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JP5919388B2 - 位相差を有する反応ガスを供給する基板処理装置 - Google Patents

位相差を有する反応ガスを供給する基板処理装置 Download PDF

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JP5919388B2 JP2014542244A JP2014542244A JP5919388B2 JP 5919388 B2 JP5919388 B2 JP 5919388B2 JP 2014542244 A JP2014542244 A JP 2014542244A JP 2014542244 A JP2014542244 A JP 2014542244A JP 5919388 B2 JP5919388 B2 JP 5919388B2
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Description

本発明は，基板処理装置に関するものであり，より詳しくは，高さに応じて位相差を有する反応ガスを供給する基板処理装置に関するものである。
通常の選択的エピタキシープロセス（selective epitaxy process）は，蒸着反応及びエッチング反応を伴う。蒸着及びエッチング反応は多結晶層及びエピタキシャル層に対して比較的相異なる反応速度で同時に発生する。蒸着プロセスの途中，少なくとも一つの第２層の上に従来の多結晶層及び／又は非結晶層が蒸着される間，エピタキシャル層は単結晶表面の上に形成される。しかし，蒸着された多結晶層は一般にエピタキシャル層より速い速度でエッチングされる。よって，腐食ガスの濃度を変化させることでネット選択的プロセス（net selective process）がエピタキシー材料の蒸着及び制限された又は制限されていない多結晶材料の蒸着をもたらす。例えば，選択的エピタキシープロセスは，蒸着物がスペーサーの上に残っていないながらも単結晶シリコーンの表面上にシリコーン含有材料のエピ層（epilayer）の形成をもたらす。
選択的エピタキシープロセスは一般にいくつかの短所を有する。このようなエピタキシープロセスの途中に選択性を維持するためには，前駆体の化学的濃度及び反応温度が蒸着プロセスにわたって調節及び調整されるべきである。不十分なシリコーン前駆体が供給されると，エッチング反応が活性化されて全体プロセスが遅くなる。また，基板ピッチャーのエッチングに対して害が生じる恐れがある。不十分な腐食液前駆体が供給されると，蒸着反応は基板表面にわたって単結晶及び多結晶材料を形成する選択性（selectivity）が減少する可能性がある。また，通常の選択的エピタキシープロセスは約８００℃，約１，０００℃又はそれより高い温度のような高い反応温度を一般的に要求する。このような高い温度は基板表面に対するできるだけ統制されていない窒化反応及び熱予算（thermal budget）の理由のため製造プロセス中には好ましくない。
発明を実施するための形態
発明が解決しようとする課題
本発明の目的は，工程空間内に均一な反応ガスの流動を形成する基板処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は，高さに応じて位相差を有する反応ガスの流動を形成する基板処理装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は，反応ガスを基板に対して集中的に提供する基板処理装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は，後述する発明の概要と添付した図面からより明確になるはずである。
本発明の一実施例によると，基板に対する工程が行われる基板処理装置は，上部が開放され，一側に前記基板が出入する通路が形成される下部チャンバと，前記下部チャンバの開放された上部を閉鎖し，前記工程が行われる工程空間を提供する外部反応チューブと，一つ以上の前記基板が上下方向に積載され，前記基板ホルダ内に前記基板が積載される積載位置及び前記基板に対する前記工程が行われる工程位置に転換可能な基板ホルダと，前記外部反応チューブの内部で，且つ，前記基板ホルダの周囲に配置されて，前記外部反応チューブの内側を，前記基板に対する反応領域と非反応領域に区画すると共に，複数の供給貫通孔と，複数の排気貫通孔を有し，前記供給貫通孔と前記排気貫通孔が内壁に沿ってそれぞれ周方向に位相差を以て，且つ相互に異なる高さで配置された内部反応チューブと，前記外部反応チューブの内部に設置されて前記反応領域に向かって反応ガスを供給し，上下方向に沿って位相差を有する前記反応ガスの流動を形成するガス供給ユニットと，を含み，前記ガス供給ユニットは，それぞれ前記供給貫通孔を通過するように前記外部反応チューブの内壁に沿って上下方向に配置されていると共に，前記反応ガスを吐出する供給口をそれぞれ備え，更に，前記供給口が，前記内部反応チューブ内に位置するように前記外部反応チューブの内壁に沿って周方向に位相差を以て配置され，且つ，互いに異なる高さに配置されている，複数の供給ノズルと，前記反応ガスを前記各供給ノズルに供給するために，それぞれが前記供給ノズルに連結されていると共に，前記内部反応チューブの外側に配置された複数の供給管と，前記反応ガスを前記各供給管に供給するために，それぞれが前記供給管に接続された複数の供給ラインと，それぞれが前記排気貫通孔を通過するように外部反応チューブの内壁に沿って配置されていると共に，前記処理空間内の未反応ガス及び反応副産物を吸入するための排気口をそれぞれ備え，更に，前記排気口が，前記内部反応チューブ内に配置されるように前記外部反応チューブの内壁に沿って周方向に位相差を以て配置され，且つ，互いに異なる高さに配置された，複数の排気ノズルと，前記各排気ノズルを介して吸引された未反応性ガス及び反応副産物が通過するように，それぞれ前記排気ノズルに接続されていると共に，前記内部反応チューブの外側に配置された複数の排気管，を備えており，前記供給口の中心が，同一の高さにある前記排気口の中心と対称に配置され，反応ガスの流れが上下方向で位相差を有する。
前記供給ノズル及び前記排気ノズルは，前記基板ホルダが前記工程位置に位置する際に前記基板ホルダに積載された前記基板の位置とそれぞれ対応するように配置される。
それぞれの前記供給ノズルは円形断面の前記供給口を有する円形管であり，それぞれの前記排気ノズルは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の排気口を有する。
それぞれの前記供給ノズルは吐出方向に沿って断面積が増加する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記供給口を有し，それぞれの前記排気ノズルは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記排気口を有する。
それぞれの前記供給ノズルは吐出方向に沿って断面積が増加する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記供給口，そして前記供給口の上に設置されて複数の噴射孔を有する噴射板を有し，それぞれの前記排気ノズルは，吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記排気口を有する。
前記基板処理装置は，前記下部チャンバと前記外部反応チューブとの間に設置される支持フランジを更に含み，前記供給ラインは，前記支持フランジを介して前記供給ノズルにそれぞれ連結される。
前記基板処理装置は，前記外部反応チューブの内部に設置されて上下方向に配置された熱電対を更に含む。
前記基板処理装置は，前記基板ホルダに連結されて前記工程の間に予め設定された方向に回転する回転軸を更に含む。
本発明の一実施例によると，工程空間内に反応ガスの流動を均一に形成することができる。特に，高さに応じて位相差を有する反応ガスの流動を形成することができる。また，反応ガスを基板に対して集中的に提供することができる。
本発明の一実施例による半導体製造設備を概略的に示す図， 本発明の一実施例によって処理された基板を示す図， 本発明の一実施例によってエピタキシャル層を形成する方法を示すフローチャート， 図１に示したエピタキシャル装置を概略的に示す図， 図１に示した下部チャンバ及び基板ホルダを示す図， 図１に示した外部反応チューブ及び内部反応チューブと供給ノズル及び排気ノズルを概略的に示す断面図， 図１に示した供給ノズルの配置と熱電対の配置を示す断面図， 図１に示した排気ノズルの配置と熱電対の配置を示す断面図， 図１に示した供給ノズルにそれぞれ連結される供給ラインを示す図， 図１に示した内部反応チューブ内での反応ガスの流動を示す図， 図１に示した基板ホルダが工程位置に転換された様子を示す図， 図６に示した供給ノズルに関する変形された実施例を概略的に示す斜視図， 図１２に示した供給ノズル示す斜視図， 図１２に示した供給ノズル示す断面図， 図１２に示した供給ノズル及び排気ノズルを介した反応ガスの流動を示す図， 図１３に示した供給ノズルに関する変形された実施例を概略的に示す斜視図， 図１６に示した供給ノズル示す断面図である。
発明を実施するための最善の形態
以下，本発明の好ましい実施例を添付した図１乃至図１１を参照してより詳細に説明する。本発明の実施例は様々な形に変形されてもよく，本発明の範囲が後述する実施例に限られると解釈されてはならない。本実施例は，該当発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張される可能性がある。
一方，以下ではエピタキシャル工程を例に挙げて説明するが，本発明は，エピタキシャル工程を含む多様な半導体製造工程に応用される。
図１は，本発明の一実施例による半導体製造設備１を概略的に示す図である。半導体製造設備１は工程設備２，設備前方端部モジュール（Equipment Front End Module: EFEM）３，そして境界壁（interface wall）４を含む。設備前方端部モジュール３は工程設備２の前方に装着され，基板Ｓが収容された容器（図示せず）と工程設備２との間にウェハＷを移送する。
設備前方端部モジュール３は，複数のロードポート（load ports）６０とフレーム（frame）５０を有する。フレーム５０はロードポート６０と工程設備２との間に位置する。基板Ｓを収容する容器はオーバーヘッドトランスファー（overhead transfer），オーバーヘッドコンベヤー（overhead conveyor）又は自動案内車両（automatic guided vehicle）のような移送手段（図示せず）によってロードポート６０の上に置かれる。
容器は，前面開放一体式ポッド（Front Open Unified Pod: FOUD）のような密閉容器が使用される。フレーム５０内にはロードポート６０に置かれた容器と工程設備２との間に基板Ｓを移送するフレームロボット７０が設置される。フレーム５０内には容器のドアを自動的に開閉するドアオープナー（図示せず）が設置される。また，フレーム５０には清浄空気がフレーム５０内で上部から下部に流れるように清浄空気をフレーム５０内に供給するファンフィルターユニット（Fan Filter Unit: FFU）（図示せず）が提供される。
基板Ｓは工程設備２内で所定の工程が行われる。工程設備２は移送チャンバ（transfer chamber）１０２，ロードロックチャンバ（loadlock chamber）１０６，洗浄チャンバ（cleaning chamber）１０８ａ，１０８ｂ，バッファチャンバ（buffer chamber）１１０，そしてエピタキシャルチャンバ（epitaxial chamber）（又はエピタキシャル装置）１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃを含む。移送チャンバ１０２は，平面視で略よそ多角形状を有し，ロードロックチャンバ１０６，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ，バッファチャンバ１１０，そしてエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは移送チャンバ１０２の側面に設置される。
ロードロックチャンバ１０６は移送チャンバ１０２の側部のうち設備前方端部モジュール３と隣接する側部に位置する。基板Ｓはロードロックチャンバ１０６内に一時的に留まってから工程設備２にロードされて工程が行われ，工程が完了した後，基板Ｓは工程設備２からアンロードされてロードロックチャンバ１０６内に一時的に留まる。移送チャンバ１０２，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ，バッファチャンバ１１０，そしてエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは真空に維持され，ロードロックチャンバ１０６は真空及び大気圧に転換される。ロードロックチャンバ１０６は外部の汚染物質が移送チャンバ１０２，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ，バッファチャンバ１１０，そしてエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃに流入されることを防止する。また，基板Ｓが移送される間には基板Ｓが大気に露出されないため，基板Ｓの上で酸化膜が成長することを防止する。
ロードロックチャンバ１０６と移送チャンバ１０２との間，そしてロードロックチャンバ１０６と設備前方端部モジュール３との間にはゲートバルブ（図示せず）が設置される。設備前方端部モジュール３とロードロックチャンバ１０６との間に基板Ｓが移動すればロードロックチャンバ１０６と移送チャンバ１０２との間に提供されたゲートバルブが閉まり，ロードロックチャンバ１０６と移送チャンバ１０２との間に基板Ｓが移動すればロードロックチャンバ１０６と設備前方端部モジュール３との間に提供されるゲートバルブが閉まる。
移送チャンバ１０２は基板ハンドラー１０４を具備する。基板ハンドラー１０４はロードロックチャンバ１０６，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ，バッファチャンバ１１０，そしてエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの間で基板Ｓを移送する。移送チャンバ１０２は基板Ｓが移動する際に真空を維持するように密封される。真空を維持することは，基板Ｓが汚染物質（例えば，Ｏ2，粒子状物質など）に露出されることを防止するためである。
エピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは基板Ｓの上にエピタキシャル層を形成するために提供される。本実施例では３つのエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが提供される。エピタキシャル工程は洗浄工程に比べ多くの時間を要するため，複数のエピタキシャルチャンバを介して製造収率を向上させることができる。本実施例とは異なって，４つ以上や２つ以下のエピタキシャルチャンバが提供されてもよい。
洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂは，エピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ内で基板Ｓに対するエピタキシャル工程が行われる前に基板Ｓを洗浄するために提供される。エピタキシャル工程が成功的に行われるためには，結晶性基板の上に存在する酸化物の量が最小化されるべきである。基板の表面酸素含有量が高すぎれば酸素原子がシード基板の上の蒸着材料の結晶学的配置を妨害するため，エピタキシャル工程は有害な影響を受ける。例えば，シリコーンエピタキシャル蒸着の際，結晶性基板の上の過度な酸素は原子単位の酸素原子クラスタによってシリコーン原子をそのエピタキシャル位置から変位させる。このような局所的な原子変位は層がより厚く成長する際に後続原子配列に誤差を起こす恐れがある。このような現象はいわゆる積層欠陥又はヒロック（hillock defects）と称される。基板表面の酸素化（oxygenation）は，例えば基板が移送される際に大気に露出される場合に発生する。よって，基板Ｓの上に形成された自然酸化膜（native oxide）（又は表面酸化物）を除去する洗浄工程が洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ内で行われる。
洗浄工程とは，ラジカル状態の水素（Ｈ＊）とＮＦ３ガスを使用する乾式エッチング工程である。例えば，基板の表面に形成されたシリコーン酸化膜をエッチングする場合，チャンバ内に基板を配置してチャンバ内に真空雰囲気を形成した後，チャンバ内でシリコーン酸化膜と反応する中間生成物を発生させる。
例えば，チャンバ内に水素ガスのラジカル（Ｈ＊）とフッ化物ガス（例えば，フッ化窒素（ＮＦ３））のような反応性ガスを供給すると，下記反応式１のように反応性ガスが還元されてＮＨｘＦｙ（ｘ，ｙは任意の整数）のような中間生成物が生成される。
Figure 0005919388
中間生成物はシリコーン酸化膜（ＳｉＯ２）と反応性が高いため，中間生成物がシリコーン基板の表面に到達するとシリコーン酸化膜と選択的に反応して下記反応式２のように反応生成物（（ＮＨ４）２ＳｉＦ６）が生成される。
Figure 0005919388
次に，シリコーン基板を１００℃以上に加熱すると下記反応式３のように反応生成物が熱分解されて熱分解ガスになって蒸発されるため，結果的に基板の表面からシリコーン酸化膜が除去される。下記反応式３のように，熱分解ガスはＨＦガスやＳｉＦ４ガスのようにフッ素を含有するガスが含まれる。
Figure 0005919388
前記のように，洗浄工程は反応生成物を生成する反応工程及び反応生成物を熱分解するヒーティング工程を含み，反応工程及びヒーティング工程は洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ内で一緒に行われるか，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂのうちいずれか一つで反応工程が行われて洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂのうち他の一つでヒーティング工程が行われてもよい。
バッファチャンバ１１０は洗浄工程が完了した基板Ｓが積載される空間とエピタキシャル工程が行われた基板Ｓが積載される空間を提供する。洗浄工程が完了されると，基板Ｓはエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃに移送される前にバッファチャンバ１１０に移動してバッファチャンバ１１０内に積載される。エピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは複数の基板に対する単一工程が行われるバッチタイプ（batch type）であってもよく，エピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ内でエピタキシャル工程が完了するとエピタキシャル工程が行われた基板Ｓはバッファチャンバ１１０内に順次に積載され，洗浄工程が完了した基板Ｓはエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ内に順次に積載される。この際，基板Ｓはバッファチャンバ１１０内に縦方向に積載される。
図２は，本発明の一実施例によって処理された基板を示す図である。上述したように，基板Ｓに対するエピタキシャル工程が行われる前に基板Ｓに対する洗浄工程が洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ内で行われ，洗浄工程を介して基板７０の上面に形成された酸化膜７２を除去する。酸化膜は洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ内で洗浄工程を介して除去される。洗浄工程を介して基板７０の表面上にエピタキシー表面７４が露出され，それを介してエピタキシャル層の成長を助ける。
次に，基板Ｓの上にエピタキシャル工程がエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ内で行われる。エピタキシャル工程は化学気相蒸着によって行われ，エピタキシー表面７４の上にエピタキシー層７６を形成する。基板７０のエピタキシー表面７４はシリコーンガス（例えば，ＳｉＣｌ４，ＳｉＨＣｌ３，ＳｉＨ２Ｃｌ２，ＳｉＨ３Ｃｌ，Ｓｉ２Ｈ６又はＳｉＨ４）及びキャリアガス（例えば，Ｎ２及び／又はＨ２）を含む反応ガスに露出される。また，エピタキシー層７６がドーパントを含むことが要求される場合，シリコーン含有ガスはドーパント含有ガス（例えば，アルシン（ＡｓＨ３），ホスフィン（ＰＨ３）及び／又はジボラン（Ｂ２Ｈ６））を含む。
図３は，本発明の一実施例によってエピタキシャル層を形成する方法を示すフローチャートである。方法はステップ１０から始まる。ステップ２０において，基板Ｓはエピタキシャル工程の前に洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂに移動し，基板ハンドラー１０４は基板Ｓを洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂに移送する。移送は真空に維持される移送チャンバ１０２を介して行われる。ステップ３０で基板Ｓに対する洗浄工程が行われる。上述したように，洗浄工程は反応生成物を生成する反応工程及び反応生成物を熱分解するヒーティング工程を含む。反応工程及びヒーティング工程は洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂ内で一緒に行われるか，洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂのうちいずれか一つで反応工程が行われて洗浄チャンバ１０８ａ，１０８ｂのうち他の一つでヒーティング工程が行われてもよい。
ステップ４０で洗浄工程が完了した基板Ｓはバッファチャンバ１１０に移送されてバッファチャンバ１１０内に積載され，バッファチャンバ１１０内でエピタキシャル工程を待機する。ステップ５０で基板Ｓはエピタキシャルチャンバ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃに移送され，移送は真空に維持される移送チャンバ１０２を介して行われる。ステップ６０で基板Ｓの上にエピタキシャル層が形成される。次に，基板Ｓはステップ７０で更にバッファチャンバ１１０に移送されてバッファチャンバ１１０内に積載され，ステップ８０で工程が終了される。
図４は図１に示したエピタキシャル装置を概略的に示す図であり，図５は図１に示した下部チャンバ及び基板ホルダを示す断面図である。エピタキシャル装置（又はエピタキシャルチャンバ）は上部が開放された形状を有する下部チャンバ３１２ｂを含み，下部チャンバ３１２ｂは移送チャンバ１０２に連結される。下部チャンバ３１２ｂは移送チャンバ１０２と連結される通路３１９を有し，基板Ｓは通路３１９を介して移送チャンバ１０２から下部チャンバ３１２ｂにロードされる。ゲートバルブ（図示せず）は通路３１９の外側に設置され，通路３１９はゲートバルブによって開放及び閉鎖される。
エピタキシャル装置は複数の基板Ｓが積載される基板ホルダ３２８を具備し，基板Ｓは基板ホルダ３２８の上に上下方向に積載される。例えば，基板ホルダ３２８は１５枚の基板Ｓを積載する。基板ホルダ３２８が下部チャンバ３１２ｂの内部に提供された積載空間内に位置する間（又は「積載位置」），基板Ｓは基板ホルダ３２８内に積載される。後述するように基板ホルダ３２８は昇降可能であり，基板ホルダ３２８のスロットの上に基板Ｓが積載されると基板ホルダ３２８が上昇して基板ホルダ３２８の次のスロットの上に基板Ｓが積載される。基板ホルダ３２８の上に基板が全て積載されると，基板ホルダ３２８は外部反応チューブ３１２ａの内部に移動し（又は「工程位置」），外部反応チューブ３１２ａの内部でエピタキシャル工程が行われる。
熱遮断プレート３１６は基板ホルダ３２８の下部に設置され，基板ホルダ３２８と一緒に昇降する。基板ホルダ３２８が工程位置に転換されると，図１１に示したように熱遮断プレート３１６は内部反応チューブ３１４の開放された下部を閉鎖する。熱遮断プレート３１６はセラミックやクオーツ（ｑｕａｒｔｚ）又はメタルにセラミックをコーティングした材質であってもよく，工程進行の際に反応領域内の熱が積載空間に移動することを遮断する。反応領域内に供給された反応ガスのうち一部は内部反応チューブ３１４の開放された下部を介して積載空間に移動するが，この際，積載空間が一定温度以上であれば反応ガスのうち一部が積載空間の内壁に蒸着される。よって，熱遮断プレート３１６を介して積載空間が過熱されることを防止する必要があり，それを介して反応ガスが積載空間の内壁に蒸着されることを防止することができる。
下部チャンバー３１２ｂは排気ポート３４４及び補助排気ポート３２８ａ，そして補助ガス供給ポート３６２を有する。排気ポート３４４は
Figure 0005919388
字形状であり，後述する排気ノズルユニット３３４は排気ポート３４４を介して第１排気ライン３４２と連結される。また，補助排気ポート３２８ａは補助排気ライン３２８ｂに連結され，下部チャンバ３１２ｂ内部の積載空間は補助排気ポート３２８ａを介して排気可能である。
補助ガス供給ポート３６２は補助ガス供給ライン（図示製図）に連結され，補助ガス供給ラインを介して供給されたガスを積載空間内に供給する。例えば，非活性ガスが補助ガス供給ポート３６２を介して積載空間内に供給されてもよい。非活性ガスを積載空間内に供給することで工程空間内に供給された反応ガスが積載空間に移動することを防止する。
より詳しくは，非活性ガスを積載空間内に連続的に供給し，補助排気ポート３２８ａを介して排気することで工程空間内に供給された反応ガスが積載空間に移動することを防止する。この際，積載空間内の圧力が工程空間内の圧力より少し高くなるように設定してもよい。積載空間内の圧力が工程空間内の圧力より少し高い場合，工程空間内の反応ガスが積載空間に移動することができない。
図６は図１に示した外部反応チューブ及び内部反応チューブと供給ノズル及び排気ノズルを概略的に示す断面図である。外部反応チューブ３１２ａは上部が開放された下部チャンバ３１２ｂの上部を閉鎖し，エピタキシャル工程が行われる工程空間を提供する。支持フランジ４４２は下部チャンバ３１２ｂと外部反応チューブ３１２ａとの間に設置され，外部反応チューブ３１２は支持フランジ４４２の上部に設置される。下部チャンバ３１２ｂの積載空間と外部反応チューブ３１２ａの工程空間は支持フランジ４４２の中央に形成された開口を介して互いに連通され，上述したように基板ホルダ３２８の上に基板が全て積載されると，基板ホルダ３２８は外部反応チューブ３１２ａの工程空間に移動する。
内部反応チューブ３１４は外部反応チューブ３１２ａの内部に設置され，内部反応チューブ３１４は基板Ｓに対する反応領域を提供する。外部反応チューブ３１２ａの内部は内部反応チューブ３１４によって反応領域と非反応領域に区画され，反応領域は内部反応チューブ３１４の内部に位置し，非反応領域は内部反応チューブ３１４の外部に位置する。基板ホルダ３２８は工程位置に転換する際に反応領域に位置し，反応領域は工程空間より小さい容積を有する。よって，反応領域内に供給する場合には反応ガスの使用量を最小化することができるだけでなく，反応ガスを基板ホルダ３２８内に積載された基板Ｓに集中することができる。内部反応チューブ３１４の上部は閉鎖された状態で外部が開放され，基板ホルダ３２８は内部反応チューブ３１４の下部を介して反応領域に移動する。
図４に示したように，側部ヒータ３２４及び上部ヒータ３２６は外部反応チューブ３１２ａを囲むように配置される。側部ヒータ３２４及び上部ヒータ３２６は外部反応チューブ３１２ａ内部の工程空間を過熱し，それを介して工程空間（又は反応領域）はエピタキシャル工程が可能な温度に到達する。側部ヒータ３２４及び上部ヒータ３２６は支持フレーム３２７を介して上部昇降ロード３３７に連結され，昇降モータ３３８によって上部昇降ロード３３７が回転することで支持フレーム３２７が昇降する。
エピタキシャル装置はガス供給ユニットを更に含み，ガス供給ユニットは供給ノズルユニット３３２及び排気ノズルユニット３３４を具備する。供給ノズルユニット３３２は複数の供給管３３２ａ及び複数の供給ノズル３３２ｂを具備し，供給ノズル３３２ｂは供給管３３２ａにそれぞれ連結される。それぞれの供給ノズル３３２ｂは円形の管状であり，供給口３３２ｃは供給ノズル３３２ｂの先端に位置して反応ガスは供給口３３２ｃを介して吐出される。供給口３３２ｃは円形の断面を有し，図６に示したように供給ノズル３３２ｂは供給口３３２ｃの高さが互いに異なるように配置される。
供給管３３２ａ及び供給ノズル３３２ｂは外部反応チューブ３１２ａの内部に位置する。供給管３３２ａは上下に連結され，供給ノズル３３２ｂは前記供給管３３２ａに対してそれぞれほぼ垂直に配置される。供給口３３２ｃは内部反応チューブ３１４の内側に位置し，それによって供給口３３２ｃを介して吐出された反応ガスは内部反応チューブ３１４内部の反応領域に集中される。内部反応チューブ３１４は複数の供給貫通孔３７４を有し，供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは供給貫通孔３７４を介してそれぞれ内部反応チューブ３１４の内側に配置される。
図７は，図１に示した供給ノズルの配置と熱電対の配置を示す断面図である。図７に示したように，供給ノズル３３２ｂは円形断面の供給口３３２ｃをそれぞれ有する。供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され，それぞれ互いに異なる高さに位置する。基板ホルダ３２８が工程位置に転換されると，供給ノズル３３２ｂは基板ホルダ３２８の上に置かれた基板Ｓに向かってそれぞれ反応ガスを噴射する。この際，供給口３３２ｃの高さはそれぞれの基板Ｓの高さとほぼ一致する。図６に示したように，供給ノズル３３２ｂは支持フランジ４４２に形成された供給ライン３４２を介してそれぞれ反応ガス供給源（図示せず）と連結される。
反応ガス供給源は蒸着用ガス（シリコーンガス（例えば，ＳｉＣｌ４，ＳｉＨＣｌ３，ＳｉＨ２Ｃｌ２，ＳｉＨ３Ｃｌ，Ｓｉ２Ｈ６又はＳｉＨ４）及びキャリアガス（例えば，Ｎ２及び／又はＨ２）を供給するかエッチング用ガスを供給する。選択的エピタキシープロセスは蒸着反応及びエッチング反応を伴う。本実施例では図示していないが，エピタキシー層がドーパントを含むことが要求される場合，ドーパントを含有するガス（例えば，アルシン（ＡｓＨ３），ホスフィン（ＰＨ３）及び／又はジボラン（Ｂ２Ｈ６））が供給されてもよい。また，洗浄又はエッチングの場合には塩化水素（ＨＣｌ）が供給されてもよい。
図６に示したように，排気ノズルユニット３３４は複数の排気管３３４ａ及び複数の排気ノズル３３４ｂを具備し，排気ノズル３３４ｂは排気管３３４ａにそれぞれ連結される。排気口３３４ｃは排気ノズル３３４ｂの先端に位置して未反応ガス及び反応副産物を吸入する。排気口３３４ｃはスロット状断面を有し，図６に示したように排気ノズル３３４ｂは排気口３３４ｃの高さが互いに異なるように配置される。
排気管３３４ａ及び排気ノズル３３４ｂは外部反応チューブ３１２ａの内部に位置する。排気管３３４ａは上下に延長され，排気ノズル３３４ｂは排気管３３４ａに対してそれぞれほぼ垂直に配置される。排気口３３４ｃは内部反応チューブ３１４の内側に位置し，それによって排気口３３４ｃを介して内部反応チューブ３１４内部の反応領域から未反応ガス及び反応副産物を効果的に吸入する。内部反応チューブ３１４は複数の排気貫通孔３７６を有し，排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは排気貫通孔３７６を介してそれぞれ内部反応チューブ３１４の内側に配置される。
図８は，図１に示した排気ノズルの配置と熱電対の配置を示す断面図である。図８に示したように，排気ノズル３３４ｂはスロット状断面である排気口３３４ｃをそれぞれ有する。排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され，それぞれ異なる高さに位置する。基板ホルダ３２８が工程位置に転換されると供給ノズル３３２ｂは基板ホルダ３２８の上に置かれた基板Ｓに向かってそれぞれ反応ガスを噴射し，この際，内部反応チューブ３１４内には未反応ガス及び副産物が発生する。排気ノズル３３４ｂは未反応ガス及び反応副産物を吸入して外部に排出する。排気口３３４ｃの高さはそれぞれの基板Ｓの高さとほぼ一致する。図４に示したように，排気ノズル３３４ｂは下部チャンバ３１２ｂに形成された排気ポート３３４を介して第１排気ライン３４２と連結され，未反応ガス及び反応副産物は第１排気ライン３４２を介して排出される。開閉バルブ３４６は第１排気ライン３４２の上に設置されて第１排気ライン３４２を開閉し，ターボポンプ３４８は第１排気ライン３４２の上に設置されて第１排気ライン３４２を介して未反応ガス及び反応副産物を強制排出する。第１排気ライン３４２は第２排気ライン３５２に連結され，第１排気ライン３４２に沿って移動した未反応ガス及び反応副産物は第２排気ライン３５２を介して排出される。
一方，補助排気ポート３２８ａは下部チャンバ３１２ｂに形成され，補助排気ライン３２８ｂが補助排気ポート３２８ａに連結される。補助排気ライン３２８ｂは第２排気ライン３５２に連結され，第１及び第２補助バルブ３２８ｃ，３２８ｄは補助排気ライン３２８ｂの上に設置されて補助排気ライン３２８ｂを開閉する。補助排気ライン３２８ｂは連結ライン３４３を介して第１排気ライン３４２に連結され，連結バルブ３４３ａは連結ライン３４３の上に設置されて連結ライン３４３を開閉する。
図７及び図８に示したように，熱電対（thermocouples）３８２，３８４は外部反応チューブ３１２ａと内部反応チューブ３１４との間に設置され，熱電対３８２，３８４は上下方向に配置されて高さに応じた温度を測定する。よって，作業者は工程空間内の温度を高さに応じて把握することができ，温度分布が工程に及ぼす影響を事前に点検することができる。
図９は図１に示した供給ノズルにそれぞれ連結される供給ラインを示す図である。図９に示したように，供給ノズル３３２はそれぞれ別途の供給ライン３４２を介して反応ガス供給源（図示せず）と連結される。よって，複数の供給ノズル３３２を介して均一な流量の反応ガスを内部反応チューブ３１４の反応領域に供給することができる。もし，一つの供給ライン３４２が複数の供給ノズル３３２に連結される場合，供給ノズル３３２によって互いに異なる流量の反応ガスを供給することができ，それによって基板ホルダ３２８の上の位置に応じて工程率が異なるように示される。
図１０は，図１に示した内部反応チューブ内での反応ガスの流動を示す図である。上述したように，供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され，それぞれ異なる高さに位置する。また，排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは内部反応チューブ３１４の内壁に沿って円周方向に配置され，それぞれ異なる高さに位置する。この際，同じ高さを基準に供給口３３２ｃの中心と排気口３３４ｃの中心は対称を成す。即ち，基板ホルダ３２８に積載された基板Ｓの中心を基準に供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃと排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃは互いに反対側に位置する。よって，供給ノズル３３２ｂから噴射された反応ガスは反対側に位置する排気ノズル３３４ｂに向かって流れ（矢印で表示），それを介して反応ガスと基板Ｓの表面が反応する十分な時間を確保することができる。この際，工程の途中で発生した未反応ガス及び反応副産物は排気ノズル３３４ｂを介して吸入されて排出される。
また，図１０に示したように，基板ホルダ３２８に積載された基板Ｓの高さに応じて反応ガスの流動は互いに異なるように現れ，基板Ｓの高さに応じて反応ガスの流動は位相差を有する。即ち，供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃの位置と排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃの位置が基板Ｓの高さに応じて位相差を有するため，同じく，反応ガスの位相も基板Ｓの高さに応じて位相差を有する。図を参照すると，(1)は最上端に位置する供給ノズル３３２ｂから排気ノズル３３４ｂに向かう反応ガスの流動を示し，(2)は最下端に位置する供給ノズル３３２ｂから排気ノズル３３４ｂに向かう反応ガスの流動を示す。(1)と(2)との間には一定角度の位相差がある。よって，供給口から噴射された反応ガスは異なる高さにある供給口から噴射された反応ガスによって拡散される効果を示す。即ち，位相差を有する反応ガスの流動の間に干渉が発生する可能性があり，それによって反応ガスは干渉によって拡散された状態で排気ノズル３３４ｂに向かって移動する。
また，供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃは円形である一方，排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃはスロット状である。よって，供給ノズル３３２ｂの供給口３３２ｃから噴射された反応ガスは排気口３３４ｃの形状に応じて一定な幅を有するように拡散され（図１０に図示），それを介して反応ガスが基板Ｓの表面と接触する面積を増加させることができる。また，十分な反応を誘導することで未反応ガスの発生を抑制することができる。反応ガスは供給口３３２ｃから排気口３３４ｃに至るまで基板Ｓの上で層流流動（laminar flow）を形成する。
一方，図４に示したように基板ホルダ３２８は回転軸３１８に連結され，回転軸３１８は下部チャンバ３１２ｂを貫通して昇降モータ３１９ａ及び回転モータ３１９ｂに連結される。回転モータ３１９ｂはモータハウジング３１９ｃの上に設置され，回転モータ３１９ｂはエピタキシャル工程が行われる間に回転軸３１８を駆動して回転軸３１８と共に基板ホルダ３２８（及び基板Ｓ）を回転させる。これは，反応ガスが供給口３３２ｃから排気口３３４ｃに向かって流れ，基板Ｓに対する蒸着が供給口３３２ｃ側から排気口３３４ｃ側に進行されることで反応ガスの濃度が減少する傾向があるためである。このような結果を防止し，基板Ｓの表面で均一な蒸着が行われるように基板Ｓが回転する。
モータハウジング３１９ｃはブラケット３１９ｄに固定され，ブラケット３１９ｄは下部チャンバ３１２ｂの下部に連結された昇降ロード３１９ｅの上に連結されて昇降ロード３１９ｅに沿って昇降する。ブラケット３１９ｃは下部ロード４１９にねじ締結され，下部ロード４１９は昇降モータ３１９ａによって回転する。即ち，昇降モータ３１９ａの回転によって下部ロード４１９が回転し，それによってブラケット３１９ｄとモータハウジング３１９ｃが共に昇降する。よって，回転軸３１８と基板ホルダ３２８は共に昇降する。基板ホルダ３２８は昇降モータ３１９ａによって積載位置及び工程位置に転換される。ベローズ３１８ａは下部チャンバ３１２ｂとモータハウジング３１９ｃを互いに連結し，それを介して下部チャンバ３１２ｂ内部の機密を維持する。図１１は図１に示した基板ホルダが工程位置に転換された様子を示す図である。
一方，図１１に示したように熱遮断プレート３１６は基板ホルダ３２８の下部に設置され，回転軸３１８が昇降することで基板ホルダ３２８と共に昇降する。熱遮断プレート３１６は内部反応チューブ３１４の開放された下部を閉鎖して内部反応チューブ３１４内部の熱が下部チャンバ３１２ｂ内の積載空間に移動することを防止する。
本発明を，実施例を介して詳細に説明したが，これとは異なる他の実施例も可能である。よって，後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は実施例に限られない。
以下，本発明の実施例を添付した図１２乃至図１７を参照してより詳細に説明する。本発明の実施例は様々な形に変形されてもよく，本発明の範囲が後述する実施例に限られると解釈されてはならない。本実施例は，該当発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張される可能性がある。以下では上述した実施例と区別される内容に対してのみ説明し，以下で省略された説明は上述した内容に代替可能である。
一方，以下ではエピタキシャル工程を例に挙げて説明するが，本発明はエピタキシャル工程を含む多様な半導体製造工程に応用される。
図１２は，図６に示した供給ノズルに関する変形された実施例を概略的に示す斜視図である。図１３は図１２に示した供給ノズル示す斜視図であり，図１４は図１２に示した供給ノズル示す断面図である。
図１２乃至図１４に示したように，供給ノズル３３２ｂは吐出方向に沿って断面積が増加する内部空間を有し，供給間３３２ａを介して供給された反応ガスは供給ノズル３３２ｂの内部空間に沿って拡散される。供給ノズル３３２ｂは先端に形成された供給口３３２ｃを有し，供給口３３２ｃはスロット状断面を有する。供給口３３２ｃの断面積は排気口３３４ｃの断面積とほぼ一致する。
図１５は，図１２に示した供給ノズル及び排気ノズルを介した反応ガスの流動を示す図である。図１５に示したように，供給ノズル３３２ｂから噴射された反応ガスは反対側に位置する排気ノズル３３４ｂに向かって流れる（矢印で表示）。この際，反応ガスは供給ノズル３３２ｂの内部空間を介して拡散された状態で供給口３３２ｃを介して吐出されてから排気ノズル３３４ｂの排気口３３４ｃを介して吸入されるため，反応ガスは供給口３３２ｃから排気口３３４ｃ至るまで一定の幅（供給口３３２ｃの断面積及び排気口３３４ｃの断面積とほぼ一致する）を有する層流流動を形成する。
また，上述していないが，図６及び図１２に示した排気ノズル３３４ｂは図１２乃至図１４に示した供給ノズル３３２ｂと同じ構造を有する。即ち，排気ノズル３３４ｂは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間を有し，排気口３３２ｃを介して吸入した未反応ガス及び反応副産物は排気ノズル３３４ｂの内部空間に沿って修練されてから排気管３３２ａに移動する。
図１６は，図１３に示した供給ノズルに関する変形された実施例を概略的に示す斜視図であり，図１７は図１６に示した供給ノズル示す断面図である。図１６及び図１７に示したように供給ノズル３３２ｂは噴射板３３２ｄを具備し，噴射板３３２ｄは供給口３３２ｃの上に設置される。噴射板３３２ｄは複数の噴射孔３３２ｅを有し，供給ノズル３３２ｂの内部空間に沿って拡散された反応ガスは噴射孔３３２ｅを介して噴射される。
本発明を，実施例を介して詳細に説明したが，これとは異なる他の実施例も可能である。よって，後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は実施例に限られない。
本発明は，多様な形態の半導体製造設備及び製造方法に応用される。

Claims (8)

  1. 基板に対する工程が行われる基板処理装置において，
    上部が開放され，一側に前記基板が出入する通路が形成される下部チャンバと，
    前記下部チャンバの開放された上部を閉鎖し，前記工程が行われる工程空間を提供する外部反応チューブと，
    一つ以上の前記基板が上下方向に積載され，前記基板が積載される積載位置及び前記基板に対する前記工程が行われる工程位置に転換可能な基板ホルダと，
    前記外部反応チューブの内部で，且つ，前記基板ホルダの周囲に配置されて，前記外部反応チューブの内側を，前記基板に対する反応領域と非反応領域に区画すると共に，複数の供給貫通孔と，複数の排気貫通孔を有し，前記供給貫通孔と前記排気貫通孔が内壁に沿ってそれぞれ周方向に位相差を以て，且つ相互に異なる高さで配置された内部反応チューブと，
    前記外部反応チューブの内部に設置されて前記反応領域に向かって反応ガスを供給し，上下方向に沿って位相差を有する前記反応ガスの流動を形成するガス供給ユニットとを含み，
    前記ガス供給ユニットは，
    それぞれ前記供給貫通孔を通過するように前記外部反応チューブの内壁に沿って上下方向に配置されていると共に，前記反応ガスを吐出する供給口をそれぞれ備え，更に，前記供給口が，前記内部反応チューブ内に位置するように前記外部反応チューブの内壁に沿って周方向に位相差を以て配置され，且つ，互いに異なる高さに配置されている，複数の供給ノズルと，
    前記反応ガスを前記各供給ノズルに供給するために，それぞれが前記供給ノズルに連結されていると共に，前記内部反応チューブの外側に配置された複数の供給管と，
    前記反応ガスを前記各供給管に供給するために，それぞれが前記供給管に接続された複数の供給ラインと，
    それぞれが前記排気貫通孔を通過するように外部反応チューブの内壁に沿って配置されていると共に，前記処理空間内の未反応ガス及び反応副産物を吸入するための排気口をそれぞれ備え，更に，前記排気口が，前記内部反応チューブ内に配置されるように前記外部反応チューブの内壁に沿って周方向に位相差を以て配置され，且つ，互いに異なる高さに配置された，複数の排気ノズルと，
    前記各排気ノズルを介して吸引された未反応性ガス及び反応副産物が通過するように，それぞれ前記排気ノズルに接続されていると共に，前記内部反応チューブの外側に配置された複数の排気管，を備えており，
    前記供給口の中心が，同一の高さにある前記排気口の中心と対称に配置され，反応ガスの流れが上下方向で位相差を有することを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記供給ノズル及び前記排気ノズルは，前記基板ホルダが前記工程位置に位置する際に前記基板ホルダに積載された前記基板の位置とそれぞれ対応するように配置されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  3. それぞれの前記供給ノズルは円形断面の前記供給口を有する円形管であり，
    それぞれの前記排気ノズルは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記排気口を有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  4. それぞれの前記供給ノズルは吐出方向に沿って断面積が増加する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記供給口を有し，
    それぞれの前記排気ノズルは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記排気口を有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  5. それぞれの前記供給ノズルは吐出方向に沿って断面積が増加する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記供給口，そして前記供給口の上に設置されて複数の噴射孔を有する噴射板を有し，
    それぞれの前記排気ノズルは吸入方向に沿って断面積が減少する内部空間と，先端に形成されたスロット状断面の前記排気口を有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  6. 前記基板処理装置は，前記下部チャンバと前記外部反応チューブとの間に設置される支持フランジを更に含み，
    前記供給ラインは前記支持フランジを介して前記供給ノズルにそれぞれ連結されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  7. 前記基板処理装置は，前記外部反応チューブの内部に設置されて上下方向に配置された熱電対を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
  8. 前記基板処理装置は，前記基板ホルダに連結されて前記工程の間に予め設定された方向に回転する回転軸を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
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