JP2012248675A

JP2012248675A - ガス予備加熱筒、基板処理装置および基板処理方法

Info

Publication number: JP2012248675A
Application number: JP2011119164A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ishii; 昭紀石井; Makoto Hirano; 誠平野; Masamichi Taniuchi; 正導谷内
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】成膜ガスの加熱効率を向上させ、成膜ガスを処理基板と同等の温度まで加熱することができるガス導入路を提供することを課題とする。
【解決手段】ガス供給管３４０を流れてきたガスは、ガス予備加熱筒３６０のガス導入口３４２からガス予備加熱筒３６０内のガス流路３７４に流入する。ガス流路３７４を流れるガスが、ガス予備加熱筒３６０のガス導出口３６４へ到達するまでの間に、電磁誘導コイル２０７が誘導加熱したインナーチューブ３５０が、ガス予備加熱筒３６０を加熱し、ガス流路３７４を流れるガスは均一に加熱される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスを予備加熱するガス予備加熱筒、該ガス予備加熱筒を有する基板処理装置および基板処理方法に関する。

半導体あるいは太陽電池用の製造工程において、基板に薄膜を堆積させる手法として、一般的にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が用いられる。ＣＶＤ法とは、原料ガスの気相が基板表面で反応することを利用して薄膜を基板の表面に堆積する方法である。
ＣＶＤ法にはいつくか種類があるが、装置構成が比較的簡易であって、高純度の薄膜が形成できるバッチ式縦型ホットウォール型減圧ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）を用いて、単結晶シリコン薄膜や窒化シリコン薄膜を成膜する手法がよく知られている。
一般的なＣＶＤ装置は、基板が搬入される処理室と、原料ガスを供給するガス供給管と、供給されたガスを処理室に噴出するノズルと、処理室を加熱するヒータとを備えている。
そして、複数枚の基板が、ボートによって垂直方向に整列された状態で処理室の下端から搬入され、処理室を密閉する。密閉された処理室を排気した後、インナーチューブ内に原料ガスがノズルから供給されるとともに、ヒータによって処理室内を加熱することにより、基板にＣＶＤ膜を堆積する。
この装置を用いて単結晶シリコンを成膜する場合、原料ガスとしてＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３およびＳｉＣｌ４等のガスを使用するが、特にＳｉＨＣｌ３等を用いた場合は、１１００度以上の高温でガスと基板とを反応させる必要がある。

ところで、均一な堆積膜厚の分布を得ることができるＣＶＤ装置の一例には、縦型ホットウォールＣＶＤ装置がある。このＣＶＤ装置は、処理室の内部中心に中心軸が上下方向となるように配置され、黒鉛で一体成形されてなる角筒形状の第１サセプタと、第１サセプタからの熱伝導および輻射によって間接的に加熱される第２サセプタを備えている（特許文献１）。

特開２００５−１０９４０８号公報

しかしながら、反応させる原料ガスが十分に加熱されていなければ、基板とガスとの温度差によって基板が局所的に冷却され、基板にスリップ等の欠陥が生じる虞がある。

本発明は、上記の事実を考慮し、ノズルから処理室へ噴出するガスと基板とを同等の温度で反応させることが可能な基板処理装置および基板処理方法を提供することである。

本明細書に記載される主な発明の一つは、加熱手段で加熱される中空の環状部材を備え、環状部材は、ガスを噴出する噴出手段が接続される噴出側接続部と、ガスが供給される供給側接続部を有するガス予備加熱筒である。

本明細書に記載される主な発明の一つは、基板とガスを反応させる処理室と、前記処理室の内部に設けられ、基板を保持する基板保持部材と、前記処理室を加熱する加熱手段と、前記処理室の内部に設けられ、ガスを噴出する噴出手段と、前記処理室の内部に設けられ、前記噴出手段にガスを供給すると共に前記加熱手段で加熱されるガス導入路と、前記ガス導入路にガスを供給するガス供給部材と、を有する基板処理装置である。

本明細書に記載される主な発明の一つは、基板を保持した前記基板保持部材を前記処理室に下方より挿入して前記処理室を密閉し、前記加熱手段によって処理室を加熱すると共に前記ガス導入路と前記噴出手段を加熱し、噴出手段から噴出する加熱されたガスと基板とを高温雰囲気で反応させる基板処理方法である。

本発明は、上記の構成としたので、ノズルから噴出するガスを従来と比較してガスを高い温度まで加熱することができる。

第１実施形態に係る基板処理装置の構成を説明するための斜視図である。第１実施形態に係る基板処理装置の処理炉を説明する断面図である。（Ａ）は第１実施形態で用いられるガス予備加熱筒の斜視図であり、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）はガス予備加熱筒のＣ部断面の拡大図である。（Ａ）は第２実施形態で用いられるガス予備加熱筒の斜視図であり、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は水平方向断面図である。（Ａ）は第３実施形態で用いられるガス予備加熱筒の斜視図であり、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は水平方向断面図である。

（基板処理装置）
図１に示すように、基板処理装置１０１は、ハウジングとして筐体１１１を備えている。１１１の中にはカセットステージ１１４が設置され、半導体シリコン等の材料からなる複数の基板２００を収納したカセット１１０が複数収納されている。

カセットステージ１１４に収納されたカセット１１０は、カセット搬送装置１１８によって、筐体１１１内の中央部より前方部に設けられたカセット棚１０５に搬送される。そして、カセット棚１０５で一時的に保管された後、カセット搬送装置１１８によって移載棚１２３へ搬送される。

移載棚１２３に搬送されたカセット１１０に収容されている基板２００は、基板移載装置１２５ａに設けられたツイーザ１２５ｃによって一枚ずつ取り出される。ツイーザ１２５ｃに取り出された基板２００は、基板移載装置エレベータ１２５ｂによって、基板保持部材の一例であるボート２１７へ搬送される。

予め指定されていた枚数の基板２００がボート２１７に搬送されると、処理炉２０２を密閉していた炉口シャッタ１４７が水平方向に開き、基板２００を保持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって上昇し、処理炉２０２に搬入される。

搬入後は、処理炉２０２内で基板２００に薄膜が形成され、上述した逆の手順で、基板２００がカセット１１０へ収納され、筐体１１１の外部に搬出される。

（処理炉）
次に図２と図３を参照して、基板処理装置１０１を構成する第１実施形態の処理炉２０２について説明する。

図２に示すように、処理炉２０２の外周部には、円筒形状の壁体８１０と、壁体８１０の内周壁に沿って水冷板８２０が設けられている。水冷板８２０は、銅等の金属から構成され、内部に冷却水が流通可能なように、全域に冷却媒体流路が形成されている。壁体８１０の上端には、その中央に開口部８１２が形成されており、処理炉２０２内の空気は、開口部８１２から基板処理装置１０１の外へ排気されている。

壁体８１０と水冷板８２０の周壁とを貫通して、処理炉２０２内の温度を検出する温度計８３０が、４箇所に設置されている。この温度計８３０は、少なくとも一つ設置されていればよいが、複数の温度計８３０を設置することで温度制御性を向上させることができる。温度計８３０により検出された温度情報に基づき後述する電磁誘導コイル２０７への供給電力を調整し、処理炉２０２内の温度が所望の温度分布となるように構成されている。

壁体８１０の内側には、上部がドーム状の円筒形状であるアウターチューブ２０３が設けられている。アウターチューブ２０３の内側には、加熱手段を構成する円筒形状のインナーチューブ３５０が同心状に設けられている。また、アウターチューブ２０３の外側には、加熱手段を構成する電磁誘導コイル２０７が螺旋状に設けられている。アウターチューブ２０３は耐熱性材料である石英等で構成されており、インナーチューブ３５０は導電性のカーボン等で構成され、アウターチューブ２０３およびインナーチューブ３５０は上端が閉塞し下端が開口している。

電磁誘導コイル２０７は、図示しない高周波電源に接続されており、この高周波電源から電磁誘導コイル２０７へ高周波の電流を流して、インナーチューブ３５０を１０００度〜１１００度に誘導加熱する。

アウターチューブ２０３の下側には管状のインレットアダプタ２０９が設けられている。このインレットアダプタ２０９は図示しないフレームで支持されている。また、インレットアダプタ２０９の上部開口部の外周部には環状のフランジ２０５が形成されている。フランジ２０５には気密部材としてのＯリング２２２が配置され、アウターチューブ２０３の下部開口部のフランジ２０４との間を気密にシールしている。これらのアウターチューブ２０３と、インレットアダプタ２０９と、後述するベース部材２１９とによって処理室２０１が形成されている。

インレットアダプタ２０９からは内側へ環状の架台２１５が突設されている。架台２１５の上には管状の断熱部材３５２が固定されている。この断熱部材３５２の上端には、インナーチューブ３５０の下端部が固定されている。これにより断熱部材３５２が誘導加熱されたインナーチューブ３５０からインレットアダプタ２０９へ熱が伝わるのを抑制している。

インレットアダプタ２０９の側壁２０８には、処理室２０１内のガスおよび空気を排気する排気口２３０が設けられている。処理室２０１内のガスおよび空気は、この排気口２３０から排気管２３１を経て基板処理装置１０１の外へ排気される。

インレットアダプタ２０９の下方には、ボート２１７のベース部材２１９が配置されている。このベース部材２１９は、インレットアダプタ２０９の下端に垂直方向下側から当接されるようになっており、インレットアダプタ２０９の下部開口部に外側に設けられた環状のフランジ２０６と、ベース部材２１９との間には気密部材としてのＯリング２２０が配置され、両者の間は気密にシールされている。

ベース部材２１９は処理室２０１の外部に設けられたボートエレベータ１１５によって垂直方向にシャフト１１７を昇降して、基板２００を保持したボート２１７が処理室２０１内に搬入搬出される。

ベース部材２１９には、回転軸２６５が回転自在に支持されている。回転軸２６５の上端部には、ボート支持台２１８が固定されている。

ボート支持台２１８は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されている。ボート支持台２１８上にボート２１７が設けられており、ボート２１７は例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料で構成されている。またボート２１７の底板２１０からは複数の支柱２１２が立設されている。支柱２１２の上部には天板２１１が固定されている。

複数の支柱２１２には一定の間隔で複数の切込みが形成され、切り込みに基板２００が水平に支持している。またボート２１７の下部には円盤状の断熱板３８０が一定の間隔で支柱２１２に支持されている。

回転軸２６５の下端部にはボート回転機構２６７が設けられている。ボート回転機構２６７が回転軸２６５を回転させることで、ボート２１７に保持された基板２００を回転させる。

断熱部材３５２の内側には、ガス導入路の一例であるガス予備加熱筒３６０が同心状に架台２１５に固定されている。このガス予備加熱筒３６０は例えば石英等の耐熱性材料で形成された中空の環状部材であり、垂直方向断面形状は縦長の矩形になっている。また、ガス予備加熱筒３６０の上部は断熱部材３５２の上端より上に位置しており、インナーチューブ３５０と隣接するように配置されている。

ガス予備加熱筒３６０の内側には、前述したボート２１７が配置されている。ガス予備加熱筒３６０の上端は、ボート２１７に支持された断熱板３８０の上部より下方に位置している。

ガス予備加熱筒３６０の下端部には、ガス導入口３４２が形成されており、ガス供給部材としてのガス供給管３４０が接続されている。ガス供給管３４０は架台２１５を貫通して、インレットアダプタ２０９の側壁２０８から処理室２０１の外へ延びている。

ガス予備加熱筒３６０の上端部には、ガス導入口３４２と反対側、つまりガス導入口３４２から導入されたガスのガス流路３７４の長さが同じになる位置にガス導出口３６４が形成されている。このガス導出口３６４は、ガス予備加熱筒３６０の上部に立設した噴出手段の一例である円筒状のノズル管３６２に通じている。

ノズル管３６２はボート２１７の天板２１１と同程度の高さであり、このノズル管３６２の周壁３６６には、複数のガス噴出孔３６８が形成されている。またノズル管３６２の下部には、ガス噴出孔３６８を形成していない無孔領域３７０が設けられている。

ここで、処理室２０１の外部からガス供給管３４０を流れてきたガスは、図３に示すように、ガス導入口３４２からガス予備加熱筒３６０内のガス流路３７４に流入する。ガス流路３７４に流入したガスは二方向へ分岐して、ガス導出口３６４へ到達する。ガス予備加熱筒３６０は、電磁誘導コイル２０７が誘導加熱したインナーチューブ３５０によって加熱されているため、ガス流路３７４を分岐して流れているガスは、ガス導出口３６４に到達するまでに均一に加熱される。従って、ガス供給管３４０からノズル管３６２に直接ガスを供給する構成と比較して、ガス予備加熱筒３６０を設けた分、ガス流路３７４が長くなり、より高い温度まで加熱することが可能となる。
また、ガス導入口３４２から導入されたガスのガス流路３７４の長さが同じになる位置にガス導出口３６４が形成されているため、ガス流路３７４を分岐して流れているガスは、ガス導出口３６４に到達するまでに均一に加熱することができる。
また、ガス予備加熱筒３６０の垂直方向断面形状を縦長の矩形に形成したことにより、ガス流路３７４の表面積を大きくすることができ、より効率的にガスを加熱することが可能となる。

ガス予備加熱筒３６０で加熱されたガスは、ガス導出口３６４からノズル管３６２へ流入する。ノズル管３６２へ流入したガスは、ガス噴出孔３６８に到達するまでの間に無孔領域３７０でさらに加熱され、その後ガス噴出孔３６８から処理室２０１内に噴出される。

処理室２０１内に噴出されたガスは、同程度にインナーチューブ３５０で加熱された基板２００と反応し、基板２００の表面上に堆積膜を成膜する。反応後のガスは、ボート２１７の下部に支持された断熱板３８０によって冷却されながら処理室２０１の下部に設けられた排気口２３０に向かって下降する。排気口２３０に到達したガスは、図示しないポンプによって処理室２０１の外へ排気される。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、複数の円盤状の断熱板３８０は一つの円柱体としてもよい。

また、処理室の加熱方法については、処理室にヒーターを貼り付けてもよく、アウターチューブの外周部にヒーターを配置して加熱してもよい。

さらに、噴出手段としては、ガス予備加熱筒３６０の上端にガス予備加熱筒３６０と同心状に円筒形状のガス噴出筒を設けてもよい。以上に説明した事項については、以下に記載する第２実施形態および第３実施形態についても同様である。

次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、ガス予備加熱筒３６１に設けられたガス導入口３６５およびガス導出口３６７は、仕切り壁３７２の近傍に仕切り壁３７２を挟んで形成されている。その他の処理炉２０１の構成は、第１実施形態で説明したとおりである。

図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように、中空部のガス流路３７４の一部を仕切り壁３７２で遮断することで、ガス導入口３６５から供給されたガスが、分岐することなく一方向にガス導出口３６７へ流れる。従って、ガスがノズル管３６２へ到達するまでの間に、ガスをより長い時間加熱することができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、仕切り壁３７２は、ガス流路３７４を一方向ガスが流れるのであれば、２箇所に設けられていてもよい。

次に、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、ガス予備加熱筒３６３はＣ字型の環状部材で構成されている。その他の処理炉２０１の構成は、第１実施形態で説明したとおりである。

第２実施形態ではガス予備加熱筒３６１の内部に仕切り壁３７２を設けることでガスが一方向に流れる構造としたが、本実施形態では環状であるガス予備加熱筒３６３を分断して、図５（Ｂ）に示すように上面図がアルファベットのＣを模した形状となっている。このガス予備加熱筒３６３の一端にガス導入口３６９を形成し、他端にガス導出口３７１を形成することでガスが一方向に流れる構造となっている。

本実施形態では、ガス導入口３６９から供給されたガスが、ガス流路３７４を分岐することなく一方向にガス導出口３７１へ流れるため、第１実施形態と比べて、ガス流路３７４が長いため、より長い時間加熱することができる。また、ガス予備加熱筒３６０を分断してガス流路を形成するため、ガス導入口３４２およびガス導出口３６４を形成する手間が省け、製作コストを低減することができる。なお、ガス導入口３６９へガス供給管３４０を接続し、またガス導出口３７１へノズル管３６２を接続した後、ガス導入口３６９とガス導出口３７１とは図示しないプレートで閉じられる。

（本発明の好ましい態様）
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
本発明の好ましい一態様によれば、
加熱手段で加熱される中空の環状部材を備え、
環状部材は、ガスを噴出する噴出手段が接続される噴出側接続部と、
ガスが供給される供給側接続部を有する、ガス予備加熱筒が提供される。

（付記２）
本発明の好ましい一態様によれば、
基板とガスとを反応させる処理室と、
前記処理室の内部に設けられ、基板を保持する基板保持部材と、
前記処理室を加熱する加熱手段と、
前記処理室の内部に設けられ、ガスを噴出する噴出手段と、
前記処理室の内部に設けられ、前記噴出手段にガスを供給すると共に前記加熱手段で加熱されるガス導入路と、
前記ガス導入路にガスを供給するガス供給部材と、
を有する基板処理装置が提供される。

（付記３）
付記２に記載のガス導入路であって、中空の環状部材で構成されている。

（付記４）
付記３に記載のガス導入路であって、垂直方向断面形状が縦長の矩形である。

（付記５）
付記４に記載のガス導入路であって、前記ガス供給部材から供給されたガスが、分岐して噴出手段まで至るガス流路の距離が等しくなるように、前記ガス供給部材の接続口と前記噴出手段の接続口が形成されている。

（付記６）
付記４に記載のガス導入路であって、前記ガス流路に仕切り壁を設け、前記ガス供給部材から供給されたガスが一方向へガス流路を流れるように、前記ガス供給部材の接続口と前記噴出手段の接続口が形成されている。

（付記７）
付記４に記載のガス導入路であって、前記ガス導入路を分断し、ガスが前記ガス導入路の一端から前記ガス導入路の他端まで一方向へガス流路を流れるように、前記ガス供給部材の接続口と前記噴出手段の接続口が形成されている。

（付記８）
付記４〜７の何れか１に記載のガス導入路を有する基板処理装置であって、前記処理室は、下端が開口している円筒体と、前記円筒体の下端に設けられ、前記円筒体を密閉する密閉手段と、を備え、
前記加熱手段は、前記円筒体の内部に設けられ、下端が開口した導電性の筒状部材と、前記円筒体の外側に設けられ、前記筒状部材を誘導加熱する電磁誘導コイルと、を備え、
前記噴出手段は、前記筒状部材の内部に直立し、側面に複数の噴出孔を有すると共に、下部に噴出孔のない領域を設けたノズル管であって、
前記ガス導入路は、前記ノズル管の下部が接続され、前記筒状部材の内周壁に沿って配置された環状部材であり、
前記基板保持部材は、前記筒状部材の中央に位置し、基板を隙間を空けて段状に保持する棚材である。

（付記９）
付記８の基板処理装置であって、前記筒状部材の下端と前記密閉手段とを接続する第１の断熱部材が形成され、
前記環状部材の上部が、前記筒状部材の下部より上方に位置し、
前記環状部材の下部が、前記筒状部材の下部より下方に位置している。

（付記１０）
付記９の基板処理装置であって、前記棚材の下部に設けられると共に、前記環状部材の上部より上方に配置された第２の断熱部材を有する。

（付記１１）
付記２〜９に記載された基板処理装置を用い、基板を保持した前記基板保持部材を前記処理室に下方より挿入して前記処理室を密閉し、前記加熱手段によって処理室を加熱すると共に前記ガス導入路と前記噴出手段を加熱し、噴出手段から噴出する加熱されたガスと基板とを高温雰囲気で反応させる基板処理方法。

なお、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１０１基板処理装置
２０１処理室
２０７電磁誘導コイル（加熱手段）
２１７ボート（基板保持部材）
３４０ガス供給管（ガス供給部材）
３４２ガス導入口
３５０インナーチューブ（加熱手段）
３５２断熱部材（第１の断熱部材）
３６０ガス予備加熱筒（ガス導入路）
３６１ガス予備加熱筒（ガス導入路）
３６２ノズル管（噴出手段）
３６３ガス予備加熱筒（ガス導入路）
３６４ガス導出口
３６５ガス導入口
３６７ガス導出口
３６９ガス導入口
３７１ガス導出口
３７２仕切り壁
３７４ガス流路
３８０断熱板（第２の断熱部材）

Claims

加熱手段で加熱される中空の環状部材を備え、
環状部材は、ガスを噴出する噴出手段が接続される噴出側接続部と、
ガスが供給される供給側接続部とを有する、ガス予備加熱筒。
基板とガスとを反応させる処理室と、
前記処理室の内部に設けられ、基板を保持する基板保持部材と、
前記処理室を加熱する加熱手段と、
前記処理室の内部に設けられ、ガスを噴出する噴出手段と、
前記処理室の内部に設けられ、前記噴出手段にガスを供給すると共に前記加熱手段で加熱されるガス導入路と、
前記ガス導入路にガスを供給するガス供給部材と、
を有する基板処理装置。
請求項２に記載された基板処理装置を用い、基板を保持した前記基板保持部材を前記処理室に下方より挿入して前記処理室を密閉し、前記加熱手段によって処理室を加熱すると共に前記ガス導入路と前記噴出手段を加熱し、噴出手段から噴出する加熱されたガスと基板とを高温雰囲気で反応させる基板処理方法。