JP2007525017A - 交差流れライナを有する熱処理システム - Google Patents

Abstract

本発明は、キャリアに保持された基板又はウェーハを熱処理する熱処理装置に関する。熱処理装置(230)は、各ウェーハ(242)の表面を横切る気体流の均一性を改善するための本発明による交差流れライナ(232)を含む。交差流れライナ(232)は、交差流れ注入システム(250)を収容するための長手方向出っ張り部分(232)を含む。交差流れライナ(232)は、それがウェーハキャリア(240)に対して共形であるようなパターン及び大きさにされ、その結果、交差流れライナ(232)とウェーハキャリア(240)との間の隙間を減少させ、ウェーハキャリア(240)とライナ内壁との間の隙間領域の渦及び淀みを減少又は消失させる。

Description

本出願は、本明細書においてその開示内容が全体的に引用により組み込まれている、２００３年９月２４日出願の米国特許仮出願第６０／５０５，８３３号の恩典及びそれに対する優先権を主張するものであり、米国特許仮出願出願番号第６０／３９６，５３６号及び第６０／４２８，５２６号に対する優先権を主張する「熱処理システムと構成可能な垂直チャンバ」という名称のＰＣＴ出願出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１５７５に関連しており、これらの全ての開示内容は、本明細書において全体的に引用により組み込まれている。

本発明は、一般的に、基板等の物体を熱処理するためのシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、加熱処理、焼なまし、及び半導体ウェーハ又は基板上への材料の層の堆積又はそれからの材料の層の除去を行うための装置及び方法に関する。

熱処理装置は、一般的に、半導体基板又はウェーハから集積回路（ＩＣ）又は半導体素子を製造するのに用いられる。半導体ウェーハの熱処理には、例えば、加熱処理、焼なまし、ドーパント材料の拡散又は打込み、材料の層の堆積又は成長、及び基板からの材料のエッチング又は除去が含まれる。これらの工程では、工程前及び工程中にウェーハを１３００℃ほどの高さ及び３００℃ほどの低さの温度まで加熱し、また、処理ガス又は反応物のような１又は２以上の流体をウェーハに送出することが必要であることが多い。更に、これらの工程では、処理ガスの温度又はそれが処理チャンバに導入される速度が変化しても、ウェーハが工程を通して一様な温度を維持することが一般的に必要である。

従来の熱処理装置は、一般的には、炉内に位置決めされるか又は炉に囲まれ且つ嵩張った処理チャンバから成る。熱処理される基板は、処理チャンバ内に密封され、これが、次に処理が行われる望ましい温度まで炉で加熱される。「化学気相堆積（ＣＶＤ）」のような多くの工程に対して、最初に密封処理チャンバを排気し、処理チャンバが望ましい温度に達した状態で、反応ガス又は処理ガスを導入して基板上に反応種を形成又は堆積させる。

従来、一般的な熱処理装置、特に垂直熱処理装置において、製品ウェーハを処理する処理区域の上方又は下方に、処理チャンバの側壁に隣接した保護加熱器を配置することが必要であった。この配置は、減圧し、処理ガス又は蒸気を充填、再充填又はパージする必要がある大きなチャンバ容積を伴い、その結果、処理時間が増大するために望ましくない。更に、この構成では、加熱器からウェーハへの見通し状態が良好でないために極めて大きな空間及び電力を要する。

従来の熱処理装置の他の問題は、処理前に処理チャンバ及び処理するウェーハの温度を上昇させること及び処理後に温度を下降させる時間の両方に相当な時間が必要であることを含む。更に、処理を始めることができる前に、処理チャンバの温度を望ましい温度で確実に均一に安定させるのに付加的な時間が必要であることが多い。ウェーハを処理するのに必要な実際の時間は、３０分又はそれ未満とすることができるが、前処理時間及び後処理時間には、一般的に１〜３時間又はそれよりも多くかかる。従って、処理チャンバの温度を均一な温度まで急速に上昇及び／又は下降させるのに必要な時間により、従来の熱処理装置の処理能力は相当に制限される。

上昇及び下降時間が比較的長いことの根本的な理由は、ウェーハを有効に加熱又は冷却する前に加熱又は冷却する必要がある従来の熱処理装置内の処理チャンバ及び／又は炉の熱量である。

この従来の熱処理装置の処理能力の制限的要素を最小にするか又は相殺する一般的な手法は、単一のサイクル又は実施で処理することができるウェーハの数を増大させることである。多数のウェーハを同時に処理することにより、単位ウェーハの有効処理時間が減少させ、装置の有効処理能力を最大にするのに役立つ。しかし、この手法では、処理中に万一問題が起これば、危険性の規模も大きくなる。すなわち、例えば、単一の処理サイクル中に機器又は工程の不具合があった場合に、単一の故障により多数のウェーハが破壊され又は損傷する可能性があると考えられる。これは、ウェーハのサイズが大きい場合及び単一のウェーハが処理の段階によっては＄１，０００〜＄１０，０００の価値になる可能性がある更に複雑な集積回路の場合には特に懸念される。

この解決法での別の問題は、多数のウェーハを収容するように処理チャンバの大きさを増大させると、処理チャンバの熱量効果が増大し、それにより、ウェーハを加熱又は冷却することができる速度が遅くなることである。更に、ウェーハのより大きなバッチをより大きな処理チャンバで処理すると、チャンバに最初に装填されたウェーハが最後に除去されるウェーハでもある先入れ後出しシンドロームになるか又はそれを悪化させ、これらのウェーハが長時間高温に晒されて１バッチのウェーハにわたる均一性が減少させる。

上記手法の別の問題は、熱処理の前後の工程の多くに用いられるシステム及び装置が、多数のウェーハを同時に処理することに適さないことである。すなわち、熱処理装置の処理能力を増大させながら大きなバッチの又は多数のウェーハを熱処理しても、熱処理装置の前にウェーハを蓄積させることが必要であるか、又はその下流の他のシステム及び装置でウェーハによって障害が引き起こされることにより、半導体製作施設の全体的処理能力をほとんど改善することができず、実際にそれを低減させることもある。

上述した従来の熱処理装置の代替手段は、ウェーハを急速に熱処理するために開発された急速熱処理（ＲＴＰ）システムである。従来の急速熱処理（ＲＴＰ）システムは、小さく透明で通常は石英の処理チャンバ内の単一ウェーハ又は少数のウェーハを選択的に加熱するために、一般的に高強度ランプを用いている。急速熱処理（ＲＴＰ）システムは、処理チャンバの熱量効果を最小にするか又は消失させ、かつ、ランプの熱量が極めて小さいために、ランプを瞬間的にオン又はオフにすることによってウェーハを急速に加熱及び冷却することができる。

残念ながら、従来の急速熱処理（ＲＴＰ）システムには、ランプの配置を含む大きな欠点があり、システムは、従来、処理チャンバの側壁に隣接した多数のランプから各々が構成された区域又はバンクに配列されていた。この構成は、その見通し状態が良好でないため、有効であるためには極めて大きな空間及び電力量を要し、その全ては、半導体処理機器の最新の世代で必要な代償であるという問題がある。

従来の急速熱処理（ＲＴＰ）システムの別の問題は、ウェーハの単一バッチ内の複数のウェーハにわたって及び単一ウェーハにわたってさえも均一な温度分布にすることができないことである。このように温度分布が不均一であることには、（ｉ）１又は２以上のランプによる１又は２以上のウェーハへの見通し状態が不良であること、及び（ｉｉ）ランプからの出力パワーに変動があることを含むいくつかの理由がある。

更に、単一のランプの出力が不良であるか又は変動があると、ウェーハにわたる温度分布に悪影響を及ぼす可能性がある。このために、のランプをベースにしたシステムほとんどは、ランプ出力の変動による温度不均一性が処理中にウェーハに伝達しないことを保証するために、１つ又は複数のウェーハを回転させる。しかし、ウェーハを回転するのに必要な可動部品、特に処理チャンバ内への回転貫通体は、システムの費用及び複雑さを増大し、その全体的な信頼性を減少させる。

急速熱処理（ＲＴＰ）システムの更に別の厄介な部分は、ウェーハの外縁及び中心にわたって均一な温度分布を維持することである。ほとんどの従来の急速熱処理（ＲＴＰ）システムには、この種の温度不均一性を調節するための適切な手段がない。その結果、ウェーハの表面にわたって過渡的な温度の変動が起こり、これによって、ウェーハよりも直径が大きな黒体サセプタを用いなければ、ウェーハのずれ転移の形成が高温で引き起こされる可能性がある。

従来のランプベースの急速熱処理（ＲＴＰ）システムには他の欠点もある。例えば、電気ノイズを生成する位相角の制御を用いなければ、ランプの電力オン及びオフ時のような過渡的期間中に均一な電力分布及び温度均一性をもたらす適切な手段が存在しない。各ランプが古くなると性能に変動が出る傾向があるために、通常、性能の再現性もランプベースのシステムの欠点である。ランプの交換もまた、特に所定のランプシステムが１８０を超えるランプを有する場合があることを考えると、費用及び時間がかかる可能性がある。電力要件もまた、ランプのピーク電力消費量が約２５０キロワットになる場合があるために、費用がかかる可能性がある。

従って、熱処理中にバッチ内の各基板の表面にわたって１又は２以上の基板のバッチを望ましい温度まで急速かつ一様に加熱するための装置及び方法に対する必要性が存在する。

本発明は、これら及び他の問題に対する解決法を提供すると共に、従来技術に優る他の利点を提供する。

本発明は、焼なまし、ドーパント材料の拡散又は打込み、材料の層の堆積又は成長、及びウェーハからの材料のエッチング又は除去のような工程を行うために、半導体基板又はウェーハのような被加工物を等温的に加熱するための装置及び方法を提供する。

熱処理装置は、キャリアに保持された基板を高温又は上昇した温度で処理するために設けられる。装置は、上部壁、側壁、及び下部壁を有する処理チャンバと、基板を熱処理するためにキャリアが位置決めされた処理区域に等温環境をもたらすために処理チャンバの上部壁、側壁、及び下部壁に近接した多数の加熱要素を有する加熱源とを含む。態様の１つによれば、処理チャンバの寸法は、キャリアを収容するのに必要な容積よりも実質的に大きくない容積を取り囲むように選択され、処理区域は、実質的に処理チャンバを通って延びている。好ましくは、処理チャンバの寸法は、キャリアを収容するのに必要な容積の実質的に１２５％よりも大きくない容積を包囲するように選択される。より好ましくは、装置は、処理圧力をかける前に処理チャンバを排気するためのポンプシステムと、処理が完了した後に処理チャンバを再充填するためのパージシステムとを更に含み、処理チャンバの寸法は、処理チャンバの急速な排気及び急速な再充填の両方を行うように選択される。

本発明の別の態様によれば、処理チャンバの下部壁は、少なくとも１つの加熱要素を有する可動基台が含まれ、可動基台は、基板を備えたキャリアを処理チャンバに挿入したり除去することができるように下降したり上昇したりする。一実施形態では、装置は、基台内の加熱要素とキャリアに保持された基板との間に挿入されるように構成された取外し可能な熱遮蔽体を更に含む。熱遮蔽体は、基台内の加熱要素からの熱エネルギを基台に反射して戻し、キャリア上の基板を基台内の加熱要素からの熱エネルギから遮蔽するように構成される。この実施形態の１つのバージョンでは、装置は、基台が下降した位置にある時にキャリアの上方の適所に移動して処理チャンバを隔離するように構成されたシャッタを更に含む。装置が、処理チャンバを排気するためのポンプシステムを含む場合、シャッタは、処理チャンバを密封するようになっており、それによって基台が下降した位置の時にポンプシステムが処理チャンバを排気することを可能にする。

更に別の実施形態では、装置は、基板の熱処理中にキャリアを再位置決めする磁気結合再位置決めシステムを更に含む。好ましくは、キャリアを再位置決めするために用いられる機械的エネルギは、処理チャンバ内への可動貫通体を用いることなしに、且つ、基台内の加熱要素を実質的に移動させることなしに、基台を通り越してキャリアに磁気的に結合される。より好ましくは、磁気結合再位置決めシステムは、基板の熱処理中に処理区域内のキャリアを回転させる磁気結合回転システムである。

本発明の別の態様によれば、装置は、各基板の表面にわたって気体の流れの均一性を改善するための交差流れライナを更に含む。本発明の交差流れライナは、交差流れ注入システムを収容する長手方向出っ張り部分を含む。ライナは、それがウェーハキャリアに対して共形であるようなパターン及び大きさを有し、ライナとウェーハキャリアの間の間隙を低減し、その結果、製造工程に有害な間隙領域の渦又は淀みが減少し又は消失する。

本発明のこれら及び様々な他の特徴及び利点は、以下に示す添付図面及び特許請求の範囲と共に以下の詳細説明を読むと明らかになるであろう。

本発明は、処理サイクル時間を低減すると共に処理均一性を改善するように、カセット又はボート等のキャリアに保持された比較的少数又はミニバッチの１又は２以上の被加工物、例えば、半導体基板又はウェーハを処理するための装置及び方法に関する。

本明細書で用いる場合、「ミニバッチ」という用語は、典型的なバッチシステムに見られる数百のウェーハよりも少ない多数のウェーハを意味し、好ましくは、１〜約５３の範囲の半導体ウェーハを意味し、例えば、１〜５０が製品ウェーハであり、残りが監視目的及びバッフルウェーハとして用いられる非製品ウェーハである。

熱処理は、被加工物又はウェーハが望ましい温度、一般的には約３５０℃〜１３００℃の範囲の温度まで加熱される工程を意味する。半導体ウェーハの熱処理は、例えば、加熱処理、焼なまし、ドーパント材料の拡散又は打込み、化学気相堆積又はＣＶＤ等の材料の層の堆積又は成長、及びウェーハからの材料のエッチング又は除去を含む。

ここで、図１を参照して、実施形態による熱処理装置を以下に説明する。明瞭にするために、公知であるか又は当業者に公知である熱処理装置の詳細の多くを省略している。このような詳細は、本明細書において引用により組み込まれている、例えば、本出願人に譲渡された米国特許第４，７７０，５９０号により詳細に説明されている。

図１は、１バッチの半導体ウェーハを熱処理するための熱処理装置の実施形態の断面図である。図示のように、熱処理装置１００は、一般的には、処理チャンバ１０２を形成するための容積を包囲する容器１０１を有し、処理チャンバ１０２は、１バッチのウェーハ１０８を保持するキャリア又はボート１０６を受入れるように構成された支持体１０４を有し、熱処理装置１００は、更に、熱源又は炉１１０を有し、この熱源又は炉１１０は、熱処理のためにウェーハの温度を望ましい温度まで上昇させるための多数の加熱要素１１２−１、１１２−２、１１２−３（以下、集合的に加熱要素１１２と呼ぶ）を有している。熱処理装置１００は、処理チャンバ１０２内の温度を監視するために及び／又は加熱要素１１２の作動を制御するために、抵抗温度計（ＲＴＤ）又は熱伝対（Ｔ／Ｃ）等の１又は２以上の光学的又は電気的温度検知要素を更に有している。ここに示す実施形態では、温度検知要素は、処理チャンバ１０２内の複数の部位の温度を検出するための複数の独立した温度感知ノード又はポイント（図示せず）を有するプロファイル熱電対（Ｔ／Ｃ）１１４である。また、熱処理装置１００は、ウェーハ１０８を処理及び／又は冷却する気体又は蒸気等の流体を処理チャンバ１０２内に導入するための１又は２以上の注入器１１６（その１つのみを示す）と、処理チャンバをパージし及び／又はウェーハを冷却する気体を導入するための１又は２以上のパージポート又は通気口１１８（そのうち１つのみを示す）を有している。ライナ１２０により、ウェーハを処理する領域又は処理区域１２８内におけるウェーハ１０８の近くの処理ガス又は蒸気の濃度を増大させ、処理チャンバ１０２の内面に形成される可能性がある堆積物の剥がれ落ち又は剥離によるウェーハの汚染を減少させる。処理ガス又は蒸気は、チャンバライナ１２０の排気ポート又はスロット１２１を通って処理区域から出る。

一般的に、容器１０１は、Ｏリング１２２等のシールによりプラットフォーム又は底板１２４に対して密封され、熱処理中のウェーハ１０８を完全に包囲する処理チャンバ１０２を形成する。処理チャンバ１０２及び底板１２４の寸法は、処理チャンバを急速に排気し、急速に加熱し、急速に再充填するように選択される。有利な態様では、容器１０１及び底板１２４は、ウェーハ１０８を保持するキャリア１０６を収容するのに必要な容積よりも実質的に大きくない容積を包囲するように選択された寸法を有する処理チャンバ１０２を構成するように寸法決めされる。好ましくは、容器１０１及び底板１２４は、ウェーハ１０８を保持するキャリア１０６を収容するのに必要な寸法の約１２５〜約１５０％の寸法を有する処理チャンバ１０２を構成するように寸法決めされ、より好ましくは、処理チャンバは、チャンバの容積を最小にして減圧及び再充填に必要な時間に役立てるために、キャリア及びウェーハを収容するのに必要な寸法の約１２５％を超えない寸法を有している。

注入器１１６、熱電対（Ｔ／Ｃ）１１４、及び通気口１１８のための開口部は、Ｏリング、「ＶＣＲ（登録商標）」又は「ＣＦ（登録商標）」取付け具のようなシールを用いて密封される。処理中に放出又は導入される気体又は蒸気は、図１に示すように処理チャンバ１０２の側壁（図示せず）又は底板１２４のプレナム１２７に形成されたフォアライン又は排気ポート１２６をから排気される。処理チャンバ１０２は、熱処理中、大気圧に維持されてもよいし、１又は２以上の粗ポンプ、送風器、高真空ポンプ、粗絞り、及びフォアラインバルブを含むポンプシステム（図示せず）を用いて５ミリトル程度の低さの真空になるまで排気されてもよい。

図２に示す別の実施形態では、底板１２４は、更に、注入器１１６を受入れて支持するように構成された実質的に環状の流れチャンネル１２９を有し、注入器１１６は、多数の垂直注入器管又は注入器１１６Ａが延びるリング１３１を含んでいる。注入器１１６Ａは、以下に説明するように、上向き流、下向き流、又は交差流の流れパターンを形成する寸法及び形状にすることができる。リング１３１及び注入器１１６Ａは、ボート１０６と容器１０１の間の処理チャンバ１０２に気体を注入するように配置される。また、注入器１１６Ａは、処理ガス又は蒸気を処理チャンバ１０２内に均一に導入するように、リング１３１の周りに間隔をおいて配置され、必要に応じて、パージ気体を処理チャンバに導入するためにパージ又は再充填中に用いられてもよい。底板１２４は、外向きに延びる上側フランジ１３３、側壁１３５、及び内向きに延びる基部１３７を備えた短い円筒形の形態をなすように寸法決めされている。上側フランジ１３３は、容器１０１を受入れて支持するように構成され、容器１０１を上側フランジに対して密封するためのＯリング１２２を収容している。基部１３７は、注入器１１６のリング１３１が支持される箇所の外側においてライナ１２０を受入れて支持するように構成されている。

更に、図２に示す底板１２４は、再充填／パージ気体入口ポート１３９及び１４３と、底板１２４に冷却流体を循環させるために設けられた冷却ポート１４５及び１４７と、処理チャンバ１０２内の圧力を監視するための圧力モニタポート１４９とを含む様々なポートを有している。処理ガス入口ポート１５１及び１６１により、供給源（図示せず）からの気体が注入器１１６に導入される。再充填／パージポート１３９及び１４３は、原則的には、気体を通気／パージ気体供給源（図示せず）から通気口１１８まで導入するために、底板１２４の側壁１３５に設けられる。処理チャンバ１０２に入る気体流を制御するために、質量流コントローラ（図示せず）又はいずれかの他の適切な流量コントローラが、気体供給源とポート１３９、１４３、１５１、１６１との間にインラインで配置されている。

容器１０１及びライナ１２０は、高温及び高真空作動の熱及び機械的応力に耐えることができ、処理中に用いられ又は放出される気体及び蒸気による侵食に抵抗性を有する任意の金属、セラミック、水晶又はガラス材料で作られる。好ましくは、容器１０１及びライナ１２０は、機械的応力に耐えるのに十分な厚さを有し、処理副産物が堆積することに抵抗性がある不透明、半透明、又は透明の石英ガラスで作られ、それにより、処理環境の汚染の可能性を低減する。より好ましくは、容器１０１及びライナ１２０は、ウェーハ１０８を処理する領域又は処理区域１２８からの熱伝導を低減するか又は消失させる石英で作られる。

１バッチのウェーハ１０８を、ロードロック又はロードポート（図示せず）を通して熱処理装置１００に導入し、次いで、処理チャンバ１０２との気密シールを形成することができる処理チャンバ又は底板１２４の出入り口又は開口部を通して処理チャンバ１０２に導入する。図１に示す構成では、処理チャンバ１０２は、垂直反応器であり、出入り口に可動基台１３０が利用され、可動基台１３０は、処理中、上昇することにより、底板１２４上のＯリング１３２等のシールを用いて密封し、また、オペレータ又はボートハンドリングユニット（ＢＨＵ）（図示せず）等の自動ハンドリングシステムがキャリア又はボート１０６を、可動基台に固定された支持体１０４上に位置決めすることを可能にするために下降する。

加熱要素１１２は、処理チャンバ１０２の上部１３４（加熱要素１１２−３）、側部１３６（加熱要素１１２−２）、及び底部１３８（加熱要素１１２−１）の近くに位置決めされた要素を有している。ウェーハを良く見えるようにする状態を達成し、それにより、ウェーハ１０８を処理する処理チャンバ内に等温制御容積又は処理区域１２８を設けるために、加熱要素１１２はウェーハを包囲していることが有利である。処理チャンバ１０２の底部１３８に近接する加熱要素１１２−１は、基台１３０の中に配置されてもよいし、その上に配置されてもよい。必要に応じて、底板１２４内又はその上に付加的な加熱要素を配置し、加熱要素１１２−１からの熱を補足するのがよい。

図１に示す実施形態では、好ましくは、処理チャンバの底部に近接する加熱要素１１２−１は、可動基台１３０の中に収容されている。基台１３０は、電気抵抗加熱要素１１２−１が内部に埋め込まれていてもよいし又はそれに固定された熱的及び電気的断熱材料又は断熱ブロック１４０で作られてもよい。基台１３０は、加熱要素１１２−１を制御するために用いられる１又は２以上のフィードバックセンサ又は熱電対（Ｔ／Ｃ）１４１を更に有している。ここに示す構成では、熱電対（Ｔ／Ｃ）１４１は、断熱ブロック１４０の中心に埋め込まれている。

側部加熱要素１１２−２及び上部加熱要素１１２−３は、容器１０１の周りの断熱ブロック１１０の中又はその上に配置されるのがよい。好ましくは、側部加熱要素１１２−２及び上部加熱要素１１２−３は、断熱ブロック１１０内に収容される。

加熱要素１１２及び断熱ブロック１１０及び１４０は、任意の様々な方法で構成され、様々な任意の方法を用いて任意の様々な材料で作られる。

好ましくは、１１５０℃までの望ましい処理温度を達成するために、処理チャンバ１０２の底部１３８に近接する加熱要素１１２−１の最大出力は、約０．１ｋＷ〜約１０ｋＷであり、最高処理温度は、少なくとも１１５０℃である。より好ましくは、これらの底部加熱要素１１２−１の出力は、少なくとも約３．８ｋＷであり、最高処理温度は少なくとも９５０℃である。一実施形態では、側部加熱要素１１２−２は、基台１３０の近くの下側区域及び上側区域を含む複数の区域に機能的に分けられ、その各々は、互いに且つ上部加熱要素１１２−３及び底部加熱要素１１２−１と異なる電力レベル及び負荷サイクルで独立に作動されるのがよい。

加熱要素１１２は、当業技術で公知の種類の制御技術を用い、任意の適切な仕方で制御される。

断熱ブロック１４０及び底部加熱要素１１２−１からの汚染は、加熱要素及び断熱ブロックと処理チャンバ１０２との間の障壁として働く逆さ石英るつぼ１４２に加熱要素及び断熱ブロックを収容することによって、なくならないけれども減少する。また、るつぼ１４２は、ロードポート及びボートハンドリングユニット（ＢＨＵ）環境に対しても密封され、処理環境の汚染を更に減少させ又はなくす。一般的に、るつぼ１４２の内部は標準大気圧であるため、るつぼ１４２は、その全体にわたって、処理チャンバ１０２と基台１３０の間の１気圧程度の大きさの差圧に耐えるのに十分な強さである必要がある。

ウェーハ１０８を装填する間又はそれを取出す間、すなわち、基台１３０が下側位置（図３）にある間、底部加熱要素１１２−１に電力を供給して、底部加熱要素１１２−１を望ましい処理温度よりも低いアイドル温度に維持する。例えば、底部加熱要素に対する望ましい処理温度が９５０℃である工程では、アイドル温度は、５０〜１５０°である。望ましい処理温度が高い工程及び／又は望ましい上昇率が大きい工程等の特定の工程に対して、又は、底部加熱要素１１２−１への熱サイクル効果を低減することにより要素寿命を延ばすために、アイドル温度をより高く設定するのがよい。

処理時間、すなわち、熱処理装置１００を処理のために準備するのに必要な時間を更に短くするために、押入れ中又は装填中、すなわち、ウェーハ１０８のボート１０６を位置決めした基台１３０が上昇している間、底部加熱要素１１２−１を、望ましい処理温度又はそれよりも低い温度まで上昇させるのがよい。しかしながら、ウェーハ１０８及び熱処理装置１００の構成要素に作用する熱応力を最小にするために、底部加熱要素１１２−１を、処理チャンバ１０２の上部１３４及び側部１３６それぞれの近く配置された加熱要素１１２−３及び１１２−２と同時に望ましい処理温度に到達させることが好ましい。従って、望ましい処理温度を高くすることが必要な工程等のいくつかの工程では、底部加熱要素１１２−１の温度は、１バッチのうちの最後のウェーハ１０８が装填される間のうちの基台１３０が上昇され始める前、上昇し始めるのがよい。

同様に、ウェーハ１０８を冷却してボートハンドリングユニット（ＢＨＵ）によって取出すための準備の際、処理後及び引出し又は取出しサイクル中、すなわち、基台１３０が下降している間、底部加熱要素１１２−１への電力を低減し又は完全に除去し、基台１３０をアイドル温度まで下降させ始めるのがよいことが認められる。

引出し又は取出しサイクルの前に、基台１３０を引出し温度まで冷却するのを助けるために、空気又は窒素等の不活性パージ気体のためのパージラインが、断熱ブロック１４０を貫くように設けられるのがよい。好ましくは、窒素を、断熱ブロック１４０の中心を通る通路１４４から注入し、断熱ブロック１４０の上部とるつぼ１４２の内部との間をその周囲まで流すことを可能にする。次に、高温窒素は、「高性能粒子状空気（ＨＥＰＡ）」フィルタ（図示せず）を通して周囲又は施設排気装置（図示せず）に排気される。この中心注入構成により、ウェーハ１０８の中心を迅速に冷却することが容易になり、従って、１つ又は複数の底部ウェーハの中心／縁部温度差を最小にするのに理想的であり、そうでなければ、結晶格子構造のずれ転移による損傷を招く可能性がある。

上述のように、底部加熱要素１１２−１の寿命を増大又は延ばすために、アイドル温度を、熱サイクルの効果を低減するように高くし、望ましい処理温度に近く設定するのがよい。また、高酸素環境で加熱要素１１２−１を周期的に焼き出し、保護酸化物表面コーティングの形成を促進することも望ましい。例えば、抵抗加熱要素が「Ｋａｎｔｈａｌ（登録商標）」等のアルミニウム含有合金で形成される場合、高酸素環境で加熱要素１１２−１を焼き出しすると、アルミナ酸化物の表面増加が促進される。従って、断熱ブロック１４０は、加熱要素１１２−１の焼出し中に保護酸化物表面コーティングの形成を促進するための酸素ライン（図示せず）を更に有するのがよい。変形例として、焼出しのための酸素が、処理中に用いられるパージラインを通して導入され、３方バルブを通じて冷却窒素を供給されてもよい。

図３は、熱処理装置１００の一部分の断面図である。図３は、ウェーハ１０８が装填され又は取出される間、すなわち、基台１３０が下側位置にある間における熱処理装置１００を示している。この作動モードでは、熱処理装置１００は、熱遮蔽体１４６を更に有し、熱遮蔽体１４６は、基台１３０及びボート１０６の下側ウェーハ１０８の上方の適所に回転又は摺動させられるのがよい。熱遮蔽体１４６の性能を向上させるために、一般的に、熱遮蔽体は、加熱要素１１２−１に面する側が反射性であり、ウェーハ１０８に面する側が吸収性である。熱遮蔽体１４６の目的は、ボート１０６内の下方のウェーハ１０８を冷却する速度を増大させること、及び基台１３０及び底部加熱要素１１２−１のアイドル温度を維持し、処理チャンバ１０２が望ましい処理温度まで上昇するのに必要な時間を短くすることを含む。図３〜図６を参照して、熱遮蔽体を有する熱処理装置の実施形態をここでより詳細に以下に説明する。

図３はまた、基台加熱要素１１２−１及び熱遮蔽体１４６を有する熱処理装置１００の実施形態を示している。ここに示す実施形態では、熱遮蔽体１４６は、腕１４８を通じて回転可能なシャフト１５０に取付けられ、シャフト１５０を電気的、空気式、又は液圧式アクチュエータによって回転させて、熱遮蔽体１４６を回転させることにより、引出し又は取外しサイクル中、熱遮蔽体１４６をボート１０６内の加熱基台１３０と一番下のウェーハ１０８との間の第１の位置に入れ、押入れ又は装填サイクルの少なくとも最終部分又は最後の間、ボート１０６の底部がチャンバ１０２に入る直前に、熱遮蔽体１４６を取除き又は基台とウェーハとの間ではない第２の位置まで回転させる。好ましくは、回転可能なシャフト１５０は、基台１３０を上昇させたり下降させたりするのに用いられる機構（図示せず）に装着又は固定され、それにより、基台の上部が処理チャンバ１０２を通過すると直ぐに熱遮蔽体１４６が回転して適所に位置させることが可能である。遮蔽体１４６が装填サイクル中に適所にあれば、加熱要素１１２−１を望ましい温度まで、その他の方法で可能である速さよりも急速に加熱することができる。同様に、取外しサイクル中、遮蔽体１４６は、基台加熱要素１１２−１から放射される熱を反射することにより、ウェーハ、特に基台に近いウェーハを冷却するのに役立つ。

変形例として、回転可能シャフト１５０は、熱処理装置１００の別の部分に装着又は固定されてもよいし、基台１３０と同期して軸線方向に移動してもよいし、基台が完全に下降した時に熱遮蔽体１４６を回転させて適所に位置させてもよい。

図４は、図３の基台加熱要素１１２−１及び熱遮蔽体１４６の概略図であり、底部加熱要素から放射される熱エネルギ又は熱が反射されて基台１３０に戻り、１バッチ又はスタックの下方のウェーハ１０８から放射される熱エネルギ又は熱が吸収される様子を示している。望ましい特性である高反射性及び高吸収性は、金属、セラミック、ガラス、又はポリマーコーティングのようないくつかの異なる材料を個々に又は組み合わせて用いて得られることが確認されている。例示として、以下の表は、様々な適切な材料及び対応するパラメータを列挙している。

一実施形態によれば、熱遮蔽体１４６は、片側が研磨され、もう片側がすり減らされ、摩耗され又は粗面にされた単一の材料、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、不透明石英、ステンレス鋼で作られる。熱遮蔽体１４６の表面を粗面にすると、その伝熱性、特にその反射性が相当に変化する可能性がある。

別の実施形態では、熱遮蔽体１４６は、２つの異なる材料層で作られる。図５は、ＳｉＣ又は不透明石英等の材料の高吸収性の上層１５２と、研磨されたステンレス鋼又は研磨されたアルミニウム等の材料又は金属の高反射性の下層１５４とを有する熱遮蔽体１４６の概略図である。上層１５２又は下層１５４は、ほぼ等しい厚さを有するように示されているが、熱膨張係数の差による層間の熱応力を最小にするなどの熱遮蔽体１４６の特定の要件に応じて、その何れかの厚さをより厚くするのがよいことが認められる。例えば、特定の実施形態では、下層１５４は、上層１５２を形成する石英板上に堆積され、形成され又はメッキされて研磨された金属の極めて薄い層又はフィルムであるのがよい。材料は、一体的に形成されてもよいし、互いに結合されてもよいし、又は接着又は締結等の従来の手段によって接合されてもよい。

更に別の実施形態では、熱遮蔽体１４６は、内部冷却チャンネル１５６を更に有し、ウェーハ１０８を底部加熱要素１１２−１から更に断熱する。図６に示すこの実施形態の１つの形態では、冷却チャンネル１５６は、２つの異なる材料層１５２、１５４の間に形成される。例えば、冷却チャンネル１５６は、高吸収性の不透明石英層１５２にフライス削り又はその他の任意適切な技術によって形成され、金属層又はチタン又はアルミニウムコーティング等のコーティング１５４によって被覆される。変形例として、冷却チャンネル１５６は、金属層１５４に形成されてもよいし、金属層１５４と石英層１５２の両方に形成されてもよい。

図７は、熱遮蔽体１４６、腕１４８、回転可能なシャフト１５０、及びアクチュエータ１５５を有する熱遮蔽体アセンブリ１５３の実施形態の斜視図である。

図８に示すように、熱処理装置１００は、更に、シャッタ１５８を有し、シャッタ１５８は、基台１３０が完全に下降した位置のとき、処理チャンバ１０２を外側又はロードポート環境から隔離するように、ボート１０６の上方の適所に回転、摺動又はその他の方法で移動させられる。例えば、シャッタ１５８は、基台１３０が下側位置にあるとき、摺動してキャリア１０６の上方の適所に配置され、次いで、処理チャンバ１０２を隔離するために上昇する。変形例として、シャッタ１５８は、基台１３０が下側位置にあるとき、回転し又は前後に揺動してキャリア１０６の上方の適所に配置され、その後、処理チャンバ１０２を隔離する上昇する。選択的に、シャッタ１５８は、ネジ切りしたネジ又はロッドを中心に又はそれに対して回転することにより、前後に揺動してキャリア１０６の上方の適所に配置されるのと同時にシャッタを上昇させて、処理チャンバ１０２を隔離する。

ＣＶＤシステムのように通常は真空下で作動する処理チャンバ１０２では、シャッタ１５８は、底板１２４に対する真空シールを形成し、処理圧力又は真空まで処理チャンバ１０２をポンプダウン又は減圧することを可能にする。例えば、ウェーハの連続バッチの間に処理チャンバ１０２を減圧することにより、処理環境を汚染する可能性を低減させ又はなくすことが望ましい場合がある。真空シールの形成は、Ｏリング等の直径の大きなシールで行われることが好ましく、従って、シャッタ１５８は、シールを冷却するためにいくつかの水チャンネル１６０を有することが望ましい。図８に示す実施形態では、シャッタ１５８は、基台１３０が上昇した位置にあるときにるつぼ１４２を密封するのに用いられたＯリングと同じＯリング１３２で密封される。

処理チャンバ１０２が通常は大気圧で作動する熱処理装置１３０では、シャッタ１５８は、処理チャンバの底部からの熱損失を低減するように設計された単なる断熱プラグである。これを達成するための一実施形態では、不透明石英板を利用するのがよく、不透明石英板は、シャッタ１５８の下又はその内部にいくつかの冷却チャンネルを更に有していてもよいし、それらを有していなくてもよい。

基台１３０が完全に下降した位置にあるとき、シャッタ１５８は、処理チャンバ１０２の下方の位置に移動し、次いで、１又は２以上の電気的、液圧式、又は空気式アクチュエータ（図示せず）によって上昇して、処理チャンバを隔離する。好ましくは、アクチュエータは、ゲージ圧で約１５〜６０ポンド／平方インチ（ＰＳＩＧ）の空気を用いる空気式アクチュエータであり、これは、一般的に、空気式バルブを作動させるための熱処理装置１００に利用可能である。例えば、この実施形態の１つの形態では、シャッタ１５８は、いくつかのホイールが短い腕又は片持ち梁を介してシャッタの２つの側部に取付けられた板を含むのがよい。板又はシャッタ１５８は、作動時、２つの平行なガイドレール上を転がって処理チャンバ１０２の下の適所に位置する。次いで、片持ち梁がガイドレール上のストッパによって回動し、シャッタ１５８の移動が上向き方向に変換して、処理チャンバ１０２を密封する。

図９に示すように、熱処理装置１００は、更に、処理中、支持体１０４及びボート１０６をその上に支持されたウェーハ１０８と共に回転させる磁気結合ウェーハ回転システム１６２を有している。処理中にウェーハ１０８を回転させると、加熱要素１１２内及び処理ガス流中のいかなる不均一性も平均され、ウェーハ上の温度及び化学種反応の性質が均一になることにより、ウェーハ内（ＷＩＷ）の均一性を改善する。一般的には、ウェーハ回転システム１６２は、約０．１〜約１０回転／分（ＲＰＭ）の速度でウェーハ１０８を回転させるのがよい。

ウェーハ回転システム１６２は、電気又は空気式モータ等の回転モータ１６６と、ポリテトラフルオロエチレン又は焼きなましたステンレス鋼等の化学的耐性の容器に入れられた磁石１６８とを有する駆動アセンブリ又は回転機構１６４を有している。基台１３０の断熱ブロック１４０の直ぐ下に配置された鋼鉄リング１７０と、断熱ブロックと一体の駆動シャフト１７２とにより、回転エネルギを基台の上面部分の断熱ブロックの上に配置された別の磁石１７４に伝達する。また、鋼鉄リング１７０、駆動シャフト１７２及び第２の磁石１７４も化学的耐性容器複合体に入れられる。基台１３０の側に配置された磁石１７４は、処理チャンバ１０２の支持体１０４に埋め込まれ又は固定された鋼鉄リング又は磁石１７６に、磁気的にるつぼ１４２を通り越して結合される。

回転機構１６４を磁気的に基台１３０を通り越して結合させることにより、回転機構１６４を処理環境内に配置する必要、又は、機械的な貫通体を有する必要がなくなり、それにより、漏れ及び汚染を引き起こす可能性がある原因がなくなる。更に、回転機構１６４を処理部分の外側でそれから多少距離をおいて配置すると、回転機構１６４が晒される最高温度を最低にし、それにより、ウェーハ回転システム１６２の信頼性が向上し且つ作動寿命が延びる。

上述したことに加えて、ウェーハ回転システム１６２は、ボート１０６の位置を適正にし、且つ、処理チャンバ１０２内の鋼鉄リング又は磁石１７６と基台１３０内の磁石１７４との間の適正な磁気的結合を保証するために、１又は２以上のセンサ（図示せず）を更に有している。ボート１０６の相対位置を判断するセンサ、すなわち、ボート位置確認センサは特に有用である。一実施形態では、ボート位置確認センサは、ボート１０６上のセンサ突起（図示せず）と、底板１２４の下に配置される光又はレーザセンサとを有している。作動時、ウェーハ１０８を処理した後、基台１３０を底板１２４から約３インチ下方に下降させる。この際、ウェーハ回転システム１６２に、ボートセンサ突起を検出することができるまでボート１０６を回転させる指令を出す。次に、ウェーハ回転システム１６２を作動させ、ウェーハ１０８を取出すことができるようにボートを位置合わせする。これを行った後、ボートを、装填／取出しの高さまで下げる。初期検査後、フラグセンサからのボート部位を確認することだけが可能である。

図１０に示すように、改良型注入器２１６を熱処理装置１００に用いることが好ましい。注入器２１６は、分配又は交差（Ｘ字形）流れ注入器２１６−１であり、処理ガス又は蒸気がウェーハ１０８及びボート１０６の片側の注入器開口部又はオリフィス１８０から導入され、層流をなしてウェーハの表面を横切って流れ、反対側のチャンバライン１２０の排気ポート又はスロット１８２から出る。Ｘ字形流れ注入器１１６−１では、処理ガス又は蒸気の分布が以前の上向き流れ又は下向き流れの構成よりも改良され、１バッチのウェーハ１０８内のウェーハ均一性に関して、ウェーハ１０８を改善する。

更に、Ｘ字形流れ注入器２１６は、ウェーハ１０８間を強制対流冷却するための冷却用気体（例えば、ヘリウム、窒素、水素）の注入を含む他の目的に役立てることができる。Ｘ字形流れ注入器２１６を用いると、以前の上向き流又は下向き流の構成と比較して、１つのスタック又はバッチの底部又は上部に配置されたウェーハ１０８とその中間に配置されたウェーハとの間を更に均一に冷却する。好ましくは、注入器２１６のオリフィス１８０は、ウェーハ全体にわたって大きな温度勾配が生じないように、ウェーハ１０８間の強制対流冷却を促進するスプレーパターンを形成するように寸法、形状及び位置が定められるのがよい。

図１１は、図１０の熱処理装置１００の一部分の断面側面図であり、チャンバライナ１２０に関連した注入器オリフィス１８０及びウェーハ１０８に関連した排気スロット１８２の例示的な一部分を示している。

図１２は、図１０の線Ａ−Ａにおける図１０の熱処理装置１００の一部分の平面図であり、一実施形態による１次注入器１８４及び２次注入器１８６それぞれのオリフィス１８０−１及び１８０−２からウェーハ１０８の例示の１つを横切って排気スロット１８２−１及び１８２−２まで層をなして流れる気体流を示している。図１０に示す排気スロット１８２の位置は、図１２に示す排気スロット１８２−１及び１８２−２の位置からずらされ、熱処理装置の単一の断面図に排気スロット及び注入器１１６−１を示すようにしていることに注意すべきである。また、ウェーハ１０８及びチャンバライナ１２０に対する注入器１８４、１８６及び排気スロット１８２−１、１８２−２の寸法は、注入器から排気スロットまでの気体流を明確に示すために誇張されていることにも注意すべきである。

また、図１２に示すように、処理ガス又は蒸気は、最初にウェーハ１０８から離れてライナ１２０に向かうように差し向けられ、ウェーハに到達する前に処理ガス又は蒸気が混合されることを促進する。オリフィス１８０−１、１８０−２のこの構成は、例えば、多成分フィルム又は層を形成するために異なる反応物が１次注入器１８４及び２次注入器１８６の各々から導入される工程又は方法に特に有用である。

図１３は、図１０の線Ａ−Ａにおける図１０の熱処理装置１００の一部分の別の平面図であり、別の実施形態による１次注入器１８４及び２次注入器１８６のオリフィス１８０からウェーハ１０８の例示的な１つを横切って排気スロット１８２まで進む変形例の気体流路を示している。

図１４は、図１０の線Ａ−Ａにおける図１０の熱処理装置１００の一部分の別の平面図であり、更に別の実施形態による１次注入器１８４及び２次注入器１８６のオリフィス１８０からウェーハ１０８の例示的な１つを横切って排気スロット１８２まで進む変形例の気体流路を示している。

図１５は、図１０の線Ａ−Ａにおける図１０の熱処理装置１００の一部分の別の平面図であり、更に別の実施形態による１次注入器１８４及び２次注入器１８６のオリフィス１８０からウェーハ１０８の例示的な１つを横切って排気スロット１８２まで進む変形例の気体流路を示している。

図１６は、変形実施形態による２つ又は３つ以上の上向き流れ注入器１１６−１、１１６−２を有する熱処理装置１００の断面図である。この実施形態では、処理チャンバ１０２の低位置にそれぞれの出口オリフィスを有する処理注入器１１６−１、１１６−２から入れられた処理ガス又は蒸気が、上向きにウェーハ１０８を横切って流れ、消費された気体がライナ１２０の上面の排気スロット１８２から出る。上向き流れ注入器システムは、図１にも示されている。

図１７は、変形実施形態による下向き流れ注入器システムを有する熱処理装置１００の断面図である。この実施形態では、処理チャンバ１０２の高位置にそれぞれ出口オリフィスを有する処理注入器１１６−１、１１６−２から入れられた処理ガス又は蒸気が、下向きにウェーハ１０８を横切って流れ、消費された気体が、ライナ１２０の下側区域の排気スロット１８２から出る。

有利な態様においては、注入器１１６、２１６及び／又はライナ１２０は、処理ガスを注入するための異なる箇所及び処理区域１２８から排気するための異なる箇所を有する他の注入器及びライナと、迅速かつ簡単に置換又は交換されるのがよい。図１０に示すＸ字形流れ注入器２１６の実施形態では、処理チャンバ１０２内の流れパターンを、図１０に示すような交差流形態から図１及び図１６に示すような上向き流れ形態又は図１７に示すような下向き流れ形態に迅速かつ容易に変化させることを可能にすれば、工程の柔軟性の程度が増大することが当業者によって認められる。これは、流れの幾何学形状を交差流れから上向き流れ又は下向き流れに変換するために、容易に導入可能な注入器アセンブリ２１６及びライナ１２０を用いることによって達成される。

注入器１１６、２１６及びライナ１２０は、別々の構成要素であってもよいし、注入器がライナと一体的に単一部品として形成されてもよい。後者の実施形態は、処理チャンバ１０２構成を頻繁に変えることが望ましい用途で特に有用である。

図１８を参照して熱処理装置１００を作動させるための例示的な方法又は工程を説明する。図１８は、１バッチのウェーハの各ウェーハを望ましい温度まで迅速かつ均一に加熱するために、１バッチのウェーハ１０８を熱処理する方法の段階を示す流れ図である。本方法では、基台１３０を下降させ、基台１３０を下降させている間、熱遮蔽体１４２を一定の位置に移動させ、底部加熱要素１１２−１からの熱を基台１３０に反射させて戻すことにより、基台１３０の温度を維持すると共に、完成ウェーハ１０８を断熱する（段階１９０）。選択的に、シャッタ１５８を適所に移動させて、処理チャンバ１０２を密封又は隔離し（段階１９２）、加熱要素１１２−２、１１２−３に電力を供給して、処理チャンバ１０２の予備加熱を開始し、又は、中間又はアイドル温度を維持する（段階１９４）。新しいウェーハ１０８が装填されたキャリア又はボート１０６を基台１３０に位置決めする（段階１９６）。基台１３０を上昇させて、ボート１０６を処理区域１２８に位置決めし、同時にシャッタ１５８及び熱遮蔽体１４２を取外し、底部加熱要素１１２−１を作動させて、ウェーハを中間温度まで予備加熱する（段階１９７）。熱遮蔽体１４２を、ボート１０６が処理区域１２８に位置決めされる直前に除去することが好ましい。処理ガス又は蒸気等の流体を、複数の注入ポート１８０からウェーハ１０８の一方の側に導入する（段階１９８）。流体は、注入ポート１８０からウェーハ１０８の表面を横切り、注入ポートに対してウェーハの反対側のライナ１２０に位置決めされた排気ポート１８２まで流れる（段階１９９）。選択的に、ウェーハを熱処理する間、機械エネルギをキャリア又はボート１０６まで基台１３０を通り越して磁気的に結合してボート１０６を再位置決めすることによって、１バッチのウェーハ１０８ｓを熱処理する間、ボート１０６を処理区域１２８内で回転させ、熱処理の均一性を更に向上させる（段階２００）。

図１９を参照して別の実施形態による熱処理装置１００の方法又は工程をここで以下に説明する。図１９は、キャリア内の１バッチのウェーハ１０８を熱処理する方法の実施形態の段階を示す流れ図である。本方法では、ウェーハ１０８を保持したキャリア１０６を収容するのに必要とされるよりも実質的に大きくない寸法及び容積の処理チャンバ１０２を有し且つ保護加熱器を有していない装置１００を準備する。基台１３０を下降させ、ウェーハ１０８を保持したボート１０６を基台１３０の上に位置決めする（段階２０２）。基台１３０を上昇させ、ボートを処理チャンバ１０２に装填し、同時にウェーハ１０８を中間温度まで予備加熱する（段階２０４）。処理チャンバ１０２の上壁１３４、側壁１３６及び下壁１３８の少なくとも１つの近くに配置された各加熱要素１１２−１、１１２−２、１１２−３に電力を供給し、処理チャンバの加熱を開始する（段階２０６）。選択的に、加熱要素の少なくとも１つへの電力を独立に調節し、処理チャンバ１０２の処理区域１２８内を、望ましい温度で実質的に等温の環境にする（段階２０８）。ウェーハ１０８を熱処理するとき、及び、処理区域１２８内を望ましい温度に維持する間、基台１３０を下降させ、熱遮蔽体１４２を適所に移動させて、完成ウェーハ１０８を断熱し、底部加熱要素１１２−１からの熱を基台１３０に反射させて戻し、基台１３０の温度を維持する（段階２１０）。また、選択的に、シャッタ１５８を適所に移動させて、処理チャンバ１０２及び加熱要素１１２−２、１１２−３に与えた電力を密封又は隔離し、処理チャンバの温度を維持する（段階２１２）。次に、ボート１０６を基台１３０から取外し（段階２１４）、処理すべき新しいバッチのウェーハを装填した別のボートを基台に位置決めする（段階２１６）。シャッタ１５８を再位置決めし又は除去し（段階２１８）、熱遮蔽体を引込め又は再位置決めし、ボート１０６内のウェーハ１０８を中間温度まで予備加熱し、それと同時に基台１３０を上昇させ、ボートを処理チャンバ１０２に装填し、新しいバッチのウェーハを熱処理する（段階２２０）。

上述したように構成され且つ作動させる熱処理装置１００が、従来のシステムよりも約７５％の処理又はサイクル時間を減少させることが確定している。例えば、従来の大量のバッチ用の熱処理装置は、１００の製品ウェーハを、前処理及び後処理時間を含んで約２３２分で処理することができる。本発明の熱処理装置１００は、ミニバッチの２５の製品ウェーハ１０８の同じ処理を、約５８分で行うものである。

図２０〜図４２を参照して、本発明の一実施形態による交差流れ（Ｘ字形流れ）ライナを以下に説明する。

従来の上向き流れ垂直炉は、一般的には、段付ライナを用い、処理ガス速度及び拡散制御を増大させている。また、これらは、ウェーハ内の均一性を改善するのを助けるためにも用いられる。残念なことに、段付ライナは、全ての注入気体がスタック下方の全ての表面を越えるように流れることを強制する反応気体の単一注入点のために起こるスタック下方枯渇問題を是正しない。従来技術の垂直交差流れ炉では、スタック下方枯渇問題は解決されている。しかし、抵抗の最も小さい流路は、ウェーハ間ではなく、ウェーハキャリアとライナ内壁との間の間隙領域に生じる可能性がある。抵抗の最も小さい流路により、製造工程に有害な渦又は淀みが生じる場合がある。炉内の渦及び淀みは、工程に用いる化学種によっては、ウェーハにわたって不均一問題を生じさせる場合がある。

本発明は、キャリアに支持された各基板の表面にわたって均一な気体流を生じさせることにより、ウェーハ内の均一性を大幅に改善する交差流れライナを提供する。一般的に、本発明の交差流れライナは、交差流れ注入システムを収容するための長手方向出っ張り部分を含み、それにより、ライナをウェーハキャリアと適合するパターン及び寸法にすることができる。ライナとウェーハキャリアの間の間隙は大幅に減少し、その結果、従来技術の炉で起こるような渦及び淀みを低減し又は回避することができる。

図２０は、本発明の一実施形態による交差流れライナ２３２を含む熱処理装置２３０を示している。本発明を簡単に説明するために、本発明に密接な関係がない要素は、図面に示して説明はしない。一般的に、装置２３０は、処理チャンバ２３６を形成する容器２３４を有し、処理チャンバ２３６は、１バッチのウェーハ２４２を保持するキャリア２４０を受入れるように構成された支持体２３８を有している。熱処理装置２３０は、ウェーハ２４２の温度を熱処理に望ましい温度まで上昇させるための熱源又は炉２４４を有している。交差流れライナ２３２は、ウェーハ２４２の近くの処理ガス又は蒸気の濃度を上昇させるように、且つ、処理チャンバ２３６の内面上に形成される可能性がある堆積物が剥がれ落ちたり剥離したりすることによるウェーハ２４２の汚染を減少させるように設けられている。ライナ２３２は、ウェーハキャリア２４０の輪郭に適合するパターン又は形状を有し、ウェーハキャリア２４０とライナ壁との間の間隙を低減する大きさを有している。ライナ２３２は、底板２４６に装着されて密封されている。交差流れ注入システム２５０は、ライナ２３２とウェーハキャリア２４０との間に配置される。以下に説明するように、気体が、ウェーハの表面を横切る層流をなすように、複数の注入ポート又はオリフィス２５２からウェーハ２４２及びキャリア２４０の一方の側に導入される。複数のスロット２５４がライナ２３２の反対側に形成され、気体又は反応副生成物が排気される。

交差流れライナは、高温及び高真空作動の熱及び機械的応力に耐えることができ、処理中に用いられ又は放出される気体及び蒸気による腐食に抵抗性を有する任意の金属、セラミック、水晶又はガラス材料で作られる。好ましくは、交差流れライナは、機械的応力に耐えるのに十分な厚さを有し、処理副産物が堆積することに対する抵抗性があり、それにより、処理環境が汚染される可能性を低減する不透明、半透明又は透明の石英ガラスから作られる。一実施形態では、ライナは、ウェーハを処理する領域又は処理区域から放出される熱伝導を減少させ又はなくす石英で作られるのがよい。

図２１及び図２２は、本発明の一実施形態による交差流れライナ２３２の外観図を示している。一般的に、交差流れライナ２３２は、閉鎖端部２５８及び開放端部２６０を含むシリンダ２５６を有している。シリンダ２５６には、交差流れ注入システムを収容する長手方向出っ張り部分２６２が設けられている（図示せず）。好ましくは、出っ張り部分２６２は、シリンダ２５６の実質的に長さ方向全体にわたって延びている。シリンダ２５６の出っ張り部分２６２に対する反対側に、気体及び反応副生成物を排気する複数の横方向スロット２５４が長手方向に設けられている。

交差流れライナ２３２は、ウェーハキャリア２４０及びキャリア支持体２３８の輪郭と適合する寸法及びパターンを有している。一実施形態では、ライナ２３２は、ウェーハキャリア２４０に適合する寸法を有する第１の部分２６１と、キャリア支持体２３８に適合する寸法を有する第２の部分２６３とを含んでいる。第１の部分２６１の直径は、第２の部分２６３の直径と異なり、すなわち、ライナ２３２は「段付」であり、ウェーハキャリア２４０及びキャリア支持体２３８のそれぞれに一致させることができる。一実施形態では、ライナ２３２の第１の部分２６１の内径は、キャリア外径の約１０４〜１１０％である。別の実施形態では、ライナ２３２の第２の部分２６３の内径は、キャリア支持体２３８の外径の約１１５〜１２０％である。第２の部分２６３は、１又は２以上の熱遮蔽体２６４を有し、Ｏリング等のシールが加熱要素によってオーバーヒートしないように保護する。

図２３は、交差流れライナ２３２の側面図であり、第１の部分２６１と第２の部分２６３との間の段付き部を示している。長手方向出っ張り部分２６２は、第１の部分２６１の長さだけ延びている。注入システム（図示せず）は、出っ張り部分２３２に収容され、各１又は２以上の気体を基板２４２の表面を横切るように導入する。１又は２以上の熱遮蔽体２６４は、第２の部分２６３に設けられるのがよい。

図２４は、交差流れライナ２３２の上面図であり、交差流れ阻止システムを受入れるための開口部２６６を有するシリンダ２５６の閉鎖端部２５８を示している。図２５に詳細に示すように、閉鎖端部２５８の開口部２６６は、交差流れ注入システムの方向を定めて安定させるためのノッチ２６８を有している。説明のために、開口部２６６に３つのノッチが示されているが、必要に応じて、注入システム内の注入ポートを任意の方向に向けることができる任意の数のノッチが形成されてもよいことに注目すべきである。

交差流れ注入システム２５０は、軸線の周りを３６０度回転可能な１又は２以上の細長い管を含むよがよい。本出願と同時に出願した米国特許出願出願番号第＿＿＿＿＿号（代理人整理番号３３６０６／ＵＳ／２）には、注入システムの一実施形態が説明されており、その開示内容は、本明細書においてその全内容を援用する。好ましい実施形態では、細長い管は、反応物及びその他の気体を各基板の表面を横切る方向に差し向けるために管内に長手方向に分配された複数の注入ポート又はオリフィス２５２を有している。一実施形態では、細長い管は、閉鎖端部２５８の開口部２６６のノッチ２６８の１つに固定するためのインデックスピン（図示せず）を有している。一実施形態では、管内の注入ポート又はオリフィス２５２は、インデックスピンと整列して形成されている。従って、細長い管を導入すると、インデックスピンは、ノッチ２６８の１つに固定され、管の注入ポート２５２は、ノッチに固定されたインデックスピンによって定められる方向に向けられる。

有利なことには、本発明の交差流れライナは、出っ張り部分を有し、それにより、ライナとウェーハキャリアの間の間隙を低減することができ、出っ張り部分は、その内部に交差流れ注入システムを収容し、ライナがウェーハキャリアの輪郭に適合するように作られる。それにより、ライナ内壁とウェーハキャリアとの間の間隙領域の渦及び淀みが減少し、従って、流れ均一性が改善され、これは次に、堆積されるフィルムの品質、均一性、及び再現性を改善するのに役立つ。

図２３〜図２５に示す一実施形態では、出っ張り部分２６２に２つの細長い注入管（図示せず）が設けられる。２つの細長い注入管を受入れるために、２つの開口部２６６がライナ２３２の閉鎖端部２５８に形成される。注入ポート２５２を特定の方向に向けるために、開口部２６６にノッチ２６８が形成される。必要に応じて注入ポート２５２を任意の方向に向けることができるように、任意の数のノッチを形成して細長い注入管を３６０度調節することができる。一実施形態では、細長い管内のインデックスピンは、注入ポート２５２がライナ２３２の内面に向く方向になるようにノッチ２６８Ａに受入れられる。図２６に示すように、注入ポート２５２を出た気体は、ライナ壁２７０に衝突した後、各基板２４２の表面を横切って流れる前、出っ張り部分２６２で混合される。別の実施形態では、細長い管のインデックスピンは、各注入管の注入ポート２５２が互いに対向する向きに置かれるようにノッチ２６８Ｂに受入れられる。図２７に示すように、注入ポート２５２から出た気体は、互いに衝突した後、各基板の表面を横切って流れる前、出っ張り部分２６２で混合される。更に別の実施形態では、細長い管のインデックスピンは、図２８に示すように、注入ポート２５２が基板２４２の中心に向く方向に置かれるようにノッチ２６８Ｃに受入れられる。

図２９〜図３４は、チャンバ内部の基板の表面を横切る気体流線を示す「粒子軌跡」グラフである。これらの図は、高度に不均衡な流れ状態をなして注入器ポートから排気スロットまで進む粒子の軌跡２７２を示している。第１（左端）の注入器ポートからの流れの運動量は、第２（右端）の注入器ポートの流れの運動量よりも１０倍大きい。図２９、図３１、及び図３３に実際に示すように、本発明の交差流ライナは、従来技術のライナに比較して、基板の表面を横切る均一な気体流を生じさせるという大きな利点を有している。本発明の交差流れライナの出っ張り部分は、基板の表面を横切って流れる前、注入ポートから出た気体のための混合チャンバになり、従って、気体の「衝撃混合」の運動量移送を容易にする。これとは対照的に、本発明の出っ張り部分を備えてない従来技術ライナを含むチャンバでは、基板の表面を横切る気体流は、図３０、図３２、及び図３４に示すように不規則で不均一である。

図３５は、交差流れライナ２３２の外面側面図であり、ライナシリンダの壁を貫く複数の横方向スロット２５４を示している。スロット２５４の大きさ及びパターンは、予め決定され、出っ張り部分２６２の反対側に長手方向に設けられている。一実施形態では、ライナのスロット間の間隔及びその数は、注入管の注入ポート間の間隔及びその数と協働して気体の排気を容易にする。図３６及び図３７は、ライナ２３２の第２の部分の熱遮蔽体２６４と、ライナの第２の部分において細長い管を受入れて安定させるための２つのノッチ２７４とを示す断面図である。

図３８〜図３９は、本発明の別の実施形態を示す。１つの細長い注入管２７６が出っ張り部分２６２に収容されている。Ｔ字管２７８が、ライナ２３２の第２の部分２６３の細長い管２７６に結合される。２つの気体が、細長い管２７６及びＴ字管２７８にそれぞれ導入され、注入ポートを出る前に細長い管２７６内で予備混合される。

作動時、真空システムは、反応チャンバ２３６内に真空圧を生成する。真空圧は、容器２３４が延びる方向に作用する。交差流れライナ２３２は、真空圧に応答して作動し、交差流れライナ２３２内に第２の真空を生成する。第２の真空圧は、容器２３４が延びる方向を横切り、各基板２４２の表面を横切る方向に作用する。２つの気体、例えば、第１の気体及び第２の気体は、２つの異なる気体供給源から注入システムの２つの細長い管に導入される。気体は、ウェーハ２４２の一方の側の注入ポート２５２から出て、層流をなし、２つの隣接したウェーハ間に形成された通路内をウェーハ２４２を横切って運ばれる。過剰な気体又は反応副生成物は、細長い管の注入ポート２５２と協働するライナ壁の横スロット２５４から排気される。

図４０は、本発明の一実施形態による交差流れライナを含む熱処理装置に対する「計算流体力学（ＣＦＤ）」的実証である。交差流れライナの直径は小さくされており、ウェーハキャリアに合致している。交差流れ注入システムは、ライナの出っ張り部分に収容されている。注入システムは、反応物又は他の気体を各基板の表面を横切って導入する２つの細長い注入管を有し、各注入管は、複数の注入ポートを有している。注入ポートは、ライナ内面に向く方向に配置され、注入ポートを出た気体がライナ壁に衝突し、各基板の表面を横切って流れる前に出っ張り部分で混合されるように構成されている。一例では、２つの注入管に導入された気体はそれぞれ、７５ｓｃｃｍのＢＴＢＡＳ（ビステトラブチルアミノシラン）及びＮＨ₃である。図４０は、良好な交差ウェーハ速度を明らかにしている。

図４１は、本発明の一実施形態による交差流れライナを含む熱処理装置に対する「計算流体力学（ＣＦＤ）」的実証である。交差流れライナの直径は小さくされており、ウェーハキャリアに合致している。交差流れ注入システムは、ライナの出っ張り部分に収容されている。注入システムは、反応物又は他の気体を各基板の表面を横切って導入する２つの細長い注入管を有し、各注入管は、複数の注入ポートを有している。注入ポートは、基板の中心に向く方向に配置されている。一例では、２つの注入管に導入された気体はそれぞれ、７５ｓｃｃｍのＢＴＢＡＳ（ビステトラブチルアミノシラン）及びＮＨ₃である。図４１は、良好な交差ウェーハ速度を明らかにしている。

図４２は、本発明の一実施形態による交差流れライナを含む熱処理装置に対する「計算流体力学（ＣＦＤ）」的実証である。交差流れライナの直径は小さくされており、ウェーハキャリアに合致している。交差流れ注入システムは、ライナの出っ張り部分に収容されている。注入システムは、反応物又は他の気体を各基板の表面を横切って導入する２つの細長い注入管を有し、各注入管は、複数の注入ポートを有している。各注入管の注入ポートは、互いに向き合う方向に配置され、注入ポートを出た気体が互いに衝突し、各基板の表面を横切って流れる前に混合されるように構成されている。一例では、２つの注入管に導入された気体はそれぞれ、７５ｓｃｃｍのＢＴＢＡＳ（ビステトラブチルアミノシラン）及びＮＨ₃である。図４２は、良好な交差ウェーハ速度を明らかにしている。

本発明の特定的な実施形態及び実施例の以上の説明は、例示及び説明のために示されたものであり、本発明を先の実施例のいくつかによって説明して示したが、それによって限定されるように解釈されるものではない。これらは、網羅的ではなく、本発明を開示した正確な形態に限定するようにも意図されておらず、以上の教示に照らして本発明の範囲内の多くの修正、改良、及び変形が可能である。本発明の範囲は、本明細書に開示され、かつ特許請求の範囲及びその均等物による包括的領域を包含するものとする。

従来の上向き流れ構成を用いて本発明の実施形態による等温制御ボリュームを提供するための基台加熱器を有する熱処理装置の断面図である。 図１に示す熱処理装置に有用な底板の代替的実施形態の斜視図である。 本発明の実施形態による基台加熱器及び熱遮蔽体を有する熱処理装置の一部分の断面図である。 本発明の実施形態による図３の基台加熱器及び熱遮蔽体の概略図である。 本発明による高吸収性を有する材料の上部層と高反射性を有する材料の下部層とを有する熱遮蔽体の実施形態の概略図である。 本発明による冷却チャンネルを有する熱遮蔽体の別の実施形態の概略図である。 本発明による熱遮蔽体及びアクチュエータの実施形態の斜視図である。 本発明の実施形態による、シャッタを有する熱処理装置の一部分の断面図である。 本発明の実施形態による、基台加熱器と磁気結合ウェーハ回転システムとを有する処理チャンバの断面図である。 本発明の実施形態による、交差流れ注入器システムを有する熱処理装置の断面図である。 本発明の実施形態による、ライナに関する注入器オリフィスの位置と、ウェーハに関する排気スロットの位置と、を示す図１０の熱処理装置の一部分の断面側面図である。 本発明の実施形態による、１次及び２次注入器のオリフィスからウェーハを横切って排気ポートまで流れる気体流を示す、図１０の熱処理装置の一部分の図１０の線Ａ−Ａにおける平面図である。 本発明の別の実施形態による、１次及び２次注入器のオリフィスからウェーハを横切って排気ポートまで流れる気体流を示す、図１０の熱処理装置の一部分の図１０の線Ａ−Ａにおける平面図である。 本発明の更に別の実施形態による、１次及び２次注入器のオリフィスからウェーハを横切って排気ポートまで流れる気体流を示す、図１０の熱処理装置の一部分の図１０の線Ａ−Ａにおける平面図である。 本発明の更に別の実施形態による、１次及び２次注入器のオリフィスからウェーハを横切って排気ポートまで流れる気体流を示す、図１０の熱処理装置の一部分の図１０の線Ａ−Ａにおける平面図である。 本発明の実施形態による、変形例の上向き流注入器システムを有する熱処理装置の断面図である。 本発明の実施形態による、変形例の下向き流注入器システムを有する熱処理装置の断面図である。 ウェーハのバッチの各ウェーハが望ましい温度まで迅速かつ均一に加熱される、本発明の実施形態によるウェーハのバッチを熱処理する工程の実施形態を示す流れ図である。 ウェーハのバッチの各ウェーハが望ましい温度まで迅速かつ均一に加熱される、本発明の実施形態によるウェーハのバッチを熱処理する工程の別の実施形態を示す流れ図である。 本発明の一実施形態による交差流れライナを含む熱処理装置の断面図である。 本発明の一実施形態による長手方向出っ張り部分を示す交差流段付ライナの外面図である。 本発明の一実施形態によるライナの複数の排気スロットを示す交差流れ段付ライナの外面図である。 本発明の一実施形態による交差流れライナの側面図である。 本発明の一実施形態による交差流れライナの上面図である。 本発明の一実施形態による交差流れライナの部分上面図である。 ウェーハを横切るように流れて排気スロットから出る前にライナ内壁に衝突する、オリフィスからの気体流を示す、本発明の一実施形態による出っ張り部分を備えた交差流ライナの平面図である。 ウェーハを横切って流れて排気スロットから出る前に互いに衝突する、オリフィスからの気体流を示す、本発明の一実施形態による出っ張り部分を備えた交差流ライナの平面図である。 ウェーハの中心に差し向けられて排気スロットから出る、オリフィスからの気体流を示す、本発明の一実施形態による出っ張り部分を備えた交差流ライナの平面図である。 本発明の一実施形態による交差流ライナとライナ内壁に面する注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバの内部でウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 従来技術のライナとライナ内壁に向く注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバ内部でウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 本発明の一実施形態による、交差流れライナと、互いに対向する注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバ内部でウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 従来技術のライナと、互いに対向する注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバ内部でウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 本発明の一実施形態による交差流ライナと、ウェーハの中心に向く注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバ内部のウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 従来技術のライナと、ウェーハの中心に向く注入オリフィスを有する２つの注入管とを含むチャンバ内部でウェーハの表面を横切る気体流線を図形的に示す図である。 本発明の一実施形態によるライナ壁の複数のスロットを示す交差流ライナの側面図である。 本発明の一実施形態による熱遮蔽体を示す交差流れライナの断面図である。 本発明の一実施形態による熱遮蔽体を詳細に示す交差流れライナの断面図である。 本発明の一実施形態による交差流れライナの細長い注入管及びＴ字管を示す図である。 図３８に示すような細長い注入管を受入れるための開口を示す交差流れライナの上板の部分平面図である。 交差流れライナと、ライナ内壁に向く注入ポートを有する注入システムとを含む、本発明の一実施形態による熱処理装置に対するＣＦＤ実証図である。 交差流れライナと、互いに対向する注入ポートを有する注入システムとを含む、本発明の一実施形態による熱処理装置に対するＣＦＤ実証図である。 交差流れライナと、基板の中心に向く注入ポートを有する注入システムとを含む、本発明の一実施形態による熱処理装置に対するＣＦＤ実証図である。

Claims (13)

1. キャリア内に保持された複数の基板を熱処理するための装置であって、
   キャリアを包囲するライナを有し、
   前記ライナは、シリンダを有し、このシリンダは、各基板の表面を横切って１又は２以上の気体を導入するための注入システムを収容する長手方向出っ張り部分を有する、装置。
2. 前記ライナは、前記キャリアに適合するパターン及び寸法を有し、
   前記ライナの内径は、前記キャリアの直径の約１０４〜１１０パーセントである、請求項１に記載の装置。
3. 前記シリンダは、気体を排気するために前記シリンダの長手方向に沿って設けられた複数のスロットを有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記シリンダは、閉鎖端部及び開放端部を有し、
   前記閉鎖端部は、前記注入システムを受入れる１又は２以上の開口部を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記シリンダは、第１の部分及び第２の部分を有し、
   前記第１の部分は、前記キャリアに適合するパターン及び寸法を有し、且つ、前記キャリアの直径の約１０４〜１１０パーセントである第１の直径を有し、
   前記第２の部分は、前記キャリアのための支持体に適合するパターン及び寸法を有し、且つ、前記支持体の直径の約１１５〜１２０パーセントである直径を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記ライナは、更に、前記シリンダの前記第２の部分の周囲部の周りに配置された１又は２以上の熱遮蔽体を有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記注入システムは、１又は２以上の細長い管を有し、この細長い管は、複数の注入ポートを有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記１又は２以上の細長い管は、軸線の周りに３６０度回転可能である、請求項７に記載の装置。
9. 交差流れライナであって、
   閉鎖端部及び開放端部を有するシリンダを有し、
   前記シリンダは、注入システムを収容するための長手方向出っ張り部分を有する、交差流ライナ。
10. 前記シリンダは、前記出っ張り部分の反対側に複数の横方向スロットを有する、請求項９に記載の交差流れライナ。
11. 前記閉鎖端部は、前記注入システムを受入れるように寸法決めされた１又は２以上の開口を有する、請求項９に記載の交差流れライナ。
12. 前記１又は２以上の開口は、１又は２以上のノッチを有する、請求項１１に記載の交差流れライナ。
13. 前記シリンダは、第１の直径を有する第１の部分と、第２の直径を有する第２の部分とを有し、
    前記第１の部分は、前記出っ張り部分の反対側に複数の横方向スロットを有し、
    前記第２の部分は、その周囲部の周りに１又は２以上の熱遮蔽体を有する、請求項１２に記載の交差流れライナ。

Images