JP2004327528A - 半導体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強制冷却手段を具備する半導体処理装置に於いて、反応室上部の温度の安定化を図り、成膜膜厚の均一性を向上させ、製品品質の向上、歩留りの向上を図る。
【解決手段】基板を収納して処理する反応室１と、該反応室を囲む有天筒状のヒータ４を具備し、該ヒータの天井部に排気口１２が形成され、該排気口に対向して補助ヒータ１９が設けられ、前記排気口の開口面は該補助ヒータより大径である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ等の基板に成膜、不純物の拡散、エッチング等の処理を行って半導体デバイスを製造する半導体処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理装置としては、基板を一枚ずつ処理する枚葉式の半導体処理装置、或は所定枚数の基板を一度に処理するバッチ式の半導体処理装置がある。又、バッチ式の半導体処理装置の１つとして、縦型熱処理炉を具備するものがある。
【０００３】
縦型熱処理炉を具備する半導体処理装置の概略を図１３により説明する。
【０００４】
縦型炉は主に、反応室１を画成する反応管２、該反応管２と同心に設けられた均熱管３、該均熱管３と同心に設けられ、前記反応室１を周囲から加熱する円筒状のヒータ４から構成され、前記反応室１にはシリコンウェーハ等のウェーハ（基板）５を保持する基板保持具（ボート）６がボートエレベータ（図示せず）により装入、引出しされる様になっており、前記ボート６は前記反応室１の下端開口部（炉口部）からの放熱を抑制する断熱キャップ７に立設され、該断熱キャップ７は炉口蓋８を介して前記ボートエレベータに支持されている。
【０００５】
円筒状の前記ヒータ４は、円筒壁部４ａ、天井部４ｂを有し、前記円筒壁部４ａが発熱線、断熱材によって構成され、前記発熱線は複数のゾーン、例えば３〜５のゾーンに分割されており、各ゾーン毎に加熱が独立して制御される様になっている。
【０００６】
又、前記ヒータ４の前記円筒壁部４ａは冷却ガスが流通できる様に中空部９が形成され、該中空部９の下端には吸気口１０が連通され、該吸気口１０に開閉弁１１が設けられている。前記ヒータ４の前記天井部４ｂの下面には排気口１２が設けられ、該排気口１２に連通し、外側面に開口するエルボ状の排気導路１３が前記天井部４ｂに形成され、前記排気導路１３に排気ダクト１４が連通され、該排気ダクト１４には排気冷却器１５が設けられ、該排気冷却器１５の上流、下流にそれぞれ開閉弁１６，１７が設けられ、該開閉弁１７の下流に排気ブロア１８が設けられている。
【０００７】
近年、半導体製造行程に於いて、生産性向上の為にサイクルタイムの短縮が求められており、サイクルタイム短縮化の手段の１つとしてヒータ４の昇温降温特性の高性能化が挙げられる。特に、降温特性を向上させる手段としてヒータ４の強制冷却が不可欠となる。
【０００８】
前記中空部９、吸気口１０、排気口１２、排気ダクト１４、排気ブロア１８等は強制冷却手段を構成しており、前記排気ブロア１８が駆動されることで、前記吸気口１０から冷却空気が吸引され、更に縦型炉内部の空気は前記排気口１２、排気ダクト１４を介して排気され、又排気される高温の空気は前記排気冷却器１５により冷却される。
【０００９】
次に、上記縦型半導体処理装置に於ける一般的なウェーハの処理について概略を説明する。
【００１０】
前記反応室１は前記ヒータ４により加熱され所定温度に保温され、前記反応室１にウェーハ５が装填されたボート６が装入される。該ボート６装入後前記ヒータ４により前記反応室１をウェーハ処理温度、例えば８５０℃迄加熱する。尚、成膜膜種に応じ該反応室１をウェーハ処理圧力迄減圧する。
【００１１】
該反応室１の温度が処理温度に安定した後、該反応室１に反応ガスを一定時間導入して所定の成膜処理を実施する。成膜処理時間経過後、反応ガスを停止して成膜処理を完了する。
【００１２】
前記開閉弁１１と前記開閉弁１６、開閉弁１７を開き、前記排気ブロア１８を駆動し前記排気導路１３を介して前記排気口１２より前記ヒータ４内の空気を吸引排気する。該ヒータ４内の空気が排気されることで、前記吸気口１０より外気が流入し、前記ヒータ４内を上昇して該ヒータ４、前記均熱管３等を冷却する。
【００１３】
前記反応室１の温度をウェーハ搬出温度、例えば６００℃迄急冷する。冷却後、前記排気ブロア１８を停止し、前記開閉弁１６、開閉弁１７、開閉弁１１を閉じ、ボートエレベータ（図示せず）により前記ボート６を前記反応室１から引出す。尚、減圧処理を行っている場合は、該反応室１を大気圧に復帰させた後、前記ボート６を引出す。降下された該ボート６に保持された処理済のウェーハは図示しない基板移載機により払出される。
【００１４】
尚、強制冷却手段を具備する半導体処理装置としては、例えば特許文献１に示されるものがある。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１６４２９８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した様に、前記強制冷却手段では前記ヒータ４内の空気を強制排気する為、該ヒータ４の前記天井部４ｂには前記排気口１２が設けられている。前記反応室１上部に連通する前記排気口１２の存在で前記反応室１上部に対流が発生し、更に前記排気導路１３からの放熱も加わり、前記反応室１上部の温度が不安定になり、冷え易くなる。この為、前記ボート６上部のウェーハ温度も不安定になり易く、膜厚分布が不均一となる要因となる。
【００１７】
本発明は斯かる実情に鑑み、強制冷却手段を具備する半導体処理装置に於いて、反応室上部の温度の安定化を図り、成膜膜厚の均一性を向上させ、製品品質の向上、歩留りの向上を図るものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板を収納して処理する反応室と、該反応室を囲む有天筒状のヒータを具備し、該ヒータの天井部に排気口が形成され、該排気口に対向して補助ヒータが設けられ、前記排気口の開口面は該補助ヒータより大径である半導体処理装置に係るものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態の要部を示すものであり、縦型熱処理炉の上部を示している。尚、半導体処理装置の他の部分については、図１３で示した従来の半導体処理装置と同様であるので、図示、説明を省略する。
【００２１】
天井部４ｂに排気口１２が形成されると共に排気導路１３が形成されている。前記排気口１２は、上方に向って漸次面積が減少する倒立漏斗形状をしており、前記排気導路１３は上流端部が鉛直であるエルボ形状をしており、上流端は前記排気口１２に開口し、該排気口１２及び反応管２と同心になっている。
【００２２】
前記排気口１２と同心に円盤状の補助ヒータ１９を、前記排気口１２と均熱管３上端との間に配設する。又、前記補助ヒータ１９の直径は前記排気導路１３の上流端の開口直径より充分大きく、前記排気口１２の開口直径より充分小さく、前記排気導路１３の周囲に充分な流路断面積が形成される様にする。又、前記補助ヒータ１９の直径は、ウェーハの直径以下になっている。
【００２３】
ウェーハの処理中、前記補助ヒータ１９で前記均熱管３の上方から加熱することで、反応室１上部の温度が低下するのが防止され、ボート６上部のウェーハ温度が安定する。尚、該ボート６上部のウェーハの温度は中心部に向って低くなる温度分布となっており、前記補助ヒータ１９は前記ウェーハの直径以下にし、ウェーハの中心部が熱せられる様にしてあるので、ウェーハ面内の温度の均一性も向上する。
【００２４】
次に、処理後ヒータ４を冷却する場合は、排気ブロア１８を駆動し、前記排気導路１３、前記排気口１２を介して前記ヒータ４内を吸引する。
【００２５】
該ヒータ４内の空気は、前記均熱管３と前記ヒータ４との空間を上昇して前記補助ヒータ１９の周囲から前記排気口１２を経て前記排気導路１３に流入し、図示しない排気冷却器を通過することで冷却され、排気される。
【００２６】
前記排気口１２は倒立漏斗形状であり、前記補助ヒータ１９の周囲に充分な流路空間が形成されるので、該補助ヒータ１９が前記排気導路１３上流端開口部に対向して設けられていても、排気に支障を生じることはない。
【００２７】
図２は前記排気口１２が前記排気導路１３の上流端開口部と同一であり、従来と同様な形状をしている場合を示している。
【００２８】
図２で示す実施の形態では、天井部４ｂの下面と補助ヒータ１９との間に充分な空間が形成される様に該補助ヒータ１９を配置すればよい。
【００２９】
尚、前記排気口１２の形状は、前記天井部４ｂの大きさ、流路抵抗等を考慮すると、倒立漏斗形状等下流側に向って流路断面積が漸次減少する形状であることが好ましい。又、図３に示される様に一部分に漸次減少する形状を有していてもよい。又連続して漸次減少する形状の他、図４に示される様に階段状に減少する等近似的に漸次減少してもよい。
【００３０】
ここで、近似的に漸次減少するとは、前記排気口１２の下端開口面に対し下流側に少なくとも、流路断面積が減少する断面を複数箇所持つことである。又、開口面は前記天井部４ｂの下面、全面に亘ってもよい。又、前記排気口１２の形状は単に前記補助ヒータ１９より大径の凹部であってもよい。
【００３１】
図５〜図１０に於いて、前記補助ヒータ１９について具体的に説明する。
【００３２】
前記天井部４ｂより下方に突出された支柱２１に支持プレート２２が支持され、該支持プレート２２に補助発熱素線２３が載置され、前記支持プレート２２に間隙保持部材２４を介しボルト３０等により抑えプレート２５が取付けられている。前記間隙保持部材２４の高さは、前記補助発熱素線２３の厚みより大きく、該補助発熱素線２３が加熱状態で熱変形を生じた場合でも、前記間隙保持部材２４が前記支持プレート２２と前記抑えプレート２５間で自在に変位可能な間隙を形成する様にしてある。
【００３３】
前記支持プレート２２は図８に見られる様に、円周部２２ａと４５°間隔で形成された半径部２２ｂで構成される形状を有し、又前記抑えプレート２５は図９に見られる様に円周部２５ａと４５°間隔で形成された半径部２５ｂとで構成される形状を有し、前記抑えプレート２５は前記支持プレート２２に対して小径となっていると共に外周部の所要箇所（図９では４箇所）に凸部２５ｃが形成され、該凸部２５ｃで前記支持プレート２２に固定される様になっている。又、該支持プレート２２の前記半径部２２ｂと前記抑えプレート２５の前記半径部２５ｂとは対峙する様に形成されている。
【００３４】
前記補助発熱素線２３は、基本的形状としては半径方向に所定の間隙２０が形成される様に、同心多重円に形成したものであり、中心部に端子部２３ａが形成される様にしてあると共に、熱膨張が相殺される様に所定箇所に折返し部２３ｂが形成されている。
【００３５】
基本的には、前記補助発熱素線２３は熱膨張を考慮して前記支持プレート２２には固定されない構造であるが、前記補助発熱素線２３の同心円が崩れて隣接する部分が接触しない様に、該補助発熱素線２３の同心円間の前記間隙２０にスペーサピン２６が挿入される。該スペーサピン２６は前記半径部２２ｂと前記半径部２５ｂ間に掛渡って設けられる。又、前記スペーサピン２６は１つおきの半径部２２ｂ，２５ｂに設けられる。勿論、全ての半径部２２ｂ，２５ｂに設けられてもよい。前記スペーサピン２６の設ける位置、数等は前記補助発熱素線２３の変形状態を考慮して決定すればよい。又、前記半径部２２ｂ，２５ｂは４５°間隔で形成したが、９０°間隔或は６０°間隔等、適宜選択することが可能である。
【００３６】
又、前記スペーサピン２６と前記補助発熱素線２３との関係は、該補助発熱素線２３の円周方向の変位を拘束することなく、又半径方向については変位を拘束しない様、同心円間の間隙に対して充分な隙間を形成する太さとする。
【００３７】
ここで、前記支柱２１、前記支持プレート２２、前記間隙保持部材２４、前記抑えプレート２５、前記ボルト３０等の構造部材は、耐熱性を有すると共に処理中の基板を汚染しない材料が用いられ、例えば石英、アルミナ等が使用され、又前記補助発熱素線２３の材料としてはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ或はＳｉＣ或はＭｏＳｉ２ 等の抵抗発熱材料が用いられ、該補助発熱素線２３は線材から成形することも可能であり、又板材から成形することも可能である。図１０で示される補助発熱素線２３は、板材から成形されたものである。
【００３８】
又、該補助発熱素線２３の形状は、中心部から外周部迄素線の幅、径を均一にして全体が略均一に発熱する様にしてもよいが、中心部から外周に向って素線の幅、径を大きくして比抵抗を小さくし、発熱量が少なくなる様にしてもよい。
【００３９】
外周に向って発熱量を少なくすることで、前記反応室１上部のウェーハに対して中心部を外周部より加熱して膜厚分布がより均一になる様な温度分布とすることができる。
【００４０】
尚、図５中、３１は温度検出器であり、前記補助ヒータ１９の温度を検出し、検出結果を温度制御部（図示せず）に送出する。該温度制御部は前記補助ヒータ１９と前記ヒータ４とを独立して制御可能であり、該ヒータ４と前記補助ヒータ１９を独立して制御することで前記反応室１上部の温度が均一になる様に加熱する。
【００４１】
上記した前記補助ヒータ１９に於いて、前記支持プレート２２は前記円周部２２ａと前記半径部２２ｂとで構成され、大部分は空間となっているので、前記補助発熱素線２３からの加熱は効率よく行われる。又、前記抑えプレート２５も前記支持プレート２２と同様大部分は空間となっているので、冷却時に前記排気口１２から吸引された場合、冷却空気の一部は前記補助ヒータ１９を通って排気され、流路抵抗を減少すると共に前記補助ヒータ１９が冷却される。
【００４２】
図１１、図１２は補助ヒータ１９の第２の具体例を示している。
【００４３】
該第２の具体例では、抑えプレート２５が省略され、補助発熱素線２３の周囲、支柱２１の間に抑えピン２７が配置され、支持プレート２２に固着されている。前記抑えピン２７はスペーサ部２７ａとフランジ部２７ｂとを有し、前記スペーサ部２７ａは前記補助発熱素線２３周辺部の適宜な浮上がりを許容する高さを有し、更に該補助発熱素線２３の半径方向の熱膨張変位を拘束しない位置となっている。又、前記フランジ部２７ｂは熱膨張があった場合も、前記補助発熱素線２３の周辺部が外れない大きさを有している。
【００４４】
該補助発熱素線２３の間隙２０にスペーサピン２６が挿入され、該スペーサピン２６は前記支持プレート２２に摺動自在に落とし込まれ、貫通した下端部にはナット２８が固着されている。該ナット２８は、前記スペーサピン２６が前記補助発熱素線２３が熱変位で浮上がった場合に、該補助発熱素線２３の所要の浮き上がりを許容し、大きな浮上がりは拘束する様取付けられている。又、前記スペーサピン２６はフランジ部２６ａを有し、該フランジ部２６ａは臨接する前記補助発熱素線２３の同心円に掛渡る大きさを有している。又、該スペーサピン２６が貫通する前記支持プレート２２の孔２９は半径方向に長孔となっており、前記スペーサピン２６が前記補助発熱素線２３の熱膨張に対応して半径方向に変位可能としている。
【００４５】
而して、前記抑えピン２７、スペーサピン２６は、前記補助発熱素線２３の過度の変形を防止し、該補助発熱素線２３が途中で接触して短絡を起さない様にしている。又、前記スペーサピン２６の取付けられる位置は、前記補助発熱素線２３の熱変形の大きな位置に設けられることが好ましく、例えば図１１に示される様に、折返し部２３ｂに設けられる。
【００４６】
尚、本発明は上記した半導体処理装置に限られるものではなく、例えば均熱管の上端に排気口が設けられているもの、均熱管を備えていないもの、或は反応管の内部にインナチューブが設けられているＣＶＤ装置等、種々の半導体処理装置に実施可能である。
【００４７】
（付記）
尚、本発明は下記の実施の態様を含むものである。
【００４８】
（付記１） 反応室を囲む有天筒状のヒータを具備し、該ヒータの天井部に排気口が形成され、該排気口に対向して補助ヒータが設けられたことを特徴とする半導体処理装置。
【００４９】
（付記２） 前記排気口の開口面は前記補助ヒータより大径である付記１の半導体処理装置。
【００５０】
（付記３） 前記排気口は下流側に向って近似的に漸次流路断面積が減少する付記１の半導体処理装置。
【００５１】
（付記４） 前記補助ヒータは前記基板より小径である付記１の半導体処理装置。
【００５２】
（付記５） 前記補助ヒータは外周に向って発熱量が少なくなる様にした付記１の半導体処理装置。
【００５３】
（付記６） 前記補助ヒータは独立して温度制御可能となっている付記１の半導体処理装置。
【００５４】
（付記７） 前記補助ヒータは、前記ヒータの天井部より垂設された支柱に支持された支持プレート、該支持プレートに載置された補助発熱素線を有する付記１の半導体処理装置。
【００５５】
（付記８） 前記補助ヒータは、前記支持プレートに対して所要の間隙を持って設けられた抑えプレートを有し、前記補助発熱素線は前記支持プレートと前記抑えプレートとの間に熱変位可能に設けられた付記７の半導体処理装置。
【００５６】
（付記９） 前記補助発熱素線は同心多重円状に形成され、該補助発熱素線間に形成される間隙にスペーサピンが設けられた付記７の半導体処理装置。
【００５７】
（付記１０） 前記スペーサピンは前記支持プレートと前記抑えプレート間に掛渡って設けられた付記９の半導体処理装置。
【００５８】
（付記１１） 前記スペーサピンは前記支持プレートに半径方向に変位可能に設けられた付記９の半導体処理装置。
【００５９】
（付記１２） 反応室を囲む有天筒状のヒータを具備し、該ヒータの天井部に排気口が形成され、該排気口に対向して補助ヒータが設けられた半導体処理装置を用いて基板を処理する半導体装置の製造方法であって、前記ヒータにより前記反応室を加熱する工程と、前記反応室で基板を処理する工程と、前記排気口から排気する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板を収納して処理する反応室と、該反応室を囲む有天筒状のヒータを具備し、該ヒータの天井部に排気口が形成され、該排気口に対向して補助ヒータが設けられ、前記排気口の開口面は該補助ヒータより大径であるので、反応室上部の温度低下が抑止され、反応室上部の温度の安定化を図れ、成膜膜厚の均一性が向上し、製品品質の向上、歩留りの向上が図れるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の要部を示す概略図である。
【図２】本発明の他の実施の形態の要部を示す概略図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の要部を示す概略図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の要部を示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態の要部の具体例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に使用される補助ヒータの平面図である。
【図７】図６のＡ矢視図である。
【図８】前記補助ヒータに使用される支持プレートの平面図である。
【図９】前記補助ヒータに使用される抑えプレートの平面図である。
【図１０】前記補助ヒータに使用される補助発熱素線の平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態に使用される他の補助ヒータを示す平面図である。
【図１２】図１１のＢ矢視図である。
【図１３】従来の半導体処理装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 反応室
２ 反応管
３ 均熱管
４ ヒータ
５ 基板
６ ボート
１２ 排気口
１３ 排気導路
１９ 補助ヒータ
２１ 支柱
２２ 支持プレート
２３ 補助発熱素線
２４ 間隙保持部材
２５ 抑えプレート
２６ スペーサピン
２７ 抑えピン
２９ 孔

Claims (1)

1. 基板を収納して処理する反応室と、該反応室を囲む有天筒状のヒータを具備し、該ヒータの天井部に排気口が形成され、該排気口に対向して補助ヒータが設けられ、前記排気口の開口面は該補助ヒータより大径であることを特徴とする半導体処理装置。

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