JP2001267258A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体の温度が変化した場合に迅速に設定
処理温度に戻すことができる熱処理方法および熱処理装
置を提供することにある。 【構成】 熱処理方法は、一端に出入口を有する筒状の
反応管の他端側に加熱源を配置し、被処理体を反応管の
出入口から進入させて設定処理温度に対応する設定位置
において熱処理を行う熱処理方法において、被処理体の
熱処理中において、設定位置における実際の処理温度が
変化した場合には、被処理体の加熱源に対する位置を変
化させて設定処理温度に一致させる。熱処理装置は、筒
状の反応管と、前記反応管の上端側に配置された加熱源
と、前記被処理体の移動を行う移動手段と、前記被処理
体の温度を検出する手段とを備え、前記被処理体の熱処
理中に処理温度が変化した場合に、被処理体の加熱源に
対する位置を変化させるよう前記移動手段の制御を行う
制御部を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理方法および熱処
理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造において
は、半導体ウエハの酸化拡散処理、ＣＶＤ処理等が行わ
れる。特に、最近においては、０．４μｍから０．２μ
ｍへと半導体デバイスのデザインルールの微細化が進
み、また、半導体ウエハについても８インチから１２イ
ンチへと大径化が進み、このような大面積の極薄膜形成
技術に対応すべく急速熱処理装置の開発が緊急の課題と
なっている。

【０００３】具体的に説明すると、半導体ウエハのプロ
セス処理では、サーマルバジェット（熱履歴）を小さく
することが必須の条件であり、例えば５０〜１００Åの
ドーピング処理、ゲート酸化膜やキャパシター絶縁膜の
極薄膜形成においては、急速熱処理すなわち短時間で熱
処理を行うことが不可欠である。また、例えばＰＮ接合
を０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化を図り、任意形
状表面への接合形成を可能にするためには、接合時の膜
劣化や結晶欠陥の発生を防止する必要があるが、ＰＮ接
合の活性領域が狭いために急速熱処理を行うことが必要
である。

【０００４】また、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜の形成にお
いては、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイ
クルによる相乗効果で拡大し、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧等の信頼性の低減が生じやすいが、これを防
止するためには急速熱処理により熱サイクルを低減する
ことが必要である。また、例えば高誘電体材料を使用し
てキャパシター絶縁膜を形成する場合には、メタルオキ
サイド（Ｔａ₂ Ｏ₅ 等）、ポリイミド（パッシベーショ
ン膜）等の成膜を可能にするメタル成膜とドーピングが
できる複合プロセス処理が可能なシステムが必要とされ
るに至った。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある現状においては、半導
体ウエハの中央部と周辺部との温度差を小さくして均一
に急速熱処理ができ、半導体ウエハに生じやすいスリッ
プ、歪、ソリの低減化を図り、半導体デバイスの製作上
不都合が生じないようにする必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の縦型の
バッチ式熱処理装置においては、高純度石英製のウエハ
ボートに積層収納された半導体ウエハを取り囲むように
筒状の加熱源を配置して、半導体ウエハの周辺部から中
央部に向かって加熱するようにしているため、半導体ウ
エハを急速に加熱しようとすると、半導体ウエハの中央
部と周辺部との間に大きな温度勾配が生じて、均一な熱
処理ができない問題があった。

【０００７】このような事情から、本発明者は、一端に
出入口を有する筒状の反応管の他端側に加熱源を配置
し、被処理体を反応管の出入口から進入させて設定位置
において熱処理を行うことにより、半導体ウエハの面内
温度の均一化を図る技術について鋭意研究を重ねてきた
ところ、この熱処理方法においても、半導体ウエハを反
応管の出入口から設定位置にそのまま到達させただけで
は、半導体ウエハの温度が設定処理温度になかなか達せ
ず、設定処理温度で安定するまでに時間を要することが
判明した。また、被処理体の熱処理中において設定位置
における被処理体の実際の温度が設定処理温度からずれ
た場合には、加熱源による温度制御では、迅速に設定処
理温度に戻すことが困難であることが判明した。

【０００８】本発明の第１の目的は、一端に出入口を有
する筒状の反応管の他端側に加熱源を配置し、被処理体
を反応管の出入口から進入させて設定位置において熱処
理を行う熱処理方法において、被処理体の温度が変化し
た場合に迅速に設定処理温度に戻すことができる熱処理
方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、被
処理体の熱処理を行う熱処理装置であって、被処理体の
温度が変化した場合に迅速に設定処理温度に戻すことが
できる熱処理装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明の熱処理方法は、一端に出入口を有する筒状
の反応管の他端側に加熱源を配置し、被処理体を反応管
の出入口から進入させて設定処理温度に対応する設定位
置において熱処理を行う熱処理方法において、被処理体
の熱処理中において、設定位置における実際の処理温度
が変化した場合には、被処理体の加熱源に対する位置を
変化させて設定処理温度に一致させることを特徴とす
る。また、前記温度変化は、前記被処理体の裏面側に温
度センサーを当接させて検出すること、または、前記被
処理体の近傍の温度を検出することが好ましい。また、
前記温度変化は、放射温度計を用いて検出することが好
ましい。

【００１０】本発明の熱処理装置は、被処理体の熱処理
を行う熱処理装置であって、筒状の反応管と、前記反応
管の上端側に配置された加熱源と、前記被処理体の移動
を行う移動手段と、前記被処理体の温度を検出する手段
とを備え、前記被処理体の熱処理中に処理温度が変化し
た場合に、被処理体の加熱源に対する位置を変化させる
よう前記移動手段の制御を行う制御部を有することを特
徴とする。

【００１１】

【作用】一端に出入口を有する筒状の反応管の他端側に
加熱源を配置した構造では、反応管の内部において、加
熱源からの距離に応じた温度勾配が形成される。従っ
て、被処理体を反応管の出入口から進入させると進入距
離に応じて、すなわち加熱源に接近するに従って徐々に
温度が上昇することになる。しかるに、被処理体を設定
位置に移動させる際に、当該設定位置よりも加熱源に近
い接近位置まで一旦移動させると、被処理体の温度が設
定処理温度に近い温度に迅速に到達する。次いで、被処
理体を設定位置まで戻すと設定位置に対応する設定処理
温度で直ちに安定するようになる。このように、被処理
体を設定位置に到達させる際に、被処理体を加熱源に過
剰に接近させて過剰の熱エネルギーを受けるようにする
ことにより、当該被処理体の温度を迅速に設定処理温度
にまで到達させることができる。また、被処理体の熱処
理中において、被処理体の温度が設定処理温度からずれ
た場合には、被処理体の加熱源に対する位置を変化させ
るので、加熱源からの距離に応じた温度制御が可能とな
り、加熱源自体を温度制御するよりも迅速に設定処理温
度に戻すことができる。

【００１２】

【実施例】以下の例は被処理体として半導体ウエハを使
用した例であるが、本発明では、半導体ウエハに限定さ
れることはなく、例えばＬＣＤ等のようにその他の被処
理体を用いることもできる。

【００１３】〔例１〕本例では、半導体ウエハの酸化拡
散処理を行う場合について説明する。本例においては、
図１、図２、図３に示すように、一端に出入口１１を有
する筒状の反応管１の他端側に加熱源３を配置し、半導
体ウエハＷを反応管１の出入口１１から進入させて設定
位置Ｌ１において熱処理を行う熱処理方法において、反
応管１の下方に位置された半導体ウエハＷを設定位置Ｌ
１に上昇移動させる際に、図２に示すように、当該設定
位置Ｌ１よりも加熱源３に近い接近位置Ｌ２に一旦上昇
移動させ、次いで、図３に示すように、下降移動させて
設定位置Ｌ１まで戻す。

【００１４】設定位置Ｌ１は、設定処理温度に対応する
位置であり、接近位置Ｌ２は、この設定処理温度よりも
高い温度に対応する位置である。設定位置Ｌ１と接近位
置Ｌ２との間の距離は、例えば１０〜２０ｍｍ程度であ
る。接近位置Ｌ２で静止させる時間は、例えば１〜３秒
程度である。なお、半導体ウエハＷを上昇させる際に
は、あらかじめ予備加熱をしておくことが好ましい。な
お、これらの図において、２はウエハ保持具、３１は均
熱部材、４は断熱材、５は蓋部材、６は移動手段、６１
はモータ、６２は駆動軸、６３は駆動アーム、６４は回
転機構、６５は位置調整部材、６６はスプリング、７１
はガス導入管、７２はガス排出管である。

【００１５】反応管１は、耐熱性の高い材料、例えば高
純度石英（ＳｉＯ₂ ）等により形成され、上端が閉塞さ
れ、下端に出入口１１を有する筒状の形態を有してい
る。

【００１６】加熱源３は、反応管１の上端側において、
当該反応管１内の設定位置Ｌ１に位置された半導体ウエ
ハＷの処理面に対向するよう断熱材４の上部内壁に固定
配置されている。この加熱源３は、面状の形態を有して
おり、例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）、鉄
（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の合
金線であるカンタル（商品名）線等の抵抗発熱体を面状
に配置することにより構成することができる。例えば二
ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）は、単線として使用す
ることができ、カンタル線はコイルとして使用すること
ができる。特に、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）は
約１８００℃の高温にも十分に耐えることができるの
で、酸化拡散装置用の材料としては好適である。

【００１７】加熱源３の発熱面は、半導体ウエハＷの処
理面と同様の形態、すなわち円形状であることが好まし
い。また、加熱源３の外径は半導体ウエハＷの外径の２
倍以上であることが好ましい。加熱源３の発熱面は、半
導体ウエハＷと平行に配置されることが好ましい。ま
た、加熱源３の発熱面は、全体が一様な平面であっても
よいし、半導体ウエハＷの周辺部の放熱を考慮して、周
辺部が半導体ウエハＷに接近する方向に湾曲していても
よい。

【００１８】加熱源３と反応管１との間には、均熱部材
３１が配置されている。この均熱部材３１は、加熱源３
からの輻射熱を半導体ウエハＷの処理面に垂直に向かう
ようにするものである。この均熱部材３１は、例えば高
純度炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のように汚染の少ない材料
により構成することが好ましい。また、この均熱部材３
１は、加熱源３が汚染の原因となる重金属を含む材料に
より構成されている場合に、当該重金属による汚染を有
効に防止する役割をも果たす。

【００１９】ウエハ保持具２は、半導体ウエハＷを保持
するためのものであり、例えば高純度炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）等のように耐熱性が優れ、かつ、汚染の少ない材料
により構成することが好ましい。特に、高純度炭化ケイ
素（ＳｉＣ）は石英（ＳｉＯ ₂ ）よりも耐熱性が優れて
おり、約１２００℃の高温にも十分に耐えることができ
るので、酸化拡散装置用の材料として好適なものであ
る。

【００２０】移動手段６は、半導体ウエハＷの熱処理を
行うときは半導体ウエハＷを保持したウエハ保持具２を
反応管１内に上昇させ、熱処理が終了したらウエハ保持
具２を反応管１外に下降させるものである。熱処理を行
うために半導体ウエハＷを加熱するときには、半導体ウ
エハＷの内部温度の上昇速度がその表面温度の上昇速度
に比較して遅いので、図１のようにウエハ保持具２に保
持された半導体ウエハＷを、図２のように移動手段６に
より反応管１の設定位置Ｌ１を越えた接近位置Ｌ２にま
で急速に上昇させる。次いで、図３のように移動手段６
により半導体ウエハＷが設定位置Ｌ１にまで戻される。
熱処理後は、移動手段６によりウエハ保持具２に保持さ
れた半導体ウエハＷが反応管１の外部に急速に下降させ
られる。ウエハ保持具２の移動距離は例えば３００〜６
００ｍｍ程度であり、移動速度は５０ｍｍ／ｓｅｃ以上
の急速とするのが好ましい。半導体ウエハＷの移動速度
は、一定でもよいが、図４に示すように、最初は２５０
ｍｍ／ｓｅｃ程度の高速とし、徐々に減速するのが好ま
しい。

【００２１】移動手段６の構成は、特に限定されない
が、図１では、モータ６１と、駆動軸６２と、駆動アー
ム６３と、回転機構６４と、位置調整部材６５と、スプ
リング６６とにより構成されている。モータ６１は駆動
軸６２に連結され、この駆動軸６２にはネジが設けられ
ており、このネジを介して駆動アーム６３の一端と螺合
されている。モータ６１が駆動軸６２を回転させると、
この駆動軸６２に設けられたネジの作用により駆動アー
ム６３が上昇または下降移動し、この駆動アーム６３の
移動に伴ってウエハ保持具２が上昇または下降移動す
る。位置調整部材６５およびスプリング６６により、蓋
部材５が反応管１の出入口１１を塞いだ状態のまま、半
導体ウエハＷの位置を設定位置Ｌ１と接近位置Ｌ２との
間で可変調整できるようになっている。半導体ウエハＷ
の熱処理中は、回転機構６４により半導体ウエハＷがそ
の中心を軸として回転移動されるようになっている。こ
の回転機構は、例えばモータにより構成することができ
る。

【００２２】断熱材４は、例えばアルミナセラミックス
からなり、加熱源３を取囲むように配置されている。

【００２３】反応管１には、ガス導入管７１およびガス
排出管７２が接続され、これらによりプロセスガスの導
入および排気が行われる。酸化拡散処理時は、ガス導入
管７１から反応管１内にプロセスガスを導入し、加熱源
３による輻射熱によって、反応管１の設定位置Ｌ１にお
ける温度を酸化拡散処理に必要な設定処理温度、例えば
９５０〜１２００℃となるように制御する。半導体ウエ
ハＷの昇降時は、加熱源３による輻射熱によって、反応
管１の出入口側部分の温度を２００〜３００℃となるよ
うに制御する。

【００２４】蓋部材５は、酸化拡散処理時に反応管１の
出入口１１を塞いで気密に維持するためのものであり、
半導体ウエハＷを反応管１内に出し入れするたびごとに
開かれる。

【００２５】本例の熱処理方法によれば、半導体ウエハ
Ｗを設定位置Ｌ１に移動させる際に、当該設定位置Ｌ１
よりも加熱源３に近い接近位置Ｌ２まで一旦移動させる
ので、半導体ウエハＷの温度は設定処理温度に近い温度
に迅速に到達し、次いで、半導体ウエハＷを設定位置Ｌ
１まで戻すので、半導体ウエハＷの温度を迅速に設定位
置Ｌ１に対応する設定処理温度で安定化することができ
る。

【００２６】〔例２〕本例では、図５に示した熱処理装
置を用いて半導体ウエハの酸化拡散処理を行う場合につ
いて説明する。図５の熱処理装置は、移動手段６を外部
雰囲気に配置し、ウエハ保持具２を蛇腹状の管体８１に
よって反応管１と同様の気密雰囲気に配置した構造のも
のである。６７は管体取付部材である。８２は処理予備
室であり、この処理予備室８２の両側にはゲートバルブ
８３Ａ，８３Ｂを介して真空予備室８４Ａ，８４Ｂが設
けられている。これらの処理予備室および真空予備室を
介して半導体ウエハＷの出し入れが行われる。蛇腹状の
管体８１は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなり、移
動手段６によってウエハ保持具２が移動するとこれに伴
って伸縮し、絶えずウエハ保持具２を気密雰囲気に維持
するものである。このような熱処理装置においても、半
導体ウエハＷを設定位置Ｌ１に移動させる際に、当該設
定位置Ｌ１よりも加熱源３に近い接近位置Ｌ２まで一旦
移動させ、次いで、設定位置Ｌ１まで戻すことにより、
半導体ウエハＷの温度を迅速に設定処理温度で安定化す
ることができる。

【００２７】〔例３〕本例では、図６に示した酸化拡散
装置を用いて半導体ウエハの酸化拡散処理を行う場合に
ついて説明する。図６に示すように、下端に出入口１１
を有する筒状の反応管１の上端側に加熱源３を配置し、
半導体ウエハＷを反応管１の出入口１１から進入させて
設定位置Ｌ１において熱処理を行う熱処理方法におい
て、半導体ウエハＷの熱処理中において、設定位置Ｌ１
における実際の処理温度が変化した場合には、半導体ウ
エハＷの加熱源３に対する位置を変化させて設定処理温
度に一致させる。

【００２８】半導体ウエハＷの温度変化は、例えば半導
体ウエハＷの裏面側に熱電対等の温度センサー９１を当
接させて検出する手段を採用することができる。この場
合は、温度センサー９１の配線９２はウエハ保持具２の
支柱２１内を通過させて外部に引き出すことができる。
なお、半導体ウエハＷの温度を直接検出せず、半導体ウ
エハＷの近傍の温度を検出するようにしてもよい。さら
に、放射温度計を用いて検出してもよい。半導体ウエハ
Ｗの温度検出信号は、移動手段６の制御部９３に伝達さ
れ、この移動手段６によりウエハ保持具２が上下に移動
され、半導体ウエハＷの温度が設定処理温度となるよう
にフィードバック制御される。本例の熱処理方法によれ
ば、半導体ウエハＷの熱処理中において、半導体ウエハ
Ｗの温度が設定処理温度からずれた場合には、半導体ウ
エハＷの加熱源３に対する位置を変化させるので、加熱
源３からの距離に応じた温度制御が可能となり、加熱源
３自体を温度制御するよりも迅速に設定処理温度に戻す
ことができる。

【００２９】以上、本発明を例に基づいて説明したが、
本発明の熱処理方法は、薄膜形成（ＣＶＤ等）、酸化、
ドーピング（熱拡散等）、アニール等の各種の熱処理に
適用することができる。また、被処理体としては、半導
体ウエハに限定されず、ＬＣＤ等のその他の被処理体で
あってもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、被処理体の温度が変化
した場合に迅速に設定処理温度に戻すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】例１に係る熱処理方法の説明図であり、移動開
始前の状態を表している。

【図２】例１に係る熱処理方法の説明図であり、半導体
ウエハが接近位置に到達した状態を表している。

【図３】例１に係る熱処理方法の説明図であり、半導体
ウエハが設定位置に戻された状態を表している。

【図４】例１に係る熱処理方法において、半導体ウエハ
の移動速度と到達温度との関係を示すグラフである。

【図５】例２に係る熱処理方法の説明図である。

【図６】本発明の例３に係る熱処理方法の説明図であ
る。

【符号の説明】

Ｗ 半導体ウエハ Ｌ１ 設定位置 Ｌ２ 接近位置 １ 反応管 １１ 出入口 ２ ウエハ保
持具 ２１ 支柱 ３ 加熱源 ３１ 均熱部材 ４ 断熱材 ５ 蓋部材 ６ 移動手段 ６１ モータ ６２ 駆動軸 ６３ 駆動アーム ６４ 回転機構 ６５ 位置調整部材 ６６ スプリン
グ ６７ 管体取付部材 ７１ ガス導入
管 ７２ ガス排出管 ８１ 蛇腹状の
管体 ８２ 処理予備室 ８３Ａ，８３Ｂ
ゲートバルブ ８４Ａ，８４Ｂ 真空予備室 ９１ 温度セン
サー ９２ 配線 ９３ 制御部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端に出入口を有する筒状の反応管の他
   端側に加熱源を配置し、被処理体を反応管の出入口から
   進入させて設定処理温度に対応する設定位置において熱
   処理を行う熱処理方法において、 被処理体の熱処理中において、設定位置における実際の
   処理温度が変化した場合には、被処理体の加熱源に対す
   る位置を変化させて設定処理温度に一致させることを特
   徴とする熱処理方法。
2. 【請求項２】 前記温度変化は、前記被処理体の裏面側
   に温度センサーを当接させて検出することを特徴とする
   請求項１に記載の熱処理方法。
3. 【請求項３】 前記温度変化は、前記被処理体の近傍の
   温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の熱処
   理方法。
4. 【請求項４】 前記温度変化は、放射温度計を用いて検
   出することを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
5. 【請求項５】 被処理体の熱処理を行う熱処理装置であ
   って、 筒状の反応管と、 前記反応管の上端側に配置された加熱源と、 前記被処理体の移動を行う移動手段と、 前記被処理体の温度を検出する手段とを備え、 前記被処理体の熱処理中に処理温度が変化した場合に、
   被処理体の加熱源に対する位置を変化させるよう前記移
   動手段の制御を行う制御部を有することを特徴とする熱
   処理装置。