JP4754207B2 - 熱処理システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハなどの熱処理に用いる熱処理システムに関する。

半導体ウェーハなどの熱処理を行なう際、ウェーハ１枚、１枚を遂次処理する「枚葉式」と称する方式がある。この方式の装置では、装置自体の寸法をできる限り小さくして、装置の設置面積を節約する「省スペース化」が望まれている。
特開平１１−０９７４４８

一方、近年、ワイドキャップ半導体素子と称するＧａＮやＳｉＣなどのデバイスの実用化が急速に立上がってきた。この種の半導体素子ではオーミック電極の熱処理が必須であり、７００〜１０００℃程度の高温度領域で急加熱し、数分後に冷却を開始するというプロセスが必要となる。
これを実現するには、予め７００〜１０００℃の高温に保持された炉体の中にウェーハを搬入して急加熱できる「枚葉方式」の装置を用いるのが好適である。しかしながら、上記の700〜1000℃の高温領域では加熱ヒーターの寸法も大きくなり、また、加熱ヒーター周囲の温度上昇を低減させるための断熱材などの設置により、炉体自体の寸法が大きくならざるを得ず、炉体の小型化が望まれていた。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハなどを熱処理する炉体において、蓄熱板と、蓄熱板の裏側に配置する加熱ヒーターと、前記加熱ヒーターの裏側に配置する熱遮蔽体と、前記蓄熱板の周縁端部に接して前記加熱ヒーターと前記熱遮蔽体とを囲い込むように設置した内筒（筒状の内壁）とで加熱ユニットを構成し、前記加熱ユニットと同一構造のもう一つの加熱ユニットを、互いに蓄熱板が対向するようにして間隔をあけて配置し、さらに、前記の２個の加熱ユニットに近接してこれを収容する箱状の炉体外壁とで炉体ユニットを構成している。前記蓄熱板間の間隙に被加熱物を配置して加熱処理をすることを特徴とする炉体ユニットである。
蓄熱板間の間隔を数ｃｍと狭くすることにより、小型の加熱ヒーターと熱遮蔽体であっても高温度が得られる。
請求項２の発明は、上記請求項１に記載の炉体ユニットにおいて、対向して設置される蓄熱板を平板で構成し、互いに平行となるように配置し、また、リボン状の抵抗加熱方式のヒーターで加熱ヒーターを構成し、さらに、複数枚の耐熱性平板を互いに間隔をあけて配置して熱遮蔽体を構成したことを特徴とする炉体ユニットである。
上記の構成を採ることにより、炉体ユニットを小型にすることができる。
請求項３の発明では、炉体ユニットを構成する箱状の炉体外壁の材料が、カーボン、又はＳｉＣ被覆カーボン、又はＳｉＣ、又はＡｌＮのいずれかであることを特徴としている。炉体外壁の構成材料自体が高い耐熱性を有する。このため、断熱材の使用が節減でき炉体の小型化に寄与する。
一例を挙げれば、対向する蓄熱板の大きさが２００〜３５０ｍｍ角の炉体ユニットにおいて、蓄熱板対向間隔を１０〜３０ｍｍに設定した場合に、蓄熱板対向間隔が狭いほど温度分布や加熱効率の点で有利である。
一方、蓄熱板間の間隙に試料を挿入する操作上、後述するロボットアームやプッシャーピンの動作から最小間隔が特定され、上記条件では１０ｍｍになる。一方、蓄熱板対向間隔の上限は、温度分布と加熱効率などから特定され、上記条件では許容できる最大の間隔が３０ｍｍである。

請求項４の発明は、上記発明による炉体ユニットを熱処理室に収納し、搬送ロボットによりウェーハカセットからウェーハを取り出した後、炉体ユニットの２枚の蓄熱板間に挿入して熱処理をするシステムである。炉体ユニット自体を小型にできるので、自動化した「枚葉式」の熱処理システムにおいても全体を小型化、省スペース化できる。
請求項５の発明は、上記炉体ユニットを収納する熱処理室や、ロボットを収納するロボット室に所望のガスを導入できる機構を設け、また上記ガスを排出できる機構や、２枚の蓄熱板間に挿入されたウェーハを受け渡しするためのプッシャーピンを装備したことを特徴とする熱処理システムである。

本発明では、炉体自体を小型化でき、かつ、１１００℃程度の高温度が得られ、熱処理システムとしても小型化が実現され、省スペース化に寄与できる。

図1は、本発明による炉体ユニットの基本構成を示す模式断面図である。
まず、炉体ユニット１００は、上下二つの加熱ユニット１２０、１１０とで構成されている。上下の加熱ユニットは、対称構造をなしているので、以下では、下側の加熱ユニット１１０を中心に説明する。
加熱ユニット１１０の最上層部には、蓄熱板１１１がある。この裏側（下側）には間隙をあけて加熱ヒーター１１２が設けられている。さらにこの下側には、加熱ヒーターからの輻射熱を遮蔽するための熱遮蔽体１１３が設けられている。蓄熱板は、例えばカーボン製の平板で構成されている。また、前記の蓄熱板の周縁部分に接続する内筒１１４が前記の加熱ヒーターと熱遮蔽体とを取り囲んでいる。加熱ヒーターは、カーボン製の平板リボン状ヒーターなどであり、また、熱遮蔽体は、例えば、カーボン平板を適当な間隙をあけて複数枚重ねた多層構造としている。上記の二つの加熱ユニット１１０、１２０を図示のように、蓄熱板１１１と１２１とが互に対向するように、適当な間隔をあけて配置する。このとき、通常は互の蓄熱板を平行配置する。また場合によっては、この2枚の蓄熱板の間に半導体ウェーハなどを挿入しやすくする目的で、片側の間隔を広めにすることもあり得る。
更に、上記の２個の加熱ユニット１１０、１２０は、図１に示すように耐熱性材料からなる下部外筒１１５と上部外筒１２５で構成される箱状の炉体外壁の中側に収納されている。箱状の炉体外壁には、被加熱物の搬出入や処理ガス導入のために開口部１１６が設けられている。
以下に具体的な実施例について説明する。

図２は、本発明の炉体ユニット２００の一実施例を示す模式断面図である。耐熱材料（例えば、カーボン、ＳｉＣ、ＳｉＣ被覆カーボン、ＡｌＮなど）からなる下部外筒２１６、上部外筒２２６により箱状の炉体外壁が構成されている。この中に、上下対称に、加熱ユニットが配設されている。下部側の加熱ユニットを例にとれば、ＳｉＣ被覆カーボン製の蓄熱板２１１の下側には、カーボンヒーター２１２が配設されている。このカーボンヒーター２１２は、リボン形状を渦巻き形にしたもので、その両端にはカーボン製の電極棒２１５が取付けられている。
さらに、その下側には間隔をあけて3枚のカーボン製熱遮蔽板２１３が設けられている。蓄熱板２１１と熱遮蔽板２１３（３枚）とは、下部内筒２１４により互に連結・固定され、また、具体的な図示を省略するが、カーボンヒーター２１２と電極棒２１５は下部内筒２１４や下部外筒２１６に連結・固定されている。以上の蓄熱板、カーボンヒーター、熱遮蔽板、カーボン電極棒、下部内筒により下部ヒーターユニットが構成されている。

また、リボン状カーボンヒーター２１１に通電するための２本のカーボン電極棒２１５には、高耐熱金属製（例えば、Ｍｏなど）の給電電極２１７が取付けられている。上部ヒーターユニットは、下部ヒーターユニットとほゞ同一構造であり、これを、互の蓄熱板２１１と２２１が対向するように、適当な間隔をあけて平行に配置している。
さらには、蓄熱板２１１、２２１が所望温度で加熱されるように、蓄熱板の中に温度制御用熱電対２１８，２２８を設け、温度制御を行なっている。
図２中に示す上下の蓄熱板の間隔ｄは、蓄熱板間に挿入・載置される試料（例えば、半導体ウェーハなど）の挿入・取り出しに支障が出ない範囲で狭い寸法とすることが望ましい。必要以上に広くすると蓄熱板間空間の面内温度分布が低下しやすい。一例を示せば、蓄熱板直径が２００mmの場合、１０〜３０mmである。本実施例では、蓄熱板の大きさを直径２００mm、蓄熱板間隔ｄを１５mmとした時、蓄熱板温度１１００℃において、直径１５０mmのエリア内の面内温度分布は、±４℃以下と良好な結果が得られた。
なお、図２中に示す開口部Ａや開口部Ｂは、２枚の蓄熱板間に試料を挿入・取り出しをするためや、所望のガスを導入するための開口部であり、この例では、下部外筒２１６に開口している。
なお、以上の例では、蓄熱板の形状や内筒・外筒の形状が円形であるとしたが、形状がこれに限定されるものではなく、必要に応じ角型など任意形状を取りうるものである。また、本例では、加熱ユニットを上下に配設したが、これに限定されるものではなく、適当な試料の保持方法を講じれば、炉体ユニット２００を傾斜して使用することや、垂直に立てて使用する、いわゆる「縦型炉体ユニット」とすることも可能である。

本発明による熱処理システムの実施例を図３により説明する。図３は、実施例１で述べた本発明の炉体ユニットを用いた熱処理システムの模式構成図である。
まず、水冷機構を備えたステンレススチール製の熱処理室３２０の中に、実施例１で述べた本発明の炉体ユニット３１１が収納されている。炉体ユニット内の上下の蓄熱板３１２の間隙に試料（被加熱物；本例では、半導体ウェーハ３１０）を挿入するために、炉体ユニットの炉体カバー（外筒）３１３に設けられている開口部に相当する位置の熱処理室の壁部にも開口部を設けた後、ゲートバルブ３３０を設置している。
また、熱処理室３２０の中に窒素（Ｎ２）ガスを導入するための導入管３１７が設けられている。さらに、Ｎ２導入管３１４からは、蓄熱板間の間隙部分（炉心）に向けて直接Ｎ２ガスの送気が可能である。また、各導入管にはマスフローコントローラー（ＭＦＣ）を設けてあり、排気管３１８から排出しながら常に一定流量のＮ２ガスを熱処理室に流し続けることが可能である。さらに、必要に応じて、熱処理室の雰囲気ガスを真空引き口３２６から真空ポンプ３２２により排気することも可能である。
上下２枚の蓄熱板３１２には、温度制御用の熱電対３１５、３１６が取り付けられている。また、炉体ユニット内の上下の加熱ユニットには、給電ケーブル３２３、３２４によりパワーコントローラー３２５を介して電力が供給される。また、上下の加熱ユニットは、各々独立して温度制御がなされる。これにより、実際にウェーハが蓄熱板間に挿入された場合の温度分布変動を修正するのが容易になる。

また、炉体ユニット内の下部加熱ユニットには、ロボットアーム３３２により搬送されてきた試料（ウェーハ３１０）を受け取るための３本のプッシャーピン３１９が装備されている。このプッシャーピンは、耐熱性材料（例えば、アルミナなど）からなる丸棒であり、プッシャーピン駆動機構３２１により上昇・下降する。
今、ロボットアーム３３２によりウェーハ３１０が２枚の蓄熱板間隙に搬入されてきたとすると、大略正三角形の頂点位置に配置されている３本のプッシャーピン３１９が上昇してウェーハを受け止める。ついで、ロボットアーム３３２は後退してロボット室３３３の中に戻る。ついでゲートバルブ３３０が閉まり、ウェーハ３１０の熱処理が開始される。ウェーハがプッシャーピンに支持されたまゝ、中空に浮いた状態でウェーハの熱処理を行うことも可能であり、また、プッシャーピンを下降させて下側の蓄熱板の上に載せた状態で熱処理することも可能である。さらには、所望の時間だけウェーハを中空位置に保持した後に、プッシャーピンを下降させて蓄熱板上でさらに熱処理を加えることも可能である。
以上説明したロボット、ゲートバルブ、プッシャーピンなどの動作は、あらかじめ設定したプログラムでコントローラー（図示せず）により自動制御されている。所望の熱処理時間が終了した時点で、プッシャーピンが上昇しウェーハを中空に保持する。次にゲートバルブ３３０が開き、ロボットアーム３３２がウェーハの下側に挿入された後、プッシャーピンが下降してウェーハがロボットアームに受け渡される。その後、ウェーハは炉体ユニットから引き出され、ロボット室まで搬送される。

さらに、必要に応じてロボット室内でウェーハの冷却を行う。ロボット室にもＮ２ガス導入管３３４と、Ｎ２ガス排出管３３６とが設けられているので、所望の流量のＮ２ガスをロボット室に流すことにより、熱処理後のウェーハを積極的に冷却することが可能である。所定の冷却が終了した後に、ロボット室へのＮ２ガス送気を停止してロボット室内の気圧を大略大気圧に戻した後、ゲートバルブ３４０をあけて処理済みウェーハをカセット３４２に収容する。カセット３４２を外部に取り出すには、カセット室３４１に付随しているドアー３４４を手動操作で開いて取り出せばよい。
このシステムに装備されている真空ポンプ３２２は、真空雰囲気で熱処理が必要な場合や、熱処理室及びロボット室の雰囲気ガスの置換などに利用される。
また、以上の説明では、熱処理室やロボット室に導入するガスを窒素（Ｎ２）ガスとしたが、必要に応じて種々のガスを導入することが可能である。
さらに、本例では１個の炉体ユニットを装備した例を述べたが、熱処理室内に数個の炉体ユニットを収納して多段に並べ、各炉体ユニットを異なる温度に設定しておき、何段階かの温度での加熱・冷却処理を行うことも可能である。
この場合に、ウェーハの搬送方式に次の２種類の方式がある。
（１）一つは、炉体ユニットを直列に並べて、手前から奥の炉体ユニットに向かってウェーハを往復させる方式である。
（２）他の方式として、炉体ユニットを横に並列的に並べ、ウェーハが各炉体ユニット間を渡り歩く時に、ウェーハが炉体ユニット外に持ち出されることなく移動可能なように、ウェーハ挿入とロボットアーム移動用の炉体カバー（外筒）に設ける開口部の形状を、横方向に連続して開口した構造とする。このような並列配置の複数の炉体ユニットを用いて、ウェーハを横方向に連続配置されている炉体ユニット間を移動させる方式である。

実施例２に示した熱処理システムは、ワイドギャップ半導体素子のオーミック電極の熱処理に応用できる。以下に、一例を示す。
まず、直径５０ｍｍの基板上のｎ型ＧａＮ結晶層上に、電子ビーム蒸着法によりＴｉ、Ａｌ，Ｎｉ，Ａｕを順次蒸着して、多層構造のオーミック電極層を形成した。次に、上記ウエーハ上の電極の熱処理を実施した。まず、ウエーハを専用のカセットに収納した後、これをカセット室にセットした。次いで、ロボット搬送によりウエーハを蓄熱板上に載置し、３分間保持した。
処理温度は８００℃であり、室温から８００℃までの昇温時間は約９０秒であった。また、熱処理室には、流量５Ｌ／分のＮ2ガスを流し、さらに蓄熱板間の間隙部分には直接２Ｌ／分のＮ２ガスを流した。８００℃（３分間）の熱処理が終了した時点で、ウエーハをロボット室まで排出した。ロボット室には、流量１０Ｌ／分のＮ2ガスを流し、約１５０℃になるまでウエーハを冷却した。次いで、ロボット室へのＮ２ガスの流入量を絞って、ほゞ大気圧に近い圧力とした後、ウエーハをカセットに収納した。
上記熱処理により、ｎ型ＧａＮ層に対する良好なオーミック電極を形成できた。

この発明は、各種半導体素子、とりわけ、ワイドギャップ半導体素子の製造プロセスに適用可能である。

本発明の基本構成を示す模式断面図 本発明の実施例１を示す模式断面図 本発明の実施例２を示す模式構成図

符号の説明

１００、２００、３１１： 炉体ユニット
１１０、１２０： 加熱ユニット
１１１、１２１、２１１、２２１、３１２： 蓄熱板
１１２、１２２： 加熱ヒーター
１１３、１２３： 熱遮蔽体
１１４、１２４： 内筒
２１３、２２３： 熱遮蔽板
２１４： 下部内筒
２１５、２２５： 電極棒
２１６： 下部外筒
２１７、２２７： 給電電極
２１８、２２８： 温度制御用熱電対
２２４： 上部内筒
２２６： 上部外筒
３００： 熱処理システム
３１０、３４３： ウェーハ
３１４： 炉心向けＮ２導入管
３１７、３３４： Ｎ２ガス導入管
３１８、３３６： Ｎ２ガス排出管
３１９： プッシャーピン
３２０： 熱処理室
３２２： 真空ポンプ
３３０、３４０： ゲートバルブ
３３１： ロボット
３３３： ロボット室
３４１： カセット室

Claims (5)

1. 半導体ウェーハなどを熱処理する炉体において、蓄熱板と、蓄熱板の裏側に配置する加熱ヒーターと、前記加熱ヒーターの裏側に配置する熱遮蔽体と、前記蓄熱板の周縁端部に接して前記加熱ヒーターと前記熱遮蔽体とを囲い込むように設置した内筒とで加熱ユニットを構成し、前記加熱ユニットと同一構造のもう一つの加熱ユニットを、互いに蓄熱板が対向するようにして間隔をあけて配置し、さらに、前記の２個の加熱ユニットを箱状の炉体外壁の中に収容して炉体ユニットを構成し、前記蓄熱板間の間隙に被加熱物を配置して加熱処理をすることを特徴とする炉体ユニット。
2. 対向して設置される蓄熱板を平板で構成し、互いに平行となるように配置し、また、リボン状の抵抗加熱方式のヒーターで加熱ヒーターを構成し、さらに、複数枚の耐熱性平板を互いに間隔をあけて配置して熱遮蔽体を構成したことを特徴とする、請求項１に記載の炉体ユニット。
3. 前記の炉体ユニットを構成する箱状の炉体外壁の材料が、カーボン、又はＳｉＣ被覆カーボン、又はＳｉＣ、又はＡｌＮのいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載の炉体ユニット。
4. 請求項１〜３に記載の炉体ユニットのいずれか一つ以上を収納する熱処理室と、炉体ユニットへの被加熱物の搬出入用の熱処理室壁の開口部と、前記開口部に設置するゲートバルブと、前記ゲートバルブを経由して被加熱物を搬出入するロボットと、前記ロボットを収納するロボット室と、被加熱物を収容するカセットと、前記カセットを収納するカセット室と、前記カセット室とロボット室を連結するゲートバルブとを備え、カセットに収容されている被加熱物を搬送ロボットにより熱処理室の炉体ユニット内に搬送し、２枚の蓄熱板間の間隙又は蓄熱板に接して加熱処理を行い、加熱処理終了後に、再び搬送ロボットにより被加熱物をカセットに戻すことを特徴とする熱処理システム。
5. 熱処理室に所望のガスを導入する機構と、熱処理室内の炉体ユニットの対向する蓄熱板間の間隙に所望のガスを導入する機構と、熱処理室内のガスを排出する機構と、ロボット室に所望のガスを導入する機構と、ロボット室内のガスを排出する機構と、炉体ユニット内の下側加熱ユニットに被加熱物受渡し用のプッシャーピンを設けたことを特徴とする、請求項４に記載の熱処理システム。