JP2006019406A - 横型熱処理炉、横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを伴わずに横方向の温度分布の炉特性改善を図ることができ、安価な炉設備を用いて、特性が均一で高品質の半導体基板を製造することができ、さらに、均熱帯の延長による処理枚数の増加と生産性の向上を図ることができる横型熱処理炉を提供する。
【解決手段】本横型熱処理炉は、多数の板状被熱処理品が載置された横型治具を収容する横型プロセスチューブと、この横型プロセスチューブを囲繞するように設けられた炉用ヒータと、横型プロセスチューブに収納された横型治具の両端近傍に配置されヒータが設けられた発熱ダミーブロックを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法に係り、特に横型治具の両端近傍にヒータを備えた発熱ダミーブロックが配置された横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法に関する。

図３に示すような従来の横型熱処理炉が半導体基板の熱処理に用いられる場合、その用途に応じた材質の治具で部材を作製し、炉の一方からプロセスガスを導入し、所定の温度に保持する使用方法が一般的である。

現在では、半導体基板熱処理の多くの分野で横型炉より制御性がよい縦型炉が主流になっている。

しかしながら、横型炉は炉体の構造が単純で設計が容易であることや装置価格が安価なこと、さらに１バッチ当たり比較的大量に熱処理が可能なことなどの特徴から、高温長時間で大量の製品処理を行うアニール等の用途では、現行および将来にわたって、まだ十分に需要の余地はあると考えられる。

特に、半導体基板に高濃度でドーパントを拡散させるＰＷ―ＭＯＳ等のデバイス用基板として用いられる拡散半導体基板の製造においては、半導体基板の挿入方法やランニングコストの点で縦型熱処理炉より優位であり、現在でも広く利用されている。

一方、横型拡散炉の欠点として、炉内（プロセスチューブ内）に挿入された半導体基板の温度均一性が縦型炉と比較するとどうしても劣ることが挙げられる。その温度均一性の低さは、構造的に横に細長い炉体とヒータ形状のためであり、それにより半導体基板を置いたプロセスチューブの中央部に対して、両端側からの熱の発散が発生し、ある一定の幅をもつ領域でしか温度の均一な範囲（以下、均熱帯という）が確保できない。

また、実際には均熱帯の両端部から外方向に向かって、かなりの温度勾配が発生しており、狭い温度範囲で管理しようとすると均熱帯幅は大きく取れない。本来あまり精密な炉内温度制御や、温度分布に起因する製品特性バラツキの最小化をさほど必要としない用途に用いられてきてはいたが、上述の拡散ウェーハの製造プロセスにおいても、製品特性規格の強化（規格幅がより狭くなる）により製品特性バラツキの小さい半導体基板を求める要望が強く、従ってさらに温度分布バラツキの小さい炉を構築し、バラツキの小さい半導体基板を製造する必要がある。

そこで、半導体基板の挿入方法やランニングコストの点で縦型熱処理炉より優位である現行横型炉の構造をそのまま継承したうえで、製造コストの上昇を伴わずに横方向の温度分布の改善を図ることができ、また、安価な炉設備を用いて、高品質の半導体基板を製造することができ、さらに、均熱帯の延長による処理枚数の増加で生産性の向上を図ることができる横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた半導体基板の加熱方法が要望されている。

なお、プロセスチューブの炉口側での断熱性または保温性向上のために、炉口の一部を閉塞するドア及びキャップの内部を真空にする横型熱処理炉が提案されているが、この熱処理炉は、ドア及びキャップの断熱性を向上させるものであるが、積極的に発熱させて炉内をより均一な温度にするものではない（特許文献１）。また、横型熱処理炉において、プロセスガス導入側と反対側の炉口近傍に段部を形成し、半導体基板位置における温度分布の改善を図る熱処理炉が提案されているが、この熱処理炉も、温度分布の改善に寄与するが、炉加熱用ヒータ以外のヒータをプロセスチューブ内に配置して積極的に発熱させて炉内をより均一な温度にするものではなく、また、プロセスガスを常時導入しないような半導体基板の熱処理には適さない（特許文献２）。
実開平５−５０７２７号公報（段落［００１１］、図２） 特開２００１−３５８０２号公報（段落［００１７］、図１）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、板状被熱処理品の挿入方法やランニングコストの点で縦型より優位である現行横型炉の構造をそのまま継承したうえで、製造コストを伴わずに横方向の温度分布の炉特性改善を図ることができ、安価な炉設備を用いて、特性が均一で高品質の板状被熱処理品を製造することができ、さらに、均熱帯の延長による処理枚数の増加と生産性の向上を図ることができる横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る横型熱処理炉は、多数の板状被熱処理品が載置された横型治具を収容する横型プロセスチューブと、この横型プロセスチューブを囲繞するように設けられた炉用ヒータと、前記横型プロセスチューブに収納された前記横型治具の両端近傍に配置されヒータが設けられた発熱ダミーブロックを有することを特徴とする。

また、本発明に係る横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法は、多数の板状被熱処理品が載置された横型治具を横型プロセスチューブに収容し、このプロセスチューブを外部から加熱する横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法において、横型治具の両端部近傍に設けられたダミーブロックから発熱させ、プロセスチューブ外からの加熱とプロセスチューブ内での発熱を調整し、プロセスチューブ内の温度分布差が小さくなるよう補正することを特徴とする。

好適には、前記板状被熱処理品は半導体基板であり、前記横型治具は横型ボートである。

本発明に係る横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法によれば、板状被熱処理品の挿入方法やランニングコストの点で縦型より優位である現行横型炉の構造をそのまま継承したうえで、製造コストを伴わずに横方向の温度分布の改善を図ることができ、安価な炉設備を用いて、より特性が均一で高品質の板状被熱処理品を製造することができ、さらに、均熱帯の延長による処理枚数の増加と生産性の向上を図ることができる横型熱処理炉及び横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法を提供することができる。

以下、本発明に係る横型熱処理炉の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る横型熱処理炉の概念図である。

図１に示すように、本実施形態に係る横型熱処理炉１は、板状被熱処理品例えば半導体基板２が載置された横型治具である横型ボート３を収容するシリコン含浸炭化珪素あるいは石英ガラスからなる横型プロセスチューブ４と、この横型プロセスチューブ４を囲繞するように設けられた炉用ヒータ５と、横型プロセスチューブ４に収納された横型ボート３の両端近傍に配置されダミーブロック用ヒータ６が設けられた発熱ダミーブロック７を有している。

また、炉内温度センサ（図示せず）の温度情報に基づき炉ヒータ５を制御し、さらに、ダミーブロック用ヒータ６の温度情報に基づき、このヒータ６の出力を制御するヒータ出力制御装置８が設けられている。

図２に示すように、発熱ダミーブロック７は、外枠７ａ、上記ダミーブロック用ヒータ６およびこのヒータ６に給電する電気配管７ｂから成っている。外枠７ａは、その材質が半導体プロセスでの使用において要求される特性を満たすことが必要であるため、炭化珪素あるいは石英ガラスが好ましい。外枠７ａの形状については、円筒状あるいは使用する炉や投入する板状被熱処理品の形状に対して適する形状にするのが好ましい。この一例として、円筒状のものなどは比較的簡単に作成が可能で炉内外への取り扱いも容易である。この場合、外枠７ａの直径は、製品の断面とほぼ同じか幾分大きめにするのが好ましく、あまり小さいと熱遮蔽効果が低減するおそれがあり、逆にあまり大きくすると、形状差により板状被熱処理品にあたるガスの流れを大きく乱すおそれがある。

ダミーブロック用ヒータ６は、電気抵抗発熱体の単線からなり、外枠７ａの筒形状の内面に沿うようにして配線され、外枠７ａの面から一様に放熱するようにする。外枠７ａの筒形状のヒータ６以外の残りの空間は、ヒータ６に接触しないよう石英ウール等の断熱材７ｃを充填するか、あるいは不活性ガスを封入する。この選択は、使用温度、使用プロセスなどにより、その使用状況に応じて行うのが好ましい。

また、電気配管７ｂの構造は、配管チューブ７ｂ１と、この配管チューブ７ｂ１を貫通する単線の発熱体７ｂ２から成り、配管チューブ７ｂ１は、プロセスチューブ４の内から外部へ抜ける部位までは、プロセスチューブ４と同一材質である炭化珪素製あるいは石英ガラスからなっている。

さらに、プロセスチューブ４外の温度が低い箇所を任意に選んで、いずれも図示しない接続端子を設け、電力を供給する電線と連結している。プロセスチューブ４内では発熱体７ｂ２を用いるので、炉内が高温になっても、ヒータ６に給電することができるうえ、単線を直線に配置することで、その発熱が製品温度分布に及ぼす影響はほぼ無視できる範囲に抑えることができる。

電気配管７ｂの全体構造としては、プロセスチューブ４内壁に配管チューブ７ｂ１を貼付けるか、または内壁に埋込むような形にするのが製造し易い。ただし、炉口側（手前入口側）の発熱ダミーブロックは、製品の挿入や回収時に同時に炉外へ出す必要があることから、配線は炉口から挿入し、発熱ダミーブロック、配管チューブごと自由に移動できる構造にするか、あるいは発熱ダミーブロック、配管チューブを一体にユニット化してもよい。

なお、本発明に係る横型熱処理炉は、従来の構造に比べて、幾分構造が複雑になる場合があり、その用途としては、均熱長がおよそ７００ｍｍ以上の長い炉体、約１０００℃以上のアニール、酸化処理に適し、この場合にその効果を発揮する。

次に本発明に係る横型熱処理炉を用いた半導体基板の熱処理方法について説明する。

図１に示すように、半導体基板２が載置された横型ボート３を横型プロセスチューブ４に収容し、横型プロセスチューブ４の開口部を適宜の蓋体によって、閉塞し、プロセスガスを供給せずに、ヒータ出力制御装置８を制御して、炉用ヒータ５に給電し、炉用ヒータ５より横型プロセスチューブ４内を加熱する。

これと同時に、ヒータ出力制御装置８を制御して、電気配管７ｂの発熱体７ｂ２を介してダミーブロック用ヒータ６に通電する。

ダミーブロック用ヒータ６への通電により、ダミーブロック用ヒータ６と横型ボート３の両端近傍に載置された半導体基板２間で、輻射による熱の授受が行われて、プロセスチューブ４の側面と同様の条件で授受が行われ、半導体基板２やプロセスチューブ４の周囲環境の熱収支が積極的に制御される。これにより、プロセスチューブ４の両端部での熱分布の変化を抑えることができ、プロセスチューブ４内の温度分布差が小さくなるように補正され、より高精度の温度分布の均一化が実現される。

すなわち、半導体基板２の正面、側面の全ての面からの輻射を等価にすることにより、温度が安定した定常状態での熱バランスが得られ、横方向の温度分布の改善により均熱帯の延長を図ることができ、一端から他端の半導体基板２まで均一温度にすることができる。また、ダミー発熱体６の温度は、一定に固定せず、プロセスチューブ温度センサ４ａを介してプロセスチューブ内の温度をモニタリングしながら、ダミーブロック温度センサ７ｄを介して温度を制御することが必要であり、炉用ヒータ５と連携して出力制御するが、昇温、降温、半導体基板の取出し時には精密制御は不要であり、場合によっては通電を止めるようにしてもよい。

前述のように、従来の横型熱処理炉は、半導体基板に対して側面のみに発熱部が位置していることになり、炉用ヒータで加熱されたプロセスチューブ内壁面と半導体基板の側面間での輻射熱交換はほぼ等価であるが、半導体基板前後面（半導体基板群を一つの塊と考えた場合において、両端部の円面に相当）とは不等価で、かつ発熱表面部からの距離が遠くなることからこの部位から急激に温度が変化し、その周辺を含めて温度傾斜が生じる。

本発明では、横型ボートの両端近傍に発熱ダミーブロックを配置することにより、上記のように、半導体基板の全ての面からの輻射を等価にすることにより、温度が安定した定常状態での熱バランスが得られ、一端から他端の半導体基板まで、均一温度にすることができるようにしたものであり、均熱帯の延長化が実現する。

上記のように本実施形態の横型熱処理炉によれば、製造コストの大幅な増分を伴わずに横方向の温度分布の炉特性改善を図ることができ、安価な炉設備を用いて、特性が均一で高品質の半導体基板を製造することができ、さらに、均熱帯の延長による処理枚数の増加と生産性の向上を図ることができる。

図１に示すような本発明に係る横型熱処理炉を用い、６インチ半導体基板、１チャージ１５０枚、２００時間、温度１２５０℃でアニール処理を行い、プロセスチューブの炉口、炉中央、及び炉奥の３ケ所の温度を測定し、その最大温度差を調べ（実施例）、従来の横型熱処理炉を用い同様の方法で測定した従来例と比較した。

測定位置は半導体基板の直近部、半導体基板両端は均熱長よりやや外れている。

表１からもわかるように、実施例は最大温度差が炉口と炉中央間で発生し、１．３℃と極めて小さく、プロセスチューブの温度が均一であるのに対して、従来例は最大温度差が炉口と炉中央間で発生し、４．５℃と大きく、プロセスチューブの温度が不均一である。

本発明の一実施形態に係る横型熱処理炉の概念図。 本発明の一実施形態に係る横型熱処理炉に用いられる発熱ダミーブロックの概念図。 従来の横型熱処理炉の概念図。

符号の説明

１ 横型熱処理炉
２ 半導体基板
３ 横型ボート
４ 横型プロセスチューブ
５ 炉用ヒータ
６ ダミーブロック用ヒータ
７ 発熱ダミーブロック
７ｂ１ 配管チューブ
７ｂ２ 発熱体
８ ヒータ出力制御装置

Claims (4)

1. 多数の板状被熱処理品が載置された横型治具を収容する横型プロセスチューブと、この横型プロセスチューブを囲繞するように設けられた炉用ヒータと、前記横型プロセスチューブに収納された前記横型治具の両端近傍に配置されヒータが設けられた発熱ダミーブロックを有することを特徴とする横型熱処理炉。
2. 前記板状被熱処理品は半導体基板であり、前記横型治具は横型ボートであることを特徴とする請求項１に記載の横型熱処理炉。
3. 多数の板状被熱処理品が載置された横型治具を横型プロセスチューブに収容し、このプロセスチューブを外部から加熱する横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法において、横型治具の両端部近傍に設けられたダミーブロックから発熱させ、プロセスチューブ外からの加熱とプロセスチューブ内での発熱を調整し、プロセスチューブ内の温度分布差が小さくなるよう補正することを特徴とする横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法。
4. 前記板状被熱処理品は半導体基板であり、前記横型治具は横型ボートであることを特徴とする請求項３に記載の横型熱処理炉を用いた板状被熱処理品の加熱方法。

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