KR101122833B1 - 반도체 처리용의 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 처리용의 열처리 장치는, 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관을 구비한다. 상기 반응관의 벽의 외측에 일체로, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 연장하는 가스 공급 덕트가 부설된다. 상기 반응관의 상기 벽의 측부에, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 배열되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 복수의 가스 토출 구멍이 형성된다. 상기 가스 공급 덕트의 바닥부에, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 복수의 가스 토출 구멍을 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계가 접속된다.
피처리 기판, 처리 영역, 측부, 가스 공급 덕트, 가스 토출 구멍

Description

반도체 처리용의 열처리 장치{HEAT PROCESSING APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESS}
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에 막을 형성하기 위한 반도체 처리용의 열처리 장치에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리란, 반도체 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용의 글래스 기판등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 제조 장치 중에는, 종형로나 횡형로 등의 배치식 열처리 장치가 있다. 그 중의 종형 열처리 장치(종형로)는, 여러장의 피처리 기판을 보유한 웨이퍼 보트를 종형의 반응관에 반입하여, 열처리를 행하는 장치이다. 이러한 종류의 열처리 장치에 의해 행해지는 열처리의 일례로서는, 감압 하에서의 CVD 프로세스에 의한 성막 처리를 들 수 있다.
감압 CVD를 행할 경우, 종래부터, 반응관의 하부로부터 성막 가스를 공급하 고, 반응관의 상부로부터 배기하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 이러한 방법으로는, 반응관 내의 상부의 가스 농도가 낮아지기 때문에, 연직 방향에 있어서의 피처리 기판간에서의 막 두께의 변동이 커진다. 따라서, 피처리 기판간에서의 막 두께(반응관 내의 연직 방향에 있어서의 성막 가스의 분해량)의 균일성을 높이기 위해서, 반응관 내의 처리 영역을 상하로 복수의 존으로 분할하는 동시에, 각 존에 대응하여 히터에 대해서도 분할한다. 이에 의해, 반응관 내에 온도 구배를 갖게 하도록, 독립하여 존 제어를 행한다.
그러나, 최근의 프로세스 중에는, 피처리 기판간의 온도 구배를 없애거나, 혹은 가능한 한 작게 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 그러한 프로세스로서, 예를 들어 반도체 디바이스가 있는 부분에 배치되는 실리콘 질화막(SiN막)을 성막하는 프로세스를 들 수 있다.
SiN막의 성막을 행하는 CVD 프로세스에서는, 예를 들어 SiH2Cl2(디클로로실란) 가스와 NH3(암모니아) 가스를 반응관 내에 공급한다. 이 경우, 반응관 내의 처리 가스의 농도 분포의 변동을 작게 하기 위해, 예를 들어 특허 문헌1에 기재되는 바와 같이, 반응관 내의 가스 노즐에 다수의 구멍을 형성하고, 각각의 구멍으로부터 처리 가스를 공급하는 기술이 알려져 있다(참조, 일본 특개 제2004-260204호((0014), 도2)). 그러나 이러한 경우, 가스 노즐의 구멍으로부터 공급되는 처리 가스의 연직 방향에 있어서의 압력(유량) 구배를 작게 하기 위해, 가스 노즐 내부의 가스 압력을 높힐 필요가 있다. 또한, 이 경우, 구멍의 개구경이 예를 들어 1㎜ 이하로 매우 작아지기 때문에, 피처리 기판의 열처리 중에 처리 가스의 반응에 의한 생성물이 구멍의 개구 가장자리에 퇴적되어 구멍 직경이 변화되기 쉽다. 구멍 사이에서의 가스 유량의 균일성이 무너지면, 피처리 기판간에 있어서 균일성이 높은 성막 처리를 행하는 것이 곤란해진다. 또한 구멍에 퇴적된 생성물이 처리 가스의 압력에 의해 가스 노즐로부터 탈락되어, 파티클 오염의 원인으로 되고, 이 때문에 빈번하게 크리닝을 행해야한다.
한편, 예를 들어 가스 노즐의 구멍의 개구경을 크게 함으로써, 가스 유속이 느려져, 가스 유속의 변동이 작아질 가능성이 있다. 그러나, 그를 위해서는 가스 노즐의 관의 직경을 굵게 하고, 가스 노즐 내의 연직 방향의 압력 구배를 작게(압력을 낮게) 할 필요가 있다． 그 결과 반응관과 피처리 기판 사이의 간극이 넓어져, 막 두께의 면내 균일성이 나빠진다.
일본 특개 제2003-203871호((0010), 도12)에는, 이 문제를 해결하기 위해, 가스 노즐이 설치되는 반응관의 벽면을 부분적으로 외측으로 부풀리게 하여, 반응관의 내벽과 피처리 기판 사이의 간극을 작게 하는 기술이 기재된다. 그러나, 반응관의 벽면과 피처리 기판의 외주와의 거리가 일정하지 않기 때문에, 막 두께의 면내 균일성이 악화된다. 또한, 반응관의 내압성이 저하되기 때문에, 반응관을 이중으로 할 필요가 있다． 이 경우, 반응관 내의 크리닝 시간이 길어지는 동시에 장치가 대형화된다.
반응관 내에 복수개의 높이가 서로 다른 가스 공급관을 배치하여, 처리 가스의 농도의 변동을 작게 하는 기술도 알려져 있다. 그러나, 예를 들어, 5개 이상의 가스 공급관이 필요하기 때문에, 처리 가스의 공급 설비가 대규모로 된다.
일본 특개 제2000-299287호((0023), 도15)에는, 반응관의 외측에 통로 형성 부재를 설치하고, 이 통로 형성 부재를 통해서 반응관 내에 가스를 공급하도록 구성된 열처리 장치가 기재된다. 그러나, 적은 가스 유량(일반적인 열처리에 이용되는 정도의 양)에서는 각 슬릿 내에 있어서의 가스의 유량 구배가 생겨버린다. 또한, 반응관과 피처리 기판 사이의 간극이 일정하지 않기 때문에, 막 두께의 면내 균일성이 악화된다.
일본 특개 평8-186081호((0044), 도11)에는, 가스 공급 영역에 대향하는 부위에 배기구를 설치하고, 횡방향의 가스 흐름을 형성하는 열처리 장치가 기재된다. 그러나, 배기구로서 반응관의 측벽을 외측으로 부풀리게 하기 때문에, 역시, 막 두께의 면내 균일성이 악화된다.
본 발명의 목적은, 반응관의 내벽과 피처리 기판 사이의 간극을 작게 하고, 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 반도체 처리용의 열처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 설치 작업 및 메인터넌스가 용이한 반도체 처리용의 열처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 시점은, 반도체 처리용의 열처리 장치이며, 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관과, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와, 상기 반응관의 벽의 외측에 일체로 부설된 상하 방향으로 연장하는 가스 공급 덕트와, 상기 반응관의 상기 벽에 형성되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 가스 방출 개구와, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부에 접속되고, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 가스 방출 개구를 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고, 상기 반응관은 바닥부에 상기 지지 부재를 반출입하는 반송 포트를 가짐과 동시에, 상기 반송 포트를 포위하는 상기 반응관과 일체로 형성된 플랜지를 갖고, 상기 플랜지는, 상기 반송 포트를 개폐하는 덮개와 결합하도록 배치되며, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부는, 상기 플랜지의 상면에 의해 규정되어, 상기 플랜지 내에 상기 가스 공급계로부터의 상기 처리 가스를 상기 가스 공급 덕트에 도입하는 가스 유로가 형성된다.
본 발명의 제2 시점은, 반도체 처리용의 열처리 장치이며, 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관과, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와, 상기 반응관의 벽의 외측에 일체로 부설되고, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 연장하는 가스 공급 덕트와, 상기 반응관의 상기 벽의 측부에 형성되고, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 배열되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 복수의 가스 토출 구멍과, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부에 접속되고, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 복수의 가스 토출 구멍을 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비한다.
본 발명의 제3 시점은, 반도체 처리용의 열처리 장치이며, 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관과, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와, 상기 반응관의 벽의 외측에 일체로 부설되며, 상기 반응관의 바닥부부터 꼭대기부까지 연장하는 가스 공급 덕트와, 상기 반응관의 상기 벽의 꼭대기부에 형성되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 가스 토출 구멍과, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부에 접속되고, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 가스 토출 구멍을 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비한다.
본 발명의 추가의 목적 및 장점은 다음의 기재에서 설명되며, 일부는 그 기재부터 명백해지거나 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 여기에서 특별히 지적한 수단 및 이들의 조합에 의해 실현되고 얻어진다.
본 발명의 반도체 처리용의 열처리 장치에 따르면, 반응관의 내벽과 피처리 기판 사이의 간극을 작게 하여, 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
이하에, 본 발명 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한，이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 붙이고, 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
<제1 실시 형태>
도1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도이다. 이 열처리 장치(1)는, 내열성?절연성 재료, 예를 들어 석영으로 이루어지고, 원통 형상이고 단면 형상이 동그라미 형상인 반응관(3)을 갖는다. 반응관(3)은, 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 반도체 웨이퍼(W)를 수납하는 처리 영역(3A)을 내부에 갖는다. 반응관(3)은, 기단측(하단측)에 반송 포트로서 기능하는 개구부(41)를 갖고, 개구부(41)의 주연부에는 반응관(3)과 일체적인 플랜지(42)가 형성된다. 플랜지(42)와 포트 엘리베이터(도시하지 않음)에 의해 승강되는 덮개(43)의 결합에 의해, 개구부(41)가 밀폐 가능하게 된다.
반응관(3)은, 예를 들어 단열재로 이루어지는 통 모양 커버(21)에 의해 포위되고, 통 모양 커버(21)의 내벽면을 따라 주위 방향으로 복수의 히터(22)가 배치된다. 히터(22)는 상하로 복수의 부분으로 이 예에서는 편의상 3개로 나뉘고, 각각의 히터(22)를 독립하여 온도 제어함으로써 반응관(3) 내의 처리 영역(3A)을 복수의 존으로 나누어 온도 제어할 수 있다. 히터(22)로서는, 예를 들어 고순도 카본 파이버의 다발을 복수 짜넣음으로써 형성된 카본 파이버 히터를 세라믹스 내에 밀봉한 것을 이용할 수 있다. 또한, 히터(22)는 이것에 한정되는 것은 아니며, 예 를 들어 철-크롬-니켈 합금 등의 금속체를 사용해도 된다.
덮개(43) 상에는, 복수매 예를 들어 100매의 웨이퍼(W)를 선반 모양으로 유지하는 보유 지지구인 웨이퍼 보트(45)가 배치된다. 덮개(43)의 승강에 의해 웨이퍼 보트(45)가 반응관(3)에 대하여 반출입된다. 웨이퍼 보트(45)의 하부에는 단열 유닛(46) 및 덮개(43)을 관통해서 회전축(44)이 배치된다. 회전축(44)은 포트 엘리베이터(도시하지 않음)에 부착된 구동부인 모터(M)에 의해 회전된다. 따라서, 웨이퍼 보트(45)는 모터(M)의 회전에 의하여 회전축(44)과 함께 회전한다.
반응관(3)의 기단측인 개구부(41)측의 측면에는, 반응관(3) 내를 배기하기 위한 배기구(5)가 형성된다. 배기구(5)에는, 예를 들어 버터플라이 밸브로 이루어지는 압력 조정부(52)를 구비한 배기관(53)을 통하여, 반응관(3) 내를 감압 가능한, 예를 들어 진공 펌프 등의 배기 수단(51)이 접속된다. 또한, 이 예에서는 배기구(5)는, 반응관(3)의 기단측에 형성되지만, 선단측(상단측)에 형성되어 있어도 되고, 그 어느 쪽이어도(일단측) 된다.
반응관(3)의 외벽에는, 반응관(3) 내에 가스를 공급하기 위한 가스 공급로인 가스 공급 덕트(60)가, 동일한 내열성?절연성 재료, 예를 들어 석영으로부터 일체로 배치된다. 가스 공급 덕트(60)는, 편평한 세로로 긴 상자 형체의 몸체를 이루고, 처리 영역(3A)을 커버하는 범위에서 반응관(3)의 측벽 외면을 따라 길이 방향으로 연장한다. 도2 및 도3은, 열처리 장치(1)에 있어서의 반응관(3) 및 가스 공급 덕트(60)를 도시하는 부분 파단 사시도 및 횡단 평면도이다. 가스 공급 덕트(60)는, 도2에 도시한 바와 같이 대략 직방체의 형상의 세로로 긴 부분(62)과, 세로로 긴 부분(62)의 하단부터 범위가 넓어지도록 형성된 확대 부분(매니홀드 부분)(63)으로 이루어진다. 가스 공급 덕트(60)의 일면은 개구하고, 그 개구 가장자리와 반응관(3)의 외면이 용착, 즉 용접된다. 따라서, 가스 공급 덕트(60)의 내측에 대응하는 반응관(3)의 벽의 부분은, 가스 공급 덕트(60)의 벽을 겸용한다. 또한, 가스 공급 덕트(60)의 바닥부는, 반응관(3)의 바닥부의 플랜지(42)에 의해 규정된다.
가스 공급 덕트(60)의 세로로 긴 부분(62)에 대응하여, 반응관(3)의 측벽에는, 가스 공급 덕트(60)와 처리 영역(3A)을 연통시키는 복수의 가스 토출 구멍(61)이 상하 방향으로 배열되도록 형성된다. 가스 토출 구멍(61)은, 예를 들어 직경 10㎜이며, 처리 영역(3A)을 커버하는 범위에서 거의 일정한 간격으로 복수 부위, 예를 들어 10 부위에 형성된다. 환언하면, 가스 토출 구멍(61)은, 반응관(3) 내의 웨이퍼(W)가 보유되는 처리 영역(3A) 전체에 가스의 유량의 변동을 억제하여 공급할 수 있게 형성된다. 또한, 이 예에서는 가스 토출 구멍(61)을 세로로 1열 배치했지만, 복수열 예를 들어 2열 배치하도록 하여도 된다.
도4는, 가스 공급 덕트(60)의 바닥부와 반응관(3)의 플랜지(42)와의 관계를 도시하는 종단 측면도이다. 도4에 도시한 바와 같이 플랜지(42) 내에는, 주위 방향으로 예를 들어 7개의 가스 유로(73)가 형성되고, 각 가스 유로(73)의 선단측이 플랜지(42)가 붙어 있는 부위에서 확대 부분(63) 내에 가스 도입구(64)를 통해서 접속된다.
가스 유로(73)의 기단측에는, 가스 도입구(64)에 연통하도록 7개의 가스 공 급관(65)이 각각 접속된다. 보다 상세하게는, 예를 들어 가스 유로(73) 내에 외부로부터 가스 공급관(65)의 선단부가 삽입되어, 가스 공급관(65)과 플랜지(42)의 외측 단부면에 설치된 포트가 기밀하게 시일된다. 이 명세서에서는 플랜지(42) 내의 가스 통류 부위를 가스 유로(73)로 칭한다. 이 구성에서는, 플랜지(42) 내의 가스 공급관(65)은, 가스 유로(73)의 일부를 이룬다.
7개의 가스 공급관(65)은, 각각 서로 상이한 가스 공급원에 접속되고, 복수 종류의 성막 처리나, 크리닝 처리를 행할 수 있다． 예를 들어, 1개는 밸브(70A)와 유량 조정부(71A)를 통해서 SiH2Cl2(디클로로실란) 가스원(72A)에 접속되고, 다른 1개는 밸브(70B)와 유량 조정부(71B)를 통해 NH3(암모니아) 가스원(72B)에 접속되고, 또 다른 1개는, 예를 들어 크리닝 가스원(도시하지 않음)에 접속된다. SiH2Cl2(디클로로실란) 가스원(72A)과 NH3 가스원(72B)은, 가스원(72)을 구성한다.
다음에 전술한 열처리 장치(1)를 이용한 열처리 방법의 일례에 대해서, 실리콘 웨이퍼(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)의 표면에 CVD법에 의해 SiN막을 성막하는할 경우에 대해서 설명한다.
우선, 웨이퍼(W)를 예를 들어 100매 웨이퍼 보트(45)에 보유하고, 보트 엘리베이터(도시하지 않음)를 이용해서 반응관(3) 내에 반입한다. 그 후 덮개(43)를 상승시켜 반응관(3)을 밀폐하고, 배기 수단(51)에 의해 반응관(3) 내를 예를 들어 27Pa(0.2Torr)로 감압하는 동시에, 히터(22)에 의해, 반응관(3) 내를 미리 설정한 프로세스 온도, 예를 들어 650℃로 승온한다. 다음에 밸브(70A, 70B)를 개방하고, 가스원(72A, 72B)으로부터 각각 처리 가스인 SiH2Cl2 가스 및 NH3 가스를 공급한다. 이에 의해, 이들 처리 가스를, 가스 공급관(65) 및 플랜지(42) 내의 가스 유로(73)를 통하여, 플랜지(42)의 상면의 가스 도입구(64)로부터 가스 공급 덕트(60)의 확대 부분(63)에 도입한다.
이들 처리 가스는, 확대 부분(63)을 통해 세로로 긴 부분(62) 내를 가열하면서 상승한다. 그 동안, 이들 처리 가스는, 가스 토출 구멍(61)으로부터 반응관(3)내로 유입하고, 이미 상술한 바와 같이 모터(M)에 의해 회전하는 웨이퍼 보트(45)상의 각 웨이퍼(W)에 공급된다. 그리고 웨이퍼(W)의 표면에 있어서 상기 처리 가스가 반응하고, SiN막이 성막된다. 그리고, 미반응의 처리 가스나, 부생성물을 포함하는 가스는, 반응관(3)의 하부의 배기구(5)로부터 배기 수단(51)에 의해 배기 된다. 전술한 처리 가스는, 예를 들어 N2 가스에 의해 희석되지만, 편의상 관련되는 설명은 생략한다.
전술한 실시 형태에 의하면, 반응관(3)의 외측에 가스 공급 덕트(60)가 배치된다. 이 때문에, 반응관(3)과 웨이퍼(W) 사이의 간극을 작게 할 수 있으며, 웨이퍼(W)에 대하여 면내 균일성이 높은 열처리를 행할 수 있다． 또한, 가스 공급 덕트(60)가 반응관(3)의 외부에 배치되는 점에서, 반응관(3)과 웨이퍼(W) 사이의 간극을 넓히지 않고 가스 공급 덕트(60)의 용적을 크게 할 수 있다． 이 때문에, 가스 공급 덕트(60) 내의 처리 가스의 압력이 저하되어, 상하 방향의 압력 구배가 작아진다. 이 결과, 각 가스 토출 구멍(61)으로부터 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스의 유량의 변동을 크게 하지 않고, 가스 토출 구멍(61)의 개구경을 크게 할 수 있다. 이 경우, 처리 가스의 반응 생성물이 가스 토출 구멍(61)의 개구부에 퇴적 함에 따른 처리 가스의 유량의 경시 변화(가스 토출 구멍(61)의 개구경의 감소 비율)를 작게 할 수 있으며, 장기간에 걸쳐 안정적으로 열처리를 행할 수 있다． 이와 함께, 처리 가스의 반응 생성물(Si3N4이나 NH4Cl 등)이 석출되기 힘든 저압력 분위기로 되어, 가스 공급 덕트(60) 내나 가스 토출 구멍(61)에 있어서의 생성물의 퇴적이 적어진다. 이 때문에, 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
전술한 가스 공급 덕트(60)를 사용한 경우와, 종래의 가스 노즐(인젝터)을 사용한 경우에서는, 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스의 유량(유속)의 변동에 대해서, 다음과 같은 차가 생긴다. 즉, 종래의 가스 노즐의 경우, 이미 상술한 바와 같이, 상하 방향의 압력 구배를 완화시키려고 하면, 가스 토출 구멍(61)의 구경을 예를 들어 1㎜ 미만으로 작게 해야한다. 이 경우, 가스 토출 구멍(61)이 존재하는 부위와 존재하지 않는 부위 사이에 있어서의, 말하자면 유속의 요철이 심해진다. 이 때문에, 각 웨이퍼(W)에 대응해서 가스 토출 구멍(61)을 형성해야하므로, 가스 토출 구멍(61)의 수가 많아진다.
이에 대하여 가스 공급 덕트(60)의 경우에는, 도5a에 도시한 바와 같이 가스 토출 구멍(61)의 개구경을 예를 들어 10㎜로 크게 할 수 있다． 이 때문에, 유속의 요철은 완만해지고, 그 때문에 가스 토출 구멍(61)의 수도 적게 할 수 있어, 가스 토출 구멍(61)의 형성이 용이하다. 또한, 상하 방향의 가스 유량의 균일성을 보다 한층 확보하기 위해서는, 가스 토출 구멍(61)의 구경을 상단측의 것일수록 커지게 하는 것이 바람직한데, 그러한 미묘한 가공이어도 용이하게 행할 수 있다.
또한 가스 유로(73)의 단면적보다도 가스 공급 덕트(60)의 수평 방향의 단면적이 크고, 특히 가스 도입구(64)가 개구하는 하부는 확대 부분(매니홀드 부분)(63)으로서 형성된다. 이 때문에, 가스 공급 덕트(60) 내에 공급된 처리 가스의 압력은, 가스 유로(73) 내의 압력보다도 낮아진다. 이러한 경우, 처리 가스가 가스 유로(73)로 역류하기 어려워져, 가스 유로(73)나 가스 공급관(65)의 관벽에 처리 가스의 반응물이 부착되는 양이 감소한다. 이러한 점으로부터도 파티클의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 반응관(3)의 측벽 외면에 가스 공급 덕트(60)가 일체로 배치된다. 게다가 이 예에서는, 플랜지(42)로부터 가스 공급 덕트(60)가 기립하여 플랜지(42) 내의 가스 유로(73)로부터 가스 공급 덕트(60)에 처리 가스가 도입된다. 이러한 경우, 가스 공급계는, 반응관(3)을 설치해서 가스 유로(73)에 외부로부터 배관함으로써 조립할 수 있다. 이 때문에, 열처리 장치(1)의 설치 작업이나 메인터넌스 작업이 용이하다. 또한, 반응관(3) 내와 가스 공급 덕트(60) 내를 일괄해서 크리닝할 수 있으며, 크리닝 작업도 용이하다. 또한 상자형의 석영 부재를 반응관(3)의 외면에 용착하기 때문에 가스 공급 덕트(60)의 형성 작업도 간단하다.
열처리 장치(1)는, SiN막에 한정되지 않고, 예를 들어 폴리실리콘막이나, p형, n형의 불순물을 도핑한 도핑막, 예를 들어 인 도핑 폴리실리콘막의 성막에 이용해도 된다． 도핑막의 경우에는, 예를 들어 실란 가스에 관해서는 반응관(3)의 바닥부로부터 반응관(3) 내에 공급하고, 포스핀 가스에 관해서는 가스 공급 덕트(60)를 이용해서 가스의 공급을 행할 수 있어, 웨이퍼(W)의 면내 및 웨이퍼(W) 사이에 있어서 도핑량의 균일성을 높일 수 있다.
<제2 실시 형태>
도6은, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도이다. 도7은, 도6의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도이다. 이러한 열처리 장치(1X)에서는, 가스 공급 덕트(60)나 가스 토출 구멍(61)에 대해서는, 제1 실시 형태에 있어서의 열처리 장치(1)와 동일한 구성이다. 그러나, 가스 공급 덕트(60) 내의 최상단의 가스 토출 구멍(61)의 상방이고, 처리 영역(3A)보다도 상측에는, 반응관(3) 내와 연통하는 균압화 구멍(66)이 형성된다. 균압화 구멍(66)은, 반응관(3) 내의 웨이퍼(W)가 보유되는 처리 영역보다도 상방에 처리 가스를 공급하도록 형성된다. 균압화 구멍(66)은, 각 가스 토출 구멍(61)보다도 큰 개구 면적을 갖고, 예를 들어, 도7에 도시한 바와 같이 대략 직사각형이며, 세로 22㎜×가로 35㎜ 정도의 크기를 이룬다. 가스 토출 구멍(61)의 직경은, 상측의 것일수록 커지도록 형성된다.
이러한 구성에 의하면, 처리 가스의 예를 들어 절반 정도는, 균압화 구멍(66)을 통해서 반응관(3) 내에 있어서의 웨이퍼(W)의 처리 영역(3A)의 상방을 통류하고, 가스 토출 구멍(61)으로부터 웨이퍼(W)의 처리 영역(3A)을 통류한 나머지의 처리 가스와 함께 배기된다. 즉, 균압화 구멍(66)로부터 반응관(3) 내에 공급 되는 처리 가스의 유량은, 각 가스 토출 구멍(61)으로부터 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스의 유량에 비하여 꽤 많아진다. 이 경우, 가스 공급 덕트(60) 내를 상측의 균압화 구멍(66)쪽으로 통류하는 처리 가스로부터 각 가스 토출 구멍(61)이 받는 압력이 균일화된다. 이 때문에, 가스 공급 덕트(60) 내의 상하 방향에 있어서의 처리 가스의 압력 분포의 변동을 크게 하지 않고, 가스 토출 구멍(61)의 개구경을 전술한 제1 실시 형태에 있어서의 가스 토출 구멍(61)의 개구경보다 크게 예를 들어 15㎜ 정도로 형성할 수 있다． 가스 토출 구멍(61)으로부터 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스는, 이미 설명한 바와 같이, 웨이퍼(W) 상에서 반응을 일으켜 성막 처리에 기여하는 한편, 균압화 구멍(66)으로부터 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스는, 성막에 기여하지 않고, 배기구(5)로부터 배기 수단(51)에 의해 배기된다.
이렇게, 가스 공급 덕트(60) 내의 압력 구배가 작아지므로, 도5b에 도시한 바와 같이 반응관(3) 내에 공급되는 처리 가스의 농도(유속)의 분포가 더욱 완만해진다. 이 때문에, 반응관(3) 내의 각 웨이퍼(W)에 대한 처리 가스의 유량의 변동을 작게 할 수 있다． 이것은, 바꿔 말하면 처리 가스의 유량의 변동을 억제하면서, 가스 토출 구멍(61)의 수를 보다 적게 할 수 있는 것이기도 하다. 또한, 이 예에서는 가스 토출 구멍(61) 및 균압화 구멍(66)을 세로로 1열 배치했지만, 이미 상술한 예와 마찬가지로, 복수열 예를 들어 2열 배치하도록 하여도 된다.
<제3 실시 형태>
도8은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전 체 구성을 도시하는 종단 측면도이다. 도9는, 도8의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도이다. 이 열처리 장치(1Y)에서는, 도9에도 도시한 바와 같이 가스 공급 덕트(60)는, 반응관(3)의 바닥부부터 꼭대기부까지 연장한다. 이 경우에는, 상하로 분할한 예를 들어 3개의 히터(22)를 개별로 제어함으로써 처리 영역(3A)의 하부의 온도를 상부의 온도보다도 높게 하여, 처리 영역(3A)에 있어서 상하 방향으로 온도 구배를 형성할 필요가 있다. 이 때문에 열처리 프로세스로서는, 웨이퍼(W) 사이의 온도가 상이해도 수율에 영향이 없는 프로세스에 적용된다. 이러한 열처리 프로세스의 일례로서는, TEOS의 증기와 산소 가스를 이용해서 SiO2막을 성막하는 처리 등을 들 수 있다.
이러한 실시 형태에 의하면, 가스 공급 덕트(60)와 반응관(3)이 일체화되므로, 반응관(3)의 상부에 가스 공급관을 접속하지 않아도 되므로, 설치 작업이나 메인터넌스 작업이 용이하다. 또한, 이 예에서는, 가스 토출 구멍(61)을 반응관(3)의 꼭대기부에 1부위 형성했지만, 꼭대기부에 복수 부위, 예를 들어 3부위 형성해도 된다. 또한, 가스 토출 구멍(61)을, 반응관(3)의 측면의 웨이퍼(W)의 처리 영역(3A)보다도 상부에 형성하도록 해도 된다.
<제4 실시 형태>
도10은, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도이다. 도11은, 도10의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도이다. 도12는, 도10의 열처 리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 횡단 평면도이다. 이 열처리 장치(1Z)에서는, 가스 공급 덕트(60)는, 그 바닥부로부터 상방으로 연장되는 격벽(67)에 의해 제1 덕트 부분(68A), 제2 덕트 부분(68B), 및 제3 덕트 부분(68C)으로 분할된다. 보다 상세하게는, 길이가 중간인 제2 덕트 부분(68B)에 길이가 작은 제3 덕트 부분(68C)이 병설된다. 제3 덕트 부분(68C)의 이웃한, 길이가 큰 덕트 부분(68A)의 상방측이 제2 덕트 부분(68B) 및 제3 덕트 부분(68C)의 상방측으로 확대된다.
제1 덕트 부분(68A)의 상부에는, 예를 들어 직경 20㎜의 2개의 가스 토출 구멍(61)이 주위 방향으로 형성된다. 제2 덕트 부분(68B)과 제3 덕트 부분(68C)의 각 상부에는, 예를 들어 직경 10㎜의 세로로 배열되는 복수의 가스 토출 구멍(61)이 형성된다. 즉, 각각의 덕트 부분(68A 내지 68C)에 형성된 반응관(3)의 길이 방향에 있어서의 가스 토출 구멍(61)의 위치는 서로 상이하게 형성된다. 반응관(3) 내의 처리 영역(3A)을 길이 방향으로 3분할한 상단, 중단 및 하단의 각 존에의 처리 가스의 공급이, 각각의 덕트 부분(68A 내지 68C)으로부터 행해진다. 환언하면, 덕트 부분(68A 내지 68C)의 가스 토출 구멍(61)의 각 그룹은, 3개의 히터(22)에 의해 개별로 온도 제어되는 처리 영역(3A)의 3개의 존에 대응해서 배치된다.
도13은, 열처리 장치(1Z)에 있어서의 처리 가스의 분기로를 도시하는 설명도이다. 각 덕트 부분(68A 내지 68C)에는 독립하여 처리 가스가 공급되고, 여기에서는, 일례로서 3계통의 가스 라인을 각 덕트 부분(68A 내지 68C)에 분배 공급하는 경우가 예시된다. 도13에 도시한 바와 같이 3개의 가스 공급원(74, 75 및 76)으로 부터 각각 연장되기 시작하는 가스 공급로(77, 78 및 79)는, 모든 가스 공급로(77, 78 및 79)에 관해서도 3개로 분기된다. 각 분기로(77A 내지 77C, 78A 내지 78C 및79A 내지 79C)는, 밸브 및 유량 조정부 등을 포함하는 가스 공급 제어계(80)를 통해서 가스 도입구(64)에 접속된다.
이 실시예에서는 가스 공급 덕트(60) 내를 3개의 덕트 부분(68A 내지 68C）으로 분할하고, 그들의 가스 토출 구멍(61)의 그룹을, 처리 영역(3A)을 상하로 분할한 존에 대응시킨다. 그리고, 각각의 덕트 부분(68A 내지 63C)에 공급되는 처리 가스의 유량을 독립하여 유량 제어할 수 있도록 한다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 제1 실시 형태의 효과 외에, 반응관(3)의 길이 방향(상하 방향)에 있어서의 처리 가스의 유량의 조정의 자유도가 커진다고 하는 효과가 얻어진다. 이 때문에, 처리 가스의 농도 분포의 균일화를 용이하게 도모할 수 있고, 웨이퍼(W)의 면내의 처리의 균일성을 도모하는데 있어서, 유효한 구조로 된다. 또한, 가스 공급 덕트(60) 내의 분할수는 2분할 혹은 4분할 이상이어도 된다.
또한, 이 열처리 장치(1Z)는, 제3 실시 형태와 마찬가지로, 웨이퍼(W)의 처리 영역의 상방측으로부터 처리 가스를 공급하는 열처리에 적용할 수 있다. 이 경우에는, 웨이퍼 보트(45)의 상부측에 있어서, 제1 덕트 부분(68A)의 가스 토출 구멍(61)으로부터 공급되는 처리 가스가 분무되는 위치에는, 예를 들어 더미 웨이퍼 등을 보유하도록 하여도 된다． 즉, 제1 덕트 부분(68A)의 가스 토출 구멍(61)으로부터 처리 가스가 반응관(3) 내에 공급되는 위치는, 처리 영역(3A)의 상측으로 되도록 한다. 이러한 방법에 있어서는, 제2 덕트 부분(68B) 및 제3 덕트 부분(68C) 에는, 처리 가스의 공급을 행하지 않는다. 따라서, 제4 실시 형태에 의하면, 이렇게 처리 가스의 공급 모드를 2개 갖게 할 수 있는 이점도 있다.
<제1 내지 제4 실시 형태에 공통된 사항>
상기 실시예에서는 반응관의 측벽 외면을 따라 가스 공급 덕트를 당해 측벽에 일체로 설치하고, 반응관의 내벽에 가스 공급 덕트에 연통하는 가스 방출 개구를 형성한다. 이 때문에, 반응관의 내벽과 피처리 기판 사이의 간극을 작게 할 수 있으며, 피처리 기판에 대한 열처리의 면내 균일성, 예를 들어 막 두께나, n형 혹은 p형 불순물의 도핑량 등의 면내 균일성의 향상에 기여할 수 있다． 또한, 반응관의 외부에 가스 공급 덕트가 배치되기 때문에, 가스 공급 덕트의 용적이 반응관의 내벽과 피처리 기판 사이의 간극에 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 가스 공급 덕트의 용적을 크게 할 수 있어, 가스 공급 덕트 내의 가스압을 낮출 수 있다. 이 경우, 각 가스 토출 구멍의 사이에서 균일한 유속 분포를 확보하면서, 가스 토출 구멍의 구멍 직경을 크게 할 수 있다. 그 결과, 가스 토출 구멍에 처리 가스의 성분에 의한 반응 생성물이 다소 부착되어도, 종래의 인젝터의 경우와 같이, 처리 가스의 유량에 미치는 영향은 거의 없으므로, 장기간에 걸쳐 안정된 유량의 가스를 공급할 수 있다.
또한 반응관의 측벽 외면에 가스 공급 덕트를 일체로 설치하고 있기 때문에, 반응관을 설치함으로써 가스 공급 덕트의 설치도 행해진다. 따라서 가스 공급 덕트를 반응관에 부착하거나, 제거하거나 하는 작업이 불필요해져, 장치의 설치 작업이나 메인터넌스 작업이 용이해진다.
또한, 상기 실시예에서는 열처리로서, SiN막을 성막하는 처리가 예시된다. 그 대신에, 본 발명은, 폴리실리콘막, 아몰퍼스 실리콘막, SiO2막 등의 다른 성막 처리에 적용할 수 있다． 또한 본 발명은, 산화, 확산, 개질, 어닐링 등의 다른 열처리에 적용할 수 있다． 또한, 피처리 기판은, 반도체 웨이퍼 이외의 것, 예를 들어 글래스 기판, LCD 기판, 세라믹 기판으로 할 수 있다.
당 분야의 당업자라면, 추가의 장점 및 변경을 이룰 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 광의의 점에서 상술한 설명 및 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부한 특허청구범위와 그의 등가물에 의해 정의된 기술사상이나 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이 이루어질 수도 있다.
도1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도.
도2은, 도1의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도.
도3은, 도1의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 횡단 평면도.
도4는, 도1의 열처리 장치에 있어서의 가스 공급 덕트의 바닥부와 반응관의 플랜지와의 관계를 도시하는 종단 측면도.
도5a, 및 도5b는, 반응관 내의 처리 가스의 분포를 도시하는 설명도.
도6은, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도.
도7은, 도6의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도.
도8은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도.
도9은, 도8의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도.
도10은, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 반도체 처리용의 열처리 장치의 전체 구성을 도시하는 종단 측면도.
도11은, 도10의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 부분 파단 사시도.
도12은, 도10의 열처리 장치에 있어서의 반응관 및 가스 공급 덕트를 도시하는 횡단 평면도.
도13은, 도10의 열처리 장치에 있어서의 처리 가스의 분기로를 도시하는 설명도.

Claims (20)

  1. 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관과,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
    상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
    상기 반응관의 벽의 외측에 일체로 부설된 상하 방향으로 연장하는 가스 공급 덕트와,
    상기 반응관의 상기 벽에 형성되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 가스 방출 개구와,
    상기 가스 공급 덕트의 바닥부에 접속되고, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 가스 방출 개구를 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고,
    상기 반응관은 바닥부에 상기 지지 부재를 반출입하는 반송 포트를 가짐과 동시에, 상기 반송 포트를 포위하는 상기 반응관과 일체로 형성된 플랜지를 갖고，상기 플랜지는, 상기 반송 포트를 개폐하는 덮개와 결합하도록 배치되고,
    상기 가스 공급 덕트의 바닥부는, 상기 플랜지의 상면에 의해 규정되어, 상기 플랜지 내에 상기 가스 공급계로부터의 상기 처리 가스를 상기 가스 공급 덕트에 도입하는 가스 유로가 형성되고,
    상기 가스 공급 덕트는 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 연장하고,
    상기 가스 방출 개구는 상기 반응관의 상기 벽의 측부에 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 배열된 복수의 가스 토출 구멍을 구비하고, 상기 처리 영역보다도 상측의 위치에 배치된 균압화 구멍을 더 구비하며, 상기 균압화 구멍의 개구 면적은 상기 복수의 가스 토출 구멍 각각의 개구 면적보다도 큰 반도체 처리용의 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트는 용접에 의해 상기 반응관의 외측에 접속되고, 상기 반응관의 상기 벽의 일부는, 상기 가스 공급 덕트의 벽을 겸용하는 반도체 처리용의 열처리 장치．
  3. 제2항에 있어서, 상기 반응관과 상기 가스 공급 덕트는, 동일한 내열성?절연성 재료로 이루어지는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 내열성?절연성 재료는 석영인 반도체 처리용의 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트는 바닥부의 매니홀드 부분과 상기 매니홀드 부분으로부터 상방으로 연장되는 세로로 긴 부분을 구비하고, 상기 가스 유로는 상이한 처리 가스에 대응하는 복수의 가스 유로를 구비하고, 이들이 상기 매니홀드 부분에 접속되는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 매니홀드 부분은, 상기 세로로 긴 부분보다도 폭이 넓은 반도체 처리용의 열처리 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트 내는, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부로부터 상방으로 연장되는 구획벽에 의해 복수의 덕트 부분으로 분할되고, 상기 복수의 덕트 부분은, 서로 다른 높이 위치에 가스 토출 구멍을 구비하고, 상기 가스 유로는 공통된 처리 가스를 상기 복수의 덕트 부분에 개별로 공급하는 복수의 가스 유로를 구비하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 히터는, 상기 처리 영역의 상하에 배열된 복수의 존을 각각 가열하도록 상기 반응관의 주위에 배치된, 개별로 제어되는 복수의 히터를 구비하고, 상기 복수의 덕트 부분은, 상기 복수의 존의 각각에 대응한 위치에 가스 토출 구멍을 구비하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트는 상기 반응관의 바닥부부터 꼭대기부 까지 연장하고, 상기 가스 방출 개구는, 상기 반응관의 상기 벽의 꼭대기부에 형성된 가스 토출 구멍을 구비하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  12. 간격을 두고 겹쳐 쌓여진 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 반응관과,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
    상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
    상기 반응관의 벽의 외측에 일체로 부설되고, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 연장하는 가스 공급 덕트와,
    상기 반응관의 상기 벽의 측부에 형성되고, 상기 처리 영역을 커버하는 범위에서 상하 방향으로 배열되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 복수의 가스 토출 구멍과,
    상기 가스 공급 덕트의 바닥부에 접속된, 상기 가스 공급 덕트 및 상기 복수의 가스 토출 구멍을 통해서 상기 처리 영역에 처리 가스를 공급하는 가스 공급계를 구비하고,
    상기 처리 영역보다도 상측의 위치에서 상기 반응관의 상기 벽에 형성되는 동시에, 상기 가스 공급 덕트에 연통하는 균압화 구멍을 더 구비하고, 상기 균압화 구멍의 개구 면적은 상기 복수의 가스 토출 구멍 각각의 개구 면적보다도 큰 반도체 처리용의 열처리 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트 내는, 상기 가스 공급 덕트의 바닥부로부터 상방으로 연장되는 구획벽에 의해 복수의 덕트 부분으로 분할되고, 상기 복수의 덕트 부분은, 서로 다른 높이 위치에 가스 토출 구멍을 구비하고, 상기 가스 공급계는 공통된 처리 가스를 상기 복수의 덕트 부분에 개별로 공급하는 복수의 가스 유로를 구비하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 히터는, 상기 처리 영역의 상하에 배열된 복수의 존을 각각 가열하도록 상기 반응관의 주위에 배치된, 개별로 제어되는 복수의 히터를 구비하고, 상기 복수의 덕트 부분은, 상기 복수의 존의 각각에 대응한 위치에 가스 토출 구멍을 구비하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 가스 공급 덕트는 용접에 의해 상기 반응관의 외측에 접속되고, 상기 반응관의 상기 벽의 일부는, 상기 가스 공급 덕트의 벽을 겸용하는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반응관과 상기 가스 공급 덕트는, 동일한 내열성?절연성 재료로 이루어지는 반도체 처리용의 열처리 장치.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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