KR101489553B1 - 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 기판을 선반 형상으로 지지하는 지지체와, 상기 지지체를 내부에 수용 가능한 반응관이며, 상기 반응관의 측부에 설치되고 상기 반응관의 내부에 가스를 공급하는 복수의 가스 공급관과, 상기 복수의 가스 공급관의 대향 위치로부터 어긋나게 설치되고 상기 가스를 배기하는 배기부를 갖는 당해 반응관, 및 상기 반응관의 내부에 수용된 상기 기판을 가열하는 제1 가열부이며, 상기 제1 가열부의 하단부로부터 상단부까지 연장되고, 상기 복수의 가스 공급관이 통과할 수 있는 슬릿을 갖고, 상기 슬릿 이외의 내면이 상기 반응관의 측부에 면하는 제1 가열부를 구비하는 열처리 장치가 개시된다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 출원은, 2011년 3월 7일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2011-049194호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체 내용을 여기에 원용한다.
본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 기판을 처리하는 열처리 장치, 특히 배치(batch) 타입의 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 복수의 기판을 소정의 간격으로 배치하고, 일괄하여 처리하는 배치 타입의 열처리 장치가 사용된다. 이와 같은 열처리 장치는, 하부 개구를 갖는 반응관과, 반응관 내부에 배치 가능하고, 복수매의 기판을 소정의 간격으로 유지하는 웨이퍼 지지부와, 반응관의 외측에 배치되고, 반응관 내의 기판을 가열하는 외부 히터를 구비한다. 또한, 반응관 내에는 하부의 개구로부터 웨이퍼 지지부를 따라서 위로 연장되는 가스 공급 노즐이 설치되어 있다.
반응관 내에, 기판이 지지되는 웨이퍼 지지부를 반입하고, 외부 히터에 의해 기판을 가열하면서, 가스 공급 노즐로부터 프로세스 가스를 흘림으로써, 프로세스 가스에 따른 처리가 기판에 대해 행해진다.
일본 특허 출원 공개 제2000-068214호 공보
상기와 같은 열처리 장치에 있어서, 웨이퍼 지지부의 상단부보다도 높은 위치에까지 가스 공급 노즐이 연장되어 있고, 그 선단으로부터 프로세스 가스가 공급되는 경우에는, 웨이퍼 지지부의 하단부측에서 프로세스 가스가 고갈되어 버려, 상단부측의 기판과 하단부측의 기판 사이에서 처리의 균일성이 악화될 우려가 있다. 따라서, 길이가 다른 복수의 가스 공급 노즐이나, 소정의 간격으로 복수의 개구가 형성된 가스 공급 노즐을 사용함으로써, 웨이퍼 지지부의 길이 방향을 따른 복수의 위치로부터 프로세스 가스를 기판에 공급하고, 처리의 균일성의 개선을 도모하고 있다(예를 들어 특허 문헌 1).
그러나, 이 경우라도, 프로세스 가스는, 가스 공급 노즐 내를 아래로부터 위로 흐르면서 가열되기 때문에, 가스 공급 노즐의 상단부측의 개구로부터 공급되는 프로세스 가스는, 하단부측의 개구로부터 공급되는 프로세스 가스보다도 고온으로 되어 있다. 이로 인해, 웨이퍼 지지부에 지지되는 웨이퍼에 대한 처리의 균일성을 충분히 개선시킬 수 없다.
또한, 프로세스 가스로서 2 종류의 원료 가스를 사용하는 경우에 있어서, 한쪽의 원료 가스의 분해 온도가 다른 쪽의 원료 가스의 분해 온도보다도 현저하게 낮을 때에는, 분해 온도가 낮은 원료 가스가, 가스 공급 노즐의 특히 상단부측에서 분해되기 시작하게 되는 경우가 있다. 그렇게 하면, 가스 공급 노즐의 내부나 반응관의 내면에 막이 퇴적하게 되어, 기판 상에의 막의 퇴적 속도가 저하되게 된다. 또한, 원료 가스의 이용 효율도 악화된다. 또한, 반응관의 내면에 퇴적한 막이 박리되면 파티클의 원인이 되므로, 반응관의 세정 빈도를 높게 할 수 없어, 처리량의 저하를 초래한다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어지고, 처리 대상인 복수의 기판이 선반 형상으로 배치되는 열처리 장치이며, 프로세스 가스의 온도의 차를 기판 간에서 저감함으로써 처리의 균일성을 개선시킬 수 있어, 기판 도달 전에 프로세스 가스가 활성화나 분해되는 것을 억제하는 것이 가능한 열처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 형태에 따르면, 복수의 기판을 선반 형상으로 지지하는 지지체와, 상기 지지체를 내부에 수용 가능한 반응관이며, 상기 반응관의 측부에 배치되고 상기 반응관의 내부에 가스를 공급하는 복수의 가스 공급관을 갖는 당해 반응관, 및 상기 반응관의 내부에 수용된 상기 기판을 가열하는 제1 가열부이며, 상기 제1 가열부의 하단부로부터 상단부까지 연장되고, 상기 복수의 가스 공급관이 통과할 수 있는 슬릿을 갖고, 상기 슬릿 이외에 있어서는 내면이 상기 반응관의 측부에 면하는 제1 가열부를 구비하는 열처리 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 프로세스 가스의 온도의 차를 기판 간에서 저감함으로써 처리의 균일성을 개선시킬 수 있어, 기판 도달 전에 프로세스 가스가 활성화나 분해되는 것을 억제하는 것이 가능한 열처리 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 열처리 장치를 도시하는 개략도.
도 2는 도 1의 열처리 장치의 이너 튜브를 도시하는 개략도.
도 3은 도 1의 열처리 장치의 가열부의 내면을 도시하는 모식도.
도 4는 도 1의 열처리 장치의 가열부 및 아우터 튜브를 도시하는 개략 사시도.
도 5는 도 1의 열처리 장치의 외부 히터의 슬릿에 매립되는 단열재를 도시하는 모식도.
도 6은 도 1의 열처리 장치를 도시하는 개략 단면도.
도 7은 도 1의 열처리 장치의 냉각 공기의 순환 기구를 도시하는 모식도.
도 8은 도 1의 열처리 장치에 가스 공급계를 접속함으로써 구성되는 성막 장치의 일례를 나타내는 도면.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 처리 대상인 복수의 기판이 선반 형상으로 배치되는 열처리 장치이며, 프로세스 가스의 온도의 차를 기판 간에서 저감할 수 있는 열처리 장치가 제공된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명의 한정적이 아닌 예시된 실시 형태에 대해서 설명한다. 첨부한 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 부여하여, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면은, 부재 혹은 부품간의 상대비를 나타내는 것을 목적으로 하지 않고, 따라서 구체적인 치수는, 이하의 한정적이 아닌 실시 형태에 비추어, 당업자에 의해 결정되어야만 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 의한 열처리 장치(1)는, 하부가 개방되는 덮개가 있는 원통 형상을 갖는 아우터 튜브(10)와, 아우터 튜브(10)의 하부 개구를 통하여 아우터 튜브(10) 내에 출입 가능한 이너 튜브(11)와, 복수의 웨이퍼(W)를 선반 형상으로(또는 소정의 간격을 두고 상하 방향으로) 지지하고, 이너 튜브(11)의 하부 개구를 통하여 이너 튜브(11)에 출입 가능한 웨이퍼 지지체(16)와, 아우터 튜브(10)를 둘러싸고, 아우터 튜브(10) 및 이너 튜브(11)를 통하여 웨이퍼 지지체(16)에 지지되는 웨이퍼(W)를 가열하는 가열부(20)를 구비한다.
이너 튜브(11)의 외측에 배치되는 아우터 튜브(10)는, 예를 들어 석영 글래스에 의해 제작되어 있고, 그 측주면(側周面)에는, 아우터 튜브(10)의 길이 방향을 따라서 대략 일렬로 배열되는 복수의(도시한 예에서는 4개의) 가이드관(10a, 10b, 10c, 10d)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 석영 유리로 된 덮개가 있는 원통관의 측주면에, 길이 방향을 따라서 소정의 간격으로 구멍을 뚫고, 이 구멍에 대하여 석영 유리로 된 파이프를 용접함으로써, 아우터 튜브(10)를 제작할 수 있다. 또한, 가이드관(10a 내지 10d) 내에는, 이들에 대응하는 가스 공급관(17a 내지 17d)이 삽입되어 있다. 즉, 가이드관(10a 내지 10d)은, 대응하는 가스 공급관(17a 내지 17d)을 지지하고 있다. 가스 공급관(17a 내지 17d)에는, 가스 공급계(후술)로부터의 대응하는 배관이 접속되고, 가스 공급계로부터의 프로세스 가스가 가스 공급관(17a 내지 17d)을 통하여 이너 튜브(11)의 내부에 공급된다(후술).
또한, 아우터 튜브(10)에는, 가이드관(10d)의 하방에 있어서 배기관(14)이 형성되어 있다. 배기관(14)의 선단에 플랜지가 형성되어 있고, 소정의 조인트에 의해 배기계(후술)에 접속된다. 이에 의해, 가스 공급관(17a 내지 17d)을 통하여 이너 튜브(11) 내에 공급된 프로세스 가스는, 웨이퍼(W)의 표면 상을 통과한 후, 이너 튜브(11)에 설치되는 하나 또는 복수의 개구부 또는 슬릿(도시하지 않음)을 통하여 배기관(14)으로부터 배기된다. 또한, 아우터 튜브(10)는, 도시하지 않은 시일 부재를 통하여 지지판(12)에 고정되어 있다.
이너 튜브(11)는, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 대략 하부에 개구를 갖는 덮개가 있는 원통 형상을 갖고 있고, 예를 들어 석영 글래스에 의해 제작된다. 또한, 이너 튜브(11)의 외주면의 일부에는 확장부(11a)가 장착되어 있다. 확장부(11a)는, 도시한 바와 같이, 이너 튜브(11)의 길이 방향으로 연장되는, 대략 상자의 형상을 갖고, 이너 튜브(11)의 외주부와의 사이에 공간을 형성한다. 또한, 확장부(11a)의 외주부에는, 이너 튜브(11)의 길이 방향을 따라서 대략 일렬로 배열되는 복수의 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)은, 상술한 가스 공급관(17a 내지 17d)에 대응하여 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 가스 공급관(17a 내지 17d)은, 대응하는 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)에 개구 단부가 일치하도록 가이드관(10a 내지 10d)에 의해 지지되어 있다. 또한, 이너 튜브(11)의 외주부에 있어서의 확장부(11a)로 덮이는 부분에는, 도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 복수의 구멍(h1)이 형성되고, 이에 의해 확장부(11a) 내의 공간과, 이너 튜브(11) 내의 공간이 연통된다. 따라서, 가스 공급계로부터의 프로세스 가스는, 가스 공급관(17a 내지 17d) 및 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)을 통하여 확장부(11a) 내에 유입되고, 복수의 구멍(h1)을 통하여 이너 튜브(11) 내에 공급된다. 또한, 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)의 내경과, 가스 공급관(17a 내지 17d)의 내경은 거의 동등하면 바람직하다. 또한, 가스 공급 구멍(H1 내지 H4)의 내경을 가스 공급관(17a 내지 17d)의 내경보다도 약간 크게 하여, 가스 공급관(17a 내지 17d)의 선단을 가스 공급 구멍(H1 내지 H4) 내에 약간 삽입해도 좋다.
다시 도 1을 참조하면, 이너 튜브(11)는, 웨이퍼 지지체(16)가 통과할 수 있는 개구가 상단부에 형성된 페디스털(18) 상에 고정되어 있고, 페디스털(18)은, 웨이퍼 지지체(16)가 통과할 수 있는 개구가 형성되는 지지판(12)에 지지되어 있다.
웨이퍼 지지체(16)는, 적어도 3개의 지주(16a)를 갖고 있다. 지주(16a)에는, 소정의 간격으로 복수의 절결부가 설치되어 있고, 웨이퍼(W)는, 그 주연부가 절결부에 삽입됨으로써 지지된다. 본 실시 형태에 있어서는, 웨이퍼 지지체(16)는 117매의 웨이퍼(W)를 지지할 수 있다. 구체적으로는, 위로부터 4매의 더미 웨이퍼와, 아래로부터 4매의 더미 웨이퍼와, 이들의 사이에 있어서, 3매의 더미 웨이퍼로 이격되는 4군의 25매의 처리 대상 웨이퍼(W)가 지지된다. 또한, 웨이퍼 지지체(16)는, 100매의 웨이퍼(W) 중 위로부터 25매의 처리 대상 웨이퍼(W)에 대하여, 대략 아우터 튜브(10)의 가이드관(10a)에 삽입되는 가스 공급관(17a)으로부터 프로세스 가스가 공급되고, 그 아래의 25매의 처리 대상 웨이퍼(W)에 대하여, 대략, 가스 공급관(17b)으로부터 프로세스 가스가 공급되고, 그 아래의 25매의 처리 대상 웨이퍼(W)에 대하여, 대략, 가스 공급관(17c)으로부터 프로세스 가스가 공급되고, 그 아래의 25매의 처리 대상 웨이퍼(W)에 대하여, 대략, 가스 공급관(17d)으로부터 프로세스 가스가 공급되도록 배치되어 있다.
또한, 웨이퍼 지지체(16)는 지지 로드(19) 상에 고정되어 있고, 지지 로드(19)는 덮개(12a)로 지지되어 있다. 덮개(12a)는, 도시하지 않은 승강 기구에 의해 승강되고, 이에 의해, 지지 로드(19) 나아가서는 웨이퍼 지지체(16)가 이너 튜브(11) 내에 대하여 출입될 수 있다. 웨이퍼 지지체(16)가 이너 튜브(11)에 들어가게 되면, 덮개(12a)는, 도시하지 않은 시일 부재를 통하여 지지판(12)의 하면에 접하고, 이에 의해 아우터 튜브(10) 내의 분위기가 외부 분위기로부터 격리된다.
또한, 지지 로드(19)가 관통 가능한 개구를 덮개(12a)에 설치하고, 이 개구와 지지 로드(19)의 사이를 자성 유체로 밀폐하는 동시에, 회전 기구에 의해 지지 로드(19)를 회전하도록 해도 좋다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 가열부(20)는, 아우터 튜브(10)의 측주부를 덮는 제1 가열부(21)와, 제1 가열부(21)의 상단부를 덮는 제2 가열부(22)를 갖고 있다.
제1 가열부(21)는, 금속으로 된 통 형상체(23)와, 통 형상체(23)의 내면을 따라서 설치되는 절연체(24)와, 절연체(24)에 의해 지지되는 발열체(25)(도 3 참조)를 갖고 있다. 또한, 제1 가열부(21)의 상단부에는, 가열부(20)와 아우터 튜브(10) 사이의 내부 공간에 공급되는 공기(후술)를 배기하기 위한 상단부 배기구(22D)가 형성되고, 상단부 배기구(22D)에 접속되는 배기관(도시하지 않음)을 통하여, 가열부(20)의 내부 공간으로부터의 공기가 외부로 배기된다. 또한, 제1 가열부(21)의 통 형상체(23)의 측면에는, 발열체(25)에 전력을 공급하는 복수의 전류 도입 단자(25a)가 설치되어 있다.
도 3은, 가열부(20)의 내측의 일부를 도시하는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 절연체(24)에는, 복수의 홈이 상하 방향으로 나란히 형성되어 있고, 이 홈에 발열체(25)가 수용되어 있다. 발열체(25)를 선반 형상으로 배치함으로써, 이너 튜브(11) 내의 복수의 웨이퍼(W)를 균일하게 가열하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 발열체(25)는 2개의 개별된 전열선을 갖고 있고, 이들 중 1개가, 절연체(24)를 종방향으로 구획한 2개의 존의 한쪽에 배치되고, 다른 1개가 2개의 존의 다른 쪽에 배치되어 있다. 이와 같이 하면, 대략 반원 기둥 형상을 갖는 2개의 절연체(24)마다 발열체(25)를 배치한 후, 2개의 절연체(24)를 통 형상체(23)의 내면에 배치함으로써, 제1 가열부(21)를 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 발열체(25)는, 예를 들어 복수의 개별된 전열선을 가질 수 있고, 이들을, 상하 방향으로 단(段) 형상으로 구획되는 존에 배치해도 좋다. 이와 같이 배치하고, 각 존에 있어서의 전열선에의 전력 공급을 개별로 제어함으로써, 아우터 튜브(10) 내의 웨이퍼(W)의 온도 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 가열부(21)에는, 제1 가열부(21)의 하단부로부터 상단부까지 연장되고, 아우터 튜브(10)의 가이드관(10a 내지 10d)이 통과하는 것을 허용하는 슬릿이 형성되어 있다. 구체적으로는, 통 형상체(23)의 일부에, 통 형상체(23)의 길이 방향을 따라서, 통 형상체(23)의 하단부로부터 상단부까지 연장되는 슬릿(23C)이 형성되어 있고, 이에 대응하여 절연체(24)에 있어서도, 절연체(24)의 하단부로부터 상단부까지 연장되는 슬릿(24C)이 형성되어 있다. 이로 인해, 제1 가열부(21)는, 대략 C자 형상의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 제1 가열부(21)의 내면은, 슬릿(23C, 24C)을 제외하고, 아우터 튜브(10)의 외주면에 면하고 있다.
도 1, 도 4 및 도 6을 참조하면, 아우터 튜브(10)는 제1 가열부(21)에 대해, 가이드관(10a 내지 10d)측의 외주면이 제1 가열부(21)의 내주면에 근접하도록 편심되어 있다. 이에 의해, 제1 가열부(21) 내부 및 내측에 있어서의 가이드관(10a 내지 10d) 및 가스 공급관(17a 내지 17d)의 길이를 짧게 할 수 있다. 제1 가열부(21)의 내부 및 내측은, 발열체(25)로부터의 복사열에 의해 고온 분위기로 되어 있지만, 가스 공급관(17a 내지 17d)은, 그와 같은 고온 분위기를 긴 거리에 걸쳐서 통과하는 일은 없다. 이로 인해, 가스 공급관(17a 내지 17d) 프로세스 가스는, 그 만큼 고온으로 가열되지 않고 아우터 튜브(10) 내로 공급될 수 있다. 따라서, 분해 온도가 비교적 낮은 가스라도, 분해되지 않고 웨이퍼(W)에 도달하는 것이 가능해진다.
한편, 제1 가열부(21)에 슬릿(23C, 24C)이 형성되어 있기 때문에, 경우에 따라서는, 아우터 튜브(10) 내의 웨이퍼(W)를 가열하기 위해 제1 가열부(21)로부터 제공되는 열량이 부족하거나, 웨이퍼(W)의 온도 균일성이 악화되거나 하는 경우가 있다. 이로 인해, 본 실시 형태에 있어서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 절연체(24)의 슬릿(24C)의 양쪽 테두리를 따라서 제3 가열부(24s)가 설치되어 있다. 제3 가열부(24s)는, 도시는 생략하지만, 예를 들어 세라믹으로 된 로드에 전열선을 권취하고, 그 주위를 절연체로 덮음으로써 제작할 수 있다. 이 전열선에 공급하는 전력을 제어함으로써, 슬릿에 의해 부족한 열량을 적절하게 보충하고, 또한/또는 웨이퍼(W)의 균열성(均熱性)을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 제1 가열부(21)의 슬릿(23C, 24C)의 양쪽 테두리와 가이드관(10a 내지 10d)에 의해 결정되는 공간에 단열재(26)를 설치해도 좋다. 단열재(26)는, 예를 들어 열전도율이 가능한 한 작은, 예를 들어 실리카 글래스의 섬유(글래스 울)로 형성되는 포장재로서의 외피층과, 외피층 내에 가득 채워지는 실리카 글래스의 섬유 또는 분체를 가질 수 있다. 이에 따르면, 단열재(26)는 유연성을 갖게 되므로, 상기의 공간에 따라서 변형되고, 이 공간을 간극 없이 메우는 것이 가능해진다. 단열재(26)를 사용함으로써, 이 공간을 통하여, 제1 가열부(21) 내부의 열이 외부로 방사되는 것을 방해할 수 있어, 제1 가열부(21) 내부의 균열성의 악화를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 제1 가열부(21)의 발열체(25)에 전력을 공급하여 가열할 때에는, 발열체(25)로부터 발생하는 열에 의해 제1 가열부(21) 자체도 가열되어 열팽창하고, 슬릿(23C, 24C)의 간격이 넓어질 가능성이 있다. 따라서, 도 6에 도시하는 바와 같이, 제1 가열부(21)의 통 형상체(23)를 외측으로부터 압박하는 하우징(51)이 설치된다. 하우징(51)은, 제1 가열부(21)와 마찬가지로 아우터 튜브(10)의 가이드관(10a 내지 10d)이 통과하는 것을 허용하는 슬릿을 갖고 있지만, 이 슬릿의 양측에 연결 부재(52)가 장착되는 장착부(51a)가 설치되어 있다. 이들의 장착부(51a)에 연결 부재(52)를 장착함으로써, 하우징(51)에 의해 제1 가열부(21)를 외측으로부터 압박할 수 있어, 따라서 제1 가열부(21)가 외측으로 넓어지는 것이 억제된다.
또한, 도 6을 참조하면, 제1 가열부(21)에는, 절연체(24)를 비스듬히[절연체(24)의 반경 방향에 대하여 경사져] 관통하는 복수의 도관(24a)이 형성되어 있다. 도 6에 있어서는, 10개의 도관(24a)이 도시되어 있지만, 이에 한정되는 일 없이, 도관(24a)의 수는 적절하게 변경해도 좋다. 또한, 도관(24a)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 절연체(24)의 길이 방향을 따라서, 소정의 간격을 두고 형성되어 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 통 형상체(23)의 외주부의 일부가 절결되고, 절결된 부분에, 통 형상체(23)의 길이 방향으로 연장되는 챔버(23a)가 장착되어 있다. 챔버(23a)에는, 도 7에 도시하는 바와 같이 블로워(55)의 송풍구(55a)로부터의 배관(56a)이 접속되어 있다. 한편, 블로워(55)의 유입구(55b)는, 제1 가열부(21)의 상단부 배기구(22D)와 배관(56b)에 의해 접속되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 블로워(55)로부터 배관(56a)을 통하여, 통 형상체(23) 및 절연체(24) 사이의 공간에 공기가 공급된다. 이 공간에 공급된 공기는, 상술한 도관(24a)을 통하여 아우터 튜브(10)에 분사된다. 따라서, 예를 들어 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료되고, 웨이퍼(W)의 온도를 낮추는 경우에, 상술한 바와 같이 공기를 아우터 튜브(10)에 분사함으로써, 아우터 튜브(10) 나아가서는 웨이퍼(W)의 온도를 효율적으로 저하시키는 것이 가능해진다. 또한, 상술한 바와 같이, 도관(24a)이 절연체(24)에 대하여 비스듬히 형성되어 있기 때문에, 도관(24a)을 흐른 공기는, 아우터 튜브(10)의 외주면에 대하여 비스듬히 분사된다(도 6 참조). 이로 인해, 아우터 튜브(10)의 외주면이 국부적으로 냉각되지 않고 균일하게 냉각된다. 또한, 도관(24a)은, 아우터 튜브(10)와 절연체(24)의 간격이 좁아지는 방향으로 기울어져 있기 때문에, 간격이 좁은 방향(즉, 공기가 흐르기 어려운 방향)으로 적극적으로 공기를 공급할 수 있고, 이에 따라서도 아우터 튜브(10)의 외주면은 균일하게 냉각될 수 있다.
또한, 아우터 튜브(10)에 분사된 공기는, 상기 배기구(22D)를 통하여 블로워(55)로 복귀되고, 블로워(55)로부터 송풍된다. 이와 같이 순환함으로써, 장치로부터의 배기를 저감할 수 있으므로, 공장 설비의 부담을 경감하는 것이 가능해진다.
또한, 제2 가열부(23)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 제1 가열부(21)와 마찬가지로 절연체(24)와 발열체(25)를 갖고 있다. 제2 가열부(22)의 발열체(25)에도 전류 도입 단자(도시하지 않음)를 통하여 전력이 공급되어, 발열체(25)의 온도가 제어된다.
다음에, 본 실시 형태에 의한 열처리 장치(1)에 있어서 실시될 수 있는 처리의 일례로서, 사파이어 기판 상에의 질화갈륨(GaN)막의 퇴적에 대해서, 도 8을 참조하면서, 설명한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 가스 공급관(17a 내지 17d)에는, 배관(La 내지 Ld)을 통하여, 대응하는 갈륨 원료조(31a 내지 31d)가 접속되어 있다. 갈륨 원료조(31a 내지 31d)는, 소위 버블러이며, 본 실시 형태에서는, 내부에 트리메틸갈륨(TMGa)이 충전되어 있다. 또한, 갈륨 원료조(31a 내지 31d)에는, 대응하는 유량 조정기(예를 들어, 매스플로우 컨트롤러)(3Fa 내지 3Fd)가 설치된 배관(Ia 내지 Id)을 통하여, 소정의 캐리어 가스 공급원과 접속되어 있다. 캐리어 가스로서는, 예를 들어 고순도 질소 가스를 사용할 수 있다. 배관(La 내지 Ld) 및 배관(Ia 내지 Id)에는, 갈륨 원료조(31a 내지 31d)의 부근에 있어서, 연동하여 개폐되는 1조의 개폐 밸브(33a 내지 33d)가 설치되어 있다. 또한, 배관(La 내지 Ld) 및 배관(Ia 내지 Id)을 연결하는 바이패스관이 설치되고, 바이패스관에는, 대응하는 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)가 설치되어 있다. 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)를 개방하고, 개폐 밸브(33a 내지 33d)를 폐쇄하면, 캐리어 가스는 바이패스관을 통하여, 대응하는 가스 공급관(17a 내지 17d)에 도달하고, 아우터 튜브(10) 내에 공급된다. 반대로, 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)를 폐쇄하고, 개폐 밸브(33a 내지 33d)를 개방하면, 캐리어 가스는 갈륨 원료조(31a 내지 31d)에 공급되어, 내부에 충전되는 TMGa 액 중에 토출됨으로써, TMGa의 증기(또는 가스)를 포함하여 유출구로부터 유출된다. 유출된 TMGa 증기(가스)를 포함하는 캐리어 가스는, 대응하는 가스 공급관(17a 내지 17d)에 도달하고, 아우터 튜브(10) 내에 공급된다.
또한, 갈륨 원료조(31a 내지 31d)에는 항온조(32)가 설치되고, 도시하지 않은 온도 제어기에 의해 갈륨 원료조(31a 내지 31d) 나아가서는 내부의 TMGa의 온도가 소정의 온도로 유지되고, TMGa의 증기압이 온도에 따른 값으로 일정하게 유지된다. 항온조(32)에 의해 TMGa 증기압이 일정하게 유지되는 동시에, 배관(La 내지 Ld)에 설치된 압력 조정기(PCa 내지 PCd)에 의해 배관(La 내지 Ld) 내의 압력이 일정하게 유지되는 것에 의해, 배관(La 내지 Ld)을 흐르는 캐리어 가스 중의 TMGa 농도를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 배관(La 내지 Ld)에는, 예를 들어 암모니아(NH3) 공급원으로부터의 대응하는 배관(50a 내지 50d)이 합류되어 있다. 배관(50a 내지 50d)에는, 대응하는 유량 조정기(예를 들어, 매스플로우 컨트롤러)(4Fa 내지 4Fd) 및 개폐 밸브(Va 내지 Vd)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(Va 내지 Vd)를 개방하면, NH3 공급원으로부터의 NH3 가스가, 유량 조정기(4Fa 내지 4Fd)에 의해 유량 제어되고, 배관(50a 내지 50d)을 통하여, 대응하는 배관(La 내지 Ld)에 유입된다. 이에 의해, TMGa의 증기(가스), NH3 및 캐리어 가스의 혼합 가스가 가스 공급관(17a 내지 17d)을 통하여 아우터 튜브(10) 내에 공급된다.
또한, 도시하지 않은 퍼지 가스 공급원과 접속되는 퍼지 가스 배관(PL)이 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 퍼지 가스로서, 캐리어 가스와 마찬가지로 고순도 질소 가스가 사용된다. 퍼지 가스 배관(PL)은, 유량 조정기(4Fa)와 개폐 밸브(Va) 사이의 위치에 있어서, 배관(50a)에 대해, 개폐 밸브(Pa)를 통하여 접속되어 있다. 또한, 퍼지 가스 배관(PL)은, 개폐 밸브(Pa)의 전방(퍼지 가스 공급원측)에 있어서 분기하고, 유량 조정기(4Fb)와 개폐 밸브(Vb) 사이의 위치에 있어서, 배관(50b)에 대해, 개폐 밸브(Pb)를 통하여 접속되고, 유량 조정기(4Fc)와 개폐 밸브(Vc) 사이의 위치에 있어서, 배관(50c)에 대해, 개폐 밸브(Pc)를 통하여 접속되고, 유량 조정기(4Fd)와 개폐 밸브(Vd) 사이의 위치에 있어서, 배관(50d)에 대해, 개폐 밸브(Pd)를 통하여 접속되어 있다.
또한, 아우터 튜브(10)의 배기관(14)에는, 주 밸브(2A) 및 압력 조정기(2B)를 통하여 펌프(예를 들어, 메커니컬 부스터 펌프)(4)와 펌프(예를 들어, 드라이 펌프)(6)가 접속되어 있다. 이들에 의해, 아우터 튜브(10) 내가 소정의 압력으로 유지되면서, 아우터 튜브(10) 내의 가스가 배기된다. 또한, 배기된 가스는, 펌프(6)로부터 소정의 제해 설비에 유도되고, 여기서 제해되어 대기 방출된다.
이상의 구성에 있어서는, 이하의 수순에 의해, GaN막이 사파이어 기판 상에 퇴적된다. 우선, 도시하지 않은 승강 기구에 의해 웨이퍼 지지체(16)가 아우터 튜브(10) 내로부터 하방으로 취출되고, 도시하지 않은 웨이퍼 로더에 의해, 예를 들어 직경 4 인치를 갖는 복수의 사파이어 기판이 웨이퍼 지지체(16)에 탑재된다. 다음에, 승강 기구에 의해 웨이퍼 지지체(16)가 아우터 튜브(10) 내에 로드되고, 지지판(12)이 아우터 튜브(10)의 하단부에 시일 부재(도시하지 않음)를 통하여 밀착함으로써, 아우터 튜브(10)가 기밀하게 밀폐된다.
계속해서, 펌프(4 및 6)에 의해 아우터 튜브(10) 내를 소정의 성막 압력으로 감압한다. 이에 더불어, 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)를 개방하고, 개폐 밸브(33a 내지 33d)를 폐쇄하고, 캐리어 가스 공급원으로부터의 질소 가스를 흘리면, 유량 조정기(3Fa 내지 3Fd)에 의해 유량 제어된 질소 가스가, 배관(Ia 내지 Id) 및 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)를 통하여 배관(La 내지 Ld)으로 흐르고, 가스 공급관(17a 내지 17d)으로부터 아우터 튜브(10) 내로 흐른다. 또한, 개폐 밸브(Va 내지 Vd)를 개방함으로써, 유량 조정기(4Fa 내지 4Fd)에 의해 유량 제어된 질소 가스가, 배관(50a 내지 50d)을 통하여, 대응하는 배관(La 내지 Ld)으로 유입되고, 가스 공급관(17a 내지 17d)으로부터 아우터 튜브(10)로 흐른다.
상술한 바와 같이 하여 아우터 튜브(10) 내에 질소 가스를 흘림으로써, 아우터 튜브(10) 내를 퍼지하면서, 가열부(20)[제1 가열부(21) 및 제2 가열부(22)]에의 전력을 제어함으로써, 웨이퍼 지지체(16)에 지지되는 사파이어 기판(W)을 소정의 온도(예를 들어, 850℃ 내지 1050℃)로 가열한다. 사파이어 기판(W)의 온도는, 아우터 튜브(10) 내에 웨이퍼 지지체(16)의 길이 방향을 따르도록 배치되는 1 또는 복수의 열전대(도시하지 않음)에 의해 측정되고, 측정 온도에 기초하여 제어되어, 일정하게 유지된다.
아우터 튜브(10) 내의 퍼지가 완료되고, 사파이어 기판(W)의 온도가 소정의 온도로 안정된 후, GaN막의 성막을 개시한다. 구체적으로는, 우선, 개폐 밸브(Va 내지 Vd)를 개방하는 동시에, 개폐 밸브(Pa 내지 Pd)를 폐쇄함으로써, 유량 조정기(4Fa 내지 4Fd)에 의해 유량 제어된 NH3 가스가 아우터 튜브(10) 내에 공급된다. 이에 의해, 아우터 튜브(10) 내의 분위기가, 질소 분위기로부터 NH3 분위기로 변화되어 간다. 또한, 공급된 NH3 가스는, 사파이어 기판(W)의 열에 의해 분해된다. 이때, 사파이어 기판(W)의 표면은, NH3이 분해됨으로써 생성되는 N 원자에 의해 질화된다. 소정의 시간이 경과되어, 아우터 튜브(10) 내의 NH3 농도가 일정하게(NH3 가스 공급원에 있어서의 농도와 거의 동등하게) 된 후, 개폐 밸브(33a 내지 33d)를 개방하는 동시에 바이패스 밸브(Ba 내지 Bd)를 폐쇄함으로써, 유량 조정기(3Fa 내지 3Fd)에 의해 유량 제어된 질소 가스가 갈륨 원료조(31a 내지 31d)에 공급되고, TMGa 증기(가스)를 포함한 질소 가스가 배관(La 내지 Ld) 및 가스 공급관(17a 내지 17d)을 통하여 아우터 튜브(10) 내에 공급된다. 아우터 튜브(10) 내에 공급된 TMGa는 사파이어 기판(S)의 열에 의해 분해되고, 분해에 의해 생성된 Ga 원자와, NH3의 분해에 의해 생성된 N 원자가 사파이어 기판(W) 상에서 화합하여 GaN막이 퇴적된다.
이상 설명한 실시 형태에 따르면, 아우터 튜브(10)의 측주면에 가스 공급관(17a 내지 17d)이 설치되고, 이들로부터 아우터 튜브(10) 내에 프로세스 가스[예를 들어, TMGa 증기(가스)를 포함하는 캐리어 가스와 NH3 가스의 혼합 가스]가 공급된다. 예를 들어, 아우터 튜브(10) 내에 있어서, 그 길이 방향(높이 방향)으로 아래로부터 위로 연장되고, 복수의 구멍을 갖는 가스 공급 노즐 내를 프로세스 가스가 흐르는 경우에는, 가스 공급 노즐의 상단부를 향할수록 프로세스 가스가 가열되기 때문에, 온도가 다른 프로세스 가스가 각 웨이퍼(W)에 공급되게 되어, 프로세스 가스에 의한 웨이퍼 처리의 균일성이 손상될 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태에 따르면, 상술한 바와 같이, 프로세스 가스는, 아우터 튜브(10)의 길이 방향을 따라서 아우터 튜브(10) 내를 흐르는 일 없이, 아우터 튜브(10)의 측주면에 설치된 가스 공급관(17a 내지 17d)으로부터 웨이퍼(W)에 공급되므로, 프로세스 가스는, 거의 동등한 온도로 각 웨이퍼(W)에 공급될 수 있다. 이로 인해, 웨이퍼 처리의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 아우터 튜브(10) 내를 아래로부터 위로 프로세스 가스가 흐르는 경우와 달리, 프로세스 가스는, 거의 열분해(또는 열반응)하는 일 없이 웨이퍼(W)에 공급되고, 웨이퍼(W)의 열에 의해 열분해(또는 열반응)할 수 있으므로, 프로세스 가스의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, TMGa와 NH3을 사용한 GaN막의 퇴적의 경우, 아우터 튜브(10) 내를 아래로부터 위로 연장되는 가스 공급 노즐을 사용하여 TMGa와 NH3을 공급하면, 분해 온도가 낮은 TMGa는, 가스 공급 노즐 내나 반응관의 기상 중으로 분해되게 되어, 가스 공급 노즐 내나 반응관의 내면에 Ga가 석출되게 된다. 그렇게 하면, 사파이어 기판(W) 상에 퇴적하는 GaN막의 퇴적 속도가 저하되거나, 석출된 Ga가 박리되어 파티클로 된다고 하는 문제가 발생한다. 그러나, 본 실시 형태에 의한 열처리 장치(성막 장치)에 따르면, TMGa와 NH3이 아우터 튜브(10) 내를 긴 시간 흐르는 일은 없으며, 가스 공급관(17a 내지 17d)으로부터 사파이어 기판(W)의 표면에 즉시 도달할 수 있으므로, TMGa의 분해를 억제하여, 성막 속도의 저하나 Ga의 석출을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 도 1, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 아우터 튜브(10)가 제1 가열부(21)에 대하여 편심되어 배치되고, 제1 가열부(21)의 내측에 있는 가스 공급관(17a 내지 17d)의 길이가 최대한 짧아져 있기 때문에, 가스 공급관(17a 내지 17d)의 가열이 억제된다. 따라서, 가스 공급관(17a 내지 17d)이 가열되는 것에 의한 TMGa의 분해도 또한 억제하는 것이 가능하다.
이상, 몇 가지의 실시 형태 및 실시예를 참조하면서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예에 한정되는 일은 없으며, 첨부한 특허청구의 범위에 비추어, 다양하게 변형 또는 변경이 가능하다.
예를 들어, 열처리 장치(1)를 사용한 GaN막의 성막을 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스와 NH3을 원료 가스로서 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 질화 실리콘막을 퇴적하기 위해 열처리 장치(1)를 사용해도 되고, 실란(SiH4) 가스를 원료 가스로서 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 폴리실리콘막을 퇴적하기 위해 열처리 장치(1)를 사용해도 좋다. 또한, 박막의 퇴적뿐만 아니라, 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 열산화에 열처리 장치(1)를 사용해도 좋다.
또한, GaN막의 퇴적에 사용하는 갈륨 원료로서는, TMGa가 아니라, 트리에틸갈륨(TEGa) 등 다른 유기 갈륨 원료나, 염화갈륨(GaCl)을 사용해도 좋다. 또한, 트리알킬갈륨뿐만 아니라, 예를 들어 트리메틸인듐(TMIn) 등의 트리알킬인듐이 충전된 원료조를 갈륨 원료조(31a 내지 31d)의 각각과 병렬로 설치하고, 트리알킬갈륨의 증기(가스)를 포함하는 캐리어 가스와, 트리알킬인듐의 증기(가스)를 포함하는 캐리어 가스를 혼합하여, 아우터 튜브(10) 내에 공급해도 좋다. 이에 의해, 질화인듐갈륨(InGaN)을 퇴적하는 것이 가능해진다.
또한, 트리알킬갈륨(또한/또는 트리알킬인듐)이 가스 공급관(17a 내지 17d)에 있어서 분해되는 것을 더 억제하기 위해, 대략 동심원 형상으로 2개의 석영관으로 구성되는 이중관으로 가이드관(10a 내지 10d)을 형성하고[바꾸어 말하면, 가이드관(10a 내지 10d)에 재킷을 설치하고], 내관의 내측으로부터 아우터 튜브(10) 내에 캐리어 가스를 흘리는 동시에, 내관과 외관 사이에 예를 들어 냉각 매체를 흘림으로써, 아우터 튜브(10)를 냉각하는 것이 바람직하다.
또한, 아우터 튜브(10)에 설치되는 배기관(14)은, 본 실시 형태에 있어서는 가이드관(10d)의 하방에 형성되어 있지만, 아우터 튜브(10)에 있어서의 가이드관(10a 내지 10d)의 반대측에 상당하는 위치(대향 위치)를 피한 위치에 형성해도 좋다. 예를 들어, 대향 위치의 측방, 하방, 또는 상방에 배기관을 형성해도 좋다. 또한, 대향 위치의 측방에 배기관(14)을 설치하는 경우, 대향 위치의 양측에 하나씩의 배기관을 설치해도 좋다. 또한, 대향 위치의 측방에, 가이드관(10a 내지 10d)에 대응하여 복수의 배기관을 설치해도 좋다.
또한, 제1 가열부(21)는, 슬릿(23C, 24C)을 갖는 대략 원기둥 형상의 형상을 갖고 있지만, 예를 들어 다각형 기둥 형상을 가져도 된다. 이 경우, 슬릿(23C, 24C)은, 다각형 기둥의 변을 따라서 형성되면 바람직하다.
또한, 이너 튜브(11) 내에 있어서, 하방으로부터 상방을 향하여 연장되는 가스 도입관을 설치하고, 가스 공급관(17a 내지 17d)과 병용해도 좋다. 이 경우, 분해 온도가 낮은 가스를 가스 공급관(17a 내지 17d)으로부터 공급하고, 분해 온도가 높은 가스를 가스 도입관으로부터 공급하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 분해 온도가 낮은 가스가 웨이퍼(W)에 도달하기 전에 분해되는 것을 억제할 수 있어, 분해 온도가 높은 가스를 충분히 가열하고 나서 웨이퍼(W)에 도달시킬 수 있다. 즉, 가스의 분해 온도에 따라서, 가스를 적절하게 가열하는 것이 가능해진다.

Claims (7)

  1. 복수의 기판이 선반 형상으로 겹쳐지는 지지체와,
    상기 지지체를 내부에 수용 가능한 반응관이며, 상기 반응관의 측부에 설치되고 상기 반응관의 내부에 가스를 공급하는 복수의 가스 공급관을 포함하는 당해 반응관과,
    상기 반응관의 내부에 수용되는 상기 지지체에 배치되는 상기 기판을 가열하는 제1 가열부이며, 상기 제1 가열부의 하단부로부터 상단부까지 연장되고, 상기 복수의 가스 공급관이 통과할 수 있는 슬릿을 갖고, 상기 제1 가열부에 있어서의 상기 슬릿 이외의 전체 내면이 상기 반응관의 측부에 면하는 제1 가열부 및,
    상기 제1 가열부의 외측에 배치되어, 상기 복수의 가스 공급관이 통과할 수 있는 슬릿과 상기 슬릿의 양측에 설치된 연결 부재가 장착되는 장착부를 갖는 하우징을 구비하는, 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 가열부의 상기 슬릿의 테두리를 따라서 설치되는 제2 가열부를 더 구비하는, 열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응관이, 하부에 개구를 갖는 덮개가 있는 원통 형상을 갖고,
    상기 제1 가열부가 원통 형상을 갖고,
    상기 제1 가열부는, 상기 슬릿이 상기 반응관의 측부에 근접하도록, 상기 반응관에 대하여 편심되는, 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬릿을 통과하는 상기 복수의 가스 공급관과, 상기 슬릿의 테두리 사이의 공간을 메우는 단열재를 더 구비하는, 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 가스 공급관이 상기 반응관의 길이 방향을 따라서 배열되는, 열처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 가열부의 상단부에 배치되는 제3 가열부를 더 구비하는, 열처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 가스 공급관의 하방에 형성된 배기관을 갖고,
    상기 복수의 가스 공급관으로부터 공급된 가스는 상기 배기관으로부터 배기되는, 열처리 장치.
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