JP4063661B2

JP4063661B2 - 半導体製造装置及び半導体の製造法

Info

Publication number: JP4063661B2
Application number: JP2002379618A
Authority: JP
Inventors: 敏光宮田; 威憲岡; 真吾横山
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004214283A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に係り、特にシリコンウエハの酸化、拡散、CVD（Chemical Vapor Deposition）等の熱処理工程を行なう真空断熱層を備えた半導体製造装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の半導体製造装置としては、特許文献１に開示された縦型加熱装置がある。この縦型加熱装置は、加熱処理される加熱物が収納される空間を周囲から囲むように立設された円筒形のインナーチューブと、このインナーチューブを囲むように立設され、内部を気密空間に保持するアウターチューブと、これらアウターチューブとインナーチューブの内部を加熱するヒータとを有する。そして、この縦型加熱装置においては、アウターチューブの周囲を囲むように配置されると共にアウターチューブ側を外気に対して気密にシールする二重壁の真空チューブを有している。この真空チューブの内部に外部に対して気密にシールされ且つ減圧可能な真空空間が形成され、この真空空間内にヒータが収納されている。また、二重壁の真空チューブは内側の真空チューブと外側の真空チューブとが一体に形成され、内側の真空チューブは下面が開口し、外側の真空チューブは上面が開口して形成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１０２３１４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、二重壁の真空チューブが内側の真空チューブと外側の真空チューブとが一体に形成され、内側の真空チューブが下面に開口され、外側の真空チューブが上面に開口される、という複雑な構造になっているため、製作が難しくコスト高となってしまうという問題があった。また、ヒータが真空空間内に収納されているため、内側の真空チューブを介して、アウターチューブとインナーチューブの内部を加熱することとなり、その加熱効率が低いものとならざるを得ないという問題があった。しかも、内側の真空チューブはヒータの熱をアウターチューブ側に良好に伝えるのに適した材質にする必要があり、真空維持と熱伝達との両方に優れた材質にしなければならないという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は、真空断熱構造にすることで断熱効率の向上及び断熱構造自体の熱容量の低減を図りつつ、安価に製作することができると共に反応管内の加熱効率を向上できる半導体製造装置を提供することにある。
【０００６】
なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、上面および側面を一体に形成し且つ下面を開口した筒状の反応管と、ウエハを装填して前記反応管内に収納されるボートと、前記反応管の内部を加熱するヒータと、前記反応管の上面および側面の周囲を覆うように形成される真空断熱層とを備え、前記真空断熱層は、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の内側真空容器と、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の外側真空容器とを下端部で密着シールして組み合わせ、その内部空間を真空状態とすることにより形成し、前記ヒータは前記真空断熱層と前記反応管との間に配置した構成とし、前記外側真空容器に対して前記内側真空容器および前記反応管を順に下方より着脱可能に取り付けたものである。
【０００８】
なお、本発明のその他の手段は以下の記述から明らかにされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例を、図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１０】
まず、本発明の第１実施例の縦型半導体製造装置を図１から図３を参照しながら説明する。
【００１１】
縦型半導体製造装置は、上面および側面を一体に形成し且つ下面を開口した筒状の反応管２０と、ウエハ４１を装填して反応管２０内に収納されるボート４０と、反応管２０の内部を加熱するヒータ２と、反応管２０の上面および側面の周囲を覆うように形成される真空断熱層７０とを備えて構成されている。
【００１２】
半導体製造プロセスの一つとして、シリコンウエハの酸化、拡散、CVD等を行なう熱処理工程があり、この工程は係る縦型半導体製造装置１を使用して行われる。
【００１３】
この縦型半導体製造装置１は、ヒータ２内に均熱管３が設けられ、均熱管３内に反応管２０が設けられている。均熱管３は、熱伝導率の大きい材料（例えばSiC材）で構成され、反応管２０内の温度均一性を保つために使用されている。均熱管３は、その上面および側面が一体に形成され且つ下面を開口した筒状に形成され、下端部に外方に延びるフランジが形成されている。
【００１４】
ヒータ２の周囲は真空断熱層７０で覆われている。ヒータ２は真空断熱層７０と均熱管３との間に筒状に形成されて配置され、上下に複数に分割されている。また、ヒータ２は内側真空容器７３の側面内側に取り付けられている。
【００１５】
反応管２０は、１本のガス導入管（ガス導入通路）５と、１本の排気管（ガス排気通路）６とが下部に備えられ、それぞれが内部空間に連通されている。そして、ガス導入管５は反応ガス供給源（図示せず）に接続され、排気管６は排気装置（図示せず）に各々接続される。
【００１６】
反応管２０は下端が開口して入口となっており、そこからボート４０に水平姿勢で複数枚装填されたウエハ４１が導入、導出されるようになっている。即ち、ボート４０は、昇降機構（図示せず）で上昇させることで反応管２０内に下方から導入され、また、下降させることで反応管２０から取出される。
【００１７】
また、反応管２０の下端の周囲にはフランジ６２が設けられており、フランジ６２と炉口蓋６１との間が炉口蓋６１を閉じたときに気密シール（例えばＯリング）６３でシールされるようになっている。
【００１８】
なお、均熱管３及び反応管２０は、組立てやメンテナンス（クリーニング等）のために取り外せる構造となっている。均熱管３は真空断熱層７０と気密シール（例えばＯリング）６５で、また反応管２０は均熱管３と気密シール（例えばＯリング６６）で各々シールされるようになっている。
【００１９】
ウエハ４１のCVD処理を行なう場合、ヒータ２によりウエハ４１を処理温度に加熱保持し、その状態で原料ガスをガス導入管５より反応管２０に供給する。そして、原料ガスが反応して、ウエハ４１の表面にCVD膜が形成される。反応後のガスは排気管６を介して排気される。
【００２０】
また、ウエハ４１の面内温度分布を均一にさせるため、ボート４０を回転させる回転機構６４が設置されている。さらに、ボート４０の下部には複数枚の断熱板６０（例えば石英板）が装填されている。この断熱板６０は上部に配置したウエハ４１の上下の温度分布の不均一化を防止するために設けられるものである。
【００２１】
真空断熱層７０は、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の内側真空容器７４と、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の外側真空容器７５とを下端部で密着シールして組み合わせ、その内部空間を真空状態とすることにより形成されている。即ち、縦型半導体製造装置１の側面及び上面は、内側真空容器７３及び外側真空容器７４で二重構造とした真空断熱層７０で覆われている。
【００２２】
真空断熱層７０は、真空ポンプ７１がバルブ８１を介して接続されており、バルブ８１を開けて真空ポンプ７１で真空引きされることにより真空断熱機能を有する。
【００２３】
輻射シールド７２は真空断熱層７０の側面部に断熱方向に隙間をあけて複数枚設けられ、真空容器７３、７４に支持体７５で締結支持されている。また、真空断熱層７０の上面部にも輻射シールド７２が断熱方向に隙間をあけて複数枚設けられ、真空容器７４に支持体１００で締結支持されている。なお、輻射シールド７２には、排気用の穴１０が数箇所穿孔されている。
【００２４】
支持体７５、１００は熱伝導率が低く、強度を有する材料が用いられている。例えばガラスファイバー繊維、もしくは炭素ファイバー繊維で作られた支持受けやネジを用いて支持体７５、１００が構成されている。
【００２５】
内側真空容器７３は下端部が外側に延びるフランジ７６が形成され、外側真空容器７４は下端部に外側に延びるフランジ７７が形成されている。内側真空容器７３と外側真空容器７４とは、外側真空容器７４の下方から内側真空容器７３を挿入して二重構造とし、各々に設けたフランジ７６、７７間で気密シール（例えばＯリング７８）を介してシールされ、取り外し可能な構造となっている。
【００２６】
また、均熱管３及び反応管２０は、組立てやメンテナンス（クリーニング等）のために取り外せる構造となっており、均熱管３と真空容器７３は、真空容器７３のフランジ７７とＯリング６７で、さらに反応管２０と均熱管３はＯリング６６で各々シールされる。
【００２７】
支持体７５の構造について図２を参照しながら詳述する。輻射シールド７２は、例えばガラスファイバー繊維材で作られた支持受け１０１の溝に嵌合されている。この支持受け１０１は、例えばガラスファイバー繊維材で作られたネジ１０２により、真空容器７４に締結支持されている。この支持体７５の構造は輻射シールド７２の上下に同様な構造で適用されている。これによって輻射シールド７２が外側真空容器７４に断熱的に支持されている。支持受け１０１及びネジ１０２は熱伝導率が低いために断熱効果を有するが、さらに支持受け１０１の形状を図２に示すように、水平面の断面積を出来るだけ小さくして外側真空容器７４に当接する事で、熱抵抗が大きく出来る。
【００２８】
支持体１００の構造について図３を参照しながら詳述する。支持体１００は支持部１０３、ネジ１０２、１０４を備えて構成されている。支持部１０３は例えばガラスファイバー繊維材で作られ、ネジ１０２は例えばガラスファイバー繊維材で作られており、支持部１０３はネジ１０２により真空容器７４に締結支持されている。そして、その支持部１０３を輻射シールド７２の穿孔部に通し、例えば前述したガラスファイバー繊維材で作られたネジ１０４で外側真空容器７４を受けるようになっている。こうすることで断熱効果の高い支持体１００とすることが出来る。
【００２９】
本実施例によれば、上面および側面を一体に形成し且つ下面を開口した筒状の反応管２０と、反応管２０の上面および側面の周囲を覆うように形成される真空断熱層７０とを備え、真空断熱層７０を、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の内側真空容器７３と、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の外側真空容器７４とを下端部で密着シールして組み合わせ、その内部空間を真空状態とすることにより形成しているので、反応管２０、内側真空容器７３および外側真空容器７４を極めて簡単な構造で安価に容易に製作することができる。また、ヒータ２を真空断熱層７０と反応管２０との間に配置しているので、ヒータ２で反応管２０内を加熱することに真空断熱層７０が直接関係しないこととなり、真空断熱層７０を構成する内側真空容器７３の材質の制約をなくすことができる。これによって、内側真空容器７３は真空断熱機能に適した材質を容易に採用することができる。
【００３０】
さらには、外側真空容器７４に対して内側真空容器７３および反応管２０を順に下方より着脱可能に取り付けているので、これらを極めて容易に製作することができる。特に、下端部に外側に延びるフランジ７７を有する内側真空容器７３を外側真空容器７６内に下方より挿入してそのフランジ７７を外側真空容器７４の下端部に気密シール７８を介して着脱可能に取付け、下端部に外側に延びるフランジ３ａを有する均熱管３を内側真空容器７３内に下方より挿入してそのフランジ３ａを内側真空容器７３のフランジ７７に気密シール６７を介して着脱可能に取付け、均熱管３に反応管２０を下方より挿入して気密シール６６を介して着脱可能に取り付けているので、これらを極めて容易に製作することができる。
【００３１】
さらには、内側真空容器７３と外側真空容器７４とで形成される空間内に複数枚の輻射シールド７２を断熱方向に隙間を空けて設けているので、真空断熱層７０の断熱性能を大幅に向上することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例を図４を用いて説明する。なお、第２実施例の説明において、第１実施例と共通する部分の重複する説明は省略する。この第２実施例のものにおいて、第１実施例と共通する構成においては同じ効果を奏するものである。
【００３３】
この第２実施例は、第１実施例の構成に、急速昇降温機構を加えた実施例であり、真空断熱層７０に冷却用気体を供給する装置を設けたものである。この冷却用気体の供給装置は冷却風流路８０とバルブ８２、８３を備えている。昇温及び降温時は以下の手順で行なう。
【００３４】
先ず昇温時は、バルブ８２、８３を閉じ、真空ポンプ７１を作動させ、真空断熱層７０内の空気１１０をバルブ８１を開けて排気し、真空断熱層７０を真空にする。そしてウエハ４１の成膜処理が終わった後の降温時には、バルブ８１を閉じ、バルブ８２、８３を開けて真空断熱層７０及び冷却風流路８０に冷却気体（例えば冷却空気）１１１を流して、急速に反応管２０内を冷却する。そして再び温度を上げる場合は前記した手順を繰返す。こうすることで急速昇降温が効率良く出来る。
【００３５】
なお、外側真空容器７４に設けたバルブ８２は冷却の均一化を図るために、周方向に複数個設けてもよい。また輻射シールド７２に穿孔する穴１０は、冷却時に冷却空気１１１を真空断熱層７０内に均等に流すため、輻射シールド７２の下部の部分の圧損を、上部の圧損と比して減らすように穿孔すれば良い（例えば輻射シールド７２の下部に設ける穴１０の直径を、上部と比して大きくするか、穴の数を増やす）。
【００３６】
次に、本発明の第３実施例を図５を用いて説明する。なお、第３実施例の説明において、第１および第２実施例と共通する部分の重複する説明は省略する。この第３実施例のものにおいて、第１および第２実施例と共通する構成においては同じ効果を奏するものである。
【００３７】
この第３実施例は、第２実施例の構成において、更なる急速の昇温及びウエハ列の温度分布均一化を図るために、炉内に天井及びキャップヒータを設けたものである。即ち、均熱管３上部と真空容器７３に囲まれた部分に天井ヒータ９０を設け、さらにウエハ４１の列の下方と断熱板６０の間にキャップヒータ９１を設けている。そうすることで、ウエハ４１を効率良く昇温でき、かつウエハ列の温度分布が均一となるので、膜厚均一製に優れた半導体デバイスが高効率で得られる。
【００３８】
次に、本発明の第４実施例を図６を用いて説明する。なお、第４実施例の説明において、第１〜第３実施例と共通する部分の重複する説明は省略する。この第４実施例のものにおいて、第１〜第３実施例と共通する構成においては同じ効果を奏するものである。
【００３９】
この第４実施例は、第３実施例の構成において、更なる断熱性能の向上を図るために、断熱板６０の代りに真空断熱層キャップ７９を設けたものである。真空断熱層キャップ７９は例えば２重の石英ガラスの内部を真空封じして構成する。こうすることで、ウエハ列４１の下方の放熱が抑えられるので、ウエハ４１を効率良く昇温でき、かつウエハ列の温度分布が均一となるので、膜厚均一製に優れた半導体デバイスが高効率で得られる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の如く、本発明によれば、真空断熱構造にすることで断熱効率の向上及び断熱構造自体の熱容量の低減を図りつつ、安価に製作することができると共に反応管内の加熱効率を向上できる半導体製造装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明する半導体製造装置の縦断面図。
【図２】図１の半導体製造装置の側面に位置する輻射シールドの支持体を示す詳細断面図。
【図３】図１の半導体製造装置の上面に位置する輻射シールドの支持体を示す詳細断面図。
【図４】本発明の第２実施例の半導体製造装置の縦断面図。
【図５】本発明の第３実施例の半導体製造装置の縦断面図。
【図６】本発明の第３実施例の半導体製造装置の縦断面図。
【図７】従来の半導体製造装置を示す断面図。
【符号の説明】
１…縦型半導体製造装置、２…ヒータ、３…均熱管、４…断熱材、５…ガス導入管、６…排気管、７…排気管、１０…穴、２０…反応管、４０…ボート、４１…ウエハ、６０…断熱板、６１…炉口蓋、６２…フランジ、６３…Ｏリング、６４…回転機構、６５…Ｏリング、６６…Ｏリング、６７…Ｏリング、７０…真空断熱層、７１…真空ポンプ、７２…輻射シールド、７３…内側真空容器、７４…外側真空容器、７５…支持体、７６…フランジ、７７…フランジ、７８…Ｏリング、７９…真空断熱層キャップ、８０…冷却風流路、８１…バルブ、８２…バルブ、８３…バルブ、９０…天井ヒータ、９１…キャップヒータ、１００…支持体、１０１…支持受け、１０２…ネジ、１０３…支持部、１０４…ネジ、１１０…空気、１１１…冷却空気。

Claims

上面および側面を一体に形成し且つ下面を開口した筒状の反応管と、
ウエハを装填して前記反応管内に収納されるボートと、
前記反応管の内部を加熱するヒータと、
前記反応管の上面および側面の周囲を覆うように形成される真空断熱層とを備え、
前記真空断熱層は、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の内側真空容器と、上面および側面を一体に形成し且つ下面が開口した筒状の外側真空容器とを下端部で密着シールして組み合わせ、その内部空間を真空状態とすることにより形成し、
前記外側真空容器に対して前記内側真空容器および前記反応管を順に下方より着脱可能に取り付けたことを特徴とする半導体製造装置。
下端部に外側に延びるフランジを有する前記内側真空容器を前記外側真空容器内に下方より挿入してそのフランジを前記外側真空容器の下端部に気密シールを介して着脱可能に取付け、下端部に外側に延びるフランジを有する均熱管を前記内側真空容器内に下方より挿入してそのフランジを前記内側真空容器のフランジに気密シールを介して着脱可能に取付け、前記均熱管に前記反応管を下方より挿入して気密シールを介して着脱可能に取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
前記内側真空容器と前記外側真空容器とで形成される空間内に前記ウエハの搬出時に前記真空状態を解除して冷却用気体を流す装置を設けたことを特徴とする請求項１、２の何れかに記載の半導体製造装置。
前記内側真空容器と前記外側真空容器とで形成される空間内に複数枚の輻射シールドを断熱方向に隙間を空けて設けたことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の半導体製造装置。
前記複数枚の輻射シールドに排気用の穴を形成したことを特徴とする請求項４に記載の半導体製造装置。
前記反応管内の下部にもヒータを設けると共に、このヒータの下側にも真空断熱層を設けたことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の半導体製造装置。
請求項１の半導体製造装置を用いて処理する半導体の製造方法であって、前記真空断熱層を真空に維持しつつ前記反応管の内部をヒータにより加熱し、前記反応管内のウエハを処理する半導体の製造方法。