(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハを水平に載置する円板状のサセプタと、前記サセプタに対向し中央が外方に膨出するように湾曲した透明の窓部と前記窓部の端部に一体的に設けられた不透明の窓用フランジ部と前記窓用フランジを固定する固定フランジとを有し前記サセプタを内包する反応容器と、前記反応容器内を減圧する減圧手段と、前記半導体ウェーハを前記窓部を通して前記反応容器外から加熱する加熱手段と、前記窓部を前記反応容器外から空冷する冷却手段と、前記反応容器内にガスを供給するとともに前記反応容器内のガスを排出するガス給排手段とを備えた半導体製造装置において、
前記窓部が所定の曲率半径を有し、前記窓部の曲率半径が前記窓部の半径より大きく形成され、
前記反応容器内が前記減圧手段により減圧されて前記窓用フランジ部が前記固定フランジに圧接される力が発生したとき、この力を前記固定フランジが垂直に受けるように構成され、
前記固定フランジの前記窓用フランジ部を受ける面が、前記窓部の端部を前記窓用フランジ部の下面まで延長したときにこの延長端における前記窓部の湾曲面の接線方向に対して垂直な面となるように構成された
ことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
窓部及び窓用フランジ部が石英により形成された請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
半導体ウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させる請求項１又は２記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応容器内のサセプタに載置された半導体ウェーハを加熱するとともにその周囲にガス流を形成してその半導体ウェーハの上にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させるのに適した半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の装置として、低圧の処理ガス内で半導体ウェーハを高温で処理するときに少なくとも１つの半導体ウェーハが反応容器のウェーハ室に収容され、反応容器にウェーハ室まで貫通する加熱口が形成され、加熱口を介してウェーハ室内にエネルギを放射してウェーハの温度を上昇させる輻射エネルギ加熱手段が反応容器の外側に配置され、ガス手段が処理ガスをウェーハ室内に導入しかつウェーハ室から排出し、更に中央窓部と周縁フランジ部とを有するカバー部材が加熱口を覆うように反応容器に取付けられたウェーハ反応容器窓を有する炉が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この炉では、中央窓部が、加熱手段からの輻射エネルギを透過させる材料から形成され、ウェーハ室内の低減された圧力により生じる圧縮応力に対抗するために凸状の外側面と凹状の内側面とを構成する外向きの湾曲を有する。また周縁フランジ部は、窓部を支持するとともに、窓部内の熱膨張に応じて窓部を半径方向に制限して窓部の外向きの湾曲の度合いを高めるように構成される。このように構成されたウェーハ反応容器窓を有する炉では、反応容器の始動時に、ウェーハ室を、その圧力をポンプ排気して低下させながら加熱すると、熱による湾曲は差圧が増大するにつれて大きくなる。温度変化とウェーハ室の圧力変化とを調整することにより、カバー部材の内部応力を最小化できる。即ち、ウェーハ室の圧力が減少するとき同時に温度を上昇させることにより、最小の内部応力で窓を作動温度及び圧力にすることができるようになっている。
【０００３】
一方、生産性の観点から、例えば外径２００ｍｍの一般的な半導体ウェーハであれば、複数枚の半導体ウェーハをサセプタ上に載置してこれらの半導体ウェーハを同時に処理できること、或いは多くの素子を取ることのできる比較的外径の大きなウェーハ、例えば直径４５０ｍｍのウェーハのような単一の大口径のウェーハを処理できることが望ましい。このような観点から上記特許文献１の炉において、半導体ウェーハを載置するサセプタの外径を拡大するとともに、そのサセプタを収容する反応容器自体（カバー部材を含む。）を大型化させることが考えられる。しかし、カバー部材を大型化させてウェーハ室内の圧力を低下させると、圧力は面積に対するものであるため中央窓部の半径の２乗に比例して増えるのに対し、中央窓部の端部を受ける周縁フランジ部はその半径の１乗に比例してしか増えない。従って、カバー部材の直径を大きくすると、中央窓部の端部が周縁フランジ部に作用する力が増大し、中央窓部の端部に集中応力が発生して中央窓部の強度を確保できない問題点があった。
【０００４】
この点を解消するために、中央窓部が曲率半径を有する中心線を有し、中央窓部の中心線がフランジ部を介して伸張する際にフランジ部が上部フランジ部と下部フランジ部に分割され、上部及び下部フランジ部が実質的に等しい断面領域を有するように構成された熱リアクタ用赤外線透過性カバー部材が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。このカバー部材では、中央窓部及びフランジ部により上部部材が構成され、フランジ部が基礎板及び上部クランプリングの間に保持される。また中央窓部及びフランジ部により下部部材が構成され、フランジ部が基礎板及び下部クランプリングの間に取付けられる。このように構成されたカバー部材では、中央窓部のドーム型又は湾曲側形状が、中央窓部内の応力をフランジ部内へ伝達し、フランジ部がカバー部材全体の圧力差によるドーム型カバー部材の外側膨張又は中央窓部の加熱による熱膨張のいずれか一方又は双方に抵抗するように作用する。上部フランジ部及び下部フランジ部が実質的に等しい質量又は断面領域のいずれか一方又は双方を有するため、フランジ部内の抵抗力は上部及び下部フランジ部の間で均等に配分される。従って、中心線の対抗側上のフランジ部の質量を均等に配分することにより、フランジの上部及び下部の間で抵抗力が基本的に均一に分配されるため、フランジ部の構造上の強度は事実上増加するようになっている。
【特許文献１】特開平４−２４５４２０号公報（請求項１、段落［００１３］、図１）
【特許文献２】特表２００２−５２１８１７号公報（請求項１、段落［００１２］、段落［０００７］、段落［０００９］、図１Ｂ、図１Ｃ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の特許文献２に示された熱リアクタ用赤外線透過性カバー部材では、中央窓部の湾曲中心線を延長することにより、フランジ部を上部フランジ部及び下部フランジ部に分けたときに上部フランジ部と下部フランジ部との断面領域が実質的に等しくなるようにフランジ部を設定しなければならず、カバー部材の設計の自由度が低下する不具合があった。また上記従来の特許文献２に示されたカバー部材では、フランジ部を半径方向外側に広げようとする力が作用するため、フランジ部が基礎板等に対して半径方向外側に比較的大きくずれるおそれがあった。本発明の目的は、窓用フランジ部の設計の自由度を低下させず、また窓用フランジ部が固定フランジに対して半径方向外側に殆どずれず、窓部の破損及び損傷を防止できる、半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、半導体ウェーハを水平に載置する円板状のサセプタと、このサセプタに対向し中央が外方に膨出するように湾曲した透明の窓部とこの窓部の端部に一体的に設けられた不透明の窓用フランジ部とこの窓用フランジを固定する固定フランジとを有しサセプタを内包する反応容器と、この反応容器内を減圧する減圧手段と、半導体ウェーハを窓部を通して反応容器外から加熱する加熱手段と、窓部を反応容器外から空冷する冷却手段と、反応容器内にガスを供給するとともに反応容器内のガスを排出するガス給排手段とを備えた半導体製造装置の改良である。その特徴ある構成は、窓部が所定の曲率半径を有し、窓部の曲率半径が窓部の半径より大きく形成され、反応容器内が減圧手段により減圧されて窓用フランジ部が固定フランジに圧接される力が発生したとき、この力を固定フランジが垂直に受けるように構成され、固定フランジの窓用フランジ部を受ける面が、窓部の端部を窓用フランジ部の下面まで延長したときにこの延長端における窓部の湾曲面の接線方向に対して垂直な面となるように構成されたところにある。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、窓部及び窓用フランジ部が石英により形成されたことを特徴とする。請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体製造装置では、反応容器内の減圧時に窓用フランジ部が固定フランジに圧接される力が発生し、この力を固定フランジが垂直に受けるので、窓部の端部に集中応力が発生しない。この結果、反応容器を大型化して反応容器内を減圧しても、窓部の破損を防止できる。また本発明では、従来のカバー部材のように、中央窓部の湾曲中心線の延長によりフランジ部を上部フランジ部及び下部フランジ部に分けたときに上部フランジ部と下部フランジ部との断面領域が実質的に等しくなるようにフランジ部を設定せずに済むので、窓用フランジ部の設計の自由度を低下させることはない。更に従来のカバー部材では、フランジ部をその半径方向外側に広げようとする力が作用するため、フランジ部と基礎板等との間に摩擦が発生するおそれがあったのに対し、本発明では、窓用フランジ部が固定フランジに圧接される力を固定フランジが垂直に受けるので、窓用フランジ部が固定フランジに対して半径方向外側に殆どずれず、窓部の損傷を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すように、本発明の半導体製造装置１０は、半導体ウェーハ１１の表面にエピタキシャル層を成長させるための装置であり、処理対象である半導体ウェーハ１１をその上面に水平に載置可能な円板状のサセプタ１２と、そのサセプタ１２を内部空間１３ａに収容する反応容器１３とを備える。反応容器１３は、サセプタ１２の外周面から所定の間隔をあけてこのサセプタ１２を包囲するリング状のベース部材１４と、サセプタ１２の上方にサセプタ１２の上面を覆うように設けられたカバー部材１６と、サセプタ１２の下方にサセプタ１２の下面を覆うように設けられたアクセス部材１７と、ベース部材１４の上面に取付けられカバー部材１６の端部を固定するリング状の第１固定フランジ２１と、ベース部材１４の下面に取付けられアクセス部材１７の端部を固定するリング状の第２固定フランジ２２とを有する。ベース部材１４はステンレス鋼により形成される。またカバー部材１６は、サセプタ１２の上面に対向し中央が上方に膨出するように湾曲した円形ドーム状の第１窓部１６ａと、この第１窓部１６ａの端部に一体的に設けられた第１窓用フランジ部１６ｂとからなる。アクセス部材１７は、サセプタ１２の下面に対向し中央が下方に膨出するように湾曲した円形ドーム状の第２窓部１７ａと、この第２窓部１７ａの端部に一体的に設けられた第２窓用フランジ部１７ｂとからなる。
【００１０】
上記第１及び第２窓部１６ａ，１７ａは透明な石英により形成され、上記第１及び第２窓用フランジ部１６ｂ，１７ｂは不透明な石英により形成される。第１及び第２窓部１６ａ，１７ａは所定の曲率半径Ｒを有し、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａの直径はサセプタ１２の直径より大きく形成される。例えば、サセプタ１２の外径Ｗを２４０〜５００ｍｍの範囲内に設定するとき、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａの直径は２７０〜７００ｍｍの範囲内に設定され、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａの曲率半径Ｒは５８０〜６５０ｍｍの範囲内に設定される。また第１及び第２窓用フランジ部１６ｂ，１７ｂは、傾斜した略長方形の断面形状をリング状に連ねた形状にそれぞれ形成される。そして第１窓用フランジ部１６ｂの内側の傾斜上面に第１窓部１６ａの端部を溶着することによりカバー部材１６が構成され、第２窓用フランジ部１７ｂの内側の傾斜下面に第２窓部１７ａの端部を溶着することによりアクセス部材１７が構成される。第１窓用フランジ部１６ｂの外側の傾斜下面の傾斜角は第１窓部１６ａの端部を第１窓用フランジ部１６ｂの上記下面まで延長したときにこの延長端における第１窓部１６ａの湾曲面の接線方向に対して直交する面となるような角度に設定される。また第２窓用フランジ部１７ｂの外側の傾斜上面の傾斜角は第２窓部１７ａの端部を第２窓用フランジ部１７ｂの上記上面まで延長したときにこの延長端における第２窓部１７ａの湾曲面の接線方向に対して直交する面となるような角度に設定される。
【００１１】
第１固定フランジ２１は、第１窓用フランジ部１６ｂの外側の傾斜下面を受ける第１受け部２１ａと、第１窓用フランジ部１６ｂの内側の傾斜上面を押える第１押え部２１ｂとからなる（図１及び図２）。第１受け部２１ａはベース部材１４の上面に形成された上側凹部１４ａに収容される。第１受け部２１ａには、第１窓用フランジ部１６ｂの外側の傾斜下面と同一角度に傾斜する第１受け面２１ｃが形成され、第１押え部２１ｂには、第１窓用フランジ部１６ｂの内側の傾斜上面を押える第１押え面２１ｄが形成される（図２）。また第２固定フランジ２２は、第２窓用フランジ部１７ｂの外側の傾斜上面を受ける第２受け部２２ａと、第２窓用フランジ部１７ｂの内側の傾斜下面を押える第２押え部２２ｂとからなる（図１及び図２）。第２受け部２２ａはベース部材１４の下面に形成された下側凹部１４ｂに収容される。第２受け部２２ａには、第２窓用フランジ部１７ｂの外側の傾斜上面と同一角度に傾斜する第２受け面２２ｃが形成され、第２押え部２２ｂには、第２窓用フランジ部１７ｂの内側の傾斜下面を押える第２押え面２２ｄが形成される（図２）。
【００１２】
図２に詳しく示すように、上記第１受け面２１ｃには２つの受け側Ｏリング溝２１ｅ，２１ｅがそれぞれ形成され、第１押え面２１ｄには単一の押え側Ｏリング溝２１ｆが形成される。また第２受け面２２ｃには２つの受け側Ｏリング溝２２ｅ，２２ｅがそれぞれ形成され、第２押え面２２ｄには単一の押え側Ｏリング溝２２ｆが形成される。受け側Ｏリング溝２１ｅ，２２ｅにはＯリング２３が１本ずつ収容され、押え側Ｏリング溝２１ｆ，２２ｆにはＯリング２３が２本ずつ収容される。第１及び第２固定フランジ２１，２２はステンレス鋼により形成される。またＯリング２３は耐熱性を有する有機物、例えばフッ素ゴム（デュポン社製のバイトンなど）やテトラフルオロエチレン-パープルオロビニルエーテル（デュポン社製のカルレッツなど）により形成される。なお、第１及び第２窓用フランジ部１６ｂ，１７ｂを不透明な石英により形成したのは、後述する加熱手段２４の発した熱がＯリング２３に直接放射されることにより、Ｏリング２３が過熱して劣化するのを防止するためである。また、図２の符号１６ｃ及び１７ｃは、加熱手段２４がサセプタ１２に向けて発した熱が第１及び第２窓用フランジ部１６ｂ，１７ｂの角部で遮られるのを防止するための面取りであり、符号２５は第１及び第２押え部２１ｂ，２２ｂを第１及び第２受け部２１ａ，２２ａにそれぞれ固定するためのボルトである。
【００１３】
図１に戻って、半導体製造装置１０は、反応容器１３内を減圧する減圧手段（図示せず）と、半導体ウェーハ１１を第１及び第２窓部１６ａ，１７ａを通して反応容器１３外から加熱する加熱手段２４と、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａを反応容器１３外から空冷する冷却手段と、反応容器１３内に反応処理ガスを供給するとともに反応容器１３内の反応処理ガスを排出するガス給排手段２６とを更に備える。減圧手段は反応容器１３に接続された真空ポンプ（図示せず）からなり、反応容器１３の内部空間１３ａを０〜８００００Ｐａ（真空排気、エピプロセス、エッチングプロセスを想定）に減圧するように構成される。また加熱手段２４は、反応容器１３の上方及び下方に設けられた複数のハロゲンランプからなるランプ本体２４ａと、各ランプ本体２４ａに設けられ各ランプ本体２４ａの発した熱（赤外線輻射熱）を反応容器１３側に反射する反射板２４ｂとを有する。そしてランプ本体２４ａの発した熱が透明な第１及び第２窓部１６ａ，１７ａを通して反応容器１３の内部空間１３ａの半導体ウェーハ１１に放射されることにより、半導体ウェーハ１１が加熱されるように構成される。また冷却手段は、冷却エアを図１の実線矢印で示すようにカバー部材１６及びアクセス部材１７の外側中央部分に吹き付けるブロア（図示せず）であって、そのブロアにより吹き付けられた冷却エアはカバー部材１６及びアクセス部材１７の外表面全体に中央から外側に向かって流れ、図１の実線矢印により示された冷却エアの対流により反応容器１３を外部から空冷するように構成される。
【００１４】
ガス給排手段２６は、半導体ウェーハ１１の上面にシリコン単結晶を堆積させるためのシランガス等の原料ガスを貯留するタンク（図示せず）と、キャリアガスを貯留するタンク（図示せず）と、ベース部材１４に形成され反応処理ガス（原料ガス及びキャリアガス）を反応容器１３に導入するガス供給孔２６ａと、ベース部材１４に形成され反応容器１３内のサセプタ１２上の半導体ウェーハ１１の上面を通った反応処理ガスを反応容器１３から排出するガス排出孔２６ｂと、ガス排出孔２６ｂから反応容器１３内の反応処理ガスを吸引する真空ポンプ（図示せず）とを有する。上記ガス給排手段２６の作動により反応容器１３の内部空間１３ａに所定のガス流が形成される。なお、反応容器１３の内部空間１３ａにおける反応処理ガスの低圧力状態は、ガス供給孔２６ａで計量して反応処理ガスの供給流量Ｓを制限するとともに、ガス排出孔２６ｂで真空ポンプにより排気して反応処理ガスの排出流量Ｅを抽出することにより維持するように構成される。
【００１５】
一方、アクセス部材１７の第２窓部１７ａの中央には、鉛直方向に延びる石英製の筒部１７ｃが溶着される。この筒部１７ｃには駆動軸２７が鉛直方向に貫通して設けられ、内部空間１３ａにおけるサセプタ１２は駆動軸２７の上端部に固定される。駆動軸２７の下端は、反応容器１３の外部に設けられた駆動モータ２８に接続される。筒部１７ｃと駆動軸２７との隙間には、二重のガスケットリング２９，２９が介装され、これらのリング２９，２９により駆動軸２７の反応容器１３への挿通部が封止される。そして、半導体ウェーハ１１は、内部空間１３ａ内のサセプタ１２の上面に配設され、反応処理ガスの流れに晒される。このとき駆動モータ２８を駆動させることにより駆動軸２７を介してサセプタ１２を回転させ、そのサセプタ１２とともに半導体ウェーハ１１を処理中に回転させて、より均一な加熱と蒸着を行うように構成される。
【００１６】
このように構成された半導体製造装置１０の使用方法を説明する。先ずサセプタ１２の上面に半導体ウェーハ１１を載せて、サセプタ１２を反応容器１３の内部空間１３ａに収容した後に、減圧手段により反応容器１３の内部空間１３ａを１００〜４００００Ｐａ（エピプロセスを想定）まで減圧する。次いで半導体ウェーハ１１の上面及びサセプタ１２の下面を加熱手段２４によりそれぞれ加熱した後に、ガス給排手段２６を作動させて反応処理ガスを反応容器１３内に供給し排出する。このとき第１窓用フランジ部１６ｂが第１固定フランジ２１に圧接される大きな力Ｆが発生するけれども、この力Ｆを第１固定フランジ２１が垂直に受ける。また第２窓用フランジ部１７ｂが第２固定フランジ２２に圧接される大きな力Ｆが発生するけれども、この力Ｆを第２固定フランジ２２が垂直に受ける。この結果、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａの端部に集中応力が作用しないので、第１及び第２窓部１６ａ，１７ａの破損を防止できる。また従来のカバー部材のように、中央窓部の湾曲中心線の延長によりフランジ部を上部フランジ部及び下部フランジ部に分けたときに上部フランジ部と下部フランジ部との断面領域が実質的に等しくなるようにフランジ部を設定する必要がないので、第１及び第２窓用フランジ部１６ｂ，１７ｂの設計の自由度を低下させることはない。
【００１７】
更に従来のカバー部材では、フランジ部をその半径方向外側に広げようとする力が作用するため、フランジ部が基礎板等に接触するおそれがあったのに対し、本発明では、第１窓用フランジ部１６ｂがＯリング２３を介して第１固定フランジ２１に垂直に圧接され、第２窓用フランジ部１７ｂがＯリング２３を介して第２固定フランジ２２に垂直に圧接される、即ちこれらの圧接力Ｆを第１及び第２固定フランジ２１，２２が垂直にそれぞれ受ける。この結果、第１窓用フランジ部１６ｂが第１固定フランジ２１に対して半径方向外側に殆どずれず、第１窓用フランジ部１６ｂが第１固定フランジ２１に接触することがないので、第１窓用フランジ部１６ｂの損傷を防止できる。また第２窓用フランジ部１７ｂが第２固定フランジ２２に対して半径方向外側に殆どずれず、第２窓用フランジ部１７ｂが第２固定フランジ２２に接触することがないので、第２窓用フランジ部１７ｂの損傷を防止できる。なお、上記実施の形態では、半導体製造装置として、半導体ウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させる装置を挙げたが、半導体ウェーハに多結晶膜を成長させる装置や、半導体ウェーハを加熱処理する装置であってもよい。また、上記実施の形態では、窓部及び窓用フランジ部を石英により形成したが、通常のガラスや樹脂等により形成してもよい。ここで、窓部や窓用フランジ部を通常のガラスや樹脂で形成することは、透明であることのメリットがある系で有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明実施形態の半導体製造装置を示す縦断面構成図である。
【図２】図１のＡ部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０  半導体製造装置
１１  半導体ウェーハ
１２  サセプタ
１３  反応容器
１６ａ  第１窓部（窓部）
１７ａ  第２窓部（窓部）
１６ｂ  第１窓用フランジ部（窓用フランジ部）
１７ｂ  第２窓用フランジ部（窓用フランジ部）
２１  第１固定フランジ（固定フランジ）
２２  第２固定フランジ（固定フランジ）
２４  ハロゲンランプ（加熱手段）
２６  ガス給排手段
【図１】
0005110649.tif 000002
【図２】
0005110649.tif 000003