JP4645616B2

JP4645616B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP4645616B2
Application number: JP2007095739A
Authority: JP
Inventors: 久司井上
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008258207A

Description

本発明は、縦型の二重管構造の反応管内にプロセスガスを導入して多数の基板に対して一括して成膜処理を行う成膜装置に関する。

半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対してＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により成膜処理をバッチで行う装置として縦型熱処理装置がある。この種の熱処理装置としては種々のタイプがあるが、その一つとして二重管構造の反応管を用いた装置が知られており、図１６にその一例を示す。この装置は、両端が開口している石英製の内管１ａ及び上端が閉じている石英製の外管１ｂからなる二重管構造の反応管１を筒状のマニホールド１１の上に搭載し、反応管１を囲むようにヒータを含む加熱炉１２を設けて構成され、蓋体１３の上に断熱ユニット１４を介して設けられたウエハボート１５に多数のウエハＷを棚状に保持させ、蓋体１３の上昇によりウエハボート１５を反応管１内に搬入した後、成膜処理を行うものである（特許文献１）。

上記装置は、前記マニホールド１１に内管１ａの内側の下部領域にて導入口１６ａが上向きの状態で位置するガス導入管１６が設けられており、このガス導入管１６により内管１ａ内の下部領域に導入されたプロセスガスは内管１ａ内を上昇してウエハボート１５と内管１ａとの隙間を通り、更に内管１ａと外管１ｂとの隙間を介して下降して排気管１７から排気される。

このような縦型熱処理装置では内管１ａ内の下部領域から排気口までの排気路は内管１ａ内の上部領域から排気口までの排気路よりも距離が長く、しかも処理領域にはウエハボート１５に載置されたウエハＷが位置することから、内管１ａ内の下部側は圧力が高く、前記内管１ａ内の上部側は圧力が低くなり、両者の間で圧力差が生じる。その結果ウエハボート１５の上段領域に保持されているウエハＷとウエハボート１５の下段領域に保持されているウエハＷとの間に膜厚のばらつきが生じ、ウエハＷ間における膜厚均一性が低下するといった問題がある。

また上記装置にて成膜処理を繰り返し行うことで内管１ａの内面の累積膜厚は大きくなるが、この膜厚がある大きさに達すると熱ストレスによって膜割れが生じる。この状態で内管１ａ内の下部領域にプロセスガスを導入すると、内管１ａの内面を通過したプロセスガスによって膜が剥がれてパーティクルとなる。そのためプロセスガスが内管１ａの内面を通過する際に順次内管１ａの内面の膜を剥がしながら内管１ａの処理領域の上部側に向かい、このため処理雰囲気内にパーティクルが飛散した状態となるし、またパーティクルは内管１ａの処理領域の上部側に行くほど累積加算されることから、図１７に示すように内管１ａの処理領域の上部側におけるパーティクル濃度が高くなる。その結果飛散しているパーティクルがウエハＷに付着するし、特にウエハボート１５の上段領域に保持されているウエハＷ表面に付着するパーティクルの量が多いといった問題がある。

特開２００１−３４５３１４号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内管と外管とからなる二重管構造の縦型の反応管を用いて成膜を行う成膜装置において、基板保持具に保持されている基板間における膜厚均一性の向上を図ることができ、且つ基板へのパーティクルの付着を抑えることができる成膜装置を提供することにある。

本発明は加熱手段に取り囲まれ、内管と当該内管を収容する外管とからなる二重管構造の縦型の反応管内に、複数の基板を棚状に保持させた基板保持具を下方側から搬入し、内管内の下部側からプロセスガスを導入して、内管と外管との隙間を介して排気しながら前記基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
前記内管は、縦長のプレートを周方向に互いに隙間を開けて連結してなる横断面形状が多角形の筒状体により構成され、
前記内管の全周に亘って多数の排気開口部が形成され、
前記排気開口部は、周方向に互に隣接する前記プレート間の縦長の隙間により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば二重管構造の縦型の反応管の内管の全周に亘って排気孔や縦長のスリット等の排気開口部を多数形成しているので、処理領域の上部側と下部側とにおける圧力差が小さくなり、基板間の膜厚の均一性が向上する。また処理領域に生じたパーティクルは、プロセスガスが排気開口部から排気される際に一緒に排気されるため処理領域中のパーティクルの濃度が小さくなり、特に処理領域の上部側におけるパーティクルの濃度が高いという不具合が緩和あるいは解消され、この結果基板へのパーティクルの付着量が少なくなり、歩留まりの向上が図れる。

本発明の実施の形態に係る成膜装置について説明する。図１は、成膜装置であるバッチ式の縦型熱処理装置の全体構成を示す図である。この縦型熱処理装置は、例えば両端が開口している直管状の石英製の内管２０及び上端が閉塞し下端が開口している石英製の外管２１からなる二重管構造の縦型の反応管２を備えている。図２に示すように前記内管２０には、全周に亘って排気開口部である円形状の排気孔７が例えばマトリクス状に多数形成されている。前記排気孔７の口径は例えば２ｍｍであり、互いに隣接する排気孔７と排気孔７との中心間距離は例えば１０ｍｍである。なお、図２に示す排気孔７の大きさは実際の大きさではなく便宜上模式的に示したものである。前記反応管２の周囲には、筒状の断熱体３０がベース体４０に固定して設けられ、この断熱体３０の内側には抵抗発熱体からなるヒータ３１が例えば上下にゾーン分割して設けられている。内管２０及び外管２１は下部側にて筒状のマニホールド４１の上に支持されている。このマニホールド４１の一端側にはガス導入管２３が挿入されており、このガス導入管２３は内管２０の内側でＬ字状に屈曲され、当該ガス導入管２３のガス導入口２３ａが上向きの状態で内管２０の下部領域に位置するように設けられている。前記ガス導入管２３の下流側には流量計等のガス供給制御機器群３２を介してプロセスガス供給源３４が接続されている。

また図１に示すようにマニホールド４１の側面には内管２０内の下部側から導入されたガスを内管２０と外管２１との間から排気するための排気口４３ａが形成されており、この排気口４３ａには真空排気手段４２が接続された排気管４３の一端が接続されている。この例では、内管２０、外管２１及びマニホールド４１により反応容器が構成される。

また本縦型熱処理装置は、図１及び図３に示すようにマニホールド４１の下端開口部を開閉するための蓋体５１を備えており、この蓋体５１はボートエレベータ５２の上に設けられている。前記蓋体５１の上にはボートエレベータ５２側に配置された駆動部５３により回転軸５４を介して鉛直軸回りに回転する回転台５５が設けられ、この回転台５５の上には断熱ユニット５６を介して基板保持具であるウエハボート６が搭載されている。このウエハボート６は、図３に示すように例えば天板６１及び底板６２の間に複数の支柱６３を設け、この支柱６３に上下方向に形成された溝に基板であるウエハＷの周縁を挿入して保持するように構成されている。

次に上述の実施の形態の作用について説明する。先ず、基板であるウエハＷを所定枚数ウエハボート６に保持し、ボートエレベータ５２を上昇させることにより、反応管２及びマニホールド４１にて構成される反応容器内に搬入（ロード）する。ウエハボート６が搬入されてマニホールド４１の下端開口部が蓋体５１により塞がれた後、反応容器内の温度を所定の温度まで昇温させると共に、図示しない排気用のバルブを開いて反応容器内を、排気管４３を通じて真空排気手段４２により、所定の真空度まで真空排気する。

次に、真空排気手段４２により反応容器内を排気している状態でプロセスガス供給源３４からガス供給制御機器群３２により所定の流量でガス導入管２３を通じて反応容器内にＴＥＯＳガスを導入して、反応容器内を所定の真空度に維持する。ガス導入管２３ａの導入口から前記内管２０内の下部側を介して導入されたＴＥＯＳガスはウエハＷ間に入り込み、ウエハＷ表面に供給され、ウエハＷ表面上で熱分解してシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）が形成される。
ここで内管２０内のガスの一部は上面開口から折り返して内管２０と外管２１との隙間に流れるが、残りのガスは内管２０の全周に亘って形成された排気孔７から前記隙間に流出して、外管２１の上端から下降してきたガスと共に、マニホールド４１の側面に形成された排気口４３ａから排気される。従って、従来のようにガスの全部が内管２０の上面開口から排気されて、一方向流を形成していた場合に比べて、図４に示すように内管２０全体から均一な排気が行われる。即ち、排気孔７を設けない場合には内管２０内の下部側の圧力は上部側よりも高いが、排気孔７を内管２０に形成すると下部側のもの程、マニホールドの側面に形成された排気口４３ａに近いことから排気力が大きくなり、結果として内管２０内の処理領域の上部側と下部側との間に生じていた圧力差が緩和された状態で、ウエハボート６に載置されているウエハＷに対して成膜処理が行われることになる。

こうして所定時間成膜処理が行われた後、ＴＥＯＳガスの供給を停止し、図示しない排気用のバルブを開けて反応容器内に残っているＴＥＯＳガスを排気する。その後、図示しないガス導入管により反応容器内に窒素ガスを供給し、反応容器内を大気圧に復帰させる。しかる後、ウエハボート６の搬出（アンロード）が行われ、当該ウエハボート６において図示しない搬送アームにより成膜処理が終わったウエハＷと次の成膜処理を行うためのウエハＷとの積み替えが行われる。そして上述と同じ手順で次の成膜処理が行われる。
上記装置にて成膜処理を繰り返し行うと内管２０の内面の累積膜厚は大きくなり、この膜厚がある大きさに達すると熱ストレスによって膜割れが生じる。この状態で内管２０内の下部領域にＴＥＯＳガスを導入すると、内管２０の内面を通過したＴＥＯＳガスによって膜が剥がれてパーティクルとなる。このパーティクルは図５に示すようにＴＥＯＳガスが排気孔７から排気される際に一緒に排気される。つまり内管２０の内面から剥がれた膜は、その剥がれた部位から近い排気孔７から排気されることになる。

上述の実施の形態によれば、二重管構造の反応容器の内管２０において全周に亘って排気孔７を多数形成しているので、内管２０の処理領域の上部側と内管２０の処理領域の下部側との圧力差が緩和されることになり、ウエハボート６に保持されているウエハＷ間の膜厚均一性が向上する。また既述のように処理領域中のパーティクルの濃度が小さくなり、特に処理領域の上部側におけるパーティクルの濃度が高いという不具合が緩和あるいは解消され、この結果ウエハＷへのパーティクルの付着量が少なくなり、歩留まりの向上が図れる。

続いて本発明に係る内管２０の他の形態について説明する。この形態では図２に示す内管２０において図６に示すように内管２０の上端部に向かうほど排気孔７の開口率を大きくするように例えば排気孔７の開口面積が大きくなるように構成されている。既述のように内管２０に形成された排気孔７は下部側のもの程、マニホールド４１の側面に形成された排気口４３ａに近いことから排気力が大きいので、装置構成やプロセスレシピによっては上部側の排気孔７からの排気が不十分になり、結果として内管２０内の圧力が不均一になる場合には内管２０の上部側に向かう程、開口率を大きくするようにしてもよい。なお、開口率の大きさの変更については、縦並びの排気孔７群を順次上のもの程開口面積を大きくするようにしてもよいが、上下方向に複数のゾーンに分け、各ゾーン毎に口径を所定の大きさに設定するようにしてもよく、あるいは開口面積を変える代わりに排気孔７の配列密度を変更するようにしてもよい。

また図２に示す内管２０において図７に示すように内管２０の上端開口部を蓋体７０で封止するようにしてもよく、この場合、図８に示すように前記蓋体７０に排気開口部である排気孔７１を多数形成してよい。このように蓋体７０がある場合では、内管２０内の下部領域から導入されたプロセスガスは全て内管２０の管壁から排気されることになる。また蓋体７０に排気孔７１があると、この排気孔７１からも若干排気がなされる。このような構成であっても上述と同様の作用効果が得られる。また内管２０の上端を閉じる場合には内管２０の内部のガスは全て排気孔７から排気されるので内管２０の上端部に向かうほど排気孔７の開口率を大きくすることが好ましい。

さらに本発明に係る内管の他の形態について説明する。この形態では図９に示すように内管２０の全周に亘って排気開口部である縦長のスリット７３が多数形成されている。前記スリット７３は長さが例えば１０００ｍｍ、幅が例えば２ｍｍであり、互いに隣接するスリット７３とスリット７３との離間距離は例えば１００ｍｍである。なお、図９に示すスリット７３の大きさは実際の大きさではなく便宜上模式的に示したものである。このような構成であっても内管２０に排気孔７を形成した場合と同様の作用効果を得ることができる。またこの形態においても図１０に示すように前記スリット７３の幅が内管２０の上端部に向かうほど広くなるように構成して、開口率を変えるようにしてもよい。このような形態においても図１１に示すように内管２０の上端開口部を蓋体７０で封止するようにしてもよく、また図１２に示すように前記蓋体７０に排気開口部である排気孔７１を多数形成してもよい。このような構成であっても上述と同様の作用効果が得られる。

さらに本発明に係る内管２０の他の形態について図１３〜図１５を参照しながら説明する。この形態における内管２０は図１３に示すように縦長のプレート８０を周方向に連結してなる横断面形状が多角形の筒状体８と、この筒状体８の上縁部及び下縁部を係止する多角形のリング状の枠体９２，９３とから構成される。この内管２０についてより詳しく説明すると、図１３及び図１４に示すように前記プレート８０の左縁側の上部、中部及び下部には各々外方に段面部８１ａを有する突片８１が形成されており、前記プレート８０の右縁側の上部、中部及び下部には各々内方に傾斜段面部８２ｂを有する突片８２が形成されている。そして図１４に示すように一方のプレート８０の右縁側に設けられた突片８２の傾斜段面部８２ａに他方のプレート８０の左縁側に設けられた突片８１の段面部８１ａを合接させて、一方のプレート８０及び他方のプレート８０をへの字形に連設して、このようにしてプレート８０を順番に配置していくことで横断面形状が多角形の筒状体８が構成される。また図１５に示すように前記枠体９２，９３の一面側には当該枠体９２，９３の輪郭に沿って溝部９４，９５が形成されており、枠体９２の溝部９４を筒状体８の下縁部に嵌合し、また枠体９３の溝部９５を筒状体８の上縁部に嵌合することで、これら枠体９２，９３が筒状体８に係止されることになり、筒状体８の形状が固定される。また図１３に示すように一方のプレート８０の右縁側に設けられた突片８２と他方のプレート８０の左縁側に設けられた突片８１とが合接したときに一方のプレート８０と他方のプレート８０との間に縦長の隙間８３が形成される。この例ではこの隙間８３が内管２０に形成された排気開口部に相当する。前記プレート８０及び枠体９２，９３を構成する材料としては例えば石英、アルミナ、ＳＵＳ及びシリコン等が用いられる。
従来の内管はガラスにより真円状に加工しなければならないことから加工コストが非常に高いが、上述したようにプレート８０を連設して隙間８３によりスリットを形成する構造を採用すれば内管の製造コストを大幅に抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。本発明の実施の形態に係る内管を示す外観図である。本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す外観図である。前記内管内の排気について説明する説明図である。前記内管の処理領域に生じたパーティクルがプロセスガスと一緒に排気孔７から排出される様子を示す説明図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。本発明に係る内管の他の形態を示す外観図である。図１３に示す内管において連結部位を示す概略図である。図１３に示す内管において枠体を示す正面図及び側面図である。従来の縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。従来の内管において内管の処理領域に生じたパーティクルがプロセスガスと一緒に排出される様子を示す説明図である。

符号の説明

Ｗウエハ
２反応管
２０内管
２１外管
２３ガス導入管
２４ガス導入管
３０断熱体
３１ヒータ
３４プロセスガス供給源
４０ベース体
４１マニホールド
４２真空排気手段
４３排気管
４３ａ排気口
７排気孔
７０蓋体
７１排気孔
７３スリット
８筒状体
８０プレート
８１，８２突片
８３隙間
９２，９３枠体
９４，９５溝部

Claims

加熱手段に取り囲まれ、内管と当該内管を収容する外管とからなる二重管構造の縦型の反応管内に、複数の基板を棚状に保持させた基板保持具を下方側から搬入し、内管内の下部側からプロセスガスを導入して、内管と外管との隙間を介して排気しながら前記基板に対して成膜処理を行う成膜装置において、
前記内管は、縦長のプレートを周方向に互いに隙間を開けて連結してなる横断面形状が多角形の筒状体により構成され、
前記内管の全周に亘って多数の排気開口部が形成され、
前記排気開口部は、周方向に互に隣接する前記プレート間の縦長の隙間により構成されていることを特徴とする成膜装置。
前記プレート群の上縁部及び下縁部には、多角形のリング状の枠体が係合していることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。