JP2006237287A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応炉の蓋体の部分における熱変形を考慮した位置決め用のピン穴の形状を備えた半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 反応炉１０の第２の蓋体６が熱変形しても、第２の蓋体６に固着されたピン７ａ，７ｂと第１の蓋体５に形成された位置決め用のピン穴１１ａ，１１ｂの壁面とが接触することなく、かつ第１の蓋体５の回転方向と中心の位置決めが可能な位置決め形状となるように、第１の蓋体５及び第２の蓋体６が構成されている。つまり、第１の蓋体５の位置決め用のピン穴１１ａ，１１ｂの形状を扇型にすることにより、熱変形によって第２の蓋体６に固着されたピン７ａ，７ｂが外側に変形してもピン穴１１ａ，１１ｂの壁面とピン７ａ，７ｂが接触しないように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、縦型の反応室内で半導体基板の処理を行う基板処理装置に関し、特に、反応室を開閉するための蓋体の位置決め機構を備えた縦型の基板処理装置に関するものである。

縦型の反応室を有する基板処理装置としては、例えば、縦型炉を具備した熱処理装置などが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱処理装置は、反応管、均熱管、及びヒータが同心状に設けられ、反応管内部で基板に熱処理が施されるように構成された装置であって、反応管と均熱管との間に第１空間が形成され、かつ均熱管とヒータとの間に第２空間が形成されていて、第１空間に冷却ガスを供給して均熱管の上端より排出すると共に、ヒータの外周囲から第２空間に冷却ガスを供給してヒータの上端より排出するように構成されている。これによって、熱容量の小さい反応管が冷却ガスによって直接冷却されるので、基板に対する冷却効果が大きく、かつ反応管と共に均熱管を同時に直接冷却するので、大きな降温速度が得られる。さらに、均熱管を外部から補充的に冷却するので、冷却の形態を任意に選択することができる。例えば、反応管の上部を部分的に冷却して降温時における熱分布を均一にすることなどができる。

図３は、一般的な縦型の反応炉の概略的な構成図である。図３に示すように、反応炉１０は、垂直に設けられたヒータ1の内部に石英からなる反応管２が設けられている。また、反応管２の内部には基板（ウェハ）を保持するボート３と、ボート３を支持するボート支持体４とが設けられている。さらに、ボート支持体４の下部には第１の蓋体５と第２の蓋体６とが設けられている。第１の蓋体５には石英などの材料が使用され、第２の蓋体６にはＳＵＳ（ステンレス）などの材料が使用されている。また、第１の蓋体５と第２の蓋体６は、例えば、２本の位置決め用のピン７ａ，７ｂによって第１の蓋体５及び第２の蓋体６の中心と回転方向の位置決めが行われている。
特開２００２−１６４２９８号公報

しかしながら、図３に示すような一般的な縦型の反応炉においては、反応管２の内部の基板は１２００℃程度の高温プロセスで処理が行われているため、１２００℃程度のプロセスでは、蓋体の位置の温度は３００℃〜１０００℃程度となり、このような温度領域では殆んど熱変形しない石英製の第１の蓋体５に比べて、ＳＵＳ製の第２の蓋体６はかなり大きく熱変形する。したがって、この程度の高温になると、第１の蓋体５の位置決めを行うための位置決め用のピン穴(図示せず)と第２の蓋体６に固定された位置決め用のピン７ａ（または、ピン７ｂ）とが接触して、第１の蓋体５を破損させてしまうなどの不具合が生じる場合がある。

また、前述の特許文献１に開示されているような熱処理装置においても、大きな降温速度で各部分に温度勾配が生じる過程において、蓋体の位置決めを行うピンとピン溝の壁面との間に熱膨張係数の違いによって生じる応力が作用して、ピンや蓋体を破損させてしまうおそれがある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、反応炉の蓋体の部分における熱変形を考慮した位置決め用のピン穴の形状を備えた基板処理装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明における基板処理装置は、基板保持具に保持された基板を処理する処理室（反応管）と、その処理室の内部を加熱する加熱手段（ヒータ）と、基板保持具の底部に設けられ、その底面に複数の位置決め溝（ピン穴）が形成された第１の蓋体と、第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質で形成され、第１の蓋体の底面と対向配置される第２の蓋体と、第２の蓋体に対して第１の蓋体を位置決めするために、第１の蓋体における複数の位置決め溝のそれぞれと相対する位置に設けられた複数の位置決め手段（ピン）とを備え、複数の位置決め溝は、第２の蓋体の熱変形によって複数の位置決め手段のそれぞれが対応する位置決め溝の壁面に所定値以上の応力を加えないように、前記第１の蓋体における底部の中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように形成される構成を採っている。

例えば、複数の位置決め溝の形状は、第２の蓋体の熱変形によって複数の位置決め手段のそれぞれが対応する位置決め溝の壁面に接触しないように、第１の蓋体における底部の中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように扇型に形成してもよい。

また、基板保持具の底部は、ボートの底部のみならず、石英キャップや断熱板ホルダの底部も含まれるので、石英キャップや断熱板ホルダの底部に設けられた第１の蓋体の底部に複数の位置決め溝を形成する場合も、それらの位置決め溝を中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように形成すればよい。なお、位置決め溝は、第１の蓋体の底部に形成された溝に限定されることはなく、第１の蓋体に開けた貫通穴であってもよい。また、第１の蓋体とは、例えば完全に第２の蓋体を蓋するように形成されていなくてもよく、第２の蓋体を蓋する一部となるように形成されていればよい。また、第２の蓋体とは、例えば完全に処理室を蓋するように形成されていなくともよく、（後述するキャップ受けのように）処理室を蓋する一部となるように形成されていればよい。

本発明の基板処理装置によれば、ＳＵＳ製の第２の蓋体６が熱で変形しても、第２の蓋体６に固着されたピン７ａ，７ｂと第１の蓋体５に形成されたピン穴１１ａ，１１ｂの壁面との間に所定値以上の応力が発生しないため、第１の蓋体５が破損するおそれはなくなる。また、第２の蓋体６に固着されたピン７ａ，７ｂと第１の蓋体５に形成されたピン穴１１ａ，１１ｂとによって、第１の蓋体５の回転方向と中心の位置決めは従来通り可能である。なお、仮に、第２の蓋体６に固着されたピン７ａ，７ｂと第１の蓋体５に形成されたピン穴１１ａ，１１ｂとが接触しても、熱変形の際に生じる応力は石英などで構成される第１の蓋体５に伝わり、ピン７ａ，７ｂや第１の蓋体５に破損や欠損が生じないようになっている。

さらに、第２の蓋体６の中心に位置決めピンをもう１本追加し、第１の蓋体５の対応する位置に位置決めピン用のピン穴を追加すれば位置決め効果はさらに向上する。すなわち、第２の蓋体６の中心部は比較的熱変形が起こりにくく、熱変形が起こってもねじれ変形が起こりにくいので、第２の蓋体６の中心に位置決めピンを設ければ、熱変形によってそのピンに応力が加わることは殆んどないので、効果的に第１の蓋体５の位置決めを行うことができる。

《発明の概要》
本発明の基板処理装置は、反応炉の第２の蓋体が熱変形しても、第２の蓋体に固着されたピンと第１の蓋体に形成された位置決め用のピン穴の壁面とが接触することなく、かつ第１の蓋体の回転方向と中心の位置決めが可能な位置決め形状となるように、第１の蓋体及び第２の蓋体が構成されている。さらに具体的に説明すると、第１の蓋体の位置決め用のピン穴の形状を扇型にすることによって、熱変形によって第２の蓋体に固着されたピンが外側に変形してもピン穴の壁面とピンが接触しないように構成されている。すなわち、ピン穴を扇型にすることによって、例えば、第２の蓋体が膨張するように変形を起こした場合でも、ピンがピン穴の壁面に接触することを防ぐことができる。

《実施の形態》
以下、図面を参照して本発明における基板処理装置の実施の形態について詳細に説明するが、まず、本発明に適用される基板処理装置の全体構成について、縦型酸化拡散処理炉を例に挙げて説明する。

図１は、本発明に適用される縦型酸化拡散処理炉の構成図である。この縦型酸化拡散処理炉は均熱管のある拡散処理炉であり、３００〜１２００℃未満での熱処理として使用される拡散処理炉である。図１において、均熱管２０６は、例えばＳＩＣ等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞され、かつ下端に開口を有する円筒状の形態である。例えば石英（ＳｉＯ₂）等の耐熱性材料からなる反応容器（以下、反応管２０３）は、下端に開口を有する円筒状の形態を有し、均熱管２０６内に同心円状に配置されている。反応管２０３の下部には例えば石英からなるガス供給管２３２と排気管２３１が連結されていて、ガス供給管２３２と連結する導入口２３４は反応管２０３下部から反応管２０３の側部に添って例えば細管状に立ち上がり、天井部で反応管２０３内部に至る。

排気管２３１は反応管２０３の排気口２３５に接続される。ガスはガス供給管２３２から反応管２０３の天井部を介して内部に流れ、反応管２０３の下部に接続された排気管２３１から排気されるようになっている。また、反応管２０３の導入口２３４には、ガス供給管２３２によって処理用のガスが反応管２０３内に供給されるようになっている。このガス供給管２３２は、ガス流量制御部３０２が制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１、または水分発生器（図示せず）に連結されている。ＭＦＣ２４１はガス流量制御部３０２に接続されていて供給するガスまたは水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の流量を所定の量に制御する。

反応管２０３の排気口２３５には、圧力調節器（例えばＡＰＣ２４２）に連結されたガスの排気管２３１が接続されており、反応管２０３内を流れるガスを排出し、反応管２０３内をＡＰＣ２４２により圧力を制御することにより、所定の圧力にするように圧力検出手段（以下圧力センサ２４５）によって検出し、圧力制御部３０３によって所定の制御を行う。

反応管２０３の下端開口部には、例えば石英からなる円盤状の保持体（以下ベース２５７）が、Ｏリング２２０を介して気密シール可能に着脱自在にあり、ベース２５７は円盤状の蓋体（以下シールキャップ２１９）の上に取付けられている。また、シールキャップ２１９には、回転手段（以下回転軸２５４）が連結されており、回転軸２５４が第２の蓋体としてのキャップ受け２９０を介して、保持体（以下石英キャップ２１８）及び基板保持手段（以下ボート２１７）、ボート２１７上に保持されている基板（以下ウェハ２００）を回転させる。また、シールキャップ２１９は昇降手段（以下ボートエレベータ１１５）に連結されていて、ボート２１７を昇降させる。回転軸２５４、及びボートエレベータ１１５を所定のスピードにするように、駆動制御部３０４により制御を行う。

均熱管２０６の外周には加熱手段（以下ヒータ２０７）が同心円状に配置されている。ヒータ２０７は、反応管２０３内の温度を所定の処理温度にするよう温度検出手段（輻射温度計２６３）により温度を検出し、温度制御部３０１によって制御を行う。また、温度検出手段２６３としては、輻射温度計と保護カバーが用いられている。これにより、均熱管からの赤外線のみを検出することが可能になる。なお、ロッドの材質は、高耐熱で透明な材質であればよい。好ましくは鉱石サファイアを用いるとよいが、１０５０℃以下で使用する場合は石英ガラスでもよい。また、保護カバーの材質は、高耐熱で不透明な材質であればよい。好ましくはアルミナ材を用いるとよいが、１０５０℃以下で使用する場合は不透明石英ガラスを用いてもよい。

次に、図１に示す縦型酸化拡散処理炉による酸化、拡散処理の方法の一例を説明する。まず、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を下降させる。そして、ボート２１７に複数枚のウェハ２００を保持する。続いて、ヒータ２０７によって加熱しながら反応管２０３内の温度を所定の処理温度にする。ガスの供給管２３２に接続されたＭＦＣ２４１により予め反応管２０３内を不活性ガスで充填しておき、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を上昇させて反応管２０３内に移し、反応管２０３の内部温度を所定の処理温度に維持する。例えば予め反応管２０３の内部温度と輻射温度計２６３の検出する相関関係を求めておき、偏差を補正するようにして制御してもよい。

反応管２０３内を所定の圧力に保った後、回転軸２５４がキャップ受け２９０を介してボート２１７及びボート２１７上に保持されているウェハ２００を回転させる。同時に、ガスの供給管２３２から処理用のガスを供給するか、または水分発生器から水蒸気を供給する。供給されたガスは反応管２０３を下降してウェハ２００に対して均等に供給される。酸化・拡散処理中の反応管２０３内は排気管２３１を介して排気され、所定の圧力になるようにＡＰＣ２４２により圧力が制御され、所定時間に亘って酸化・拡散処理を行う。

このようにして酸化・拡散処理が終了すると、次のウェハ２００の酸化・拡散処理に移るために、反応管２０３内のガスを不活性ガスに置換すると共に圧力を常圧にする。その後、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させて、ボート２１７及び処理済のウェハ２００を反応管２０３から取り出す。反応管２０３から取り出されたボート２１７上の処理済のウェハ２００は、未処理のウェハ２００と交換され、再び前述と同様にして反応管２０３内に上昇され、酸化・拡散処理が行われる。

次に、本発明の特徴である基板処理装置における反応炉の蓋体が熱で変形しても、蓋体の位置決め用のピンとピン穴との間に所定値以上の応力が発生しないような機構について説明する。図２は、本発明に適用される基板処理装置及び蓋体の部分を示す構成図であり、（ａ）は反応炉の側面の断面図、（ｂ）は蓋体の断面図、（ｃ）は第１の蓋体の平面図である。

図２（ａ）に示す反応炉は、図３で示した従来の反応炉の構成と同じであるのでその説明は省略する。したがって、図２（ｂ）、（ｃ）に示す蓋体における位置決め用のピン（位置決め手段）７ａ，７ｂ及びピン穴（位置決め溝）１１ａ，１１ｂの形状について詳細に説明する。

図２（ｃ）に示すように、第１の蓋体５に設けるピン穴１１ａ，１１ｂの形状を中心部から周縁方向に広がる扇形にして、ピン７ａ，７ｂの外側にピン逃げ１２ａ，１２ｂを形成する。つまり、第１の蓋体５における位置決め用のピン穴１１ａ，１１ｂの形状は、第２の蓋体の熱変形によってピン７ａ，７ｂのそれぞれが対応するピン穴１１ａ，１１ｂの壁面に所定値以上の応力を加えないように（或いは接触しないように）、第１の蓋体５における底部の中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように略扇形に形成する。

なお、ピン７ａ，７ｂの外周とピン穴１１ａ，１１ｂのクリアランス１３ａ，１３ｂは従来と変えない。これによって、２つのピン７ａ，７ｂとピン穴１１ａ，１１ｂの内側によって第１の蓋体５の中心及び回転方向の位置決めが可能であり、また、第２の蓋体６が熱変形してピン７ａ，７ｂが外側に変形しても、ピン７ａ，７ｂと第１の蓋体５に設けたピン穴１１ａ，１１ｂとは接触することはない。第２の蓋体６は熱変形であるために、第２の蓋体６が膨張して変形する分だけピン穴１１ａ，１１ｂの外側にピン逃げ１２ａ，１２ｂを設ければよい。

さらに、第２の蓋体６は熱変形が弾性変形の範囲であるので、熱処理後に第２の蓋体６の温度が下がれば変形前の状態に戻るため、変形前の状態に戻った後はピン穴１１ａ，１１ｂの内側にて位置決めをすることができる。なお、このような蓋体の位置決め機構は、縦型の基板処理装置以外に枚葉装置その他の基板処理装置にも適用することができる。また、図２に示すボート３は第１の蓋体５に貫通していてもよい。

また、基板保持具であるボート支持体４の底部は、ボート３の底部のみならず、図示しない石英キャップや断熱板ホルダの底部も含まれるので、それらの石英キャップや断熱板ホルダの底部に設けられた第１の蓋体の底部に複数の位置決め溝としてピン穴を形成する場合も、それらの位置決め溝（ピン穴）を中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように形成すればよい。なお、位置決め溝（ピン穴）は、第１の蓋体５の底部に形成された溝に限定されることはなく、第１の蓋体５に空けた貫通穴であってもよい。

また、図２に示すようなボート３や第１の蓋体５及び第２の蓋体６（シールキャップ）に加えて、図１に示すように円盤状の蓋体（シールキャップ）２１９とは別のキャップ受け２９０に載せるタイプの反応炉（拡散処理炉）を備えた基板処理装置であっても、キャップ受け２９０にピン、石英キャップ２１８の底部で第１の蓋体を形成し、ピン穴を設けることにより、本発明を適用することができる。

さらに、図２に示すようなボート３や第１の蓋体５及び第２の蓋体６（シールキャップ）に加えて、例えば、同一出願人による特開２００３−１００７３０号公報の基板処理装置のように、キャップを設けずにロングボート形状として、直接、蓋体や受け台に載せるタイプの基板処理装置でも本発明を適用することができる。

なお、上記の実施の形態ではピン及びピン穴は２本としたが、３本以上設けてもよい。ピン及びピン穴を３本以上設ける場合も、前述の実施の形態と同様に熱膨張する方向を扇の広い側にするようにピン穴を設ければよい。

例えば、前述の実施の形態に加えて、第２の蓋体６の中心に位置決めピンをもう１本追加し、第１の蓋体５の対応する位置に位置決めピン用のピン穴を追加すれば、なお効果的である。すなわち、第２の蓋体６の中心部は比較的熱変形が起こりにくく、かつ、熱変形が起こってもねじれ変形が起こりにくいので、第２の蓋体６の中心部に位置決めピンを設ければ、熱変形によってそのピンに応力が加わることは殆んどない。

本発明に適用される縦型酸化拡散処理炉の構成図である。 本発明に適用される基板処理装置及び蓋体の部分を示す構成図であり、（ａ）は反応炉の側面の断面図、（ｂ）は蓋体の断面図、（ｃ）は第１の蓋体の平面図である。 一般的な縦型の反応炉の概略的な構成図である。

符号の説明

１ ヒータ（加熱手段）
２ 反応管（処理室）
３ ボート
４ ボート支持体
５ 第１の蓋体
６ 第２の蓋体
７ａ，７ｂ ピン（位置決め手段）
１０ 反応炉
１１ａ，１１ｂ ピン穴（位置決め溝）
１２ａ，１２ｂ ピン逃げ
１３ａ，１３ｂ クリアランス

Claims (1)

1. 基板保持具に保持された基板を処理する処理室と、
   前記処理室の内部を加熱する加熱手段と、
   前記基板保持具の底部に設けられ、その底面に複数の位置決め溝が形成された第１の蓋体と、
   前記第１の蓋体よりも熱膨張率の大きい材質で形成され、前記第１の蓋体の底面と対向配置された第２の蓋体と、
   前記第２の蓋体に対して前記第１の蓋体を位置決めするために、前記第１の蓋体における前記複数の位置決め溝のそれぞれと相対する位置に設けられた複数の位置決め手段とを備え、
   前記複数の位置決め溝は、前記第２の蓋体の熱変形によって前記複数の位置決め手段のそれぞれが対応する位置決め溝の壁面に所定値以上の応力を加えないように、前記第１の蓋体における底部の中心部から周縁方向に向けて漸次広がるように形成されている
   ことを特徴とする基板処理装置。

Images