JP3242281B2 - 熱処理装置 - Google Patents

熱処理装置

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JP3242281B2
JP3242281B2 JP08069695A JP8069695A JP3242281B2 JP 3242281 B2 JP3242281 B2 JP 3242281B2 JP 08069695 A JP08069695 A JP 08069695A JP 8069695 A JP8069695 A JP 8069695A JP 3242281 B2 JP3242281 B2 JP 3242281B2
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    • H01L21/67109Apparatus for thermal treatment mainly by convection

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの製造においては、被処
理基板である半導体ウエハを酸化、拡散、CVD(Chem
ical Vapor Deposition)、アニールなどの処理を行う
ために、各種の熱処理装置が使用されている。中でも、
多数枚のウエハのバッチ処理が可能な縦型熱処理装置
は、周囲にヒータを配置したホットウォール型の炉内に
熱処理室である縦型の反応管(プロセスチューブ)を設
け、この反応管内に基板支持具であるウエハボートを介
してウエハを水平状態で上下方向に適宜間隔で多段に支
持し、これら多数枚のウエハを同時に熱処理するように
構成されている。
【0003】上記熱処理装置においては、ウエハの中央
部よりも周縁部に、より多くの方向からの熱放射が入射
し易いことから、特に急速昇降温を行う場合、ウエハの
中央部と周縁部の温度応答性に顕著な差が生じ易く、面
内温度差により生じる内部応力によってウエハにスリッ
プ(結晶のずれ)が生じる傾向がある。このような問題
を解消するために、従来の熱処理装置においては、上記
ウエハボートに上記ウエハの周縁部下面を面接触で支持
するリング状の支持板を設け(このようにリング状の支
持板を設けたウエハボートをリングボートという)、こ
の支持板の熱容量によりウエハの周縁部の温度応答性を
抑制し、ウエハの中央部と周縁部の面内温度差の減少を
図っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
処理装置においては、ウエハと支持板の間の熱伝導が放
射伝熱だけでなくウエハと支持板の間に存在する気体を
介した熱伝導(気体の伝熱、対流伝熱ともいう)を重量
な要素としている。このため、反応管内を減圧にした状
態で急速昇降温を行おうとする場合、上記支持板の効果
が十分に発揮されず、ウエハの中央部と周縁部の面内温
度差を十分に減少させることが困難であった。従って、
減圧下では、急速昇降温を行うことが困難であるため、
スループットの向上に限界があった。
【0005】そこで、本発明は上記課題を解決すべくな
されたもので、常圧下だけでなく減圧下においても被処
理基板の中央部と周縁部の面内温度差を十分に減少させ
て急速昇降温を行うことができ、スループットの向上が
図れる熱処理装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
発明は、熱処理容器内に被処理基板を収容し、熱処
理容器の周囲に配置されたヒータにより被処理基板を加
熱して熱処理する熱処理装置において、上記被処理基板
が、その周囲に配置された複数本の支柱を有する基板支
持具に水平状態で上下方向に適宜間隔で多段に支持さ
れ、この基板支持具の支柱に、上記被処理基板の周囲に
位置して被処理基板の周縁部に入射する所定の入射角以
上の熱放射を遮る環状の遮熱部材を上下方向に上記被処
理基板とほぼ同間隔で、且つ上下に隣合う遮熱部材の中
間に各被処理基板が位置するように多段に配設したこと
を特徴とする(請求項1)上記遮熱部材は、不透明石
英からなることが好ましい(請求項2)
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【作用】一般に、被処理基板の周縁部は、熱放射の入射
角が増大する(入斜面に直角になる)ほど放射形態係数
が増大し、熱放射の影響を受け易くなる。しかるに、
発明によれば、被処理基板の周囲に設けられた遮熱部材
により周縁部における所定入射角以上の熱放射が遮られ
るため、周縁部の熱放射による影響が抑制される。すな
わち、ホットウォール型加熱に起因する被処理基板の周
縁部の熱放射による影響が遮熱部材のブラインド作用と
熱容量による緩和作用により抑制され、被処理基板の周
縁部の温度応答性を中央部の温度応答性とほぼ同等にす
ることができ、急速昇降温時における被処理基板の中央
部と周縁部の面内温度差を可及的に減少させることが可
能となる。従って、従来の熱処理装置と異なり、被処理
基板の周縁部の熱放射による影響を気体の伝熱ではなく
放射伝熱の観点から抑制しているため、常圧下だけでな
く減圧下においても被処理基板の中央部と周縁部の面内
温度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが可能
となり、スループットの向上が図れる。特に、上記被処
理基板が、その周囲に配置された複数本の支柱を有する
基板支持具に水平状態で上下方向に適宜間隔で多段に支
持され、この基板支持具の支柱に、上記被処理基板の周
囲に位置して被処理基板の周縁部に入射する所定の入射
角以上の熱放射を遮る環状の遮熱部材を上下方向に上記
被処理基板とほぼ同間隔で、且つ上下に隣合う遮熱部材
の中間に各被処理基板が位置するように多段に配設して
いるため、多数枚の被処理基板の中央部と周縁部の面内
温度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが可能
となり、水平方向から被処理基板の移載を行う場合には
移載機構が遮熱部材と干渉することなく被処理基板の移
載を容易に且つ迅速に行うことが可能となり、スループ
ットの更なる向上が図れる。
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【実施例】以下に、本発明を縦型熱処理装置に適用した
実施例を添付図面に基づいて詳述する。図2において、
1は被処理基板例えば半導体ウエハWに減圧CVDによ
る成膜処理を施すのに適するように構成された縦型熱処
理装置であり、中央部に円形の開口部2aを有する例え
ばステンレススチール製のベースプレート2を水平に備
えている。このベースプレート2の下方には上端及び下
端に外向きのフランジ部3a,3bを有する例えばステ
ンレススチール製の短い円筒状のマニホールド3が上記
開口部2aと軸心を一致させて配置され、このマニホー
ルド3上には縦型の熱処理炉(熱処理室)を形成すべく
耐熱性及び耐食性を有する材料例えば石英からなる熱処
理容器である反応管(プロセスチューブ)4が気密に接
続されている。
【0015】上記反応管4は、上端が閉塞され、下端が
開口されると共に下端に外向きのフランジ部4aを有し
ている。本実施例における反応管4の内側には、上端及
び下端の開口された石英製の内管5がマニホールド3内
面に形成された内向きフランジ部3cに係止させて同心
円状に配置され、二重管構造の縦型熱処理炉が形成され
ている。
【0016】上記マニホールド3には反応管5内に図示
しない処理ガス供給源或いは不活性ガス供給源から処理
ガスないし不活性ガスを導入するための複数の導入管部
6が設けられると共に、図示しない真空ポンプ等の減圧
手段により反応管4内を排気して例えば10〜10-8
orr程度に真空引きするための排気管部7が設けられ
ている。また、上記反応管4の周囲には反応管4内を高
温例えば700〜1200℃程度に加熱する例えばカン
タル線等の電熱線(抵抗発熱体)をコイル状等に形成し
てなる加熱源であるヒータ8が配置され、このヒータ8
の外周は断熱材9を介して冷却ジャケット構造のアウタ
ーシェル10で覆われている。これにより、いわゆるホ
ットウォール型の加熱炉が構成されている。なお、上記
ヒータ8、断熱材9及びアウターシェル10は上記ベー
スプレート2上に支持されている。
【0017】上記マニホールド3の下方にはその開口端
を開閉する例えばステンレススチール製の蓋体11がロ
ーディング機構である昇降機構12により昇降可能に設
けられ、この蓋体11上には多数枚例えば150枚程度
のウエハWを水平状態で上下方向に適宜間隔で多段に保
持する基板支持具である石英製のウエハボート13が石
英製の保温筒14を介して載置されている。また、蓋体
11にはウエハWを均一に熱処理すべく保温筒14を介
してウエハボート13を回転させるための回転駆動手段
が設けられていてもよい。
【0018】上記ウエハボート13は、図1ないし図3
に示すように円板状のウエハWの周囲を囲む如く適宜間
隔で配置された複数本(3〜4本)、実施例では3本の
支柱15を有し、これらの支柱15には多数枚例えば1
50枚程度のウエハWを水平状態で上下方向(高さ方
向)に適宜ないし所定の間隔で多段に支持する溝状の係
止部16が設けられている。上記支柱15は、移載機構
により水平方向からウエハWの移載が可能なように一方
が開放部17とされた配置構成になっている。なお、上
記移載機構は、舌片状の移載アーム18を有し、この移
載アーム18上にウエハWを載せてウエハボート13等
に対する移載作業を上記反応管4よりも下方の移載エリ
アで行うようになっている。
【0019】そして、上記ウエハボート13の支柱15
には、ウエハWの周囲に位置してウエハWの周縁部に入
射する所定の入射角θ以上の熱放射を遮る円環状(リン
グ状)の遮熱部材19がウエハWと同間隔(ピッチ)
で、且つ上下に隣合う遮熱部材19の中間に各ウエハW
が位置するようにして多段にブラインド状に配設されて
いる。上記遮熱部材19は、耐熱性および遮熱性を有
し、ウエハの汚染源になりにくい材質例えば不透明石英
からなっている。また、上記遮熱部材19はウエハボー
ト13の支柱15の外側に緩く嵌まる大きさの偏平な円
環状に形成され、上記ウエハボート13の支柱15の外
側に内縁部を溶接20で固定することにより取付けられ
ている。
【0020】上記ウエハWの半径をR、上記遮熱部材1
9の内縁の半径をRa、外縁の半径をRbとすると、遮
熱部材19の大きさは次のように決定される。一般に、
温度の異なる二つの固体面間における放射伝熱の伝熱量
Q[kcal/h]は、Q=F(T14−T24)Aで表わされ
る。ここで、Fは放射形態係数で、入射面に対する入射
角が0度で0となり、入射角の増大に従って増大し、入
射角が90度で最大となる無次元数である。二つの固定
面の面積が極めて大きく、更に距離が極めて近ければ、
最大値1をとる。つまり2面間以外に放射がもれない状
態である。T1はヒータ8の温度、T2はウエハWの温
度、Aはその他の定数である。
【0021】また、所定のピッチで多段に配置されたウ
エハWの面内のある点から加熱源全体に対する放射形態
係数Fは、ウエハWの半径Rを1とした場合、図4に示
すようにほぼ0.7の地点からエッジ部(1の地点)に
かけて急激に増大する。そこで、ウエハWの半径Rを
0.7とし、遮熱部材19の外縁の半径Rbを1とすれ
ば、ウエハWの面内における放射形態係数Fを小さくす
ることができる。従って、ウエハWの半径Rを1とした
場合、遮熱部材19の外縁の半径は1.4、すなわちウ
エハWの半径Rの1.4倍であることが最も好ましい。
なお、遮熱部材19の外縁の半径Rbは、遮熱効果から
いえば、ある程度の許容範囲を有し、この場合、ウエハ
Wの半径Rの1.2〜1.8倍であることが好ましい。
1.2倍を下回ると遮熱効果が減少し、また、1.8倍
を上回ると遮熱効果が増大して急速昇降温の妨げになる
からである。
【0022】上記遮熱部材19の内縁の半径Raは、ウ
エハWの半径Rとほぼ等しければ(近接していれば)、
ウエハWの半径Rよりも若干小さくても良く、或いは実
施例のようにウエハWの半径Rよりも若干大きくても良
い。また、上記遮熱部材19は、上記ウエハWよりも大
きい熱容量を有するように厚さ等で調整されている。そ
して、上記遮熱部材19の内径、外径及び厚さは、上記
値を考慮すると共に実際の急速昇降温にてウエハWの中
央部と周縁部の面内温度差を可及的に減少させ得る値に
実験により具体的に設定される。
【0023】次に実施例の作用を述べる。先ず、昇降機
構12により反応管4下方の移載エリアに下降移動され
た蓋体11上におけるウエハボート13に移載機構の移
載アーム24によりウエハWが移載されると、蓋体11
が上昇移動され、ウエハボート13が反応管4内に搬入
されると共に蓋体11がマニホールド3の下端フランジ
部3bに当接して反応管4が密閉される。
【0024】そして、排気管部7からの排気(真空引
き)により反応管4内を真空置換すると共に、導入管部
6からの不活性ガス例えば窒素(N2)ガスの導入によ
り反応管4内を窒素(N2)ガスで置換した後、ヒータ
8によりウエハWを所定の処理温度まで急速に昇温させ
たなら、導入管部6から所定の処理ガスを導入しつつ反
応管4内を所定の減圧状態に維持して成膜処理等の熱処
理を行う。この熱処理が終了したなら、上記ウエハWを
例えば室温まで急速に降温させ、処理後のウエハWを蓋
体11の下降移動によりウエハボート13ごと反応管4
外へ搬出すればよい。
【0025】このように上記熱処理装置においては、減
圧下でウエハWの急速昇温および急速降温が行われる。
そして、上記熱処理装置によれば、ウエハWの周囲に設
けられた遮熱部材19により周縁部に入射する所定の入
射角θ以上の熱放射が遮られ、周縁部の熱放射による影
響が抑制される。すなわち、ホットウォール型加熱に起
因するウエハWの周縁部の熱放射による影響が遮熱部材
19のブラインド作用と熱容量による緩和作用により抑
制され、ウエハWの周縁部の温度応答性を中央部の温度
応答性とほぼ同等にすることができ、急速昇降温時にお
けるウエハWの中央部と周縁部の面内温度差を可及的に
減少させることが可能となり、ウエハの面内温度の均一
化が図れる。
【0026】従って、従来の熱処理装置と異なり、ウエ
ハWの周縁部の熱放射による影響を気体の伝熱ではなく
放射伝熱の観点から抑制しているため、常圧下だけでな
く減圧下においてもウエハWの中央部と周縁部の面内温
度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが可能と
なり、スループットの向上が図れる。特に、上記実施例
ではウエハWがその周囲に配置された複数本の支柱15
を有するウエハボート13に水平状態で上下方向に適宜
間隔で多段に支持され、このウエハボート13の支柱1
5に円環状の上記遮熱部材19が上記ウエハWとほぼ同
間隔で多段に配設されているため、常圧下だけでなく減
圧下においても多数枚のウエハWの中央部と周縁部の面
内温度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが可
能となり、スループットの更なる向上が図れる。
【0027】また、上記遮熱部材19が上下に隣合う遮
熱部材19の中間に上記ウエハWが位置するように配設
されているため、水平方向からウエハWの移載を行う場
合に移載機構の移載アーム18が遮熱板19と干渉する
ことがなく、ウエハWの移載を容易に且つ迅速に行うこ
とが可能となり、スループットの更なる向上が図れる。
更に、上記遮熱部材19が上記ウエハWよりも大きい熱
容量を有しているため、ブラインド作用による遮熱効果
だけでなく遮熱部材19の熱容量によってもウエハWの
温度応答性の良い周縁部の急激な昇降温を緩和すること
ができ、常圧下だけでなく減圧下においてもウエハWの
中央部と周縁部の面内温度差を更に十分に減少させて更
に急速な昇降温を行うことが可能となり、スループット
の更なる向上が図れる。
【0028】上記実施例のウエハボート13と既存のリ
ングボートを用いて急速昇降温試験(シュミレーショ
ン)を行ったところ、次のような結果が得られた。先
ず、リングボートの支持板の内径を140mm、外径を
200mm、厚さを5mmとし、本実施例のウエハボー
ト13の遮熱部材19の内径を210mm、外径を28
0mm、厚さを5mmとした。また、ウエハWは8イン
チの大きさものを用い、ウエハピッチを20mmとし
た。
【0029】そして、ウエハWを室温25℃から800
℃まで急速に昇温させる急速昇温(例えば、∞℃/分)
と、800℃から25℃まで急速に降温させる急速降温
(例えば、−∞℃/分)を行った。その結果、既存のリ
ングボートを用いた場合のウエハWの中央部と周縁部の
面内温度差が最大50℃であるのに対し、本実施例のウ
エハボート13を用いた場合のウエハWの面内温度差は
最大35℃であり、ウエハWの面内温度差が減少される
ことが実証された。
【0030】
【0031】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施
が可能である。例えば、本発明は、上述したように多数
枚のウエハWを熱処理するバッチ式縦型熱処理装置以外
に、ホットウォール型の枚葉式熱処理装置にも適用可能
である。また、被処理基板としては、半導体ウエハ以外
に、例えばLCD基板等が適用可能である。更に、遮熱
部材の材料としては、不透明石英以外に、例えば炭化ケ
イ素(SiC)等が適用可能である。
【0032】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果が得られる。
【0033】(1)発明によれば、被処理基板の周囲
に設けられた遮熱部材により周縁部に入射する所定の入
射角以上の熱放射が遮られ、周縁部の熱放射による影響
が抑制される。従って、従来の熱処理装置と異なり、被
処理基板の周縁部の熱放射による影響を気体の伝熱では
なく放射伝熱の観点から抑制しているため、常圧下だけ
でなく減圧下においても被処理基板の中央部と周縁部の
面内温度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが
可能となり、スループットの向上が図れる。特に、上記
被処理基板が、その周囲に配置された複数本の支柱を有
する基板支持具に水平状態で上下方向に適宜間隔で多段
に支持され、この基板支持具の支柱に、上記被処理基板
の周囲に位置して被処理基板の周縁部に入射する所定の
入射角以上の熱放射を遮る環状の遮熱部材を上下方向に
上記被処理基板とほぼ同間隔で、且つ上下に隣合う遮熱
部材の中間に各被処理基板が位置するように多段に配設
しているため、多数枚の被処理基板の中央部と周縁部の
面内温度差を十分に減少させて急速昇降温を行うことが
可能となり、水平方向から被処理基板の移載を行う場合
には移載機構が遮熱部材と干渉することなく被処理基板
の移載を容易に且つ迅速に行うことが可能となり、スル
ープットの更なる向上が図れる。
【0034】
【0035】
【0036】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す要部断面図である。
【図2】本発明を適用した縦型熱処理装置の一例を示す
縦断面図である。
【図3】図1の平面図である。
【図4】ウエハサイズと放射形態係数の関係を示すグラ
フである。
【符号の説明】
W 半導体ウエハ(被処理基板) 4 反応管(熱処理室) 13 ウエハボート(基板支持具) 15 支柱 19 遮熱部材
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 21/22 - 21/24 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/38 - 21/40 H01L 21/469 H01L 21/68 H01L 21/86

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱処理容器内に被処理基板を収容し、熱
    処理容器の周囲に配置されたヒータにより被処理基板を
    加熱して熱処理する熱処理装置において、上記被処理基
    が、その周囲に配置された複数本の支柱を有する基板
    支持具に水平状態で上下方向に適宜間隔で多段に支持さ
    れ、この基板支持具の支柱に、上記被処理基板の周囲に
    位置して被処理基板の周縁部に入射する所定の入射角以
    上の熱放射を遮る環状の遮熱部材を上下方向に上記被処
    理基板とほぼ同間隔で、且つ上下に隣合う遮熱部材の中
    間に各被処理基板が位置するように多段に配設したこと
    を特徴とする熱処理装置。
  2. 【請求項2】 上記遮熱部材が不透明石英からなること
    を特徴とする請求項1記載の熱処理装置。
JP08069695A 1995-03-13 1995-03-13 熱処理装置 Expired - Fee Related JP3242281B2 (ja)

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