CN102124547A - 立式热处理装置及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种立式热处理装置，至少具备：反应管；用以保持基板的热处理用晶舟；用以加热基板的加热器；用以将环境气体导入反应管内的气体导入管；与气体导入管连接的气体供给管；形成在反应管下方所设置的凸缘体或反应管上且被气体导入管插通的进气口部；其特征在于：气体导入管与气体供给管的连接是在反应管外经由接头而进行的，该接头具有至少配备有凸缘部的金属制短管，该金属制短管的凸缘部经由O型环与设置于进气口部的凸缘部连接，由此连接形成的贯穿孔，其被气体导入管插通，并利用接头来连接气体供给管。由此，能提供一种不会在基板上产生模糊不清，能防止气体导入管的破损且能容易地将气体导入管与气体供给管连接的立式热处理装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理装置，用以对半导体硅芯片等的基板进行热处理。
背景技术
从半导体单晶硅(以下，也有简称为硅的情形)等的单晶锭(单晶棒)切取基板至制造半导体组件之间，有许多步骤位于基板的加工工序至组件的形成工序之间。这些步骤之一为热处理步骤。该热处理步骤是为了在基板表层形成无缺陷层、通过形成氧析出物而形成吸杂层(去疵层(gettering))、形成氧化膜、杂质扩散等目的而进行的，是非常重要的工序。
这样的热处理步骤中所使用的热处理炉，例如，作为在氧化或杂质扩散中所使用的扩散炉(氧化/扩散装置)，目前，随着基板的大口径化，主要使用立式热处理炉，该立式热处理炉在水平地保持基板的状态下，同时热处理多片基板(例如参照专利文献1)。在纵形热处理炉内，通常使用一种热处理用晶舟，用以保持多片基板。这样的对多片基板同时进行热处理的热处理炉被称为分批式的热处理装置。
图3是表示分批式的立式热处理装置的一个例子的概略说明图。热处理装置30的反应室31主要是由反应管32及被设置在反应管下方的凸缘体33形成。另外，反应管是耐热性高的碳化硅(SiC)制成的，而凸缘是石英制成的(由石英制成)。在反应室的内侧设置有热处理用晶舟34，被保持在该热处理用晶舟上的多片基板35被设置于反应室周围的加热器36加热。另外，经由气体导入管38，将由气体供给管37所供给的环境气体，导入反应室内，然后从热处理装置的上方，使气体流动而通过基板的周围，之后从气体排气管39排气至外部。
此气体导入管38的材质使用碳化硅。这是因为在使用石英来构成时，若在1250℃左右的高温下进行热处理，则气体导入管会因为热而变形，会有与热处理用晶舟34接触而破损的问题。因此，在进行1250℃以上的高温热处理的热处理装置中，都是使用碳化硅的气体导入管。
此种气体导入管38通过连接部40连接进气口部(gas port)41，而且进气口部与气体供给管37连接，该气体供给管37则与未图示的气体供给源连接。另外，因为进气口部的结构复杂，以碳化硅制造是困难的，所以使用容易制造的石英。此时，所使用的环境气体会因热处理的目的而异，但是主要使用H2、N2、O2、Ar等。另外，在杂质扩散的情况下，将这些气体作为载气来导入杂质化合物气体。
但是，在使用如上述的分批式热处理装置，在氩(Ar)等的惰性气体环境中进行硅芯片(作为基板)的热处理的情况下，会产生在硅芯片上发生模糊不清(cloudiness)这样的问题。
专利文献1：日本特开2002-289602号公报。
发明内容
上述问题的原因是，从反应管与设置在反应管下方的凸缘体之间的间隙所泄漏进来的空气，从气体导入管的连接部侵入气体导入管内，并由于该空气中所含有的氧而在热处理中的基板表面上形成氧化膜。
针对此种问题，本发明人提出一种热处理装置，如图4所示，将气体导入管50设为石英制，将其焊接在形成于反应管51或被设置在反应管下方的凸缘体52上的进气口部53上，来消除连接部，由此，通过防止空气的侵入来解决基板的模糊不清(氧化膜)的问题，进而通过使用由SiC所构成的保护管54进行覆盖而解决热所引起的石英制气体导入管的变形。但是，如此地将气体导入管焊接在形成于反应管或是被设置在反应管下方的凸缘体上的进气口部上的情况下，存在当操作(处理)反应管或凸缘体时损坏气体导入管的问题。
因此，本发明是鉴于上述问题点而开发出来的，提供一种立式热处理装置，不会在基板上产生模糊不清，能防止气体导入管的破损且容易地将气体导入管与气体供给管连接。
为了解决上述课题，本发明提供一种立式热处理装置，至少具备：反应管；热处理用晶舟，其被配置在该反应管内，用以保持基板；加热器，其用以加热所述基板；气体导入管，其用以将环境气体导入所述反应管内；气体供给管，其与所述气体导入管连接；进气口部，其形成在所述反应管下方所设置的凸缘体或所述反应管上，且被所述气体导入管插通；其特征在于，所述气体导入管与所述气体供给管的连接是在所述反应管外经由接头而进行的，该接头具有至少配备有凸缘部的金属制短管，该金属制短管的凸缘部经由O型环与设置于所述进气口部的凸缘部连接，并且，所述气体导入管插通由所述金属制短管连接所述进气口部所形成的贯穿孔，并利用所述接头来连接所述气体供给管。
如此，本发明的立式热处理装置未将气体导入管焊接于反应管或在反应管下方所设置的凸缘体上，金属制短管的凸缘部与进气口部的凸缘部是经由O型环连接，并在由金属制短管连接进气口部所形成的贯穿孔中，使气体导入管插通且通过接头来连接气体供给管。因此，气体导入管未与反应管或凸缘体整体化，能防止在操作反应管或凸缘体时，因不慎而损坏气体导入管，且通过经由O型环连接进气口部的凸缘部与金属制短管的凸缘部的结构，能容易地将气体导入管与气体供给管连接。而且，因为在反应管内未具有气体导入管与进气口部的连接部，能防止发生如以往那样氧混入气体导入管的情况，而不会在基板上产生模糊不清(氧化膜)。
另外，优选所述接头除了所述金属制短管以外还具备套管及螺帽，所述套管安装在所述气体供给管的前端部，该套管的内径比所述气体导入管的外径大，且该套管的外径比所述气体供给管的前端部的外径大，所述螺帽被所述气体供给管插通且与所述套管卡合，在螺帽的另一端的内周形成有螺纹，其与所述金属制短管(已被连接在所述进气口部的凸缘部)的凸缘部相反侧形成的外周螺纹螺合，并且所述金属制短管的凸缘部相反侧的端部经由O型环收容并嵌合所述套管，所述套管收容并嵌合所述气体导入管，通过将所述螺帽扭进所述金属制短管，已卡合在该螺帽中的所述套管，经由O型环而压接在所述金属制短管侧，且所述气体供给管与所述气体导入管以保持气密的状态而连接。
如此，通过将螺帽扭进金属制短管使套管经由O型环压接在金属制短管侧，来连接气体导入管与气体供给管，从而气体导入管与气体供给管的连接能更容易地进行且能提高连接部的气密性。
另外，所述进气口部的材质是石英，所述气体导入管的材质是石英、碳化硅或硅，且所述反应管的材质可以是碳化硅。
如此，通过将进气口部的材质设作石英，能容易地进行复杂形状的进气口部加工，同时通过将反应管的材质设作碳化硅，即便是在高温的热处理中，也能防止反应器的变形。通过将气体导入管的材质设作石英、碳化硅或硅，加工容易且基板不会受到金属等的污染。
另外，所述气体导入管的材质是石英，且能被碳化硅制的保护管覆盖。
如此，气体导入管的材质是石英时，通过使用碳化硅制的保护管覆盖，即便是1250℃以上的较高温的热处理，也能防止气体导入管因热而变形。
另外，使用此种立式热处理装置并在1000～1350℃的温度范围内进行硅芯片的热处理，能防止在硅芯片产生模糊不清。
如上所述，依照本发明的热处理装置，不是将气体导入管焊接于反应管或在反应管下方所设置的凸缘体，而是经由O型环来连接金属制短管的凸缘部与进气口部的凸缘部，并在由金属制短管连接进气口部所形成的贯穿孔中，插通气体导入管且利用接头来连接气体供给管，利用此种结构，气体导入管未与反应管或凸缘体整体化，能防止在操作反应管或凸缘体时，因不慎而损坏气体导入管。而且，通过进气口部的凸缘部与金属制短管的凸缘部是经由O型环连接的结构，能容易地连接气体导入管与气体供给管。而且，因为在反应管内未具有气体导入管与进气口部的连接部，而成为一种能防止氧混入气体导入管且不会在基板上产生模糊不清的热处理装置。
附图说明
图1是表示本发明的立式热处理装置的一个例子的概略说明图。
图2是表示本发明的立式热处理装置的一个例子，是在气体导入管为石英制的情况下气体导入管被碳化硅制保护管覆盖的概略说明图。
图3是表示以往的分批式立式热处理装置的一个例子的概略说明图。
图4是表示将碳化硅制反应管连接在进气口部与气体导入管整体化而成的石英制凸缘体上，且安装有碳化硅保护管而成的立式热处理装置的一个例子的概略说明图。
具体实施方式
以下，更具体地说明本发明。
如上所述，以往，为了提升质量等各式各样的目的，而对基板进行热处理时，会在基板上产生模糊不清。该原因被认为是由于从反应管与凸缘体的间隙泄漏进来的空气，从气体导入管与进气口部的连接部，侵入气体导入管内，并在热处理中的基板表面上形成氧化膜。作为其解决对策，将气体导入管设作石英制，且利用焊接于反应管或被设置在反应管下方的凸缘体上的进气口部，来消除连接部，进而安装碳化硅制的保护管来防止因热而产生变形，从而解决了基板的模糊不清的问题，但是却会成为一种长的气体导入管被焊接于进气口部(该进气口部被形成于反应管或设在反应管下方的凸缘体上)的结构，而在组装、解体热处理装置时，当要处理凸缘时，经常会产生损坏气体导入管的问题。
因此，本发明人着手开发一种热处理装置，此装置不会产生基板的模糊不清，而且在组装、解体时不会损坏气体导入管。结果发现：在反应管外，经由接头将气体导入管与气体供给管连接，该接头具有至少配备有凸缘部的金属制短管，该金属制短管的凸缘部经由O型环而与被设置于进气口部的凸缘部连接，气体导入管插通由金属制短管与进气口部连接所形成的贯穿孔，并利用所述接头与所述气体供给管连接，由此能防止气体导入管的破损，同时不会因泄漏而产生基板模糊不清。
以下，参照附图来说明本发明的热处理装置的实施方式，但是本发明并未被限定于这些实施方式。
图1是表示本发明的热处理装置的一个例子的概略说明图。有关本发明的立式热处理装置，如图1中的(a)所示，在热处理装置1中，反应室2由反应管3及被设在反应管下方的凸缘体4形成。另外，在反应管的内部，配置有热处理用晶舟5，基板6被保持在此热处理用晶舟上。另外，在反应室的周围，设置有用以加热基板的加热器7。在反应室设置有用以供给环境气体的气体导入管8及用以排气的气体排气管9。另外，在凸缘体与反应管是各自构成的情况下，进气口部10形成在凸缘体上，而在反应管与凸缘体是整体构成的情况下，进气口部10直接形成在反应管上。
此处，在本发明中，如图1中的(b)所示，气体供给管11在反应管3的外面，经由接头12与气体导入管8连接。接头12至少包含金属制短管14，此短管14具有凸缘部13。被设置于进气口部10处的凸缘部15与该金属制短管的凸缘部13经由O型环16而被连接在一起，由此，能形成从进气口部10至金属制短管14大致相同直径的贯穿孔20。L字形的气体导入管8的水平部，插通此贯穿孔20，并经由接头12与气体供给管11连接。
在本发明的立式热处理装置中，不将气体导入管8焊接在反应管3或反应管下方所设置的凸缘体4上，而经由O型环16来连接进气口部10的凸缘部15与金属制短管14的凸缘部13，且气体导入管8插通贯穿孔20，并利用所述接头12来与所述气体供给管11连接，而该贯穿孔通过将金属制短管14连接在进气口部10上而形成。因为是此种结构，所以能容易地使气体导入管11、气体供给管8及凸缘体14连接，且能安装或卸下气体导入管8。而且，在以往的热处理装置中，在安装反应管时等的情况下，因为无法看见反应管内部，气体导入管与反应管接触，致使气体导入管破损。但是，在本发明的立式热处理装置中，因为能在将反应管3安装在凸缘体4上之后，固定气体导入管8，所以在装置的组装或解体时，不会损坏气体导入管8。另外，在以往的热处理装置中，气体导入管与进气口部的连接部存在于反应管内部，从反应管与凸缘体的间隙泄漏进来的空气，会从连接部侵入气体导入管内，而在热处理中的基板表面上产生氧化膜，但是，在本发明的立式热处理装置中，气体导入管与气体供给管的连接部是在反应管外面，所以不会在基板上产生模糊不清。
另外，优选反应管3为耐热性高的碳化硅(SiC)制，进气口部10为石英制的热处理装置。这样将反应管设作碳化硅制的理由是因为若在热处理温度为例如1250℃以上的高温使用时，石英制的反应管会有产生变形的可能性，但是在低温使用时也可将反应管设作石英制。此时，不必特别地设置凸缘体4，也可以使用石英来将反应管与凸缘体构成整体。另外，因为包含进气口部10的凸缘体4的结构复杂，所以材质优选设为石英制，但是未限定于石英制，也可设为碳化硅制，也可使用碳化硅来将反应管与凸缘体构成整体。
另外，作为此气体导入管8的材质，可以是石英、碳化硅、硅。但是，使用石英来构成气体导入管时，因为在高温进行热处理会有变形的可能性，如图2所示，通过使用保护管22来覆盖石英制的气体导入管21，能防止因热而造成的变形。此保护管优选由以下任一种材料制造：碳化硅、施加了由碳化硅所产生的CVD涂层而成的碳化硅、施加了由碳化硅所产生的CVD涂层而成的硅、施加了由碳化硅所产生的CVD涂层而成的碳。因为这些材料的耐热变形性比石英强，能可靠地防止气体导入管因热变形而接触热处理用晶舟或反应管所产生的故障。另外，若在保护管的侧面预先形成有狭缝，保护管内部的CVD涂层更为可靠，所以是优选的。
随后，利用图1中的(b)，更详细地说明接头，其用以连接气体导入管与气体供给管。图1中的(b)是将图1中的(a)的接头放大而成的，该接头用以连接气体导入管与气体供给管。
本发明的接头12具备金属制短管14、套管17及螺帽18。套管17是金属制，且焊接在气体供给管11的前端，其内径比气体导入管8的外径大，且其外径比气体供给管11的前端部的外径大。螺帽18在一个端面的中心具有孔，该孔的内径比气体供给管的外径大且比套管的外径小，且用于被气体供给管插通而与套管17卡合。在此螺帽18的另一端的内周，形成有螺纹，此螺纹与在金属制短管14的凸缘部13(连接进进气口部10的凸缘部15)相反侧所形成的外周螺纹螺合。另外，金属制短管14的内径，比气体导入管8的外径大一些，且金属制短管14的凸缘部13相反侧的端部的内径，比套管17的外径大一些，而且在该直径变化的阶梯部分，安装有O型环19。金属制短管14的凸缘部13相反侧的端部，经由O型环19收容并嵌合套管17，套管17收容并嵌合气体导入管8。在本发明中，在连接气体导入管8与气体供给管11时，将气体导入管8从反应室侧插通贯穿孔20，该贯穿孔是根据进气口部10的凸缘部15与金属制短管14的凸缘部13经由O型环16而连接起来，且金属制短管14连接进气口部10而形成的，并以至少金属制短管14的前端从O型环19伸出的方式来安装。随后，将螺帽18扭进金属制短管14，已卡合在螺帽18中的套管17，便会经由O型环19而压接在金属制短管侧，且气体供给管与气体导入管保持气密而连接。
通过此种结构的接头，气体导入管与气体供给管的连接能更容易地进行，且利用经由O型环来连接的结构，能提高连接部的气密性。另外，接头并未限定于此种结构，只要是金属制短管与气体导入管能以保持气密的状态而连接，也可采用其它结构。
另外，使用上述本发明的热处理装置，并使用硅芯片来作为基板，且在1000～1350℃的温度范围进行热处理时，能防止在硅芯片上产生模糊不清。
[实施例]
以下，通过实施例及比较例来更具体地说明本发明，但是本发明未限定于这些例子。
(实施例)
如图1所示，立式热处理装置设置有碳化硅制反应管与石英制凸缘体(被设置在反应管下方)，且在凸缘体形成有进气口部，在此立式热处理装置中，经由O型环，将由SUS制直管与SUS制凸缘部所构成的金属制短管的凸缘部与进气口部的凸缘部连接在一起。如图2所示，在如此地根据连接金属制短管与进气口部而形成的贯穿孔中，插通预先安装有碳化硅制的保护管而成的石英制气体导入管，并将O型环安装在从金属制短管的端部露出的气体导入管上，且经由此O型环来嵌合氩气体供给管，并将螺帽扭进金属制短管，由此，经由O型环，将已卡合在螺帽中的套管压接于金属制短管侧，且以气体导入管与气体供给管保持气密的方式而连接在一起。在此状态下，将氩气供给至反应管内，来对直径300毫米的硅芯片，以1200℃进行1小时的热处理。退火后，在使用KLATENCOR公司的SP-1并以DWN模式的高生产量条件来测定硅芯片的表面时，雾度(Haze)值为0.06ppm，未发生面粗糙。另外，即便在装置维修时进行数次热处理夹具的组装，也不会损坏气体导入管。
(比较例1)
如图3所示，在碳化硅制反应管下方所设置的石英制凸缘体的进气口部，以将氩气供给至反应室内的方式，在反应室内连接碳化硅制气体导入管，来对直径300毫米的硅芯片，以1200℃进行1小时的热处理。但是，芯片的表面的雾度值为0.5ppm以上而发生强烈的面粗糙。认为这是因为从碳化硅制反应管与凸缘体的连接部所泄漏进来的空气，从进气口部与碳化硅制气体导入管的连接部，混入气体导入管内的氩气中。
(比较例2)
如图4所示，将碳化硅制反应管连接在石英制凸缘体上，该石英制凸缘体是将进气口部与预先安装有碳化硅制的保护管而成的气体导入管整体化而成的。一边将氩气供给至反应管内，一边对直径300毫米的硅芯片以1200℃进行1小时的热处理，结果，芯片表面的雾度值为0.06ppm，未发生面粗糙。但是，在装置维修时，将反应管解开而进行维修，随后，以使气体导入管进入反应管内的方式，将反应管放下(降下)而进行安装时，会发生反应管接触气体导入管而损坏气体导入管的情形。
另外，本发明未限定于上述实施方式。上述实施方式是示例，凡是具有与本发明的权利要求所记载的技术思想实质上相同的结构，可达成相同作用效果的形态，无论何种形态，都包含在本发明的技术范围内。
Claims (5)
1.一种立式热处理装置，至少具备：反应管；热处理用晶舟，其被配置在该反应管内，用以保持基板；加热器，其用以加热所述基板；气体导入管，其用以将环境气体导入所述反应管内；气体供给管，其与所述气体导入管连接；进气口部，其形成在所述反应管下方所设置的凸缘体或所述反应管上，且被所述气体导入管插通；其特征在于，
所述气体导入管与所述气体供给管的连接是在所述反应管外经由接头而进行的，该接头具有至少配备有凸缘部的金属制短管，该金属制短管的凸缘部经由O型环与设置于所述进气口部的凸缘部连接，并且，所述气体导入管插通由所述金属制短管连接所述进气口部形成的贯穿孔，并利用所述接头与所述气体供给管连接。
2.如权利要求1项所述的立式热处理装置，其特征在于，
所述接头除了所述金属制短管以外还具备套管与螺帽，
所述套管安装在所述气体供给管的前端部，该套管的内径比所述气体导入管的外径大，且该套管的外径比所述气体供给管的前端部的外径大，
所述螺帽被所述气体供给管插通且与所述套管卡合，在螺帽的另一端的内周形成有螺纹，其与已被连接在所述进气口部的凸缘部上的所述金属制短管的凸缘部相反侧形成的外周螺纹螺合，并且所述金属制短管的凸缘部的相反侧的端部经由O型环收容并嵌合所述套管，所述套管收容并嵌合所述气体导入管，通过将所述螺帽扭进所述金属制短管，已卡合在该螺帽中的所述套管，经由O型环压接在所述金属制短管侧，且所述气体供给管与所述气体导入管以保持气密的状态而连接。
3.如权利要求1或2所述的立式热处理装置，其特征在于，
所述进气口部的材质是石英，所述气体导入管的材质是石英、碳化硅或硅，且所述反应管的材质是碳化硅。
4.如权利要求1至3中任一项所述的立式热处理装置，其特征在于，所述气体导入管的材质是石英，且被碳化硅制的保护管覆盖。
5.一种热处理方法，其特征在于，
使用如权利要求1至4中任一项所述的立式热处理装置，在1000～1350℃的温度范围内，进行硅芯片的热处理。
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