理室３４にガスを供給するガス供給管４１と、プロセスチューブ３１内を排気する排気口３８とを備えており、インナチューブ３３の天井壁であってガス供給管４１と１８０度反対側の位置には、排気孔３６が開設されている。処理室のガス供給管が配置された側の圧力が高く、排気口が配置された反対側の圧力が低いことにより、ボートに保持されたウエハ間にガスの流れが強制的に形成されるために、ウエハ面内およびウエハ相互間の膜厚分布の均一性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板を処理室に収容して加熱下で処理を施す基板処理装置に関し、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。）に熱ＣＶＤ反応による成膜やアニール、リフロー、酸化および拡散等の熱処理（thermal treatment ）に使用される熱処理装置（furnace ）に利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハにＣＶＤ膜を形成するのに、バッチ式縦形ホットウオール形ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）が、広く使用されている。
従来のこの種のＣＶＤ装置として、インナチューブおよびアウタチューブからなるプロセスチューブと、複数枚のウエハを保持してインナチューブの処理室に搬入するボートと、処理室に原料ガスを導入するガス導入ノズルと、プロセスチューブを排気する排気口と、インナチューブの側壁に垂直方向に細長く開設された排気孔とを備えており、インナチューブの排気孔との対向位置には径方向外向きに突出する予備室が形成され、予備室にはガス導入ノズルが配管され、ガス導入ノズルには複数個の噴出口がボートに保持された各ウエハに対向して開設されているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−６５５１公報

このＣＶＤ装置においては、噴出口から噴出したガスの勢いが予備室で減衰されることにより、処理室での渦の発生を防止することができるので、ウエハ面内およびウエハ群内（ウエハ相互間）において膜厚の均一性を向上させることができる。

しかしながら、前記したＣＶＤ装置においては、ノズルの形状が複雑になるために、製作や精度の確保およびクリーニングが困難であるという問題点がある。

本発明の目的は、構造簡単にしてウエハ面内およびウエハ群内の処理の均一性を向上させることができる基板処理装置を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）有天筒形状のインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、基板を保持して前記インナチューブ内に搬入するボートと、前記インナチューブ内にガスを供給するガス供給管と、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えており、
前記インナチューブにおける前記インナチューブ内に搬入された前記ボートよりも高い位置であって、前記ガス供給管の噴出口と前記基板を挟んで反対側の位置には、排気孔が開設されていることを特徴とする基板処理装置。
（２）有天筒形状のインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、基板を保持して前記インナチューブ内に搬入するボートと、前記インナチューブ内にガスを供給するガス供給管と、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えており、
前記インナチューブにおける天井部であって、前記ガス供給管の噴出口と前記基板を挟んで反対側の位置には、排気孔が開設されていることを特徴とする基板処理装置。
（３）有天筒形状のインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、基板を保持して前記インナチューブ内に搬入するボートと、前記インナチューブ内にガスを供給するガス供給管と、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えており、前記インナチューブにおける前記インナチューブ内に搬入された前記ボートよりも高い位置であって、前記ガス供給管の噴出口と前記基板を挟んで反対側の位置には、排気孔が開設されている基板処理装置を用いる半導体装置の製造方法において、
前記基板を保持して前記インナチューブ内に前記ボートを搬入するステップと、
前記インナチューブ内に前記ガス供給管の前記噴出口から前記ガスを供給するステップと、
前記処理室内で前記基板を処理するステップと、
前記インナチューブ内を前記排気孔から排気するステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

本発明によれば、処理室のガス供給管が配置された側の圧力が高く、排気孔が配置された反対側の圧力が低いことにより、ボートに保持された基板間にガスの流れが強制的に形成されるために、基板の周辺（エッジ）部で処理の増加する現象が発生するのを抑制することができ、その結果、基板面内および基板群内の処理の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法におけるＣＶＤ工程を実施するＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形ＣＶＤ装置）として構成されている。
図１および図２に示されているように、ＣＶＤ装置１０は略直方体の箱形状に形成された筐体１１を備えている。筐体１１の正面壁の内側にはカセットステージ１２が設置されており、カセットステージ１２にはウエハ１を収納して搬送するカセット２が工程内搬送装置（図示せず）によって供給されるようなっている。
筐体１１の内部室のカセットステージ１２の後側には、昇降手段としてのカセットエレベータ１３が設けられており、カセットエレベータ１３には搬送手段としてのカセット移載装置１４が取り付けられている。
カセットエレベータ１３の後側にはカセット２を保管するカセット棚１５が設けられており、カセットステージ１２の上方には予備カセット棚１６が設けられている。予備カセット棚１６の上方にはクリーンユニット１７が設けられており、クリーンユニット１７はクリーンエアを筐体１１の内部に流通させるように構成されている。
筐体１１の内部室のカセット棚１５の後側には、移載装置エレベータ１８が垂直に設置されており、移載装置エレベータ１８にはウエハ１を移載するウエハ移載装置１９が設置されている。

筐体１１の内部室の移載装置エレベータ１８の後側には、モータ駆動方式の送りねじ軸装置等によって構築されたボートエレベータ２０が設置されており、ボートエレベータ２０の昇降台２１にはボート２３がアーム２２や断熱キャップ２８およびシールキャップ２９を介して支持されている。
ボート２３は上下で一対の端板２４および２５と、両端板２４、２５間に垂直に配設された複数本の保持部材２６とを備えており、各保持部材２６には複数条の保持溝２７が長手方向に等間隔に配されて互いに同一平面内において開口するようにそれぞれ刻設されている。そして、ウエハ１は複数条の保持溝２７間に外周辺部が挿入されることにより、水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列されてボート２３に保持されるようになっている。ボート２３とシールキャップ２９との間には断熱キャップ２８が形成されている。

図２および図３に示されているように、筐体１１の上部にはヒータユニット３０が、中心線が垂直になるように縦に設置されている。ヒータユニット３０の内部にはプロセスチューブ３１が同心円に配置されている。プロセスチューブ３１はアウタチューブ３２とインナチューブ３３とから構成されている。アウタチューブ３２およびインナチューブ３３はいずれも、石英（ＳｉＯ₂ ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱姓の高い材料が用いられて円筒形状にそれぞれ一体成形されている。アウタチューブ３２は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、ヒータユニット３０に同心円に設置されている。

アウタチューブ３２の中空部にはインナチューブ３３が同心円に設置されている。図４に示されているように、インナチューブ３３は上端が閉塞し下端が開口した有天円筒形状に形成されている。インナチューブ３３の筒中空部はボート２３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３４を形成している。インナチューブ３３の下端開口は被処理基板としてのウエハ１を出し入れするための炉口３５を構成している。したがって、インナチューブ３３の内形は取り扱うウエハ１の最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。インナチューブ３３の天井壁における後記するガス供給管の噴出口とボート２３のウエハ１群を挟んで反対側の位置には、排気孔３６が開設されている。

アウタチューブ３２とインナチューブ３３との下端部は、フランジ部を有する短尺の円筒形状に形成されたマニホールド３７によって気密封止されている。マニホールド３７はアウタチューブ３２およびインナチューブ３３についての保守点検や清掃作業のためにアウタチューブ３２およびインナチューブ３３に着脱自在に取り付けられている。マニホールド３７が筐体１１に支持されることにより、プロセスチューブ３１は垂直に設置された状態になっている。

マニホールド３７の側壁の一部には排気口３８が開設されており、排気口３８には他端部に排気装置（図示せず）が接続された排気管３９が接続されている。すなわち、排気口３８はプロセスチューブ３１の内部を所定の真空度に減圧し得るように構成されている。排気口３８はインナチューブ３３とアウタチューブ３２との間に形成された隙間からなる排気路４０に連通した状態になっている。インナチューブ３３とアウタチューブ３２との隙間によって形成された排気路４０の横断面形状は、一定幅の円形リング形状になっている。排気口３８がマニホールド３７に開設されているため、排気口３８は円筒形状の中空体を形成されて垂直に延在した排気路４０の下端部に配置された状態になっている。

インナチューブ３３の排気孔３６と１８０度反対側の位置には、ガス供給管４１が接続されている。ガス供給管４１はマニホールド３７の側壁を径方向外向きに貫通して外部に突き出されており、ガス供給管４１には原料ガス供給装置や窒素ガス供給装置等（図示せず）が接続されている。ガス供給管４１の挿入側端部は噴出口４１ａが上向きになるように上向きに屈曲されており、噴出口４１ａは断熱キャップ２８の上端部付近に配置されている。

図２に示されているように、マニホールド３７にはシャッタ４２が垂直方向下側から当接されるようになっている。シャッタ４２はボート２３が処理室３４に搬出されている時にマニホールド３７の下端開口すなわち処理室３４の炉口３５を閉塞するようになっている。
また、図３に示されているように、マニホールド３７にはシールキャップ２９が垂直方向下側から当接されるようになっており、シールキャップ２９はボート２３が処理室３４に搬出されている時にマニホールド３７の下端開口すなわち処理室３４の炉口３５を閉塞するようになっている。

次に、前記構成に係るＣＶＤ装置によるＩＣの製造方法の成膜工程を説明する。

ウエハ１が装填されたカセット２はカセットステージ１２にウエハ１が上向きの姿勢で工程内搬送装置によって搬入され、カセットステージ１２によってウエハ１が水平姿勢となるように９０度回転させられる。
さらに、カセット２はカセットエレベータ１３の昇降動作、横行動作およびカセット移載装置１４の進退動作、回転動作の協働によって、カセットステージ１２からカセット棚１５または予備カセット棚１６に搬送される。カセット棚１５にはウエハ移載装置１９の搬送対象となるカセット２が収納される移載棚が設定されており、ウエハ１が移載に供されるカセット２はカセットエレベータ１３、カセット移載装置１４により移載棚に移載される。

カセット２が移載棚に移載されると、ウエハ１は移載棚からボート２３へ、ウエハ移載装置１９の進退動作、回転動作および移載装置エレベータ１８の昇降動作の協働により移載される。複数枚のウエハ１はボート２３に互いに平行で中心線が揃った状態にウエハ移載装置１９によって装填（ウエハチャージング）される。

所定の枚数のウエハ１が装填されると、ボート２３はシールキャップ２９のボートエレベータ２０による上昇に伴ってマニホールド３７から処理室３４に搬入（ボートローディング）されて行き、図３に示されているように、シールキャップ２９に支持されたままの状態で処理室３４に存置される。この状態で、シールキャップ２９はマニホールド３７の下端面に密着することにより、処理室３４の炉口３５を気密封止した状態になる。

続いて、減圧ステップにおいて、プロセスチューブ３１の内部が排気口３８に作用する排気力によって所定の真空度（例えば、２００Ｐａ）に減圧されるとともに、昇温ステップにおいて、プロセスチューブ３１の内部がヒータユニット３０によって所定の温度（例えば、４００℃）に昇温される。

次いで、成膜ステップにおいて、所定の原料ガス５０がガス供給管４１に供給され、ガス供給管４１の噴出口４１ａからインナチューブ３３の処理室３４に音速に近い高速度をもって噴出するように制御されて導入される。例えば、ドープドポリシリコンが拡散される場合においては、原料ガス５０としてはモノシラン（ＳｉＨ₄ ）およびホスフィン（ＰＨ₃ ）が処理室３４に導入される。

処理室３４に導入された原料ガス５０は、インナチューブ３３の天井壁におけるガス供給管４１と１８０度反対側の位置に開設された排気孔３６からインナチューブ３３とアウタチューブ３２との隙間によって形成された排気路４０に流出して、アウタチューブ３２の下端に位置するマニホールド３７に開設された排気口３８から排気される。
この際、ガス供給管４１と排気孔３６とは互いに１８０度離れて対向するようにそれぞれ配置されていることにより、ガス供給管４１の各噴出口４１ａから噴出された原料ガス５０は処理室３４を反対側の排気孔３６に向かって流れるため、インナチューブ３３の内壁に沿って上昇しつつ、各ウエハ１に対してそれぞれ平行に流れる。
ウエハ１の表面に接触しながら上下で隣合うウエハ１と１との間の空間を平行に流れて行く原料ガス５０のＣＶＤ反応によって、ウエハ１の表面にはＣＶＤ膜が堆積する。例えば、モノシランとホスフィンとが導入された場合には、ドープドポリシリコン膜がウエハ１に堆積する。この際、原料ガス５０は各ウエハ１内の全面にわたってそれぞれ均一に接触するため、ＣＶＤ膜の堆積状態は各ウエハ１内において全体にわたって膜厚および膜質共に均一になる。また、ボート２３によって保持されたウエハ１群の各ウエハ１に形成された膜厚および膜質は、ウエハ１群におけるボート２３の全長にわたって均一になる。
また、強制的にウエハ間に原料ガスの流れを作ることにより、平均自由行程の小さい高圧場であっても、ウエハ間に反応ガスが流れるため、ウエハ周縁部のみ膜厚が厚くなることがなくなる。

所望のＣＶＤ膜（例えば、ドープドポリシリコン膜）が堆積された後に、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２９が下降されることによって炉口３５が開口されるとともに、ボート２３に保持された状態で処理済みのウエハ１群が炉口３５からプロセスチューブ３１の外部に搬出（ボートアンローディング）される。

処理済みのウエハ１は前述した作動の逆の手順により、ボート２３から移載棚のカセット２に移載され、カセット２はカセット移載装置１４により移載棚からカセットステージ１２に移載され、工程内搬送装置によって筐体１１の外部に搬出される。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) インナチューブの天井壁におけるガス供給管と１８０度反対側の位置に排気孔を開設することにより、ガス供給管の噴出口から噴出された原料ガスを上下で隣合うウエハ間の空間で平行に流して各ウエハ内の全面にわたってそれぞれ均一に接触させることができるため、各ウエハ面内およびウエハ群内において全体にわたってＣＶＤ膜の膜厚および膜質を均一に形成させることができる。

2) ウエハ面内およびウエハ群内のＣＶＤ膜の膜厚および膜質を全体的に均一化させることにより、一回の処理におけるＣＶＤ膜の膜厚や膜質等を均一化することができるため、ＣＶＤ装置および成膜工程の品質および信頼性を高めることができる。

3) インナチューブの天井壁におけるガス供給管と１８０度反対側の位置に排気孔を開設すれば済むため、構造をきわめて簡単化することができ、排気孔および噴出口の精度を緩和することができる。その結果、イニシャルコストを低減することができるばかりでなく、インナチューブやガス供給管のフルクリーニング（ウエットクリーニング、メンテナンス時の分解クリーニング）およびセルフクリーニング（インシチュークリーニング、操業中のクリーニングガスによるドライクリーニング）を、きわめて簡単かつ効果的に実施することができるので、ランニングコストを低減することができる。

4) 前述した特許文献１のＣＶＤ装置においてはガス導入ノズルがヒータユニットの輻射熱を直接的に受ける温度制御範囲に配置されることにより、ガス導入ノズル内でガスが反応しガス導入ノズル内に成膜されてしまうのに対し、ガス供給管および排気孔は温度制御範囲に配置されていないので、ガス供給管および排気孔に成膜され難くすることができる。

5) 前述した特許文献１のＣＶＤ装置のインナチューブは処理室のウエハ群の存置領域に排気孔があるため、排気量が変化する場合には、処理室のウエハ群の存置領域における排気バランスが崩れることとなり、ウエハ面内およびウエハ群内の膜厚や膜質分布が不均一になることとなるのに対して、本実施の形態に係る排気孔はインナチューブの天井壁におけるガス供給管と１８０度反対側の位置に開設されているので、処理室の排気バランスが崩れ難く、ウエハ面内およびウエハ群内の膜厚や膜質分布が不均一になることを未然に防止することができる。

なお、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。

例えば、排気孔はインナチューブの天井壁に開設するに限らず、インナチューブの中空部の途中であってインナチューブ内に搬入されたボートよりも高い位置に配設された整流板等のガス供給管と１８０度反対側の位置に開設してもよい。

排気孔は単数個を大きく開設するに限らず、複数個を局部的に開設してもよい。

前記実施の形態では処理がウエハに施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

前記実施の形態では、ドープドポリシリコン膜の堆積について説明したが、ドープドポリシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のＣＶＤ膜の成膜方法全般に適用することができるし、さらに、酸化膜形成方法や拡散方法等の基板処理方法全般に適用することができる。

前記実施の形態ではバッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、酸化膜形成装置や拡散装置および他の熱処理装置等の基板処理装置全般に適用することができる。

本発明の一実施の形態であるＣＶＤ装置を示す一部省略斜視図である。 側面断面図である。 主要部を示す断面図である。 インナチューブを示す斜視図である。

符号の説明

１…ウエハ（被処理基板）、２…カセット、１０…ＣＶＤ装置（基板処理装置）、１１…筐体、１２…カセットステージ、１３…カセットエレベータ、１４…カセット移載装置、１５…カセット棚、１６…予備カセット棚、１７…クリーンユニット、１８…移載装置エレベータ、１９…ウエハ移載装置、２０…ボートエレベータ、２１…昇降台、２２…アーム、２３…ボート、２４、２５…端板、２６…保持部材、２７…保持溝、２８…断熱キャップ、２９…シールキャップ、３０…ヒータユニット、３１…プロセスチューブ、３２…アウタチューブ、３３…インナチューブ、３４…処理室、３５…炉口、３６…排気孔、３７…マニホールド、３８…排気口、３９…排気管、４０…排気路、４１…ガス供給管、４２…シャッタ、５０…原料ガス（ガス）。

Claims (1)

1. 有天筒形状のインナチューブおよびこのインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されたプロセスチューブと、基板を保持して前記インナチューブ内に搬入するボートと、前記インナチューブ内にガスを供給するガス供給管と、前記プロセスチューブ内を排気する排気口とを備えており、
   前記インナチューブにおける前記インナチューブ内に搬入された前記ボートよりも高い位置であって、前記ガス供給管の噴出口と前記基板を挟んで反対側の位置には、排気孔が開設されていることを特徴とする基板処理装置。

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