JP2002075890A - 熱処理装置の降温レート制御方法および熱処理装置 - Google Patents

熱処理装置の降温レート制御方法および熱処理装置

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JP2002075890A JP2000252249A JP2000252249A JP2002075890A JP 2002075890 A JP2002075890 A JP 2002075890A JP 2000252249 A JP2000252249 A JP 2000252249A JP 2000252249 A JP2000252249 A JP 2000252249A JP 2002075890 A JP2002075890 A JP 2002075890A
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    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H01L21/67109—Apparatus for thermal treatment mainly by convection

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゾーン毎の降温レートのバラツキを抑制する
と共に全体の降温レートを速くして、熱動特性の向上を
図る。 【解決手段】 多数の被処理体ｗを所定間隔で配列支持
した状態で処理容器３内に収容し、該処理容器３の周囲
に設けた円筒状のヒータ４により前記被処理体ｗを加熱
して所定の熱処理を施した後、ヒータ４を降温させるに
際して、ヒータ４内を複数のゾーンに分けて温度を検知
し、その検知温度に対応して降温レートの遅いゾーンに
速いゾーンよりも冷却気体を多く送り込んで遅いゾーン
の降温レートを速いゾーンの降温レートに近づけるよう
に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理装置の降温
レート制御方法および熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の製造においては、被処理体
例えば半導体ウエハに酸化、拡散、アニール、ＣＶＤ等
の処理を施す半導体製造装置として、例えば一度に多数
枚の半導体ウエハの処理が可能なバッチ式の縦型熱処理
装置が用いられている。この熱処理装置においては、一
般的に、多数枚のウエハを所定間隔で配列支持した状態
で処理容器内に収容し、該処理容器の周囲に設けた円筒
状のヒータにより前記ウエハを加熱して所定の熱処理を
施すようになっている。前記ヒータは、円筒状の断熱材
の内周に線状の抵抗発熱体を螺旋状もしくは蛇行状に配
設してなる。
【０００３】このような熱処理装置のヒータにおいて
は、ウエハの面間均一な熱処理を可能とするために、抵
抗発熱体を高さ方向に複数のゾーンに分割してゾーン毎
に独立した加熱制御が可能に構成されていることが好ま
しい。一方、前記ヒータを冷却する方法としては、自然
冷却（空冷、水冷を含む。）による方法と、強制冷却に
よる方法とが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記熱
処理装置においては、自然冷却または強制冷却を行う
と、図４に示すように、放熱等の影響によりゾーン毎の
降温レートにバラツキが発生し、ウエハの処理ロット内
の熱履歴が異なってしまう問題があった。図４により、
ヒータの降温レートは、下部ゾーンおよび上部ゾーンで
速く、中央部ゾーンで遅いことが分かる。
【０００５】前記問題を解決するために、例えば、自然
冷却の場合、速いゾーンにおける抵抗発熱体に電圧をか
けてその降温レートを遅いゾーンの降温レートに近づけ
るようにしているが、ヒータの構造上、速いゾーンであ
る下部ゾーンにかけた熱が対流、輻射、熱伝導等によ
り、遅いゾーンである中央ゾーンをも暖めてしまい、結
果として、全体の降温レートが遅くなる問題があった。
【０００６】また、強制冷却の場合、速いゾーンに吹き
込む空気量を手動バルブで調整してその降温レートを遅
いゾーンの降温レートに近づけるようにしているが、調
整とレート確認の作業が繰り返えされ、作業が大変であ
った。また、前記何れの場合においても、降温レートの
遅いゾーンに合わせ込む方法が取られているため、熱処
理装置の熱動特性を悪くしていた。
【０００７】本発明は、前記事情を考慮してなされたも
ので、ゾーン毎の降温レートのバラツキを抑制すること
ができると共に全体の降温レートを速くすることがで
き、熱動特性の向上が図れる熱処理装置の降温レート制
御方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のうち、請求項１
に係る発明は、多数の被処理体を所定間隔で配列支持し
た状態で処理容器内に収容し、該処理容器の周囲に設け
た円筒状のヒータにより前記被処理体を加熱して所定の
熱処理を施した後、ヒータを降温させるに際して、ヒー
タ内を複数のゾーンに分けて温度を検知し、その検知温
度に対応して降温レートの遅いゾーンに速いゾーンより
も冷却気体を多く送り込んで遅いゾーンの降温レートを
速いゾーンの降温レートに近づけるように制御すること
を特徴とする。
【０００９】請求項２に係る発明は、多数の被処理体を
所定間隔で配列支持した状態で処理容器内に収容し、該
処理容器の周囲に設けたヒータにより前記被処理体を加
熱して所定の熱処理を行う熱処理装置において、前記ヒ
ータ内を複数のゾーンに分けて各ゾーンの温度を検知す
る温度検知部と、ヒータ内の各ゾーンに冷却気体を送り
込んで冷却する送風配管と、該送風配管に設けられゾー
ン毎に冷却気体の送り込み量を調節可能な制御弁と、前
記温度検知部による検知温度に対応して降温レートの遅
いゾーンに速いゾーンよりも冷却気体を多く送り込んで
遅いゾーンの降温レートを速いゾーンの降温レートに近
づけるように前記制御弁を制御する制御部とを備えたこ
とを特徴とする。
【００１０】請求項３に係る発明は、多数の被処理体を
所定間隔で配列支持した状態で処理容器内に収容し、該
処理容器の周囲に設けたヒータにより前記被処理体を加
熱して所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記ヒ
ータ内を複数のゾーンに分けて各ゾーンの温度を検知す
る温度検知部と、ヒータ内の各ゾーンの雰囲気を外部へ
排気する排気配管と、該排気配管に設けられゾーン毎に
排気量の調節が可能な制御弁と、前記温度検知部による
検知温度に対応して降温レートの遅いゾーンの雰囲気を
速いゾーンの雰囲気よりも多く外部へ排気して遅いゾー
ンの降温レートを速いゾーンの降温レートに近づけるよ
うに前記制御弁を制御する制御部とを備えたことを特徴
とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を添
付図面に基いて詳述する。
【００１２】図１は、本発明を縦型熱処理装置に適用し
た第１の実施の形態を示す概略的縦断面図である。図示
例の縦型熱処理装置は、例えば高温炉や拡散炉を構成す
る縦型の熱処理炉１を備えている。この熱処理炉１は、
多数例えば１５０枚程度の被処理体例えば半導体ウエハ
ｗを支持具である例えば石英製のボート２に高さ方向に
所定間隔で配列支持した状態で収容する処理容器である
反応管３と、この反応管３の周囲を覆う如く設置され反
応管３内を所望の温度例えば６００〜１２００℃程度に
加熱可能な加熱手段である円筒状のヒータ４と、このヒ
ータ４と反応管３の間に配置された均熱管５とを備えて
いる。
【００１３】前記反応管３は、耐熱性および耐食性を有
する材料例えば石英からなり、上端が閉塞され、下端が
開口した縦長円筒状に形成されている。反応管３の下側
部には、処理ガスや不活性ガスを導入するガス導入管
や、反応管内を排気する排気管等が設けらている（図示
省略）。反応管３は、内管と外管の二重管構造になって
いても良い。
【００１４】前記反応管３の下端部は、ベースプレート
６の下側に図示しない取付部材により取付けられてい
る。ベースプレート６は、例えばステンレス製であり、
縦型熱処理装置の筐体内に水平に設けられている。この
ベースプレート６には、反応管３を上下方向に挿通する
開口部７が形成され、その開口部７にはこの開口部７か
らの放熱を抑制するために断熱材８が取付けられてい
る。
【００１５】反応管３の下方には、その下端開口部を開
閉する例えばステンレス製の蓋体９が図示しない昇降機
構により昇降可能に設けられている。この蓋体９上には
前記ボート２が保温筒１０を介して載置されている。昇
降機構により、反応管３内へのボート２の搬入搬出と前
記蓋体９の開閉が行われるようになっている。また、蓋
体９には、半導体ウエハｗを面内均一に処理するために
ボート２を保温筒１０と共に回転させる回転機構が設け
られている（図示省略）。
【００１６】前記ヒータ４は、反応管３の周囲を取り囲
む円筒状の断熱材１１の内周に線状の抵抗発熱体１２を
周方向に蛇行状もしくは長手方向に螺旋状に配設して構
成されている。前記ヒータ４は、抵抗発熱体１２が高さ
方向に複数例えば５つのゾーンＺ１〜Ｚ５に分割され、
各ゾーン毎に独立して温度制御が可能に構成されていて
る。断熱材１１の外側は、図示しない水冷ジャケットで
覆われている。前記ヒータ４はベースプレート６上に設
置されている。
【００１７】前記均熱管５は、反応管３内のウエハｗに
対する加熱温度の均一性を図ると共に、ヒータ４の抵抗
発熱体等から放出される金属によるウエハｗの汚染を防
止するもので、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）により形成さ
れている。この均熱管５は、反応管３の周囲を取り囲む
如く、上端が閉塞され下端が開放された縦長円筒状に形
成されており、前記ベースプレート６部分の断熱材８上
に設置されている。
【００１８】そして、前記熱処理炉１には、熱処理後、
ヒータ４を降温させるに際して、前記ヒータ４内（すな
わち熱処理炉１内）を複数のゾーンに分けて温度を検知
し、その検知温度に対応して降温レートの遅いゾーンに
速いゾーンよりも冷却気体を多く送り込んで遅いゾーン
の降温レートを速いゾーンの降温レートに近づけるよう
に制御するための制御システム１３が設けられている。
この制御システム１３は、前記ヒータ４内を複数のゾー
ンに分けて各ゾーンの温度を検知する温度検知部１４
と、ヒータ４内の各ゾーンに冷却気体例えば空気を送り
込んで冷却する送風配管１５と、該送風配管１５に設け
られゾーン毎に冷却気体例えば空気の送り込み量を調節
可能な制御弁１６と、前記温度検知部１４による検知温
度に対応して降温レートの遅いゾーン例えば中央部ゾー
ンＺ３に速いゾーン例えば下部ゾーンＺ５よりも冷却気
体を多く送り込んで遅いゾーンの降温レートを速いゾー
ンの降温レートに近づけるように前記制御弁１６を制御
する制御部（コントローラ）１７とから主に構成されて
いる。
【００１９】前記温度検知部１４は、例えば熱電対から
なり、前記ヒータ４内の例えば反応管３と均熱管５との
間の空間部に、例えばヒータ４の発熱ゾーンＺ１〜Ｚ５
に対応して設けられている。これらの温度検知部１４
は、一本の石英製の保護管内に収容されていても良い。
【００２０】前記送風配管１５の上流端には、冷却気体
例えば空気（クリーンエア）を送り込むためのブロワ
（押し込みブロワ）１８が設けられている。送風配管１
５は、ゾーンに対応して複数例えば５つに分岐され、そ
れぞれに制御弁１６が設けられ、各下流端がヒータ４の
側部を貫通してヒータ４の内部空間における各ゾーンに
挿入されている。前記制御弁１６は、例えばアクチュエ
ータ駆動バルブからなっている。
【００２１】前記制御部１７は、例えば降温レートの速
いゾーンの降温レートを設定しておくことにより、各ゾ
ーンの温度を温度検知部１４により検出して設定レート
にすべく対応する送風配管１５の制御弁１６を開閉し、
ヒータ４内（炉内）の全体を設定レートに制御するよう
に構成されている。なお、前記ヒータ４には、ヒータ４
内の雰囲気を外部へ排出するためのブロワ（吸出しブロ
ワ）１９を備えた排気管２０が設けられている。
【００２２】次に、以上の構成からなる縦型熱処理装置
の作用およびその降温レート制御方法について述べる。
先ず、ウエハｗの移載が終了したボート２は、ヒータ４
下方のローディングエリアにおいて、蓋体９上の保温筒
１０上に載置され、次に、昇降機構による蓋体９の上昇
によってボート２を反応管３内にその下端開口から装入
し、その開口を蓋体９で気密に閉じる。そして、反応管
３内を排気しながらボート２上のウエハｗをヒータ４に
より所定の処理温度に昇温させ、反応管３内に所定の処
理ガスを導入してウエハｗに所定の熱処理例えば拡散処
理を施す。
【００２３】所定の熱処理が終了したなら、先ず、ヒー
タ４の電源を切り、ブロワ１８の駆動により送風配管１
５を介して冷却気体である空気をヒータ４内に送り込
み、ヒータ４内を強制的に冷却する。この場合、前記ヒ
ータ４内を複数のゾーンに分けて温度を検知し、その検
知温度に対応して降温レートの遅いゾーン例えば中央部
ゾーンＺ３に速いゾーン例えば下部ゾーンＺ５よりも空
気を多く送り込んで遅いゾーンの降温レートを速いゾー
ンの降温レートに近づける（近似させる）ように制御す
る。これにより、ゾーン毎の降温レートのバラツキを抑
制することが可能となると共に全体の降温レートを速く
することが可能となる。従来の熱処理炉の制御では、パ
ワーをかける（温度を上げる）方向の制御のみであった
が、本発明により温度を下げる方向の制御を自在に行え
るようになり、熱処理炉１の熱動特性の向上が図れる。
【００２４】前記縦型熱処理装置によれば、前記ヒータ
４内を複数のゾーンに分けて各ゾーンの温度を検知する
温度検知部１４と、ヒータ４内の各ゾーンに冷却気体例
えば空気を送り込んで冷却する送風配管１５と、該送風
配管１５に設けられゾーン毎に冷却気体例えば空気の送
り込み量を調節可能な制御弁１６と、前記温度検知部１
４による検知温度に対応して降温レートの遅いゾーンに
速いゾーンよりも冷却気体を多く送り込んで遅いゾーン
の降温レートを速いゾーンの降温レートに近づけるよう
に前記制御弁１６を制御する制御部１７とを備えている
ため、自動制御によりゾーン毎の降温レートのバラツキ
を抑制することが可能となると共に全体の降温レートを
速くすることが可能となり、熱動特性の向上が図れる。
【００２５】図２は、本発明を縦型熱処理装置に適用し
た第２の実施の形態を示す概略的縦断面図である。図２
の実施の形態において、前記図１の実施の形態と同一部
分は同一参照符号を付して説明を省略し、異なる部分に
ついて説明する。図２の実施の形態では、ヒータ４の内
部空間（図示例ではヒータ４と均熱管５との間の空間、
均熱管５が無い場合は、ヒータ４と反応管３との間の空
間）が仕切板２１によってゾーン毎に仕切られており、
各ゾーンを単独で冷却できるようになっている。
【００２６】前記仕切板２１は、例えば石英からなって
いる。なお、ヒータ４には、各ゾーンから内部雰囲気を
個別に排気するための排気口ないし排気管２２が設けら
れていることが好ましい。図２の実施の形態の縦型熱処
理装置によれば、図１の実施の形態の縦型熱処理装置と
同様の作用効果を奏することができる。また、ヒータ４
の内部空間をゾーン毎に仕切板２１で仕切ることによ
り、各ゾーンを単独で冷却できるように構成されている
ため、強制冷却の場合だけでなく、改善手段の乏しい自
然冷却の場合におけるゾーン間温度差等も、降温レート
の遅いゾーンのみに冷却気体を流すことで改善可能であ
る。
【００２７】図３は、本発明を縦型熱処理装置に適用し
た第３の実施の形態を示す概略的縦断面図である。図３
の実施の形態において、前記図１ないし図２の実施の形
態と同一部分は同一参照符号を付して説明を省略し、異
なる部分について説明する。前記ヒータ４には、仕切板
２１で仕切られたヒータ４内の各ゾーンの雰囲気を外部
へ排気する排気配管２３が設けられ、該排気配管２３に
はゾーン毎に排気量の調節が可能な制御弁２４が設けら
れている。排気配管２３の下流端は合流され、排気用の
ブロワ（吸出しブロワ）２５が接続されている。
【００２８】前記制御弁２４は、前記温度検知部１４に
よる検知温度に対応して降温レートの遅いゾーンの雰囲
気を速いゾーンの雰囲気よりも多く外部へ排気して遅い
ゾーンの降温レートを速いゾーンの降温レートに近づけ
るように制御部（コントローラ）２６によって制御され
るように構成されている。なお、ヒータ４には、各ゾー
ンに空気を導入する導入口ないし導入管２７が設けられ
ていることが好ましい。
【００２９】図３の実施の形態の縦型熱処理装置によれ
ば、降温レートの遅いゾーンの雰囲気を速いゾーンの雰
囲気よりも多く外部へ排気して遅いゾーンの降温レート
を速いゾーンの降温レートに近づけるように制御される
ため、自動制御によりゾーン毎の降温レートのバラツキ
を抑制することができると共に全体の降温レートを速く
することができ、熱動特性の向上が図れる。
【００３０】以上、本発明の実施の形態を図面により詳
述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の
設計変更等が可能である。例えば、熱処理炉は減圧タイ
プであっても良く、その場合、反応管の下端部にはガス
導入管および排気管を有する金属製例えばステンレス製
のマニホールドが気密に接続され、排気管には真空ポン
プや圧力制御弁を備えた真空排気系が接続される。ま
た、熱処理炉としては、ＣＶＤ炉等の低温炉であっても
良く、その場合、均熱管が設けられていなくても良い。
【００３１】本発明は、縦型熱処理装置だけでなく、横
形熱処理装置にも適用可能である。熱処理装置として
は、請求項２の発明と請求項３の発明を組み合わせ、ヒ
ータの冷却気体導入側と排気側の両方で制御を行うよう
にしても良い。被処理体としては、半導体ウエハ以外
に、例えばガラス基板やＬＣＤ基板等が適用可能であ
る。
【００３２】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な効果を奏することができる。
【００３３】（１）請求項１に係る発明によれば、多数
の被処理体を所定間隔で配列支持した状態で処理容器内
に収容し、該処理容器の周囲に設けた円筒状のヒータに
より前記被処理体を加熱して所定の熱処理を施した後、
ヒータを降温させるに際して、ヒータ内を複数のゾーン
に分けて温度を検知し、その検知温度に対応して降温レ
ートの遅いゾーンに速いゾーンよりも冷却気体を多く送
り込んで遅いゾーンの降温レートを速いゾーンの降温レ
ートに近づけるように制御するため、ゾーン毎の降温レ
ートのバラツキを抑制することができると共に全体の降
温レートを速くすることができ、熱動特性の向上が図れ
る。
【００３４】（２）請求項２に係る発明によれば、多数
の被処理体を所定間隔で配列支持した状態で処理容器内
に収容し、該処理容器の周囲に設けたヒータにより前記
被処理体を加熱して所定の熱処理を施す熱処理装置にお
いて、前記ヒータ内を複数のゾーンに分けて各ゾーンの
温度を検知する温度検知部と、ヒータ内の各ゾーンに冷
却気体を送り込んで冷却する送風配管と、該送風配管に
設けられゾーン毎に冷却気体の送り込み量を調節可能な
制御弁と、前記温度検知部による検知温度に対応して降
温レートの遅いゾーンに速いゾーンよりも冷却気体を多
く送り込んで遅いゾーンの降温レートを速いゾーンの降
温レートに近づけるように前記制御弁を制御する制御部
とを備えているため、自動制御によりゾーン毎の降温レ
ートのバラツキを抑制することができると共に全体の降
温レートを速くすることができ、熱動特性の向上が図れ
る。
【００３５】（３）請求項４に係る発明によれば、多数
の被処理体を所定間隔で配列支持した状態で処理容器内
に収容し、該処理容器の周囲に設けたヒータにより前記
被処理体を加熱して所定の熱処理を施す熱処理装置にお
いて、前記ヒータ内を複数のゾーンに分けて各ゾーンの
温度を検知する温度検知部と、ヒータ内の各ゾーンの雰
囲気を外部へ排気する排気配管と、該排気配管に設けら
れゾーン毎に排気量の調節が可能な制御弁と、前記温度
検知部による検知温度に対応して降温レートの遅いゾー
ンの雰囲気を速いゾーンの雰囲気よりも多く外部へ排気
して遅いゾーンの降温レートを速いゾーンの降温レート
に近づけるように前記制御弁を制御する制御部とを備え
ているため、自動制御によりゾーン毎の降温レートのバ
ラツキを抑制することができると共に全体の降温レート
を速くすることができ、熱動特性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を縦型熱処理装置に適用した第１の実施
の形態を示す概略的縦断面図である。
【図２】本発明を縦型熱処理装置に適用した第２の実施
の形態を示す概略的縦断面図である。
【図３】本発明を縦型熱処理装置に適用した第３の実施
の形態を示す概略的縦断面図である。
【図４】熱処理炉におけるゾーン降温レートを説明する
グラフである。
【符号の説明】
ｗ 半導体ウエハ（被処理体） ３ 反応管（処理容器） ４ ヒータ １４ 温度検知部 １５ 送風配管 １６ 制御弁 １７ 制御部 ２３ 排気配管 ２４ 制御弁 ２６ 制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｗ Ｔ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多数の被処理体を所定間隔で配列支持し
    た状態で処理容器内に収容し、該処理容器の周囲に設け
    た円筒状のヒータにより前記被処理体を加熱して所定の
    熱処理を施した後、ヒータを降温させるに際して、ヒー
    タ内を複数のゾーンに分けて温度を検知し、その検知温
    度に対応して降温レートの遅いゾーンに速いゾーンより
    も冷却気体を多く送り込んで遅いゾーンの降温レートを
    速いゾーンの降温レートに近づけるように制御すること
    を特徴とする熱処理装置の降温レート制御方法。
  2. 【請求項２】 多数の被処理体を所定間隔で配列支持し
    た状態で処理容器内に収容し、該処理容器の周囲に設け
    たヒータにより前記被処理体を加熱して所定の熱処理を
    施す熱処理装置において、前記ヒータ内を複数のゾーン
    に分けて各ゾーンの温度を検知する温度検知部と、ヒー
    タ内の各ゾーンに冷却気体を送り込んで冷却する送風配
    管と、該送風配管に設けられゾーン毎に冷却気体の送り
    込み量を調節可能な制御弁と、前記温度検知部による検
    知温度に対応して降温レートの遅いゾーンに速いゾーン
    よりも冷却気体を多く送り込んで遅いゾーンの降温レー
    トを速いゾーンの降温レートに近づけるように前記制御
    弁を制御する制御部とを備えたことを特徴とする熱処理
    装置。
  3. 【請求項３】 多数の被処理体を所定間隔で配列支持し
    た状態で処理容器内に収容し、該処理容器の周囲に設け
    たヒータにより前記被処理体を加熱して所定の熱処理を
    施す熱処理装置において、前記ヒータ内を複数のゾーン
    に分けて各ゾーンの温度を検知する温度検知部と、ヒー
    タ内の各ゾーンの雰囲気を外部へ排気する排気配管と、
    該排気配管に設けられゾーン毎に排気量の調節が可能な
    制御弁と、前記温度検知部による検知温度に対応して降
    温レートの遅いゾーンの雰囲気を速いゾーンの雰囲気よ
    りも多く外部へ排気して遅いゾーンの降温レートを速い
    ゾーンの降温レートに近づけるように前記制御弁を制御
    する制御部とを備えたことを特徴とする熱処理装置。
JP2000252249A 2000-08-23 2000-08-23 熱処理装置の降温レート制御方法および熱処理装置 Expired - Lifetime JP4365017B2 (ja)

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