JP3328853B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱処理装置及び熱処
理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程においては、被処
理体である半導体ウエハ（以下にウエハという）の表面
に薄膜や酸化膜を積層したり、あるいは不純物の拡散等
を行うために、ＣＶＤ装置、酸化膜形成装置、あるいは
拡散装置等が用いられている。そして、この種の装置の
１つとして、複数枚のウエハを垂直方向に配列保持する
保持手段であるウエハボートを、高温加熱される反応容
器等のプロセスチューブ（処理室）内の下方から挿入
し、処理室内に導入される反応ガスによって処理する縦
型の熱処理炉が使用されている。

【０００３】上記縦型熱処理炉は、図３に示すように、
石英ガラス等からなる有底筒状のプロセスチューブ１
と、底部を上面にして直立されたこのプロセスチューブ
１との間に隙間２をおいて包囲すると共に、その内壁面
に加熱手段としてのヒータ３を有する断熱性の炉本体４
と、複数のウエハＷを垂直方向に配列保持する石英製の
ウエハボート５と、このウエハボート５を昇降する昇降
機構６とで主要部が構成されている。この場合、隙間２
には供給口７と排気口８が開設され、プロセスチューブ
１内には反応ガス導入管９が挿入されると共に、排気管
１０が接続されている。また、ウエハボート５は、ウエ
ハＷを多段状に保持する保持部５ａの下に保温筒５ｂを
介して蓋体１２を設けており、この蓋体１２がプロセス
チューブ１の開口を塞ぐことによってプロセスチューブ
１内が密封されるように構成されている。これにより、
プロセスチューブ１を排気管１０を用いて真空引きし、
更に排気管１０からの排気を行いつつ反応ガス導入管９
から所定の反応ガスをプロセスチューブ１内に供給する
ことができる。

【０００４】上記のように構成される縦型熱処理炉を用
いてウエハＷ表面の不純物拡散処理を行うには、まず、
供給口７及び排気口８のシャッタ１３ａ，１３ｂを閉じ
た状態にして、ウエハボート５を上昇させてウエハＷを
プロセスチューブ１内に収容する。次に、ヒータ３によ
ってプロセスチューブ１内を所定温度に加熱した後、反
応ガス導入管９から反応ガスをプロセスチューブ１内に
供給してウエハＷ表面の不純物拡散処理を行うことがで
きる。

【０００５】ところで、集積回路の高速化、高集積化等
に伴ってウエハＷ表面の拡散深さを浅くする傾向が高ま
っている。浅い拡散深さを制御するためには、被処理体
であるウエハＷを短時間で所定温度以上（例えば１００
０℃）まで上昇させると共に、強制冷却によって所定の
温度勾配すなわち所定温度（例えば５００℃）の保持時
間及び温度降下時間を制御することができる高速熱処理
装置が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
この種の高速熱処理装置においては、短時間でプロセス
チューブ１内を高温度（１０００℃）に昇温した後、反
応ガスを供給して処理するため、反応ガス導入管９と排
気管１０の配管やウエハボート５の蓋体１２は温度が追
随することができず、プロセスチューブ１との間に温度
差が生じてしまう。その結果、配管内や蓋体内面に反応
ガスの生成物が付着してしまい、付着した生成物が剥離
してプロセスチューブ１内に飛散してウエハＷを汚染
し、歩留まりの低下を招くという問題があった。また、
真空引きによりクリーンルーム内の汚染等の問題もあっ
た。

【０００７】更に、従来のこの種の熱処理装置において
は、配管内や蓋体表面を頻繁に洗浄して、配管等に付着
した生成物を除去しなければならないというメンテナン
スの問題もあった。

【０００８】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、高温度に加熱される処理室に追随させて配管や処理
室を密封する蓋体を温度制御して、生成物の付着を防止
すると共に、歩留まりの向上及びメンテナンス面の向上
を図れるようにした熱処理装置及び熱処理方法を提供す
ることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、被処理体を保持する保持手
段を下方から挿入する開口部を有する処理室と、この処
理室の開口部側に連通する反応ガスの導入管及び排気管
等の配管と、上記処理室を包囲して配設される加熱手段
とを具備する熱処理装置を前提とし、上記反応ガスの導
入管及び排気管等の配管と、これら配管を一体的に取付
けたマニホルドと、上記保持手段に設けられて上記処理
室の開口部を気密に保持する蓋体とに設けられる加熱手
段と、上記処理室の開口部側に設けられる温度検出手段
と、この温度検出手段からの検出信号に基いて上記加熱
手段を制御する制御手段と、を具備することを特徴とす
るものである。

【００１０】上記請求項１記載の発明において、上記制
御手段は、上記加熱手段が上記反応ガスの導入管及び排
気管等の配管を一体的に取付けたマニホルドと上記処理
室の開口部を気密に保持する蓋体とを、１５０℃〜２０
０℃の範囲に加熱するように制御可能に形成する方がよ
い（請求項２）。

【００１１】上記請求項１又は２記載の発明において、
上記蓋体に冷却媒体導入空間を設け、この冷却媒体導入
空間に、開閉弁及びポンプを介して冷却水貯留タンクを
接続する方が好ましい（請求項３）。更に好ましくは、
制御手段によって開閉弁を制御可能に形成する方がよい
（請求項４）。

【００１２】この発明において、上記加熱手段は、配管
や蓋体の内面を所定温度に加熱するものであれば任意の
ものでよく、例えばシート状のヒータを配管や蓋体の表
面に被着してもよく、あるいは配管や蓋体に埋設される
ヒータのいずれであってもよい。

【００１３】請求項５記載の発明は、被処理体を保持す
る保持手段を下方から挿入する開口部を有する処理室
と、この処理室の開口部側に連通する反応ガスの導入管
及び排気管等の配管と、上記処理室を包囲して配設され
る加熱手段とを具備する請求項１記載の熱処理装置を用
いて被処理体を熱処理する熱処理方法において、上記被
処理体の熱処理時に、上記反応ガスの導入管及び排気管
等の配管を一体的に取付けたマニホルドと、上記処理室
の開口部を気密に保持する蓋体とを、１５０℃〜２００
℃の範囲に加熱することを特徴とするものである。

【００１４】上記請求項５記載の発明において、上記熱
処理は拡散処理である方が好ましい（請求項６）。

【００１５】

【作用】上記のように構成されるこの発明によれば、処
理室の開口部側に連通する反応ガスの導入管及び排気管
等の配管や、被処理体の保持手段に設けられて処理室の
開口部を気密に保持する蓋体に、加熱手段を設けること
により、処理室を高温度に昇温して被処理体を熱処理す
る際に、処理室の温度に追随させて配管や蓋体の温度を
制御することができると共に、配管や蓋体を同一温度に
加熱することができる。したがって、反応ガスの生成物
が配管内や蓋体内面に付着するのを防止することができ
る。

【００１６】また、処理室の開口部側に温度検出手段を
設け、この温度検出手段からの検出信号に基いて加熱手
段を制御することにより、配管や蓋体を所定温度に制御
することができる。

【００１７】

【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。ここでは、この発明の熱処理装置を半導体
ウエハの縦型高速熱処理炉に適用した場合について説明
する。なお、図３に示した従来の熱処理炉と同じ部分に
は同一符号を付して説明する。

【００１８】図１はこの発明の熱処理装置の一例の縦型
高速熱処理炉の断面図が示されている。

【００１９】上記高速熱処理炉は、石英ガラス等からな
る有底筒状のプロセスチューブ１と、底部を上面にして
直立されたこのプロセスチューブ１との間に隙間２をお
いて包囲すると共に、その内壁面に加熱手段としてのヒ
ータ３を有する断熱性の炉本体４と、複数のウエハＷを
垂直方向に配列保持すると共に、プロセスチューブ１の
開口部１ａからプロセスチューブ１内に挿入される保持
手段である石英製のウエハボート５と、このウエハボー
ト５を昇降する昇降機構６とで主要部が構成されてい
る。

【００２０】上記プロセスチューブ１内には反応ガス導
入管９が挿入されており、この反応ガス導入管９の垂直
方向に適宜間隔をおいて設けられたガス導入孔９ａから
プロセスチューブ１内に均一に反応ガスが供給されるよ
うに構成されている。また、プロセスチューブ１内には
排気管１０が接続されており、この排気管１０に接続す
る図示しない真空ポンプ等の吸引手段によってプロセス
チューブ１内が真空引きされると共に、反応ガスの排気
を行えるように構成されている。このように構成される
反応ガス導入管９と排気管１０等の配管は、例えばステ
ンレススチール製の配管１１（マニホルド）に一体的に
取付けられており、マニホルド１１はＯリング１１ａを
介してプロセスチューブ１の開口部１ａに連通可能に装
着されている。

【００２１】上記ウエハボート５は、ウエハＷを多段状
に保持する保持部５ａの下に保温筒５ｂを介して石英製
の蓋体１２を設けており、この蓋体１２がプロセスチュ
ーブ１の開口部１ａを塞ぐことによって蓋体１２に周設
されたＯリング１２ａによってプロセスチューブ１内が
密封されるように構成されている。したがって、プロセ
スチューブ１内を排気管１０を用いて真空引きし、更に
排気管１０からの排気を行いつつ反応ガス導入管９から
所定の反応ガスをプロセスチューブ１内に供給すること
ができる。なお、蓋体１２には冷却媒体導入空間１２ｂ
が設けられており、この冷却媒体導入空間１２ｂには開
閉弁３０及びポンプ３１を介して冷却水貯留タンク３２
が接続されている。

【００２２】また、上記マニホルド１１の表面及びこの
マニホルド１１の外部に突出する反応ガス導入管９及び
排気管１０の表面には、反応ガスの生成物の付着を防止
するための加熱手段としてのシート状のヒータ１４ａが
被着されている。また、蓋体１２の外側表面にも同様に
シート状のヒータ１４ｂが被着されている。これらヒー
タ１４ａ，１４ｂは予め反応ガス導入管９、排気管１０
等に被着してもよく、あるいは処理を行う際に反応ガス
導入管９、排気管１０等に巻き付けて面ファスナ等の固
定手段で固定するようにしてもよい。このように構成さ
れるヒータ１４ａ，１４ｂの電源１４ｃは、プロセスチ
ューブ１の開口部１ａ内付近、具体的には、図２に示す
ようなマニホルド１１のＯリング１１ａの近傍位置に配
設された温度検出手段である熱電対１５からの検出温度
信号を受ける制御手段としての温度コントローラ１６に
よって所定温度（具体的には１５０℃〜２００℃）に制
御されるように構成されている。ここで、ヒータ１４
ａ，１４ｂの温度を１５０℃〜２００℃の範囲に制御す
る理由は、かかる温度範囲においては反応生成物が反応
ガス導入管９、排気管１０、マニホルド１１及び蓋体１
２の内面に付着することがなく、しかもＯリング１１
ａ，１２ａが温度によって破壊しないようにしたためで
ある。

【００２３】上記実施例ではヒータ１４ａ，１４ｂをシ
ート状に形成して、反応ガス導入管９及び排気管１０等
の配管の表面と蓋体１２の表面に被着させる場合につい
て説明したが、必ずしもヒータ１４ａ，１４ｂはシート
状である必要はなく、予め配管や蓋体１２に埋設したも
のであってもよい。

【００２４】なお、図１に想像線で示すように、上記温
度コントローラ１６によって冷媒供給系の開閉弁３０を
制御することも可能であり、このように形成することに
より、蓋体１２が所定温度以上に加熱されるのを防止す
ることができる。

【００２５】なお、上記プロセスチューブ１と炉本体４
との間に設けられる隙間２には冷却空気の供給口７と排
気口８が開設されており、これら供給口７と排気口８に
それぞれシャッタ１３ａ，１３ｂを介してダクト２０が
接続されている。そして、供給口７側のダクト２０には
冷却空気供給用のファン２１が介設されてして、隙間２
内に強制的に冷却空気が供給され得るように構成されて
いる。なおこの場合、隙間２に連通する供給口７は、炉
本体４の下部に設けられた環状空間１７の周方向に等間
隔に設けられる複数、例えば８個設けられており、そし
て、これら供給口７には隙間２内に突入するノズル１８
が接続されて、ファン２１から供給される冷却空気が均
一に隙間２内に流れるようになっている。

【００２６】次に、高速熱処理炉の動作態様について説
明する。まず、供給口７及び排気口８のシャッタ１３
ａ，１３ｂを閉じて供給口７と排気口８を塞ぐ。そし
て、昇降機構６の駆動によってウエハボート５を上昇さ
せてウエハボート５をプロセスチューブ１内に挿入す
る。次に、ヒータ３の電源（図示せず）をＯＮにしてヒ
ータ３によりプロセスチューブ１内を例えば１０００℃
に加熱した後、シャッタ１３ａ，１３ｂを開いて供給口
７と排気口８を開放すると共に、ファン２１を駆動させ
て隙間２内に冷却空気を導入してプロセスチューブ１及
びウエハＷを強制的に冷却（５００℃）した後、所定温
度に保持する。この状態で、反応ガス導入管９から導入
される反応ガスが導入孔９ａからプロセスチューブ１内
に導入されてウエハＷの表面を拡散処理する。このと
き、熱電対１５によってプロセスチューブ１の開口部付
近の温度が検出され、その検出温度信号が温度コントロ
ーラ１６に伝達され、温度コントローラ１６に予め記憶
されたデータと比較演算された信号がヒータ１４ａ，１
４ｂの電源１４ｃに伝達されて電源１４ｃがＯＮしてヒ
ータ１４ａ，１４ｂが加熱され、反応ガス導入管９、排
気管１０、マニホルド１１及び蓋体１２が所定温度（１
５０℃〜２００℃）に加熱される。したがって、処理に
よって生じる反応ガスの生成物が反応ガス導入管９、排
気管１０、マニホルド１１及び蓋体１２の内面に付着す
ることはない。

【００２７】上記のようにして、拡散処理が終了した
後、ヒータ３の電源及びヒータ１４ａ，１４ｂの電源１
４ｃをＯＦＦにして、プロセスチューブ１内に例えば窒
素（Ｎ2 ）パージガスを導入してパージを行う。そし
て、プロセスチューブ１内の温度が所定温度（２５℃）
まで低下した後、昇降機構６を駆動させてウエハボート
５を下降させてウエハＷを取り出して処理作業は終了す
る。

【００２８】上記実施例では、この発明の熱処理装置を
半導体ウエハの縦型高速熱処理炉に適用した場合につい
て説明したが、半導体ウエハ以外の例えばガラス基板、
ＬＣＤ基板等の被処理体の熱処理装置にも適用できるこ
とは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、上記のように構成されているので、以下のような効
果が得られる。

【００３０】１）処理室を高温度に昇温して被処理体を
熱処理する際に、処理室の温度に追随させて配管や蓋体
の温度を制御することができると共に、配管や蓋体を同
一温度に加熱することができるので、反応ガスの生成物
が配管内や蓋体内面に付着するのを防止することがで
き、歩留まりの向上及びメンテナンス面の向上を図るこ
とができる。

【００３１】２）処理室の開口部側に温度検出手段を設
け、この温度検出手段からの検出信号に基いて加熱手段
を制御するので、配管や蓋体を所定温度に制御すること
ができ、更に歩留まりの向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の熱処理装置の一例を示す断面図であ
る。

【図２】この発明の熱処理装置の要部拡大断面図であ
る。

【図３】従来の縦型熱処理炉を示す断面図である。

【符号の説明】

１ プロセスチューブ（処理室） １ａ 開口部 ３ ヒータ（加熱手段） ５ ウエハボート（保持手段） ９ 反応ガス導入管（配管） １０ 排気管（配管） １１ マニホルド（配管） １２ 蓋体 １４ａ，１４ｂ ヒータ（反応生成物付着防止用加熱手
段） １５ 熱電対（温度検出手段） １６ 温度コントローラ（制御手段） Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−13345（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−302816（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−13353（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−121394（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−268422（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−95234（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−152432（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/22

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体を保持する保持手段を下方から
   挿入する開口部を有する処理室と、この処理室の開口部
   側に連通する反応ガスの導入管及び排気管等の配管と、
   上記処理室を包囲して配設される加熱手段とを具備する
   熱処理装置において、 上記反応ガスの導入管及び排気管等の配管と、これら配
   管を一体的に取付けたマニホルドと、上記保持手段に設
   けられて上記処理室の開口部を気密に保持する蓋体とに
   設けられる加熱手段と、上記処理室の開口部側に設けら
   れる温度検出手段と、この温度検出手段からの検出信号
   に基いて上記加熱手段を制御する制御手段と、を具備す
   ることを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 上記制御手段は、上記加熱手段が上記反
   応ガスの導入管及び排気管等の配管を一体的に取付けた
   マニホルドと上記処理室の開口部を気密に保持する蓋体
   とを、１５０℃〜２００℃の範囲に加熱するように制御
   可能に形成されることを特徴とする請求項１記載の熱処
   理装置。
3. 【請求項３】 蓋体に冷却媒体導入空間を設け、この冷
   却媒体導入空間に、開閉弁及びポンプを介して冷却水貯
   留タンクを接続してなることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 制御手段によって開閉弁を制御可能に形
   成してなることを特徴とする請求項３記載の熱処理装
   置。
5. 【請求項５】 被処理体を保持する保持手段を下方から
   挿入する開口部を有する処理室と、この処理室の開口部
   側に連通する反応ガスの導入管及び排気管等の配管と、
   上記処理室を包囲して配設される加熱手段とを具備する
   請求項１記載の熱処理装置を用いて被処理体を熱処理す
   る熱処理方法において、 上記被処理体の熱処理時に、上記反応ガスの導入管及び
   排気管等の配管を一体的に取付けたマニホルドと、上記
   処理室の開口部を気密に保持する蓋体とを、１５０℃〜
   ２００℃の範囲に加熱することを特徴とする熱処理方
   法。
6. 【請求項６】 熱処理が拡散処理であることを特徴とす
   る請求項５記載の熱処理方法。