JP3423254B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば真空雰囲気
にてＣＶＤ（Chemical vapor deposition ）処理を行う
真空処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスである成
膜プロセスの一つに減圧ＣＶＤと呼ばれる処理がある。
この手法は反応管内を減圧状態にしながら処理ガスを導
入して化学的気相反応によりウエハの表面に成膜するも
のであり、真空雰囲気で処理を行うためウエハ間の狭い
間隔にも十分処理ガスが到達するために多数枚のウエハ
を一度に処理できる利点がある。

【０００３】このような成膜プロセスをバッチで行う装
置の一つとして縦型熱処理装置がある。この装置は、筒
状のマニホ−ルドの上に設けられた縦型の反応管と、こ
の反応管を囲むように設けられたヒ−タと、マニホ−ル
ドを通じて突入されたガス導入管と、マニホ−ルドに接
続された排気管とを備え、ウエハボ−トと呼ばれる保持
具に多数枚のウエハを棚状に保持させてマニホ−ルドの
下端の開口部から反応管内に搬入させて成膜処理を行う
ものである。

【０００４】具体的なプロセスの一例を挙げると、例え
ば層間絶縁膜である窒化シリコン膜を成膜する場合、７
８０℃程度の加熱雰囲気及び０．１〜１Ｔｏｒｒ程度の
真空雰囲気下で成膜処理を行い、その後前記ガス導入管
から反応管内にパ−ジガスとして窒素ガスを導入して反
応管内を常圧に戻し、しかる後マニホ−ルドの下端の開
口部を塞いでいる蓋体を開き、ウエハを搬出する。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】ところでＣＶＤ処
理では装置部分、即ち反応管及びマニホ−ルドの内壁
や、ウエハボ−トの下に設けられている、保温筒などと
呼ばれている断熱体にも成膜されるため、反応管内を常
圧に戻すために真空雰囲気下でいきなりガス導入管から
窒素ガスを大量に導入すると、ガスの乱流が形成される
ので装置部分に付着している反応生成物が剥がれて、パ
−ティクルとなって巻き上がり、ウエハ上にパーティク
ルが付着してしまう。このため例えば先ず１５００ｓｃ
ｃｍ程度で２分間導入し、次いで２５００ｓｃｃｍ程度
で５分間導入し、更に６０００ｓｃｃｍ程度で常圧にな
るまで導入するといった具合に段階的に窒素ガスを導入
するようにしている。このため８インチサイズウエハで
あれば常圧復帰までに例えば１５分もの長い時間がかか
るため、スル−プットの低下の要因の一つになってい
る。そして今後ウエハサイズが１２インチ、１６インチ
と大口径化していくと、反応管の容積が大きくなって益
々その時間が長くなり、スル−プットへの影響が大きく
なる。

【０００６】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたものであり、その目的はパ−ティクルの巻き上げを
抑え、真空処理後にパ−ジガスにより真空室（バッチ式
で熱処理を行う真空処理装置であれば反応容器）内をパ
−ジする時間、すなわち真空からの常圧復帰時間を短縮
することのできる技術を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、被処
理体を反応容器内に搬入し、当該反応容器内を加熱手段
により加熱すると共に反応容器内を真空排気しながら前
記反応容器内に処理ガスを導入して、被処理体に対して
熱処理を行い、次いで反応容器内にパ−ジガスを導入し
て反応容器内を常圧雰囲気とした後、搬入出口を開けて
被処理体を反応容器内から搬出する装置において、前記
パ−ジガスを前記反応容器内に導入するために反応容器
内に設けられた石英製のガス導入管と、このガス導入管
のガス導入口を覆うように当該ガス導入管に溶融して固
着され、シリカ粒子を焼結して形成したシリカ多孔質層
と、を備えたことを特徴とする。

【０００８】本発明は、例えば複数の被処理体が保持具
に保持されて反応容器内に搬入される例えば縦型熱処理
装置に適用される。この場合例えば反応容器は、内管と
外管とからなる二重構造の縦型の反応管と、前記内管の
下端に連通する搬入出口とを備えると共に、前記内管と
外管との隙間から排気されるように構成され、ガス導入
管は、前記内管の内側にパ−ジガスを導入するように設
けられる。

【０００９】またシリカ多孔質層は、平均細孔径が２μ
ｍ〜８０μｍであることが好ましい。更に前記ガス導入
管は、パ−ジガス導入管と処理ガス導入管とを共用する
ようにしてもよい。

【００１０】本発明によれば、真空処理例えば真空雰囲
気下での成膜処理を行った後、シリカ多孔質層を通じて
パ−ジガスが導入されるため、流量を大きくしてもパ−
ジガスの流れが分散されて流速が抑えられた状態とな
り、従ってパ−ティクルの巻き上がりを抑えながら短時
間で真空室内を常圧雰囲気に戻すことができる。

【００１１】なお請求項２の発明において、既述の二重
構造の反応管を用いると共に、内管と外管との間にパ−
ジガスを導入するためのガス導入管を設ける場合がある
が、このガス導入管のガス導入口を覆うようにシリカ多
孔質層を設けるようにすれば、やはりパ−ティクルの巻
き上がりを抑えることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明を縦型熱処理装置に
適用した実施の形態を示す図である。図１中１は、例え
ば石英で作られた内管１ａ及び外管１ｂよりなる二重管
構造の反応管であり、この反応管１の周囲にはこれを取
り囲むようにヒータ２が設けられると共に、反応管１の
下部側には金属製の筒状のマニホールド３が設けられて
いる。前記内管１ａは上端が開口されており、マニホー
ルド３の内方側にて支持されている。外管１ｂは上端が
塞がれており、下端がマニホールド３の上端に気密に接
合されている。この例では、内管１ａ、外管１ｂ及びマ
ニホ−ルド３により反応容器が構成されている。３１は
ベ−スプレ−トである。

【００１３】マニホールド３には、処理ガス及びパ−ジ
ガスを内管２ａの内方側に供給するための複数のガス導
入管４と、内管２ａ及び外管２ｂの間に薄膜付着抑制用
のガスを供給するためのガス導入管５が突入して設けら
れている。これらガス導入管４及び５については後で詳
述する。更に前記マニホールド３には、内管１ａ及び外
管１ｂの間に開口するように排気管３２が接続されてお
り、図示しない真空ポンプにより反応容器内が真空引き
されるようになっている。

【００１４】前記反応管１内には、多数枚例えば１００
枚程度のウエハＷが各々水平な状態で上下に間隔をおい
て保持具であるウエハボート１１に載置されており、こ
のウエハボート１１は蓋体１２の上に保温筒（断熱体）
１３を介して保持されている。前記蓋体１２は、ウエハ
ボート１１を反応管１内に搬入、搬出するためのボ−ト
エレベ−タ１４の上に搭載されており、上限位置にある
ときにはマニホールド３の下端開口部、即ち反応管１と
マニホールド３とで構成される容器の下端開口部を閉塞
する役割をもつものである。

【００１５】次ぎに前記ガス導入管４、５について詳述
する。ガス導入管４は、図２及び図３にも示すように例
えば石英管４１を図１におけるマニホ−ルド３の外部か
ら内部に突入しその先端部を上方に屈曲して構成され、
このガス導入管４の先端開口部であるガス導入口４２を
覆うようにセラミック多孔質層であるシリカ多孔質層６
が設けられている。即ちこの例では、シリカ多孔質層６
は、上端が塞がれた筒状体として構成され、この筒状体
の開口端と石英管４１のガス導入口４２をなす開口端と
が溶融して固着されている。なおガス導入管４は、マニ
ホ−ルド３の周方向に複数本配列されており（図１では
２本のガス導入管４が示されている）、複数のガスが夫
々のガス導入管４から反応容器内に導入されるようにな
っている。そしてこれらガス導入管４のうちの１本ある
いは２本以上はパ−ジガスとしての窒素ガス（Ｎ2 ガ
ス）の導入管及び処理ガスの導入管を共用している。

【００１６】シリカ多孔質層６は、例えば厚さが１〜３
ｍｍ、外径が５〜１０ｍｍ、長さが１０〜５０ｍｍとし
て形成される。なお図３には、外径がおよそ１０ｍｍの
石英管に外径が６ｍｍの石英管を接合し、その先端をＬ
字状に屈曲し更にその先端にシリカ多孔質層６を接合し
た例を示してある。そしてシリカ多孔質層６の平均細孔
径は２μｍ以上の大きさであることが好ましい。平均細
孔径とは、図４に示すようにシリカの微粒子６１同士の
隙間に球６２を詰めたときにその球６２の直径の平均値
であり、これは微粒子６１の大きさで決まってくる。平
均細孔径が２μｍのシリカ多孔質層６を製造する場合に
は例えば５〜１０μｍ径のシリカ粒子が用いられ、平均
細孔径が１０μｍのシリカ多孔質層６を製造する場合に
は例えば３０〜５０μｍ径のシリカ粒子が用いられ、平
均細孔径が８０μｍのシリカ多孔質層６を製造する場合
には例えば１０〜４００μｍ径のシリカ粒子が用いられ
る。また焼成温度は例えば１２５０〜１４００℃に設定
される。

【００１７】平均細孔径が２μｍ以上であることが好ま
しい理由の一つには、細孔径を小さくしすぎると圧力損
失が大きくてガスの流速が小さくなり過ぎ、パ−ジガス
である窒素ガスを反応容器内に導入して常圧に復帰させ
るときに長い時間がかかってしまうことが挙げられる。
一方シリカ多孔質層６の長さを大きくすると脆くなるの
であまり大きくできず、また本例の場合先端位置が高く
なると、高温になるので反応生成物が堆積してしまう。
このようにシリカ多孔質層を大きくすることは得策でな
いため、平均細孔径を２μｍとすることが好ましい。

【００１８】更に他の理由としては、ガス導入管４がパ
−ジガスの導入と成膜ガスの導入とを共用しているの
で、例えば窒化シリコン膜を成膜するときに用いるアン
モニアガスが細孔に付着し、また管内に残存し、これを
パ−ジガスの導入時に押し出すことができない場合があ
るからである。また平均細孔径があまり大きすぎるとガ
スの流れが乱れてしまうので８０μｍ以下であることが
好ましい。

【００１９】なお内管１ａ及び外管１ｂとの間に設けら
れたガス導入管５も例えば前記ガス導入管４と同様に構
成され、先端部に前記シリカ多孔質層６１と同様なシリ
カ多孔質層５１が設けられている。

【００２０】次に上述の装置の作用について窒化シリコ
ン膜を成膜する場合を例にとって図５を参照しながら述
べる。例えば１００枚の被処理体であるウエハＷをウエ
ハボート１１に載せて、昇降台１４を上昇させることに
より反応管１内に（反応容器内に）下端開口部より搬入
し、蓋体１２によりマニホ−ルド３の下端開口部つまり
反応容器のウエハ搬入出口を気密に封止する（ステップ
１）。次いで図示しない真空ポンプにより排気管３２を
通じて反応容器内を例えば０．００３〜０．００５Ｔｏ
ｒｒ程度の圧力まで真空引きする（ステップ２）。そし
て例えば７８０℃の加熱雰囲気下で成膜ガスとしてジク
ロルシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）ガスとアンモニア（ＮＨ
3 ）ガスとを夫々ガス導入管４からおのおの例えば９０
ｓｃｃｍ程度および９００ｓｃｃｍ程度の流量で内管１
ａ内に導入して圧力を０．１〜１Ｔｏｒｒとし、これに
よりウエハＷの表面に窒化シリコン膜が形成される。こ
のときガス導入管５から例えば窒素ガスが１００ｓｃｃ
ｍ程度の流量で内管１ａと外管１ｂとの間に導入され、
この窒素ガスの流れによって未反応の成膜ガスと内管１
ａ、外管１ｂ及びマニホールド３の壁面との接触が妨げ
られ、この結果これら壁面への薄膜の付着が抑えられ
る。所定の窒化シリコン膜の成膜が終了後、上述の成膜
ガスおよび窒素ガスの導入を止め、この状態で真空引き
を継続することによりさらに圧力を低くして０．００３
〜０．００５Ｔｏｒｒとし、反応容器内の残留ガスを排
気する（ステップ３）。

【００２１】次いで真空引きを停止し、成膜時に成膜ガ
スを流していた２本のガス導入管４からパージガス例え
ば窒素ガスを内管１ａ内に導入すると共に、ガス導入管
５からも窒素ガスを流し続け、反応容器内を常圧に戻す
（ステップ４）。しかる後ボートエレベータ１４を降下
して反応容器の下端の搬入出口を開き、ウエハボート１
１を反応容器から搬出する（ステップ５）。

【００２２】このような実施の形態によれば、シリカ多
孔質層６から窒素ガスを流出させているので、ガス流量
を大きくしても窒素ガスが分散されて部分的にはその流
速が抑えられ、従って内管１ａやマニホールド３の壁面
及び保温筒１３の外面に付着している反応生成物（薄
膜）、特にガス導入管４の先端部に近い部位に付着して
いる薄膜であっても、薄膜を剥離し、巻き上げようとす
る作用が弱いので、パーティクルの巻き上げが抑えら
れ、ウエハＷ上へのパーティクル付着が軽減できる。

【００２３】そして既に詳述したようにシリカ多孔質層
６はガス導入管４の先端部に設けられるため表面積を小
さくすることが得策であるがシリカ多孔質層６の平均細
孔径が２μｍ以上であるから、表面積が小さくてもトー
タルでは大きな流量を確保でき、反応容器内を速やかに
常圧雰囲気に戻すことができ、スループットの向上を図
ることができる。またガス導入管４をパージガス導入管
及び成膜ガス（処理ガス）導入管として共用しても、成
膜ガスがシリカ多孔質層６の細孔に付着するおそれがな
い。

【００２４】更にガス導入管５についてもシリカ多孔質
層６を設けて常圧復帰工程時に内管１ａと外管１ｂとの
隙間から窒素ガスを反応容器内に導入すれば、前記隙間
に面した壁面に付着している反応生成物の巻き上げを抑
えながら、大きな流量で窒素ガスを導入することができ
る。なおシリカ多孔質層６を通して処理ガス（この例で
は成膜ガス）を反応容器内に導入しても問題はなく、む
しろガスが均一に拡散してウエハ面内均一性の高い処理
を行うことができる。

【００２５】以上においてガス導入管５についてはシリ
カ多孔質層６を設けなくともよいし、またガス導入管４
については、処理ガス（成膜ガス）導入管とパージガス
の導入管とを別々のものとし、パージガス導入管につい
てのみシリカ多孔質層６を設けてもよい。更にセラミッ
ク多孔質層としてはシリカを材質とすることに限定され
るものではなく、炭化ケイ素など他のセラミックスを用
いてもよい。また真空室内をフッ素系ガスによりセルフ
クリーニングを行う場合等にはセラミック多孔質層とし
ては耐食性に優れるアルミナ多孔質層を用いることが好
ましい。またパージガスとしては窒素ガス以外にアルゴ
ンガスやネオンガスなどの不活性ガスを用いてもよい。
更にまた本発明は縦型熱処理装置に限らず横型の熱処理
装置にも適用できるし、成膜以外にもエッチングなどの
真空処理を行うものであってもよく、またバッチ式の熱
処理装置に限らず枚葉式の熱処理装置あるいは常温雰囲
気で行う他の真空処理を行う装置に対しても適用でき
る。

【００２６】

【実施例】（実施例１）８インチサイズのウエハを１０
０〜１５０枚収納できる真空処理装置である既述の縦型
熱処理装置を用い、７８０℃の加熱雰囲気の反応容器内
に２本のガス導入管４から成膜ガスを導入するとともに
１本のガス導入管５から窒素ガスを導入して、真空引き
により０．４５Ｔｏｒｒの処理ガス雰囲気とした後、成
膜ガス及び窒素ガスの導入を停止して０．００５Ｔｏｒ
ｒの圧力とし、その後真空引きを停止してガス導入管
４、５から窒素ガスを導入し、常圧（７６０Ｔｏｒｒ）
に復帰するまでの時間を測定した。ただしシリカ多孔質
層６及び５１の厚さ（層の厚さ）は１ｍｍ、長さは４０
ｍｍ、外径は６ｍｍ、平均細孔径は２μｍである。また
窒素ガスの流量は、初めの１分間は１０００ｓｃｃｍと
し、それから徐々に増やして６０００ｓｃｃｍとし、以
後この流量を維持した。常圧に復帰するまでの時間は１
０分であった。

【００２７】（実施例２）シリカ多孔質層６及び５１の
平均細孔径を１０μｍとし、窒素ガスの流量を初めの１
分間は１０００ｓｃｃｍとし、それから徐々に増やして
２０，０００ｓｃｃｍとし、以後この流量を維持した他
は、実施例１と同様にして実験を行った。常圧に復帰す
るまでの時間は３．８分であった。

【００２８】（実施例３）シリカ多孔質層６及び５１の
平均細孔径を８０μｍとした他は、実施例２と同様にし
て実験を行った。

【００２９】また実施例１〜３においてウエハへのパー
ティクルの付着は許容範囲内であった。

【００３０】（比較例）ガス導入管４、５にシリカ多孔
質層６、５１を設けず、先端部を上記実施例のシリカ多
孔質層６、５１の先端部とほぼ同じ高さとした他は、上
記実施例と同様の装置構成とした。そしてパーティクル
の巻き上げを抑えるために窒素ガスの流量は初めの２分
間は１５００ｓｃｃｍ、次の５分間は２５００ｓｃｃ
ｍ、その後徐々に増やして６０００ｓｃｃｍとし、以後
この流量を維持した。常圧に復帰するまでの時間は１５
分であった。

【００３１】以上の実施例及び比較例からわかるよう
に、シリカ多孔質層６を設けることによって、熱処理後
の真空雰囲気から常圧に戻すまでの時間を大幅に短縮で
きる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、真空処理例えば真空雰
囲気下での成膜処理を行った後、セラミック多孔質層を
通じてパ−ジガスが導入されるため、流量を大きくして
もパ−ジガスの流れが分散されて流速が抑えられた状態
となり、従ってパ−ティクルの巻き上がりを抑えながら
短時間で真空室内を常圧雰囲気に戻すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を縦型熱処理装置に適用した実施の形態
を示す装置全体の断面図である。

【図２】ガス導入管及びセラミック多孔質層を示す斜視
図である。

【図３】ガス導入管及びセラミック多孔質層を示す断面
図である。

【図４】セラミック多孔質層の粒子間の細孔を示す説明
図である。

【図５】縦型熱処理装置を用いて行われる一連の処理を
示すフロ−図である。

【符号の説明】

１ 反応管 １ａ 内管 １ｂ 外管 １１ ウエハボ−ト １２ 蓋体 Ｗ ウエハ ２ ヒ−タ ４、５ ガス導入管 ６ セラミック多孔質層 ６１ 微粒子 ６２ 細孔径を決める球

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今泉 幸文 神奈川県秦野市曽屋30番地 東芝セラミ ックス株式会社 開発研究所内 (56)参考文献 特開 平10−97997（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−267898（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−31139（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 C23C 16/455 H01L 21/205

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体を反応容器内に搬入し、当該反
   応容器内を加熱手段により加熱すると共に反応容器内を
   真空排気しながら前記反応容器内に処理ガスを導入し
   て、被処理体に対して熱処理を行い、次いで反応容器内
   にパ−ジガスを導入して反応容器内を常圧雰囲気とした
   後、搬入出口を開けて被処理体を反応容器内から搬出す
   る装置において、 前記パ−ジガスを前記反応容器内に導入するために反応
   容器内に設けられた石英製のガス導入管と、 このガス導入管のガス導入口を覆うように当該ガス導入
   管に溶融して固着され、シリカ粒子を焼結して形成した
   シリカ多孔質層と、 を備えたことを特徴とする真空処理装置。
2. 【請求項２】 複数の被処理体が保持具に保持されて反
   応容器内に搬入されることを特徴とする請求項１記載の
   真空処理装置。
3. 【請求項３】 反応容器は、内管と外管とからなる二重
   構造の縦型の反応管と、前記内管の下端に連通する搬入
   出口とを備えると共に、前記内管と外管との隙間から排
   気されるように構成され、 ガス導入管は、前記内管の内側にパ−ジガスを導入する
   ように設けられていることを特徴とする請求項２記載の
   真空処理装置。
4. 【請求項４】 内管と外管との間にガス導入管を設け、
   このガス導入管のガス導入口を覆うようにシリカ多孔質
   層を設けたことを特徴とする請求項３記載の真空処理装
   置。
5. 【請求項５】 シリカ多孔質層は、平均細孔径が２μｍ
   〜８０μｍであることを特徴とする請求項１ないし４の
   いずれかに記載の真空処理装置。
6. 【請求項６】 ガス導入管は、パ−ジガス導入管と処理
   ガス導入管とを共用していることを特徴とする請求項１
   ないし５にいずれか記載の真空処理装置。