JP4553263B2

JP4553263B2 - 熱処理装置及び熱処理方法

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Publication number: JP4553263B2
Application number: JP2007016848A
Authority: JP
Inventors: 久司井上; 篤史遠藤; 圭史潮永; 晋吾菱屋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008186852A

Description

本発明は、反応管内を減圧後に処理ガスを供給して、例えば半導体ウェハなどの基板の熱処理を行うための熱処理装置及びその熱処理方法に関する。

半導体製造装置の中には、縦型炉や横型炉などのバッチ式熱処理装置があり、そのうちの縦型熱処理装置（縦型炉）は、多数枚の基板を保持したウェハボートを縦型の反応管に搬入し、熱処理を行う装置である。この種の熱処理装置によって行われる熱処理の一例としては、減圧下でのＣＶＤプロセスによる成膜処理が挙げられる。

このような熱処理装置１００について、図２８を参照して説明する。この熱処理装置１００は、多数の基板１１０が保持された反応管１０１内を減圧して、成膜用の処理ガスを反応管１０１内に供給すると共に、ヒーター１０２によって基板１１０を加熱し、この処理ガスを基板１１０上において反応させて、成膜を行う装置である。処理ガスは、反応管１０１の側面あるいは上方から導入されて、反応管１０１の下方側から排気される。

この単管タイプの反応管１０１は、内部が減圧されるので、爆縮（反応管１０１内外の圧力差によって内側に向かって砕けること）を防止するために、開口端の反対側が外側に向かって湾曲するように、ドーム形状をなしている。この湾曲部分には基板１１０を設置できないので、反応管１０１内には、基板１１０が処理される処理領域の上方に湾曲面で囲まれる広い空間１０３が形成される。
このような反応管１０１内において熱処理を行う場合には、この空間１０３を介して反応管１０１の上端側に基板１１０の熱が放熱されて、基板１１０の中央付近の温度が低くなるので、反応管１０１の上方では面内の温度ばらつきが大きくなり、面内の膜厚が不均一になってしまう。

また、空間１０３に近接する場所（上部側）においては、温度が下部側よりも低くなることから、基板１１０間における温度のばらつきが生じてしまう。そこで、ヒーター１０２の発熱量を調整して、反応管１０１内の温度を均一化するようにしている。しかしながら、最近のプロセスの中には、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜する場合など、基板１１０間の温度勾配を無くすか、あるいはできるだけ小さくすることが要求されるプロセスがあるので、反応管１０１内の温度を均一にする一方で、面内及び基板１１０間において均一な膜厚となるように熱処理を行うことが求められている。

特許文献１には、基板を保持するボートの上部に断熱材を設けて、ボートの天板が急激に加熱されることを抑える技術が記載されているが、ボートの上部は、アンロード時に降温するので、次にローディングしたときに温度が安定するまでに長い時間がかかり、スループットが低下してしまう。また、この断熱材の長さの分だけボートのストローク長を長くとらなければならず、装置が大型化する。更に、断熱材の昇降温により、断熱材に付着した反応活性種が断熱材との熱膨張収縮率の違いによって断熱材から剥離して、パーティクルとなるおそれがあると共に、ヒートショックにより断熱材が破損するおそれがある。

特開２００４−１１１７１５（（００３０）、図１）

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、反応管内を減圧した後に処理ガスを供給すると共に熱処理を行う熱処理装置において、面内及び基板間において熱処理を均一に行うことのできる熱処理装置及び熱処理方法を提供することにある。

本発明の熱処理装置は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を先端面が外側に湾曲している反応管内に一端側の開口部から搬入し、前記反応管内を減圧した後に処理ガスを供給して、加熱雰囲気下において前記基板に対して熱膜処理を行う熱処理装置において、
前記反応管内の前記基板が保持される処理領域に対して処理ガスを供給するために、前記反応管の長さ方向に沿って当該反応管の側壁に間隔をおいて配列されたガス供給口と、
前記反応管内を下方側から真空排気するための真空排気手段と、
前記反応管を囲むように設けられた加熱手段と、
前記反応管の先端面と基板保持具の収納領域との間の空間に設けられ、前記空間を埋めるための構造体と、を備えたことを特徴とする。この場合において、空間を埋めるとは、完全にこの空間を閉塞させることだけを意味しているのではなく、後述の発明を実施するための最良の形態において説明するように、空間の一部分を埋めることをも意味するものである。

前記熱処理は、成膜処理であっても良い。その場合には、前記処理ガスは、シラン系ガスを含む処理ガスまたはシラン系ガスとアンモニアガスとを含む処理ガスであり、前記成膜処理は、多結晶シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜する処理であることが好ましい。
前記熱処理は、酸化処理または不純物の拡散処理であっても良い。
前記熱処理は、基板保持具に保持された製品用の基板の温度を基板間において揃えるように加熱して行われることが好ましい。この場合において、「基板間において温度を揃える」とは、基板間の温度ばらつきを設定温度の１〜２％以内にするということである。

前記構造体は、反応管の側壁との間に間隙が形成されるように、当該反応管の軸と交差して設けられた板状体であることが好ましい。または、前記構造体は、反応管の軸と交差して設けられ、孔部が形成された板状体であることが好ましい。
前記構造体は、更に複数の板状体が反応管の軸方向に積層されたものであることが好ましい。

本発明の熱処理方法は、
多数の基板を並列に保持した基板保持具を先端面が外側に湾曲している反応管内に一端側の開口部から搬入し、前記反応管内を減圧した後に処理ガスを供給して、加熱雰囲気下において前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管内に多数の前記基板を保持した前記基板保持具を搬入する工程と、
前記反応管内を下方側から真空排気する工程と、
前記反応管内に、前記反応管の長さ方向に沿って当該反応管の側壁に間隔をおいて配列されたガス供給口から処理ガスを供給する工程と、
前記基板を加熱して成膜処理を行う工程と、を含み、
前記反応管の先端面と基板保持具の収納領域との間の空間には、前記空間を埋めるための構造体が設けられていることを特徴とする。この場合においても、空間を埋めるとは、空間の一部分を埋めることをも意味するものである。

本発明では、反応管の先端面と基板保持具の収納領域との間に、この領域の容積を減少させて、処理ガスの滞留を抑えるための構造体を設けているので、処理ガスの滞留が抑えられることにより、成膜ガスなどの処理ガスの過剰な反応が抑えられて、面内及び基板間において均一な膜厚となるように熱処理を行うことができる。また、この領域において生成された反応活性種が構造体に堆積して、基板の保持されている処理領域へ通流する過剰な反応活性種の量が少なくなるので、更に面内及び基板間において均一な膜厚となるように成膜することができる。そして、処理ガスとして成膜用の処理ガスを用いる場合だけでなく、酸化用または不純物拡散用の処理ガスを用いる場合においても、この構造体が断熱材として働き、基板からの処理領域の上方領域への熱移動が抑えられるため、反応管の上部の領域において、面内の温度差が小さくなり、熱処理を均一に行うことができる。

［第１の実施の形態］
本発明の熱処理装置１の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。図１に示した熱処理装置１は、例えば断熱材からなる筒状体２１と、この筒状体２１の内壁面に沿って周方向に設けられた加熱手段であるヒータ２２と、を備えている。ヒータ２２は、例えばカーボンワイヤヒータをセラミックスの中に封止したものが用いられる。また、ヒータ２２は、鉛直方向に複数の領域に分割されていて、それぞれの領域の温度を個別に制御できるように構成されている。

筒状体２１の内側には、例えば石英からなり、概略円筒形状で水平断面の形状が真円状の反応管３が設けられており、この一端側（下端側）が炉口として開口すると共に、反応管３の爆縮を防ぐために、先端面（上端側）がドーム状に外側に湾曲している。反応管３の開口部４１の周縁部にはフランジ４２が形成されており、この開口部４１は、図示しないボートエレベータにより昇降可能な蓋体４３によって開閉される。

蓋体４３上には、複数枚例えば１２５枚のウェハＷを棚状に保持する基板保持具であるウェハボート４５が設けられており、このウェハＷが保持される領域は、処理領域１０をなしている。このウェハボート４５に保持されたウェハＷと反応管３の内壁との間の距離は、処理ガスの流速が速くなり、面内において熱処理が均等に行われるように、できるだけ狭くなるように構成されており、例えば片側１０ｍｍとなっている。ウェハボート４５の下部には、多数の板状体４６ａを格納した断熱ユニット４６及び回転軸４４が設けられており、この回転軸４４は、蓋体４３を介して図示しないボートエレベータに取り付けられた駆動部であるモータＭによって回転する構成となっている。従って、ウェハボート４５は、蓋体４３の昇降によって反応管３に対して搬入出され、モータＭの回転によって回転軸４４と共に回転するように構成されている。

また、図２にも示すように、前記反応管３の外壁には、反応管３内にガスを供給するためのガス供給路として、扁平な縦長の箱状体を呈するガス供給ダクト６０が反応管３の側壁外面に沿って設けられている。
ガス供給ダクト６０の処理領域１０に対応する領域には、反応管３内に連通するガス吐出孔６１が形成されており、このガス吐出孔６１は、反応管３内の処理領域１０全体に処理ガスを供給できるように、鉛直方向にほぼ一定の間隔で複数箇所例えば１０箇所形成されている。尚、この例ではガス吐出孔６１を縦に１列配置したが、複数列例えば２列配置するようにしても良い。

フランジ４２内には、周方向に例えば７本のガス流路７３が形成されており、各ガス流路７３の先端側がフランジ４２の付け根部位にてガス供給ダクト６０内に開口している。また、各ガス流路７３の基端側には、例えば７本のガス供給管６５が接続されており、これらのガス供給管６５は、例えば各々互いに異なるガス供給源に接続されている。例えばガス供給管６５の１本は、バルブ７０Ａと流量調整部７１Ａとを介して例えばＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）ガス源７２Ａに接続されており、例えば他の１本はバルブ７０Ｂと流量調整部７１Ｂとを介して例えばＮＨ3（アンモニア）ガス源７２Ｂに接続されている。ＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）ガス源７２ＡとＮＨ3ガス源７２Ｂとは、ガス源７２を構成している。

また、図３及び図４にも示すように、処理領域１０の上方における上部空間１１（反応管３の先端面とウェハボート４５の収納領域との間の領域）には、複数枚例えば５枚の円板３１が所定の例えば１３ｍｍの隙間を介して積層されるように、例えば３本の支持軸３２によって固定された例えば石英からなるフィン３３が設けられている。このフィン３３は、この上部空間１１を埋めるためのものであり、外径が反応管３の内径よりも僅かに小さく、外縁部に切り欠き２３が例えば３カ所形成された例えば石英からなる円板状の支持板３４上に載置されている。反応管３の内壁には、この支持板３４の切り欠き２３の大きさ及び間隔に対応するように、３カ所に保持爪３５が溶接されており、支持板３４は、この保持爪３５の下方側から、切り欠き２３が保持爪３５の位置に重なるように、フィン３３と共に保持爪３５の上方に上昇して、そして切り欠き２３が保持爪３５の突起の位置に重ならないように回転することで、保持爪３５上に保持されるように構成されている。この支持板３４及びフィン３３を設置する場合には、例えば既述のウェハボート４５の上部に支持板３４及びフィン３３を載置して、このウェハボート４５と共に反応管３内に搬入し、回転させることで設置するようにしても良い。尚、この例では、上記のように、保持爪３５、支持板３４及びフィン３３がそれぞれ分離できるように構成したが、これらを溶接しても良い。その場合には、例えば反応管３の上部空間１１に対応する位置の下面を切断して、保持爪３５、支持板３４及びフィン３３を反応管３に溶接した後、再度反応管３の上部を溶接するようにしても良い。この時、支持板３４が反応管３の実質上の上面とならないように、上部空間１１を完全に密閉しないように例えば点溶接する。このフィン３３及び支持板３４は、特許請求の範囲の構造体に相当する。この構造体としては、特にこのようなフィン３３に限られず、上部空間１１を埋める（上部空間１１の体積を減らす）ものであれば、後述するように、一枚の円板などであっても良い。

図１中の反応管３の一端側である開口部４１側の側面には、反応管３内の雰囲気を排気するための排気口５が形成されている。この排気口５には、例えばバタフライバルブからなる圧力調整部５２を備えた排気管５３を介して、反応管３内を減圧可能な例えば真空ポンプなどの真空排気手段５１が接続されている。

次に、上述の熱処理装置１を用いた熱処理方法の一例について、シリコンウェハ（以下、「ウェハＷ」という）の表面にＣＶＤ法によってＳｉＮ膜を成膜する場合について説明する。
まず、ウェハＷを例えば１２５枚ウェハボート４５に保持し、図示しないボートエレベータを用いて反応管３内に搬入する。その後蓋体４３を上昇させ反応管３を密閉し、真空排気手段５１にて反応管３内を例えば２７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）に減圧すると共に、ヒータ２２により、反応管３内をあらかじめ設定したプロセス温度例えば７６０℃に昇温する。このプロセス温度は、反応管３内のウェハＷが一定の温度（設定温度の１〜２％以内、つまり７６０℃±５℃）となるように制御される。

この時、既述のフィン３３は、多数の円板３１から構成されており、例えば円板３１と同径で中実の円筒を設ける場合と比較して熱容量が小さいので、反応管３内のウェハＷの昇温の妨げとはほとんどならず、フィン３３を設けない場合とほぼ同じ昇温時間で反応管３内が加熱される。尚、ウェハＷの上側の数枚例えば５枚程度は、製品用のウェハＷではなく、ダミーウェハとなっている。このダミーウェハは、処理雰囲気例えば処理温度の例えば不安定な領域での歩留まり低下を抑えると共に、製品ウェハＷからの放熱を抑える断熱材としての働きを持っている。

次に、バルブ７０Ａ、７０Ｂを開放して、ガス源７２Ａ、７２Ｂから、各々処理ガスであるＳｉＨ2Ｃｌ2ガス及びＮＨ3ガスをガス供給管６５及びガス流路７３を介して、ガス供給ダクト６０に導入する。この処理ガスは、ガス供給ダクト６０内を加熱されながら上昇すると共に、ガス吐出孔６１から反応管３内に流入して、ウェハＷと反応管３の内壁との間の狭い隙間を下方側に向けて流れていき、この隙間からウェハＷの中心部に向かって拡散して、ウェハＷの表面において窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）を生成する。

また、処理ガスは、支持板３４と反応管３の内壁との隙間から上部空間１１に流入するが、この上部空間１１にはフィン３３が設けられて、容積が小さくなっているので、この上部空間１１において流速がそれ程低下せずに、処理領域１０へと流れていくため、過剰な反応活性種の生成が抑えられる。また、既述のように、フィン３３には多数枚の円板３１が設けられていて、表面積が大きくなっているので、上部空間１１において生成した反応活性種は、このフィン３３の表面に吸着して、消費されると共に、流速が速くなる。こうしたことから、上部空間１１を空洞化した場合と比べて、処理領域１０へ導入される反応活性種の量が大幅に減少する。

また、このフィン３３及び支持板３４は、いわば断熱材としての役割も果たすので、ウェハボート４５の上部側に保持されたウェハＷから上部空間１１に放射される熱が抑えられるため、当該上部側におけるウェハＷの面内における温度差が小さくなる。
そして、未反応の処理ガスや副生成物などを含むガスは、反応管３の下部の排気口５から真空排気手段５１によって排気される。上述の処理ガスは、例えばＮ2ガスにより希釈されるが、便宜上関連する説明は省略している。

以上の実施の形態によれば、ウェハＷが保持されていない領域である上部空間１１にフィン３３を設けているので、処理ガスの上部空間１１における滞留が抑えられ、また反応活性種が消費される。従って、既述のように、ウェハＷの周縁部及び上側のウェハＷにおける増膜を抑えて、ウェハＷの面内及びウェハＷ間において均一性の高い膜厚となるように成膜することができる。

また、反応管３内のウェハＷの温度を一定にする必要があるプロセス例えばＳｉＮ膜を成膜する場合であっても、ウェハＷの温度を一定にすると共に、ウェハＷ間において均一性の高い成膜処理を行うことができる。尚、反応管３内の処理ガスの濃度に応じて、ヒータ２２の設定温度を調整して、反応管３内に温度勾配を付ける場合でも、上部空間１１における処理ガスの滞留が抑えられ、また反応活性種が消費されるので、上記と同様の効果が得られる。
フィン３３及び支持板３４は、断熱材として働くため、上側のウェハＷの面内の温度差が小さくなるので、例えばダミーウェハの枚数を例えば３枚程度に減らして、製品用のウェハＷの数を増やすことができ、生産性を向上させることができる。

また、このフィン３３をウェハボート４５の上部に設けるのではなく、反応管３内に設置していることから、既述のように、スループットの低下やウェハボート４５のストローク長の増大といった問題もない。更に、フィン３３が急激な温度変化を受けないので、ヒートショックによって破損するおそれが少なくなると共に、表面に付着した反応活性種（ＳｉＮ膜）とフィン３３との間の熱膨張収縮率の違いによる反応活性種の剥離が抑えられるので、パーティクルの発生が少なくなる。

尚、上述の例では、フィン３３に円板３１を５枚設けたが、それ以上例えば１０枚程度であっても良いし、あるいは後述の実施例において示すように、フィン３３を設けなくても良い。また、処理ガスを供給する際に減圧雰囲気としたが、大気圧としても良い。この場合は、熱処理を開始する前に、反応管３内の雰囲気を排出する（熱処理に寄与しないガスを排出する）ために、反応管３内を減圧した後、処理ガスが導入される。

以上の例では、熱処理装置１を用いてＳｉＮ膜を成膜する場合について説明したが、このようなＣＶＤ法だけでなく、処理ガスとして例えば酸素ガスを供給して、表面に酸化膜を形成するような酸化処理としても良い。この場合においても、フィン３３は断熱材として働き、上側のウェハＷの面内の温度が均一に保たれて、その結果生産性が向上する。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図５及び図６を参照して説明する。尚、この実施の形態では、既述の支持板３４及びフィン３３以外については第１の実施の形態と同じ構成であるので、説明を省略する。
この実施の形態では、上部空間１１には、構造体として、概略円錐形状の支持板３４ａ、この支持板３４ａの内部を塞ぐように設けられたフィン３３ａ及びこのフィン３３ａの内側に格納される小径のフィン３６ａが設けられている。

小径のフィン３６ａは、複数枚例えば３枚の同じ径の円板３７ａと、この円板３７ａの中心を貫通する支持軸３８ａと、から構成されている。
このフィン３６ａの外側のフィン３３ａは、リング状で上側から徐々に外径が大きくなる複数枚例えば３枚の円板３１ａと、この円板３１ａが同心円状となるように、この円板３１ａの内径側を各々接続するように設けられた円筒形状の支持軸３２ａと、を備えている。尚、この支持軸３２ａは、円板３１ａの内径端よりもわずかに外径側を各々接続できるように、複数の低い高さの円筒体から構成されており、この複数の円筒体と円板３１ａとを交互に積層して溶接することで、フィン３３ａが構成されている。

このフィン３３ａの支持軸３２ａ内に上述のフィン３６ａを格納して、円板３１ａがフィン３６ａの円板３７ａと同じ高さになるように、円板３７ａの上面と支持軸３２ａの内面とには、それぞれ図示しない嵌合爪が設けられていて、支持軸３２ａ内にフィン３６ａを挿入して、フィン３６ａを回転させることで支持軸３２ａによりフィン３６ａが保持されるように構成されている。
また、フィン３３ａの支持軸３２ａの外周面には、上端部に保持爪３５ａが形成されている。

支持板３４ａは、内部が空洞で下面が開口した概略円錐状であり、その上面部は、フィン３３ａの支持軸３２ａが貫通できるように、開口している。また、この開口部には、既述の支持軸３２ａの保持爪３５ａに対応する切り欠き２３ａが形成されており、フィン３３ａの支持軸３２ａをこの開口部に下側から挿入して、フィン３３ａを回転させることで、保持爪３５ａによりフィン３３ａをこの支持板３４ａに吊り下げることができるように構成されている。
尚、図５では、支持板３４ａの切り欠きと反応管３内の保持爪３５とを省略して示しているが、既述の第１の実施の形態と同様に、保持爪３５上に支持板３４ａが保持されるように構成されている。以下の実施の形態についても、同様に省略する。
このような構成であっても、既述の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
また、図７に示すように、フィン３６ａを設けなくても良いし、また、図８に示すように、フィン３６ａの円板３１ａを支持板３４ａの内壁に近接する程度まで大きくしても良い。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態について、図９及び図１０を参照して説明する。この実施の形態においても、既述の支持板３４及びフィン３３以外については第１の実施の形態と同じ構成である。
上部空間１１には、構造体として、リング状の支持板３４ｂ、この支持板３４ｂの上面に設けられた概略リング状のフィン３３ｂ及びこのフィン３３ｂの内側に格納される小径のフィン３６ｂが設けられている。

小径のフィン３６ｂは、複数枚例えば５枚の円板３７ｂと、この円板３７ｂの中心を貫通する支持軸３８ｂと、から構成されている。このフィン３６ｂの外側のフィン３３ｂは、リング状の複数枚例えば５枚の円板３１ｂと、この円板３１ｂの外縁部にて上下の円板３１ｂを固定するための支持軸３２ｂと、を備えており、円板３１ｂの中心部の開口部内に上述のフィン３６ｂを格納して、円板３１ｂがフィン３６ｂの円板３７ｂと同じ高さになるように構成されている。尚、最上部の円板３１ｂは、反応管３内の上端面の形状に合わせるために、他の円板３１ｂよりも僅かに小径となるように形成されており、これに合わせて支持軸３２ｂも最上部では内側に設けられている。支持板３４ｂとフィン３３ｂとは、フィン３３ｂの最下部の支持軸３２ｂによって溶接され、固定されている。
このような構成であっても、既述の第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
尚、フィン３６ｂとフィン３３ｂとは、既述の第２の実施の形態と同様に、嵌合爪や切り欠きまたは保持爪などによって互いに保持されるように構成されているが、ここでは省略する。以下の例についても同様とする。

また、図１１に示すように、フィン３６ｂを設けなくても良いし、図１２に示すように、更にフィン３３ｂを設けずに、支持板３４ｂの上側に、支持板３４ｂの内径を狭めるためのリング状の部材３９ｂを設けても良い。図１３に示すように、支持板３４ｂを円板状として、その周縁部に複数の開口部４０ｃを形成した支持板３４ｃを用いても良い。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４に示す熱処理装置２は、既述の熱処理装置１とは異なる反応管４を備えている。この反応管４には、図１５にも示すように、処理ガスを反応管４の上端部から供給するように、反応管４の天頂部まで伸長したガス供給ダクト６２が設けられており、この反応管４の上端部には、既述のガス吐出孔６１よりも大径のガス吐出孔６３が開口している。

この反応管４においては、処理ガスは、上部空間１１を介して処理領域１０に供給される。このような構成でも、既述の熱処理装置１と同様に成膜処理が行われて、第１〜第３の実施の形態と同様の構成の構造体を設けることにより、これらの実施の形態と同じ効果が得られる。つまり、本発明は、処理ガスが反応管内を下方向あるいは横方向に向かって通流して、上部空間１１に処理ガスが滞留するかあるいは吸熱されるおそれのある構成の熱処理装置に適用することができる。そのため、例えば既述の第１の実施の形態におけるガス吐出孔６１に対向するように、反応管３の側面に例えば複数箇所の開口部を形成して、この開口部から処理ガスを排気するようにしても良い。
尚、この反応管４の側面に、更に既述の反応管３と同様のガス吐出孔６１を形成するようにしても良い。

［第５の実施の形態］
次いで、本発明の第５の実施の形態について、図１６〜図１８を参照して説明する。図１６に示す熱処理装置７は、既述の熱処理装置１とほぼ同じ構成であるが、図１７にも示すように、反応管６に形成されたガス吐出孔６１の上側には、反応管６内の上部空間１１に連通するように、ガス吐出孔６１よりも大径の均圧化用の孔６６が形成されている。この均圧化用の孔６６は、ガス供給ダクト６０内の処理ガスの流速を速めて、複数箇所のガス吐出孔６１から反応管６内の処理領域１０に供給される処理ガスの圧力（流量）を均等化するためのものである。つまり、処理ガスの大部分は、この均圧化用の孔６６から上部空間１１に供給されて、その後反応管６内を下降して、排気されることとなる。

この反応管６の上部には、図１８にも示すように、既述の図５に示す支持板３４ａが保持爪３５上に保持されており、この支持板３４ａ上には、この支持板３４ａの中央の開口部を狭めるために、既述の図１２に示すリング状の部材３９ｂが設けられていて、これら支持板３４ａと部材３９ｂとは、特許請求の範囲における構造体をなしている。

この熱処理装置７においても、既述の熱処理装置１と同様にＳｉＮ膜などの成膜が行われるが、処理ガスは、上述したように、大部分が均圧化用の孔６６から上部空間１１に供給されて、反応管６から排出される。この時、この支持板３４ａ及び部材３９ｂによって、既述の効果と同様の効果が得られる。
以下に、この熱処理装置７における上部空間１１に設置する構造体の他の構成例について説明するが、これらの構造体だけでなく、第１〜第３の実施の形態までに説明した構造体を設けても、同様の効果が得られる。

図１９には、図１８に示した部材３９ｂの中央部の開口径を大きくしたリング状の部材３９ｃを用いた例を示している。図２０には、部材３９ｂの中央部に多数の小径の開口部２４を形成したリング状の部材３９ｄを用いた例を示している。図２１には、図５に示した支持板３４ａの上端面の開口部を塞ぎ、全面に小径の開口部２５を形成した支持板３４ｄを示している。図２２には、保持爪３５の位置よりも上方位置にて処理ガスの滞留を抑えるように、例えば２カ所の基部２６を設けた概略円板状の支持板３４ｅを示している。図２３には、図９に示した支持板３４ｂだけを用いた例を示している。また、図２４には、この支持板３４ｂの中央の開口部に部材３９ｃを組み合わせた例を示している。図２５には、支持板３４ｂに部材３９ｄを組み合わせた例を示している。図２６には、多数の小径の開口部２７を形成した平坦な支持板３４ｆを示している。
以上に示す構造体を用いた場合においても、既述の効果と同様の効果が得られる。

本発明の効果を確認するために行った実験について、以下に説明する。実験には、熱処理装置１を用いて、以下のプロセス条件において、各例毎にそれぞれ１１０枚のウェハＷを用いてＳｉＮ膜の成膜試験を行った。また、上部空間１１には、以下の各例のようにそれぞれ既述の構造体を設けて実験を行った。成膜後、各ウェハＷの複数のポイントにおいて膜厚を測定して、膜厚の均一性と成膜速度とを算出した。尚、ウェハＷの１１０枚中、上側の５枚はダミーウェハを用いたため、これらのダミーウェハについての測定は行わなかった。また、上部空間１１に構造体を設けるにあたり、この構造体に熱が吸収されて温度勾配が形成されてしまうおそれがあることから、実際の熱処理を行う前に、処理領域１０の温度分布を測定して、各例において各ウェハＷが一定温度となるように、ヒータ２２の出力を調整した。

（プロセス条件）
処理温度：７６０℃
処理ガス：ジクロロシランガス／アンモニアガス＝１５０／１５００ｓｃｃｍ
処理圧力：２７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）
（実験例１）
上部空間１１には、構造体として第１の実施の形態におけるフィン３３と支持板３４とを設けた。
（実験例２）
上記の実験例１のフィン３３を設けない構成とした。
（比較例）
上部空間１１には、構造体を何も設けずに実験を行った。
（実験結果）
図２７に示すように、上部空間１１に構造体として支持板３４やフィン３３を設けることによって、上部側の成膜速度が抑えられて、ウェハＷ間において均一な成膜速度となることが分かった。これは、既述の通り、上部空間１１における処理ガスの滞留が抑制されて、更にこの上部空間１１で過剰な反応活性種が消費されたためだと考えられる。また、支持板３４だけよりも、この支持板３４に加えて、フィン３３を設けることで、成膜速度のウェハＷ間の均一性が向上するため、上部空間１１に設ける構造体の表面積や体積が大きくなる程、上記の効果が増大するものと考えられる。

尚、処理温度によっても成膜速度が変化するので、処理領域１０の上部側における実験例１と比較例との成膜速度の差について、この差が温度差だけで生じたものとして試算したところ、その温度差は４〜５℃程度となることが分かった。しかし、上記のように、実験前に反応管３内の温度を測定して、ヒータ２２の出力を調整しているので、そのような温度差が生じないことから、この成膜速度の差は、既述のように、処理ガスの滞留や過剰な反応活性種の影響などによるものと考えられる。

また、ウェハＷの面内の膜厚の均一性も向上しており、特に上部側のウェハＷの均一性が向上している。この結果についても、上部空間１１の構造体の体積が大きくなる程効果が増大していることが分かる。これは、既述の通り、構造体の断熱材としての効果であり、ウェハＷの中心部からの放熱が抑えられて、上側のウェハＷでは、中心部と周縁部との温度差が１℃程度から０．５℃以下まで減少していることが分かった。

本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置の全体構成を示す縦断面図である。上記の熱処理装置における反応管の一例を示す斜視図である。上記の反応管内に設けられた構造体を示す斜視図である。上記構造体を示す反応管の断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る構造体を示す分解斜視図である。上記構造体を示す反応管の断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る構造体を示す分解斜視図である。上記構造体を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。本発明の第４の実施の形態に係る熱処理装置の全体構成を示す縦断面図である。上記の熱処理装置における反応管の一例を示す斜視図である。本発明の第５の実施の形態に係る熱処理装置の全体構成を示す縦断面図である。上記の熱処理装置における反応管の一例を示す斜視図である。上記の反応管内に設けられた構造体を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。上記構造体の他の例を示す断面図である。本発明の実施例における実験結果をしめす特性図である。従来の熱処理装置をしめす縦断面図である。

符号の説明

１熱処理装置
３反応管
５排気口
１０処理領域
１１上部空間
２２ヒータ
２３切り欠き
３３フィン
３４支持板
３５保持爪
４５ウェハボート
５１真空排気手段
６０ガス供給ダクト
６１ガス吐出孔

Claims

多数の基板を並列に保持した基板保持具を先端面が外側に湾曲している反応管内に一端側の開口部から搬入し、前記反応管内を減圧した後に処理ガスを供給して、加熱雰囲気下において前記基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記反応管内の前記基板が保持される処理領域に対して処理ガスを供給するために、前記反応管の長さ方向に沿って当該反応管の側壁に間隔をおいて配列されたガス供給口と、
前記反応管内を下方側から真空排気するための真空排気手段と、
前記反応管を囲むように設けられた加熱手段と、
前記反応管の先端面と基板保持具の収納領域との間の空間に設けられ、前記空間を埋めるための構造体と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。
前記熱処理は、成膜処理であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記処理ガスは、シラン系ガスを含む処理ガスまたはシラン系ガスとアンモニアガスとを含む処理ガスであり、
前記成膜処理は、多結晶シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜する処理であることを特徴とする請求項２に記載の熱処理装置。
前記熱処理は、酸化処理または不純物の拡散処理であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記熱処理は、基板保持具に保持された製品用の基板の温度を基板間において揃えるように加熱して行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の熱処理装置。
前記構造体は、反応管の側壁との間に間隙が形成されるように、当該反応管の軸と交差して設けられた板状体であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の熱処理装置。
前記構造体は、反応管の軸と交差して設けられ、孔部が形成された板状体であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の熱処理装置。
前記構造体は、複数の板状体が反応管の軸方向に積層されたものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の熱処理装置。
多数の基板を並列に保持した基板保持具を先端面が外側に湾曲している反応管内に一端側の開口部から搬入し、前記反応管内を減圧した後に処理ガスを供給して、加熱雰囲気下において前記基板に対して熱処理を行う熱処理方法において、
前記反応管内に多数の前記基板を保持した前記基板保持具を搬入する工程と、
前記反応管内を下方側から真空排気する工程と、
前記反応管内に、前記反応管の長さ方向に沿って当該反応管の側壁に間隔をおいて配列されたガス供給口から処理ガスを供給する工程と、
前記基板を加熱して熱処理を行う工程と、を含み、
前記反応管の先端面と基板保持具の収納領域との間の空間には、前記空間を埋めるための構造体が設けられていることを特徴とする熱処理方法。
前記熱処理は、成膜処理であることを特徴とする請求項９に記載の熱処理方法。
前記処理ガスは、シラン系ガスを含む処理ガスまたはシラン系ガスとアンモニアガスとを含む処理ガスであり、
前記成膜処理は、多結晶シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜する処理であることを特徴とする請求項１０に記載の熱処理方法。
前記熱処理は、酸化処理または不純物の拡散処理であることを特徴とする請求項９に記載の熱処理方法。
前記熱処理は、基板保持具に保持された製品用の基板の温度を基板間において揃えるように加熱する工程であることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか一つに記載の熱処理方法。
前記構造体は、反応管の側壁との間に間隙が形成されるように、当該反応管の軸と交差して設けられた板状体であることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一つに記載の熱処理方法。
前記構造体は、反応管の軸と交差して設けられ、孔部が形成された板状体であることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか一つに記載の熱処理方法。
前記構造体は、複数の板状体が反応管の軸方向に積層されたものであることを特徴とする請求項９ないし１５のいずれか一つに記載の熱処理方法。