JP6964475B2 - 基板保持具及び基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板保持具及び基板処理装置に関する。

処理容器内において、基板保持具に複数の基板を多段に保持した状態で、複数の基板に対し成膜処理等を行うことが可能なバッチ式の基板処理装置が知られている。バッチ式の基板処理装置では、基板保持具に保持された複数の基板の各々と処理容器の内周面との間に隙間が存在すると、処理容器内に供給された処理ガスの一部が基板上へ供給されずに隙間を通って上方又は下方へ流れる。そのため、基板上へのガス供給量が減少し、成膜速度の低下や、均一性の低下が生じ得る。

基板上へのガス供給量を確保する基板保持具としては、例えば、複数の支柱と、支柱に水平に多段に取り付けられ基板の周縁部を裏面から支持するリングと、を有するリングボートが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−７７０４２号公報

しかしながら、リングボートでは、基板の外周の全体がリングに覆われており、フォークを用いて複数の基板を同時に搬送することが困難であった。

そこで、本発明の一態様では、容易に基板を搬送でき、且つ基板上へのガス供給量を増大させることが可能な基板保持具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る基板保持具は、複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持し、上下方向を回転軸として回転可能な基板保持具であって、複数の支柱と、前記複数の支柱の各々に設けられ、前記基板の中心を前記回転軸に対して前記基板が搬送される側にずらして前記基板の周縁部を保持する保持部と、前記複数の支柱の回転軌跡と前記保持部に保持される前記基板の外周との間に形成される領域を含んで配置される整流板と、を有し、前記複数の支柱の回転軌跡は、前記複数の支柱の各々の外面の少なくとも一部が通る軌跡であり、前記保持部に保持される前記基板の外周は、前記複数の支柱の回転軌跡と接する。

開示の基板保持具によれば、容易に基板を搬送でき、且つ基板上へのガス供給量を増大させることができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略図 図１の基板処理装置の処理容器を説明するための図 ウエハを保持した状態のウエハボートを説明するための図 ウエハボートの一部分の概略斜視図 ウエハボートの一部分の概略側面図 ウエハボートにウエハを搬送する方法を説明するための図 シミュレーションの条件を説明するための図 ガスの流速分布のシミュレーション結果を示す図 ガス濃度のシミュレーション結果を示す図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

〔基板処理装置〕
本発明の実施形態に係る基板処理装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略図である。図２は、図１の基板処理装置の処理容器を説明するための図であり、図１の基板処理装置の横断面を示す。

図１に示されるように、基板処理装置１は、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を収容する処理容器３４と、処理容器３４の下端の開口部を気密に塞ぐ蓋部３６と、処理容器３４内に収容可能であり、複数のウエハＷを所定間隔で保持する基板保持具であるウエハボート３８と、処理容器３４内へ所定のガスを導入するガス供給手段４０と、処理容器３４内のガスを排気する排気手段４１と、ウエハＷを加熱する加熱手段４２とを有している。

処理容器３４は、下端部が開放された有天井の円筒形状の内管４４と、下端部が開放されて内管４４の外側を覆う有天井の円筒形状の外管４６とを有する。内管４４及び外管４６は、石英等の耐熱性材料により形成されており、同軸状に配置されて二重管構造となっている。

内管４４の天井部４４Ａは、例えば平坦になっている。内管４４の一側には、その長手方向（上下方向）に沿ってガスノズルを収容するノズル収容部４８が形成されている。本発明の実施形態では、図２に示されるように、内管４４の側壁の一部を外側へ向けて突出させて凸部５０を形成し、凸部５０内をノズル収容部４８として形成している。

また、ノズル収容部４８に対向させて内管４４の反対側の側壁には、その長手方向（上下方向）に沿って幅Ｌ１の矩形状の開口部５２が形成されている。

開口部５２は、内管４４内のガスを排気できるように形成されたガス排気口である。開口部５２の長さは、ウエハボート３８の長さと同じであるか、又は、ウエハボート３８の長さよりも長く上下方向へそれぞれ延びるようにして形成されている。即ち、開口部５２の上端は、ウエハボート３８の上端に対応する位置以上の高さに延びて位置され、開口部５２の下端は、ウエハボート３８の下端に対応する位置以下の高さに延びて位置されている。具体的には、図１に示されるように、ウエハボート３８の上端と開口部５２の上端との間の高さ方向の距離Ｌ２は０ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲内である。また、ウエハボート３８の下端と開口部５２の下端との間の高さ方向の距離Ｌ３は０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度の範囲内である。

処理容器３４の下端は、例えばステンレス鋼により形成される円筒形状のマニホールド５４によって支持されている。マニホールド５４の上端部にはフランジ部５６が形成されており、フランジ部５６上に外管４６の下端部を設置して支持するようになっている。フランジ部５６と外管４６との下端部との間にはＯリング等のシール部材５８を介在させて外管４６内を気密状態にしている。

マニホールド５４の上部の内壁には、円環状の支持部６０が設けられており、支持部６０上に内管４４の下端部を設置してこれを支持するようになっている。マニホールド５４の下端の開口部には、蓋部３６がＯリング等のシール部材６２を介して気密に取り付けられており、処理容器３４の下端の開口部、即ち、マニホールド５４の開口部を気密に塞ぐようになっている。蓋部３６は、例えばステンレス鋼により形成される。

蓋部３６の中央部には、磁性流体シール部６４を介して回転軸６６が貫通させて設けられている。回転軸６６の下部は、ボートエレベータよりなる昇降手段６８のアーム６８Ａに回転自在に支持されている。

回転軸６６の上端には回転プレート７０が設けられており、回転プレート７０上に石英製の保温台７２を介してウエハＷを保持するウエハボート３８が載置されるようになっている。従って、昇降手段６８を昇降させることによって蓋部３６とウエハボート３８とは一体として上下動し、ウエハボート３８を処理容器３４内に対して挿脱できるようになっている。

ガス供給手段４０は、マニホールド５４に設けられており、内管４４内へ処理ガス、パージガス等のガスを導入する。ガス供給手段４０は、複数（例えば３本）の石英製のガスノズル７６、７８、８０を有している。各ガスノズル７６、７８、８０は、内管４４内にその長手方向に沿って設けられると共に、その基端部がＬ字状に屈曲されてマニホールド５４を貫通するようにして支持されている。

ガスノズル７６、７８、８０は、図２に示されるように、内管４４のノズル収容部４８内に周方向に沿って一列になるように設置されている。各ガスノズル７６、７８、８０には、その長手方向に沿って所定の間隔で複数のガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａが形成されており、各ガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａより水平方向に向けて各ガスを放出できるようになっている。所定の間隔は、例えばウエハボート３８に支持されるウエハＷの間隔と同じになるように設定される。また、高さ方向の位置は、各ガス孔７６Ａ、７８Ａ、８０Ａが上下方向に隣り合うウエハＷ間の中間に位置するように設定されており、各ガスをウエハＷ間の空間部に効率的に供給できるようになっている。

ガスの種類としては、原料ガス、酸化ガス及びパージガスが用いられ、各ガスを流量制御しながら必要に応じて各ガスノズル７６、７８、８０を介して供給できるようになっている。原料ガスとしてシリコン含有ガスを用い、酸化ガスとしてオゾン（Ｏ_３）ガスを用い、パージガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを用い、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法によりシリコン酸化膜を形成できるようになっている。なお、用いるガスの種類は成膜する膜の種類に応じて適宜選択することができる。

また、マニホールド５４の上部の側壁であって、支持部６０の上方には、ガス出口８２が形成されており、内管４４と外管４６との間の空間部８４を介して開口部５２より排出される内管４４内のガスを排気できるようになっている。ガス出口８２には、排気手段４１が設けられる。排気手段４１は、ガス出口８２に接続された排気通路８６を有しており、排気通路８６には、圧力調整弁８８及び真空ポンプ９０が順次介設されて、処理容器３４内を真空引きできるようになっている。開口部５２の幅Ｌ１は１０ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内の大きさに設定されており、効率的に内管４４内のガスを排気できるようになっている。

外管４６の外周側には、外管４６を覆うように円筒形状の加熱手段４２が設けられており、ウエハＷを加熱するようになっている。

このように形成された基板処理装置１の全体の動作は、例えばコンピュータ等の制御手段１１０により制御される。また、基板処理装置１の全体の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体１１２に記憶されている。記憶媒体１１２は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。

〔ウエハボート〕
次に、本発明の実施形態に係るウエハボート３８について説明する。図３は、ウエハＷを保持した状態のウエハボート３８を説明するための図であり、多段に保持された複数のウエハＷのうちの一のウエハＷを上面から見たときの図である。図３では、ウエハＷの搬入又は搬出が行われる側を右側として示す。図４は、ウエハボート３８の一部分の概略斜視図であり、ウエハＷを保持していない状態のウエハボート３８を示す。図５は、ウエハボート３８の一部分の概略側面図であり、ウエハＷを保持した状態のウエハボート３８を示す。

ウエハボート３８は、複数のウエハＷを上下方向に所定間隔を有して略水平に保持し、上下方向を回転軸として回転可能に構成されている。ウエハボート３８は、支柱３８ａと、保持部３８ｂと、整流板３８ｃと、天板３８ｄと、底板３８ｅと、を有する。

支柱３８ａは、ウエハボート３８の回転軸Ｃを中心とする同一円周上に複数（図示の例では３本）設けられている。支柱３８ａは、ウエハＷが搬送される側（図３中の右側）には設けられていない。これにより、ウエハＷを搬入又は搬出する際、後述するフォークと支柱３８ａとの接触を防止できる。支柱３８ａは、例えば石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の耐熱性材料により形成されている。

保持部３８ｂは、各支柱３８ａの長手方向に沿って所定間隔を有して複数設けられている。保持部３８ｂは、ウエハＷの中心Ｃｗをウエハボート３８の回転軸Ｃに対してウエハＷが搬送される側に偏心させて（ずらして）ウエハＷの周縁部を保持する。このとき、保持部３８ｂに保持されるウエハＷの外周Ｔ２が、複数の支柱３８ａの回転軌跡Ｔ１と接する位置関係であること好ましい。これにより、ウエハＷを搬送する側におけるウエハＷの外周と内管４４の内周面との隙間Ｄを小さくできる。保持部３８ｂは、支柱３８ａに取り付けられ爪状に形成された保持爪であってもよく、支柱３８ａに設けられ溝状に形成された保持溝であってもよい。保持部３８ｂは、例えば石英、ＳｉＣ等の耐熱性材料により形成されている。

整流板３８ｃは、複数の支柱３８ａの回転軌跡Ｔ１と保持部３８ｂに保持されるウエハＷの外周Ｔ２との間に形成される領域Ａを含んで配置される。これにより、処理容器３４内に供給される処理ガスが領域Ａを通って上方又は下方へ流れることを抑制できる。整流板３８ｃは、例えば複数の支柱３８ａに固定されている。整流板３８ｃを複数の支柱３８ａに固定する方法は特に限定されないが、例えば溶接によって固定してもよい。また、例えば各支柱３８ａに切込みを設け、切込みに整流板３８ｃを嵌めこんで固定してもよい。また、例えば整流板３８ｃに凹部を設けると共に、各支柱３８ａに凸部を設け、整流板３８ｃの凹部に各支柱３８ａの凸部を嵌めこんで固定してもよい。また、例えば各支柱３８ａに設けられた保持部３８ｂに整流板３８ｃを載置し、固定してもよい。また、例えば各支柱３８ａに整流板３８ｃを支持するための支持部を設け、支持部に整流板３８ｃを載置し、固定してもよい。また、上記の固定方法を組み合わせてもよい。さらに、削り出しにより複数の支柱３８ａと整流板３８ｃとを一体で形成してもよい。

整流板３８ｃは、例えば平面視でウエハＷの周縁部に沿って三日月状に形成されている。図示の例では、整流板３８ｃは、３つの支柱３８ａに固定されている。整流板３８ｃの上面は、整流板３８ｃとウエハＷとの境界部分における乱流の発生を抑制できるという観点から、保持部３８ｂに保持されるウエハＷの上面と略面一であることが好ましい。

整流板３８ｃは、例えば石英、ＳｉＣ、シリコン、サファイア等の耐熱性材料により形成されている。但し、溶接等により容易に整流板３８ｃを支柱３８ａに固定できるという観点から、整流板３８ｃは支柱３８ａと同一の材料により形成されていることが好ましい。また、整流板３８ｃは、ウエハボート３８に保持されるウエハＷと同一の材料により形成されていることが好ましい。これにより、ウエハＷと整流板３８ｃとの間の熱容量差が小さくなるため、整流板３８ｃを設けることによる熱影響を軽減できる。整流板３８ｃには、ウエハＷを保持部３８ｂに載置するフォークがウエハボート３８内に進入したときの先端に対応する位置に、切り欠き３８ｆが形成されている。

切り欠き３８ｆは、フォークの先端と干渉しない形状を有する。切り欠き３８ｆが形成されていることにより、保持部３８ｂとフォークとの間でウエハＷの受け渡しをする際の整流板３８ｃとフォークの先端との接触を防止できる。なお、フォークの先端がウエハＷの外周から突出していない等、フォークの先端が整流板３８ｃと接触しない構成の場合には、整流板３８ｃに切り欠き３８ｆを形成しなくてよい。

天板３８ｄは、各支柱３８ａの上端に固定されている。天板３８ｄは、例えば石英、ＳｉＣ等の耐熱性材料により形成されている。

底板３８ｅは、各支柱３８ａの下端に固定されている。底板３８ｅは、例えば石英、ＳｉＣ等の耐熱性材料により形成されている。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るウエハボート３８は、複数の支柱３８ａと、複数の支柱３８ａの各々に設けられ、ウエハＷの中心Ｃｗをウエハボート３８の回転軸Ｃに対してウエハＷが搬送される側にずらしてウエハＷの周縁部を保持する保持部３８ｂと、複数の支柱３８ａの回転軌跡Ｔ１と保持部３８ｂに保持されるウエハＷの外周Ｔ２との間に形成される領域Ａを含んで配置される整流板と、を有する。これにより、ウエハボート３８に保持された複数のウエハＷの各々の外周と内管４４の内周面との間の隙間を小さくでき、処理容器３４内に供給された処理ガスがウエハＷ上へ供給されずに隙間を通って上方又は下方へ流れることを抑制できる。その結果、ウエハＷ上へのガス供給量が増大し、成膜速度の向上や、均一性の向上を図ることができる。

なお、前述のウエハボート３８では、支柱３８ａに設けられた保持部３８ｂにウエハＷが保持される場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば支柱３８ａに固定された整流板３８ｃにウエハＷが保持されてもよい。

〔ウエハの搬送方法〕
次に、ウエハＷの搬送方法について説明する。図６は、ウエハボート３８にウエハＷを搬送する方法を説明するための図である。図６（ａ）は、ウエハボート３８にウエハＷを搬送する前のウエハボート３８とウエハＷとの位置関係を示す。図６（ｂ）は、フォークＦによりウエハＷをウエハボート３８に挿入している途中のウエハボート３８とウエハＷとの位置関係を示す。図６（ｃ）は、フォークＦからウエハボート３８にウエハＷを受け渡すときのウエハボート３８とウエハＷとの位置関係を示す。

まず、図６（ａ）に示されるように、保持部３８ｂよりも僅かに上方であって、ウエハボート３８のウエハＷが搬送される側の手前の位置に、ウエハＷを保持したフォークＦを移動させる。

続いて、図６（ｂ）に示されるように、ウエハボート３８に向かってフォークＦを移動させる。このとき、ウエハボート３８のウエハＷが搬送される側に保持部３８ｂが設けられていないので、フォークＦと保持部３８ｂとが干渉することがなく、容易にウエハＷを搬送できる。

図６（ｃ）に示されるように、フォークＦがウエハボート３８にウエハＷを受け渡す位置まで移動すると、フォークＦを下降させてフォークＦからウエハボート３８の保持部３８ｂにウエハＷを受け渡す。フォークＦがウエハボート３８にウエハＷを受け渡す位置は、平面視でウエハＷの中心Ｃｗがウエハボート３８の回転軸Ｃに対してウエハＷが搬送される側にずれた位置である。このとき、整流板３８ｃに切り欠き３８ｆが形成されているので、整流板３８ｃとフォークＦの先端との接触を防止できる。

以上の動作により、ウエハボート３８にウエハＷを搬入し、載置することができる。なお、ウエハボート３８にウエハＷを搬入する動作と逆の動作を行うことにより、ウエハボート３８からウエハＷを搬出することができる。

〔シミュレーション結果〕
次に、本発明の効果を確認したシミュレーション結果について説明する。シミュレーションでは、ウエハボート３８に保持されたウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間の隙間が異なるウエハボートを用いてウエハＷの側方からガスを供給したときのウエハＷ上のガスの流速分布、濃度、及び流速ベクトルを評価した。ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを使用した。

図７は、シミュレーションの条件を説明するための図である。シミュレーションでは、１つのガス孔７６Ａから供給されるＳｉＨ_４ガスの流量を２９ｓｃｃｍ、処理容器３４内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ、ウエハＷ及び処理容器３４の内周面の温度を５３０℃とした。実施例では、ウエハボート３８に保持されたウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間の隙間Ｄ２を第１の値Ｄ２ｓに設定した。一方、比較例ではウエハボート３８に保持されたウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間の隙間Ｄ２をＤ２ｓよりも広いＤ２ｒとした。

図８は、ガスの流速分布のシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ実施例及び比較例におけるＳｉＨ_４ガスの定常状態での流速分布のシミュレーション結果を示す。

図８（ａ）に示す実施例では、図８（ｂ）に示す比較例よりもウエハＷ上のＳｉＨ_４ガスの流速が大きくなっていることが確認された。即ち、ウエハボート３８に保持されたウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間の隙間を狭くすることで、単位時間あたりにウエハＷ上に供給されるＳｉＨ_４ガスの供給量を増大させることができる。

図９は、ガス濃度のシミュレーション結果を示す図である。図９中、横軸はウエハＷの中心からの位置（ｍｍ）を示し、ガス孔７６Ａが設けられている側を負の方向として示す。縦軸はＳｉＨ_４ガスの供給を開始してから１秒後におけるＳｉＨ_４ガス濃度（ｋｇ／ｍ^３）を示す。図９中、菱形印及び三角印はそれぞれ実施例及び比較例のシミュレーション結果を示す。

図９のシミュレーション結果から明らかなように、実施例におけるウエハＷ上のＳｉＨ_４ガス濃度は、比較例におけるウエハＷ上のＳｉＨ_４ガス濃度よりも高くなっていることが確認された。即ち、ウエハボート３８に保持されたウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間の隙間を狭くすることで、ウエハＷ上にＳｉＨ_４ガスを留まりやすくできる。

また、流速ベクトルについてのシミュレーションの結果、実施例及び比較例のいずれの場合についても、ウエハＷの外周と処理容器３４の内周面との間、及びウエハＷ上において、ＳｉＨ_４ガスの乱流の発生は見られなかった。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

上記の実施形態では、処理容器が内管と外管とを有する二重管構造である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、処理容器は一重管構造であってもよい。

１ 基板処理装置
３４ 処理容器
４４ 内管
４６ 外管
３８ ウエハボート
３８ａ 支柱
３８ｂ 保持部
３８ｃ 整流板
３８ｆ 切り欠き
Ｗ ウエハ

Claims (8)

1. 複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持し、上下方向を回転軸として回転可能な基板保持具であって、
   複数の支柱と、
   前記複数の支柱の各々に設けられ、前記基板の中心を前記回転軸に対して前記基板が搬送される側にずらして前記基板の周縁部を保持する保持部と、
   前記複数の支柱の回転軌跡と前記保持部に保持される前記基板の外周との間に形成される領域を含んで配置される整流板と、
   を有し、
   前記複数の支柱の回転軌跡は、前記複数の支柱の各々の外面の少なくとも一部が通る軌跡であり、
   前記保持部に保持される前記基板の外周は、前記複数の支柱の回転軌跡と接する、
   基板保持具。
2. 前記整流板は、平面視で前記基板の周縁部に沿って三日月状に形成されている、
   請求項１に記載の基板保持具。
3. 前記整流板の上面と前記保持部に保持される前記基板の上面とは、略面一に形成されている、
   請求項１又は２に記載の基板保持具。
4. 前記保持部は、前記支柱に設けられた保持爪又は保持溝である、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板保持具。
5. 前記整流板には、前記基板を前記保持部に載置する際のフォークの先端に対応する位置に、切り欠きが形成されている、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板保持具。
6. 前記整流板は、前記支柱又は前記基板と同一の材料により形成されている、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の基板保持具。
7. 複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持し、上下方向を回転軸として回転可能な基板保持具であって、
   複数の支柱と、
   前記複数の支柱に設けられ、前記基板の中心を前記回転軸に対して前記基板が搬送される側にずらして前記基板の周縁部を保持すると共に、前記複数の支柱の回転軌跡と保持される前記基板の外周との間に形成される領域を含んで配置される整流板と、
   を有し、
   前記複数の支柱の回転軌跡は、前記複数の支柱の各々の外面の少なくとも一部が通る軌跡であり、
   前記整流板に保持される前記基板の外周は、前記複数の支柱の回転軌跡と接する、
   基板保持具。
8. 処理容器と、
   前記処理容器内に収容可能であり、複数の基板を上下方向に所定間隔を有して略水平に保持し、上下方向を回転軸として回転可能な基板保持具と、
   を有し、
   前記基板保持具は、
   複数の支柱と、
   前記複数の支柱の各々に設けられ、前記基板の中心を前記回転軸に対して前記基板が搬送される側にずらして前記基板の周縁部を保持する保持部と、
   前記複数の支柱の回転軌跡と前記保持部に保持される前記基板の外周との間に形成される領域を含んで配置される整流板と、
   を有し、
   前記複数の支柱の回転軌跡は、前記複数の支柱の各々の外面の少なくとも一部が通る軌跡であり、
   前記保持部に保持される前記基板の外周は、前記複数の支柱の回転軌跡と接する、
   基板処理装置。

Images