JP2012028544A

JP2012028544A - 基板加熱炉

Info

Publication number: JP2012028544A
Application number: JP2010165500A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Suzuki; 康正鈴木; Saburo Shimizu; 三郎清水; Kazuo Tezuka; 和男手塚
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012011397A1; TW201221886A

Abstract

【課題】炉心管を冷却しながら、同時に複数枚の基板を加熱できる基板加熱炉を提供する。
【解決手段】
炉心管１１を赤外線を透過するセラミックスで形成し、炉心管１１の内周側面と対面する向きに向けられて基板保持部１３に保持された基板１２に、炉心管１１とリフレクタ１４との間に配置されたランプ加熱ヒーター１５から赤外線を照射して加熱する。リフレクタ１４は炉心管１１の外周側面と離間した位置に、炉心管１１の外周側面を取り囲んで配置され、炉心管１１とリフレクタ１４との間の流路１９に送風部１７により空気等の赤外線を透過する流体が吹き流されて、炉心管１１が冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板加熱炉に関する。

現在、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタは動作時の電力損失が少なく、動作温度の上限が高いという特徴があり、パワー半導体として注目されている。ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのゲート酸化層の形成には、基板加熱炉が用いられている。
図４は従来の第一例の基板加熱炉１１０の内部構成図を示している。
第一例の基板加熱炉１１０は、炉心管１１１と、多段の平板サセプタ１１３と、抵抗加熱ヒーター１１５とを有している。
平板サセプタ１１３は炉心管１１１内に配置され、複数枚の基板１１２を水平に重ねて保持できるように構成されている。
抵抗加熱ヒーター１１５は炉心管１１１の外側に配置され、炉心管１１１を加熱できるように構成されている。炉心管１１１が加熱されると、炉心管１１１内の複数の基板１１２が同時に加熱されるようになっている。基板１１２を加熱するためにはまず炉心管１１１を加熱する必要があり、第一例の基板加熱炉１１０はホットウォール型と呼ばれている。
ホットウォール型の基板加熱炉１１０では、特に基板１１２に窒化層を形成する場合には、化学構造中に窒素を含有する反応ガスを炉心管１１１内に導入すると、反応ガスの一部は炉心管１１１の壁面で熱により分解されてしまうため基板１１２の窒化には使われず、すなわち基板１１２を効率的に窒化できないという課題があった。また、基板１１２は直接加熱されないため、後述のランプ加熱に比べて、基板１１２の昇温速度が遅いという問題があった。

図５は従来の第二例の基板加熱炉２１０の内部構成図を示している。
第二例の基板加熱炉２１０は、炉心管２１１と、平板サセプタ２１３と、ランプ加熱ヒーター２１５と、冷却装置２１６とを有している。
平板サセプタ２１３は炉心管２１１内に配置され、一枚の基板２１２を水平に保持できるように構成されている。
ランプ加熱ヒーター２１５は炉心管２１１の上方に配置され、基板２１２の表面に赤外線を照射して加熱できるように構成されている。冷却装置２１６は炉心管２１１の壁面の外周に取り付けられ、炉心管２１１を冷却できるように構成されている。基板２１２を加熱するために炉心管２１１を加熱する必要はなく、第二例の基板加熱炉２１０はコールドウォール型と呼ばれている。炉心管２１１内に導入された反応ガスは、壁面で分解されずに基板２１２表面に到達し、基板２１２との反応に効率的に使用される。
しかしながら、第二例の基板加熱炉２１０では一回のプロセスで加熱できる基板２１２は一枚であり、量産性に劣るという課題があった。量産性を上げるために、仮に第一例のように多段の平板サセプタに複数枚の基板を重ねて保持させると、下方の基板が上方の基板の陰に入って、下方の基板に赤外線が照射されない部分が生じるため、各基板を均等に加熱できないという問題があった。

特開２００８−２８３１４３号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、炉心管を冷却しながら、同時に複数枚の基板を加熱できる基板加熱炉を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、赤外線を透過するセラミックスで筒状に形成された炉心管と、前記炉心管の内側に配置され、基板を前記炉心管の内周側面と対面する向きに向けて保持する基板保持部と、前記炉心管の外側に配置され、前記炉心管の外周側面と対面する面は赤外線を反射できるように構成されたリフレクタと、前記炉心管と前記リフレクタとの間に配置されたランプ加熱ヒーターと、前記炉心管の外周側面と離間した位置に、前記炉心管の外周側面を取り囲んで配置された筒状の流路形成筒と、前記炉心管と前記流路形成筒との間の空間に、赤外線を透過する流体を吹き流す送風部と、前記炉心管の内側に前記基板と反応する反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を有する基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記流路形成筒は前記リフレクタで構成された基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記基板保持部は、前記基板を前記炉心管の周方向に沿って複数個保持できるように構成された基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記基板保持部は、前記炉心管の中心軸線に沿って複数個配置された基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記基板保持部を前記炉心管の中心軸線の周りに回転させる回転装置を有する基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記ランプ加熱ヒーターは、前記基板保持部に保持された前記基板を１４００℃以上に加熱できるように構成され、前記基板保持部は、炭化ケイ素と、炭化ケイ素で表面を被膜されたグラファイトと、アルミナとからなる群のうちいずれか一種類の材質で形成された基板加熱炉である。
本発明は基板加熱炉であって、前記炉心管の材質は石英である基板加熱炉である。

同時に複数枚の基板を加熱できるので、基板の量産性を向上できる。
炉心管を冷却できるので、反応ガスが炉心管の壁面で分解されることはなく、反応ガスと基板を効率的に反応させることができる。
基板を１４００℃以上の高温に加熱できるので、ＳｉＣ基板上のゲート酸化膜の形成に使用できる。

本発明の基板加熱炉の内部構成図本発明の基板加熱炉のＡ−Ａ線切断断面図一の枝部と一の板部との側面を示した模式図従来の基板加熱炉の第一例の内部構成図従来の基板加熱炉の第二例の内部構成図

＜基板加熱炉の構造＞
本発明の基板加熱炉の構造を説明する。
図１は基板加熱炉１０の内部構成図、図２は同Ａ−Ａ線切断断面図を示している。
基板加熱炉１０は、赤外線を透過するセラミックスで筒状に形成された炉心管１１と、炉心管１１の内側に配置され、基板１２を炉心管１１の内周側面と対面する向きに向けて保持する基板保持部１３と、炉心管１１の外側に配置され、炉心管１１の外周側面と対面する面は赤外線を反射できるように構成されたリフレクタ１４と、炉心管１１とリフレクタ１４との間に配置されたランプ加熱ヒーター１５と、炉心管１１の外周側面と離間した位置に、炉心管１１の外周側面を取り囲んで配置された筒状の流路形成筒と、炉心管１１と流路形成筒との間の空間に、赤外線を透過する流体を吹き流す送風部１７と、炉心管１１の内側に基板１２と反応する反応ガスを供給する反応ガス供給部１８とを有している。
炉心管１１の内側には炉心管１１の中心軸線上に回転軸２２が配置されている。

図２を参照し、基板保持部１３はここでは棒状の枝部２３と板状の板部２４とをそれぞれ複数個ずつ有している。
各枝部２３は、回転軸２２の長手方向に沿った同じ位置に、回転軸２２と直角に向けられて放射状に固定されている。
各板部２４は、表面を炉心管１１の内周側面と対面するように向けられて、それぞれ異なる枝部２３の先端に取り付けられている。

図３は一の枝部２３と一の板部２４との側面を示した模式図である。
ここでは炉心管１１の中心軸線は鉛直方向と平行に向けられている。板部２４は表面が斜め上方を向くように鉛直方向に対して傾けられた状態で枝部２３の先端に固定され、板部２４の下端には表面から突出した凸部が設けられている。
板部２４の表面に基板１２を載せると、基板１２の縁が凸部の側面と接触して、基板１２は板部２４の表面から滑り落ちないように支えられ、保持されるようになっている。
従って、図２を参照し、基板保持部１３は、基板１２を炉心管１１の周方向に沿って複数個保持できるように構成されている。

図１を参照し、ここでは基板保持部１３は、炉心管１１の中心軸線に沿って複数個配置されている。
ランプ加熱ヒーター１５はここでは棒状であり、長手方向を炉心管１１の中心軸線と平行に向けられて、炉心管１１の周方向に沿って複数個並んで配置されている。
炉心管１１の中心軸線に沿って並んだ基板保持部１３の列を基板保持部列と呼ぶと、ランプ加熱ヒーター１５の長手方向の長さは、ここでは基板保持部列の長さと同じかそれよりも長く形成されており、各基板保持部１３はそれぞれランプ加熱ヒーター１５と対面できるようになっている。
各基板保持部１３がそれぞれランプ加熱ヒーター１５と対面できるならば、本発明のランプ加熱ヒーター１５は、長手方向の長さが基板保持部列の長さと同じかそれよりも長いものに限定されず、長手方向の長さが基板保持部列の長さよりも短く形成され、炉心管１１の中心軸線に沿って複数本並んで配置されて、各基板保持部１３がそれぞれランプ加熱ヒーター１５と対面できるようになっていてもよい。

ランプ加熱ヒーター１５から赤外線を放射させると、放射された赤外線の一部は炉心管１１に直接入射し、残りの赤外線はリフレクタ１４に入射して反射された後、炉心管１１に入射する。
炉心管１１の材質はここでは石英であり、入射する赤外線は炉心管１１の壁面を透過するようになっている。
炉心管１１の壁面を透過した赤外線は、基板保持部１３に保持された基板１２の表面と、基板保持部１３とに入射し、基板１２の表面と基板保持部１３とを加熱する。赤外線により基板１２の表面を直接加熱するので、抵抗加熱や高周波加熱（ＲＦ）に比べて、短時間で基板１２の表面を昇温できる。
ここではランプ加熱ヒーター１５は、基板１２の表面を１４００℃以上に加熱できるように構成され、基板保持部１３は、炭化ケイ素と、炭化ケイ素で表面を被膜されたグラファイトと、アルミナとからなる群のうちいずれか一種類の材質で形成されている。従って、基板保持部１３は１４００℃以上に加熱されても溶解しないようになっている。

ここではリフレクタ１４は炉心管１１の外周側面を取り囲んで配置され、流路形成筒はリフレクタ１４で構成されている。
流路形成筒であるリフレクタ１４と、炉心管１１の外周側面との間に形成される空間を流路１９と呼ぶと、送風部１７はここでは流路１９の下端に配置され、流路１９内の空気を下端から流路１９の外側に排出するように構成されている。
送風部１７により流路１９内の空気を排出させると、流路１９の上端から内側に空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気は流路１９内を上端から下端まで炉心管１１の中心軸線と平行に流れて、流路１９の下端から排出されるようになっている。

流路１９内に流される空気は炉心管１１の外周側面と接触して、炉心管１１は冷却されるようになっている。
流路１９内に流される空気は乾燥空気が好ましい。空気中に水分子が含まれると、赤外線が水分子に吸収されるからである。
本発明は、流路１９内に流される流体は、赤外線を透過するものであれば空気に限定されず、他のガスや液体でもよいが、空気であればコストが安いため好ましい。

反応ガス供給部１８は炉心管１１に接続され、炉心管１１の内側に基板１２表面と反応する反応ガスを放出できるように構成されている。ここでは基板１２の材質はＳｉＣであり、反応ガス供給部１８はＯ₂ガス、Ｎ₂Ｏガス、ＮＯガス、ＮＯ₂ガスのうちいずれか一種類のガス又は二種類以上の混合ガスを反応ガスとして放出できるようにされている。
炉心管１１の一端には筒状の接続管４５の一端が気密に接続され、接続管４５の他端には第一の真空ゲートバルブ４２を介して搬入出室４１が気密に接続されている。
接続管４５には第一の真空排気装置１６が接続され、搬入出室４１には第二の真空排気装置４４が接続されている。第一の真空ゲートバルブ４２を閉じると、炉心管１１の内部空間は搬入出室４１の内部空間から遮断されるようになっており、第一の真空排気装置１６は、炉心管１１内を真空排気できるように構成され、第二の真空排気装置４４は搬入出室４１内を真空排気できるように構成されている。

回転軸２２は接続管４５の内側と搬入出室４１の内側とを通って延ばされ、搬入出室４１の壁面を気密に貫通して、搬入出室４１の外側に配置された移動回転装置２１に接続されている。
移動回転装置２１は回転軸２２を炉心管１１の中心軸線の周りに回転できるように構成され、かつ回転軸２２を炉心管１１の中心軸線と平行に移動できるように構成されている。移動回転装置２１により回転軸２２を回転させると、基板保持部１３は炉心管１１の中心軸線の周りに回転するようになっている。また移動回転装置２１により回転軸２２を炉心管１１の中心軸線に沿って移動させると、基板保持部１３は炉心管１１と搬入出室４１との間を往復移動できるようになっている。
搬入出室４１の壁面には第二の真空ゲートバルブ４３が取り付けられている。基板保持部１３を搬入出室４１内に移動させた状態で、第二の真空ゲートバルブ４３を開くと、基板保持部１３は第二の真空ゲートバルブ４３の開口から露出されるようになっている。

上記説明では流路形成筒はリフレクタ１４で構成されていたが、本発明の流路形成筒はこの構成に限定されず、炉心管１１の外周側面とランプ加熱ヒーター１５との間に、赤外線を透過する材料で形成されたリフレクタ１４とは別の流路形成筒が配置され、炉心管１１と当該流路形成筒との間に流路１９が形成されるように構成してもよい。この場合には、ランプ加熱ヒーター１５は流路１９に露出されないので、流路１９を流れる空気によりランプ加熱ヒーター１５が冷却されて、ランプ加熱ヒーター１５の上流側と下流側との間で温度差が生じることはなく、長手方向に亘って一様な光量で赤外線を放出させることができる。

上記説明では、基板保持部１３は炉心管１１の中心軸線の周りに回転されるように構成されていたが、基板保持部１３に保持された基板１２が炉心管１１の周方向に並んだ各ランプ加熱ヒーター１５と均等に対面できるならば、本発明はこれに限定されず、各ランプ加熱ヒーター１５が炉心管１１の中心軸線の周りに回転されるように構成してもよい。

上記説明では、炉心管１１の中心軸線は鉛直方向と平行に向けられていたが、炉心管１１の中心軸線が水平方向と平行に向けられた構成も本発明に含まれる。
なお、図２を参照し、ここではリフレクタ１４は内周の直径が炉心管１１の外周の直径よりも大きい円筒形状であり、中心軸線に沿った一の平面により二つの半円筒部１４ａ、１４ｂに分割できるように構成されている。リフレクタ１４を二つの半円筒部１４ａ、１４ｂに分割すると、炉心管１１はリフレクタ１４の内側から取り出され、炉心管１１のメンテナンスができるようになっている。

＜基板加熱炉を用いた基板処理方法＞
本発明の基板加熱炉１０を用いた基板処理方法を、ＳｉＣ基板にゲート酸化層を形成する方法を例に説明する。
基板保持部１３を搬入出室４１内に移動させて静止させておく。
第一の真空ゲートバルブ４２を閉じて、第一の真空排気装置１６により炉心管１１内を真空排気する。以後、第一の真空排気装置１６による真空排気を継続して炉心管１１内の真空雰囲気を維持する。
第二の真空ゲートバルブ４３を開いて、第二の真空ゲートバルブ４３の開口から露出された基板保持部１３の表面に基板１２を載置する。基板保持部１３を回転軸２２の周りに回転させながら、基板１２を各基板保持部１３にそれぞれ複数枚ずつ載置する。基板１２はここではＳｉＣ基板を使用する。

第二の真空ゲートバルブ４３を閉じて、第二の真空排気装置４４により搬入出室４１内を真空排気する。以後、第二の真空排気装置４４による真空排気を継続して搬入出室４１内の真空雰囲気を維持する。
第一の真空ゲートバルブ４２を開いて、基板保持部１３を炉心管１１内に移動させた後、第一の真空ゲートバルブ４２を閉じる。
送風部１７により流路１９内に空気を流して、炉心管１１を冷却する。以後、送風部１７による炉心管１１の冷却を継続する。
ランプ加熱ヒーター１５から赤外線を放射させる。放射された赤外線は炉心管１１の壁面を透過して、基板保持部１３に保持された基板１２の表面と、基板保持部１３とに照射される。基板保持部１３を回転軸２２の周りに回転させると、各基板１２の表面に均等に赤外線が照射される。
基板１２と基板保持部１３とはここでは１４００℃以上に加熱される。

反応ガス供給部１８から炉心管１１内に反応ガスを供給する。反応ガスにはここではＯ₂ガス、Ｎ₂Ｏガス、ＮＯガス、ＮＯ₂ガスのうちいずれか一種類のガス又は二種類以上の混合ガスを使用する。
炉心管１１内に供給された反応ガスは加熱された基板１２の表面に到達すると、反応して、基板１２の表面にゲート酸化層が形成される。
炉心管１１は流路１９を流れる空気により冷却されているので、反応ガスが炉心管１１の壁面で熱分解されて失われることはない。

基板１２の表面を所定の時間反応ガスと反応させた後、ランプ加熱ヒーター１５からの赤外線の放射を停止し、反応ガス供給部１８からの反応ガスの供給を停止する。移動回転装置２１による基板保持部１３の回転を停止する。
第一の真空排気装置１６により炉心管１１内を真空排気した後、第一の真空ゲートバルブ４２を開いて、基板保持部１３を搬入出室４１内に移動させ、第一の真空ゲートバルブ４２を閉じる。
第二の真空ゲートバルブ４３を開いて、基板保持部１３から基板１２を取り外し、搬入出室４１の外側に搬出して次工程に回す。
次いで、未処理の基板１２を基板保持部１３に載置して、上記工程を繰り返す。

上記説明では炉心管の材質に石英を使用したが、本発明の炉心管の材質にはＳｉＣを使用することもできる。ＳｉＣ炉心管の場合には、ランプ加熱ヒーター１５から赤外線を放射させると、まずＳｉＣ炉心管が加熱され、加熱されたＳｉＣ炉心管からの輻射熱により各基板１２が加熱される。

１０……基板加熱炉
１１……炉心管
１２……基板
１３……基板保持部
１４……リフレクタ
１５……ランプ加熱ヒーター
１７……送風部
１８……反応ガス供給部

Claims

赤外線を透過するセラミックスで筒状に形成された炉心管と、
前記炉心管の内側に配置され、基板を前記炉心管の内周側面と対面する向きに向けて保持する基板保持部と、
前記炉心管の外側に配置され、前記炉心管の外周側面と対面する面は赤外線を反射できるように構成されたリフレクタと、
前記炉心管と前記リフレクタとの間に配置されたランプ加熱ヒーターと、
前記炉心管の外周側面と離間した位置に、前記炉心管の外周側面を取り囲んで配置された筒状の流路形成筒と、
前記炉心管と前記流路形成筒との間の空間に、赤外線を透過する流体を吹き流す送風部と、
前記炉心管の内側に前記基板と反応する反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を有する基板加熱炉。
前記流路形成筒は前記リフレクタで構成された請求項１記載の基板加熱炉。
前記基板保持部は、前記基板を前記炉心管の周方向に沿って複数個保持できるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の基板加熱炉。
前記基板保持部は、前記炉心管の中心軸線に沿って複数個配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の基板加熱炉。
前記基板保持部を前記炉心管の中心軸線の周りに回転させる回転装置を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の基板加熱炉。
前記ランプ加熱ヒーターは、前記基板保持部に保持された前記基板を１４００℃以上に加熱できるように構成され、
前記基板保持部は、炭化ケイ素と、炭化ケイ素で表面を被膜されたグラファイトと、アルミナとからなる群のうちいずれか一種類の材質で形成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の基板加熱炉。
前記炉心管の材質は石英である請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の基板加熱炉。