JP2003158082A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内外の圧力差による応力と温度差による熱応
力との重畳に伴う変形と損傷を十分に抑制すること。 【解決手段】 石英反応管１２の管状部３４のうち中央
部を厚肉部４４とし、その両側を薄肉部４０、４２と
し、管状部３４両端にフランジ部３６、３８を形成し、
薄肉部４０、４２の肉厚を厚肉部４４の１／２以下と
し、薄肉部４０、４２全体の軸方向の長さを管状部３４
全長の１／１０以下としてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板処理装置にお
ける熱反応装置に用いる石英反応管に係り、特に、化学
的蒸着などの熱処理を伴うウエハ加工を行うホットウオ
ール型の熱反応装置に用いるに好適な石英反応管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造過程においては、化学気相成
長（ＣＶＤ）やエピタキシャル蒸着法などを用いた基板
処理装置が用いられており、この種の基板処理装置にお
いては、半導体ウエハを高温の反応ガス中で処理するこ
とが行われている。基板処理装置は、熱反応を行う熱反
応装置やウエハの搬送を行う基板搬送装置等で構成され
ている。これら熱反応装置には、縦形装置として、百数
十枚のウエハを１度に処理するバッチ方式と、ウエハを
１枚ずつ処理する枚葉方式の２方式がある。また加熱方
式には、平行平板ヒータを組み込んだ加熱炉を用いるホ
ットウォール式と、ランプなどを用いて加熱するコール
ドウォール式の２方式がある。

【０００３】枚葉方式の熱反応装置に用いられる反応管
は、一般に、両端に開口部を有する管状構造であり、そ
の断面は矩形、円形、楕円形状などの形状となってい
る。一方の開口部はガス導入部として形成され、他方の
開口部は排気口として形成されているとともに、各開口
部にはフランジが取り付けられており、一方の開口部に
は開閉可能なゲートバルブを有するウエハ挿入口が設け
られている。ウエハは、石英ガラスなどの支持板の上に
支持された状態でウエハ挿入口から反応管内に挿入さ
れ、反応管内のほぼ中央部に設置されるようになってい
る。反応管内にウエハが設置されたあとは、一方の開口
部から反応ガスが反応管内に導入され、導入されたガス
は、反応管内をウエハと平行になって流れ、他方の開口
部から排出されるようになっている。そしてガスが流れ
る過程でウエハに対する処理が行われるようになってい
る。この場合、ガスの流れを反転させることを考慮し、
ガス導入部と排気口をそれぞれ両端に設けているものも
ある。

【０００４】一方、反応管内部のガス圧は、反応を適正
に制御するために、非常に低圧に保持する必要がある。
例えば、ＣＶＤ装置では、反応ガスが供給されていない
状態では、真空排気により反応管内部は１×１０^−２Ｐ
ａ以下、反応ガス供給時でも、数１０Ｐａ程度まで減圧
されている。これに対して、反応管外部は大気圧となっ
ている。また、反応管の周囲は、例えば、断熱材とヒー
タで構成される加熱炉などの熱源により覆われており、
反応管中央部近傍の温度は８００℃以上まで上昇する
が、反応管両端のフランジ部は約２００℃程度までしか
上昇しない。このため、反応管には、内外の圧力差によ
る応力と温度差による熱応力が発生する。これら応力が
重畳すると、反応管が変形したり損傷したりすることが
ある。そこで、内外の圧力差による応力と温度差による
熱応力の重畳に伴う変形や損傷を抑制するために、反応
管の断面を円形や楕円形にしたり、反応管の外表面にリ
ブを設けたりしたものが提案されている。

【０００５】しかし、半導体の製造コストの低減を目的
とした半導体ウエハの大径化に伴って、反応管に発生す
る応力の増大が問題となっている。すなわち、従来技術
のように、反応管の断面を円形または楕円形状にしただ
けでは、化学反応の均一性に課題が生じる。また、反応
管の外表面にリブを設けただけでは、ホットウォール方
式の場合、冷却材を使用できないので、リブ端部の温度
が他の部位に比べて高温になり、発生する熱応力が増加
する。さらに、反応管の外表面にリブを設けるには加工
が非常に難しく、例えば、切削により加工すると、反応
管の外表面に微小な加工損傷が生じる。ガラスのような
脆性材料では微小な損傷でも強度低下の大きな要因とな
る。一方、反応管の外表面に溶接によってリブを接合す
ると、溶接部に残留応力が発生し、これも強度低下の原
因となる。これらの強度低下を最小限に抑制しようとす
る場合には、慎重な熱処理や研磨などのために、作業時
間と作業コストが大きくなるという問題点がある。ま
た、溶融成形により一体としてリブを形成することも可
能であるが、この方法でも作業時間と作業コストが大き
くなる。

【０００６】一方、反応管の肉厚を厚くすることによ
り、発生する応力を低減すると、製造時の時間とコスト
を低減することができるが、反応管のフランジ部までが
高温になり、フランジ部に装着された真空シール部材な
どの損傷を引き起こすことがある。

【０００７】そこで、特開平１０−３３５２５２号公報
に記載されているように、反応管の中央部の肉厚を厚く
し、発生する応力を低減し、フランジ部近傍の肉厚を中
央部の肉厚に比べて薄くし、反応管中央部の熱がフラン
ジまで伝導しにくくするようにしたものが提案されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
反応管中央部の肉厚を両端部よりも厚くしているので、
内外の圧力差に伴う応力の発生を低減することができ、
フランジ部近傍の肉厚を中央部の肉厚に比べて薄くして
いるため、中央部とフランジ部との間に温度差が生じて
も、中央部の熱がフランジ部まで伝導するのを抑制する
ことができる。

【０００９】しかし、内外の圧力差による応力と、中央
部とフランジ部との間の温度差に伴う熱応力との重畳に
よって反応管が変形したり、損傷したりするのを抑制す
るためには、反応管の肉厚部と薄肉部の肉厚および軸方
向における長さを十分に考慮する必要がある。

【００１０】本発明の課題は、内外の圧力差による応力
と温度差による熱応力との重畳に伴う変形と損傷を十分
に抑制することができる基板処理装置を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、ガス導入用開口部とガス排出用開口部と
を結ぶガス通路を形成するとともに、処理対象を収納可
能な反応室を形成する管状部を備え、前記管状部両端の
開口部にそれぞれフランジ部を形成し、前記各フランジ
部に隣接して薄肉部を形成し、前記薄肉部間に厚肉部を
形成し、前記薄肉部の肉厚を前記厚肉部の肉厚の１／２
以下とし、前記薄肉部全体の軸方向の長さを前記管状部
全長の１／１０以下としてなる石英反応管を有すること
を特徴とする基板処理装置を構成したものである。

【００１２】前記基板処理装置を構成するに際しては、
以下の要素を付加することができる。

【００１３】（１）前記石英反応管の厚肉部の軸方向両
端に、肉厚が軸方向に沿って階段状に薄くなる段差部を
形成してなる。

【００１４】（２）前記石英反応管の厚肉部の軸方向両
端に、肉厚が軸方向に沿って漸次薄くなるテーパ部を形
成してなる。

【００１５】前記した手段によれば、管状部を厚肉部と
薄肉部とに分け、薄肉部の肉厚を厚肉部の肉厚の１／２
以下とし、薄肉部全体の軸方向の長さを管状部全長の１
／１０以下としたため、内外の圧力差に伴う応力が発生
しても、この応力の発生を低減することができ、肉厚部
とフランジ部との間に温度差が生じても、肉厚部の熱が
フランジ部まで伝導するのを薄肉部によって抑制するこ
とができ、内外の圧力差に伴う応力と温度差に伴う熱応
力との重畳によって反応管が変形したり、損傷したりす
るのを十分に抑制することができる。

【００１６】また、厚肉部の軸方向両端に段差部または
テーパ部を形成することで、肉厚が急激に変化すること
に伴う応力集中や熱変形による歪みの集中を緩和するこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。本発明に係る基板処理装置は、熱
反応装置や基板搬送装置等から構成される。図１は、本
発明に係る石英反応管を用いた熱反応装置の縦断面図、
図２は石英反応管の斜視図である。図１および図２にお
いて、熱反応装置１０は、ホットウォール方式の装置と
して、石英反応管１２、ヒータ１４、断熱材１６、フラ
ンジ１８、２０などを備えて構成されており、フランジ
１８は反応ガス供給系２２に接続され、フランジ２０は
反応ガス排気系２４に接続されている。

【００１８】石英反応管１２は、ガス導入用開口部２６
とガス排出用開口部２８とを結ぶガス通路を形成すると
ともに、処理対象としての半導体ウエハ３０を収納可能
な反応室３２を形成する管状部３４を備えて構成されて
いる。管状部３４は全体がほぼ矩形形状に形成されてお
り、管状部３４両端の開口部２６、２８にはそれぞれ矩
形形状のフランジ部３６、３８が管状部３４の径方向に
沿って垂直方向に突出されている。各フランジ部３６、
３８に隣接して管状部３４中央部より肉厚の薄い薄肉部
４０、４２が形成されており、薄肉部４０、４２間には
薄肉部４０、４２よりも肉厚の厚い厚肉部４４が径方向
に膨出形成されている。

【００１９】この石英反応管１２は、直径３００ｍｍの
半導体ウエハ３０に対応したものであり、長さが８５０
ｍｍ、内部断面が６０ｍｍ×２７０ｍｍである。厚肉部
４４の肉厚は２０ｍｍで、薄肉部４０、４２の肉厚は１
０ｍｍであり、薄肉部４０、４２の肉厚は厚肉部４４の
肉厚の１／２以下に設定設定されている。石英反応管１
２内の反応室３２は、水平面にほぼ平行な上面と底面を
備えているとともに、鉛直方向とほぼ平行な２つの側面
を有し、上面と底面の方が各側面より大きな面積となっ
ている。そして各フランジ部３６、３８には金属製のフ
ランジ１８、２０が密着した状態で固定されており、開
口部２６、２８が各フランジ１８、２０によって覆われ
ることで、石英反応管１２は密閉構造となっている。ま
た反応室３２のほぼ中央部には円板状のウエハ支持台４
６が配置されており、ウエハ支持台４６の中央部は支柱
４８によって反応室３２の底面に固定されている。な
お、フランジ１８、２０のうち開口部２６、２８に対応
した部位にはゲートバルブ５０、５２が開閉可能に固定
されており、ゲートバルブ５０、５２は半導体ウエハ３
０を出し入れするのに用いられる。この場合、一方のゲ
ートバルブの代わりに蓋を用いて開口部を閉塞すること
もできる。

【００２０】フランジ１８内には、反応ガス供給系２２
から反応ガスが導入され、フランジ１８内を通過した反
応ガスは石英反応管１２の軸方向（長手方向）に沿って
流れ、フランジ２０内を通過したあと反応ガス排気系２
４に排気される。この場合、流入する反応ガスの圧力
は、高くとも数１０Ｐａ程度の低圧に保持されている。
一方、管状部３４の外周側には複数のヒータ１４が配置
されているとともに各ヒータ１４の周囲には断熱材１６
が配置され、各断熱材１６の周囲は筒状のカバー５４に
よって覆われている。

【００２１】すなわち、ホットウォール方式の場合、石
英反応管１２の周囲はヒータ１４と断熱材１６で覆わ
れ、反応室３２内の半導体ウエハ３０は、反応時には１
０００℃前後に加熱される。このため、石英反応管自身
も加熱され、厚肉部４４近傍では、８００℃まで温度が
上昇する。これに対して、機密性を保持するために、各
フランジ部３６、３８とブラケット５４、５６との間に
挿入されたシール部材としてのＯリング５８、６０は耐
熱性に劣るので、フランジ部３６、３８の温度を２００
℃以下に抑制する必要がある。このため、石英反応管１
２内では中央部と端部との間では最大で４００℃程度の
温度差が生じる。この温度差により石英反応管１２内に
は内部応力が発生する。さらに、石英反応管１２の外側
は１気圧つまり約０．１ＭＰａであるのに対して、内側
の反応ガスの圧力は最大でも数１０Ｐａであり、この圧
力差により石英反応管１２に応力が発生する。特に、石
英反応管１２の４つの面のうち面積の大きい上面と底面
の２面の中央部近傍には大きな応力が生じる。反応室３
２内の上面と底面の幅は半導体ウエハ３０の径が大きく
なる程大きくなり、それに伴い発生する応力も大きくな
る。

【００２２】したがって、石英反応管１２に生じる温度
差による熱応力と内外の圧力差による応力に耐えるため
には、石英反応管１２の肉厚を厚くすれば厚くする程良
い。しかし、肉厚を単に厚くすると、石英反応管１２の
壁の熱伝導が良くなり、フランジ部３６、３８の温度が
上昇する。

【００２３】そこで、本実施形態においては、内外の圧
力差による応力が最も大きくなる反応管１２中央部を、
十分な肉厚を確保するために厚肉部４４とし、フランジ
部３６、３８近傍への熱伝導を抑制するために、厚肉部
４４の両側に薄肉部４０、４２を設けることとしてい
る。

【００２４】ここで、薄肉部４０、４２の軸方向の長さ
を設定するに際して、有限要素法を用いて解析を行った
ところ、図３に示すように、薄肉部４０、４２全体の軸
方向における長さは、石英反応管１２全長の１／８以下
であれば効果が得られ、より望ましくは石英反応管１２
全長の１／１０以下であることが望ましいことが分かっ
た。図３において、横軸は薄肉部４０、４２の全体の長
さと石英反応管１２の全長との比である。そして厚肉部
４４のみ、つまり石英反応管１２の肉厚が一様の場合も
薄肉部４０、４２がないとして０とした。縦軸は、横軸
が０の場合を基準に、発生する最大応力の比を示す。薄
肉部４０、４２の長さが石英反応管１２の長さの０．１
２５、つまり１／８以下では、発生応力は１．２に近
く、０．１、つまり１／１０以下では発生応力では１．
０に近くなる。これに対して、薄肉４０、４２の長さと
石英反応管１２の全長との比が０．１２５を超えると、
急激に応力比が増加することが分かる。なお、薄肉部の
長さは薄肉部４０と薄肉部４２の合計の長さである。

【００２５】本実施形態によれば、石英反応管１２に薄
肉部４０、４２、厚肉部４４を形成し、薄肉部４０、４
２の肉厚を厚肉部４４の肉厚の１／２以下とし、薄肉部
４０、４２の全体の軸方向の長さを管状部３４全長の１
／８以下望ましくは１／１０以下としたため、石英反応
管１２に、内外の圧力差による応力と温度差による熱応
力が発生しても、これら応力の重畳によって石英反応管
１２が変形したり、損傷したりするのを抑制するこがで
き、信頼性の向上に寄与することができる。

【００２６】次に、石英反応管１２の第２実施形態を図
４にしたがって説明する。本実施形態は、管状部３４の
うち厚肉部４４の軸方向両端に、肉厚が軸方向に沿って
階段状に薄くなる段差部６２、６４を形成したものであ
り、他の構成は図１のものと同様である。

【００２７】本実施形態によれば、前記実施形態と同様
な効果を奏することができるとともに、厚肉部４４と薄
肉部４０、４２との間に段差部６２、６４が設けられて
いるため、厚肉部４４と薄肉部４０、４２との間の肉厚
が急激に変化することによる応力集中や熱変形による歪
みの集中を緩和することができる。

【００２８】次に、石英反応管の第３実施形態を図５に
したがて説明する。本実施形態は、管状部３４の軸方向
両端に、肉厚が軸方向に沿って漸次薄くなるテーパ部６
６、６８を形成したものであり、他の構成は図１のもの
と同様である。

【００２９】本実施形態によれば、図１に示す石英反応
管と同様な効果を奏するとともに、厚肉部４４と薄肉部
４０、４２との間にテーパ部６６、６８を形成したた
め、厚肉部４４と薄肉部４０、４２との間の肉厚が急激
に変化することによる応力集中や熱変形による歪みの集
中を緩和することができる。

【００３０】また、第２実施形態および第３実施形態に
よれば、厚肉部４４と薄肉部４０、４２との間に段差部
６２、６４またはテーパ部６６、６８が形成されている
ため、図１のものよりも作業空間が広がり、作業性の向
上に寄与することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
内外の圧力差に伴う応力と温度差に伴う熱応力との重畳
によって反応管が変形したり、損傷したりするのを十分
に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された熱反応装置の縦断面図であ
る。

【図２】石英反応管の第１実施形態を示す斜視図であ
る。

【図３】薄肉部長さ／反応管長さと応力比との関係を示
す特性図である。

【図４】石英反応管の第２実施形態を示す縦断面図であ
る。

【図５】石英反応管の第３実施形態を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 熱反応装置 １２ 石英反応管 １４ ヒータ １６ 断熱材 １８、２０ フランジ ２２ 反応ガス供給系 ２４ 反応ガス排気系 ２６ ガス導入用開口部 ２８ ガス排出用開口部 ３０ 半導体ウエハ ３２ 反応室 ３４ 管状部 ３６、３８ フランジ部 ４０、４２ 薄肉部 ４４ 厚肉部 ４６ ウエハ支持台

フロントページの続き (72)発明者 宮田 敏光 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 (72)発明者 島田 智晴 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA12 KA02 KA09 KA22 KA46 5F045 AA03 AA06 DP04 DQ10 EC01 EK06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス導入用開口部とガス排出用開口部と
   を結ぶガス通路を形成するとともに、処理対象を収納可
   能な反応室を形成する管状部を備え、前記管状部両端の
   開口部にそれぞれフランジ部を形成し、前記各フランジ
   部に隣接して薄肉部を形成し、前記薄肉部間に厚肉部を
   形成し、前記薄肉部の肉厚を前記厚肉部の肉厚の１／２
   以下とし、前記薄肉部全体の軸方向の長さを前記管状部
   全長の１／１０以下としてなる石英反応管を有すること
   を特徴とする基板処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の基板処理装置におい
   て、前記石英反応管の厚肉部の軸方向両端に、肉厚が軸
   方向に沿って階段状に薄くなる段差部を形成してなるこ
   とを特徴とする基板処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の基板処理装置におい
   て、前記石英反応管の厚肉部の軸方向両端に、肉厚が軸
   方向に沿って漸次薄くなるテーパ部を形成してなること
   を特徴とする基板処理装置。