JPH01256119A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱処理技術、特に、高温度で熱処理される時
における熱応力転位を抑制する技術に係り、例えば、半
導体装置の製造工程において、半導体ウェハに不純物を
拡散処理するのに利用して有効なものに関する。

〔従来の技術〕

一般に、半導体装置の製造工程において、半導体ウェハ
（以下、ウェハという、）に不純物をデボジッシッンお
よび引伸し拡散する場合、株式会社工業調査会発行「電
子材料１９８３年１１月号別冊Ｊ昭和５８年１１月１５
日発行　Ｐ７５〜Ｐ７９に示されているように、横形拡
散装置、または縦形拡散装置が使用されている。その使
用方法の概要は、ウェハを石英ボートに載せ、所定の温
度に設定され不活性雰囲気または酸化性雰囲気となって
いるプロセスチューブ内へボートを挿入し、所定の時間
の後、石英ボートを引出すことにより、熱処理を完了す
る。この際、ボートの挿入、引出しは手動、または自動
によってなされる。また、横形拡散装置の場合には、挿
入引出し時に石英ボートとプロセスチューブとが接し擦
ることなく行うため、ソフトランディング装置が用いら
れることもある。

そして、これらの拡散装置において、ウェハの挿入およ
び引出しスピード、隣合うウェハの間隔は、ウェハに降
伏応力以上の力が加わることによって熱応力転位が発生
しないように、実験により決められる。そのため、一般
に挿入引出しスピードは遅く、また、ウェハ間隔は広く
とることがなされている。これらはいずれにしても処理
能力の低下を来たす問題があり、ウェハ径が大きくなる
につれ、これは大きな問題になる。

さらに、より高温での熱処理を必要とする場合、プロセ
スチューブを低温度にしておいてウェハを挿入し、プロ
セスチューブを所定温度まで上げ、引出しはその逆を行
うランピング（炉冷炉熱）方法も用いられている。この
方法においても、ランピングに時間がかかり、少しの熱
処理時間が特性に大きく影ツを与えるプロセスでは問題
となる。

「マイクロエレクトロニクス・アンド・リライアビリテ
ィ第１５巻Ｐ６１−Ｐ６６　（Ｍｉｃｒ。

ｃｌｃｃＬｒｏｎｔｃｓ　　ａｎｄ　　Ｒｅ１ｉａｂｉ
ＩＬｙ、　　　Ｖｏｌ、　　　１５．　　　ｐｐ、　　
　６１ｔｏ　　６６、　　　Ｐｅｒｇａｍｏｎ　　Ｐｒ
ｅｓｓ。

１９７６、　　　Ｐｒ１ｎｔｅｄ　　ｉｎ　　Ｇｒｅａ
ｔ　　Ｂｒ１ｔａｉｎ）」、および米国特許第３７３７
２８２号明細書に示されている方法は、これを解決する
ものとして提案されている。

すなわち、ボートをインナ石英管で覆い、それごと挿入
引出しすることにより、早いスピードで出し入れし、ま
た、隣り合うウェハの間隔も広く設定することな（行な
えるようにした熱処理装置および熱処理方法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したように、熱応力転位を防止するために、ウェハ
を載せたボートのプロセスチューブに対する挿入引出し
スピードを遅１し、また、隣り合うウェハの間隔を広く
とる方法においては、処理能力の低下を招くため、量産
の面から不利となるという問題がある。

また、横形拡散装置においてインナ石英管を使用する方
法においては、挿入引出しすべき重量が大きくなり、プ
ロセスチューブとの摩擦が大きくプロセスチューブを擦
るため、塵埃をまき上げウェハ上への異物付着が発生す
る。

さらに、縦形拡散装置および横形拡散装置のいずれにお
いても、インチ石英管を使用すると、インナ石英管内に
ガスが流れ難いので膜生成においては均一性が損なわれ
る。

本発明の目的は、これらの問題をすべて解決し、処理能
力を上げ、熱応力転位の発生を防止することができる熱
処理技術を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明
細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、次の通りである。

すなわち、複数枚の被処理物を１列縦隊に整列させた状
態で保持している治具を、縦割り構造に形成されている
内筒に収容して略全体的に包囲した状態で、処理室に対
して搬入搬出されるように構成するとともに、内筒の中
空部にガスを強制的に流通させるガス供給路を設けたも
のである。

〔作用〕

前記した手段によれば、被処理物の処理室に対する搬入
搬出時、処理室からの輻射熱により、まず、被処理物お
よび被処理物治具をカバーしている内筒が加熱および冷
却される。そして、内筒が全体的に、かつ均一に加熱さ
れた後、被処理物が加熱および冷却されるため、被処理
物内における温度分布差は小さくなり、熱応力転位欠陥
不良および被処理物の変形は抑制されることになる。

また、内筒中空部内に収容された被処理物への処理ガス
供給はガス供給路から内筒の中空部へガスが強制的に供
給されることにより、過不足なく実行されるため、被処
理物に対する処理は全体にわたって均一に実行されるこ
とになる。

〔実施例１〕 第１図は本発明の一実施例である横形拡散装置を示す縦
断面図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３
図および第４図はその作用を説明するための各拡大部分
断面図である。

本実施例において、この拡散装置は石英ガラス等を用い
て略円筒状に形成されているプロセスチューブｌを備え
ており、このプロセスチューブ１の中空部は処理室２を
形成している。プロセスチューブ１の外部にはヒータ３
が設置されており、ヒータ３は制御装置（図示せず）に
制御されて処理室２を略全長にわたって可及的に均一に
加熱するように構成されている。プロセスチューブｌの
一端には酸素や窒素等のような雰囲気ガスを導入するた
めの供給口４が開設されており、プロセスチューブｌの
他端には、被処理物としてのウェハ６を出し入れするた
めの開口部としての炉口５が開設されている。ウェハ６
は複数枚が、石英ガラスから成る棒状材等を用いてボー
ト形状に組み立てられている保持治具としてのボート７
上に、互いに平行に並ぶように略垂直に立てられて保持
されるようになっている。

この拡散装置は、ウェハを処理室２にソフトランディン
グ方式で出し−入れするためのフォーク８を備えており
、このフォーク８は石英ガラス等を用いてプロセスチュ
ーブｌよりも小径の略円筒形状に形成されている。フォ
ーク８はプロセスチューブｌの炉口５に対向してプロセ
スチューブｌの軸心と平行方向に配設されており、適当
な駆動装置（図示せず）により処理室２に対して水平に
進退するように構成されている。フォーク８の先端部に
は円筒の上側半分を切除してなる略半円筒形状の保持部
９が形成されており、保持部９はウェハ６群を収容した
ボート７を載置状態に保持するようになっている。また
、フォーク８の後端部には処理ガス供給路ｌＯが接続さ
れており、この供給路ＩＯは酸素や窒素等のような雰囲
気ガスをフォーク８の中空部を通じてウェハ群に供給し
得るようになっている。

本実施例において、この拡散装置には内筒の一部を構成
するキャンプ１１が用意されており、このキャップ１１
は石英ガラス等のようなプロセスチューブ１と同じ材料
を用いて、略半円筒形状に成形されている。キャップ１
１はフォーク８の保持部９上に被せられるようになって
おり、フォーク８の保持部９と協働してウェハ６および
ボート７の周りを包囲し得る円筒形状を構成するように
形成にされている。キャップ１１の両端部は供給口４か
ら導入されたガスがウェハ６に供給されるように、その
全体または一部が開設されている。

キャンプ１１はボート７よりも長く、また、熱容量が大
きくなるように肉厚に設定されており、その内径寸法が
ウェハ６の外径寸法よりも若干大きく設定されている。

次に作用を説明する。

ウェハ６に拡散処理が施される場合、まず、プロセスチ
ューブ１の処理室２内に供給口４からガスＧが流され、
処理室２内がヒータ３により処理温度よりも若干低い温
度に加熱される。他方、ウェハ６が複数枚、例えば、５
−間隔で１列縦隊に立てられたボート７は、フォーク８
の保持部９に設置される。続いて、保持部９上にキャッ
プ１１が被せられる。これにより、フォーク８の保持部
９とキャップ１１との協働によりウェハ６群およびボー
ト７を包囲する内筒１２が実質的に構成されることにな
る。

この状態で、ウェハ６およびボート７はフォーク８の前
進に伴って、所謂ソフトランディングにより緩やかな速
度をもって処理室２に搬入される。

このとき、フォーク８後端部のガス供給路１０からガス
Ｇがフォーク８の中空部を通してウェハ６群に供給され
る。

ウェハ６およびボート７がキャップ１１および保持部９
によりカバーされた状態で、フォーク８により炉口５か
ら処理室２に搬入される時、ヒータ３からの輻射熱によ
りプロセスチューブｌを加熱、ないしはこれを通してキ
ャップ１１およびフォーク８の保持部９全体が加熱され
る。そして、キャップ１１およびフォーク８が全体的、
かつ均−に加熱された後、ウェハ６およびボート７全体
が均一に加熱されることになる。

続いて、ヒータ３によりプロセスチューブｌの処理室２
が処理に必要な所定温度（例えば、１２００°Ｃ）まで
加熱されるとともに、供給口４および供給路１０から所
定のガスＧが供給され、所定の処理条件にて拡散処理が
実施される。このようにして、処理ガスＧが供給路１０
からフォーク８および内筒１２を通じてウェハ６群に直
接的に供給されるため、ウェハ６群および各ウェハ６内
に対する処理が全体にわたって確実かつ均一に実施され
ることになる。

処理終了後に、ウェハ６およびボート７はキャンプ１１
でカバーされた状態で、フォーク６の後退により、緩や
かな速度をもって処理室２から炉口５に搬送される。ウ
ェハ６およびボート７がキャップ１１によりカバーされ
た状態で処理室２の炉口５から外部へ搬出される時、キ
ャップＩＩおよびフォーク８の保持部９が全体的、かつ
均一に冷却された後に、ウェハ６およびボート７全体が
均一に冷却されることになる。

フォーク８の保持部９が炉口５から外部へ引き出された
後、キャンプ１１が保持部９から取り外され、保持部９
上からボート７が下ろされる。続いて、別のウェハ６を
収容したボート７が保持部９上に載せられる。

ここで、ウェハ６群およびボート７がプロセスチューブ
１に対して搬入または搬出されて行く際、ボート７の進
行方向前側領域におけるウェハ６群と、後側領域におけ
るウェハ６群との間において温度差が発生するのを防止
するために、フォーク８は緩やかな速度、例えば、２０
０ｒＭａ／分の速度をもって徐々に移動される。また、
同様な理由で、搬入搬出時におけるプロセスチューブ１
のヒータ３による加熱温度は所定の処理温度よりも一時
的に降下される０例えば、処理温度が約１２００　”Ｃ
とした場合、搬入搬出時には温度が約８００°Ｃに降下
される。

このようにして、搬入搬出時において、ヒータ３による
加熱温度が下げられ、かつ、ボート７が徐々に移動され
て行くことにより、ボート７上におけるウェハ６群の前
後部における温度差の発生が抑制される。その結果、ボ
ート７上におけるウェハ６群内（１バツチ内）の熱処理
レート（程度）についての差が抑制されることになる。

ところで、第３図に示されているように、ウェハ６群お
よびこれを保持するボート７がキャップ１１により包囲
されない状態で、プロセスチューブｌに対して搬入搬出
される従来例の場合、プロセスチューブ１の輻射熱がウ
ェハ群に対して斜め前方から照射した状態になることに
より、ウェハ６内に隣りに位置するウェハによる熱的な
影（第３図の斜線部を参照）が形成されるため、ウェハ
内の周辺部と中央部とで熱応力による転位欠陥やウェハ
変形が発生するという問題点があることが、本発明者に
よって明らかにされた。

しかし、本実施例においては、ウェハ６群およびこれを
保持するボート７がキャップ１１およびフォーク８の保
持部９によって形成される内筒１２により包囲された状
態で、搬入搬出されて行くため、プロセスチューブ１の
輻射熱による熱的な影はウェハ６に発生しない。

すなわち、ウェハ６群およびボート７がキャップ１１に
より包囲された状態で、プロセスチューブｌにその炉口
５から緩やかな速度をもって徐々に搬入されて行く際、
第４図に示されているように、進行方向に対して斜め前
方から照射するプロセスチューブ１の輻射熱により、ま
ず、キャップ１１およびフォーク８の保持部９（以下、
内筒１２という、）が加熱される。したがって、この内
筒１２に包囲されているウェハ６群はプロセスチューブ
ｌの斜め前方からの輻射熱を遮られるため、斜め前方か
らの輻射熱の照射による熱的な影がウェハ６内に発生す
るのを回避することができる。

そして、ウェハ６群およびボート７が内筒１２により包
囲された状態で、プロセスチューブｌに緩やかな速度を
もって徐々に搬入されて行く間、内筒１２がプロセスチ
ューブ１の輻射熱により全体的かつ均一に加熱される。

このとき、内筒１２が肉厚に設定されているため、内筒
１２の前後部における加熱時間差により発生ずる局部的
な温度差が抑制され、内筒１２は全体的に略均−な温度
分布になる。そして、内筒１２の内径がウェハ６の外径
と近似されているため、内筒１２を通じてのウェハ６に
対する加熱がきわめて有効、かつ全体にわたって均一に
実行される。

このようにして、内筒１２が全体的かつ均一に加熱され
ると、ウェハ６群およびボート７が内筒１２の輻射熱お
よび内筒１２を通してのプロセスチューブ１の輻射熱に
より加熱される。このとき、これらの輻射熱はウェハ６
群に対してその外周方から径方向に照射する状態になる
ため、隣り合うウェハ６同士による熱的な影は発生しな
いことになる。

したがって、ウェハ６内において周辺部と中央部とで温
度差は発生せず温度分布が均一になるため、温度差によ
る熱応力の発生が抑制され、その結果、熱応力に伴う転
位欠陥やウェハの変形の発生が防止され名ことになる。

ところで、ウェハ６群が内筒１２によって包囲されるこ
とにより、供給口４から供給された処理ガスＧがウェハ
６群に均一に接触しにくくなる。

しかし、本実施例において、フォーク８の後端部に接続
されたガス供給路１０により、フォーク８の中空部（内
筒１２の中空部に相当する。）を通じてウェハ６群に処
理ガスが強制的に供給されるため、処理ガスがウェハ６
群に確実、かつ均一に接触することになる。したがって
、処理ガスによる処理がウェハ６群および各ウェハ６内
全体にわたって均一、かつ、適正に実行される。

また、本実施例においては、ウェハ６群およびボート７
を略全体的に包囲する内筒１２が、フォーク８の先端部
に半割り形状に形成されている保持部９と、この保持部
９の上に被せられる半円筒形状のキャップ１１とにより
実質的に構成されているため、ボート７のフォーク８に
対する上げ下ろし作業がきわめて簡単化される。すなわ
ち、キャップ１１を取り外すことにより、保持部９は上
方が開放する状態になるためである。

前記実施例によれば次の効果が得られる。

（＋）　　ウェハ群およびこれを保持したボートを内筒
により包囲した状態でプロセスチューブ内において熱処
理することにより、ウェハ群を均一に加熱することがで
きるため、熱応力転位を抑制することができる。

（２）　　ウェハ群およびこれを保持したボートを、内
筒により包囲した状態でプロセスチューブに対して搬入
搬出することにより、ウェハ群に対するプロセスチュー
ブの斜めからの輻射熱の照射を内筒により遮ることがで
きるため、隣り合うウェハ同士による熱的な影の発生を
抑制することにより、ウェハをその径方向から均等に加
熱することができ、その結果、ウェハ内の周辺部と中央
部との温度差の発生を防止することができる。

（３）　　ウェハ内の温度分布を均一化することにより
、熱応力の発生を抑制することができるため、過度の熱
応力の発生に伴う転位欠陥やウェハの変形の発生を防止
することができるとともに、熱処理レートをウェハ内に
おいて全体的に均一化させることができる。

（４）　　ウェハの熱応力転位欠陥や変形等のようなウ
ェハ欠陥の発生を防止するとともに、熱処理レートをウ
ェハ内全体にわたって均一化させることにより、製造歩
留り、並びに製品の品質および信幀性を高めることがで
きる。

（５）　　ウェハ群のプロセスチューブに対する搬入搬
出時におけるウェハ群に対するプロセスチューブの斜め
からの輻射熱照射によるウェハ内温度分布の不均一化の
回避を実現することにより、搬入搬出時にウェハ群を徐
々に進行させることができるため、ウェハ群の進行方向
前後部における温度差の発生を抑制させることができ、
その結果、熱処理レートをウェハ群内（１バツチ内）に
おいて全体的に均一化させることができる。

（６）　　ＩＩ大人搬出時おけるウェハ内温度分布の不
均一化の回避を実現することにより、搬入搬出時におけ
るヒータによる加熱温度降下を抑制させることができる
（例えば、ｌ　２００　’Ｃ→８００℃としていたのを
、１２００°Ｃ→９００°Ｃに抑制させることができる
。）ため、エネルギの損失を低減させることかできるば
かりでなく、処理温度復帰時間の短縮や温度管理の緩和
等により、生産性を高めることができる。

（７）内筒の中空部に処理ガスを強制的に流通させるこ
とにより、ウェハ群を内筒で包囲した状態にもかかわら
ず、処理ガスをウェハ群に確実、かつ、均一に接触させ
ることができるため、処理をウェハ群および各ウェハ内
全体にわたって均一、かつ、適正に実行させることがで
きる。

（８）内筒を一部縦割り構造に構成することにより、内
筒を大きく開放させることができるため、ウェハ群を保
持したボートの内筒に対する出し入れ作業を容易化させ
ることができる。

（９）前記（５）、（６）および（７）により、製造歩
留り、並びに製品の品質および信幀性を一層高めること
ができる。

〔実施例２〕 第５図は本発明の実施例２である拡散装置を示す縦断面
図である。

本実施例２が前記実施例１と異なる点は、キヤンプＩＩ
Ａがフォーク８の保持部７の長さよりも短く形成されて
いるとともに、内筒１２Ａの中空部にガスを強制的に流
通させるためのガス供給路が、プロセスチューブｌの一
端に開口されている供給口４に挿入されて内筒１２Ａの
中空部に臨まされたガス供給管１０Ａにより構成されて
いる点にあり、その作用および効果は前記実施例１と同
様である。

〔実施例３〕 第６図は本発明の実施例３である縦形拡散装置を示す縦
断面図である。

本実施例３が前記実施例１と異なる点は、本発明が縦形
拡散装置に適用されている点にある。

すなわら、本実施例３において、プロセスチューブＩＢ
は炉口５が下を向くように垂直に配設されており、ボー
ト７Ｂはウェハ６群を１列縦隊に整列させた状態で水平
に保持するように構成されている。内筒１２Ｂはプロセ
スチューブＩＢよりも小径で、ウェハ６よりも若干大径
の略円筒形状に形成されており、プロセスチューブＩＢ
と同心的に配設されることにより、ボート７Ｂに保持さ
れたウェハ６群を略全体的に包囲するようになっている
。また、内筒１２Ｂの上端部は半割り構造に形成されて
おり、その半割りにされた分割部分により内筒１２Ｂに
対して着脱自在なキャップｌＩＢが実質的に構成されて
いる。また、内筒１２Ｂの下端部にはガス供給路１０Ｂ
が内筒の中空部にガスを供給し得るように接続されてい
る。

本実施例３において、ウェハ６群はボート７Ｂに保持さ
れた状態で、プロセスチューブＩＢの炉口５下方に昇降
駆動されるように設備されたフォーク８Ｂにより、プロ
セスチューブＩＢに炉口５から搬入搬出される。この搬
入搬出時、フォーク８Ｂに支持された内筒１２Ｂがウェ
ハ６群と共に移動されることにより、ウェハ６群は内筒
１２Ｂにより包囲される。

処理中、内筒１２Ｂの中空部には下端部に接続されたガ
ス供給路１０Ｂからガスが強制的に流通される。

したがって、本実施例３によれば、横形拡散装置の一実
施例である前記実施例１のそれと同様の作用および効果
が得られることになる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではな（、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

例えば、内筒は全体的に縦割り構造に構成することもで
きる。

内筒の中空部にガスを強制的に流通させるためのガス供
給路を備えているので、プロセスチューブのガス供給口
は省略してもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である拡散技術に適用した
場合について説明したが、それに限定されるものではな
く、酸化膜形成技術やＣ■Ｄ技術等のような熱処理技術
全殻に適用することができる。

（発明の効果〕 本朝において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、次の通りである。

ウェハ群およびこれを保持するボートを、内筒により包
囲した状態でプロセスチューブに対して搬入搬出するこ
とにより、ウェハ群およびウェハ内の温度分布を均一化
することにより、熱応力の発生を抑制することができる
ため、熱応力に伴う転位欠陥やウェハの変形の発生を防
止することができるとともに、熱処理レートをウェハ内
において全体的に均一化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である横形拡散装置を示す縦
断面図、 第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図および
第４図はその作用を説明するための各拡大部分断面図で
ある。 第５図は本発明の実施例２を示す縦断面図である。 第６図は本発明の実施例３を示す縦断面図であ１・・・
プロセスチューブ、２・・・処理室、３・・・ヒータ、
４・・・ガス供給口、５・・・炉口、６・・・ウェハ（
被処理物）、７・・・ボート（ウェハ治具）、８・・・
フォーク、９・・・保持部、ｌ０５ＩＯＡ、１０Ｂ・・
・ガス供給路、１１、ＩＩＡ、ＩＩＢ・・・キャップ、
１２．１２Ａ、１２Ｂ・・・内筒。 代理人　弁理士　梶　　原　　辰　　也第２図 ｗ＆３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数枚の被処理物を１列縦隊に整列させた状態で保
   持している治具と、この治具を収容して略全体的に包囲
   するように構成されているとともに、その少なくとも一
   部が縦割り構造に形成されている内筒と、内筒の中空部
   にガスを強制的に流通させるガス供給路とを備えている
   ことを特徴とする熱処理装置。 ２、内筒の一部が、治具を処理室内に搬入搬出させるた
   めのソフトランディング装置におけるフォークの一部を
   共用するように構成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の熱処理装置。 ３、治具が各被処理物を水平方向に支持するように構成
   されており、内筒が垂直方向に配されて治具を取り囲む
   ように構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の熱処理装置。