JP3474261B2 - 熱処理方法 - Google Patents

熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、多数枚の被処理体に対
して熱処理を行う熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】被処理体例えば半導体ウエハ（以下「ウ
エハ」という）の製造プロセスの１つとして、酸化膜の
形成やドーパントの拡散などを行うために高温下で熱処
理を行うプロセスがある。この熱処理を行う装置として
は、従来横型熱処理炉が主流であったが、最近では、面
内均一処理、搬入出の容易さ、外気の巻き込みが少ない
などの理由から縦型熱処理炉が多く使用されるようにな
ってきている。
【０００３】縦型熱処理炉を用いた縦型熱処理装置にお
いては、多数のウエハを上下に間隔をおいて搭載して熱
処理炉に対してロード、アンロードを行うために保持具
である縦長のラダーボートが用いられる。このラダーボ
ートは、上下に互いに対向して配置された天板及び底板
の間に例えば石英よりなる４本の支柱が設けられ、各支
柱に形成された溝内にウエハの周縁を挿入して保持する
ように構成されている。
【０００４】そしてラダーボートにウエハＷが所定枚搭
載されると、エレベータが上昇して熱処理炉内に搬入さ
れ、これによりウエハがロードされて所定の熱処理が行
われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところでウエハの基材
であるシリコンの融点が１４１０℃であることから、こ
の温度に近い温度例えば１０００℃で熱処理を行ったと
きにラダーボートの支柱により支持されている個所の付
近において、スリップと呼ばれる結晶欠陥がウエハに発
生しやすい。このスリップは、目視では確認しにくい程
度の微小な断層であり、拡大鏡や顕微鏡などにより見る
ことができる。
【０００６】ここでスリップが発生する原因としては、
ウエハの自重による内部応力、ウエハの面内温度不
均一に基づく熱歪応力、が推定原因として挙げられてい
る。即ち、理由としては明確ではないが、上記につい
ては、ラダーボートによる支持位置がウエハの周縁部に
あり、しかも４ヶ所の部分的な支持であることから、支
持個所付近で熱処理中ウエハの自重による大きな内部応
力が生じ、この内部応力がある大きさを越えたときにス
リップが発生すると考えられる。そしてまたウエハには
規格値内で反りがあり、加熱時に温度分布に基づく反り
もある。さらに支柱の溝の加工においても製作上の誤差
がある。こうした要因により４ヶ所あるウエハの支持点
の１ヶ所が離れてしまう場合にはウエハの支持点は３個
所になり、各支持点の荷重はアンバランスになり、その
うち例えば１ヶ所にスリップの発生限界を越えた大きな
応力が生ずることになる場合が多いと考えられる。
【０００７】また上記のについては、ウエハを昇温さ
せるときに熱処理用ボートの支柱を経由して熱が出入り
するため、ウエハの中心部と周縁部との間に温度差が生
じて熱歪応力が発生するが、この熱歪応力がある大きさ
を越えたときにスリップが発生すると考えられる。一方
最近において熱処理炉自体の構造やヒータの改良が進み
例えば１００℃／分もの高速で昇降温させる熱処理炉が
製作されている。このような高速炉ではウエハに対する
サーマルバジェット（熱履歴）を小さくでき、またスル
ープットを向上させることができるが、反面昇降温時に
ウエハの面内温度差が大きくなって熱歪応力が大きくな
り、特にウエハの基材の融点に近い高温で熱処理するに
あたってスリップの発生という問題がある。
【０００８】そしてこの問題を解決するために保持具の
構造についても種々検討がなされ、例えばリングボート
と呼ばれる保持具が使用されることもある。このリング
ボートは、支柱に形成された溝にウエハを保持させるの
ではなく、前記溝にリングを保持させ、このリングの上
にウエハを保持させる構造であり、ウエハの周縁部とリ
ングとが面で接触するためウエハの内部応力が緩和さ
れ、従ってスリップの発生を抑えることができる。
【０００９】しかしながらリングボートは製作が面倒で
高価であり、しかもウエハ移載の着脱時にラダーボート
の場合のようにロボット搬送アームを支柱の間から進入
させることができないので、さらに下からウエハを突き
上げるための機構が必要であり、搬送系が複雑になると
いう課題もある。更にまたボート構造を変更しなくとも
スリップを防止することが要望されている。
【００１０】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、その目的はウエハを熱処理するにあたっ
てスリップの発生を防止することのできる熱処理方法を
提供することにある。
【００１１】
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、多数
のシリコンウエハからなる被処理体を互いに間隔をおい
て保持具に保持させ、この保持具を９００℃よりも低い
温度に設定された熱処理炉内に搬入して被処理体に対し
て熱処理する方法において、前記被処理体を熱処理炉内
に搬入した後熱処理温度まで昇温させる工程は、熱処理
炉内の熱処理領域の温度が約９００℃よりも高くなった
後段階的に昇温速度を小さくする工程を含むことを特徴
とする。
【００１３】請求項２の発明は、各々長さ方向に間隔を
おいて多数の溝が形成された複数の支柱を備えた保持具
を用い、多数のシリコンウエハからなる被処理体を各溝
に支持させて上下に棚状に並べて９００℃よりも低い温
度に設定された縦型の熱処理炉内に搬入し、被処理体に
対して熱処理を行う方法において、前記熱処理炉内を熱
処理温度まで昇温させる工程は、前記被処理体を熱処理
炉内に搬入した後高速に昇温させ、熱処理領域の温度が
９００℃に至るまでの昇温速度よりも、前記温度が９０
０℃から処理温度に至るまでの昇温速度の方が小さい工
程であることを特徴とする。
【００１４】請求項３の発明は、各々長さ方向に間隔を
おいて多数の溝が形成された複数の支柱を備えた保持具
を用い、多数のシリコンウエハからなる被処理体を各溝
に支持させて上下に棚状に並べて縦型の熱処理炉内に搬
入し、被処理体に対して熱処理を行う方法において、被
処理体の配列ピッチを３／１６インチ以上とし、熱処理
炉内の熱処理領域の温度が９００〜９８０℃においては
昇温速度が１４℃／分以下の低速で昇温させ、前記温度
が９８０℃〜１１００℃においては、昇温速度が６℃／
分以下であることを特徴とする熱処理方法。請求項４の
発明は、各々長さ方向に間隔をおいて多数の溝が形成さ
れた複数の支柱を備えた保持具を用い、多数のシリコン
ウエハからなる被処理体を各溝に支持させて上下に棚状
に並べて縦型の熱処理炉内に搬入し、被処理体に対して
熱処理を行う方法において、前記熱処理炉内を熱処理温
度まで昇温させる工程は、前記被処理体を熱処理炉内に
搬入した後高速に昇温させ、所定の温度以上では低速で
昇温させる工程を含み、被処理体の配列ピッチを３／８
インチ以上とし、熱処理炉内の熱処理領域の温度が９０
０〜９８０℃においては昇温速度が１９℃／分以下の低
速で昇温させ、前記温度が９８０℃〜１１００℃におい
ては、昇温速度が８℃以下であることを特徴とする。
【００１５】
【作用】ウエハの熱処理時におけるスリップは、ある程
度高温になったところで熱歪応力が大きくなると起こる
と考えられ、本発明者の実験では９００℃を越えた温度
範囲では、かなり緩やかに昇温させなければスリップが
見られた。ここで高温領域とはいっても例えば９００〜
９８０℃とそれ以上の温度範囲とでは、限界の昇降温速
度パターンが異なり、またこれはウエハの配列ピッチに
より左右される。
【００１６】そこで請求項１の発明のように配列ピッチ
をある値に設定し、高温領域にて概ねの限界の昇降温速
度パターンを求めて熱処理すれば効率よく昇降温させる
ことができて高いスループットが得られ、かつスリップ
の発生も防止できる。そしてスリップの発生が起こらな
い限界の昇降温速度は高温になる程小さくなるので、９
００℃以上の高温領域では例えば１３℃／分、５℃／分
といった具合に２段階で昇温させれば、スリップの発生
なくして効率よくプロセスを行うことができる。
【００１７】
【実施例】図１は本発明方法を実施するための縦型熱処
理装置の全体構成を示す図である。図１中２０は縦型熱
処理炉であり、反応管２の周囲に均熱管２１を介して加
熱部３を設けて構成される。反応管２は、例えば上端が
閉塞し下端が開口している耐熱性耐蝕性材料例えば石英
チューブよりなり、更に前記反応管２を囲むように例え
ば石英よりなる均熱管２１が設けられている。加熱部３
は均熱管２１を囲むように断熱体３１の内周面に、抵抗
発熱線３２を上下に繰り返し屈曲させながら周方向に沿
って設けた加熱ブロックを複数段配列して構成される。
抵抗発熱線３２の材料としては高速昇降温を可能とする
ため例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）を用いる
ことができ、こ熱線３２によれば反応管２内を５０〜１
００℃／分の高速な昇温速度で昇温させることができ
る。
【００１８】前記反応管２には、図示しないガス供給源
に接続された処理ガス供給管４１が突入して設けられ、
その先端は反応管２の天井面に対向する位置まで伸びて
いる。また反応管２には、真空ポンプ４２に接続された
排気管４３が設けられている。
【００１９】前記反応管２の下部側には、ボートエレベ
ータ５１の上に搭載された蓋体５２が設けられており、
この蓋体５２は上限位置にあるときには反応管２の下端
開口部を気密に閉塞する役割をもつものである。前記蓋
体５２には保温筒５３を介して保持具であるラダーボー
ト６が搭載されている。前記ラダーボート６は、図２に
示すように、上下に互いに対向配置された天板６１、底
板６２の間に、例えば石英よりなる４本の支柱６３〜６
６が設けられ、そのうちの２本の支柱６３、６４につい
てはウエハＷの進入方向手前側の左右位置を夫々支持
し、また残り２本の支柱６５、６６については、ウエハ
Ｗの進入方向奥側の左右位置をそれぞれ支持するような
位置関係に配置されている。
【００２０】そして、各支柱６３〜６６は、図３に示す
ように各ウエハＷが挿入されてその周縁部下面を支持す
るようにウエハＷの厚さよりも若干上下の幅が長い溝６
７が形成されており、手前側の２本の支柱６３、６４の
間から搬送アーム６０により溝６７に対してウエハＷの
着脱が行われる。またこの実施例では図３に示すように
溝部６７のピッチｄは３／１６インチとされており、各
溝６７にウエハＷを挿入したときのウエハＷの配列ピッ
チ（上下に並ぶウエハＷの底面（あるいは表面）同士の
距離）は３／１６インチとなる。
【００２１】縦型炉本体の上端部及び下端部には、夫々
加熱部３と反応管２との間に開口する吸気路７１及び排
気路７２が配設されており、これらは例えば反応管２の
周方向４ヶ所に形成されている。前記吸気路７１及び排
気路７２には夫々図示しない送風ファン、排風ファンが
設けられており、反応管２内を強制的に冷却する強制冷
却手段を構成している。
【００２２】次に上述の熱処理装置を用いて行う本発明
の熱処理方法の実施例について説明する。先ず反応管２
内を温度４００℃に設定し、例えば６０枚のウエハＷを
ラダーボート６に載せてボートエレベータ５１により反
応管２内に下端開口部から搬入する。ここでラダーボー
ト６の溝６７のピッチは例えば３／１６インチであり、
この例のように各溝６７にウエハＷを保持させた場合ウ
エハＷの配列ピッチは３／１６インチである。
【００２３】次いで抵抗発熱線３２への供給電力を制御
して反応管２内の熱処理領域が図４に示すように約９０
０℃の温度になるまでは例えば３４℃／分もの高速で反
応管２内を昇温させる。なおここでいう反応管２内の熱
処理領域が約９００℃であるとは、ラダーボート６に載
せられたウエハＷ列のうちダミーウエハを除く被処理体
としてのウエハＷが配列されている領域は完全に均一な
温度ではないため、ウエハＷの置かれている領域の温度
がその温度分布を考慮した程度の温度、例えば９００℃
に温度分布の温度差分を加算または差し引いた程度の温
度である。以後の説明で反応管２内の温度を示すときは
（「約」を付すか否かにかかわらず）同様の意味であ
る。また３４℃／分の昇温速度は制御系の設定値ではな
く反応管２内の熱処理領域の実際の昇温速度である。
【００２４】そして反応管２内の熱処理領域の温度が９
００℃に達した後は段階的に又は連続的に昇温速度を小
さくする。例えば９００℃〜９８０℃の間では後述のよ
うに９℃／分以上例えば１０℃／分程度の低速の昇温速
度で、更に９８０℃を越えた後１１００℃までは５℃／
分程度の昇温速度で反応管２内を昇温させる。反応管２
内が例えば約１１００℃の熱処理温度になった後所定の
酸化処理ガス例えばＯ2 ガス及びＨＣｌガスをガス供給
管４３を通じて反応管２内に供給すると共に排気管４１
より排気して反応管２内を圧力例えば常圧を維持した状
態でウエハＷに対して酸化処理を行う。
【００２５】予め定められた期間の処理終了後次のプロ
セス終了の工程を実行する。例えば反応管２内を不活性
ガス例えばＮ2 ガスによりパージすると共に図４に示す
ように反応管２内を降温速度例えば８℃／分程度で９８
０℃まで降温させ、続いて１５℃／分程度の降温速度で
９００℃まで降温させる。その後強制冷却手段の吸気路
７１より強制的に反応管２と加熱部３との間に送風して
反応管２内を強制的に冷却し、例えば３０℃／分程度の
降温速度で４００℃まで降温し、ラダーボート６を反応
管２より搬出させる。
【００２６】上述の熱処理方法によれば以下の実験結果
からもわかるようにウエハＷにスリップが発生しない
し、また高いスループットが得られる。即ちウエハＷと
して６インチウエハを用い、ラダーボート６におけるウ
エハＷの配列ピッチを３／１６インチに設定し、昇温速
度パターンを種々変更して各昇温速度パターン毎にスリ
ップの発生の有無を調べた。昇温速度についてはウエハ
Ｗの搬入時（４００℃）から９００℃までを高速例えば
３０℃／分程度で昇温し、９００℃以上では低速で昇温
している。温度範囲、昇温速度及びスリップの有無を表
１に示す。ただし昇温速度の測定にあたっては、例えば
ラダーボート６の溝の並びの下から１０段目及び３１段
目（表１の左欄にて「１０」、「３１」として示してあ
る）のウエハについて、周縁から内側１０ｍｍの線上で
周方向に４等分した個所と中心点との合計４ヶ所の温度
を熱電対により測定してその平均を求めている。
【００２７】
【表１】 このように昇温速度パターンを種々変えてスリップの発
生の有無を調べることにより、適切な昇温速度パターン
がわかる。即ち表１からわかるように、ＲＵＮ１では９
００〜１１００℃まで１３℃／分（１０枚目と３１枚目
との昇温速度のうち早い方を取り上げている）の昇温速
度で昇温させるとスリップが発生するがＲＵＮ３のよう
に９８０℃以上の昇温速度を６℃／分まで遅くするとス
リップが発生しない。そして９００〜９８０℃ではＲＵ
Ｎ４、ＲＵＮ５により昇温速度を１４℃／分まで早くし
てもスリップが発生しない。従って９００〜９８０℃及
び９８０〜１１００℃の昇温速度が夫々１４℃／分以下
及び６℃／分以下であればスリップが発生せず、このよ
うに９００℃以上の温度帯域において段階的に昇温速度
を遅くして（上述実施例では２段階で遅くしている）、
スリップの発生しない概ねの限界昇温速度パターンを予
め調べ、これに基づいて昇温速度を設定することによ
り、高いスループットを得ながらスリップを防止するこ
とができる。
【００２８】ここで９００℃以下の温度領域では例えば
４３℃／分もの高速で昇温してもスリップが起こらな
い。これは、本発明者の予備実験において９００℃付近
を越えたところから昇温速度の影響が大きくでてくるこ
とを把握していることに基づいている。従ってラダーボ
ートを反応管２内に搬入後９００℃になるまでは高速に
昇温し、９００℃以上では低速でかつ段階的に昇温させ
ることが高いスループットを確保する上で必要である。
【００２９】なお降温過程においては昇温の場合と同様
の傾向にあると推測される。降温速度の制御は難しいた
め、限界の降温速度については十分調べていないが、強
制冷却手段の風量を調節するなどして限界の降温速度パ
ターンを求めることが好ましい。
【００３０】また上述のように９００℃以上になると昇
温速度を遅くしなければならない理由は、シリコンの融
点が１４１０℃であり、９００℃付近を越えるとシリコ
ン基材が内部応力に敏感になると共に、その度合いは温
度が高くなる程大きくなり、このため昇温速度を小さく
抑えないとスリップが発生するものと考えられる。
【００３１】次にウエハＷとして同様に６インチウエハ
を用い、ラダーボートにおけるウエハＷの配列ピッチを
３／８インチに設定し、上述と同じ装置を用いて、昇温
速度パターンを種々変更して各昇温速度パターン毎にス
リップの発生の有無を調べた。その結果を表２に示す。
ただしウエハＷの配列ピッチが３／８インチであると
は、前記ラダーボートを用いて１段おきにウエハＷを配
列したものである。
【００３２】
【表２】 この表２のＲＵＮ２、３からわかるように９８０℃〜１
１００℃では昇温速度が８℃／分以下であればスリップ
が発生しない。また表２のＲＵＮ４、５からわかるよう
に昇温速度が１９℃／分であればスリップが発生しな
い。ここでラダーボートにおけるウエハの配列ピッチが
３／１６インチの場合とその２倍の３／８インチの場合
とを比較すると、３／８インチに設定すればスリップの
起こらない昇温速度の限界が大きくなり、従ってスリッ
プの発生防止の確実性からすればウエハの配列ピッチを
広くした方が有効であることが理解される。その理由に
ついてはウエハ同士の間隔を広げることにより、周囲の
加熱部３からの輻射熱がウエハの中心部側まで直接届く
ので過渡的にウエハの面内温度均一性が高くなるからで
あると推察される。なお上述の実験データからすればウ
エハの配列ピッチが３／１６インチ以上の場合及び３／
８インチ以上の場合には夫々既述の概ねの限界の昇温速
度よりも小さい昇温速度で昇温させればスリップの発生
は防止できる。
【００３３】このようにウエハの配列ピッチにより昇温
速度の限界が変わるのでウエハの配列ピッチに対して昇
温速度パターンを種々変えてその限界を見い出し、限界
昇温速度パターンに基づき昇温速度パターンを設定して
熱処理装置を運転すれば、ウエハの移載が面倒で高価な
リングボートを用いなくても、ウエハの移載が容易で安
価なラダーボートを用いながら、高いスループットで処
理しつつスリップの発生を防止できる、工業上有利な熱
処理方法を実施することができる。そして限界昇温速度
は特に９００℃を越えると小さくなり、かつ温度が高い
程小さくなっていくため９００℃までは高速で昇温しそ
の後は段階的に昇温速度を小さくしていくことがスリッ
プの発生を防止しかつ高いスループットを得る上で望ま
しい。今後熱処理装置の改良が進み、より高速に昇降温
させることができるようになっていくと予想されるが、
本発明方法はこのような装置を活用するにあたり有効な
方法である。ただし本発明はラダーボートに限らずリン
グボートを用いる場合に適用してもよい。
【００３４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、多数のウ
エハを熱処理炉内に搬入して熱処理するにあたり、スリ
ップの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施例に用いられる縦型熱処理装
置の一例を示す断面図である。
【図２】ラダーボートの一例を示す斜視図である。
【図３】ラダーボートの一部を示す断面図である。
【図４】本発明方法の実施例における縦型熱処理炉内の
昇温速度パターンを示す特性図である。
【符号の説明】
２ 反応管 ２０ 縦型熱処理炉 ３１ 加熱部 ３２ 抵抗発熱線 ４１ ガス供給管 ４２ 排気管 ６ ラダーボート ６３〜６６ 支柱 ６７ 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−6894（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−37028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−128623（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/22 H01L 21/324

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多数のシリコンウエハからなる被処理体
    を互いに間隔をおいて保持具に保持させ、この保持具を
    ９００℃よりも低い温度に設定された熱処理炉内に搬入
    して被処理体に対して熱処理する方法において、 前記被処理体を熱処理炉内に搬入した後熱処理温度まで
    昇温させる工程は、熱処理炉内の熱処理領域の温度が約
    ９００℃よりも高くなった後段階的に昇温速度を小さく
    する工程を含むことを特徴とする熱処理方法。
  2. 【請求項２】 各々長さ方向に間隔をおいて多数の溝が
    形成された複数の支柱を備えた保持具を用い、多数のシ
    リコンウエハからなる被処理体を各溝に支持させて上下
    に棚状に並べて９００℃よりも低い温度に設定された縦
    型の熱処理炉内に搬入し、被処理体に対して熱処理を行
    う方法において、 前記熱処理炉内を熱処理温度まで昇温させる工程は、前
    記被処理体を熱処理炉内に搬入した後高速に昇温させ、
    熱処理領域の温度が９００℃に至るまでの昇温速度より
    も、前記温度が９００℃から処理温度に至るまでの昇温
    速度の方が小さい工程であることを特徴とする熱処理方
    法。
  3. 【請求項３】 各々長さ方向に間隔をおいて多数の溝が
    形成された複数の支柱を備えた保持具を用い、多数のシ
    リコンウエハからなる被処理体を各溝に支持させて上下
    に棚状に並べて縦型の熱処理炉内に搬入し、被処理体に
    対して熱処理を行う方法において、 被処理体の配列ピッチを３／１６インチ以上とし、熱処
    理炉内の熱処理領域の温度が９００〜９８０℃において
    は昇温速度が１４℃／分以下の低速で昇温させ、前記温
    度が９８０℃〜１１００℃においては、昇温速度が６℃
    ／分以下であることを特徴とする熱処理方法。
  4. 【請求項４】 各々長さ方向に間隔をおいて多数の溝が
    形成された複数の支柱を備えた保持具を用い、多数のシ
    リコンウエハからなる被処理体を各溝に支持させて上下
    に棚状に並べて縦型の熱処理炉内に搬入し、被処理体に
    対して熱処理を行う方法において、 前記熱処理炉内を熱処理温度まで昇温させる工程は、前
    記被処理体を熱処理炉内に搬入した後高速に昇温させ、
    所定の温度以上では低速で昇温させる工程を含み、 被処理体の配列ピッチを３／８インチ以上とし、熱処理
    炉内の熱処理領域の温度が９００〜９８０℃においては
    昇温速度が１９℃／分以下の低速で昇温させ、前記温度
    が９８０℃〜１１００℃においては、昇温速度が８℃以
    下であることを特徴とする熱処理方法。
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