JP6170847B2 - 断熱構造体、加熱装置、基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
この縦型拡散・CVD装置において、半導体、ガラス等の基板に加熱下で処理を施すことが行われる。例えば、縦型の反応炉に基板を収容して反応ガスを供給しつつ加熱し、基板上に薄膜を気相成長させる。この種の半導体製造装置において、加熱装置である発熱部を冷却し、熱を装置本体外へ排出させるために、特許文献1は、加熱手段が円筒形状の側壁部の複数層のうち外側に配置された側壁外層の上部に設けられた冷却ガス供給口と、前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記側壁内層の内側に設けられる空間と、前記冷却ガス通路から前記空
間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔と、を有し、前記空間に冷却ガスが導入されるよう構成するものを開示する。また、特許文献2は、円筒空間、外側断熱部の下端に発熱部の下部を囲繞するように冷却ガス導入ダクトを設け、該冷却ガス導入ダクトより前記空間に冷却ガスが導入されるよう構成するものを開示する。また、特許文献3は、冷却ガス導入部を発熱部を囲繞する様に断熱部の上方側に設けて円筒空間に接続する構成を開示する。
本実施形態に係る基板処理装置10は、図1に示すように、円筒状の加熱装置12と、加熱装置12の内部に炉内空間14をもって収容された円筒状の反応管16と、反応管16内に処理対象の基板18を保持するボート20とを備えている。ボート20は基板18を水平状態で隙間をもって多段に装填でき、この状態で複数枚の基板18を反応管16内で保持する。ボート20はボートキャップ22を介して図外のエレベータ上に載置されており、このエレベータにより昇降可能となっている。したがって、基板18の反応管16内への装填および反応管16からの取り出しはエレベータの作動により行われる。また、反応管16は基板18を収容する処理室24を形成しており、反応管16内には図示しないガス導入管が連通され、ガス導入管には図外の反応ガス供給源が接続されている。また、反応管16内にはガス排気管56が連通され、処理室24内の排気を行っている。
断熱構造体は、円筒形状に形成された断熱部としての側壁部32と、側壁部32の上端を覆うように形成された断熱部としての上壁部33と、を有している。
側壁部32は複数層構造に形成され、側壁部32の複数層のうち外側に形成された側壁外層32aと、複数層のうち内側に形成された側壁内層32bから構成される。側壁外層32aと側壁内層32bとの間には冷却ガス通路としての円筒空間34が形成されている。そして、側壁内層の内側に発熱部30が設けられ、発熱部30の内側が発熱領域となっている。尚、側壁部32は、複数の断熱体が積層された構造であるが、このような構造に限定されないのはいうまでもない。
また、側壁外層32aの下部には、冷却ガス排出口43が形成されている。
ダクト38aは、冷却ガス供給口36と円筒空間34の断面積よりも広く形成され、発熱部30の上部を囲繞する様に設けられている。又、急冷排気口40が、冷却ガス供給口36の略水平方向の中央部分に設けられている。
ダクト38bは、冷却ガス排出口43と円筒空間34の断面積よりも広く形成され、発熱部30の下方側部を囲繞する様に設けられている。
また、複数の絞り穴41aの断面積の合計がダクト38aの断面積よりも小さく形成されている。また、複数の絞り穴41bの断面積の合計がダクト38bの断面積よりも小さく形成されている。これにより、円筒空間34を通過する冷却ガスの円周上の流量ばらつきを低減し、後述する急速冷却時、温度リカバリー時の基板面内温度均一性を改善することができる。
また、絞り穴41a、41bの断面積は、少なくとも円筒空間34を通過する冷却ガスを均一に流すのに最適な大きさに調整されている。
図5は、炉内温度が安定している場合の炉内の様子を示している。ここで、図1と同じ構成のものは同じ番号を付加し、説明は省略する。
図6は、急速冷却時の炉内の様子を示している。ここで、図1と同じ構成のものは同じ番号を付加し、説明は省略する。
急速冷却時には、弁39cを閉じて、弁39aを開くとともに弁39bを開いて排気ファン54を作動させる(急速冷却制御状態)。冷却ガス供給口36から供給された冷却ガスは、ダクト38aを介して絞り部37aで均一化された後、円筒空間34に導入される。円筒空間34に導入された冷却ガスは円筒空間34を下降し、吹出孔35を介して炉内空間14内に導入される。この炉内空間14に導入された冷却ガスは、炉内空間14を上昇し、急冷排気口40を介して急冷ガス排出口42から排出され、発熱部30を外面、内面の両側から冷却する。すなわち、加熱装置12内の熱せられた冷却ガスを急冷ガス排出口42を介して外部へ放出して、加熱装置12内の温度も低下させ、これによっても、反応管16内の温度を低下させる。すなわち、図3、図4におけるステップS5の状態である。
図7は、温度リカバリー時の炉内の様子を示している。ここで、図1と同じ構成のものは同じ番号を付加し、説明は省略する。
温度リカバリー時には、弁39bを閉じて、弁39aを開くとともに弁39cを開いて排気ファン54を作動させる(温度リカバリー時制御状態)。冷却ガス供給口36から供給された冷却ガスは、ダクト38aを介して絞り部37aで均一化された後、円筒空間34に供給され、炉内空間14、急冷排気口40を経由せず、絞り部37bで均一化された後、ダクト38bを経由して冷却ガス排出口43から排気される。すなわち、発熱部30を外面から冷却し、断熱部32を冷却する。
図8に示すように、図5〜7に示した処理室24は、第1の温度センサ27−1、27−2、27−3、27−4と、第2の温度センサ70−1,70−2,70−3,70−4と、ガス流量調整器62と、流量センサ64と、圧力調整装置66と、圧力センサ68とをさらに有する。
第2の温度センサ70−1,70−2,70−3,70−4それぞれは、例えば、円筒空間34に、温度調整部分72−1,72−2,72−3,72−4に対応して配設され、円筒空間34の内部の温度分布を測定する。尚、第2の温度センサ70−1,70−2,70−3,70−4の配設位置は、円筒空間34に限らず、少なくとも、第1の温度センサより、ボート20に載せられた基板18側に近くに位置されていれば良い。
ガス流量調整器62は、不図示のガス導入ノズルを介して反応管16内に導かれるガスの流量を調節する。
流量センサ64は、ガス導入ノズルを介して反応管16内に供給されるガスの流量を測定する。
圧力調整装置66は、反応管16内の圧力を調整する。
圧力センサ68は、反応管16内の圧力を測定する。
制御装置60は、これらの構成部分により、制御用コンピュータ82から設定された温度および圧力・流量の設定値に基づいて基板処理装置10としての半導体製造装置の各構成部分を制御する。
流量制御装置78は、流量センサ64が測定するガスの流量の値が、制御用コンピュータ82により設定されるガス流量の値に等しくなるように、ガス流量調整器62を制御して、処理室24の反応管16内に導入されるガスの流量を制御する。
圧力制御装置80は、圧力センサ68が測定する反応管16内部の圧力が、制御用コンピュータ82により設定される圧力の値に等しくなるように、圧力調整装置66を制御して、処理室24の反応管16内の圧力を制御する。
図9は、制御用コンピュータ82の構成を示す図である。
制御用コンピュータ82は、CPU84およびメモリ86などを含むコンピュータ本体88と、通信IF(Interface)90と、記憶装置92と、表示・入力装置94とを有する。
つまり、制御用コンピュータ82は一般的なコンピュータとしての構成部分を含んでいる。
図10は、異なる放熱特性を有する加熱装置を備えた基板処理装置を示しており、(a)の加熱装置12aは側壁断熱部32が薄く、放熱特性に優れている。一方、(b)の加熱装置12bは側壁断熱部32が厚く、断熱特性に優れている。
図11に示されているように、加熱装置12aは、側壁断熱部32が薄いため、オーバーシュート後の温度低下が速く目標温度に早く到達してしまう。一方、加熱装置12bはオーバーシュート後の温度低下が遅く目標温度までの到達時間が遅くなる。
また、放熱性のよい加熱装置12aは加熱装置12bに比べて温度を安定させるために必要消費電力が増加する。更に、加熱装置表面からの放熱を処理するための周辺設備のエネルギーも必要となる。従来は、温度リカバリー特性と消費電力とのバランスを考慮して側壁断熱部32の厚さを決め、加熱装置を設計する方法を行っていた。この方法では、どちらかの性能を犠牲にするか、またはどちらもほどほどの性能とするしかなく、両方の高い性能を同時に得ることは困難であった。
図12は、第2の比較例に係る基板処理装置100が示されている。
基板処理装置100は、本発明の実施形態に係る基板処理装置10とは、絞り部37a、37bが設けられていない点相違し、ダクト38b及び弁39cの位置が異なる。
基板処理装置100は、発熱部30の外側に円筒空間34が形成された外側断熱部32を有し、断熱材冷却(上述における温度リカバリー時の処理)を行う際は冷却ガス供給口36から供給された冷却ガスが円筒空間34を通って冷却ガス排気口43から排気される構造となっているが、炉内は、上方の吹出孔35から下方の冷却ガス排気口43に向かって流れてしまい、図13に示されているように基板が局所的に冷却され、基板内や基板間の温度均一性を保つことが困難なものとなる。
炉内に冷却エアが流入すると炉内温度検知部27が局所的に冷却され、実際の炉内温度よりも低い温度が示されてしまう。温度安定時は炉内温度低下を補う為にヒータ出力が増加する。その結果、基板温度にドリフトが生じるといった弊害が生じてしまう。
本実施の形態における断熱材空冷機構付ヒータ(加熱装置12)を搭載した温度制御によれば、温度リカバリー時間の短縮により、レシピ時間短縮による生産性が向上する。更に、レシピ時間短縮および安定時消費電力削減により消費エネルギーが低減され、省エネ化が実現できる。また、本実施の断熱材空冷機構付ヒータを搭載した装置(基板処理装置10)では、基板18内(面内)、基板18間の温度均一性が改善されるため、製品歩留りが低減される。
このように構成することによって、冷却ガス供給口36から各絞り穴41aまでの距離が異なることに起因して円筒空間34を流れる冷却ガスの供給流量バランスが各絞り穴41aで異なることを抑制し、円筒空間34を流れる冷却ガスの供給流量を均一にすることが可能になり、同様に、冷却ガス排出口43から各絞り穴41bまでの距離が異なることに起因して生じる排気流量の排気バランスが各絞り穴41aで異なることを抑制し、円筒空間34を流れる冷却ガスの供給流量を均一にすることが可能になる。
このように構成することによって、下側バッファエリア38bのみに絞り部37bを設けた場合に比べ、急冷時の温度均一性を向上させることが可能となる。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
円筒形状に形成された側壁部を有し、前記側壁部が複数層構造に形成されている断熱構造体であって、前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられた冷却ガス供給口と、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記側壁内層の内側に設けられる空間と、前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層に設けられた複数の吹出し孔と、前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス通路に連設されるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界面の断面積を小さくする絞り部と、を有する断熱構造体。
円筒形状に形成された側壁部を有し、前記側壁部が複数層構造に形成されている断熱構造体であって、前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられた冷却ガス供給口と、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記側壁部の外側に配置された側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口と、前記冷却ガス通路の両端に設けられるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面の断面積をそれぞれ小さくする絞り部と、を有する断熱構造体。
基板を反応管内に搬入するステップと、前記反応管内の基板を処理するステップと、前記処理後、円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から供給される冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス通路に連設されるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面の断面積を小さくする絞り部と、をそれぞれ介して、前記側壁内層の内側に設けられる空間へ複数の吹出孔から吹出させることで前記空間内に配置された前記反応管を冷却するステップと、を有する半導体装置の製造方法。
基板を反応管内に搬入するステップと、前記反応管内の基板を処理するステップと、前記処理後、円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から供給される冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記冷却ガス通路の両端に設けられるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面をそれぞれ小さくする絞り部と、をそれぞれ介して、前記側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口から排気させるステップと、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
前記絞り部は、円周方向に均等に複数設けられる付記1記載の断熱構造体。
前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられ、該複数の区画壁によって複数に区画された複数の冷却ガス通路の断面積を小さくする付記1記載の断熱構造体。
前記絞り部のそれぞれの断面積は、前記冷却ガス通路それぞれの断面積よりも小さく形成される付記5又は付記6記載の断熱構造体。
前記絞り部は、上下方向に少なくとも2つ設けられる付記1記載の断熱構造体。
前記絞り部は、第1の絞り部と第2の絞り部を含み、前記第1の絞り部のそれぞれの断面積は、前記第2の絞り部のそれぞれの断面積よりも大きく形成されている付記8記載の断熱構造体。
前記第1の絞り部は、一番上に配置された前記吹出孔よりも上側に設けられ、前記第2の絞り部は、一番下に配置された前記吹出孔よりも下側に設けられる付記9記載の断熱構造体。
更に、前記側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口を設け、前記冷却ガス排出口と前記冷却ガス通路の境界に設けられ、前記冷却ガス排出口の断面積を小さくする第2の絞り部を有する付記1記載の断熱構造体。
更に、少なくとも各絞り部の近傍に弁を備え、前記弁は、温度制御状態(モード)に応じて開閉制御される付記1記載の断熱構造体。
更に、前記冷却ガス通路を流れる冷却ガスを分配するバッファエリアを設ける付記1記載の断熱構造体。
更に、前記冷却ガス通路を流れる冷却ガスを排気する排気ファンを設ける付記1記載の断熱構造体。
付記1記載の断熱構造体と、発熱部と、を備えた加熱装置。
付記15の加熱装置を備えた基板処理装置。
円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から断面積を小さくする絞り部を介して供給された冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路を介して、前記側壁内層の内側に設けられる空間へ前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔から吹出すことで前記空間内に配置された前記反応管を冷却するステップと、を少なくとも有する温度制御方法。
前記絞り部は、円周方向に均等に複数設けられる付記2記載の断熱構造体。
前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられ、該複数の区画壁によって複数に区画された複数の冷却ガス通路の断面積を小さくする付記2記載の断熱構造体。
前記絞り部のそれぞれの断面積は、前記冷却ガス通路の断面積よりも小さく形成される付記18又は付記19記載の断熱構造体。
前記第1の絞り部は、一番上に配置された前記吹出孔よりも上側に設けられ、前記第2の絞り部は、一番下に配置された前記吹出孔よりも下側に設けられる付記20記載の断熱構造体。
前記絞り部は、第1の絞り部と第2の絞り部を含み、前記第1の絞り部のそれぞれの断面積は、前記第2の絞り部のそれぞれの断面積よりも大きく形成されている付記21記載の断熱構造体。
更に、少なくとも各絞り部の近傍に弁を備え、前記弁は、温度制御状態(モード)に応じて開閉制御される付記2記載の断熱構造体。
更に、前記冷却ガス通路を流れる冷却ガスを排気する排気ファンを設ける付記2記載の断熱構造体。
付記2記載の断熱構造体と、発熱部と、を備えた加熱装置。
付記25の加熱装置を備えた基板処理装置。
円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から断面積を小さくする第1の絞り部を介して供給された冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路を介して、前記側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口から断面積を小さくする第2の絞り部を介して排気されるステップと、を少なくとも有する温度制御方法。
12 加熱装置
14 炉内空間
16 反応管
18 基板(ウエハ)
20 ボート
30 発熱部
32 側壁部
34 円筒空間(冷却ガス通路)
35 吹出孔
36 冷却ガス供給部
37 絞り部
38 ダクト(バッファエリア)
39 弁
41 絞り穴
42 急冷ガス排出口
43 冷却ガス排出口
Claims (9)
- 円筒形状に形成された側壁部を有し、前記側壁部が複数層構造に形成されている断熱構造体であって、
前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられた冷却ガス供給口と、
前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、
前記側壁内層の内側に設けられる空間と、
前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層に設けられた複数の吹出し孔と、
前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス通路に連設されるバッファエリアと、
前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界面の断面積を小さくするとともに、一番上に配置された前記吹出孔よりも上側に設けられる第1の絞り部と、一番下に配置された前記吹出孔よりも下側に設けられる第2の絞り部を備えた絞り部と、
を有する断熱構造体。 - 円筒形状に形成された側壁部を有し、前記側壁部が複数層構造に形成されている断熱構造体であって、
前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられた冷却ガス供給口と、
前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、
前記側壁部の外側に配置された側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口と、
前記冷却ガス通路の両端に設けられるバッファエリアと、
前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面の断面積をそれぞれ小さくする絞り部と、
を有する断熱構造体。 - 前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられ、該複数の区画壁によって複数に区画された複数の冷却ガス通路の断面積を小さくする請求項2に記載の断熱構造体。
- 前記絞り部のそれぞれの断面積は、前記冷却ガス通路それぞれの断面積よりも小さく形成される請求項2又は請求項3に記載の断熱構造体。
- 前記絞り部は、上下方向に少なくとも2つ設けられる請求項2から4のいずれか1つに記載の断熱構造体。
- 請求項1に記載の断熱構造体と、発熱部と、有する加熱装置。
- 請求項6に記載の加熱装置を有する基板処理装置。
- 基板を反応管内に搬入するステップと、
前記反応管内の基板を処理するステップと、
前記処理後、円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から供給される冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記冷却ガス供給口と前記冷却ガス通路に連設されるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面の断面積を小さくするとともに、一番上に配置された前記吹出孔よりも上側に設けられる第1の絞り部と、一番下に配置された前記吹出孔よりも下側に設けられる第2の絞り部を備えた絞り部と、をそれぞれ介して、前記側壁内層の内側に設けられる空間へ複数の吹出孔から吹出させることで前記空間内に配置された前記反応管を冷却するステップと、
を有する半導体装置の製造方法。 - 基板を反応管内に搬入するステップと、
前記反応管内の基板を処理するステップと、
前記処理後、円筒形状で複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から供給される冷却ガスを、前記側壁部の内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、前記冷却ガス通路の両端に設けられるバッファエリアと、前記バッファエリアと前記冷却ガス通路の境界に設けられる境界面をそれぞれ小さくする絞り部と、をそれぞれ介して、前記側壁外層の下部に設けられる冷却ガス排出口から排気させるステップと、
を有する半導体装置の製造方法。
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