JP5054325B2 - 縦型炉用マニホールド及び縦型炉 - Google Patents

Description

この発明は、半導体製造工程における高温の熱処理に用いられる縦型炉、及び、縦型炉のプロセスチューブ（処理管）の下端部に備えられる縦型炉用マニホールドに関する。

半導体の製造工程には、半導体ウェハを１１００℃以上の高温で加熱する熱処理工程が含まれる。この熱処理工程では、耐熱特性に優れたＳｉＣ（炭化硅素）のプロセスチューブを備えた縦型炉が用いられる。プロセスチューブは、下面が開放した筒状体であり、下面から内部に複数枚の半導体ウェハが上下方向に間隔を設けて積層した状態で挿入される。縦型炉は、プロセスチューブの外周面における上下方向の中間部に対向する位置にヒータと、プロセスチューブの下方に配置されてプロセスチューブを支持するマニホールドと、を備えている。

ＳｉＣは熱伝導率が高いため、熱処理工程中にはヒータが対向しないプロセスチューブの下面近傍でも７００℃〜８００℃の高温になる。このため、マニホールドには、ステンレス等の金属材料を用いることができず、耐熱性に優れた石英材料が多用されている。

プロセスチューブ内には、プロセスガスが供給される。熱処理中にプロセスチューブ内のプロセスガスの濃度を所定の値に維持するためには、石英材料のマニホールドとＳｉＣのプロセスチューブとの間からのプロセスガスの漏出、及び、プロセスチューブ内への外気の流入を防止する必要がある。

このため、マニホールドとプロセスチューブとの間のシールにＯリングを用いたものがあった。ところが、Ｏリングは充分な耐熱性を備えておらず、プロセスチューブの下面をヒータの下端から充分に離間させる必要があり、縦型炉の大型化を招く。

そこで、従来の縦型炉では、プロセスチューブを支持する石英のマニホールドに環状のチャンネルを形成し、このチャンネルに不活性ガスを供給するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。プロセスチューブとマニホールドとの間がガスシールされ、この間からのプロセスガスの漏出が防止される。Ｏリングを用いる必要がなく、プロセスチューブの下面からヒータの下端までの距離を短くすることができ、縦型炉を小型に構成することができる。
特開２００４−３１９１５号公報

しかしながら、プロセスチューブとマニホールドとの間をガスシールする従来の構成では、プロセスチューブ内の圧力よりも高い圧力の不活性ガスをマニホールド内のチャンネルに供給することだけに依存していた。このため、シール性を高めようとすると不活性ガスのプロセスチューブ内への流入量が多くなってプロセスガスの濃度低下をきたす。また、逆にマニホールドから供給する不活性ガスの圧力を相対的に低くすると、プロセスチューブ内への外気の浸入を防ぐことができない。何れにしても、プロセスチューブ内を所定のプロセスガス濃度に維持することが極めて困難であった。

この発明の目的は、プロセスチューブとマニホールドとの間から流入する外気をマニホールド内に形成したチャンネルを介してプロセスチューブ内のプロセスガスとともに外部に排出することでプロセスチューブとマニホールドとの間を有効にシールし、Ｏリングによるシールやマニホールド内のチャンネルに供給する不活性ガスによるガスシールを不要にすることができ、不活性ガスの煩雑な制御を伴うことなく大型化を防止できる縦型炉及び縦型炉用マニホールドを提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の縦型炉用マニホールド及び縦型炉は、
上端面、衝立部、チャンネル、隔壁及び排気管を備えている。上端面は、プロセスガスが供給されるプロセスチューブの下端面に接合する。衝立部は、プロセスチューブ内で上端面よりも所定長さだけ上方に延出してプロセスチューブの内側面に水平方向の全域にわたって対向し、プロセスチューブの内側面との間に上端がプロセスチューブ内に開放する間隙を形成する。チャンネルは、間隙の下方に配置される。隔壁は、間隙内における上端面の位置より下方に配置されて間隙とチャンネルとを連通する連通部を備えている。排気管は、チャンネル内に連通している。

この構成では、排気管を介してチャンネル内を排気すると、プロセスチューブ内のプロセスガスがプロセスチューブの内側面と衝立部との間の間隙から隔壁の連通部を経由してチャンネル内に高速で流入する。このとき、プロセスチューブの下端面とマニホールドの上端面との接合部分から間隙に流入した外気は、プロセスガスとともに連通部を経由してチャンネル内に流入する。連通部を備えた隔壁より上方には所定長さの衝立部が存在し、プロセスチューブ内に拡散することを効果的に阻止できる。

この発明の縦型炉用マニホールド及び縦型炉のチャンネルの縦断面における横幅を、間隙よりも広くすることができる。

この構成では、間隙部分の圧力がチャンネル内の圧力よりも高くなり、間隙内の気体が連通部を経由してチャンネル内に流れ、間隙に流入した外気が間隙の上端からプロセスチューブ内に拡散することを確実に防止できる。

この発明の縦型炉用マニホールド及び縦型炉の隔壁は、プロセスチューブの内側面に沿って等間隔に複数の連通部を備えている。

この構成では、排気管を介してチャンネル内を排気することで、間隙内の気体が、隔壁の全体について均一に連通部からチャンネル内に流れる。

この発明の縦型炉用マニホールド及び縦型炉によれば、排気管を介してチャンネル内を排気することで、プロセスチューブ内のプロセスガスをプロセスチューブの内側面と衝立部との間の間隙から隔壁の連通部を経由してチャンネル内に高速で流入させることができる。このとき、プロセスチューブの下端面とマニホールドの上端面との接合部分から間隙に流入した外気も、プロセスガスとともに連通部を経由してチャンネル内に流入し、連通部を備えた隔壁より上方に所定長さの衝立部が存在しているため、プロセスチューブ内に拡散することを防止できる。これによって、Ｏリングやマニホールド内のチャンネルに供給する不活性ガスを用いることなくプロセスチューブとマニホールドとの間を確実にシールすることができ、装置の大型化を防止できる。

図１は、この発明の実施形態に係る縦型炉の概略の構成を示す図である。縦型炉１０は、被処理物である半導体ウェハに熱処理を施す。縦型炉１０は、プロセスチューブ１、マニホールド２、ヒータ３、断熱容器４、ボート５、搬送機構６を備えている。

プロセスチューブ１は、一例として、ＳｉＣを素材として下面が開放した中空円筒形状に形成されている。マニホールド２は、一例として、石英材料を素材としてプロセスチューブ１と略同一の径の環状に形成されている。マニホールド２は、側面に給気管２１及び排気管２２を備えている。給気管２１は、プロセスチューブ１の内部にプロセスガスを供給する。排気管２２は、プロセスチューブ１内の気体を下方から排出する。下面に炉口２３が形成されている。炉口２３は、底板２４によって開閉自在にされている。

ヒータ３は、プロセスチューブ１の外周部に対向して配置されており、熱処理時にプロセスチューブ１内の温度を所定の熱処理温度に昇温する。断熱容器４は、プロセスチューブ１及びヒータ３を被覆する。ボート５は、複数枚の半導体ウェハＷを上下方向に間隔を設けて積層して収納する。搬送機構６は、ボート５をプロセスチューブ１の内部に対して搬入出する。

熱処理時には、底板２４により炉口２３を開放させ、搬送機構６を介して未処理の半導体ウエハＷを収納したボート５を、炉口２３を経由してプロセスチューブ１の内部に搬入する。プロセスチューブ１の内部にボート５を搬入すると、炉口２３はボート５の底面によって閉鎖される。

この後、給気管２１からプロセスチューブ１内にプロセスガスが導入され、ヒータ３を駆動してプロセスチューブ１内を所定のプロセス温度に加熱する。プロセスチューブ１内の気体は、熱処理中に排気管２２を介して排気される。ボート５に収納された複数枚の半導体ウェハＷは、プロセスガスに晒される。

プロセスチューブ１内の半導体ウエハＷに対する熱処理が終了すると、所定温度まで降温した後、プロセスガスの供給を止め、代わって不活性ガスを供給しながらさらに降温する。この後、ガスの供給及び排気を止め、搬送機構６を介してプロセスチューブ１からボート５を搬出する。

図２は、縦型炉１０の要部の構成を示す断面図である。プロセスチューブ１の下面には、フランジ１１が形成されている。半導体の製造工程では、１１００℃以上のプロセス温度で熱処理が行われるため、耐熱性の高いＳｉＣがプロセスチューブ１の素材として使用される。プロセスチューブ１の外周部は、断熱容器４によって被覆されている。断熱容器４にはヒータ収納部４１が形成されている。ヒータ収納部４１には、図示しないヒータ２が収納される。

プロセスチューブ１の外周部の下端部近傍に対向する部分には、ヒータ収納部４１は形成されておらず、断熱容器４の内周面が接触している。このため、プロセスチューブ１の外周部の下端部近傍は、ヒータ２によって加熱されないが、ＳｉＣは熱伝導率が高いために７００℃〜８００℃程度の高温になる。

プロセスチューブ１の下方には、プロセスチューブ１内にプロセスガスを導入するための構造やボート５を搬入出するための構造を備えたマニホールド２を配置する必要がある。このため、マニホールド２は、複雑な構造の加工が容易で、かつ、耐熱性に優れた石英材料によって形成する。マニホールド２は、上面及び下面が開放した環状を呈し、上面にフランジ２５が形成されている。フランジ２５の上面とフランジ１１の下面とを接合させてプロセスチューブ１の下方に配置される。

なお、フランジ１１の下面がこの発明のプロセスチューブの下端面に相当し、フランジ２５の上面が同じく上端面に相当する。

マニホールド２には、上下方向の中間部に、全周にわたってチャンネル２６が形成されている。排気管２２は、チャンネル２６に連通している。マニホールド２の内周面は、フランジ２５の上面よりも上方に延出して衝立部２７とされている。衝立部２７は、プロセスチューブ１の内周面との間に全周にわたって間隙１２を形成する。チャンネル２６は、間隙２７の下方に位置している。間隙１２とチャンネル２６との間には、上面がフランジ２５の上面に一致する隔壁２８が形成されている。隔壁２８の上面は、フランジ２５の上面に完全に一致している必要はなく、少し上又は下であってもよい。隔壁２８には、複数の小孔２９がプロセスチューブ１の内周面に沿って等間隔で形成されている。小孔２９は、この発明の連通部に相当する。

プロセスチューブ１とマニホールド２との接合部分には、ともに石英材料を素材とする環状のリング７及びボルト８が配置されている。石英ボルト８のネジ部は、リング７を貫通してマニホールド２のフランジ２５に螺合する。石英ボルト８の頭部とフランジ２５との間にリング７が挟持される。リング７は、緩衝材９を挟んでプロセスチューブ１のフランジ１１を上部から押圧する。フランジ１１は、フランジ２５に上方から当接している。リング７の押圧力により、フランジ１１とフランジ２５との接合状態が維持される。なお、緩衝材９は、必須ではなく、省略することもできる。

ボート５の下部で、プロセスチューブ１内に収納された際にプロセスチューブ１の下端部近傍に位置する範囲には、遮熱板５１，５２が設けられている。遮熱板５１，５２は、プロセスチューブ１の下端部近傍からの放熱を抑制して、プロセスチューブ１内の温度低下を防止する。ボート５は、搬送機構６のアーム６１上に載置されている。

図３は、マニホールド２の詳細な構成を示す要部の断面図である。プロセスチューブ１のフランジ１１の下面にフランジ２５の上面を接合させて配置されたマニホールド２の内部には、プロセスチューブ１の内径よりも小さい外径の衝立部２７が形成されている。衝立部２７の上端は、フランジ１１とフランジ２５との接合位置よりも所定長さＸだけ上方に位置している。この所定長さＸの範囲で、プロセスチューブ１の内周面との間に間隙１２が形成される。間隙１２は、上端がプロセスチューブ１内に開放しており、下端が隔壁２８に形成されている小孔２９を介してチャンネル２６に連通している。

プロセスチューブ１とマニホールド２との接合部分では、ＳｉＣ材料からなるフランジ１１の下面と石英材料からなるフランジ２５の上面とが直接接合しており、両者の間には０．１ｍｍ程度の隙間が形成される可能性があり、完全な気密性は確保されない。上下方向におけるフランジ１１とフランジ２５との接合位置は、隔壁２８の上面の位置に一致しており、間隙１２内に含まれる。フランジ１１とフランジ２５との接合位置は、隔壁２８の上面の位置に完全に一致させる必要はなく、少し上又は下に位置していてもよい。

ボート５に収納された半導体ウェハＷの熱処理時に、チャンネル２６に連通した排気管２２に接続されている排気系により、排気管２２を経由してチャンネル２６内の気体を排気する。図示しない給気管２１からプロセスガスの供給を受けるプロセスチューブ１内の気体が間隙１２及び小孔２９を経由してチャンネル２８内に流入する。

このとき、プロセスチューブ１とマニホールド２との接合部分の隙間から間隙１２内に外気が流入するが、間隙１２内の圧力に比較してチャンネル２６内の圧力は充分に低い。また、チャンネル２６の縦断面における横幅は、間隙１２よりも広くされており、チャンネル２６内の圧力は、間隙１２内の圧力に比較してより低くなる。さらに、間隙１２は、衝立部２７によって上下方向に所定長さＸにされており、プロセスチューブ１とマニホールド２との接合部分の隙間からプロセスチューブ１の内部まで所定長さＸの距離がある。このため、間隙１２内に流入した外気は、小孔２９を経由してチャンネル２６内に流れ、間隙１２内を上昇してプロセスチューブ１内に拡散することがない。

図４（Ａ）に示すように、小孔２９は、隔壁２８の水平面内でプロセスチューブ１の内周面に沿って等間隔の複数の位置に配置されている。この発明の連通部は、小孔２９に限るものではなく、例えば間隙１２の絞り部（間隙１２を細くした部分）とすることもできる。この場合に、隔壁２８は図４（Ｂ）に示すように、周方向に沿って単一又は複数数のスリット２９Ａを有するものとなる。連通部はその他の形状でもよい。

これによって、チャンネル２６に単一の排気管２２が接続されている場合でも、間隙１２内の圧力はプロセスチューブ１の内周面に沿って略均一になる。このため、プロセスチューブ１とマニホールド２との接合部分の隙間から間隙１２内に流入した外気が、プロセスチューブ１の内周面に沿う方向の一部でプロセスチューブ１内に拡散することがない。なお、隔壁２８は、衝立部２７と一体であっても、別体に設けてもよい。

図５は、衝立部２７の所定長さＸを決定するための計算結果を示す図である。プロセスチューブ１の外部圧力を０Ｐａ（ｇａｕｇｅ）とし、プロセスチューブ１の内部圧力を−５０Ｐａ（ｇａｕｇｅ）として、プロセスチューブ１内に５ｓｌｍ〜２０ｓｌｍの流量でプロセスガスを供給した場合、プロセスチューブ１内における外気の流入による酸素濃度を１ｐｐｍ以下に維持するために必要な衝立部２７の所定長さＸを求めた。この結果、図５に示すように、衝立部２７の所定長さＸは、プロセスガス流量が５ｓｌｍの時は２３ｍｍが必要であり、プロセスガス流量が２０ｓｌｍの時は６ｍｍが必要となった。

上記の構成により、マニホールド２を備えた縦型炉１０では、プロセスチューブ１とマニホールド２との間から流入する外気をマニホールド２内に形成したチャンネル２６を介してプロセスチューブ１内のプロセスガスとともに外部に排出することで、プロセスチューブ１内の気密性を維持できる。これによって、プロセスチューブ１とマニホールド２との間をシールするために、Ｏリングによるシールやマニホールド内のチャンネルに供給する不活性ガスによるガスシールを不要にすることができ、かつ装置の大型化を防止できる。

この発明の実施形態に係る縦型炉の概略の構成を示す図である。 縦型炉の要部の構成を示す断面図である。 マニホールドの詳細な構成を示す要部の断面図である。 （Ａ）は上記マニホールドの平面図であり、（Ｂ）は別の実施形態に係るマニホールドの平面図である。 衝立部の所定長さを決定するための計算結果を示す図である。

符号の説明

１ プロセスチューブ
２ マニホールド
３ ヒータ
４ 断熱容器
５ ボート
１０ 縦型炉
１１，２５ フランジ
１２ 間隙
２２ 排気管
２６ チャンネル
２７ 衝立部
２８ 隔壁
２９ 小孔

Claims (4)

1. プロセスガスが供給されるプロセスチューブの下端面に接合する上端面と、
   前記プロセスチューブ内で前記上端面よりも所定長さだけ上方に延出して前記プロセスチューブの内側面に水平方向の全域にわたって対向する衝立部であって、上端が前記プロセスチューブ内に開放する間隙を前記プロセスチューブの内側面との間に形成する衝立部と、
   前記間隙の下方に配置されたチャンネルと、
   前記間隙内における前記上端面の位置より下方に配置された隔壁であって、前記間隙と前記チャンネルとを連通する連通部が形成された隔壁と、
   前記チャンネル内に連通した排気管と、を備えたことを特徴とする縦型炉用マニホールド。
2. 前記チャンネルの縦断面における横幅が前記間隙よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の縦型炉用マニホールド。
3. 前記隔壁は、前記連通部が前記プロセスチューブの内側面に沿って等間隔に複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の縦型炉用マニホールド。
4. プロセスガスが供給されるとともに下端部の開口部から内部に被処理物が収納されるプロセスチューブを備えた縦型炉であって、請求項１〜３の何れかに記載の縦型炉用マニホールドを備えたことを特徴とする縦型炉。

Images