JP3798915B2 - 縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に対して酸化処理またはドーパントの拡散のための熱処理などをバッチ式で行う縦型熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の酸化処理または拡散処理に使用される縦型熱処理装置の構成を示す縦断面図である。この熱処理装置においては、被処理基板である半導体ウエハ（以下、ウエハとする）Ｗを棚状に複数枚保持してなる保持具であるウエハボート（以下、ボートとする）１１を、蓋体１２上の断熱部材１３上に取り付け、それを昇降機構であるボートエレベータ（以下、エレベータとする）１４により上昇させて縦型の反応管１５内に挿入し、その反応管１５の下端開口部を蓋体１２により気密に塞ぎ、処理ガスを供給管１６を介して反応管１５内のウエハＷに供給するとともに排気管１７により排気しながら常圧で、ヒータ１８により反応管１５を例えば１０００℃程度に加熱してウエハＷの加熱処理を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近時、半導体デバイスのさらなる高集積化を図るため、例えばウエハＷの表面に形成される酸化膜がますます薄膜化しており、従来よりも高い面内均一性を確保する必要性が生じている。そのため発明者は、鋭意検討を行った結果、ボート１１を回転させながら加熱して酸化膜を形成すると、より高い面内均一性が得られるとの知見を得た。
【０００４】
ボート１１を回転させるためには、蓋体１２を貫通する回転軸を設け、さらにその回転軸と蓋体１２との間に、反応管１５内の処理ガスが外に漏れ出ないようにするためのシール構造を設ける必要がある。そのシール構造として磁気シール構造が考えられるが、熱処理温度が１０００℃程度と非常に高温であるため、磁気シールが熱で劣化してしまうだけでなく、ガスが発生し、そのガスがウエハＷ表面に悪影響を及ぼすという不都合があるので、実際には磁気シール構造を用いることは実質不可能である。
【０００５】
また蓋体１２を貫通する回転軸を設ける代わりに、マグネットカップリング構造を用いることも考えられるが、マグネットカップリング構造は、大きな荷重がかかると軸がぶれるため、ボート１１を反応管１５から引き出した後、エレベータ１４から取り外してボート搬送アームにより炉の外に一旦移送し、そこでウエハＷの移載を行う必要があり、スループットの低下を招く原因となる。もしエレベータ１４上にボート１１を載せたままウエハＷの移載を行うとマグネットカップリングの軸ぶれのため、ウエハを移載するためのアームがぶつかったりしてウエハの受け渡しに支障をきたす虞がある。
【０００６】
これらのことから、酸化処理または拡散処理に使用される縦型熱処理装置においては、ボートの回転構造を実現することは困難である。
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、基板の保持具を回転させながら高温で熱処理を行うにあたって処理ガスが外部に漏れるおそれがなく、保持具を蓋体の上に載せた状態で基板の移載を安定して行うことができる縦型熱処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の基板を棚状に保持した保持具を断熱部材を介して蓋体の上に載せ、この蓋体を昇降機構により上昇させて縦型の反応管内に保持具を搬入して、反応管の下端開口部を蓋体により気密に塞ぎ、反応管内を加熱雰囲気にして基板を酸化処理する縦型熱処理装置において、
前記蓋体の中央部に形成された軸穴と、
この軸穴内に３ｍｍ以下の隙間を介して挿入され、前記保持具を回転自在に支持するための回転軸と、
この回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、
前記回転軸と軸穴との間の前記隙間に不活性ガスを供給してガスパージを行うためのガス供給路と、
前記回転軸の上に蓋体の表面との間に隙間を介して設けられ、反応管の底部内径よりも小さい回転台と、
この回転台の上に載置され、前記回転台よりも径が大きく、前記断熱部材を載置するための載置台と、
前記回転台を囲むように前記蓋体の上に配置されたリング状のベース部材と、
前記回転台の下面及び前記蓋体の表面に各々形成した櫛歯状部を互いに重ね合わせて構成された第１のラビリンスと、
前記載置台における回転台の外側部位の下面及びリング状ベース部材の表面に各々形成した櫛歯状部を互いに重ね合わせて構成された第２のラビリンスと、を具備することを特徴とする
【０００９】
他の発明は、複数の基板を棚状に保持した保持具を断熱部材を介して蓋体の上に載せ、この蓋体を昇降機構により上昇させて縦型の反応管内に保持具を搬入して、反応管の下端開口部を蓋体により気密に塞ぎ、反応管内を加熱雰囲気にして基板を酸化処理する縦型熱処理装置において、
前記蓋体の中央部に形成された軸穴と、
この軸穴内に３ｍｍ以下の隙間を介して挿入され、前記保持具を回転自在に支持するための回転軸と、
この回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、
前記回転軸と軸穴との間の前記隙間に不活性ガスを供給してガスパージを行うためのガス供給路と、
前記軸穴における不活性ガスのガス供給路の供給口よりも下方側に設けられ、回転軸を回転自在に支持するための軸受け部と、
前記不活性ガスのガス供給路の供給口と前記軸受け部との間の位置にて、前記回転軸と前記軸穴との間を気密に塞ぐシール材と、
前記反応管内の雰囲気と前記隙間との間を連通接続するラビリンスと、を具備することを特徴とする
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る縦型熱処理装置を酸化炉に適用した例について説明する。図１は、本発明に係る縦型熱処理装置の構成を示す縦断面図であり、被処理基板であるウエハが反応管内にロードされた状態を示している。熱処理領域を形成する反応管２は、下端のフランジ部を介して図示しないベースプレートに固定されている。この反応管２の上側部分は、均熱管２１を介して円筒状のヒータ３及びそれを覆う保温材３１により囲繞されており、一方反応管２の下側部分の外周は断熱材２２で覆われている。この断熱材２２及び反応管２の管壁を貫通してガス導入管２３が挿入されており、このガス導入管２３は反応管２内で立ち上がって、反応管２内の天井部付近に達し、反応管２内の天井付近から処理ガスを供給するようになっている。また反応管２の下端近傍には排気管２４が断熱材２２を貫通して接続されている。ヒータ３の下端は、均熱管２１の下端と、内周面及び天井面に前記保温材３１が貼設された筒状のカバー体３２の下端との間に設けられた断熱材３３により塞がれている。
【００１２】
複数枚のウエハＷを棚状に保持した保持具であるボート４が前記反応管２内にロードされている間、反応管２の下端開口部を気密に塞ぐための蓋体５は、回転台５２と、この回転台５２を回転自在に支持する回転軸５３とを備えている。この回転台５２の上には載置台５１ａが設けられ、この載置台５１ａの上には例えば石英よりなる断熱部材５１を介してボート４が載置される。この回転軸５３は、例えばモータ６１、ベルト６２及びプーリ６３の組わせよりなる回転駆動機構６により回転され、回転軸５３が挿通されてなる蓋体基部５４には不活性ガスパージによる気密シールを行うためにＮ2 ガス等の不活性ガスが供給される。また蓋体５は昇降機構であるエレベータ７により昇降自在になっている。
【００１３】
図２は、回転軸部分の構成の一例を示す拡大断面図である。回転軸５３は、蓋体基部５４を貫通する軸穴５５の中に挿入されており、軸穴５５の内周面と回転軸５３の外周面との間には例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、例えば１ｍｍの幅の隙間がその軸方向すなわち上下方向に特に限定しないが長さ約２５ｍｍに亘って設けられる。この隙間は、その下部にてガスパージ用の不活性ガスを供給するためのガス供給路５６に連通接続されていると共に、上部にて第１のラビリンス５７に連通接続されている。そしてこの隙間に図示しないガス供給源及びパイプ等を介してＮ2 ガス等が供給されることにより、回転軸５３と蓋体基部５４との間のシールが確保される。
【００１４】
ここで軸穴５５と回転軸５３との間の隙間幅が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である理由について述べる。回転軸５３が円滑に回転するためには軸穴５５及び回転軸５３の加工精度から０．５ｍｍ以下にすることが困難だからであるが、円滑に回転するのであれば、これ以下でもよい。一方３ｍｍを超えるとガスパージ用のＮ2 ガス等を毎分１０リットル程度以上流さないとそのエアカーテンの流速が回転軸５３の周方向で不均一となり、流速の遅い所を通って反応管２内の腐食性ガスが大気中に漏れ出てしまう虞があるからである。
【００１５】
またガスパージ用のＮ2 ガス等の流量は、あまり多くすると反応管２の下部において処理ガスの流れが不均一になり、面内均一性が悪化する虞があるため、例えば毎分１乃至３リットル程度が適当である。
【００１６】
ラビリンス５７は、蓋体基部５４の上面に設けられたリング状のベース部材５４ａと回転台５２の下面との間に形成されている。即ちベ−ス部材５４ａの上面には上向きの櫛歯状部７１が、また回転台５２の下面には下向きの櫛歯状部７２が形成されており、これら櫛歯状部７１、７２が互に隙間を介して重なり合うことによって屈曲した通路であるラビリンス５７が形成されている。またこの例では、前記ラビリンス５７は、第２のラビリンス５８を介して反応管２の内部雰囲気に通じている。前記第２のラビリンス５８は、前記ベ−ス部材５４ａの径方向外側位置にて蓋体基部５４の上面に設けられたリング状のベース部材７３と前記載置台５１ａとの間に形成されている。即ちベース部材７３の上面には上向きの櫛歯状部７４が、また載置台５１ａの下面には下向きの櫛歯状部７５が形成されており、これら櫛歯状部７４、７５同士を互に隙間を介して重なり合わせることによってラビリンス５８が形成されている。
【００１７】
ラビリンス５７において、ベ−ス部材５４ａ側の櫛歯状部７１の上端と回転台５２の下面との隙間（あるいは回転台５２側の櫛歯状部７２の下端とベ−ス部材５４ａの上面との隙間）は例えば１ｍｍ〜３ｍｍ程度であり、両櫛歯状部７１、７２の相互間隔（オ−バラップ部分である隙間）は例えば３ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、櫛歯状部７１（７２）の上下方向の長さは例えば５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。
【００１８】
また回転軸５３と軸穴５５との間の前記隙間の下方には、回転軸５３と軸穴５５との間を気密に塞ぐシール材５９が設けられており、万一回転軸５３と軸穴５５との間の前記隙間を反応管２内のガスが逆流しても、そのガスが大気中に漏れ出ないようになっている。このシール材５９は、特に限定しないが例えば、断面形状が上方に開いたＵ字状をなすリング部材であり、金属の表面に四弗化エチレン樹脂等の耐食性、耐熱性及び潤滑性に優れた皮膜が被覆されてできている。
【００１９】
またシール材５９の下方には、回転軸５３を回転自在に支持するベアリング軸受け部５０が設けられている。このベアリング軸受け部５０が設けられていることにより、回転軸５３に荷重がかかっても軸の姿勢は安定している。
【００２０】
次に上述実施の形態の作用について述べる。まずエレベータ７を反応管２の下方側に位置させておいてエレベータ７上のボート４に未処理のウエハＷを図示しない搬送手段により例えば９９枚載置した後、ボート４を蓋体５により反応管２の下端開口部を塞ぐ位置（図１に示す位置）まで上昇させ、ウエハＷを反応管２内にロードする。次いで回転軸５３を回転させながら、ガス供給路５６からＮ2 ガス等を例えば毎分１リットルの流量で流し、回転軸５３と軸穴５５との間をＮ2 カーテンによりシールする。そしてヒータ３により反応管２内が所定の温度に達した後、ガス導入管２３から処理ガス例えば塩化水素ガス、酸素ガス及び窒素ガスの混合ガスを導入すると共に排気管２４より排気しながら反応管２内を常圧に維持して、ウエハＷに対して例えば酸化処理を行う。その際、反応管２内の圧力の変動幅を、大気圧に対して例えば±２０ｍｍＨ2 Ｏとなるようにする。
【００２１】
上述実施の形態によれば、蓋体５を貫通して回転軸５３を設けるとともに、回転軸５３と軸穴５５との間に隙間を設け、その隙間を反応管２内の雰囲気に通ずるラビリンス５７，５８に連通接続すると共に、ガス供給路５６を介してその隙間にＮ2 ガス等を流すことによって、回転軸５３と軸穴５５との間をＮ2 カーテンによりシールするようにしたため、炉内雰囲気の漏出を防ぎながらウエハＷを回転させて高温で熱処理を行うことができる。従って面内均一性が向上する。即ちラビリンス５７が設けられ、更にラビリンス５８が設けられているため、反応管２内のガス例えば塩化水素ガスは軸穴５５の上方まで入り込み難く、入り込んだとしても微量であり、そしてその先には回転軸５３と軸穴５５との隙間にＮ2 ガスのカーテンが形成されているので、この微量なガスがこの中をくぐって下方側に流出するおそれはなく、処理ガスのシールが確実に行われる。
【００２２】
本発明者がシリコンウエハを用いて膜厚の面内均一性を調べる実験を行ったところ、熱処理温度８５０℃で厚さ１０ｎｍの酸化膜をウェットプロセスで成膜した結果、面内均一性は、ウエハＷを回転させない場合（従来と同じ）には±２．８９％であったのが、本実施の形態のようにウエハＷを回転させると±１．２６％に改善された。また熱処理温度８５０℃で厚さ５ｎｍの酸化膜をウェットプロセスで成膜した場合、および熱処理温度９００℃で厚さ１０ｎｍの酸化膜をドライプロセスで成膜した場合には、それぞれ、面内均一性がウエハＷを回転させないと±３．９６％および２．５０％であったのが、本実施の形態のようにウエハＷを回転させると±２．８８％および±０．７９％に改善された。
【００２３】
また上述実施の形態によれば、ベアリング軸受け部５０を用いているため、軸ぶれのおそれがなく、反応管２からボート４を引き出したまま、その場でウエハＷの移載を行うことができ、スループットの低下を防ぐことができる。本発明者が回転軸５３の軸ぶれの評価を行ったところ、回転数が２ｒｐｍおよび３ｒｐｍの何れの場合も回転開始前と５００時間回転させた後の軸ぶれ量の変化は±３％程度と測定誤差範囲であり、実質的に軸ぶれ量の増加は認められなかった。
【００２４】
以上において本発明は、酸化炉に限らず、予めｎ型不純物やｐ型不純物となるドーパント（リンやホウ素）をイオン注入により打ち込んでおいたウエハＷに対して熱拡散を行う拡散炉にも適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、保持具を回転自在に支持する回転軸が蓋体を貫通して設けられ、また回転軸と軸穴との間に隙間を設け、その隙間を反応管内の雰囲気に通ずるラビリンスに連通接続すると共に、その隙間に不活性ガスを流して回転軸と軸穴との間をシールすることにより、炉内雰囲気の漏出を防ぎながら基板の保持具を回転させて高温で熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る縦型熱処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】その回転軸部分の構成の一例を示す拡大断面図である。
【図３】従来の酸化処理または拡散処理に使用される縦型熱処理装置の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ｗ ウエハ（基板）
２ 反応管
４ ウエハボート（保持具）
５ 蓋体
５２ 回転台
５３ 回転軸
５５ 軸穴
５６ ガス供給路
５７，５８ ラビリンス
５９ シール材
６ 回転駆動機構
７ ボートエレベータ（昇降機構）

Claims (2)

1. 複数の基板を棚状に保持した保持具を断熱部材を介して蓋体の上に載せ、この蓋体を昇降機構により上昇させて縦型の反応管内に保持具を搬入して、反応管の下端開口部を蓋体により気密に塞ぎ、反応管内を加熱雰囲気にして基板を酸化処理する縦型熱処理装置において、
   前記蓋体の中央部に形成された軸穴と、
   この軸穴内に３ｍｍ以下の隙間を介して挿入され、前記保持具を回転自在に支持するための回転軸と、
   この回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、
   前記回転軸と軸穴との間の前記隙間に不活性ガスを供給してガスパージを行うためのガス供給路と、
   前記回転軸の上に蓋体の表面との間に隙間を介して設けられ、反応管の底部内径よりも小さい回転台と、
   この回転台の上に載置され、前記回転台よりも径が大きく、前記断熱部材を載置するための載置台と、
   前記回転台を囲むように前記蓋体の上に配置されたリング状のベース部材と、
   前記回転台の下面及び前記蓋体の表面に各々形成した櫛歯状部を互いに重ね合わせて構成された第１のラビリンスと、
   前記載置台における回転台の外側部位の下面及びリング状ベース部材の表面に各々形成した櫛歯状部を互いに重ね合わせて構成された第２のラビリンスと、を具備することを特徴とする縦型熱処理装置。
2. 複数の基板を棚状に保持した保持具を断熱部材を介して蓋体の上に載せ、この蓋体を昇降機構により上昇させて縦型の反応管内に保持具を搬入して、反応管の下端開口部を蓋体により気密に塞ぎ、反応管内を加熱雰囲気にして基板を酸化処理する縦型熱処理装置において、
   前記蓋体の中央部に形成された軸穴と、
   この軸穴内に３ｍｍ以下の隙間を介して挿入され、前記保持具を回転自在に支持するための回転軸と、
   この回転軸を回転駆動する回転駆動機構と、
   前記回転軸と軸穴との間の前記隙間に不活性ガスを供給してガスパージを行うためのガス供給路と、
   前記軸穴における不活性ガスのガス供給路の供給口よりも下方側に設けられ、回転軸を回転自在に支持するための軸受け部と、
   前記不活性ガスのガス供給路の供給口と前記軸受け部との間の位置にて、前記回転軸と前記軸穴との間を気密に塞ぐシール材と、
   前記反応管内の雰囲気と前記隙間との間を連通接続するラビリンスと、を具備することを特徴とする縦型熱処理装置。

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