JP2006093200A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高温プロセスで使用される反応管の変形を減少させ、半導体製造装置のランニングコストを低減する。
【解決手段】
基板を収納して処理する縦型の反応管２と、該反応管を収納して加熱する加熱装置とを具備し、前記反応管の肉厚は、側壁下部＞天井部＞側壁上部となっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の基板に酸化膜等の薄膜の生成、不純物の拡散、エッチングなど所要の処理を行い半導体装置を製造する半導体製造装置に関するものである。

半導体製造装置としては、基板を一枚ずつ処理する枚葉式の半導体製造装置、所要枚数の基板を一度に処理するバッチ式の半導体製造装置があり、又バッチ式の半導体製造装置の一例として縦型炉を有する半導体製造装置がある。

図３に於いて、従来の半導体製造装置の縦型炉、例えば酸化・拡散処理炉について説明する。

均熱管１は、例えばＳＩＣ等の耐熱性材料から成り、上端が閉塞され、下端に開口を有する円筒状の形態である。例えば石英（ＳｉＯ2 ）等の耐熱性材料から成る反応容器（以下反応管２）は、下端に開口を有する円筒状の形態を有し、前記均熱管１内に同心に配置されている。該均熱管１を収納する様に加熱装置（以下ヒータ１０）が同心円状に配置されている。前記反応管２内の温度は温度検出手段（以下熱電対１１）により検出され、検出結果に基づき前記反応管２内を所定の処理温度にする様に前記ヒータ１０による加熱が制御される。

前記反応管２の下部には、例えば石英から成るガス供給管３とガス排気管４が連結され、前記ガス供給管３と連通する導入口５には細管の導管６が接続され、該導管６は前記反応管２下部から外側面に沿って立上がり、天井部でガス溜め部７に連通する。該ガス溜め部７と前記反応管２内部とは天井部に穿設された分散孔８を介して連通されている。前記ガス排気管４は前記反応管２の下端部に設けられた排気口９に接続される。

前記反応管２の導入口５は前記ガス供給管３により、反応ガスが前記反応管２内に供給される様になっており、反応ガスは前記ガス供給管３から前記導管６、前記ガス溜め部７を経て前記反応管２の天井部から反応管２内部に導入され、反応後のガスは前記ガス排気管４から排気される様になっている。

前記反応管２の下端開口部には、例えば石英から成る円盤状の基座（以下ベース１２）が気密シール可能に着脱可能であり、前記ベース１２は円盤状の蓋体（以下シールキャップ１３）の上に取付けられている。該シールキャップ１３には、回転モータ等から成る回転手段１４が連結されており、該回転手段１４により、保持体（以下石英キャップ１５）及び基板保持具（以下ボート１６）、該ボート１６上に保持されている基板（以下ウェーハ１７）を回転させる。

前記シールキャップ１３は昇降手段（以下ボートエレベータ１８）に連結されていて、該ボートエレベータ１８は前記ボート１６を昇降させ、該ボート１６を前記反応管２内に装入、引出し可能となっている。

以下、基板処理を説明する。

先ず、前記ボートエレベータ１８により前記ボート１６を下降させ、該ボート１６に所定枚数のウェーハ１７を装填する。次に、前記ヒータ１０により前記反応管２を加熱し、該反応管２内の温度を所定の処理温度にする。前記ボートエレベータ１８により、前記ボート１６を上昇させて前記反応管２内に装入し、前記熱電対１１が検出する温度に基づき前記ヒータ１０が制御され前記反応管２の内部温度は所定の処理温度に維持される。

該反応管２内を所定の圧力に保った後、前記回転手段１４により、前記ボート１６及び該ボート１６上に保持されているウェーハ１７が回転され、同時に前記ガス供給管３から反応ガスを供給若しくは図示しない水分発生器から水蒸気が供給される。供給された反応ガスは、前記導管６、前記ガス溜め部７を経て前記反応管２を下降し、前記ウェーハ１７に対して均等に供給され、該ウェーハ１７に酸化・拡散処理が成される。

酸化・拡散処理が終了すると、次のウェーハ１７の酸化・拡散処理に移るべく、前記反応管２内の反応ガスを不活性ガスで置換すると共に圧力を常圧にし、その後、前記ボートエレベータ１８により前記ボート１６を下降させて、該ボート１６から処理済のウェーハ１７を前記反応管２から払出す。空となったボート１６に、未処理のウェーハ１７が装填され、再度前述同様にして前記反応管２内に装入され、酸化・拡散処理が成される。

前記基板処理は、プロセスの内容に応じて、例えば酸化膜の処理を行う場合は処理温度は１０００℃、或はアニールの処理を行う場合は処理温度１２００℃の高温で実施されるが、例えば１２００℃は石英の耐熱温度に近い温度であり、石英の強度も１０００℃の状態に比べると低下する。１２００℃で使用される反応管２では、使用が繰返されることで、図４に示される様に、自重により反応管２の下部が変形していく。この為、１０００℃で使用される場合の反応管２に比べ、１２００℃で使用される反応管２は頻繁に交換しなければならなかった。

本発明は斯かる実情に鑑み、高温プロセスで使用される反応管の変形を減少させ、半導体製造装置のランニングコストを低減するものである。

本発明は、基板を収納して処理する縦型の反応管と、該反応管を収納して加熱する加熱装置とを具備し、前記反応管の肉厚は、側壁下部＞天井部＞側壁上部となっている半導体製造装置に係るものである。

本発明によれば、基板を収納して処理する縦型の反応管と、該反応管を収納して加熱する加熱装置とを具備し、前記反応管の肉厚は、側壁下部＞天井部＞側壁上部となっているので、反応管の自重を増加させることなく、下部の強度を増大させることができ、反応管の変形が集中する下部での変形を抑制することができるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明が実施される半導体製造装置の概略を説明する。

尚、図１中、図３中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

ヒータベース２１にヒータ１０が立設され、該ヒータ１０内に均熱管１が同心に収納され、該均熱管１内に反応管２が同心に配設されている。

該反応管２の下端部には導入口５が取付けられ、該導入口５はガス供給管３を介して図示しない処理ガス供給源、或は窒素ガス等の不活性ガス（パージガス）供給源に接続され、前記ガス供給管３には流量制御手段、例えばマスフローコントローラ２２が設けられている。又前記反応管２の下端部には排気口９が連通され、該排気口９はガス排気管４を介して図示しない排気装置に接続され、前記ガス排気管４には圧力センサ２３、圧力調整器２４が設けられている。

前記導入口５には導管６が連通され、該導管６は前記反応管２の外面に沿って上昇し、該反応管２の上端面に設けられたガス溜め部７に連通し、該ガス溜め部７は分散孔８を介して前記反応管２内と連通している。

該反応管２内にはボート１６が装入、引出し可能となっており、該ボート１６は石英キャップ１５、ベース１２を介してシールキャップ１３に載置され、該シールキャップ１３は前記反応管２の下端開放面を気密に閉塞可能である。前記シールキャップ１３はボートエレベータ１８によって支持され、該ボートエレベータ１８は前記シールキャップ１３を介して前記石英キャップ１５、ボート１６を昇降可能であり、昇降によって前記ボート１６が前記反応管２内に挿脱可能となっている。

前記石英キャップ１５は前記ベース１２に対して回転可能であり、前記石英キャップ１５は回転手段１４によって回転可能となっている。

図１中、２５は主制御部を示し、該主制御部２５は温度制御部２６、ガス流量制御部２７、圧力制御部２９、駆動制御部２８を具備している。

炉内の所要箇所の温度を検出する熱電対１１からの検出結果は前記温度制御部２６に入力され、該温度制御部２６は温度検出結果を基に前記反応管２内が所定温度、例えばプロセス温度となる様に前記ヒータ１０を制御する。又、前記ガス流量制御部２７は前記導入口５から導入される反応ガスを所定流量に制御し、前記圧力制御部２９は、前記圧力センサ２３から入力される圧力を基に前記圧力調整器２４を制御して前記反応管２内の圧力を所定圧力例えばプロセス圧力に制御する。

前記駆動制御部２８は、前記回転手段１４を制御して処理中の前記ボート１６を所定の回転速度で回転させ、又前記ボートエレベータ１８を制御して、前記ボート１６の昇降を行わせる。

以下、基板処理の一例、例えば、酸化・拡散処理を説明する。

前記ボートエレベータ１８を駆動して、前記ボート１６を降下させる。

図示しないウェーハ移載機により前記ボート１６にウェーハ１７を１バッチ分の所定枚数移載する。前記ヒータ１０により前記反応管２が前記均熱管１を介して加熱され、前記熱電対１１により検出される前記反応管２内の温度に基づいて、該反応管２内の温度が処理温度、例えば１２００℃に制御される。尚、予め前記反応管２内は前記導入口５、前記導管６より不活性ガスが供給され、不活性ガスが充填されている。

未処理ウェーハ１７が装填された前記ボート１６が前記ボートエレベータ１８により前記反応管２に装入される。前記ボート１６の装入状態では、前記ベース１２が前記反応管２の下端開口部を気密に閉塞する。前記圧力センサ２３の検出圧力を基に前記反応管２内の圧力が処理圧、例えば５０Ｐａに維持される。

前記回転手段１４が駆動され、前記ボート１６を介して前記ウェーハ１７が回転される。同時に前記ガス供給管３から反応ガス若しくは水分発生器から水蒸気が供給される。供給された反応ガスは、前記ガス溜め部７から前記分散孔８を通って前記反応管２を下降し、前記ウェーハ１７に対して均等に供給され、酸化・拡散の所要の処理が成される。酸化・拡散処理中の前記反応管２内は、前記ガス排気管４を介して排気ガスが排気され、所定の圧力になる様前記圧力調整器２４により圧力が制御される。

基板処理が完了すると、前記反応管２内が不活性ガスによりガスパージされ、前記ボートエレベータ１８により前記ボート１６が降下され、処理済のウェーハ１７が払出される。

空となったボート１６に未処理ウェーハ１７が移載され、上記した処理が繰返される。

尚、一例迄、本発明で処理される基板の処理条件は、アニールに於いて、ウェーハ温度は１２００℃、ガス種供給量はＡｒガス、１０ｍ／ｍｉｎ、処理圧力は５０Ｐａである。

上記した様に、前記反応管２は処理中高温に加熱される。該反応管２の材質は、石英であり、石英の変形し易くなる温度は１１５０℃である。処理中、該反応管２を１２００℃になる様に使用すると変形し易くなる温度を超え耐熱温度に近い温度となっており、該反応管２の強度も低下している。

該反応管２の側壁には自重による垂直荷重が作用しており、処理中の高温状態で、垂直加重による変形が生じる。変形は処理が繰返されることで蓄積され、ついには使用ができなくなる程度の変形となる。

本発明では、基板処理中での前記反応管２の側壁の変形を減少させる為、側壁の肉厚を厚くし、側壁の強度を増大させ、側壁の変形量を減少させている。即ち、前記反応管２の肉厚を側壁下部＞天井部＞側壁上部の関係が成立する様にしている。

天井部は前記反応管２の頂部であり、側壁下部の様に、天井部と側壁上部の重量を荷う必要がなく、側壁下部よりも肉厚を薄くできるが、側壁下部よりも荷う重量が軽いものの、然し天井部の平面又は曲面が重力に対して水平方向に配されるので、垂下り易くなる為、側壁下部よりも肉厚を厚くしなければならない。

上記本発明の最適な状態を実現する為、本発明者等は確認実験を行った。

実験の結果を要約すると、反応管２の全体に亘り肉厚を厚くすると、該反応管２上部の自重が増大し、やはり下部に変形が発生する。又、側壁の下から２／３部分の肉厚を増大させた場合、変形量は減少するが、下部に変形が発生する。更に、前記反応管２の下端部のみ（全長の１／５）の肉厚を厚くした場合は、強度の向上はなく、変形を減少させる効果は見られなかった。

次に、前記反応管２の下から全高の約２／５の範囲の肉厚を厚くした場合、強度と自重のバランスがよく、変形量が最も少ないという結果が得られた。尚、該反応管２の下から１／３〜１／４の範囲で肉厚を厚くすると、該反応管２下部の変形が減少する効果が得られることが分った。尚、肉厚の増大については、例えば本実施の形態では肉厚の増大比が２／１としてある。尚、肉厚の増大比は、反応管２の形状により適宜選択され、３／１〜１．５／１の範囲で選択される。

次にウェーハ処理条件として、温度管理が挙げられるが、前記反応管２の側壁の肉厚を変化させた場合、該反応管２内に収納されるウェーハ１７の加熱（均熱制御）に影響が生じる。この為、肉厚を変化させる範囲は、処理対象のウェーハ１７が収納される範囲（反応管２内の均熱領域）と重ならない様にすることが好ましい。従って、実際に側壁の肉厚が厚くされる範囲は、均熱領域と重ならないことが好ましい。

以下、上記実験を考慮して本発明を実施した反応管２を図２に示す。

図示される様に、該反応管２の側壁の下部Ｌの範囲で、肉厚が厚くなっている。又、肉厚が変化する境界部は、熱応力が集中しない様にテーパ仕上げされるか、Ｒ仕上げされる。

尚、本発明は反応管に実施した場合を示したが、均熱管等高温で使用される管に実施可能であるとは言う迄もない。

本発明の実施の形態を示す断面概略図である。 本実施の形態に使用される反応管の断面図である。 従来例を示す断面概略図である。 従来例での反応管の変形の態様を示す説明図である。

符号の説明

１ 均熱管
２ 反応管
１０ ヒータ
１６ ボート
１７ ウェーハ
１８ ボートエレベータ
２５ 主制御部

Claims (1)

1. 基板を収納して処理する縦型の反応管と、該反応管を収納して加熱する加熱装置とを具備し、前記反応管の肉厚は、側壁下部＞天井部＞側壁上部となっていることを特徴とする半導体製造装置。

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