JP3572247B2 - 半導体熱処理炉用ガス導入管 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体熱処理炉用ガス導入管に係わり、特にその一部にCVD−SiC管を用いた半導体熱処理炉用ガス導入管に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体のLP−CVD、アニール等の熱処理工程は、縦型半導体熱処理炉を用いて行われている。この縦型半導体熱処理炉には、縦型に配置された炉芯管の処理空間に処理ガスを導入するためのガス導入管が設けられていた。図4に示すように、従来のガス導入管21は、純度、加工性に優れていることから石英ガラス製の管体でほぼL字形状をなし、炉芯管内に延伸する垂直部21vと、屈曲部21cと、炉芯管の底部近傍に配置される水平部21hを有している。
【0003】
そして、縦型半導体熱処理炉においては、縦型ボートの縦方向に配列された半導体ウェーハへの堆積膜の均一性を高めるために、導入管21を長くして、開口部を高い位置に設けた導入管21を、従来の高さを有する他の導入管と共に、配置するようになっている。
【0004】
このような縦型半導体熱処理炉は、単なるポリシリコンの堆積膜に用いるのみならず、より厳密な均一性を要求されるボロンやリンなどのドープドポリシリコン膜を半導体ウェーハ上に形成するのにも用いられる。
【0005】
このように、導入管21を長くすればする程、この導入管自身の外壁にも、堆積膜が多く堆積される。すると、従来の石英ガラス管であると、この石英ガラス管と堆積膜を形成する材料の熱膨張係数の違いから、外壁および内壁に堆積した堆積膜が部分的に剥がれるなどして、パーティクルの要因となり、半導体ウェーハの製造歩留を低下させていた。また、導入管21の使用後にHFなどを用いて洗浄して繰返し使用するが、洗浄時、石英ガラスが溶出し、その使用寿命を短縮する問題もある。
【0006】
そこで、この問題点を解消する方策として、特許第2990670号に記載されるように、CVD−SiC膜のみからなるL字状の導入管を検討した。この導入管の製造方法は、例えば、図5に示すように、炭素基材をL字状の円柱体22に加工した後に、3点支持して、CVD炉内に配置し、この外表面にCVD−SiCコートし、炉外で、炭素基材を焼き抜く方法で行われるが、このような方法によると、炭素円柱体22が撓むことで、ストレートな導入管を得にくいという問題がある。また、上記焼き抜きの前には、導入管の寸法を精度良くするために端部を加工する必要があるが、複雑形状であるため、高精度の加工が困難であるなどの問題がある。
【0007】
さらに、CVD−SiC膜のみからなる導入管において、炉芯管を貫通するチューブアダプタと当接する部分のシール性を高めるために、導入管の当該当接部を高精度に平坦化加工する必要があるが、この加工に多くの労力を要する。また、この導入管において、上述のように堆積膜が外壁および内壁にも堆積し、付着するために、これを酸洗浄によって、除去することで、繰返し使用されるが、L字状であるため、特に、角部内部の洗浄が容易でなく、堆積膜が完全に除去できず、パーティクルが発生する危険があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
そこで堆積した堆積膜の部分的剥離を防止することにより、パーティクルをなくし、半導体ウェーハの製造歩留を向上させ、さらに、製造が容易であり、使用時の洗浄が容易な導入管が要望されていた。
【0009】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、特に、堆積した堆積膜の部分的剥離を防止することにより、パーティクルをなくし、半導体ウェーハの製造歩留を向上させ、さらに、製造が容易であり、使用時の洗浄が容易な導入管を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項1の発明は、L字状の石英ガラス管と、この石英ガラス管の一端に接合されたストレート状のCVD−SiC管とを有し、前記石英ガラス管は、その一端部に外周先細のテーパ部が形成され、このテーパ部が1/5〜1/15のテーパを有し、かつその屈曲部の管壁の肉厚は全周に亘り等しく、かつ、水平部の管壁の肉厚の1.2〜4.5倍であり、前記CVD−SiC管は、その一端部の内周先太のテーパ部が1/5〜1/15のテーパを有し、その内表面粗さがRa≦5μmであり、前記接合は、少なくともCVD−SiC管の一端部に形成されたテーパ部を石英ガラス管の一端部に嵌合することにより行われることを特徴とする半導体熱処理炉用ガス導入管であることを要旨としている。
【0011】
好適な一例では、前記石英ガラス管の外表面粗さがRaで2μm以上である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管の実施形態について図面を参照して説明する。
【0015】
図1は縦型半導体熱処理炉1の概略図であり、この縦型半導体熱処理炉1は、全体的に円筒形状の炉芯管2を有している。この炉芯管2は下方に開口3を有し、この開口3からウェーハボート4に搭載された多数の半導体ウェーハWが出し入れされる構成になっている。炉芯管2は石英ガラスで構成されており、その内部に処理空間5が形成されている。
【0016】
処理空間5内には、ガス導入長管6とガス導入短管7が設けられており、所定の処理用ガスを処理空間5内に導入できるようになっている。
【0017】
ガス導入長管6は、図2に示すようなL字状の石英ガラス管6Lと、図3に示すようなストレート状のCVD−SiC管6Sとで構成されている。
【0018】
石英ガラス管6Lは、炉芯管2に水平に配置される水平部6Lhと、90°の屈曲する屈曲部6Lcと、炉芯管2に垂直に配置される垂直部6Lvとで形成されている。石英ガラス管の一端部、すなわち、垂直部6Lvには外周先細のテーパ部6Ltが形成され、このテーパ部6Ltは1/5〜1/15のテーパを有している。また、屈曲部6Lcの管壁は、各垂直断面において肉厚が等しく、かつ、水平部6Lhの管壁の肉厚の1.2〜4.5倍である。
【0019】
このような屈曲部6Lcを有する石英ガラス管6Lとすることによって、ガス導入管をテーパ部に嵌合した場合にも、十分耐え得る強度が得られる。水平部6Lhの管壁の肉厚の4.5倍を超えると、かえって重量増加を招き好ましくない。
【0020】
CVD−SiC管6Sは次のようにして製造される。例えば、ストレートな円柱形状の炭素基材を用意し、一端部に外周先太のテーパ部が形成されるように外周加工し、しかる後、通常のCVD(Chemical vapor deposition)により、炭素基材上にSiCを0.7〜2.0mm堆積させる。さらに、長さ寸法合わせの加工を行なった後、酸化性雰囲気900℃で炭素基材の焼き抜きを行い、さらに、テーパ部内周面の研磨加工を行った後、洗浄を行うことにより製造される。このようにして製造されたCVD−SiC管6SはCVD−SiC膜のみで形成される。なお、基材としては、モリブデン、タングステン製のものを用いることもできる。
【0021】
このとき、CVD−SiC管6Sの内表面粗さがRa≦5μmに制御される。このように内表面粗さがRa≦5μmにすることにより、CVD−SiC管6Sと石英ガラス管6Lの嵌合部でのがたつきがなく、嵌合部の熱伝達も良くなり、SiCの高熱伝導性の特性を活かし、局部熱応力を緩和することができる。また、外表面粗さをRa≧2μmに制御するのが好ましい。これにより、CVD−SiC管6Sの外表面から例えばドープドポリシリコン膜が剥離し難くなり発生するダストを削減することができる。
【0022】
さらに、CVD−SiC管6Sの一端部には内周先太のテーパ部6Stが形成され、このテーパ部6Stも、上記垂直部6Lvのテーパ部6Ltと同様に1/5〜1/15のテーパを有しており、また、他端には処理ガス噴出口6Spが形成されている。
【0023】
ガス導入短管7も、図2に示すようなガス導入長管6の石英ガラス管6Lと同様の石英ガラス管7Lと、この石英ガラス管7Lの一端部に嵌合し、図3に示すようなガス導入長管6のCVD−SiC管6Sと同様のCVD−SiC管7Sとで構成され、他端には処理ガス噴出口7Spが設けられている。ただし、CVD−SiC管7Sの長さは、CVD−SiC管6Sの長さが約700〜1000mmであるのに対して、約100mmである。
【0024】
このように、石英ガラス管の一端部に形成された外周先細のテーパ部に一端部が内周先太のテーパ部を有するCVD−SiC管を上方より被せる(嵌合する)構造であるために、管内部にガス滞留が生じることもなく、内表面でのポリシリコン膜の付着がほとんど生じることがない。
【0025】
ガス導入長管6およびガス導入短管7は、各々炉芯管2を貫通するSUS製チューブアダプタ(水冷ジャケット)8、9に石英ガラス管6L、7Lを介して取り付けられ、さらに、チューブアダプタ8、9を介して、外部の処理ガス供給源(図示せず)に接続されている。このガス導入長管6およびガス導入短管7をチューブアダプタ8、9に取り付ける際、石英ガラス管6L、7Lを介して行うので、CVD−SiCに比べてはるかに加工し易い石英ガラスを加工すれば良く、その取り付け作業も容易になる。
【0026】
なお、10は昇降自在に設けられた昇降装置であり、11は昇降装置10に載置されたボートテーブルであり、このボートテーブル11には上記ウェーハボート4が載置される。また、12は炉芯管2を加熱するヒータ、13は処理ガスの排気口である。
【0027】
また、本発明のガス導入管においては、炉芯管を貫通するチューブアダプタと当接する部分が、表面が滑らかな通常の石英ガラスであるため、特別な外周面加工を行うこともなくシール性を高めることができる。
【0028】
次に本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管が設けられた縦型半導体熱処理炉を用いた半導体ウェーハの熱処理について説明する。
【0029】
半導体ウェーハWが搭載されたウェーハボート4を、昇降装置10に載置されたボートテーブル11に乗せて、ヒータ12により加熱された炉芯管2に収納する。しかる後、さらに炉芯管2内の温度を上げ、加熱されたボロンがドープされた処理ガスをガス導入長管6およびガス導入短管7から処理ガス噴出口6Sp、7Spを介して炉芯管2内に導入する。導入された処理ガスにより、シリコン膜を半導体ウェーハW上に堆積させ、その後、処理ガスを排気口13から排気する。
【0030】
この処理工程において、CVD−SiC管6S、7Sの外壁および内壁に処理ガスから生じるシリコン膜が堆積するが、CVD−SiC管6S、7S自身がCVD法により形成されたSiC(膜)材料(CVD−SiC)のみで形成されており、SiCの熱膨張係数と堆積したシリコン膜の熱膨張係数の差が大きくないので、ヒートサイクルにより、熱膨張係数の差から付着したシリコン膜の破断、部分的剥離を防止することにより、炉芯管2内のパーティクルを70%減じることができ、半導体ウェーハの製造歩留を向上させることができる。また、導入管6、7の使用後にHFなどを用いて洗浄して繰返し使用するが、洗浄時SiCは溶出せず、従来の石英ガラス製ガス導入管に比べ約20倍の長寿命化が図れる。
【0031】
また、石英ガラス管6L、7LとCVD−SiC管6S、7Sの接合は1/5〜1/15のテーパを有するテーパ部6Lt、6Stを用いた嵌合により行われる場合、CVD−SiC管6S、7Sの重力により気密かつ確実に接合され、さらに、取り外し時にも抜けが良く、分解時の破損事故なども防止できる。また、接合は熱膨張係数の差を有する石英ガラスとCVD−SiCの嵌合により行われるので、同一温度での熱膨張差により密着性が向上する。
【0032】
さらに、使用時、あるいは、搬送時など取扱い時に石英ガラス管6L、7Lが破損しても、石英ガラス管6L、7LまたはCVD−SiC管6S、7Sの破損側のみを交換すればよいので、経済的である。
【0033】
なお、上述した実施形態では、縦型半導体熱処理炉用ガス導入管について説明したが、本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管は、横型半導体熱処理炉用ガス導入管としても用いることができ、この場合には、CVD−SiC管の処理ガス噴出口近傍を支持する支持部材を別途設け、CVD−SiC管を安定化させるのが好ましい。
【0034】
【実施例】
(試験方法)
垂直部長さ45mmの石英L字インジェクションと、テーパまたはテーパ部内表面の表面粗さを変化させた長さ935mmのCVD−SiCインジェクションとをテーパ嵌合して950mmの高さのL字インジェクションを作製した。これらL字インジェクションの▲1▼テーパ嵌合の着脱時の作業性 ▲2▼嵌合個所の気密性
について調べた。
【0035】
(試験結果)
実施例1:テーパ1/4にした実施例1では、嵌合の際、SiCインジェクタの鉛直方向(縦型炉の場合)を向かず、炉芯管やボートにインジェクタ先端が接触してしまう可能性があり、また、鉛直方向から反れた場合、テーパ嵌合部からリークの可能性があることが確認された。
【0036】
実施例2:テーパ1/5にした実施例2では、嵌合した950mmインジェクタの先端が鉛直方向から反れる幅は、最大で1mmであった。また、350℃減圧下の使用においても、リークは検出されなかった。
【0037】
実施例3:テーパ1/10にした実施例3では、嵌合した950mmインジェクタの先端が鉛直方向から反れる幅は、最大で0.4mmであった。また、350℃減圧下の使用においても、リークは検出されなかった。
【0038】
実施例4:テーパ1/15にした実施例4では、嵌合した950mmインジェクタの先端が鉛直方向から反れる幅は、最大で0.05mmであった。また、350℃減圧下の使用においても、リークは検出されなかった。しかし、冷却後の分解時に、力を加えないと外れない状態になる場合もあったが、割れは見られなかった。
【0039】
実施例5:テーパ1/18にした実施例5では、容易に鉛直方向が出せるが、熱が加わったとき、熱膨張差による焼嵌(CTE外周材料>CTE内周材料の場合、加熱時に拡張した状態となったまま、これが冷却されると、外周材料が内周材料を圧縮すること)が発生し、強度の小さい石英インジェクタが抜けなくなったり、割れたりする可能性が高いことが確認された。
【0040】
実施例6:上記実施例2を用い、そのテーパ部内表面の表面粗さをRa=10mmとした実施例6では、350℃減圧下でインジェクタ内を通るガスのリークは検出されなかった。しかし、使用後の取り外し時にテーパ部にポリシリコンが付着する可能性が高いことが確認された。
【0041】
実施例7:上記実施例2、実施例3および実施例4を用い、そのテーパ部内表面の表面粗さをRa=5mmとした実施例7では、いずれのインジェクタ共、常温でも、350℃減圧下でもガスリークは検出されなかった。また、プロセスガスのテーパ部への回り込みも検出されなかった。
【0042】
【発明の効果】
本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管によれば、堆積した堆積膜の部分的剥離を防止することにより、パーティクルをなくし、ウェーハの製造歩留を向上させ、さらに、製造が容易で、使用時の洗浄が容易な導入管を提供することができる。
【0043】
すなわち、L字状の石英ガラス管と、この石英ガラス管の一端に接合されたストレート状のCVD−SiC管とを有し、接合は、少なくともCVD−SiC管の一端部に形成されたテーパ部を石英ガラス管の一端部に嵌合することにより行われるので、ヒートサイクルにより、熱膨張係数の差から付着したシリコン膜が破断、剥離を減少させることができて、炉芯管内のパーティクルを減じることができ、半導体ウェーハの製造歩留を向上させることができる。また、導入管の使用後にHFなどを用いて洗浄して繰返し使用するが、洗浄時SiCは溶出せず、従来に比べ長寿命化が図れる。
【0044】
また、石英ガラス管の外周先細の一端部にテーパ部が形成され、このテーパ部およびCVD−SiC管の内周先太の一端部のテーパ部は、共に1/5〜1/15のテーパを有するので、CVD−SiC管の重力により気密かつ確実に接合され、さらに、取り外し時にも抜けが良く、分解時の破損事故なども防止できる。また、接合は熱膨張係数の差を有する石英ガラスとCVD−SiCの嵌合により行われるので、熱膨張差や膜の回り込みにより密着性が向上する。
【0045】
また、石英ガラス管に形成された屈曲部の管壁の肉厚は、全周に亘り等しく、かつ、水平部の管壁の肉厚の1.2〜4.5倍であるので、処理ガスに対する流通抵抗を小さくすることができ、さらに、CVD−SiC管の重力を十分に支えることができる。
【0046】
また、CVD−SiC管の内表面粗さがRa≦5μmであるので、CVD−SiC管と石英ガラス管の嵌合部でのがたつきがなく、嵌合部の熱伝達も良くなり、SiCの高熱伝導性の特性を活かし、局部熱応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管を用いた縦型半導体熱処理炉の概念図。
【図2】本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管の石英ガラス管の断面図。
【図3】本発明に係わる半導体熱処理炉用ガス導入管のCVD−SiC管の断面図。
【図4】従来の半導体熱処理炉用石英ガラス製ガス導入管の断面図。
【図5】従来の導入管の製造に用いられる円柱体の斜視図。
【符号の説明】
1 縦型半導体熱処理炉
2 炉芯管
3 開口
4 ウェーハボート
5 処理空間
6 ガス導入長管
6L 石英ガラス管
6Lh 水平部
6Lc 屈曲部
6Lv 垂直部
6Lt テーパ部
6S CVD−SiC管
6St テーパ部
6Sp 処理ガス噴出口
7 ガス導入短管
7L 石英ガラス管
7S CVD−SiC管
7Sp 処理ガス噴出口
8 チューブアダプタ
9 チューブアダプタ
10 昇降装置
11 ボートテーブル
12 ヒータ
13 排気口
W 半導体ウェーハ
Claims (2)
- L字状の石英ガラス管と、この石英ガラス管の一端に接合されたストレート状のCVD−SiC管とを有し、前記石英ガラス管は、その一端部に外周先細のテーパ部が形成され、このテーパ部が1/5〜1/15のテーパを有し、かつその屈曲部の管壁の肉厚は全周に亘り等しく、かつ、水平部の管壁の肉厚の1.2〜4.5倍であり、前記CVD−SiC管は、その一端部の内周先太のテーパ部が1/5〜1/15のテーパを有し、その内表面粗さがRa≦5μmであり、前記接合は、少なくともCVD−SiC管の一端部に形成されたテーパ部を石英ガラス管の一端部に嵌合することにより行われることを特徴とする半導体熱処理炉用ガス導入管。
- 前記石英ガラス管の外表面粗さがRaで2μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体熱処理炉用ガス導入管。
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