JP2008258207A - 成膜装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内管と外管とからなる二重管構造の縦型の反応管を用いて成膜を行う成膜装置において、基板保持具に保持されている基板間における膜厚均一性の向上を図ることができ、且つ基板へのパーティクルの付着を抑えることができる成膜装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は内管の全周に亘って多数の排気開口部を形成する。前記排気開口部は、例えば具体的には孔部あるいは周方向に配列された縦長のスリットのことをいう。このように内管に排気開口部を形成することで、処理領域の上部側と下部側とにおける圧力差が小さくなり、基板間の膜厚の均一性が向上する。また処理領域に生じたパーティクルは、プロセスガスが排気開口部から排気される際に一緒に排気されるため処理領域中のパーティクルの濃度が小さくなり、基板へのパーティクルの付着量が少なくなる。
【選択図】図4

Description

本発明は、縦型の二重管構造の反応管内にプロセスガスを導入して多数の基板に対して一括して成膜処理を行う成膜装置に関する。
半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)に対してCVD(Chemical Vapor Deposition)により成膜処理をバッチで行う装置として縦型熱処理装置がある。この種の熱処理装置としては種々のタイプがあるが、その一つとして二重管構造の反応管を用いた装置が知られており、図16にその一例を示す。この装置は、両端が開口している石英製の内管1a及び上端が閉じている石英製の外管1bからなる二重管構造の反応管1を筒状のマニホールド11の上に搭載し、反応管1を囲むようにヒータを含む加熱炉12を設けて構成され、蓋体13の上に断熱ユニット14を介して設けられたウエハボート15に多数のウエハWを棚状に保持させ、蓋体13の上昇によりウエハボート15を反応管1内に搬入した後、成膜処理を行うものである(特許文献1)。
上記装置は、前記マニホールド11に内管1aの内側の下部領域にて導入口16aが上向きの状態で位置するガス導入管16が設けられており、このガス導入管16により内管1a内の下部領域に導入されたプロセスガスは内管1a内を上昇してウエハボート15と内管1aとの隙間を通り、更に内管1aと外管1bとの隙間を介して下降して排気管17から排気される。
このような縦型熱処理装置では内管1a内の下部領域から排気口までの排気路は内管1a内の上部領域から排気口までの排気路よりも距離が長く、しかも処理領域にはウエハボート15に載置されたウエハWが位置することから、内管1a内の下部側は圧力が高く、前記内管1a内の上部側は圧力が低くなり、両者の間で圧力差が生じる。その結果ウエハボート15の上段領域に保持されているウエハWとウエハボート15の下段領域に保持されているウエハWとの間に膜厚のばらつきが生じ、ウエハW間における膜厚均一性が低下するといった問題がある。
また上記装置にて成膜処理を繰り返し行うことで内管1aの内面の累積膜厚は大きくなるが、この膜厚がある大きさに達すると熱ストレスによって膜割れが生じる。この状態で内管1a内の下部領域にプロセスガスを導入すると、内管1aの内面を通過したプロセスガスによって膜が剥がれてパーティクルとなる。そのためプロセスガスが内管1aの内面を通過する際に順次内管1aの内面の膜を剥がしながら内管1aの処理領域の上部側に向かい、このため処理雰囲気内にパーティクルが飛散した状態となるし、またパーティクルは内管1aの処理領域の上部側に行くほど累積加算されることから、図17に示すように内管1aの処理領域の上部側におけるパーティクル濃度が高くなる。その結果飛散しているパーティクルがウエハWに付着するし、特にウエハボート15の上段領域に保持されているウエハW表面に付着するパーティクルの量が多いといった問題がある。
特開2005−345314号公報
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内管と外管とからなる二重管構造の縦型の反応管を用いて成膜を行う成膜装置において、基板保持具に保持されている基板間における膜厚均一性の向上を図ることができ、且つ基板へのパーティクルの付着を抑えることができる成膜装置を提供することにある。
本発明は加熱手段に取り囲まれ、内管と当該内管を収容する外管とからなる二重管構造の縦型の反応管内に、複数の基板を棚状に保持させた基板保持具を下方側から搬入し、内管内の下部側からプロセスガスを導入して、内管と外管との隙間を介して排気しながら前記基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、前記内管の全周に亘って多数の排気開口部が形成されていることを特徴とする。前記排気開口部は、例えば具体的には孔部あるいは周方向に配列された縦長のスリットのことをいう。また前記内管の上端部に向かうほど排気開口部の開口率が大きくなるようしてもよい。この場合、孔部であれば内管の上端部に向かうほど当該孔部の開口面積を大きくしたり、当該孔部の数を多くしたりする。またスリットであれば内管の上端に向かうほど当該スリットの幅を広くしたりする。
また上述した成膜装置において前記内管の上端は閉じられていても良い。この場合、前記内管の上面に多数の排気開口部を形成してもよい。
また上述した成膜装置において前記内管は、縦長のプレートを周方向に互いに隙間を開けて連結してなる横断面形状が多角形の筒状体により構成され、前記排気開口部は、周方向に互に隣接する前記プレート間の縦長の隙間により構成するようにしてもよい。前記内管は前記プレート群の上縁部及び下縁部を多角形のリング状の枠体で係合することが好ましい。
本発明によれば二重管構造の縦型の反応管の内管の全周に亘って排気孔や縦長のスリット等の排気開口部を多数形成しているので、処理領域の上部側と下部側とにおける圧力差が小さくなり、基板間の膜厚の均一性が向上する。また処理領域に生じたパーティクルは、プロセスガスが排気開口部から排気される際に一緒に排気されるため処理領域中のパーティクルの濃度が小さくなり、特に処理領域の上部側におけるパーティクルの濃度が高いという不具合が緩和あるいは解消され、この結果基板へのパーティクルの付着量が少なくなり、歩留まりの向上が図れる。
本発明の実施の形態に係る成膜装置について説明する。図1は、成膜装置であるバッチ式の縦型熱処理装置の全体構成を示す図である。この縦型熱処理装置は、例えば両端が開口している直管状の石英製の内管20及び上端が閉塞し下端が開口している石英製の外管21からなる二重管構造の縦型の反応管2を備えている。図2に示すように前記内管20には、全周に亘って排気開口部である円形状の排気孔7が例えばマトリクス状に多数形成されている。前記排気孔7の口径は例えば2mmであり、互いに隣接する排気孔7と排気孔7との中心間距離は例えば10mmである。なお、図2に示す排気孔7の大きさは実際の大きさではなく便宜上模式的に示したものである。前記反応管2の周囲には、筒状の断熱体30がベース体40に固定して設けられ、この断熱体30の内側には抵抗発熱体からなるヒータ31が例えば上下にゾーン分割して設けられている。内管20及び外管21は下部側にて筒状のマニホールド41の上に支持されている。このマニホールド41の一端側にはガス導入管23が挿入されており、このガス導入管23は内管20の内側でL字状に屈曲され、当該ガス導入管23のガス導入口23aが上向きの状態で内管20の下部領域に位置するように設けられている。前記ガス導入管23の下流側には流量計等のガス供給制御機器群32を介してプロセスガス供給源34が接続されている。
また図1に示すようにマニホールド41の側面には内管20内の下部側から導入されたガスを内管20と外管21との間から排気するための排気口43aが形成されており、この排気口43aには真空排気手段42が接続された排気管43の一端が接続されている。この例では、内管20、外管21及びマニホールド41により反応容器が構成される。
また本縦型熱処理装置は、図1及び図3に示すようにマニホールド41の下端開口部を開閉するための蓋体51を備えており、この蓋体51はボートエレベータ52の上に設けられている。前記蓋体51の上にはボートエレベータ52側に配置された駆動部53により回転軸54を介して鉛直軸回りに回転する回転台55が設けられ、この回転台55の上には断熱ユニット56を介して基板保持具であるウエハボート6が搭載されている。このウエハボート6は、図3に示すように例えば天板61及び底板62の間に複数の支柱63を設け、この支柱63に上下方向に形成された溝に基板であるウエハWの周縁を挿入して保持するように構成されている。
次に上述の実施の形態の作用について説明する。先ず、基板であるウエハWを所定枚数ウエハボート6に保持し、ボートエレベータ52を上昇させることにより、反応管2及びマニホールド41にて構成される反応容器内に搬入(ロード)する。ウエハボート6が搬入されてマニホールド41の下端開口部が蓋体51により塞がれた後、反応容器内の温度を所定の温度まで昇温させると共に、図示しない排気用のバルブを開いて反応容器内を、排気管43を通じて真空排気手段42により、所定の真空度まで真空排気する。
次に、真空排気手段42により反応容器内を排気している状態でプロセスガス供給源34からガス供給制御機器群32により所定の流量でガス導入管23を通じて反応容器内にTEOSガスを導入して、反応容器内を所定の真空度に維持する。ガス導入管23aの導入口から前記内管20内の下部側を介して導入されたTEOSガスはウエハW間に入り込み、ウエハW表面に供給され、ウエハW表面上で熱分解してシリコン酸化膜(SiO)が形成される。
ここで内管20内のガスの一部は上面開口から折り返して内管20と外管21との隙間に流れるが、残りのガスは内管20の全周に亘って形成された排気孔7から前記隙間に流出して、外管21の上端から下降してきたガスと共に、マニホールド41の側面に形成された排気口43aから排気される。従って、従来のようにガスの全部が内管20の上面開口から排気されて、一方向流を形成していた場合に比べて、図4に示すように内管20全体から均一な排気が行われる。即ち、排気孔7を設けない場合には内管20内の下部側の圧力は上部側よりも高いが、排気孔7を内管20に形成すると下部側のもの程、マニホールドの側面に形成された排気口43aに近いことから排気力が大きくなり、結果として内管20内の処理領域の上部側と下部側との間に生じていた圧力差が緩和された状態で、ウエハボート6に載置されているウエハWに対して成膜処理が行われることになる。
こうして所定時間成膜処理が行われた後、TEOSガスの供給を停止し、図示しない排気用のバルブを開けて反応容器内に残っているTEOSガスを排気する。その後、図示しないガス導入管により反応容器内に窒素ガスを供給し、反応容器内を大気圧に復帰させる。しかる後、ウエハボート6の搬出(アンロード)が行われ、当該ウエハボート6において図示しない搬送アームにより成膜処理が終わったウエハWと次の成膜処理を行うためのウエハWとの積み替えが行われる。そして上述と同じ手順で次の成膜処理が行われる。
上記装置にて成膜処理を繰り返し行うと内管20の内面の累積膜厚は大きくなり、この膜厚がある大きさに達すると熱ストレスによって膜割れが生じる。この状態で内管20内の下部領域にTEOSガスを導入すると、内管20の内面を通過したTEOSガスによって膜が剥がれてパーティクルとなる。このパーティクルは図5に示すようにTEOSガスが排気孔7から排気される際に一緒に排気される。つまり内管20の内面から剥がれた膜は、その剥がれた部位から近い排気孔7から排気されることになる。
上述の実施の形態によれば、二重管構造の反応容器の内管20において全周に亘って排気孔7を多数形成しているので、内管20の処理領域の上部側と内管20の処理領域の下部側との圧力差が緩和されることになり、ウエハボート6に保持されているウエハW間の膜厚均一性が向上する。また既述のように処理領域中のパーティクルの濃度が小さくなり、特に処理領域の上部側におけるパーティクルの濃度が高いという不具合が緩和あるいは解消され、この結果ウエハWへのパーティクルの付着量が少なくなり、歩留まりの向上が図れる。
続いて本発明に係る内管20の他の形態について説明する。この形態では図2に示す内管20において図6に示すように内管20の上端部に向かうほど排気孔7の開口率を大きくするように例えば排気孔7の開口面積が大きくなるように構成されている。既述のように内管20に形成された排気孔7は下部側のもの程、マニホールド41の側面に形成された排気口43aに近いことから排気力が大きいので、装置構成やプロセスレシピによっては上部側の排気孔7からの排気が不十分になり、結果として内管20内の圧力が不均一になる場合には内管20の上部側に向かう程、開口率を大きくするようにしてもよい。なお、開口率の大きさの変更については、縦並びの排気孔7群を順次上のもの程開口面積を大きくするようにしてもよいが、上下方向に複数のゾーンに分け、各ゾーン毎に口径を所定の大きさに設定するようにしてもよく、あるいは開口面積を変える代わりに排気孔7の配列密度を変更するようにしてもよい。
また図2に示す内管20において図7に示すように内管20の上端開口部を蓋体70で封止するようにしてもよく、この場合、図8に示すように前記蓋体70に排気開口部である排気孔71を多数形成してよい。このように蓋体70がある場合では、内管20内の下部領域から導入されたプロセスガスは全て内管20の管壁から排気されることになる。また蓋体70に排気孔71があると、この排気孔71からも若干排気がなされる。このような構成であっても上述と同様の作用効果が得られる。また内管20の上端を閉じる場合には内管20の内部のガスは全て排気孔7から排気されるので内管20の上端部に向かうほど排気孔7の開口率を大きくすることが好ましい。
さらに本発明に係る内管の他の形態について説明する。この形態では図9に示すように内管20の全周に亘って排気開口部である縦長のスリット73が多数形成されている。前記スリット73は長さが例えば1000mm、幅が例えば2mmであり、互いに隣接するスリット73とスリット73との離間距離は例えば100mmである。なお、図9に示すスリット73の大きさは実際の大きさではなく便宜上模式的に示したものである。このような構成であっても内管20に排気孔7を形成した場合と同様の作用効果を得ることができる。またこの形態においても図10に示すように前記スリット73の幅が内管20の上端部に向かうほど広くなるように構成して、開口率を変えるようにしてもよい。このような形態においても図11に示すように内管20の上端開口部を蓋体70で封止するようにしてもよく、また図12に示すように前記蓋体70に排気開口部である排気孔71を多数形成してもよい。このような構成であっても上述と同様の作用効果が得られる。
さらに本発明に係る内管20の他の形態について図13〜図15を参照しながら説明する。この形態における内管20は図13に示すように縦長のプレート80を周方向に連結してなる横断面形状が多角形の筒状体8と、この筒状体8の上縁部及び下縁部を係止する多角形のリング状の枠体92,93とから構成される。この内管20についてより詳しく説明すると、図13及び図14に示すように前記プレート80の左縁側の上部、中部及び下部には各々外方に段面部81aを有する突片81が形成されており、前記プレート80の右縁側の上部、中部及び下部には各々内方に傾斜段面部82bを有する突片82が形成されている。そして図14に示すように一方のプレート80の右縁側に設けられた突片82の傾斜段面部82aに他方のプレート80の左縁側に設けられた突片81の段面部81aを合接させて、一方のプレート80及び他方のプレート80をへの字形に連設して、このようにしてプレート80を順番に配置していくことで横断面形状が多角形の筒状体8が構成される。また図15に示すように前記枠体92,93の一面側には当該枠体92,93の輪郭に沿って溝部94,95が形成されており、枠体92の溝部94を筒状体8の下縁部に嵌合し、また枠体93の溝部95を筒状体8の上縁部に嵌合することで、これら枠体92,93が筒状体8に係止されることになり、筒状体8の形状が固定される。また図13に示すように一方のプレート80の右縁側に設けられた突片82と他方のプレート80の左縁側に設けられた突片81とが合接したときに一方のプレート80と他方のプレート80との間に縦長の隙間83が形成される。この例ではこの隙間83が内管20に形成された排気開口部に相当する。前記プレート80及び枠体92,93を構成する材料としては例えば石英、アルミナ、SUS及びシリコン等が用いられる。
従来の内管はガラスにより真円状に加工しなければならないことから加工コストが非常に高いが、上述したようにプレート80を連設して隙間83によりスリットを形成する構造を採用すれば内管の製造コストを大幅に抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。 本発明の実施の形態に係る内管を示す外観図である。 本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す外観図である。 前記内管内の排気について説明する説明図である。 前記内管の処理領域に生じたパーティクルがプロセスガスと一緒に排気孔7から排出される様子を示す説明図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。 図13に示す内管において連結部位を示す概略図である。 図13に示す内管において枠体を示す正面図及び側面図である。 従来の縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。 従来の内管において内管の処理領域に生じたパーティクルがプロセスガスと一緒に排出される様子を示す説明図である。
符号の説明
W ウエハ
2 反応管
20 内管
21 外管
23 ガス導入管
24 ガス導入管
30 断熱体
31 ヒータ
34 プロセスガス供給源
40 ベース体
41 マニホールド
42 真空排気手段
43 排気管
43a 排気口
7 排気孔
70 蓋体
71 排気孔
73 スリット
8 筒状体
80 プレート
81,82 突片
83 隙間
92,93 枠体
94,95 溝部

Claims (8)

  1. 加熱手段に取り囲まれ、内管と当該内管を収容する外管とからなる二重管構造の縦型の反応管内に、複数の基板を棚状に保持させた基板保持具を下方側から搬入し、内管内の下部側からプロセスガスを導入して、内管と外管との隙間を介して排気しながら前記基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
    前記内管の全周に亘って多数の排気開口部が形成されていることを特徴とする成膜装置。
  2. 前記排気開口部は、孔部であることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  3. 前記排気開口部は、周方向に配列された縦長のスリットであることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  4. 前記内管の上端部に向かうほど排気開口部の開口率が大きくな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成膜装置。
  5. 前記内管の上端は閉じら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成膜装置。
  6. 前記内管の上面には多数の排気開口部が形成されていることを特徴とする請求項5に記載の成膜装置。
  7. 前記内管は、縦長のプレートを周方向に互いに隙間を開けて連結してなる横断面形状が多角形の筒状体により構成され、
    前記排気開口部は、周方向に互に隣接する前記プレート間の縦長の隙間により構成されることを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。
  8. 前記プレート群の上縁部及び下縁部には、多角形のリング状の枠体が係合していることを特徴とする請求項7に記載の成膜装置。
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