JP2008078429A

JP2008078429A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2008078429A
Application number: JP2006256601A
Authority: JP
Inventors: Kunio Maruyama; 訓生丸山
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】熱によりピンが膨張して、ピン穴に接触しても第１の蓋体が破損することのない基板処理装置を提供する。
【解決手段】第１の蓋体５は、不透明石英ガラスを材料として形成されており、第１の蓋体５の底面には、少なくとも1つ以上のピン穴１１ａ，１１ｂが形成されている。第２の蓋体６は、第１の蓋体５よりも熱膨張率が大きい材質であるステンレス（ＳＵＳ）製であり、第２の蓋体６の前記ピン穴１１ａ，１１ｂと相対する位置には、第１の蓋体５よりも弾力性の高い材質である樹脂製（例えばＰＴＦＥ製）のピン７ａ，７ｂが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、縦型の反応室内で半導体基板の処理を行う基板処理装置に関し、特に、反応室を開閉するための蓋体の位置決め機構を備えた縦型の基板処理装置に関するものである。

縦型の反応室を有する基板処理装置としては、例えば、縦型炉を具備した熱処理装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱処理装置は、反応管、均熱管、及びヒータが同心状に設けられ、反応管内部で基板に熱処理が施されるように構成された装置であって、反応管と均熱管との間に第１空間が形成され、かつ均熱管とヒータとの間に第２空間が形成されていて、第１空間に冷却ガスを供給して均熱管の上端より排出すると共に、ヒータの外周囲から第２空間に冷却ガスを供給してヒータの上端より排出するように構成されている。これによって、熱容量の小さい反応管が冷却ガスによって直接冷却されるので、基板に対する冷却効果が大きく、かつ反応管と共に均熱管を同時に直接冷却するので、大きな降温速度が得られる。さらに、均熱管を外部から補充的に冷却するので、冷却の形態を任意に選択することができる。例えば、反応管の上部を部分的に冷却して降温時における熱分布を均一にすることなどができる。

図４は、一般的な縦型の反応炉の概略的な構成図である。図４に示すように、反応炉１０は、垂直に設けられたヒータ1の内部に石英からなる反応管２が設けられている。また、反応管２の内部には基板（ウェハ）を保持するボート３と、ボート３を支持するボート支持体４とが設けられている。さらに、ボート支持体４の下部には第１の蓋体５と第２の蓋体６とが設けられている。第１の蓋体５には石英などの材料が使用され、第２の蓋体６にはＳＵＳ（ステンレス）などの材料が使用されている。また、第１の蓋体５と第２の蓋体６は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス）などの材料の２本の位置決め用のピン７ａ，７ｂによって第１の蓋体５及び第２の蓋体６の中心と回転方向の位置決めが行われている。
特開２００２−１６４２９８号公報

しかしながら、図４に示すような一般的な縦型の反応炉においては、反応管２の内部の基板は１２００℃程度の高温プロセスで処理が行われているため、１２００℃程度のプロセスでは、蓋体の位置の温度は１００℃〜５００℃程度となり、このような温度領域では殆んど熱変形しない石英製の第１の蓋体５に比べて、ＳＵＳ製の第２の蓋体６及び位置決め用のピン７ａ（または、ピン７ｂ）はかなり大きく熱変形する。また、第１の蓋体５を形成する石英の縦弾性係数は、７２５００Ｎ／ｍｍ²であり、第２の蓋体６及び位置決め用のピン７ａ（または、ピン７ｂ）の縦弾性係数は、１９７０００Ｎ／ｍｍ²である。したがって、この程度の高温になると、第２の蓋体６に固定された位置決め用のピン７ａ（または、ピン７ｂ）は、第２の蓋体６が特に半径方向に熱膨張するのにともない、第２の蓋体の半径方向に移動して、第１の蓋体５の位置決めを行うための位置決め用のピン穴(図示せず)と接触して、第１の蓋体５を破損させてしまうなどの不具合が生じる場合がある。

また、前述の特許文献１に開示されているような熱処理装置においても、大きな降温速度で各部分に温度勾配が生じる過程において、蓋体の位置決めを行うピンとピン溝の壁面との間に蓋体それぞれの材料の熱膨張係数の違いによって生じる応力が作用して、ピンや蓋体を破損させてしまうおそれがある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、反応炉の蓋体の部分における熱変形を考慮し、位置決め用のピンの材質を変更した基板処理装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明における基板処理装置は、基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、該処理室を形成し、底部に開口部を有する反応容器と、該反応容器の外周に配設され、前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に少なくとも１つ以上の位置決め部が形成された第１の蓋体と、前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における位置決め部と相対する位置に設けられた少なくとも１つ以上の位置決め手段とを備え、前記位置決め手段は、前記第１の蓋体よりも弾力性の大きい材質で形成されていることを特徴とする。

本発明の基板処理装置によれば、熱により第２の蓋体が第１の蓋体より大きく膨張し、位置決め手段が第１の蓋体の位置決め部に接触しても、位置決め手段は第１の蓋体よりも弾力性の大きい材質で形成されているため、第１の蓋体が破損することはない。これにより、部品交換の頻度が少なくなり、ウェハの歩留まりを向上させることができる。

《発明の概要》
本発明の基板処理装置は、熱により第２の蓋体が第１の蓋体より大きく膨張し、位置決め手段が第１の蓋体の位置決め部に接触しても、第１の蓋体を破損させることがないように、位置決め手段を第１の蓋体よりも弾力性の大きい材質で形成する。さらに具体的に説明すると、第２の蓋体に設けられる位置決めピンの材質を従来の金属から樹脂に変更することにより、熱により第２の蓋体が第１の蓋体より大きく膨張し、位置決めピンが第１の蓋体の位置決め用のピン穴に接触しても、樹脂は石英に比べて軟質なので、樹脂製の位置決めピンでは石英ベース製の第１の蓋体の割れを引き起こすことはない。

《実施の形態》
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態において、半導体装置の製造方法における基板処理工程を実施する基板処理装置の実施の形態について詳細に説明するが、図２を用いて本発明に適用される基板処理装置の全体構成について、縦型酸化拡散処理炉を例に挙げて説明する。

図２は、本発明に適用される縦型酸化拡散処理炉の構成図である。この縦型酸化拡散処理炉は均熱管のある拡散処理炉であり、３００〜１２００℃未満での熱処理として使用される拡散処理炉である。図２において、均熱管２０６は、例えばＳＩＣ等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞され、かつ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なる反応容器（以下、反応管２０３）は、下端に開口を有する円筒状の形態を有し、均熱管２０６内に同心円状に配置されている。反応管２０３の下部には例えば石英からなるガス供給管２３２と排気管２３１が連結されている。ガス供給管２３２と連結する導入口２３４は、反応管２０３下部から反応管２０３の側部に添って例えば細管状に立ち上がり、天井部で反応管２０３内部に連通している。

排気管２３１は反応管２０３の排気口２３５に接続されている。供給されるガスはガス供給管２３２から反応管２０３の天井部を介して内部に流れ、反応管２０３の下部に接続された排気管２３１から排気される。ガス供給管２３２は、ガス流量制御部３０２が制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１、または水分発生器（図示せず）に連結されている。ＭＦＣ２４１はガス流量制御部３０２に接続されていて供給するガスまたは水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の流量を所定の量に制御する。

反応管２０３の排気口２３５には、圧力調節器（例えばＡＰＣ２４２）に連結されたガスの排気管２３１が接続されている。ＡＰＣ２４２は反応管２０３内の圧力を所定の圧力に制御する。ＡＰＣ２４２は、圧力検出手段（以下圧力センサ２４５）によって検出された検出圧力に基づいて圧力制御部３０３によって制御される。

反応管２０３の下端開口部には、例えば石英からなる第１の蓋体としての円盤状の保持体（以下ベース２５７）が、Ｏリング２２０を介して気密シール可能に着脱自在に設けられ、ベース２５７は第２の蓋体としての円盤状の蓋体（以下シールキャップ２１９）の上側に取付けられている。また、シールキャップ２１９には、回転手段（以下回転軸２５４）が連結されており、回転軸２５４がキャップ受け２９０を介して、保持体（以下石英キャップ２１８）及び基板保持手段（以下ボート２１７）、ボート２１７上に保持されている基板（以下ウェハ２００）を回転させる。また、シールキャップ２１９は昇降手段（以下ボートエレベータ１１５）に連結されていて、ボート２１７を昇降させる。回転軸２５４、及びボートエレベータ１１５は駆動制御部３０４により駆動制御される。

均熱管２０６の外周には加熱手段（以下ヒータ２０７）が同心円状に配置されている。ヒータ２０７は、温度検出手段（輻射温度計２６３）により検出された温度に基づいて、反応管２０３内の温度を所定の処理温度にするように温度制御部３０１によって制御される。また、温度検出手段２６３としては、輻射温度計と保護カバーが用いられている。これにより、均熱管からの赤外線のみを検出することが可能になる。

次に、図２に示す縦型酸化拡散処理炉による酸化、拡散処理の方法の一例を説明する。まず、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を下降させる。そして、ボート２１７に複数枚のウェハ２００を保持する。続いて、ヒータ２０７によって加熱しながら反応管２０３内の温度を所定の処理温度にする。ガスの供給管２３２に接続されたＭＦＣ２４１により予め反応管２０３内を不活性ガスで充填しておき、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を上昇させて反応管２０３内に移し、反応管２０３の内部温度を所定の処理温度に維持する。例えば予め反応管２０３の内部温度と輻射温度計２６３の検出する温度との相関関係を求めておき、偏差を補正するようにして制御してもよい。

反応管２０３内を所定の圧力に保った後、回転軸２５４がキャップ受け２９０を介してボート２１７及びボート２１７上に保持されているウェハ２００を回転させる。同時に、ガスの供給管２３２から処理用のガスを供給するか、または水分発生器から水蒸気を供給する。供給されたガスは反応管２０３内を下降してウェハ２００に対して均等に供給される。酸化・拡散処理中の反応管２０３内は排気管２３１を介して排気され、所定の圧力になるようにＡＰＣ２４２により圧力が制御され、所定時間に亘って酸化・拡散処理が行われる。

このようにして酸化・拡散処理が終了すると、次のウェハ２００の酸化・拡散処理に移るために、反応管２０３内のガスを不活性ガスに置換すると共に圧力を常圧にする。その後、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させて、ボート２１７及び処理済のウェハ２００を反応管２０３から取り出す。反応管２０３から取り出されたボート２１７上の処理済のウェハ２００は、未処理のウェハ２００と交換され、再び前述と同様にして反応管２０３内に上昇され、酸化・拡散処理が行われる。

(第１の実施の形態)
次に、本発明の特徴である基板処理装置における反応炉の蓋体が熱で変形しても、蓋体の位置決め用のピンの膨張力によりピン穴に所定値以上の応力が発生しないような機構について説明する。ここで、蓋体は図２に示したシールキャップ２１９に対応している。

図１は、第１の実施の形態の蓋体部分の断面図である。

第１の蓋体５は、不透明石英ガラスを材料として形成されており、不透明石英ガラスは、材料内に微細な気泡を包含させることにより熱線・赤外線の遮断性が高い材質として形成されている。また、シール性及び機械強度において、基板処理装置の蓋体として満足のいく材質であり、本実施の形態における曲げ強度は、５．６Ｋｇｆ／ｍｍ³程度、縦弾性係数は、前述の通り７２５００Ｎ／ｍｍ²である。第１の蓋体５の底面には、少なくとも1つ以上のピン穴（位置決め部）１１ａ，１１ｂが形成されており、好適には第１の蓋体５の底面中心軸に対して対称位置に２つ以上設ける。これにより、回転方向及び径方向の位置ずれを適切に防止することができる。また、ピン穴１１ａ，１１ｂは、貫通させない穴形状にすることにより、反応室内と位置決め部とを隔離させることが出来るため、位置決め部が擦れることにより発生する可能性のあるパーティクルが反応室内のウェハを汚染することを防止することができる。なお、穴に限らず、貫通孔にしてもよいが、その場合には、貫通孔の反応室側の面を蓋するようにすると、上記パーティクル汚染を抑止することができる。

第２の蓋体６は、第１の蓋体５よりも熱膨張率が大きい材質であるステンレス（ＳＵＳ）製であり、ステンレスの縦弾性係数は、前述の通り１９７０００Ｎ／ｍｍ²である。第２の蓋体６の前記ピン穴１１ａ，１１ｂと相対する位置には、第１の蓋体５よりも弾力性の高い材質である樹脂製（例えばＰＴＦＥ製）のピン（位置決め手段）７ａ，７ｂが設けられている。ピン７ａ，７ｂの材質であるＰＴＦＥの縦弾性係数は、５００Ｎ／ｍｍ²である。

第１の蓋体５と第２の蓋体６とを閉じた状態において、ピン７ａ，７ｂがピン穴１１ａ，１１ｂに挿入されることにより、回転方向及び径方向の位置決めが行われる。また、熱により第１の蓋体が第２の蓋体より膨張してピン７ａ、７ｂがピン穴１１ａ，１１ｂに接触しても、ピン７ａ，７ｂの縦弾性係数は５００Ｎ／ｍｍ²であり、軟質なので、第１の蓋体５を破損させることはない。

(第２の実施の形態)
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の変更例であり、異なる点は、第１の蓋体のピン穴１１ａ、１１ｂの形状を若干拡大し、該拡大した箇所に第１の蓋体より割れにくい材料を埋没させた点である。その他の構成は、第１の実施の形態で詳述したものと同様であり、説明は省略する。
図３は、第２の実施の形態の蓋体の側面の断面図、図５は、蓋体の割れの状態を示す側面の断面図である。

第１の蓋体５を形成する不透明石英ガラスの構造は、前述のように、石英中に気泡１４を大量に含んでおり、このため、気泡１４を大量に含んでいる部分に応力が集中する箇所があると、そこを起点に割れが生じる。すなわち、図５に示すように、第１の蓋体５のピン穴１１ａ，１１ｂに大量に気泡１４を含んだ部分があると、その部分は弱いため、その弱い部分１３にピン７ａ，７ｂが接触すると、その接触箇所１５を起点に第１の蓋体５が割れる。また、不透明石英ガラスは通常、加工後焼き仕上げをして表面を滑らかにするが、機械的磨耗やエッチングにより、表面に気泡１４による凸凹がむき出しになることがあり、凸凹部分にピン７ａ、７ｂが接触すると、その接触箇所に亀裂が入ってしまうことがある。

このため、図３に示すように、第１の蓋体５のピン穴１１ａ，１１ｂの表面部分を第１の蓋体５より破損しにくい材料として透明石英ガラス１２で構成する。不透明石英ガラスの曲げ強度は前述のように５．６Ｋｇｆ／ｍｍ³程度であるが、透明石英ガラスは、９．６Ｋｇｆ／ｍｍ³程度である。また、透明石英ガラス１２内に、気泡１４が存在しないため、前述の大量に気泡１４を含んだ部分を存在させることもないし、透明石英ガラス１２内壁表面に気泡１４がむき出しになることもない。従って、透明石英ガラス１２部分にピン７ａ，７ｂが接触し、応力が集中しても第１の蓋体５が割れにくい構造を実現することができる。さらに、不透明石英ガラスと透明石英ガラスとは、加熱により溶着することができるため、ピン穴１１ａ、１１ｂに透明石英ガラス１２は、加熱による溶着により強固に固着することができる。尚、図３では、ピン穴１１ａ、１１ｂの表面部分全面に透明石英ガラス１２を埋没するようにしたが、ピン穴１１ａ、１１ｂの穴底には、透明石英ガラスを設けずにピン穴１１ａ、１１ｂの側壁のみに設けるようにしても良い。このようにすることにより、ピン穴１１ａ、１１ｂに透明石英ガラスに透明石英ガラス１２を溶着しやすくすることができる。

また、基板保持具であるボート支持体４の底部は、ボート３の底部であっても良いし、石英キャップや断熱板ホルダの底部であっても良い。それらの石英キャップや断熱板ホルダの底部に設けられた第１の蓋体の底部に複数の位置決め部としてピン穴を形成すると良い。

また、図４に示すようなボート３や第１の蓋体５及び第２の蓋体６（シールキャップ）に加えて、図２に示すように円盤状の蓋体（シールキャップ）２１９とは別のキャップ受け２９０に載せるタイプの反応炉（拡散処理炉）を備えた基板処理装置であっても、シールキャップ２１９およびベース２５７に本発明を適用することができる。尚、キャップ受け２９０にピン、石英キャップ２１８の底部で第１の蓋体を形成し、ピン穴を設けることにより、本発明を適用しても良い。

さらに、図４に示すようなボート３や第１の蓋体５及び第２の蓋体６（シールキャップ）に加えて、例えば、同一出願人による特開２００３−１００７３０号公報の基板処理装置のように、キャップを設けずにロングボート形状として、直接、蓋体や受け台に載せるタイプの基板処理装置でも本発明を適用することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、例えば、以下のような形態とすることもできる。

すなわち、基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、該処理室を形成し、底部に開口部を有する反応容器と、該反応容器の外周に配設され、前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に少なくとも１つ以上の位置決め穴が形成された石英製の第１の蓋体と、前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質であるステンレス製で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における位置決め穴と相対する位置に設けられた少なくとも１つ以上の位置決め手段とを備え、前記位置決め手段は、前記第１の蓋体よりも弾力性の大きい材質であるフッ素系樹脂製で形成されていることを特徴とする基板処理装置。

また、次のような形態とすることもできる。
すなわち、基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、該処理室を形成し、底部に開口部を有する反応容器と、該反応容器の外周に配設され、前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に少なくとも１つ以上の位置決め穴が形成された第１の蓋体と、前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における位置決め穴と相対する位置に設けられた少なくとも１つ以上の位置決め手段とを備え、前記位置決め穴は、前記第１の蓋体に形成された取り付け穴内に第１の蓋体よりも曲げ強度の高い材料からなる位置決め穴部材が埋没されて形成されていることを特徴とする基板処理装置。

また、次のような形態とすることもできる。
すなわち、基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、該処理室を形成し、底部に開口部を有する反応容器と、該反応容器の外周に配設され、前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に少なくとも１つ以上の位置決め穴が形成された不透明石英製の第１の蓋体と、前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質であるステンレス製で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における位置決め穴と相対する位置に設けられた少なくとも１つ以上の位置決め手段とを備え、前記位置決め穴は、前記第１の蓋体に形成された取り付け穴内に第１の蓋体よりも曲げ強度の高い材料である透明石英製の位置決め穴部材が埋没されて形成されていることを特徴とする基板処理装置。

第１の実施の形態の蓋体の側面の断面図である。本発明に適用される基板処理装置及び蓋体の部分を示す側面の断面図である。第２の実施の形態の蓋体の側面の断面図である。本発明に適用される従来一般の縦型酸化拡散処理炉の構成図である。従来の蓋体のきれつの状態を示す側面の断面図である。

符号の説明

１ヒータ（加熱手段）
２反応管（処理室）
５第１の蓋体
６第２の蓋体
７ａ，７ｂピン（位置決め手段）
１１ａ，１１ｂピン穴（位置決め部）
２０３反応管（反応容器）

Claims

基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、
該処理室を形成し、底部に開口部を有する反応容器と
該反応容器の外周に配設され、前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、
前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に少なくとも１つ以上の位置決め部が形成された第１の蓋体と、
前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、
前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における位置決め部と相対する位置に設けられた少なくとも１つ以上の位置決め手段とを備え、
前記位置決め手段は、前記第１の蓋体よりも弾力性の大きい材質で形成されていることを特徴とする基板処理装置。