JP4104070B2 - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法及び加熱装置及び断熱材 - Google Patents

Description

本発明はシリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に半導体装置を製造する基板処理装置に関するものである。

半導体装置を製造する装置に、シリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に薄膜の生成、アニール処理、不純物の拡散、エッチング等の処理を行う基板処理装置があり、基板処理装置としては基板を１枚、或は複数枚処理する枚葉式の基板処理装置、所定枚数を一度に処理するバッチ式の基板処理装置がある。又、基板処理装置としては縦型炉を有する縦型の基板処理装置、或は横型炉を有する横型の基板処理装置がある。

以下、従来の基板処理装置の一例として縦型炉を有するバッチ式の基板処理装置について図３により概略を説明する。

ヒータベース１に円筒状の加熱装置２が立設され、該加熱装置２の内部に同心に均熱管３、更に基板を処理する処理室を画成する反応管４が設けられ、該反応管４内には被処理基板（ウェーハ５）を水平多段に保持する保持具（ボート６）が収納され、該ボート６は図示しないボートエレベータにより、装入、引出し可能である。

前記加熱装置２は、セラミックで形成された筒状の断熱体及び該断熱体の内円筒面に配設された発熱線から構成される発熱部７を有している。該発熱部７は前記加熱装置２の軸心方向に所要のゾーンに分割され、均熱加熱を行う為にゾーン制御が行われている。

該加熱装置２は、前記発熱部７と該発熱部７に対して円筒空間９を形成する様に設けられたヒータケース１１とから構成され、該ヒータケース１１は外側断熱部として機能し、該ヒータケース１１と前記発熱部７の上端に天井部１２が設けられ、該天井部１２には下面と側面に開口するエルボ状の排気導路１３が形成されている。

前記発熱部７の所要箇所には該発熱部７の内部と前記円筒空間９とを連通するガス吹出し孔１４が設けられ、該ガス吹出し孔１４は前記均熱管３と発熱部７との間に形成される前記円筒空間９に連通している。

前記発熱部７、前記ヒータケース１１の下端と前記ヒータベース１との間に中空ドーナツ状の冷却ガス導入ダクト１６が介設され、該冷却ガス導入ダクト１６の吸気口１７には開閉弁１８が設けられ、前記吸気口１７には冷却ガス供給ライン１９が連通され、該冷却ガス供給ライン１９にはエアバルブ２１が設けられている。前記冷却ガス導入ダクト１６の上面には前記円筒空間９と連通する導通口２０が円周所要間隔で穿設されている。

前記排気導路１３には排気ライン２２が接続され、該排気ライン２２には強制排気機構２３が設けられている。該強制排気機構２３は開閉弁２４，２５、熱交換器２６、排気ブロア２７を具備している。

前記ウェーハ５の処理は、該ウェーハ５が装填された前記ボート６が図示しないボートエレベータにより前記反応管４に装入され、前記加熱装置２の加熱により所定温度迄加熱昇温される。該加熱装置２により加熱された状態で図示しない反応ガス導入口より反応ガスが前記反応管４内に導入され、ウェーハ５に所要の熱処理が為される。

成膜処理時間経過後反応ガスの導入が停止され、処理が完了する。前記ボート６の引出し時に於ける前記ウェーハ５の自然酸化を防止する為、該ウェーハ５を前記反応管４内に収納した状態で前記加熱装置２、前記反応管４等の急冷が行われ、所定温度迄降温される。減圧処理の場合は、該反応管４内を大気圧に復帰させる。

急冷は、前記開閉弁１８、前記エアバルブ２１が開かれ、前記円筒空間９に前記冷却ガス供給ライン１９より冷却ガスが供給され、冷却ガスは前記円筒空間９を上昇する過程で前記加熱装置２、前記均熱管３、前記反応管４を冷却し、該反応管４内部のウェーハ５を冷却する。

前記加熱装置２、前記均熱管３、前記反応管４、前記ウェーハ５が所定温度迄冷却された後、ボートエレベータにより前記ボート６が引出され、該ボート６から前記ウェーハ５が払出される。

上記したウェーハの処理に於いて、前記加熱装置２は前記反応管４内のウェーハ５を均一に加熱する必要があり、又処理前、処理後の昇温工程、降温工程に要される時間を短くすることが基板に対する熱負荷の低減とスループットの向上の為に要求される。

上記基板処理装置に於いて、熱の放熱が大きいのは前記加熱装置２の下端の炉口部からであり、該加熱装置２の下部は温度が低下し、均熱域から外れている。従って前記ボート６は前記反応管４内で断熱キャップ２８を介して支持されている。

又、上記した従来の基板処理装置では、前記発熱部７より下方に冷却ガス導入ダクト１６が設けられる構造である為、該冷却ガス導入ダクト１６の部分は発熱部７が設けられてなく、該発熱部７の加熱領域は前記冷却ガス導入ダクト１６の分だけ短くなっており、炉口部に非加熱領域が形成される。更に、下方から冷却ガスを導通口２０に供給する様にすることで、冷却ガスの流れをスムースにすることができる。然し乍ら、ドーナツ状の前記冷却ガス導入ダクト１６に対し、前記冷却ガス供給ライン１９は、一箇所ないし局所的に接続される為、接続部分の前記冷却ガス導入ダクト１６を局所的に冷やしてしまっていた。

この為、均熱領域を長くする為には基板処理装置の全高が高くなり、或は基板処理装置の全高が高くなることを抑制すると、反応管４の下部の温度が不安定になり、製品ウェーハの品質の均一性が低下し、或は歩留りが低下するという問題があった。

尚、基板処理後の急速冷却構造を具備する基板処理装置として特許文献１に示されるものがある。

特開２００２−１６４２９８号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、炉口部での非加熱域をなくして、炉口部での温度低下を抑制し、反応管４内での均熱領域を長くして製品ウェーハの品質の均一性の向上、歩留りの向上を図るものである。

本発明は、筒状の断熱体及び該断熱体の内周面に配設された発熱線から構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に第１の断熱材が設けられたヒータケースと、該ヒータケースと前記発熱部の上端に設けられた天井部とから構成された加熱装置を有する基板処理装置に於いて、前記発熱線を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられる基板処理装置に係り、又前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に管状の第２の断熱材が設けられ、該第２の断熱材には、前記冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられる基板処理装置に係り、又前記冷却ガス導入部が円周方向に空間を有する基板処理装置に係るものである。
又本発明は、前記基板処理装置に於ける半導体装置の製造方法に係るものである。
又本発明は、筒状の断熱体及び該断熱体の内周面に配設された発熱線から構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に第１の断熱材が設けられたヒータケースと、該ヒータケースと前記発熱部の上端に設けられた天井部とから構成された加熱装置に於いて、前記発熱線を囲繞する様に前記第１の断熱体の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられた加熱装置に係り、又前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に管状の第２の断熱材が設けられ、該第２の断熱材には、冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられた加熱装置に係り、又前記冷却ガス導入部が円周方向に空間を有する加熱装置に係るものである。
更に又本発明は、前記基板処理装置、又は前記加熱装置に設けられている第２の断熱材に係るものである。

本発明によれば、前記発熱線を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられるので、炉口部の非加熱領域がなくなり、炉口部の温度低下が抑制され、均熱領域が増大し、製品ウェーハの品質の均一性の向上、歩留りの向上が図れるという優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて本発明に係る基板処理装置の概略を説明する。尚、図１中、図３中で示したものと同等のものには同符号を付してある。

円筒状の加熱装置２の内部に均熱管３、更に反応管４が同心に設けられ、該反応管４内にはウェーハ５を水平多段に保持するボート６が収納され、該ボート６は図示しないボートエレベータにより、装入、引出し可能である。

前記反応管４内には反応ガス導入管３１及び排気管３２が連通され、前記反応ガス導入管３１には流量制御器３３が設けられ、前記排気管３２には圧力制御器３４が設けられ、反応ガスが所定流量で導入されると共に前記反応管４内が所定圧力に維持される様に、排気ガスが排出される様になっている。尚、前記ボート６、ボートエレベータ等は上記した従来の基板処理装置と同様であり説明を省略する。

前記加熱装置２は、発熱部７、ヒータケース１１と天井部１２とから構成されている。前記発熱部７と前記ヒータケース１１間には空間１５が形成され、前記発熱部７と前記均熱管３との間には炉内空間３５が形成されている。尚、排気導路１３に接続される強制排気機構２３は図３で示したものと同様であるので図示を省略する。

前記発熱部７の下部を囲繞する様に冷却ガス導入ダクト３６が設けられ、該冷却ガス導入ダクト３６は前記空間１５に導通口２０（図２参照）、後述する導通孔５９（図２参照）を介して連通している。

冷却ガス供給ライン３７が前記冷却ガス導入ダクト３６に連通され、冷却ガス供給ライン３８が前記均熱管３と前記反応管４との間に形成される均熱管内空間３９に連通され、前記冷却ガス供給ライン３７，３８にはそれぞれエアバルブ４０，４１が設けられている。

前記ヒータケース１１は、金属製のヒータカバー５５及び円筒状の外層断熱体４２から構成されている。

又、前記発熱部７は発熱線４３及び該発熱線４３を支持する断熱材料の成形ブロック４４（図２参照）等から構成されており、該成形ブロック４４はリング形状をしており、積層されることで円筒状の内層断熱体４５が形成され、該内層断熱体４５の半径方向の厚みは前記発熱線４３を支持するに必要な強度となる寸法となっている。前記内層断熱体４５の内面全体に亘り前記発熱線４３が設けられている。前記発熱部７には、前記内層断熱体４５を貫通するガス吹出し孔４６が所要の分布で多数穿設され、前記空間１５と前記炉内空間３５とを連通している。

前記外層断熱体４２、内層断熱体４５の材質としては、例えばアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ2 Ｏ3 ）とシリカ（ＳｉＯ2 ）を主成分としている。

次に、前記発熱線４３には急速加熱が可能であるセラミック発熱線、例えば珪化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）が用いられ、発熱表面積が大きくなる様に、断面は楕円形状、或は平板形状等の形状が採用される。尚、前記発熱線４３は、部分的に発熱量が異なる様に、発熱線４３を蛇行させて成形させた場合の間隔を異ならせ、或は発熱線４３の断面積を部分的に減少又は増大させ、該発熱線４３の電気抵抗を部分的に異ならせてもよい。

該発熱線４３は、前記加熱装置２の軸心方向に所要のゾーンに区分けされ、ゾーン制御が可能となっており、各ゾーンには各ゾーンの加熱温度を検出するヒータ温度検出器５２が設けられている。又、前記発熱線４３は各ゾーンの成形パターンを同じにすることにより、発熱量を各ゾーンとも均一にする様にしてもよい。

前記反応管４内で処理される前記ウェーハ５の処理状態は主制御部４７によって制御される。該主制御部４７は、炉内の温度を制御する温度制御部４８、処理ガスの流量、冷却ガスの流量を制御するガス流量制御部４９、前記反応管４内の圧力を制御する圧力制御部５０、前記ボートエレベータ等の機構部を制御する駆動制御部５１を備えている。

前記反応管４の内面に沿って炉内温度検出器５３が立設され、該炉内温度検出器５３で検出された炉内検出温度、前記ヒータ温度検出器５２が検出したヒータ温度は、前記温度制御部４８に入力される。前記エアバルブ４０，４１の開閉が前記ガス流量制御部４９により制御されると共に該ガス流量制御部４９は前記流量制御器３３によりガス導入量を制御し、前記圧力制御部５０は前記圧力制御器３４を介して排気圧力を制御し、前記反応管４内の圧力を制御している。

前記発熱部７の下部について図２により説明する。

ヒータベース１に断熱材の台座５６を介して前記加熱装置２が設けられており、前記発熱部７は前記台座５６を介して前記ヒータベース１に立設され、前記外層断熱体４２は前記冷却ガス導入ダクト３６及びマニホールドリング５７を介して前記ヒータベース１に立設されている。

前記冷却ガス導入ダクト３６は前記発熱部７の下端部を囲繞する様に設けられ、該発熱部７と前記冷却ガス導入ダクト３６との間には前記外層断熱体４２、前記内層断熱体４５より更に低熱伝導率を有する下部断熱部材５８を介設する。前記ヒータカバー５５は前記ヒータベース１迄達しており、前記冷却ガス導入ダクト３６及び台座５６の外周面を覆っている。

前記下部断熱部材５８は、例えばＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 等を主成分とする低熱伝導率を有する断熱材であり、熱伝導率は０．０３〜０．１３Ｗ／ｍ・Ｋ（４００〜１０００℃）である。尚、前記アルミナとシリカを主成分とする断熱材の熱伝導率は０．１〜０．２３Ｗ／ｍ・Ｋ（４００〜１０００℃）である。

前記冷却ガス導入ダクト３６は断面が矩形の中空部材であり、上面には導通口２０が所要の間隔で設けられている。好ましくは、該導通口２０は均等な間隔で設けられ、複数の導通口２０から供給される冷却ガス量がそれぞれ均等となる様に設けられる様にするとよい。尚、前記導通口２０は前記冷却ガス導入ダクト３６の上面の外周よりに設けられるのが好ましい。前記冷却ガス導入ダクト３６の容積は、前記断面形状を縦長矩形とすることで、前記加熱装置２の外径を増大させることなく必要とされる大きさにすることができる。

前記マニホールドリング５７は断熱材であり、該マニホールドリング５７には前記導通口２０に対応して傾斜する導通孔５９が穿設されており、該導通孔５９は、下端が前記導通口２０に合致し、上端が前記空間１５に開口する様に上方に向って中心側に傾斜している。

前記下部断熱部材５８が設けられることで、前記冷却ガス導入ダクト３６は前記空間１５に対して外側にずれた位置となるが、前記導通孔５９を有するマニホールドリング５７を設けることで、前記冷却ガス導入ダクト３６からの冷却ガスを前記空間１５に円滑に導くことができる。又、放熱の大きい前記冷却ガス導入ダクト３６を前記発熱部７から離反させることで、下部の発熱部７からの放熱を抑制できる。

又、前記マニホールドリング５７より上方部分に対して該マニホールドリング５７が設けられている部分、及び前記冷却ガス導入ダクト３６が設けられている部分が温度むらが生じない様に前記マニホールドリング５７の材質、前記下部断熱部材５８の材質が選択される。例えば、前記外層断熱体４２の部分、前記マニホールドリング５７の部分、及び前記冷却ガス導入ダクト３６の部分の半径方向の熱伝達率が同一又は略同一となる様にする等である。

以下、作用について説明する。

前記ウェーハ５の処理は、該ウェーハ５が装填された前記ボート６が前記反応管４に装入され、前記加熱装置２の加熱により所定温度迄急速加熱される。該加熱装置２により前記ウェーハ５を所定温度に加熱した状態で前記反応ガス導入管３１より反応ガスが導入され、前記排気管３２を介して排気ガスが排出され、前記ウェーハ５に所要の熱処理が為される。

通常、前記ボート６の装入前は所要の温度、例えば５５０℃に保温しておき、該ボート６が装入された後はウェーハ処理温度、例えば８５０℃迄昇温保持される。尚、装入前の温度、処理温度は基板処理装置での処理内容に応じて適切な温度が選択される。

前記発熱部７は下端迄発熱線４３が設けられており、発熱部７に非加熱部はないので、炉内の均熱領域は大きくとれ、ウェーハ処理の均質性が向上する。

処理が完了すると、ウェーハ出炉温度、例えば５５０℃迄急速冷却される。該ウェーハ５処理後の冷却は、前記エアバルブ４０，４１が開かれ、空気或は窒素ガス等不活性ガスが冷却ガスとして前記冷却ガス供給ライン３７，３８より供給される。

該冷却ガス供給ライン３８からの冷却ガスは、前記均熱管内空間３９に供給される。又、前記冷却ガス供給ライン３７からの冷却ガスは、前記冷却ガス導入ダクト３６に供給され、前記導通口２０、前記導通孔５９を経て前記空間１５に導入される。前記冷却ガス導入ダクト３６から前記空間１５に至る流路には大きな方向変更がなく、圧力損失が少なく、冷却ガスの流れ性はよい。前記空間１５を上昇する冷却ガスは更に、前記ガス吹出し孔４６を通って前記炉内空間３５に流入し、前記発熱部７を外面、内面の両側から冷却する。

前記空間１５に導入される冷却ガスが、容積の大きな前記冷却ガス導入ダクト３６を経て上面の複数の導通口２０から分散されることで、前記空間１５に均一に冷却ガスが流入し、冷却むらの発生が防止される。前記冷却ガス導入ダクト３６自体は放熱特性が大きいが、前記下部断熱部材５８が介在し、他の部分と半径方向の熱伝達率が同一とされているので、前記加熱装置２としては下端部の放熱量の増大が抑制される。

冷却ガスは、前記空間１５、前記炉内空間３５、前記均熱管内空間３９を上昇して前記排気導路１３より排気される。前記内層断熱体４５は前記空間１５、前記炉内空間３５を上昇する冷却ガスにより冷却され、前記均熱管３、前記反応管４は前記炉内空間３５、前記均熱管内空間３９を上昇する冷却ガスにより冷却される。

而して、前記反応管４内の前記ウェーハ５は急速冷却される。

前記発熱線４３にセラミック発熱線を採用することで、急速加熱、高温加熱が可能となり、更に冷却ガスによる前記加熱装置２の冷却により急速冷却が可能となっている。

冷却が完了すると、図示しないボートエレベータにより前記ボート６が降下され、該ボート６から処理済のウェーハ５が払出される。尚、減圧処理の場合は、反応室を大気圧迄復帰させた後、前記ボート６が降下される。

（付記）
尚、本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）基板を処理する処理室と該処理室の周りに位置し該処理室に収納された基板を加熱する加熱手段とを備え、該加熱手段が発熱体と該発熱体の外周に位置する第１の断熱材と該第１の断熱材の外周で下方側に冷却ガス導入ダクトを配置し、該冷却ガス導入ダクトと前記第１の断熱材との間に、該第１の断熱材よりも熱伝導率の低い第２の断熱材を配置し構成されていることを特徴とする基板処理装置。

（付記２）前記加熱手段は前記冷却ガス導入ダクトの上方側に前記第１の断熱材と該第１の断熱材より外側に第３の断熱材とを有し、前記第１の断熱材と第３の断熱材との間には冷却ガス通路が形成され、前記冷却ガス導入ダクトと前記冷却ガス通路とは連設されている付記１の基板処理装置。

（付記３）前記冷却ガス導入ダクトは前記冷却ガス通路より外周側に位置し、前記第３の断熱材の外周面と前記冷却ガス導入ダクトの外周面が略同一面に位置する付記２の基板処理装置。

本発明の実施の形態を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態の要部を示す拡大断面図である。 従来の基板処理装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１ ヒータベース
２ 加熱装置
３ 均熱管
４ 反応管
５ ウェーハ
６ ボート
７ 発熱部
１１ ヒータケース
１５ 空間
１６ 冷却ガス導入ダクト
２０ 導通口
３６ 冷却ガス導入ダクト
４４ 成形ブロック
４５ 内層断熱体
４６ ガス吹出し孔
５７ マニホールドリング
５８ 下部断熱部材
５９ 導通孔

Claims (7)

1. 筒状の断熱体と該断熱体の内周面に配設された発熱線とで構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に設けられた第１の断熱材とで構成された加熱装置を有する基板処理装置に於いて、前記発熱部を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられ、前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に設けられた第２の断熱材には、前記冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられたことを特徴とする基板処理装置。
2. 前記冷却ガス導入部が円周方向に空間を有する請求項１の基板処理装置。
3. 筒状の断熱体と該断熱体の内周面に配設された発熱線とで構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に設けられた第１の断熱材と、前記発熱部を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた冷却ガス導入部とを有し、該冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられ、前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に設けられた第２の断熱材には、前記冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられた加熱装置の前記発熱線により加熱されて基板が処理されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 筒状の断熱体と該断熱体の内周面に配設された発熱線とで構成される発熱部の前記発熱線により基板を熱処理する工程と、前記発熱部に対して円筒空間を形成する様に第１の断熱材が設けられ、前記発熱部を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた前記円筒空間の内周面より内周面が外側に設けられた冷却ガス導入部に冷却ガスが導入される工程と、導入された冷却ガスが、前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に設けられた第２の断熱材に円周方向に所定間隔で設けられた導通孔を経て前記円筒空間に導入される工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 筒状の断熱体と該断熱体の内周面に配設された発熱線から構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に設けられた第１の断熱材とで構成され、前記発熱部を囲繞する様に前記第１の断熱体の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられ、前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に設けられた第２の断熱材には、前記冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられたことを特徴とする加熱装置。
6. 前記冷却ガス導入部が円周方向に空間を有する請求項５の加熱装置。
7. 筒状の断熱体と該断熱体の内周面に配設された発熱線とで構成される発熱部と、該発熱部に対して円筒空間を形成する様に設けられた第１の断熱材と、該第１の断熱材と前記発熱部の上端に設けられた天井部とで構成され、前記発熱部を囲繞する様に前記第１の断熱材の下方側に設けられた冷却ガス導入部の内周面が、前記円筒空間の内周面より外側に設けられた加熱装置に用いられる第２の断熱材であって、前記冷却ガス導入部と前記第１の断熱材との間に設けられ、前記冷却ガス導入部と前記円筒空間とを連通させる導通孔が円周方向に所定間隔で設けられることを特徴とする第２の断熱材。

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