JP3794816B2

JP3794816B2 - 真空熱処理方法

Info

Publication number: JP3794816B2
Application number: JP07497898A
Authority: JP
Inventors: 誠一高橋; 伸浅利; 賀文太田; 律子藤原; 芳雄砂賀
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: JPH11260738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空雰囲気内で処理対象物の熱処理を行う真空技術にかかり、特に、超高真空雰囲気を必要とする真空熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体ウェハ等の処理対象物を真空雰囲気中で熱処理するためには、熱処理室内に処理対象物を１００枚程度収容し、一括処理を行うバッチ方式の装置が主流となっている。そのような真空熱処理装置のうち、従来技術のものについて図４を参照しながら説明する。
【０００３】
図４の符号１０１は、従来の真空熱処理装置の一例であり、処理対象物(Ｓｉウェハ)上にＳｉエピタキシャル層を成長させるための装置である。
【０００４】
この真空熱処理装置１０１は、石英チューブから成る熱処理室１１２と、熱処理室１１２周囲に配置された発熱体１１５と、熱処理室１１２に気密に接続されたロードロック室１３２と、ロードロック室１３２にゲートバルブ１２２を介して接続された移載室１２１とを有している。
【０００５】
熱処理室１１２とロードロック室１３２とには、真空ポンプ１１４、１１９がそれぞれ接続されており、また、熱処理室１１２とロードロック室１３２との間には図示しないゲートバルブが設けられており、この真空熱処理装置１０１を使用する場合には、そのゲートバルブと上記ゲートバルブ１２２とを閉じ、真空ポンプ１１４、１１９を起動して、予め、熱処理室１１２内とロードロック室１３２内とを個別に真空排気しておく。このとき、発熱体１１５に通電して熱処理室１１２を昇温させておく。
【０００６】
熱処理室１１２内とロードロック室１３２内がそれぞれ高真空雰囲気に達した後、移載室１２５に設けられた扉１２１を開け、内部を大気に開放する。
【０００７】
その状態で処理対象物１１７を移載室１２５内に搬入し、扉１２１を閉じ、移載室１２１内に設けられた移載機によって、移載室１２１内に配置されたボード１１６上に処理対象物１１７を移載する。
【０００８】
このとき、ロードロック室１３２内に窒素ガスを導入し、ロードロック室１３２内の内部圧力が大気圧に達し、また、移載室１２１内での処理対象物１１７の移載が完了した後、ゲートバルブ１２２を開け、処理対象物１１７が搭載されたボート１１６をロードロック室１３２内に搬入する。
【０００９】
ゲートバルブ１２２を閉じた後、ロードロック室１３２内に充満する窒素ガスを真空排気し、内部が高真空状態に達した後、ロードロック室１３２と熱処理室１１２との間のゲートバルブを開け、処理対象物１１７が搭載されたボート１１６を熱処理室１１２に搬入する。
【００１０】
ゲートバルブを閉じた後、発熱体１１５への通電量を増加させ、処理対象物１１７を加熱する。処理対象物１１７が所定温度(８００℃〜９００℃)に達した後、熱処理室１１２内に水素ガスを導入し、処理対象物１１７表面の自然酸化膜を除去する。
【００１１】
次いで、発熱体１１５への通電量を制御し、処理対象物１１７を所定温度(５００℃〜１２００℃：ここでは７００℃)に設定した状態で、熱処理室１１２内に薄膜の原料ガスを導入し、ＣＶＤ反応により、処理対象物１１７表面にＳｉエピタキシャル層を成長させる。
【００１２】
上記のような真空熱処理装置１０１では、処理対象物１１７が水平な状態でＳｉエピタキシャル層が成長することから、膜厚が均一なＳｉエピタキシャル層を得ることが可能となっている。
【００１３】
ところで、高品質のＳｉエピタキシャル層を成長させるためには、熱処理室１１２内の水分量をできるだけ低下させることが望ましく、そのため、熱処理室１１２内の全圧を超高真空雰囲気程度になるまで真空排気した後、ＣＶＤ反応を行うことが必要になる。
【００１４】
図５のグラフに、温度７００℃での全圧と水分分圧の関係を示す。
このグラフの横軸は全圧、縦軸は水分分圧を示しており、水分分圧を１．５×１０^-6Ｐａにするためには、全圧を３×１０^-6Ｐａ程度の超高真空雰囲気にする必要があることがわかる。
【００１５】
ところが、Ｓｉバイポーラトランジスタでは、オートドーピングを抑制し、素子の高速化をはかるため、できるだけ低温でエピタキシャル成長をさせたいという要求がある。
【００１６】
図６のグラフに、Ｓｉエピタキシャル層の成長温度と水分分圧との関係を示す。
このグラフは、New York市大学のG.Ghidini らによる測定結果であり、横軸は温度Ｔの逆数に１０００を乗じた値、縦軸は水分の分圧を示している。ここで９００℃以上の水分の分圧は予想値である。
【００１７】
このグラフ中で、領域Ａは高品質のＳｉエピタキシャル層(Oxide Free Silicon)が得られる水分分圧及び温度の範囲であり、領域Ｂは低品質のＳｉエピタキシャル層(Oxidation Silicon)しか得られない範囲である。
【００１８】
高品質のＳｉエピタキシャル層を得るために、領域Ａの範囲でＣＶＤ反応を行おうとする場合、低温で成長させようとする程、水分分圧を低くする必要があり、従って、そのような低い水分分圧が得られまで全圧も低くする必要がある。
【００１９】
例えば７００℃程度の低温で成長させたい場合には、水分分圧を１．５×１０^-6Ｐａ程度にする必要があることから、熱処理室１１２内は、少なくとも圧力３×１０^-6Ｐａ以下の超高真空雰囲気にする必要があることがわかる。
【００２０】
上記従来技術の真空熱処理装置１０１でも、熱処理室１１２内は圧力３×１０^-6Ｐａ以下まで真空排気しており、従って、成長温度７００℃で高品質のＳｉエピタキシャル層が得られている。
【００２１】
しかしながら移載室１２５内に大気が充満した状態で、ロードロック室１３２が移載室１２５に接続されるため、ボート１１６の移動と共に、ロードロック室１３２内に若干の大気が侵入し、大気中の水分が、ロードロック室１３２の壁面に吸着しており、その状態のロードロック室１３２内を熱処理室１１２と同程度の高真空雰囲気にするため、真空排気に長時間を要している。
【００２２】
例えばロードロック室１３２内を１×１０^-7Ｐａ台の超高真空雰囲気にしようとすると、１時間程度の排気時間では到底足りず、逆に１時間程度の排気ではロードロック室１３２内を１×１０^-4Ｐａ程度の真空状態にすることしかできない。
【００２３】
更に、水分が吸着した状態の処理対象物１１７やボード１１６が熱処理室１１２内に搬入されるため、そこから脱離した水分が熱処理室１１２の雰囲気中に混入し、熱処理室１１２内の圧力を上昇させてしまう。従って、熱処理室１１２内を超高真空雰囲気に復帰させるためにも真空排気時間が必要になるという問題がある。
【００２４】
近年、増々低温でエピタキシャル成長を行いたいという要求があり、特に、Ｓｉバイポーラトランジスタでは、５５０℃程度の低温での成長が求められているが、上記従来技術の真空熱処理装置１０１では、真空排気時間が長時間になり過ぎるため、対応が困難になっていた。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、熱処理室を短時間で超高真空雰囲気にでき、生産性が高い真空熱処理装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、処理対象物を大気雰囲気から搬入できるように構成された移載室と、前記移載室に開閉可能な第１のゲートバルブを介して接続された第１のロードロック室と、前記第１のロードロック室に開閉可能な第２のゲートバルブを介して接続された第２のロードロック室と、前記第２のロードロック室に接続された熱処理室とを有し、前記第１、第２のロードロック室は真空排気可能に構成された真空熱処理装置を用い、前記移載室内に配置された処理対象物を前記第１のロードロック室と前記第２のロードロック室を通して前記熱処理室に移動させ、前記熱処理室内で前記処理対象物を熱処理する真空熱処理方法であって、前記第１のロードロック室には、加熱手段と気体を導入できるガス導入管とが設けられ、前記第１のロードロック室内に前記気体を導入した後、前記移載室内に配置された処理対象物を前記第１のロードロック室内に移動させ、前記第１のゲートバルブを閉じ、前記第１のロードロック室内を真空排気して１×１０^-4Ｐａの圧力に到達した後、前記加熱手段によって前記処理対象物を酸化が進行しない４００℃まで昇温させる真空熱処理方法である。
【００２７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の真空熱処理方法であって、前記第１、第２のロードロック室内を１×１０^-7Ｐａまで真空排気した後、前記第２のゲートバルブを開け、前記処理対象物を前記第１のロードロック室内から前記第２のロードロック室内に移動させる真空熱処理方法である。
【００２８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の真空熱処理方法であって、前記熱処理室内を１×１０^-7Ｐａ〜１×１０^-8Ｐの圧力にした後、前記第２のロードロック室から前記熱処理室内に前記処理対象物を移動させる真空熱処理方法である。
【００２９】
請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の真空熱処理方法であって、前記第２のロードロック室内から前記熱処理室内に前記処理対象物を移動させる際、前記熱処理室内と前記第２のロードロック室内に水素ガスを導入する真空熱処理方法である。
【００３０】
本発明は、上述のように構成されており、処理対象物を搬入出するための移載室と、その移載室に、開閉可能なゲートバルブを介して接続された第１のロードロック室と、同様に、その第１のロードロック室に、開閉可能なゲートバルブを介して接続された第２のロードロック室とを有しており、第２のロードロック室には、搬入された処理対象物を熱処理する熱処理室が接続されている。
【００３１】
そして、第１、第２のロードロック室は、それぞれ独立に真空排気可能に構成されており、第１のロードロック室には、気体を導入できるガス導入管が設けられている。
【００３２】
第１のロードロック室には加熱手段が設けられており、予め真空排気しながら第１のロードロック室内を加熱し、壁面等に吸着した水分を放出させておくと、第１のロードロック室内と第２のロードロック室内とを接続したときに、第２のロードロック室内に水分が侵入しなくなる。
【００３３】
また、予め第１のロードロック室内で処理対象物を加熱し、水分を放出させた後、第２のロードロック室内に搬入するようにすると、第２のロードロック室内や熱処理室内の真空雰囲気は悪化しなくなるため、真空排気時間を短縮化できる。
【００３４】
特に、熱処理室が、搬入された処理対象物を加熱しながら原料ガスを導入し、処理対象物表面に薄膜を形成するように構成されている場合には、熱処理室内に水分が侵入しないため、薄膜形成温度を低下させることが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態にかかる真空熱処理装置１の断面図である。
この真空熱処理装置１は、石英チューブから成る熱処理室１２と、第１のロードロック室３１と、第２のロードロック室３２と、移載室２５とを有している。
【００３６】
移載室２５と、第１のロードロック室３１と、第２のロードロック室３２とはこの順序で設置されており、各室２５、３１、３２は、ゲートバルブ２２、２３を介してそれぞれ接続されている。
【００３７】
熱処理室１２は、一端が封止され、他端が開放されており、略垂直にされた状態で、開放部分側が第２のロードロック室３２に気密に取り付けられている。そして、熱処理室１２と第２のロードロック室３２との間には図示しないゲートバルブが設けられており、該ゲートバルブを開けると内部が接続されるように構成されている。
【００３８】
第１、第２のロードロック室３１、３２と、熱処理室１２には、真空ポンプ４１〜４３がそれぞれ接続されており、各室３１、３２、１２内を真空排気できるように構成されている。
【００３９】
上記の構成の真空熱処理装置１を用いて、Ｓｉウェハ等の処理対象物表面にＳｉエピタキシャル層を成長させる工程について説明する。
【００４０】
先ず、熱処理室１２と第２のロードロック室３２の間ゲートバルブを含む各ゲートバルブ２２、２３を閉じ、各真空ポンプ４１〜４３を起動し、第１、第２のロードロック室３１、３２内と熱処理室１２内を個別に真空排気する。
【００４１】
熱処理室１２の周囲には発熱体１５が設けられており、各室３１、３２、１２内を真空排気しながら発熱体１５に通電し、熱処理室１２を昇温させておく。
【００４２】
第１のロードロック室３１には、ガス導入管２８が設けられている。移載室２５内には図示しない移載機が設けられており、薬品洗浄された処理対象物１７を搬入する。
【００４３】
移載室２５内にはボード１６が配置されており、その移載機によって処理対象物１７をボード１６上に移載する。
【００４４】
このとき、第１のロードロック室３１に窒素ガスを導入し、大気圧に復圧させておき、ゲートバルブ２２を開け、処理対象物１７が搭載されたボード１６を移載室２５内から第１のロードロック室３１内に搬送する。
【００４５】
そして直ちにゲートバルブ２２を閉じ、第１のロードロック室３１内への窒素ガスの導入を停止した後、内部を真空排気する。
【００４６】
第１のロードロック室３１にはランプヒータから成る加熱手段２４が設けられており、第１のロードロック室３１内の圧力が１×１０^-4Ｐａに到達した後、加熱手段２４に通電し、処理対象物１７及び第１のロードロック室３１の内壁面を加熱し、処理対象物１７を、酸化が進行しない４００℃程度の温度まで昇温させ、処理対象物１７に吸着していた水分(及び第１のロードロック室３１内壁面とボード１６に吸着していた水分)を放出させる。
【００４７】
それとは別に、予め第２のロードロック室３２内を１×１０^-7Ｐａ程度の圧力まで真空排気しておき、上記予備加熱が終了し、第１のロードロック室３１内が第２のロードロック室３２内と同程度の高真空雰囲気まで真空排気された後、第１、第２のロードロック室３１、３２間のゲートバルブ２３を開け、ボート１６を第２のロードロック室３２内に搬入する。
【００４８】
その場合、水分が脱離された状態で第１、第２のロードロック室３１、３２内が接続され、処理対象物１７の搬入が行われるので、第２のロードロック室３２内に水分が侵入することはない。
【００４９】
従って、第２のロードロック室３２内の圧力上昇は僅かであり、高真空雰囲気にするまでの排気時間は非常に短くて済む。
【００５０】
具体的に説明すると、図２は、上記従来の真空熱処理装置１０１と本実施形態の真空熱処理装置１の、熱処理室１１２、１２前段のロードロック室１３２、３２についての、排気時間と圧力の関係を示すグラフである。
【００５１】
図中で横軸は排気時間を、縦軸は圧力を示している。曲線ｖ₁は従来のシングルロードロック型の真空熱処理装置１０１の測定結果を示し、曲線ｖ₂は本実施形態のダブルロードロック型の真空熱処理装置１の測定結果をそれぞれ示している。
【００５２】
曲線ｖ₁によると、従来の真空熱処理装置１０１のロードロック室１３２内は、６０分の真空排気時間では１×１０^-4Ｐａ程度の圧力にしかならないが、曲線ｖ₂によると、本実施形態の真空熱処理装置１の第２のロードロック室３２では、１０分間の真空排気時間で、既に１×１０^-5Ｐａ以下の圧力に到達している。更に真空排気を継続した場合、排気開始から３１分間の真空排気時間で１×１０^-6Ｐａ以下の圧力に到達し、５０分間の真空排気時間で１×１０^-7Ｐａという超高真空状態の圧力に到達している。
【００５３】
以上のように、本実施形態の真空熱処理装置１は、従来技術に比してきわめて第２のロードロック室３２内を超高真空状態にできることが分かる。
【００５４】
ところで、ボード１６を搬入した状態で第２のロードロック室３２内を真空排気している際には、熱処理室１２内を１×１０^-7Ｐａ〜１×１０^-8Ｐａ程度の超高真空雰囲気にしておき、第２のロードロック室３２内が１×１０^-7Ｐａの真空雰囲気に到達すると、熱処理室１２と第２のロードロック室３２の間のゲートバルブを開け、ボートローダ２９を上昇させ、ボート１６に搭載された状態で処理対象物１７を熱処理室１２内に搬入する。
【００５５】
次いで、第２のロードロック室３２との間のゲートバルブを閉じると、ボード１６の挿入によって熱処理室１２内の圧力は上昇するが、処理対象物１７の水分は脱離されており、第２のロードロック室３２からの水分の侵入も僅かであるため、短い真空排気時間で超高真空雰囲気に復帰する。
【００５６】
図３は、従来のシングルロードロック型の真空熱処理装置１０１と、本実施形態のダブルロードロック型の真空熱処理装置１について、処理対象物１７を搬入した後の、熱処理室１１２、１２の真空排気時間と圧力の関係を示すグラフである。横軸は真空排気時間を、縦軸は圧力であり、曲線ｗ₁は従来の真空熱処理装置１０１の測定結果、曲線ｗ₂は本実施形態の真空熱処理装置１の測定結果を示している。
【００５７】
曲線ｗ₁より、従来の真空熱処理装置１０１では、６０分間真空排気しても１×１０^-5Ｐａ程度の圧力までしか到達できないことがわかる。
それに対し、曲線ｗ₂より、本実施形態の真空熱処理装置１では、１０分間の真空排気により、１×１０^-7Ｐａ以下という超高真空雰囲気の圧力に到達できることがわかる。
【００５８】
このように、処理対象物１７が搬入された熱処理室１２内を超高真空状態にした後、発熱体１５への通電量を増加させ、処理対象物１７を昇温させる。処理対象物１７の温度が８００℃から９００℃に達したところで、熱処理室１２内に水素ガスを導入し、処理対象物１７表面の自然酸化膜を除去する。
【００５９】
次いで、発熱体１５への通電量を制御し、処理対象物１７の温度を７００℃の一定温度にした後、熱処理室１２内にＳｉエピタキシャル層の原料ガスを導入し、ＣＶＤ反応により、処理対象物１７表面にＳｉエピタキシャル層を成長させる。
【００６０】
所定時間が経過し、Ｓｉエピタキシャル層が所望の厚さに形成されたら、原料ガス導入を終了し、熱処理室１２と第２のロードロック室３２の間のゲートバルブを開け、ボートローダ２９を降下させ、第２のロードロック室３２内にボート１６を搬入する。
【００６１】
次いで、そのゲートバルブを閉じ、第１、第２のロードロック室３１、３２間のゲートバルブ２３を開け、第１のロードロック室３１内にボート１６を搬入する。
【００６２】
ゲートバルブ２３を閉じた後、第１のロードロック室３１内に窒素ガスを導入し、内部が大気圧に復圧したところで、第１のロードロック室３１と移載室２５との間のゲートバルブ２２を開け、移載室２５内にボート１６を搬入する。次に、移載室２５内に配置された移載機により、ボード１６に搭載された処理対象物１７を取り外した後、Ｓｉエピタキシャル層が形成された処理対象物１７を真空熱処理装置１外に搬出する。
【００６３】
以上のように、本実施形態の真空熱処理装置１によれば、第２のロードロック室３２内や熱処理室１２内を超高真空雰囲気まで真空排気する時間が短いので、プロセスに要する時間を大幅に短縮することが可能になっている。
【００６４】
また、熱処理室１２内には水分が持ち込まれないので、低温でＳｉエピタキシャル層を成長させることが可能となる。
【００６５】
なお、処理対象物１７が搭載されたボード１６を、第２のロードロック室３２から熱処理室１２内に搬送する際、熱処理室１２内と第２のロードロック室３２内に水素ガスを導入させると、処理対象物１７表面の自然酸化膜を除去する時間が短縮するので、プロセスに要する時間が一層短縮する。
【００６６】
上記の真空熱処理装置１では、第１のロードロック室３１内に窒素ガスを導入したが、本発明は窒素ガスに限定されるものではなく、例えばアルゴンガスなどの不活性であって乾燥したガスを広く用いることができる。
【００６７】
更に、上記真空熱処理装置１ではＳｉエピタキシャル層を成長させたが、本発明はそれに限定されるものではなく、ＳｉＧｅエピタキシャル成長、選択エピタキシャル成長、粗面ポリシリコンの成長、ＳＯＩ製造等の薄膜成長に用いることができる。
【００６８】
更にまた、本発明は薄膜成長に限らず、真空雰囲気下で処理対象物を熱処理する装置であればどのような真空熱処理装置にも適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
熱処理室内やロードロック室内に水分が持ち込まれないので、真空排気に要する時間が短かくなる。
低温でのエピタキシャル成長が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空熱処理装置の一例を示す断面図
【図２】本発明の真空熱処理装置と従来の真空熱処理装置の、ロードロック室の排気時間を比較したグラフ
【図３】本発明の真空熱処理装置と従来の真空熱処理装置の、熱処理室の排気時間を比較したグラフ
【図４】従来技術の真空熱処理装置の一例を示す断面図
【図５】７００℃における熱処理室内の全圧と水分分圧との関係を示すグラフ
【図６】Ｓｉエピタキシャル層の成長温度と水分分圧との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１……真空熱処理装置１２……熱処理室１７……処理対象物２４……加熱手段２５……移載室３１……第１のロードロック室３２……第２のロードロック室

Claims

処理対象物を大気雰囲気から搬入できるように構成された移載室と、
前記移載室に開閉可能な第１のゲートバルブを介して接続された第１のロードロック室と、
前記第１のロードロック室に開閉可能な第２のゲートバルブを介して接続された第２のロードロック室と、
前記第２のロードロック室に接続された熱処理室とを有し、
前記第１、第２のロードロック室は真空排気可能に構成された真空熱処理装置を用い、前記移載室内に配置された処理対象物を前記第１のロードロック室と前記第２のロードロック室を通して前記熱処理室に移動させ、前記熱処理室内で前記処理対象物を熱処理する真空熱処理方法であって、
前記第１のロードロック室には、加熱手段と気体を導入できるガス導入管とが設けられ、
前記第１のロードロック室内に前記気体を導入した後、前記移載室内に配置された処理対象物を前記第１のロードロック室内に移動させ、
前記第１のゲートバルブを閉じ、前記第１のロードロック室内を真空排気して１×１０^-4Ｐａの圧力に到達した後、前記加熱手段によって前記処理対象物を酸化が進行しない４００℃まで昇温させる真空熱処理方法。
前記第１、第２のロードロック室内を１×１０^-7Ｐａまで真空排気した後、前記第２のゲートバルブを開け、前記処理対象物を前記第１のロードロック室内から前記第２のロードロック室内に移動させる請求項１記載の真空熱処理方法。
前記熱処理室内を１×１０^-7Ｐａ〜１×１０^-8Ｐの圧力にした後、前記第２のロードロック室から前記熱処理室内に前記処理対象物を移動させる請求項２記載の真空熱処理方法。
前記第２のロードロック室内から前記熱処理室内に前記処理対象物を移動させる際、前記熱処理室内と前記第２のロードロック室内に水素ガスを導入する請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の真空熱処理方法。