(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、熱硬化性樹脂成形体を炭化焼成してなる円筒状をなすガラス状炭素製内管前記ガラス状炭素製内管の内側に収容され、ウェハを複数枚縦に並べて搭載するウェハ搭載ボードと、前記反応容器の外側に配設され、前記ガラス状炭素製内管を発熱させることにより前記ウェハを加熱するための高周波誘導コイルと、前記ガラス状炭素製内管内にその下方より反応ガスを導入するとともに、前記ガラス状炭素製内管の上端側開口より導出された反応後のガスを前記反応容器と前記ガラス状炭素製内管との間の空間通路を下降させて前記反応容器から排出するためのマニホールドと、を備えていることを特徴とする縦型減圧ＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記ガラス状炭素製内管と前記高周波誘導コイルとの間に、又は前記高周波誘導コイルの外側周りに断熱体が配設されていることを特徴とする請求項１記載の縦型減圧ＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板であるウェハ上に薄膜を形成する縦型減圧ＣＶＤ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体集積回路製造プロセスでは、酸化・拡散処理装置、気相エピタキシャル成長装置、減圧ＣＶＤ装置（ＬＰＣＶＤ装置）、アニール装置などの種々のＩＣプロセス装置が使用されている。そして、これらでは、ＩＣを形成する（ＩＣを形成中又は形成しようとする）ウェハを加熱するための加熱手段が備えられている。
【０００３】
図２は、従来技術を説明するためのものであって、加熱手段として抵抗加熱によるヒータを備えた縦型減圧ＣＶＤ装置の一例を示す模式的構成説明図である。減圧ＣＶＤでは、一般に、温度４００〜８００℃で、０．１〜３０Ｔｏｒｒ（約
０．０１３ｋＰａ〜４．０ｋＰａ）の圧力下で成膜が行われる。
【０００４】
このバッチ式の縦型減圧ＣＶＤ装置は、図２に示すように、空断面円形で上部がドーム状をなす石英製の反応容器５１と、この反応容器５１内に配され、円筒状をなす石英製の内管５４と、さらにこの内管５４の内側に配され、ウェハ５２を多数枚（例えば１００〜１５０枚程度）縦に並べて搭載するウェハ搭載ボード５３と、マニホールド５６とを備えている。さらに、この縦型減圧ＣＶＤ装置は、反応容器５１の外側に本例ではこれを囲繞する状態で同心状に配設された円筒状をなすヒータ５５を備えている。前記反応容器５１、内管５４、ウェハ搭載ボード５３及びヒータ５５は、軸線を同じにして設けられる。マニホールド５６には、反応容器５１と内管５４が載置されるとともに、ウェハ搭載ボード５３が図示しない保温筒を介して載置されるようになっている。また、マニホールド５６は、内管５４の内側に反応ガスなどを導入するガスインジェクタ５７ａ，５７ｂを備えるとともに、反応後のガスあるいは未反応ガスを反応容器５１から排出させるガス排気口５８を有している。
【０００５】
このような抵抗加熱によるヒータ５５を備えた縦型減圧ＣＶＤ装置を用いて、ウェハ５２に例えばポリシリコン膜を形成する場合について説明する。まず、各ウェハ５２をウェハ搭載ボード５３に搭載し、このウェハ搭載ボード５３を載置した保温筒（図示省略）とともに該ウェハ搭載ボード５３を、マニホールド５６下端側の開口部（図示省略）から内管５４の内側に収容する。マニホールド５６の開口部は図示しないハッチによって塞がれるようになっている。次いで、抵抗加熱によるヒータ５５により内管５４の内側空間を所定の温度に加熱するとともに、内管５４内にガスインジェクタ５７ａからシランガスを供給する。このシランガスが加熱されてウェハ５２表面上で熱分解反応することにより、ウェハ５２表面上にポリシリコン膜を形成する。反応後のガスあるいは未反応ガスは、内管５４と反応容器５１との間の空間通路を経てガス排気口５８から外部に排出される。このように、この縦型減圧ＣＶＤ装置では、ウェハ上に成膜を行うに際し、加熱手段として抵抗加熱によるヒータ５５を用いてウェハ５２の加熱を行っている。
【０００６】
図３は、参考例としてのものであって、加熱手段として赤外線ランプを備えた枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す模式的構成説明図である。シリコンの気相エピタキシャル成長は、使用する原料ガス（四塩化ケイ素ガス、二塩化シランガス、三塩化シランガス及びシランガスの４種類）によって異なるが、その反応は温度１１００〜１２００℃くらいで行われるものである。
【０００７】
図３に示すように、石英からなる反応容器６１内には、ウェハ６２が一枚ずつ載置されて該ウェハ６２を支持する円盤状のサセプタ６３が配置されている。サセプタ６３は、表面が炭化珪素の被膜でコーティングされた黒鉛基材からなるものである。反応容器６１の外側には、これと同心状に加熱装置としての複数個の赤外線ランプ６４が配設されている。反応容器６１内の上部空間６１ａでは、ガス供給口６５からキャリアガスである水素ガスとともに導入された原料ガス（ドーパントを含む）がウェハ６２の表面をほぼ層流を形成しながら流れ、反対側の排気口６６から排出される。また、反応容器６１内の下部空間６１ｂでは、原料ガス（反応ガス）よりも高圧にてパージガスである水素ガスが供給される。この気相エピタキシャル成長装置では、反応容器６１内に載置されたウェハ６２を上下より反応容器６１を通して赤外線ランプ６４によって所定の温度に放射加熱（輻射加熱）しながら、気相成長によるシリコンエピタキシャル層の形成を行っている。このように、この気相エピタキシャル成長装置では、気相成長によるシリコンエピタキシャル層の形成を行うに際し、加熱手段として赤外線ランプ６４を用いてウェハ６２の加熱を行っている。
【０００８】
図４は、参考例としてのものであって、加熱手段として高周波誘導コイルを備えた枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【０００９】
図４に示すように、石英からなる反応容器７１内には、ウェハ７２が一枚ずつ載置される円盤状をなす黒鉛製のサセプタ７３が配置されている。反応容器７１の外側におけるサセプタ７３の下方位置には、ウェハ７２を支持するサセプタ７３を発熱させることにより該ウェハ７２を加熱するための高周波誘導コイル７４が配設されている。高周波誘導コイル７４とサセプタ７３は、ウェハ７２を加熱するための加熱装置を構成している。反応容器７１内では、ガス供給口７５から原料ガス（反応ガス）などが導入されてウェハ７２の表面をほぼ層流を形成しながら流れ、反対側の排気口７６から排出される。この気相エピタキシャル成長装置では、高周波誘導コイル７４によってサセプタ７３を発熱させることによりウェハ７２を所定の温度に加熱しながら、気相成長によるシリコンエピタキシャル層の形成を行っている。このように、この気相エピタキシャル成長装置では、気相成長によるシリコンエピタキシャル層の形成を行うに際し、加熱手段として高周波誘導コイル７４と黒鉛製のサセプタ７３とを用いてウェハ７２の加熱を行っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述したヒータによる輻射あるいは伝導熱による加熱を行う手段では、ヒータの出力と被加熱物であるウェハとの間の熱伝導に規制されるため、表１に示すように、原理的に急速な昇温・降温には不向きである。このため、ウェハの昇温と降温に時間がかかってスループットが悪いという欠点がある。
【００１１】
【表１】
0003984820.tif 000002
【００１２】
一方、前述した赤外線ランプによる放射加熱を行う手段では、被加熱物であるウェハとの距離依存性が大きいことから、数枚のウェハに対して１０個単位のランプを用意することが必要であり、表１に示すように、ウェハの大量処理ができないという欠点がある。また、前述した高周波誘導コイルによる加熱を行う手段では、ウェハを加熱するために発熱させるサセプタが円盤状をなしており、この円盤状をなすサセプタ上にウェハを載置するようにしたものであるから、ウェハの大量処理ができないという欠点がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ウェハの均一な加熱とウェハの急速な昇温・降温を行うことができるとともに、ウェハの大量処理が行えるようにした縦型減圧ＣＶＤ装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願発明は次のような構成としている。請求項１の発明は、反応容器と、前記反応容器内に配され、熱硬化性樹脂成形体を炭化焼成してなる円筒状をなすガラス状炭素製内管と、前記ガラス状炭素製内管の内側に収容され、ウェハを複数枚縦に並べて搭載するウェハ搭載ボードと、前記反応容器の外側に配設され、前記ガラス状炭素製内管を発熱させることにより前記ウェハを加熱するための高周波誘導コイルと、前記ガラス状炭素製内管内にその下方より反応ガスを導入するとともに、前記ガラス状炭素製内管の上端側開口より導出された反応後のガスを前記反応容器と前記ガラス状炭素製内管との間の空間通路を下降させて前記反応容器から排出するためのマニホールドと、を備えていることを特徴とする縦型減圧ＣＶＤ装置である。
【００１５】
請求項２の発明は、前記請求項１の記載の縦型減圧ＣＶＤ装置において、ガラス状炭素製内管と高周波誘導コイルとの間に、又は前記高周波誘導コイルの外側周りに断熱体が配設されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置は、反応容器内に配される内管として、従来の石英製とは違ってガラス状炭素製内管を備え、反応容器の外側に配設された高周波誘導コイルに交流高周波電力を供給してガラス状炭素製内管を発熱させることにより、該ガラス状炭素製内管の内側に収容されたウェハ搭載ボードに縦に並べられている各ウェハを加熱するとともに、ガラス状炭素製内管内へ導入された反応ガスを熱エネルギーにより熱分解反応させて、各ウェハ上に成膜を行うように構成されている。
【００１７】
本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置は、内管がこれをガラス状炭素製とすることで発熱体を兼ねている。ガラス状炭素（ＧＬＣ）は、熱硬化性樹脂を原料とし、これを硬化した後、不活性雰囲気中又は真空中で焼成炭化して得られるものである。ガラス状炭素は、一般の炭素材料が有する軽量、耐熱性、耐食性、導電性などの性質を備えているほか、高純度、高強度（鏡面加工可能）、ガス不透過性、低発塵性などの優れた特徴を持っている。そのため、反応容器内に配されるガラス状炭素製内管は、不純物粒子やガスを放出することがなく、また、ガス吸着が少なく、さらに化学的に安定であることから、高温、腐食性の反応条件下でもウェハを汚染することがない。なお、ガラス状炭素が無定形の均質な連続緻密組織を持つものであるのに対して、黒鉛材はカーボン粉末粒子の集合体からなる組織を持つものである。このため、黒鉛材ではカーボン粉末が発生したり、反応中に吸蔵ガスを放出したりするという不具合がある。
【００１８】
また、ガラス状炭素製内管は、高周波誘導で生じる電流による発熱であることから急速な昇温が可能である一方、熱容量が小さいという性質を持つガラス状炭素で構成されているので急速な降温が可能である。さらに、無定形の均質な連続緻密組織を持ち熱伝導に優れるという性質を持つガラス状炭素で構成されているので、ガラス状炭素製内管は均熱性に優れている。また、ガラス状炭素製内管は、一度に多数枚のウェハを処理するバッチ式が可能な大きさのものが製作できる。このように、本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置によれば、ウェハの均一な加熱とウェハの急速な昇温・降温を行うことができるとともに、ウェハの大量処理をなしうる。
【００１９】
また、ガラス状炭素製内管と高周波誘導コイルとの間に、又は高周波誘導コイルの外側周りに断熱体が配設されている縦型減圧ＣＶＤ装置では、ガラス状炭素製内管からの熱が反応容器の外部へ逃げる量を減らすことができ、加熱効率（熱利用率）を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の縦型減圧ＣＶＤ装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【００２１】
このバッチ式の縦型減圧ＣＶＤ装置は、図１に示すように、空断面円形で上部がドーム状をなして閉じられた石英製の反応容器１１と、この反応容器１１内に配され、円筒状をなすガラス状炭素製内管１と、さらにこのガラス状炭素製内管１の内側に配され、ウェハ（シリコンウェハ）１２を多数枚縦に並べて搭載するウェハ搭載ボード１３と、マニホールド１４とを備えている。さらに、この縦型減圧ＣＶＤ装置は、反応容器１１の外側を覆う炭素繊維フェルトからなる断熱体６と、該断熱体６で覆われた反応容器１１の外側にこれと同心状をなして配設された空心コイル型の高周波誘導コイル２と、整合器４を介して高周波誘導コイル２に交流高周波電力を供給する高周波交流電源３と、制御器５とを備えている。制御器５は、センサとして本例では熱電対（図示省略）で反応容器１１内の温度を検出し、その値を高周波交流電源３の出力にフィードバックして温度制御を行うものである。
【００２２】
前記反応容器１１、ガラス状炭素製内管１、ウェハ搭載ボード１３、及び高周波誘導コイル２は、軸線を同じにして設けられる。前記マニホールド１４には、反応容器１１とガラス状炭素製内管１が載置されるとともに、ウェハ搭載ボード１３が図示しない保温筒を介して載置されるようになっている。また、マニホールド１４は、ガラス状炭素製内管１の内側に反応ガスなどを導入するガスインジェクタ１５ａ，１５ｂを備えるとともに、反応後のガスあるいは未反応ガスを反応容器１１から排出させるガス排気口１６を有している。
【００２３】
前記ガラス状炭素製内管１、高周波誘導コイル２、高周波交流電源３、整合器４、制御器５及び断熱体６は、この縦型減圧ＣＶＤ装置における加熱手段を構成している。ここで、ガラス状炭素製内管１は、熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂を原料として公知の方法により製作することができる。ガラス状炭素製内管１の前駆体である樹脂成形体は遠心成形により製作することが好ましい。該樹脂成形体を１０００℃以上、好ましくは１５００℃以上の温度で焼成して、ガラス状炭素製内管１に転化させるようにすればよい。そして必要により、所要の長さ、内径及び外径寸法になるように機械加工すればよい。
【００２４】
次に、この縦型減圧ＣＶＤ装置を用いて、ウェハ１２に例えばポリシリコン膜を形成する場合について説明する。まず、各ウェハ１２をウェハ搭載ボード１３に搭載し、このウェハ搭載ボード１３を載置した保温筒（図示省略）とともに該ウェハ搭載ボード１３を、マニホールド１４下端側の開口部（図示省略）からガラス状炭素製内管１の内側に収容する。マニホールド１４の開口部は図示しないハッチによって塞がれるようになっている。次いで、高周波誘導コイル２に交流高周波電流を流しガラス状炭素製内管１を発熱させて該ガラス状炭素製内管１の内側空間を所定の温度に加熱するとともに、ガラス状炭素製内管１内にガスインジェクタ１５ａからシランガスを供給する。このシランガスが加熱されて熱分解反応することにより、ウェハ１２表面上にポリシリコン膜を形成する。反応後のガスあるいは未反応ガスは、ガラス状炭素製内管１と反応容器１１との間の空間通路を経てガス排気口１６から外部に排出される。ポリシリコン膜の形成を終了すると、高周波誘導コイル２への通電を停止する。
【００２５】
このように、本実施形態による縦型減圧ＣＶＤ装置は、反応容器１１内に配される内管として、従来の石英製とは違ってガラス状炭素製内管１を備え、反応容器１１の外側に配設された高周波誘導コイル２に交流高周波電力を供給してガラス状炭素製内管１を発熱させることにより、該ガラス状炭素製内管１の内側に収容されたウェハ搭載ボード１３に縦に並べられている各ウェハ１２を加熱するとともに、ガラス状炭素製内管１内へマニホールド１４によって導入された反応ガスを熱エネルギーにより熱分解反応させて、各ウェハ１２上に成膜を行うように構成されている。これにより本実施形態による縦型減圧ＣＶＤ装置によれば、内管としてガラス状炭素製内管１を備え、これを高周波誘導加熱により発熱させるようにしたものであるから、ウェハの均一な加熱とウェハの急速な昇温・降温を行うことができるとともに、ウェハの大量処理を行うことができる。よって、従来の石英製内管と抵抗加熱式ヒータを備えたものに比べて、ウェハの急速な昇温・降温を行えるので、ウェハの大量処理の時間短縮を図ることができる。
【００２６】
また、本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置は、ＣＶＤ装置のｉｎ−ｓｉｔｕ装置クリーニングを行えるという利点がある。この点について説明する。ＣＶＤ（化学的気相成長）処理に際し、ウェハ搭載ボードを収容する前記内管などのような装置構成パーツには、ＣＶＤ工程を繰り返すにしたがい、その表面に不要な膜が堆積していく。この堆積膜の膜厚が限度以上になると、膜剥れによるパーティクルが発生してウェハの歩留りが低下するので、その前に、これまで使用していた内管を新しいものに取り替え、取り外したものはフッ酸などによる薬液洗浄が行われる。このような内管取替えのためには、装置の運転を停止する必要があり、また、新しい内管をセットすると成膜条件を安定させるために空運転が必要となる。このような一連の操作のため、実操業時間が減って生産性が低下することになる。そこで、最近では、取替えによる装置の運転停止時間を減らすため、三フッ化塩素などのガスをＣＶＤ装置内に導入し、不要の堆積膜と反応させることで該堆積膜をガス状態で除去するようにしたｉｎ−ｓｉｔｕ装置クリーニング（「そのままで」行える装置クリーニング）が行われるようになってきている。ところが、従来の石英製あるいは炭化珪素（ＳｉＣ）製の内管では、耐食性が十分でないため、このようなｉｎ−ｓｉｔｕ装置クリーニングの適用には大きな制限があった。
【００２７】
これに対して、ガラス状炭素製内管は、その耐食性が極めて優れているので、前記三フッ化塩素などの強腐食性ガスによっても侵されることがなく、また、従来の内管とは違ってガラス状炭素製内管自体が発熱することから、顕著なガスによるクリーニング効果が得られる。このように、本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置は、ｉｎ−ｓｉｔｕ装置クリーニングを容易に行えるという利点がある。
【００２８】
なお、前記本実施形態による縦型減圧ＣＶＤ装置では、反応容器１１の外側を覆う炭素繊維フェルト製の断熱体６を設けているので、ガラス状炭素製内管１からの熱が反応容器１１の外部へ逃げる量を減らすことができる。断熱体６を配設しない場合、ガラス状炭素製内管１の発熱量の約１／２が反応容器１１の外部へ逃げることになる。本実施形態では、反応容器１１と高周波誘導コイル２との間に断熱体６を配設したが、高周波誘導コイル２の外側に該コイル２及び反応容器１１を取り囲むように断熱体を配設するようにしてもよい。
【００２９】
次に、本発明の縦型減圧ＣＶＤ装置における前記加熱手段についての、具体的な実験結果の一例について紹介する。石英製の反応容器内にガラス状炭素製内管を収容し、該反応容器の外側に高周波誘導コイルを配設して、反応容器内に窒素ガスを通しながらガラス状炭素製内管を発熱させた。断熱体は設けていない。この実験用のガラス状炭素製内管は、厚み２ｍｍ×外径６０ｍｍφ×長さ１１０ｍｍである。水冷が施される空心コイル型の高周波誘導コイルは、内径８５ｍｍ×４ターン（コイルピッチ１０ｍｍ）のものを、外径６ｍｍφの水冷銅管を用いて作製した。高周波誘導コイルに周波数４３０ｋＨｚ、出力１．２ｋＷ、電流６Ａの条件で電流を流した。その結果、ガラス状炭素製内管の長手方向中心位置における内周面の温度を室温から８５０℃に昇温させるのにかかる時間は、わずか３分であった。
【００３０】
表２は、縦型減圧ＣＶＤ装置に備えられる加熱手段の一具体例を示したものである。
【００３１】
【表２】
0003984820.tif 000003
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による縦型減圧ＣＶＤ装置は、反応容器内に配される内管として、従来の石英製とは違ってガラス状炭素製内管を備え、反応容器の外側に配設された高周波誘導コイルに交流高周波電力を供給してガラス状炭素製内管を発熱させることにより、該ガラス状炭素製内管の内側に収容されたウェハ搭載ボードに縦に並べられている各ウェハを加熱するとともに、ガラス状炭素製内管内へ導入された反応ガスを熱エネルギーにより熱分解反応させて、各ウェハ上に成膜を行うように構成されている。したがって、ウェハの均一な加熱とウェハの急速な昇温・降温を行うことができるとともに、ウェハの大量処理を行うことができる。よって、従来の石英製内管と抵抗加熱式ヒータを備えたものに比べて、ウェハの急速な昇温・降温を行えるので、ウェハの大量処理の時間短縮を図って生産性を高めることができる。また、断熱体を備えたものでは、ガラス状炭素製内管からの熱が反応容器の外部へ逃げる量を減らすことができ、加熱効率（熱利用率）を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の縦型減圧ＣＶＤ装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【図２】  従来技術を説明するためのものであって、加熱手段として抵抗加熱によるヒータを備えた縦型減圧ＣＶＤ装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【図３】  参考例としてのものであって、加熱手段として赤外線ランプを備えた枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【図４】  参考例としてのものであって、加熱手段として高周波誘導コイルを備えた枚葉式の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す模式的構成説明図である。
【符号の説明】
１…ガラス状炭素製内管  ２…高周波誘導コイル  ３…高周波交流電源  ４…整合器
５…制御器  ６…断熱体  １１…反応容器  １２…シリコンウェハ  １３…ウェハ搭載ボード  １４…マニホールド  １５ａ，１５ｂ…ガスインジェクタ  １６…ガス排気口
【図１】
0003984820.tif 000004
【図２】
0003984820.tif 000005
【図３】
0003984820.tif 000006
【図４】
0003984820.tif 000007