JP4407331B2 - 半導体熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハの表面に、例えばポリシリコン膜や窒化膜等の非酸化膜や酸化膜を形成するための半導体熱処理装置に関する。

従来、半導体熱処理用の低圧ＣＶＤ装置や高温熱処理炉に用いられるアウターチューブやインナーチューブとしては、高純度のものが入手しやすく、耐熱性があり、また熱膨張率が小さいので発生熱応力が小さく、しかも熱伝導率が小さいので断熱性に優れる等の理由で石英ガラスが一般的に使用されてきた。近年、堆積膜がポリシリコン膜や窒化膜の場合、石英ガラスとの熱膨張率の差により装置内の堆積膜が剥離してウエハーの汚染源となるパーティクルが発生する問題やさらなる耐熱性の要求から炭化ケイ素製のアウターチューブ（特許文献１、２参照。）等を使用した半導体熱処理装置が提案されている。

しかし、炭化ケイ素は石英ガラスに比べて熱膨張率と熱伝導率が共に大きいことから、特許文献２の第７図（本件第４図）に示されるように主にＡ、Ｂ、Ｃの３箇所に引張応力や曲げ応力が発生するため壊れやすいという問題がある。さらに、熱伝導率が大きいためにアウターチューブと基台との間にシール部材として通常、介装されるＯリングが焼き付けしやすく、それによってガスシール性が損なわれやすいという問題もある。

この対策として、熱源からＯリングを物理的に離すため炭化ケイ素質アウターチューブの下面とヒータの最下端との間の距離を２００ｍｍ以上とする方法（以下、対策Ａという。）が提案されている（特許文献１参照。）。別の対策として炭化ケイ素質アウターチューブのフランジ部と基台との間にシールリングを介在させると共に、前記フランジ部の前記シールリングよりも内周の部分を基台上に当接支持させる方法（以下、対策Ｂという。）も提案されている（特許文献２参照。）。

ところが、近年、１回の処理で大量のＳｉウエハを処理したいとの要望も強く、低圧ＣＶＤ装置等の半導体熱処理装置内でのＳｉウエハ処理枚数を増やすため、均熱帯を広くする、すなわちヒータ下端をできるだけ基台に近づける傾向にあり、前記２００ｍｍ以上を確保することが難しくなっているため、対策Ａ以外の方法が要求されるようになってきた。

また、Ｓｉウエハの口径は２００ｍｍから３００ｍｍ以上へと、ますます大口径化し、それにつれてアウターチューブの外径も３５０ｍｍ以上へと大口径化している。そのため、対策Ｂを採用する場合、アウターチューブのフランジの冷却が不充分となるおそれがあるほか、内周で支持する箇所が線接触で、その接触位置も熱処理温度により変化することから、シール部材への荷重圧力が温度により変化し、特に低温での処理の際にシール圧が不足しガス漏れのおそれもある。

すなわち、対策Ａ、対策Ｂ以外の方法で、大口径化、大処理量化、パーティクル汚染防止等の要求に対応し、使用するアウターチューブ等の形状、使用に制約が少なく、アウターチューブ等を内周で支持しなくてもアウターチューブ等が熱応力で破損しにくく、耐久性が充分にあり、しかもシール性に優れた半導体熱処理装置は提案されていない。

特開平９−２５１９９１号公報（第１頁〜第７頁、図１） 特開平１０−１９５６５７号公報（第１頁〜第８頁、図１〜図７、特に図７）

本発明は、大口径化、大処理量化、パーティクル汚染防止等の要求に対応し、使用するアウターチューブ等の形状、使用に制約が少なく、アウターチューブ等を受ける基台の内周に凸接を設け、その凸接で支持をしなくてもアウターチューブの耐久性が充分にあり、しかもシール性に優れた半導体熱処理装置の提供を目的とする。

本発明は、上部が閉塞され、下部が開口され、下部外周にフランジ部が設けられた炭化ケイ素質のアウターチューブと、前記アウターチューブを下部で支持し、前記アウターチューブの下面との間を気密シールしてなる基台と、この基台の中央部に設けた開口に対して開閉可能に設けられた蓋体と、前記アウターチューブの外周面および上面を囲み、内側にヒータを設けた炉壁とをそなえた半導体熱処理装置であって、前記アウターチューブと前記基台との間に環状のシール部材と環状の支持部材とを前記シール部材の外周に前記支持部材が配置されるように介装し、かつ前記支持部材の有効熱伝達係数が５０〜２０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であることを特徴とする半導体熱処理装置を提供する。

本装置では、特定の有効熱伝達係数を有する支持部材をシール部材と併用することにより、熱処理時において外管に発生する熱応力を吸収でき、その結果、外管の形状の制約が少ないため外管設計の自由度が高くなり、しかも外管の製造も容易になる。また、本装置により半導体熱処理装置の外管の口径を大口径化したり、ヒータの最下端の位置を外管下端から２００ｍｍよりもかなり近づけても外管が発生する熱応力で破損しないため、１回の熱処理で大量の半導体ウエハを処理できる特徴を有する。また、外管を基台の内周で支持する場合に比べてシール性も格段に向上する。

本発明の半導体熱処理装置（以下、本装置という。）は、上部が閉塞され、下部が開口され、下部外周にフランジ部が設けられた炭化ケイ素質のアウターチューブ（以下、外管という。）と、前記外管を下部で支持し、前記外管の下面との間を気密シールしてなる基台と、この基台の中央部に設けた開口に対して開閉可能に設けられた蓋体と、前記外管の外周面および上面を囲み、内側にヒータを設けた炉壁とをそなえた半導体熱処理装置である。なお、本装置を低圧ＣＶＤ装置として用いる場合は、前記外管の内周に所定の間隙を介して配置され、上下が開口された炭化ケイ素質のインナーチューブ（以下、内管という。）を、前記基台の上に載置することが好ましい。

本装置は、前述したような対策Ａや対策Ｂを採用しなくとも外管に発生する熱応力を低減でき、しかも外管が破損しにくく、シール性にも優れる半導体熱処理装置を提供するため、シール性の確保はあくまでもＯリングに代表される環状のシール部材によることとし、外管に発生する熱応力を低減させることと環状のシール部材の温度を適度に冷却するために環状のシール部材の外周側に環状の支持部材を設け、該支持部材の有効熱伝達係数を５０〜２０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とすることにより、外管フランジ部から前記基台の熱伝導を制御することを特徴とする。

以下、本装置を図面を用いて説明する。図１は、本装置６０が外管７２と内管７１を共に備えた低圧ＣＶＤ装置の場合の縦断面図の一例である。この本装置６０は、金属缶体６１と、その内周に貼られた断熱材６２とからなる炉壁６３を有している。炉壁６３の内周にはヒータ６４が取り付けられている。炉壁６３の下面は、基台６５によって閉塞されている。基台６５の中央には、半導体ウエハＷの導出入口をなす開口が設けられ、図示しないリフトによって昇降動作することにより、上記開口を開閉する蓋体６６が設けられている。さらに、基台６５にはガスの導入排出口６７が設けられている。

基台６５上には、上下端面が開口された炭化ケイ素質の内管７１と、この内管７１の外周を所定の間隙をもって囲む、同じく炭化ケイ素質の外管７２の二重管７３が設置されている。なお、内管７１は本装置においては必ずしも必要なものではないが低圧ＣＶＤ装置においては通常あるものである。外管７２は、円筒状の周壁７２ａと、この周壁７２ａの上面を閉塞する上壁７２ｂと、周壁７２ａの下端外周に設けられたフランジ部７２ｃとで構成されている。

基台６５のフランジ部７２ｃの下面が接する部分には環状の凹部、またはステップが形成され、この凹部等に環状のシール部材６８が介装されていてフランジ部７２ｃの下面を気密的にシールしている。なお、基台６５内には、図示しない水冷ジャケットが形成されており、環状のシール部材６８の熱損傷を防止するようにしている。環状のシール部材６８の外周には環状の支持部材９２がある。

本装置において支持部材９２は、有効熱伝達係数（熱通過率）が５０〜２０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）である。ここで、有効熱伝達係数とは、前記外管のフランジ部７２ｃから基台６５へ単位時間当たり通過する熱量を支持部材の面積で除したものをいい、支持部材９２の面積とは、使用状態における上からの投影面積をいう。

有効熱伝達係数が５０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）未満であるとフランジ部の冷却が不充分でＯリングなどのシール部材６８が焼け付くなど熱損傷するおそれがあり、一方、有効熱伝達係数が２０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）を超えるとフランジ部７２ｃの内周と外周での温度差が大きくなりすぎフランジ部で破損しやすくなるおそれがある。比較的高温の半導体工程に用いるためには、有効熱伝達係数が１０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）以下であると好ましい。有効熱伝達係数が１００〜６００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であるとより好ましく、２００〜５００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であるとさらに好ましい。

支持部材としては、有効熱伝達係数が上記範囲であれば特に制限されないが、一体物に限定されず複数の同一材料、同種材料または異種材料を積層して構成してもよい。図２に本装置の支持部材９２周辺の拡大図を示す。図中、９２が環状のシール部材６８の外周に介装される環状の支持部材である。また、シール部材６８、支持部材９２ともに環状であるが一体物のリングである必要はなく、リングを複数に分割し、合わせてリングとしてもよい。

図３に支持部材９２の代表的な形態を示す。図３（ａ）は部材を高さ方向に積層して支持部材９２を形成した場合を、図３（ｂ）は木の年輪のように部材を周方向に同心円状に積層して支持部材９２を形成した場合を、図３（ｃ）は高さ方向に部材を積層後、外管のフランジ部７２ｃと接する面にテーパを形成した支持部材９２とした場合を、それぞれ示す。なお、積層の仕方としては高さ方向と周方向の両方向に積層してもよい。また、高さ方向に積層する場合は、図３（ａ）のように積層する部材の形状を同一に揃える必要はなく、例えば、上から下にかけて順々に面積が大きくなるようにしてもよく、また一番下の部材の面積のみを大きくしてもよい。

図３（ａ）のように高さ方向に積層する場合は、異種材料を複合化する場合だけでなく、同種材料を多層化することでも有効熱伝達係数を制御できるため、同種材料、異種材料のいずれで積層化してもよい。しかし、図３（ｂ）のように同心円状に積層する場合、伝熱の方向が上下方向であることから同種材料を多層化することでは有効熱伝達係数の制御は実質的に難しく、異種材料を同心円状に多層化することが好ましく、より好ましくは異種材料を交互に同心円状に多層化するとさらに好ましい。

必要に応じて支持部材の外管フランジ７２ｃと接する面に使用時の熱変形に対応するようにテーパやステップを形成すると外管の破損防止の点で好ましい（図３（ｃ）参照。）。テーパを形成する場合は、外管フランジ７２ｃと接する面全体をテーパとしてもよく、また、前記接する面の一部にテーパを形成してもよい。ステップを形成する場合の段数や、ステップの高さ、幅等も適宜選択できる。

支持部材９２の弾性率が０．２〜１２０ＧＰａであると好ましい。弾性率がこの範囲にあると外管フランジ部の熱変形に対応して支持部材９２が変形できるため外管７２の破損防止に寄与するため好ましい。支持部材９２の弾性率が１２０ＧＰａを超えると、炭化ケイ素質の外管の弾性率約３５０ＧＰａ、基台に使用されることの多いステンレスの弾性率約２００ＧＰａとの差が相対的に小さくなり、外管７２の熱変形に追従して変形しにくくなる。一方、支持部材９２の弾性率が０．２ＧＰａ未満であるとＯリングなどのシール部材６８が荷重でつぶれやすくなるおそれがある。

支持部材９２の弾性率は、使用温度が高いほど熱変形に起因する変形が大きくなり、それに対応するためには、弾性率が１００ＧＰａ以下であると好ましく、弾性率が８０ＧＰａ以下であるもとさらに好ましい。支持部材９２の弾性率が５０ＧＰａ以下であると特に好ましい。一方、シール部材６８の一例であるＯリングのつぶれ等を防ぎ耐久性をのばすためには、支持部材９２の弾性率が０．５ＧＰａ以上あると好ましく、１ＧＰａ以上あるとさらに好ましい。

上記のような特性をもつ支持部材９２の具体的な材質としてはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンとの共重合体（ＦＥＰ）、四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体（ＰＦＡ）、四フッ化エチレンとエチレンとの共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂が挙げられる。弾性率や熱特性を制御するため、ガラス繊維との複合材料としてもよく、多孔質体としてもよい。

耐熱性樹脂以外のものとしては、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）およびシルミン（Ａｌ８８％−Ｓｉ１２％）に代表されるアルミニウム−シリコン合金などの非鉄金属を単独でまたは併用して使用することが挙げられる。なお、支持部材６９とともに外管７２と基台６５との間に介装されるシール部材６８としては、低圧ＣＶＤ装置用途等では耐熱性のあるフッ素ゴム製のＯリングが、それらより高温の用途ではＡｌ製のガスケットが、それぞれ挙げられる。

本装置６０において外管７２は、半導体処理用途の炭化ケイ素質であれば特に制限はないが、鉄に代表される不純物が５０質量ｐｐｍ以下の高純度であると好ましく、表面に炭化ケイ素膜がＣＶＤコートされていると、ＨＦ等の酸による繰り返しの洗浄に対しても耐久性が高くなるので、さらに好ましい。内管７１を併用する二重管の場合、内管７１を外管と同様の高純度の炭化ケイ素であるとより好ましい。また、基台６５、蓋体６６、炉壁６３は通常のものが好適に使用され、これも特に制限はない。通例、基台６５、蓋体６６はステンレス製とされ、炉壁６３はステンレスの缶体６１とシリカ・アルミナ系の断熱材６２の組み合わせがよく使用される。

また、本装置６０は上記構成を有し半導体ウエハを熱処理するものであれば特に制限はないが、用途としては低圧ＣＶＤ装置、熱酸化処理炉、アニール炉などが挙げられる。図１は、本装置６０が低圧ＣＶＤ装置の例である。低圧ＣＶＤ装置の使用方法は、ウエハボート５０に多数の半導体ウエハＷを挿入支持させ、蓋体６６上に載置させ二重管７３内に導入し、蓋体６６によって基台６５の開口部を閉じる。

次に、ガス導入排出口６７を通して二重管７３内を減圧し、反応ガスを導入して半導体ウエハＷの表面にＣＶＤ膜を形成する。こうして成膜が終了したら、二重管７３内の減圧を解除し、蓋体６６を下降させてウエハボート５０に支持された半導体ウエハを取り出す。このような操作を繰り返すことにより、半導体ウエハＷの表面に繰り返しＣＶＤ膜を形成できる。

以下に本発明の実施例（例１、例２）と比較例（例３）を示す。

［例１］
内径２７０（ｍｍ）、厚さ２．５（ｍｍ）、高さ１２００（ｍｍ）の不純物としてＦｅ５質量ｐｐｍを含む炭化ケイ素からなる内管７１と、内径３０７（ｍｍ）、厚さ４．５（ｍｍ）、高さ１４００（ｍｍ）、フランジ内径３０７（ｍｍ）、フランジ外径４００（ｍｍ）、フランジ厚さ１０（ｍｍ）の不純物としてＦｅ５質量ｐｐｍを含む炭化ケイ素からなる外管７２とを備えた図１の構成の低圧ＣＶＤ装置を使用した。

前記外管７１と前記基台６５との間には、シール部材６８としてはフッ化ビニリデンゴム製のＯリング（ＪＩＳ Ｂ２４０１ 呼び番号Ｖ３３５）を介装し、支持部材９２として外径４１０（ｍｍ）、内径３５０（ｍｍ）、高さ約４（ｍｍ）で図３（ｂ）に示すようにＡｌと多孔質のＰＴＦＥを同心円状に外周からＰＴＦＥ、Ａｌ、ＰＴＦＥの順にほぼ均等な幅となるような５層構成としたものをＯリング６８の外側に介装させた。

また、外管７２のフランジ下端からのヒータ高さＨは８０ｍｍとなるようにしてある。この低圧ＣＶＤ装置６０を使用して半導体ウエハＷに対するフラットポリシリコン（Ｆ−Ｐｏｌｙ）ＣＶＤ膜の形成作業を６３０℃にて４０回繰り返したが、外管７２、Ｏリング６８にクラック等の異常は観察されなかった。また、シール性も充分あり二重管７３の内部の真空度も一定の範囲内であった。なお、支持部材９２の弾性率は２９ＧＰａ、有効熱伝達係数は５５０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であった。

［例２］
例１の低圧ＣＶＤ装置において、図３（ａ）に示すように支持部材９２として３ｍｍ厚さのＡｌと１ｍｍ厚さのＰＴＦＥを高さ方向に積層したものを使用した以外は例１と同様にした。これを用いて、例１と同様のＣＶＤ膜の形成作業を４０回繰り返したが、外管７２、Ｏリング６８にクラック等の異常は観察されなかった。また、シール性も充分あり二重管７３の内部の真空度も一定の範囲内であった。さらに、この低圧ＣＶＤ装置を用いて、例１より温度の高い７５０℃にて窒化ケイ素ＣＶＤ膜の形成作業を４０回繰り返したが、同様に問題はなかった。なお、支持部材９２の弾性率は１．９ＧＰａ、有効熱伝達係数は２２２Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であった。

［例３］
例１の低圧ＣＶＤ装置において、支持部材９２を介装しないでＯリング６８だけとした以外は例１と同様にした。これを用いて、例１と同様のＣＶＤ膜の形成作業を２回繰り返したところで外管７２の下部７２ａの部分にクラックが形成されているのを確認したので作業を中止し、装置を分解して観察したところＯリング６８の一部に焼けが認められた。

大口径化、大処理量化、パーティクル汚染防止等の要求に対応し、使用するアウターチューブ等の形状、使用に制約が少なく、アウターチューブ等を受ける基台の内周に凸接を設け、その凸接で支持をしなくてもアウターチューブの耐久性が充分にあり、しかもシール性に優れた半導体熱処理装置を提供できる。

本装置に係る低圧ＣＶＤ装置の縦断面図。 図１の支持部材９２周辺の部分拡大図。 本装置の支持部材９２の実施態様。（ａ）：部材を高さ方向に積層して形成した支持部材。（ｂ）：部材を周方向に同心円状に積層して形成した支持部材。（ｃ）：部材を高さ方向に積層後、フランジ部７２ｃと接する面にテーパを形成した支持部材。 高温使用時の外管７２の変形概念図。

符号の説明

５０：ウエハボート
６０：本装置（低圧ＣＶＤ装置）
６１：金属缶体
６２：断熱材
６３：炉壁
６４：ヒータ
６５：基台
６６：蓋体
６７：ガスの導入排出口
６８：シール部材（Ｏリング）
７１：インナーチューブ（内管）
７２：アウターチューブ（外管）
７２ａ：周壁
７２ｂ：上壁
７２ｃ：フランジ部
７３：二重管
９２：支持部材
Ｈ ：外管の下端からヒータ６４の最下端までの距離
Ｗ ：半導体ウエハ

Claims (4)

1. 上部が閉塞され、下部が開口され、下部外周にフランジ部が設けられた炭化ケイ素質のアウターチューブと、前記アウターチューブを下部で支持し、前記アウターチューブの下面との間を気密シールしてなる基台と、この基台の中央部に設けた開口に対して開閉可能に設けられた蓋体と、前記アウターチューブの外周面および上面を囲み、内側にヒータを設けた炉壁とをそなえた半導体熱処理装置であって、前記アウターチューブと前記基台との間に環状のシール部材と環状の支持部材とを前記シール部材の外周に前記支持部材が配置されるように介装し、かつ前記支持部材の有効熱伝達係数が５０〜２０００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）であることを特徴とする半導体熱処理装置。
2. 前記支持部材が複数の部材を高さ方向および／または周方向に積層したものである請求項１記載の半導体熱処理装置。
3. 前記支持部材がフッ素樹脂および／またはアルミニウムである請求項１または２記載の半導体熱処理装置。
4. 前記アウターチューブの内周に所定の間隙を介して配置され、上下が開口された炭化ケイ素質のインナーチューブを含む請求項１、２または３記載の半導体熱処理装置。
   

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