JP5304068B2 - 縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエーハ等のような基板に熱処理を行うための縦型熱処理装置に関する。

半導体単結晶シリコン（以下、単にシリコンということがある）等の単結晶インゴットからウエーハを切出した後半導体デバイスを製造するまでには、ウエーハの加工プロセスから素子の形成プロセスまで多数の工程が介在する。それらの工程の一つに熱処理工程がある。この熱処理工程は、ウエーハ表層での無欠陥層の形成、酸素析出物の形成によるゲッタリング層の形成、酸化膜の形成、不純物拡散等の目的で行われ、非常に重要なプロセスである。

このような熱処理工程で用いられる熱処理装置、例えば、酸化や不純物拡散に用いられる拡散炉（酸化・拡散装置）としては、現在、ウエーハの大口径化に伴い、ウエーハを水平に積層した状態で複数のウエーハを同時に熱処理する縦型の熱処理装置が主に用いられている（特許文献１参照）。
この縦型熱処理装置では、通常複数のウエーハを保持するための熱処理用ボートが用いられている。このような複数のウエーハに同時に熱処理を行う熱処理装置は、バッチ式の熱処理炉と言われている。

図４は、従来のバッチ式の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。図４において、熱処理装置２０の反応室は石英製の反応管２３により形成されており、その内部にはシリコンウエーハ等の被熱処理基板が載置される熱処理用ボート２４が設置されている。反応管２３の上部にはＨ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒ等の雰囲気ガスを反応室内に供給するための石英製のガス導入管２５が溶接されており、このガス導入管２５は不図示のガス供給源に接続されている。さらに反応管２３とガス導入管２５を取り囲むように炭化珪素製の均熱管２１が設置されている。均熱管２１の外側には加熱ヒータ２２が設置されており、熱処理用ボート２４に載置された被処理基板は、この加熱ヒータ２２によって加熱されるようになっている。

しかし、このような縦型熱処理装置２０を使って、例えば１２００℃といった高温の熱処理を行っていると、石英製の反応管２３が熱により変形し、反応管２３が熱処理用ボート２４や均熱管２１に接触して損傷するという不具合が発生した。

特開２００４−２２８４５９号

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、特に高温の熱処理における石英製反応管の熱変形を抑制し、良好な熱処理を実施することができる縦型熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、石英製の反応管と、該反応管を覆うように配置された炭化珪素製の均熱管と、該均熱管の外側に配置された加熱ヒータとを有する縦型熱処理装置であって、前記反応管が側壁に外向きの突起部を有し、かつ前記均熱管が側壁に内向きの突起部を有するものであり、前記反応管の突起部が前記均熱管の突起部によって支持されるものであることを特徴とする縦型熱処理装置を提供する。

このように、耐熱性の高い炭化珪素性の均熱管の突起部により石英製反応管の突起部を支持することで、反応管を均熱管によって支えて反応管側壁にかかる荷重を低減することができるため、熱により反応管が軟化したとしても自重で下方に変形するのを抑制できる。これにより、大きく熱変形した反応管が熱処理用ボートや均熱管に接触する不具合を防止することができる。
したがって、反応管が石英製でありながら、特に高温アニールでも使用することが可能になる。また、その石英製の反応管のライフを延ばすことができるため、反応管のコストの低減、および稼働率の向上を図ることができる。更に、反応管を石英製にすることができるため、炭化珪素製の反応管のように継目のリークの心配はなく、良好な熱処理を実施できる。

このとき、前記反応管、及び／又は、前記均熱管が、３箇所以上の前記突起部を円周方向に均等間隔に有するものであることが好ましい。
このように、３箇所以上の突起部を円周方向に均等間隔に有することで、反応管側壁への荷重を均熱管により均等に支えることができるため、反応管の熱変形を効果的に抑制することができる。

このとき、前記反応管の突起部、及び／又は、前記均熱管の突起部が、側壁より５〜３０ｍｍ突出し、上下方向の厚さが１０ｍｍ以上であることが好ましい。
このように、突起部が上記のような突出幅、厚さであれば、反応管を十分に支え得る強度を有するため、反応管の熱変形をより確実に抑制することができる。

このとき、前記反応管の突起部の下側面が、水平面又は突出方向に上がるようなテーパー面であって、前記均熱管の突起部の上側面が、水平面又は前記反応管の突起部の下側面とは逆のテーパー面であることが好ましい。
このように、反応管を均熱管で支持する際の両突起部の接触面が、水平面又はテーパー面同士であれば、より安定的に支持することができ、取り付けの際の固定も容易である。

本発明の縦型熱処理装置であれば、反応管を均熱管により支持することで、反応管の熱変形を抑制することができる。その結果、反応管が石英製でありながら高温アニールに使用でき、また、反応管のライフを延長し、コストの低減および稼働率の向上を図ることができる。さらに、反応管が石英製であることから継目は溶着できるため、リークの心配はない。

従来では、縦型熱処理装置を使って、例えば１２００℃といった高温の熱処理を行っていると、石英製の反応管が熱により変形し、反応管が熱処理用ボートや均熱管に接触して損傷するという不具合が発生していた。

一方、図５に示すように、反応管３１の熱変形を防止するため、反応管３１の材質を炭化珪素製とした縦型熱処理装置が従来から使用されている。しかし、このように反応管３１が炭化珪素製の場合は、ガス導入管を反応管３１に溶接することが困難であるため、図４のように反応管２３に沿わせてガス導入管２５を設置することができない。そのため、図５のように縦型熱処理装置３２の下部、すなわち反応管３１の下に石英製のフランジ３３を設け、この石英製フランジ３３に石英製のガスポート部３０を溶接して、縦型熱処理装置３２の下部から反応室内にガスポート部３０を挿入するようにしている。

さらに、反応室内の上部からガスを供給できるようにするため、反応室内で石英製ガスポート部３０に耐熱性の高い炭化珪素製のガス導入管３０ａを接続する構造となっている。ここで、ガス導入管３０ａを耐熱性の高い炭化珪素製とする理由は、ガス導入管３０ａを石英製とした場合、熱によりガス導入管３０ａが変形し反応管３１や熱処理用ボートに接触するという不具合が生じるためである。しかし、耐熱性の高い炭化珪素製のガス導入管３０ａを採用した場合には、熱によって変形するという不具合は解消されるものの、縦型熱処理装置３２の上部の反応管３１下部の石英製フランジ３３の隙間からリークした空気がガスポート部３０とガス導入管３０ａの接続部からガス導入管３０ａ内部に侵入し、その空気が熱処理中のウェーハに供給されて、ウェーハ表面に曇りが発生するという新たな問題が起きた。

そこで本発明者は、上記課題の解決について検討を重ねたところ、石英製反応管の熱による変形を防止するため、石英製反応管の外側に突起部を設けるとともに炭化珪素製均熱管の内側にも突起部を設け、石英製反応管を炭化珪素製均熱管により支持することで反応管の熱変形を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明に係るバッチ式の縦型熱処理装置の一例を示した概略図である。図２は、本発明に係る突起部の形状の一例を示した概略図である。図３は、本発明に係る反応管を均熱管に挿入して固定する際の断面説明図である。
図１に示すように、本発明の縦型熱処理装置１６は、石英製の反応管１１と、該反応管１１の内側に設置され、被処理基板が載置される熱処理用ボート１７と、反応管１１を覆うように配置された炭化珪素製の均熱管１０を有している。また、均熱管１０の周囲には加熱ヒータ１２が設置されており、この加熱ヒータ１２によって、被処理基板を加熱することができる。

反応管１１の天井部には、熱処理の際にＨ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒ等の雰囲気ガスを反応管１１の内部に供給するための石英製のガス導入管１５が溶接されている。ガス導入管１５の溶接位置等は特に限定されないが、天井部の中心部であれば雰囲気ガスを反応管１１の内部に効率良く供給することができる。また、１本に限定されず、適宜必要な本数設けることが可能である。このガス導入管１５は、反応管１１と均熱管１０の間を通り、他端が不図示のガス供給源に接続されている。
このように、本発明では、反応管１１が石英製であるため、ガス導入管１５等との継目は石英同士で溶着により溶接できるため、石英と炭化珪素との接続のようなリークは発生しない。

そして、本発明の縦型熱処理装置１６は、反応管１１が側壁に外向きの突起部１３を有し、かつ均熱管１０が側壁に内向きの突起部１４を有するものであり、反応管１１の突起部１３が均熱管１０の突起部１４によって支持される。

このように、耐熱性の高い炭化珪素製の均熱管の突起部により石英製反応管の突起部を支持することで、反応管を均熱管によって支えて反応管側壁にかかる荷重を低減することができるため、熱により反応管が軟化して下方に変形するのを抑制できる。このような突起部のストッパーとしての働きによって、反応管が大きく熱変形して熱処理用ボートや突起部以外で均熱管に接触する不具合を防止することができる。
したがって、反応管が石英製でありながら、特に高温アニールでも使用することが可能になる。また、石英製の反応管のライフを延ばすことができるため、反応管のコストの低減、および稼働率の向上を図ることができる。

突起部１３、１４の配置や数としては、反応管１１を支持して熱変形を抑制できれば特に限定されないが、図１に示すように、同数で同位置に突起部１３、１４を有することが好ましく、さらには突起部１３、１４を側壁の上方に有して支持位置を上方にすることで、反応管１１の熱変形をより確実に抑制できるため好ましい。

このとき、図３に示すように、反応管１１、及び／又は、均熱管１０が、３箇所以上の突起部１３、１４を円周方向に均等間隔に有するものであることが好ましい。
このように、３箇所以上の突起部を円周方向に均等間隔に有することで、反応管側壁への荷重を均等に支えることができ、反応管の熱変形を効果的に抑制することができる。

また、均熱管１０と反応管１１の取り付け方法としては、特に限定されないが、例えば図３に示すように、まず均熱管１０を固定し、その均熱管１０に、互いに突起部１３、１４が接触しないように反応管１１を挿入し、挿入後に反応管１１を回転させてお互いの突起部１３、１４が重なる位置になるようにセットして支持させて固定する。

また、反応管１１の突起部１３、及び／又は、均熱管１０の突起部１４が、側壁より５〜３０ｍｍ突出し、上下方向の厚さが１０ｍｍ以上であることが好ましい。
このような、突起部であれば反応管を支持するのに十分な強度を有するため、反応管の熱変形をより確実に抑制することができる。
ただし、本発明の突起部としては、均熱管に反応管を挿入する際にお互いの突起部が干渉し合わない程度の幅、厚さであって、熱変形により反応管が水平方向に膨張しても互いの突起部の先端が反応管、均熱管の側壁に接触しない程度に突出していれば、特に限定されない。

このとき、突起部１３、１４の形状としては、反応管１１を支持できる形状であれば、特に限定されないが、反応管１１の突起部１３の下側面が、水平面又は突出方向に上がるようなテーパー面であって、均熱管１０の突起部１４の上側面が、水平面又は反応管１１の突起部１３の下側面とは逆のテーパー面であることが好ましい。
このように、支持する際に突起部同士の接触面が、図１に示すような水平面同士か、又は図２に示すようなテーパー面同士であれば、反応管をより安定して支持することができ、確実に熱変形を抑制することができる。

以上のような、本発明の縦型熱処理装置であれば、高温の熱処理でも石英製反応管の熱変形を抑制することができ、良好な熱処理を行うことができる。

以下、本発明を実施例、比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例）
図１に示すような、天板がドーム状で内径３８０ｍｍ、外径３９０ｍｍ（半径１９５ｍｍ）の石英製反応管を備えた縦型の熱処理装置を用意した。その反応管側壁の外側上部に、図３に示すような、突起部を外径４１０ｍｍ（半径２０５ｍｍ）（側壁より１０ｍｍ突出）、中心角３０°、厚さ１０ｍｍで３回軸対称に同じ高さに３箇所設けた。同様に、天板がドーム状で外径４２５ｍｍ、内径４１５ｍｍの炭化珪素製均熱管にも、突起部を側壁の内側上部に内径３９５ｍｍ（側壁より１０ｍｍ突出）、中心角３０°、厚さ５ｍｍで３回軸対称に３箇所設けた。なお、反応管及び均熱管の突起部上下面は水平となるように加工されている。反応管の突起部が均熱管の突起部の上に載るように反応管をセットし、１２００℃で１時間の熱処理を１０００回実施した。
この場合、ドーム状の天井が若干垂れ下がりはしたが、反応管下部の外径は４００ｍｍと均熱管に接触することはなかった。

（比較例）
図４のような、天板がドーム状で側壁に突起部のない外径３９０ｍｍ、内径３８０ｍｍの石英製反応管を、天板がドーム状で側壁に突起部のない外径４２５ｍｍ、内径４１５ｍｍの炭化珪素製均熱管にセットし、１２００℃で１時間の熱処理を５００回実施した。
この場合、ドーム状の天井が若干垂れ下がり、全長も２０ｍｍ低くなった。また、反応管下部の外径が４１５ｍｍとなって均熱管に接触してしまい、反応管が抜けなくなった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 本発明の反応管と均熱管の突起部の形状の一例を示す概略図である。 本発明の反応管と均熱管を取り付ける際の断面説明図である。 従来の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 炭化珪素製の反応管を有する従来の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１０…本発明の均熱管、 １１…本発明の反応管、 １２、２２…加熱ヒータ、
１３…反応管の突起部、 １４…均熱管の突起部、
１５、２５、３０ａ…ガス導入管、 １６…本発明の縦型熱処理装置、
１７、２４…熱処理用ボート、 ２０、３２…従来の縦型熱処理装置、
２１…従来の均熱管、 ２３、３１…従来の反応管、
３０…ガスポート部、 ３３…フランジ。

Claims (3)

1. 少なくとも、石英製の反応管と、該反応管を覆うように配置された炭化珪素製の均熱管と、該均熱管の外側に配置された加熱ヒータとを有する縦型熱処理装置であって、
   前記反応管が側壁に外向きの突起部を有し、かつ前記均熱管が側壁に内向きの突起部を有するものであり、前記反応管の突起部が前記均熱管の突起部によって支持されるものであり、前記反応管の突起部の下側面が、突出方向に上がるようなテーパー面であって、前記均熱管の突起部の上側面が、前記反応管の突起部の下側面とは逆のテーパー面であることを特徴とする縦型熱処理装置。
2. 前記反応管、及び／又は、前記均熱管が、３箇所以上の前記突起部を円周方向に均等間隔に有するものであることを特徴とする請求項１に記載の縦型熱処理装置。
3. 前記反応管の突起部、及び／又は、前記均熱管の突起部が、側壁より５〜３０ｍｍ突出し、上下方向の厚さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の縦型熱処理装置。

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