JP4071314B2 - ウエーハ熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハの拡散処理、酸化処理、減圧ＣＶＤなどに使用される半導体ウェーハ熱処理装置に係わり、特にウェーハを直立状に収納する枚葉式の半導体ウェーハの熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より半導体ウェーハの熱処理をする場合、複数枚のウェーハをウェーハボートに積層配設載置して、反応容器内での一括熱処理するバッチ方式が採用されている。この方式では、ウェーハとボートとの接触部分近傍で生じる気流の乱れや、ウェーハを多段積層することで気流に乱れを起し投入ウェーハを均質に処理することは困難であった。
【０００３】
また、ウェーハの口径の大口径化につれ、前記バッチ処理方式では重量負担に対応するボート及び支持部の製作が困難であること、また、大口径化に伴う反応容器の大型化、加熱温度分布やガス分布の均一化、加熱源の無用の増大化につながり、ウェーハの大口径化に対応するのには従来のバッチ方式では対処困難な種々の問題点があった。
【０００４】
さらに、次世代の、６４Ｍ、１Ｇ等の高集積密度化の半導体製造プロセスではサブミクロン単位の精度が要求され、複数枚のウェーハを一括処理するバッチシステムではウェーハの積層位置やガス流の流入側と排出側とはそれぞれ処理条件にバラツキを生じ、また積層されたウェーハ相互間で影響を及ぼし合い、またボートの接触部位よりパーティクル等が発生し、高品質の加工は困難であった。
【０００５】
上記問題解決のため、一枚若しくは２枚のウェーハ毎に熱処理を行なう枚葉式熱処理装置が注目され、種々の提案がなされている。例えば特開平５ー２９１１５４号公報に開示されている熱処理装置においては、サセプタの下方に設けた加熱源によりサセプタ上に水平状に載置したウェーハを、低圧反応ガス雰囲気中で加熱してウェーハ上に成膜するようにしてある。
上記した水平状にウェーハを載置する場合は、ウェーハに自重による撓みの発生、反応容器が大型になる、従って加熱源等の動力源も大きくなる。等の問題がある。
【０００６】
また、特開平１ー２５９５２８号公報には図５に示す提案が開示されている。 上記提案は図に示すように、高温炉（加熱部）１２０とウェーハ支持装置１３０とよりなる。
高温炉１２０は、直方体形状に形成され、複数に分割された平板状ヒータ１２１、石英ガラス製反応管１２２、均熱管１２３、断熱材１２４で構成され、高温炉１２０は下部が解放され、ウェーハ１０が支持装置１３０の溝１３１に載せられ高温炉１２０への出入を行なうようにしてある。なお、図示してないガス供給管により使用目的の応じて所要ガスが上方から下方へ流れるようにしてある。
また、ウェーハ支持装置１３０は、パイプ状の支柱１３３、前記溝１３１を設けた支持部１３２とベース１３４とよりなり、前記溝１３１は２枚以上のウェーハが載置できるように複数個設けてある。
【０００７】
上記図５に示す枚葉式の熱処理装置においては、ウェーハを直立状に収納する構成であるが、高温炉は直方体の形状により構成されているため、下記問題点がある。
１）、高温炉の形状は直方体であるため、内蔵する反応管、均熱管も同一形状の直方体と考えられ、また、上部は管壁に直角の上底により形成されているため、真空強度が低い。
２）、ウェーハに対する輻射熱の分布及び反応ガス流の分布が均一でない。
【０００８】
そこで、本発明者等は、図４（Ａ）（直立支持装置５５が１枚のウェーハを収納する場合）、及び（Ｂ）（直立支持装置５６が２枚のウェーハを収納する場合）に示すような枚葉式の熱処理装置を提案した。
この装置は、石英ガラスよりなる一体構成の反応用の容器５２に非透明石英ガラスよりなるフランジ５１を溶接接合してなる反応容器体５０と、石英及び炭化珪素よりなる直立支持装置５５（Ａ）／５６（Ｂ）とを主構成要素とし、反応ガスは容器５２の上部流入孔５３より流入し下部排出孔５８より排出するように構成するとともに、直立支持装置５５／５６は、Ｏリング５４を介して反応容器５０内を気密密閉可能の構成にしてある。
【０００９】
この熱処理装置は、反応容器５２はドーム状に全体曲面で形成されているので真空強度があり、チャンバとして肉厚が薄く軽量化が図れるとともに、反応容器内側曲面に沿ってガスの流れが良いという利点を持っているが、ウェーハ表面に対して反応容器内面が曲率を有して湾曲しているために、かならずしも反応ガスの全部がウェーハ表面の熱処理に寄与するわけではなく、処理効率の面でなお改善の余地があり、また、熱処理時にはウェーハ表面の温度が６００〜１，０００℃が要求されるが、この内部温度は反応容器５２からフランジ５１を介して外部に放出され、要求される高速加熱の立ち上がり時間においてなお改善の余地があり、熱遮断性の向上が望まれる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の事情に鑑み、本発明は、均熱性を維持しつつ而も装置の大型化の抑制やパーティクルの発生を抑え、高い熱遮断性を維持し得るとともに、処理効率が向上する枚葉式のウェーハ熱処理装置の提供を目的としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱処理空間を形成する反応容器内に収納したウェーハ保持部上に、１又は２枚の半導体ウェーハを直立支持し、直立支持した該半導体ウェーハの直立面を熱処理面として熱処理を行うウェーハ熱処理装置であって、
前記半導体ウェーハを包被して前記半導体ウェーハの前記熱処理空間を形成する石英ガラス製の反応容器が設けられ、
前記反応容器の前記半導体ウェーハの前記熱処理面と対峙する前記半導体ウェーハの前記直立面と直交する垂直断面の形状が、垂直方向に長径を有する長円形状であり、かつ、前記反応容器の前記半導体ウェーハの直立面と平行な垂直断面の形状が、円形状であり、
該反応容器の基部の開口周囲に断熱体が配設され、
前記反応容器の内部には、該反応容器内に直立支持されている前記半導体ウェーハに向かって多数の放出孔により反応ガスの放出を可能とした反応ガス放出手段が配置されることを特徴とする。
【００１２】
また、前記反応ガス放出手段を、前記半導体ウェーハを包囲する小口径のスパイラル状のガス配管により構成したり、
また、前記反応ガス放出手段を、半導体ウェーハの直立面と直交する水平断面面内において延在させた反応ガス放出管を、上下に多段状に列設させることにより構成したり、
また、前記断熱体を、不透明石英ガラス板材と石英ガラス発泡体とを交互に積層した多段積層体より構成することも本発明の有効な手段である。
【００１３】
かかる発明によれば、ウェーハの収納姿勢は直立タイプであり、前記反応容器の前記半導体ウェーハの前記熱処理面と対峙する前記半導体ウェーハの前記直立面と直交する垂直断面の形状が、垂直方向に長径を有する長円形状であり、かつ、前記反応容器の前記半導体ウェーハの直立面と平行な垂直断面の形状が、円形状（即ち、ウェーハの熱処理面側の反応容器のウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い長円断面形状の扁平空間）としているので、前記反応容器は薄肉を図っても真空強度があり、肉薄の為に軽量化が図れる。
また、前記反応容器の前記半導体ウェーハの前記熱処理面と対峙する前記半導体ウェーハの前記直立面と直交する垂直断面の形状が、垂直方向に長径を有する長円形状であり、かつ、前記反応容器の前記半導体ウェーハの直立面と平行な垂直断面の形状が、円形状であり、反応容器の半導体ウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間としているので半導体ウェーハ表面への熱分布を均一とすることができるとともに、内側曲面に沿ってガスの流れが良く、反応ガス流の分布も一様にすることができる。
また、反応容器の半導体ウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間としている為に、その分発熱体を接近させることができ、反応容器の大きさを必要最小限に押さえることができるため、結果として装置の小型化と加熱源等の動力源も小さくする事が出来る。
【００１４】
また、図１及び図２に示すように、反応容器内部に多数の放出孔により半導体ウェーハに向かって反応ガスの放出を可能とした反応ガス放出手段（２３、２６）を有しているので、反応ガス流分布が均一化し、半導体ウェーハ表面に効率のよい処理を行うことができる。
【００１５】
また、該反応容器の基部の開口周囲に断熱体を配設し、該断熱体を不透明石英ガラス板材と石英ガラス発泡体とを交互に積層した多段積層体より構成しているので、前記反応容器の加熱処理空間内で加熱処理した高温が、前記多段積層体で遮断され、処理空間内の均熱性の維持が可能となり、結果として高品質のウェーハ熱処理が出来る。
【００１６】
又、前記支持治具と一体化するベース体８Ａ，８Ｂ（図１、図２）も非透明石英ガラス材で形成され延出部位の一部として機能するように構成することが望ましい。
これによりフランジのシール部分１８に高温が伝搬する恐れがなく、前記支持治具の不透明部位１６ａとあいまって支持治具基端側に後記する昇降治具を配した場合その部分にも熱伝搬が生じる恐れがなく、これらを耐熱治具で構成する必要がなくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１８】
図１には本発明の実施の形態に係る枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図が示している。同図に見るように、平板状発熱体３Ａ，３Ａにより内部を加熱される反応容器２２は、上部に反応ガスを排出する配管９Ａと気密嵌合接続した石英ガラスよりなるドーム状の一体形成体で、不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ１４に一体的に溶接接合形成され、枚葉式熱処理に特に要求される耐熱機能性である熱遮断性を前記不透明フランジ１４と積層断熱体２０とにより持たせ、高い熱衝撃耐性の保持を前記一体構成により可能としたものである。
そして、前記反応容器２２はウェーハ１０の熱処理面に対し扁平形状とした扁平ドーム状としているので、反応容器２２の大きさを必要最小限に押さえることができる。
【００１９】
また、積層断熱体２０は、石英ガラス発泡体１７と不透明石英ガラス板体１８とを交互に積層一体構成してある。
なお、不透明石英ガラスは見かけ密度０．９ｇ／ｃｍ３以上の多孔質石英ガラスで構成し、石英ガラス発泡体は見かけ密度０．１〜０．８ｇ／ｃｍ３で連通気泡率６０％以下の多孔質石英ガラスで構成してある。
【００２０】
反応容器２２内にウェーハ１０を包囲するように石英ガラスよりなるスパイラル状ガス配管２３を設け、該配管の内側に多数のガス放出孔２４を設け、該放出孔２４より内蔵するウェーハ１０に対しガスを適宜適当圧のもとに放出してウェーハ表面に均一なガス雰囲気を形成するようにしてある。
【００２１】
直立支持装置２１は石英ガラス材よりなり、ウエーハ１０を直立に支持する支持治具１９Ａと、該支持治具１９Ａより反応容器２２外に垂下する延出部に前記反応容器２２内の熱の外部への伝達を防止するために、泡入若しくは他の手段により不透明化した不透明部位の断熱部１６ａを設けている。
【００２２】
また、前記断熱部１６ａは、さらに、前記反応容器内の熱の外部への伝達を防止するために、泡入若しくは他の手段により不透明化された石英ガラス材よりなるベース体８Ａに気密嵌合するとともに、前記スパイラル状ガス配管２３が該ベース体８Ａに気密嵌合し、反応ガスを導入する配管１１と連結している。
そして、前記ベース体８Ａはその上面にＯリング７を介して反応容器２２内を気密密閉している。
【００２３】
図２は本発明の実施の形態に係る他の枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図である。同図に見るように、平板状発熱体３Ｂ，３Ｂにより内部を加熱される反応容器２５は、石英ガラスよりなる一体形成体で、不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ１４に一体的に溶接接合形成され、枚葉式熱処理に特に要求される耐熱機能性である熱遮断性を前記不透明フランジ１４と積層断熱体２０とにより持たせ、高い熱衝撃耐性の保持を前記一体構成により可能としている。
そして、前記反応容器２５はウェーハ１０の熱処理面と対面する反応空間の左右両面側壁面空間に対しては、垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間化しているので、反応容器２５の大きさを必要最小限に押さえることができる。
【００２４】
また、積層断熱体２０は、石英ガラス発泡体１７と不透明石英ガラス板体１８とを交互に積層一体構成してある。
なお、不透明石英ガラスは見かけ密度０．９ｇ／ｃｍ３以上の多孔質石英ガラスで構成し、石英ガラス発泡体は見かけ密度０．１〜０．８ｇ／ｃｍ３で連通気泡率６０％以下の多孔質石英ガラスで構成してある。
【００２５】
また、反応容器２５内には、ガス放出部を該容器内に多段状に形成するように複数の多段配管２６を設け、前記ガス放出部には内側のウェーハに向けガス放出可能の石英ガラス管よりなる多数の放出孔２７を設ける構成にしてある。
なお、この場合も石英ガラスの一体形成よりなる反応容器２５と、不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ１４とは、前記同様一体構成とし、高い熱衝撃耐性を持つようにしてある。
【００２６】
直立支持装置２１は石英ガラス材よりなり、ウエーハ１０を直立に支持する支持治具１９Ｂと、該支持治具１９Ｂより反応容器２５外に垂下する延出部に前記反応容器２５内の熱の外部への伝達を防止するために、泡入若しくは他の手段により不透明化した不透明部位の断熱部１６ａを設けている。
【００２７】
また、前記断熱部１６ａは、さらに、前記反応容器内の熱の外部への伝達を防止するために、泡入若しくは他の手段により不透明化された石英ガラス材よりなるベース体８Ｂに気密嵌合するとともに、該ベース体８Ｂに反応ガスを導入する配管９Ｂが気密嵌合している。
そして、前記ベース体８Ｂはその上面にＯリング７を介して反応容器２５内を気密密閉している。
【００２８】
なお、これら図１及び図２における熱処理装置のウェーハの出し入れには、図示しない機構を介してベース体８Ａ，８Ｂを降下させウェーハを交換し、反応容器２２、２５の使用時にはＯリング７を介して反応容器内を気密処理可能にしているが、上記したように積層断熱体２０を介在させているため、Ｏリング７の熱的劣化を十分に防止することができる。
【００２９】
図３は、本発明の半導体ウェーハの耐熱機能性熱処理装置の概略構成を示す模式図であるが、図に示すように、反応容器３０と、該反応容器３０に溶接接合した不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ１４と、石英ガラス発泡体１７と不透明石英ガラス体１８とで構成されるとともに中央部分に開口部３１ａが開設された積層断熱体３１とで反応容器体３３が構成されている。
【００３０】
前記反応容器体３３は、反応容器３０、不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ１４、及び、石英ガラス発泡体１７と不透明石英ガラス体１８とで構成される積層断熱体３１とを一体構成し、断熱層を形成し、反応中に外部よりの加熱された反応容器３０よりの不透明フランジ１４を介しての熱伝導を遮断し、不必要部分への加熱を遮断するようにしてある。
また、前記反応容器体３３は、石英ガラス発泡体３５と不透明石英ガラス体３６とで構成される積層断熱体３２上にＯリング４５を介して載置され、反応容器体３３内を気密に構成している。
【００３１】
前記積層断熱体３２の中央部分の、前記積層断熱体３１の中央部分に開設された開口部３１ａ内には直立支持装置体４３が載置され、該直立支持装置体４３の外周と前記開口部３１ａ内周とは、前記直立支持装置体４３が上下動可能な所定間隔離間している。
【００３２】
また、前記直立支持装置体４３は、直立支持装置４２、及び、石英ガラス発泡体２９と不透明石英ガラス体２８との一体構成した多段積層断熱体とを一体構成したものである。
また、直立支持装置４２は、石英ガラスよりなる直立収納部４０と不透明石英ガラスよりなる不透明フランジ４１との一体構成したものである。
従って、前記直立支持装置４２は、前記多段積層断熱体の付加により耐熱機能性である熱遮断性と高い熱衝撃耐性を備えるようにしたものである。
【００３３】
なお、ウェーハの出し入れには、リフタ４６、４６を介して反応容器体３３を昇降させウェーハを交換し、反応容器体３３の使用時にはＯリング４５を介して反応容器内を気密処理可能にしているが、上記したように多段断熱層を介在させているため、Ｏリングの熱的劣化を十分に防止することができる。
【００３４】
上記したように、反応容器体３３と直立支持装置体４３はそれぞれ複数の断熱部材との一体構成により高い熱衝撃耐性を持ち、しかも高い熱遮断性を持ち、枚葉式熱処理装置として高い効率で機能する。
【００３５】
尚、上述した本実施の形態においては、１枚のウェーハを用いる場合を説明しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、２枚のウェーハを支持治具に装着して熱処理を行う場合においても適用されるものである。その際には、２枚のウエーハの加熱処理面が外側に位置するように互いに裏面を背中合わせに支持することが望ましい。
【００３６】
尚、本実施の形態においては、反応容器の下部に開口部を設け、ウエーハ支持治具を配置してウェーハを起立して熱処理を行っているが、反応容器の上部に開口部を有し、ウエーハ支持治具を前記上部の開口部に配置するとともにウェーハを吊り下げ保持してもよいことは勿論である。
【００３７】
以上詳述したように、本実施の形態によると、反応容器内のウェーハの収納姿勢は、重力方向にウェーハ面が直立するタイプであり、ウェーハに自重による撓みの発生を極力防止でき、ウェーハ表面への熱分布を均一と反応ガスの淀みない流れを可能とし、熱処理による半導体特性のバラツキを極力防止できるとともに、ウェーハの水平配置による重力による撓みによるウェーハ保持機構に余裕をとり反応容器が大型化することもなく、収納ウェーハの熱処理面と対面する反応容器のウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間とし、反応容器の大きさを必要最小限に押さえる構成とし、ウェーハの大口径化に対応し、次世代の６４Ｍ、１Ｇ等の高集積密度化に対処することができる。
【００３８】
また、反応容器のウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間としているので、前記反応容器は薄肉を図っても真空強度があり、肉薄の為に軽量化が図れる。
また、偏平反応容器は偏平球面の連続体により形成されているので、収納する直立ウエーハに対し、必要最小限の大きさを可能とする無駄のない形態の設計を可能にし、且つ高真空強度と高耐熱衝撃度を具備させることができる。
そのため、スペース効率も上がり、且つ拡散用処理熱の輻射を可能にし、また、扁平ドーム状としているのでウェーハ表面への熱分布を均一とすることができるとともに、内面の連続曲面により内側曲面に沿ってガスの流れが良く、反応ガスの淀みない流れを可能にし、反応ガス流の分布も一様にすることができ、均一な成膜を可能にしている。
【００３９】
また、ウェーハの熱処理面と対面する反応空間のウェーハの熱処理面と対面する垂直面に対し水平方向の天井高さの低い扁平空間としている為に、その分発熱体を接近させることができ、反応容器の大きさを必要最小限に押さえることができるため、結果として装置の小型化と加熱源等の動力源も小さくする事が出来る。
【００４０】
また、反応容器内部に多数の放出孔によりウェーハに向かって反応ガスの放出を可能とした反応ガス放出手段を有しているので、反応ガス流分布が均一化し、ウェーハ表面に効率のよい処理を行うことができる。
【００４１】
また、該反応容器の基部の開口周囲に断熱体を配設し、該断熱体を不透明石英ガラス板材と石英ガラス発泡体とを交互に積層した多段積層体より構成しているので、前記反応容器の加熱処理空間内で加熱処理した高温が、前記多段積層体で遮断され、処理空間内の均熱性の維持が可能となり、結果として高品質のウエーハ熱処理が出来る。
【００４２】
又、ウェーハを保持する前記支持治具と一体化するベース体も非透明石英ガラス材で形成され延出部位の一部として機能するように構成することが望ましく、これによりフランジのシール部分に高温が伝搬する恐れがなく、前記支持治具の不透明部位とあいまって支持治具基端側にウェーハ交換用の昇降治具を配した場合その部分にも熱伝搬が生じる恐れがなく、これらを耐熱治具で構成する必要がなくなる。
【００４３】
【発明の効果】
以上記載した如く、本発明は、均熱性を維持しつつ而も装置の大型化の抑制やパーティクルの発生を抑え、高い熱遮断性を維持し得る枚葉式熱処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る他の枚葉式熱処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】 本発明の半導体ウェーハの耐熱機能性熱処理装置の概略の構成を示す模式図である。
【図４】 開発過程の未公知のシリコンウェーハの熱処理装置の概略の構成を示す図で、
（Ａ）、１枚のウェーハを収納した場合を示し、
（Ｂ）、２枚のウェーハを収納した場合を示す。
【図５】 従来の枚葉式熱処理装置の概略の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 枚葉式熱処理装置（１Ａ，１Ｂ）
３ 平板状発熱体（３Ａ，３Ｂ）
８ ベース体（８Ａ，８Ｂ）
１０ 半導体ウェーハ
１４ 不透明フランジ
１７ 石英ガラス発泡体
１８ 不透明石英ガラス体
１９ 支持治具（１９Ａ，１９Ｂ）
２１ 直立支持装置
２２、２５、３０ 反応容器
２０、３１、３２ 積層断熱体
２３ スパイラル状ガス配管
２６ 多段配管
３３ 反応容器体
４２ 直立支持装置

Claims (4)

1. 熱処理空間を形成する反応容器内に収納したウェーハ保持部上に、１又は２枚の半導体ウェーハを直立支持し、直立支持した該半導体ウェーハの直立面を熱処理面として熱処理を行うウェーハ熱処理装置であって、
   前記半導体ウェーハを包被して前記半導体ウェーハの前記熱処理空間を形成する石英ガラス製の反応容器が設けられ、
   前記反応容器の前記半導体ウェーハの前記熱処理面と対峙する前記半導体ウェーハの前記直立面と直交する垂直断面の形状が、垂直方向に長径を有する長円形状であり、かつ、前記反応容器の前記半導体ウェーハの直立面と平行な垂直断面の形状が、円形状であり、
   該反応容器の基部の開口周囲に断熱体が配設され、
   前記反応容器の内部には、該反応容器内に直立支持されている前記半導体ウェーハに向かって多数の放出孔により反応ガスの放出を可能とした反応ガス放出手段が配置されることを特徴とするウェーハ熱処理装置。
2. 前記反応ガス放出手段は、前記半導体ウェーハを包囲する小口径のスパイラル状のガス配管により構成されたものであることを特徴とする請求項１記載のウェーハ熱処理装置。
3. 前記反応ガス放出手段は、半導体ウェーハの直立面と直交する水平断面面内において延在させた反応ガス放出管を、上下に多段状に列設させることにより構成されたものであることを特徴とする請求項１記載のウェーハ熱処理装置。
4. 前記断熱体は、不透明石英ガラス板材と石英ガラス発泡体とを交互に積層した多段積層体よりなることを特徴とする請求項１記載のウェーハ熱処理装置。

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