JP2728488B2 - 半導体ウエハの熱処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は拡散装置、気相薄膜形成装置（CVD装置）な
どに用いられる半導体ウエハの熱処理装置に係り、特に
２枚の半導体ウエハを同時に均一に短時間熱処理するの
に好適な半導体ウエハの熱処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体ウエハの熱処理装置は、特開昭60−1717
23号公報に記載されたように、縦形の円筒形状高温炉の
下方を解放し、この下方から水平に支持したウエハを１
枚ごとに高温炉内に挿入し、ウエハを加熱する構造とな
つていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記の従来技術は、半導体ウエハ２枚を
同時に短時間均一加熱する点については配慮がされてお
らず、１枚ごとの加熱では生産性が悪いという問題があ
つた。またウエハを２枚積層して同時に加熱した場合に
は、ウエハごとの温度差及びウエハ面内の温度差が非常
に大きくなるという問題があつた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、２枚
の半導体ウエハと同時にかつ均一に加熱することがで
き、熱応力欠陥が発生しない半導体ウエハの熱処理装置
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、高温炉内部に設
けたヒータによつて炉内に加熱空間を形成し、該加熱空
間の半導体ウエハを収納して熱処理する半導体ウエハの
熱処理装置において、２枚の前記半導体ウエハをほぼ平
行に支持して前記加熱空間に挿入及び取出しを行なう支
持手段と、それぞれの半導体ウエハが前記加熱空間に収
納された際これらの半導体ウエハ間を仕切る仕切手段を
設けたものである。

〔作用〕

上記の構成によると、低温の半導体ウエハが高温の加
熱空間に収納されたときに、高温の仕切板が２枚のウエ
ハ間に入り込むため、仕切板が熱源となつてウエハの対
向面を加熱する。また各ウエハの外側の面は高温炉の内
壁から加熱されるため、２枚のウエハとも同時に両面加
熱により温度が上昇し、過渡時にウエハ面内に生じる温
度分布差を小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明に係る半導体ウエハの熱処理装置の実施
例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第５図に本発明の第１の実施例を示す。高
温炉１は第３図に示すように直方体状となつており、こ
の高温炉１内には左右１対の平板状ヒータ２が対向して
平行に設けられている。これらのヒータ２はそれぞれ５
つの発熱区域2a,2b,2c,2d,2e、及び2f,2g,2h,2i,2jに分
割されており、これらのヒータ２はカンタル製抵抗発熱
体をつづら折り状にしたもので形成されている。これら
のヒータ２の外周には第１図及び第２図に示すように断
熱材３が設けられており、内側にはシリコンカーバイト
などで形成された均熱管４と、石英ガラスなどで形成さ
れた反応管５とが設けられている。そしてこれらの断熱
材3,均熱管４及び反応管５は、それぞれステンレス鋼な
どで形成されたフランジ６を介して架台35に支持され
て、高温炉１を構成している。

前記反応管５内には２枚の半導体ウエハ８を支持する
ウエハ挿入治具７が、高温炉１の下方からほぼ鉛直の状
態で挿入される。このとき、２枚のウエハ８の間に入り
込むように矩形状の仕切板９が設けられており、この仕
切板９は反応管５に固定されている。また挿入治具７の
下端は上下搬送台10に取り付けられており、この上下搬
送台10によつて上下移動される。反応管５と均熱管４と
の間で挿入されたウエハ２の中心に対向する位置には、
プリズム11が設けられており、ウエハ８からの放射熱が
このプリズム11によつて下方に曲げられ、さらに高温炉
１の下部に設けられたミラー12によつて反射され、放射
温度計13に入射するようになつている。そしてこの放射
温度計13によつて測定されたウエハ８の温度の信号は、
熱処理温度コントローラ26に伝達される。

反応管５のウエハ８が挿入される内周には第４図に示
すように仕切板９が固定されており、左右の両側面には
ガス供給管14が設けられている。そして、図示せぬ外部
給気管に接続されている流入口部15から流入される窒
素，アルゴン，酸素，水蒸気などの処理ガスが、ガス供
給管14内を上昇する間に予熱され、反応管５の上部に供
給される構造となつている。また、これら左右のガス供
給管14の流路長さは等しくなるように形成されている。
反応管５の内部では高温に予熱されて供給された処理ガ
スが下方に流れ、反応管５の下端から大気中に放出され
る。なお図中符号16は、反応管５をフランジ５に固定す
るための爪である。

第５図に上述したように構成された高温炉１が設けら
れた拡散装置を示す。図に示すように、高温炉１の下部
には未加熱ウエハを収納した第１のカセツト17と、この
第１のカセツトから２枚のウエハ８を取り出して上方へ
移動させる取出治具18と、この取出治具18からウエハ８
を受け取つて高温炉１に近接させ、ウエハ挿入治具７に
引き渡すロード治具19とが設けられている。同様に加熱
済ウエハ８をウエハ挿入治具７から受け取つて冷却ボー
ド22に供給するアンロード治具20と、この冷却ボード22
から加熱済ウエハ８を第２のカセツト23に移載する収納
治具21とが設けられている。また高温炉１の近くには各
部の作動を制御する制御部24が設けられている。

また、第３図に示すようにヒータ２は10ケ所の発熱区
域2a乃至2jに分かれているが、これらの発熱量は４つの
ゾーンに分かれて制御される。すなわち、ヒータ2b,2g
は中央ゾーン，ヒータ2a,2fは上方ゾーン、ヒータ2c,2h
は下方ゾーン、ヒータ2d,2e,2i,2jは側方ゾーンとなつ
ている。

次に、上記のように構成された拡散装置を用いて、ウ
エハ８の熱処理を行なう場合の動作を説明する。まず、
作業者は熱処理条件、例えば温度1000℃、加熱時間３
分、処理ガス窒素を制御部24に入力する。制御部24の中
にある主コントーラ25から熱処理温度コントローラ26に
上記条件の信号が伝わり、この熱処理温度コントローラ
26から前述したヒータ２の各ゾーンごとに設けられたヒ
ータ温度調節器27a乃至27dにヒータ設定温度が与えられ
る。このとき、中央ゾーンのヒータ温度調節器27bには
高温炉内部温度が熱処理温度になるような設定温度が与
えられる。また、下方ゾーンのヒータ温度調節器27cに
は、高温炉１の下方挿入口からの放熱や挿入治具７の影
響を打ち消すため、中央ゾーンの設定温度よりも高い温
度が設定される。また、上方ゾーン及び側方ゾーンの設
定温度はウエハ８面内が均一温度となるような設定温度
が与えられる。さらに、各ゾーンのヒータ温度調節器27
a乃至27dは、各ゾーンに設けられたヒータ温度センサ28
a乃至28dの指示温度がそれぞれ設定温度に近づくよう
に、ヒータ電源29a乃至29dを制御する。なお、第１図で
は側方ゾーン用のヒータ温度調節器27d,温度センサ28d,
ヒータ電源29dの図示を省略してある。

次に作業者はウエハ８を入れた第１のカセツト17と空
のカセツト23とを装置にセツトし、制御部24に熱処理開
始の信号を入力する。すると制御部24内に設けられたコ
ントローラ25から搬送系に信号が伝わり、取出治具18が
第１のカセツト17から２枚のウエハ８を取り出してロー
ド治具19に運ぶ。次に挿入治具７が下方に移動し、ロー
ド治具19が横方向に移動して２枚のウエハ８を挿入治具
７に乗せる。そして挿入治具７は上方に移動して第１図
に示すように高温炉１の内部に収納する。このとき２枚
のウエハ８間に仕切板９が挿入される。このウエハ８を
高温炉１内で所定時間加熱した後、挿入治具７が下方に
移動し、アンロード治具によつてウエハ８を取り外し、
収納治具21によつて冷却ボード22に運ぶ。この冷却ボー
ド22上で十分冷却されたウエハ８は、収納治具21によつ
て第２のカセツト23に収納される。そして上記各動作は
連続して繰り返される。このときの挿入治具７の上昇及
び下降の移動速度は、ウエハ８面内に温度分布が発生す
ることを阻止するため、例えば150mm/秒以上の高速とす
る。また、加熱後ウエハ８を下方に移動する際に反応管
５内の下部において一旦停止し、外気にふれない状態で
徐冷してもよい。さらに、ウエハ８の供給が中断してい
る場合には、挿入治具７を高温炉１の内部に収納してお
き、常に高温にしておく。

ウエハ温度とウエハ面内温度差の過渡変化について数
値計算を行なつた結果を第６図及び第７図に示す。計算
条件としては、シリコン製ウエハの直径150mm、石英ガ
ラス製仕切板の厚さを5mm、ウエハと仕切板との間隔を1
0mm、仕切板のないときのウエハ間隔を20mmとし、22℃
のウエハを一瞬のうちに1000℃の高温炉に挿入したもの
とした。第６図によりウエハは挿入されてから約30秒後
に高温炉の内部温度になることがかる。仕切板はウエハ
に熱を奪われ一旦温度が下がるが、次第に元の温度に戻
る。また第７図によりウエハ面内温度差は中心温度が約
600℃のときに最大となることがわかる。また、仕切板
がある場合はない場合に比べてウエハ面内温度差が約半
分に低減することもわかる。このことは下記の理由によ
る。すなわち、仕切板がないと２枚の室温ウエハが高温
炉の内部に挿入されたときに、２枚のウエハの外側の面
は高温炉の内壁からほぼ一様に加熱されるが、内側の面
は２枚のウエハのすき間からの加熱が外周部ほど大きく
なり、ウエハの外周部が高温となるようなウエハ面内の
温度分布が生じる。一方、仕切板があると２枚のウエハ
の内側の面も高温の仕切板によつて加熱されるため、ウ
エハ面内温度分布が低減する。

また、反応管５において、仕切板９をウエハ８が高温
炉１内に挿入完了したときの対向する位置に設けた理由
は、反応管５内を下方に流れる処理ガスを２枚のウエハ
８について同じように流すためと、重量を軽くするため
である。

さらに、ウエハ８が第１図に示すように鉛直方向に対
して、例えば５度と僅かに傾斜している理由は、挿入治
具７が上下に移動するときにウエハ８が前後に振動する
ことを阻止するためである。この場合、ウエハ８の傾斜
は僅かであるので、２枚のウエハの伝熱特性にほとんど
差がない。

第８図及び第９図に本発明の第２の実施例を示す。図
において、第１図及び第２図に示す第１の実施例と同一
または同等部分には同一符号を付して示し、説明を省略
する。本実施例の特徴は、２枚のウエハ８の間に入る仕
切板９がウエハ２と等しい直径の円板形状となつてお
り、さらに仕切板９の外周部30が中央部より薄肉となつ
ている点にある。この仕切板９は３方向に設けられた支
持材31を介して反応管５に固定されており、ウエハ８は
鉛直状態で挿入治具７に載置されている。その他の構造
は第１の実施例と同様である。

本実施例によると、仕切板９の外周部30が中心部より
薄肉となつているため、室温のウエハ８を高温炉１の内
部に挿入したときに、２枚のウエハ８の内側の面が仕切
板９によつて加熱される量が外周部が小さくなる。一
方、２枚のウエハ８の内側の面の外周部はウエハ８間の
間隔からの加熱があるため、両者の作用によりウエハ８
は全面で一様に加熱され、ウエハ面内の温度分布が小さ
くなる効果がある。

なお、上記実施例では仕切板９の形状がウエハ８と等
しい直径の円板形状である場合について説明したが、こ
の仕切板９の形状は第10図乃至第13図に示すような形状
であつてもよい。第10図は仕切板９の大きさがウエハ８
より大きく、さらにウエハ８の中央部に対向する部分が
厚肉となつている。そして厚肉部は円形でその直径がウ
エハ８の直径より小さい。本実施例によつても前述した
第２の実施例と同様の効果がある。

第11図の仕切板９は円板形状でその直径がウエハ８の
直径よりも小さい場合を示し、上記と同様の効果があ
る。

第12図の仕切板９はウエハ８よりも大きく、さらにウ
エハ８の外周に対向する部分32がリング状の厚肉となつ
ており、このリングの直径はウエハ８の直径以上となつ
ている。本実施例では、室温のウエハ８を高温炉１の内
部に挿入したときに、リング状の厚肉部32がウエハ８間
の間隙をふさぐ作用をし、ウエハ面内温度分布が小さく
なる効果がある。

第13図の仕切板９はウエハ８の外周に対向する部分32
が前記実施例と同様にリング状の厚肉部となつており、
その内側にウエハ８とほぼ等しい直径の円形の穴が形成
されている。本実施例によつても前記実施例と同様の効
果がある。

第14図及び第15図にそれぞれ本発明の第３及び第４の
実施例を示す。これらの図において、第１図に示す第１
の実施例と同一または同等部分には同一符号を付して示
し、説明を省略する。第14図に示す第３の実施例の特徴
は均熱管４の内部に２つの反応管５が設けられ、それぞ
れの反応管５の中に１対の挿入治具７によつて２枚ずつ
ウエハ８が挿入されるようになつている点にある。これ
ら２つの挿入治具７は同じ上下搬送台10に取り付けら
れ、２枚のウエハ８が同時に熱処理される。この場合、
均熱管４と反応管５との間に熱処理室温度計34が挿入さ
れており、この温度計34によつてヒータ設定温度が制御
されている。本実施例によつても前記各実施例と同様の
効果を得ることができる。

第15図に示す第４の実施例の特徴は２枚のウエハ８の
それぞれに反応管５及び均熱管４が設けられており、２
つの均熱管４の間に断熱材33が設けられている点にあ
る。本実施例によると、２枚のウエハ８が完全に分離さ
れているため、ウエハ８は完全に一様に加熱され、ウエ
ハ８の面内温度分布が生じることはない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、熱処理装置の
加熱空間に２枚の半導体ウエハを支持して挿入，取出し
を行なう支持手段と、加熱空間内に収納された半導体ウ
エハ間を仕切る仕切手段とを設けたので、２枚の半導体
ウエハを同時に高速短時間に均一に熱処理することが可
能となり、また熱処理時のウエハ面内温度分布が小さい
ため、熱応力欠陥のない高品質の半導体ウエハを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体ウエハの熱処理装置の第１
の実施例を示す縦断面図及び温度制御系ブロツク図、第
２図は第１図の直角方向の断面における高温炉の縦断面
図、第３図は第１図のヒータ分割を示す高温炉の透視斜
視図、第４図は第１図の反応管を示す斜視図、第５図は
本実施例による高温炉が設けられた拡散装置を示す一部
破断斜視図、第６図はウエハ温度の時間変化の計算結果
を示すグラフ、第７図はウエハ面内温度分布の結算結果
を示すグラフ、第８図は本発明の第２の実施例による高
温炉を示す縦断面図、第９図は第８図の直角方向の縦断
面図、第10図乃至第13図はそれぞれ本発明の他の実施例
による仕切板を示す縦断面図、第14図及び第15図はそれ
ぞれ本発明の第３及び第４の実施例による高温炉を示す
縦断面図である。 １……高温炉、２……ヒータ、３……断熱材、４……均
熱管、５……反応管、７……挿入治具、８……半導体ウ
エハ、９……仕切板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高垣 哲也 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株式会社日立製作所武蔵工場内 (72)発明者 内野 敏幸 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株式会社日立製作所武蔵工場内 (56)参考文献 特開 平２−69932（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−71119（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温炉内部に設けたヒータにより炉内に加
   熱空間を形成し、前記加熱空間に半導体ウエハを収納し
   て熱処理する半導体ウエハの熱処理装置において、 ２枚の半導体ウエハをほぼ平行に支持して前記加熱空間
   に挿入及び取出しする支持手段と、それぞれの半導体ウ
   エハが前記加熱空間に収納された際これらの半導体ウエ
   ハ間を仕切る仕切手段が前記高温炉内壁との間に支持部
   材を介して固定されていることを特徴とする半導体ウエ
   ハの熱処理装置。