JPH0758696B2 - 半導体ウエハ加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体製造装置に係り、特に拡散装置やCVD装
置等の円筒状の反応管を用いる半導体製造装置に好適な
加熱装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の拡散装置は、例えば実願昭54−104693号（実開昭
56−21439号）のマイクロフィルムに記載のように、横
型の拡散装置の一端に外部より処理ガスを導入し、この
ガスを反応管内で加熱し、反応管の他端側へと導いてい
る。

また、特開昭56−91417号公報に記載の縦型の拡散装置
では、縦長の管体をほぼ鉛直に配置し、水平に置かれた
ウエハを下部の搬送口から装置内に挿入することができ
る構造となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記横型の拡散装置の従来例では、給気管出口より流出
する処理ガスはウエハ面と反応を起こしながら、ガス排
出口へと流れて行く。この時予熱管で暖められた処理ガ
スは、ウエハに接することによりウエハと熱交換し、温
度が低下する。従って、処理ガスの下流側では上流側と
異なる温度となり、反応管内のガス温度を均一に保つこ
とが困難となる。

また、温度の高い処理ガスは密度が低いので上部に、温
度の低い処理ガスは下部へと流れ、反応性に富むガスが
速く排出される恐れも生じる。

さらに、供給される処理ガスが反応管内ガスより低温で
あると、給気管出口付近が処理ガスにより冷却され、反
応管内に対流が生じ、ウエハ面温度を変化させる恐れが
生じる。

一方、縦型の拡散装置の従来例では、給気口が上部にあ
るため、常温の処理ガスの密度が反応管内ガスの密度よ
りも大きくこの密度差に起因して発生する対流が反応管
内の温度及び流れを乱す点については配慮されていな
い。

また、処理ガス温度が反応管内ガス温度より高い場合
（例えばウェット酸化時）には有効と思われるが、実際
の拡散装置は、スループットを上げるため酸化，拡散お
よびアニール等、多目的の異なる熱処理を同一装置で行
うのが通例である。したがって拡散装置においては、理
想的には全ての搬送および処理条件で、ウエハに接する
処理ガスの温度や濃度を均一に保つ必要がある。一方、
最近では集積回路の高密度化に伴い、理想的な条件で熱
処理を行う必要が増している。したがって従来例で示さ
れた断片的な現象をとらえた対応では不足であり、全て
の工程が理想的に行える方式を見出す、より高度な対応
が望まれている。

本発明の目的は、酸化，拡散およびアニールのため装置
内のウエハを処理する工程で、装置内に置かれた全ての
ウエハが均一な温度の処理ガスと触れることが可能な装
置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は複数のウエハを収
納するバスケットと、このバスケットを鉛直方向に移動
できる駆動機構と、鉛直方向に複数に区分されて設けら
れたヒータと、このヒータの内側に設けられた反応管と
を備え、前記バスケットを前記反応管の底面に設けた開
口部から出し入れする縦型の半導体ウエハ加熱装置にお
いて、前記反応管の下部から頂部に達するガス通路を設
け、処理ガスをこのガス通路の下部に設けた給気口から
導き、ウエハと接触することなく反応管頂部に至らせ、
ウエハ部を通って下降させ、前記反応管の下部に形成し
た排気口から装置外部へ排出するようにしたものであ
る。そして、前記ガス通路を流れる処理ガス温度を複数
に区分されたヒータの発熱量を各区分毎に調節可能とし
たものである。

〔作用〕

反応管下部に設けられた給気口より供給される処理ガス
は、反応管外周に取り付けたヒータにより昇温しながら
反応管頂部に達する。この結果、反応管頂部における処
理ガスはほぼ均一な所要温度になる。反応管頂部に達し
た処理ガスは、ウエハ面と反応を起こしながら反応管内
を降下するが、処理ガス温度と異なる温度のウエハと熱
交換し、処理ガス温度は変化する。ここで、反応管に設
けられたガス通路内の処理ガスと壁面を隔てて接する反
応管内の処理ガスとが熱交換し、反応管内の処理ガス温
度を所定温度に復帰させる。これにより反応管内の処理
ガスの温度を均一化する。また、処理ガスの降下によ
り、処理ガス温度に不均一を生じる場合には、ヒータの
発熱量を鉛直方向に変えて、ガス通路における処理ガス
の温度を変え、このガス通路中の処理ガスと熱交換する
反応管内の処理ガスの温度を均一化する。これにより、
反応管内の処理ガス温度を均一にでき、反応管内で対流
を生じる恐れがない。さらに、ウエハを収納したバスケ
ットの下面と反応管の開口部との間の搬送口側ゾーンに
ヒータを設けることにより、供給ガスの予熱を効果的に
行えるとともに、この搬送口側ゾーンのヒータの熱がバ
スケットの下面によりウエハに達することが妨げられ、
ウエハが過度に加熱されることを防止できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ウエ
ハ４をバスケット５に収納し、このバスケット５をバス
ケットステージ６に載置する。そして、バスケットステ
ージ６はローディング機構７により鉛直方向に移動可能
となっている。ウエハ４を収納したバスケット５を取り
囲んで鉛直方向に軸線を有する円筒形の内筒16が設けら
れている。さらに、内筒を覆うように内筒とほぼ同心に
反応管１が設けられ、この内筒16と反応管１の間を処置
ガスが通過できるようにガス通路17が形成されている。
反応管１のさらに外周部には反応管とほぼ同心に均熱管
２が設けられ、その外周部には鉛直方向に区分されたヒ
ータ３が取り付けられている。ヒータ３の外壁には、ヒ
ータ３の効果を高めるために断熱材13が取りつけられて
いる。

また、均熱管２の下方部は開口（搬送口20）となってお
り、その開口部を支持するようにベース12が、そしてこ
のベース12を挟んで上下にそれぞれ耐火レンガ11,11aが
設けられている。さらに、内筒16の最下端部には、酸
素，水素または不純物等の処理ガスを供給するガス供給
口８およびこの供給口８から供給されたガスを反応管１
に設けた空隙部とそれに続くガス通路17から拡散装置全
体へ供給するための給気ポート14が設けられている。

また、ローディング機構７の中間部には可動キャップ９
が設けられ、拡散処理時に反応管底面21と僅かな隙間19
をもって対向し、反応ガスの排気口を形成している。な
お、排気口はこの隙間19には限られず、別に設けてもよ
い。

次に、このように形成した拡散装置の作用について、
（１）ドライ酸化処理または拡散処理時、（２）水素燃
焼を伴うウェット酸化処理時に分けて説明する。

（１）のドライ酸化処理または拡散処理の場合、ローデ
ィング機構７により可動キャップ９を鉛直方向上方に駆
動し、可動キャップ９と反応管底面21とを密着させる。
この場合、隙間19はゼロとなる。この状態で、酸素，チ
ッ素または不純物を適当に混合した常温のガスをガス供
給口８から反応管１内に供給する。ガス給気口８より供
給された処理ガスはガス通路を上昇する。この時、ヒー
タ３により処理ガスは徐々に昇温される。そして、内筒
16の頂部18に達した処理ガスは、内筒頂部18に設けられ
た開口部を通って、ウエハ４が収納された内筒16内を下
降する。ここで、バスケット５内に収納した全てのウエ
ハ４に接する処理ガス温度を均一にするため、バスケッ
トステージ６付近で内筒16のガス通路17側壁面（外壁）
とバスケット５側壁面（内壁）とに接する処理ガスの温
度差が無くなるように、鉛直方向下方のヒータ発熱量を
鉛直方向上方の発熱量より多くする。この結果、処理槽
内部の温度を所定の温度に設定可能となる。

一方、（２）のウェット酸化処理の場合、ガス給気口８
から供給された酸素及び水素は給気ポート14で燃焼さ
れ、水蒸気となってガス通路17を上昇する。そして、内
筒の頂部18に設けられた開口部よりウエハ４面へと下降
する。この場合、上述のドライ酸化時とは逆に、鉛直方
向下方のヒータ発熱量を鉛直方向上方のヒータ発熱量よ
り小さくする。ここで、給気ポート14部では燃焼により
供給ガス温度が高くなるので、上述の設定により、全て
のウエハ４面に接する処理ガスの温度を所定の値に維持
できる。

また、第２図に示すように、給気ポート14から供給され
た水素および酸素がガス通路17を上昇してガス通路出口
17aから反応管１の頂部18に達し、頂部18で燃焼させる
方法も考えられる。この場合、鉛直方向下方のヒータの
発熱量を鉛直方向上方のヒータの発熱量より多くして、
ウエハ４付近のガス通路17内を通過する処理ガスの温度
をガス通路17外のウエハと接する処理ガスの温度と等し
くなるように調整する。なお、頂部18では燃焼により処
理ガス温度が高くなるので、頂部18付近のヒータは加熱
を停止して、周囲への放熱により供給ガス温度を下げ、
ウエハに達する処理ガス温度を均一に維持する。なお、
この第２図では、ガス通路はチューブ状に形成されてお
り、反応管内部に設けているが、ガス通路を反応管とヒ
ータとの間に設け、反応管頂部側で反応管内へ導かれる
構造にしても、上記した構成と同様の効果が得られる。

上記、第１図および第２図に示した本発明の実施例にお
ける処理ガスのフローパターンを第５図および第６図に
示す。下方より流入した処理ガスはガス通路を上昇し、
反応管内を降下する。そして反応管底面と可動キャップ
との間の隙間より排出される。

第３図および第４図に本発明の他の実施例を示す。第３
図においては、第１図の実施例と異なり、給気ポートを
省略し、ガス通路17をコイル状のチューブで形成してい
る。この場合、構造が簡単になる。

第４図においては、第１図の実施例と異なり、細長い２
重管で形成した給気ポート14の上面14aにガス通路17を
形成している。そして、このガス通路17をチューブを配
置することにより形成している。この場合も構造が簡単
になる。

以上に示した本発明の採用により、従来の拡散装置の欠
点を解決できる。すなわち、特開昭56−91417号公報記
載の拡散装置では第７図に示すように、ドライ酸化及び
拡散処理の熱処理時に、常温の処理ガスを反応管頂部か
ら反応管内に供給している。従って、反応管頂部付近の
処理ガスの密度が、反応管内で加熱された高温の処理ガ
スの密度より大きいので、反応管内の径方向に十分拡散
できない。その結果、第７図に示すように冷たいガスの
不均一な下降流を生じる。この不均一な下降流のため、
反応管頂部側に位置するウエハは低温または高温の処理
ガスと交互に接することとなる。従って、第７図で示さ
れる従来構造では、処理ガスの温度が均一となるまでの
反応管高さ（均熱長）を高くしなければならず。反応管
頂部と上端ウエハの間隔が大きくなるという欠点を有し
ている。

これに対し、本発明では、上述したようにガス供給口と
ウエハの装置内部への搬入口を装置底面に配置している
ので、ガス通路内の処理ガスと反応管内の処理ガスとの
間の温度差に伴う自然対流の発生を防止できる効果があ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、 （１）ウエハ面に達するまでの通路で処理ガスの温度調
節が可能な構造としたので、ドライ酸化，ウェット酸化
時に見られる処理ガスと反応管内の温度差に起因する対
流の発生を防止でき、ウエハ面に接する処理ガス温度を
均一化できる。

（２）この結果、ドライ酸化，ウェット酸化，拡散及び
アニールを目的とする加熱装置のウエハ搬送，熱処理の
いかなる工程においても、バスケット内のウエハは一様
な温度に保たれ、均一な反応が生ずるので、均質な膜生
成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の加熱装置の詳細縦断面図、第２図〜
第４図は、本発明の他の実施例の要部縦断面図、第５図
および第６図は、第１図および第２図の各実施例での処
理ガスの流れ（模式図）、第７図は、従来例の処理ガス
の流れ（模式図）を示す。 １…反応管、２…均熱管、３…ヒータ、４…ウェット、
５…バスケット、６…バスケットステージ、７…ローデ
ィング機構、８…ガス供給口、９…可動キャップ、11…
耐火レンガ、12…ベース、13…断熱材、14…給気ポー
ト、16…内筒、17…ガス通路、18…頂部、19…隙間、20
…搬送口、21…反応管底面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高垣 哲也 東京都小平市上水本町1450番地 株式会社 日立製作所武蔵工場内 (56)参考文献 特開 昭49−15366（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−6528（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−21439（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】頂部を閉じ底部を開口した縦型の反応管
   と、この反応管の外周に設けられ鉛直方向に区分された
   複数のヒータと、この反応管の内部に配置した複数のウ
   エハを収納するバスケットと、このバスケットを鉛直方
   向に移動して前記ウエハを前記反応管の開口部を通して
   前記反応管へ出し入れするローディング機構とを備えた
   縦型の半導体ウエハ加熱装置において、 前記反応管の開口部側に反応管外部から処理ガスを供給
   する給気口を設け、前記反応管の頂部側に出口を有し前
   記給気口と連結するガス通路を前記反応管に設け、前記
   ウエハを前記反応管に収納したときに前記バスケットの
   下面と前記反応管の開口部によって区画される搬送口側
   ゾーンに前記区分されたヒータを少なくとも１つ設け、
   前記ヒータの発熱量を各区分毎に調整可能とし、前記ガ
   ス通路を流れる処理ガス温度を前記ヒータにより調節可
   能としたことを特徴とする半導体ウエハ加熱装置。
2. 【請求項２】前記ガス通路を複数のチューブにより形成
   し、このチューブを前記反応管の管壁と前記ウエハとの
   間に配設したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の半導体ウエハ加熱装置。
3. 【請求項３】前記反応管内部の前記処理ガスの温度が均
   一となるように前記区分されたヒータのそれぞれの発熱
   量を調節することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の半導体ウエハ加熱装置。