JP4642349B2 - 縦型熱処理装置及びその低温域温度収束方法 - Google Patents

縦型熱処理装置及びその低温域温度収束方法 Download PDF

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Description

本発明は、縦型熱処理装置及びその低温域温度収束方法に関する。
半導体ディバイスの製造においては、被処理体例えば半導体ウエハに、酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の熱処理を施すために各種の熱処理装置が用いられている。その一つとして、一度に多数枚の熱処理が可能な縦型熱処理装置が知られている。この縦型熱処理装置は、下部に開口部とガス導入部を有し、上部に排気部を有する石英製の処理容器と、該処理容器の開口部を開閉する蓋体と、該蓋体上に設けられ、複数枚の被処理体を上下方向に所定の間隔で保持する保持具と、前記処理容器の周囲に設けられ、処理容器内に搬入された前記被処理体を加熱するヒータとを備えている。
また、縦型熱処理装置としては、ヒータ内に空気を送風して処理容器を強制的に空冷するための送風機を備えたものも提案されている（例えば、特開２００２−３０５１８９号公報参照）。前記送風機は、熱処理終了後にウエハ及び処理容器を迅速に冷却するために用いられていた。
ところで、熱処理としては、例えばウエハに低誘電率の膜を形成する場合のように低温域例えば１００〜５００℃での熱処理がある。この低温域での熱処理の場合、如何に迅速に所定の熱処理温度に昇温・収束させるかが課題となる。低温用熱処理装置としては、熱応答性を良くするために石英製の処理容器を使わずに金属製の処理室を有する熱処理装置が提案されている。一方、熱処理時にヤニのような付着物が発生する場合は、クリーニングや交換が容易な石英製の処理容器が装置構成上必要である。
特開２００２−３０５１８９号公報
しかしながら、石英製の熱処理容器を有する縦型熱処理装置においては、熱処理容器の熱容量が大きいため、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間が長くかかるという問題があった。低温域での昇温リカバリーにおける収束時間が長くかかると、ＴＡＴの短縮やスループットの向上に影響が出る。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を短縮することができ、ＴＡＴの短縮及びスループットの向上が図れる縦型熱処理装置及びその低温域温度収束方法を提供することを目的とする。
本発明は、上下方向に所定の間隔で保持された複数枚の被処理体を収容する石英製の処理容器と、該処理容器の周囲に設けられ、処理容器内の被処理体を所定の熱処理温度に加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送風して処理容器を冷却する送風機と、前記処理容器内の温度を検知する温度センサと、被処理体を１００〜５００℃の低温域の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させるために前記ヒータ及び送風機を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、ヒータに所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータへの電力を０に落とすと同時に、前記送風機に電力を供給してヒータ及び処理容器を強制的に冷却し、所定温度の前後になったら送風機への電力を０に落とすと同時にヒータに所定温度を維持するために必要な電力を供給し、前記ヒータは、前記処理容器の周囲を覆う水冷ジャケットの内側に抵抗発熱体を配設して成り、前記処理容器は上部、胴部及び下部からなり、その胴部の肉厚が上部及び下部のそれぞれの肉厚よりも薄く形成されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、上下方向に所定の間隔で保持された複数枚の被処理体を収容する石英製の処理容器と、該処理容器の周囲に設けられ、処理容器内の被処理体を所定の熱処理温度に加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送風して処理容器を冷却する送風機とを備えた縦型熱処理装置を用いて被処理体を低温域の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させる低温域温度収束方法であって、ヒータに所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータへの電力を落とすと共に、前記送風機により処理容器を強制的に冷却し、被処理体の温度を所定の温度に収束させることを特徴とする。
請求項１の発明によれば、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を短縮することができ、ＴＡＴの短縮及びスループットの向上が図れる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を基に詳述する。図１は本発明の実施の形態である縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図、図２は低温域昇温リカバリーを実施するための構成を概略的に示す図である。
これらの図において、１は縦型熱処理装置で、この縦型熱処理装置１は、下部に開口部（炉口）２とガス導入部３を有し、上部に排気部４を有する石英製の処理容器（プロセスチューブ）５と、この処理容器５の開口部２を開閉する蓋体６と、この蓋体６上に設けられ、大口径例えば直径３００ｍｍで複数枚例えば２５程度の被処理体例えば半導体ウエハｗを上下方向に所定の間隔で保持する保持具（例えば石英製ボート）７と、前記処理容器５の周囲に設けられ、処理容器５内に搬入された前記ウエハｗを加熱するヒータ８とを備えている。
前記処理容器５は下部が開口した円筒状に形成され、漸次縮径された上部にはＬ字状の排気部（排気管部）４が形成されている。処理容器５の下部（下端部）にはフランジ部９が形成され、このフランジ部９がベースプレート１０に支持部材（図示省略）を介して支持されている。処理容器５は、上部５ａ、胴部５ｂ及び下部５ｃからなり、大きさを変えずに熱容量を小さくするために胴部５ｂの肉厚ｔが上部５ａ及び下部５ｃのそれぞれの肉厚（６ｍｍ程度）よりも薄く（例えば4ｍｍ程度の薄肉に）形成されている。胴部５ｂの肉厚ｔが４ｍｍの本実施例の処理容器（薄肉チューブ）５は、胴部の肉厚ｔが６ｍｍである従来の処理容器（従来チューブ）に比して熱容量が小さく、冷却時の放熱量も大きいので、熱応答性に優れている。
前記ガス導入部３はフランジ部９に設けられ、ガス導入部３には処理ガスや不活性ガス（例えばＮ２ガス）のガス源が接続されている。前記排気部４には処理容器５内を所望の圧力に減圧制御可能な排気系が接続されている。処理容器５の下方には作業空間であるローディングエリアが設けられ、このローディングエリア内には保持具を処理容器内にロード（搬入）、アンロード（搬出）すべく蓋体６を上昇、下降させるための昇降機構（図示省略）が設けられている。
保持具７は例えば下部に１本の脚部１１を有し、蓋体６の中央部には脚部１１の下端部を固定して保持具７に回転を与えるための回転導入機構部１２が設けられている。また、蓋体６の上部には、開口部２からの放熱を抑制するための面状の下部ヒータ１３が設けられている。前記ヒータ８は、処理容器５の周囲を覆う円筒状の水冷ジャケット１４を有し、この水冷ジャケット１４内に抵抗発熱体１５を配設して構成されている。水冷ジャケット１４の上端開口部及び下端開口部は閉塞されていることが好ましい。抵抗発熱体１５としては、例えば石英管にカーボンワイヤを通してなるものであっても良い。ヒータ８としては、円筒状の断熱材の内周に抵抗発熱体を配設してなるものであっても良いが、熱応答性の点では水冷ジャケット型の方が好ましい。
前記ヒータ８には該ヒータ８内に空気を送風して処理容器５を冷却するための送風機（ブロワ）１６が接続されている。ヒータ８の下部には送風機１６から導かれた送風管１７が接続され、ヒータ８の上部にはヒータ８内の空気を排出する排気管１８が接続されている。なお、ヒータ８内の空気は排気管１８から熱交換器１９を介して工場排気系に排出されるようになっても良いが、図２に示すように工場排気系に排出せずに、熱交換器１９での熱交換後に送風機１６の吸引側に戻し、循環使用するようにしても良い。また、その場合、エアフィルタ２０を介して循環させるとなお良い。エアフィルタ２０は送風機１６の吸い込み側に設けられていても良いが、送風機１６の吹き出し側に設けられている方がより好ましい。前記熱交換器１９はヒータ８からの廃熱を利用のために設けられている。
前記縦型熱処理装置１を用いてウエハｗを低温域例えば１００〜５００℃の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させる低温域昇温リカバリーにおける収束時間の短縮化ないし制御性の改善を図るために、ヒータ８内好ましくは処理容器５内には熱処理温度を検出するための温度センサ２１が設けられ、この検出温度をフィードバックさせながらヒータ８及び送風機１６を制御するための制御装置例えば温度コントローラ２２が設けられている。温度コントローラ２２には温度センサ２１からの信号が入力されている。また、温度コントローラ２２には設定温度（所定温度）に対して効率よく低温域昇温リカバリーを実行すべくヒータ８及び送風機１６を制御するためのプログラム（シーケンス）が組み込まれている。ヒータ８は温度コントローラ２２からの信号により電力コントローラ例えばサイリスタ２３を介して制御され、送風機１６は温度コントローラ２２からの信号により電力コントローラ例えばインバータ２４を介して制御されるようになっている。
図３はヒータの制御の一例を説明するための図である。制御方法としては、図３に示すように送風機１６の風量を一定（例えば低温域昇温リカバリー時：１ｍ３/分、急速降温時：７ｍ３/分）にして、ヒータ８（の出力）を制御する第１の制御方法がある。第１の制御方法は、低温域昇温リカバリーにおいて、送風機１６の風量を一定（例えば１ｍ３/分）にした状態で、ヒータ８に所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータ８への電力を落としてウエハｗの温度を所定温度に収束させる方法である。
図４はヒータ及び送風機を共通の制御装置により制御する場合の一例を説明するための図である。制御方法としては、図４に示すように送風機１６の風量及びヒータを共に制御する第２の制御方法がある。第２の制御方法は、図５にも示すように低温域温度収束方法において、ヒータ８に所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータ８への電力を落とすと共に、前記送風機１６に電力を加えて処理容器５を強制的に冷却し、ウエハｗの温度を所定温度に収束させる方法である。ウエハｗの温度を所定温度に収束させる場合、設定温度（所定温度）の手前（直前）でヒータ８への電力を０に落とすと同時に送風機１６に電力を供給してヒータ８内及び処理容器５を強制空冷することにより昇温にブレーキをかけ、所定温度の前後になったら送風機１６への電力を０に落とすと同時にヒータ８に所定温度を維持するために必要な電力を供給する。
以上の構成からなる縦型熱処理装置１によれば、下部に開口部２とガス導入部３を有し、上部に排気部４を有する石英製の処理容器５と、該処理容器５の開口部２を開閉する蓋体６と、該蓋体６上に設けられ、複数枚のウエハｗを上下方向に所定の間隔で保持する保持具７と、前記処理容器５の周囲に設けられ、処理容器５内に搬入された前記ウエハｗを加熱するヒータ８と、該ヒータ８内に空気を送風して処理容器５を冷却する送風機１６と、前記処理容器５内の温度を検知する温度センサ２１と、ウエハｗを低温域の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させるために前記ヒータ８及び送風機１６を制御する温度コントローラ（制御装置）２２とを備えているため、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を短縮することができ、ＴＡＴの短縮及びスループットの向上が図れる。また、前記処理容器５は上部５ａ、胴部５ｂ及び下部５ｃからなり、その胴部５ｂの肉厚ｔが上部５ａ及び下部５ｃのそれぞれの肉厚よりも薄く形成されているため、処理容器５の大きさを変えずに熱容量を減少させることができ、前記収束時間の更なる短縮が図れる。
また、縦型熱処理装置１を用いてウエハｗを低温域の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させる低温域温度収束方法（第１の制御方法）によれば、送風機１６の風量を一定にした状態で（風量を一定に制御し）、ヒータ８に所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータ８への電力を落としてウエハｗの温度を所定の温度に収束させるため、昇温リカバリーにおける制御性が改善され、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を短縮することができ、ＴＡＴの短縮及びスループットの向上が図れる。昇温レート３０℃/分で室温（２５℃程度）から１５０℃への低温域昇温リカバリーの試験を行った結果、本実施例（薄肉チューブｔ＝４ｍｍ、強制空冷ＯＮ：１ｍ３/分）では、従来例（従来チューブｔ＝６ｍｍ、強制空冷ＯＦＦ）に比して収束時間を５．５分すなわち２０％短縮することができた。また、昇温レート３０℃/分で２００℃から４００℃への低温域昇温リカバリーの試験を行った結果、本実施例（薄肉チューブｔ＝４ｍｍ、強制空冷ＯＮ：７．７３Ｈｚ）では、従来例（従来チューブｔ＝６ｍｍ、強制空冷ＯＦＦ）に比して収束時間を１．５分すなわち２３．６％短縮することができた。
もう一方の低温域温度収束方法（第２の制御方法）によれば、ヒータ８に所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータ８への電力を落とすと共に、前記送風機１６に電力を加えて処理容器５を強制的に冷却し、ウエハｗの温度を所定の温度に収束させるため、昇温リカバリーにおける制御性が改善され、例えば図５に示すように本実施例では従来例に比して低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を更に短縮（Ａ分）することが可能となり、ＴＡＴの短縮及びスループットの向上が図れる。
なお、前記縦型熱処理装置１によれば、低温域昇温リカバリーにおける制御性の向上が図れるだけでなく、処理容器５の胴部５ｂを薄肉にしたことにより自然降温による降温性能の向上及び強制空冷による降温性能の更なる向上が図れ、この点もＴＡＴ、スループットの向上に効果がある。
以上、本発明の実施の形態ないし実施例を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態ないし実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。
本発明の実施の形態である縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。 低温域昇温リカバリーを実施するための構成を概略的に示す図である。 ヒータの制御の一例を説明するための図である。 ヒータ及び送風機を共通の制御装置により制御する場合の一例を説明するための図である。 低温域昇温リカバリーを実施するための制御方法の一例を説明するための図である。
符号の説明
１ 縦型熱処理装置
ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
２ 開口部
３ ガス導入部
４ 排気部
５ 処理容器
５ｂ 胴部
６ 蓋体
７ 保持具
８ ヒータ
１６ 送風機
２１ 温度センサ
２２ 温度コントローラ（制御装置）

Claims (1)

  1. 上下方向に所定の間隔で保持された複数枚の被処理体を収容する石英製の処理容器と、該処理容器の周囲に設けられ、処理容器内の被処理体を所定の熱処理温度に加熱するヒータと、該ヒータ内に空気を送風して処理容器を冷却する送風機と、前記処理容器内の温度を検知する温度センサと、被処理体を１００〜５００℃の低温域の所定温度で熱処理する際の昇温過程で所定温度に収束させるために前記ヒータ及び送風機を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、ヒータに所定温度の直前まで電力を加えた後、ヒータへの電力を０に落とすと同時に、前記送風機に電力を供給してヒータ及び処理容器を強制的に冷却し、所定温度の前後になったら送風機への電力を０に落とすと同時にヒータに所定温度を維持するために必要な電力を供給し、前記ヒータは、前記処理容器の周囲を覆う水冷ジャケットの内側に抵抗発熱体を配設して成り、前記処理容器は上部、胴部及び下部からなり、その胴部の肉厚が上部及び下部のそれぞれの肉厚よりも薄く形成されていることを特徴とする縦型熱処理装置。
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