JP5747647B2

JP5747647B2 - バレル型気相成長装置

Info

Publication number: JP5747647B2
Application number: JP2011104614A
Authority: JP
Inventors: 幹夫渡邊
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP2012235074A

Description

この発明は、バレル型気相成長装置、詳しくは半導体ウェーハの表面にエピタキシャル膜を気相成長させるバレル型気相成長装置に関する。

シリコンウェーハの表面に、シリコンからなるエピタキシャル膜を気相成長させてシリコンエピタキシャルウェーハを製造する装置として、バレル型（シリンダ型）の気相成長装置が開発されている。
この装置とは、バッチ式のバレル炉（ベルジャ）の反応室に、多角錐台のサセプタが、垂直な回転軸を中心として回転可能に配設している。サセプタの各側面には、ウェーハ収納用のザグリが上下に併設されている。また、反応室の外周りには、加熱手段としてのハロゲンランプが設けられている。
気相成長時には、ハロゲンランプにより加熱された反応室に、上方のガス供給管から気相成長ガス（反応ガス、キャリアガス）を供給する。これにより、気相成長ガスが回転中のサセプタの外周面に沿って流れ、各シリコンウェーハの表面にエピタキシャル膜を気相成長させる。未使用の気相成長ガスは、反応室の下部のガス排気管から外部へ排出される。

ところで、バレル炉においては、ベルジャおよびガス排気管の各内周面にも、反応生成物（シリコン）が生成する。反応生成物は膜状であり、装置振動、圧力変動、温度変化などにより剥離が生じる。この剥離物がパーティクルとなってシリコンウェーハに付着し、気相成長後のパーティクル検査時に、ウェーハ表面上の輝点となって検出されていた。
特に、気相成長条件が減圧下（８０Ｔｏｒｒ以上７６０Ｔｏｒｒ未満）の場合、圧力変動が発生するため、バレル型気相成長装置の排気経路からのパーティクルの流入が生じ易い。

そこで、これを解消する従来技術として、例えば特許文献１が知られている。これは、ガス排気管と反応室との間の接続部分にロート形状のバッフルを設け、バッフルの反応室側の開口部よりガス排気管側の開口部を小さくしたものである。これにより、ガス排気管から反応室へのパーティクルの逆流を抑制することができる。

特許２５０３１２８号公報

しかしながら、特許文献１では、このようにガス排気管と反応室との接続部分の外周部分のみを、ロート形状のバッフルによって被う構造を採用していた。そのため、ガス配管の中心部分を流れるガスは、バッフルの排気口を直接通過してしまい、反応室へのパーティクルの逆流を十分に抑えることができなかった。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、反応性生物の剥離によるパーティクルの発生は、上流側配管部と下流側配管部とを連通する蛇腹配管部分で特に多いことを確認した。これは、蛇腹配管は振動などでフレキシブルに変形することから、内周面に付着した生成物が剥がれ易くなるためと考えられる。従って、蛇腹配管の内周面に反応生成物が直接付着しないように、蛇腹配管に比べて小径なスリーブを蛇腹配管の通路に片持ち状態で取り付ければ、反応ガスの排気中、反応生成物が生成するのは、スリーブの内周面が大半となる。これにより、仮に装置振動などで蛇腹配管が伸縮しても、蛇腹配管から剥がれるパーティクルは少量となり、その結果、反応室へのパーティクルの導入量を従来装置の場合に比べて抑えられることを知見し、この発明を完成させた。
この発明は、蛇腹配管の内周面から剥がれた反応生成物を原因とするパーティクルの発生量を低減することができ、その結果、排気経路から反応室へのパーティクルの導入量を抑制することができるバレル型気相成長装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハ用のサセプタを収納したバレル型の反応室と、該反応室に供給した気相成長ガスを排出し、かつ下流側に上流側配管フランジが形成された上流側配管部と、下流側配管部と、これらをフレキシブルに連通するための蛇腹配管とを有するガス排気管とを備えたバレル型気相成長装置において、前記蛇腹配管の上流側の開口部に、環状溝を有する蛇腹配管フランジを有し、前記蛇腹配管の内径より外径が小さいスリーブの上流側の開口部に形成された短幅フランジとＯリングとが前記上流側配管フランジと上記蛇腹配管フランジとの間に挟持されることにより、該蛇腹配管の内部に、該スリーブが片持ち状態で挿入されるとともに、前記スリーブの内周面の全部を、前記上流側配管部の内周面と面一状態とし、前記短幅フランジの下流側面の元部のみに、前記環状溝の高さと同一高さの部分段差部を形成し、該部分段差部が該環状溝に嵌合されたバレル型気相成長装置である。

また、請求項２に記載の発明は、前記短幅フランジの外周面には、Ｏリングを掛止する環状のシール溝が周設された請求項１に記載のバレル型気相成長装置である。

請求項１に記載の発明によれば、蛇腹配管の内径より外径が小さいスリーブを、蛇腹配管の内部（管路）に、一端部を上流側配管部のみに固定した片持ち状態で挿入したので、反応室から排出された気相成長ガスの通過中、蛇腹配管の領域で反応生成物が付着するのは、大半がガス排気管のスリーブの内周面となり、従来装置のように蛇腹配管の内周面とはならない。そのため、仮に装置振動などで蛇腹配管が変形した場合であっても、蛇腹配管から剥離するパーティクルの量は少ない。これにより、反応室へのパーティクルの導入量が従来装置の場合より低減し、半導体ウェーハに付着するパーティクル量を少なくすることができる。

特に、スリーブの内周面の全部を、上流側配管部の内周面と段差がない面一状態としたため、スリーブの内周面の全域に、均一厚さで反応生成物を生成することができる。その結果、例えばスリーブの上流側配管部側に拡径部を有する場合に比べて、スリーブの内周面から剥離する反応生成物のパーティクル量を低減することができる。

この発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置の全体構成を示す縦断面図である。この発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置の要部拡大縦断面図である。この発明の実施例１の他の形態に係るバレル型気相成長装置の要部拡大縦断面図である。この発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置の蛇腹配管の通常使用状態を示す要部拡大縦断面図である。この発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置の蛇腹配管の収縮状態を示す要部拡大縦断面図である。

この発明は、半導体ウェーハ用のサセプタを収納したバレル型の反応室と、反応室に供給した気相成長ガスを排出し、かつ上流側配管部と、下流側配管部と、これらをフレキシブルに連通するための蛇腹配管とを有するガス排気管とを備えたバレル型気相成長装置において、蛇腹配管の内部に、蛇腹配管の内径より外径が小さいスリーブを、スリーブの上流側の開口部のみを上流側配管部の下流側の開口部に固定した片持ち状態で挿入しているバレル型気相成長装置である。

この発明によれば、蛇腹配管より小径なスリーブを、上流側配管部の下流側の開口部に片持ち状態で蛇腹配管に挿入したので、反応室から排出された気相成長ガスが蛇腹配管を通過する際、気相成長ガスは蛇腹配管の内周面にほとんど接触せず、スリーブの内周面と接触して、反応生成物が膜状に生成する。その結果、仮に装置振動などを原因として蛇腹配管が変形（伸縮）しても、剛体であるスリーブは変形しないため、蛇腹配管の領域で反応生成物の剥がれを原因として発生するパーティクルの量は、従来の場合より減少する。これにより、ガス排気管からの反応室へのパーティクルの導入（侵入）量が従来装置に比べて低減し、半導体ウェーハに付着するパーティクル量を減少させることができる。

半導体ウェーハとしては、例えば単結晶シリコンウェーハ、多結晶シリコンウェーハなどを採用することができる。
サセプタの形状としては、例えば四角錐台、五角錐台、六角錐台などを採用することができる。サセプタの各側面には、半導体ウェーハを納めるザグリが形成されている。
バレル型の反応室としては、例えば石英からなるペルジャを採用することができる。
気相成長ガスとは、例えば、水素ガスなどのキャリアガスと、シリコンなどのエピタキシャル膜（気相成長膜）を成長させる反応ガスとの混合ガスである。反応ガスとしては、例えばエピタキシャル膜がシリコンの場合には、ＳｉＨ_４ガス、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガス、ＳｉＣｌ_４ガス、ＳｉＨＣｌ_３ガスなどを採用することができる。また、気相成長ガス中には、所定のドーパントガス（ＰＨ_３ガス、Ｂ_２Ｈ_６ガスなど）を混入してもよい。

上流側配管部および下流側配管部は、それぞれ複数の部分配管部（上流側部分配管、下流側部分配管）に分割することができる。その場合、各部分配管部間にこの蛇腹配管を配置してもよい。
上流側配管部と蛇腹配管との連結（連通）形態および蛇腹配管と下流側配管との連結形態としては、例えば、フランジ同士の連結を採用することができる。
蛇腹配管も含め各配管は、剛性および耐酸性に優れるステンレスなどで構成することが望ましく、蛇腹配管はフレキシブルな可動が行えるようにその厚みが薄く構成されている。

スリーブの素材としては、例えばステンレス、インコネル、ハステロイなどを採用することができる。
スリーブの外径は、蛇腹配管を最も短縮した際の内径より小さい方が望ましい。また、スリーブの長さは、例えば上流側配管部と下流側配管部との連通状態における蛇腹配管の長さと同一か、それより若干長い方が好ましい。これは、スリーブの下流側の開口（排気口）から蛇腹配管の内周面へ回り込む気相成長ガスの流量をさらに低減し、蛇腹配管の内周面への反応生成物の付着量をより少なくできるためである。

この発明では、スリーブの内周面の全部を、上流側配管部の内周面と面一状態とした方が望ましい。ここでいう「面一状態」とは、スリーブの全長にわたってスリーブの内径が上流側配管部の内径（少なくとも上流側配管部の蛇腹配管側の開口部の内径）と同一で、段差がない状態を意味する。これにより、スリーブの内周面の全域に、均一厚さで反応生成物を生成することができる。その結果、例えばスリーブの上流側配管部側に拡径部を有する場合に比べて、スリーブの内周面から剥離する反応生成物のパーティクル量を低減することができる。

また、スリーブの内周面の平滑度は高い方が望ましい。これは、仮にスリーブの内周面に突起などが存在すれば、その突起部分での反応生成物の生成量が増加し、これに伴い、その部分での反応生成物のパーティクル量も増加するためである。金属スリーブの場合には、内周面に突条部分が形成されないように、円柱体を中グリ加工してスリーブを製造するなど、各種のシームレス法により製造したものの方がよい。もちろん、鍛接法、電縫法、アーク溶接法など、内周面に突条部分が発生する方法により製造されたものでもよい。

次に、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１において、１０はこの発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置である。バレル型気相成長装置１０は、シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）Ｗの表面にシリコンエピタキシャル膜を気相成長するベルジャ１１の反応室１２と、反応室１２に配置され、シリコンウェーハＷを保持するサセプタ１３と、ベルジャ１１の上端部に設けられて反応室１２に気相成長ガスを導入するガス導入管１４と、ベルジャ１１の周囲に設けられて反応室１２を加熱する多数のハロゲンランプ１５と、ベルジャ１１の下端部に設けられて反応室１２内の気相成長ガスを排気するガス排気管１６とを備えている。

ベルジャ１１は、石英からなり、かつ円筒形状の胴部の下端部が徐々に先細りとなったシリンダで、その上端部の開口が蓋体１７により閉蓋されている。
ガス導入管１４は、蓋体１７の外周部の一部に形成され、蓋体１７の下部の内周面と外周面とを連通するガス導入口１７ａに装着されている。
また、ベルジャ１１の胴部の外周の全域には、前記多数のハロゲンランプ１５が配設されている。
サセプタ１３は、反応室１２の内部空間に、回転軸１８を中心にして回転自在に吊下されている。
サセプタ１３は六角錐台型の筒体で、６つの周側面には上下２段（合計１２箇所）にザグリ１９がそれぞれ形成されている。各ザグリ１９は、シリコンウェーハＷを載置する正面視して円形の浅い凹部である。
ガス排気管１６は、ベルジャ１１の下端部の排気口にフランジ２０ａを介して連通された上流側配管部２０と、真空発生装置の吸気部に下流側の開口部が連通され、かつ途中部分に水冷式排気ライン、熱交換器などが連通された下流側配管部２１と、これらの上,下流側配管部２０、２１をフレキシブルに連通する蛇腹配管２２と、蛇腹配管２２の内部に収納されるスリーブ２３とを有している（図２および図４）。

蛇腹配管２２は、ステンレスからなる伸縮自在なチューブで、その両端の開口部にフランジ２２ａを形成している。したがって、上,下流側配管部２０、２１と蛇腹配管２２とは、互いのフランジを介して連結される。
スリーブ２３は、ステンレスからなる円柱体に中グリ加工などを行って作製したもので（図１および図２）、スリーブ２３の外径は、通常時の使用状態における蛇腹配管２２の内径より短い（図２および図４）。また、スリーブ２３の上流側の開口部には、段差状に大径化した拡径部２３ａが、スリーブ２３と同一素材で一体形成されている。拡径部２３ａの厚さは、スリーブ２３の通常部分の厚さと同一である。

この拡径部２３ａに対応して、上流側配管部２０の下流側のフランジ２０ａの内周部分と、蛇腹配管２２の上流側のフランジ２２ａの内周部分とには、拡径部２３ａを協働して納めることで、上流側配管部２０の内周面と拡径部２３ａの内周面とを段差のない面一状態とする一対の環状溝２０ｂ、２２ｂが形成されている。
拡径部２３ａの外周面には、両フランジ２０ａ、２２ａに比べて突出幅が短い短幅フランジ２６が、スリーブ２３と同一素材で一体的に形成されている。短幅フランジ２６の外周面には、Ｏリング２５を掛止する環状のシール溝２６ａが周設されている。Ｏリング２５の太さ（直径）は、両フランジ２０ａ、２２ａ間の隙間を密封するため、短幅フランジ２６の厚さより長い（大きい）。上流側配管部２０および蛇腹配管２２は、図示しないものの、互いのフランジ２０ａ、２２ａ間にＯリング２５を介在した状態で、所定形状のクランパによる挟持力で堅固に連結されている。

このスリーブ２３の上流側の開口部の内周面には、拡径部２３ａの形成による段差部分ａが存在する。そのため、上流側配管部２０を通過した気相成長ガスの一部がこの段差部分ａに衝突し、この部分での反応生成物の生成量が、通常の部分に比べて増加し易い。そこで、これを解消するため、短幅フランジ２６の下流側面の元部のみに、拡径部２３ａと同一高さの環状の部分段差部２６ｂをスリーブ２３と同一素材で一体形成し、この部分段差部２６ｂに、蛇腹配管２２の上流側のフランジ２２ａの環状溝２２ｂを嵌め込むように構成する（図３）。これにより、上流側配管部２０の内周面とスリーブ２３の内周面の全部とが段差のない面一状態となり、スリーブ２３の内周面の全域に、均一厚さで反応生成物を生成することができる。その結果、前記拡径部２３ａを有する場合に比べて、スリーブ２３の内周面から剥離する反応生成物のパーティクル量を低減することができる。

次に、図１、図２、図４および図５を参照して、この発明の実施例１に係るバレル型気相成長装置１０を用いたエピタキシャルシリコンウェーハの製造方法を説明する。
まず、蓋体１７を外してベルジャ１１の上側の開口部から、サセプタ１３の各ザグリ１９に合計１２枚のシリコンウェーハＷを、各ウェーハ表面が外向きになるように立てかけて収納する。次に、蓋体１７によりベルジャ１１の上側の開口部を密閉し、真空発生装置により反応室１２を８０Ｔｏｒｒの減圧状態とする。この状態で、反応室１２において、窒素ガスによる空気の置換を行い、その後、水素ガスを導入して窒素ガスの置換を行う。

次に、各ハロゲンランプ１５に通電し、シリコンウェーハＷを１０８０℃まで加熱するとともに、回転軸１８を中心にしてサセプタ１３を所定方向へ所定速度で回転させながら、ガス導入管１４から反応室１２にトリクロロシラン（反応ガス）を供給し、シリコンウェーハＷの表面に厚さ２〜１０μｍのシリコンエピタキシャル膜を気相成長する。
その後、未反応の気相成長ガスは、ベルジャ１１の下側の開口部から上流側配管部２０へ流れ込み、蛇腹配管２２に収納されたスリーブ２３と下流側配管部２１とを順次通過して、最終的にはガス中の有害物質が除去されて大気解放される。

ところで、気相成長中、ガス排気管１６では、その内周面にトリクロロシランが接触し、ガス排気管１６の全長にわたって、シリコンの反応生成物が生成する。特に、蛇腹配管２２の領域では、蛇腹配管２２の内周面の略全域をスリーブ２３が管内方から被っているため、スリーブ２３の内周面に反応生成物が膜状に生成する。
このとき、実施例１では、８０Ｔｏｒｒの減圧状態で気相成長されていることから、炉内圧力は変動し易く、その変動に伴い、ガス排気管１６の蛇腹配管２２がフレキシブルに変形（伸縮）する（図５）。

しかしながら、内周面に反応生成物が生成したスリーブ２３は、上述したように蛇腹配管２２の内径より外径が小さいステンレスからなる剛体であって、上流側配管部２０の下流側の開口部に片持ちされている。そのため、蛇腹配管２２が変形しても、スリーブ２３の内周面の反応生成物は、ほとんど剥がれ落ちない。その結果、蛇腹配管２２の領域での反応生成物の剥がれを原因としたパーティクルの発生量は、従来の場合より減少する。よって、ガス排気管１６から反応室１２へのパーティクルの導入量（逆流量）は従来装置に比べて低減し、その結果、気相成長後のパーティクル検査時、パーティクルカウンタによりカウントされるウェーハ表面上のパーティクル数を減らすことができる。

本発明では、蛇腹配管の内径により外径が小さいスリーブを、蛇腹配管の内部に、一端部を上流側配管部のみに固定した片持ち状態で挿入したことから、蛇腹配管が変形しても、蛇腹配管から剥離するパーティクルの量が減少し、半導体ウェーハに付着するパーティクル量を低減することができる。

１０バレル型気相成長装置、
１２反応室、
１３サセプタ、
１６ガス排気管、
２０上流側配管部、
２１下流側配管部、
２２蛇腹配管、
２３スリーブ、
Ｗ半導体ウェーハ。

Claims

半導体ウェーハ用のサセプタを収納したバレル型の反応室と、
該反応室に供給した気相成長ガスを排出し、かつ下流側に上流側配管フランジが形成された上流側配管部と、下流側配管部と、これらをフレキシブルに連通するための蛇腹配管とを有するガス排気管とを備えたバレル型気相成長装置において、
前記蛇腹配管の上流側の開口部に、環状溝を有する蛇腹配管フランジを有し、
前記蛇腹配管の内径より外径が小さいスリーブの上流側の開口部に形成された短幅フランジとＯリングとが前記上流側配管フランジと上記蛇腹配管フランジとの間に挟持されることにより、該蛇腹配管の内部に、該スリーブが片持ち状態で挿入されるとともに、前記スリーブの内周面の全部を、前記上流側配管部の内周面と面一状態とし、
前記短幅フランジの下流側面の元部のみに、前記環状溝の高さと同一高さの部分段差部を形成し、該部分段差部が該環状溝に嵌合されたバレル型気相成長装置。
前記短幅フランジの外周面には、前記Ｏリングを掛止する環状のシール溝が周設された請求項１に記載のバレル型気相成長装置。