JP6073936B2 - プロセス空間の高さ別に加熱温度が調節可能なヒータを備える基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理装置に関し、さらに詳しくは、複数のヒータを異なる高さに配置することにより、高さに応じてプロセス空間の加熱温度を異ならせることができる基板処理装置に関する。

通常の選択エピタキシープロセス（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｐｒｏｃｅｓｓ）は、蒸着反応及びエッチング反応を伴う。蒸着反応及びエッチング反応は、多結晶層及びエピタキシャル層に対して比較的に異なる反応速度にて同時に発生する。蒸着プロセス中に、少なくとも一つの第２の層の上に、既存の多結晶層及び／又は非結晶層が蒸着される間に、エピタキシャル層は単結晶の表面の上に形成される。しかしながら、蒸着された多結晶層は、一般に、エピタキシャル層よりも高い速度にてエッチングされる。このため、腐食ガスの濃度を変えることにより、ネット選択プロセス（ｎｅｔ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）がエピタキシー材料の蒸着及び制限又は非制限の多結晶材料の蒸着をもたらす。例えば、選択エピタキシープロセスは、蒸着物をスペーサーの上に残すことなく、単結晶シリコンの表面の上にシリコン含有材料のエピ層（ｅｐｉｌａｙｅｒ）の形成をもたらすことができる。

このような選択エピタキシープロセスのプロセス空間を加熱するための熱源として、通常、熱線を用いたヒータが用いられる。しかしながら、このような熱線を用いたヒータは、プロセス空間の加熱温度を変える場合に、長時間を要するため生産性が低下するという問題がある。

国際公開第２００８／０７３９２６号公報 大韓民国公開特許公報１０−２００９−００３５４３０号

本発明の目的は、高さに応じてプロセス空間の加熱温度を異ならせることができる基板処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、プロセス空間内の温度を速やかに変えることができる基板処理装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、基板処理能を向上させることができる基板処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、下記の詳細な説明及び添付図面から一層明確になる。

上述した目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る基板処理装置は、基板に対するプロセスが行われる基板処理装置において、上部が開放され、一方の側に前記基板が出入りする通路が形成される下部チャンバと、前記下部チャンバの開放された上部を閉塞し、前記プロセスが行われるプロセス空間を提供する外部反応チューブと、１枚以上の前記基板が上下方向に積載され、その内部に前記基板が積載される積載位置及び前記基板に対する前記プロセスが行われるプロセス位置に切り換え可能な基板ホルダと、前記外部反応チューブの内部に配設され、前記プロセス位置に置かれた前記基板ホルダの周縁部に配置されて前記基板に対する反応領域を画成する内部反応チューブと、前記外部反応チューブの内部に配設されて前記反応領域内に反応ガスを供給するガス供給ユニットと、前記外部反応チューブをそれぞれ異なる高さで取り囲むように配置され、前記プロセス空間を加熱する複数のヒータとを備えることを特徴とする。

好ましくは、前記ヒータの加熱温度は異なる。

また、好ましくは、前記ヒータは、ハロゲンガスが充填される内部空間を有し、周縁部の一部が開放されたリング状のヒータ管と、前記内部空間に配設され、光を放射する発熱線と、前記ヒータ管の開放された両端にそれぞれ取着されて前記内部空間を密閉し、前記発熱線と電気的に接続される一対の端子部と、前記端子部と電気的に接続されて前記発熱線に電流を供給する電源とを備える。

さらに、好ましくは、前記複数のヒータのそれぞれの電源が供給する前記電流の強さは異なる。

さらに、好ましくは、前記基板処理装置は、前記外部反応チューブを取り囲むように配置され、内周面を凹ませて形成される複数の嵌合溝を有する断熱フレームをさらに備え、前記ヒータ管は前記嵌合溝に嵌設される。

さらに、好ましくは、前記断熱フレームは断熱材である。

さらに、好ましくは、前記基板処理装置は、前記端子部が露出される一方の面が貫設された複数の通孔を有し、前記通孔は前記プロセス空間の上下方向に千鳥状に配置され、前記断熱フレームを取り囲むように配置されるカバーをさらに備える。

本発明の一実施形態によれば、プロセス空間の高さに応じて加熱温度を異ならせることができ、特に、速やかにプロセス空間の温度を変えることができる他、基板処理能を向上させることができる

図１は本発明の一実施形態に係る半導体製造設備を概略的に示す平面図である。 図２は本発明の一実施形態により処理された基板を示す図である。 図３は本発明の一実施形態によりエピタキシャル層を形成する方法を示すフローチャートである。 図４は図１に示すエピタキシャル装置を概略的に示す図である。 図５は図１に示す下部チャンバ及び基板ホルダを示す断面図である。 図６は図１に示す外部反応チューブ及び内部反応チューブと供給ノズル及び排気ノズルとを概略的に示す断面図である。 図７は図１に示す供給ノズルの配置及び熱電対の配置を示す断面図である。 図８は図１に示す排気ノズルの配置及び熱電対の配置を示す断面図である。 図９は図１に示す供給ノズルにそれぞれ接続される供給ラインを示す図である。 図１０は図１に示す内部反応チューブ内における反応ガスの流動を示す図である。 図１１は図１に示す基板ホルダがプロセス位置に切り替わった様子を示す図である。 図１２は図６に示す供給ノズルに関する変形された実施形態を概略的に示す斜視図である。 図１３は図１２に示す供給ノズルを示す斜視図である。 図１４は図１２に示す供給ノズルを示す断面図である。 図１５は図１２に示す供給ノズル及び排気ノズルによる反応ガスの流動を示す図である。 図１６は図１３に示す供給ノズルに関する変形された実施形態を概略的に示す斜視図である。 図１７は図１６に示す供給ノズルを示す断面図である。 図１８は図１１に示すカバー、断熱フレーム及びヒータの配置を示す正面図である。 図１９は図１１に示すヒータ管、端子部及びリード線の配置を示す側面図である。 図２０は図１９におけるＡ−Ａ線の断面図である。 図２１（ａ）は図２０に示すヒータの平面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の断面図である。

以下、図１から図１７に基づき、本発明の好適な実施形態に係るプロセス空間の高さ別に加熱温度が調節可能なヒータを備える基板処理装置について説明する。本発明の実施形態は種々の形態に変形可能であり、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。これらの実施形態は当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に本発明をさらに詳細に説明するために提供されるものである。よって、図示の各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている。

一方、以下では、エピタキシャルプロセスを例にとって説明しているが、本発明はエピタキシャルプロセスを含む様々な半導体製造プロセスに応用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体製造設備１を概略的に示す平面図である。半導体製造設備１は、プロセス設備２と、設備前方端部モジュール（Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｍｏｄｕｌｅ：ＥＦＥＭ）３と、境界壁（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗａｌｌ）４とを備える。設備前方端部モジュール３はプロセス設備２の前方に取り付けられて、基板Ｓが収容された容器（図示せず）とプロセス設備２との間にウェーハＷを搬送する。

設備前方端部モジュール３は、複数のロードポート（ｌｏａｄ ｐｏｒｔｓ）６０及びフレーム５０を有する。フレーム５０は、ロードポート６０とプロセス設備２との間に配設される。基板Ｓを収容する容器は、オーバーヘッドトランスファ（ｏｖｅｒｈｅａｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ）、オーバーヘッドコンベヤ（ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｏｎｖｅｙｏｒ）又は自動案内車両（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ）などの搬送手段（図示せず）によりロードポート６０の上に置かれる。

容器としては、前開き一体形ポッド（Ｆｒｏｎｔ Ｏｐｅｎ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｄ：ＦＯＵＰ）などの密閉用容器が使用可能である。フレーム５０内には、ロードポート６０に置かれた容器とプロセス設備２との間に基板Ｓを搬送するフレームロボット７０が配設される。フレーム５０内には、容器の扉を自動的に開閉する開扉器（図示せず）が配設される。また、フレーム５０には、清浄空気がフレーム５０内の上部から下部に流れるように清浄空気をフレーム５０内に供給するファンフィルターユニット（Ｆａｎ Ｆｉｌｔｅｒ Ｕｎｉｔ：ＦＦＵ）（図示せず）が配設される。

基板Ｓに対しては、プロセス設備２内において所定のプロセスが行われる。プロセス設備２は、搬送チャンバ１０２、ロードロックチャンバ１０６、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ、バッファチャンバ１１０及びエピタキシャルチャンバ（又はエピタキシャル装置）１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを備える。

搬送チャンバ１０２は、上部から眺めたときに概ね多角形状を有し、ロードロックチャンバ１０６、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ、バッファチャンバ１１０及びエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、搬送チャンバ１０２の側面に配設される。

ロードロックチャンバ１０６は、搬送チャンバ１０２の側部のうち設備前方端部モジュール３と隣り合う側部に配設される。基板Ｓはロードロックチャンバ１０６内に一時的に滞留した後に、プロセス設備２に搬入されて基板Ｓに対するプロセスが行われ、プロセスが終わった後に、基板Ｓはプロセス設備２から搬出されてロードロックチャンバ１０６内に一時的に滞留する。搬送チャンバ１０２、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ、バッファチャンバ１１０及びエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは真空に維持され、ロードロックチャンバ１０６は、真空及び大気圧に切り替わる。ロードロックチャンバ１０６は、外部汚染物質が、搬送チャンバ１０２、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ、バッファチャンバ１１０及びエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに流入することを防ぐ。なお、基板Ｓの搬送中に基板Ｓが大気に露出されないので、基板Ｓの上に酸化膜が成長することを防ぐことができる。

ロードロックチャンバ１０６と搬送チャンバ１０２との間及びロードロックチャンバ１０６と設備前方端部モジュール３との間には、ゲート弁（図示せず）が配設される。設備前方端部モジュール３とロードロックチャンバ１０６との間に基板Ｓが搬送される場合、ロードロックチャンバ１０６と搬送チャンバ１０２との間に配設されるゲート弁が閉弁され、ロードロックチャンバ１０６と搬送チャンバ１０２との間に基板Ｓが搬送される場合、ロードロックチャンバ１０６と設備前方端部モジュール３との間に配設されるゲート弁が閉弁される。

搬送チャンバ１０２は、基板ハンドラ１０４を備える。基板ハンドラ１０４は、ロードロックチャンバ１０６、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ、バッファチャンバ１１０及びエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃの間に基板Ｓを搬送する。搬送チャンバ１０２は、基板Ｓが搬送されるときに真空を維持するように封止される。真空を維持することは、基板Ｓが汚染物（例えば、Ｏ_２、粒子状物質など）に露出されることを防ぐためである。

エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、基板Ｓの上にエピタキシャル層を形成するために配設される。本実施形態においては、３つのエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが配設される。エピタキシャルプロセスは洗浄プロセスに比べて長時間がかかるため、複数のエピタキシャルチャンバを用いて製造の歩留まりを向上させることができる。本実施形態とは異なり、４以上又は２以下のエピタキシャルチャンバが配設される。

洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂは、エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ内において基板Ｓに対するエピタキシャルプロセスが行われる前に基板Ｓを洗浄するために配設される。エピタキシャルプロセスが成功裏に行われるためには、結晶性基板の上に存在する酸化物の量が最小となる必要がある。基板の表面の酸素含有量が高すぎる場合に酸素原子が種子基板上の蒸着材料の結晶学的な配置を妨げるため、エピタキシャルプロセスには悪影響が及ぼされる。例えば、シリコンエピタキシャル蒸着に際して、結晶性基板上の過度な酸素は、原子単位の酸素原子クラスタにより、シリコン原子をそのエピタキシャル位置から変位させる虞がある。このような局所的な原子変位は、層がより厚く成長するときに後続原子配列に誤差を引き起こす虞がある。この現象は、いわゆる積層欠陥又はヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ ｄｅｆｅｃｔｓ）と呼ばれる。基板表面の酸素化（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）は、例えば、基板が搬送されるときに大気に曝される場合に発生し得る。このため、基板Ｓの上に形成された自然酸化膜（ｎａｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ）（又は表面酸化物）を除去する洗浄プロセスが洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ内において行われる。

洗浄プロセスは、ラジカル状態の水素（Ｈ^＊）とＮＦ₃ガスとを使用するドライエッチングプロセスである。例えば、基板の表面に形成されたシリコン酸化膜をエッチングする場合、チャンバ内に基板を配設してチャンバ内に真空雰囲気を形成した後、チャンバ内においてシリコン酸化膜と反応する中間生成物を発生させる。

例えば、チャンバ内に水素ガスのラジカル（Ｈ^＊）とフッ化物ガス（例えば、フッ化窒素（ＮＦ₃））などの反応性ガスを供給すると、下記の反応式（１）に示すように反応性ガスが還元されて、ＮＨ_ｘＦ_y（ｘ、ｙは、任意の整数）などの中間生成物が生成される。

Ｈ^＊ ＋ ＮＦ_３ → ＮＨ_ｘＦ_ｙ …（１）
中間生成物は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）との反応性が高いため、中間生成物がシリコン基板の表面に達すると、シリコン酸化膜と選択的に反応して下記の反応式（２）に示すように反応生成物（（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆）が生成される。

ＮＨ_ｘＦ_ｙ ＋ ＳｉＯ_２ → （ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆ ＋ Ｈ_２Ｏ …（２）
次いで、シリコン基板を１００℃以上に加熱すると、下記の反応式（３）に示すように反応生成物が熱分解して熱分解ガスになって蒸発するので、結果的に基板の表面からシリコン酸化膜を除去することができる。下記の反応式（３）に示すように、熱分解ガスには、ＨＦガスやＳｉＦ₄ガスなどフッ素を含有するガスが含有される。

（ＮＨ₄）₂ＳｉＦ₆ → ＮＨ_３ ＋ ＨＦ ＋ ＳｉＦ_４ …（３）
上述したように、洗浄プロセスは、反応生成物を生成する反応プロセス及び反応生成物を熱分解するヒーティングプロセスを含み、反応プロセス及びヒーティングプロセスは、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ内において同時に行ってもよく、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂのうちいずれか一方において反応プロセスを行い、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂのうち他方においてヒーティングプロセスを行ってもよい。

バッファチャンバ１１０は、洗浄プロセスが行われた基板Ｓが積載される空間と、エピタキシャルプロセスが行われた基板Ｓが積載される空間とを提供する。洗浄プロセスが行われると、基板Ｓは、エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに搬送される前にバッファチャンバ１１０に搬送されて、該バッファチャンバ１１０内に積載される。エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、複数枚の基板Ｓに対する単一のプロセスが行われるバッチ型（ｂａｔｃｈ ｔｙｐｅ）であってもよく、エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ内においてエピタキシャルプロセスが行われると、該エピタキシャルプロセスが行われた基板Ｓは、バッファチャンバ１１０内に順次に積載され、一方、洗浄プロセスが行われた基板Ｓは、エピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ内に順次に積載される。この際、基板Ｓを、バッファチャンバ１１０内に縦方向に積載することができる。

図２は、本発明の一実施形態により処理された基板を示す図である。上述したように、基板Ｓに対するエピタキシャルプロセスが行われる前に、基板Ｓに対する洗浄プロセスが洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ内において行われ、洗浄プロセスを用いて基板７０の表面に形成された酸化膜７２を除去することができる。酸化膜は、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ内において洗浄プロセスを用いて除去することができる。洗浄プロセスにより基板７０の表面の上にエピタキシー表面７４が露出され、これによりエピタキシャル層の成長が促される。

次いで、基板Ｓの上に対するエピタキシャルプロセスがエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ内において行われる。エピタキシャルプロセスは化学気相蒸着により行われ、エピタキシー表面７４の上にエピタキシャル層７６が形成される。基板７０のエピタキシー表面７４は、シリコンガス（例えば、ＳｉＣｌ₄、ＳｉＨＣｌ₃、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨ₃Ｃｌ、Ｓｉ₂Ｈ₆又はＳｉＨ₄）並びにキャリアガス（例えば、Ｎ₂及び／又はＨ₂）を含む反応ガスに露出される。また、エピタキシャル層７６にドーパントを含めることが求められる場合、シリコン含有ガスに、ドーパント含有ガス（例えば、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）及び／又はジボラン（Ｂ₂Ｈ₆））を含めることができる。

図３は、本発明の一実施形態によりエピタキシャル層を形成する方法を示すフローチャートである。本方法は、ステップＳ１０から始まる。ステップＳ２０において、基板Ｓは、エピタキシャルプロセス前に洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂに搬送され、基板ハンドラ１０４は、基板Ｓを洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂに搬送する。搬送は、真空に維持される搬送チャンバ１０２により行われる。ステップＳ３０において、基板Ｓに対する洗浄プロセスが行われる。上述したように、洗浄プロセスは、反応生成物を生成する反応プロセス及び反応生成物を熱分解するヒーティングプロセスを含む。反応プロセス及びヒーティングプロセスは、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂ内において同時に行ってもよく、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂのうちの何れか一方において反応プロセスを行い、洗浄チャンバ１０８ａ、１０８ｂのうちの他方においてヒーティングプロセスを行ってもよい。

ステップＳ４０において、洗浄プロセスが行われた基板Ｓは、バッファチャンバ１１０に搬送されてバッファチャンバ１１０内に積載され、該バッファチャンバ１１０内においてエピタキシャルプロセスを待つ。ステップＳ５０において、基板Ｓはエピタキシャルチャンバ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに搬送され、この搬送は、真空に維持される搬送チャンバ１０２により行われる。ステップＳ６０において、基板Ｓの上にエピタキシャル層が形成される。次いで、基板Ｓは、ステップＳ７０において、更にバッファチャンバ１１０に搬送されてバッファチャンバ１１０内に積載され、ステップＳ８０において処理が終わる。

図４は、図１に示すエピタキシャル装置を概略的に示す図であり、図５は、図１に示す下部チャンバ及び基板ホルダを示す断面図である。エピタキシャル装置（又はエピタキシャルチャンバ）は、上部が開放された形状を有する下部チャンバ３１２ｂを備え、該下部チャンバ３１２ｂは、搬送チャンバ１０２と連結される。下部チャンバ３１２ｂは搬送チャンバ１０２と連通される通路３１９を有し、基板Ｓは通路３１９を介して搬送チャンバ１０２から下部チャンバ３１２ｂに搬入される。ゲート弁（図示せず）は通路３１９の外側に配設され、該通路３１９はゲート弁により開閉される。

エピタキシャル装置は、複数枚の基板Ｓが積載される基板ホルダ３２８を備え、基板Ｓは基板ホルダ３２８の上に上下方向に積載される。例えば、基板ホルダ３２８は１５枚の基板Ｓを積載することができる。基板ホルダ３２８が下部チャンバ３１２ｂの内部に形成される積載空間内に位置する間に（又は「積載位置」）、基板Ｓは基板ホルダ３２８内に積載される。後述するように、基板ホルダ３２８は昇降自在であり、基板ホルダ３２８のスロットの上に基板Ｓが積載されれば、基板ホルダ３２８は上昇して基板ホルダ３２８の次のスロットの上に基板Ｓが積載される。基板ホルダ３２８の上に全ての基板が積載されれば、基板ホルダ３２８は外部反応チューブ３１２ａの内部に移動し（又は「プロセス位置」）、外部反応チューブ３１２ａの内部においてエピタキシャルプロセスが行われる。

遮熱プレート３１６は、基板ホルダ３２８の下部に配設され、基板ホルダ３２８とともに昇降する。基板ホルダ３２８がプロセス位置に切り替わると、図１１に示すように、遮熱プレート３１６は、内部反応チューブ３１４の開放された下部を閉塞する。遮熱プレート３１６は、セラミック、クォーツ又はメタルにセラミックを被覆した材質であり、プロセスが行われるときに反応領域内の熱が積載空間に移動することを遮断する。

反応領域内に供給された反応ガスのうちの一部は、内部反応チューブ３１４の開放された下部を介して積載空間に移動し、このとき、積載空間が所定の温度以上であれば、反応ガスのうちの一部が積載空間の内壁に蒸着される。このため、遮熱プレート３１６を介して積載空間が加熱されることを防ぐ必要があり、これにより反応ガスが積載空間の内壁に蒸着されることを防ぐことができる。

下部チャンバ３１２ｂは、排気ポート３４４、補助排気ポート３２８ａ及び補助ガス供給ポート３６２を有する。排気ポート３４４は「Ｌ」字状を呈し、後述する排気ノズル３３４は、排気ポート３４４を介して第１の排気ライン３４２と連結される。なお、補助排気ポート３２８ａは補助排気ライン３２８ｂと連結され、下部チャンバ３１２ｂの内部の積載空間は補助排気ポート３２８ａを介して排気可能である。

補助ガス供給ポート３６２は、補助ガス供給ライン（図示せず）に連結され、補助ガス供給ラインを介して供給されたガスを積載空間内に供給する。例えば、不活性ガスが補助ガス供給ポート３６２を介して積載空間内に供給される。不活性ガスを積載空間内に供給することにより、プロセス空間内に供給された反応ガスが積載空間に移動することが防がれる。

より具体的に、不活性ガスを積載空間内に連続して供給し、且つ、補助排気ポート３２８ａを介して排気することにより、プロセス空間内に供給された反応ガスが積載空間に移動することが防がれる。このとき、積載空間内の圧力がプロセス空間内の圧力よりも僅かに高くなるように設定することができる。積載空間内の圧力がプロセス空間内の圧力よりも僅かに高い場合、プロセス空間内の反応ガスは積載空間に移動することができない。

図６は、図４に示す外部反応チューブ及び内部反応チューブと供給ノズル及び排気ノズルとを概略的に示す断面図である。外部反応チューブ３１２ａは、上部が開放された下部チャンバ３１２ｂの上部を閉塞し、エピタキシャルプロセスが行われるプロセス空間を提供する。支持フランジ４４２は、下部チャンバ３１２ｂと外部反応チューブ３１２ａとの間に配設され、外部反応チューブ３１２は、支持フランジ４４２の上部に配設される。下部チャンバ３１２ｂの積載空間及び外部反応チューブ３１２ａのプロセス空間は、支持フランジ４４２の中央に形成された開口を介して互いに連通され、上述したように、基板ホルダ３２８の上に全ての基板が積載されれば、基板ホルダ３２８は外部反応チューブ３１２ａのプロセス空間に移動する。

内部反応チューブ３１４は、外部反応チューブ３１２ａの内部に配設され、内部反応チューブ３１４は基板Ｓに対する反応領域を提供する。外部反応チューブ３１２ａの内部は内部反応チューブ３１４により反応領域と非反応領域とに画成され、反応領域は内部反応チューブ３１４の内部に位置し、非反応領域は内部反応チューブ３１４の外部に位置する。基板ホルダ３２８は、プロセス位置への切り替わり時に反応領域に位置し、反応領域はプロセス空間よりも小さな体積を有する。このため、反応ガスを反応領域内に供給する場合に、反応ガスの使用量を最小化させることができ、反応ガスを基板ホルダ３２８内に積載された基板Ｓに集中させることができる。内部反応チューブ３１４は、上部が閉塞された状態で下部が開放され、基板ホルダ３２８は、内部反応チューブ３１４の下部を介して反応領域に移動する。

図４に示すように、ヒータ３２６はリング状を呈し、外部反応チューブ３１２ａを異なる高さで取り囲むように配置される。ヒータ３２６は、外部反応チューブ３１２ａの内部のプロセス空間を加熱し、これにより、プロセス空間（又は反応領域）は、エピタキシャルプロセスが行えるような温度に達する。カバー３２４は、支持フレーム３２７を介して上部昇降ロッド３３７と連結され、昇降モータ３３８により上部昇降ロッド３３７が回転することにより、支持フレーム３２７は昇降可能である。

エピタキシャル装置はガス供給ユニットをさらに備え、該ガス供給ユニットは、供給ノズルユニット３３２及び排気ノズルユニット３３４を備える。供給ノズルユニット３３２は、複数の供給管３３２ａ及び複数の供給ノズル３３２ｂを備え、該供給ノズル３３２ｂは、供給管３３２ａとそれぞれ連結される。それぞれの供給ノズル３３２ｂは円形の管状を呈し、供給口３３２ｃは、供給ノズル３３２ｂの先端に配設されて反応ガスは供給口３３２ｃを介して吐き出される。供給口３３２ｃは円形の断面を有し、図６に示すように、供給ノズル３３２ｂは、供給口３３２ｃの高さが異なるように配置される。

供給管３３２ａ及び供給ノズル３３２ｂは、外部反応チューブ３１２ａの内部に配設される。供給管３３２ａは上下に延び、供給ノズル３３２ｂは、供給管３３２ａに対してそれぞれ概ね垂直に配置される。供給口３３２ｃは、内部反応チューブ３１４の内側に配設され、これにより、供給口３３２ｃを介して吐き出された反応ガスは内部反応チューブ３１４の内部の反応領域に集中される。内部反応チューブ３１４は複数の貫通孔３７４を有し、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは、該貫通孔３７４を介してそれぞれ内部反応チューブ３１４の内側に配置される。

図７は、図６に示す供給ノズルの配置及び熱電対の配置を示す断面図である。図７に示すように、供給ノズル３３２ｂは、断面が円形の供給口３３２ｃをそれぞれ有する。供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは、内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され、それぞれ異なる高さに配設される。基板ホルダ３２８がプロセス位置に切り替わると、供給ノズル３３２ｂは、基板ホルダ３２８の上に置かれた基板Ｓに向かってそれぞれ反応ガスを噴射する。このとき、供給口３３２ｃの高さは、それぞれの基板Ｓの高さと略一致する。図６に示すように、供給ノズル３３２ｂは、支持フランジ４４２に形成された供給ライン３７２を介してそれぞれ反応ガスソース（図示せず）と連結される。

反応ガスソースは、蒸着用ガス（シリコンガス（例えば、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌ、Ｓｉ_２Ｈ_６又はＳｉＨ_４）並びにキャリアガス（例えば、Ｎ_２及び／又はＨ_２））を供給するか、あるいは、エッチング用ガスを供給する。選択エピタキシープロセスは、蒸着反応及びエッチング反応を伴う。本実施形態においては、図示はしないが、エピタキシー層にドーパントを含めることが求められる場合、ドーパント含有ガス（例えば、アルシン（ＡｓＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）及び／又はジボラン（Ｂ₂Ｈ₆））が供給される。なお、洗浄又はエッチングの場合、塩化水素（ＨＣｌ）が供給される。

図６に示すように、排気ノズルユニット３３４は、複数の排気管３３４ａ及び複数の排気ノズル３３４ｂを備え、該排気ノズル３３４ｂは、排気管３３４ａとそれぞれ連結される。排気口３３４ｃは、排気ノズル３３４ｂの先端に配設されて未反応ガス及び反応副産物を吸入する。排気口３３４ｃはスロット状の断面を有し、図６に示すように、排気ノズル３３４ｂは、排気口３３４ｃの高さが異なるように配置される。

排気管３３４ａ及び排気ノズル３３４ｂは、外部反応チューブ３１２ａの内部に配設される。排気管３３４ａは上下に延び、排気ノズル３３４ｂは、排気管３３４ａに対してそれぞれ概ね垂直に配置される。排気口３３４ｃは、内部反応チューブ３１４の内側に配設され、これにより、排気口３３４ｃを介して内部反応チューブ３１４の内部の反応領域から未反応ガス及び反応副産物を有効に吸入することができる。内部反応チューブ３１４は複数の貫通孔３７６を有し、排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは、該貫通孔３７６を介してそれぞれ内部反応チューブ３１４の内側に配置される。

図８は、図６に示す排気ノズルの配置及び熱電対の配置を示す断面図である。図８に示すように、排気ノズル３３４ｂは、断面がスロット状の排気口３３４ｃをそれぞれ有する。排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは、内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され、それぞれ異なる高さに配設される。基板ホルダ３２８がプロセス位置に切り替わると、供給ノズル３３２ｂは基板ホルダ３２８の上に置かれた基板Ｓに向かってそれぞれ反応ガスを噴射し、このとき、内部反応チューブ３１４内には未反応ガス及び反応副産物が発生する。排気ノズル３３４ｂは、未反応ガス及び反応副産物を吸入して外部に排出する。排気口３３４ｃの高さは、それぞれの基板Ｓの高さと略一致する。排気ノズル３３４ｂは、図４に示すように、下部チャンバ３１２ｂに形成された排気ポート３４４を介して第１の排気ライン３４２と連結され、未反応ガス及び反応副産物は、該第１の排気ライン３４２を介して排出される。開閉弁は、第１の排気ライン３４２上に配設されて該第１の排気ライン３４２を開閉し、ターボポンプ３４８は、第１の排気ライン３４２上に配設されて第１の排気ライン３４２を介して未反応ガス及び反応副産物を強制的に排出する。第１の排気ライン３４２は、第２の排気ライン３５２に連結され、第１の排気ライン３４２に沿って移動した未反応ガス及び反応副産物は、第２の排気ライン３５２を介して排出される。

一方、補助排気ポート３２８ａは下部チャンバ３１２ｂに形成され、補助排気ライン３２８ｂが補助排気ポート３２８ａと連結される。補助排気ライン３２８ｂは第２の排気ライン３５２と連結され、第１及び第２の補助弁３２８ｃ、３２８ｄは、補助排気ライン３２８ｂ上に配設されて補助排気ライン３２８ｂを開閉する。補助排気ライン３２８ｂは、連結ライン３４３を介して第１の排気ライン３４２に連結され、連結弁３４３ａは、連結ライン３４３上に配設されて該連結ライン３４３を開閉する。

図７及び図８に示すように、熱電対（ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｓ）３８２、３８４は、外部反応チューブ３１２ａと内部反応チューブ３１４との間に配設され、熱電対３８２、３８４は、上下方向に配置されて高さに応じた温度を測定する。このため、作業者は、プロセス空間内の温度を高さに応じて把握することができ、温度分布がプロセスに及ぼす影響を予め点検することができる。

図９は、図６に示す供給ノズルユニットにそれぞれ連結される供給ラインを示す図である。図９に示すように、供給ノズルユニット３３２は、それぞれ別々の供給ライン３７２を介して反応ガスソース（図示せず）と連結される。このため、複数の供給ノズルを有する供給ノズルユニット３３２を介して均一な流量の反応ガスを内部反応チューブ３１４の反応領域に供給することができる。もし、１本の供給ライン３７２が複数の供給ノズルに連結される場合は、供給ノズルごとに異なる流量の反応ガスを供給することができ、これにより、基板ホルダ３２８上の位置に応じて工程率が異なってくる。

図１０は、図６に示す内部反応チューブ内における反応ガスの流動を示す図である。上述したように、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは、内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され、それぞれ異なる高さに配設される。

また、排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは、内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され、それぞれ異なる高さに配設される。このとき、同じ高さを基準として、供給口３３２ｃの中心と排気口３３４ｃの中心とは対称をなす。すなわち、基板ホルダ３２８に積載された基板Ｓの中心を基準として、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃ及び排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは、互いに反対側に配設される。このため、供給ノズル３３２ｂから噴射された反応ガスは反対側に配設される排気ノズル３３４ｂに向かって流れ（矢印にて表示）、これにより、反応ガスと基板Ｓの表面とが反応するのに十分な時間が確保される。このとき、プロセス中に発生する未反応ガス及び反応副産物は、排気ノズル３３４ｂを介して吸入されて排出される。

また、図１０に示すように、基板ホルダ３２８に積載された基板Ｓの高さに応じて反応ガスの流動は異なり、基板Ｓの高さに応じて反応ガスの流動は位相差を有する。すなわち、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃの位置及び排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃの位置が基板Ｓの高さに応じて位相差を有するため、同様に、反応ガスの位相も基板Ｓの高さに応じて位相差を有する。図１０を参照すると、（１）は最上端に配設される供給ノズル３３２ｂから排気ノズル３３４ｂに向かう反応ガスの流動を示し、（２）は最下端に配設される供給ノズル３３２ｂから排気ノズル３３４ｂに向かう反応ガスの流動を示す。（１）と（２）との間には所定の角度の位相差がある。このため、供給口から噴射された反応ガスは、他の高さにある供給口から噴射された反応ガスにより拡散される効果を奏する。すなわち、位相差を有する反応ガスの流動の間に干渉が起こり、これにより、反応ガスは干渉により拡散された状態で排気ノズル３３４ｂに向かって移動する。

さらに、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは円形であるのに対し、排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃはスロット状である。このため、供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃから噴射された反応ガスは、排気口３３４ｃの形状に応じて所定の幅を有するように拡散され（図１０に示す）、これにより、反応ガスが基板Ｓの表面と接触する面積が増大される。なお、十分な反応を誘導することにより、未反応ガスの発生が抑えられる。反応ガスは、供給口３３２ｃから排気口３３４ｃに至るまで基板Ｓの上において流動を形成する。

一方、図４に示すように、基板ホルダ３２８は回転軸３１８と連結され、該回転軸３１８は、下部チャンバ３１２ｂを貫通して昇降モータ３１９ａ及び回転モータ３１９ｂと連結される。回転モータ３１９ｂはモータハウジング３１９ｃ上に配設され、該回転モータ３１９ｂは、エピタキシャルプロセスが行われる間に回転軸３１８を駆動して該回転軸３１８とともに基板ホルダ３２８（及び基板Ｓ）を回転させる。これは、反応ガスが供給口３３２ｃから排気口３３４ｃに向かって流れ、基板Ｓに対する蒸着が供給口３３２ｃ側から排気口３３４ｃ側に向かって行われることから、反応ガスの濃度が下がる傾向があるためである。このような結果を防いで基板Ｓの表面において均一な蒸着が行われるように基板Ｓは回転可能である。

モータハウジング３１９ｃはブラケット３１９ｄに固定され、該ブラケット３１９ｄは、下部チャンバ３１２ｂの下部に連結された下部ガイド上に連結されて昇降ロッド３１９ｅに沿って昇降する。ブラケット３１９ｄは下部ロッド４１９に螺合され、該下部ロッド４１９は昇降モータ３１９ａにより回転される。すなわち、昇降モータ３１９ａの回転により下部ロッド４１９は回転し、これにより、ブラケット３１９ｄ及びモータハウジング３１９ｃは一緒に昇降可能である。このため、回転軸３１８及び基板ホルダ３２８は一緒に昇降可能である。基板ホルダ３２８は、昇降モータ３１９ａにより積載位置及びプロセス位置に切り替わる。蛇腹３１８ａは、下部チャンバ３１２ｂとモータハウジング３１９ｃとを連結し、これにより、下部チャンバ３１２ｂの内部の気密が保持される。図１１は、図４に示す基板ホルダがプロセス位置に切り替わった様子を示す図である。

一方、図１１に示すように、遮熱プレート３１６は基板ホルダ３２８の下部に配設され、回転軸３１８が昇降することに伴い、基板ホルダ３２８とともに昇降する。

遮熱プレート３１６は、内部反応チューブ３１４の開放された下部を閉塞して、該内部反応チューブ３１４の内部の熱が下部チャンバ３１２ｂ内の積載空間に移動することを防ぐ。

図１２は、図６に示す供給ノズルに関する変形された実施形態を概略的に示す斜視図である。図１３は図１２に示す供給ノズルを示す斜視図であり、図１４は図１２に示す供給ノズルを示す断面図である。

図１２から図１４に示すように、供給ノズル３３２ｂは、吐出方向に沿って断面積が増大される内部空間を有し、供給管３３２ａを介して供給される反応ガスは、供給ノズル３３２ｂの内部空間に沿って拡散される。供給ノズル３３２ｂは、先端に形成された供給口３３２ｃを有し、該供給口３３２ｃはスロット状の断面を有する。供給口３３２ｃの断面積は、排気口３３４ｃの断面積と略一致する。

図１５は、図１２に示す供給ノズル及び排気ノズルによる反応ガスの流動を示す図である。図１５に示すように、供給ノズル３３２ｂから噴射された反応ガスは、反対側に配設される排気ノズル３３４ｂに向かって流れる（矢印にて表示）。このとき、反応ガスは、供給ノズル３３２ｂの内部空間を介して拡散された状態で供給口３３２ｃを介して吐き出された後に、排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃを介して吸入されるため、該反応ガスは、供給口３３２ｃから排気口３３４ｃに至るまでに所定の幅（供給口３３２ｃの断面積及び排気口３３４ｃの断面積と略一致する）を有する流動を形成する。

また、以上において説明はしなかったが、図６及び図１２に示す排気ノズル３３４ｂは、図１２から図１４に示す供給ノズル３３２ｂと同じ構造を有する。すなわち、排気ノズル３３４ｂは、吸入方向に沿って断面積が減少するような内部空間を有し、排気口３３４ｃを介して吸入された未反応ガス及び反応副産物は排気ノズル３３４ｂの内部空間に沿って集まった後に排気管３３４ａに移動する。

図１６は、図１３に示す供給ノズルに関する変形された実施形態を概略的に示す斜視図であり、図１７は、図１６に示す供給ノズルを示す断面図である。図１６及び図１７に示すように、供給ノズル３３２ｂは噴射板３３２ｄを備え、該噴射板３３２ｄは供給口３３２ｃの上に配設される。噴射板３３２ｄは、複数の噴射孔３３２ｅを有し、供給ノズル３３２ｂの内部空間に沿って拡散された反応ガスは噴射孔３３２ｅを介して噴射される。

図１８は、図１１に示すカバー、断熱フレーム及びヒータの配置を示す正面図であり、図１９は、図１１に示すヒータ管、端子部及びリード線の配置を示す側面図であり、図２０は、図１９のＡ−Ａ線の断面図であり、図２１（ａ）は図２０に示すヒータの平面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の断面図である。図１８から図２１に基づいて、断熱フレーム３２５、ヒータ３２６及びカバー３２４について説明する。

断熱フレーム３２５は、ヒータ３２６を既に設定された個所に固定しながら該ヒータ３２６同士の摩擦を防ぐためのものであり、外部反応チューブ３１２ａを取り囲むように配置され、内周面には半径方向に円形の嵌合溝３２５ａが凹設される。複数の嵌合溝３２５ａがプロセス空間の上下方向に離設され、嵌合溝３２５ａには後述するヒータ管３２６ａが嵌設される。断熱フレーム３２５は、熱伝導率の低いセラミック材質などからなる断熱材であることが好ましい。このようにヒータ３２６の間に断熱材を配置してヒータ間に熱が伝導することを防ぐことにより、プロセス空間の高さに応じた加熱温度が一層効率よく調節される。

複数のヒータ３２６は、外部反応チューブ３１２ａをそれぞれ異なる高さで取り囲むように配置され、該外部反応チューブ３１２ａの内部のプロセス空間がエピタキシャルプロセスを行えるような温度に達するようにプロセス空間を加熱する。ヒータ３２６の加熱温度はそれぞれ異なる。したがって、プロセス空間の高さに応じて加熱温度を異ならせることができる。プロセス空間の下方に進むにつれて加熱温度を高めることにより、プロセス空間の対流の流れが円滑になって速やかなエピタキシャルプロセスが行われる。

このようなヒータ３２６は、ヒータ管３２６ａ、発熱線３２６ｂ、一対の端子部３２６ｃ及びリード線３２６ｄを備える。

ヒータ管３２６ａは、ハロゲンガス（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチンガス）が充填される内部空間を有し、周縁部の一部が開放されたリング状（「Ｃ」状リング）を有する。ヒータ管３２６ａは、後述する断熱フレーム３２５の嵌合溝３２５ａに嵌設される。

発熱線３２６ｂは、ヒータ管３２６ａの内部空間に差し込まれ、電流の印加により光を放射する。発熱線３２６ｂは、電源（図示せず）と電気的に接続されるリード線３２６ｄが端子部３２６ｃを介して電流を印加できるように該端子部３２６ｃに電気的に接続される。発熱線３２６ｂの材質としては、高強度及び高耐熱のタングステンを使用することが好ましい。

端子部３２６ｃは、ヒータ管３２６ａの両端に取着されて該ヒータ管３２６ａの開放された内部空間を密閉する。端子部３２６ｃは、発熱線３２６ｂに電気的に接続されて該発熱線３２６ｂに電流を供給する。リード線３２６ｄは、端子部３２６ｃと電気的に接続され、該端子部３２６ｃに電流を供給する。すなわち、電源（図示せず）がリード線３２６ｄに供給する電流は、端子部３２６ｃを介して発熱線３２６ｂに流れる。このとき、発熱線３２６ｂが熱を放射して外部反応チューブ３１２ａの内部のプロセス空間を加熱する。

電源（図示せず）はリード線３２６ｄと電気的に接続されて、該リード線３２６ｄに電流を供給する。複数のヒータ３２６に一つの電源（図示せず）が連結されてもよく、また、複数のヒータ３２６にそれぞれの電源（図示せず）が別途に連結されて該ヒータ３２６のそれぞれに供給される電流の大きさを異ならせてもよい。これは、上述したヒータ３２６の加熱温度をそれぞれ異ならせてもよいことに対応する。

カバー３２４は、外部からの塵埃の流入を遮断したり熱損失を最小化したりするために配設されるものであり、断熱フレーム３２５を取り囲むように配置される。カバー３２４には、ヒータ３２６の端子部３２６ｃ又はリード線３２６ｄが外部に露出されるように複数の通孔３２４ａが貫設される。通孔３２４ａは、プロセス空間の上下方向に千鳥状に配置される。これにより、外部に放出される熱の損失が極力抑えられる。

本実施形態に係るヒータを用いてプロセス空間を加熱する際、プロセス空間の温度の可変速度は８０〜２００［℃／ｍｉｎ］であり、従来の熱線ヒータの可変速度の１０〜２０［℃／ｍｉｎ］と比べて８倍以上速やかに温度を変えることができる。

本発明を好適な実施形態を挙げて詳細に説明したが、これとは異なる実施形態も採用可能である。よって、後述する特許請求の範囲の技術的思想及び範囲は好適な実施形態に何ら限定されない。

１：半導体製造設備
２：プロセスモジュール
３：設備前方端部モジュール
４：境界壁
６０：ロードポート
７０：基板
７２：酸化膜
７４：エピタキシー表面
１０２：搬送チャンバ
１０４：基板ハンドラ
１０８ａ、１０８ｂ：洗浄チャンバ
１１０：バッファチャンバ
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ：エピタキシャルチャンバ
３１２ａ：外部反応チューブ
３１２ｂ：下部チャンバ
３１４：内部反応チューブ
３１６：遮熱プレート
３１８：回転軸
３１９：通路
３２８：基板ホルダ
３２４：カバー
３２５：断熱フレーム
３２６：ヒータ
３３２：供給ノズルユニット
３３４：排気ノズルユニット

Claims (6)

1. 基板に対するプロセスが行われる基板処理装置において、
   上部が開放され、一方の側に前記基板が出入りする通路が形成される下部チャンバと、
   前記下部チャンバの開放された上部を閉塞し、前記プロセスが行われるプロセス空間を提供する外部反応チューブと、
   １枚以上の前記基板が上下方向に積載され、その内部に前記基板が積載される積載位置及び前記基板に対する前記プロセスが行われるプロセス位置に切り換え可能な基板ホルダと、
   前記外部反応チューブの内部に配設され、前記プロセス位置に置かれた前記基板ホルダの周縁部に配置されて前記基板に対する反応領域を画成する内部反応チューブと、
   前記外部反応チューブの内部に配設されて前記反応領域内に反応ガスを供給するガス供給ユニットと、
   前記外部反応チューブをそれぞれ異なる高さで取り囲むように配置され、前記プロセス空間を加熱する複数のヒータと、
   前記ヒータを固定し、前記外部反応チューブを取り囲むように配置される断熱フレームと、
   塵埃の流入を遮断したり熱損失を低減させたりするために前記断熱フレームの外側を取り囲むように配置されるカバーと、
   を備え、
   前記外部反応チューブの外部は、前記断熱フレーム及び前記カバーにより取り囲まれることを特徴とする基板処理装置。
2. 前記ヒータの加熱温度は、異なることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記ヒータは、
   ハロゲンガスが充填される内部空間を有し、周縁部の一部が開放されたリング状のヒータ管と、
   前記内部空間に配設され、光を放射する発熱線と、
   前記ヒータ管の開放された両端にそれぞれ取着されて前記内部空間を密閉し、前記発熱線と電気的に接続される一対の端子部と、
   前記端子部と電気的に接続されて前記発熱線に電流を供給する電源と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
4. 前記複数のヒータのそれぞれの電源が供給する前記電流の強さは、異なることを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
5. 前記断熱フレームは、内周面を凹ませて形成される複数の嵌合溝を有し、
   前記ヒータ管は、前記嵌合溝に嵌設されることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。
6. 前記カバーは、前記端子部が露出される一方の面が貫設された複数の通孔を有し、前記通孔は前記プロセス空間の上下方向に千鳥状に配置されることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。