CN100395871C - 热处理方法以及热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热处理方法和处理装置，该热处理方法包括：在内部设置有加热机构的由金属制成的处理容器内，通过上述加热机构对多级保持的多个被处理体实施低温区域的规定的热处理的工序，和在上述热处理结束后，向着在上述被处理体的高度方向上分割的上述处理容器的各区域导入冷却气体的工序。该处理装置在处理容器内对多级保持的多个被处理体实施热处理的热处理装置，其中，所述处理容器是金属制成的，在所述处理容器的内部，设置有用来加热所述被处理体的加热机构和冷却气体导入机构，其中，所述冷却气体导入机构具有多个喷出孔，用于向着在所述被处理体的高度方向上分割的所述处理容器内的各区域导入冷却气体。
Description
技术领域
本发明涉及用来对被处理体实施热处理的热处理方法以及热处理装置。
背景技术
在半导体装置的制造中，对被处理体例如半导体晶片施行例如氧化、扩散、CVD、退火等各种热处理。作为用来实行这些热处理的热处理装置的一种，使用能够一次热处理多个晶片的立式热处理装置。
立式热处理装置具有构成立式热处理炉的由石英制成的处理容器。在处理容器的下端开口的炉口，通过盖体来进行开闭。在该盖体上经由石英制的保温筒而支撑着多级地保持多个晶片的石英制的舟形皿(保持器具)。此外，在上述处理容器的周围，在圆筒状的绝热件的内周上设置有螺旋状等的发热电阻线来构成加热器。
这种现有的热处理装置是以进行例如在900～1200℃左右的高温区域中的热处理为前提而设计的。此外，在这种热处理装置中，当在热处理之后，晶片的温度不容易冷却。因此，为了降低晶片的温度，提出了将冷却风吹到处理容器的外侧的结构(例如参照日本专利特开2000-100812号公报)。
然而，作为热处理工序，有时并不是在高温度区域内，而是在例如50～600℃左右的低温区域内来进行晶片的热处理。例如，为了降低配线电容，在作为层绝缘膜而使用介电率小的树脂等有机膜的场合，有时有必要在40～600℃左右的低温下烧固该有机膜。在为高温区域用而设计的热处理装置中进行低温区域的热处理是可能的。
但是，在现有的热处理装置中，处理容器因为是石英制成的，所以热容量大，而且处理容器的周围覆盖着绝热件。因此，存在着即使在低温下处理晶片的场合，为了要使晶片温度降低到室温程度的处理温度也需要较长时间这样的问题。例如，在热处理后将晶片自然冷却到室温的场合，降温速度较慢，甚至不足1℃/分，也就是说，低温区域内的晶片的降温特性很差。对于这种现象来说，即使靠将冷却风吹到处理容器的侧壁的装置，也不会有所改善。
发明内容
本发明是考虑到上述情况而提出的。其目的在于提供一种改善低温区域内的降温特性而实现处理能力的提高的热处理方法和热处理装置。
本发明的热处理方法，其特征在于，包括：在内部设置有加热机构的由金属制成的处理容器内，通过所述加热机构对多级保持的多个被处理体实施低温区域的规定的热处理的工序，和在所述热处理结束后，向着在所述被处理体的高度方向上分割的所述处理容器的各区域导入冷却气体的工序。
通过上述特征，当热处理结束后，冷却气体分散地大量导入到沿着处理容器内的高度方向的多个区域的各个内，被处理体可以迅速且均匀地被冷却，低温区域内的降温特性得到改善，从而能够实现处理能力的提高。
例如，上述处理容器可以具有大约170升的容积。在该场合，导入上述冷却气体的工序优选包括以300～500升/分将冷却气体导入上述处理容器内的工序。
此外，上述处理容器可以具有冷却剂流通用的容器冷却机构。在该场合，上述导入冷却气体的工序优选包括使上述容器冷却机构动作、以大约40℃/分以上的降温速度将上述被处理体降温至400℃～100℃的工序。
此外，本发明的热处理装置，是在处理容器内，对多级保持的多个被处理体实施热处理的热处理装置，其特征在于：所述处理容器是金属制成的，在所述处理容器的内部，设置有用来加热所述被处理体的加热机构和冷却气体导入机构，其中，所述冷却气体导入机构具有多个喷出孔，用于向着在所述被处理体的高度方向上分割的所述处理容器内的各区域导入冷却气体。
通过该特征，可以使冷却气体分散地大量导入到沿着处理容器内的高度方向的多个区域的各个内。从而，被处理体可以迅速且均匀地被冷却，低温区域内的降温特性得到改善，从而能够实现处理能力的提高。
优选在上述处理容器与上述多级地保持的多个被处理体之间形成有环形空间，上述冷却气体导入机构是配置于上述环形空间的、在竖直方向上延伸的冷却气体导入管，上述多个喷出孔在上述冷却气体导入管的竖直方向上以适当的间隔而形成，各喷出孔在上述冷却气体导入管的管壁上形成，使得在上述环形空间的切线方向上喷出冷却气体。
在该场合，能够以比较简单的构成，使冷却气体分散地大量导入到沿着处理容器内的高度方向的多个区域的各个内，此外，可以进一步迅速且均匀地冷却被处理体。
而且，多个冷却气体导入管优选是在上述环形空间的周向上以适当的间隔来配置。在该场合，可以将更加大量的冷却气体导入处理容器内，从而能够更加迅速(急速)且均匀地冷却被处理体。
此外，为了使冷却气体高效率地分散于处理容器内的高度方向的多个区域的各个内，上述多个冷却气体导入管优选是竖直方向的长度互不相同。在该场合，冷却气体可以更均匀地导入到处理容器内的高度方向的多个区域的各个内。
此外，优选在上述喷出孔上设置有多孔质部件。在该场合，冷却气体的流动被更有效地分散，流速被抑制，因而可以抑制颗粒的卷起或者飞扬。
例如，上述处理容器具有大约170升的容积。在该场合，优选上述冷却气体导入机构能够以300～500升/分将冷却气体导入上述处理容器内。
此外，上述处理容器优选具有冷却剂流通用的容器冷却机构。
在该场合，上述冷却气体导入机构和上述容器冷却机构优选能够以大约40℃/分以上的降温速度将上述被处理体降温到400℃～100℃。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的热处理装置的纵截面图。
图2是简要表示处理容器内的冷却气体喷出管的结构的横截面图。
图3是说明冷却气体喷出管的组合例的示意图。
图4A至图4C是表示冷却气体喷出管的另一实施方式的示意图，
图4A是简要表示处理容器内的该冷却气体喷出管的结构的横截面图，
图4B是该冷却气体喷出管的侧视图，图4C是图4B的局部放大截面图。
图5是表示处理容器内的下部加热器结构之一的简要俯视图。
图6是表示本实施方式的装置与现有装置中的晶片降温速度的比较结果的曲线图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是表示本发明的一个实施方式的热处理装置的纵截面图，图2是简要表示处理容器内的冷却气体喷出管的结构的横截面图，图3是说明冷却气体喷出管的组合例的示意图，图4A至图4C是表示冷却气体喷出管的另一实施方式的示意图，图4A是简要表示处理容器内的该冷却气体喷出管的结构的横截面图，图4B是该冷却气体喷出管的侧视图，图4C是图4B的局部放大截面图，图5是表示处理容器内的下部加热器结构之一的简要俯视图，图6是表示本实施方式与现有装置中的晶片降温速度的比较结果的曲线图。
如图1所示，热处理装置1具有处理容器2，构成用来对包括多级保持的多个(例如25～50个左右)被处理体例如半导体晶片W施行规定的热处理的立式热处理炉。作为多级保持晶片W的机构(被处理体保持器具)，使用在上下方向以规定间隔多级地保持例如直径为300mm的晶片W的石英制的舟形皿3。
处理容器2具有耐热性和耐腐蚀性，由热容量比石英小且对晶片W不容易产生金属污染源的金属、例如不锈钢或者表面经阳极氧化处理的铝而形成下部开放的圆筒状。本实施例的处理容器2主要由形成侧壁的圆筒状的主体部4和在主体部4的上部开口端气密固定的顶棚部(顶板)5而构成。所述主体部4与顶棚部5形成为一体。在上述主体部4上安装有突缘状的支撑部件6。通过将该支撑部件6的外缘部固定在基板7的开口8的周缘部上面，来将处理容器2设置在基板7上。
在上述处理容器2上设置有使冷却剂流通来冷却处理容器2本身的容器冷却机构10。作为容器冷却机构10，也可以具有设置在处理容器外面的水冷套。但是，优选是在上述处理容器2本身具有用于使冷却剂、例如室温的冷却水流通而设置的冷却剂通路11，以实现结构的简化和冷却性能的提高。在本实施例中，在处理容器2的主体部4上螺旋状地设置有冷却剂通路11。在冷却剂通路11上连接着用来使冷却剂流动的冷却剂循环系统。冷却剂循环系统优选是能够将处理容器2控制到规定的温度以便使处理气体成分不被析出。其中，冷却剂通路也可以设置在处理容器2的顶棚部5。
在上述处理容器2的下方，通过升降机构15可升降地设置有气密封闭该炉口12的盖体14，其经由气密件例如O形圈13而从下方与炉口(处理容器的下部开口)12的开口端接触。该盖体14也是由与上述处理容器2相同的金属而形成的。也可以在该盖体14上设置冷却剂通路。
为了将上述舟形皿3可旋转地支撑于上述处理容器2内，在上述盖体14的上部，经由旋转支柱16而在规定高度位置处设置有可旋转的转台17。在该转台17上，装卸自如地放置着上述舟形皿3。在盖体14的下部，设置有气密地贯通盖体14的中央部并且旋转上述旋转支柱16的驱动机构部(图未示出)。在处理容器2的下部，例如在侧壁的下方部分上设置有用来将规定的处理气体导入到处理容器2内的气体导入管18。在处理容器2的上部(顶棚部)上，设置有用来排气处理容器2内的气体的排气管19。在气体导入管18上连接着气体源，在排气管19上连接着具有能够对处理容器2内进行减压排气的减压泵或者压力控制机构等的减压排气系统。本实施例的热处理装置1将处理容器2内的压力控制为0.1Torr(13.33Pa)(减压)～760Torr(101kPa)(常压)，最好是650Torr(86.6kPa)(微减压)来进行热处理。其中，处理容器2也可以从上部导入处理气体，从下部排气。
在处理容器2内，设置有以40～600℃左右的低温区域加热晶片W用的加热机构(加热器)20。作为加热机构20，因为设置在处理容器2内，所以可以使用例如在石英管内插通碳丝而封入的管状加热器，以便消除晶片W的金属污染。其中，本实施例的加热机构20由配置于舟形皿3与处理容器2的侧壁之间的环形空间21内的侧部加热器22、配置于舟形皿3的上方的顶棚部加热器23、以及配置于舟形皿3的下方的底部加热器24而构成。
侧部加热器22是将管状加热器弯曲成U字形而形成的。侧部加热器22的基端部气密地贯通处理容器2的顶棚部5，由该顶棚部5来保持，侧部加热器22从顶棚部5下垂到环形空间21内的下方。这种侧部加热器22在环形空间21的周向大致均等地配置有多个。此外，也可以设置由总体为U字形而其前端部分被上下弯曲成蛇行状的管状加热器组成的底部辅助加热器25，以便能够加热处理容器2内的底部区域。底部辅助加热器25也是与侧部加热器22同样，最好是在环形空间21的周向上大致均等地配置多个。
顶棚部加热器23对着舟形皿3的上面而安装在顶棚部5上。底部加热器24对着转台17的下面而安装在盖体14上。支撑顶棚部加热器23并且向着顶棚部加热器的配线通过的支柱部23a气密地贯通顶棚部5而由顶棚部5所保持。支撑底部加热器24并且向着底部加热器24的配线通过的支柱部24a气密地贯通盖体14并由该盖体14所保持。顶棚部加热器23和底部加热器24也可以由面状加热器构成。或者，例如，如图5中所示，也可以将在水平面内弯曲成蛇行状的管状加热器对称地配置多组，例如两组或者三组。通过设置顶棚部加热器23和底部加热器24，而能够实现多级地保持于舟形皿3的晶片W的面内温度和面间温度的均匀化。
另一方面，对应于上述处理容器2内的多级的晶片W，在多个高度区域的各个中设置具有喷出冷却气体、例如室温的氮气(N2)的多个喷出孔26的冷却气体导入机构27。本实施例的冷却气体导入机构27由上下方向地配置于处理容器2的侧壁4与处理容器2内的晶片W之间的环形空间21中的石英制的冷却气体导入管28所组成。该冷却气体导入管28的基部28a被弯曲成L字形，水平地气密贯通处理容器2的侧壁的下侧部并由该侧壁来保持。在冷却气体导入管28的基部28a上连接着冷却气体源。
冷却气体导入管28沿着处理容器2的侧壁而从下方向着上方垂直地竖起。冷却气体导入管28的上端部被封闭，由支撑部件(图未示出)而支撑于侧壁4的上侧部或者顶棚部5。在该冷却气体导入管28的管壁上，在纵长方向上以适当间隔而形成直径为5mm左右的多个喷出孔26，以便在上述环形空间21的切线方向上喷出冷却气体。通过向上述切线方向喷出以便使冷却气体不直接接触晶片W，从而能够防止晶片W的局部的冷却或者颗粒的飞扬。此外，通过在上述切线方向上喷出冷却气体，而在处理容器2内产生冷却气体的旋流。从而，可以更有效并且面内均匀和面间均匀地冷却晶片。
此外，为了以大流量(例如300～500升/分)将冷却气体导入容积为170升左右的处理容器2内，上述冷却气体导入管28优选是在上述环形空间21的周向上以适当间隔配置多个。在本实施例中，如图2所示，以规定的中心角θ(例如θ＝60°)配置两个冷却气体导入管28、28。在该场合，上述多个冷却气体导入管28优选是在处理容器2内的高度方向上均匀地导入冷却气体，如图3所示，其具有不同的长度。在图3的例子中，为了向处理容器2内的高度方向的两个区域均匀地导入冷却气体而设置有不同高度的两根冷却气体导入管281、282。
此外，为了抑制从喷出孔26所喷出的冷却气体的流速而抑制颗粒的卷起或飞扬，如图4A至图4C所示，优选是在上述喷出孔26上设有多孔质部件30。作为多孔质部件30可以是烧结氧化硅颗粒而形成的氧化硅多孔质层。因此，即使冷却气体的流量增大，冷却气体的流动也被分散而其流速被抑制，因而可以抑制颗粒的卷起或者飞扬。
接下来，说明由以上构成所组成的热处理装置1的动作。首先，卸料状态的盖体14上升，将多个晶片W所搭载的舟形皿3装入处理容器2内。盖体14封闭处理容器2的炉口12。然后，处理容器2内的压力减压，调整到规定的处理压力，并且增大向加热机构(加热器)20的供给电力，晶片W被加热到规定的处理温度。进而，规定的处理气体从气体导入管18导入到处理容器2内，进行低温区域下的规定的热处理。在该热处理中，转台17旋转，冷却剂例如室温的冷却水在设置于处理容器2的侧壁4上的冷却剂通路11中流过，侧壁4被冷却，或者，被控制到规定的温度。或者，也可以不使冷却水流过，而提高热效率。
这样一来，规定时间的热处理结束后，向加热机构(加热器)20的供给电力降低或者阻断并且进行晶片的强制冷却操作。在热处理中使冷却剂流过处理容器2的侧壁的冷却剂通路11的场合，热处理结束后也继续流过冷却剂而继续进行侧壁的冷却。与此同时，冷却气体例如室温的N2气体被供给到冷却气体导入机构27的冷却气体导入管28，该冷却气体从冷却气体导入管28的管壁的多个喷出孔26导入处理容器2内。从而，晶片W被冷却。其中，冷却气体的喷出方向优选是与转台17的旋转方向相同。
如以上这样，如果用本实施方式的热处理装置1，则由于用金属制的热容量小的处理容器并且该处理容器2通过流过冷却剂通路11的冷却剂直接冷却，所以低温区域下的温度响应性优秀，也就是说，低温区域下的热处理性能优秀。而且，在处理容器2内，通过冷却气体导入机构27的冷却气体导入管28，在高度方向从多个位置导入冷却气体。因此，可以在处理容器2内的高度方向均匀地导入大量的冷却气体，可以迅速且均匀地冷却多级地保持于处理容器2内的舟形皿3上的晶片W。具体地说，本实施方式例如在400℃～室温的低温区域下的降温特性优秀。也就是说，由于在热处理后可以迅速地降低晶片的温度，所以可以实现处理能力的提高。
对于晶片的强制冷却操作来说，是一边从排气管19排出处理容器2内的气体而一边进行的。也就是说，处理容器2内的气体被作为冷却气体的N2气体所置换。如果强制冷却操作进行规定的时间直到晶片W被冷却到室温，则依次停止排气和冷却气体的供给，处理容器2内恢复常压。然后，盖体14打开，舟形皿3卸料。
图6是表示本实施例与现有装置(处理容器石英制)的晶片降温速度的比较结果的曲线图。这里，降温速度的测定，是针对舟形皿3内的上部、中部、下部中的晶片的中心部和周缘部分别用热电偶来进行的。在现有的热处理装置中，为了要从400℃降温到100℃而需要480分，如非常平缓的梯度曲线A所示，降温速度非常慢，不足1℃/分。与此相反，本实施例的热处理装置的降温速度，即使在不进行冷却气体的导入和处理容器的冷却的自然冷却的场合，如稍有梯度的曲线B所示那样，在从测定开始到20分之间较快，达到10℃/分左右。此外，在进行冷却气体的导入和处理容器的冷却的强制冷却的场合，如陡的梯度曲线C所示那样，从测定开始到10分之间可以得到极快的降温速度，达到了40℃/分左右。此外，在其降温时，晶片的面间和面内的温度差为±3℃左右，也就是说，可以得到良好的均热性能。
以上，虽然通过附图详细描述了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明精神的范围内可以进行各种设计变更等。例如，作为冷却气体导入机构，也可以在处理容器的侧壁上设置冷却气体的喷出孔，从该侧壁直接将冷却气体导入到处理容器内。作为被处理体，并不限定于半导体晶片，也可以是玻璃基板或者液晶显示器基板等。作为冷却气体，为了防止晶片的自然氧化膜的形成而优选为N2等惰性气体。
Claims (10)
1.一种热处理装置，是在处理容器内，对多级保持的多个被处理体实施热处理的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器是金属制成的，
在所述处理容器的内部，设置有用来加热所述被处理体的加热机构和冷却气体导入机构，其中，所述冷却气体导入机构具有多个喷出孔，用于向着在所述被处理体的高度方向上分割的所述处理容器内的各区域导入冷却气体，
在所述处理容器与所述多级保持的多个被处理体之间形成有环形空间，
所述冷却气体导入机构是配置于所述环形空间内的、在竖直方向上延伸的冷却气体导入管，
所述多个喷出孔在所述冷却气体导入管的竖直方向上以适当的间隔而形成，
各喷出孔在所述冷却气体导入管的管壁上形成，使得在所述环形空间的切线方向上喷出冷却气体。
2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
多个冷却气体导入管在所述环形空间的周向上以适当的间隔而被配置。
3.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述多个冷却气体导入管在竖直方向的长度互不相同。
4.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器具有170升的容积，
所述冷却气体导入机构能够以300～500升/分向所述处理容器内导入冷却气体。
5.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器具有冷却剂流通用的容器冷却机构。
6.如权利要求5所述的热处理装置，其特征在于：
所述冷却气体导入机构和所述容器冷却机构能够以40℃/分以上的降温速度来将所述被处理体降温至400℃～100℃。
7.一种热处理装置，是在处理容器内，对多级保持的多个被处理体实施热处理的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器是金属制成的，
在所述处理容器的内部，设置有用来加热所述被处理体的加热机构和冷却气体导入机构，其中，所述冷却气体导入机构具有多个喷出孔，用于向着在所述被处理体的高度方向上分割的所述处理容器内的各区域导入冷却气体，其中，
在所述喷出孔上设置有多孔质部件。
8.如权利要求7所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器具有170升的容积，
所述冷却气体导入机构能够以300～500升/分向所述处理容器内导入冷却气体。
9.如权利要求7所述的热处理装置，其特征在于：
所述处理容器具有冷却剂流通用的容器冷却机构。
10.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于：
所述冷却气体导入机构和所述容器冷却机构能够以40℃/分以上的降温速度来将所述被处理体降温至400℃～100℃。
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