JP3504784B2 - 熱処理方法 - Google Patents

熱処理方法

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JP3504784B2
JP3504784B2 JP25672595A JP25672595A JP3504784B2 JP 3504784 B2 JP3504784 B2 JP 3504784B2 JP 25672595 A JP25672595 A JP 25672595A JP 25672595 A JP25672595 A JP 25672595A JP 3504784 B2 JP3504784 B2 JP 3504784B2
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    • C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
    • C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
    • C30B31/14—Substrate holders or susceptors

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】例えばＬＳＩ等の半導体デバイスがその
表面に形成される半導体ウエハ（以下、「ウエハ」とい
う）の製造工程を例にとって説明すると、従来からウエ
ハ表面に酸化膜を形成したり、ドーパントの拡散を行う
ためにウエハに対して熱処理を施すプロセスが行われて
おり、かかる熱処理にあたっては、外気巻き込みが少な
くかつ省スペース化を図ることができる、いわゆる縦型
熱処理装置が多く使用されている。
【０００３】前記縦型熱処理装置は一般に、垂直に配置
された加熱用の管状炉の中に反応空間を内部に形成する
反応管を設け、被処理体であるウエハはウエハボートと
呼ばれる石英製の搭載治具に水平状態で上下に間隔をお
いて所定枚数（例えば１００枚）搭載され、適宜の昇降
機構によってこのウエハボートごと反応管内にロード・
アンロードされるように構成されている。
【０００４】そして処理にあたってはまず前記反応管を
処理温度よりも低い温度、例えば４００゜Ｃに加熱して
おき、前記搭載治具を反応管内にロードした後、この反
応管内を所定の処理に必要な減圧度、例えば０．５Ｔｏ
ｒｒにまで減圧し、さらに所定の昇温速度、例えば５０
℃／分以上の速さで反応空間内を所定の処理温度、例え
ば８００゜Ｃにまで昇温させ、この温度を維持して例え
ばウエハ表面にシリコン酸化膜を形成させ、成膜後は、
所定の速度で再び４００゜Ｃにまで降温させてから、反
応管からアンロードするようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウエハ
を反応管内にロードした後、処理減圧度雰囲気下で反応
管内を急速に、例えば５０゜Ｃ／分以上の速度で昇温さ
せると、ウエハの周縁部側と中央部とに温度差が生じ、
この面内温度差によってウエハ表面にスリップと呼ばれ
る一種の結晶断層が生じたり、ウエハ自体に反りが発生
したりする。このようなウエハ上の欠陥があると、即歩
留まりの低下につながってしまう。
【０００６】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、ウエハなどの被処理体をウエハボートなどの搭載
治具に搭載したまま、これを熱処理空間に納入して、所
定の処理温度にまで急速に昇温させるにあたり、被処理
体の面内温度差を抑制させることのできる熱処理方法を
提供して、叙上のスリップや被処理体の反りなどの発生
を防止して、歩留まりの向上を図ることをその目的とす
るものである。
【０００７】発明者の知見によれば、前記した面内温度
差は次のようにして発生すると考えられる。まずロード
時については、反応管内よりも低い温度のウエハ及びウ
エハボートが反応管内にロードされて急激に高温に曝さ
れるため、反応管周囲のヒータの輻射熱により、まず周
縁部側から昇温されるので、ウエハボートに支持されて
いるウエハの周縁部の方が高温となる。
【０００８】そこで本発明では、反応空間内の熱伝達率
を向上させることによって、面内温度差を小さく抑えよ
うとするものであり、具体的には次のような構成を有す
る熱処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】まず請求項１の熱処理方法は、熱処理を施
す如く構成された反応空間内に被処理体を納入し、前記
反応空間内を５０℃／分以上の速さで昇温させる過程を
経てこの反応空間内を所定の熱処理温度にまで加熱し、
前記被処理体に所定の減圧度で熱処理を施す方法におい
て、前記処理時の減圧度よりも高い圧力の下で、前記反
応空間内を昇温させることを特徴としている。
【００１０】ヒータなどの加熱源と反応空間内の被処理
体との間の熱移動は、反応空間雰囲気を介した放射、対
流並びに伝導によって行われるが、減圧度（真空度）が
高いほど、対流、伝導による熱移動は小さくなってしま
う。したがって請求項１に記載したように、昇温時に圧
力調整して、所定の処理温度にまで５０゜Ｃ／分以上の
速さで昇温させる間は、処理時よりも減圧度を抑えてお
き（常圧に近づけておき）、所定の処理温度に達した後
に減圧するようにすれば、反応空間内の対流、伝導によ
る熱移動の減少を抑えて熱伝達率を向上させることがで
き、被処理体の面内温度差を小さく抑えることができ
る。
【００１１】請求項２の熱処理方法では、前記反応空間
をＨ2（水素ガス）又はＨｅ（ヘリウム）ガス雰囲気に
して昇温させることを特徴としている。Ｈ2（水素ガ
ス）は空気、及びＮ2（窒素ガス）、Ａｒ（アルゴン）
ガスよりも熱伝導率が１ケタ高いので（空気：０．０２
２〜０．０６９、Ｎ2：０．０２４〜０．０３８、Ａｒ
ガス：０．０１４〜０．０２１、Ｈ2：０．１４４〜
０．２３４［kcal/mh゜C］）、反応空間内をＨ2（水素ガ
ス）雰囲気にして昇温させることにより、反応空間内の
気体の熱伝達率を高めて被処理体の面内温度差を抑制す
ることが可能になる。またＨ2（水素ガス）に替えて、
Ｈｅ（ヘリウム）ガスを用いても、これと同等な効果が
得られる。
【００１２】 請求項３の熱処理方法のように，前記被
処理体は，治具に搭載されて前記反応空間内に納入さ
れ，被処理体と接触する前記治具の表面粗さを５０μｍ
以下としてもよい。
【００１３】 従来この種の搭載治具の表面粗さは、１
００μｍ程度であったが、請求項３のように，被処理体
と接触する治具の表面粗さを細かくして５０μｍ（５０
Ｒａ）以下にすれば、前記被処理体と治具との実際の接
触面積が増大し、治具からの接触による熱伝達率が向上
し、被処理体の面内温度差を小さく抑制することができ
る。前記熱処理方法において，前記被処理体は，その周
縁部が前記治具のリング状の載置台に接触して保持され
た状態で納入され，前記載置台の周縁部は，被処理体の
表面よりも高く形成され，前記載置台は，内周側より外
周側寄りの方が厚くなっていてもよい。また，前記熱処
理後，強制冷却手段によって，前記反応空間を強制冷却
してもよい。
【００１４】なお前記した各請求項ごとの熱処理方法
は、各々単独でも被処理体の面内温度差を小さく抑制す
る効果が得られるが、これら各請求項ごとの熱処理方法
を適宜２以上組み合わせて熱処理を実施すれば、面内温
度差を小さく抑制する効果はさらに顕著なものになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明すると、図１は本実施の形態にかか
る熱処理方法を実施するための縦型熱処理装置１の全体
の断面を模式的に示しており、本実施の形態にいて被処
理体に対して熱処理を施す如く構成される反応空間Ｓ
は、反応管２の内部に形成され、この反応管２自体は、
例えば石英によって構成された略筒状の内管２ａと、上
端が略ドーム型に閉口した外管２ｂとによって構成され
ている。
【００１６】前記反応管２の周囲には、前記反応空間Ｓ
内を所定の温度にまで昇温させるための加熱部１０が配
置されている。この加熱部１０は、図２に示したよう
に、断熱体１１の内周面に、抵抗発熱線１２を適宜屈曲
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
配列して構成されている。前記抵抗発熱線１２として
は、例えばＭｏＳｉ2（二ケイ化モリブデン）を用いる
ことができ、その場合には、前記反応管２内の反応空間
Ｓを５０〜１００゜Ｃ／分の高速なスピードで昇温させ
ることが可能である。
【００１７】前記反応管２は、ベースプレート（図示せ
ず）に固定された、例えばステンレスなどからなる金属
製のマニホールド２０によって、例えばＯリング（図示
せず）を介するなどして気密に接合、支持されている。
このマニホールド２０の側壁には、バルブ２１、マスフ
ローコントローラ２２を介して所定のガスを供給するガ
ス供給源２３に接続されているガス供給管２４が貫設さ
れており、さらにこのガス供給管２４は、前記反応管２
の内管２ａ内で上方側に屈曲し、その先端部に形成され
ている供給口２４ａは、後述のウエハボート４１の下端
付近に位置している。
【００１８】前記マニホールド２０には、ターボ分子ポ
ンプなどの排気手段２５が介装された排気管２６が接続
されており、前記反応管２内の反応空間Ｓを真空引きし
て所定の減圧度設定、維持させることが可能なように構
成されている。さらにこのマニホールド２０の下端開口
部周縁には、フランジ部２７が形成されており、このフ
ランジ部２７と昇降台３１に設けられた蓋体３２とが密
着することによって、前記反応管２は閉塞されるように
構成されている。
【００１９】そして被処理体であるウエハＷは、前記昇
降台３１によって上下動されるウエハボート４１に搭載
されて、前記反応管２内の反応空間Ｓに対してロード・
アンロードされるようになっている。
【００２０】即ち前記昇降台３１には回転駆動機構３３
が設けられており、さらにこの回転駆動機構３３によっ
て回転自在に構成されるターンテーブル３４の上面に保
温筒３５が設けられ、この保温筒３５の上にウエハＷ搭
載用の前記ウエハボート４１が配置されるのである。
【００２１】前記ウエハボート４１は、図３に示したよ
うに、例えば周方向に４本配置された石英製の支柱４２
に、熱容量の大きな材質、例えば石英製のリング状の載
置台４３が上下方向に所定間隔の下で配列されて構成さ
れており、被処理体であるウエハＷは、その周縁部がこ
れら各載置台４３に接触して保持された状態で搭載され
る。また前記載置台４３は、同図に示したように、前出
加熱部１０からの熱線がウエハＷの周縁端面部に入射し
ないように、その周縁部がウエハＷの表面よりも若干高
く形成され、かつ載置台４３自体の厚さは内周側より外
周側寄りの方が厚くなっている方が好ましいが、同一厚
さでもよい。
【００２２】そして前記載置台４３における上面、即ち
ウエハＷの下面と接触する載置面４３ａの表面の粗さ
は、１０μｍ（１０Ｒａ）の仕上げになっている。即ち
図４に示したように、表面の最頂部と最底部との間の距
離が１０μｍとなるように、非常に目の細かい表面とな
るように加工されている。
【００２３】前記加熱部１０の下端部と反応管２との間
には、シャッタ５１を介して装置の外部に開口するかあ
るいは送気ファン５２に連通する吸気管５３が、例えば
反応管２の周方向に４カ所形成されており、さらにこの
吸気管５３の先端にはノズル５４が設けられている。
【００２４】他方この加熱部１０の上面には、排気ダク
ト５５に連通する排気口５６が形成されており、この排
気ダクト５５には、前記排気口５６を開閉するために支
軸５７を支点として回動するシャッタ５８が設けられ、
さらに下流側には、熱交換器５９、送気ファン６０が設
けられており、工場などの集中排気路へと排気されるよ
うに構成されている。これらはウエハＷに対して所定の
熱処理が完了した後、反応管２内を強制冷却するための
強制冷却手段となるものである。
【００２５】本実施の形態を実施するための縦型熱処理
装置１は、以上のように構成されており次にこの縦型熱
処理装置１を使用して、ウエハＷに対して例えば酸化膜
形成のための熱処理を行う場合について説明すると、ま
ず加熱部１０によって反応管２内の反応空間Ｓを４００
゜Ｃに設定しておく。そして被処理体であるウエハＷが
所定枚数、例えば１００枚搭載されたウエハボート４１
を、昇降台３１によって上昇させてウエハＷを反応管２
の反応空間Ｓ内にロードし、フランジ部２７と蓋体３２
とを密着させる。
【００２６】そして加熱部１０の抵抗発熱線１２によっ
て昇温させ、処理温度である例えば８５０゜Ｃ〜９００
゜Ｃにまで反応空間Ｓの温度を上昇させ、その後所定の
熱処理、例えば酸化膜形成処理などを実施するのである
が、この場合、反応空間Ｓ内の減圧度を、処理時の減圧
度よりも緩和して（常圧に近づけて）昇温させれば、ウ
エハＷの面内温度差を小さく抑制して、結晶欠陥である
スリップやその他ウエハＷの反りの発生を抑えることが
できる。即ち従来の方法では、予め所定の処理減圧度、
例えば０．５ｔｏｒｒに設定維持してから減圧するよう
にしていたが、昇温中は、一旦反応管２内を例えば１０
ｔｏｒｒにまで落として圧力調整して昇温させることに
より、反応管２の反応空間Ｓ内の熱伝達率を従来よりも
向上させることができ、その結果この反応空間Ｓ内に存
在している被処理体であるウエハＷの面内温度差を抑制
することができるのである。
【００２７】また前記昇温の際に、反応管２内に水素ガ
スを供給し、反応空間Ｓ内を水素ガス雰囲気にして、昇
温させるようにしても、ウエハＷの面内温度差を小さく
抑制することができる。
【００２８】発明者の知見によれば、処理温度が高くな
るにつれてスリップ等の欠陥が発生する面内温度差の値
が小さくなる。即ち許容面内温度差のレベルが小さくな
る。これを例えば図５に示したグラフに基づいて説明す
ると、同グラフ中の破線Ｘで示される値よりも面内温度
差が大きくなると熱歪みなどの何らかの悪影響が発生す
るおそれがあり、また同グラフ中の実線Ｙで示される値
よりも面内温度差が大きくなるとスリップが発生する。
したがって、前記実線Ｙを越えない範囲、好ましくは破
線Ｘを越えない範囲に面内温度差を抑える必要がある。
【００２９】この点、前記プロセスのように水素ガス雰
囲気を使用せず例えばＮ2ガスなどによって反応管２内
の反応空間Ｓを単なる不活性雰囲気とし、かつウエハボ
ート４１におけるウエハＷとの接触部分の表面粗さを
６．３Ｒａにして、圧力調整のみによって前記した高速
昇温させた場合の結果をみると、図６の表に示した結果
が得られている。
【００３０】これによれば、従来のように処理減圧度付
近である０．５ｔｏｒｒの減圧度のまま４００゜Ｃから
処理温度である８５０゜Ｃにまで昇温させると、面内温
度差は最大で３３．７゜Ｃにもなってしまい、前記した
図５のグラフにおける破線Ｘの範囲を大きく越えてしま
う。
【００３１】ところが前記した本実施の形態のプロセス
のように、反応空間Ｓ内を１０ｔｏｒｒにまで落とした
まま同一条件で昇温させた場合には、最大面内温度差は
２２゜Ｃにまで抑えられており、前記破線Ｘの範囲を越
えることはなく、スリップはもちろんのこと、熱歪みそ
の他ウエハの反りが発生することもない。従って、従来
よりも面内温度差が抑制されて、その分スリップやウエ
ハの反りの発生が抑えられることがわかる。もちろんウ
エハボート４１におけるウエハＷとの接触部分の表面粗
さを従来程度（１００μｍ）にしたまま圧力調整のみに
よって前記した高速昇温させた場合にも、面内温度差を
抑えることが可能である。
【００３２】この場合、さらに反応空間Ｓ内に水素ガス
を供給して水素ガス雰囲気にし、またウエハＷと接触し
ている前記載置台４３の載置面４３ａの表面の粗さを細
かくすれば、反応空間Ｓ内におけるウエハＷへの熱伝達
率がより一層向上し、それによってウエハＷに発生する
面内温度差をさらに小さく抑えることができる。
【００３３】このことをより詳述すれば、ウエハＷと載
置台４３との接触面積をＡ、また実際の接触状況は図４
に示したようになっているので、そのときの真実接触面
積をＡｃ、そのときの空隙部の面積をＡｖ、空隙厚さを
Ｌｇ（図４参照）、ウエハＷの熱伝導率をＫａ、載置台
４３の熱伝導率をＫｂ、空隙部の気体熱伝導率をＫｆと
すると、ウエハＷと載置台４３との接触熱伝達率Ｈｃは
次式によって与えられる。即ち、 Ｈｃ＝(１/Ｌｇ) [{(Ａｃ/Ａ) (２ＫａＫｂ)/(Ｋａ+Ｋ
ｂ)}+(Ａｖ/Ａ) Ｋｆ] である。
【００３４】従って載置台４３の載置面４３ａの表面の
粗さを細かくすれば、ウエハＷと載置台４３との真実接
触面積Ａｃが増大し、また一方空隙部の気体、即ち反応
管２の反応空間Ｓ内のガスを熱伝導率の高い水素ガスを
使用すると、空隙部の気体熱伝導率をＫｆは大きくな
る。
【００３５】その結果、ウエハＷと載置台４３との接触
熱伝達率Ｈｃは、この両者によって大きく向上し、その
結果、前記した圧力調整による熱伝達率の向上と相俟っ
て、全体として極めて高い熱伝達率が得られる。従っ
て、ウエハＷにおける面内温度差は従来よりも大幅に抑
制され、スリップはもちろんのこと、その他ウエハ自体
の反りなども防止することができ、その結果歩留まりを
向上させることが可能である。
【００３６】なお前記した実施の形態においては、昇温
時の減圧度の緩和、水素ガスの供給による水素ガス雰囲
気での昇温、載置台４３の載置面４３ａの表面の粗さを
細かくしてのウエハＷとの真実接触面積の増大という３
つの点を全て採用して、昇温させるプロセスを採用した
が、もちろんこれに限らず、これら３つの特徴のうちの
１つだけを採用したり、あるいは任意の２つを組み合わ
せて採用しても、従来よりもスリップの発生やウエハの
反りを抑えることが可能である。
【００３７】また前記した実施の形態においては、反応
空間Ｓの気体の熱伝導率を高めるために水素ガスを用い
たが、これに代えてＨｅ（ヘリウム）ガスを用いても水
素ガスの場合とほぼ同等な熱伝達率の向上が図れる。
【００３８】また本発明は、叙上の如く５０℃／分以上
の高速昇温が可能であるから、高いスループットを企図
した熱処理方法、熱処理装置に対して特に有用であっ
て、全体として高スループットの下での歩留まりの向上
が図れるものである。
【００３９】なお前述の実施の形態は、ウエハＷに対し
て酸化処理を行う場合に適用した例であったが、本発明
はもちろんこれに限られるものではなく、ウエハやＬＣ
Ｄ基板を始めとする各種の被処理体に対して、所定の減
圧下で熱処理を施す場合に適用できるものである。
【００４０】
【発明の効果】請求項１によれば、反応空間内の対流、
伝導による熱移動の減少を抑えて熱伝達率を向上させ、
この反応空間内にある被処理体の面内温度差を抑制する
ことが可能であり、スリップや被処理体の反りなどを防
止して歩留まりを向上させることが可能である。
【００４１】請求項２によれば、反応空間内雰囲気の気
体の熱伝達率を高めて被処理体の面内温度差を抑制し、
スリップや被処理体の反りなどを防止して歩留まりを向
上させることが可能である。
【００４２】請求項３によれば、被処理体と接触する治
具の表面粗さを細かくして前記被処理体との実際の接触
面積を大きくさせているので、治具からの接触による熱
伝達率が向上し、この点から被処理体の面内温度差を抑
制してスリップや被処理体の反りなどを防止して歩留ま
りを向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を実施するために用いた縦
型熱処理装置の縦断面を模式的に示した説明図である。
【図２】図１の縦型熱処理装置における加熱部の斜視図
である。
【図３】図１の縦型熱処理装置で用いたウエハボートの
要部縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるウエハと載置台と
の接触部分の様子を示す拡大断面図である。
【図５】ウエハの面内温度差の許容範囲を示すグラフで
ある。
【図６】反応空間内を昇温させる場合において、反応空
間内圧力を変化させたときの最大面内温度差を示す図表
である。
【符号の説明】
１ 縦型処理装置 ２ 反応管 １０ 加熱部 １２ 抵抗発熱線 ２３ ガス供給源 ２４ ガス供給管 ２５ 排気手段 ４１ ウエハボート ４３ 載置台 Ｗ ウエハ

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱処理を施す如く構成された反応空間内
    に被処理体を納入し、前記反応空間内を５０℃／分以上
    の速さで昇温させる過程を経てこの反応空間内を所定の
    熱処理温度にまで加熱し、前記被処理体に所定の減圧度
    で熱処理を施す方法において、前記処理時の減圧度より
    も高い圧力の下で、前記反応空間内を昇温させることを
    特徴とする、熱処理方法。
  2. 【請求項２】 前記反応空間をＨ ２ （水素ガス）又はＨ
    ｅ（ヘリウム）ガス雰囲気にして昇温させることを特徴
    とする，請求項１に記載の熱処理方法。
  3. 【請求項３】 前記被処理体は，治具に搭載されて前記
    反応空間内に納入され， 前記被処理体と接触する前記治具の表面粗さを５０μｍ
    以下としたことを特徴とする，請求項１又は２のいずれ
    かに記載の熱処理方法。
  4. 【請求項４】 前記被処理体は，その周縁部が前記治具
    のリング状の載置台に接触して保持された状態で納入さ
    れ， 前記載置台の周縁部は，被処理体の表面よりも高く形成
    され， 前記載置台は，内周側より外周側寄りの方が厚くなって
    いることを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれか
    に記載の熱処理方法。
  5. 【請求項５】 前記熱処理後，強制冷却手段によって，
    前記反応空間を強制冷却することを特徴とする，請求項
    １，２，３又は４のいずれかに記載の熱処理方法。
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