JPH1012564A - 赤外線熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロセスガス温度差による半導体ウエハ面内
温度均一性の劣化を改善する。 【解決手段】 ガス流入口１(a) の径がガス排出口１
(b) の径よりも大きい反応炉１中には、リング状部材２
が設置される。リング状部材２の開口部には、外周がこ
のリング状部材の開口部と嵌合するように半導体ウエハ
３が設置される。反応炉１の外部には、半導体ウエハ３
の上面、下面に対向するように赤外線ランプ５が設置さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は赤外線熱処理装置に
関するもので、特に赤外線ランプにより、枚葉の熱処理
を行うアニール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の枚葉式赤外線熱処理装置を図８、
９に示す。従来の枚葉式赤外線熱処理装置は図におい
て、直方体の石英製の反応炉１０１に対して、対局する
面をそれぞれプロセスガスのガス流入口１０１(a) 、ガ
ス排出口１０１(b) とし、反応炉１内を層流のガス雰囲
気とする構造が一般的であり、規範的にコールドウォー
ルのプロセスチューブを有している。

【０００３】この反応炉１０１外に赤外線ランプ１０５
を配置し、反応炉１０１内の半導体ウエハ１０３を加熱
している。半導体ウエハ１０３の温度は赤外線吸収によ
る半導体ウエハ１０３自体の発熱量と、半導体ウエハ１
０３と周囲の雰囲気との温度差と、プロセスガス流量に
よる半導体ウエハ１０３からの放熱量の差によって決ま
る。このため、赤外線強度が均一であっても、半導体ウ
エハ１０３面内で放熱量に不均一性があると、半導体ウ
エハ１０３の面内温度均一性は悪化する。

【０００４】特に、半導体ウエハ１０３のエッジでは、
単位体積当たりの表面積が大きくなるため、放熱量が大
きい。そのため、半導体ウエハのエッジの温度は低くな
ってしまう。この現象の対策として、半導体ウエハ周囲
にリング状部材１０２を配置し、このリング状部材１０
２により半導体ウエハ１０３のエッジからの放熱を抑制
する方法が一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
ウエハの大口径化に伴い、面内温度均一性を確保するこ
とが困難になりつつある。半導体ウエハ１０３からの放
熱量は上記のごとく半導体ウエハ１０３と周囲のプロセ
スガスとの温度差と流量とによって決まる。また、反応
炉１０１内のガスは流入時には比較的低温であるが、半
導体ウエハ及び半導体ウエハ近傍の炉壁により加熱さ
れ、ガス排出口１０１(b) 側では温度が上昇する。これ
により、半導体ウエハの面内温度均一性は劣化する。こ
の傾向は半導体ウエハが大口径化するほど大きくなる。

【０００６】また、半導体ウエハ面内の温度が不均一に
なると、半導体ウエハ上にスリップライン（亀裂）が発
生するという重大な問題が発生する。以上、本発明は上
記問題点に鑑み、プロセスガス温度差による半導体ウエ
ハ面内温度均一性の劣化を改善することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の赤外線熱処理装置は、ガス流入口の径がガ
ス排出口の径よりも大きい反応炉と、この反応炉中に設
置されるリング状部材と、外周がこのリング状部材の開
口部と嵌合するように設置される半導体ウエハと、前記
反応炉の外部であり、かつ前記半導体ウエハの上面、下
面に対向するように設置される赤外線ランプとを具備す
ることを特徴とする。また、リング状部材の熱容量をガ
ス流入口側で大きくすることを特徴とする。

【０００８】本発明では、ガス流入口の面積をガス排出
口の面積よりも大きくすることで、ガスの流速をガス排
出口において大きくすることができる。そのため、ガス
排出口側のガス温度が高くなったとしてもガスの流量が
大きいため、冷却効率が高まり、全体として半導体ウエ
ハ面内の温度の均一化を図ることができる。また、リン
グ状部材の熱容量をガス流入口側で大きくすることによ
り、リング状部材自体の温度均一性を改善し、ひいては
半導体ウエハ面内の温度均一性をさらに改善することが
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例であ
る赤外線熱処理装置について図１、２を用いて説明す
る。図１は本発明のランプアニール装置の上方断面図で
あり、図２はその側方断面図である。図１に示すよう
に、石英製の反応炉１は縦断面が台形状になっており、
ガス流入口１(a) の径は４０ｃｍであり、ガス排出口１
(b) の径３０ｃｍの約１．３倍となっている。また、ガ
ス流入口１(a) からガス排出口１(b) までの距離は３５
ｃｍである。また、図２において、ガス流入口１(a) の
径は８ｃｍであり、ガス排出口１(b) の径６ｃｍの約
１．３倍となっている。 この反応炉１を用いて８イン
チウエハについて９００℃、３０秒のアニールを行う場
合、ガス流入口１(a) から流入されるガスの単位面積当
たりの流量は１５．６ｃｃｍ／ｃｍ2 である。このと
き、ガス排出口１(b) から排出されるガスの単位面積当
たりの流量は２７．８ｃｃｍ／ｃｍ2 となる。

【００１０】この反応炉１の中には、円形のリング状部
材２が設置されている。このリング状部材２はその外径
が２６．５ｃｍ、内径が２０．５ｃｍとなっており、リ
ング状部材２の開口部が８インチの半導体ウエハ３と嵌
合するようになっている。これらリング状部材２、半導
体ウエハ３は図２に示す保持具４によって保持されてい
る。

【００１１】反応炉１の外部には、半導体ウエハ３の上
面、下面に対向するようにタングステンハロゲンランプ
である赤外線ランプ５が設置される。本実施例では半導
体ウエハ３の上面に対向するものが６個、半導体ウエハ
３の下面に対向するものが６個となっている。

【００１２】以上、本発明の第１の実施例である赤外線
熱処理装置において、実施例中のアニールを行う場合、
ガス流入口１(a) 近傍の半導体ウエハ３表面の温度は９
００℃、ガス排出口１(b) 近傍の半導体ウエハ３表面の
温度は９００℃となっており、半導体ウエハ面内温度均
一性が大幅に改善される。また、ウエハ表面のスリップ
ラインの発生も抑制され、本実施例の装置を用い、さら
に高温、長時間の熱処理を行うことも可能となる。

【００１３】次に、本発明の第２の実施例である赤外線
熱処理装置について図３、４を用いて説明する。本実施
例では、反応炉１は従来から存在する、ガス流入口１
(a) の径（７ｃｍ）とガス排出口１(b) の径（７ｃｍ）
とが同等の大きさの石英製チューブを用いている。

【００１４】この反応炉１中には、外径が楕円形状であ
り、内径は円形状であるリング状部材２が設置される。
リング状部材２の外径は長軸が２８．５ｃｍ、短軸が２
６．５ｃｍであり、内径は２０．５ｃｍである。そし
て、この内径は外径の楕円形状におけるガス排出口１
(b) に近い方の焦点にその中心が一致するように形成さ
れ、さらに８インチの半導体ウエハ３と嵌合するように
なっている。これらリング状部材２、半導体ウエハ３は
図４に示す保持具４によって保持されている。また、リ
ング状部材の長軸は反応炉１の壁面に平行に設置され
る。

【００１５】反応炉１の外部には、半導体ウエハ３の上
面、下面に対向するようにタングステンハロゲンランプ
である赤外線ランプ５が設置される。本実施例では半導
体ウエハ３の上面に対向するものが６個、半導体ウエハ
３の下面に対向するものが６個となっている。

【００１６】以上、本発明の第２の実施例ではガス流入
口１(a) 側のリング状部材の幅がガス排出口１(b) 側の
リング状部材の幅よりも１．７倍程度大きいため、ガス
流入口側の半導体ウエハ３からの熱放出量を抑制するこ
とができる。実際、ガス流入口側の半導体ウエハの表面
温度は９００℃であり、ガス排出口側の半導体ウエハの
表面温度は９００℃であり、ガス温度の上昇による、ガ
ス排出口側の半導体ウエハ及びリング状部材の冷却効率
低下による半導体ウエハ温度上昇を相殺することが可能
となる。

【００１７】次に、本発明の第３の実施例である赤外線
熱処理装置について図５を用いて説明する。本実施例に
おいて用いる石英製の反応炉１は第２の実施例と同一で
あるため、図に同一番号を付し、説明を省略する。反応
炉１中には、外径が２６．５ｃｍ、内径が２０．５ｃｍ
のリング状部材２が設置される。このリング状部材２の
厚さは不均一であり、ガス流入口１(a) に近い端部が最
も厚くて３．０ｍｍ、ガス排出口１(b) に近づくに従っ
て薄くなり、ガス排出口１(b) に近い端部が最も薄く、
０．６５ｍｍとなっている。

【００１８】このリング状部材２の開口部には外周がこ
のリング状部材の開口部と嵌合するように半導体ウエハ
３が設置される。これらリング状部材２、半導体ウエハ
３は図２に示す保持具４によって保持されている。

【００１９】反応炉１の外部には、半導体ウエハ３の上
面、下面に対向するようにタングステンハロゲンランプ
である赤外線ランプ５が設置される。本実施例では半導
体ウエハ３の上面に対向するものが６個、半導体ウエハ
３の下面に対向するものが６個となっている。

【００２０】以上、本発明の第３の実施例である赤外線
熱処理装置では、リング状部材２のガス流入口に近い部
分の厚さはリング状部材２のガス排出口に近い部分の厚
さよりも４．６倍以上大きい。このため、ガス流入口側
の半導体ウエハ３からの熱放出量を抑制することができ
る。実際、ガス流入口側の半導体ウエハの表面温度は９
００℃であり、ガス排出口側の半導体ウエハの表面温度
は９００℃であり、ガス温度の上昇による、ガス排出口
側の半導体ウエハ及びリング状部材の冷却効率低下によ
る半導体ウエハ温度上昇を相殺することが可能となる。

【００２１】最後に、本発明の第４の実施例である赤外
線熱処理装置について図６、７を用いて説明する。本実
施例において用いる石英製の反応炉１は第２の実施例と
同一であるため、図に同一番号を付し、説明を省略す
る。反応炉１中には、外径が２６．５ｃｍ、内径が２
０．５ｃｍのリング状部材２が設置される。このリング
状部材２のガス排出口側の裏面には高さ５ｍｍのフィン
形状の凹凸２(a) が設けられている。

【００２２】このリング状部材２の開口部には外周がこ
のリング状部材の開口部と嵌合するように半導体ウエハ
３が設置される。これらリング状部材２、半導体ウエハ
３は図２に示す保持具４によって保持されている。

【００２３】反応炉１の外部には、半導体ウエハ３の上
面、下面に対向するようにタングステンハロゲンランプ
である赤外線ランプ５が設置される。本実施例では半導
体ウエハ３の上面に対向するものが６個、半導体ウエハ
３の下面に対向するものが６個となっている。

【００２４】以上本発明の第４の実施例では、リング状
部材２のガス排出口側の裏面にフィン形状の凹凸２(a)
が設けられている。この凹凸２(a) は放熱体の役割を果
たすため、ガス排出口側のリング状部材の冷却効率が上
がる。実際、ガス流入口側の半導体ウエハの表面温度は
９００℃であり、ガス排出口側の半導体ウエハの表面温
度は９００℃であり、ガス温度の上昇による、ガス排出
口側の半導体ウエハ及びリング状部材の冷却効率低下に
よる半導体ウエハ温度上昇を相殺することが可能とな
る。

【００２５】

【発明の効果】本発明により、ガス温度の上昇による、
ガス排出口側の半導体ウエハ及びリング状部材の冷却効
率低下による半導体ウエハ温度上昇を相殺することが可
能となり、半導体ウエハの面内温度均一性が改善され
る。また、面内温度均一性の改善により、半導体ウエハ
表面に発生するスリップラインの発生を抑制し、従来に
比べ、さらに高温、長時間の熱処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である赤外線熱処理装置
の上面図

【図２】本発明の第１の実施例である赤外線熱処理装置
の側方断面図

【図３】本発明の第２の実施例である赤外線熱処理装置
の上面図

【図４】本発明の第２の実施例である赤外線熱処理装置
の側方断面図

【図５】本発明の第３の実施例である赤外線熱処理装置
の側方断面図

【図６】本発明の第４の実施例である赤外線熱処理装置
の側方断面図

【図７】本発明の第４の実施例である赤外線熱処理装置
をガス排出口から見た側面図

【図８】従来の枚葉式赤外線熱処理装置の側方断面図

【図９】従来の枚葉式赤外線熱処理装置の上面図

【符号の説明】

１、１０１ 反応炉 １(a) 、１０１(a) ガス流入口 １(b) 、１０１(b) ガス排出口 ２、１０２ リング状部材 ２(a) 凹凸 ３、１０３ 半導体ウエハ ４ 保持具 ５、１０５ 赤外線ランプ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス流入口の径がガス排出口の径よりも
   大きい反応炉と、 この反応炉中に設置されるリング状部材と、 外周がこのリング状部材の開口部と嵌合するように設置
   される半導体ウエハと、 前記反応炉の外部であり、かつ前記半導体ウエハの上
   面、下面に対向するように設置される赤外線ランプとを
   具備することを特徴とする赤外線熱処理装置。
2. 【請求項２】 前記ガス流入口の径のうち、前記半導体
   ウエハ表面に平行な径は、前記ガス排出口の径のうち、
   前記半導体ウエハ表面に平行な径の１．２倍以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の赤外線熱処理装置。
3. 【請求項３】 前記ガス流入口の径のうち、前記半導体
   ウエハ表面に垂直な径は、前記ガス排出口の径のうち、
   前記半導体ウエハ表面に垂直な径の１．２倍以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の赤外線熱処理装置。
4. 【請求項４】 ガス流入口とガス排出口とを有する反応
   炉と、 この反応炉中に設置されるリング状部材と、 外周がこのリング状部材の開口部と嵌合するように設置
   される半導体ウエハと、 前記反応炉の外部であり、かつ前記半導体基板の上面、
   下面に対向するように設置される赤外線ランプとを具備
   し、 前記リング状部材の前記ガス流入口側の幅は前記リング
   状部材の前記ガス排出口側の幅よりも大きいことを特徴
   とする赤外線熱処理装置。
5. 【請求項５】 前記リング状部材の外周は楕円形状であ
   り、前記半導体ウエハの中心は前記リング状部材の楕円
   形状の焦点に一致することを特徴とする請求項４記載の
   赤外線熱処理装置。
6. 【請求項６】 前記リング状部材の楕円形状の長軸の長
   さは短軸の長さの１．２倍以上であることを特徴とする
   請求項４記載の赤外線熱処理装置。
7. 【請求項７】 ガス流入口とガス排出口とを有する反応
   炉と、 この反応炉中に設置されるリング状部材と、 外周がこのリング状部材の開口部と嵌合するように設置
   される半導体ウエハと、 前記反応炉の外部であり、かつ前記半導体ウエハの上
   面、下面に対向するように設置される赤外線ランプとを
   具備し、 前記リング状部材のガス流入口に近い部分の厚さは前記
   リング状部材のガス排出口に近い部分の厚さよりも１．
   ２倍以上大きいことを特徴とする赤外線熱処理装置。
8. 【請求項８】 ガス流入口とガス排出口とを有する反応
   炉と、 この反応炉中に設置されるリング状部材と、 外周がこのリング状部材の開口部と嵌合するように設置
   される半導体ウエハと、 前記反応炉の外部であり、かつ前記半導体ウエハの上
   面、下面に対向するように設置される赤外線ランプとを
   具備し、 前記リング状部の裏面において、前記反応炉のガス排出
   口に近い部分には、前記反応炉の側壁と平行に凹凸が設
   けられていることを特徴とする赤外線熱処理装置。