(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下端開口より基板の搬入出が行われる縦型反応炉と、該縦型反応炉の外側を囲繞するように設けられ反応炉内に挿入された基板を加熱するヒータと、上下方向に複数の基板を積層状態で搭載して前記縦型反応炉内に出し入れされる縦型ボートとを備え、前記ヒータを制御することにより所定の速度で反応炉内の基板を昇温及び降温させる半導体製造装置において、
前記縦型ボートに、基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設け、
該リングホルダの上面内周部に前記リングホルダの外周縁の厚みよりも小さい一定の厚みで形成された段差を持つ基板載置部を設け、
前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの部分に前記ヒータから前記基板外周部へ入射する輻射熱を遮る機能を持たせるように、
前記縦型ボートは、上下のリングホルダの隙間を通して前記基板の外周部に入射する前記輻射熱の熱線の入射角を所定値以下に制限するために、前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの距離が前記リングホルダの上下方向の間隔に基づいて設定されていることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記基板載置部の周面がテーパ面で構成されていることを特徴とする請求項１の半導体製造装置。
【請求項３】
複数の基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設け、該リングホルダの上面内周部に前記リングホルダの外周縁の厚みよりも小さい一定の厚みで形成された段差を持つ基板載置部を設け、
前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの部分に前記ヒータから前記基板外周部へ入射する輻射熱を遮る機能を持たせるように、
上下のリングホルダの隙間を通して前記基板の外周部に入射する前記輻射熱の熱線の入射角を所定値以下に制限するために、前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの距離が前記リングホルダの上下方向の間隔に基づいて設定されていることを特徴とする縦型ボート。
【請求項４】
ヒータにより外側を囲繞するように設けられた縦型反応炉に、複数の基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設け、該リングホルダの上面内周部に前記リングホルダの外周縁の厚みよりも小さい一定の厚みで形成された段差を持つ基板載置部を設け、前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの部分に前記ヒータから前記基板外周部へ入射する輻射熱を遮る機能を持たせるように、上下のリングホルダの隙間を通して前記基板の外周部に入射する前記輻射熱の熱線の入射角を所定値以下に制限するために、前記リングホルダの外周縁から前記基板載置部の外周縁までの距離が前記リングホルダの上下方向の間隔に基づいて設定された縦型ボートの前記基板載置部に基板を載置して挿入する工程と、
前記縦型反応炉内で前記縦型ボートの前記基板載置部に載置された基板を処理する工程と、を有し、
前記基板処理工程では、前記ヒータを制御することにより所定の速度で前記縦型反応炉内の基板を昇温させる工程と、前記ヒータを制御することにより所定の速度で前記縦型反応炉内の基板を降温する工程と、を含むことを特徴とする半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般の昇温・降温速度よりも高速で昇温・降温を行う高速昇温降温速度炉を反応炉として備えた縦型拡散装置や縦型ＣＶＤ装置等の半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の縦型拡散装置や縦型ＣＶＤ装置等の半導体製造装置では、縦型の反応炉に対しウェーハ（基板）を出し入れする手段として縦型ボートを使用しており、縦型ボートに多数のウェーハを水平姿勢で上下方向に多段に搭載して処理を行っている。
【０００３】
図３は従来の半導体製造装置の一例を示している。図３において、１は縦型反応炉、２は該縦型反応炉１の上端部に設けられたガス吹出口、３はガス吹出口２に処理ガスを送り込むガス供給路、４は縦型反応炉１の下部に設けられたガス排出路、５は縦型反応炉１の下端開口を塞ぐボートキャップ、１０はキャップ５上に載せられた縦型ボートである。縦型反応炉１の周囲には、図示しないが、縦型反応炉１内の雰囲気を加熱するヒータが設けられている。
【０００４】
ウェーハ（基板）Ｗは、縦型ボート１０に水平姿勢で搭載された形で、反応炉１の内部に装入される。図４は従来の半導体製造装置に使用されている縦型ボートの構成を示している。この縦型ボート１０は、図４（ａ）に示すように、上下端にリング状の端板１２、１３を配し、上下の端板１２、１３間に、３・４本の支柱１４を円周方向に所定の間隔をあけて互いに平行に立設したものである。各支柱１４の内側面には、図４（ｂ）に示すように、上下方向に一定の間隔で多数のスリット１５を水平に形成することにより、半導体ウェーハＷの周縁部を支持する多数のウェーハ保持爪１６が突設されており、各ウェーハ保持爪１６上に半導体ウェーハＷを載せることで、上下方向に多数のウェーハＷを積層状態で搭載できるようになっている。
【０００５】
ウェーハＷは、例えば処理ガスを、ガス供給路３→ガス吹出口→反応炉１内→ガス排出路４の順路で流しながら高温雰囲気下で処理される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体デバイスの高集積化に伴い、サーマルバジェットの低減やスループットの向上を図るために、従来の縦型拡散装置や縦型ＣＶＤ装置において高速での昇温・降温処理が必要になってきた。
【０００７】
しかし、通常の縦型反応炉に用いられている、図４に示すようなボート１０を用いて高速昇温・降温処理を行った場合、昇温・降温時にウェーハＷ面内に大きな温度差が生じるという問題があった。例えば、８インチウェーハの場合、ウェーハ間隔５．２ｍｍで昇温・降温速度を５０℃/minとした場合、約６０℃以上の温度差が生じることがあった。この場合、昇温時には凹面状の温度分布（中央部が低温で周辺部が高温の温度分布）となり、降温時には凸面状の温度分布（中央部が高温で周辺部が低温の温度分布）となる。
【０００８】
このような過大な温度差がウェーハ面内に生じた場合、その温度差によってウェーハ内に熱応力が発生してウェーハＷに撓みが生じ、ウェーハ保持爪１６上においてウェーハＷにスリップが発生するという問題があった。
【０００９】
このウェーハ面内に過大な温度差が生じる原因について検討してみたところ、積層状態に搭載してあるウェーハＷの間隔が狭いために、ウェーハの外周側からの輻射加熱によりウェーハが不均一に加熱されることに原因があることが分かった。
【００１０】
即ち、昇温時には、ウェーハは、ウェーハの外周側にあるヒータ（加熱源）からの輻射熱によって加熱されるが、ウェーハの上下間隔が狭いので、ウェーハ全面に均等に輻射熱が行き渡らない。まず、ヒータの輻射熱によってウェーハ外周部が加熱され、熱伝導によってウェーハ外周部から、温度の低いウェーハ中心部に熱が伝わり、ある時間経過後にウェーハ全面が均一な温度になるのであるが、ヒータによる昇温速度がウェーハ面内における熱伝導による熱の移動速度よりも速いために、ウェーハ全面の温度均一化が遅れ、ウェーハ面内に凹面状の温度分布が生じることになる。
【００１１】
また、降温時には、昇温時とは逆に、ウェーハ外周部へ入射する輻射熱量が時間と共に減少し、且つ、ウェーハ外周部から対流や熱伝導によって外部に熱が逃げることによって、ウェーハ周辺部がウェーハ中心部よりも速く温度が低下するが、温度の高いウェーハ中心部からウェーハ外周部への熱伝導による熱の移動速度が、ヒータによる降温速度より遅いために、ウェーハ面内の温度均一化が遅れて、ウェーハ面内に凸面状の温度分布が生じることになる。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮し、通常より高速で昇温・降温処理を行う場合に、ウェーハ面内の過大な温度差を低減し、過大な温度差によって発生するウェーハ支持部のスリップを防止することのできる半導体製造装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、下端開口より基板の搬入出が行われる縦型反応炉と、該縦型反応炉の外側を囲繞するように設けられ反応炉内に挿入された基板を加熱するヒータと、上下方向に多数の基板を積層状態で搭載して前記縦型反応炉内に出し入れされる縦型ボートとを備え、前記ヒータを制御することにより所定の高速度で反応炉内の基板を昇温及び降温させる半導体製造装置において、前記縦型ボートに、基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設け、このリングホルダの上面内周部に基板の厚み以上の段差を持つ基板載置部を設け、リングホルダの外周縁から基板載置部の外周縁までの距離をリングホルダの上下方向の間隔に基づて設定したことを特徴としている。
【００１４】
従来の縦型ボートを使用して、ウェーハ（基板）を高速昇温・降温処理した場合、ウェーハ面内に過大な温度差が生じ、ウェーハの支持部にスリップが発生する。この温度差が生じる原因は、ウェーハ面内への輻射加熱の不均一性に起因して、熱伝導によるウェーハ面内の温度均一化速度が、ヒータの昇温・降温速度に追従できないためである。
【００１５】
そこで、上述の請求項１の発明では、ヒータからウェーハの外周面への熱輻射を遮る「壁」をボートに設けている。即ち、ボートに、基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設けて、このリングホルダの上面内周部に基板の厚み以上の段差を持つ基板載置部を設け、基板載置部の外側の肉厚部分を輻射熱を遮る「壁」として機能させている。
【００１６】
こうすることで、高速昇温時に、ウェーハ外周部に入射する輻射熱量を制限することができると共に、高速降温時に、ウェーハ外周部からの熱の逃げ（放熱）を軽減することができる。
【００１７】
また、このようにウェーハの外周部を取り囲むようにリング状の「壁」が存在することにより、ウェーハが上下のリングホルダの隙間から入射する輻射熱のみを受けることになる。そこで、請求項１の発明では、前記リング状の「壁」の厚さ、つまり、リングホルダの外周縁から基板載置部の外周縁までの距離を、リングホルダの上下方向の間隔に基づいた所定値に設定することで、上下のリングホルダの隙間を通して基板の外周部に入射する熱線の入射角を所定値以下に制限し、ウェーハ外周部への輻射熱の入射を極力低減するようにしている。
【００１８】
その結果、ウェーハの外周に「壁」がある場合は、「壁」がない場合よりも、少ない輻射熱量でウェーハ外周部が加熱されることになる。つまり、昇温時は、温度の低いウェーハ中心部にウェーハ外周部から熱伝導によって熱が伝わり、ウェーハ全面が均一な温度となるのであるが、「壁」があることによって、ウェーハ外周部に入射する輻射熱量が低減されるために、増加輻射熱量の時間的変化が小さくなり、温度上昇率の時間的変化も小さくなり、ウェーハ外周部と中心部の温度差が、「壁」がない場合よりも小さくなる。
【００１９】
一方、降温時は、入射する輻射熱量が少ないために、減少輻射熱量の時間変化も「壁」がないときより小さくなり、ウェーハ外周部の輻射による温度減少率も小さくなる。また、リングホルダの熱容量をウェーハとほぼ同等の熱容量をもつように設定した場合は、リングホルダに入射する輻射熱量が、ウェーハに入射する輻射熱量よりも大きくなるので、ちょうどウェーハの外周部に熱の壁ができた状態となり、ウェーハの外周部から外部への熱の逃げを軽減することができ、ウェーハ中心部の温度の時間的変化とウェーハ外周部の温度の時間的変化との差が小さくなる。つまり、ウェーハ面内の温度差が減少する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態の半導体製造装置としての縦型ＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。この縦型ＣＶＤ装置２０においては、中空のヒータ２１内に均熱管２２を介して縦型反応炉２３が設置され、反応炉２３内に挿入したウェーハＷを外周側から加熱できるようになっている。均熱管２２は熱容量が大きい材料から構成され、炉内の温度均一性を保つために使用されている。
【００２１】
反応炉２３にはガス導入通路２４が設けられ、ガス導入通路２４の先端が、反応炉２３の天井部にあるガスシャワー室２５に接続されている。また、反応炉２３の下部には排気通路２６が設けられており、ガスシャワー室２５から反応炉２３内に吹き出された処理ガスが、反応炉２３内を上から下に流れて、排気通路２６から炉外に排気されるようになっている。
【００２２】
反応炉２３は下端が開口して入口となっており、そこから縦型ボート３０に装填された状態のウェーハＷを反応炉２３に対し導入したり導出したりできるようになっている。ボート３０は、ボートエレベータ（図示せず）によって昇降されることにより、反応炉２３内に導入され、また、反応炉２３から取り出される。ボート３０はボートキャップ２７上に立設されており、ボートキャップ２７は炉口蓋２８上に設けられている。
【００２３】
この場合のボート３０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、３本（４本でもよい）の支柱３１に上下方向に一定の間隔をあけて、ウェーハＷを載置するための多数枚の棚板状のリングホルダ３２を取り付けたものである。上下のリングホルダ２３の間隔Ｈは、ツィーザを挿入できる寸法（例えば２〜３ｍｍ）に設定されており、各リングホルダ３２の周方向の１箇所とリングホルダ３２の内周部数カ所には、ツィーザの逃げとして切欠３３Ａ、３３Ｂが設けられている。
【００２４】
また、リングホルダ３２の上面内周部には、ウェーハＷの厚み以上の段差を持つウェーハ載置用の凹部３４が設けられている。このウェーハ載置用凹部３４で基板載置部を構成する。ウェーハＷを凹部３４の底面３４ａ上の定位置に載置するため、凹部３４の周面３４ｂはテーパ面で構成されている。この場合、凹部３４の径ＤはウェーハＷの径より例えば２〜３ｍｍ程度大きく設定されており、凹部３４の幅ｔは例えば３〜４ｍｍに設定されている。また、リングホルダ３２の外周縁から凹部３４の外周縁までの距離Ａは、リングホルダ３２の上下方向の間隔Ｈに基づいた所定値に設定されている。例えば、リングホルダ３２の上下間隔Ｈが小さいほど、距離Ａを小さくする。
【００２５】
ここで、凹部３４の外周側の肉厚部分は、ウェーハＷの外周側にリング状の「壁」として存在する部分であり、このリング状の「壁」の厚さＡが、リングホルダ３２の上下方向の間隔Ｈに基づいた所定値に設定されることで、上下のリングホルダ３２の隙間を通してウェーハＷの外周部に入射する熱線の入射角θを所定値以下に制限し、ウェーハ外周部へのヒータ２１からの輻射熱の入射を極力低減するようにしている。また、リングホルダ３２の熱容量がウェーハＷの熱容量とほぼ等しくなるように、リングホルダ３２の容積が設定されている。この場合、距離Ａを大きくすることで、入射角θを小さくすることができる。また、距離Ａを大きくすることで、ウェーハＷの周囲の熱容量を大きくすることができ、急冷時のウェーハ周囲の温度冷却を緩和することができるようになる。
【００２６】
なお、この装置においては、ヒータ２１による昇温速度が例えば＋４０℃/minの高速に設定され、降温速度が例えば−２０℃/minの高速に設定されている。つまり、ウェーハ面内における熱伝導による熱の移動速度よりも速い速度で昇温・降温が行われるように設定されている。
【００２７】
次に作用を説明する。
ウェーハＷの処理を行う場合には、ウェーハＷをボート３０の各リングホルダ３２の凹部３４に載置し、ボートエレベータにより適当な炉内温度に保持した反応炉２３内に挿入する。次いで、反応炉２３内をガス交換すると共に炉内雰囲気を高速で昇温させ、所定の温度を維持しながら、処理ガスを反応炉２３内に導入して、ウェーハＷに所定の処理を施す。次に反応炉２３内を所定の高速で降温させ、所定温度に下がったら、ボート３０を炉外に取り出す。
【００２８】
上記の高速昇温時には、ウェーハＷを載置している凹部３４の外側の肉厚部分が、ヒータ２１からの輻射熱を遮る「壁」として機能するので、「壁」が存在しない従来のボートを使用した場合よりも、少ない輻射熱量でウェーハＷ外周部が加熱されることになる。つまり、昇温時は、温度の低いウェーハ中心部にウェーハ外周部から熱伝導によって熱が伝わってウェーハ全面が均一な温度となるのであるが、ウェーハＷの外周に「壁」があることによって、ウェーハ外周部に入射する輻射熱量が低減されるため、増加輻射熱量の時間的変化が小さくなり、温度上昇率の時間的変化も小さくなり、ウェーハ外周部と中心部の温度差が、「壁」がない従来の場合よりも小さくなる。
【００２９】
また、高速降温時には、入射する輻射熱量が少ないために、減少輻射熱量の時間変化も「壁」がない従来のボートを使用した場合よりも小さくなり、ウェーハ外周部の輻射による温度減少率も小さくなる。また、リングホルダ３２の熱容量がウェーハＷとほぼ同等の熱容量をもつように設定されているので、リングホルダ３２に入射する輻射熱量が、ウェーハＷに入射する輻射熱量よりも大きくなり、ちょうどウェーハＷの外周部に熱の壁ができた状態となる。従って、ウェーハＷの外周部から外部への熱の逃げが軽減され、ウェーハ中心部の温度の時間的変化とウェーハ外周部の温度の時間的変化との差が小さくなり、ウェーハ面内の温度差が、「壁」がない従来の場合よりも小さくなる。
【００３０】
そして、昇温・降温時のウェーハ面内温度差を１０〜２０℃に低減することができるようになり、ウェーハＷに生じるストレスを低減できて、スリップの発生を防止することができる。
【００３１】
なお、上記の実施形態では、本発明を縦型ＣＶＤ装置に適用した場合を示したが、本発明は縦型拡散装置にも適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多数の基板を搭載するボートに、基板を上下方向に所定の間隔で載置する複数のリングホルダを設け、このリングホルダの上面内周部に基板の厚み以上の段差を持つ基板載置部を設け、リングホルダの外周縁から基板載置部の外周縁までの距離をリングホルダの上下方向の間隔に基づいて設定したので、高速昇温時に基板の外周部に入射する輻射熱を低減し、高速降温時に基板の外周部からの放熱を低減することができ、高速昇温・降温時に基板の面内に生じる温度差を小さくすることができる。従って、通常よりも高速で昇温・降温処理する場合であっても、スリップなしで半導体デバイス用の基板（ウェーハ）を生産することができ、スループットの向上が図れて、基板の低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】同装置のボートの構成図で、（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ矢視断面図、（ｂ）は図２のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図である。
【図３】従来の半導体製造装置の概略構成図である。
【図４】従来の半導体製造装置のボートの構成図で、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）図のＩＶｂ矢視部分の拡大図である。
【符号の説明】
２０  縦型ＣＶＤ装置
２１  ヒータ
２３  反応炉
３０  ボート
３２  リングホルダ
３４  凹部
Ｗ  ウェーハ（基板）
【図１】
0004342096.tif 000002
【図２】
0004342096.tif 000003
【図３】
0004342096.tif 000004
【図４】
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