JPH10270453A - 半導体熱処理装置およびこれを用いた半導体基板の昇降温方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板の昇降温時に半導体基板に熱歪み
が発生するのを防止する。生産性を向上させる。 【解決手段】 プロセスチューブ２の内側に、上下方向
にのびるガス吹出部６を有し、かつ半導体基板３の昇温
時および降温時に半導体基板面内均温化ガスをプロセス
チューブ２内に導入するガス導入管７を設ける。また、
プロセスチューブ２の内側に、上下方向にのびるガス吸
込部８を有し、かつプロセスチューブ２内に導入された
半導体基板面内均温化ガスを排出するガス排出管９を設
ける。ガス吹出部６とガス吸込部８とを、プロセスチュ
ーブ２内に挿入されたボート４を挟むように配する。ガ
ス吹出部６に上下方向に間隔をおいて複数のガス吹出口
11を形成する。ガス吸込部８に上下方向に間隔をおいて
複数のガス吸込口17を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体熱処理装
置およびこれを用いた半導体基板の昇降温方法に関す
る。

【０００２】この明細書において、ヒータとは、発熱部
およびこれを支持する断熱壁よりなる筒状のものをいう
ものとするが、その上端が断熱壁で閉鎖された形態のも
のも含めて同じ表現を用いることにする。

【０００３】

【従来の技術】半導体熱処理装置として、従来、下端が
開口するとともに上端が閉鎖され、かつヒータに囲繞さ
れたプロセスチューブと、複数の半導体基板を上下方向
に間隔をおいて支持するとともに、プロセスチューブに
対して相対的に上下動し、かつプロセスチューブに対し
て相対的に上昇したさいにプロセスチューブ内に挿入さ
れうるボートとを備えており、プロセスチューブとヒー
タとの間の部分に冷却ガス通路が形成されているものが
知られている。

【０００４】従来の装置を用いての半導体基板の熱処理
は、ヒータによってプロセスチューブ内を所定の温度、
たとえば７００℃に予熱しておき、この状態で複数の半
導体基板を支持したボートをプロセスチューブ内に挿入
した後、ヒータによって半導体基板を所定の熱処理温
度、たとえば１１００℃まで昇温し、この熱処理温度に
所定時間保持して所望の雰囲気ガスの存在下に熱処理を
行い、ついでヒータを降温させるとともに、冷却ガス通
路に冷却ガスを導入して半導体基板を上記予熱温度まで
降温した後ボートをプロセスチューブから取り出すこと
により行われている。このような処理工程において、ボ
ートがプロセスチューブの外に存在する間にも、プロセ
スチューブ内を所定温度に予熱しておくのは、処理時間
を短縮するためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置を用いて上述のようにして半導体基板の熱処理を行
う場合、次のような問題が発生することが判明した。す
なわち、上述した装置による熱処理はバッチ処理であ
り、生産性向上のために、ボートに多くの半導体基板を
支持させるようにするためには、隣接する半導体基板間
の間隔はかなり小さくなっていることが好ましい。この
場合、半導体基板の熱処理温度までの昇温時には各半導
体基板はヒータからの輻射熱をその周縁部に受け、半導
体基板の熱処理温度からの降温時には各半導体基板はそ
の周縁部から外方に熱を輻射する。そして、半導体基板
の熱処理温度までの昇温時および熱処理温度からの降温
時には、各半導体基板内での伝熱は、主として熱伝導に
より行われるので、各半導体基板の周縁部と中心部とで
は温度差が大きくなり、熱応力によって熱歪みが発生す
るという問題がある。このような問題は、半導体基板の
径が大きくなるほど、あるいは昇温および降温に要する
時間を短くするほど顕著に現れる。

【０００６】また、このような問題を解消するには、ボ
ートに支持されている隣接する半導体基板間の間隔を大
きくしたり、昇温および降温に要する時間を長くすれば
良いのであるが、この場合生産性が大きく低下する。

【０００７】この発明の目的は、上記問題を解決し、半
導体基板の昇降温時に半導体基板に熱歪みが発生するの
を防止しうるとともに生産性を向上させることのできる
半導体熱処理装置およびこれを用いた半導体基板の昇降
温方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段と発明の効果】この発明に
よる半導体熱処理装置は、一端が開口するとともに他端
が閉鎖され、かつヒータに囲繞されたプロセスチューブ
と、複数の半導体基板を上下方向に間隔をおいて支持す
るとともに、プロセスチューブに対して相対的に上下動
し、かつプロセスチューブに対して相対的に上昇したさ
いにプロセスチューブ内に挿入されうるボートとを備え
ており、プロセスチューブとヒータとの間の部分に冷却
ガス通路が形成されている半導体熱処理装置において、
プロセスチューブの内側に、上下方向にのびるガス吹出
部を有し、かつ半導体基板の昇温時および降温時に半導
体基板面内均温化ガスをプロセスチューブ内に導入する
ガス導入管と、同じく上下方向にのびるガス吸込部を有
し、かつプロセスチューブ内に導入された半導体基板面
内均温化ガスを排出するガス排出管とが設けられ、ガス
吹出部とガス吸込部とが、プロセスチューブ内に挿入さ
れたボートを挟むように配されており、ガス吹出部に上
下方向に間隔をおいて複数のガス吹出口が形成されると
ともにガス吸込部に上下方向に間隔をおいて複数のガス
吸込口が形成され、ガス吹出口から吹出された半導体基
板面内均温化ガスが、プロセスチューブ内に挿入された
ボートに支持されている半導体基板の間を通ってガス吸
込口から吸込まれるようになされているものである。

【０００９】この発明の半導体熱処理装置によれば、半
導体基板の熱処理温度までの昇温時および熱処理温度か
らの降温時に、ガス導入管のガス吹出部に形成されたガ
ス吹出口から半導体基板面内均温化ガスを吹出し、この
ガスをボートに支持されている半導体基板どうしの間を
通してガス排出管のガス吸込部に形成されたガス吸込口
から吸込みながら行うことができる。したがって、半導
体基板の熱処理温度までの昇温時および熱処理温度から
の降温時には、半導体基板面内均温化ガスの働きによ
り、各半導体基板内での伝熱は熱伝導に加えて対流によ
っても行われることになり、各半導体基板の周縁部と中
心部との温度差が従来の場合よりも小さくなって、熱応
力による熱歪みが発生するのを防止することができる。
特に、半導体基板の径が大きな場合に効果的である。し
かも、半導体基板の昇降温時に半導体基板の熱応力によ
る熱歪みの発生を防止することができるので、従来の場
合に比べて、ボートに支持されている隣接する半導体基
板の間隔を小さくすることができるとともに昇温および
降温に要する時間を短くすることができ、その結果生産
性が向上する。

【００１０】上記半導体熱処理装置において、ガス導入
管におけるガス吹出部よりも上流側の部分に、プロセス
チューブ内に位置しかつ各ガス吹出口から吹き出される
ガスの温度を均一化するガス温度均一化部分が設けられ
ていることが好ましい。この場合、ガス導入管に供給さ
れた半導体基板面内均温化ガスの温度はガス温度均一化
部分を流れる間に均一化されるので、各ガス吹出口から
吹き出されるガスの温度が均一になり、その結果すべて
の半導体基板の温度も均一化することができる。したが
って、すべての半導体基板の昇降温レートを等しくする
ことができる。

【００１１】上記ガス温度均一化部分は、たとえば上下
方向にのびる複数の直管部を有する蛇行状部分である。

【００１２】この発明による半導体基板の昇降温方法
は、熱処理前の半導体基板の昇温、および熱処理後の半
導体基板の降温を行う方法であって、ボートをプロセス
チューブ内に挿入した状態での半導体基板の熱処理前の
昇温および熱処理後の降温を、ガス導入管のガス吹出部
に形成されたガス吹出口から半導体基板面内均温化ガス
を吹出し、このガスをボートに支持されている半導体基
板どうしの間を通してガス吸込口から吸込みながら行う
ことを特徴とするものである。

【００１３】この発明の半導体基板の昇降温方法によれ
ば、半導体基板の熱処理温度までの昇温時および熱処理
温度からの降温時には、半導体基板面内均温化ガスの働
きにより、各半導体基板内での伝熱は熱伝導に加えて対
流によっても行われることになり、各半導体基板の周縁
部と中心部との温度差が従来の場合よりも小さくなっ
て、熱応力による熱歪みが発生するのを防止することが
できる。特に、半導体基板の径が大きな場合に効果的で
ある。しかも、半導体基板の昇降温時に半導体基板の熱
応力による熱歪みの発生を防止することができるので、
従来の場合に比べて、ボートに支持されている隣接する
半導体基板の間隔を小さくすることができるとともに昇
温および降温に要する時間を短くすることができ、その
結果生産性が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、
図面を参照して説明する。

【００１５】図１および図２は半導体熱処理装置を示
し、図３はガス導入管を示す。

【００１６】図１および図２において、半導体熱処理装
置は、下端が開口するとともに上端が閉鎖された垂直筒
状ヒータ(1) と、下端が開口するとともに上端が閉鎖さ
れかつヒータ(1) 内に配置された石英製垂直プロセスチ
ューブ(2) と、複数の半導体基板(3) （ウェハ）を上下
方向に間隔をおいて支持するとともに昇降自在であり、
かつ上昇位置においてプロセスチューブ(2) 内に挿入さ
れうるボート(4) とを備えている。

【００１７】ヒータ(1) の周壁とプロセスチューブ(2)
の周壁との間の部分に、熱処理終了後半導体基板(3) を
降温する冷却ガスを流す冷却ガス通路(5) が形成されて
いる。プロセスチューブ(2) の下端部はヒータ(1) の下
端よりも若干下方に突出している。なお、図示は省略し
たが、プロセスチューブ(2) は、熱処理時の雰囲気ガス
導入口および同排出口を備えている。

【００１８】プロセスチューブ(2) の内側に、上下方向
にのびる２つのガス吹出部(6) を有し、かつ半導体基板
(3) の昇温時および降温時に半導体基板面内均温化ガス
をプロセスチューブ(2) 内に導入するガス導入管(7)
と、同じく上下方向にのびるガス吸込部(8) を有し、か
つプロセスチューブ(2) 内に導入された半導体基板面内
均温化ガスを排出するガス排出管(9) とが設けられてい
る。

【００１９】ガス導入管(7) は、図３に示すように、上
下方向にのびる複数、たとえば６つの直管部を有する蛇
行管(10)と、蛇行管(10)の中央部の２つの直管部の下端
どうしを連結する屈曲部に接続されたガス入口管(23)と
からなり、プロセスチューブ(2) の周壁に沿うように、
平面から見て全体に円弧状となされている。蛇行管(10)
の下端はヒータ(1) の下端よりも下方に位置している。
ガス導入管(7) の蛇行管(10)の最も外側に位置する２つ
の直管部がガス吹出部(6) となされており、各ガス吹出
部(6) に上下方向に間隔をおいて複数のガス吹出口(11)
が形成されている。ガス吹出口(11)は、プロセスチュー
ブ(2) 内に挿入されたボート(4) に支持されている複数
の半導体基板(3) の隣接するものどうしの間の高さ部分
に位置している。また、ガス導入管(7) のガス入口管(2
3)の先端はプロセスチューブ(2)の周壁を貫通してその
外方にのびており、その先端開口がガス導入口(12)とな
されている。そして、ガス導入管(7) の蛇行管(10)にお
けるガス入口管(23)との接続部から両ガス吹出部(6) に
まで至る部分、すなわち２つの直管部を含む蛇行状部分
が、それぞれ各ガス吹出部(6) のすべてのガス吹出口(1
1)から吹き出されるガスの温度を均一化するガス温度均
一化部分(13)となされている。

【００２０】ガス排出管(9) は、上下方向にのびる１つ
の直管(14)と、直管(14)の下端に接続されてプロセスチ
ューブ(2) の周壁に沿う水平円弧状管(15)と、円弧状管
(15)の先端に接続されたガス出口管(16)とからなる。直
管(14)の下端はヒータ(1) の下端よりも下方に位置して
いる。直管(14)は、ガス導入管(7) の２つのガス吹出部
(6) とともにプロセスチューブ(2) 内に挿入されたボー
ト(4) を挟むように配されており、これがガス吸込部
(8) となされている。ガス吸込部(8) に上下方向に間隔
をおいて複数のガス吸込口(17)が形成されている。ガス
吸込口(17)は、プロセスチューブ(2) 内に挿入されたボ
ート(4) に支持されている複数の半導体基板(3) の隣接
するものどうしの間に位置しており、ガス吹出口(11)か
ら吹出された半導体基板面内均温化ガスが、半導体基板
(3) の間を通ってガス吸込口(17)から吸込まれるように
なされている。また、ガス排出管(9) のガス出口管(16)
の先端はプロセスチューブ(2) の周壁を貫通してその外
方にのびており、その先端開口がガス排出口(18)となさ
れている。

【００２１】ボート(4) は、基台(19)と、基台(19)上に
設けられた基板支持部(20)とからなる。基台(19)の下端
には、ボート(4) が上昇位置にあるときにプロセスチュ
ーブ(2) の下端開口を閉鎖する蓋板(21)が設けられてい
る。蓋板(21)の下方には、ボート(4) を垂直軸の回りに
回転させるモータ(22)が配置されている。

【００２２】上述した半導体熱処理装置を用いての半導
体基板(3) の熱処理は、次のようにして行われる。

【００２３】予めボート(4) は下降しており、熱処理す
べき半導体基板(3) を支持している。また、プロセスチ
ューブ(2) 内は、ヒータ(1) により所定の温度、たとえ
ば７００℃に予熱されている。そして、ボート(4) を上
昇させてプロセスチューブ(2) 内に挿入した後、ヒータ
(1) によって半導体基板(3) を所定の熱処理温度、たと
えば１１００℃まで昇温する。半導体基板(3) の昇温
は、ガス導入口(12)から導入された半導体基板面内均温
化ガス、たとえば常温の窒素ガスをガス導入管(7) のガ
ス吹出部(6) に形成されたガス吹出口(11)から吹出し、
このガスをボート(4) に支持されている半導体基板(3)
どうしの間を通してガス排出管(9) のガス吸込部(8) に
形成されたガス吸込口(17)から吸込みながら行う（図２
矢印参照）。このとき、モータ(22)によりボート(4) を
垂直軸の回りに回転させておく。

【００２４】半導体基板(3) の温度が熱処理温度に達し
たら、半導体基板面内均温化ガスの吹出しを停止し、プ
ロセスチューブ(2) 内の半導体基板面内均温化ガスが吸
込口(17)から吸込まれてプロセスチューブ(2) 内から排
出されたことが確認されれば、雰囲気ガス導入口から所
望の雰囲気ガスをプロセスチューブ(2) 内に導入し、上
記熱処理温度に所定時間保持して半導体基板(3) に熱処
理を施す。このときも、モータ(22)によりボート(4) を
垂直軸の回りに回転させておく。この場合、すべての半
導体基板(3) に均一に熱処理を施すことができる。

【００２５】熱処理が終了すれば、雰囲気ガスを雰囲気
ガス排出口を通してプロセスチューブ(2) 内から排出
し、ヒータ(1) を降温させるとともに冷却ガス通路(5)
に冷却ガスを流して半導体基板(3) を上記予熱温度まで
降温させる。半導体基板(3) の降温は、ガス導入口(12)
から導入された半導体基板面内均温化ガス、たとえば常
温の窒素ガスをガス導入管(7) のガス吹出部(6) に形成
されたガス吹出口(11)から吹出し、このガスをボート
(4) に支持されている半導体基板(3) の間を通してガス
排出管(9) のガス吸込部(8) に形成されたガス吸込口(1
7)から吸込みながら行う（図２矢印参照）。このとき
も、モータ(22)によりボート(4) を垂直軸の回りに回転
させておく。

【００２６】このように、半導体基板(3) の熱処理温度
までの昇温および熱処理温度からの降温を、ガス導入管
(7) のガス吹出部(6) に形成されたガス吹出口(11)から
半導体基板面内均温化ガスを吹出し、このガスをボート
(4) に支持されている半導体基板(3) の間を通してガス
排出管(9) のガス吸込部(8) に形成されたガス吸込口(1
7)から吸込みながら行うと、半導体基板面内均温化ガス
の働きにより、各半導体基板(3) 内での伝熱は、熱伝導
に加えて対流によっても行われることになり、各半導体
基板(3) の周縁部と中心部との温度差が小さくなって、
熱応力による熱歪みが発生するのを防止することがで
き、特に半導体基板(3) の径が大きな場合に効果的であ
る。しかも、半導体基板(3) の昇降温時に半導体基板
(3) の熱応力による熱歪みの発生を防止することができ
るので、ボート(4) に支持されている隣接する半導体基
板(3) の間隔を小さくすることができるとともに昇温お
よび降温に要する時間を短くすることができ、その結果
生産性が向上する。さらに、半導体基板(3) の昇降温時
に、モータ(22)によりボート(4) を垂直軸の回りに回転
させておくと、各半導体基板(3) の周縁部と中心部との
温度差がより小さくなり、上述したような効果は一層顕
著になる。

【００２７】また、ガス導入管(7) のガス導入口(12)か
ら供給された半導体基板面内均温化ガスの温度はガス温
度均一化部分(13)を流れる間に均一化されるので、各ガ
ス吹出口(11)から吹き出されるガスの温度が均一にな
り、その結果すべての半導体基板(3) の温度も均一化す
ることができる。したがって、すべての半導体基板(3)
の昇降温レートを等しくすることができる。

【００２８】上記実施形態においては、ガス導入管(7)
のガス吹出部(6) は２つ設けられているが、ガス吹出部
(6) の数はこれに限定されるものではなく、適宜変更可
能である。また、上記実施形態においては、ガス排出管
(9) のガス吸込部(8) は１つ設けられているが、ガス吸
込部(8) の数もこれに限定されるものではなく、適宜変
更可能である。また、上記実施形態においては、ガス導
入管(7) のガス吹出部(6) に形成されたガス吹出口(11)
は、プロセスチューブ(2) 内に挿入されたボート(4) に
支持されている複数の半導体基板(3) の隣接するものど
うしの間の高さ部分に位置しており、これによりガス吹
出口(11)から吹出された半導体基板面内均温化ガスが、
プロセスチューブ(2) 内に挿入されたボート(4) に支持
されている半導体基板(3) どうしの間を通るようになっ
ているが、ガス吹出口(11)の位置はこれに限定されるも
のではなく、プロセスチューブ(2) 内に挿入されたボー
ト(4) に支持されている半導体基板(3) どうしの間を通
る位置であれば、適宜変更可能である。たとえば、半導
体基板(3) と同一高さ位置に形成されていてもよい。こ
の場合、ガス吹出口(11)から吹出された半導体基板面内
均温化ガスは半導体基板(3) の縁に当たり、ここで上下
に別れて半導体基板(3) の間を通るようになる。さら
に、上記実施形態においては、ガス導入管(7) のプロセ
スチューブ(2)内に存在する部分は全体に蛇行状となっ
ており、ガス温度均一化部分(13)も蛇行状であるが、こ
れに限るものではなく、ガス温度均一化部分(13)はガス
温度を均一化しうる長さを有するものであれば、その形
状は適宜変更可能である。

【００２９】また、上記実施形態においては、ガス排出
管(9) のガス吸込部(8) に形成されたガス吸込口(17)
は、プロセスチューブ(2) 内に挿入されたボート(4) に
支持されている複数の半導体基板(3) の隣接するものど
うしの間の高さ部分に位置しているが、ガス吸込口(17)
の位置はこれに限定されるものではなく、ガス導入管
(7) のガス吹出部(6) に形成されたガス吹出口(11)から
吹出されたガスを吸込みうる位置であれば、適宜変更可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による半導体熱処理装置の実施形態を
示す垂直断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】ガス導入管の正面図である。

【符号の説明】

(1)：ヒータ (2)：プロセスチューブ (3)：半導体基板 (4)：ボート (5)：冷却ガス通路 (6)：ガス吹出部 (7)：ガス導入管 (8)：ガス吸込部 (9)：ガス排出管 (11)：ガス吹出口 (17)：ガス吸込口

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が開口するとともに他端が閉鎖さ
   れ、かつヒータに囲繞されたプロセスチューブと、複数
   の半導体基板を上下方向に間隔をおいて支持するととも
   に、プロセスチューブに対して相対的に上下動し、かつ
   プロセスチューブに対して相対的に上昇したさいにプロ
   セスチューブ内に挿入されうるボートとを備えており、
   プロセスチューブとヒータとの間の部分に冷却ガス通路
   が形成されている半導体熱処理装置において、 プロセスチューブの内側に、上下方向にのびるガス吹出
   部を有し、かつ半導体基板の昇温時および降温時に半導
   体基板面内均温化ガスをプロセスチューブ内に導入する
   ガス導入管と、同じく上下方向にのびるガス吸込部を有
   し、かつプロセスチューブ内に導入された半導体基板面
   内均温化ガスを排出するガス排出管とが設けられ、ガス
   吹出部とガス吸込部とが、プロセスチューブ内に挿入さ
   れたボートを挟むように配されており、ガス吹出部に上
   下方向に間隔をおいて複数のガス吹出口が形成されると
   ともにガス吸込部に上下方向に間隔をおいて複数のガス
   吸込口が形成され、ガス吹出口から吹出された半導体基
   板面内均温化ガスが、プロセスチューブ内に挿入された
   ボートに支持されている半導体基板の間を通ってガス吸
   込口から吸込まれるようになされている半導体熱処理装
   置。
2. 【請求項２】 ガス導入管におけるガス吹出部よりも上
   流側の部分に、プロセスチューブ内に位置しかつ各ガス
   吹出口から吹き出されるガスの温度を均一化するガス温
   度均一化部分が設けられている請求項１記載の半導体熱
   処理装置。
3. 【請求項３】 ガス温度均一化部分が、上下方向にのび
   る複数の直管部を有する蛇行状部分である請求項２記載
   の半導体熱処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置を用いて熱処理前の
   半導体基板の昇温、および熱処理後の半導体基板の降温
   を行う方法であって、 ボートをプロセスチューブ内に挿入した状態での半導体
   基板の熱処理前の昇温および熱処理後の降温を、ガス導
   入管のガス吹出部のガス吹出口から半導体基板面内均温
   化ガスを吹出し、このガスをボートに支持されている半
   導体基板どうしの間を通してガス吸込口から吸込みなが
   ら行うことを特徴とする半導体基板の昇降温方法。