(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバーにプロセスガスを供給するためのガス供給装置を備える前記反応チャンバーを有する熱反応炉と、前記チャンバーからガスを排気するための、前記反応チャンバーの下流端に配置されたガス排気管とを提供するステップであって、互いに接触する反応炉部品が、前記下流端近くに配置されたメカニカルシールを形成する、ステップと、
前記反応炉部品間のインターフェイスを横切って前記反応チャンバーの内部に前記パージガスを供給するステップと、
前記プロセスガスの平均分子量を求めるステップと、
前記下流端が前記反応チャンバーの下端にある時は、前記プロセスガスより高い平均分子量のパージガスが選択され、前記下流端が前記反応チャンバーの上端にある時は、前記プロセスガスより低い平均分子量のパージガスが選択されるように前記パージガスを選択するステップとを備えるメカニカルシールパージ方法。
【請求項２】
前記プロセスガスが酸素を備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シールが前記反応チャンバーの底部に配置され、前記パージガスがＡｒを備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記シールは、ウェハボート回転機構のためのフィードスルーをシールする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記パージガスは、Ｎ２、Ａｒ、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、Ｈｅ、Ｎｅ、および、Ｋｒからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プロセスガスは、反応体ガスとキャリヤーガスとの混合物である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パージガスは、１または複数の不活性ガスを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シールが前記反応チャンバーの底部に配置され、前記パージガスの平均分子量が前記混合物であるプロセスガスの平均分子量より大きい請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記プロセスガスの平均分子量および前記パージガスの平均分子量は、前記プロセスガスと前記パージガスとの構成物の分子量を参照することによって決定される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
メカニカルシールとガス排気管とを有する反応チャンバーを含む半導体熱処理反応炉を提供するステップであって、前記メカニカルシールは、前記反応炉の部品が向き合うことによって形成される、ステップと、
前記反応チャンバー内部のガスの圧力に対して、前記チャンバー外部の周囲の大気における前記シールの周囲のパージガスに超過圧力を発生させるステップとを備え、
重力または浮力の影響下で、前記パージガスが前記反応チャンバーに入る場合は、前記パージガスが前記メカニカルシールの近位の場所に残存するように前記パージガスが選択される半導体処理方法。
【請求項１１】
前記メカニカルシールは、前記反応チャンバーの底部にあり、超過圧力を発生させるステップは、不活性ガスを前記周囲の大気へ流すステップを備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスが前記反応チャンバー内部のガスの平均分子量より大きい平均分子量を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記反応チャンバーは、前記反応チャンバーの底部にガス排気管を備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記パージガスは、アルゴンを備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
チャンバーの端の近位のガス排気管と不活性ガスのための開口部とを有する縦型の反応チャンバーを提供するステップと、
前記縦型の反応チャンバーにプロセスガスが注入されている間に、不活性ガスを前記開口部を通して前記縦型の反応チャンバーの中に流すステップとを備え、
前記ガス排気管および前記開口部が前記縦型の反応チャンバーの下流端の近位にあり、前記不活性ガスは、重力および浮力によって、前記ガス排気管の近位における前記縦型の反応チャンバーの前記下流端に偏るように前記不活性ガスが選択される半導体処理方法。
【請求項１６】
前記縦型の反応チャンバーがメカニカルシールを備え、前記メカニカルシールが不活性ガスのための前記開口部を備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記メカニカルシールおよび前記ガス排気管が前記縦型の反応チャンバーの底部の端にある請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記不活性ガスが前記プロセスガスより大きな分子量を有する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記プロセスガスが酸素を備える請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体処理の分野に関し、より詳細には、熱処理に使用される熱反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱反応炉は、一般に、チャンバーの周囲環境からシールされている反応チャンバーを備える。反応チャンバーは、メカニカルシールをいくつかの場所に、例えば、一個以上のサブストレートを反応チャンバーの中に供給することを可能にする開放可能なドアの位置に、または、ガス供給チューブまたはガス排気チューブがチャンバーと接続される位置に備えていてもよい。また、処理中にサブストレートが回転するチャンバー内に、処理中にサブストレートを回転させるための回転機構のフィードスルーを備えていてもよい。
【０００３】
これらのメカニカルシールは、周囲環境との相互作用による処理の劣化を最小にするために気密であるのが好ましい一方、これらのシールのいくつかは、シールにおいて、および、シールの周りで局部的に高温であるため気密でなくてもよい。不活性ガスを用いてそのようなシールをパージすることは、周囲のガスが反応チャンバーに入るのを防ぐために、または、プロセスガスが好ましくない場所で反応チャンバーから出るのを防ぐために機能することができる。処理に使用される他のガスに関係なく、例えば、窒素ガスが不活性であり、簡単に利用でき、比較的費用がかからないというような実用的および経済的な理由によって、窒素ガスは、一般に、シールのためのパージガスとして使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シールパージ自体が好ましくない面倒な要因を引き起こすことがあるということがわかっている。例えば、パージすることは、結果として、パージガスでプロセスガスを希薄化することになる。そのうえ、反応チャンバーのボリューム全体においてこの希薄化が均一でないことがあり、反応チャンバー内の位置によって処理結果が変化して不均一な結果となる。
【０００５】
例えば、縦型の炉の一部である反応チャンバーのボート回転機構の回転フィードスルーをパージするために不活性ガスが使用される時、不均一な熱酸化膜が発生することがある。これらの縦型の炉は、通常、下端にドアを備え、そして、ボートを回転するためのフィードスルーは、通常、ドアに備えられる。プロセスガスの排気管はまた、通常、炉の下端に備えられる。酸素を使用した酸化処理中にフィードスルーが窒素を用いてパージされた時、酸化物の厚さと均一性は、かなり影響され、例えば、ウェハとウェハ、および、単一のウェハ上のひとつのポイントと他のポイントというような炉内の位置によって変化することがあるということが観察されている。
【０００６】
したがって、反応炉内で行われた処理に大きく不利益に影響しない、熱反応炉のシールパージ方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このように、本発明のひとつの態様によれば、熱反応炉の下流端のメカニカルシールがパージガスを用いてパージされており、そして、パージガスは、プロセスガスの濃度およびシールの位置とによって選択される。シールが反応炉の下端に位置するとき、パージガスは、使用されるプロセスガスより重いものが選択される。シールが反応炉の上端に位置するとき、パージガスは、使用されるプロセスガスより軽いものが選択される。ガス排気管は、シールとほぼ同じ反応炉の端に位置するのが好ましい。“より重い”によってパージガスがプロセスガスの分子量より大きい分子量を有するということを意味する。反対に、“より軽い”によって逆のことを意味し、つまり、パージガスがプロセスガスの分子量より小さい分子量を有するということを意味する。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、半導体処理のための方法が提供される。本方法は、メカニカルシールとガス排気管とを有する反応チャンバーを有する半導体反応炉を提供するステップを備える。メカニカルシールは、反応炉の部品を整合することによって形成される。チャンバーの外部のボリュームにあるシールの周囲のパージガスに超過圧力を発生させる。超過圧力は、反応チャンバー内部のガスの圧力に対して超過する圧力である。重力または浮力の影響下で、パージガスが反応チャンバーに入る場合は、パージガスがメカニカルシールの近位の場所に残存するようにパージガスが選択される。
【０００９】
本発明のさらに他の態様によれば、縦型の半導体反応炉が提供される。反応炉は、反応チャンバーを画定する複数の壁を備える。端壁が反応チャンバーの端の近位にあり、メカニカルシールを備える。面は、シールの近位にあり、反応チャンバーの外側の端壁側でシールを取り囲んでいるボリュームを少なくとも部分的に画定する。反応炉は、ボリュームに通じシールとガス連絡しているパージガスの入口をさらに備える。パージガスの入口は、パージガスをボリュームに放出するために形成され、パージガスの分子量を有するパージガスのパージガス供給源と接続される。反応炉はまた、プロセスガスを反応チャンバーへ放出するプロセスガスの入口を備える。プロセスガスの入口は、プロセスガスの分子量を有するプロセスガスのプロセスガス供給源と接続される。プロセスガスとパージガスは、重力と浮力によって、シールの近位におけるチャンバーの端にパージガスが偏るように選択される。
【００１０】
本発明は、本発明を説明するものであって限定するものではない好ましい実施形態の詳細な説明と添付された図面からさらに理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、技術的に知られている様々な反応炉に適用できるのだが、縦型の反応炉に適用する際に特に有利である。例示的な反応炉１０は、図１に示され、オランダ国のエーエスエムインターナショナル エヌ．ヴェー．の商品名Ａ４１２（登録商標）において商業的に利用できる。反応チャンバー１２は、鉛直方向に伸びている概円錐形状のプロセスチューブ１４によって区切られている。前記チューブの下側は開いており、ドア１６で閉じられることができる。ドア１６は、例えばウェハ（図に示さない）のようなサブストレートを多数縦に積み重なるように収容できるボート１８を支持している。プロセスガスは、反応チャンバー１２の先端の近位のプロセスガスの入口１９を通って反応チャンバー１２に入り、そして、反応チャンバー１２の底部の近位のガス排気管２４を通って反応チャンバー１２を出るために、通常、下向きに流れる。
【００１２】
図示された実施形態において、ドア１６で支持されたボート１８が処理中に回転できるように、ドア１６は、ボート回転駆動モーター（図に示さない）と連結させるために形成されたボート回転ベアリング２０を備えている。図示された反応炉において、ボート回転ベアリング２０は、ボート１８と直接的に接触および支持している回転板２１を支持している。メカニカルシールは、例えば、反応炉１２の周囲の環境から前記チャンバー１２の雰囲気を分離するために様々な部品が向き合い、好ましくは、接触する時に形成される。例えば、回転ベアリング２０の面と様々な他の面、例えば、ドア１６や回転板２１の面とのインターフェイスは、周囲の環境から前記チャンバー１２を密閉するためのメカニカルシールを作るために結合する。しかしながら、ボート回転ベアリング２０は、かなり乏しいシール機能を備える。安全性の理由のため、不活性ガスまたは“パージガス”をガスの入口２３から流すことにより不活性ガスボリューム２２がドア１６の下側に維持され、不活性ガスボリューム２２は、反応チャンバー１２への不活性ガスの確実な流れが常に維持されるように、プロセスチューブ内の圧力よりわずかに高い圧力を有する。
【００１３】
不活性ガスまたはパージガスは、希ガスまたは他の比較的不活性のガスであることができるということが十分理解されるであろう。不活性ガスに超過圧力を与えることによって、プロセスガスがベアリング２０を通って前記チャンバー１２から漏れることを防ぐことができる。プロセスガスの排気管２４は、通常、パージガスの大部分が反応チャンバー１２から直接的に排気されるように、好ましくはプロセスチューブ１４の下端の回転ベアリング２０の近くに配置される。多少のパージガスはまた、ボート回転ベアリング２０から漏れることにより間接的に排気されてもよい。図示されたように、排気管２４および回転ベアリング２０の両方は、反応チャンバー１２の下流端にある。
【００１４】
図２は、反応炉１０の下側部分を図示しており、ドア１６、不活性ガスボリューム２２、排気管２４および回転ベアリング２０をより詳細に示している。矢印２６は、ガスがガスの入口２３からボリュームに入り、排気管２４を通って出るガスボリューム２２を通るパージガスの流れを図示する。図示された実施形態の中のドア１６は、好ましくは、反応チャンバー１２を閉める耐熱性のものとして、例えば、石英のような耐熱性の高い材料で形成された耐熱性の高いの上側ドアプレート１６Ａと、上側ドアプレート１６Ａのすぐ下に、例えば、金属のような耐熱性の低い材料で形成された下側ドアプレート１６Ｂを備える。なぜなら、下側ドアプレート１６Ｂには耐熱の必要がないからである。
【００１５】
さらに排気管２４と回転ベアリング２０が近くにあると、パージガスが処理結果に不利益に影響する可能性があるということがわかる。例えば、シールがＡｒによってパージされた時は、そのような影響が見られないのに対して、シールがＮ２でパージされた時は、Ｏ２の熱酸化によって形成された酸化皮膜の厚さと均一性に不利益に影響するということがわかっている。
【００１６】
この影響が引き起こす例示的な作用を図３に示す。２ｓｌｍの流量の酸素がプロセスチューブを通って供給され、５ｓｌｍの流量の不活性パージガス（Ｎ２またはＡｒ）がドアプレートのボート回転ベアリングを通って供給された。ウェハボートの下端の近くに収容されたウェハ上に形成された酸化皮膜の厚さが測定された。Ｎ２がパージガスとして使用された時、Ａｒがパージガスとして使用された時よりさらに薄い酸化皮膜が形成された。
【００１７】
Ｎ２の分子量は、２８であり、分子量が３２である酸素より小さいということは認識されているであろう。理論によって本発明は限定されないのだが、より軽いＮ２ガスのかなりの部分が直接的に排出されるのではなく、通常、下方向に向かう全体的なガスの流れる方向にかかわらず、反応チャンバー内で上昇する傾向を有するということが考えられる。そのように上昇することによって、Ｎ２はパージするのに難しい“気泡”を作り、Ｏ２濃度に局部的に影響する。
【００１８】
パージガスとしてＡｒを使用する時、そのような影響は見られなかった。これは、Ａｒの原子量がＯ２より大きい４０であるという事実によって説明してよい。結果として、ＡｒがＯ２雰囲気中で上昇する傾向を有しないということが明らかである。Ａｒは、通常、反応チャンバーの底の端に残り、ウェハの処理結果に不利益に影響を与える前に直接的に排出されることができる。
【００１９】
また図３に示されるように、ウェハボートの回転は、これらの結果を大幅に変えなかった。ウェハの表面を覆う厚さの変化は、ボートの回転なしでより大きくなっているのだが、ウェハボートが回転した時であってもパージガスの性質が処理結果に影響を及ぼした。これは、流れのパターンを引き起こした重力が、反応チャンバーの底部側の排気管の位置と反対の側面において、最も大きな影響を持つ事例であるということが考えられる。Ｎ２の“気泡”は、反応チャンバーの底部および排気管の反対の側面において最も顕著であり持続性があると思われる。ボートを回転させることによって、この酸化物厚さの変化は、外から中へ回転対称パターンになる。しかしながら、ボートの回転は、パージガスがなおプロセスガスの濃度を薄める効果を有するので、酸化物の厚さを増やすことができない。
【００２０】
分子量およびガス濃度が観察された処理結果の原因であったということを実証する試験において、ガスの流れが反対にされた。すなわち、Ｏ２がボート回転ベアリングを通って供給され、Ｎ２またはＡｒがプロセスチューブを通って供給された。ウェハボートの下端近くに収容されたウェハ上に形成された酸化物の厚さが測定され、それが図４に示される。Ａｒがチューブを通って供給された時、ボート回転ベアリングを通ってパージされたＯ２が上昇する傾向を有し、半導体サブストレートに到達するのだが、有効な酸化物の厚さが半導体サブストレート上に形成されるということがわかった。Ｎ２がプロセスチューブを通って供給される時、より重いＯ２が前記チューブの底部の端に残る傾向があり半導体サブストレートに到達せず、酸化物の形成がほとんどないという結果となった。また、この場合において、ウェハボートの回転は、選択されたパージガスの効果を打ち消さなかった。しかしながら、例えば、前記回転ベアリング２０とドア１６との間のインターフェイスのようなパージされたメカニカルシールとサブストレートとの間の距離が処理結果に影響するということが十分理解されるであろう。すなわち、シール近くのサブストレートは、パージガスと接触しそうであり、そのため、反応チャンバーのその反対の端にあるサブストレートより、パージガスによって影響される処理結果を有するということが十分理解されるであろう。
【００２１】
好ましい実施形態が特定の例に関して説明されたが、それらはより広く応用されることができ、これらの例に限定されたものではないということはまた十分理解されるであろう。例えば、ボート回転ベアリングは説明を簡単にするために論じられているが、好ましい実施形態は、密閉されていないおよび／またはパージガスによってパージをする必要がある他のシールに応用されることができる。そのようなシールの一実施形態は、石英チューブのフランジを機械的にシールする石英ドアプレートのシールを含んだドアプレートのシールを含み、そしてそこに、周囲のガスがメカニカルシールを通り抜けるのを防ぐために、わずかに超過圧力の不活性ガスが石英ドアの外側に適用されるものである。好ましい実施形態が有利に適用されることができる他のシールの種類の例は、ボールジョイント連結のためのシールである。反応チャンバーの上端の近くに配置されることができ窒素の供給源と連結された溝を有するシールを用いた例示的なボールジョイント連結は、ここに参照によって組み込まれる２００２年１２月３１日に発行された米国特許第６，４９９，７６８号、二つのチューブを連結するためのジョイントアセンブリが開示された明細書の全体に開示される。また、特に不活性ガスがガスシールを形成するための構成の中から外へ流れるようにできている場合において、好ましい実施形態が応用されることができるシールの他の例は、プロセスチューブの支持構成のためのシールである。そのようなガスシールを有するプロセスチューブの支持構成は、ここに参照によって組み込まれる２００４年６月８日に発行された米国特許第６，７４６，２４０号、円周の導管を用いたプロセスチューブ支持スリーブが開示された明細書全体に記載される。
【００２２】
さらに、Ｏ２がプロセスガスとして、Ａｒが好ましいパージガスとして述べられたが、これらのガスは、プロセスガスとパージガスの間の望ましい関係を説明するために簡単に述べられた。したがって、ガス排気管およびパージされるメカニカルシールが反応チャンバーの下端近くに配置された場合においては、パージガスがプロセスガスより大きな分子量または高い濃度を有する限り、他のガスの組み合わせが可能である。例えば、Ｏ２がプロセスガスとして使用されると同時に、例えば、比較的不活性のガスであるＮ２Ｏおよび／またはＣＯ２のような分子量のより大きなガスが重いパージガスとして使用することができる。したがって、使用されるプロセスガスによって、例示であるＮ２、Ａｒ、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、Ｈｅ、Ｎｅ、および、Ｋｒを含む他のパージガスに限定されない。いくつかの実施形態において、パージガスは、反応チャンバーへ反応体を供給するために使用されるキャリヤーガスと同じガスまたは異なるガスであることができる。様々なパージガスとプロセスガスの導入は、例えば、プロセスガスとパージガスの分子量または濃度を踏まえて、プロセスガスに基づく適当なパージガスを選択するために形成された制御装置を伴った、マイクロプロセッサーまたはコンピューターを基部とするガス流制御装置によって行うことができる。
【００２３】
排気管およびパージされるメカニカルシールが反応チャンバーの上端に位置している場合、プロセスガスより軽いパージガスが選択されることが好ましい。したがって、これらの場合においては、パージガスはプロセスガスより小さい分子量または低い濃度を有することが好ましい。
【００２４】
通常、パージガスおよびプロセスガスは、反応チャンバーに入る際、これらのガスの分子量および濃度がサブストレートによって占有されているスペースにパージガスの“気泡”の形成を防ぐように選択されるのが好ましい。パージされたメカニカルシールおよびガス排気管が反応チャンバーの同じ部分に位置する場合、パージガスおよびプロセスガスは、パージガスが重力または浮力の影響によりチャンバーのその部分に残存するように選択されることが好ましい。さらに、パージガスの量に伴う、サブストレートを反応させるプロセスガスの希薄を最小にするために、パージされたメカニカルシールおよび排気管は、反応チャンバーの同じ場所で、サブストレートから離れて位置するのが好ましい。
【００２５】
さらに、パージガスおよびプロセスガスが純ガスであるとして論じているが、プロセスガスおよびパージガスのどちらも単一の化学種を有する純ガスである必要はない。代わりに、どちらか、または、両方が純ガスの混合物であってもよい。例えば、プロセスガスは、反応体ガスおよびキャリヤーガスの混合物であることができる。上述の分子量の関係は、例えば、ガスの混合物の平均分子量を参照することによって維持されるのが好ましい。例えば、ガス排気管およびパージされるメカニカルシールが反応チャンバーの下端近くに位置する場合、パージガスの平均分子量は、プロセスガスの平均分子量より大きいことが好ましい。例えば、５０％がＮ２で、５０％がＡｒの混合物は、平均分子量が（２８＋４０）／２＝３４であるので、より小さい分子量３２であるＯ２と一緒にプロセスガスとして使用できる。他の実施形態において、排気管とシールが反応チャンバーの上端に位置する場合、パージガスの平均分子量は、プロセスガスの平均分子量より小さいことが望ましいということが十分理解されるであろう。
【００２６】
したがって、当業者によって、本発明の範囲から逸脱しないで上述の方法に他の様々な省略、追加および修正がされることができるということが十分理解されるであろう。添付された特許請求の範囲によって定義されるように、そのような全ての修正および変更は、本発明の範囲内にあるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態によるパージされたシールを備える炉の横断面図である。
【図２】パージされたシールをより詳細に示す図１の下側部分の拡大図である。
【図３】プロセスガスとしてＯ２を使用し、シールのためのパージガスとしてＮ２およびＡｒを使用してシリコンサブストレート上に形成された酸化膜の厚さを示すグラフである。
【図４】図3のプロセスガスおよびパージガスを反対にした実験において、シリコンサブストレート上に形成された酸化膜の厚さを示すグラフである。ここでは、プロセスガスの代わりとしてＮ２およびＡｒが注入され、シールのためのパージガスとしてＯ２が使用された。
【符号の説明】
【００２８】
１０：反応炉
１２：反応チャンバー
１４：プロセスチューブ
１８：ボート
１９：入口
２０：ボート回転ベアリング
２１：回転板
２２：ボリューム
２３：入口
２４：ガス排気管
【図１】
0004764016.tif 000002
【図２】
0004764016.tif 000003
【図３】
0004764016.tif 000004
【図４】
0004764016.tif 000005