JPH05152225A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体の熱処理中と移動中における面内温
度の均一性を高めることができる熱処理装置を提供する
ことにある。 【構成】 処理容器と、この処理容器内に配置された被
処理体の処理面に対向するよう配置したメイン加熱源
と、前記被処理体をその側部から加熱するために前記処
理容器の外周を取囲むよう配置した補助加熱源と、前記
処理容器と前記補助加熱源との間に配置した熱緩衝部材
とを備えてなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造において
は、半導体ウエハの酸化拡散処理、ＣＶＤ処理等が行わ
れる。特に、最近においては、０．４μｍから０．２μ
ｍへと半導体デバイスのデザインルールの微細化が進
み、また、半導体ウエハについても８インチから１２イ
ンチへと大径化が進み、このような大面積の極薄膜形成
技術に対応すべく急速熱処理装置の開発が緊急の課題と
なっている。

【０００３】具体的に説明すると、半導体ウエハのプロ
セス処理では、サーマルバジェット（熱履歴）を小さく
することが必須の条件であり、例えば５０〜１００Åの
ドーピング処理、ゲート酸化膜やキャパシター絶縁膜の
極薄膜形成においては、急速熱処理すなわち短時間で熱
処理を行うことが不可欠である。また、例えばＰＮ接合
を０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化を図り、任意形
状表面への接合形成を可能にするためには、接合時の膜
劣化や結晶欠陥の発生を防止する必要があるが、ＰＮ接
合の活性領域が狭いために急速熱処理を行うことが必要
である。

【０００４】また、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜の形成にお
いては、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイ
クルによる相乗効果で拡大し、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧等の信頼性の低減が生じやすいが、これを防
止するためには急速熱処理により熱サイクルを低減する
ことが必要である。また、例えば高誘電体材料を使用し
てキャパシター絶縁膜を形成する場合には、メタルオキ
サイド（Ｔａ₂ Ｏ₅ 等）、ポリイミド（パッシベーショ
ン膜）等の成膜を可能にするメタル成膜とドーピングが
できる複合プロセス処理が可能なシステムが必要とされ
るに至った。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある現状においては、半導
体ウエハの中央部と周辺部との温度差を小さくして均一
に急速熱処理ができ、半導体ウエハに生じやすいスリッ
プ、歪、ソリの低減化を図り、半導体デバイスの製作上
不都合が生じないようにする必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の縦型の
バッチ処理型熱処理装置においては、石英製のウエハボ
ートに積層収納された半導体ウエハを取り囲むように筒
状の発熱源を配置して、半導体ウエハの周辺部から中央
部に向かって加熱するようにしているため、半導体ウエ
ハを急速に加熱しようとすると、半導体ウエハの中央部
と周辺部との間に大きな温度勾配が生じて、均一な熱処
理ができない問題がある。このような事情から、本発明
者は、処理容器内に配置された半導体ウエハの処理面に
対向するよう面状発熱源を配置することにより、半導体
ウエハの面内温度の均一化を図る技術について鋭意研究
を重ねてきたところ、このような面状発熱源だけでは、
処理容器内における処理ガスの滞留によって、半導体ウ
エハの下降時または上昇時において、半導体ウエハの面
内温度の均一性が十分とならない問題が生じた。

【０００７】そこで、半導体ウエハの昇降中において当
該半導体ウエハを側部から加熱するために処理容器の外
周を取囲むよう補助加熱源を配置したところ、半導体ウ
エハの面内温度の均一性が改善された。しかし、補助加
熱源のみでは、半導体ウエハが面状発熱源との距離が大
きい状態では側部加熱が強すぎて、却って半導体ウエハ
の面内温度の均一性を悪くすることのあることが判明し
た。本発明の目的は、被処理体の熱処理中と移動中にお
ける面内温度の均一性を高めることができる熱処理装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明の熱処理装置は、処理容器と、この処理容器
内に配置された被処理体の処理面に対向するよう配置し
たメイン加熱源と、前記被処理体をその側部から加熱す
るために前記処理容器の外周を取囲むよう配置した補助
加熱源と、前記処理容器と前記補助加熱源との間に配置
した熱緩衝部材とを備えてなることを特徴とする。ま
た、補助加熱源と熱緩衝部材との間に、さらに炭化ケイ
素（ＳｉＣ）からなる遮蔽部材を設けたことを特徴とす
る。また、被処理体の出入口側が絞り込まれた処理容器
と、この処理容器内に配置された被処理体の処理面に対
向するよう配置したメイン加熱源と、前記被処理体をそ
の側部から加熱するために前記処理容器の外周を取囲む
よう配置した補助加熱源と、前記処理容器と前記補助加
熱源との間に配置した熱緩衝部材とを備えてなり、処理
容器の熱処理空間における熱緩衝部材と被処理体との距
離Ｄ₁ と、処理容器の出入口側部分における熱緩衝部材
と被処理体との距離Ｄ₂ との関係が、Ｄ₁ ＞Ｄ₂ となる
ように熱緩衝部材を絞り込んだことを特徴とする。

【０００９】

【作用】処理容器と補助加熱源との間に熱緩衝部材が配
置されているので、補助加熱源の熱が熱緩衝部材により
緩和される。従って、被処理体の移動中においては、被
処理体に好適な状態の熱が作用し、被処理体の面内温度
の均一性が向上する。また、補助加熱源と熱緩衝部材と
の間に、さらに炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる遮蔽部材
を設けることにより、重金属による汚染を防止すること
ができる。処理容器の熱処理空間における熱緩衝部材と
被処理体との距離Ｄ₁ と、処理容器の出入口側部分にお
ける熱緩衝部材と被処理体との距離Ｄ₂ との関係が、Ｄ
₁ ＞Ｄ₂ となるように熱緩衝部材を絞り込むことによ
り、被処理体の熱処理中における面内温度差と、被処理
体の移動中における面内温度差との差を小さくすること
ができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。なお、以
下の実施例は面状の被処理体として半導体ウエハを使用
した例であるが、本発明においては、半導体ウエハに限
定されることはなく、例えばＬＣＤ等のようにその他の
面状の被処理体を用いることもできる。

【００１１】〔実施例１〕本実施例では、特に半導体ウ
エハの酸化拡散処理に好適な熱処理装置について説明す
る。図１は本実施例に係る熱処理装置の概略図である。
１は被処理体としての半導体ウエハ、２は処理容器、３
はメイン加熱源、４は補助加熱源、５は熱緩衝部材、６
はウエハ保持具、７は蓋部材、８は断熱材である。

【００１２】処理容器２は、耐熱性の高い材料、例えば
石英（ＳｉＯ₂ ）等により形成することができる。この
処理容器２は下端に開口を有する一様な筒状の形態を有
している。

【００１３】メイン加熱源３は、半導体ウエハ１の処理
面に対向するよう断熱材８の上部内壁に固定配置されて
いる。このメイン加熱源３は、面状の形態を有してお
り、例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）、鉄（Ｆ
ｅ）とクロム（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の合金線
であるカンタル（商品名）線等の抵抗発熱体を面状に配
置することにより構成することができる。例えば二ケイ
化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）は、単線として使用するこ
とができ、カンタル線はコイルとして使用することがで
きる。特に、二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）は約１
８００℃の高温にも十分に耐えることができるので、酸
化拡散処理装置用の材料としては好適である。

【００１４】メイン加熱源３の発熱面は、半導体ウエハ
１の処理面と同様の形態、すなわち円形状であることが
好ましい。また、面内温度の均一性を高めるために、メ
イン加熱源３の外径は半導体ウエハ１の外径の２倍以上
であることが好ましい。メイン加熱源３の発熱面は、半
導体ウエハ１と平行に配置されることが好ましい。メイ
ン加熱源３の発熱面は、全体が一様な平面であってもよ
いし、周辺部が半導体ウエハ１に接近する方向に湾曲し
ていてもよい。メイン加熱源３は加熱制御部（図示省
略）により駆動されるが、その温度コントロールは、メ
イン加熱源３の適宜の位置に熱電対等の温度センサー
（図示省略）を配置して、これよりの検出信号に基づい
て行うことができる。

【００１５】補助加熱源４は、半導体ウエハ１をその側
部から加熱するために、処理容器２の外周を取囲むよう
配置されている。補助加熱源４は、例えばメイン加熱源
３と同様の抵抗発熱体を用いて構成することができる。
この補助加熱源４も、加熱制御部（図示省略）により駆
動されるが、その温度コントロールは、補助加熱源４の
適宜の位置に熱電対等の温度センサー（図示省略）を配
置して、これよりの検出信号に基づいて行うことができ
る。補助加熱源４による加熱は、半導体ウエハ１がメイ
ン加熱源３から遠ざかるほど加熱力が低下することに対
応させて、処理容器２の熱処理空間２２から出入口に向
かうに従って弱くなるように制御することが好ましい。

【００１６】熱緩衝部材５は、処理容器２と補助加熱源
４との間に配置されている。熱緩衝部材５の構成材料と
しては、多孔質で熱容量の大きなものが好ましい。すな
わち、断熱性、保温性のあるものが好ましい。そのよう
な材料としては、例えばアルミナセラミックス、炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）等が挙げられる。

【００１７】図１に示すように、補助加熱源４と熱緩衝
部材５との間に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる遮蔽部
材９を配置することが好ましい。この遮蔽部材９は、補
助加熱源４からの金属（Ｋ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃａ，Ｎａ，
Ａｌ等）の混入を防止するものである。

【００１８】ウエハ保持具６は、例えば高純度炭化ケイ
素（ＳｉＣ）等のように耐熱性が優れ、かつ、汚染の少
ない材料により構成することが好ましい。特に、高純度
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は石英（ＳｉＯ₂ ）よりも耐熱性
が優れており、約１２００℃の高温にも十分に耐えるこ
とができるので、酸化拡散処理装置用の材料として好適
なものである。

【００１９】ウエハ保持具６は、ウエハの移動機構（図
示省略）により、メイン加熱源３に対して急速に接近移
動させられ、熱処理後、急速に後退移動させられる。ウ
エハの移動機構の構成は、特に限定されないが、例えば
モータと、駆動軸と、駆動アームとにより構成すること
ができる。具体的一例においては、モータは駆動軸に連
結され、この駆動軸にはネジが設けられており、このネ
ジを介して駆動アームの一端と螺合されている。モータ
が駆動軸を回転させると、この駆動軸に設けられたネジ
の作用により駆動アームが上昇または下降移動し、この
駆動アームの移動に伴ってウエハ保持具６が上昇または
下降移動する。従って、モータの回転を制御回路により
制御することにより、ウエハ保持具６の上昇速度または
下降速度を適宜調整することができる。ウエハ保持具６
の移動距離は例えば３００〜６００ｍｍ程度であり、移
動速度は５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の急速とするの
が好ましい。

【００２０】半導体ウエハ１の熱処理中は、回転機構
（図示省略）により半導体ウエハ１がその中心を軸とし
て回転移動されることが好ましい。この回転機構は、例
えばモータにより構成することができる。

【００２１】断熱材８は、例えばアルミナセラミックス
からなり、メイン加熱源３および補助加熱源４を取囲む
ように配置されている。

【００２２】処理容器２には、ガス導入管２３およびガ
ス排出管２４が接続され、プロセスガスの導入および排
気が行われる。

【００２３】酸化拡散処理時においては、ガス導入管２
３から処理容器２内にプロセスガスを導入し、メイン加
熱源３による放射熱によって処理容器２の熱処理空間２
２における温度を酸化拡散処理に必要な所定温度にす
る。処理容器２内の温度は、メイン加熱源３からの距離
が一定であれば、一定の温度となるので、半導体ウエハ
１の最高位置（静止位置）をあらかじめ設定しておくこ
とにより、酸化拡散処理に必要な所定温度、例えば９５
０〜１２００℃とすることができる。半導体ウエハ１の
昇降時は、補助加熱源４および熱緩衝部材５によって、
処理容器２の出入口側部分２１内の温度を２００〜３０
０℃に設定する。

【００２４】本実施例の熱処理装置によれば、以下の作
用効果が奏される。 （１）処理容器２と補助加熱源４との間に熱緩衝部材５
が配置されているので、補助加熱源４の熱が熱緩衝部材
５により緩和される。すなわち、半導体ウエハ１の昇降
時では、メイン加熱源３との距離が大きくなるとこのメ
イン加熱源３による加熱が弱くなるが、これに応じて側
部からの補助加熱源４による加熱も熱緩衝部材５により
弱められるので、半導体ウエハ１の面全体としての温度
の均一性が高められる。 （２）処理容器２と熱緩衝部材４との間に、さらに炭化
ケイ素（ＳｉＣ）からなる遮蔽部材９を設けることによ
り、金属による汚染を防止することができる。

【００２５】〔実施例２〕本実施例では、実施例１の熱
処理装置において、処理容器の出入口側を絞り込んだ場
合について説明する。図２は本実施例に係る熱処理装置
の概略図である。

【００２６】処理容器２は、実施例１と同様に、例えば
石英（ＳｉＯ₂ ）等により形成され、下端に開口を有す
る筒状の形態を有し、その出入口側部分２１は細く絞り
込まれている。これと同様に熱緩衝部材５の対応する部
分も絞り込まれている。すなわち、処理容器２の熱処理
空間２２における熱緩衝部材５と半導体ウエハ１との距
離Ｄ₁ と、処理容器２の出入口側部分２１における熱緩
衝部材５と半導体ウエハ１との距離Ｄ₂ との関係が、 Ｄ₁ ＞Ｄ₂ となるように熱緩衝部材５も絞り込まれている。その他
は図１と同様である。

【００２７】本実施例によれば、以下の作用効果が奏さ
れる。 （１）処理容器２の出入口側部分２１を絞り込むことに
より、当該出入口側部分２１における処理ガスの滞留が
生じにくくなり、半導体ウエハ１の上昇または下降時に
おける面内温度の均一性が向上する。 （２）処理容器２の出入口側部分２１の熱容量を小さく
することができ、少ない熱エネルギーで急速加熱を達成
することができる。 （３）処理容器２を絞り込むことにより、蓋部材７との
気密シールも構造的に容易となる。 （４）Ｄ₁ ＞Ｄ₂ となるように熱緩衝部材５を絞り込む
ことにより、処理容器２の出入口側部分２１に対する熱
緩衝部材５による熱緩和の効果が十分に発揮され、従っ
て、半導体ウエハ１の昇降時における面内温度の均一性
がさらに高くなる。

【００２８】〔実施例３〕本実施例では、半導体ウエハ
のＣＶＤ処理に好適な熱処理装置について説明する。図
３は本実施例に係る熱処理装置の概略図である。本実施
例では、図１の実施例において、遮蔽部材９を除き、ガ
ス導入管およびガス排出管の構成をＣＶＤ処理に適合す
るように変更し、さらに内管およびマニホールドを設け
たほかは実施例１と同様の構成である。２５，２６はガ
ス導入管、２７はガス排出管、２８は内管、２９はマニ
ホールドである。ＣＶＤ処理においては、半導体ウエハ
１の温度は、熱処理中、すなわち熱処理空間２２では４
００〜８００℃、昇降時、すなわち出入口側部分２１内
では１００〜２００℃である。

【００２９】このようにＣＶＤ処理においては、酸化拡
散処理に比して温度が低いので、補助加熱源４からの汚
染金属の発生がほとんどなく、そのため遮蔽部材９は不
要となる。本実施例によれば、半導体ウエハの昇降時に
おいて面内温度の均一性を高めることができる。

【００３０】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明の熱処理装置は、常圧のプロセス、減圧プロ
セス、真空プロセスのいずれにも適用することができ
る。また、酸化拡散処理、ＣＶＤ処理のほか、アニール
等の各種の熱処理に適用することができる。また、被処
理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ等の
その他の面状の被処理体であってもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明の熱処理装置によれば、以下の効
果が奏される。 （１）請求項１の熱処理装置によれば、熱緩衝部材によ
り補助加熱源よりの熱が緩和されるので、被処理体の移
動中における面内温度の均一性が向上する。 （２）請求項２の熱処理装置によれば、遮蔽部材により
汚染の原因となりやすい金属の混入を防止することがで
きる。 （３）請求項３の熱処理装置によれば、処理容器の出入
口側部分およびこれに対応する熱緩衝部材の部分を絞り
込んだので、被処理体の熱処理中における面内温度差
と、被処理体の移動中における面内温度差との差を小さ
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【図２】本発明の実施例２に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【図３】本発明の実施例３に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【符号の説明】

１ 半導体ウエハ ２ 処理容
器 ２１ 出入口側部分 ２２ 熱処理
空間 ２３ ガス導入管 ２４ ガス排
出管 ２５ ガス導入管 ２６ ガス導
入管 ２７ ガス排出管 ２８ 内管 ２９ マニホールド ３ メイン
加熱源 ４ 補助加熱源 ５ 熱緩衝
部材 ６ ウエハ保持具 ７ 蓋部材 ８ 断熱材 ９ 遮蔽部
材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理容器と、 この処理容器内に配置された被処理体の処理面に対向す
   るよう配置したメイン加熱源と、 前記被処理体をその側部から加熱するために前記処理容
   器の外周を取囲むよう配置した補助加熱源と、 前記処理容器と前記補助加熱源との間に配置した熱緩衝
   部材とを備えてなることを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１の熱処理装置において、 補助加熱源と熱緩衝部材との間に、さらに炭化ケイ素
   （ＳｉＣ）からなる遮蔽部材を設けたことを特徴とする
   熱処理装置。
3. 【請求項３】 被処理体の出入口側が絞り込まれた処理
   容器と、 この処理容器内に配置された被処理体の処理面に対向す
   るよう配置したメイン加熱源と、 前記被処理体をその側部から加熱するために前記処理容
   器の外周を取囲むよう配置した補助加熱源と、 前記処理容器と前記補助加熱源との間に配置した熱緩衝
   部材とを備えてなり、 処理容器の熱処理空間における熱緩衝部材と被処理体と
   の距離Ｄ₁ と、処理容器の出入口側部分における熱緩衝
   部材と被処理体との距離Ｄ₂ との関係が、 Ｄ₁ ＞Ｄ₂ となるように熱緩衝部材を絞り込んだことを特徴とする
   熱処理装置。