JP2008041915A - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】反応管内を減圧すると共に、反応管内の基板に対して熱処理を行うにあたり、反応管の内壁と基板との間隙を小さくすることによって、面内均一性の高い熱処理を行うこと。
【解決手段】反応管の外側にダクトを設けて、このダクトに反応管内に連通するガス吐出孔を形成し、このダクトからガス吐出孔を介して反応管内にガスを供給するようにすることで、反応管の内壁と基板との間にガスを供給するためのインジェクターが不要になるため、反応管の内壁と基板との間の間隙を小さくすることができる。
【選択図】図１
【解決手段】反応管の外側にダクトを設けて、このダクトに反応管内に連通するガス吐出孔を形成し、このダクトからガス吐出孔を介して反応管内にガスを供給するようにすることで、反応管の内壁と基板との間にガスを供給するためのインジェクターが不要になるため、反応管の内壁と基板との間の間隙を小さくすることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えば半導体ウェハなどの基板の熱処理を行うための熱処理装置及びその熱処理方法に関する。
半導体製造装置の中には、縦型炉や横型炉などのバッチ式熱処理装置があり、そのうちの縦型熱処理装置（縦型炉）は、多数枚の基板を保持したウェハボートを縦型の反応管に搬入し、熱処理を行う装置である。この種の熱処理装置によって行われる熱処理の一例としては、減圧下でのＣＶＤプロセスによる成膜処理が挙げられる。
減圧ＣＶＤを行う場合、従来から、反応管の下部から成膜ガスを供給して、反応管の上部から排気する方法が行われていた。しかし、このような方法では、反応管内の上部のガス濃度が低くなるため、鉛直方向における基板間での膜厚のばらつきが大きくなってしまう。そこで、基板間での膜厚（反応管内の鉛直方向における成膜ガスの分解量）の均一性を高めるために、反応管内を上下に複数のゾーンに分割すると共に、各ゾーンに対応してヒータについても分割し、反応管内に温度勾配を持たせるように、独立してゾーン制御を行う必要がある。
しかしながら、最近のプロセスの中には、基板間の温度勾配を無くすか、あるいはできるだけ小さくすることが要求される場合がある。そのようなプロセスとして、例えばデバイスのある部分におけるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜するプロセスが挙げられる。
例えばＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）ガスとＮＨ3（アンモニア）ガスとを反応管内に供給してＳｉＮ膜の成膜を行うＣＶＤプロセスでは、反応管内の処理ガスの濃度分布のばらつきを小さくするために、例えば特許文献１に記載されているように、反応管内のガスノズルに多数の孔を形成して、それぞれの孔から処理ガスを供給する技術が知られている。しかしこの場合、ガスノズルの孔から供給される処理ガスの鉛直方向における圧力（流量）勾配を小さくするために、ガスノズル内部のガス圧力を高くする必要があり、孔の開口径が例えば１ｍｍ以下と非常に小さくなる。このため、基板の熱処理中に処理ガスの反応による生成物が孔の開口縁に堆積して孔径が変化しやすく、各孔の間でガス流量の均一性が崩れることから、基板間において均一性の高い成膜処理を行うことが困難になる。更に、孔に堆積した生成物が処理ガスの圧力によってガスノズルから脱落して、パーティクル汚染の原因となり、このため頻繁にクリーニングを行わなければならない。
一方、例えばガスノズルの孔の開口径を大きくすることによって、ガス流速が遅くなり、ガス流速のばらつきが小さくなると考えられるが、そのためにはガスノズルの管径を太くして、ガスノズル内の鉛直方向の圧力勾配を小さく（圧力を低く）する必要があり、その結果反応管と基板との間の間隙が広くなり、膜厚の面内均一性が悪くなってしまう。
特許文献２には、この問題を解決するために、ガスノズルが設置される反応管の壁面を部分的に外側に膨らませて、反応管の内壁と基板との間の間隙を小さくする技術が記載されているが、反応管の壁面と基板の外周との距離が一定ではないため、膜厚の面内均一性が悪化する。また、反応管の耐圧性が低下するため、反応管を二重にする必要があり、反応管内のクリーニング時間が長くなると共に、装置が大型化する。
また、反応管内に複数本の高さの異なるガス供給管を配置して、処理ガスの濃度のばらつきを小さくする技術も知られているが、５本以上のガス供給管が必要であり、処理ガスの供給設備が大がかりとなる。
特許文献３には、反応管の外側に通路形成部材を設けて、この通路形成部材を介して反応管内にガスを供給するように構成された熱処理装置が記載されているが、少ないガス流量（通常の熱処理に用いられる程度の量）では各スリット内におけるガスの流量勾配が生じてしまう。また、反応管と基板との間の間隙が一定ではないため、膜厚の面内均一性が悪化する。
特許文献４には、ガス供給領域に対向する部位に排気口を設けて、横方向のガス流を形成する熱処理装置が記載されているが、排気口として反応管の側壁を外側に膨らませているため、本発明が対象としている熱処理装置とは本質的に構造が異なる。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、反応管の長さ方向に沿って複数の箇所から処理ガスを供給する熱処理装置において、反応管の内壁と基板との間の間隙を小さくして、膜厚の面内均一性を向上させることができると共に、処理ガスを安定して供給することができ、また設置作業及びメンテナンスが容易な熱処理装置及び熱処理方法を提供することにある。更に、本発明の他の目的は、反応管の先端側から処理ガスを供給する熱処理装置において、設置作業及びメンテナンスが容易な熱処理装置及び熱処理方法を提供することにある。
本発明の熱処理装置は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管内の基板が保持される処理領域に処理ガスを供給するために、前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通し、長さ方向に配列された複数のガス吐出孔と、
前記ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
前記反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする。
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管内の基板が保持される処理領域に処理ガスを供給するために、前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通し、長さ方向に配列された複数のガス吐出孔と、
前記ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
前記反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする。
前記ガス供給ダクト内は、各々ガス吐出孔が形成された複数の通気室として少なくとも基端側が反応管の周方向に仕切られると共に、各通気室の間で、反応管の長さ方向におけるガス吐出孔の形成領域の位置が互いに異なるように構成され、これにより各通気室が各々反応管内を長さ方向に分けた複数の処理雰囲気へのガス供給を受け持ち、また各通気室に対して独立してガスを供給できるように構成されていることを特徴とする。
また、前記反応管の側壁における前記ガス供給ダクトが配置される領域であって、前記処理領域から反応管の先端側に外れた領域に均圧化用の孔が形成され、
前記均圧化用の孔は、当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口していることを特徴とする。
前記均圧化用の孔は、当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口していることを特徴とする。
前記排気口に排気管を介して真空排気手段が接続され、処理ガスは成膜ガスであり、基板に対して行われる熱処理は、減圧雰囲気下で行われる成膜処理であることを特徴とする。
また、本発明の熱処理装置は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通するように形成されたガス吐出孔と、
ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする。
ガス供給ダクトの側壁は、反応管の管壁を兼用していることを特徴とする。
反応管及びガス供給ダクトは石英製であり、ガス供給ダクトは反応管に溶着されていることを特徴とする。
前記反応管の開口部の周縁部にはフランジが形成され、このフランジの内部には、出口がガス供給ダクト内に前記ガス導入口として開口すると共に、入り口が外部のガス供給管に接続されるガス流路が形成されていることを特徴とする。
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通するように形成されたガス吐出孔と、
ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする。
ガス供給ダクトの側壁は、反応管の管壁を兼用していることを特徴とする。
反応管及びガス供給ダクトは石英製であり、ガス供給ダクトは反応管に溶着されていることを特徴とする。
前記反応管の開口部の周縁部にはフランジが形成され、このフランジの内部には、出口がガス供給ダクト内に前記ガス導入口として開口すると共に、入り口が外部のガス供給管に接続されるガス流路が形成されていることを特徴とする。
本発明の熱処理方法は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に長さ方向に配列された複数のガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする。
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に長さ方向に配列された複数のガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする。
前記ガス供給ダクト内は、各々ガス吐出孔が形成された複数の通気室として少なくとも基端側が反応管の周方向に仕切られると共に、各通気室の間で、反応管の長さ方向におけるガス吐出孔の形成領域の位置が互いに異なるように構成され、
各通気室毎に処理ガスの流量を調整した状態で前記複数の通気室に処理ガスを供給して、各通気室が受け持つ長さ方向に分けられた前記反応管内の複数の処理雰囲気に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする。
各通気室毎に処理ガスの流量を調整した状態で前記複数の通気室に処理ガスを供給して、各通気室が受け持つ長さ方向に分けられた前記反応管内の複数の処理雰囲気に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする。
前記反応管の側壁における前記ガス供給ダクトが配置される領域であって、前記処理領域から反応管の先端側に外れた領域に均圧化用の孔が形成され、
前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口している当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス供給ダクトから前記均圧化用の孔を介して前記反応管内に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする。
前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口している当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス供給ダクトから前記均圧化用の孔を介して前記反応管内に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする。
また、処理ガスである成膜ガスをガス供給ダクト内に導入し、前記排気口を介して真空排気手段により反応管内を減圧した状態で成膜処理を行うことを特徴とする。
本発明の熱処理方法は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に形成されたガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
前記反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする。
多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に形成されたガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
前記反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明では、反応管の側壁外面に沿ってガス供給ダクトを当該側壁に一体的に設け、反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に、反応管の内部とガス供給ダクト内との間を連通するように、複数のガス吐出孔を反応管の長さ方向に沿って形成しているため、反応管の内壁と基板との間の間隙を小さくすることができ、基板に対する熱処理の面内均一性例えば膜厚や、ｎ型あるいはｐ型不純物のドーピング量などの面内均一性の向上に寄与する。また、反応管の外部にガス供給ダクトを設けているため、ガス供給ダクトの容積が反応管の内壁と基板との間の間隙に影響を及ぼさないので、ガス供給ダクトの容積を大きくすることができる。このためガス供給ダクト内のガス圧を低くできるので、各ガス吐出孔の間で均一な流速分布を確保しながら、ガス吐出孔の孔径を大きくすることができる。この結果、ガス吐出孔に処理ガスの成分による反応生成物が多少付着しても、従来のインジェクターの場合のように、処理ガスの流量に与える影響はほとんど無いので、長期に亘って安定した流量のガスを供給できる。更に、反応管の側壁外面にガス供給ダクトを一体的に設けていることから、反応管を設置することでガス供給ダクトの設置も行われ、従ってガス供給ダクトを反応管に取り付けたり、取り外したりする作業が不要となり、装置の設置作業やメンテナンス作業が容易になる。
また、本発明の他の発明によれば、ガス供給ダクトを反応管の側壁外面に沿って反応管の先端面まで伸びるように当該反応管に一体に設けているため、ガス供給ダクトを反応管に取り付けたり、取り外したりする作業が不要となり、装置の設置作業やメンテナンス作業が容易になる。
本発明の熱処理装置１の第１の実施の形態を図１〜４を参照して説明する。図１〜３に示した熱処理装置１は、例えば断熱材からなる筒状体２１と、この筒状体２１の内壁面に沿って周方向に設けられた加熱手段であるヒータ２２とを備えている。ヒータ２２は上下に複数の領域にこの例では便宜上３つに分かれており、各々のヒータ２２を独立して温度制御することで、反応管３内をいわゆるゾーン制御できるように構成されている。ヒータ２２としては、例えば高純度カーボンファイバの束を複数編み込むことにより形成されたカーボンワイヤヒータをセラミックスの中に封止したものを用いることができる。尚、ヒータ２２はこれに限定されるものではなく、例えば鉄−クロム−ニッケル合金等の金属体を用いても良い。筒状体２１の内側には、例えば石英からなり、円筒形状で断面形状が真円状の反応管３が設けられており、この基端側（下端側）は炉口として開口されて、その開口部４１の周縁部にはフランジ４２が形成されている。この開口部４１は、フランジ４２と図示しないボートエレベータにより昇降可能な蓋体４３とによって、真空シールされた密閉状態が可能なように構成されている。
蓋体４３の上には、複数枚例えば１００枚のウェハＷを棚状に保持する保持具であるウェハボート４５が設けられており、蓋体４３の昇降によってウェハボート４５が反応管３に対して搬入出されることとなる。ウェハボート４５の下部には断熱ユニット４６及び蓋体４３を貫通して回転軸４４が設けられ、この回転軸４４は図示しないボートエレベータに取り付けられた駆動部であるモータＭによって回転する構成となっている。従って、ウェハボート４５はモータＭの回転によって回転軸４４と共に回転する。
反応管３の基端側である開口部４１側の側面には、反応管３内を排気するための排気口５が形成されている。この排気口５には、例えばバタフライバルブからなる圧力調整部５２を備えた排気管５３を介して、反応管３内を減圧可能な例えば真空ポンプなどの排気手段５１が接続されている。尚、この例では排気口５は、反応管３の基端側に形成されているが、先端側（上端側）に形成されていても良く、そのどちらか（一端側）であれば良い。
また、前記反応管３の外壁には、反応管３内にガスを供給するためのガス供給路である扁平な縦長の箱状体を呈するガス供給ダクト６０が反応管３の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるように、反応管３の側壁に一体的に設けられている。このガス供給ダクト６０は、図２に示すように、略直方体の形状の縦長部分６２と、この縦長部分６２の下端から裾野が広がるように形成された拡大部分６３と、からなり、ガス供給ダクト６０の一面が開口して、その一面を反応管３の外面に向けてガス供給ダクト６０の開口縁と反応管３の外面とを溶着することで、反応管３の壁面を兼用するように構成されている。
ガス供給ダクト６０の縦長部分６２における反応管３側の一面、即ち縦長部分６２に対応する反応管３の側壁には、反応管３内に連通する例えば直径１０ｍｍのガス吐出孔６１が形成されており、このガス吐出孔６１は、反応管３内のウェハＷが保持される処理領域全体にガスの流量のばらつきを抑えて供給できるように、鉛直方向にほぼ一定の間隔で複数箇所例えば１０箇所形成されている。尚、この例ではガス吐出孔６１を縦に１列配置したが、複数列例えば２列配置するようにしても良い。
図４に示すように、フランジ４２内には、周方向に例えば７本のガス流路７３が形成され、各ガス流路７３の先端側がフランジ４２の付け根部位にて拡大部分６３内にガス導入口６４として開口している。また、各ガス流路７３の基端側には、ガス導入口６４に連通するように、例えば７本のガス供給管６５が接続されている。より詳しくは、例えばガス流路７３内に外部からガス供給管６５の先端部が挿入され、このガス供給管６５とフランジ４２の外端面に設けられたポートとが気密にシールされている。この明細書ではフランジ４２内のガス通流部位をガス流路７３と称しているので、この構成においては、フランジ４２内のガス供給管６５は、ガス流路７３の一部をなしていると言える。７本のガス供給管６５は、各々互いに異なるガス供給源に接続されていて、複数種類の成膜処理や、クリーニング処理を行えるようになっている。例えば１本はバルブ７０Ａと流量調整部７１Ａとを介して例えばＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）ガス源７２Ａに接続されており、例えば他の１本はバルブ７０Ｂと流量調整部７１Ｂとを介して例えばＮＨ3（アンモニア）ガス源７２Ｂに接続されており、更に他の１本は、図示しない例えばクリーニングガス源に接続されている。ＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）ガス源７２ＡとＮＨ3ガス源７２Ｂとは、ガス源７２を構成している。
次に上述の熱処理装置１を用いた熱処理方法の一例について、シリコンウェハ（以下、「ウェハＷ」という）の表面にＣＶＤ法によってＳｉＮ膜を成膜する場合について述べる。
まず、ウェハＷを例えば１００枚ウェハボート４５に保持し、図示しないボートエレベータを用いて反応管３内に搬入する。その後蓋体４３を上昇させ反応管３を密閉し、排気手段５１にて反応管３内を例えば２７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に減圧すると共に、ヒータ２２により、反応管３内をあらかじめ設定したプロセス温度例えば６５０℃に昇温する。次に、バルブ７０Ａ、７０Ｂを開放して、ガス源７２Ａ、７２Ｂから各々処理ガスであるＳｉＨ2Ｃｌ2ガス及びＮＨ3ガスをガス供給管６５及びフランジ４２内のガス流路７３を介して、フランジ４２の上面のガス導入口６４からガス供給ダクト６０の拡大部分６３に導入する。これら処理ガスは、拡大部分６３を介して縦長部分６２内を加熱されながら上昇すると共に、ガス吐出孔６１から反応管３内に流入して、既述のようにモータＭによって回転しているウェハボート４５上の各ウェハＷに供給される。そしてウェハＷの表面において前記処理ガスが反応して、ＳｉＮ膜が成膜される。そして、未反応の処理ガスや、副生成物を含むガスは、反応管３の下部の排気口５から排気手段５１によって排気される。上述の処理ガスは、例えばＮ2ガスにより希釈されるが、便宜上関連する説明は省略している。
まず、ウェハＷを例えば１００枚ウェハボート４５に保持し、図示しないボートエレベータを用いて反応管３内に搬入する。その後蓋体４３を上昇させ反応管３を密閉し、排気手段５１にて反応管３内を例えば２７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に減圧すると共に、ヒータ２２により、反応管３内をあらかじめ設定したプロセス温度例えば６５０℃に昇温する。次に、バルブ７０Ａ、７０Ｂを開放して、ガス源７２Ａ、７２Ｂから各々処理ガスであるＳｉＨ2Ｃｌ2ガス及びＮＨ3ガスをガス供給管６５及びフランジ４２内のガス流路７３を介して、フランジ４２の上面のガス導入口６４からガス供給ダクト６０の拡大部分６３に導入する。これら処理ガスは、拡大部分６３を介して縦長部分６２内を加熱されながら上昇すると共に、ガス吐出孔６１から反応管３内に流入して、既述のようにモータＭによって回転しているウェハボート４５上の各ウェハＷに供給される。そしてウェハＷの表面において前記処理ガスが反応して、ＳｉＮ膜が成膜される。そして、未反応の処理ガスや、副生成物を含むガスは、反応管３の下部の排気口５から排気手段５１によって排気される。上述の処理ガスは、例えばＮ2ガスにより希釈されるが、便宜上関連する説明は省略している。
上述の実施の形態によれば、反応管３の外側にガス供給ダクト６０を設けているため、反応管３とウェハＷとの間の間隙を小さくすることができ、ウェハＷに対して面内均一性の高い熱処理を行うことができる。
また、ガス供給ダクト６０が反応管３の外部に設けられていることから、反応管３とウェハＷとの間の間隙を広げることなくガス供給ダクト６０の容積を大きくすることができるので、ガス供給ダクト６０内の処理ガスの圧力が低下して、上下方向の圧力勾配が小さくなる。この結果、各ガス吐出孔６１から反応管３内に供給される処理ガスの流量のばらつきを大きくすることなく、ガス吐出孔６１の開口径を大きくできるため、処理ガスの反応生成物がガス吐出孔６１の開口部に堆積することによる処理ガスの流量の経時変化（ガス吐出孔６１の開口径の減少割合）を小さくすることができ、長期間に亘って安定して熱処理を行うことができると共に、処理ガスの反応生成物（Ｓｉ3Ｎ4やＮＨ4Ｃｌなど）が析出しにくい低圧力雰囲気となり、ガス供給ダクト６０内やガス吐出孔６１における生成物の堆積が少なくなるため、パーティクルの発生を抑えることができる。
また、ガス供給ダクト６０が反応管３の外部に設けられていることから、反応管３とウェハＷとの間の間隙を広げることなくガス供給ダクト６０の容積を大きくすることができるので、ガス供給ダクト６０内の処理ガスの圧力が低下して、上下方向の圧力勾配が小さくなる。この結果、各ガス吐出孔６１から反応管３内に供給される処理ガスの流量のばらつきを大きくすることなく、ガス吐出孔６１の開口径を大きくできるため、処理ガスの反応生成物がガス吐出孔６１の開口部に堆積することによる処理ガスの流量の経時変化（ガス吐出孔６１の開口径の減少割合）を小さくすることができ、長期間に亘って安定して熱処理を行うことができると共に、処理ガスの反応生成物（Ｓｉ3Ｎ4やＮＨ4Ｃｌなど）が析出しにくい低圧力雰囲気となり、ガス供給ダクト６０内やガス吐出孔６１における生成物の堆積が少なくなるため、パーティクルの発生を抑えることができる。
ここで反応管３内に供給される処理ガスの流量（流速）のばらつきについて、本発明の構成とインジェクタを用いた場合とについて比較しておくと、インジェクタにおいては、既述のように、上下方向の圧力勾配を緩和させようとすると、ガス吐出孔６１の口径を例えば１ｍｍ未満と小さくしなければならず、このためガス吐出孔６１が存在する部位と存在しない部位との間におけるいわば流速の凹凸が激しいことから、各ウェハＷに対応してガス吐出孔６１を設けなければならず、ガス吐出孔６１の数が多くなっていた。これに対して、本発明の場合には、図５（ａ）に示すように、ガス吐出孔６１の開口径を例えば１０ｍｍと大きくすることができるので、流速の凹凸はなだらかになり、そのためガス吐出孔６１の数も少なくすることができ、ガス吐出孔６１の形成が容易である。また、上下方向のガス流量の均一性をより一層確保するためには、ガス吐出孔６１の口径を上段側のもの程大きくしていくことが好ましいが、そうした微妙な加工であっても容易に行うことができる。
更に、ガス流路７３の断面積よりもガス供給ダクト６０の水平方向の断面積が大きく、特にガス導入口６４が開口している下部は拡大部分６３として形成されているので、ガス供給ダクト６０内に供給された処理ガスの圧力は、ガス流路７３内の圧力よりも低くなる。そのため、処理ガスがガス流路７３へ逆流しにくくなり、ガス流路７３やガス供給管６５の管壁に処理ガスの反応物の付着する量が減少するので、この点からもパーティクルの発生を抑えることができる。
更にまた反応管３の側壁外面にガス供給ダクト６０を一体的に設けており、しかもこの例ではフランジ４２からガス供給ダクト６０が起立してフランジ４２内のガス流路７３からガス供給ダクト６０に処理ガスを導入する構造であるため、反応管３を設置してガス流路７３に外部から配管することによりガス供給系の設置がなされるため、熱処理装置１の設置作業やメンテナンス作業が容易である上、反応管３内とガス供給ダクト６０内とを一括してクリーニングできるので、クリーニング作業も容易である。また箱型の石英部材を反応管３の外面に溶着しているためガス供給ダクト６０の形成作業も簡単である。
この熱処理装置１は、ＳｉＮ膜に限られず、例えばポリシリコン膜や、ｐ型、ｎ型の不純物をドーピングしたドーピング膜例えばリンドープポリシリコン膜の成膜に用いても良い。ドーピング膜の場合には、例えばシランガスについては反応管３の底部から反応管３内に供給し、フォスフィンガスについてはガス供給ダクト６０を利用してガスの供給を行うことができ、ウェハＷの面内及びウェハＷ間においてドーピング量の均一性を高めることができる。
次に、本発明の熱処理装置１の第２の実施の形態を図６及び図７を参照して説明する。尚、第１の実施の形態と同じ内容については説明を省略する。
図６中の熱処理装置１において、ガス供給ダクト６０やガス吐出孔６１については、第１の実施の形態における熱処理装置１と同じ構成であるが、ガス供給ダクト６０内の最上段のガス吐出孔６１の上方には、反応管３内と連通する均圧化用の孔６６が形成されている。この均圧化用の孔６６は、反応管３内のウェハＷが保持される処理領域よりも上方に処理ガスを供給するように形成されており、図７に示すように、略長方形であり、例えば縦２２ｍｍ×横３５ｍｍ程度の大きさとなっている。ガス吐出孔６１の直径は、上側のもの程大きくなるように形成されている。
図６中の熱処理装置１において、ガス供給ダクト６０やガス吐出孔６１については、第１の実施の形態における熱処理装置１と同じ構成であるが、ガス供給ダクト６０内の最上段のガス吐出孔６１の上方には、反応管３内と連通する均圧化用の孔６６が形成されている。この均圧化用の孔６６は、反応管３内のウェハＷが保持される処理領域よりも上方に処理ガスを供給するように形成されており、図７に示すように、略長方形であり、例えば縦２２ｍｍ×横３５ｍｍ程度の大きさとなっている。ガス吐出孔６１の直径は、上側のもの程大きくなるように形成されている。
このような構成によれば、処理ガスの例えば半分程度は、均圧化用の孔６６を介して反応管３内におけるウェハＷの処理領域の上方を通流して、ガス吐出孔６１からウェハＷの処理領域を通流した残りの処理ガスと共に排気される。つまり、均圧化用の孔６６から反応管３内に供給される処理ガスの流量は、各ガス吐出孔６１から反応管３内に供給される処理ガスの流量に比べてかなり多くなるため、ガス供給ダクト６０内を上側の均圧化用の孔６６に向かって通流する処理ガスから各ガス吐出孔６１が受ける圧力が均一化されるので、ガス供給ダクト６０内の上下方向における処理ガスの圧力分布のばらつきを大きくすることなく、ガス吐出孔６１の開口径を上述の第１の実施の形態におけるガス吐出孔６１の開口径よりも大きく例えば１５ｍｍ程度に形成することができる。このガス吐出孔６１から反応管３内に供給される処理ガスは、既述の通り、ウェハＷ上で反応を起こして成膜処理に寄与する一方、均圧化用の孔６６から反応管３内に供給される処理ガスは、成膜に寄与することなく、排気口５から排気手段５１によって排気される。
このように、ガス供給ダクト６０内の圧力勾配が小さくなるので、図５（ｂ）に示すように、反応管３内に供給される処理ガスの濃度（流速）の分布が更になだらかになり、反応管３内の各ウェハＷに対する処理ガスの流量のばらつきを小さくすることができる。このことは、言い換えれば処理ガスの流量のばらつきを抑えながら、ガス吐出孔６１の数をより少なくできるということでもある。
尚、この例ではガス吐出孔６１及び均圧化用の孔６６を縦に１列配置したが、既述の例と同様に、複数列例えば２列配置するようにしても良い。
尚、この例ではガス吐出孔６１及び均圧化用の孔６６を縦に１列配置したが、既述の例と同様に、複数列例えば２列配置するようにしても良い。
次いで、本発明の熱処理装置１の第３の実施の形態を図８及び図９を参照して説明する。尚、第１の実施の形態と同じ内容については説明を省略する。
図８中の熱処理装置１におけるガス供給ダクト６０は、図９にも示すように、ガス供給ダクト６０の先端部は、反応管３の壁面の上部で屈曲して、反応管３の先端面まで伸長している。この場合には、上下に分割した例えば３つのヒータ２２を個別に制御することで、反応管３内の下端側の温度を上部側の温度よりも高くして、処理雰囲気において上下方向に温度勾配を形成する必要があり、このため熱処理プロセスとしては、ウェハＷ間の温度が異なっていても歩留まりに影響のないプロセスに適用されることとなる。熱処理プロセスの一例としては、ＴＥＯＳの蒸気と酸素ガスとを用いてＳｉＯ2膜を成膜する処理などが挙げられる。
図８中の熱処理装置１におけるガス供給ダクト６０は、図９にも示すように、ガス供給ダクト６０の先端部は、反応管３の壁面の上部で屈曲して、反応管３の先端面まで伸長している。この場合には、上下に分割した例えば３つのヒータ２２を個別に制御することで、反応管３内の下端側の温度を上部側の温度よりも高くして、処理雰囲気において上下方向に温度勾配を形成する必要があり、このため熱処理プロセスとしては、ウェハＷ間の温度が異なっていても歩留まりに影響のないプロセスに適用されることとなる。熱処理プロセスの一例としては、ＴＥＯＳの蒸気と酸素ガスとを用いてＳｉＯ2膜を成膜する処理などが挙げられる。
このような実施の形態によれば、ガス供給ダクト６０と反応管３とが一体化しているので、反応管３の上部にガス供給管を接続しなくて済み、設置作業やメンテナンス作業が容易である。
この例では、ガス吐出孔６１を反応管３の先端面に１箇所形成したが、先端面に複数箇所例えば３箇所形成しても良いし、または反応管３の側面のウェハＷの処理領域よりも上部に形成するようにしても良い。
更に、本発明の熱処理装置１の第４の実施の形態を図１０〜図１２を参照して説明する。尚、第１の実施の形態と同じ内容については説明を省略する。
図１０〜図１２中の熱処理装置１において、ガス供給ダクト６０は、隔壁６７によって第１の通気室６８Ａ、第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃとして各々の基端側が反応管３の周方向に分割されている。より詳しくは、背丈の高い第２の通気室６８Ｂに背丈の低い第３の通気室６８Ｃが並設され、第３の通気室６８Ｃの隣の縦長の部屋の上方側が第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃの上方側に広がっていて、この第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃ以外の部屋が第１の通気室６８Ａをなしている。第１の通気室６８Ａの上部には、例えば直径２０ｍｍの二個のガス吐出孔６１が周方向に形成され、第２の通気室６８Ｂと第３の通気室６８Ｃとの各上部には、例えば直径１０ｍｍの縦に並ぶ複数のガス吐出孔６１が形成されている。つまり、各々の通気室６８Ａ〜６８Ｃに形成された反応管３の長さ方向におけるガス吐出孔６１の位置が互いに異なるように形成されており、反応管３内を長さ方向に３分割した上段、中段及び下段の各処理領域への処理ガスの供給が各々の通気室６８Ａ〜６８Ｃから行われるように構成されている。
図１０〜図１２中の熱処理装置１において、ガス供給ダクト６０は、隔壁６７によって第１の通気室６８Ａ、第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃとして各々の基端側が反応管３の周方向に分割されている。より詳しくは、背丈の高い第２の通気室６８Ｂに背丈の低い第３の通気室６８Ｃが並設され、第３の通気室６８Ｃの隣の縦長の部屋の上方側が第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃの上方側に広がっていて、この第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃ以外の部屋が第１の通気室６８Ａをなしている。第１の通気室６８Ａの上部には、例えば直径２０ｍｍの二個のガス吐出孔６１が周方向に形成され、第２の通気室６８Ｂと第３の通気室６８Ｃとの各上部には、例えば直径１０ｍｍの縦に並ぶ複数のガス吐出孔６１が形成されている。つまり、各々の通気室６８Ａ〜６８Ｃに形成された反応管３の長さ方向におけるガス吐出孔６１の位置が互いに異なるように形成されており、反応管３内を長さ方向に３分割した上段、中段及び下段の各処理領域への処理ガスの供給が各々の通気室６８Ａ〜６８Ｃから行われるように構成されている。
また、各通気室６８Ａ〜６８Ｃには独立して処理ガスが供給されるようになっており、図１１〜図１３では、一例として３系統のガスラインを各通気室６８Ａ〜６８Ｃに分配供給する場合について記載してある。図１３に示すように、３つのガス供給源７４、７５及び７６から各々伸び出すガス供給路７７、７８及び７９は、いずれのガス供給路７７、７８及び７９についても３本に分岐され、各分岐路（７７Ａ〜７７Ｃ、７８Ａ〜７８Ｃ及び７９Ａ〜７９Ｃ）は、バルブ及び流量調整部などを含むガス供給制御系８０を介して、ガス導入口６４に接続されている。
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が得られる。ガス供給ダクト６０内を３つの通気室６８Ａ〜６８Ｃに分割して、各通気室６８Ａ〜６８Ｃのガス吐出孔６１のグループに、処理領域を上下に分割した分割領域の処理ガスの供給を割り当て、それぞれの通気室６８Ａ〜６８Ｃに通流する処理ガスの流量を独立して流量制御できるようにしているため、反応管３の長さ方向（上下方向）における処理ガスの流量の調整の自由度が大きく、結果として処理ガスの濃度分布の均一化を容易に図ることができ、ウェハＷの面内の処理の均一性を図る上で、有効な構造である。尚、ガス供給ダクト６０内の分割数は２分割あるいは４分割以上であっても良い。
また、この熱処理装置１は、第３の実施の形態と同様に、ウェハＷの処理領域の上方側から処理ガスを供給する熱処理に適用することができる。この場合には、ウェハボート４５の上部側において、第１の通気室６８Ａのガス吐出孔６１から供給される処理ガスが吹き付けられる領域には、例えばダミーウェハなどを保持するようにしても良い。つまり、第１の通気室６８Ａのガス吐出孔６１から処理ガスが反応管３内に供給される領域は、既述のウェハＷの処理領域の上側になるようにする。このような手法においては、第２の通気室６８Ｂ及び第３の通気室６８Ｃには、処理ガスの供給を行わない。従って、第４の実施の形態によれば、このように処理ガスの供給モードを２つ持たせることができる利点もある。
１ 熱処理装置
３ 反応管
６０ ダクト
６１ ガス吐出孔
６２ 縦長部分
６３ 拡大部分
６４ ガス導入口
６５ ガス供給管
６６ 均圧化用の孔
６７ 隔壁
６８Ａ 第１の通気室
６８Ｂ 第２の通気室
６８Ｃ 第３の通気室
３ 反応管
６０ ダクト
６１ ガス吐出孔
６２ 縦長部分
６３ 拡大部分
６４ ガス導入口
６５ ガス供給管
６６ 均圧化用の孔
６７ 隔壁
６８Ａ 第１の通気室
６８Ｂ 第２の通気室
６８Ｃ 第３の通気室
Claims (16)
- 多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管内の基板が保持される処理領域に処理ガスを供給するために、前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通し、長さ方向に配列された複数のガス吐出孔と、
前記ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
前記反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。 - 前記ガス供給ダクト内は、各々ガス吐出孔が形成された複数の通気室として少なくとも基端側が反応管の周方向に仕切られると共に、各通気室の間で、反応管の長さ方向におけるガス吐出孔の形成領域の位置が互いに異なるように構成され、これにより各通気室が各々反応管内を長さ方向に分けた複数の処理雰囲気へのガス供給を受け持ち、また各通気室に対して独立してガスを供給できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
- 前記反応管の側壁における前記ガス供給ダクトが配置される領域であって、前記処理領域から反応管の先端側に外れた領域に均圧化用の孔が形成され、
前記均圧化用の孔は、当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱処理装置。 - 前記排気口に排気管を介して真空排気手段が接続され、処理ガスは成膜ガスであり、基板に対して行われる熱処理は、減圧雰囲気下で行われる成膜処理であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクトと、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に、前記反応管の内部とガス供給ダクトとの間を連通するように形成されたガス吐出孔と、
ガス供給ダクト内に処理ガスを導入するために、前記反応管の基端側に設けられたガス導入口と、
反応管の一端側に開口する排気口と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。 - ガス供給ダクトの側壁は、反応管の管壁を兼用していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 反応管及びガス供給ダクトは石英製であり、ガス供給ダクトは反応管に溶着されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 前記反応管の開口部の周縁部にはフランジが形成され、このフランジの内部には、出口がガス供給ダクト内に前記ガス導入口として開口すると共に、入り口が外部のガス供給管に接続されるガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の熱処理装置。
- 多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びるようにかつ当該側壁に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の側壁におけるガス供給ダクトが配置される領域に長さ方向に配列された複数のガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
前記反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。 - 前記ガス供給ダクト内は、各々ガス吐出孔が形成された複数の通気室として少なくとも基端側が反応管の周方向に仕切られると共に、各通気室の間で、反応管の長さ方向におけるガス吐出孔の形成領域の位置が互いに異なるように構成され、
各通気室毎に処理ガスの流量を調整した状態で前記複数の通気室に処理ガスを供給して、各通気室が受け持つ長さ方向に分けられた前記反応管内の複数の処理雰囲気に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする請求項９に記載の熱処理方法。 - 前記反応管の側壁における前記ガス供給ダクトが配置される領域であって、前記処理領域から反応管の先端側に外れた領域に均圧化用の孔が形成され、
前記ガス吐出孔の開口径よりも大きく開口している当該孔から前記反応管内に供給される処理ガスの流量が各々の前記ガス吐出孔から供給される流量よりも多くなることによって、前記ガス供給ダクト内の長さ方向の圧力勾配が小さくなるように、前記ガス供給ダクトから前記均圧化用の孔を介して前記反応管内に処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする請求項９または１０に記載の熱処理方法。 - 処理ガスである成膜ガスをガス供給ダクト内に導入し、前記排気口を介して真空排気手段により反応管内を減圧した状態で成膜処理を行うことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 多数の基板を並列に保持した基板保持具を反応管の基端側の開口部から前記反応管内に搬入し、前記反応管内を加熱した状態で処理ガスにより前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管の側壁外面に沿って長さ方向に伸びかつ先端部が反応管の先端面に位置するように、当該反応管に一体に設けられたガス供給ダクト内に、前記反応管の基端側に形成されたガス導入口から処理ガスを導入する工程と、
前記反応管の先端面におけるガス供給ダクトが配置される領域に形成されたガス吐出孔を介して、ガス供給ダクト内の処理ガスを反応管内に供給する工程と、
反応管の一端側に開口する排気口から反応管内の処理ガスを排気する工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。 - ガス供給ダクトの側壁は、反応管の管壁を兼用していることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 反応管及びガス供給ダクトは石英製であり、ガス供給ダクトは反応管に溶着されていることを特徴とする請求項９ないし１４のいずれか一つに記載の熱処理方法。
- 前記反応管の開口部の周縁部にはフランジが形成され、
このフランジの内部に形成され、出口がガス供給ダクト内に前記ガス導入口として開口するガス流路の入り口に外部のガス供給管から処理ガスを供給する工程を行うことを特徴とする請求項９ないし１５のいずれか一つに記載の熱処理方法。
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