JP2000012473A

JP2000012473A - 熱処理炉

Info

Publication number: JP2000012473A
Application number: JP10176047A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kobayashi; 正典小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】熱処理炉の炉芯管に半導体基板を出し入れす
る際に起きる炉芯管内への大気の巻き込みによる基板表
面の望ましくない酸化の防止を可能にする熱処理炉を提
供する。【解決手段】本発明の熱処理炉30は、半導体基板21の
熱処理を行う炉芯管31、炉芯管を加熱するためのヒータ
32、基板21を収納する耐熱治具20、耐熱治具20を炉芯管
31に出し入れする搬送機構33、及び熱処理用のガスを供
給するガス配管28を含み、耐熱治具20が、ガスの導入口
と排出口25を除き、収納した基板21を外部雰囲気から遮
蔽する密閉構造であり、ガス配管28が耐熱治具20に接続
してその内部にガスを供給するとともに、この接続した
状態で耐熱治具20の炉芯管31への出し入れの方向と同じ
方向に移動可能なものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の熱処
理炉に関する。より詳しく言えば、本発明は、熱処理炉
の高温の炉芯管に半導体基板を出し入れする際に起きる
炉芯管内への大気の巻き込みに起因する半導体基板表面
の望ましくない酸化を防止する熱処理炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板の熱処理は、半導体装置を完
成するまでに使用される各種の処理のうちの一つであ
る。半導体基板の熱処理工程では、多数枚の基板を載せ
た耐熱治具を熱処理炉に挿入して、基板の酸化やアニー
ルなどの熱処理を一括して行う「バッチ処理」が一般的
であり、このバッチ処理は、１枚１枚行う枚葉処理に比
べてスループットが高いのが特長である。バッチ処理用
の熱処理炉は、基板を炉に挿入する方向によって、水平
方向に挿入する横型炉と垂直方向に挿入する縦型炉に分
けられ、従来は横型炉が多かったが、最近は省スペース
に優れた縦型炉が一般的になっている。

【０００３】通常、半導体基板の熱処理炉は、尾管部に
ガス配管を結合させた炉芯管と、それを取り巻くヒータ
と、基板を収納する開放構造の耐熱治具と、そしてこの
耐熱治具を炉内に出し入れする搬送機構部から構成され
ている。炉芯管は一般に石英から作られ、そして耐熱治
具の材質は炉芯管と同様に石英が一般的だが、最近はＳ
ｉＣなどのセラミックスも使用されている。

【０００４】熱処理炉で半導体基板を処理する際には、
予熱した炉芯管の蓋（シャッター）を開け、基板を収納
した耐熱治具を搬送機構により管内に入れ、所定の温度
まで昇温して熱処理を行ってから、炉芯管の温度を予熱
温度まで下げ、再び蓋を開けて耐熱治具を取り出すよう
にしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱処理炉では、
図１に示したように、炉芯管１の蓋（図示せず）を開け
て、シリコンウェーハの如き処理基板２を載せた耐熱治
具３を出し入れする時に、酸素を含んだ大気が高い予熱
温度に保たれた炉芯管内に流れ込む「巻き込み現象」が
起こり、その結果基板表面に汚染を含んだ酸化物（例え
ばＳｉＮ、ＳｉＯＮ等の汚染物を含むシリコン酸化物）
が形成されてしまう問題が生じていた。熱処理炉で成長
させる酸化膜が厚い（数百Å（数十ｎｍ）程度）場合に
は、このような大気の巻き込みにより酸化される膜厚
（数Å程度）は無視出来るが、高集積化が進み、デバイ
スの酸化膜厚が数十Å（数ｎｍ）以下になると、大気の
巻き込みによる酸化膜の厚さが無視できない。

【０００６】更に、熱処理炉で処理する基板（シリコン
ウェーハ）の径は増大する傾向にあり、現在の８インチ
（約２００ｍｍ）の径が将来は１２インチ（約３００ｍ
ｍ）になろうとしている。このように処理すべき基板の
径が大きくなると、熱処理炉の炉芯管の口径もそれにつ
れて大きくなって、炉芯管開放時の基板の巻き込み酸化
を回避することはますます困難になる。

【０００７】そこで、本発明は、熱処理炉の炉芯管に半
導体基板を出し入れする際に起きる炉芯管内への大気の
巻き込みによる半導体基板表面の望ましくない酸化の防
止を可能にする熱処理炉を提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の熱処理炉は、半
導体基板の熱処理を行う炉芯管、この炉芯管を加熱する
ためのヒータ、半導体基板を収納する耐熱治具、この耐
熱治具を炉芯管に出し入れする搬送機構、及び熱処理用
のガスを供給するガス配管を含む熱処理炉であって、耐
熱治具が、ガスの導入口と排出口を除き、収納した半導
体基板を外部雰囲気から遮蔽する密閉構造であること、
そして、ガス配管が当該耐熱治具に接続してその内部に
ガスを供給するとともに、この接続した状態で当該耐熱
治具の炉芯管への出し入れの方向と同じ方向に移動可能
であることを特徴とする。

【０００９】耐熱治具とガス配管とは、ガス配管からの
供給ガスを密閉構造の耐熱治具内に供給することができ
るよう、耐熱治具のガス導入口とガス配管の端部とで接
続される。この接続は、耐熱治具のガス導入口とガス配
管の端部とが嵌合、ねじ込み等で着脱可能となるような
接続であってもよく、耐熱治具とガス配管との融着、溶
接等による一体式の接続であってもよい。耐熱治具内の
ガスは、その排出口から外部へ出ていくことができる。

【００１０】熱処理炉は、横型炉と縦型炉のいずれでも
よい。横型炉の場合、ガス配管の移動の方向は水平方向
となり、縦型炉の場合のそれは垂直方向となる。

【００１１】本発明によれば、耐熱治具にガスの導入口
と排出口を設けてこの耐熱治具を外部雰囲気から遮蔽
し、且つ、ガス配管と耐熱治具のガス導入口とを接続し
た状態で、外部雰囲気から遮蔽した耐熱治具内に不活性
ガスを満たしながら、耐熱治具を可動式のガス配管とと
もに炉芯管に出し入れすることができる。これによっ
て、耐熱治具に収容した半導体基板を耐熱治具が炉芯管
外にある間に外部雰囲気から遮蔽して耐熱治具内に不活
性ガスを流し、且つ、この治具を炉芯管内に搬送中も不
活性ガスを流すことにより、耐熱治具内への外気の流入
を妨げ、大気の巻き込みによる基板の酸化を防止するこ
とができる。熱処理を実施する間は、耐熱治具内に供給
するガスを反応性ガスに切り換えることができる。ま
た、熱処理が終了し、炉芯管外に耐熱治具を引き出す時
も、治具内に不活性ガスを流すことにより、大気の耐熱
治具内への流入を予防できるので、大気の巻き込みによ
る酸化を防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明で使用する耐熱治具を、横
型炉用のものを例に説明する。図２に示すように、本発
明で使用する耐熱治具２０は、半導体基板であるウェー
ハ２１の熱処理用の通常のウェーハボートあるいはウェ
ーハキャリヤ２２に、収容したウェーハ２１を外部雰囲
気から遮蔽するカバー又は蓋２３を設け、こうして遮蔽
した治具２０内にガスを供給するガス導入口２４とその
排出口２５とを設けたものである。このような耐熱治具
２０は、石英、ＳｉＣ、化学気相成長により得られるＳ
ｉＣ（ＣＶＤ−ＳｉＣ）、又はこれらの材料の任意の組
み合わせから製作することができる。

【００１３】耐熱治具２０のガス導入口２４には、耐熱
治具２０と同様の材料により製作されたガス配管２８が
接続される。この接続の仕方は、嵌合、ネジ込み等によ
る着脱可能な接続でもよく、あるいは融着、溶接等によ
り一体構造体を形成する接続でもよい。耐熱治具２０内
に不活性ガスを供給しながら、搬送機構により治具２０
を炉芯管へ出し入れするのを容易にするために、耐熱治
具２０とガス配管２８とは一体式に接続するのが好まし
い。着脱可能な接続を行う場合には、嵌合、ネジ込みの
ほかに、例えば、治具２０の側面に開けた孔を通してガ
ス配管２８を治具２０内に貫通させる、治具２０のガス
導入口２４とガス配管２８の先端とを突き合わせる、等
の接続様式を考えることができる。

【００１４】炉芯管への出し入れ時に耐熱治具２０内に
供給するガスは、外部雰囲気のガス（大気）が治具２０
内に流入するのを防ぐのが目的であるから、着脱可能な
接続の場合に、接続部はそこからガスが外部へ漏れ出す
ように完全にシールされていなくても差し支えない。こ
のことは、本発明の耐熱治具そのものについても言える
ことであり、遮蔽した治具２０内に外部雰囲気ガスが流
入しない限り、治具内のガスがガス排出口２５以外の箇
所から（例えばウェーハボート２２と蓋２３との隙間か
ら）外部に漏れ出しても差し支えはない。従って、本発
明の耐熱治具２０は、密閉構造のものであるとは言え、
ガスの導入口２４と排出口２５以外の箇所において完全
にシールされる必要はない。

【００１５】耐熱治具２０に接続したガス配管２８は、
炉芯管の外に設けた配管搬送機構により耐熱治具２０と
ともに移動させることができる。ガス配管の搬送機構
は、後に詳しく説明する。

【００１６】図３に、本発明の横型熱処理炉を示す。こ
の熱処理炉３０は、炉芯管３１、この炉芯管を加熱する
ヒータ３２、半導体基板を収納する耐熱治具２０、この
耐熱治具を炉芯管に出し入れする搬送機構３３、及び不
活性ガスや反応性ガスを治具２０内に供給するガス配管
２８を含む。炉芯管３１は、シャッター４４により開閉
される。ガス配管２８は、炉芯管３１の外の配管搬送機
構３４により支持され、この配管搬送機構３４は、モー
ター３５により回転する軸３６に案内されて滑動するス
ライダー３７を備え、このスライダー３７に取り付けら
れそしてガス配管２８を炉芯管３１の外部で固定・支持
する配管サポート３８を有する。

【００１７】ガス配管２８は、耐熱治具２０に接続され
た先端部と反対側で炉芯管３１の尾管部４０の端部のシ
ール４１を貫通して炉芯管の外部に達し、配管サポート
３８で固定して支持される。配管サポート３８で支持さ
れたガス配管２８には、フレキシブルチューブ４２を介
してガス供給配管４３が接続され、これを通して半導体
基板処理用の反応ガスや、ヘリウム、窒素等の不活性ガ
スが供給される。

【００１８】尾管部４０には、炉内雰囲気置換用のガス
配管４５がフレキシブルチューブ４６を介して接続され
る。このガス配管４５から供給された炉内雰囲気置換用
ガスは、炉芯管３１の反対側（耐熱治具２０を出し入れ
する側）に設けた排気管４７から排出される。耐熱治具
２０内のウェーハ２１は、耐熱治具２０を炉芯管３１に
出し入れする際に外部雰囲気から遮蔽され、且つガス配
管２８を通して不活性ガスを供給されているので、炉内
雰囲気置換用ガス配管４５は、省くことが可能である。
ガス配管４５を設けない場合、炉芯管２０内の雰囲気
は、耐熱治具２０のガス排出口２５から流出したガスに
より徐々に置換される。尾管部４０には、冷却水等を流
して尾管部４０を冷却する冷却パイプ４８を設けること
もできる。この冷却パイプ４８は、高温の炉芯管３１か
らの熱によりシール４１やフレキシブルチューブ４２、
４６の樹脂製部品等が損傷を受けるのを防ぐために、設
けたほうが好ましい。

【００１９】図３の熱処理炉３０には、耐熱治具２０が
炉芯管３１の外部にあるときに炉芯管の開口に近接した
位置においてガス配管２８に固定して取り付けた、輻射
防止板４９が設けられている。この輻射防止板４９は必
ずしも必要ではないが、熱処理後に炉芯管３１から引き
出した耐熱治具２０からウェーハ２１を取り出す際に
は、炉口からの放熱が大きいので、実用上設けたほうが
好ましい。

【００２０】次に、図３に示した横型炉の運転を、図４
と５を参照して説明する。

【００２１】図４（ａ）に示したように、ボート２２に
ウェーハ２１を収容し、カバー２３を被せてから、ガス
配管２８を通じて治具２０内に不活性ガス（ヘリウム又
は窒素等）を流す。比較的低温（例えば９００℃程度）
に保った炉芯管３１内にも、炉内雰囲気置換用ガス配管
４５を通じて不活性ガスを流す。次いで、ウェーハ２１
を収容した耐熱治具２０を搬送機構３３により炉芯管３
１内に挿入する。このとき、ガス配管２８は、耐熱治具
の搬送機構３３と同期した配管搬送機構３４により耐熱
治具２０と一緒に移動する。

【００２２】耐熱治具２０を炉芯管３１内に挿入した
ら、図４（ｂ）に示したように、シャッター４４を閉
め、炉芯管３１を反応温度（例えば約１１００℃）まで
昇温し、反応温度に達した時点で、耐熱治具２０への供
給ガスを反応ガスに切り換える。この場合において、炉
芯管３１と耐熱治具２０とで二重殻構造が形成されてい
るので、炉芯管３１内の耐熱治具の外側の空間５０と、
耐熱治具２０内とに、それぞれガス配管４５及び４３か
ら異なるガスを流すことが可能である。例えば、炉芯管
の反応温度への加熱の完了後に、炉芯管３１内の空間５
０に引き続き不活性ガスを流しながら、耐熱治具２０へ
の供給ガスだけ反応ガスに切り換えることができる。あ
るいは、耐熱治具２０内に反応ガスを流し、炉芯管３１
の空間５０には塩酸ガス、又は塩酸ガスを含有する不活
性ガスを流すことができ、このように炉芯管３１の空間
５０に塩酸ガスを流すと、高温時に石英製炉芯管を透過
すると言われるヒーターの金属材料原子に起因するウェ
ーハの金属汚染を防止できるという副次的な効果が期待
できる。もちろん、炉芯管３１の空間５０に耐熱治具２
０に供給するのと同様の反応ガスを流してもかまわな
い。

【００２３】反応が終了したら、図５（ａ）に示したよ
うに、耐熱治具２０と炉芯管３１の空間５０に供給する
ガスを全て不活性ガスに切り換え、所定の温度（例えば
約９００℃）まで降温する。

【００２４】降温後、図５（ｂ）に示したように、炉芯
管３１のシャッター４４を開け、不活性ガスを流しなが
ら耐熱治具２０を炉芯管３１外に搬出する。そして、耐
熱治具２０が更に冷却した段階でカバー２３を開け、ウ
ェーハを取り出す。

【００２５】次に、本発明の縦型炉を図６でもって説明
する。この図において、図３に示した横型炉における部
品と同様の部品は同じ参照番号で示されている。

【００２６】図６に示した縦型炉６０は、耐熱治具が、
ステージ６２により保持された、ウェーハ２１を収容す
るボート６３と、ガス配管２８と一体化されていて、ボ
ート６３を覆うことができるカバー６４とから構成され
ること、そしてステージ６２とカバー６４を、それぞれ
の昇降機構７１及び７５により上下に独立に移動させる
ことができることを除いて、図３に示した横型炉と同様
の構成である。図３に示した横型炉の場合、ウェーハを
ボートに配置するには、炉芯管から取り出した位置にお
いてカバーを取り外すことが必要であり、そのためガス
配管はカバーではなくボートの方に接続するのが有利で
ある。これに対し、図６に示した縦型炉では、ボート６
３はステージ６２上に載置された状態でカバー６４の中
に挿入されるので、ガス配管２８はボート６３ではなく
カバー６４の方に接続するのが有利である。

【００２７】ステージ６２用の昇降機構７１は、モータ
ー７２と、これにより回転されることでステージ６２を
上下に移動させる軸７３から構成される。カバー６４用
の昇降機構７５は、モーター７６と、これにより回転す
る軸７７に案内されて上下し、カバー６４に設けられた
突起部６５と係合してカバー６４を上下に移動させるこ
とができるフック７８から構成される。

【００２８】次に、図６に示した縦型炉の運転を、図７
〜９を参照して説明する。

【００２９】図７（ａ）に示したように、ボート６３に
ウェーハ２１を収容する一方で、比較的低温（例えば９
００℃程度）に保たれた炉芯管３１内に炉内雰囲気置換
用ガス配管４５を通して不活性ガスを流し、ボート６３
の上方にある耐熱治具の円筒状のカバー６４内にもガス
配管２８を通して不活性ガスを供給する。

【００３０】次に、カバー用の昇降機構７５を作動させ
てカバー６４を下降させ、図７（ｂ）に示したようにボ
ート６３を覆ってステージ６２上にセット後、カバー６
４を支えていたフック７８をカバー６４から外す。

【００３１】続いて、図８（ａ）に示したように、カバ
ー６４をかぶったボートを載せたステージ６２を、ステ
ージ６２が炉芯管３１と接合するまでステージ用昇降機
構７１により上昇させて、カバーとボートから構成され
る耐熱治具を炉芯管３１内に挿入する。挿入後、炉芯管
を反応温度（例えば約１１００℃）まで昇温し、反応温
度に達した時点で、耐熱治具への供給ガスを反応ガスに
切り換える。この場合にも、横型炉の説明で触れたよう
に、炉芯管３１内の空間５０に引き続き不活性ガスを流
しながら、耐熱治具への供給ガスだけ反応ガスに切り換
えてもよく、あるいは耐熱治具内に反応ガスを流しなが
ら炉芯管３１の空間５０には塩酸ガス、又は塩酸ガスを
含有する不活性ガスを流してもよい。炉芯管３１の空間
５０に耐熱治具に供給するのと同様の反応ガスを流すこ
ともできる。

【００３２】反応終了後、耐熱治具と炉芯管３１の空間
５０とに不活性ガスを流しながら、所定の温度（例えば
約９００℃）まで降温する。降温後、図８（ｂ）に示し
たように、カバー６４をかぶったボートを載せたステー
ジ６２を不活性ガスを流しながらステージ用昇降機構７
１で下降させる。

【００３３】ステージ６２が下降後、図９に示したよう
にフック７８を回転させて円筒状のカバー６４を支え、
カバー用昇降機構７５によりカバー６４を上昇させて
（このときには、炉芯管３１への不活性ガスの供給を停
止してもよい）、開放されたボート６３からウェーハ２
１を取り出す。

【００３４】耐熱治具とガス配管とを一体式に結合しな
い場合については、例えばセンサーで位置を確認しなが
ら、炉芯管の外部にある耐熱治具に向けて炉芯管を通し
てガス配管を移動させ、治具とガス配管とを接合させて
から、両者の搬送機構を同期させて治具を炉芯管内へ移
送することができる。治具を炉芯管から排出する場合も
同様に、治具とガス配管を同期させて炉芯管から治具を
取り出せばよい。その他の点については、既に説明した
一体構造の治具とガス配管を使用する場合と同様であ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板の熱処理において半導体基板（ウェーハ）を
炉芯管に挿入するときと取り出すときに、治具内に収容
されている基板が不活性ガス雰囲気下に保たれるため、
大気の巻き込みによる酸化を完全に防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術での治具の炉芯管への出し入れ時に起
こる大気の巻き込み現象を説明する図である。

【図２】本発明の耐熱治具を説明する図である。

【図３】本発明の横型熱処理炉をを説明する図である。

【図４】図３の横型熱処理炉の運転を説明する第一の図
である。

【図５】図３の横型熱処理炉の運転を説明する第二の図
である。

【図６】本発明の縦型熱処理炉をを説明する図である。

【図７】図６の縦型熱処理炉の運転を説明する第一の図
である。

【図８】図６の縦型熱処理炉の運転を説明する第二の図
である。

【図９】図６の縦型熱処理炉の運転を説明する第三の図
である。

【符号の説明】

１…炉芯管２…処理基板３…耐熱治具２０…耐熱治具２１…ウェーハ２１２２…ボート２３…カバー２４…ガス導入口２５…ガス排出口２８…ガス配管３０…熱処理炉３１…炉芯管３３…治具搬送機構３４…配管搬送機構４３…ガス供給配管４４…シャッター４５…炉内雰囲気置換用ガス配管４７…排気管６０…熱処理炉６２…ステージ６３…ボート６４…カバー７１…ステージ用昇降機構７５…カバー用昇降機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の熱処理を行う炉芯管、この
炉芯管を加熱するためのヒータ、半導体基板を収納する
耐熱治具、この耐熱治具を炉芯管に出し入れする搬送機
構、及び熱処理用のガスを供給するガス配管を含む熱処
理炉であって、耐熱治具が、ガスの導入口と排出口を除
き、収納した半導体基板を外部雰囲気から遮蔽する密閉
構造であること、そして、ガス配管が当該耐熱治具に接
続してその内部にガスを供給するとともに、この接続し
た状態で当該耐熱治具の炉芯管への出し入れの方向と同
じ方向に移動可能であることを特徴とする熱処理炉。
【請求項２】前記耐熱治具と前記ガス配管とが一体構
造体を形成するように接続されている、請求項１記載の
熱処理炉。
【請求項３】前記耐熱治具と前記ガス配管とが着脱可
能なように接続されている、請求項１記載の熱処理炉。
【請求項４】前記耐熱治具を構成する材料が、石英、
ＳｉＣ、化学気相成長により得られるＳｉＣ、又はこれ
らの材料の組み合わせである、請求項１から３までのい
ずれか一つに記載の熱処理炉。
【請求項５】前記ガス配管を構成する材料が、石英、
ＳｉＣ、化学気相成長により得られるＳｉＣ、又はこれ
らの材料の組み合わせである、請求項１から４までのい
ずれか一つに記載の熱処理炉。
【請求項６】前記炉芯管内の耐熱治具の外側の空間
に、耐熱治具内に供給するガスと異なるガスを流すため
の手段を備えている、請求項１から５までのいずれか一
つに記載の熱処理炉。
【請求項７】前記耐熱治具を前記炉芯管から引き出し
たときに当該炉芯管の開口に近接する位置において前記
ガス配管に固定して取り付けた輻射防止板を備えてい
る、請求項１から６までのいずれか一つに記載の熱処理
炉。