JP2008130673A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体製造装置に於いて基板処理枚数の変更があった場合、変更に対応してガスの使用量、ガスの置換時間が変更され、無駄のないガス使用量、稼働時間が実現でき、稼働率の向上、処理コストの低減を図る。
【解決手段】
縦型処理炉を有するバッチ式の半導体製造装置に於いて、前記処理炉は反応管と、該反応管の周囲に設けられた発熱部と、前記処理炉下端の炉口部を気密に閉塞するシールキャップと、該シールキャップに昇降可能に設けられ、前記反応管との間でシール可能な昇降フランジと、所定枚数の基板２５を保持し、前記昇降フランジに支持されるボート２６とを具備し、前記反応管と前記昇降フランジとにより前記ボートを収納する反応室が画成され、前記昇降フランジは処理枚数に応じて反応室容量が変更される様、位置決めされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜の生成、不純物の拡散、アニール処理、エッチング処理等を行い半導体装置を製造する半導体製造装置に関するものである。

半導体装置を製造する工程として、シリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に薄膜の生成、不純物の拡散、アニール処理、エッチング処理等を行う基板処理工程があり、斯かる基板処理工程を実行して半導体装置を製造するものとして半導体製造装置がある。

又、半導体製造装置として基板を１枚ずつ処理する枚葉式の半導体製造装置、所要枚数の基板を一度に処理するバッチ式の半導体製造装置がある。

バッチ式の半導体製造装置、例えば縦型処理炉を具備する縦型半導体製造装置では、有天筒状の反応管に基板（以下ウェーハ）を水平姿勢で多段に収納し、ウェーハを加熱しつつ所定の処理ガスを導入し、所要の基板処理を実行している。

バッチ式半導体製造装置で基板を処理する場合、１バッチで処理する基板枚数は一定しているとは限らない。処理の均質性を担保する為には、標準処理枚数で基板を処理する必要があり、バッチ処理する枚数が標準処理枚数に満たない場合は、標準処理枚数となる様にして基板処理を行っていた。

標準処理枚数にする方法としては、ダミーウェーハを充填する。或は、処理基板の枚数が標準処理枚数に達する迄処理を待つ。或は、半導体製造装置のプロセス条件を標準処理枚数から処理枚数に合せて変更する。

又は標準処理枚数の異なる複数の半導体製造装置を準備し、処理枚数（バッチサイズ）に応じて半導体製造装置を使い分ける等である。

上記ダミーウェーハを充填して基板処理を行う場合は、反応管が画成する反応室（ウェーハを収納して基板処理が行われる空間）の容量に変更がないので、処理ガス、パージガス等のガスの使用量、ガスの置換時間は処理枚数に関係なく、略同じ量、同じ時間を必要とし、無駄が多く、効率的でなく、処理コストが増大する。試作ロット等でサイクル時間を短縮したい場合も、ガスの使用量、ガスの置換時間に変化がないので対応できない。バッチサイズを小さくした時のローディングエフェクト、パーティクル対策も、反応室の容量、ボート移動距離等に変化がないので期待することができない。

又、処理枚数に対応してプロセス条件を変更する場合、反応管、ヒータ、ウェーハ移載機の再ティーチング等、変更の為に多くの時間が必要となる。

バッチサイズに合せて装置を準備する場合、複数台の半導体製造装置を必要とし、設備費が高くなると共に１台当りの稼働率が低下し、処理コストが増大する。

本発明は斯かる実情に鑑み、同一の半導体製造装置に於いて基板処理枚数の変更があった場合、変更に対応してガスの使用量、ガスの置換時間が変更され、無駄のないガス使用量、稼働時間が実現でき、稼働率の向上、処理コストの低減を図るものである。

本発明は、縦型処理炉を有するバッチ式の半導体製造装置に於いて、前記処理炉は反応管と、該反応管の周囲に設けられた発熱部と、前記処理炉下端の炉口部を気密に閉塞するシールキャップと、該シールキャップに昇降可能に設けられ、前記反応管との間でシール可能な昇降フランジと、所定枚数の基板を保持し、前記昇降フランジに支持されるボートとを具備し、前記反応管と前記昇降フランジとにより前記ボートを収納する反応室が画成され、前記昇降フランジは処理枚数に応じて反応室容量が変更される様、位置決めされる半導体製造装置に係るものである。

本発明によれば、縦型処理炉を有するバッチ式の半導体製造装置に於いて、前記処理炉は反応管と、該反応管の周囲に設けられた発熱部と、前記処理炉下端の炉口部を気密に閉塞するシールキャップと、該シールキャップに昇降可能に設けられ、前記反応管との間でシール可能な昇降フランジと、所定枚数の基板を保持し、前記昇降フランジに支持されるボートとを具備し、前記反応管と前記昇降フランジとにより前記ボートを収納する反応室が画成され、前記昇降フランジは処理枚数に応じて反応室容量が変更される様、位置決めされるので、処理枚数に応じて反応室の容量の変更がされるので、ガス使用量が最適化でき、ガス置換時間を最適化でき、処理枚数に応じた処理時間の短縮が可能となり、又処理枚数に適したシーケンスを選択でき、機構部の駆動時間の短縮が図れ、処理コストが低減する。又、１台の半導体製造装置で処理枚数が可変であるので、バッチ処理枚数に対応した半導体製造装置を設備することなく、稼働率の向上が図れると共に設備費の低減が可能となる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、本発明が実施される半導体製造装置について説明する。

半導体製造装置１で処理される基板（ウェーハ２５）は密閉構造の基板搬送容器（以下ポッド２）に所定枚数収納され、前記半導体製造装置１に搬入、搬出される。

該半導体製造装置１は筐体３を有し、該筐体３の前面にはポッド授受ステージ４が設けられ、該ポッド授受ステージ４には搬入された所要数（図示では２個）の前記ポッド２が載置され、それぞれ位置合せされる様になっている。

前記筐体３の前壁には前記ポッド授受ステージ４に臨接してポッド搬入出口５が設けられ、該ポッド搬入出口５はフロントシャッタ６により開閉される様になっている。又、前記ポッド授受ステージ４の下部には保守扉７が開閉可能に設けられている。

前記半導体製造装置１の内部には後方下部にサブ筐体８が設けられ、前記半導体製造装置１の内部は、ポッド搬送域９と基板搬送域１０で画成されている。

前記ポッド搬送域９にはポッド搬送装置１２、ポッド収納部１３、上下２組のポッド載置台１４が設けられ、前記ポッド搬送装置１２は、前記ポッド２を保持し、昇降、横行、回転可能であり、前記ポッド搬入出口５を介して前記ポッド授受ステージ４と前記ポッド収納部１３、前記ポッド載置台１４との間で前記ポッド２を授受可能となっている。

前記ポッド収納部１３は複数段の棚板１５を有し、該棚板１５は間欠的に回転可能となっており、前記ポッド２を複数載置可能となっている。

前記サブ筐体８の前壁には前記ポッド載置台１４に臨接する基板搬入出口１６が設けられ、該基板搬入出口１６にはポッドオープナ１７が設けられ、該ポッドオープナ１７によって前記ポッド２の蓋（図示せず）が開閉され、前記基板搬入出口１６を介して基板が搬入出される。

前記サブ筐体８の内部後方には気密な圧力容器であるロードロック室１８が設けられ、該ロードロック室１８の上端には処理炉１９が連設され、該処理炉１９の下端部に形成される炉口部は炉口シャッタ２１により開閉可能となっている。又、前記処理炉１９は炉カバー２２によって覆われている。

前記ロードロック室１８の内部にはボートエレベータ２３が設けられ、該ボートエレベータ２３は前記炉口部を気密に閉塞するシールキャップ２４を有し、該シールキャップ２４にはウェーハ２５を水平姿勢で多段に保持する基板保持具（ボート２６）が載置され、該ボート２６は前記ボートエレベータ２３によって昇降され、前記処理炉１９に装脱される様になっている。

前記基板搬送域１０の内部、前記ポッド載置台１４と前記サブ筐体８との間に位置して基板移載機２７が設けられており、該基板移載機２７はウェーハ２５を所定枚数、例えば５枚保持して前記ロードロック室１８の前面開口部２８を介して前記ボート２６に装填、払出し可能であり、前記基板移載機２７は前記ポッド載置台１４の前記ポッド２と前記ボート２６間でウェーハ２５の移載が可能となっている。

前記前面開口部２８はゲートバルブ２９によって開閉され、閉状態では前記前面開口部２８は気密に閉塞される様になっている。

前記基板搬送域１０の前記基板移載機２７の基板移載範囲内に基板整合装置３１が設けられ、該基板整合装置３１に搬送されたウェーハ２５は例えばノッチを介して姿勢が整えられる。

前記基板搬送域１０に臨接する側壁、例えば図２中で右側壁に防塵フィルタ、送風ファンによって構成されるクリーンユニット３２が設けられ、該クリーンユニット３２は清浄化した雰囲気、不活性ガスであるクリーンエアによって前記基板搬送域１０内に定常流れを形成し、定常流れは前記基板整合装置３１、前記基板移載機２７を流通する様になっている。

次に、前記半導体製造装置１による基板処理の概要を説明する。

前記ポッド２が前記ポッド授受ステージ４に搬入されると、前記ポッド搬入出口５が前記フロントシャッタ６によって開放され、前記ポッド搬入出口５を介して前記ポッド授受ステージ４の上のポッド２は前記ポッド搬送装置１２によって前記ポッド収納部１３へ搬入され、一時的に保管された後、該ポッド収納部１３から前記ポッド載置台１４に搬送されるか、或は直接前記ポッド載置台１４に搬送される。

前記基板搬送域１０にはクリーンエアによる定常流れが形成されており、クリーンエアとして窒素ガスが使用されることで、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下と前記ポッド搬送域９の雰囲気より酸素濃度が遥かに低く設定されている。又、前記ロードロック室１８内は大気圧状態とされる。

前記ポッドオープナ１７により、前記基板搬入出口１６、前記ポッド２が開放され、前記基板移載機２７によりウェーハ２５が前記基板整合装置３１に移載され、ウェーハ２５の姿勢が整合される。前記ゲートバルブ２９により前記前面開口部２８が開放され、整合されたウェーハ２５が前記基板移載機２７により前記ボート２６に移載される。

一方（上段又は下段）のポッド載置台１４のポッド２から前記ボート２６へのウェーハ２５の移載と並行して、他方（下段又は上段）のポッド載置台１４には前記ポッド収納部１３又は前記ポッド授受ステージ４から別のポッド２が前記ポッド搬送装置１２によって前記ポッド載置台１４に搬送され、前記ポッド２の開放作業が同時進行される。

予め指定された枚数のウェーハ２５が前記ボート２６に装填されると、前記前面開口部２８が前記ゲートバルブ２９によって閉じられ、前記ロードロック室１８は排気管３３から真空引きされることにより、減圧される。

前記ロードロック室１８が前記処理炉１９内の圧力と同圧に減圧されると、前記炉口部が前記炉口シャッタ２１によって開放される。続いて前記ボートエレベータ２３により前記ボート２６が前記処理炉１９内へ搬入（ローディング）される。

ローディング後は、前記処理炉１９にてウェーハ２５に所定の基板処理が実施される。

処理後は、前記ボートエレベータ２３により前記ボート２６が引出され、前記炉口部が前記炉口シャッタ２１により閉塞され、更に、前記ロードロック室１８内部を大気圧に復圧させた後に前記ゲートバルブ２９が開かれる。その後は、前記基板整合装置３１でのウェーハ２５の整合工程を除き、上述の逆の手順で、ウェーハ２５及び前記ポッド２が前記筐体３の外部へ払出される。

次に、本発明に使用される処理炉１９について図３〜図６により説明する。

図３は前記処理炉１９の概略断面を示しており、図中、３４は反応室、３５は反応管を示し、該反応管３５は外管３６、内管３７によって構成され、前記外管３６は炉口フランジ３８の上端に立設され、前記内管３７は前記外管３６の内部に該外管３６と同心に配設される。前記炉口フランジ３８の内面に内フランジ３９が立設され、前記外管３６と前記内管３７との間には円筒空間４０が形成され、前記内管３７と後述する昇降フランジ６２によって画成される空間には前記ボート２６が収納される。又前記反応室３４は、前記反応管３５と後述する昇降フランジ６２とによって画成される。

前記炉口フランジ３８は、所要の構成部材、例えば前記ロードロック室１８（図１参照）に支持され、或はヒータベース４１に支持される。

前記反応管３５を収納する様に、加熱装置４２が設けられる。該加熱装置４２は前記反応管３５を同心に囲繞する発熱部４３及び断熱部５１を具備し、前記発熱部４３は前記反応管３５の軸心方向に沿って所要数のゾーン（図示ではＮｏ．１〜Ｎｏ．６）に分割され、各ゾーン毎に第１ヒータユニット４４、第２ヒータユニット４５、第３ヒータユニット４６、第４ヒータユニット４７、第５ヒータユニット４８、第６ヒータユニット４９が設けられ、各ヒータユニット４４，４５，４６，４７，４８，４９は独立して発熱量が制御される様になっている。

前記断熱部５１の内部で前記ヒータユニット４４，４５，４６，４７，４８，４９の外周部、前記外管３６の外周部には冷却ガス流路５２が形成され、前記断熱部５１の天井部には冷却ガス流路５３が形成され、前記冷却ガス流路５２には導入ダクト５４が連通され、前記冷却ガス流路５３には排気ダクト５５を介して排気装置（図示せず）が連通されている。

前記導入ダクト５４には流量調整用のバタフライ弁５６が設けられ、前記排気ダクト５５には冷却用のラジエタ５７、流量調整用のバタフライ弁が５８、排気用ブロア５９が設けられている。

前記炉口フランジ３８の下端は炉口部を形成し、該炉口部は前記シールキャップ２４により気密に閉塞可能であり、該シールキャップ２４は図示しないボートエレベータ（図１参照）に支持され、昇降可能となっている。前記シールキャップ２４にボート位置変更機構６１が設けられ、該ボート位置変更機構６１に前記昇降フランジ６２が昇降可能且つ回転可能に支持され、該昇降フランジ６２に前記ボート２６が立設されている。

前記ボート位置変更機構６１と前記昇降フランジ６２との間はベローズ６３によって気密に覆われており、前記昇降フランジ６２の外周には可変シール６４が設けられ、該可変シール６４は半径方向に拡縮し、拡張時には前記昇降フランジ６２と前記内管３７間を気密に閉塞する様になっている。前記ボート位置変更機構６１が駆動され、前記昇降フランジ６２が昇降されることで、前記反応室３４の容量が可変できる様になっている。又、前記昇降フランジ６２の位置はウェーハ２５の枚数によって決定される。

前記シールキャップ２４、前記昇降フランジ６２をそれぞれ気密に貫通するガス供給ノズル６５が設けられ、該ガス供給ノズル６５は前記シールキャップ２４に対して摺動自在であり、前記昇降フランジ６２に固着されている。又、前記炉口フランジ３８には排気管６６が接続され、該排気管６６は前記円筒空間４０に連通している。

前記昇降フランジ６２は拡縮板６７を有し、該拡縮板６７の周囲に前記可変シール６４が嵌設されており、前記拡縮板６７は拡縮する機能を有し、例えば多数の円板６８で構成され、該円板６８は外周の包絡線が円となる様に配置され、更に中心の拡縮軸（図示せず）に偏心した位置で連結され、前記拡縮軸を回転させることで、前記拡縮板６７が拡縮する様になっている。

前記ガス供給ノズル６５は前記円板６８の１つを気密に貫通している。前記ガス供給ノズル６５は可撓性の材質とするか、中途部にベローズを設けるか等し、前記ガス供給ノズル６５の貫通部は前記円板６８の動きに追従可能となっている。

前記シールキャップ２４と前記昇降フランジ６２の間には密閉された空間６９が形成され、該空間６９に連通するガス供給管７０を前記シールキャップ２４に設ける。

前記第１ヒータユニット４４、前記第２ヒータユニット４５、前記第３ヒータユニット４６、前記第４ヒータユニット４７、前記第５ヒータユニット４８、前記第６ヒータユニット４９に対応して温度センサ７１，７２，７３，７４，７５，７６が設けられ、該温度センサ７１，７２，７３，７４，７５，７６、及び前記ヒータユニット４４，４５，４６，４７，４８，４９はそれぞれ制御部８０に接続され、該制御部８０は前記温度センサ７１，７２，７３，７４，７５，７６の検出結果に基づき前記ヒータユニット４４，４５，４６，４７，４８，４９を個別に制御する様になっている。

前記ガス供給ノズル６５は、ガス導入管（図示せず）を介して図示しない処理ガス供給源、不活性ガス供給源等のガス供給源に接続され、前記ガス導入管には流量制御器８１が設けられ、前記排気管６６は圧力センサ７７、圧力制御弁８２が設けられ、前記流量制御器８１、前記圧力センサ７７、前記圧力制御弁８２は前記制御部８０に接続され、前記流量制御器８１は供給ガスが所定流量となる様に調整し、前記圧力制御弁８２は前記圧力センサ７７の検出結果に基づき前記反応室３４が所定圧となる様に前記制御部８０によって制御される。

又、前記ポッド搬送装置１２、前記ポッドオープナ１７、前記ボートエレベータ２３、前記基板移載機２７等の機構部（図１参照）は、機構制御部８３を介して前記制御部８０に接続され、該制御部８０は前記機構制御部８３を介して前記機構部を制御する。

又、前記制御部８０には記憶部８４、操作部８５が接続され、前記記憶部８４には基板処理を実行する為のシーケンスプログラム、レシピが格納されている。更に前記シーケンスプログラム、レシピは処理枚数に対応した条件設定が可能であるか、或は処理枚数に対応した複数のシーケンスプログラム、レシピが格納され、処理枚数に対応したシーケンスプログラム、レシピを選択可能となっている。尚、シーケンスプログラムの動作条件を設定する場合、処理枚数に対応したティーチング作業、例えば前記基板移載機２７の移載動作を開始する初期値、移載枚数等は予め完了しておく。

以下、基板処理について説明する。

１バッチで処理する基板枚数が標準枚数より少ない場合、例えば標準処理枚数が１００枚で、１バッチで処理する枚数が５０枚の場合、５０枚処理用のボート２６を前記昇降フランジ６２にセットする。

前記操作部８５より、１バッチが５０枚であることを入力する。

前記制御部８０は、シーケンスプログラム、レシピ等基板処理に関するプログラムについて、１バッチが５０枚に対応する様、処理条件を設定する。

処理条件が設定されることで、供給ガス流量が調整され、又前記ボート位置変更機構６１が駆動され、前記ボート２６、前記昇降フランジ６２とが上昇され、前記ボート２６の位置が前記反応室３４の上部を占める様に設定され、或は前記基板移載機２７の移載枚数が５０枚となる様に条件設定される。又、前記発熱部４３の下部の前記第５ヒータユニット４８、前記第６ヒータユニット４９がＯＦＦとされ、処理枚数に対応した加熱長が選択される様にしてもよい（図３参照）。

前記ボート２６が降下状態で、前記基板移載機２７によりウェーハ２５が前記ボート２６に移載される。

該ボート２６に１バッチ分（５０枚）のウェーハ２５が装填されると、前記ボートエレベータ２３（図１参照）により前記ボート２６が上昇される。この時、前記拡縮板６７は縮小した状態となっている。

前記ボート２６が前記反応室３４に装入されると前記シールキャップ２４により炉口が気密に密閉される。同時に前記拡縮板６７が拡大され、前記可変シール６４が前記内管３７に密着され、前記昇降フランジ６２と前記内管３７間が気密にシールされる。

前記排気管６６を介して前記反応室３４が排気され、所定圧となる様制御される。又、前記第１ヒータユニット４４、前記第２ヒータユニット４５、前記第３ヒータユニット４６、前記第４ヒータユニット４７により前記反応室３４、ウェーハ２５が加熱され、前記第１ヒータユニット４４、前記第２ヒータユニット４５、前記第３ヒータユニット４６、前記第４ヒータユニット４７の加熱は、前記反応室３４が所定の温度に所定の温度分布となる様に前記温度センサ７１，７２，７３，７４の検出結果に基づき前記制御部８０によって独立して制御される。又、前記ボート２６は所定の定速回転で回転される。

又、前記空間６９については排気されると共に前記ガス供給管７０を介してパージガス（窒素ガス等の不活性ガス）によりガスパージされ、前記反応室３４から前記空間６９へ処理ガスが浸入することが防止される。

前記ガス供給ノズル６５より処理ガスを導入する。処理ガスは前記反応室３４を上昇して前記円筒空間４０を降下して前記排気管６６から排気される。処理ガスが前記反応室３４を流通する過程で、ウェーハ２５の表面に成膜等所要の基板処理がなされる。

基板処理が完了すると、前記排気用ブロア５９が駆動され、前記冷却ガス流路５２，５３より雰囲気空気が吸引され、前記反応管３５が冷却される。同時に前記反応室３４、前記空間６９がガスパージされ、前記ロードロック室１８内部と同圧化される。前記拡縮板６７が縮小され、前記ボートエレベータ２３により前記ボート２６が降下される。

降下後所定温度迄冷却された後、前記ボート２６からウェーハ２５が前記基板移載機２７より払出される。

全ての処理済ウェーハ２５が払出されると、未処理ウェーハが前記ボート２６に装填され、上記した工程が繰返され、基板処理が継続される。

１バッチ分の処理枚数に変更がある場合、前記ボート２６を交換し、更に前記シーケンスプログラム、レシピを変更後の基板処理枚数に対応する様に変更し、同様に処理を実行する。

上記した様に、本発明では、処理枚数に応じて前記反応室３４の容量の変更がされるので、ガス使用量が最適化でき、ガス置換時間を最適化でき、処理枚数に応じた処理時間の短縮が可能となる。従って、試作ロット等少量で緊急な基板処理にも対応が可能となる。

処理枚数に適したシーケンスを選択でき、機構部の駆動時間の短縮が図れ、又１台の半導体製造装置で処理枚数が可変であるので、バッチ処理枚数に対応した半導体製造装置を設備することなく、設備費の低減が可能となる。

尚、上記実施の形態では、反応管３５が外管３６と内管３７とで構成されたが、前記外管３６のみで構成された場合も、同様に実施可能であることは言う迄もない。

（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）バッチ式の縦型処理炉と、該処理炉が有する反応管と、該反応管の周囲に設けられた発熱部と、前記処理炉下端の炉口部を気密に閉塞するシールキャップと、該シールキャップに昇降可能に設けられ、前記反応管との間でシール可能な昇降フランジと、所定枚数の基板を保持し、前記昇降フランジに支持されるボートとを具備した半導体製造装置に於いて、処理枚数に対応して前記昇降フランジの上下方向の位置決めを行う工程と、前記ボートに基板を装填し、前記反応室に前記ボートを装入する工程と、前記反応室に処理ガスを導入し、加熱して基板に成膜等の処理を行う工程とを具備することを特徴とする基板処理方法。

本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の側断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の平断面図である。 該半導体製造装置に使用される処理炉の一例を示す概略断面図である。 該処理炉に於ける昇降フランジを示す部分図である。 該昇降フランジの平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の制御ブロック図である。

符号の説明

１ 半導体製造装置
１２ ポッド搬送装置
１９ 処理炉
２３ ボートエレベータ
２５ ウェーハ
２６ ボート
２７ 基板移載機
３４ 反応室
４３ 発熱部
６１ ボート位置変更機構
６２ 昇降フランジ
６４ 可変シール
６５ ガス供給ノズル
６７ 拡縮板
８０ 制御部

Claims (1)

1. 縦型処理炉を有するバッチ式の半導体製造装置に於いて、前記処理炉は反応管と、該反応管の周囲に設けられた発熱部と、前記処理炉下端の炉口部を気密に閉塞するシールキャップと、該シールキャップに昇降可能に設けられ、前記反応管との間でシール可能な昇降フランジと、所定枚数の基板を保持し、前記昇降フランジに支持されるボートとを具備し、前記反応管と前記昇降フランジとにより前記ボートを収納する反応室が画成され、前記昇降フランジは処理枚数に応じて反応室容量が変更される様、位置決めされることを特徴とする半導体製造装置。

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