JP2008078459A

JP2008078459A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2008078459A
Application number: JP2006257188A
Authority: JP
Inventors: Iwao Nakamura; 巌中村; Ryota Sasajima; 亮太笹島
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】基板面内の膜厚の均一性を向上させ、もって基板の処理枚数を増大させる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板処理装置１０は、基板５４を処理する処理室４１と、処理室４１内の基板５４を加熱するヒータ４６と、処理室４１内で複数枚の基板５４を多段に支持する基板支持具３０と、基板支持具３０の下方に設けられ複数枚の断熱板８６を多段に支持するように構成された断熱板ホルダ８１とを有する。断熱板８６は基板５４と中心が異なるように配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体ウエハやガラス基板等の基板を処理するための基板処理装置に関するものである。

この種の基板処理装置において、反応管の外周にヒータを配置し、該ヒータにより基板を加熱処理するものが知られている。また、開放された反応管の下部からの放熱を抑制するため該反応管の下部に断熱板を配設するものも知られている（例えば特許文献１）。

特開２００６−３２３８６号公報

しかしながら、上記従来の基板処理装置において成膜処理等の基板処理を行なう場合、ボートの下方に位置する基板が他の基板と比較し低温となる傾向があった。これは、断熱板が配設されているものの、反応管の下部が開放され、反応管の外周にヒータが配置されている炉の構造により、反応管の下端部から放熱（熱逃げ）することが原因と考えられる。また、ヒータの一部分には一対のヒータ端子（給電部）が配設されており、このヒータ端子周辺が他の部分と比べ低温になる傾向もあった。これは、ヒータ端子が外部に向けて開放されているとともに該ヒータ端子間にはヒータ素線が無いことが原因と考えられる。これらの要因により、特に反応管の下部に配置された基板においては、基板面内の温度差が大きくなり、基板面内の膜厚の均一性が劣化する傾向があった。このように、基板面内の膜厚の均一性が劣化した基板は、製品として使用することができず、一処理（１バッチ）あたりの基板の処理枚数が減少するとの問題があった。

本発明の目的は、上記従来の問題を解消し、基板面内の膜厚の均一性を向上させ、もって基板の処理枚数を増大させる基板処理装置を提供することにある。

本発明の特徴とするところは、基板を処理する処理室と、前記処理室内の基板を加熱するヒータと、前記処理室内で複数枚の基板を多段に支持する支持具と、前記支持具の下方に設けられ複数枚の断熱板を多段に支持するように構成された断熱板ホルダとを有し、前記断熱板は前記基板と中心が異なるように配置される基板処理装置にある。

好適には、更に前記ヒータに給電するヒータ端子を有し、前記断熱板は前記ヒータ端子が配置された側に寄せて配置される。

また、本発明の特徴とするところは、処理室内に複数枚の基板を多段に配置するとともに、その下方に複数枚の断熱板を基板と中心が異なるように多段に配置する工程と、その状態で処理室内の基板をヒータにより加熱して処理する工程と、処理後の基板を前記処理室内から取り出す工程とを有する基板処理方法、基板の製造方法及び半導体装置の製造方法にある。

本発明によれば、断熱板が基板と中心が異なるように配置されているので、処理室内の部分的な放熱（熱逃げ）を抑制し、基板面内の膜厚の均一性を向上させ、もって基板の処理枚数を増大させることができる。

次に本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１０の一例を示す。この熱処理装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。この筺体１２の正面側には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚の被処理基板としてのウエハが収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。

筺体１２内の正面側であって、ポッドステージ１４に対向する位置には、ポッド搬送装置１８が配置されている。また、このポッド搬送装置１８の近傍には、ポッド棚２０、ポッドオープナ２２及び基板枚数検知器２４が配置されている。ポッド棚２０はポッドオープナ２２の上方に配置され、基板枚数検知器２４はポッドオープナ２２に隣接して配置される。ポッド搬送装置１８は、ポッドステージ１４とポッド棚２０とポッドオープナ２２との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２２は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、この蓋が開けられたポッド１６内の基板の枚数が基板枚数検知器２４により検知される。

さらに、筺体１２内には、基板移載機２６、ノッチアライナ２８及び支持具としての基板支持具（ボート）３０が配置されている。基板移載機２６は、例えば５枚の基板を取り出すことができるアーム（ツイーザ）３２を有し、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２２の位置に置かれたポッド、ノッチアライナ２８及び基板支持具３０間で基板を搬送する。ノッチアライナ２８は、基板に形成されたノッチまたはオリフラを検出して基板のノッチまたはオリフラを一定の位置に揃えるものである。

さらに、筺体１２内の背面側上部には反応炉４０が配置されている。この反応炉４０内に、複数枚の基板を装填した基板支持具３０が搬入され熱処理が行われる。

図２に反応炉４０の一例を示す。この反応炉４０は、炭化珪素（ＳｉＣ）製の反応管４２を有する。この反応管４２は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしており、開放された下端部はフランジ状に形成されている。この反応管４２の下方には反応管４２を支持するよう石英製のアダプタ４４が配置される。このアダプタ４４は上端部と下端部が開放された円筒形状をしており、開放された上端部と下端部はフランジ状に形成されている。アダプタ４４の上端部フランジの上面に反応管４２の下端部フランジの下面が当接している。この反応管４２とアダプタ４４により反応容器４３が形成されている。この反応容器４３は基板を処理する処理室４１を有し、また、反応容器４３のうち、アダプタ４４を除いた反応管４２の周囲には、処理室４１内の基板を加熱するヒータ４６が配置されている。

反応管４２とアダプタ４４により形成される反応容器４３の下部は、基板支持具３０を挿入するために開放され、この開放部分（炉口部）は炉口シールキャップ４８がＯリング４９を挟んでアダプタ４４の下端部フランジの下面に当接することにより密閉されるようにしてある。炉口シールキャップ４８は基板支持具３０を支持し、基板支持具３０と共に昇降可能に設けられている。炉口シールキャップ４８と基板支持具３０との間には、すなわち基板支持具３０の下方には断熱部材５０が設けられている。断熱部材５０は、複数枚の断熱板８６と、複数枚の断熱板８６を水平姿勢で多段に支持する断熱板ホルダ８１とで構成される。基板支持具３０は、多数枚、例えば２５〜１００枚の基板５４を略水平状態で隙間をもって多段に支持し、反応管４２内に装填される。

１２００℃以上の高温での処理を可能とするため、反応管４２は炭化珪素（ＳｉＣ）製としてある。このＳｉＣ製の反応管４２を炉口部まで延ばし、この炉口部をＯリングを介して炉口シールキャップでシールする構造とすると、ＳｉＣ製の反応管を介して伝達された熱によりシール部まで高温となり、シール材料であるＯリングを溶かしてしまうおそれがある。Ｏリングを溶かさないようにＳｉＣ製の反応管４２のシール部を冷却すると、ＳｉＣ製の反応管４２が温度差による熱膨張差により破損してしまう。そこで、反応容器４３のうちヒータ４６による加熱領域をＳｉＣ製の反応管４２で構成し、ヒータ４６による加熱領域から外れた部分を石英製のアダプタ４４で構成することで、ＳｉＣ製の反応管４２からの熱の伝達を和らげ、Ｏリングを溶かすことなく、また反応管４２を破損することなく炉口部をシールすることが可能となる。また、ＳｉＣ製の反応管４２と石英製のアダプタ４４とのシールは、双方の面精度を良くすれば、ＳｉＣ製の反応管４２はヒータ４６の加熱領域に配置されているため温度差が発生せず、等方的に熱膨張する。よって、ＳｉＣ製の反応管４２下端部のフランジ部分は平面を保つことができ、アダプタ４４との間に隙間ができないので、ＳｉＣ製の反応管４２を石英製のアダプタ４４に載せるだけでシール性を確保することができる。

アダプタ４４には、アダプタ４４と一体にガス供給口５６とガス排気口５９とが設けられている。ガス供給口５６にはガス導入管６０が、ガス排気口５９には排気管６２がそれぞれ接続されている。

アダプタ４４の内壁は反応管４２の内壁よりも内側にあり（突出しており）、アダプタ４４の側壁部（肉厚部）には、ガス供給口５６と連通し、垂直方向に向かうガス導入経路６４が設けられ、その上部にはノズル取付孔が上方に開口するように設けられている。このノズル取付孔は、反応管４２の内部におけるアダプタ４４の上端部フランジ側の上面に開口しており、ガス供給口５６およびガス導入経路６４と連通している。このノズル取付孔にはノズル６６が挿入され固定されている。すなわち、反応管４２内部におけるアダプタ４４の反応管４２の内壁よりも内側に突出下部分の上面にノズル６６が接続され、このアダプタ４４の上面によりノズル６６が支持されることとなる。この構成により、ノズル接続部は熱で変形しにくく、また破損しにくい。また、ノズル６６とアダプタ４４の組立て、解体が容易になるというメリットもある。ガス導入管６０からガス供給口５６に導入された処理ガスは、アダプタ４４の側壁部に設けられたガス導入経路６４、ノズル６６を介して反応管４２内に供給される。なお、ノズル６６は、反応管４２の内壁に沿って基板配列領域の上端よりも上方、すなわち基板支持具３０の上端よりも上方まで延びるように構成される。

次に、上述したように構成された基板処理装置１０の作用について説明する。
なお、以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作はコントローラ７０により制御される。

まず、ポッドステージ１４に複数枚の基板５４を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されている基板５４の枚数を検知する。

次に、基板移載機２６により、ポッドオープナ２２の位置にあるポッド１６から基板５４を取り出し、ノッチアライナ２８に移載する。このノッチアライナ２８においては、基板５４を回転させながら、ノッチを検出し、検出した情報に基づいて複数枚の基板５４のノッチを同じ位置に整列させる。次に、基板移載機２６により、ノッチアライナ２８から基板５４を取り出し、基板支持具３０に移載する（基板移載工程）。なお、断熱板８６は、基板支持具３０に装填する基板５４と中心が異なるように、予め断熱板ホルダ８１に多段に装填しておく。

このようにして、１バッチ分の基板５４を基板支持具３０に移載すると、例えば６００℃程度の温度に設定された反応炉４０（処理室４１）内に複数枚の基板５４を装填した基板支持具３０を装入（搬入）し、炉口シールキャップ４８により反応炉４０内を密閉する（基板搬入工程）。これにより、処理室４１内に複数枚の基板５４が多段に配置されるとともに、その下方に複数枚の断熱板８６が基板５４と中心が異なるように多段に配置されることとなる。

次に、ヒータ４６により炉内温度を熱処理温度まで昇温させて（昇温工程）、ガス導入管６０からガス導入口５６、アダプタ４４側壁部に設けられたガス導入経路６４及びノズル６６を介して反応管４２（処理室４１）内に処理ガスを導入する。処理ガスには、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）等が含まれる。基板５４を熱処理する際、基板５４は例えば１２００℃程度以上の温度に加熱される（加熱工程）。

基板５４の熱処理が終了すると、例えば炉内温度を６００℃程度の温度に降温した後、熱処理後の基板５４を支持した基板支持具３０を反応炉４０（処理室４１）内からアンロード（搬出）し（基板搬出工程）、基板支持具３０に支持された全ての基板５４が冷えるまで、基板支持具３０を所定位置で待機させる（基板冷却工程）。次に、待機させた基板支持具３０の基板５４が所定温度まで冷却されると、基板移載機２６により、基板支持具３０から基板５４を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する（基板回収工程）。次に、ポッド搬送装置１８により、基板５４が収容されたポッド１６をポッド棚２０、またはポッドステージ１４に搬送して一連の処理が完了する。

次にヒータ４６の周辺構造を図３に基づいて説明する。
図３に示すように、ヒータ４６はヒータ素線７２及び断熱材７４から構成されている。断熱材７４は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしており、反応管４２の外周面を覆うように配設されている。ヒータ素線７２は、断熱材７４の内周面に沿うよう水平断面の形状が略円形状に形成されている。このヒータ素線７２の一部分には切欠き部７６が形成されており、この切欠き部７６の両端部には一対のヒータ端子（給電部）７８，７８が径方向外向きに屈曲されて形成されている。

次に断熱部材５０を図４に基づいて説明する。
断熱部材５０は、ＳｉＣ製または石英製の断熱板８６と、ＳｉＣ製または断熱板ホルダ８１とで構成される。断熱板ホルダ８１は、上板８０と下板８２、及びこれら上板８０と下板８２とを接続する例えば３〜４本の支柱８４を有し、基板支持具３０と略同様な（基板支持具３０を短くしたような）形状である。それぞれの支柱８４には断熱板８６を保持する多数の溝が形成されており、この断熱板ホルダ８１は処理室４１内で複数枚の断熱板８６を水平姿勢で多段に支持するように構成されている。断熱板８６は、基板５４と略同一径の円板形状に形成されており、ボート３０に支持された基板５４と中心が異なるように配置されている。より具体的には、断熱板８６は、ヒータ端子７８，７８（図３に示す）が設置された側に寄せて配置されている。これら断熱板８６を断熱板ホルダ８１に設置する際には、断熱板８６をヒータ端子７８，７８側に偏心させて配置するようになっている。

このように、断熱板８６をヒータ端子７８，７８側に寄せて（偏心させて）配置することにより、処理室４１内の一部分、すなわち反応容器４３の下方におけるヒータ端子７８，７８が配設された部分からの放熱（熱逃げ）を抑制することができる。

次に、実施例及び比較例について説明する。

[実施例]
本発明における断熱部材５０を配設した反応炉４０を用いて基板５４の酸化処理を行なった。処理温度は１０００℃程度、処理圧力は大気圧、使用するガスは酸素ガスとした。上記の条件において、基板支持具３０の上部、中央部、下部及び最下部に位置する基板５４に形成された酸化膜の基板面内膜厚レンジ（基板面内における膜厚の最も厚い部分と膜厚の最も薄い部分との差）と基板面内温度差（基板面内における温度の最も高い部分と最も低い部分との差）とを測定した。

[比較例]
図７に比較例における断熱部材１００が示されている。この断熱部材１００は、断熱板１０２と、断熱板ホルダ１０１とで構成されている。断熱板ホルダ１０１には複数枚の断熱板１０２が多段に支持されている。断熱板１０２は、基板５４と略同一径の円板形状に形成されており、ボート３０に支持された基板５４の中心と該断熱板１０２の中心とが一致するように配置されている。

上記比較例における断熱部材１００を設置した反応炉４０を用いて基板５４の酸化処理を行なった。処理条件は実施例と同じ条件とし、実施例と同様に、ボート３０の上部、中央部、下部及び最下部に位置する基板５４に形成された酸化膜の基板面内膜厚レンジと基板面内温度差とを測定した。

実施例及び比較例における基板面内膜厚レンジと基板面内温度差の測定結果を図５に基づいて説明する。
図５に示すように、ボート３０の上部及び中央部に位置する基板５４に形成された酸化膜の基板面内膜厚レンジ及び基板面内温度差は、実施例と比較例とでさほど差異がみられなかった。一方、ボート３０の下部及び最下部に位置する基板５４に形成された酸化膜の基板面内膜厚レンジ及び基板面内温度差は、比較例と比較して実施例が良い値となった。具体的には、実施例における最下部の基板５４の面内温度差は比較例と比較して約１℃程度低減され、面内膜厚レンジは比較例と比較して１５〜２０Å程度低減された。

このように、本発明の基板処理装置１０によれば、部分的な放熱、すなわち反応容器４３の下方におけるヒータ端子７８，７８が配設された部分からの放熱（熱逃げ）を抑制することができるので、基板面内の温度差を減少させるとともに基板面内の膜厚の均一性を向上させることができる。また、基板支持具３０下部及び最下部に位置する基板面内の膜厚の均一性向上により、処理室４２内における基板処理領域を拡大することができ、一処理（１バッチ）あたりの基板の処理枚数を増大させることができる。

図６に本発明の第２の実施形態が示されている。
図６に示すように、本実施形態における断熱板８６は、基板５４よりも大きな径を有する円板形状に形成されており、断熱板ホルダ８１に多段に支持されている。この断熱板８６の径は、熱処理時、基板支持具３０の搬入時又は搬出時等に該断熱板８６が反応容器４３と接触しない範囲内で大きいほど好ましい。

このように、断熱板８６が基板５４より大きな径を有することにより、第１の実施形態と同様、反応容器４３の下方におけるヒータ端子７８，７８が配設された部分からの放熱（熱逃げ）を抑制することができる。

本発明の基板処理装置は、基板の製造工程に適用することができる。
ＳＯＩ(Silicon On Insulator)ウエハの一種であるＳＩＭＯＸ(Separation by Implanted Oxygen)ウエハの製造工程の一工程に本発明の基板処理装置を適用する例について説明する。

まずイオン注入装置等により単結晶シリコンウエハ内への酸素イオンをイオン注入する。その後、酸素イオンが注入されたウエハを上記実施の形態の基板処理装置を用いて、例えばＡｒ、Ｏ_２雰囲気のもと、１３００℃〜１４００℃、例えば１３５０℃以上の高温でアニールする。これらの処理により、ウエハ内部にＳｉＯ_２層が形成された（ＳｉＯ_２層が埋め込まれた）ＳＩＭＯＸウエハが作製される。

また、ＳＩＭＯＸウエハの他、水素アニールウエハやＡｒアニールウエハの製造工程の一工程に本発明の基板処理装置を適用することも可能である。この場合、ウエハを本発明の基板処理装置を用いて、水素雰囲気中もしくはＡｒ雰囲気中で１２００℃程度以上の高温でアニールすることとなる。これによりＩＣ（集積回路）が作られるウエハ表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。また、この他、エピタキシャルウエハの製造工程の一工程に本発明の基板処理装置を適用することも可能である。

以上のような基板の製造工程の一工程として行う高温アニール処理を行う場合であっても、本発明の基板処理装置を適用することができる。

また、本発明の基板処理装置は、半導体装置（デバイス）の製造工程に適用することも可能である。特に、比較的高い温度で行う熱処理工程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。

このような半導体デバイスの製造工程の一工程としての熱処理工程を行なう場合においても、本発明の基板処理装置を適用することができる。

本発明は、半導体ウエハやガラス基板等の基板を処理する基板処理装置において、基板の処理枚数を増大させる必要があるものに利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置全体を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置に用いた反応炉を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置に用いた反応炉を示し、図２のＡ−Ａ線断面図である。本発明の第１の実施形態に係る断熱部材の周辺構造を示す側面図である。本発明の実施例及び比較例の結果を示したグラフである。本発明の第２の実施形態に係る断熱部材の周辺構造を示す側面図である。比較例おける断熱部材の周辺構造を示す側面図である。

符号の説明

１０基板処理装置
３０基板支持具
４１処理室
４２反応管
５４基板
８１断熱板ホルダ
８６断熱板

Claims

基板を処理する処理室と、
前記処理室内の基板を加熱するヒータと、
前記処理室内で複数枚の基板を多段に支持する支持具と、
前記支持具の下方に設けられ複数枚の断熱板を多段に支持するように構成された断熱板ホルダと、
を有し、
前記断熱板は前記基板と中心が異なるように配置されることを特徴とする基板処理装置。