JP2009252907A - 反応管及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上面が平坦でありながら減圧したとしても爆縮の虞がない反応管、及びこの反応管を用いることにより均一性の高い熱処理を行うことのできる熱処理装置を提供する。
【解決手段】閉塞部３０の面状部３１において上面の周縁領域に環状溝部３４を形成しているため、反応管内を減圧した際に面状部３１に対して反応管の軸方向と交差する外側から内側に作用する応力が分散され、環状溝部３４における周縁側の底面角部の肉厚を環状溝部３４内における他の部位の肉厚よりも大きくしているため、環状溝部３４の周縁側の角部に加わる応力が分散される。この結果反応管の閉塞部３０の面状部３１を平坦にしても、反応管内を減圧した際に爆縮することを防止することができる。そしてこの反応管を用いることにより、特に上部側のウェハに対して均一性の高い熱処理を行うことができ、また装置の高さを抑えることができるといった効果がある。
【選択図】図３

Description

本発明は、その内部を減圧雰囲気にして被処理体に対して処理を行う反応管、及びこの反応管を用いた熱処理装置に関する。

半導体製造装置の一つである縦型熱処理装置（縦型炉）は、例えば図１２に示すように、下部に排気ポート１０５を備えた縦型の石英製の反応管１０１内に、多数枚の半導体ウェハ（以下、ウェハという）Ｗを棚状に保持したウェハボート１４５を搬入して蓋体１４３ａにより反応管１０１内を塞ぎ、ヒータ１０２により反応管１０１内を加熱するときに処理ガスを反応管１０１内に供給して所定の熱処理を行うように構成されている。ガスの供給構造は、種々のタイプがあるが、この例では反応管１０１の外周に縦長のガス供給ダクト１０６を設け、ここから反応管１０１の管壁に穿設された孔１０７を介して反応管１０１内にガスを供給している。

縦型熱処理装置にて行われる熱処理の一つとして減圧雰囲気下で行われる処理があり、その例としてはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、或いはアニールなどがあり、これらの熱処理の際に、上述した縦型熱処理装置は用いられている。

内部が減圧されるので、反応管の外部と内部で圧力差が生じ、この圧力差によって反応管３には内側に向かう応力が発生する。そして反応管１０１の側壁と閉塞端側の接合部に応力集中が発生し、集中した応力が破壊応力に達すると反応管が爆縮（反応管１０１内外の圧力差によって内側に向かって砕けること）する。これを防ぐために従来の反応管では、閉塞端側を外側に向かって湾曲するドーム形状をし、集中する応力をドーム形状のラウンドコーナーによって分散している。

そのため従来の反応管１０１内において熱処理を行う場合には、図１３に示すようにこの空間１０３を介して反応管１０１の上端側にウェハＷの熱が放出されて、ウェハＷの中央付近の温度が低くなり、また反応管１０１の側壁から供給された処理ガスは、全てが速やかにウェハＷの処理領域１２０には流入せず、上部空間１０３へと一部の処理ガスが流入する。ところが、上部空間１０３はドーム状で広いために、通過する処理ガスの流速が遅くなり、その結果上部空間１０３における処理ガスの滞留時間が長くなり、ガスの分解がその下方側におけるガスに比べて進んでしまう。従ってウェハボート１４５に積載されたウェハＷのうち上部空間１０３に近いウェハＷについては、分解の進んだガスがウェハＷの周縁部を通過するため、ウェハＷの周縁部の成膜速度が速くなってウェハＷ上の面内均一性が悪化する。また上部空間１０３に近いウェハＷには、その周縁部を分解の進んだガスが通過することから、当該部位のウェハＷの平均膜厚が、その下方側領域のウェハＷの平均膜厚よりも大きくなり、ウェハＷ間においても膜厚の均一性が悪くなるという問題が起きる虞もあった。

上述した問題に対処するため、従来、ウェハを保持するボートの上に断熱材を設けて上端側のウェハＷから放出される熱を抑えることが可能な熱処理装置が知られている（特許文献１）。この熱処理装置では、断熱材により上部側のウェハの温度が変化することを防止することが可能となっているが、上部空間にガスが滞留することを防止することはできないため、特許文献１では、ウェハ間の膜厚の均一性が悪化する問題を解消することは困難である。また断熱材の長さの分だけボートのストローク長を長くとらねばならず装置が大型化してしまい、断熱材に付着した反応活性成分が断熱材との熱膨張収縮率の違いによって断熱材から剥離してパーティクルとなる虞があると共に、ヒートショックにより断熱材が破損する虞がある。

特開２００４−１１１７１５号公報（段落番号００３０、図１）

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、上面が平坦でありながら減圧したとしても爆縮の虞がない反応管、及びこの反応管を用いることにより均一性の高い熱処理を行うことのできる熱処理装置を提供することにある。

本発明の反応管では、
一端が開口し、その内部にて減圧処理が行われる反応管において、
反応管の他端を塞ぐように反応管の軸方向と直交して設けられ、内面が平面状に形成された面状部と、
この面状部の外面側の周縁領域に反応管の周方向に沿って環状に形成された環状溝と、を備えたことを特徴としている。

また前記環状溝の周縁側の底面角部の肉厚が前記周縁領域の他の部位の肉厚よりも大きく形成されている。また前記面状部の外面側の周縁に反応管の周方向に沿って環状に形成された起立壁を備えている。前記起立壁の上縁部は内方側に屈曲していてもよい。また前記起立壁の上縁部は内方側にほぼ９０度屈曲していることが好ましい。前記環状溝の周縁側の底面角部は、溝部の側面から底面に亘って傾斜していることにより、当該周縁領域の他の部位の肉厚よりも大きく形成されている。

本発明の熱処理装置では、
上記各反応管と、
この反応管を囲むように設けられた加熱手段と、
多数の基板を棚状に保持できるように構成され、前記反応管の開口側から搬入出される基板保持具と、
前記反応管内に処理ガスを供給する手段と、
前記反応管内の雰囲気を真空排気するための手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明の反応管によれば、閉塞端側において外面側の周縁領域に環状溝を形成しているため、反応管内を減圧した際に閉塞端に対して反応管の軸方向と交差する外側から内側に作用する応力が分散される。そして前記環状溝における周縁側の底面角部の肉厚を当該溝内における他の部位の肉厚よりも大きくしているため、当該溝の周縁側の角部に加わる応力が分散される。この結果反応管の閉塞部を平坦にしても、反応管内を減圧した際に爆縮することを防止することができる。また本発明の熱処理装置によれば、この反応管を用いることにより、閉塞端がドーム形状である場合に形成されていた不要な空間がなくなるので、反応管閉塞端と基板の間を流れる処理ガスの流速が速くなり、反応管上部で処理ガスの分解がその下方側よりも進み過ぎるという不具合を低減でき、これにより特に上部側の基板に対して膜厚についての面内均一性を改善することができ、また上部側の基板とそれよりも下部側の基板との間での面内均一性を改善することができる。更に装置の高さを抑えることができるといった効果がある。

［第１の実施形態］
本発明の反応管を適用した熱処理装置における第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。この熱処理装置１は、図１に示すように例えば断熱材からなる筒状体２１と、筒状体２１の内壁面に沿って周方向に設けられた加熱手段であるヒータ２２とを備えている。筒状体２１の内側には、例えば石英からなる略円筒形状の反応管３が設けられている。この反応管３は、水平断面の形状が真円状となっており、一端側（本実施形態では下端側）が炉口（搬入口）４１として開口していると共に、他端側（本実施形態では上端側）は平面状に閉塞した閉塞部３０となっている。そして炉口４１の周縁部にはフランジ４２が形成されており、この炉口４１は、ボートエレベータ４３ａにより昇降可能な蓋体４３によって開閉される。尚本実施形態では、石英の反応管３を使用しているが、本発明の実施の形態はこれに限定されず、例えば反応管の材質としてＳｉ（シリコン）又はＳｉＣ（炭化シリコン）を使用してもよい。

蓋体４３上には、多数の板状体４６ａを格納した断熱ユニット４６と回転軸４４とが設けられており、この回転軸４４は、蓋体４３を介してボートエレベータ４３ａに取り付けられた駆動部であるモータＭによって回転する。そして回転軸４４の上部には基板保持具であるウェハボート４５が設けられており、このウェハボート４５によって複数枚例えば１２５枚の基板であるウェハＷを棚状に保持することが可能となっている。従ってこのウェハボート４５は、蓋体４３の昇降によって反応管３に搬入搬出され、モータＭの回転によって回転軸４４と共に回転するようになっており、複数枚のウェハＷに対して同時に熱処理を行うことが可能となっている。

またウェハボート４５に保持されたウェハＷは、反応管３内に搬入され、熱処理が行われる処理領域１０に保持された際に、ウェハＷの側部と反応管３の側部の内壁との距離、及びウェハボート４５の天板４５ａと閉塞部３０の内面との距離が、処理ガスの流速が速くなり各ウェハ上で熱処理が均一に行われるように可能な限り狭くなる位置で保持される態様となっている。尚後述する図４に示すように本実施形態ではウェハボート４５の天板４５ａと閉塞部３０の内面との距離ｈ１は、ウェハＷの側部と反応管３の側壁３ａとの距離ｈ２（例えば１０ｍｍ）と同一、若しくはその距離より小さくなるように構成されている。また本実施形態では距離ｈ２は１０ｍｍとなっているが、本発明の実施の形態はこれに限定されるものではなく、反応管の形状等の要因に応じて距離ｈ２を１０ｍｍ〜３５ｍｍの範囲内で設定してもよい。

反応管３の側壁３ａには、図２に示すようにガス供給手段の一部をなす偏平な縦長の箱状のガス供給ダクト６０が反応管３の側壁３ａの外面に沿って設けられており、ガス供給ダクト６０の処理領域１０に対応する領域には、反応管３内に連通するガス吐出孔６１が形成されている。そして本実施形態では、このガス供給ダクト６０とガス吐出穴６１を介して反応管３内に処理ガスを供給する態様となっており、ガス吐出孔６１は、処理領域１０の全域に素早く処理ガスを供給できるように鉛直方向に略一定の間隔で複数箇所例えば１０箇所形成されている。尚本実施形態ではガス吐出孔６１を縦一列配置としたが、複数列例えば縦二列配置としてもよい。

フランジ４２内には、周方向に例えば７本のガス流路７３が形成されており、各ガス流路７３の一端側はフランジ４２の付け根部分にてガス供給ダクト６０に接続されている。また各ガス流路７３の他端側は、例えば７本のガス供給管６５と接続しており、これらのガス供給管６５は、例えば各々互いに異なるガス供給源に接続されている。図１では、一例としてジクロロシラン（SiH2Cl2）及びアンモニア(NH3)の各ガス源７０、７１を例示している。７２はバルブや流量調整部などを含むガス供給機器群である。また反応管３の下部には、排気口をなす排気ポート５が設けられ、この排気ポート５には排気管５３が接続されている。排気管５３には、バタフライバルブ等を有する圧力調整部５２、及び真空排気手段である真空ポンプ５１が設けられている。

次に、本実施形態の特徴的な部分である閉塞部３０の詳細について図を参照して説明する。尚図３（ｂ）では、閉塞部３０の形状の特徴を判り易く示すために、一部の部材が不可視の状態となっている。図３（ａ）、３（ｂ）に示すように閉塞部３０は、閉塞面を構成する面状部３１を備えており、反応管３の他端を塞ぐように反応管３の軸方向と直交して設けられ、内面が平面状に形成された面状部３１と、この面状部３１の上面（外面）の中央に円形状の円形凹部３２が形成され、面状部３１上面の周縁領域には、反応管３の周方向に沿って環状に形成された環状溝部３４が設けられている。このため円形凹部３２と環状溝部３４との間は、環状凸部３５となっている。環状凸部３５の内面側は傾斜面として形成されており、円形凹部３２の縦断面形状は、逆台形状となっている。また環状凸部３５の外面側も傾斜面として形成されている。そして面状部３１では、円形凹部３２の底部の肉厚より、環状溝部３４の底部の肉厚のほうが薄くなるように形成されている。

環状溝部３４の周縁側の底面角部は、反応管３の径方向内方側に向かうにつれて高さが低くなる傾斜面として形成されている。即ち環状溝部３４が形成されている領域における面状部３１の肉厚については、前記底面の肉厚が他の部位の肉厚よりも大きくなっている。また面状部３１の外周側の周縁には、周方向に沿って環状となるように反応管３の側壁３ａを延長して垂直方向に伸びている起立壁３７が形成されている。この起立壁３７は、その端部が環状凸部３５の上面より高くなる位置まで延長されており、その端部から面状部３１の中心方向に向けて９０度の角度で屈曲して水平に伸びる上縁部３８が形成されている。

次に上述の実施形態の作用について説明する。まず、ウェハＷを１２５枚ウェハボート４５に保持し、ボートエレベータ４３ａを用いて反応管３内に搬入すると共に蓋体４３により反応管３を密閉し、真空ポンプ５１により反応管３内を例えば２７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に減圧する。そしてヒータ２２により、反応管３内を予め設定したプロセス温度例えば６００℃に加熱する。尚このプロセス温度は、反応管３内のウェハＷが一定の温度（設定温度の１〜２％以内、つまり６００℃±５℃）となるように制御される。ただし本発明の実施の形態はこれに限定されるものではなく、例えば反応管３内に温度勾配が形成されるようにヒータ２２を調節してもよい。

次にガス供給機器群７２を操作してガス源７０、７１から各々処理ガスである、例えばSiH2Cl2ガス、及びNH3ガス等の処理ガスをガス供給管６５及びガス流路７３を介して、ガス供給ダクト６０に導入する。この処理ガスは。ガス供給ダクト６０内を加熱されながら上昇すると共に、ガス吐出孔６１から反応管３内に流入して、ウェハＷと反応管３の内壁との間の狭い隙間を下方側に向けて流れていき、この隙間からウェハＷの中心部に向かって拡散してウェハＷの表面にシリコン窒化膜を成膜する。その後未反応の処理ガスや副生成物などを含むガスは、反応管３の下部の排気口５から真空ポンプ５１によって排気される。上記の手順により一連の成膜処理が行われる。

そして熱処理装置１では、図４に示すように面状部３１が平面形状をしていることから、ウェハボート４５の天板４５ａと閉塞部３０の内面との距離ｈ１を、ウェハＷの側部と側壁３ａの内壁との距離ｈ２と同一、若しくはｈ１より小さくすることが可能となる。そのため閉塞部３０と天板４５ａとの間を処理ガスの流速が速くなるように設定することが可能となり、処理ガスがウェハボート４５の上方で滞留することを防止することが可能となる。

上述した熱処理は、減圧雰囲気下で行われるため、反応管３の外部と内部で圧力差が生じ、この圧力差によって反応管３の側壁３ａ、及び面状部３１には反応管３の内側に向かう応力が発生する。この応力のうち側壁３ａに作用する応力は、側壁３ａが円管となっているため、その形状によって応力が分散され反応管３の側壁３ａにおいては応力集中が緩和された状態となっている。これに対し閉塞部３０は、面状部３１が平面状となっていることから、内側に向かう応力が分散せずに、図５に示す矢印Ａ方向に向かう応力を受けることになる。そしてこの応力により面状部３１が下方へと引かれ、それに伴って面状部３１と接合している側壁３ａの上端に反応管３の中央に向かう応力が発生する。

しかしながら本実施形態では、環状溝部３４の厚さＬ３が面状部３１の他の部分より薄くなっているため、この環状溝部３４に応力が集中し、このため側壁３ａ上端において径方向内方側（矢印Ｂ方向）に作用する応力、即ち側壁３ａの上端が周方向内方側に引き込まれようとする応力が低減される。また環状溝部３４に作用する矢印Ｂ方向の応力は、環状溝部３４の周縁側の角部にて集中しようとするが、この角部には、底部から周縁部に掛けて肉厚が増す傾斜面が形成されており、角部に集中しようとする応力を分散して環状溝部３４内で局所的な応力集中が発生することを防止している。

また矢印Ｂに示す斜め下方外側に向けて作用する応力は、環状溝部３４の傾斜面付近にある程度集中するため、この環状溝部３４に連続して上方に伸びている起立壁３７と上縁部３８とによって、この傾斜面付近に集中する応力をより効果的に分散させることが可能となっている。即ち側壁３ａに対して外側に向けて膨らむように変形する応力が作用すると、側壁３ａを延長して形成された起立壁３７は、反応管３内の中央部に向けて倒れ込むように変形する。すると起立壁３７及び上縁部３８は円環状をしているため円環に外側から内側に向けて均一に応力を作用させた場合と同様の変形をすることになり、起立壁３７及び上縁部３８がこの変形に反発し、このときに生じる反発力によって矢印Ｂ方向の応力が分散され、これによって側壁３ａの変形を抑止することが可能となる。

上述した各理由により本実施形態の熱処理装置１では、閉塞部３０の面状部３１において上面の周縁領域に環状溝部３４を形成しているため、反応管３内を減圧した際に面状部３１に対して反応管３の軸方向と交差する外側から内側に作用する応力が分散される。そして環状溝部３４における周縁側の底面角部の肉厚を環状溝部３４内における他の部位の肉厚よりも大きくしているため、環状溝部３４の周縁側の角部に加わる応力が分散される。この結果反応管３の閉塞部３０の面状部３１を平坦にしても、反応管３内を減圧した際に爆縮することを防止することができる。

そして本実施形態の熱処理装置１によれば、この反応管３を用いることにより、閉塞部３０がドーム形状である場合に形成されていた不要な空間がなくなり、閉塞部３０と天板４５ａとの間を流れる処理ガスの流速が速くなり、ウェハボート４５の上方に処理ガスが滞留して処理ガスの分解が促進されることを防止することが可能となる。これにより特に上部側のウェハＷに対して面内均一性の高い熱処理を行うことができ、ウェハボート４５に保持される全てのウェハＷの面内均一性を向上させ、各ウェハＷ間の膜厚の均一性を安定化することが可能となる。また装置の高さを抑えることができるといった効果がある。

［第２の実施形態］
本発明の熱処理装置における第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。図６に示す第２の実施形態の熱処理装置１１は、第１の実施形態における反応管３を、閉塞部８０の中央部に大径のガス吐出口６３が設けられた反応管８に変更し、ガス供給ダクト６０を反応管８の頂点部まで伸長したガス供給ダクト６２に変更したものである。このような熱処理装置１１では、閉塞部８０の面状部８１を平坦にすることによって天板４５ａと面状部８１との間隔を処理ガスの流速が速くなるように狭くすることができるので、ガス吐出口６３から供給された処理ガスを処理領域１０の上部に滞留させることなく素早く供給することが可能となる。そのため第１の実施形態の熱処理装置１と同等の作用・効果を奏することが期待でき、さらにウェハＷに対する処理速度を向上させることが可能となる。尚本実施形態では、反応管８にはガス吐出口６３がひとつ設けられているが、本発明の実施の形態はこれに限定されるものではなく、例えば反応管８の側壁８ａにガス供給ダクト６２と連通するように、第１の実施形態と同様にガス吐出口６１を設けてもよい。

［第３の実施形態］
本発明の熱処理装置における第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。図７に示すようにこの実施形態の熱処理装置１２では、上端が閉塞し下端が開口している石英製の外管１９と、両端が開口している直管状の石英製の内管２９と、外管１９及び内管２９の下部側を支持するマニホールド４７とを備え、反応管９は外管１９及び内管２９からなる二重管構造として構成されている。マニホールド４７の下端開口部は、ウェハボート４５の搬入出口に相当する。

マニホールド４７には複数のガス導入管が挿入されており、これらガス導入管７３、７６は内管２０の内側でＬ字状に屈曲されて、ガス導入口は上向きとなっている。図７では便宜上２本のガス導入管７３、７６を上下に描いている。またマニホールド４７には、外管１９及び内管２９の間の隙間に開口する排気管５３が設けられている。従ってガスは内管２９の下部に供給され、内管２９内を上昇し、更に外管１９及び内管２９の間の隙間を通って下降し、排気管５３から排気される。外管１９は、本発明の反応管に相当し、閉塞部９０上部の面状部９１は、第１の実施形態と同様の構造となっている。尚図７においては、第１の実施形態と対応する部分は同一符号を付してある。

上述した構成の熱処理装置１２では、反応管９の外管１９の閉塞部９０が閉塞部３０と同一構成をしているため、閉塞部９０を平面形状とすることができる。そのためウェハＷの処理領域１０の上部空間を狭くすることができ、ウェハボート４５の上方まで上昇した処理ガスが上部空間に滞留する時間が短く、速やかに外管１９及び内管２９の間の隙間に流れ込む。従って上部空間から処理領域への処理ガスの再拡散を抑えることができるので、ウェハボート４５の上端に近いウェハＷに対する熱処理がそれより下部側のウェハＷに比べて促進されるという不具合、例えば成膜速度が速くなるといった不具合が抑えられ、ウェハＷ間の処理の均一性を向上することが期待できる。またウェハボート４５の上端に近いウェハＷについて周縁の成膜が中心部よりも大きくなるという不具合が抑えられ、結果として均一性の高い熱処理を行うことができる。更に従来のドーム形状の外管を使用した場合に比べて高さを低くすることができる。

［第４の実施形態］
本発明の熱処理装置における第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。図８に示す第４の実施形態の熱処理装置１３は、第３の実施形態における内管２９の上部開口端側に、内管の中心軸に向けて水平に伸びるフィン２９ａを設けたものである。尚、その他の部分については、第３の実施形態と同一であるので、図８では熱処理装置１３の上部のみを示す。このような熱処理装置１３では、閉塞部９０の面状部９１とフィン２９ａとの間を狭くしてその間を流れる処理ガスの流速が速くすることが可能となり、さらにフィン２９ａによって反応管９の上部空間から活性成分が降下することを防止できる。そのため第３の実施形態の熱処理装置１２と比べてより一層の作用・効果を奏することが期待できる。

［他の実施形態］
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。尚図９に第１の実施形態で用いた反応管３の面状部３１を代表して閉塞部３０の他の構造について示す。例えば図９（ａ）に示すように、起立壁３７の上端部を屈曲しない構造であってもよい。この場合には起立壁３７を屈曲した利点は得られないが、上面が平坦な場合に比べて大きな強度を得られるので爆縮を防止できる。また図９（ｂ）に示すように、環状溝部３４の周縁側の底面角部の肉厚を大きくせず、直角としてもよい。この場合には底面角部の肉厚を大きくする利点は得られないが、環状溝部３４及び起立壁３７を設けたことによる応力分散作用が得られ、上面が平坦な場合に比べて大きな強度を得られるので爆縮を防止できる。尚図９（ｂ）の構造では起立壁３７を屈曲しているが、屈曲させなくてもよい。

また図９（ｃ）に示すように、環状溝部３４の底面角部に傾斜面構造ではなく、環状溝部３４の底面の肉厚よりも厚くなるような肉厚の階段形状等にしてもよい。この場合には階段形状の部分で傾斜面を設けた場合と同等の作用、効果を得ることができ、上面が平坦な場合に比べて大きな強度を得られるので爆縮を防止できる。上述した各実施形態から、面状部３１から側壁３ａに作用する応力が問題になっていることが判るので、本発明の実施の形態においては、この応力を分散させることが可能であれば良いことになる。従って、本発明の更なる他の実施形態としては、図９（ｄ）に示すように、環状溝部３４のみで面状部３１を形成しても、この面状部３１に作用する応力を分散させて上面が平坦な場合に比べて大きな強度を得られる。この場合、環状溝部３４の周方向の底面角部に傾斜面等を設けて肉厚を大きくすることにより強度を向上させることができ、爆縮をより効果的に防止することも可能となる。

本発明の効果を確認するために行った実験について、以下図１０、１１を参照して説明する。まず第１の実施形態に係る熱処理装置１を用い、以下のプロセス条件下においてウェハに対して処理ガスとしてヘキサクロロジシラン（Si2Cl6）ガス８５ｍｌ、アンモニア（NH3）ガス４２５ｍｌ、エチレン（C2H4）ガス１８００ｍｌを供給し、炭素添加シリコン窒化膜の成膜試験を行った。プロセス圧力は２７Ｐａ（０．２Torr）、処理温度は６００℃に設定した。また本実験では、比較対象として図１０に示す従来の熱処理装置１００を用いて同様の試験を行った。ウェハボート４５、１４５には、選択された５つのスロットに試験用のウェハＷを保持し、ウェハＷ毎に炭素添加シリコン窒化膜の平均膜厚から成膜速度を求め、また膜厚についての面内均一性を求めた。尚実際の熱処理を行う前に処理領域１０、１２０の温度分布を測定して各ウェハＷの温度が一定になるようにヒータを調整している。

次に上記実験結果について説明する。図１０（ａ）は、縦軸に成膜速度、横軸にウェハボート４５上のウェハＷの保持位置（スロット位置）をとったグラフであり、スロット位置の１番は最上段のスロット位置を表している。図１０（ｂ）は、縦軸に成膜の面内均一性、横軸に図１０（ａ）と同様にスロット位置をとったグラフである。いずれのグラフも「●」が本実施形態の熱処理装置１、「■」が従来の熱処理装置に対応する。これらの結果から従来の場合は、ウェハボート１４５の上部に近いウェハＷについては成膜速度がその下方側のウェハＷに比べて大きくなっており、また成膜の面内均一性が悪化している。これに対して本発明に係る熱処理装置１の場合は、ウェハボート４５の上部に近い位置においてもウェハＷ間（面内）の均一性及び面内の均一性のいずれについても良好である。従って上端がドーム型の反応管１０１に比べて上端が平面形状の反応管３の方が均一性の高い熱処理を行えることが裏付けられている。

次に本発明の面状部３１に応力を加えた際のシミュレーションによる強度解析について説明する。尚図１１に示す強度解析では、第１の実施形態で用いた反応管３の面状部３１を代表して閉塞部３０の他の構造について示す。このシミュレーションでは第１の実施形態における反応管３を真空排気して内部を一定の真空状態とし、反応管３の外部と内部で生まれる圧力差によって反応管３に応力を作用させ、どのように応力が作用するのかについて解析したものである。そして比較対象として、反応管３の環状溝部３４の底面角部に形成された傾斜面と起立壁３７の上縁部３８とを取り除いた反応管３と、面状部３１の環状溝部３４の側部に傾斜面を形成せず、環状溝部３４の底面の肉厚を厚くした反応管３についても同様の強度解析を行った。

図１１（ａ）に示す反応管３は、反応管３の内部に向かう応力が発生すると、環状溝部３４によって、側壁３ａが面状部３１によって径方向内方側に引かれる力は弱くなり、側壁３ａの変形が抑えられ、また最も応力が集中する反応管３面状部３１との接合点Ｔ１での応力も１９．８４［ＭＰａ］程度となるので、上面が平坦な場合に比べて面状部３１で大きな強度を得られ、反応管３の爆縮を防止することができることが判る。更に、図１１（ｂ）に示す反応管３では、環状溝部３４の底面の肉厚を厚くしたので、最も応力が集中する反応管３と面状部３１との接合点Ｔ２での応力も１２．５５［ＭＰａ］程度に抑えることができる。また環状溝部３４の肉厚を厚くしたため、図１１（ａ）に示す反応管３に比べて側壁３ａの径方向内方側に引かれる力は強くなるが、起立壁３７と上縁部３８とによって側壁３ａの変形をより強固に抑止できるので、図１１（ａ）に示す反応管３より面状部３１で大きな強度を得られ、より効果的に反応管３の爆縮を防止することができることが判る。

そして図１１（ｃ）に示す反応管３では、環状溝部３４の底部の肉厚を薄くする一方で、周縁部角部に傾斜面を設けているので、環状溝部３４に応力を集中させると同時に、この傾斜面で応力を分散させることが可能となっており、最も応力が集中する反応管３と面状部３１との接合点Ｔ３での応力を４．８０［ＭＰａ］程度に抑えることができる。そのため側壁３ａの変形をより強固に抑止でき、図１１（ａ）、１１（ｂ）に示す反応管３より面状部３１で大きな強度を得られ、より効果的に反応管３の爆縮を防止することができることが判る。

本実施形態の熱処理装置１の構成を説明するための概略断面図である。 本実施形態の熱処理装置１の構成を説明するための斜視図である。 本実施形態の閉塞部３０の形状を説明するための図である。 熱処理装置１の処理ガスの流れを説明するための概略図である。 本実施形態の閉塞部３０の変形態様を説明するための図である。 第２の実施形態における熱処理装置１１の構成を説明するための概略断面図である。 第３の実施形態における熱処理装置１２の構成を説明するための概略断面図である。 第４の実施形態における熱処理装置１３の構成を説明するための概略断面図である。 本発明の他の実施形態の反応管を示す図である。 本発明の実施例における実験結果を示す特性図である。 本発明の実施例における強度解析結果を説明するための図である。 従来の熱処理装置を示す概略断面図である。 従来熱処理装置１００の処理ガスの流れを説明するための概略図である。

符号の説明

１、１１、１２、１３ 熱処理装置
３、８、９ 反応管
３ａ、８ａ 側壁
５ 排気ポート（排気口）
１０ 処理領域
２２ ヒータ
３０、８０、９０ 閉塞部
３１、８１、９１ 面状部
３２ 円形凹部
３４ 環状溝部
３５ 環状凸部
３７ 起立壁
３８ 上縁部
４１ 炉口（搬入口）
４５ ウェハボート（基板保持具）
５１ 排気手段
６０ ガス供給ダクト（ガス供給路）
６１ ガス吐出孔

Claims (7)

1. 一端が開口し、その内部にて減圧処理が行われる反応管において、
   反応管の他端を塞ぐように反応管の軸方向と直交して設けられ、内面が平面状に形成された面状部と、
   この面状部の外面側の周縁領域に反応管の周方向に沿って環状に形成された環状溝と、を備えたことを特徴とする反応管。
2. 前記環状溝の周縁側の底面角部の肉厚が前記周縁領域の他の部位の肉厚よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項１記載の反応管。
3. 前記面状部の外面側の周縁に反応管の周方向に沿って環状に形成された起立壁を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の反応管。
4. 前記起立壁の上縁部は内方側に屈曲していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の反応管。
5. 前記起立壁の上縁部は内方側にほぼ９０度屈曲していることを特徴とする請求項４記載の反応管。
6. 前記環状溝の周縁側の底面角部は、溝部の側面から底面に亘って傾斜していることにより、当該周縁領域の他の部位の肉厚よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の反応管。
7. 請求項１ないし６のいずれか一つに記載された反応管と、
   この反応管を囲むように設けられた加熱手段と、
   多数の基板を棚状に保持できるように構成され、前記反応管の下方側から搬入出される基板保持具と、
   前記反応管内に処理ガスを供給する手段と、
   前記反応管内の雰囲気を真空排気するための手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。

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