JPH10294285A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 急速加熱段階及び急速冷却段階を有し、標準
的な変調されない商業的電力を用いることができ、粒子
状汚染物−生成渦領域を実質的に排除する気体流制御シ
ステム。 【解決手段】 反応管と実質的に同心の円形平行加熱部
材の円筒状の列内におかれた熱壁反応管を含み、各加熱
部材３６は熱壁反応管から離れており、各加熱部材３６
は抵抗加熱導電体のコイルを含む半導体ウェハーの処理
のための垂直急速加熱炉。コイル状抵抗加熱導体は抵抗
加熱ワイアのコイルであることができ、コイルは１〜７
ｍｍの外径を有し、環状加熱部材支持体内に支持されて
いる。各加熱部材支持体は最低及び最高炉温度の両方に
おいて、その中に支持されている熱膨張した加熱部材を
支持し、適応するように寸法が決められている。各環状
加熱部材支持体は加熱部材３６の列を囲む断熱材中の環
状のくぼみにより与えられるのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は改良された熱処理装置ならびに半
導体及びガラスウェハー基質などの熱処理のための方法
に関する。

【０００２】電子装置の製造において半導体又はガラス
基質上に拡散層を形成するかあるいは酸化ケイ素又は窒
化ケイ素フィルムを形成するために熱処理装置が用いら
れてきた。これらの基質は典型的にケイ素又は他の半導
体材料から作られる薄いウェハーである。下記において
装置の記載はウェハー基質に関連して与えられるが、装
置はいずれの薄いガラス又は半導体シートの処理にも等
しく適していることが理解され、これらの材料のいずれ
か又はすべての処理は本発明の範囲内であると考えられ
る。

【０００３】これらの装置は反応器中でウェハーを加熱
することにより又は不活性もしくは反応性ガスを室内に
導入しながら室を加熱することにより所望の熱処理を与
える。これらの加熱室は断熱シェル内に密閉された加熱
部材に囲まれている。１回の熱処理操作で多数のウェハ
ーを処理するために、ウェハーをウェハーボート内に平
行の配置方向で次々上に支持するのが通常である。この
組み合わせを下記においてウェハースタック（ｗａｆｅ
ｒ ｓｔａｃｋ）と呼ぶ。

【０００４】垂直炉は一般に炉及び垂直軸に沿って並べ
られた同軸ウェハーボートを有する。処理されるべきウ
ェハーが積載されたウェハーボートは、処理サイクルの
前に底の開口部を通って炉中に上げられ、処理の後に炉
から下げられる。反応室のガス渦領域を排除することに
より粒子状汚染物を減少させるように設計された好まし
い垂直炉が米国特許第５，３２０，６８０号に記載され
ている。

【０００５】本願と同じ出願人の出願に係る（ｃｏｍｍ
ｏｎｌｙ ａｓｓｉｇｎｅｄ）１９９５年１１月１１日
出願の同時係属米国出願番号０８／５６５，１７７及び
１９９５年１１月２８日出願の出願番号０８／５６３，
８７５は急速加熱及び冷却サイクルの間にウェハーを保
護し、本発明の炉の場合に特に有効なウェハーボート構
造を記載している。

【０００６】先行技術の炉は、炉の温度を急速に上げ下
げするためのその加熱システムの能力により制限されて
いる。Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．の日本特許出
願公開平４−１８４９２３号（１９９２年７月１日）は
加熱時間を短縮させるように設計された熱処理装置を記
載している。Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．のシス
テムの場合の加熱及び冷却サイクル時間は、ウェハーを
支持するために追加の放熱材料を備えることにより制限
されており、それはそれが加熱及び冷却段階のための電
力要求及び時間を増加させるからである。

【０００７】本発明の目的は急速加熱段階及び急速冷却
段階を有する炉システムを提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、標準的な変調されな
い商業的電力を用いてこの結果を得ることができる急速
加熱炉システムを提供することである。

【０００９】本発明にさらに別の目的は、粒子状汚染物
−生成渦領域（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｃｏｎｔａｍ
ｉｎａｎｔ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｄｄｙ ａｒｅａｓ）
を実質的に排除するガス流制御システムを用いて上記の
目的を満たす炉システムを提供することである。

【００１０】半導体ウェハーの処理のための垂直急速加
熱炉は、実質的に反応管と同心の円形平行加熱部材の円
筒状の列内に置かれた熱壁反応管（ｈｏｔ ｗａｌｌ
ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｕｂｅ）を含み、各加熱部材は熱
壁反応管から離れており、各加熱部材はらせん状に巻か
れた抵抗加熱導体のコイルを含む。

【００１１】加熱部材の列を囲む断熱材における環状の
くぼみにより、それぞれの環状の加熱部材が支持されて
いるのが好ましい。

【００１２】半導体ウェハーを処理するための好ましい
垂直急速加熱及び冷却炉は、熱壁反応管及びそれと実質
的に同心で且つそれから離れた円形平行加熱部材の円筒
状の列を含み、該熱壁反応管と該加熱部材の円筒状の列
の間に冷却ガス通路を規定する。冷却ガス通路は下端及
び上端を有し、炉は該下端と連結している冷却ガス入り
口開口部及び該上端と連結している冷却ガス排気出口を
有する。

【００１３】炉の一端は、熱壁反応管により規定される
体積からの熱の損失を減少させるために、円筒状断熱ブ
ロックを含むのが好ましく、円筒状断熱ブロックと熱壁
反応管の間に１つか又はそれ以上の炭化ケイ素円板が置
かれているのが好ましい。炉の上部は炉封止面を含むの
が好ましく、炉はキャップ封止面を有する断熱キャップ
を含むのが好ましく、それは第１の位置にある時には炉
封止面と封止噛み合わせを形成して加熱サイクルの間に
炉の上部を封止して断熱し、第２の位置にある時には冷
却サイクルの間に炉の上部を開放するように寸法が決め
られ、搭載されている。

【００１４】垂直急速加熱及び冷却炉は、急速加熱及び
冷却の間の過剰の熱応力からウェハーを保護するように
適応させられた熱処理ボートと組み合わされるかあるい
は一緒に用いられるのが好ましい。熱処理ボートは、実
質的に同じ内径を有する複数の環状同軸の離れた帯を含
み、各帯は上端面及び下端面を有し、それぞれの隣接す
る帯の組の上の方の帯の下端面は各組の下の方の帯の上
端面と向かい合い、約３．８〜１２．７ｍｍの帯間隔で
そこから離れているのが好ましい。各帯は、それぞれの
帯の上端面と下端面から実質的に同じ距離にウェハーを
支持するように置かれたウェハー支持突起を有するのが
最適である。

【００１５】各帯は式： に従う、ｍｍにおける高さ、Ｈｅｉｇｈｔ_Bandを有する
のが最適であり、式中、Ｈｅｉｇｈｔ_Band≧ウェハーの
厚さであり；ＣｏｌｕｍｎＨｅｉｇｈｔはｍｍにおける
処理ボートの合計の高さであり；ＢａｎｄＳｐａｃｉｎ
ｇは隣接する帯の間のｍｍにおける帯間隔であり；Ｎｕ
ｍｂｅｒＢａｎｄｓは処理ボートにおける帯の合計数で
ある。

【００１６】半導体ウェハーを処理するための本発明の
垂直急速加熱炉の好ましい実施態様は、反応管と実質的
に同心の円形加熱部材の列内に置かれた熱壁反応管を含
む。それぞれの加熱部材は熱壁反応管から離れており、
それぞれの加熱部材は電気的に独立した抵抗加熱導体の
コイルを含み、炉はそれぞれの加熱部材に送達される電
力を制御するための位相角電力制御手段（ｐｈａｓｅ
ａｎｇｌｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｎ
ｓ）を有する。加熱部材は、そのメンバーが直列に接続
されたグループで存在し、各グループは１つの位相角電
力コントローラを有する。１つの実施態様の場合、位相
角電力制御手段は、加熱部材を複数の電極の組に可変で
グループ分けするための閉鎖ループ電力コントローラ手
段を含み、各組における電極は直列に接続される。

【００１７】本発明の装置は、主に電子工業のための半
導体デバイスの製造において薄いウェハー又はガラス基
質を熱処理するために用いられる。この装置は、ウェハ
ーが共通の垂直の中心軸及び平行で離れた配置方向を有
するような位置に支持されたウェハー又は基質を処理す
る。、ウェハーに熱応力損傷を与えずにサイクルプロセ
ス時間を大きく短縮するために、ウェハーはウェハーボ
ート又は類似の棚の中に置かれる。

【００１８】図１に示されている炉の断面図に言及する
と、炉は中心加熱室２を含み、その中にウェハーボート
４が処理位置で支持され、引き込むことができる台６の
上に搭載されている。好ましいウェハーボート構造は１
９９５年１１月１１日出願の同時係属出願番号０８／５
６５，１７７及び１９９５年１１月２８日出願の番号０
８／５６３，８７５に記載されており、両出願の記載事
項はすべて引用することにより本明細書の内容となる。
これらのウェハーボートは急速加熱サイクルの間にウェ
ハーを保護し、ウェハーの幅を横切る極度の温度差から
生ずる欠陥を防ぐ。

【００１９】ウェハーボート４は、内壁８、外壁１０及
び湾曲上壁１２により形成される二重壁の加熱及び反応
室内に密閉される。この二重壁システムは米国特許第
５，３２０，６８０号の主題である。ウェハーボート４
と内壁８の間の上方へのガス流は上壁１２の湾曲面１４
により、内壁８と外壁１０の間の逆方向にそしてシステ
ムからの除去のために下方に向けられる。

【００２０】図１の装置における熱ブロックの配置は、
互いに反応性のガスが混合前に予備加熱され、処理され
るウェハーとそれらが接触する直前にウェハーボートの
底で混合されるＣＶＤプロセスのために最適である。そ
のようなプロセスの場合、反応ガスはガス供給入り口２
０から熱ブロック板１８を有する予備加熱器区画１６中
に導入される。熱ブロック板１８は炉の底からの輻射熱
損失を減少させ、反応ガスが熱ブロック及び向かい合っ
た面２２の間を上方に通過する時にそれを予備加熱す
る。

【００２１】二酸化ケイ素などの熱酸化物の製造などの
熱処理の場合、装置を通る流れは逆方向であり、導入ガ
ス（ｉｎｌｅｔ ｇａｓ）は導管２８を通り、反応室の
内壁８と外壁１０の間を上方に通過する。予備加熱され
たガスは反応室の上部内に導入され、ウェハーを過ぎて
下方に通過し、導管２０を通って出る。そのような熱処
理の場合、ウェハー領域の底の熱ブロックは下記に記載
する図２〜４に示される構造を有するのが好ましい。

【００２２】予備加熱器区画は反応室２と連結し、予備
加熱されたガスをウェハーボート４と内壁８の間の空間
２４中に向ける。

【００２３】反応室において、上昇するガスはウェハー
ボート内及びそこに支持されているウェハー（示されて
いない）の間の細長い開口部又は空間２３を通って拡散
する。室の上部において、使われた反応ガスは湾曲区画
１４により下方に、内壁８と外壁１０の間の空間２６内
に向けられる。反応ガス生成物は空間２６の底から排気
口２８を通って除去される。

【００２４】反応領域の回りは水冷ジャケット３０及び
断熱材の円筒状の壁３２を有するシェルである。断熱材
の内面は複数の環状のくぼみ３４を有し、それは加熱部
材３６のための受容体であり、その詳細は図６に示され
ている。図１１及び１２に示されている本発明の抵抗加
熱部材３６は環状のくぼみ３４内に支持される。加熱部
材３６及び断熱材３２は向かい合っており、空間４０に
より外壁１０から離れている。

【００２５】水冷ジャケット３０は温度調節水入り口４
２及び出口４４を有し、その詳細は図５にもっと詳しく
示されている。水ジャケットはシステムのための制御さ
れた温度環境を与え、より再現性のあるプロセス条件を
与える。

【００２６】加熱部材３６は円筒状の配置を有する列を
形成するように支持され、反応室に均一な熱を与える。
等温を達成して保持し、加熱ランプ（ｈｅａｔｉｎｇ
ｒａｍｐ）を制御するために、それぞれの加熱部材３６
は標準的制御システム（示されていない）を介し、他の
部材から分離された選ばれた電力を与えられる。

【００２７】それぞれの加熱部材３６はそのそれぞれの
電力ターミナル４６に接続されている。保護安全シール
ド４８が電極を囲み、隔離させている。電極は標準的商
業的電力、例えば４４０ボルト３６００サイクルのＡＣ
電流を用いて働くように設計され、特別な電力変調装置
を必要としない。電力を制御して適用すると、反応領域
は急速に所望の反応温度に加熱される。１９９５年１１
月１１日出願の出願番号０８／５６５，１７７及び１９
９５年１１月２８日出願の出願番号０８／５６３，８７
５に記載されている好ましいウェハーボートを用い、反
応室の温度を２１℃から１１００℃まで、１分当たりに
最高１００℃及びそれ以上の速度で均一に上昇させるこ
とができる。

【００２８】炉の上部は熱障壁クロージャー５０を有
し、それは図２４にもっと詳細に示される排気システム
と連結している。クロージャー５０の詳細は図９及び１
０に示されている。炉システムの底は、底のまわりに且
つ空間４０と連結して冷却空気入り口ベント５６を含
む。

【００２９】好ましい熱ブロック構造が図２〜４に示さ
れており、ここで図２は装置が逆流反応において用いら
れる場合に用いるための別の本発明の熱ブロック構造の
端面図であり、図３は図２において線３−３に沿ってと
られた別の熱ブロック構造の断面図であり、図４は図２
及び３に示されている別の熱ブロックの等角図である。
この固体の熱ブロックは、保護石英スリーブ５３及び５
５ならびにキャップ層５７内に密閉された中心の真空−
成形されたアルミナ−シリカコア部分５１を有するのが
好ましい。スリーブ５５上に支持された石英キャップ５
９は、今度は代わって炭化ケイ素円板６１を支持してい
る。環状領域６３はウェハーボートを支持する。二酸化
ケイ素円板６１とアルミナ−シリカコア５１の組み合わ
せは、反応領域からの熱損失に対して非常に向上した障
壁となる。炭化ケイ素円板６１はドアを遮蔽し、その温
度を下げ、有機ポリマーのｏ−リングを含む封止構造を
保護する。炭化ケイ素の輻射率は石英より実質的に大き
いので、円板６１は熱を急速に吸収し、反応領域の内部
に熱面を与え、反応室の下部における温度低下をさらに
減少させる。

【００３０】図５は、図１に示されている炉の水冷ジャ
ケットアセンブリの分解図である。アセンブリは内部ケ
ーシング５２を含み、その上にらせんに巻かれた冷却水
管５４が搭載されている。管５４は液体入り口４２及び
出口４４を有する。管は外部ケーシング５６内に収納さ
れている。内部ケーシング５２、管５４及び外部ケーシ
ング５６は軸的に同心であるのが好ましい。管の分布は
熱除去を与え、均一なジャケット温度を確立し、その温
度はある範囲の周囲温度に及んで同じであるように制御
されることができる。これは炉の再現性のある運転及び
処理プロセスのより厳密な制御を容易にする。

【００３１】図６は加熱部材受容体、部材ベース及び上
部排気板を示す炉アセンブリの断面図である。積み重ね
られた断熱材３２の円筒の内面は電気加熱部材受容体又
はくぼみ３４の列を規定しており、３４は均一に離れ且
つ平行な平面内にあるのが好ましい。スタックの底は部
材ベース５８を含み、スタックの上部は断熱板６０を含
む。

【００３２】環状くぼみ３４の内径及び形は、周囲温度
及びそれを通って炉が運転される最高温度の両方におい
て加熱部材を支持し、固定するように寸法が決められね
ばならない。コイル配線された加熱部材は加熱サイクル
の間に膨張し、受容体表面の背部に押し付けられる。加
熱部材の最大膨張を越える距離に背面を置くのが好まし
い。

【００３３】図７は図６に示されている炉アセンブリの
ための上部断熱板の図であり、図８は図７に示されてい
る断熱板の線８−８に沿った断面図である。断熱板６０
は断熱材の円板６２を含み、それはその外周の回りが断
熱材３２の上端と組み込まれるように成形されている。
それは炉の上部を介する熱損失を最小にするように設計
されている。円板６２は冷却ガス通路６４の円形の列を
有し、それを介して炉の運転の冷却段階の間に冷却ガス
を排気することができる。

【００３４】図９は図１に示されている炉のための排気
ガスアセンブリの分解図であり、図１０は図９に示され
ている末端板の断面図である。排気ガスアセンブリは図
７に示されている断熱板６０に向かって炉の上部に搭載
されている。それは断熱中心排気ガス口６８を有する中
間排気板６６及びそれと同軸でガス口６８と並んだ中心
ガス口７２を有する上部板７０を含み、その上端は排気
導管取り付け部７４を有する。中間排気板６６はテーパ
ー付きの内面７６を有し、それはその下面と断熱板６０
の上面の間に、排気ガスが炉から出るために断熱板６０
の冷却ガス通路を介して中心排気口６８に流れて通過す
るための環状ガス流空間７８（図１に示されている）を
形成している。

【００３５】図１１は本発明の加熱部材の平面図であ
り、図１２は図１１に示されている加熱部材のための電
気コネクターの詳細図である。各加熱部材３６は、断熱
柱３２（図１）の環状受容体３４に取り付けられるよう
に寸法が決められた円形コイル状加熱部材８０を含む。
ワイアは例えば１〜２オームの抵抗を有することがで
き、ＫＡＮＴＨＡＬ加熱部材のように通常の抵抗加熱器
ワイアから作られていることができる。図１１に示され
るコイル状の配置に巻かれたワイアは、通常の抵抗加熱
ワイアを用いる及び通常の電力供給、例えば電力供給社
から通常得られる４８０ボルト、６０Ｈｚ電力を用いて
炉を急速に加熱するために必要な高い発熱容量を与え
る。これは電力供給条件を簡単にし、全体的アセンブリ
の寸法を小さくする。コイルは電気的に独立しているの
で、各コイル又は平行なコイルの組み合わせに与えられ
る電力は、他のコイルに送達される電力と別であるよう
に独立して制御されることができ、炉の運転を通じての
温度の均一性を向上させる。

【００３６】先行技術のシステムが必要とする特別な電
力変調変換を用いることなく、通常得られる電力の使用
を可能にする電力制御システムは、図２７及び２８に関
して下記で記載する。

【００３７】ワイア８０の末端８２は電気コネクター４
６に接続される（図１及び２）。

【００３８】図１３は図６に示されているアセンブリの
断熱ブロックの平面図であり、図１４は図１３の断熱ブ
ロックの線１４−１４に沿った断面図である。図１５は
図１３〜１４の断熱ブロックの等角図である。

【００３９】断熱材３２（図６）は図１３に示される構
造を有する断熱ブロックのスタックから構成されてい
る。断熱材はシリカ−アルミナ材料であるのが好まし
い。

【００４０】断熱材はその上面に加熱部材アンカーくぼ
み８５の円形の列を有する環８３の形態を有する。上下
の内面８７及び８９は湾曲して図１、８及び９に示され
ているコイル状加熱部材３６を受容する。溝９１は内部
湾曲面８７から環８３の端に延び、加熱コイル８０の端
８２の形に適応した形を有する（図１１及び１２）。

【００４１】図１６は加熱部材アンカーくぼみの拡大図
である。Ｔ−形アンカーくぼみ８５は放射状に延びる溝
９３及びそれにある角度で止め溝９５を含み、止め溝は
放射状溝に垂直又は直角であるのが好ましい。

【００４２】図１７は加熱部材アンカーの平面図であ
り、図１８は図１７の加熱部材アンカーの等角図であ
る。Ｔ−形アンカー９７は、加熱部材止めくぼみ８５に
取り付けられるように成形され、寸法が決められた断熱
アンカークロスピース１０１及び加熱部材アンカークロ
スピース１０３を有する縦の区画９９を有する。加熱部
材アンカークロスピース１０３は狭い垂直の寸法「ｔ」
を有し、それはコイルの軸に実質的に平行な平面内に配
向された場合にクロスピース１０３を加熱部材コイル８
０（図１２）の隣接するらせん区画８１の間に、らせん
８１の実質的に中心にそれを置く深さまで挿入させるの
に十分に狭い。加熱部材クロスピース１０３は、それが
隣接らせんの間に挿入された後に９０^o回転された時に
クロスピース１０３をらせん内でロックするのに十分な
幅の寸法「ｗ」を有する。

【００４３】加熱部材はクロスピース１０３を隣接らせ
んの間に挿入し、それを９０^o回転させ、クロスピース
１０１をそのそれぞれの断熱溝８５内に置くことにより
断熱材に固定される。断熱ブロック８３を積み重ねるこ
とは、クロスピース１０３がその受容体８５から逃げる
ことを防ぎ、アンカーが回転して加熱部材からクロスピ
ース１０３をはずすことを防ぐ。

【００４４】この加熱部材８０は加熱及び冷却の間に実
質的な寸法の変化を受け、その膨張に十分な空間が利用
できるようにされないとそれは断熱材を破壊し及び／又
は加熱部材をはずさせる。加熱部材受容溝はアンカー９
７と組み合わされ、断熱材への加熱コイルのしっかりし
た固定を保持しながら放射状の膨張のための動きの完全
な自由を加熱部材に与える。

【００４５】図１９は図６に示されている部材ベースの
等角図であり、図２０は図１９に示されている部材ベー
スのスペーサーアセンブリの平面図である。部材ベース
は上部環状板８６及びそれと同軸で上部板８６に固定さ
れている下部環状板８８を含む。板８６及び８８はスペ
ーサー９０の円形の列により平行な平面内に保持されて
いる。環状板８６及び８８は中心開口部９２を規定して
おり、それを通ってウェハーボートをウェハー処理のた
めに炉内に上げ且つ処理が完了した後に炉から下げるこ
とができる。

【００４６】図２１は図２０に示されているスベーサー
の線２１−２１に沿った断面図である。各スペーサーは
Ｕ−形の断面を有し、平行な上壁１９２及び下壁９４は
橋又は背骨９６により結合している。スペーサーは板８
８から板８６への伝導を介した熱損失に利用できる断面
積を減少させ、冷却段階のための炉内への冷却ガス流の
ために板８６及び８８の間に開口部を保持する。

【００４７】本発明の急速加熱及び冷却垂直炉はより大
きな生産能力を有し、それはそれが比較的短い加熱段階
及び冷却段階を有するからである。システムは、ウェハ
ーボートと共働してガス渦領域を最小にするか又は排除
する反応室を有するので、プロセスはより清浄であり、
汚染粒子の量が最小である。

【００４８】図２２は、本発明の処理機で用いるための
好ましいウェハーボートの１区画の等角図であり、図２
３は図２２のウェハーボートのウェハー支持構造の部分
等角図である。この好ましい実施態様の場合、ボートは
その上下端がウェハー保護帯１１２を規定している複数
のウェハースロット１１０ならびにエフェクター又はウ
ェハー積載スロット１１４を有する石英の円筒である。
ウェハー支持体は内側に延びるストリップ１１６であ
る。各突起の上端１１８は該円筒に実質的に垂直な平面
におけるそれぞれの帯１２０を通るシングルカット（ｓ
ｉｎｇｌｅ ｃｕｔ）により形成され、ストリップの末
端１２２及び１２４は帯と一体である。カットがウェハ
ーボートがさらされる加熱及び冷却の間の応力除去亀裂
の起源となるのを排除するために、円形応力除去孔１２
６及び１２８が各カットの末端に置かれている。熱シー
ルドを有するこの及び他の適したウェハーボートについ
てのさらなる詳細は、共通に譲渡された１９９５年１１
月１１日出願の同時係属出願番号０８／５６５，１７７
及び１９９５年１１月２８日出願の出願番号０８／５６
３，８７５に記載されており、これらの出願の両方の記
載事項はすべて引用することにより本明細書の内容とな
る。

【００４９】熱シールド帯の高さ及び隣接するシールド
の端の間の距離は、これらの熱シールドウェハーボート
の決定的に重要な側面である。それらは熱源への直接の
暴露から遮蔽されるウェハー表面ならびにウェハーに最
も近い熱源から遮蔽されるさらに別の領域の寸法及び位
置を確定する。かくしてそれらはウェハーにおける熱伝
導パターンを確定し、それは内部ウェハー領域から外端
及び中心へである。この加熱パターンの場合、ウェハー
の中心と外端の間の温度差は急速な加熱の間でも非常に
減少し、ウェハーへの破壊的熱損傷を排除するために必
要なサイクル時間を非常に減少させる。

【００５０】熱処理ボートは実質的に同じ内径を有する
複数の環状同軸の離れた帯を含み、それぞれの帯は上端
面及び下端面を有し、隣接する帯の各組の上の方の帯の
下端面は各組の下の方の帯の上端面と向かい合い、約
３．８〜１２．７ｍｍの帯間隔でそこから離れており、
各帯は、それぞれの帯の上端面と下端面から実質的に同
じ距離にウェハーを支持するように置かれたウェハー支
持突起を有するのが好ましい。帯のそれぞれは式： に従う、ｍｍにおける高さ、Ｈｅｉｇｈｔ_Bandを有する
のが最適であり、式中、Ｈｅｉｇｈｔ_Band≧ウェハーの
厚さであり；ＣｏｌｕｍｎＨｅｉｇｈｔはｍｍにおける
処理ボートの合計の高さであり；ＢａｎｄＳｐａｃｉｎ
ｇは隣接する帯の間のｍｍにおける帯間隔であり；Ｎｕ
ｍｂｅｒＢａｎｄｓは処理ボートにおける帯の合計数で
ある。

【００５１】図２４は本発明の冷却ガス排気アセンブリ
の等角図である。上部板７０の排気取り付け部７４（図
９）は炉排気ガス導管又はダクト９８に接続されてい
る。炉キャビネット１６６はキャビネット排気ガス導管
又はダクト１００と連結している。２つのガス導管９８
及び１００はＹ−ジャンクション１０４を介して中心空
気排気導管１０２と連結している。排気ガス導管は通常
の排気ファンシステム（示されていない）に接続してい
る。ダクトバルブコントロール１０６は通常のダクトク
ロージャー部材（示されていない）に接続しており、そ
れは炉の加熱サイクルの間に開放から閉鎖位置に及び炉
の冷却段階の間に閉鎖位置から開放位置に回転すること
ができる。

【００５２】炉の操作の間、空気は炉を密閉しているキ
ャビネットを通って、導管１００及び１０２を通る排気
ダクトに絶えず引かれている。炉の加熱サイクルの間、
導管９８は閉じられて炉からの熱損失を防ぐ。加熱サイ
クルの後、コントロール１０６がダクトバルブを開放
し、導管９８を排気導管１０２の減圧に開放し、大気圧
が部材ベース５６（図１）又は５８（図１９及び２０）
の開口部を通ってて炉の底内に、炉の空間４０を貫通し
て、断熱板開口部９８（図６及び８）を通って、末端板
６６及び７０（図９）の開口部６８及び７０を通ってな
らびに排気導管又はダクト９０（図２４）内に空気を押
し込むようにする。この空気流は炉内部及び内容物を急
速に冷却する。

【００５３】炉排気ガス導管又はダクト９８は、冷却サ
イクルの間に排気から熱を除去するために通常の熱交換
器（示されていない）を備えていることができる。これ
はいくつかのシステムにおいて、廃ガスダクト中の熱的
に不安定なシール又は他の部材の存在の故に必要であり
得る。

【００５４】図２５及び２６は排気バルブシステムの別
の実施態様を示す。この実施態様において、図２５は開
放又は冷却サイクル位置における別のダクトバルブ構造
であり、図２６は閉鎖又は加熱サイクル位置において示
されている図２５の別のダクトバルブ構造である。この
実施態様の場合、中心排気板１３０は円板６２の上面と
一緒になって排気通路１３２を限定している。中心排気
板１３０の上部環状リム１３４は、向かい合った回転式
断熱キャップ１３８の環状くぼみ１３６と、キャップが
図２６に示される閉鎖位置に回転した場合にかみ合い、
シールを形成するように寸法が決められている。キャッ
プ１３８はシリカ−アルミナ複合材料などの通常の断熱
材料から作られる。回転式キャップ１３８は軸１４０の
回りで図２５に示される開放位置から図２６に示される
閉鎖位置に及びその逆に回転する。回転式キャップ１３
８は通常の油圧ピストン１４２の作動により開放及び閉
鎖位置から回転する。

【００５５】この実施態様の排気ダクトシステムは、設
備排気システムに通じるダクトと連結した排気開口部１
４６ならびにキャビネットの排気のために熱処理装置キ
ャビネットに通じる排気入り口開口部１４８を有する中
心ダクト部分１４４を含む。

【００５６】キャップ１３８が図２５に示される開放位
置にある場合、排気通路１３２は排気開口部１４６と連
結し、炉の内部を介して冷却空気を引く。キャップ１３
８の上面１５０は入り口排気ダクト１４８の封止面１５
２と接触しており、キャビネット排気ダクトを閉めてい
る。

【００５７】キャップ１３８が図２６に示される閉鎖位
置にある場合、炉を介する冷却空気流が停止され、炉の
反応領域に熱が適用され、保持される。同時にキャビネ
ット排気通路１４８が開放され、冷却空気を炉キャビネ
ットを介して排気中に引かれるようにし、熱及びキャビ
ネット内に逃げ得る水素などのガスを除去する。

【００５８】図２７は本発明の位相角制御システムによ
り与えられる電力の図であり、上のシグナルは全サイク
ルを介して電力を与えるための位相角制御を示し（すな
わち１００パーセント）、下のシグナルはそれぞれの３
６０度のサイクルの中の２つの９０度のセグメントを介
して電力を与えるための位相角制御（すなわち５０パー
セント）を示す。位相角制御は通常のケイ素制御整流
器、例えばＥｕｒｏｔｈｅｒｍからのＳＣＲ Ａｓｓｅ
ｍｂｌｙにより与えられ；通常の方法で送電回路に置か
れ；炉からの通常の温度フィードバックに応答性であ
る。本発明より前の半導体炉で用いられたシステムは、
４秒か又はそれ以上ものことがあり得る長いアップデー
トタイム（ｕｐｄａｔｅ ｔｉｍｅ）を有する一体サイ
クル制御を備えていた。先行技術の炉を用いて分解能を
向上させることはサイクル時間の延長を必要とした。本
発明の位相角制御実施態様の場合、６０Ｈｚの運転に関
して応答時間は８．３ミリ秒（ｍｓ）である。タイマー
ベース（ｔｉｍｅｒ ｂａｓｅ）を上げることにより向
上した分解能を得ることができ、応答時間は固定されて
いる。

【００５９】図１、１１及び１２のそれぞれの加熱部材
は、電力ターミナル４６の組の直列接続により接続され
てグループとなる。炉の好ましい実施態様は、表Ａに示
される通り、上から下への組の順序で９つのコイルの組
にグループ分けされた２６個のコイル３６を有する。

【００６０】

【表１】

【００６１】この実施態様の場合、コイルは上から下へ
の９つのハードウェア領域にグループ分けされ、各領域
は挙げられている数の隣接コイルを有する。加熱制御は
５つのソフトウェア加熱制御領域を有し、各領域は挙げ
られているハードウェア領域に付帯している。

【００６２】この位相角制御システムを用いると、各Ａ
Ｃサイクルにおいて部分電力が１／４０９６の分解能で
与えられる。種々のライン負荷量（ｌｉｎｅ ｌｏａｄ
ｓ）のための電気的ライン調整（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌ
ｉｎｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）及び出力電圧制御を有
する逓降変圧器は必要でない。

【００６３】図２８は、本発明の閉鎖ループ電力コント
ローラ実施態様を用いて選択することができる加熱コイ
ルの数種の別のグループ分けの略図である。この閉鎖ル
ープ電力コントローラ実施態様の場合、領域及びそれに
伴うコイルは可変であり、中心コントローラにより制御
される。図２８は、対にグループ分けされた２４個のコ
イルの１組に関する領域配置の４つの例を示している。
コントローラはこれらの例に対応する配置又は他の別の
配置を選ぶように働き、炉の種々の加熱段階の間に所望
の熱分布を得る。例１は反応器の上に向かって平らな加
熱温度領域を有し、例２は３つの制御領域のみを用い、
例３は中心により大きな平らな領域を有し、例４は中心
により小さい平らな領域を有する。

【００６４】これらの電力制御実施態様の場合、それぞ
れのトレー（ｔｒａｙ）のコイルを一緒に直列に接続
し、より大きなコイルグループを形成することができ
る。図１に示されている実施態様の場合、９つのコイル
グループを選ぶことができ、各コイルグループを１つの
ソリッドステート電力コントローラにより制御すること
ができる。ソリッドステート電力コントローラは各ＡＣ
サイクルにおける位相角を調節し、そのそれぞれのコイ
ルグループに送達される電力の量を調整する。ライン電
圧（ｌｉｎｅ ｖｏｌｔａｇｅ）をコイルグループの抵
抗に合わせるために、ソリッドステート電力コントロー
ラへの最大制御電圧を制限する。

【００６５】ソリッドステート電力コントローラへの制
御電圧は炉内の温度の関数である。コイルグループへの
電力を上げるために、制御電圧が上げられる。より高い
制御電圧はより大きな伝導角（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ
ａｎｇｌｅ）に変形され、抵抗コイルを横切るより高い
ＲＭＳに変形される。より高い電圧はより強い電流及び
コイルにより発生されるより高い熱に変形される。

【００６６】この電力システム及びその可変のコイル配
置実施態様の他の利点は、ソリッドステート電力のより
小さいフートプリント（ｆｏｏｔ ｐｒｉｎｔ）の故に
コイルグループの数を増加させることができることであ
る。コイルグループの数の増加はこれらの垂直炉をソフ
トウェアにより配置できるようにする。種々の電力密度
を炉の種々の部分に割り当て、種々の運転温度範囲、ラ
ンプ速度、冷却速度などを補償することができる。炉へ
の送電はサイクル平均法（通常の先行技術の炉における
４秒パルス）ではなく、すべてのＡＣサイクル（家庭用
６０Ｈｚの場合１２０Ｈｚ）を通じて成される。より円
滑でより速い応答が得られる。

【００６７】さらなる利点は、閉鎖ループ電力コントロ
ーラを用いてコイルグループに送達される電力を調整
し、入力線電圧変動及び負荷抵抗変化を補償することが
できることである。閉鎖ループ電力制御は、規則的炉温
度閉鎖ループ（ｒｅｇｕｌａｒｆｕｒｎａｃｅ ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ）内で行う
ことができる（カスケード制御（Ｃａｓｃａｄｅ ｃｏ
ｎｔｒｏｌ））。回路内に豊富なソリッドステートコン
トローラを置き、運転者の命令で不完全なソリッドステ
ートコントローラを置き換えるか又は迂回し、炉の信頼
性を増すことができる。

【００６８】さらに別の利点は、ソリッドステートコン
トローラを通る公称コイル電流があらかじめ決められた
閾値を越えて変化した場合に運転者に予測的コイル破損
警告を与えるこのシステムの能力である。

【００６９】上記の記載を見て、本発明の多数の修正及
び変形が可能であることは、当該技術分野における熟練
者に容易に明らかになるであろう。従って添付の特許請
求の範囲内で、本明細書に特定的に記載されている通り
以外に本発明を実行できることが理解されるべきであ
る。

【００７０】本発明の主たる特徴及び態様は以下の通り
である。

【００７１】１．反応管から離れた加熱手段の列内に置
かれた熱壁反応管、熱壁管の列とその間に冷却ガス通路
を規定する加熱手段の列の間の空間、排気導管、冷却ガ
ス入り口と連結している第１の端及び排気導管と連結し
ている第２の端を有する冷却ガス通路を含み、冷却ガス
が冷却ガス通路を通って排気導管に入り、それによって
炉から熱を除去することができる半導体ウェハーを処理
するための垂直急速加熱及び冷却炉。

【００７２】２．加熱手段の列が断熱材の円筒内に置か
れた円形加熱部材の軸的に同心の列を含み、ここで各加
熱部材は断熱材により支持されている電気的に独立した
コイルである上記１項に記載の炉。

【００７３】３．複数の加熱部材アンカーを含み、アン
カーのそれぞれは加熱部材と固定的に噛み合っている第
１の端及び断熱材のアンカー受容体と固定的に（ａｎｃ
ｌｉｏｒｉｎｇ）噛み合っている第２の端を有し、それ
により加熱部材が加熱膨張及び冷却収縮の間に断熱材内
のあらかじめ決められた位置にアンカーにより保持され
る上記２項に記載の炉。

【００７４】４．断熱材が断熱材の円形の環の軸的に同
心のスタックを含み、それぞれの円形の環の内面は加熱
部材を受容するように成形された少なくとも１つの環状
湾曲面を有する上記３項に記載の炉。

【００７５】５．断熱材の円形の環のそれぞれがそれぞ
れ上部及び下部積み重ね面を有し、上部及び下部積み重
ね面の少なくとも１つがその中に複数の加熱部材アンカ
ー受容体を有し、各アンカーの１端が加熱部材アンカー
受容体と固定的に噛み合って置かれ、各アンカーの他端
が加熱部材と固定的に噛み合っている上記４項に記載の
炉。

【００７６】６．各加熱部材受容体がＴ−形の溝を有
し、それぞれのアンカーの１端がＴ−形の溝内に受容さ
れるように寸法が決められたＴ形を有する上記５項に記
載の炉。

【００７７】７．炉がキャビネット内に収納されてお
り、キャビネットがガス排気導管と連結する開口部を有
し、それによりガスがキャビネットから除去されること
ができる上記１〜６項のいずれか１つに記載の炉。

【００７８】８．排気導管に伴うバルブ手段を含み、バ
ルブ手段は炉が加熱段階（ｈｅａｔｉｎｇ ｐｈａｓ
ｅ）にある時に排気導管と炉の冷却ガス通路の第２の端
の間の閉鎖連結及び排気導管とキャビネットの間の解放
連結のため；ならびに炉が冷却段階（ｃｏｏｌｉｎｇ
ｐｈａｓｅ）にある時に排気導管と炉の冷却ガス通路の
第２の端の間の解放連結及び排気導管とキャビネットの
間の閉鎖連結のためのものである上記７項に記載の炉。

【００７９】９．炉がその中に、実質的に同じ内径を有
する複数の環状同軸の離れた帯（ｓｐａｃｅｄ−ａｐａ
ｒｔ ｂａｎｄ）を含む熱処理ボートが配置されてお
り、各帯は上端面及び下端面を有し、隣接する帯の各組
の上の方の帯の下端面は各組の下の方の帯の上端面と向
かい合い、そこから約３．８〜１２．７ｍｍの帯間隔で
離れており、各帯はそれぞれの帯の上端面及び下端面か
ら実質的に同じ距離にウェハーを支持するように置かれ
たウェハー支持突起を有し、ここで各帯は、式： ［式中、Ｈｅｉｇｈｔ_Band≧ウェハーの厚さであり；Ｃ
ｏｌｕｍｎＨｅｉｇｈｔはｍｍにおける処理ボートの合
計の高さであり；ＢａｎｄＳｐａｃｉｎｇは隣接する帯
の間のｍｍにおける帯間隔であり；ＮｕｍｂｅｒＢａｎ
ｄｓは処理ボートにおける帯の合計数である］に従うｍ
ｍにおける高さ、Ｈｅｉｇｈｔ_Bandを有する上記１〜８
項のいずれか１つに記載の炉。

【００８０】１０．炉の１端が熱壁反応管により規定さ
れる体積からの熱損失を減少させるための円筒状断熱ブ
ロックを含む上記１〜９項のいずれか１つに記載の炉。

【００８１】１１．円筒状断熱ブロックと熱壁反応管の
間に置かれた炭化ケイ素円板を含む上記１０項に記載の
炉。

【００８２】１２．炉の上部が炉封止面を含み、炉封止
面と封止噛み合いを形成し、第１の位置にある時は加熱
サイクルの間に炉の上部を封止して断熱し、第２の位置
にある時は冷却サイクルの間に炉の上部を開放するよう
に寸法が決められ、且つ搭載されたキャップ封止面を有
する断熱キャップを炉が含む上記１〜１１項のいずれか
１つに記載の炉。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は炉内の処理位置に置かれたウェハーボー
トを有する本発明の炉の断面図である。

【図２】図２は装置が逆流反応で用いられる場合に用い
るための本発明の別の熱ブロック構造の端面図である。

【図３】図３は図２で線３−３に沿う別の熱ブロック構
造の断面図である。

【図４】図４は図２及び３に示されている別の熱ブロッ
クの等角図である。

【図５】図５は図１に示されている炉の水冷ジャケット
アセンブリの分解図である。

【図６】図６は本発明の加熱部材受容体、部材ベース及
び上部断熱板を示す炉アセンブリの断面図である。

【図７】図７は図６に示されている炉アセンブリのため
の上部断熱板の図である。

【図８】図８は図７に示されている断熱板の線８−８の
沿った断面図である。

【図９】図９は図１に示されている炉のための排気ガス
アセンブリの分解図である。

【図１０】図１０は図９に示されている末端板の断面図
である。

【図１１】図１１は本発明の加熱部材コイルの平面図で
ある。

【図１２】図１２は図１１に示されているコイル状加熱
部材のための電気コネクターの詳細図である。

【図１３】図１３は図６に示されているアセンブリの断
熱ブロックの平面図である。

【図１４】図１４は図１３の断熱ブロックの線１４−１
４に沿った断面図である。

【図１５】図１５は加熱部材アンカーくぼみの拡大図で
ある。

【図１６】図１６は図１３〜１４の断熱ブロックの等角
図である。

【図１７】図１７は加熱部材アンカーの平面図である。

【図１８】図１８は図１７の加熱部材アンカーの等角図
である。

【図１９】図１９は図９に示されている部材ベースの等
角図である。

【図２０】図２０は図１９に示されている部材ベースに
おけるスペーサーアセンブリの平面図である。

【図２１】図２１は図２０に示されているスペーサー
の、その中の線２１−２１に沿った断面図である。

【図２２】図２２は本発明の処理機で用いるための好ま
しいウェハーボートの１区画の等角図である。

【図２３】図２３は図２０のウェハーボートのウェハー
支持構造の部分等角図である。

【図２４】図２４は本発明の冷却ガス排気アセンブリの
等角図である。

【図２５】図２５は開放又は冷却サイクル位置における
別のダクトバルブ構造である。

【図２６】図２６は閉鎖又は加熱サイクル位置において
示されている図２５の別のダクトバルブ構造である。

【図２７】図２７は本発明の位相角制御システムにより
与えられる電力を示すグラフである。

【図２８】図２８は本発明の閉鎖ループ電力コントロー
ラ実施態様を用いて選択することができる加熱コイルの
数種の別のグループ分けの略図である。

フロントページの続き (72)発明者 テリー・エイ・コブル アメリカ合衆国カリフオルニア州92653ラ グナヒルズ・ローンエイカーズレイン 25701 (72)発明者 ジヨン・エイチ・パツク アメリカ合衆国カリフオルニア州91760ノ ーコ・カーセイドライブ1170 (72)発明者 マイケル・エイチ・ヤング アメリカ合衆国カリフオルニア州90703セ リトス・デステイノレイン13045

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応管から離れた加熱手段の列内に置か
   れた熱壁反応管、熱壁管とその間に冷却ガス通路を規定
   する加熱手段の列の間の空間、排気導管、冷却ガス入り
   口と連結している第１の端及び排気導管と連結している
   第２の端を有する冷却ガス通路を含み、それによって冷
   却ガスが冷却ガス通路を通って排気導管に入り、炉から
   熱を除去することができる半導体ウェハーを処理するた
   めの垂直急速加熱及び冷却炉。