JP4511251B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理装置および熱処理方法に関する。

種々の熱処理装置のうち、例えば、バッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置などの熱処理を伴う熱処理装置においては、一般に、ウェハ保持用治具に保持されたウェハを、不活性ガスで置換された高温（４００℃〜９００℃）の反応管の中へ挿入する。そして、ウェハの加工に必要な反応ガスを導入し、低圧化学気相成長や不純物拡散、酸化などの反応を含む熱処理（以下、適宜熱処理等と称す）によるデバイス加工処理を行っている。

この際、半導体ウェハやボートに付着する水分が炉内に侵入するのを防ぐことを目的とする技術が、特許文献１に示されている。図７は、従来の半導体製造用加熱炉の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。

具体的には、この半導体製造用加熱炉では、炉口２０３ｃの近傍に、半導体ウェハ２０１およびボート２０２へガス噴出口２１１ａを向けて窒素ガスノズル２１１を配置する。そして、窒素ガスノズル２１１の反対側に排気ダクト２０７を設け、窒素ガスを排出する。また、ガス置換用ノズル２１１から窒素ガスを吹き出させるときには、ガス加熱装置２１２によって窒素ガスを１００℃〜２００℃に加熱させる。

このため、半導体ウェハ２０１およびボート２０２に付着した水分は暖められて蒸発する。したがって、半導体ウェハ２０１、ボート２０２に付着した水分が加熱炉２０３内へ侵入するのを防げ、半導体ウェハ２０１が炉内で酸化するのを阻止することができる旨、この文献には記載されている。

また、特許文献２には、無用の自然酸化膜が成膜されるのを抑制することを目的とする方法が示されている。図６は、特許文献２に記載の縦型拡散・ＣＶＤ装置を示す概略立断面図である。

この縦型拡散・ＣＶＤ装置は、内部反応管１０３の炉口部１１６の下方に、不活性ガスをウェハ１１０やウェハ保持用治具であるボート１０９に噴出するマニホールド１１８と、このマニホールド１１８に対峙する箇所に設けられ、その不活性ガスを吸気する排気部である吸気マニホールド１１９と、から構成される不活性ガスカーテンユニットを有する。このため、ウェハ１１０やボート１０９が内部反応管１０３に挿入される前に、大気（酸素や水分）を不活性ガスに置換できる旨、この文献に記載されている。

具体的には、特許文献２に記載のバッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置では、外部反応管１０２の下方にウェハ１１０やボート１０９が挿入される炉口部１１６がある。炉口部１１６の下方に、不活性ガスのカーテンユニット１１７を設ける。カーテンユニット１１７は所要高さの不活性ガスマニホールド１１８と、この噴出マニホールド１１８の高さと等しい高さを有する不活性ガス吸気マニホールド１１９を対峙させて設ける。この噴出マニホールド１１８は多数の不活性ガス噴出ノズル１２０を有し、窒素ガス等の不活性ガス源に接続されている。また、この吸気マニホールド１１９は多数の不活性ガス吸気孔１２１を有し、排気ブロアに接続されている。

また、噴出マニホールド１１８の不活性ガス噴出ノズル１２０から噴出した不活性ガスは、吸気マニホールド１１９の不活性ガス吸気孔１２１から吸引されることで、水平一方向に流通する不活性ガスカーテンを形成する。噴出マニホールド１１８、吸気マニホールド１１９は、リング状に接続して炉口部１１６下部を囲繞してもよい。また、平板状の噴出マニホールド１１８、吸気マニホールド１１９を側板で連結し矩形状に炉口部１１６を囲繞してもよい。

そして、内部反応管１０３には、不活性ガスを供給しておき、内部反応管１０３内を不活性ガス雰囲気としておく。ボート１０９が不活性ガスカーテンを通過する過程で、ボート１０９とウェハ１１０の間に存在する大気（酸素、水分）は、不活性ガスの一方向の流れにより押出されるため、不活性ガスに置換される。
特開平６−１５１３４２号公報 特開２００２−３５９２０２号公報

しかしながら、上記の特許文献１および特許文献２に記載の技術では、挿入動作中のウェハの温度は反応管内における熱処理の設定温度より低い。また、熱処理は、反応管内部の温度が設定温度に安定した後に開始する。このため、ウェハの挿入動作が完了しても、ウェハの温度を熱処理の設定温度に安定するのに時間が掛かる。このため、ウェハの温度安定時間が長くなり、熱処理装置の処理能力の面で改善の余地がある。また、いずれも一方向から不活性ガスを吹き付けるため、むらなくウェハを加熱することは困難な構造である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板を効率よく安定的に熱処理できる熱処理装置を提供することにある。

本発明によれば、ヒータおよび開口部を備える加熱炉と、基板を保持する基板保持部と、基板を加熱炉内に出し入れするように、基板保持部を搬送する搬送手段と、加熱炉の開口部近傍に設けられている不活性ガス放出手段と、不活性ガスを加熱し、不活性ガス放出手段に供給する不活性ガス加熱手段と、を備え、不活性ガス放出手段は、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを放出する放出口を有し、不活性ガス放出手段は、加熱炉の開口部の直下にリング状の形状に設けられている不活性ガス容器を備え、放出口は、不活性ガス容器の内側に等間隔に配置されている熱処理装置が提供される。

この構成によれば、基板保持部に保持された基板を、加熱炉内に導入する前に、高温に加熱した不活性ガスでむらなく予備加熱できるため、基板の導入動作が完了した後の基板の温度安定時間を短縮できる。そのため、基板を効率よく安定的に熱処理できる。

また、本発明によれば、ヒータ及び開口部を備える加熱炉と、基板を保持する基板保持部と、基板を加熱炉内に出し入れするように、基板保持部を搬送する搬送手段と、加熱炉の開口部近傍に設けられている不活性ガス放出手段と、不活性ガスを加熱し、不活性ガス放出手段に供給する不活性ガス加熱手段と、を備え、不活性ガス放出手段は、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを内向きに放出する放出口を有し、放出口は、加熱炉の開口部の直下に等間隔で３箇所以上円周上に設けられている熱処理装置が提供される。

この構成によれば、基板保持部に保持された基板を、加熱炉内に導入する前に、高温に加熱した不活性ガスでむらなく予備加熱できるため、基板の導入動作が完了した後の基板の温度安定時間を短縮できる。そのため、基板を効率よく安定的に熱処理できる。

また、本発明によれば、加熱炉を用いる基板の熱処理方法であって、基板を加熱炉内に導入する際に、基板を予備加熱する工程と、加熱炉内において、予備加熱された基板を熱処理する工程と、を含み、予備加熱する工程は、不活性ガスを加熱する工程と、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを放出する工程と、を含み、不活性ガスを放出する工程では、加熱炉の開口部の直下にリング状の形状に設けられている不活性ガス容器の内側に等間隔に配置されている放出口から、不活性ガスを放出する熱処理方法が提供される。

この方法によれば、基板保持部に保持された基板を、加熱炉内に導入する前に、高温に加熱した不活性ガスでむらなく予備加熱するため、基板の導入動作が完了した後の基板の温度安定時間を短縮できる。そのため、基板を効率よく熱処理することができる。

また、本発明によれば、加熱炉を用いる基板の熱処理方法であって、基板を加熱炉内に導入する際に、基板を予備加熱する工程と、加熱炉内において、予備加熱された基板を熱処理する工程と、を含み、予備加熱する工程は、不活性ガスを加熱する工程と、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを内向きに放出する工程と、を含み、不活性ガスを放出する工程では、加熱炉の開口部の直下に等間隔で３箇所以上円周上に設けられている放出口から、不活性ガスを放出する熱処理方法が提供される。

この方法によれば、基板保持部に保持された基板を、加熱炉内に導入する前に、高温に加熱した不活性ガスでむらなく予備加熱するため、基板の導入動作が完了した後の基板の温度安定時間を短縮できる。そのため、基板を効率よく安定的に熱処理できる。

なお、本発明において、熱処理装置としては、特に限定せず、一般に、基板などに対して熱処理を伴う処理を行う装置を意味するものとする。例えば、バッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置などを含むものとする。また、この熱処理装置に備わる加熱炉は、縦型でも横型でもよい。

すなわち、本発明に係る熱処理装置には、半導体デバイス製造プロセスにおいて、各種膜を低圧化学気相成長によりウェハへ成膜するバッチ式のＣＶＤ装置が含まれる。あるいは、ウェハへ不純物拡散や酸化、熱処理を行うバッチ式拡散装置が含まれる。これらの中でも、特に加熱炉の反応管の中へウェハ保持用治具に保持されたウェハを挿入する構成を有する熱処理装置が含まれる。

本発明によれば、特定の構成からなる不活性ガス放出手段を備えるため、基板の熱処理効率に優れる熱処理装置が提供される。

本発明に係る熱処理装置において、不活性ガス放出手段は、加熱炉の開口部の直下にリング状の形状に設けられている不活性ガス容器を備え、放出口は、不活性ガス容器の内側に略等間隔に配置されている構成とすることができる。

この構成によれば、リング状の不活性ガス容器の内側の略等間隔に配置された放出口から、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に略直交する外周方向から、加熱された前記不活性ガスを放出することができる。このため、基板保持部に保持された基板を、むらなく予備加熱することができるので、基板の熱処理効率に優れる熱処理装置が得られる。また、加熱炉内への雰囲気ガスの巻き込みが低減するため、加熱炉内で基板上に酸化膜が形成されることを抑制できる。

ここで、この不活性ガス容器の内側の放出口の数は、例えば３箇所以上であってもよく、特に好ましくは４箇所以上である。放出口の数が多いほど、むらなく基板を加熱することができる。

また、本発明に係る熱処理装置において、不活性ガス放出手段は、基板の導入方向に沿って複数設けることができる。

この構成によれば、加熱炉内に基板を導入するまでに基板および基板保持部の温度を充分に上げておくことができるので、加熱炉の炉口部の温度安定化時間をさらに効率よく短縮できる。

また、本発明に係る熱処理装置において、複数の不活性ガス放出手段は、それぞれ異なる温度の不活性ガスを放出するように構成されていてもよい。

この構成によれば、基板および基板保持部が加熱炉方向に移動するにしたがって徐々に温度上昇するように加熱できるので、基板に急激な温度変化が加わることを抑制して、基板の品質の低下を抑制できる。

また、本発明に係る熱処理装置において、不活性ガス放出手段は、加熱炉内に導入される基板の導入方向に沿って、加熱された不活性ガスを放出する構成とすることができる。

この構成によれば、ウェハ保持部に保持された基板を、むらなく予備加熱することができるので、基板の熱処理効率に優れる熱処理装置が得られる。

また、参考形態に係る熱処理装置において、不活性ガス放出手段は、加熱炉の開口部に挿入し得る形状に設けられている不活性ガス容器を備え、放出口は、不活性ガス容器の外周および上部に配置されている構成とすることができる。

この構成によれば、加熱炉の開口部に挿入し得る不活性ガス容器の上部の放出口から、加熱炉内に導入される基板に対して、基板の導入方向に向かって、加熱された前記不活性ガスを放出することができる。このため、ウェハ保持部に保持された基板を、むらなく予備加熱することができるので、基板の熱処理効率に優れる熱処理装置が得られる。

また、加熱炉の開口部に挿入し得る不活性ガス容器の外周の放出口から、不活性ガス容器と加熱炉内壁との間の空間へ加熱された前記不活性ガスを放出することができる。このため、加熱炉内への雰囲気ガスの巻き込みが低減するため、加熱炉内で基板上に酸化膜が形成されることを抑制できる。

また、本発明に係る熱処理装置において、基板保持部は、基板の導入方向に沿って、基板を並列して複数保持する構成とすることができる。

この構成によれば、上記の不活性ガス放出手段により、ウェハ保持部に保持された基板を、むらなく予備加熱することができ、一度に多数の基板を熱処理できるので、基板の熱処理効率に優れる熱処理装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

<実施形態１>
図１は、実施形態１に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。
本実施形態に係る熱処理装置は、ヒータ１および炉口部１６（開口部）を有し、外部反応管２および内部反応管３から構成される二重構造の加熱炉を備える。

また、この熱処理装置は、ウェハ１０（基板）を保持するウェハ保持用治具９（基板保持部）を備える。そして、この熱処理装置は、ウェハ１０を内部反応管３内に出し入れするように、ウェハ保持用治具９を搬送する、炉口蓋８および昇降エレベータ６から構成される搬送手段を備える。

さらに、この熱処理装置は、内部反応管３の炉口部１６近傍に設けられている不活性ガス加熱機構部３１（不活性ガス放出手段）を備える。また、この熱処理装置は、不活性ガスを加熱し、不活性ガス加熱機構部３１に供給する不活性ガス加熱ヒータ３２（不活性ガス加熱手段）と、を備え、不活性ガス加熱機構部３１は、内部反応管３内に導入されるウェハ１０に対して、ウェハ１０の導入方向に略直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを放出する放出口を有する。

本実施形態に係る熱処理装置は、このような不活性ガス加熱機構部３１を有するため、バッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置のウェハ１０やウェハ保持用治具９等を、内部反応管３に挿入する前に、高温に加熱された不活性ガスで予備加熱することができる。そのため、ウェハ１０上に成膜される無用の自然酸化膜を抑制しながら、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等を昇温することができる。その結果、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等の内部反応管３への導入動作の完了後に、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等の温度上昇にかかる時間を短縮することができる。
以下、実施形態１の熱処理装置の構成の説明をより詳細に行う。

この熱処理装置には、ウェハ保持用治具９を挿入する外部反応管２、その内側にリング状の内部反応管３が同心円上に設置され、外部反応管２の外周に内部反応管３の温度を高温に制御するヒータ１が設けられている。また、この熱処理装置には、外部反応管２と内部反応管３との間に不活性ガス４の導入用配管と、内部反応管３に熱処理等のデバイス加工処理を行うための反応ガス５を導入する配管とが接続されている。そして、この熱処理装置は、外部反応管２の下方に、加工前のウェハ１０を保持したウェハ保持用治具９を有し、更にその下方にウェハ保持用治具９を支持する炉口蓋８で構成され、炉口蓋８はウェハ保持用治具９を外部反応管２に挿入する際に上昇する昇降エレベータ６と接続されている。

この熱処理装置は、外部反応管２の直下に、炉口蓋８よりも内径の大きいリング状の不活性ガス容器３３を有し、不活性ガス容器３３の内面には縦横均等に不活性ガスが噴出するための穴が複数個開いている。この熱処理装置は、不活性ガス容器３３の外周には不活性ガスを高温（４００℃〜９００℃）に加熱する不活性ガス加熱ヒータ３２を有する。

図１に記載していない不活性ガス源と不活性ガス容器３３は、ガス配管３４ａとガス配管３４ｂで接続されている。また、この熱処理装置は、ガス配管３４ａとガス配管３４ｂの間に不活性ガスの流れを遮断する遮断バルブ３５を有する構造である。
以下、上記構成の熱処理装置で、ウェハ１０を加熱炉へ挿入する方法について説明する。

本実施形態に係る内部反応管３（加熱炉）を用いるウェハ１０（基板）の熱処理方法は、ウェハ１０を内部反応管３内に導入する際に、ウェハ１０を予備加熱する工程と、内部反応管３内において、予備加熱されたウェハ１０を熱処理する工程と、を含む。

そして、この予備加熱する工程は、不活性ガスを加熱する工程と、内部反応管３内に導入されるウェハ１０に対して、ウェハ１０の導入方向に略直交する外周方向から、加熱された不活性ガスを放出する工程と、を含む。

図１において、熱処理等のデバイス加工処理を行う前のウェハ１０は、ウェハ保持用治具９に保持され、外部反応管２の下方で待機している。熱処理等のデバイス加工処理中以外、内部反応管３は、不活性ガス４で常に置換されており、低酸素状態である。

図２は、実施形態１に係る熱処理装置の高温不活性ガスパージ機構を模式的に示した平面図および断面図である。図２において、不活性ガス容器３３と不活性ガス源の間に設けられた遮断バルブ３５は閉状態であるが、昇降エレベータ６が上昇動作中に限り開状態となる。不活性ガス容器３３は、その外周に設けた不活性ガス加熱ヒータ３２により加熱されている（例えば、温度は４００℃〜９００℃）。不活性ガス加熱ヒータ３２は、図２に記載していないヒータ温度制御器により、予め設定された温度に調整されている。すなわち、不活性ガス容器３３中の不活性ガスの温度は、４００℃〜９００℃の範囲内に限定されず、熱処理の種類や態様により、適宜調節可能である。

図１および図２において、昇降エレベータ６が上昇動作を開始すると、炉口蓋８に支持されたウェハ保持用治具９が上方に動き始める。この際、不活性ガス容器３３と不活性ガス源の間に設けた遮断バルブ３５が開状態となり、ガス配管３４ｂからガス配管３４ａを経由して、不活性ガス容器３３内に不活性ガスが導入される。不活性ガス容器３３は、予め設定された温度に加熱されているため、導入された不活性ガスの温度も高温に加熱される。その後、不活性ガス容器３３の内面の縦横均等に開けられた複数の穴から、不活性ガス容器３３の中央に向かって、均等に高温に加熱された不活性ガスが噴出される。

昇降エレベータ６の上昇動作が継続すると、ウェハ保持用治具９に保持されたウェハ１０は、上記の高温に加熱された不活性ガスの層を通過して、外部反応管２に挿入される。外部反応管２へ完全にウェハ１０やウェハ保持用治具９が挿入されると、昇降エレベータ６の上昇動作が停止する。その際、不活性ガス容器３３と不活性ガス源の間に設けた遮断バルブ３５が閉状態となり、高温に加熱された不活性ガスの供給が停止する。その後、内部反応管３の温度が設定温度に安定した後、反応ガス５が供給され、熱処理等のデバイス加工処理が開始する。

前述しているように、昇降エレベータ６が上昇動作中は、遮断バルブ３５が開状態となり、高温に加熱された不活性ガス容器３３内に不活性ガスが流れ込み高温に加熱される。高温に加熱された不活性ガスは、不活性ガス容器３３の内面の縦横均等に開けられた複数の穴から、不活性ガス容器３３の中央に向かって均等に流れ出す。ウェハ１０やウェハ保持用治具９は、高温に加熱された不活性ガスの層を通過する際、不活性ガスで置換されながら、高温に加熱される。
以下、本実施形態の上記構成による作用効果について説明する。

本実施形態に係る熱処理装置では、ウェハ１０やウェハ保持用治具９が外部反応管２に挿入される前に、加熱された不活性ガス層により予備加熱され、その後外部反応管２へ挿入されるため、内部反応管３の不活性ガスと挿入途中のウェハ１０やウェハ保持用治具９の間の熱交換が抑制される。これにより、ウェハ１０やウェハ保持用治具９の挿入が完了した後、炉口部１６の温度変動が抑制される。その結果、ウェハ１０が外部反応管２のデバイス加工位置まで上昇後、炉口部１６の温度が設定温度に安定する時間が短くなり、熱処理装置（例えば、バッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置）の処理時間を短縮でき、処理能力が向上する。

一方、特許文献２に記載の従来技術では、図６に示すように、内部反応管１０３へは、炉口部１１６の下方の炉口蓋１０８が開き、ウェハ保持用治具であるボート１０９に保持されたウェハ１１０を挿入する。この際、炉口部１１６は、常温（２０℃〜２５℃）のウェハ１１０やボート１０９との間で、熱交換が行わるため温度が下がる。装置の構成上、ウェハ１１０の挿入方向は常に一方向のため、挿入動作中の炉口部１１６の温度は設定温度より低くなり、挿入動作が完了しても設定温度に安定するのに時間が掛かる。

熱処理等のデバイス加工処理は、内部反応管１０３内部の温度が設定温度に安定した後に開始するが、炉口部１１６の温度安定時間が長くなり、処理能力を低下させる要因となっている。また、既に内部反応管１０３内部に挿入が完了しているウェハ１１０の熱履歴が長くなり、無用の自然酸化膜が成膜されることで、成膜品質の低下を起こしたり、デバイス特性の低下を招く要因にもなっている。

すなわち、特許文献２に記載の従来技術では、内部反応管１０３の炉口部１１６は、常温（２０℃〜２５℃）のウェハ１１０やボート１０９が挿入される。そして、内部反応管１０３内部の高温（４００℃〜９００℃）に保温された不活性ガスと、ウェハ１１０やボート１０９との間で熱交換が行われ、温度が下がる。

また、特許文献２に記載の縦型拡散ＣＶＤ装置では、外部反応管１０２外周に設置されたヒータ１０１で、内部反応管１０３の炉口部１１６を設定された温度に制御しようとするが、挿入方向が一方向のため常に常温のウェハ１１０と熱交換が行われ、挿入動作中は炉口部１１６の温度は設定温度に安定しない。熱処理等のデバイス加工処理は、内部反応管１０３内部の温度が設定温度に安定した後に開始するが、炉口部１１６の温度安定時間が長くなり、処理能力を低下させる要因となっている。

そのため、特許文献２に記載の従来技術は、挿入動作完了後の炉口部１１６の温度安定時間短縮には効果が少なく、処理能力の低下を抑制する効果は小さい。

また、特許文献１に記載の従来技術に係る半導体製造用加熱炉では、図７に示すように、ウェハ２０１やボート２０２に付着した水分を加熱炉２０３内に侵入させないため、炉口２０３ｃ近傍にガス加熱装置２１２から供給させる１００℃〜２００℃の範囲内に加熱された不活性ガスをウェハ２０１やボート２０２に吹き付ける窒素ガスノズル２１１と、その対向する位置に不活性ガスを排気する排気ダクト２０７を設けている。このように、一方向に向けて１００℃〜２００℃の温風を吹き付けるため、ウェハ２０１間の水分を除去することができる。

この構造では、ウェハ２０１やボート２０２の水分除去に一定の効果はあるが、不活性ガスのカーテン構造が、一方向から不活性ガスを吹き付ける構造であるため、大気を巻き込みやすい。そのため、ガス加熱装置２１２で不活性ガスの温度を加熱炉２０３内での熱処理温度（４００℃〜９００℃）まで昇温すると、ウェハ２０１に自然酸化膜が生成されやすくなる。

また、この構造では、ウェハ２０１やボート２０２に対して、一方向から１００℃〜２００℃の不活性ガスを吹き付ける構造であるため、ウェハ２０１やボート２０２の温度分布にむらが生じ、その後の昇温工程、熱処理工程の安定性が低減する場合もある。

これに対して、本実施形態の熱処理装置では、図１に示すように、ウェハ保持用治具９に搭載されたウェハ１０を内部反応管３内部へ挿入する前に、不活性ガス加熱機構部３１により４００℃〜９００℃の範囲内の高温に加熱した不活性ガスで予備加熱する。

このため、挿入途中のウェハ１０周囲の大気（酸素、水分）を、高温の不活性ガスで置換しながら予備加熱することになる。また、この不活性ガス加熱機構部３１には、不活性ガスの放出口が略等間隔で３箇所以上円周上に設けられている。このため、ウェハ１０やウェハ保持用治具９の外周全てから不活性ガスを吹き出すため、１００％不活性ガス雰囲気に近い状態でウェハ１０やウェハ保持用治具９をむらなく加熱することができる。すなわち、一気にウェハ１０全体を加熱できる。そして、ウェハ１０およびボート９の温度を挿入前に加熱炉の内部反応管３に近い温度（４００℃〜９００℃）に昇温することができる。よって、本実施形態によれば、ウェハ１０の全体を熱処理効率よく安定的に予備加熱できる。

そのため、酸素濃度が高い状態で加熱した際に、ウェハ１０上に成膜される自然酸化膜を抑制しながら、加工前のウェハ１０やウェハ保持用治具９を予備加熱できる。その結果、挿入動作が完了した後の炉口部１６の温度安定時間を短縮できる。また、ウェハ１０やウェハ保持用治具９をむらなく加熱することができるので、その後の昇温工程および熱処理工程が安定する。

<参考形態>
図３は、参考形態に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。図４は、参考形態に係る熱処理装置の高温不活性ガスパージ機構を模式的に示した拡大断面図である。参考形態に係る熱処理装置の構成は、基本的には、実施形態１に係る熱処理装置と同様である。

本参考形態に係る熱処理装置は、ヒータ１および炉口部１６（開口部）を備える、外部反応管２および内部反応管３からなる二重構造の加熱炉を備える。また、この熱処理装置は、ウェハ１０（基板）を保持するウェハ保持用治具９（基板保持部）を備える。

さらに、この熱処理装置は、ウェハ保持用治具９に対して、ウェハ１０の導入方向と反対側に、ウェハ保持用治具９とともに移動するように設けられている不活性ガス放出手段を備える。また、この不活性ガス放出手段は、内部反応管３内に導入されるウェハ１０に対して、ウェハ１０の導入方向の反対側から、加熱された不活性ガスを放出する放出口を有する。

また、この熱処理装置は、不活性ガスを加熱し、不活性ガス放出手段に供給する、不活性ガス加熱ヒーター５３と、不活性ガス容器５２と、ヒーター制御器５４と、からなる不活性ガス加熱手段を備える。そして、この熱処理装置は、ウェハ１０を内部反応管３内に出し入れするように、ウェハ保持用治具９および不活性ガス放出手段を搬送する、炉口蓋８および昇降エレベータ６から構成される搬送手段を備える。

本参考形態に係る熱処理装置は、このような不活性ガス放出手段を有するため、バッチ式ＣＶＤ装置あるいは拡散装置のウェハ１０やウェハ保持用治具９等を、内部反応管３に挿入する前に、高温に加熱された不活性ガスで予備加熱することができる。そのため、ウェハ１０上に成膜される無用の自然酸化膜を抑制しながら、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等を昇温することができる。その結果、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等の内部反応管３への導入動作の完了後に、ウェハ１０やウェハ保持用治具９等の温度上昇にかかる時間を短縮することができる。
以下、参考形態の熱処理装置の構成の説明をより詳細に行う。

この熱処理装置は、ウェハ保持用治具９を挿入する外部反応管２を有し、その内側にリング状の内部反応管３が同心円上に設置され、外部反応管２の外周に内部反応管３の温度を高温に制御するヒータ１が設けられている。また、この熱処理装置は、ウェハ保持用治具９の下方には保温用治具４１や保温材４２、台座４３を有し、それらは炉口蓋８の上に設置されている。この炉口蓋８は、昇降エレベータ６に接続されている。このエレベータの昇降手段は、昇降エレベータ６を昇降するモーター２１とエレベータ位置を検出するエンコーダ２２とで構成される。

この熱処理装置は、炉口蓋８の中央にガス配管５５ａが接続され、ガス配管５５ｂを経由して不活性ガス容器５２に繋がる構造を有する。この熱処理装置は、ガス配管５５ａとガス配管５５ｂの間には、遮断バルブ５１を有する。この熱処理装置では、不活性ガス容器５２の外周には不活性ガス加熱ヒータ５３が設置されている。

また、この熱処理装置は、エンコーダ２２より昇降エレベータ６の位置信号を受信後、遮断バルブ５１を開閉する遮断バルブ開閉制御器２３を有する。この熱処理装置は、不活性ガス放出手段として、炉口蓋８の中央部にはガスの流路を有し、台座４３の内部にもガス流路を設けている。また、不活性ガス放出口として、保温用治具４１の側面と上面には複数個の穴が開いている。
以下、上記構成の熱処理装置で、ウェハ１０を加熱炉へ挿入する方法について説明する。

本参考形態に係る内部反応管３（加熱炉）を用いるウェハ１０（基板）の熱処理方法は、ウェハ１０を内部反応管３内に導入する際に、ウェハ１０を予備加熱する工程と、内部反応管３内において、予備加熱されたウェハ１０を熱処理する工程と、を含む。

そして、この予備加熱する工程は、不活性ガスを加熱する工程と、内部反応管３内に導入されるウェハ１０に対して、ウェハ１０の導入方向の反対側から、加熱された不活性ガスを放出する工程と、を含む。

ウェハ１０を予備加熱する工程において、不活性ガス容器５２には、図に記載していない不活性ガス源より不活性ガスが供給される。昇降エレベータ６が外部反応管２の下方で待機中は、遮断バルブ５１は閉状態で、不活性ガス加熱ヒータ５３により高温（４００℃〜９００℃）に加熱される。

昇降エレベータ６が上昇動作を開始し、ウェハ保持用治具９に保持されたウェハ１０が外部反応管２へ挿入動作を行い、炉口部１６へ保温用治具４１が挿入されると、エンコーダ２２が昇降エレベータ６の位置信号を遮断バルブ開閉制御器２３へ送信し、遮断バルブ開閉制御器２３が遮断バルブ５１を開動作する。

不活性ガス容器５２内の高温に加熱された不活性ガスは、ガス配管５５ｂからガス配管５５ａを経由して、炉口蓋８の中央部へ導入される。その不活性ガスは、台座４３で分散され、保温用治具４１内へ導入され、保温用治具４１の側面と上面に開いている複数個の穴から噴出される。

ウェハ１０を保持しているウェハ保持用治具９が外部反応管２に全て挿入され、昇降エレベータ６の上昇動作が完了すると、エンコーダ２２より昇降エレベータ６の位置信号を遮断バルブ開閉制御器２３が受信し、遮断バルブ５１を閉する。

以下、本参考形態の上記構成による作用効果について説明する。なお、参考形態に係る熱処理装置による作用効果は、基本的には、実施形態１に係る熱処理装置による作用効果と同様である。

本参考形態では、上記に説明した構成及び動作により、ウェハ保持用治具９に保持されたウェハ１０が挿入動作を完了し、保温用治具４１が外部反応管２の炉口部１６に到達した時点より、高温に加熱された不活性ガスが炉口蓋８の中央部を経由して保温用治具４１から側面及び上面に噴出される。

このため、ウェハ１０上へ無用の自然酸化膜が成膜されるのを抑えながら、保温用治具４１や保温材４２、及びウェハ保持用治具９の下側に保持されたウェハ１０を予備加熱することができる。その結果、挿入動作が完了した後の炉口部１６の温度が設定温度に安定する時間を短縮することができる。

また、参考形態の熱処理装置に特有の作用効果として、高温に加熱された不活性ガスを保温用治具４１から側面、及び上面へ噴出し、ウェハ保持用治具９に保持されたウェハ１０、保温用治具４１、及び保温材４２を予備加熱することができる。このため、新たに不活性ガスパージ機構を外部反応管２の下方に設置することなく予備加熱が可能となり、省コスト・省スペ−ス化が実現できる。

また、保温用治具４１から側面、及び上面へ噴出する、高温に加熱された不活性ガスは、ウェハ保持用治具９に保持されたウェハ１０全体に行き渡り、ウェハの水平方向について、むらなくウェハ１０全体を加熱する。すなわち、一気にウェハ１０全体を加熱できる。また、ウェハの導入方向については、炉口部付近の加熱するのに時間が掛かるウェハ１０を重点的に加熱できるので、挿入動作が完了した後の炉口部１６の温度が設定温度に安定する時間を短縮することができる。

<実施形態２>
図５は、実施形態２に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。実施形態２に係る熱処理装置の構成は、実施形態１の場合と同様であるが、不活性ガス加熱機構を複数配置している点で異なる。

具体的には、本実施形態に係る熱処理装置は、外部反応管２および内部反応管３を有する加熱炉の炉口部１６近傍に、３連の不活性ガス加熱機構部３１を備える。これらの不活性ガス加熱機構部３１の構成は、それぞれ実施形態１で説明した不活性ガス加熱機構部３１と同様である。

もっとも、不活性ガス加熱機構部３１は３連に限定されず、２連であってもよく、４連以上であってもよい。また、互いに並行して、中央に形成される空間をウェハ１０およびウェハ保持治具９が通過し得るように設けることにより、効率的な予備加熱を行うことができる。

また、これらの不活性ガス加熱機構部３１の放出する不活性ガスの温度は、下から上に行くにしたがって、徐々に上昇させるように構成されている。このため、実施形態１の場合よりも、不活性ガスでウェハ１０の予備加熱を開始する時期を、ウェハ１０を内部反応管３内に挿入する直前だけではなく、もう少し手前の搬送途中からも行うことができる。

この熱処理装置は、このような構成を備えるため、実施形態１の場合と同様の作用効果に加えて、以下の特有の作用効果を奏する。すなわち、ウェハ１０を加熱炉内に導入する際に、ウェハ１０を徐々に加熱することができる。このため、ウェハ１０上における自然酸化膜の生成をさらに抑制できる。また、内部反応管３の炉口部１６の直前に至るまでに、ウェハ１０やウェハ保持治具９の温度を充分に上昇させることができるので、さらに炉口部１６の温度安定化時間を短縮できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、上記の実施形態では、加熱炉を縦型の構造としたが、横型の構造であってもよい。また、加熱炉を内部反応管３および外部反応管２からなる二重構造としたが、一重構造であってもよい。また、不活性ガスとしては、窒素ガスを用いたが、Ａｒガスなどの他の不活性ガスを用いてもよい。

実施形態１に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態１に係る熱処理装置の高温不活性ガスパージ機構を模式的に示した平面図および断面図である。 参考形態に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。 参考形態に係る熱処理装置の高温不活性ガスパージ機構を模式的に示した拡大断面図である。 実施形態２に係る熱処理装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。 従来の縦型拡散・ＣＶＤ装置の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。 従来の半導体製造用加熱炉の予備加熱手段の構成を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ 外部反応管
３ 内部反応管
４ 不活性ガス
５ 反応ガス
６ 昇降エレベータ
８ 炉口蓋
９ ウェハ保持用治具
１０ ウェハ
１１ 排気ライン
１６ 炉口部
２１ モーター
２２ エンコーダ
２３ 遮断バルブ開閉制御器
３１ 不活性ガス加熱機構部
３２ 不活性ガス加熱ヒータ
３３ 不活性ガス容器
３４ａ ガス配管
３４ｂ ガス配管
３５ 遮断バルブ
４１ 保温用治具
４２ 保温材
４３ 台座
５１ 遮断バルブ
５２ 不活性ガス容器
５３ 不活性ガス加熱ヒータ
５４ ヒータ制御器
５５ａ ガス配管
５５ｂ ガス配管

Claims (7)

1. ヒータおよび開口部を備える加熱炉と、
   基板を保持する基板保持部と、
   前記基板を前記加熱炉内に出し入れするように、前記基板保持部を搬送する搬送手段と、
   前記加熱炉の開口部近傍に設けられている不活性ガス放出手段と、
   前記不活性ガスを加熱し、前記不活性ガス放出手段に供給する不活性ガス加熱手段と、
   を備え、
   前記不活性ガス放出手段は、
   前記加熱炉内に導入される前記基板に対して、前記基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された前記不活性ガスを放出する放出口を有し、
   前記不活性ガス放出手段は、
   前記加熱炉の開口部の直下にリング状の形状に設けられている不活性ガス容器を備え、
   前記放出口は、
   前記不活性ガス容器の内側に等間隔に配置されていることを特徴とする熱処理装置。
2. ヒータ及び開口部を備える加熱炉と、
   基板を保持する基板保持部と、
   前記基板を前記加熱炉内に出し入れするように、前記基板保持部を搬送する搬送手段と、
   前記加熱炉の開口部近傍に設けられている不活性ガス放出手段と、
   前記不活性ガスを加熱し、前記不活性ガス放出手段に供給する不活性ガス加熱手段と、
   を備え、
   前記不活性ガス放出手段は、
   前記加熱炉内に導入される前記基板に対して、前記基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された前記不活性ガスを内向きに放出する放出口を有し、
   前記放出口は、前記加熱炉の開口部の直下に等間隔で３箇所以上円周上に設けられていることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１または２に記載の熱処理装置において、
   前記不活性ガス放出手段は、
   前記基板の導入方向に沿って複数設けられていることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項３に記載の熱処理装置において、
   前記複数の不活性ガス放出手段は、
   それぞれ異なる温度の不活性ガスを放出するように構成されていることを特徴とする熱処理装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の熱処理装置において、
   前記基板保持部は、
   前記基板の導入方向に沿って、前記基板を並列して複数保持することを特徴とする熱処理装置。
6. 加熱炉を用いる基板の熱処理方法であって、
   前記基板を前記加熱炉内に導入する際に、前記基板を予備加熱する工程と、
   前記加熱炉内において、予備加熱された前記基板を熱処理する工程と、
   を含み、
   前記予備加熱する工程は、
   不活性ガスを加熱する工程と、
   前記加熱炉内に導入される前記基板に対して、前記基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された前記不活性ガスを放出する工程と、
   を含み、
   前記不活性ガスを放出する工程では、前記加熱炉の開口部の直下にリング状の形状に設けられている不活性ガス容器の内側に等間隔に配置されている放出口から、前記不活性ガスを放出することを特徴とする熱処理方法。
7. 加熱炉を用いる基板の熱処理方法であって、
   前記基板を前記加熱炉内に導入する際に、前記基板を予備加熱する工程と、
   前記加熱炉内において、予備加熱された前記基板を熱処理する工程と、
   を含み、
   前記予備加熱する工程は、
   不活性ガスを加熱する工程と、
   前記加熱炉内に導入される前記基板に対して、前記基板の導入方向に直交する外周方向から、加熱された前記不活性ガスを内向きに放出する工程と、
   を含み、
   前記不活性ガスを放出する工程では、前記加熱炉の開口部の直下に等間隔で３箇所以上円周上に設けられている放出口から、前記不活性ガスを放出することを特徴とする熱処理方法。

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