JPH0992624A

JPH0992624A - 熱処理炉

Info

Publication number: JPH0992624A
Application number: JP24564795A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Maekawa; 俊一前川; Hajime Inamine; 一稲嶺; Akira Yoshino; 明吉野; Hiromi Kiyama; 洋実木山; Nobunori Omori; 宣典大森; Hidehiko Oku; 秀彦奥
Original assignee: SEMITSUKUSU ENG KK; Daido Hoxan Inc
Current assignee: SEMITSUKUSU ENG KK; Daido Hoxan Inc
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】急熱急冷の熱処理をバッチ方式で実施するこ
とが可能な熱処理炉を提供する。【解決手段】円筒形の炉心管１の外方に円筒形の外套
管２を被せ、この両者の側壁間に熱源を配置するととも
に、熱源として例えば複数本の環形ランプ３・・３または
螺旋状に巻いた線状の加熱体を使用することで、炉内の
熱処理領域をバッチ処理に対応可能で、かつ、熱容量を
可能な限り小さくしている。なお、本発明において、熱
処理工程での急冷特性を更に高める場合、炉心管１と外
套管２の側壁間に形成される空間に、不活性ガスを導入
するといった手段を採用すればよく、また、熱源として
複数本の環形ランプ３・・３を用いる場合、その各ランプ
の輻射エネルギを検出して、各ランプをそれぞれ個別に
制御する手段を設けておけば、目的とする炉の温度プロ
ファイルを容易に実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
ス等において利用される熱処理炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造プロセスにおいては、酸
化、拡散あるいはＣＶＤなどの各種の処理が行われてお
り、また、このような処理の後にアニール等の熱処理が
施されるが、これらの熱処理には、加熱の均一性と安定
性を得るため熱容量の大きなホットウォール型の縦型炉
や横型炉が使用されている。

【０００３】一方、高性能の半導体製品においては、高
集積化に伴って極めて微細な加工が要求されており、そ
の実現には熱処理時のサーマルバジェット〔（工程中の
加熱温度×加熱時間）に関する値〕が重要なファクター
となっている。このサーマルバジェットを小さくするに
は加熱工程で急速加熱・急速冷却（以下、急熱急冷と言
う）が必要となるが、これには熱容量の大きな炉（ホッ
トウォール型の炉等）は適さない。

【０００４】そこで、急熱急冷の熱処理には、熱源に高
温のヒータを用い、それからの熱輻射によってウエハを
加熱する炉が使用される。また、シリコンウエハを効率
良く加熱するにはヒータ温度を２０００℃以上にする必
要があることから、この種の熱処理には、主としてタン
グステンをヒータにしたランプで加熱を行うランプ炉
（コールドウォール型）が用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、急熱急冷の
熱処理に使用するランプ炉は、通常、一枚のウエハに対
して多数の直管ランプを平面的に配列した加熱方式を採
っているため、ウエハ面上の熱輻射の密度を均一にする
ことが極めて困難であり、また、面状に配列したランプ
群のうち１個のランプが故障しただけでも、全ランプの
再調整を行って輻射密度の均一性を保たなければならな
いといった欠点がある。さらに、加熱方式が枚葉式とな
るためスループット面での問題もある。

【０００６】ここで、急熱急冷の熱処理にホットウォー
ル型の炉を用いる技術も開発されているが、この技術に
よると以下の問題がある。すなわち、ホットウォール型
の炉でシリコンウエハを急熱急冷すると、結晶のスリッ
プによる欠陥が発生し不良品となるため、これを考慮し
て、高温・低温の２段の処理領域の間に、中間の温度領
域を設けた構造とする必要があるが、このような構造の
熱処理炉では炉長が３ｍ以上と大きくなってしまい、特
に、縦型炉ではクリーンルーム内に収まらないといった
事態が発生する。また、加熱工程中にウエハを炉内で移
動させる必要があり、この移動の際にパーティクルが発
生し、このパーティクルがウエハに付着するといった汚
染面での問題もある。

【０００７】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、急熱急冷の熱処理をバッチ方式で実施すること
が可能な熱処理炉の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の熱処理炉は、耐熱透明材料製の円筒形容器
で内部に被処理物が置かれる炉心管と、この炉心管の外
方を所定の空間を挟んで覆う外套管と、炉心管の側壁外
面と外套管内面との間に配置された熱源を備えているこ
とによって特徴づけられる。

【０００９】このように、炉心管の外側に熱源を配置
し、その外方に外套管を被せた二重構造とすることで、
炉外部の雰囲気から炉心管内部に作用する熱的な影響を
少なくすることができ、これにより、炉心管の熱容量を
小さくしても熱処理時の均熱と安定性を確保することが
できる。その結果、急熱急冷の熱処理に対応できる。

【００１０】また、熱源が炉心管の周囲にあるので、そ
の熱源の配置の形態、例えば環形ランプの配列を適当に
設定することにより、炉心管の軸方向における均熱長さ
を大きくとることが可能となり、バッチ処理にも対応で
きる。

【００１１】しかも、本発明の熱処理炉では、炉心管の
外面と外套管の内面との間に形成される空間に、冷却効
果の大きい不活性ガスを導入することで、極めて良好な
急冷特性を得ることも可能になる。この場合、導入する
不活性ガスとしては、Ｈｅ、ＡｒまたはＮ₂などが挙げ
られる。

【００１２】ここで、本発明の熱処理炉において、炉心
管を構成する耐熱透明材料としては、石英、アルミナ、
マグネシアなど挙げられる。また、本発明で使用する熱
源としては、炉心管の側方を囲う形状に加工された環形
ランプであってもよいし、あるいは裸線材を炉心管の側
方周辺を囲う形状に加工した線状の加熱体であってもよ
い。

【００１３】その環形ランプを用いる際には、ランプ複
数本を炉心管の軸方向に沿って所定のピッチで配列すれ
ばよく、この場合、各環形ランプの側方に、それぞれ、
各ランプからの輻射エネルギを検出するセンサを設ける
とともに、これらのセンサ出力に基づいて各環形ランプ
の発光パワーを制御する制御手段を設けておけば、目的
とする炉の温度プロファイルを容易に実現することがで
きる。

【００１４】なお、環形ランプを熱源とする場合、ラン
プ温度及び実用化等の点を考慮するとハロゲンランプを
用いることが好ましい。また、環形ランプとして紫外線
ランプ（ＵＶランプ）を用いてもよいし、あるいはハロ
ゲンランプと紫外線ランプを一つの炉に組み合わせて使
用してもよい。

【００１５】一方、線状の加熱体を熱源とする場合、そ
の材料としてはタングステン、モリブデンまたはカンタ
ルなどの高耐熱材料製の線材が好ましい。さらに、本発
明の熱処理炉において、外套管の内面に形成する反射膜
としては例えば、ＡｕまたはＮｂ化合物などが挙げられ
る。また、Ｎｂ化合物を反射膜とする場合、この種の化
合物のうち〔Ｎｂ₂Ｏ₅＋ＳｉＯ₂〕は、波長に応じて
反射特性を設定できるといった特徴があるので、これを
用いることが実用的で好ましい。

【００１６】さらにまた、本発明の熱処理炉に使用する
外套管には、この外套管と炉心管との間の空間を冷却す
るための冷却手段を設けておいてもよい。この場合、冷
却方式は、水冷、空冷、ガス冷却のいずれであってもよ
い。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を示す
全体構成図で、図２及び図３は、それぞれ、その実施の
形態の要部構造を示す斜視図及び縦断面図である。

【００１８】まず、炉心管１は透明石英等によって製作
された円筒形の容器で、ウエハＷを搭載したボートＢを
収容できる形状寸法に加工されている。この炉心管１に
は外套管２が被せられており、その炉心管１の側壁外面
と外套管２の内面との間に形成される空間に、熱源とし
てのハロゲンランプ３・・３が軸方向に沿って所定のピッ
チで配列されている。

【００１９】このハロゲンランプ３は、図４(A) 〜(C)
に示すように、透明石英等で製作されたチューブ３ａ内
に、タングステン製のフィラメント３ｂとハロゲンガス
を封入した構造で、その全体がリング状に成形された環
形ランプである。フィラメント３ｂは、図４(B) に示す
ように、クランプ部材３ｄにより、チューブ３ａの中央
位置に保持されている。また、チューブ３ａには、リン
グの外周側の内面または外面に、ＡｕまたはＮｂ化合物
等の反射膜３ｃが形成されており、この反射膜３ｃによ
り、フィラメント３ｂからランプ外方へと放射する輻射
エネルギがリングの内方に向けて反射される。ただし、
反射膜３ｃには、フィラメント３ｂと水平方向において
対向する位置に検出用の円形窓３ｅが設けられている。

【００２０】外套管２には、上部と下部にそれぞれガス
導入口２ａと排気口２ｂが設けられており、これらには
後述するガス回収装置系７が接続される。また、外套管
２の側壁内面には、図３に示すようにＡｕまたはＮｂ化
合物等の反射膜２ｃが形成されている。さらに、外套管
２の側壁外面には、冷却水配管２ｄが周方向に沿って螺
旋状に巻かれており、この配管２ｄに冷却水を流すこと
により、外套管２の内面と炉心管１の外面との空間を冷
却することができる。

【００２１】また、外套管２の側壁には、図３に示すよ
うに、各ハロゲンランプ３の反射膜３ｃに形成された円
形窓３ｅと対向する位置に、それぞれ、円形の貫通孔２
ｅ・・２ｅが設けられており、各貫通孔２ｅ・・２ｅの外方
にそれぞれ温度センサ４・・４が配置されている。これら
の温度センサ４・・４の検出信号つまり各ハロゲンランプ
３からの輻射エネルギの検出値（温度）はＣＰＵ５に導
かれる。

【００２２】ＣＵＰ５は、温度センサ４・・４からの検出
信号と、予め設定された炉の温度プロファイルのデータ
に基づいて、炉心管１の内部温度が設定温度プロファイ
ルに一致するように、コントローラ６・・６に駆動指令を
与えて各ハロゲンランプ３・・３の発光パワーをフィード
バック制御するように構成されている。

【００２３】一方、ガス回収装置系７は、回収タンク７
ａ、圧縮機７ｂ、精製装置７ｃ、タンク７ｄ並びにガス
ボンベ（Ｈｅ）７ｅを備えており、そのガスボンベ７ｅ
からＨｅガスを外套管２にガス導入口２ａを通じて供給
し、また外套管２内のハロゲンランプ３・・３を通過した
Ｈｅガスを、圧縮機７ｂの駆動により、下部の排気口２
ｂを通じて回収タンク７ａに回収した後、その回収ガス
を精製装置７ｃで精製し、タンク７ｄを介して再度外套
管２のガス導入口２ａに供給する、といった循環経路を
形成するように構成されている。ただし、このような循
環系において、ガスボンベ７ｅのＨｅガスは、循環初期
に経路全体に充填する際に使用されるもので、その充填
後には、流量アップや洩れ分の補給などの要求がない限
り使用されることはない。

【００２４】以上の実施の形態では、ＣＰＵ５に設定す
る温度プロファイルデータを変更することにより、炉心
管１内の実際の温度プロファイルを自由に設定すること
ができるので、各種の熱処理条件に迅速に対応すること
ができる。しかも、各ハロゲンランプ３・・３をそれぞれ
個別に制御できるのでメンテナンスが容易となる。

【００２５】また、熱伝導度が良好なＨｅガスを、外套
管２の内部に流してハロゲンランプ３・・３を冷却すると
いった構成を採っているので、熱処理工程での急冷の際
の特性が非常に良く、しかも、比較的高価なＨｅガスを
回収→精製供給→回収といった還流経路で循環して使用
するので、経済性にも優れている。

【００２６】なお、以上の実施の形態では、ハロゲンラ
ンプを使用した例を示したが、このほか、環形ランプと
して紫外線ランプを用いてもよいし、あるいは、ハロゲ
ンランプと紫外線ランプを組み合わせて使用してもよ
い。この場合、ランプからの輻射エネルギの波長範囲を
拡張させることができ、例えばＣＶＤ処理等において反
応促進の向上をはかることができるといった効果を達成
できる。

【００２７】図５は本発明の他の実施の形態を示す図
で、図６はその要部構造を示す斜視図である。この図
５、図６に示す実施の形態が、先の図１に示した構造と
相違するところは、炉心管１０１の外面と外套管１０２
の内面との間に配置する熱源として、タングステン製の
裸線材を、炉心管１０１の外周面に沿って螺旋状に巻い
た形状の線状の加熱体１０３を用い、この加熱体１０３
に通電を行って抵抗加熱により熱処理に必要な熱量を得
るように構成した点にある。

【００２８】また、この実施の形態においても、先と同
様に、炉心管１０１の外面と外套管１０２の内面との間
に形成される空間に、Ｈｅガスを供給して線状の加熱体
１０３の冷却を行う構造としているが、この実施の形態
では、このようなＨｅガスの供給により他の効果も同時
に達成できる。

【００２９】すなわち、大気中でタングステン製の裸線
材に通電を行うと、表面の酸化、蒸発などの点が問題と
なるが、通電時の雰囲気をＨｅなどの不活性ガス下とす
ることにより、それらを防止することができる結果、加
熱体１０３の寿命が長くなるといった効果を達成でき
る。

【００３０】なお、図５に示した構造において、炉心管
１０１の軸方向長さが大きくなる場合には、線状の加熱
体１０３を軸方向において複数のパートに分け、その各
パートごとに通電の電力を制御するように構成すれば、
炉心管１０１が長くても、軸方向の均熱を十分に確保す
ることができる。

【００３１】ここで、以上の実施の形態では、縦型の熱
処理炉の例を示したが、本発明を適用して横型の熱処理
炉を構築することも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
円筒形の炉心管の外方に円筒形の外套管を被せて、この
両者の側壁間に熱源を配置するとともに、熱源として、
例えば複数本の環形ランプまたは螺旋状に巻いた線状の
加熱体を用いたので、炉の熱処理領域を、バッチ処理が
可能な範囲で熱容量を可能な限り小さくした構造とする
ことができ、これにより急熱急冷に適したバッチ方式の
熱処理炉の実現可能となった。

【００３３】また、本発明の熱処理炉では、炉内でウエ
ハ等の被処理物を移動させることなく急熱急冷の熱処理
工程を実行できるので、パーティクルの発生による品質
劣化等の問題がない。しかも、炉に中間の温度領域等を
設けることなく、１段の温度領域で段階的な温度過程の
熱処理を実行できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す全体構成図

【図２】その実施の形態の要部構造を示す斜視図

【図３】同じく要部構造を示す縦断面図

【図４】本発明の実施の形態で使用するハロゲンランプ
３の構造を示す図で、(A) は平面図、(B) 及び(C) はそ
れぞれ(A) のＸ−Ｘ及びＹ−Ｙ断面図

【図５】本発明の他の実施の形態を示す図

【図６】その実施の形態の要部構造を示す斜視図

【符号の説明】

１，１０１炉心管２，１０２外套管２ａガス導入口２ｂ排気口２ｃ反射膜２ｄ冷却水配管３・・３ハロゲンランプ１０３線状の加熱体４・・４温度センサ５ＣＰＵ６・・６コントローラ７ガス回収装置系ＷウエハＢボート

フロントページの続き (72)発明者吉野明大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社技術本部堺研究所内 (72)発明者木山洋実大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社技術本部堺研究所内 (72)発明者大森宣典大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社技術本部堺研究所内 (72)発明者奥秀彦大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社技術本部堺研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐熱透明材料製の円筒形容器で内部に被
処理物が置かれる炉心管と、この炉心管の外方を所定の
空間を挟んで覆う外套管と、上記炉心管の側壁外面と外
套管内面との間に配置された熱源を備えてなる熱処理
炉。
【請求項２】上記熱源が上記炉心管の側方を囲う形状
に加工された環形ランプで、このランプ複数本を上記炉
心管の軸方向に沿って所定のピッチで配列したことを特
徴とする請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項３】上記複数本の環形ランプの側方に、それ
ぞれ、各ランプからの輻射エネルギを検出するセンサが
設けられているとともに、これらのセンサ出力に基づい
て各環形ランプの発光パワーを制御する制御手段が設け
られていることを特徴とする請求項２に記載の熱処理
炉。
【請求項４】上記環形ランプがハロゲンランプである
ことを特徴とする請求項２、または３に記載の熱処理
炉。
【請求項５】上記環形ランプが紫外線ランプであるこ
とを特徴とする請求項２、または３に記載の熱処理炉。
【請求項６】上記熱源が、高耐熱材料製の線材を上記
炉心管の側方周辺を囲う形状に加工した線状の加熱体で
あることを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉。
【請求項７】上記炉心管の外面と外套管の内面との間
に形成される空間に不活性ガスを供給するガス供給手段
が設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、
４、５または６に記載の熱処理炉。
【請求項８】上記ガス供給手段は、上記炉心管の外面
と外套管の内面との間の空間に供給した不活性ガスを回
収、精製した後に再びガス供給を行う循環機能を備えて
いることを特徴とする請求項７に記載の熱処理炉。
【請求項９】上記外套管の内面に、上記熱源からの輻
射エネルギを上記炉心管に向けて反射する反射膜が形成
されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、
５、６、７または８に記載の熱処理炉。
【請求項１０】上記外套管に、この外套管の内方領域
を冷却するための冷却手段が設けられていることを特徴
とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９
に記載の熱処理炉。