JP2511259B2

JP2511259B2 - 半導体熱処理装置のウエ−ハ冷却方法

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Publication number: JP2511259B2
Application number: JP61310203A
Authority: JP
Inventors: 憲治大槻
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1996-06-26
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JPS63166218A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、冷却媒体を半導体熱処理装置の反応管の
回りの領域に流し、反応管からのウェーハの搬出に先立
って、ウェーハを強制的に冷却する半導体熱処理装置の
ウェーハ冷却方法に関する。

〔従来技術〕

シリコンウェーハに代表される半導体基板（以下、ウ
ェーハという）の表面に、酸化、拡散、CVD等の熱処理
（化学処理も含める）を施してIC、LSI等の電気回路を
形成する装置として、半導体熱処理装置が知られてい
る。

ウェーハはウェーハボートに互いに並置して多数積載
される。ここで、半導体熱処理装置は、ウェーハボート
の搬入出される反応管と、反応管の回りに配設されて、
反応管内を所定の温度、たとえば、1000〜1200℃に加熱
するヒータと、ヒータの回りに配設されて、外部への熱
の漏出を防止する断熱体と、断熱体の回りに配設された
炉体カバーとを具備して構成されている。

半導体熱処理装置は、反応管が水平、または、垂直に
配設されることによって、横型半導体熱処理装置と、縦
型半導体熱処理装置とに分類される。そして、半導体熱
処理装置は、ウェーハボートの搬入出される開口を一端
に備え、縦型半導体熱処理装置は、上端の開口した井戸
型と、下端の開口した吊鐘型とに更に分類される。

ウェーハを積載したウェーハボートは、開口を介して
反応管内に搬入され、バリヤーと称するカバーで開口が
閉じられる。そして、ヒータによって、1000〜1200℃に
反応管内が加熱されるとともに、酸素ガス、水素ガスの
ような所定の反応ガスが反応管内に供給されて、酸化、
拡散等の熱処理がウェーハ表面に施される。所定の熱処
理後、バリヤーを移動して、開口が開放され、開口を介
して、ウェーハボートが、反応管から搬出される。

ここで、反応管内は1000〜1200℃といった高温に加熱
され、反応管内のウェーハもほぼ同一温度に加熱されて
いる。そのため、もし、ウェーハボート上の高温のウェ
ーハが反応管から直ちに搬出されて、外気に触れると、
急激な温度変化によって、ウェーハに熱ひずみが生じ
る。そして、熱ひずみに起因して、結晶欠陥、ひび割
れ、ソリ等がウェーハに生じ、歩留りを低下させる。

急激な温度変化を防止して、熱ひずみの発生を阻止す
るため、横型、縦型のいずれの半導体熱処理装置におい
ても、ウェーハボートは、熱処理後、直ちに搬出され
ず、ウェーハを700〜800℃に一旦降音してから、たとえ
ば、5cm/min.といった低い速度で、反応管から搬出され
る。このように、熱処理後のウェーハの搬出は、慎重に
行なわれる。

ところで、熱処理後、所定温度になるまで、自然冷却
にゆだねて、放置すると、冷却速度が、１〜２℃/min.
のため、1000〜1200℃から700〜800℃まで降温させるの
に、200〜250min.を要する。そのため、作業性を高める
ために、自然冷却でなく、冷却媒体を流してウェーハを
強制的に冷却する冷却方法が採用されている。この強制
冷却方法では、通常、反応管と断熱材との間の領域（こ
の領域にはヒータが介在する）に反応管の一端から、ブ
ロアーなどの吹き込み手段によって、冷却媒体、たとえ
ば、空気を供給する。供給された空気は、反応管、ヒー
タ、断熱材等に蓄積された熱を奪いつつ流れ、反応管の
他端で断熱材に設けられた流出路（放出路）から、外部
に放出される。

このような強制冷却方法によれば、1000〜1200℃から
700〜800℃までの降温に要する時間は、50〜60min.であ
り、自然冷却方法に比較して大幅に減少し、作業性が改
善される。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら、反応管と断熱材との間の領域は随所に
隙間を有し、密封性が悪い。たとえば、断熱材は、一体
物より形成されるのでなく、たとえば、厚さ6mm程度の
断熱片を９〜10層重ねて形成されるため、高い密封性は
もともと期待できない。特に、1000〜1200℃といった高
温に接すると、断熱片は５％程度収縮するため、断熱片
間の隙間が拡大し、密封性が低下する傾向にある。断熱
材は、ステンレスアルミよりなる円筒形の炉体カバーで
被覆されるが、熱膨張を考慮して、炉体カバーの端部に
は、クッションが配設されるため、この点からも、密封
性が確保できない。また、熱電対保護管、ヒータの給電
端子等が断熱材、炉体カバーを介して外方に延び、熱電
対保護管、ヒータの給電端子等等と、断熱材および炉体
カバーとの間に、隙間が必然的に残される。

ここで、反応管と断熱材との間の領域に圧縮されて吹
き込まれた低温の冷却媒体は、反応管、断熱材等に蓄積
された熱を奪って、加熱され、膨張して、加圧され、外
気よりかなり高圧となる。そのため、反応管の回りの領
域を流れる際、冷却媒体は、断熱材、炉体カバーの隙間
を介して、外部に漏出する。

半導体熱処理装置は、種々の電装品、精密部品を有し
ている。そのため、反応管の回りの領域を流れて高温化
した冷却媒体が、炉体カバーの外部に漏出すると、電装
品等を損傷させる虞れがある。また、半導体熱処理装置
は、クリーンルームに据付けられているため、漏出する
冷却媒体がクリーンルームを汚染する。

ウェーハの位置する反応管の中央部は、温度分布の均
一な領域であり、通常、フラットゾーンと称される。そ
して、均一な熱処理をウェーハ表面に施すように、熱処
理中、このフラットゾーンの温度分布は、厳重に管理さ
れ、許容範囲内に維持される。また、冷却時において
も、フラットゾーンの温度分布が許容範囲にあることが
要求される。冷却時におけるフラットゾーンの許容温度
分布として、たとえば、拡散処理においては、従来は±
10〜±20℃で足りていた。しかし、デバイスの高集積化
に伴い、最近では、±２〜±３℃という狭い許容範囲が
要求されている。

しかしながら、上記のように、冷却媒体を吹き込む強
制冷却方法では、冷却媒体が外部に漏出するため、±２
〜±３℃９というフラットゾーンの許容温度分布を確保
することはできない。

また、冷却媒体を、吹き込む代りに、吸引する強制冷
却方法も考えられる。この冷却方法では、反応管の回り
の領域を外気、または、冷却媒体リザーバに連通させる
とともに、ブロアーの吸気導管をこの領域に開口して、
ブロアーの吸引力によって、冷却媒体を反応管から強制
的に流出させることによって、冷却媒体の流れを強制的
に作り出している。しかし、反応管の回りの領域は負圧
化するため、隙間を介して、外気が流入し、冷却媒体の
流れに混入する。冷却媒体は、反応管の回りの領域を流
れるにつれて、反応管、断熱材等に蓄えられた熱を奪っ
て加熱されている。しかし、低温の外気が混入すること
によって、冷却媒体は冷却され、反応管の回りの領域内
における位置によって、冷却媒体の温度が異なり、冷却
媒体による均一な冷却が困難となる。そのため、フラッ
トゾーンの温度分布を±２〜±３℃という許容範囲内に
維持できない。

〔発明の目的〕

この発明は、冷却媒体の漏出および外気の混入を防止
して、均一な冷却を可能とした、半導体熱処理装置のウ
ェーハ冷却方法の提供を目的としている。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、この発明によれば、吹き込
み手段によって、冷却媒体を反応管の一端から反応管の
回りの領域に強制的に流入させるとともに、排気手段に
よって、反応管の他端から強制的に流出させている。こ
のような方法では、冷却媒体の圧力上昇が抑制され、冷
却媒体の圧力と外気圧との差を小さくできるため、冷却
媒体の漏出が防止されるとともに、外気の混入も防止さ
れ、冷却媒体による均一な冷却が可能となる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながらこの発明の実施例について
詳細に説明する。

縦型半導体熱処理装置10に即してこの発明に係るウェ
ーハ冷却方法を説明する。半導体熱処理装置10は、石英
のような耐熱材より形成された反応管12を具備し、反応
管は、垂直に配設され、その上端が開口している。そし
て、反応ガスを導入するための反応ガス導入部13が、反
応管12の下端に形成されている。たとえば、ヒートコイ
ルよりなるヒータ14が反応管12の回りに配設され、ヒー
タは、通電されることによって、反応管を回りから加熱
し、反応管内を、たとえば、1000〜1200℃といった所定
温度に加熱する。また、酸化アルミ、酸化シリコン等よ
り成る断熱材16が、外部への熱放出を防止するように、
ヒータ14の回りに配設され、更に、たとえば、ステンレ
スまたはアルミニウムより成る円筒形の炉体カバー18
が、断熱材16の回りに配設されている。炉体カバー18
は、上下に端板19、20を持ち、上方の端板19上に、クッ
ション22を介して、反応管12が支持される。反応管12を
均一に加熱するように、均熱管を反応管、ヒータ14間に
配設してもよい。

半導体熱処理装置10は、熱処理後のウェーハを冷却す
るための冷却手段24を更に具備し、この冷却手段は、ヒ
ータ14の介在する反応管12、断熱材16間の領域26に冷却
媒体を送るように構成される。冷却媒体として、通常、
空気、たとえば、クリーンルーム内の空気が利用される
が、窒素ガス等の不活性ガスを利用してもよい。冷却手
段24は、一対の導管28、29を備え、これらの導管は、反
応管12のほぼ全長にかけて冷却媒体が流れるように、反
応管の上端および他端で、領域26にそれぞれ開口して設
けられている。

実施例では、導管28、29は連結されて循環した流路30
を構成し、冷却媒体吹き込み手段（送風手段）、たとえ
ば、ブロアー32が、循環路30に配設されている。このよ
うに、循環路28にブロアー32を配設した構成では、ブロ
アーは、吹き込み機能（送風機能）だけでなく、吸引機
能も兼ね備える。そのため、吹き込み手段、吸引手段が
一体化でき、吸引手段を別途設ける必要がなく、冷却手
段24の構成が簡潔化される利点がある。そして、領域26
内で下方から上方に冷却媒体が流れるように、ブロアー
32の上方で循環路30に、放熱手段、たとえば、ラジエー
タ34が配設されている。

上記構成において、ウェーハは、ウェーボートに積載
されて反応管12に搬入される。そして、ヒータ14に通電
して、反応管12の内部を、所定温度、たとえば、1000〜
1200℃に加熱する。反応管内の温度は、熱電対で検出さ
れ、所定温度が維持されるように、ヒータ14の電流値が
調整される。また、所定の反応ガスが、反応管下端の反
応ガス導入部13から反応管内に導入され、酸化、拡散等
によって、ウェーハ表面に所定の熱処理が施こされる。
なお、反応ガスは反応管内を上昇し、図示しない排気管
を経て、反応管12から流出される。

冷却手段24は、熱処理中においては、当然に作動され
ない。そして、熱処理が終了し、ヒータ14の通電が断た
れた後、冷却手段24が始動する。つまり、たとえばヒー
タ14の通電を断った後、ブロアーのモータ36に通電さ
れ、ブロアー32が起動される。すると、冷却媒体は、適
当な流量、たとえば、400〜1000lite/minで、導管28を
経て、領域26に流入し、反応管12、ヒータ14、断熱材1
6、均熱管、スペーサ（いずれも図示しない）等に蓄え
られた熱を奪って、領域26内を上昇する。そして、冷却
媒体の流れによって、反応管内のウェーハは徐々に冷却
される。反応管等の熱を奪うことによって、冷却媒体
は、反応管等ほぼ同一の温度（雰囲気温度）まで加熱さ
れる。しかし、領域26から導管29を経て、流出した冷却
媒体は、フィルター33で濾過された後、ラジエータ34で
50℃程度まで冷却され、ブロアー32によって、導管28を
経て、領域26内に繰り返し吹き込まれる。

上記のように、この発明によれば、冷却媒体が、反応
管12の一端から吹き込まれるとともに、反応サイドで吸
引される。このような冷却方法において、低温の冷却媒
体は、圧縮されて強制的に流入され、領域26を流れる
際、反応管12、断熱材16等に蓄積された熱を奪って、雰
囲気温度まで加熱され、膨張して、その圧力が上昇す
る。しかし、反対サイドから吸引されて、強制的に流出
するため、冷却媒体の圧力は、さほど上昇せず、外気と
圧力差を小さく維持したまま、冷却媒体は領域26を流れ
る。そのため、圧力バランスがほぼ維持され、断熱材1
6、炉体カバー18等の隙間によって、領域26の密封性が
損なわれていても、冷却媒体の漏出が防止される。

このように、雰囲気温度に加熱された高温の冷却媒体
の漏出が防止され、熱気モレがないため、電装品、精密
部品等の破損が防止される。また、断熱材16は、２〜３
μｍの繊維質から成る断熱片から形成されるため、冷却
媒体が領域26を流れる際、微細な繊維質が冷却媒体に混
入する。しかし、このような塵芥を含む冷却媒体が漏出
しないため、クリーンルームの汚染が防止される。

また、圧力バランスがほぼ維持されるため、負圧も生
じず、冷却媒体の混入もない。このように、冷却媒体の
漏出、外気の混入が防止されるため、冷却媒体は均一な
状態で領域26を流れ、均一な冷却が可能となる。そし
て、実験によれば、この発明の冷却方法では５〜10℃/m
in.といった高い冷却速度の下でも、フラットゾーンの
温度分布を±２℃に維持できることが判明した。

また、実施例に示すように、冷却媒体の流路30を循環
路として、閉回路化すれば、冷却媒体が繰り返し利用で
きるため、冷却媒体として、窒素ガスのような不活性ガ
スが利用できる。ここで、石英より成る反応管12は、周
壁に微細な孔を持ち、この孔を介して、冷却媒体が反応
管内に流入して、反応管内を汚染するとともに、熱処理
直後のウェーハを汚染する虞れがある。しかし、不活性
ガスを冷却媒体として利用できれば、冷却媒体による反
応管内の汚染が十分に防止される。

また、流路30を循環路とすれば、高温の冷却媒体を半
導体熱処理装置10の外部に放出することなく、冷却して
再利用できる。そして、半導体熱処理装置10の外部に高
温の冷却媒体を放出しないため、冷却媒体の処分に窮す
ることがない。

上述した実施例は、この発明を説明するためのもので
あり、この発明を何等限定するものでなく、この発明の
技術範囲内で変形、改造等の施されたものも全てこの発
明に包含されることはいうまでもない。

たとえば、実施例では、冷却媒体は、反応管の下端か
ら領域26に吹き込まれ、上端から吸引されているが、上
端から吹き込み、下端から吸引してもよい。

また、縦型半導体熱処理装置に即して、この発明を説
明したが、横側半導体熱処理装置にも、この発明が応用
できることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

上記のように、この発明によれば、冷却媒体を反応管
の一端から強制的に流入させるとともに、反応管の他端
から強制的に流出させている。このような方法では、冷
却媒体の圧力上昇が抑制され、冷却媒体の圧力と外気圧
との差を小さくできるため、圧力のアンバランスによる
冷却媒体の漏出が防止される。そのため、高温の冷却媒
体の漏出に起因する熱気モレがなく、電装品、精密部品
等の破損が防止される。また、断熱材の微細片等の混入
した冷却媒体が漏出しないため、クリーンルームが汚染
されない。

そして、圧力バランスが維持され、反応管の回りの領
域に負圧が生じないため、外気が、この領域に混入する
こともない。このように、冷却媒体の漏出も、外気の混
入もなく、冷却媒体が流れるため、均一な冷却が可能と
なり、実験によれば、５〜10℃/min.といった高い冷却
速度の下でも、反応管のフラットゾーンの温度分布を±
２℃に維持できた。

また、冷却媒体のための流入路、流出路を連結して流
路を循環路とすれば、冷却媒体として不活性ガスが利用
できるとともに、吹き込み手段、吸引手段が一体化でき
る利点がある。また、高温の冷却媒体の処分に窮するこ
とがない。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の方法を実施する縦型半導体熱処理装
置の概略縦断面図である。 10:縦型半導体熱処理装置、12:反応管、14:ヒータ、16:
断熱材、18:炉体カバー、24:冷却手段、26:冷却媒体の
流れる領域、28:導管（流入路）、29:導管（流出路）、
30:流路（循環路）、32:ブロアー（吹き込み手段兼吸引
手段）、33:フィルター、34:ラジエータ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高温化された反応管内にウェーハを搬入し
て、所定の熱処理を施した後、ウェーハの搬出前に、冷
却媒体を反応管の回りの領域に流して、ウェーハを強制
的に冷却する半導体熱処理装置のウェーハ冷却方法にお
いて、吹き込み手段によって、冷却媒体を反応管の一端
から反応管の回りの領域に強制的に流入させるととも
に、吸引手段によって、反応管の他端から強制的に流出
させて、冷却媒体の圧力と外気圧との差を小さくした状
態で、冷却媒体を反応管の回りの領域に流す半導体熱処
理装置のウェーハ冷却方法。
【請求項２】冷却媒体のための流入路、流出路を連結し
て循環路を構成し、この循環路を経由して、冷却媒体を
反応管の回りの領域に流す特許請求の範囲第１項記載の
半導体熱処理装置のウェーハ冷却方法。
【請求項３】吹き込み手段、吸引手段を兼務する手段に
よって、冷却媒体を反応管の回りの領域に流す特許請求
の範囲第２項記載の半導体熱処理装置のウェーハ冷却方
法。