JP2006179613A - 半導体ウエハ縦型熱処理装置用磁性流体シールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 縦型熱処理装置に使用される磁性流体シールユニットであって反応容器内で熱処理される半導体ウエハに対する汚染を防止するためユニット本体と回転軸の間の隙間にコンタミネーション、不純ガス、パーティクルなどが滞留する滞留部をなくす。
【解決手段】 反応容器内のウエハボートに回転駆動力を伝達する回転軸２０と、支持孔３１を有しこの支持孔３１内に回転軸２０が挿通される筒状のユニット本体３０と、回転軸２０の下端に固定され、ユニット本体３０の下方から外周へと回り込む外殻部材６０と、回転軸２０とユニット本体３０との間の隙間を磁性流体を用いてシールする磁性流体シール部４０と、ユニット本体３０と外殻部材６０との間でユニット本体３０の下端に設けられた軸受部７０と、磁性流体シール部４０よりも反応容器側であってかつ磁性流体シール部４０の近傍位置において回転軸２０とユニット本体３０との間の隙間にパージガスを供給するガス供給路５０と、を備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、複数の被処理基板を保持具によって縦方向に一定間隔をあけて保持するとともに、微予圧ないし真空の高温の反応容器内で当該保持具を回転させながら、反応容器内の被処理基板に対し熱処理を行う構成の縦型熱処理装置に組み込まれる磁性流体シールユニットに関する。

上記構成の縦型熱処理装置は、半導体ウエハの成膜処理や、酸化処理、アニール処理、不純物の拡散処理などに利用されている。
この種の縦型熱処理装置は、半導体ウエハを縦方向に一定間隔をおいて保持したウエハボート（保持具）を、反応容器内へ下方から収容した後、反応容器の下端開口部を底部蓋体によって密閉する構成となっている。

保持具は、半導体ウエハを均一に熱処理するため反応容器内で回転駆動される。このため、反応容器の底部には磁性流体シールユニットが組み込まれている。磁性流体シールユニットは、反応容器の底部蓋体を貫通する回転軸を回転自在に支持する軸受け部と、反応容器内に供給される反応ガスのリーク(漏れ)を防止するためと反応容器内に外気が侵入することを防止するためのシール部とをユニット本体に内蔵している。
一般的にユニット本体は、筒状に構成され、その中空部が反応容器の底部蓋体の軸孔と連通するように、底部蓋体に装着してある。軸受け部はユニット本体の下部に内蔵されて回転軸を支持する。シール部は、概ね、ユニット本体の上部に内蔵されており、ユニット本体と回転軸との間の隙間をシールしている。このシール部には磁性流体が用いられている。磁性流体によるシール部が、ユニット本体の上部に設けられている理由は軸受けから発生するコンタミネーションやパーティクルを反応容器内に侵入させないことと熱処理に用いられる反応ガスや反応副生成物により軸受けの機能を損なわないようにするためである。

しかしながら、上記構成の従来の磁性流体シールユニットは、シール部が反応容器の近くに位置するため、反応容器内に供給される反応性ガスや反応副生成ガスが、軸孔を通してシール部の磁性流体に接触して磁性流体に吸着されたりまた冷やされると、反応副生成物が生成され、これが磁性流体、回転軸表面、ユニット本体の軸孔表面に付着するなどして、磁性流体の劣化を生じ、磁性流体の短寿命化、リーク、回転軸の固着などを生じる原因となる。さらに、磁性流体、回転軸表面、ユニット本体の軸孔表面に付着した反応副生成物はパーティクル発生の原因となる。
そして、ユニット本体の上部に設けられているシール部は高温の反応容器の底部蓋体に近いため高熱を受けやすく、これによる磁性流体の劣化を防止する必要がある。
一般的には、磁性流体シール部を冷却するためにシール部の外周のユニット本体内部に水冷部を設け冷却している。冷却は磁性流体の温度のみならず周囲の温度を下げるため反応副生成物の付着を促進しパーティクルの発生を誘因する。

そこで、下記に示す特許文献１では、図３に示すように、回転軸１００の下端に外殻部材１０１を取り付け、ユニット本体１０２（固定部材）の外側にシール部１０３（磁性流体シール部）と軸受部１０４とを配置することで、これらを反応容器の底部蓋体１０５から離間させる構成を採用している。さらに、シール部１０３よりも反応容器の底部蓋体１０５側において、回転軸１００とユニット本体１０２との間の隙間にパージガスを供給するガス供給路１０６を連通させ、これにより反応容器からの反応ガスや反応副生成ガスがシール部１０３に接触することを防止している。
特開２０００−２１６１０５号公報

しかしながら、磁性流体シールユニットを特許文献１に開示された構成とした場合、ガス供給路１０６によるパージガスの供給部がシール部と離間しているため、パージガス供給部１０６から磁性流体シール部１０３にかけての隙間Ａは、ガスの流れが形成されない滞留部となりコンタミネーション、不純ガス(水蒸気、反応副生成ガス、その他)、パーティクルなどが滞留し易く何らかの原因により反応容器に侵入し熱処理される半導体ウエハを汚染する可能性がある。長期的にみれば磁性流体の劣化の原因にもなるおそれがある。
さらに軸受け部１０４が高温になる反応容器の底部蓋体１０５の近くに位置するため高熱の影響を受けやすく軸受けの性能低下、機能停止等のおそれと、これを防止するため軸受け部の上方に冷却部を設けなければならない可能性もある。そして、これが上述したパーティクルの発生を誘因する可能性を持っている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ユニット本体と回転軸との間にコンタミネーション、不純ガス(水蒸気、反応副生成ガス、その他)、パーティクルなどが滞留する滞留部を完全になくすとともに、水冷による冷却を廃し、空冷とそれに対応する構造を採用し、高熱や不純ガスの吸着、反応副生成物の付着による磁性流体の劣化、パーティクルの発生、高温による軸受けの性能低下または機能停止、パーティクルの発生等を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の被処理基板を保持具によって縦方向に一定間隔をあけて保持するとともに、微予圧ないし真空の高温の反応容器内で当該保持具を回転させながら、反応容器内の被処理基板に対し熱処理を行う構成の縦型熱処理装置に組み込まれる磁性流体シールユニットであって、
反応容器の底部に形成された軸孔を通して反応容器内に進入し、保持具に回転駆動力を伝達する回転軸と、
反応容器の底部外側に装着されるとともに、軸孔と連通する支持孔を有し、この支持孔内に回転軸が挿通される筒状のユニット本体と、
回転軸の下端に固定され、ユニット本体の下方から外周へと回り込む外殻部材と、
回転軸とユニット本体との間の隙間を、磁性流体を用いてシールする磁性流体シール部と、
ユニット本体と外殻部材との間で前記ユニット本体の下端部に設けられた軸受部と、
磁性流体シール部よりも反応容器側であってかつ磁性流体シール部の近傍位置において、回転軸とユニット本体との間の隙間にパージガスを供給するガス供給路と、を備えたことを特徴とする。

ここで、磁性流体シール部は、熱の影響を小さくするユニット本体の下部位置に組み込むことが好ましい。
また、ユニット本体には、反応容器の底部への装着部と磁性流体シール部の組込み部分との間に、放熱手段を形成することが好ましい。
放熱手段は、ユニット本体の横断面積が磁性流体シール部の組込み部分よりも小さくした必要最小限の横断面積の構成とすることができる。これにより熱の伝導量を最小限にすることができる。また、放熱手段は、ユニット本体の外表面に形成した放熱フィンで構成することもできる。

回転軸は、中心軸上に下端から一定長さにわたり形成された中空部を有し、かつこの中空部に当該回転軸よりも熱伝導率の高い材料で形成された熱伝導軸が内接して組み込んだ構成とすることが好ましい。ここで、熱伝導軸は、効率的に熱を伝導するためのブリッジを形成する機能を有しており、意図する熱伝導効率を考慮して、中空部内壁における任意の箇所に内接させることが好ましい。なお、熱伝導軸は、軸方向に移動可能とする。

ガス供給路からパージガスが供給される隙間部分には、他の隙間部分よりも大きな容積を有するグルーブを形成することが好ましい。
さらに、反応容器の底部に形成された軸孔の近傍位置で、回転軸とユニット本体との間に前記回転軸と中心を同一とする同心円状の一対または複数対のラビリンスを形成することが好ましい。これにより、回転軸の周囲に均等なガスパージが可能となり、ガスの滞留部をなくすことができる。

上記構成の本発明によれば、磁性流体シール部の近傍位置において、ガス供給部から回転軸とユニット本体との間の隙間にパージガスが均等に供給されるので、当該パージガスの供給部と磁性流体シール部との間で、コンタミネーション、不純ガス(水蒸気、反応副生成ガス、その他)、パーティクルなどが滞留するおそれがなく熱処理されるウエハの汚染や長期的にみた磁性流体の劣化のおそれがなくなる。また水冷を使用しないことから過冷却がなくなり反応副生成物の付着を防止できパーティクルの発生を抑制できる。
さらに高熱による軸受けの性能低下、機能停止も抑制することができる。
回転軸の中空部に装着可能な熱伝導軸により磁性流体シール部を異なる熱処理温度に対して最適温度に設定可能な熱処理温度範囲が広がり高熱による磁性流体の劣化を抑制できる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１を参照して縦型熱処理装置の反応容器とその底部近傍の構成を説明する。図１は本発明の実施の形態に係る磁性流体シールユニットが組み込まれる縦型熱処理装置の構成例を示す図である。

反応容器１は底部が開口しており、この底部開口部は底部蓋体２によって閉塞される。図１に示す構成では、この底部蓋体２も反応容器１の一部を構成する。底部蓋体２は、昇降自在となっており、その中心部に軸孔２ａが形成されており、この軸孔２ａを貫通して回転軸２０の上部が上面側に突き出している。
回転軸２０の上端にはターンテーブル３が装着され、このターンテーブル３の上面に保温筒４を介してウエハボート５（保持具）が載置されている。ウエハボート５は、半導体ウエハＷ（被処理基板）を縦方向に一定間隔をあけて保持する部材である。これらターンテーブル３、保温筒４およびウエハボート５も底部蓋体２と一体に昇降する。
そして、下降位置にてウエハボート５に半導体ウエハＷが配置され、上昇位置ではウエハボート５が反応容器１内に収容されるとともに、同容器１の底部開口部が底部蓋体２によって閉塞される。反応容器１内には、排気管６とガス供給管７が連通しており、排気管６を通して反応容器１内が真空排気され、続いてガス供給管７から反応ガスが反応容器１内へ供給される。
さらに、反応容器１の外周には加熱炉８が配設してあり、加熱炉８からの放射熱によってウエハボート５に保持された半導体ウエハＷが加熱され熱処理される。

底部蓋体２には、本実施形態に係る磁性流体シールユニット１０が装着されている。
図２乃至図４は本実施形態に係る磁性流体シールユニットの構成を示す正面断面図である。
磁性流体シールユニット１０は、上述した回転軸２０と、ユニット本体３０と、磁性流体シール部４０と、ガス供給路５０と、外殻部材６０と、軸受部７０とで主要部が構成されている。

ユニット本体３０は、非磁性体で構成されており、中心軸部に回転軸２０を挿通する支持孔３１が上下に貫通して形成してある。さらに、ユニット本体３０の上端部にはフランジ３２が形成してあり、このフランジ３２が底部蓋体２への装着部を構成している。フランジ３２は、ボルト等の締結具により底部蓋体２の下面に装着される。

ここで、底部蓋体２には軸孔２ａを中心としてその下面周囲に凹溝２ｂが形成してあり、一方、フランジ３２の上面にはこの凹溝２ｂに嵌合する凸部３２ａが形成してある。凹溝２ｂと凸部３２ａとの間の段差部分にはＯ−リング３３が設けてあり、このＯ−リング３３により嵌合部分が密閉されている。
フランジ３２の凸部３２ａには、その上面中央部に支持孔３１から連続して切欠部３２ｂが形成してあり、切欠部３２ｂの底面には同心円状に上向きの突条が複数形成してある。また、回転軸２０の外周において、切欠部３２ｂに対向する部位には円盤部材３４が装着してあり、この円盤部材３４の下面に下向きの突条が同心円状に複数形成してある。これらの突条がかみ合って、その間にジグザグ状のラビリンス３５が形成されている。
回転軸２０の外周に装着された円盤部材３４の上面と、底部蓋体２に形成した凹溝２ｂの天井面との間には、僅かな隙間が形成されるようになっており、この隙間が軸孔２ａと回転軸２０との間の隙間に連通している。さらに円盤部材３４と底部蓋体２との間の隙間はラビリンス３５の外側開口部に連通しており、ラビリンス３５の内側開口部は、円盤部材３４よりも下側に形成されたフランジ３２本体と回転軸２０との間の隙間に連通している。

ユニット本体３０の下部位置には、支持孔３１に沿って磁性流体シール部４０が設けられている。
磁性流体シール部４０は、ユニット本体３０に装着された円筒状のポールピース４１と、このポールピース４１の内周面と回転軸２０の外周面との間の隙間に充填された磁性流体４２とで構成されている。ポールピース４１には永久磁石４３が組み込まれている。回転軸２０は磁性体金属で構成してある。このため、磁性流体４２を介して、ポールピース４１に組み込まれた永久磁石４３と、回転軸２０との間に磁気回路が形成され、この磁気回路に作用する磁力をもって磁性流体４２が隙間に保持されている。

ガス供給路５０は、磁性流体シール部４０よりも反応容器１側であってかつ磁性流体シール部４０の近傍位置において、回転軸２０とユニット本体３０との間の隙間に連通しており、この部分から当該隙間に窒素ガス等のパージガスを供給する。ガス供給路５０からパージガスが供給される隙間部分には、他の隙間部分よりも大きな容積を有するグルーブ５１が形成してある。グルーブ５１は、ユニット本体３０の内壁または回転軸２０の外周に凹条を設けることで形成することができる。

外殻部材６０は浅い有底円筒状（椀状）に形成してあり、中心部が回転軸２０の下端に固定され、回転軸２０と一体に回転する。外殻部材６０の内底面はユニット本体３０の底面と対向しており、さらに外殻部材６０の内側面はユニット本体３０の外周面と対向している。すなわち、外殻部材６０は、ユニット本体３０の下方から外周へと回り込むように配置されている。そして、外殻部材６０の内側面とユニット本体３０の外周面との間に、ボールベアリング等からなる軸受部７０が設けてある。

外殻部材６０の外周面には従動歯車８０が固定してあり、駆動モータ８１の駆動軸に装着した駆動歯車８２と噛み合い、駆動モータ８１からの回転駆動力を回転軸２０に伝達している。なお、各歯車は減速機構を構成している。

ユニット本体３０は、反応容器１の底部蓋体２への装着部であるフランジ３２と磁性流体シール部４０の組込み部分とに挟まれた中間部が、磁性流体シール部４０の組込み部分よりも横断面積が小さい小径部３６としてある。さらに、この小径部３６の外表面は、放熱フィン３７を形成して表面積を広く確保してある。

また、回転軸２０には、中心軸上に下端から一定長さにわたり中空部２１が形成してあり、この中空部２１に熱伝導軸２２が挿脱自在となっている。本実施形態では、中空部２１の内壁に雌ねじが形成するとともに、熱伝導軸２２の外周面に雄ねじを形成し、これら雌ねじと雄ねじの螺合によって熱伝導軸２２を任意の位置まで移動可能としてある。
熱伝導軸２２は、回転軸２０よりも熱伝導率の高い材料で形成してある。例えば、回転軸２０を磁性ステンレスで構成した場合は、熱伝導軸２２はアルミ合金や銅合金で構成することができる。

次に、上述した構成の磁性流体シールユニット１０の作用を説明する。
まず、本実施形態の磁性流体シールユニット１０は、磁性流体シール部４０を、反応容器１から離れたユニット本体３０の下部位置に設けたので、反応容器１内から回転軸２０を通して伝わってくる熱の影響が少ない。しかも、反応容器１と磁性流体シール部４０の間に、横断面積が小さいユニット本体３０の小径部３６が介在しているので、ここで熱の伝導量が小さくなる。加えて、小径部３６の外表面に放熱フィン３７が形成してあるので、熱が大気へ放散されていっそう磁性流体シール部４０に熱が伝わりにくくなる。このような放熱手段を設けることで、磁性流体シール部４０に充填した磁性流体４２の熱による劣化を抑制することができる。

また、回転軸２０の中心軸部には中空部２１が形成してあり、この中空部２１に熱伝導軸２２を挿脱自在としたことにより、磁性流体シール部４０の温度を熱伝導軸２２の位置によって調整することが可能となる。回転軸２０の外周はユニット本体３０を介して大気に近いため熱が冷却されやすく、一方、回転軸２０の中心軸部分は高温になっている。このため、回転軸２０を伝わる熱の伝導量は中心軸部がもっとも大きい。この中心軸部に中空部２１を形成することで、いっそう熱の伝導を遅らせることが可能となる。
一方、熱処理温度が比較的低い場合は、逆に磁性流体シール部４０の磁性流体４２を適温まで上げるため、反応容器１内の熱を積極的に磁性流体シール部４０へ伝える必要が生じることもある。この場合は、例えば図２に示すように、熱伝導軸２２を中空部２１内に挿入すれば、熱伝導軸２２を介して磁性流体シール部４０に熱を速やかに伝えることが可能となる。
熱の伝達量は、熱伝導軸２２の直径、中空部２１内への挿入長さと位置によって多少調節することが可能である。磁性流体シール部の温度を下げたい場合は、例えば図３に示すように、磁性流体シール部の上端付近より少し上方に熱伝導軸２２の先端を配置し、基端は回転軸下端面より外部へ突き出るようにし、この突き出た部分に放熱フィン２２ａを形成することで効率良く熱を大気に放熱させ磁性流体シール部４０の温度を下げることができる。
また、図４に示すように、熱伝導軸２２の先端部分のみに雄ねじ部２２ｂを形成して、この先端部分で回転軸２０の中空部内壁に内接させるとともに、基端は回転軸下端面より外部へ突き出るようにし、この突き出た部分に放熱フィン２２ａを形成する構成によっても、効率良く熱を大気に放熱させ磁性流体シール部４０の温度を下げることができる。なお、熱伝導軸２２の中間部は径を細くして、回転軸２０の中空部内壁に内接させていない。

ガス供給路５０から供給されたパージガスは、ユニット本体３０と回転軸２０の間の隙間からラビリンス３５を経由して底部蓋体２の軸孔２ａに至り、軸孔２ａから反応容器１内に送り込まれる。このため、反応容器１内に充満する反応ガスが、軸孔２ａから漏れ出
すおそれがない。
ガス供給路５０からのパージガスの供給部には、グルーブ５１が形成してあるので、ここでパージガスが滞留することなく均一に回転軸の周囲の隙間内を流動していく。パージガスの供給部は、磁性流体シール部４０に近接して設けてあるので、パージガスの供給部と磁性流体部４０との間でコンタミネーション、不純ガス(水蒸気、反応副生成ガス、その他)、パーティクルなどが滞留するおそれがなく熱処理されるウエハの汚染や長期的にみた磁性流体の劣化のおそれがなくなる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施または応用実施が可能であることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る磁性流体シールユニットが組み込まれる縦型熱処理装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁性流体シールユニットの構成例を示す正面断面図である。 本発明の実施形態に係る磁性流体シールユニットの他の構成例を示す正面断面図である。 本発明の実施形態に係る磁性流体シールユニットの更に他の構成例を示す正面断面図である。 従来の磁性流体シールユニットの構成例を示す正面断面図である。

符号の説明

１：反応容器、２：底部蓋体、２ａ：軸孔、２ｂ：凹溝、３：ターンテーブル、４：保温筒、５：ウエハボート（保持具）、６：排気管、７：ガス供給管、８：加熱炉、１０：磁性流体シールユニット、２０回転軸、２１：中空部、２２：熱伝導軸、２２ａ：放熱フィン、２２ｂ：雄ねじ部、３０：ユニット本体、３１：支持孔、３２：フランジ、３２ａ：凸部、３２ｂ：切欠部、３３：Ｏ−リング、３４：円盤部材、３５：ラビリンス、３６：小径部、３７：放熱フィン、４０：磁性流体シール部、４１：ポールピース、４２：磁性流体、４３：永久磁石、５０：ガス供給路、５１：グルーブ、６０：外殻部材、７０：軸受部、８０：従動歯車、８１：駆動モータ、８２：駆動歯車、
Ｗ：半導体ウエハ

Claims (8)

1. 複数の被処理基板を保持具によって縦方向に一定間隔をあけて保持するとともに、微予圧ないし真空の高温の反応容器内で当該保持具を回転させながら、前記反応容器内の被処理基板に対し熱処理を行う構成の縦型熱処理装置に組み込まれる磁性流体シールユニットであって、
   前記反応容器の底部に形成された軸孔を通して反応容器内に進入し、前記保持具に回転駆動力を伝達する回転軸と、
   前記反応容器の底部外側に装着されるとともに、前記軸孔と連通する支持孔を有し、この支持孔内に前記回転軸が挿通される筒状のユニット本体と、
   前記回転軸の下端に固定され、前記ユニット本体の下方から外周へと回り込む外殻部材と、
   前記回転軸とユニット本体との間の隙間を、磁性流体を用いてシールする磁性流体シール部と、
   前記ユニット本体と外殻部材との間で前記ユニット本体の下端部に設けられた軸受部と、
   前記磁性流体シール部よりも反応容器側であってかつ前記磁性流体シール部の近傍位置において、前記回転軸とユニット本体との間の隙間にパージガスを供給するガス供給路と、を備えたことを特徴とする磁性流体シールユニット。
2. 前記磁性流体シール部は、前記ユニット本体の下部位置に組み込まれていることを特徴とする請求項１の磁性流体シールユニット。
3. 前記ユニット本体は、前記反応容器の底部への装着部と前記磁性流体シール部の組込み部分との間に、放熱手段が形成されていることを特徴とする請求項１または２の磁性流体シールユニット。
4. 前記放熱手段は、前記ユニット本体の横断面積が前記磁性流体シール部の組込み部分よりも小さくした構成であることを特徴とする請求項３の磁性流体シールユニット。
5. 前記放熱手段は、前記ユニット本体の外表面に形成した放熱フィンであることを特徴とする請求項３または４の磁性流体シールユニット。
6. 前記回転軸は、中心軸上に下端から一定長さにわたり形成された中空部を有し、かつこの中空部に当該回転軸よりも熱伝導率の高い材料で形成された熱伝導軸が内接して組み込まれており、
   前記熱伝導軸は、軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁性流体シールユニット。
7. 前記ガス供給路からパージガスが供給される前記隙間部分に、他の隙間部分よりも大きな容積を有するグルーブを形成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載した磁性流体シールユニット。
8. 前記反応容器の底部に形成された軸孔の近傍位置で、前記回転軸とユニット本体との間に前記回転軸と中心を同一とする同心円状の一対または複数対のラビリンスを形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載した磁性流体シールユニット。
   

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