JPH10163122A - 半導体ウエハの熱処理装置及び炉心管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハの熱処理装置におけるウエハ取
り出し時の急激な温度低下を防ぎ、プレヒートによる加
熱を押さえてエネルギーロスを少なくし、炉体周囲の物
品の劣化を押さえ、さらに炉心管内の特にウエハ載置領
域の均熱性の向上を図ることができるようにした半導体
ウエハの熱処理装置及びこの熱処理装置に好適に使用さ
れる炉心管を提供する。 【解決手段】 同心状に配置された加熱源と、ドーム状
上端部と開口下端部とを有しかつ該加熱源の内側に配置
される少なくとも一つの炉心管と、半導体ウエハを複数
枚載置しかつ該炉心管内に出し入れ自在に配置される縦
型ウエハ処理治具と、該炉心管内に雰囲気ガスを導入す
る雰囲気ガス導入手段と、該炉心管内から雰囲気ガスを
排出する雰囲気ガス排出手段とを具備し、輻射熱の散乱
手段と伝導熱の断熱手段を有する遮熱材料からなる遮熱
手段を該炉心管のドーム状上端部側に設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣやＬＳＩ等の
製造に用いられる半導体ウエハ（以下、単にウエハとい
うことがある）の熱処理に利用されるものであって、電
気炉内でウエハの熱処理を行う際に使用されるウエハの
熱処理装置及びこのウエハの熱処理装置に好適に使用さ
れる炉心管に関する。

【０００２】

【関連技術】従来、シリコンウエハ等の半導体ウエハの
各種熱処理工程（例えば、ＣＶＤ、熱拡散、熱酸化工程
等）に用いられる熱処理装置としては、図７に示すよう
なバッチ式の熱処理装置２が一般的に使用されている。

【０００３】この熱処理装置２は、同心円筒状に配置さ
れた加熱源４（カンタル線ヒーターや加熱ランプ等）
と、その内側に配置された炉心管６（一般には石英ガラ
ス又はＳｉＣ製のものが使われる）と、半導体ウエハＷ
を複数枚載置する縦型ウエハ処理治具８（石英ガラス又
はＳｉＣ製で、通常「縦型ボート」と称される）と、そ
の縦型ウエハ処理治具８を保持する保持台１０と、その
下部にあって熱処理時に炉心管６の開口下端部を塞ぐキ
ャップ１２と、該縦型ウエハ処理治具８、保持台１０、
キャップ１２を炉心管６の内部に向かって上下させる昇
降手段１４とからなっている。

【０００４】また、該熱処理装置２には、半導体ウエハ
Ｗの熱処理時及びその前後に炉心管６内部の雰囲気を所
定の状態（反応ガスが満たされた減圧、又は加圧、常
圧）に保つために雰囲気ガスの導入手段１６及び排出手
段１８が設けられている。なお、１９は炉心管６の下端
部に設けられたフランジである。

【０００５】半導体ウエハＷの熱処理を行なうには、先
ず該熱処理装置２の下方の炉心管６の外に取り出されて
いる縦型ウエハ処理治具８に半導体ウエハＷを装填し、
ついでその縦型ウエハ処理治具８、保持台１０及びキャ
ップ１２を一緒に昇降手段１４により上昇させて炉心管
６内に半導体ウエハＷを挿入する。

【０００６】そして、雰囲気ガスの排気手段１８より内
部の雰囲気ガスを排気した後に徐々に導入手段１６から
半導体ウエハＷの表面処理用の雰囲気ガスを導入しつ
つ、炉心管６の外部の加熱源４から熱を加えながら半導
体ウエハＷの熱処理を行う。

【０００７】半導体ウエハＷの熱処理中は、炉心管６内
は５００〜１１００℃の所定の温度と所定の温度分布に
保たれ、半導体ウエハＷの表面に所定の熱処理（ＣＶ
Ｄ、熱拡散、アニール等）が行われる。この時の温度分
布は、炉心管６内の全てのウエハＷを均一に歩留まり良
く処理するために重要なことは言うまでもない。

【０００８】熱処理後は、昇降手段１４により縦型ウエ
ハ処理治具８、保持台１０及びキャップ１２は下方に移
動せしめられ、炉心管６内は開放状態になり、熱処理を
受けたウエハＷが取り出される。

【０００９】この時、炉心管６内の温度は、処理温度以
下まで急激に下がり、次に新たな半導体ウエハＷを縦型
ウエハ処理治具８に装填し、熱処理を行う際には、再び
加熱源４によって加熱を行い、炉心管６内の温度は所定
の処理温度まで再び上げられる。

【００１０】従来、半導体ウエハＷの熱処理にはこのよ
うな操作が繰り返されるわけである。先の熱処理終了
後、次の熱処理を行う際の加熱において炉心管６内を再
び所定の温度と所定の温度分布にする必要があるが、前
述の通り、炉心管６内の温度はウエハＷの取り出し時に
急激に下がってしまい、所定の温度と所定の温度分布と
するためには長時間の再加熱を必要とする。

【００１１】このような炉心管６の再加熱処理は、熱処
理のサイクルを長くし加熱エネルギーコストの無駄だけ
でなく、半導体ウエハＷの処理の生産性を著しく低下さ
せる要因となっていた。

【００１２】現実には、炉心管６内の温度分布が十分に
安定しない状態でウエハＷの熱処理が行われ、縦型ウエ
ハ処理治具８の上下に位置するかなりの枚数のウエハＷ
に対する熱処理が不均一となってしまう等の問題が発生
していた。

【００１３】そこで、ウエハＷの取り出し時の炉心管６
内の急激な温度低下を防ぐため、熱処理を行っていな
い間にも加熱源４からのプレヒートを行ったり、炉心
管６の炉口からの熱の放散を避けるために縦型ウエハ処
理治具８が炉心管６外にあるときにもキャップ１２によ
って炉心管６の炉口を塞げるようにしたり、特開昭６
−３３８４５５号公報に記載されるように炉心管６の炉
口近傍部分に配置した円筒管を気泡を多数含んでいる不
透明石英で構成したりする等の対策が提案され、実際に
幾つかは実施されている。

【００１４】しかしながら、例えば、上記したやの
対策では炉心管６の炉口付近の急激な温度低下をある程
度は防ぐことが可能であったが、それでも炉心管６の炉
内の温度は低下し、温度分布も大きく変化するなどの問
題があり、結果として、上記対策にしたがって、プレ
ヒートを併用し内部の温度を保つ必要があった。

【００１５】また、対策のプレヒートを行った場合に
は、ある程度炉心管６の炉内の温度を保つことが可能で
あったが、常に加熱を行わなければならず、熱処理時と
同等のエネルギーコストがかかるだけでなく、結果とし
て炉心管６の内部から放散した熱が常に炉体各部に伝達
し、炉体や周囲の物品（特に排気手段やガス導入ライ
ン）の劣化を早めることになっていた。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記し
た従来技術の問題点に鑑み、炉心管における温度低下の
要因及びその作用について種々の試験及び検討を行った
結果、次のような知見を得た。

【００１７】（１）縦型熱処理炉において、処理中に加
熱源から投入された熱エネルギーは、炉心管６本体と炉
心管６内の雰囲気に蓄積されている。また、外気より温
度の高い炉心管６内雰囲気は、通常は上昇力が強く炉心
管６内から外への流出は起こらない。

【００１８】（２）基本的に処理済みの半導体ウエハＷ
の取り出し時に冷たい外気が、縦型ウエハ処理治具８
（縦型ボート）の炉心管６外への下降と入れ替わりに炉
心管６内に進入する。この冷たい外気は残留する雰囲気
ガスと混合すること並びに炉心管６から蓄積熱を吸収す
ることにより、その温度が上昇し残留雰囲気と同化する
ことになる。よって、熱処理時の熱エネルギーの蓄積に
は、炉心管内に外気との温度差により止まっている雰囲
気ガスが重要な役割を担うと考えられる。

【００１９】（３）したがって、蓄積された熱エネルギ
ーの放散は、雰囲気ガスから伝達された熱が炉心管６の
管壁を伝導し外部に漏れるもの、雰囲気ガス及び炉心管
６から放散される輻射熱として外部に漏れるもの、雰囲
気ガス自身の流出や雰囲気ガスの低温部への接触による
外部への漏れに起因することになり、これらの熱放散の
要因を規制することが考慮すべき問題となる。

【００２０】これらの知見をもとに、なぜ従来の前記し
た対策、では十分な効果が得られないのかをさらに
検討した結果、次の結論を得た。

【００２１】（４）熱エネルギー流出には、炉心管内部
の、特に温度が高くかつ熱エネルギーを多く蓄えている
炉心管上部付近の雰囲気が重要な役割を持っており、こ
こからの熱エネルギーの放散を防止する必要がある。

【００２２】（５）よって、従来の、の対策のみで
は炉心管上部付近の雰囲気からの熱の放散を防ぐことは
出来ず、結果として温度保持の十分な効果が得られなか
った。

【００２３】本発明者らはこれらの知見及び結論をもと
に、創意工夫と試作試験を重ねることによって、本発明
に到達したものである。

【００２４】本発明の目的は、半導体ウエハの熱処理装
置におけるウエハ取り出し時の急激な温度低下を防ぎ、
プレヒートによる加熱を押さえてエネルギーロスを少な
くし、炉体周囲の物品の劣化を押さえ、さらに炉心管内
の特にウエハ載置領域の均熱性の向上を図ることができ
るようにした半導体ウエハの熱処理装置及びこの熱処理
装置に好適に使用される炉心管を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の炉心管は、一端部を閉塞端部とし他端部を
開口端部とした炉心管であって、該閉塞端部を含む炉心
管壁に輻射熱の散乱手段と伝導熱の断熱手段を持った遮
熱材料からなる遮熱手段を設けたことを特徴とし、半導
体ウエハの熱処理装置に使用されるものである。

【００２６】一端部を閉塞端部とし他端部を開口端部と
する構造は、内部高温雰囲気の上昇流出を防止するため
に必要なものである。実際上の構造としては、炉心管の
一端部をドーム状上端部とし、他端部を開口下端部とす
ればよい。

【００２７】前記炉心管を石英ガラス管によって形成
し、その遮熱材料としては、石英ガラス管壁内に層状に
分散された微細な気泡群からなる気泡分散層を含む構造
を採用することができる。

【００２８】石英ガラスであっても熱伝導はあり、ま
た、基本的に輻射熱に対して透明であるので、層状に気
泡群を設けて、気泡分散層と石英ガラスの界面で輻射熱
を散乱、反射させ、さらに気泡の空隙の効果により伝導
する熱を抑制することも可能である。

【００２９】前記遮熱材料を設けた石英ガラス管壁部分
の内面の表面粗さとしては、Ｒａで１０μｍ以下とする
のが好ましい。

【００３０】石英ガラス管からなる炉心管の内壁面の粗
さが粗いと雰囲気ガスと接触する内壁面の表面積が大き
くなる結果、炉心管壁内に熱を吸収し易くなり、炉心管
を介して熱伝導により外部へ熱を放出しやすくなる。こ
のような熱の放出を防ぐため、炉心管の内壁表面の粗さ
を出来るだけ小さくし、換言すれば、炉心管の内壁表面
積を出来るだけ小さくするのが好ましい。

【００３１】また、石英ガラス管の内面の粗さを粗くし
ておくと、石英ガラス管壁内に入射した熱輻射が、管壁
内の層状の微細な気泡群からなる気泡分散層で散乱反射
されても、炉心管内面の凹凸で再び一部が散乱反射され
て、炉心管内部に反射して戻る割合が低下する。

【００３２】さらに、当然炉心管内部の所定の雰囲気で
半導体ウエハは熱処理されるので炉心管内面の粗さが粗
いと副生成物等が堆積しやすく、これらがはがれてパー
ティクルの原因にもなる。よって、実質的には炉心管内
面の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であることが好まし
い。

【００３３】前記遮熱材料を設けた石英ガラス管壁部分
の外側表面層に、凹凸構造を形成するのがよい。この凹
凸構造としては、谷部（凹部）と山部（凸部）の差を１
０〜５００μｍ（Ｒｍａｘ）程度とすればよい。

【００３４】遮熱手段の内、輻射熱の散乱手段として、
石英ガラス管壁の外側表面層に凹凸構造を設けることは
簡単に行えるので好ましい。ただし、この凹凸構造は、
伝導熱による断熱手段としての機能は無いので、他の手
段（例えば、層状の微細な気泡群からなる気泡分散層）
と併用することが好ましい。

【００３５】前記気泡分散層からなる遮熱材料を設けた
石英ガラス管壁の内面側の層を気泡の少ない透明な石英
ガラス層とするのが好ましい。

【００３６】炉心管管壁に入射した輻射熱は、層状に分
散された微細な気泡からなる気泡分散層により散乱する
ことが可能であるが、散乱輻射した熱を炉心管内により
効果的に反射させるためには、輻射熱を気泡分散層に出
来るだけ垂直に入射する方が好ましく、透明の層を設け
ることにより鏡と同様な効果を持たせることが出来る。

【００３７】また、半導体ウエハの熱処理のために、炉
心管は繰り返し使用され、雰囲気ガスと反応したり、付
着副生成物の洗浄などにより炉心管の表面が浸食され
て、分散された気泡が露出して開放泡になり副生成物等
がたまりやすくなり、パーティクルの原因になったり、
内面が実質的に凹凸状態になり、粗さが粗くなり反射効
率が落てしまう。よって、石英ガラス管の内側には透明
な層が存在するのが好ましい。

【００３８】前記気泡分散層において、泡径１００μｍ
以下の気泡の体積の合計が気泡分散層の体積の５〜３０
％の範囲に含まれるのが好ましい。

【００３９】輻射熱を散乱反射する微細気泡の分散層に
は、輻射熱を効率よく反射できる気泡群が存在すること
が好ましい。反射したい輻射熱は、６００ｎｍ以上の赤
外領域の波長であり、これらを石英ガラスと気泡空間の
界面での屈折を利用して散乱させるには気泡径が大きい
と不利であり、小さい方が有利となる。

【００４０】実質的には１００μｍ以下の気泡が多数含
まれることが好ましく、数量的には多い方が反射効率が
高いが、多すぎると石英ガラスからなる炉心管壁自体の
断面積を減少させることになり、機械的な強度及び耐熱
強度を低下させる。

【００４１】よって、実用的な反射が得られるのは１０
〜１００μｍの気泡が分散層中に体積比で５％以上で、
逆に強度面から３０％以下が好ましい。また、製造の容
易性から、より好ましくは１０〜１００μｍの範囲の気
泡を１×１０⁴ 〜３０×１０ ⁴ 個／ｃｍ³ の範囲で含む
層から形成されるのが良い。

【００４２】一方、該気泡分散層の内面側にある透明な
層においては、逆に乱反射しやすい１００μｍ以下の気
泡が少ない方が良く、含有体積比で１％以下であるのが
好ましい。実質的には、この透明層には、１０〜１００
μｍの範囲の気泡が、２０００個／ｃｍ³ 以下存在する
のが好適である。

【００４３】本発明の半導体ウエハの熱処理装置の第１
の態様は、同心状に配置された加熱源と、該加熱源の内
側に配置される少なくとも一つの炉心管と、半導体ウエ
ハを複数枚載置しかつ該炉心管内に出し入れ自在に配置
される縦型ウエハ処理治具と、該炉心管内に雰囲気ガス
を導入する雰囲気ガス導入手段と、該炉心管内から雰囲
気ガスを排出する雰囲気ガス排出手段とを具備し、該炉
心管として上記した本発明の炉心管を用いるものであ
る。この構成とすることにより、半導体ウエハの熱処理
が極めて効率的に行なわれることとなる。

【００４４】本発明の半導体ウエハの熱処理装置第２の
態様は、同心状に配置された加熱源と、ドーム状上端部
と開口下端部とを有しかつ該加熱源の内側に配置される
少なくとも一つの炉心管と、半導体ウエハを複数枚載置
しかつ該炉心管内に出し入れ自在に配置される縦型ウエ
ハ処理治具と、該炉心管内に雰囲気ガスを導入する雰囲
気ガス導入手段と、該炉心管内から雰囲気ガスを排出す
る雰囲気ガス排出手段とを具備し、輻射熱の散乱手段と
伝導熱の断熱手段を有する遮熱材料からなる遮熱手段を
該炉心管のドーム状上端部側に設けたことを特徴とす
る。

【００４５】本発明で用いられる遮熱手段は、本発明の
炉心管における構成のように炉心管のドーム状上端部を
含む石英ガラス管壁に設ける場合に限定されるものでは
なく、ドーム状上端部側、即ちドーム状上端部近傍に設
けた場合でも同様の作用効果を達成することができる。

【００４６】つまり、上記のように炉心管の上部付近に
遮熱手段を設けることにより、上部滞留雰囲気からの炉
心管を介しての熱の流出を効果的に防止することができ
る。

【００４７】前記遮熱材料が、分散された微細な気泡群
からなる気泡分散層を内部に有する石英ガラス壁材によ
って構成されるのが好適である。該遮熱材料を設けた石
英ガラス壁材の内面の表面粗さは、Ｒａで１０μｍとす
るのが好ましい。

【００４８】また、遮熱手段を構成する遮熱材料として
は、例えば、多孔質のセラミックス材料や気泡を含んだ
石英ガラス材料等が考えられるが、通常のセラミックス
材料は石英ガラス材料に比べて熱伝導しやすく、また熱
の吸収およびセラミックス材料自身からの吸収した熱の
２次輻射による放散もあり、石英ガラス材料の方がこの
点で優れている。

【００４９】しかしながら、石英ガラス材料であっても
熱伝導はあり、また、基本的に輻射熱に対して透明であ
るので、層状に気泡を設けて、気泡と石英ガラス材料の
界面で輻射熱を散乱、反射させ、さらに気泡の空隙の効
果により伝導する熱も抑制することがより望ましい。

【００５０】前記遮熱材料を設けた石英ガラス壁材の外
側表面層に凹凸構造を形成する構成を採用することがで
きる。この凹凸構造としては、谷部（凹部）と山部（凸
部）の差を１０〜５００μｍ（Ｒｍａｘ）程度とすれば
よい。

【００５１】遮熱手段の内、輻射熱の散乱手段として、
遮熱材料の外側表面層に凹凸構造を設けることは簡単に
行えるので好ましい。ただし、この凹凸構造は、伝導熱
による断熱手段としての機能は無いので、他の手段（例
えば、気泡分散層）と併用することが好ましい。

【００５２】前記気泡分散層からなる遮熱材料を設けた
石英ガラス壁材の内面側の層は、気泡の少ない透明な石
英ガラス層とするのが好ましい。

【００５３】前記した炉心管の石英ガラス管壁の遮熱手
段についての構成は上記した石英ガラス壁材の遮熱手段
についても同様に適用し、同様の作用効果を達成するこ
とができるものである。

【００５４】本発明の半導体ウエハの熱処理装置のいず
れの態様においても、半導体ウエハを載置した縦型ウエ
ハ処理治具を熱処理のために前記炉心管内に挿入した際
に、前記遮熱手段が該縦型ウエハ処理治具の最上端に位
置する半導体ウエハより上方に位置することが必要であ
る。

【００５５】一般的にいえば、遮熱手段を設けるという
事は、炉心管の外部、特に加熱源からの熱の流入も遮断
することになるものであるから、遮熱手段を不適当な位
置に設けると、実際のウエハの熱処理の際に逆に処理温
度が不均一となる原因となり、極めて好ましくない事態
となる。したがって、遮熱手段は熱流出を効果的に防止
することができる部位に設けることが必要である。

【００５６】また、前記遮熱手段は、該炉心管をそのド
ーム状上端部側から見て該被熱処理半導体ウエハの表面
積よりも広い範囲を覆うように構成される。

【００５７】上記した遮熱手段が半導体ウエハの表面を
覆う構造でないと、熱の放散の違いにより、特に大きな
口径ウエハ（直径２００ｍｍ以上）では処理中のウエハ
面内の温度分布が不均一となるので、該遮熱手段は半導
体ウエハの表面を覆う構造とすることが必要である。

【００５８】前記雰囲気ガス導入手段及び排出手段の炉
外への開口端部が、前記炉心管のドーム状上端部側の遮
熱手段よりも下方に位置するように配置する構造を採用
するのが好ましい。

【００５９】炉心管上部に滞留する雰囲気ガスは、たえ
ず上昇しようとしており、雰囲気ガスの導入手段及び排
出手段の炉外への開口端部が遮熱手段より上方にある
と、これを伝い逃げることになる。

【００６０】この時、雰囲気の移動にともなう熱の流出
も問題（特に排気系では、熱処理中の高温雰囲気を処理
するための水冷機構がついている場合が多く、上昇する
雰囲気ガスを通して熱の大きな放出の要因となる）とな
るが、さらに高温雰囲気ガスが導入手段及び排出手段の
経路途中にあるシール材（一般にはテフロンや樹脂製の
パッキン等）に直接触れ劣化を招いたり、早めたりす
る。したがって、上記構成を採用するのが好適である。

【００６１】本発明における遮熱手段は、炉心管のドー
ム状上端部側に設ければよいもので、特別の限定はな
い。例えば、この遮熱手段を設置する態様としては、図
１〜図５に示した本発明の半導体ウエハの熱処理装置の
第１の態様の場合のように炉心管のドーム状上端部に設
けるのが構造が簡単で好ましい。

【００６２】しかし、遮熱手段の設置態様としては、図
１〜図５の例に限定されるものではなく、例えば、図６
に示したように、縦型ウエハ処理治具と炉心管上端部の
内面との間に、円盤又はドーム状の石英ガラス壁材から
なる遮熱手段を別個に設けることもできる。

【００６３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面中、図１〜図６に基づいて説明する。

【００６４】図１は本発明の半導体ウエハの熱処理装置
２２を示す断面的説明図である。該熱処理装置２２は、
図７に示した従来の半導体ウエハの熱処理装置２と同様
に、同心円筒状に配置された加熱源２４（カンタル線ヒ
ーターや加熱ランプ等）と、その内側に配置された炉心
管２６（石英ガラス又はＳｉＣ製等）とを有している。
炉心管２６の材質についての限定も特別ないが、図示の
例では炉心管２６として石英ガラス管を用いた場合につ
いて説明している。

【００６５】２８は半導体ウエハＷを複数枚載置する縦
型ウエハ処理治具（石英ガラス又はＳｉＣ製で、通常
「縦型ボート」と称される）で、該炉心管２６内に出し
入れ可能に設置される。

【００６６】該縦型ウエハ処理治具２８は、保持台３０
上に保持される。該保持台３０の下部にはキャップ３２
が設けられている。該キャップ３２は熱処理時に該炉心
管２６の開口下端部を塞ぐように作用する。

【００６７】該キャップ３２の下面側には昇降手段３４
が設けられている。該縦型ウエハ処理治具２８、保持台
３０及びキャップ３２は、該昇降手段３４によって該炉
心管２６の内部に向かって上下方向に移動可能とされて
いる。

【００６８】また、該熱処理装置２２には、半導体ウエ
ハＷの熱処理時及びその前後に炉心管２６内部の雰囲気
ガスを所定の状態（反応ガスが満たされた減圧、加圧又
は常圧）に保つために雰囲気ガス導入手段３６及び排出
手段３８が設けられている。

【００６９】従来の熱処理装置２（図７）においては、
雰囲気ガスの導入手段１６及び排出手段１８の設定位置
に対する制限は特別存在せず、これらの手段１６及び１
８を図７に示したように炉心管６の上端部に設置するこ
とも普通に行なわれていた。

【００７０】本発明の特徴的構成の一つにおいては、雰
囲気ガス導入手段３６及び排出手段３８を後述するよう
に所定の態様で設置するようにしている。

【００７１】しかして、該炉心管２６はドーム状上端部
２６ａと開口下端部２６ｂとを有している。該炉心管２
６の上部にドーム状上端部２６ａを設けることにより、
炉心管２６内部の高温雰囲気ガスの上昇流出が防止され
る。

【００７２】該ドーム状上端部２６ａには遮熱材料から
なる遮熱手段４０が設けられている。該遮熱手段４０
は、前述した従来技術の問題点に鑑み、炉心管２６の上
部付近からの熱エネルギーの放散、即ち炉心管２６内の
上部滞留雰囲気からの炉心管２６を介しての熱の流出を
防ぐために、本発明者によって創出されたもので、本発
明の眼目となるものである。

【００７３】熱エネルギーの放散は輻射熱として外部に
漏れるものと伝導熱として外部に漏れるものとがある。
したがって、該遮熱手段４０は、輻射熱に対する遮熱作
用を行なうものとして輻射熱の分散手段及び伝導熱に対
する遮熱作用を行なうものとして伝導熱の断熱手段を有
することが必要である。

【００７４】該遮熱手段４０は、上述したごとく、炉心
管２６の上部付近からの熱エネルギーの放散又は流出を
防ぐ作用を行なえばよいものであるから種々の態様が考
えられるが、少なくとも該遮熱手段４０の設置位置とし
ては、炉心管２６のドーム状上端部２６ａ側、即ちドー
ム状上端部２６ａの壁体内（例えば、図１〜図５に示し
た例）か、またはその近傍（例えば、図６に示した例）
等に限定されることが必要である。

【００７５】該遮熱手段４０を設けること自体は、炉心
管２６の外部、特に加熱源２４からの熱の流入をも遮断
することになり、実際のウエハＷの熱処理の際に逆に処
理温度が不均一となる原因となり、極めて好ましくない
ことである。つまり、遮熱手段４０を設けるという着想
自体は上記した技術常識に反することであり、当業者が
それを採用することは困難性を伴なうものなのである。

【００７６】しかしながら、上述したように遮熱手段４
０の設置位置を限定することによって従来技術の問題点
を効果的に解決することができかつ本発明の目的を実現
することができたものである。

【００７７】該遮熱手段４０は、さらに別の観点から言
えば、前記縦型ウエハ処理治具２８に半導体ウエハＷを
載置し、熱処理のために該炉心管２６内に該縦型ウエハ
処理治具２８を挿入した際に該縦型ウエハ処理治具２８
の最上端に位置する半導体ウエハＷより上方に位置する
必要がある。

【００７８】該遮熱手段４０は、該炉心管２６をそのド
ーム状上端部２６ａ側から見て該被熱処理半導体ウエハ
Ｗの表面積よりも広い範囲を覆うように構成されてい
る。

【００７９】該遮熱手段４０が、該半導体ウエハＷの表
面を覆う構造でないと、熱の放散の違いにより特に大き
な口径のウエハ（直径２００ｍｍ以上）では処理中のウ
エハＷの面内の温度分布が不均一になり問題となる場合
がある。

【００８０】前記した雰囲気ガス導入手段３６及び排出
手段３８の炉外への開口端部は該炉心管２６のドーム状
上端部２６ａに設けられた遮熱手段４０よりも下方に位
置するように設けられている。図１に示した例では、該
導入手段３６及び排出手段３８は該炉心管２６の下端部
に設けられている。

【００８１】炉心管２６の上部に滞留する雰囲気ガス
は、たえず上昇しようとしており、雰囲気ガスの導入手
段３６及び排出手段３８の炉外への開口端部が遮熱手段
４０よりも上方にあると、炉心管２６内の熱エネルギー
はこの導入手段３６及び排出手段３８を伝わって逃げる
ことになる。

【００８２】この時、雰囲気ガスの移動にともなう熱エ
ネルギーの流出も問題（特に排気系では、熱処理中の高
温雰囲気ガスを処理するための水冷機構がついている場
合が多く、上昇する雰囲気ガスを通して熱が放散してし
まう大きな要因となる）となるが、さらに高温雰囲気ガ
スが導入手段３６及び排出手段３８の経路途中にあるシ
ール材（テフロン等の合成樹脂製のパッキン等）に直接
触れ劣化を招いたり、早めたりする不利がある。

【００８３】図１〜図５に示した例では、熱処理装置２
２の一部を構成する炉心管２６のドーム状上端部２６ａ
に遮熱材料からなる遮熱手段４０を設けた場合を示して
いる。本発明はこの遮熱手段４０を具備した炉心管２６
にも及ぶものであり、以下にこの炉心管２６の構造につ
いて説明する。

【００８４】図２は本発明の炉心管２６を示す斜視図、
図３は図２の要部の拡大断面図、図４は図３の矢視Ａ部
分の拡大図及び図５は遮熱手段による遮熱作用の１例を
示す拡大説明図である。

【００８５】図２において、石英ガラス製炉心管２６は
ドーム状上端部２６ａ及び下端開口部２６ｂを有してい
る。このような構成とするのは、内部高温雰囲気ガスの
上昇流出を防止するためである。

【００８６】該ドーム状上端部２６ａの管壁内には層状
に分散された微細な気泡４２ａ群からなる気泡分散層４
２を含む輻射熱の散乱手段と伝導熱の断熱手段を有する
遮熱材料からなる遮熱手段４０が設けられている。

【００８７】該炉心管２６が石英ガラス製であっても熱
伝導はあり、また、基本的に輻射熱に対して透明である
ので層状に分散された微細な気泡４２ａ群からなる気泡
分散層４２を設け、該気泡分散層４２と石英ガラスの界
面で輻射熱を散乱、反射させ、さらに気泡の空隙の効果
により伝導する熱を抑制することが必要である。

【００８８】該炉心管２６の遮熱手段４０を有する石英
ガラス部分の内面の表面粗さはＲａで１０μｍ以下とさ
れている。炉心管２６の内壁面の粗さが粗いと雰囲気ガ
スと接触する表面積が大きくなり、炉心管２６の壁内に
熱を吸収し易くなり、炉心管２６を介して熱伝導により
外部へ熱を放出しやすくなる。

【００８９】このような熱の放出を防ぐために、炉心管
２６の内壁面の表面粗さを小さくし、雰囲気ガスと接触
する表面積を出来るだけ小さくすることが好ましいもの
である。

【００９０】また、炉心管２６の内壁面の表面が粗い
と、石英ガラス製管壁内に入射した輻射熱が管壁内の層
状の微細な気泡で散乱反射されても、炉心管６の内壁面
の表面粗さに起因する凹凸で再び一部が散乱反射され
て、炉心管２６の壁体内に反射して戻る割合が低下す
る。

【００９１】さらに、炉心管２６の内部の所定の雰囲気
で半導体ウエハＷを熱処理するので、炉心管２６の内壁
面の粗さが粗いと副生成物等が堆積しやすく、これらの
副生成物等がはがれてパーティクルの原因にもなるとい
う不利が生ずる。

【００９２】上述したような不利は、炉心管２６の内壁
面の表面粗さが大きい場合に生ずるもので、表面粗さを
極小にすればこのような不利は解消されるが、実質的に
は炉心管２６の内壁面の表面粗さをＲａで１０μｍ以下
とすれば充分である。

【００９３】該炉心管２６の遮熱手段４０を設けた部分
の石英ガラス管壁の外側表面には凹凸構造４１が形成さ
れている（図５）。図５に示したように、この凹凸構造
４１は遮熱手段４０の内の輻射熱の散乱手段として作用
する。

【００９４】この凹凸構造４１は簡単に形成することが
できるので好適であるが、伝導熱による断熱手段として
の機能を果すことはできないので、他の手段（例えば、
層状の微細な気泡４２ａ群からなる気泡分散層４２）と
併用することにより、その機能は一層向上する。

【００９５】この凹凸構造４１としては、谷部（凹部）
と山部（凸部）の差が１０〜５００μｍ（Ｒｍａｘ）程
度となるようにすれば充分である。

【００９６】該層状に分散された微細な気泡４２ａ群か
らなる気泡分散層４２を含む遮熱手段４０を形成した炉
心管２６のドーム状上端部２６ａの管壁内面側の層は、
気泡の少ない透明な石英ガラス層４４となっている。

【００９７】炉心管２６の管壁に入射した輻射熱は、層
状に分散された微細な気泡分散層４２を含む遮熱材料か
らなる遮熱手段４０により散乱することが可能である。
この散乱輻射を炉心管２６内により効果的に反射するた
めには、気泡分散層４２に出来るだけ垂直に入射した方
が好適であり、透明石英ガラス層４４を設けることによ
り鏡と同様な効果を持たせることができる。

【００９８】また、半導体ウエハＷの熱処理のために、
炉心管２６が繰り返し使用され、雰囲気ガスと反応した
り、付着副生成物の洗浄などにより炉心管２６の表面が
浸食される。その結果、気泡分散層４２の気泡が露出し
て開放泡となる。この開放泡には、副生成物等がたまり
やすく、パーティクルの原因となる。

【００９９】その他に、この開放泡の生成により炉心管
２６の壁体内面は実質的に凹凸状となり、その結果壁体
内面の表面粗さは粗くなり、反射効率は落ちてしまう。
これらの弊害の発生を回避するためには、炉心管２６の
気泡分散層４２の内側には透明石英ガラス層４４を設け
るのが好ましい。

【０１００】該気泡分散層４２は、泡径１００μｍ以下
の気泡の体積の合計が気泡分散層４２の体積の５〜３０
％の範囲に含まれるように構成されている。その内面側
にある透明層４４は、少なくとも１０〜１００μｍの範
囲の気泡が２０００個／ｃｍ ³ 以下存在する構成となっ
ている。

【０１０１】輻射熱を散乱反射する気泡分散層４２に
は、熱輻射を効率よく反射できる気泡４２ａ群からなる
気泡分散層４２が存在するのが好ましい。該気泡分散層
４２によって反射の対象とする輻射熱は、６００ｍｍ以
上の赤外領域の波長である。これらの輻射熱を石英ガラ
スと気泡空間の界面での屈折を利用して散乱するには気
泡径が大きいと不利であり、小さい方が有利となる。

【０１０２】該気泡分散層４２には、上述した理由によ
り、実質的に１００μｍ以下の気泡が多数含まれるのが
好ましい。この気泡は、数量的には多く含まれる方が反
射効率は高いが、多すぎると炉心管の壁体自体の断面積
を減少させることになり、機械的な強度及び耐熱強度を
低下させる。

【０１０３】よって、実用的な反射が得られるのは、１
００μｍ以下の気泡が気泡分散層４２中に体積比で５％
以上必要であり、逆に管壁の強度面からいえば、体積比
で３０％以下が好ましい。

【０１０４】また、該気泡分散層４２の製造の容易性か
らいえば、該気泡分散層４２は１０〜１００μｍの範囲
の気泡を１×１０⁴ 〜３０×１０⁴ 個／ｃｍ³ の範囲で
含む層から形成されるのがさらに好ましい。

【０１０５】一方、該気泡分散層４２の内側に形成され
る気泡の少ない透明層４４は、逆に乱反射し易い１００
μｍ以下の気泡が少ない方が良く、含有体積比で１％以
下であることが好ましい。この気泡分散層４２は、実質
的には１０〜１００μｍの範囲の気泡が２０００個／ｃ
ｍ³ 以下である層から形成されるのが好ましい。

【０１０６】半導体ウエハＷを載置した縦型ウエハ処理
治具２８を上記した炉心管２６内に装填し、図１に示し
た構成の熱処理装置２２として半導体ウエハＷの熱処理
を行なえば、炉心管２６内部、特に炉心管上部からの熱
エネルギー放散は、遮熱手段４０の設置によって大幅に
抑制される。

【０１０７】そのため、熱処理終了後のウエハ取り出し
時の急激な温度低下は防止され、かつプレヒートによる
加熱の必要性はあまり高くなくなるので、その分だけエ
ネルギーロスが減少する。

【０１０８】さらに、炉心管内の特にウエハ載置領域の
均熱性が向上することにより、ウエハ熱処理の均質化を
図ることができ、雰囲気ガスの外部の漏れを減少させる
ことにより炉体周囲の物品の劣化を押えることが可能と
なる。

【０１０９】図１〜図５に示した炉心管２６の例では、
炉心管２６のドーム状上端部２６ａ内に遮熱材料からな
る遮熱手段４０を設けた場合を示したが、遮熱手段４０
の設置態様はこの例に限定されるものではなく、要はド
ーム状上端部２６ａ側に設けられればよいものである。

【０１１０】例えば、図６に示したように、炉心管２６
ａのドーム状上端部２６ａの下方でかつ縦型ウエハ処理
治具２８の上方に位置するように円盤状又はドーム状の
遮熱材料からなる遮熱手段４０を係止部材４６，４６を
介して垂設する構成とすることもできる。

【０１１１】この遮熱手段４０を構成する遮熱材料も図
２〜図５に示した遮熱手段４０の遮熱材料と同様に石英
ガラス材料からなる石英ガラス壁材を用いて同様の構成
とすることができる。また、図６の炉心管２６を用い
て、図１に示した構成の熱処理装置２２として半導体ウ
エハＷの熱処理を行なえば、図１〜図５の場合と同様の
作用効果が達成されることはいうまでもない。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば、炉心管内上部に滞留し
た高温雰囲気の熱エネルギーを放出しないので、プレヒ
ートなどのパワーを押さえてもウエハ取り出し時の急激
な温度低下が無く、エネルギーロスを少なくすることが
でき、また炉体周囲の物品の劣化を押さえることが可能
となり、さらに炉心管内の特にウエハ載置領域の均熱性
を向上することができるという著大な効果が達成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体ウエハの熱処理装置の一つの実
施の形態を示す断面的説明図である。

【図２】図１に示した半導体ウエハの熱処理装置に用い
られる炉心管の一例を示す断面的説明図である。

【図３】図２の要部の拡大断面説明図である。

【図４】図３の矢視Ａ部分の拡大図である。

【図５】遮熱手段による遮熱作用の１例を示す拡大説明
図である。

【図６】本発明の半導体ウエハの熱処理装置の他の実施
の形態を示す断面的説明図である。

【図７】従来の半導体ウエハの熱処理装置を示す断面的
説明図である。

【符号の説明】

２，２２ 熱処理装置 ４，２４ 加熱源 ６，２６ 炉心管 ８、２８ 縦型ウエハ処理治具 １０，３０ 保持台 １２，３２ キャップ １４，３４ 昇降手段 １６，３６ 導入手段 １８，３８ 排出手段 ２６ａ ドーム状上端部 ２６ｂ 開口下端部 ４０ 遮熱手段 ４１ 凹凸構造 ４２ 気泡分散層 ４２ａ 気泡 ４４ 透明石英ガラス層 Ｗ 半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｅ 21/324 21/324 Ｇ (72)発明者 磯部 清光 東京都新宿区西新宿一丁目22番２号 信越 石英株式会社内 (72)発明者 木村 博至 東京都新宿区西新宿一丁目22番２号 信越 石英株式会社内 (72)発明者 島津 和久 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端部を閉塞端部とし他端部を開口端部
   とした炉心管であって、該閉塞端部を含む炉心管壁に輻
   射熱の散乱手段と伝導熱の断熱手段を持った遮熱材料か
   らなる遮熱手段を設けたことを特徴とする半導体ウエハ
   の熱処理装置に使用される炉心管。
2. 【請求項２】 前記炉心管が石英ガラス管によって形成
   され、該石英ガラス管の一端部の閉塞端部がドーム状上
   端部であり、他端部の開口端部が開口下端部であること
   を特徴とする請求項１記載の炉心管。
3. 【請求項３】 前記遮熱材料が、前記石英ガラス管壁内
   に層状に分散された微細な気泡群からなる気泡分散層を
   含むことを特徴とする請求項２記載の炉心管。
4. 【請求項４】 前記遮熱材料を設けた前記石英ガラス管
   壁部分の内面の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であるよ
   うにしたことを特徴とする請求項２又は３記載の炉心
   管。
5. 【請求項５】 前記遮熱材料を設けた前記石英ガラス管
   壁の外側表面層に凹凸構造を形成したことを特徴とする
   請求項２〜４のいずれか１項記載の炉心管。
6. 【請求項６】 前記気泡分散層からなる遮熱材料を設け
   た前記石英ガラス管壁の内面側の層が気泡の少ない透明
   な石英ガラス層であることを特徴とする請求項３〜５の
   いずれか１項記載の炉心管。
7. 【請求項７】 前記気泡分散層において、泡径１０〜１
   ００μｍの気泡の体積の合計が気泡分散層の体積の５〜
   ３０％の範囲に含まれるようにしたことを特徴とする請
   求項３〜６のいずれか１項記載の炉心管。
8. 【請求項８】 前記気泡分散層の内面側にある透明な層
   において、１０〜１００μｍの泡径範囲の気泡が２００
   ０個／ｃｍ³ 以下であるようにしたことを特徴とする請
   求項６又は７記載の炉心管。
9. 【請求項９】 同心状に配置された加熱源と、該加熱源
   の内側に配置される少なくとも一つの炉心管と、半導体
   ウエハを複数枚載置しかつ該炉心管内に出し入れ自在に
   配置される縦型ウエハ処理治具と、該炉心管内に雰囲気
   ガスを導入する雰囲気ガス導入手段と、該炉心管内から
   雰囲気ガスを排出する雰囲気ガス排出手段とを具備し、
   該炉心管として請求項１〜８のいずれか１項記載の炉心
   管を用いることを特徴とする半導体ウエハの熱処理装
   置。
10. 【請求項１０】 同心状に配置された加熱源と、ドーム
    状上端部と開口下端部とを有しかつ該加熱源の内側に配
    置される少なくとも一つの炉心管と、半導体ウエハを複
    数枚載置しかつ該炉心管内に出し入れ自在に配置される
    縦型ウエハ処理治具と、該炉心管内に雰囲気ガスを導入
    する雰囲気ガス導入手段と、該炉心管内から雰囲気ガス
    を排出する雰囲気ガス排出手段とを具備し、輻射熱の散
    乱手段と伝導熱の断熱手段を有する遮熱材料からなる遮
    熱手段を該炉心管のドーム状上端部側に設けたことを特
    徴とする半導体ウエハの熱処理装置。
11. 【請求項１１】 前記遮熱材料が、層状に分散された微
    細な気泡群からなる気泡分散層を内部に有する石英ガラ
    ス壁材によって構成されることを特徴とする請求項１０
    記載の半導体ウエハ熱処理装置。
12. 【請求項１２】 前記遮熱材料を設けた前記石英ガラス
    壁材の内面の表面粗さがＲａで１０μｍ以下であるよう
    にしたことを特徴とする請求項１１記載の半導体ウエハ
    の熱処理装置。
13. 【請求項１３】 前記遮熱材料を設けた前記石英ガラス
    壁材の外側表面層に凹凸構造を形成したことを特徴とす
    る請求項１１又は１２記載の半導体ウエハの熱処理装
    置。
14. 【請求項１４】 前記気泡分散層からなる遮熱材料を設
    けた前記石英ガラス壁材の内面側の層が気泡の少ない透
    明な石英ガラス層であることを特徴とする請求項１１〜
    １３のいずれか１項記載の熱処理装置。
15. 【請求項１５】 前記気泡分散層において、泡径１０〜
    １００μｍの気泡の体積の合計が気泡分散層の体積の５
    〜３０％の範囲に含まれるようにしたことを特徴とする
    請求項１１〜１４のいずれか１項記載の熱処理装置。
16. 【請求項１６】 前記気泡分散層の内面側にある透明な
    層において、１０〜１００μｍの泡径範囲の気泡が２０
    ００個／ｃｍ³ 以下であるようにしたことを特徴とする
    請求項１４又は１５記載の熱処理装置。
17. 【請求項１７】 前記遮熱手段が前記炉心管のドーム状
    上端部の下面側に設けられることを特徴とする請求項１
    ０〜１６のいずれか１項記載の半導体ウエハの熱処理装
    置。
18. 【請求項１８】 半導体ウエハを載置した前記縦型ウエ
    ハ処理治具を熱処理のために前記炉心管内に挿入した際
    に、前記遮熱手段が該縦型ウエハ処理治具の最上端に位
    置する半導体ウエハより上方に位置するように該遮熱手
    段を配設することを特徴とする請求項９〜１７のいずれ
    か１項記載の半導体ウエハの熱処理装置。
19. 【請求項１９】 前記遮熱手段が、前記炉心管をそのド
    ーム状上端部側から見て被熱処理半導体ウエハの表面積
    よりも広い範囲を覆うように構成されていることを特徴
    とする請求項９〜１８のいずれか１項記載の半導体ウエ
    ハの熱処理装置。
20. 【請求項２０】 前記雰囲気ガス導入手段及び雰囲気ガ
    ス排出手段の炉心管外への開口端部が前記炉心管のドー
    ム状上端部側の遮熱手段よりも下方に位置するように配
    置したことを特徴とする請求項９〜１９のいずれか１項
    記載の半導体ウエハの熱処理装置。