JPH0291930A - 基板の熱処理装置 - 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、ＣＶＤ　（化学気相成長）反応炉、酸化炉、
拡散炉など、半導体ウェハ、セラミックス基板等（本明
細書では、これらを基板と総称する）に対して加熱作用
を与える基板の熱処理装置に関する。

〈従来の技術〉 第３図に従来の一般的な基板の熱処理装置の概略構成を
示し、以下に説明する。

この基板の熱処理装置は、石英炉芯管１　（プロセスチ
ューブ）の周囲に配設した筒状の加熱部９によって、石
英炉芯管１の内部に挿入された多数の基板ｍを加熱する
ものである。基板ｍ群は石英製の基板ボート４に支持さ
れており、この基板ボート４の昇降によって石英炉芯管
１内部に対して挿抜され、ｉ　Ｆｉｍ群を挿入した状態
では、基板ボート４の下端に一体連設のシャツタ板６が
石英炉芯管１の下端のフランジ１ｂに当接し石英炉芯管
１を気密的に閉塞するようになっている０石英炉芯管ｌ
の上端に接続したガス導入管１ａから反応用のガスを導
入しつつ、加熱部９の駆動によって基板ｍを加熱処理す
る。

この場合、加熱部９が炉芯管ｌのほぼ全長にわたってい
るが、ガス導入管１ａを介して常温のガスが炉芯管１内
に導入されると炉芯管ｌの上部が常温ガスの冷却により
温度降下し、また、基板ｍ群との熱交換によって炉芯管
１の下部で温度降下が生じ、炉芯管ｌ内の温度分布が管
軸方向で不均一となって熱処理効率の低下や品質低下を
招く傾向がある。

半導体等の基板の熱処理装置においては、基板ｍ自体の
実温度を、１回のバッチ処理で加熱されるすべての基Ｆ
ｉｍについて一定とすることにより、それらの品質およ
び生産性を高いものにすることがきわめて重要である。

理想的には、個々の基板ｍごとに実温度を検出し、それ
らが同一となるように温度制御するのが良いのであるが
、現実には、１００〜２００枚もの基板ｍ群について基
板ｍを汚染することなくそれらの実温度を検出すること
は不可能に近い。

そこで、炉芯管１の両端での温度降下を補償する目的で
、炉芯管！内を管軸方向に沿って上流加熱領域ａ、中間
加熱領域すおよび下流加熱領域Ｃに区分するとともに、
加熱部９を、各加熱領域ａｂ、ｃに対応して第１ヒータ
９ａ、第２ヒータ９ｂ、第３ヒータ９Ｃの３つに分け、
第１ヒーク９ａおよび第３ヒータ９ｃを第２ヒータ９ｂ
よりも発熱量が多くなるように制御ｌする方式を採用す
るのが一般的である。

具体的には、炉芯管１に挿入された基板ボート４の全体
が中間加熱領域す内に位置するようにし、基板ボート４
の外周と炉芯管ｌの内周との間において、中間加熱領域
すの上端、中間、下端のそれぞれに熱電対等のモニタ用
温度センサＭｌ、Ｍ２゜Ｍ３を配置する一方、各ヒータ
９ａ、９ｂ、９ｃのそれぞれに熱電対等の温調用温度セ
ンサＣ１゜Ｃ２，Ｃ３を取り付け、モニタ用温度センサ
ＭＩＭ２．Ｍ３を温度制御部（図示せず）に接続し、温
度制御部によって各ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃの電Ｓ＜図
示せず）の出力をコントロールしている。

そのコントロールのｍ様は、第４図に示すように、各モ
ニタ用温度センサＭｌ、Ｍ２．Ｍ３による検出温度ＴＮ
１．Ｔ□、Ｔ、３が同一になるように各ヒータ９ａ、９
ｂ、９ｃに電力を投入し、このときの各温調用温度セン
サＣ１，Ｃ２，Ｃ３から得られる検出温度Ｔ　ｃ　＋　
＊　Ｔ　Ｃ！　ｌ　Ｔ　ｃ　１との相関関係を予め各プ
ロセス条件（１度、ガス種類、ガス流量等）ごとに求め
てメモリしておき、実際のバッチ処理に際しては、その
ときのプロセス条件に応じてメモリから前記の相関デー
タを読み出し、これと各実検出温度Ｔ　ｃ　＋　＋　Ｔ
　ｃ　ｔ　、　Ｔ　ｃ　ｓ　＋　Ｔ　Ｈ＋　、　Ｔ　Ｍ
　２ＴＭ３とに基づいて、モニタ用温度センサＭｌ、　
Ｍ２、Ｍ３の実検出温度Ｔ　Ｍ　ｌ　ｌ　Ｔ　Ｎ　ｔ　
＋　Ｔ　Ｍ　１が互いに等しく目標温度となるようにフ
ィードバック制御するものである。

この従来方式は、炉芯管ｌの温度分布が安定した後の状
態つまり定常状態での基板の熱処理に有効である。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、厳密には、モニタ用温度センサＭｌ。

Ｍ２．Ｍ３による検出温度Ｔ　Ｎ　Ｉ　Ｉ　Ｔ　Ｈｚ　
、　Ｔ　Ｍ　ｚと基板ｍの実温度との間には相違がある
。その理由として、■モニタ用温度センサＭ１．Ｍ２．
Ｍ３が基板ｍとヒータ９ａ、９ｂ、９ｃとの中間に位置
していてヒータ９ａ、９ｂ、９ｃからの熱輻射を直接的
に受ける、■基板用の状態（基板寸法、基板形状等）に
よって熱輻射授受の形態係数が変動する、■ガス種類、
ガス流量によって温度が変動する、といったことが挙げ
られる。

このため、すべての基板ｍを高品質に熱処理することが
むずかしいという問題がある。

一方、近時において、基板ｍ群を次々と炉芯管１に対し
て出し入れするサイクルを高速化しスループントを一層
向上させることが期待されている。

この高速熱処理方式においては、１回のバッチサイクル
中での温度差のみならず、バッチサイクル間での熱履歴
の差異をも極少となるように昇温状態（非定常状態）、
一定温度維持状態（定常状態）および降温状態（非定常
状態）の各ステップごとにおける正確な温度制御が是非
とも必要となる１゜高速熱処理方式では、バッチサイク
ル間での熱履歴のわずかな差異が基板の品質を大きく左
右するからである。

しかしながら、従来方式は炉内温度が一定に維持されて
いる定常状態の場合に有効なものであって、前述の微妙
な昇降温制御を要する高速熱処理方式には適していない
。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、基板を高品質かつ効率良く熱処理できるようにし、
とりわけ高速熱処理方式に対応できるようにすることを
目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、このような目的を達成するために、次のよう
な構成をとる。

すなわち、本発明の第１の基板の熱処理装置は、基板群
支持用の基板ボートを挿入する炉芯管と、この炉芯管の
周囲に配置された炉芯管の管軸方向において３つ以上に
分けられた加熱領域を有する加熱部と、前記加熱部ま、
たはその近傍に配置されて前記加熱部の温度を測定する
温調用温度センサと、前記基板ボートに支持させた穴あ
きの基板群が前記炉芯管内に挿入された状態でその基板
群の穴に挿通して基板群中心部の温度を測定するオート
プロファイル用温度センサと、このオートプロファイル
用温度センサによる検出温度分布が一定となるときのオ
ートプロファイル用温度データと前記温調用温度センサ
による温調用温度データとを関連づけたプロファイルデ
ータを記憶するメモリと、実熱処理時に前記基板ボート
を介して基板群を前記炉芯管内に挿入した状態で前記温
調用温度センサによる実検出温度が前記プロファイルデ
ータ中の／ｒｉｉＦｆＪ用温度データ色温度データうに
前記加熱部の温度を制御する温度制御部とを備えたもの
である。

また、本発明の第２の基板の熱処理装置は、前記第１の
熱処理装置において、メモリが昇温状態。

高温定常状態、降温状態、低温定常状態の各プロファイ
ルデータを記憶するものに構成され、温度制御部が実熱
処理時に前記各状態における温調用温度センサによる実
検出温度を前記各状態のプロファイルデータ中の温調用
温度データと一致させるものに構成されたものである。

く作用〉 本発明の第１の基板の熱処理装置の構成によれば、オー
トプロファイル用温度センサが基板群中心部の温度すな
わち実質的に基板自体の温度を直接的に測定し、その検
出温度分布が一定となるように加熱部の温度制御を行う
から、すべての基板を高品質に熱処理することが可能と
なる。

また、本発明の第２の基板の熱処理装置の構成によれば
、昇温状態、高温定常状態、降温状態。

低温定常状態の各状態ごとに温度制御するから、基板群
杏次々と炉芯管に対して出し入れするサイクルを高速化
する高速熱処理方式に適したものとなる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は縦型の基板の熱処理装置の概略構成図である。

石英製の炉芯管ｌ（プロセスチューブ）は、その上端に
反応用のガスを導入するガス導入管１ａが連設され、下
部はボート挿入筒２に対してバッキングを介してフラン
ジ接合されている。ボート挿入筒２の周壁部には排気管
３が連通接続されている。多数枚（例えば１００〜２０
０枚）の基板ｍを上下多段に支持した石英製の基板ボー
ト４の下部には、石英製の断熱板を多段に設けた断熱支
持部５が固定され、この断熱支持部５の下端には、基板
ボート４を石英炉芯管１内の所定の高さまで挿入したと
きにボート挿入筒２の下端開口部のバンキング（図示せ
ず）に圧接して閉塞するシャツタ板６が取り付けられて
いる。そして、基板ボート４、断熱支持部５およびシャ
ツタ板６からなる昇降体７を昇降する昇降駆動機構８が
設けられている。

石英炉芯管１の周囲に配設された筒状の加熱部９（電気
炉）は、その上部から下部にかけて短い第１ヒータ９ａ
、長い第２ヒータ９ｂ、短い第３ヒータ９ｃに分けられ
ており、各ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃはそれぞれの電ｉｆ
！１０ａ、　１０ｂ、　１０ｃに接続され、個別に給電
されるようになっている。各ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃに
対応して、石英炉芯管１内の加熱領域は管軸方向に沿っ
て上流加熱領域ａ３中間加熱領域す、下流加熱領域Ｃに
区分されている。シャツタ板６がボート挿入筒２に圧接
するまで昇降体７を上昇したときに、基板ボート４の全
長範囲が中間加熱領域すに位置するように寸法関係が調
整されている。

挿入状態にある基板ボート４の外周と石英炉芯管ｌの内
周との間において、中間加熱領域すの上端、中間、下端
のそれぞれに熱電対等のモニタ用温度センサＭｌ、Ｍ２
．Ｍ３が配置されているとともに、各ヒータ９ａ、９ｂ
、９ｃのそれぞれに熱電対等の温調用温度センサＣ１，
Ｃ２，Ｃ３が取り付けられている。モニタ用温度センサ
ＭＩＭ２．Ｍ３は、細径石英管１１内にそのリード線と
ともに挿入されている。

さらに、石英炉芯管１の軸心部において、中間加熱領域
すの上端、中間、下端の温度を検出する熱電対等のオー
トプロファイル用温度センサＡｔ。

Ａ２．Ａ３が配置されている。このオートプロファイル
用温度センサＡｔ、Ａ２．Ａ３は、そのリード線ととも
に細径石英管１２内に挿入されている。

この細径石英管１２を石英炉芯管１の軸心部に挿通する
ために、基板ボート４．基板ボート４に支持された各基
板ｍ、断熱支持部５．シャッタ板６および昇降駆動機構
８におけるシャツタ板支持部８ａの各軸心部に貫通穴（
直径：１０〜１５ｍ　ｍ　）が形成されている。

穴あき基板ｍは、非定常状態（昇温状態、降温状態）と
定常状ｆｉ（一定温度維持状態）におけるシビアな温度
制御に必要なプロファイルデータを予め採取しておくた
めに特別に準備したものであり、本処理における対象基
板が例えばＳｉウェハである場合には穴あきのＳｉウェ
ハを用い、ＧａＡｓウェハのときは穴あきのＧａＡｓウ
ェハを用いる。

オートプロファイル用温度センサＡｌ、Ａ２゜Ａ３は、
熱にさらされる時間をできるだけ短くしてその信頼性お
よび再現性を良くするために、温度検出動作時以外は石
英炉芯管１から下部に引き出しておくのが好ましい。こ
のため、オートプロファイル用温度センサＡｔ、Ａ２．
Ａ３を挿入した細径石英管１２を昇降する昇降駆動機構
１３が設けられている。

モニタ用温度センサＭｌ、Ｍ２．Ｍ３、温調用温度セン
サＣ１，Ｃ２，Ｃ３およびオートプロファイル用温度セ
ンサＡｔ、Ａ２．Ａ３は、それぞれ温度制御部１４に接
続され、得られたプロファイルデータはメモ１月５に記
憶されるように構成されている。

プロファイルデータの採取（これをオートプロファイル
条件出し作業という）の様子を第２図に基づいて説明す
る。

温度制御１部１４は、各プロセス条件（′／ＩＬ度、ガ
ス種類、ガス流量、定常状態（一定温度維持状態）。

非定常状態（昇温状態、降温状態）等）ごとに、各オー
トプロファイル用温度センサＡｌ、Ａ２Ａ３による検出
温度ＴＡ、、　ＴＡ、、　ＴＡ、がすべて所要の目標温
度Ｔｗに等しくなるように各ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃに
対する１ｉｉｌＯａ　、　１０　ｂ　、　１０　ｃの供
給電力を調整する。そして、Ｔ　Ａ　ｌ　＝　Ｔ　Ａ　
ｔ　””　Ｔ　ｓ　３−Ｔ１１となったときに、各モニ
タ用温度センサＭ１、Ｍ２．Ｍ３による検出温度Ｔ□、
Ｔ、、、Ｔ、。

と、各温調用温度センサＣ１，Ｃ２，Ｃ３による検出温
度Ｔ　ｃ　＋　＋　Ｔ　ｃ　＊　ｒ　Ｔ　ｃ　ｓとを、
目標温度Ｔ、ｌその他のプロセス条件のデータに関連づ
けて温度制御部１４を介しメモリ１５に記憶させる。

第２図の上段のグラフは実熱処理時の高温の定常状態（
Ｔｗ　’　＝１０００℃）の場合を、中段のグラフは非
定常状態（実熱処理開始までの昇温状態または実熱処理
終了後の降温状態）の場合を、下段のグラフは降温終了
後の低温の定常状態（Ｔ＠＝５００°Ｃ）の場合をそれ
ぞれ示す。記号Ｔの右上につけたサフィクション“８“
は高温定常状態を、“０”は昇温途中または降温途中状
態を、“Ｌ“は低温定常状態をそれぞれ表している。す
なわち、メモ１月５には、昇温状態あるいは降温状態の
データとして、目標温度Ｔ。’　＝ＴＨ”　＝ＴＢ”　
＝Ｔ　Ａ３”が、Ｔ□＋　ＴＭｇ　　ｒ　Ｔｘ、’およ
びＴｃ１Ｔｃｉ　　、　Ｔｃ！”等と関連づけられて記
憶され、昇温状態の終了後に行われる実熱処理時の高温
定常状態のデータとして、目標温度Ｔ。＝ＴＡ１１１＝
ＴＡ、Ｈ−ＴＡ、Ｈが、Ｔｎ＋　　＋　Ｔｓｔ　　＋　
ＴＨ３”およびＴｃ＋　　、Ｔｃｔ　　、Ｔｃ♂等と関
連づけられて記憶され、実熱処理終了後に行われる降温
状態が終了した後の低温定常状態のデータとして、目標
温度Ｔ。Ｌ””ＴａｇＬ＝Ｔａｇ’−ＴａｘＬが、ＴＰ
ｌ＋Ｔｕｔ’　＋　ＴｇｓＬおよびＴｃ＋　　＊　Ｔｃ
ｚ　　＋　ＴｃｊＬ等と関連づけられて記憶される。

各種のプロセス条件についてオートプロファイル条件出
し作業が終了すると、昇降駆動機構１３によって細径石
英管１２を下降して石英炉芯管１から引き出し、次いで
昇降駆動機構８によって昇降体７を下降して石英炉芯管
１から引き出した後、基板ボート４から穴あき基板ｍを
取り除く。

続いて、実際の熱処理を開始する。すなわち、熱処理し
ようとする基板ｍ群を基板ボート４に装着し、昇降駆動
機構８によってシャツタ板６がボート挿入筒２の下面に
圧接するまで昇降体７を上昇して基板ボート４を石英炉
芯管１内の中間加熱領域すに挿入する。なお、このとき
は、オートプロファイル用温度センサＡｌ、Ａ２．Ａ３
を挿入した細径石英管１２は石英炉芯管１内には挿入し
ない、シャツタ板６によって石英炉芯管１を閉塞した後
、ガス導入管１ａから石英炉芯管１内に反応用のガスを
供給するとともに、排気管３を介しての排気を開始する
。

そして、これと並行して、所要のプロセス条件を温度制
御部１４に入力して熱処理を開始すると、温度制御ｎ部
１４がそのプロセス条件に基づいてメモリ１５から対応
するプロファイルデータを読み出し、各温調用温度セン
サＣ１，Ｃ２，Ｃ３の検出温度が読み出したプロファイ
ルデータ中のＴ　ｃ　＋　ｒ　Ｔ　ｃ　ｔ　：Ｔｃ１と
なるように各ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃに対する電源１０
ａ、’１０ｂ、１０ｃの出力を制御する。正常に温度制
御されると、検出はしていないが基板ｍの中心部の温度
が昇温状態、高温定常杖態、降温状態、低温定常状態の
それぞれにおける目標温度Ｔ＠、　Ｔｔ＝　　、　Ｔｔ
ｉ　　、　ＴｕＬに制’＜ＴＨされたことになる。

なお、各モニタ用温度センサＭｌ、Ｍ２．Ｍ３の検出温
度がプロファイルデータ中のＴ　Ｐｌ＋　ｒ　Ｔ　Ｎ　
！　ＩＴＭＩになっているかどうかを監視する。もし、
温調用温度センサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の検出温度とモニタ
用温度センサＭｌ、Ｍ２．Ｍ３の検出温度とのいずれか
が正常にならないときは、温調用温度センサＣ１，Ｃ２
，Ｃ３やモニタ用温度センサＭ１、Ａ２．Ａ３の劣化、
あるいは、ヒータ９ａ。

９ｂ、９ｃの劣化等の不都合が生じたと考えられる。こ
の場合、オートプロファイル条件出し作業を再度やり直
す必要がある。

反応用のガスは、以上のように温度側？１１されて加熱
された基板ｍζ反応し、反応後の排気ガスは排気管３を
介して外部に排出される。

上記のようにして石英内管６内での管軸方向の温度分布
は均一なものとなり、基板ｍに対する反応が均一化され
、基板ｍの処理を高品質かつ効率良く行うことができる
。

所要時間にわたる反応用のガスの供給が終了すると、今
度はガス導入管１ａから清浄ガスを供給して石英炉芯管
１およびボート挿入筒２のパージを行う、このガスバー
ジの完了後、基板ボート４を下降して石英炉芯管１から
取り出す。

以上のようにオートプロファイル用温度センサＡｌ、Ａ
２．Ａ３によって基板ｍの中心部で採取した定常状態お
よび非定常状態における温度データＴＡＩ　　＋　ＴＡ
ｘ　　＋　ＴＡ３　　、Ｔａ＋　　＋　ＴＡ２ＴＡ３　
　、Ｔａ＋　　　Ｔａｇ　　、　ＴＡ３Ｌを加味した状
態で温度制御するため、ヒータ９ａ、９ｂ、９ｃからの
熱輻射の影響、熱輻射授受の形態係数の変動。

ガス種類やガス流量による温度変動等のためにモニタ用
温度センサＭｌ、Ｍ２．Ｍ３による検出温度Ｔ□、　’
ｒ、、、　Ｔ１．Ｉ３と基板ｍの実温度との間に相違が
生じるにもかかわらず、すべての基板ｍを高品質に熱処
理することができる。

また、近時の高速熱処理方式に対しては、１回のバッチ
サイクル中での温度差のみならず、バッチサイクル間で
の熱履歴の差異をも極少となるように昇温状態（非定常
状前）、一定温度維持状態（定常状態）および降温状態
（非定常状Ｂ）の３ステツプの各々における正値な温度
制御が可能となり、基板ｍ群を次々と石英炉芯管ｌに対
して出し入れするサイクルを高速化しスルーブツトを−
Ｎ間上させることができる。

なお、上記の実施例は縦型の熱処理装置に関するもので
あったが、本発明はこれに限定されるものではなく、横
型の熱処理装置に適用してもよい。

〈発明の効果〉 本発明の第１の基板の熱処理装置によれば、基板群中心
部に挿通したオートプロファイル用瓜度センサによって
ほぼ基板自体の温度に近い温度を測定し、その検出温度
分布が一定となるように加熱部の温度制御を行うから、
熱処理基板の品質を向上することができる。

また、本発明の第２の基板の熱処理装置によれば、昇温
状態、高温定常状態、降温状態の各状態ごとに温度制御
Ｂシて、バッチサイクル間での熱履歴の差異を極少とす
るから、熱履歴のわずかな差異によって基板の品質が左
右される高速熱処理方式を実用可能なものとし、そのス
ルーブツトを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例に係り、第１図
は基板の熱処理装置の概略構成図、第２図はプロファイ
ルデータ採取の動作説明図である。 第３図および第４図は従来例に係り、第３図は熱処理装
置の要部の概略構成図、第４図はデータ採取の動作説明
図である。 ｌ・・・炉芯管、４・・・基板ポート、９・・・加熱部
、９ａ・・・第１ヒータ、９ｂ・・・第２ヒータ、９ｃ
・・・第３ヒータ、１４・・・温度制御部、１５・・・
メモリ、ｍ・・・基板、ａ・・・上流加熱領域、ｂ・・
・中間加熱領域、Ｃ・・・下流加熱領域、Ｍｌ、Ｍ２．
Ｍ３・・・モニタ用温度センサ、ＣＩ、Ｃ２，Ｃ３・・
・温調用温度センサ、ＡＩ　　Ａ２　　Ａ３・・・オー
トプロファイル用瓜度センサ 第　２　図 出願人　大日本スクリーン製造株式会社代理人　弁理士
　　　杉　谷　　　勉

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板群支持用の基板ボートを挿入する炉芯管と、 この炉芯管の周囲に配置され、炉芯管の管軸方向におい
   て３つ以上に分けられた加熱領域を有する加熱部と、 前記加熱部またはその近傍に配置されて前記加熱部の温
   度を測定する温調用温度センサと、前記基板ボートに支
   持させた穴あきの基板群が前記炉芯管内に挿入された状
   態でその基板群の穴に挿通して基板群中心部の温度を測
   定するオートプロファイル用温度センサと、 このオートプロファイル用温度センサによる検出温度分
   布が一定となるときのオートプロファイル用温度データ
   と前記温調用温度センサによる温調用温度データとを関
   連づけたプロファイルデータを記憶するメモリと、 実熱処理時に前記基板ボートを介して基板群を前記炉芯
   管内に挿入した状態で前記温調用温度センサによる実検
   出温度が前記プロファイルデータ中の温調用温度データ
   と一致するように前記加熱部の温度を制御する温度制御
   部 とを備えた基板の熱処理装置。
2. （２）請求項（１）において、メモリが昇温状態、高温
   定常状態、降温状態、低温定常状態の各プロファイルデ
   ータを記憶するものに構成され、温度制御部が実熱処理
   時に前記各状態における温調用温度センサによる実検出
   温度を前記各状態のプロファイルデータ中の温調用温度
   データと一致させるものに構成されている基板の熱処理
   装置。