JPH05152224A - 急速熱処理装置 - Google Patents

急速熱処理装置

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JPH05152224A
JPH05152224A JP3188201A JP18820191A JPH05152224A JP H05152224 A JPH05152224 A JP H05152224A JP 3188201 A JP3188201 A JP 3188201A JP 18820191 A JP18820191 A JP 18820191A JP H05152224 A JPH05152224 A JP H05152224A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 種々の寸法や形状の半導体ウェーハの処理に
適用でき、ウェーハの温度制御により製品の均一性を保
証したコンパクトな急速熱処理装置を提供する。 【構成】 半導体材料を熱処理及び冷却するための急速
熱処理装置10において、細いピン60を加熱板組立体
30を通って長手方向に移動させることにより処理部品
を加熱組立体30の方へ垂直に進退させる。冷却工程に
おいて処理部品62を加熱板30から遮蔽するための冷
却シャッタ22を処理室内に設ける。加熱工程において
は処理室14内の雰囲気の種類又は真空を調節する気体
雰囲気調節手段を処理室に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ウェーハ状の対象物を
加熱処理するための装置に関し、特に、半導体型部品の
制御製造に適した急速熱処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】及び
【発明が解決しようとする課題】およそ40年前の半導
体産業の出現の後、ゲルマニウム、珪素及びヒ化ガリウ
ム等の材料のウェーハから半導体デバイスを製造するた
めに利用される「チューブ型」炉が開発された。これら
のチューブ型炉は、本来水平位置を占め、通常石英より
形成される長い円筒状チューブの回りに細長い加熱器を
備え、プロセスガスをチューブの一方の端部から取り入
れ、他端から排出するものである。チューブ型炉は、太
陽電池や他の利用に供される非半導体材料の処理にも用
いられてきた。チューブ型炉では一般に、標準的な工程
に対しては大気圧雰囲気を使用し、化学蒸着工程におい
ては真空モードを使用する。
【0003】チューブ型炉は本来的に、その大きな質量
に起因する熱慣性とウェーハの典型的な一括加工の故
に、又、ウェーハの熱応力を避けるためにウェーハの装
填及び取り出しに際して高い作業温度から低い温度に炉
を冷却する必要の故に、一工程を終了するのに長時間を
要する。1980年代初頭に、「制御」ウェーハを迅速
に処理する手段として機能し且つ後打込みアニール(摂
氏約1000乃至1200度)と呼ばれるチューブ型炉
の工程の結果を予測し得る制御機器として、最初の急速
熱処理装置が開発された。
【0004】この更に迅速なウェーハの熱処理(加熱及
び冷却)は、ウェーハ内の半導体接合の移動を最小限に
する一般的な利点を含めて、多くの固有の利点を有して
いる。これらの初期の急速熱処理装置では、それ自体を
目的として迅速化が図られており、高出力ランプを好ま
しい加熱技術として用いている。以下、これらの処理装
置の例を述べる。これらの技術の多くは、完成した製品
に均一性と一貫性が欠如し、また頻繁に調整とランプの
交換を必要とするため、不十分なことが分かった。これ
らの欠点の故に、チューブ型炉処理に代わるものとして
の急速熱処理装置の受け入れが遅滞した。
【0005】高出力光束を用いて、加熱時に自由空間内
に実質的に懸架されその後冷却されるウェーハの全体に
亘って均一な温度を保持することは、数秒間で生じる大
きな電力変化に起因する多くの過度現象のため、極めて
困難である。ランプは高価であり、使用中の劣化のため
頻繁に交換する必要がある。また、化学蒸着において
は、非晶質珪素、塩化アンモニウム、二酸化珪素などの
副産物がランプと被処理ウェーハとの間の窓に堆積し、
それによりウェーハ上への熱流束を変化させる。
【0006】ランプの使用例及び使用方法は、クロウリ
ー他の米国特許第4755654号に開示されている。
ここでは、ランプと被処理ウェーハとの間に石英窓を設
けてウェーハ上への光(熱)の分布を修正している。
【0007】チューブ型加熱装置の初期の例は、ボーア
の米国特許第4041278号に開示されている。この
特許は赤外放射線源を備えた管状の石英硝子室を示して
いる。この装置では、赤外線ランプを利用してウェーハ
の一方の側を光学的に加熱している。
【0008】化学蒸着でウェーハを処理するより新しい
装置は、ブロー他の米国特許第4796562号に開示
されている。この装置は円筒状ランプを利用して、流動
するガス流の中でできるだけ均一にウェーハを加熱して
いる。これらのランプ加熱装置において、製品の均一化
を司る光学的特性を制御する問題が必然的に生じる。
【0009】マクニーリ他の米国特許第4081313
号、第4047496号、及び4496609号では、
熱源として高光度ランプのバンクを備えた反応器を開示
している。
【0010】ウェーハ半導体処理用の更に別の装置は、
リー他の米国特許第4857689号に開示されてい
る。この装置は頂部が加熱器内に収容された細長い構造
を有し、頂部から底部にかけて温度勾配を設けている。
ウェーハは加熱部に向けて垂直方向に運ばれる。被処理
ウェーハの下部に光センサを配設して細長い構造の頂部
に向けてのウェーハの垂直移動量を調整し、ウェーハが
所定の温度に到達するようにしている。この装置は、温
度の均一性と反復性の点から、上述の熱処理装置を改良
したものと言えるが、装置の一体部分である熱い壁が化
学蒸着工程の有害な副産物で被覆されてしまう。更に、
大容量の細長い構造は次の処理に適合させるのが難し
い。より重要なことは、この装置は本発明のように被処
理物の種々の寸法や形状に適応できない。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、加熱板を利用
し且つそれを通って伸延するウェーハ支持手段を有する
急速熱処理装置よりなる。加熱板は、垂直方向に細長い
処理室の基部に設けられた大きく重い機素よりなる。垂
直方向に細長い処理室の頂部の一番奥には、冷却用放熱
手段が設けられている。処理室の側壁、及び頂部には冷
却手段を設けて、加熱板と処理室の頂部との間で極端な
温度差を形成している。加熱板の温度は加熱板に接触し
た或いはそれに近接した設置されたウェーハの温度を決
定する。これにより、加熱板内に配設された熱電対によ
りウェーハの温度制御が可能となる。これは、従来の急
速熱処理技術による方法において、ウェーハの裏面に向
けられ裏面の輻射率の変動の影響を被り易い赤外線高温
計により温度が制御されるのと対照的である。
【0012】処理室の側壁の上部を通って装填及び排出
ゲートが設けられている。このゲートにより半導体材料
のウェーハ等の処理部品を、垂直方向に移動可能な支持
ピン配列上に配置できる。ゲートは開閉して、ロボット
ア−ムがウェーハを供給器から処理室の上部内にある支
持ピンまで搬送できるようにしている。ゲートはまた、
ロボットア−ムが処理されたウェーハを処理室内の支持
ピンから取り去り、再びゲートを通って処理済ウェーハ
受け取り装置まで搬送する際にも開閉される。
【0013】支持ピンは、処理室の基部と更に加熱板を
通って移動可能に伸延する。加熱板と処理室の基部の間
には反射皿を設けている。支持手段の近位端部には昇降
手段を設けて、支持手段の垂直移動を行っている。ピン
は加熱板を通って導管内に配設され、この導管は処理室
の基部を通って更にその下方まで伸延している。導管の
下端部は互いに流体連通しており、更に、マニホールド
を介して気体又は真空源に接続されている。気体又は真
空導管は、ウェーハが加熱板に近接して支持されている
とき処理室内の気体雰囲気の完全性を保証したり、或い
はウェーハと加熱板の間の表面係合接触を確実なものと
するためにも利用される。
【0014】処理室を真空処理又は化学蒸着に利用する
場合には、基部の底面の周縁部内側に沿って、真空プレ
ナムを設ける。真空プレナムは処理室の内側と流体連通
している。化学蒸着に利用するために、処理室の側壁の
内周面上に反応気体排出ノズルを設けている。また、シ
ャッタ収納隔室を処理室の側壁を貫通して設け、シャッ
タが処理室を横切ってロボット装填及び取り出し手段の
搬送ア−ム上に置かれたウェーハの下まで移動できるよ
うにしてもよい。このシャッタはウェーハと加熱板の間
で配設可能である。シャッタは固体であっても、その中
に冷却手段を備えても、或いは別の実施例においてシャ
ッタが支持ピンの通路を横切る場合にはシャッタにその
途中まで延びる複数のスロットを設けてもよい。その実
施例におけるピンは、シャッタが処理室を横切って移動
できるようにシャッタ内のスロットと整合し、ウェーハ
を加熱板の放射から隔絶している。
【0015】ある実施例においては、加熱板にその周囲
から上向きに延びる壁を設けてもよい。壁はピン上のウ
ェーハが加熱板から離れて変位するとき、ウェーハの直
径全体に亘って温度の均一性を維持するうえで役立つ。
この加熱板壁は、化学蒸着を含まない熱処理やウェーハ
の表面加工に利用される。別の実施例において処理室を
化学蒸着に利用するときは、絶縁支持ストリップを加熱
板の周縁部に沿って設けてウェーハの周囲と接触させ、
ウェーハが加熱板の表面のすぐ上に位置するようにして
もよい。絶縁支持ストリップはその下の冷却溝の上に配
設されるとともに、加熱板に周縁的に隣接して配設され
る。化学蒸着の更に別の実施例においては、絶縁支持ス
トリップ及びその下の冷却溝の寸法をウェーハの外径よ
り僅かに大きくして、ウェーハが加熱板と表面係合接触
できるようにしている。いずれの場合においても、支持
ピンはその導管内に完全に収納される。未処理ウェーハ
を供給し、ウェーハ貯蔵庫からの取り出しと同様に支持
ピンの遠位端部から処理済ウェーハを回収するロボット
搬送ア−ムは、それ自体外部ハウジング内に収容されて
もよい。そのため雰囲気を排気及び/又は気体の浄化に
より調整し、ウェーハが往復動するときの処理室内の雰
囲気の劣化を最小限にしている。別の実施例において
は、処理室の上端部に加熱板を設けることが行われてい
る。この場合も前述の実施例と同様、複数のピンが処理
室の基部を通って移動可能に配設されている。(プレー
ト及びその上にウェーハを保持する支持ピンを遠位端部
で支持している軸上に、ウェーハを設置してもよい)。
この実施例では、ウェーハを回転させることにより、ウ
ェーハが近接モードで加熱されるとき、一層均一で正確
な処理を可能としている。ウェーハと「頂部配設」加熱
板との間の表面係合接触を確保し、或いはウェーハを加
熱板に近接して支持するとき処理室内の気体雰囲気を完
全にするために、加熱板を介して真空又は気体導管を設
けてもよい。
【0016】
【実施例】ここで、図面を詳細に参照すると、特に図1
及び図2では、主に電子技術産業で利用される半導体ウ
ェーハ62処理用の急速熱処理装置10が示されてい
る。急速熱処理装置10は、処理室14、ウェーハ供給
装置16、昇降機手段18、真空生成器19、真空プレ
ナム手段20、及びシャッタ手段22より成る。急速熱
処理とは、臨界的に少なくとも毎秒摂氏50度の上昇速
度と少なくとも毎秒摂氏25度の降下速度を有し、摂氏
約1400度をその上限とするものをいう。
【0017】図2及び図3において、処理室14を断面
図で更に詳細に示す。処理室14は、垂直方向に長く延
びて配設され且つ基部26を有する室24を備えてい
る。反射絶縁皿28は基部26上に配置され、高温に耐
えることができるとともに熱絶縁体及び熱反射板として
機能する石英、アルミナ等の材料より形成可能である。
皿28は金等の不活性反射材料で被覆してもよい。
【0018】被処理部品(ウェーハ等)に比べ質量の大
きい加熱板30は、図2及び3に示すように処理室14
内に配設されている。加熱板30は炭化珪素、石英、イ
ンコネル等の材料から製造することができる。これらの
材料は摂氏300度乃至約1400度の処理温度で、処
理室14内の周囲気体或いは被処理部品を構成する材料
と適用温度条件に応じて反応を起こさないものである。
【0019】図2及び図3に見るように、抵抗加熱素子
又はその他の導電性/放射熱源等の熱源32は、加熱板
30と皿28の間に配置され、適当な電源(図示せず)
に接続された電源導管34を備えている。熱電対36は
導管38内に配置され、基部26と皿28を通って加熱
板30内に延びている。図2及び図3に示すように、処
理室14は垂直壁40と上部カバー42を有し、更にこ
れらの壁の外側或いは内側に冷却手段44を設けてい
る。上部カバー42の内側表面を黒色クロム又は黒色ニ
ッケル等の材料46よりなる放射吸収層で被覆して、そ
の内部で処理されるウェーハの冷却を近接位置において
も促進するようにしてもよい。ウェーハ62等の被処理
部品を処理室14内に手で装填できるように、カバー4
2を蝶番で壁40に取り付けてもよいし、或いは完全に
取り外し可能としてもよい。
【0020】好ましい実施例では、図2及び図3でその
概略を、図4で詳細を示した自動装填及び排出手段50
を垂直壁40の上部に設けている。図1及び図4に示す
ように、装填及び排出手段50はドア52を備えたゲー
トを有し、このドア52はロボットの搬送ア−ムが出入
りできるように移動可能である。ゲート52にはその断
面積に比して長い流路を形成する細い導管56を設けて
処理室14の外側からの大気の逆流を最小限にしてい
る。分かり易くするために、図1及び図2では導管56
をごく短くして示す。適当な回路部品によりゲート52
を開閉して、処理室14の基部26を貫通して延びる複
数の移動可能な支持ピンまで搬送ア−ム54がウェーハ
を搬送できるように或いはそこから回収できるようにし
ている。
【0021】支持ピン60は、半導体ウェーハ62を加
熱板30から遠ざかる方向に或いは加熱板30の方へ昇
降させるために利用される好適な手段である。支持ピン
60はそのうち三本が図示されているが、石英、酸化ア
ルミニウム、炭化珪素又は他の耐熱性材料から構成され
た直径の小さい先細の部材である。インコネル又は他の
耐熱及び耐酸化性材料よりなる配列した管状導管64
が、加熱板30、熱源32、皿28、及び基部26を貫
通している。各導管64はフランジ付シール65とその
回りに配設され基部26のすぐ下に設けられた冷却溝6
6を有し、各溝66は互いに及び適当な冷却液源(図示
せず)と流体連通している。各導管64は、冷却溝66
から封止され且つマニホールド72を介して真空源(図
示せず)と流体連通した下端部70を有する。ピン60
は、摺動可能に封止された状態で各導管64の各下端部
70を貫通し、更に図2及び図3に示す昇降機手段18
に取り付けられている。図1に詳細に示した昇降機手段
18は、動力式親ネジ76、或いは支持ピン60を移動
させる油圧その他の昇降手段を備えた昇降機基部74を
有している。
【0022】化学蒸着に適した本発明の実施例におい
て、真空プレナム80は図3から分かるように基部26
の底面の周囲に配設されている。プレナム80は処理室
14の内側と流体連通し、図1に示す適当な真空源19
に接続された排出導管81を備えている。
【0023】細長い化学蒸気排出ノズル82は、図3に
示すように処理室14の壁24の内周面にそのほぼ中間
の高さの位置に配設されている。ノズル82は、化学蒸
着工程の間に窒素、シラン又は酸素等の気体雰囲気を供
給するための配送導管84を少なくとも1本備えてい
る。石英或いはその他の高温に耐えることができる絶縁
材料よりなる絶縁体支持ストリップ110は、図3に示
すように加熱板30の周縁にその縁部と一部重なるよう
に配設されている。支持ストリップ110の外周縁11
2は、水冷金属溝114上に配置されている。適当な供
給及び排出導管115及び117を有する水冷溝114
は、反射皿28の上部周面に設けられている。
【0024】図1及び4にのみ表示されたシャッタ収納
隔室90は、装填及び排出ゲート52の高さから垂直方
向僅かに下にずれた位置で側壁を貫通して設けられてい
る。隔室90は、シャッタ92がロボットア−ム54の
最遠位端部において、受容支持面130上に支持された
ウェーハの下の位置で処理室14を横切って適当な手段
により移動可能なようにしている。シャッタ92はその
内部に冷却手段(図示せず)を備えて板状であることが
望ましい。シャッタ92、加熱板30、及び処理室14
は、処理部品の幾何学的形状に一致するように構成して
もよい。別の実施例において、図1に見るように、シャ
ッタ92にそれを横切って途中まで延びる数本の細いス
ロット94を設けてもよい。上述したようにピン60が
その冷却モードにおいて処理室14の上部付近でウェー
ハを支持するとき、ピン60はシャッタ92が処理室1
4を横切って移動できるようにスロット94と整合し、
これによりウェーハを加熱板30から隔絶している。
【0025】図2に示す大気又は真空(非化学蒸着)処
理の実施例において、加熱板30はその周縁部に沿って
処理室14の壁40の約半分の高さの薄い直立壁102
を有している。直立壁102により、ウェーハが加熱板
30から離れて支持ピン60上に載架されるとき、漸減
温度勾配でウェーハを反応させている。直立壁102
は、加熱板30の高温から急速に冷却するためウェーハ
の縁部に生じる過度の熱応力を最小限にする。また、図
2に示すように送込管104を適当な弁(図示せず)に
接続し、処理室14へ選定気体を送り込んでいる。チェ
ックバルブを備えた排出管106を送込管104から対
角線上の下端部に設けて、理想気体の処理室14を横切
る流動を容易にするとともに処理室の外部からの大気の
逆流を防ぐようにしてもよい。
【0026】図3に示すように処理室14をウェーハの
化学蒸着処理に利用するときは、支持ピン60が加熱板
30の上部表面の下に引っ込み、ウェーハ62の周縁部
が絶縁体支持ストリップ110の縁部上に位置するよう
になっている。化学蒸着の他の実施例においては、ウェ
ーハを絶縁体支持ストリップ110内に載置してもよ
い。処理室14を図2で表示された大気圧/接触モード
で利用するときには、支持ピン60を収容する導管70
に真空を誘導することにより、加熱板30の表面に対し
てウェーハ62を容易に引き付け、ウェーハ62が加熱
板30から十分に熱を受容できるようにしてもよい。処
理室14を大気圧/近接モードで利用するときは、支持
ピンがウェーハ62を加熱板30の僅か上方で保持する
ようにしてもよい。この実施例において、処理室14内
で気体雰囲気を完全に維持するために、導管70を用い
て処理室14で利用したものと同種のパージガスを供給
してもよい。
【0027】一部を図1に、詳細を図4に示したウェー
ハ供給装置16は、その遠位端部に受容支持面130を
設けた搬送ア−ム54を備えている。受容支持面130
がピン60にウェーハ62を供給したり回収したりする
とき支持ピン60を通過させるように、受容支持面13
0に複数の指132を設けてもよい。搬送ア−ム54
は、図4に示すように、ウェーハ供給器136から未処
理ウェーハを取り去り、ウェーハ62を支持ピン60の
遠位端部上でその最伸延位置まで搬送し、更にそこから
処理済ウェーハ62を回収するように配設可能である。
その時、新しい未処理ウェーハを支持面130によりウ
ェーハ供給器136から支持ピンの最遠位端部上に装填
し、更に、ピン60を熱い加熱板30の方へ引っ込めて
ウェーハを熱処理し、再びピン60を処理室14の頂部
の方へ戻してウェーハを冷却し、最後にウェーハを取り
去ってウェーハ供給器136内に収納する。
【0028】別の実施例として、加熱板30、熱源3
2、及び反射/絶縁皿28を図2及び図3に示すよう
に、処理室14の底部に設ける代わりにその頂部に設け
てもよい。そのような頂部加熱構造では、支持ピン60
は処理室14の基部26を通って延びる単一の軸(図示
せず)に取り付けられ、その上のウェーハの冷却は加熱
/処理された半導体(ウェーハ)処理部品を基部の方へ
下向きに後退させることにより実施される。基部26は
その上に放射吸収材料を設けることにより当該ウェーハ
の冷却を促進している。
【0029】頂部加熱構造における支持ピンの更に別の
実施例において、支持ピン60に取り付けられる軸を回
転可能として、その上で処理されるウェーハに対して熱
及びガスがより均一に流動するようにしてもよい。この
急速熱処理装置の加熱モードを要約すると、処理部品を
以下のように加熱できる。 (a) 「当初」加熱板の近傍(非接触)で、その後、
直接接触加熱により大気圧処理を行う。 (b) 当初、直接接触で、その後、近接加熱により中
温(約摂氏500乃至600度)真空処理を行う。この
場合、加熱される処理部品は低温で赤外放射線を比較的
通過させる。 (c) 直接接触加熱により低温化学蒸着処理を行う。
この場合、加熱される処理部品は低温(約摂氏400乃
至500度)で赤外放射線を比較的通過させる。 (d) 高温(約摂氏600乃至1200度)真空処理
及び高温(約摂氏500乃至900度)化学蒸着処理を
行う場合、作業温度が加熱器表面と処理部材との間で反
応を引き起こすときは、近接加熱により大気圧処理を行
う。
【0030】これまで説明してきたものは、半導体ウェ
ーハ材料を急速に熱処理するための新規な装置、及び多
くの加熱及び近接/接触モードに利用可能なフラットパ
ネル表示装置である。ここで加熱及びウェーハ支持機構
は、新規な処理室に収納されており、真空又は気体雰囲
気の中で効果的且つ均一にウェーハを処理するととも
に、従来の熱処理に係る熱勾配問題を最小限にしつつ処
理ウェーハを急速に冷却可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体ウェーハの移動、装填、回収、遮蔽及び
処理のための関連部品を備えた処理室の斜視図。
【図2】ウェーハの非真空及び非化学蒸着処理に利用さ
れる場合の処理室の側面図。
【図3】ウェーハの化学蒸着処理に利用される場合の処
理室の側面図。
【図4】処理室及びその装填/回収及び遮蔽機構の概略
構成図。
【符号の説明】
10 急速熱処理装置 14 処理室 16 ウェーハ供給装置 18 昇降機手段 19 真空生成器 20 プレナム手段 22 シャッタ手段 28 反射・絶縁皿 30 加熱板 32 熱源 54 ロボットア−ム 60 支持ピン 62 半導体ウェーハ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ウェーハ材料の熱処理及び冷却のための急
    速熱処理装置であって、 第一の端部壁と側面及び反対側の第二の端部壁とにより
    画成され、前記第二の端部壁が熱吸収手段を有する細長
    い処理室と、 前記処理室の前記第一の端部壁に配設された恒温加熱手
    段と、 前記加熱手段に対して垂直に且つ前記対向する第二の端
    部壁内の前記熱吸収手段の方へウェーハ材料を移動さ
    せ、それにより前記処理室内の前記ウェーハの急速な温
    度降下を促進する搬送手段と、 を備えたことを特徴とする急速熱処理装置。
  2. 【請求項2】前記搬送手段が、前記加熱手段と前記第一
    の端部壁とを貫通して延び軸方向に移動可能な複数のピ
    ンよりなる、ことを特徴とする請求項1記載のウェーハ
    材料の熱処理及び冷却のための急速熱処理装置。
  3. 【請求項3】前記処理室が、処理されるウェーハの形状
    に対応する断面形状を有する、ことを特徴とする請求項
    1記載のウェーハ材料の熱処理及び冷却のための急速熱
    処理装置。
  4. 【請求項4】前記第二の端部壁が放射線吸収面を有す
    る、ことを特徴とする請求項2記載のウェーハ材料の熱
    処理及び冷却のための急速熱処理装置。
  5. 【請求項5】更に、前記処理室を横切って移動可能でウ
    ェーハを前記第二の端部壁で隔絶し冷却を促進する可動
    シャッタを設けた、ことを特徴とする請求項2記載のウ
    ェーハ材料の熱処理及び冷却のための急速熱処理装置。
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