JP6581385B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、熱処理装置に関し、より具体的には、半導体チップなどの原料と成るシリコンウエハなどのワークに対して熱処理を施す工程に使用して有効な熱処理装置に関する。

一般に、垂直型の反応管とその周囲に設置されるヒータとを備えた熱処理装置を用いて、反応管内にワークである複数のウエハを上下に配列して実施すると、反応副生成物が反応管の下部に多量に付着することが知られていた。

従来の熱処理装置においては、このような反応副生成物をクリーニングによって除去するメンテナンスを頻繁に実施していたため、生産性の低下を招くという問題が発生していた。

反応管下端に、プロセスガス導入管などを反応管に取付けるための環状のアダプタが取付けられるタイプもあるが、このアダプタは反応管周囲に配置されるヒータから遠く、外気に晒されているので特に冷えやすく、アダプタの内面に反応性副生成物が付着しやすい。

そこで、反応管底面を密閉する閉塞部材に、前記アダプタ内周部に近接する、石英で作製された筒（堆積遅延筒）を立設してこの筒に反応性副生成物を堆積させることで、アダプタへの反応副生成物の付着を抑制することが提案されている（特許文献１参照。）

特開２０１１−１２９５６７号公報

しかし、上記特許文献１の対策では、反応室において最もヒータから離れた位置にあり、温度低下が著しい閉塞部材の反応室側の表面が堆積遅延筒でカバーされていない。閉塞部材の反応室側の表面は、ワーク表面に対するＣＶＤ処理と同様に、閉塞部材の表面に膜状に反応副生成物が成長することになる。

閉塞部材は通常ステンレス製で、一方、反応副生成物の成長膜は例えばＳｉＯ_２であり、熱膨張係数は前者は１０^−５［１／℃］（０〜１００℃の平均）に対して後者は１０^−７［１／℃］であり、大きな差がある。それ故、ウエハの搬出入時に、閉塞部材が反応管下端から離間されたときに、閉塞部材の反応室側の表面の温度が下がり、熱膨張係数の差により、反応副生成物の１０［μｍ］未満程度の膜厚の成長で膜剥がれが生じ、その為、パーティクルが発生して、メンテナンス周期が短くなる問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、反応室を密閉する閉塞部材への反応副生成物の膜厚の成長を抑制して、メンテナンス周期を長くすることが可能な熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明熱処理装置は反応管、保持具、閉塞部材、成膜遅延カバーを有する。反応管内にはワークが収容される反応室が形成される。保持具は反応室でワークを保持する。閉塞部材は保持具を支持し、反応室を密閉する。成膜遅延カバーは石英製であり、閉塞部材の反応室側の表面を覆う。

この構成によると、従来、閉塞部材の反応室側の表面に成長していた反応副生成物は、閉塞部材を覆う石英製の成膜遅延カバーに優先的に付着するようになるので、閉塞部材への膜厚の成長を大幅に遅延（抑制）させることが可能である。また、成膜遅延カバーが石英製であるため、反応副生成物の剥がれが抑制される。なお、反応副生成物が堆積した成膜遅延カバーは閉塞部材から取り外して容易に交換することができる。

このような熱処理装置では、反応管と閉塞部材との間に給気アダプタが配置されるタイプがある。給気アダプタ側面には反応室へプロセスガスを供給するためのガス供給管が接続される接続口が形成される。この給気アダプタは通常、耐熱性の高いステンレスなどの金属で作製されているので、反応室側である給気アダプタ内周部には閉塞部材と同様に反応副生成物が堆積しやすい。

そこで、本発明熱処理装置では、前記成膜遅延カバーを、給気アダプタ内周部に近接対向する側面部を有する有底筒状に形成しておく。こうすることで、従来、給気アダプタ内周部へ堆積していた反応副生成物は、成膜遅延カバーの側面部に優先的に堆積するようになるので、給気アダプタへの堆積を大幅に遅延（抑制）させることが可能である。

さらに、本発明熱処理装置では、反応管内で給気アダプタに支持される両端開放の内管と、給気アダプタと反応管との間に配設される排気ジャケットと、を備え、ガス供給管が内管下端から内管内にプロセスガスを供給するように構成されている。この構成によると、ガス供給管から内管内の下端に導入されたプロセスガスは、内管内を上昇していく。この課程で、内管内に配置される保持具に保持されたワークがプロセスガスによって処理される。さらにプロセスガスは上昇し、内管の上端から内管外へ出た後、反応管と内管との間のスペースを下降して排気ジャケットの排気口から装置外へと排出される。

このタイプの熱処理装置では、反応室下部には、ワークを通過する前の新しいプロセスガスが常に供給されることになるので、閉塞部材や給気アダプタの反応室側に反応副生成物が付着しやすくなる。したがって、前記成膜遅延カバーが有用である。

本発明熱処理装置では、すべてのワークに均等にプロセスガスが行き届き、処理効率を向上させることができる。

この発明によれば、反応室を密閉する閉塞部材への反応副生成物の膜厚の成長を遅延させることができるとともに、石英製の成膜遅延カバーによって反応副生成物の剥がれを抑制できることから、パーティクルの発生を減少させてメンテナンス周期を長くすることができる。

この発明の実施形態に係る熱処理装置を示す概略断面図である。 同熱処理装置の要部の平面図である。 成膜遅延カバーを示す斜視図である。 成膜遅延カバーの分解図である。

以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る熱処理装置を説明する。

図１に示すように熱処理装置１０は、反応管１、内管２、排気ジャケット３、給気アダプタ４、保持具５、閉塞部材６、加熱機構７、回転機構８および成膜遅延カバー２０を備える。

反応管１は円筒状のチューブであり、垂直に配置される。反応管１の上端はドーム状の天井で閉塞され、下端は開放している。反応管１の内部の空間にワークＷが収容される反応室１１が形成される。

反応管１の内側に内管２が設置される。内管２は円筒状のチューブであり、垂直に配置される。内管２の上下端は開放である。内管２は後述する給気アダプタ４に支持される。

反応管１の外側には、反応室１１を加熱するための加熱機構７が設けられる。本実施形態では、加熱機構７はヒータ７１、枠体７２および断熱材７３を備える。枠体７２は反応管１の周囲を取り囲んで内側空間を大気から隔てる構造物である。枠体７２はステンレスなどの耐熱性を有する材料で形成される。枠体７２には断熱材７３が内張される。ヒータ７１は反応管１の外周に設置される。ヒータ７１は図示のように反応管１の外周を取り囲む断熱材７３に埋設するとヒータ７１の保持部材を断熱材７３で兼ねることができる。

排気ジャケット３は環状の部材であって反応管１の下端に取り付けられる。排気ジャケット３はステンレスなどの剛性と耐熱性を有する材料で形成される。排気ジャケット３の側面部には排気口３１が設けられている。反応管１と排気ジャケット３との間は図示しないガスケットによって密閉される。

給気アダプタ４は環状の部材であって排気ジャケット３の下端に取り付けられる。給気アダプタ４はステンレスなどの剛性と耐熱性を有する材料で形成される。給気アダプタ４の側面部には給気ノズル１２を接続するための接続口４１が形成される。排気ジャケット３と給気アダプタ４との間は図示しないガスケットによって密閉される。

本実施形態では、給気ノズル１２は２本存在し、２本の給気ノズル１２は環状の給気アダプタ４の側面部の対向する２箇所に設けられた接続口４１に取付けられて反応室１１に挿入される。

給気アダプタ４の上端部は反応室１１側に迫り出し、その迫り出す先端上部に内管支持部４２が形成される。給気アダプタ４の内管支持部４２には内管２が垂直に支持される。

本実施形態では、給気ノズル１２は９０度屈曲されたＬ字管が使用される。給気ノズル１２の一端は水平に開口するガス入口１２１である。ガス入口１２１には熱処理装置１０の外部でプロセスガス供給装置（不図示。）に接続されている。給気ノズル１２の他端は垂直上方に開口するガス出口１２２である。ガス出口１２２は、反応室１１における内管２の下端内側に開口している。なお、給気ノズル１２は、反応室にガスを送り込むことができればよく、水平に延びる直管を用いることもできる。

反応室１１は給気アダプタ４、排気ジャケット３および反応管１の内側に形成された空間である。反応室１１は、給気アダプタ４および内管２の内側に形成される空間が反応管１の天井付近まで達し、その外側に、内管２と反応管１および排気ジャケット３とに挟まれるドーナツ状の空間が形成される。２つの空間は反応室１１の上部で連通している。

閉塞部材６は反応室１１の下端を密閉する板状部材であり、ステンレスなどの剛性と耐熱性を有する材料で形成される。反応室１１の底部を構成する環状の給気アダプタ４の下端は、反応室１１の炉口を提供し、ワークＷの搬出入口となる。閉塞部材６はその給気アダプタ４の下端に配置される。給気アダプタ４と閉塞部材６との間は図示しないシールで密閉される。閉塞部材６はエレベータ装置（不図示。）によって昇降自在に構成されており、自動で反応室１１の炉口を開閉する。

保持具５はワークＷを保持するラックである。本実施形態では、保持具５は複数のワークＷを等間隔に水平姿勢で保持することが可能な多段式のラックとして構成されている。

保持具５は閉塞部材６に装着されることで、閉塞部材６の昇降とともに保持具５を反応室１１に出し入れしてワークＷの処理や交換が簡単に行えるようになっている。

回転機構８は閉塞部材６における反応室１１と反対側に設置させる。ターンテーブル１４は閉塞部材６の反応室１１側に閉塞部材６から少し浮かせた状態で回転自在に配置される。シャフト８２は閉塞部材６の中心部を貫通する貫通孔６Ａを通してターンテーブル１４底面の中心に固定される。なお、反応室１１の炉口の密閉も兼ねて閉塞部材６の貫通孔６Ａには軸受１３が配置される。シャフト８２はこの軸受１３に支持されている。

保持具５はターンテーブル１４上に中心軸を一致させた状態で固定されている。ターンテーブル１４が回転機構８の作動によって回転すると、同じ回転数で保持具５が回転する。これにより、保持具５に保持される複数のワークＷを反応室１１内で回転させることができる。

上記の構成で、熱処理装置１０を稼働すると、ヒータ７１が発熱し、回転機構８によりワークＷが回転される（矢印Ｓ）。反応室１１の温度は熱電対１５によってモニタすることができ、ヒータ７１からの熱量を調整することにより適切な温度範囲に維持される。

給気ノズル１２のガス入口１２１からプロセスガスを導入（矢印Ｒ１）すると、給気ノズル１２のガス出口１２２から内管２内の下端にプロセスガスが上方に向かって供給される（矢印Ｒ２）。プロセスガスは内管２内を上昇し（矢印Ｒ３）、その過程で保持具５に保持されるワークＷの処理に供される。処理後のプロセスガスの排気は内管２の上端から内管２外へ流れ（矢印Ｒ４）、内管２と反応管１の間の空間を下降し（矢印Ｒ５）、排気口３１から装置外へ排出される（矢印Ｒ６）。

成膜遅延カバー２０は石英製であり、図２に示すように、閉塞部材６の反応室１１側の表面（図１では上面。）を覆うように閉塞部材６に対して着脱自在に取り付けられる。成膜遅延カバー２０は閉塞部材６への反応副生成物の膜厚の成長を遅らせることを目的とするものであるので、最も単純な形状としては閉塞部材６の上面を覆う円盤でもよい。

本実施形態では、図３に示すように、成膜遅延カバー２０は側面部を有する有底の筒状に形成される。成膜遅延カバー２０の側面部は、閉塞部材６の上方に配置される給気アダプタ４の内周部に近接対向される。これにより、閉塞部材６への反応副生成物の膜厚の成長だけでなく、ステンレスで形成される給気アダプタ４の内周部に対する反応副生成物の堆積をも抑制することが可能となる。

本実施形態では、成膜遅延カバー２０は、図３に示すように、下部が大径で上部が小径となる異径円筒に形成される。この形状は、給気アダプタ４（図１参照。）の内周部の形状（上端部が反応室１１の中心側に向かって迫り出す形状）に倣ったものである。結果として、閉塞部材６を覆う、成膜遅延カバー２０の底面部の面積も広がるので、給気アダプタ４を含む反応室１１底部の広い範囲をこの成膜遅延カバー２０によって覆うことが可能となる。

成膜遅延カバー２０の底面の中心には、閉塞部材６の貫通孔６Ａ（図１参照。）に対応して大孔２３が形成される。さらに、成膜遅延カバー２０の底面には、２つの取付け用の小孔２４Ａ，２４Ｂが設けられる。これらの小孔２４Ａ，２４Ｂに対応して閉塞部材６の上面にボス（不図示。）が突設されており、成膜遅延カバー２０を閉塞部材６に取付ける際はこれらのボスを小孔２４Ａ、２４Ｂに嵌合させることにより、所定の位置に精度良く取付けることが出来る。２つの小孔２４Ａ，２４Ｂは成膜遅延カバー２０の底面における径方向および周方向に位置がずれており、中心から近い方の孔２４Ｂは、閉塞部材６を貫通する熱電対１５（図１参照。）が挿通させる孔を兼ねている。

成膜遅延カバー２０の側面部の対向する箇所に、一対の切り欠き２２Ａ，２２Ｂが形成される。図２に示すように、切り欠き２２Ａ，２２Ｂは、給気アダプタ４に取付けられて反応室１１に挿入される給気ノズル１２の逃げ部として設けられる。成膜遅延カバー２０に設けられる切り欠きの数と位置は、給気ノズル１２の本数と配置に対応している。切り欠き２２Ａ，２２Ｂは成膜遅延カバー２０の側面部の面積を減少させるが、切り欠き２２Ａ，２２Ｂに配置される給気ノズル１２に切り欠き２２Ａ，２２Ｂの形状に倣った角管を採用するなどの対策を講じることで機能損失を低減することは可能である。

成膜遅延カバー２０は、図４に示すように、底面の中心を通る中心角１８０度の直線で等分される２つのピース２１Ａ，２１Ｂを合体させて作製される。２分割は一例であり、３つ以上のピースに分割されても良い。分割数は、例えば、成膜遅延カバー２０に形成される切り欠きの数、すなわち給気ノズル１２の数に対応して設定される。

２つのピース２１Ａ，２１Ｂの底面には、接合部を跨いで組立用の孔２６Ａ，２６Ｂがそれぞれ形成される。一対の孔２６Ａ，２６Ｂは直線状の接合部に対応して二組用意される。２つのピース２１Ａ，２１Ｂは完成形に組み合わされた後、孔２６Ａ，２６Ｂに石英製の固定プレート２５のピン部２５１を差し込むことでつなぎ止められて合体される。成膜遅延カバー２０の組立にネジなどの固定具を使わず、嵌め込みだけで完成させることが可能であるため、組立が容易である。

本発明では、閉塞部材６に石英製の成膜遅延カバー２０を取付けたことにより、反応副生成物は、閉塞部材６を覆う石英製の成膜遅延カバー２０に優先的に付着するようになるので、閉塞部材６への膜成長を大幅に遅延（抑制）させることが可能である。

具体的には、成膜遅延カバー２０を設置する前は、１０μｍ以下の反応副生成物の膜厚の成長で、ワークＷ１枚当たり千個以上のパーティクルが発生していたが、成膜遅延カバー２０を設置することにより、２０μｍを超えてもパーティクル数を１０個程度まで低減させることが可能となった。これにより、メンテナンス周期を長くすることが可能となる。なお、反応副生成物が堆積した成膜遅延カバー２０は閉塞部材６から取り外して容易に新しい物に交換することができる。

成膜遅延カバー２０にサンドブラスト加工で表面に凹凸を付けると、表面積が大きくなり、その結果、反応副生成物の膜厚を薄くする効果が期待でき、剥離防止にもつながる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、この発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｗ…ワーク
１…反応管
２…内管
３…排気ジャケット
４…給気アダプタ
５…保持具
６…閉塞部材
６Ａ…貫通孔
７…加熱機構
８…回転機構
１０…熱処理装置
１１…反応室
１２…給気ノズル
１３…軸受
１４…ターンテーブル
１５…熱電対
２０…成膜遅延カバー
２１Ａ，２１Ｂ…ピース
２２Ａ，２２Ｂ…切り欠き
２３…大孔
２５…固定プレート
３１…排気口
４１…接続口
４２…内管支持部
７１…ヒータ
７２…枠体
７３…断熱材
８１…モータ
８２…シャフト

Claims (4)

1. ワークが収容される反応室が形成された反応管と、
   前記反応室で前記ワークを保持する保持具と、
   前記保持具を支持し、前記反応室を密閉する閉塞部材と、
   前記閉塞部材の前記反応室側の面を覆い、前記閉塞部材に対して着脱自在に配設された石英製の成膜遅延カバーと、
   前記反応管と前記閉塞部材との間に配置される給気アダプタと、
   を備え、
   前記給気アダプタは、前記反応室へプロセスガスを供給するためのガス供給管が接続される接続口が形成された側面部を有し、
   前記成膜遅延カバーは、前記給気アダプタの前記側面部の内周面に近接対向する側面部を有する有底筒状に形成されており、前記成膜遅延カバーの前記側面部には、前記接続口に接続された前記ガス供給管が通る切り欠きが形成されており、
   前記成膜遅延カバーは、少なくとも２つに分割して構成されており、その分割数が、前記ガス供給管の数に対応して設定されている、熱処理装置。
2. 前記成膜遅延カバーは、前記分割数に対応した数のピースを固定プレートでつなぎ止めて構成されている、請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記成膜遅延カバーは、前記側面部の上端部が前記反応室の中心に向かって迫り出した形状に形成されている、請求項１又は２に記載の熱処理装置。
4. 前記反応管内で前記給気アダプタに支持される両端開放の内管と、
   前記給気アダプタと前記反応管との間に配設される排気ジャケットであって、排気口が形成された側面部を有する排気ジャケットと、
   をさらに備え、
   前記ガス供給管は、前記内管の下端から当該内管内にプロセスガスが導入されるように構成されている、請求項１〜３の何れかに記載の熱処理装置。

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