JP7012585B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

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Description

本開示は、熱処理装置及び熱処理方法に関する。
縦型の処理容器内にウエハボートに積載された多数枚のウエハを収容し、処理容器内の下方に配置されたガス供給管から上方へ向けて原料ガスを供給することで、ウエハ表面に膜を形成する熱処理装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００８－１６７４２号公報 特開２００２－２８９６１５号公報
処理容器内の下方に配置されたガス供給管から上方へ向けて原料ガスを供給する場合、ガス供給管の内部で原料ガスを十分に加熱して活性化することが困難である。
本開示は、ガス供給管の内部での原料ガスの活性化を促進することができる技術を提供する。
本開示の一態様による熱処理装置は、基板保持具に棚状に保持された複数の基板を収容する処理容器と、前記処理容器の下方位置から前記処理容器内に原料ガスを供給するガス供給管と、前記処理容器内の前記原料ガスを排気する排気部と、前記処理容器を覆うように配置され、前記複数の基板を加熱する加熱部と、を備え、前記ガス供給管は、前記処理容器の内壁面の長手方向に沿って上方に延びる第１直管部と、前記第１直管部の上方に延びた先端側が下方に向けて屈曲する屈曲部と、前記屈曲部から下方に延びる第２直管部と、前記第２直管部に形成された複数のガス吐出孔と、を有し、前記第１直管部は、前記第２直管部よりも断面積が大きい。
本開示によれば、ガス供給管の内部での原料ガスの活性化を促進することができる。
熱処理装置の構成例を示す概略断面図 ガス供給管の構成例を示す概略図 ウエハ位置と膜厚との関係を示す図 ウエハ位置と膜厚の面内均一性との関係を示す図 ウエハの面内での膜厚分布を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
［熱処理装置］
本開示の実施形態に係る熱処理装置の構成例について説明する。図１は、熱処理装置の構成例を示す概略断面図である。図１に示される熱処理装置は、一度に多数枚の半導体ウエハに対して各種の熱処理を行うバッチ式の縦型熱処理装置である。
熱処理装置１は、処理容器２０と、ガス供給部４０と、排気部６０と、加熱部８０と、制御部１００とを有する。
処理容器２０は、ウエハボートＷＢを収容する。ウエハボートＷＢは、多数枚（例えば１５０枚）の半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を水平姿勢で高さ方向に所定間隔を有して多段に保持する。言い換えると、ウエハボートＷＢは、複数のウエハＷを棚状に保持する。処理容器２０は、内管２１と、外管２２とを有する。内管２１及び外管２２は、同軸状に配置されて二重管構造となっている。但し、処理容器２０は、一重管構造であってもよい。内管２１及び外管２２は、例えば石英、炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱材料により形成されている。
内管２１は、例えば下方が上方よりも径が拡大された略円筒形状に形成されている。但し、内管２１は、例えば下端から上端まで同一の径を有する略円筒形状に形成されていてもよい。内管２１は、第１円筒部２１ａと、第２円筒部２１ｂと、接続部２１ｃとを有する。
第１円筒部２１ａは、内管２１における上側に位置する部位である。第１円筒部２１ａは、その内壁面とウエハボートＷＢとが接触しない程度の小さい隙間を形成する内径を有する。これにより、各ウエハＷの外周部と内管２１の内壁面との間の距離が短くなるため、内管２１の下方位置から供給される原料ガスが各ウエハＷの表面に十分に供給されてウエハＷに形成される膜の面内均一性が向上する。第１円筒部２１ａの内壁面とウエハボートＷＢとの隙間は、例えばガス供給管４１が配置できない程度の隙間であってよい。第１円筒部２１ａの上端は、例えば内管２１内に収容されるウエハボートＷＢの上端と同じ高さ又はウエハボートＷＢの上端よりも高い高さであってよい。第１円筒部２１ａの下端は、例えば内管２１内に収容されるウエハボートＷＢの下端と同じ高さ又はウエハボートＷＢの下端よりも低い高さであってよい。第１円筒部２１ａの上端及び下端が上記構成を有することにより、ウエハボートＷＢに保持される全てのウエハＷの外周部と内管２１の内壁面との間の距離が短くなる。そのため、内管２１の下方位置から供給される原料ガスが全てのウエハＷの表面に十分に供給されて、面間均一性が向上する。
第２円筒部２１ｂは、内管２１における下側に位置する部位である。第２円筒部２１ｂは、第１円筒部２１ａの下方に接続部２１ｃを介して設けられている。第２円筒部２１ｂは、第１円筒部２１ａの内径よりも大きい内径を有する。
接続部２１ｃは、第１円筒部２１ａと第２円筒部２１ｂとを接続する部位である。接続部２１ｃは、上方から下方に向かって内径が大きくなるように形成されている。
外管２２は、下端部が開放されて内管２１の外側を覆う有天井の略円筒形状に形成されている。即ち、外管２２の上部は閉塞している。
外管２２の下部の内壁には、ガス出口２３形成されている。外管２２の下端の開口部２２Ａには、蓋体２４がＯリング等のシール部材２５を介して気密に取り付けられており、処理容器２０の下端の開口部２２Ａを気密に塞ぎ密閉するようになっている。蓋体２４は、開口部２２Ａを開閉可能に構成されている。蓋体２４は、例えばステンレス鋼により形成されている。蓋体２４の中央部分には、磁性流体シール部（図示せず）を介して回転軸２６が貫通させて設けられている。回転軸２６の下部は、ボートエレベータよりなる昇降手段２７のアーム２７Ａに回転自在に支持されている。回転軸２６の上端には回転プレート２８が設けられている。回転プレート２８上には、例えば石英により形成された保温筒２９を介してウエハボートＷＢが載置される。これにより、昇降手段２７を昇降させることによって蓋体２４とウエハボートＷＢとは一体として上下動し、ウエハボートＷＢを処理容器２０内に対して挿脱できるようになっている。
ガス供給部４０は、処理容器２０の下部に設けられており、内管２１内へ原料ガスを供給する。図１の例では、ガス供給部４０は、１つのガス供給管４１を有する。但し、ガス供給部４０は、複数のガス供給管を有していてもよい。ガス供給管４１には、原料ガスを導入するための配管４２が接続される。配管４２には、ガス流量を調整するためのマスフローコントローラやバルブ等（いずれも図示せず）が介設される。原料ガスは、成膜する膜の種類等に応じて適宜選択することができる。例えばシリコン膜を成膜する場合、モノシランガス（ＳｉＨ４ガス）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等のシリコン含有ガスであってよい。また、ガス供給管４１には、クリーニングガス、パージガス等の別のガスを導入するための配管が接続されていてもよい。
ガス供給管４１は、例えば石英管により形成されており、例えばウエハＷが配置される領域よりも低い位置に設けられている。図１の例では、ガス供給管４１は、第２円筒部２１ｂ内に設けられている。言い換えると、ガス供給管４１の上端は、第２円筒部２１ｂの上端と略同一の高さ又は下方に位置する。ガス供給管４１の基端側は、例えば外管２２を貫通して配管４２に接続され、その先端側は閉塞している。ガス供給管４１は、外管２２及び内管２１を貫通して内管２１の内部に延び出して内管２１の内壁面に沿って上方に垂直に立ち上がるようにＬ字状に屈曲して設けられる。また、ガス供給管４１は、上方に立ち上がった先端が下方に向けてＵ字状に屈曲し、垂直に延びるように形成されている。なお、図１の例では、ガス供給管４１は、内管２１の周方向に沿って屈曲するように形成されている。但し、ガス供給管４１は、内管２１の内側又は外側に向かって屈曲するように形成されていてもよい。以下、図２を参照して、ガス供給管４１の構成例について具体的に説明する。
図２は、ガス供給管４１の構成例を示す概略図である。図２（ａ）はガス供給管４１を処理容器２０の中心の側から見たときの側面図であり、図２（ｂ）はガス供給管４１を処理容器２０の周方向の側から見たときの側面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のガス供給管４１をＡ－Ａ線で切断した断面図である。
図２（ａ）～（ｃ）に示されるように、ガス供給管４１は、導入部４１ａと、第１直管部４１ｂと、屈曲部４１ｃと、第２直管部４１ｄとを有する。
導入部４１ａは、水平方向に延びる部位であり、一端が内管２１及び外管２２を貫通して配管４２と接続され、他端がＬ字状に上方に屈曲して第１直管部４１ｂと連通する。導入部４１ａは、例えば断面が円形状の石英管により形成されている。
第１直管部４１ｂは、内管２１の内壁面の長手方向に沿って上方に延び、下端が導入部４１ａの他端と連通し、上端が屈曲部４１ｃの一端と連通する。第１直管部４１ｂは、その長手方向に垂直な断面において、第２直管部４１ｄよりも断面積が大きくなるように形成されている。図２の例では、第１直管部４１ｂはその長手方向に垂直な断面形状が楕円形状であり、第２直管部４１ｄはその長手方向に垂直な断面形状が円形状であり、楕円の面積が円の面積よりも大きくなっている。但し、第１直管部４１ｂは、その長手方向に垂直な断面形状が、例えば円形状、矩形状等であってもよい。第１直管部４１ｂは、例えば石英管により形成されている。
屈曲部４１ｃは、上方から下方に向けて略Ｕ字状に屈曲し、一端が第１直管部４１ｂの上端と連通し、他端が第２直管部４１ｄの上端と連通する。屈曲部４１ｃは、例えば断面が円形状の石英管により形成されている。
第２直管部４１ｄは、内管２１の内壁面の長手方向に沿って下方に延び、上端が屈曲部４１ｃの他端と連通し、下端が閉塞している。第２直管部４１ｄは、その長手方向に垂直な断面形状が円形状である。但し、第２直管部４１ｄは、その長手方向に垂直な断面形状が、例えば楕円形状、矩形状等であってもよい。第２直管部４１ｄには、ガス吐出孔４１ｅが形成されている。図２の例では、第２直管部４１ｄの長手方向に沿って１０個のガス吐出孔４１ｅが形成されている。但し、ガス吐出孔４１ｅの数は図２の例に限定されるものではない。また、第２直管部４１ｄの閉塞した下端にガス吐出孔４１ｅとは別のガス吐出孔（図示せず）が形成されていてもよい。
ガス吐出孔４１ｅは、例えば円形状であり、第２直管部４１ｄの長手方向に沿って例えば等間隔に形成されている。ガス吐出孔４１ｅの孔径は、例えば０．１～１．０ｍｍであってよい。ガス吐出孔４１ｅは、水平方向にガスを吐出する。図１及び図２の例では、ガス吐出孔４１ｅは、処理容器２０の中心部の側に形成され、処理容器２０の中心方向にガスを吐出する。但し、ガス吐出孔４１ｅは、例えば処理容器２０の中心方向に対して所定の角度だけずらした位置に形成されていてもよく、内管２１の内壁面の側に形成されてもよい。また、図１の例では、複数のガス吐出孔４１ｅのうち最も高い位置のガス吐出孔４１ｅは、ウエハボートＷＢの最下面よりも下方に形成されている。
排気部６０は、処理容器２０内のガスを排気する。排気部６０は、ガス出口２３に接続された排気通路６１を有する。排気通路６１には、圧力調整弁６２及び真空ポンプ６３が順に介設されて、処理容器２０内を真空引きできるようになっている。排気部６０は、例えば内管２１と外管２２との間の空間部Ｓを介して内管２１内のガスを排気する。
加熱部８０は、処理容器２０内に収容されるウエハＷを加熱する。加熱部８０は、例えば外管２２の周囲に、外管２２を覆うように略円筒形状に形成されている。加熱部８０は、例えば上下方向に複数に分割されて各々が独立して制御される複数のヒータにより形成されていてもよく、分割されていない１つのヒータにより形成されていてもよい。
制御部１００は、装置全体の動作を制御する。制御部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有する。ＣＰＵは、ＲＡＭ等の記憶領域に格納されたレシピに従って、所望の熱処理を実行する。レシピには、プロセス条件に対する装置の制御情報が設定されている。制御情報は、例えばガス流量、圧力、温度、プロセス時間であってよい。なお、レシピ及び制御部１００が使用するプログラムは、例えばハードディスク、半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピ等は、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。なお、制御部１００は、熱処理装置１とは別に設けられていてもよい。
係る構成を有する熱処理装置１によりウエハＷに所定の熱処理を行う方法（熱処理方法）の一例に対説明する。
まず、昇降手段２７により多数枚のウエハＷを保持したウエハボートＷＢと処理容器２０の内部に搬入し、蓋体２４により処理容器２０の下端の開口部２２Ａを気密に塞ぎ密閉する。続いて、排気部６０により処理容器２０の内部の圧力が所定の真空度になるように真空引きを行い、ガス供給管４１から原料ガスを供給する。また、加熱部８０により処理容器２０内のウエハＷを加熱し、ウエハボートＷＢを回転させながら熱処理を行う。これにより、ウエハＷに膜が形成される。
以上に説明した熱処理装置１によれば、処理容器２０の下方位置から処理容器２０内に原料ガスを供給するガス供給管４１が、処理容器２０の内壁面の長手方向に沿って上方に延びる第１直管部４１ｂと、第１直管部４１ｂの上方に延びた先端側が下方に向けて屈曲する屈曲部４１ｃと、屈曲部４１ｃから下方に延びる第２直管部４１ｄと、を有する。これにより、屈曲部４１ｃを有しないガス供給管と比較してガス供給管４１の長さが長くなり、原料ガスがガス供給管４１内に滞在する時間が長くなる。その結果、ガス供給管４１内で原料ガスが加熱される時間が長くなるので、従来よりもガス供給管４１の内部での原料ガスの活性化を促進することができる。
また、第１直管部４１ｂは第２直管部４１ｄよりも断面積が大きい。これにより、第１直管部４１ｂにおける原料ガスの流れが遅くなり、原料ガスがガス供給管４１内に滞在する時間が長くなる。そのため、ガス供給管４１内で原料ガスが加熱される時間が長くなる。その結果、ガス供給管４１の内部での原料ガスの活性化を特に促進することができる。
また、第１直管部４１ｂは、その長手方向に垂直な断面形状が楕円形状に形成されている。これにより、原料ガスと第１直管部４１ｂの内管壁との間の接触面積が大きくなるため、第１直管部４１ｂにおいて原料ガスの加熱が促進される。その結果、ガス供給管４１の内部での原料ガスの活性化を特に促進することができる。
［実施例］
本開示の実施形態に係る熱処理装置１により奏される効果を確認するための実施例について説明する。
まず、図１を参照して説明した熱処理装置１を用いてウエハＷにシリコン膜を形成した（実施例１）。また、比較のために、図１のガス供給管４１に代えて、処理容器２０の下方位置において処理容器２０を貫通し屈曲部を有しない直管形状のガス供給管を有する熱処理装置を用いてウエハＷにシリコン膜を形成した（比較例１）。続いて、実施例１及び比較例１においてウエハＷに形成したシリコン膜の膜厚を測定した。
図３は、ウエハ位置と膜厚との関係を示す図である。図３中、ウエハ位置を横軸に示し、シリコン膜の膜厚（ｎｍ）を縦軸に示す。ウエハ位置は、ウエハボートＷＢに棚状に保持される多数枚のウエハＷの位置を示し、上段側の位置ほど若い番号で示す。また、図３中、実施例１の結果を丸印で示し、比較例１の結果を三角印で示す。
図３に示されるように、実施例１のガス供給管４１を用いた場合、ウエハボートＷＢの下部領域（例えばスロット１２０～１３３）に保持されたウエハＷに形成されたシリコン膜の膜厚は８０．８５～８０．９２ｎｍであった。即ち、ウエハボートＷＢの下部領域に保持されたウエハＷの膜厚の上限値と下限値との差Ｔ１は０．１ｎｍ以下であった。これに対し、比較例１のガス供給管を用いた場合、ウエハボートＷＢの下部領域（スロット１２０～１３３）に保持されたウエハＷに形成されたシリコン膜の膜厚は７９．８５～７９．９８ｎｍであった。即ち、ウエハボートＷＢの下部領域に保持されたウエハＷの膜厚の上限値と下限値との差Ｔ２は０．１ｎｍ以上であった。
以上に説明した図３の結果によれば、実施例１のガス供給管４１を用いることで、比較例１のガス供給管を用いるよりもウエハボートＷＢの下部領域における膜厚の面間均一性を向上させることができると言える。
図４は、ウエハ位置と膜厚の面内均一性との関係を示す図である。図４中、ウエハ位置を横軸に示し、シリコン膜の膜厚の面内均一性（±％）を縦軸に示す。ウエハ位置は、ウエハボートＷＢに保持される多数枚のウエハＷの位置を示し、上段側の位置ほど若い番号で示す。また、図４中、実施例１の結果を丸印で示し、比較例１の結果を三角印で示す。
図４に示されるように、実施例１のガス供給管４１を用いた場合、ウエハボートＷＢの下部領域（例えばスロット１３３）に保持されたウエハＷに形成されたシリコン膜の膜厚の面内均一性は±０．３８％であった。これに対し、比較例１のガス供給管を用いた場合、ウエハボートＷＢの下部領域（例えばスロット１３３）に保持されたウエハＷに形成されたシリコン膜の膜厚の面内均一性は±０．５６％であった。
以上に説明した図４の結果によれば、実施例１のガス供給管４１を用いることで、比較例１のガス供給管を用いるよりもウエハボートＷＢの下部領域に保持されたウエハＷに形成されるシリコン膜の膜厚の面内均一性を向上させることができると言える。
図５は、ウエハの面内での膜厚分布を示す図である。図５中、ウエハ位置（ｍｍ）を横軸に示し、下部領域（スロット１２８）に保持されたウエハＷに形成されたシリコン膜の膜厚（ｎｍ）を縦軸に示す。ウエハ位置は、ウエハＷの中心位置を０ｍｍとしたときのウエハＷの中心位置から距離（ｍｍ）を示す。また、図５中、実施例１の結果を丸印で示し、比較例１の結果を三角印で示す。
図５に示されるように、実施例１のガス供給管４１を用いた場合、比較例１のガス供給管を用いた場合と比較して、ウエハＷの周辺部の膜厚が厚くなり、ウエハＷの中心部と周辺部との間の膜厚の差が小さくなっていることが分かる。
以上に説明した図５の結果によれば、実施例１のガス供給管４１を用いることで、比較例１のガス供給管を用いるよりもウエハボートＷＢの下部領域に保持されたウエハＷに形成されるシリコン膜の膜厚の面内均一性を向上させることができると言える。
なお、上記の実施形態において、ウエハボートＷＢは基板保持具の一例であり、ウエハＷは基板の一例であり、第２円筒部２１ｂは径拡大部の一例である。
今回開示された実施形態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。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
上記の実施形態では、基板が半導体ウエハである場合を説明したが、半導体ウエハはシリコンウエハであってもよく、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の化合物半導体ウエハであってもよい。さらに、基板としては、半導体ウエハに代えて、液晶表示装置等のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）に用いるガラス基板、セラミック基板等を用いることができる。
１ 熱処理装置
２０ 処理容器
２１ 内管
２１ｂ 第２円筒部
２２ 外管
４０ ガス供給部
４１ ガス供給管
４１ｂ 第１直管部
４１ｃ 屈曲部
４１ｄ 第２直管部
４１ｅ ガス吐出孔
６０ 排気部
８０ 加熱部
Ｗ ウエハ
ＷＢ ウエハボート

Claims (6)

  1. 基板保持具に棚状に保持された複数の基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器の下方位置から前記処理容器内に原料ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内の前記原料ガスを排気する排気部と、
    前記処理容器を覆うように配置され、前記複数の基板を加熱する加熱部と、
    を備え、
    前記ガス供給部は、
    前記処理容器の内壁面の長手方向に沿って上方に延びる第１直管部と、
    前記第１直管部の上方に延びた先端側が下方に向けて屈曲する屈曲部と、
    前記屈曲部から下方に延びる第２直管部と、
    前記第２直管部に形成された複数のガス吐出孔と、
    を含むガス供給管を有し、
    前記第１直管部は、前記第２直管部よりも断面積が大きい、
    熱処理装置。
  2. 前記ガス供給管は、前記基板が配置される領域よりも低い位置に設けられている、
    請求項１に記載の熱処理装置。
  3. 前記複数のガス吐出孔のうち最も高い位置のガス吐出孔は、前記基板保持具の最下面よりも下方に形成されている、
    請求項１又は２に記載の熱処理装置。
  4. 前記処理容器は、同軸状に配置されて二重管構造を形成する内管及び外管を有し、
    前記内管は、下方位置において径を拡大した径拡大部を有し、
    前記ガス供給管は、前記径拡大部と対応する高さに設けられている、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  5. 前記第１直管部は、その長手方向に垂直な断面形状が楕円形状に形成されている、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  6. 処理容器内に基板保持具に棚状に保持された複数の基板を収容する工程と、
    ガス供給部により前記処理容器の下方位置から前記処理容器内に原料ガスを供給する工程と、
    前記処理容器内の前記原料ガスを排気する工程と、
    前記複数の基板を加熱する工程と、
    を有し、
    前記ガス供給部は、
    前記処理容器の内壁面の長手方向に沿って上方に延びる第１直管部と、
    前記第１直管部の上方に延びた先端側が下方に向けて屈曲する屈曲部と、
    前記屈曲部から下方に延びる第２直管部と、
    前記第２直管部に形成された複数のガス吐出孔と、
    を含むガス供給管を有し、
    前記第１直管部は、前記第２直管部よりも断面積が大きい、
    熱処理方法。
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