JP4593814B2

JP4593814B2 - 縦型熱処理装置

Info

Publication number: JP4593814B2
Application number: JP2001078739A
Authority: JP
Inventors: 寛晃池川; 貴尚田代; 裕史酒井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP2002280310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の基板に対して一括して成膜処理を行う縦型熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。図８は従来の縦型熱処理装置の一例を示し、この装置は、両端が開口している内管１ａ及び上端が閉じている外管１ｂからなる二重構造の反応管１を筒状のマニホ−ルド１１の上に搭載し、反応管１を囲むようにヒ−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保持具１５に多数のウエハＷを棚状に保持させ、蓋体１３の上昇により保持具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。
【０００３】
保持具１５は、上下に対向する円板状の天板１５ａ及び底板１５ｂの間に例えば３本の支柱１５ｃを設け、この支柱１５ｃにウエハＷの周縁部を保持するための保持溝を形成して構成される。支柱１５ｃは図９に示すように天板１５ａ（底板１５ｂ）の周縁の内側に位置し、従って天板１５ａ（底板１５ｂ）のサイズはウエハＷのサイズよりも大きくなっている。なお図９では支柱１５ｃは１本のみ示してあり、また天板１５ａ及び底板１５ｂの間には補強用の支柱も設けられているが、図では省略してある。
【０００４】
断熱ユニット１４は例えば石英などからなる断熱フィン１４ａを複数段配置して構成され、下部側の断熱フィン１４ａは底板１５ｂよりも大きいサイズに作られており、このため内管１ａは底板１５ｂの近傍の高さ位置から下に広がった形状になっている。
【０００５】
マニホ−ルド１１にはガス供給管１６が挿入され、処理ガスはここから内管１ａの内の下部に導入され、内管１ａ内を上昇してウエハＷに供給され、未反応の処理ガス及び反応後のガスは天板１５ａと内管１ａとの隙間を通り、更に内管１ａ及び外管１ｂの隙間を介して降下し、排気管１７から排気される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の装置は次のような課題がある。
（１）処理ガスは内管１ａとウエハＷ群との間を上昇しながらウエハＷ間に入り込み、ウエハＷに供給されていくが、ウエハＷのサイズよりも保持具１５の天板１５ａの方が大きいので、ウエハＷ群の周縁部に沿って上昇してきた処理ガスは天板１５ａの下面に当たって外に広がり、また内管１ａの上端が開口しているのでここから横に広がろうとする。このため天板１５ａに近い領域ではガスの流れが乱れ、ウエハＷの表面に対して均一に供給することができず、このため製品ウエハＷの変わりにダミ−ウエハを載置するようにしており、従って１バッチ当たりの処理枚数が少なくなってしまう。
（２）内管１ａ内を上昇してきた処理ガスは内管１ａの直立した上端部にて外側に折り返されるので、外側の流速に比べて内側の流速がかなり小さくなり、このため内管１ａの上端近傍の外周面にてガス溜まりが形成され、この部位に反応生成物が付着してしまう。この結果パーティクルの発生の要因になるし、また内管１ａのメンテナンスサイクルが短くなる。
（３）保持具１５の底板１５ｂ及び断熱フィン１４ａのサイズがウエハＷよりも大きいため、下部側から上昇してきた処理ガスの流れが真っ直ぐにならずに底板１５ｂを越えた後、内側に寄る流れが形成され、底板１５ｂの上方近傍領域においてはウエハＷの面内にガスを均一に供給することが困難である。
（４）内管１ａの下部に末広がりな部位があるため、内管１ａと外管１ｂとの間の隙間である排気路からみればコンダクタンスが急激に小さくなっており、この部位に反応生成物が付着しやすくなり、メンテナンスサイクルが短くなる。
【０００７】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は縦型熱処理装置において保持具の上部側の基板に対しても均一に処理ガスを供給することのできる技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、縦型の内管及び外管を含む反応容器と、上下に対向して設けた底板及び天板の間に複数の支柱を設けた基板保持具と、を用い、多数の円形の基板を棚状に基板保持具に保持させ、反応容器の下端開口部を塞ぐための蓋体の上に断熱ユニットを介して前記基板保持具を搭載して反応容器内に搬入し、内管内の下部側から処理ガスを供給し、内管の上端から内管と外管との隙間を介して排気しながら基板に対して成膜処理を行う縦型熱処理装置において、
前記天板よりも上方位置にて、内管の上端部に内側に屈曲した屈曲部を周方向に亘って設け、
前記内管の上端部は着脱自在なリング体により構成され、このリング体に前記屈曲部が形成され、
前記屈曲部の内方側への食い込み長さは、基板の外縁と内管との距離の半分の長さよりも大きく、
反応容器を上から見たときに、前記リング体の内縁は天板の外縁よりも外方側に位置し、
前記天板のサイズを基板と同じかまたは小さく設定したことを特徴とする。
【０００９】
これらの発明によれば、内管の上端の開口部から処理ガスが広がろうとするが、屈曲部により処理ガスが内側に寄せられる作用が働くので、結果として天板の直ぐ下側においても処理ガスが真っ直ぐに上昇し、基板の表面に均一に処理ガスが供給される。そして天板のサイズを基板と同じか小さく設定することにより処理ガスの上昇流の乱れが少なくなり、また屈曲部を上方かつ内方側に傾斜した構成とすれば、上昇流がスムーズに内側に寄せられるので、上昇流の乱れがより一層小さくなる。
本発明では、前記屈曲部は、内管の上端部を内側に直角に曲げてかぎ型に形成するかまたは湾曲させて形成されたものであってもよい。また内管と外管との間の隙間の断面積は上端部から排気口に至るまでは小さくなるように変化しない構成とすることが好ましい。更に保持具の底板のサイズは基板と同じサイズに設定することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係る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２及び上端が閉塞し下端が開口している石英製の外管３からなる二重構造の反応管２０を備えている。反応管２０の周囲には、筒状の断熱体４１がベース体４０に固定して設けられ、この断熱体４１の内側には抵抗発熱体からなるヒータ４２が例えば上下にゾーン分割して設けられている。内管２及び外管３は下部側にて筒状のマニホールド４３の上に支持され、このマニホールド４３には、内管２の内側の下部領域にて供給口が上向きの状態で位置するようにガス供給管４４が設けられると共に、内管２と外管３との間から排気するように他端側に真空排気手段４６が接続された排気管４５の一端が接続されている。この例では、内管２、外管３及びマニホールド４３により反応容器が構成される。
【００１１】
更に本縦型熱処理装置は、マニホールド４３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などと呼ばれる昇降部５２の上に設けられている。前記蓋体５１の上には昇降部５２側に配置された駆動部５３により回転軸５４を介して鉛直軸周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。断熱ユニット５６は基板であるウエハＷのサイズと同じサイズの断熱材例えば石英からなる断熱フィン５７を棚状に配列すると共に、この上方側に前記断熱フィン５７のサイズよりも小さい例えば石英からなる断熱フィン５８を棚状に配列して構成される。５９ａ、５９ｂはこれらフィン５７，５８を支持するロッドである。
【００１２】
ウエハボート６は、図２及び図３にも示すようにウエハＷと同じサイズの天板６１及び底板６２を互いに対向させ、これらの間に複数例えば３本の支柱６３（図１では便宜上１本のみ見せてある）を天板６１（底板６２）の周縁に沿って設けてこれらにより天板６１及び底板６２を互いに連結して構成される。支柱６３の配置については、２本の支柱６３がウエハの搬入のための間口を形成するように天板６１の中心について１８０度に近い開き角度で位置し、残りの１本がそれらの背部に位置している。これら支柱６３は天板６１（底板６２）の周縁に跨って、つまり内方側が天板６１（底板６２）の中に食い込むと共に外方側が天板６１（底板６２）の外に飛び出している状態となっている。そしてこれら各支柱６３にはウエハＷの周縁部を保持する保持溝６４が上下方向に例えば１０ｍｍ間隔で例えば９５本形成されており、ウエハＷを保持溝６４に保持させて上から見ると天板６１，ウエハＷ及び底板６２の周縁が一致している。なお天板６１と底板６２との間には、保持溝６４を備えた支柱６３の他に例えば２本の補強用ロッドが実際には設けられているが、図が煩雑になるため記載を省略している。
【００１３】
内管２の上端部には図１，図４及び図５に示すように例えば石英製のリング体７が着脱自在に設けられている。なお図１ではリング体７の側面で見える線を記載していない。このリング体７は内管２の内周面の上部にて上方かつ内方側に傾斜した屈曲部をなす第１の傾斜面部７１と内管２の外周面の上部にて上方かつ内方側に傾斜した第２の傾斜面部７３とを備え、内管２の両面を繋ぐ連続的な面として構成されている。７２は傾斜面部の上端に連続する垂直面部である。第２の傾斜面部７３の下端よりも下方側には段部７４が形成され、この段部７４に内管２の上端が係合してリング体７が内管２に支持された状態となっている。
【００１４】
屈曲部つまりこの例では第１の傾斜面部７１の内方側への食い込み長さａは、例えばウエハＷの外縁と内管２との距離ｂの半分の長さよりも大きい寸法に設定される。なおウエハＷの外縁と内管２との距離ｂは例えば２３ｍｍ程度とされる。また第１の傾斜面部７１の下端は例えば天板６１の上面とほぼ同じ高さに位置し、第１の傾斜面部７１の下端からリング体７の上面までの高さｃは例えば２０ｍｍ程度に設定される。
【００１５】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ずウエハボート６に基板であるウエハＷを棚状に搭載し、ボートエレベータ５２を上昇させることによりウエハボート６を反応管２０内に搬入し、蓋体５１によりマニホールド４３の下端開口部を気密に封止する。次いでヒータ４２により反応管２０内を所定温度まで昇温し、ガス供給管４４を通じて処理ガスを内管２の底部に供給しながら真空ポンプ４６により排気して反応管２０内を所定の真空度に維持する。
【００１６】
処理ガスはガス供給管４４の供給口から断熱ユニット５６と内管２との間に流入するが、断熱フィン５７、底板６２，ウエハＷ及び天板６１のサイズが同じでありそれらの周縁位置が揃っているので、真っ直ぐに上昇しながら一部がウエハＷ間に入り込み、ウエハＷ表面に供給される。そしてガス（未反応の処理ガス及び反応後のガス）は内管２の上端付近まで上昇すると、図６に示すように屈曲部であるリング体７の第１の傾斜面部７１に沿って内側に寄せられ、リング体７の上方に抜けていき、更に外側に曲がる。そして内側の流れは第２の傾斜面部７３に沿ってまた外側の流れは外管３の内面に沿って形成され、内管２及び外管３の間から下降して排気管４５により排気される。熱処理の具体的一例を挙げると、例えばＳｉＨ2Ｃｌ2ガス及びＮＨ3ガスを供給して内管２内の圧力を例えば０．２５Ｔｏｒｒ程度に設定し、ウエハＷに窒化シリコン膜を成膜する。成膜処理を終えると反応管２０内を降温させ、その後ボートエレベータ５２が降下してウエハボート６が搬出される。
【００１７】
このような実施の形態によれば次のような効果がある。
（１）ウエハボート６の天板６１がウエハＷと同じサイズなので、ウエハＷの周縁群に沿って上昇してきたガスは、そのまま天板６１の横を通って真っ直ぐに上昇しようとする。ここで内管２の上端部が従来のように垂直であればそのまま外に広がろうとするが、天板６１よりも上方位置にて内管２に上方内側に屈曲した部位（第１の傾斜面部７１）があるので、内側に一端寄せられるため、結果として天板６１の直ぐ下側においても処理ガスが真っ直ぐに上昇しガス流の乱れが少ないので、この付近のウエハＷにおいても高い面内均一性をもって処理ガスが供給される。従ってウエハボート６の上段側におけるウエハＷについても高い面内均一性をもって成膜処理できるため、この領域にも製品ウエハＷを載置することができ、ダミーウエハを減らすことができ、ウエハボート６の載置領域を有効に活用できる。
【００１８】
（２）内管２の上端部まで上昇してきたガスが内側に寄せられて上方に抜けていくので、内管２の上方から外側へガスの流れが屈曲するときに一端内側に向かってからカーブし、外側の流速と内側の流速との差が小さくなる。このため内管２の上端部の外面においてガス溜まりができにくく、この部位の反応生成物の付着が抑えられ、パーティクルの発生が低減され、またメンテナンスサイクルを長くすることができる。この場合リング体７の外面は第２の傾斜面部７３とせずに垂直面として構成してもよいが、傾斜させることによりガスの流れが一層スムーズになるので好ましい。
【００１９】
（３）ウエハボート６の底板６２がウエハＷと同じサイズであるため、底板６２を越えた後も真っ直ぐに処理ガスが上昇するため、底板６の近傍領域においてもウエハＷに高い面内均一性をもって供給され、面内均一性の高い成膜処理を行うことができる。
【００２０】
（４）断熱フィン５７がウエハＷと同じサイズであるため、内管２が下部側においても真っ直ぐであり、従って内管１ａと外管１ｂとの間の隙間である排気路のコンダクタンスが上端部から排気口に至るまで小さくならないので、反応生成物が付着しにくくなり、メンテナンスサイクルが長くなる。
【００２１】
以上において、上述の実施の形態では、内管２の上端部の屈曲部を着脱自在なリング体７により構成しているが、屈曲部を内管２と一体化させるようにしてもよい。また上述の実施の形態では傾斜面部７１により屈曲部を構成しているが、例えば図７（ａ）あるいは（ｂ）示すように内管２の上端部を内側に直角に曲げてかぎ型に形成するかまたは湾曲させて屈曲部８を構成するようにしてもよい。
【００２２】
更に本発明でいう基板保持具（ウエハボート）の天板は、円板状のものに限らずリング状のものであってもよい。そして天板のサイズ（外径）はウエハのサイズと同じでなくともそれよりも小さくてもよく、この場合にも従来のように下から上がってきたガスが天板にあたって外側に広がろうとする作用は抑えられるので、同様の作用効果が得られる。なお天板のサイズがウエハと同じとは、天板がわずかにウエハよりも大きいが、ウエハと完全に同じサイズの場合と実質ガスの流れが変わらない程度の「ほぼ同じサイズ」の意味も包含する。また底板がウエハと同じサイズとは、わずかにサイズが異なっても、ウエハと完全に同じサイズの場合と実質ガスの流れが変わらない程度の「ほぼ同じサイズ」の意味も包含する。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、縦型熱処理装置において、基板保持具の上段側の基板に対しても均一に処理ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。
【図２】上述実施の形態に用いられる基板保持具であるウエハボートを示す斜視図である。
【図３】ウエハボートを内管及び外管と共に示す平面図である。
【図４】屈曲部をなすリング体と内管とを示す分解斜視図である。
【図５】反応管の上部を拡大して示す断面図である。
【図６】反応管の上部におけるガスの流れを示す説明図である。
【図７】屈曲部の変形例を示す断面図である。
【図８】従来の縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。
【図９】従来の縦型熱処理装置に用いられるウエハボートを内管及び外管と共に示す平面図である。
【符号の説明】
２内管
２０反応管
３外管
Ｗ半導体ウエハ
４２ヒータ
４３マニホールド
４４ガス供給管
４５排気管
５２ボートエレベータ
５６断熱体ユニット
５７，５８断熱フィン
６基板保持具であるウエハボート
６１天板
６２底板
６３支柱
７リング体
７１第１の傾斜面部
７３第２の傾斜面部

Claims

縦型の内管及び外管を含む反応容器と、上下に対向して設けた底板及び天板の間に複数の支柱を設けた基板保持具と、を用い、多数の円形の基板を棚状に基板保持具に保持させ、反応容器の下端開口部を塞ぐための蓋体の上に断熱ユニットを介して前記基板保持具を搭載して反応容器内に搬入し、内管内の下部側から処理ガスを供給し、内管の上端から内管と外管との隙間を介して排気しながら基板に対して成膜処理を行う縦型熱処理装置において、
前記天板よりも上方位置にて、内管の上端部に内側に屈曲した屈曲部を周方向に亘って設け、
前記内管の上端部は着脱自在なリング体により構成され、このリング体に前記屈曲部が形成され、
前記屈曲部の内方側への食い込み長さは、基板の外縁と内管との距離の半分の長さよりも大きく、
反応容器を上から見たときに、前記リング体の内縁は天板の外縁よりも外方側に位置し、
前記天板のサイズを基板と同じかまたは小さく設定したことを特徴とする縦型熱処理装置。
前記屈曲部は、内管の上端部を内側に直角に曲げてかぎ型に形成するかまたは湾曲させて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の縦型熱処理装置。
内管と外管との間の隙間の断面積は上端部から排気口に至るまでは小さくなるように変化しないことを特徴とする請求項１または２に記載の縦型熱処理装置。
保持具の底板のサイズは基板と同じサイズに設定されていることを特徴とする請求項３記載の縦型熱処理装置。