JPH1041238A - 基板の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理炉内へ外気が流入したかどうかを熱処
理炉内のガスの酸素濃度の測定により敏感に検知でき、
基板の誤処理を防止できる熱処理方法を提供する。 【解決手段】 ガスサンプリング管５４の吸入口を、熱
処理炉１０内に収容された基板Ｗの炉口側先端位置と同
等もしくはその位置より炉口寄りに配置し、ガスサンプ
リング管内へ熱処理炉の炉口１２を通して外気が吸入さ
れないように、熱処理炉内から炉口を通して流出するパ
ージガスの流速とガスサンプリング管内へ吸入口を通し
て流入するガスの流量とを調整する。

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、例えばランプア
ニール装置などを使用して光照射などの加熱手段により
半導体ウエハ等の各種基板を１枚ずつ熱処理する基板の
熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板、例えば半導体ウエハを光照射など
の加熱手段によって加熱する熱処理装置は、図５に概略
側断面図を示したような構成を有している。図５に示し
た熱処理装置はランプアニール装置であり、半導体ウエ
ハＷの搬入およぴ搬出を行うための炉口１２が形成され
た炉口ブロック１４を前部側に有する熱処理炉１０を備
え、熱処理炉１０の上下方向にはそれぞれ、熱処理炉１
０の上壁面および下壁面に対向してハロゲンランプ、キ
セノンランプなどのランプ群からなる光照射用光源１６
が配設されている。

【０００３】熱処理炉１０の炉壁は、赤外線透過性を有
する、例えば、石英ガラスによって形成されている。熱
処理炉１０の炉口１２は、可動フランジ１８によって開
閉自在に閉塞される。可動フランジ１８の内面側には、
ウエハＷを水平姿勢に支持するサセプタ２０が一体的に
固着されている。そして、可動フランジ１８が水平方向
へ往復移動することにより、サセプタ２０に支持された
ウエハＷが熱処理炉１０内へ搬入されまた熱処理炉１０
内から搬出される。また、可動フランジ１８が熱処理炉
１０側へ移動して炉口ブロック１４の前面に当接するこ
とにより、炉口１２が塞がれるとともに、サセプタ２０
に支持されたウエハＷが熱処理炉１０内の所定位置に配
置されるようになっている。炉口ブロック１４には、熱
処理炉１０の炉口１２を可動フランジ１８で閉塞したと
きに熱処理炉１０の内部の気密性を高く保つためのＯ−
リング２２がそれぞれ取り付けられている。

【０００４】上下の光照射式光源１６の背後ならびに熱
処理炉１０の両側部および後部には、熱処理炉１０を取
り囲むようにリフレクタ（反射体）２４がそれぞれ配設
されている。それぞれのリフレクタ２４の内面側は、鏡
面研磨などが施されていて光を効率良く反射することが
できるようにされている。なお、光照射用光源１６は、
熱処理１０の上方側だけあるいは下方側だけに配設する
ようにしてもよい。

【０００５】このランプアニール装置では、熱処理炉１
０の内部が常圧に置かれた状態でウエハＷの熱処理が行
われるが、ランプアニール装置は、主としてメタルシリ
サイド形成や窒化チタン形成などの処理に用いられる。
このため、熱処理炉１０内部のガスの残留酸素濃度を、
前記各処理において要求される仕様である数ｐｐｍ以下
に低減させて保持する必要がある。そこで、熱処理炉１
０には、後部側にガス導入路２６が形設され、そのガス
導入路２６が処理ガス、例えば窒素ガスの供給源に流路
接続されており、熱処理炉１０の後部側から前部側の炉
口１２の方へ向かって窒素ガスを流すようにしている。
一方、熱処理炉１０の前部側の炉口ブロック１４にはガ
ス排気路２８が形成され、ガス排気路２８にガス排気用
配管３０が接続されている。

【０００６】上記したような構成のランプアニール装置
によりウエハＷの熱処理を行うときは、熱処理炉１０の
炉口１２側を開放させた状態で、ガス導入路２６を通し
て熱処理炉１０内へ窒素ガスを導入し、その窒素ガスを
熱処理炉１０の炉口１２から流出させながら、サセプタ
２０に支持されたウエハＷを熱処理炉１０内へ挿入す
る。炉口１２が可動フランジ１８によって閉塞される
と、ガス導入路２６を通して熱処理炉１０内へ窒素ガス
が導入され、熱処理炉１０内がパージされて、炉口ブロ
ック１４のガス排気路３０を通して排気される。そし
て、図示しないウエハ温度検知装置および温度コントロ
ーラにより、予めプログラムされた所望の温度にウエハ
Ｗが加熱されるように、上下の光照射用光源１６に電力
が供給され、ウエハＷが光照射加熱される。熱処理が終
了すると、ウエハＷは、熱処理炉１０内において所望の
温度にまで冷却され、その後に、可動フランジ１８が移
動して、炉口１２が開放されるとともに、サセプタ２０
に支持されたウエハＷが熱処理炉１０内から搬出され
る。

【０００７】このようなランプアニール装置では、上記
したように熱処理炉１０の内部のガスの残留酸素濃度を
低く保ち、熱処理炉１０内へ外気が巻き込まれるなどし
てガスの残留酸素濃度が許容値を上回ることがあれば、
ただちにウエハＷの加熱を停止して、ウエハＷの表面に
蒸着された金属材料の酸化を防止したりしなければなら
ない。このため、ランプアニール装置では、熱処理炉１
０内部のガスの酸素濃度を測定して、酸素濃度が所定値
以下になっているかどうかを監視するようにしている。

【０００８】熱処理炉１０の内部のガスの酸素濃度を測
定するには、例えば図５に示しているように、熱処理炉
１０の内部へガスサンプリング管３２を挿入する。そし
て、ガスサンプリング管３２に配管３４を通して流路接
続された酸素濃度測定装置３６を使用して、熱処理炉１
０内部のガスの酸素濃度を測定する。酸素濃度測定装置
３６は、吸引ポンプ３８、ニードルバルブ４０、流量計
４２および酸素濃度計４４を備えて構成され、吸引ポン
プ３８の吐出側には、バイパス排気管路４６が分岐して
設けられている。

【０００９】ところで、近年、８インチから１２インチ
へというように半導体ウエハの大口径化がますます進む
傾向にあり、このようなウエハの大口径化により、半導
体デバイスを製造するために必要なウエハ枚葉が減少す
ることになる。このため、１枚のウエハの誤処理が生産
計画や収益などに大きな影響を及ぼすことになるので、
熱処理炉１０の内部のガスの残留酸素濃度が許容値を上
回ることがないかどうかを正確に監視することが非常に
重要となる。この場合、熱処理炉１０の内部へ外気が巻
き込まれる可能性の最も高いのは、熱処理炉１０内への
ウエハＷの搬入および熱処理炉１０内からのウエハＷの
搬出に際して炉口１２を開放した時である。そのほか、
熱処理炉１０の炉口１２と可動フランジ１８との間のシ
ール部のリークによっても、熱処理炉１０内へ外気が流
入する可能性がある。したがって、熱処理炉１０内へ外
気が流入したかどうかを、酸素濃度計４４によるガスの
酸素濃度の測定によって敏感に検知するためには、ガス
の酸素濃度の測定点すなわちガスサンプリング管３２の
吸入口を炉口１２に近付ける必要がある。また、ガスサ
ンプリング管３２の吸入口を炉口１２に近付け、ガス導
入路２６を通して熱処理炉１０内へ導入され熱処理炉１
０内をパージする窒素ガスの流れの出来るだけ下流側で
ガスをサンプリングして、その残留酸素濃度を測定する
ようにすると、何らかの原因で熱処理炉１０内のガスの
酸素濃度が上昇したような場合において、その後に窒素
ガスにより熱処理炉１０内をパージした際に、熱処理炉
１０の内部全体でガスの残留酸素濃度が低下したかどう
かを正確に確認することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のラン
プアニール装置では、図５に示したように、吸引ポンプ
３８により、ガスサンプリング管３２を通して熱処理炉
１０内のガスを一定流量、例えば２ ｌ／ｍｉｎで吸引
し、ニードルバルブ４０を調節して全吸引量の一部のガ
ス、例えば２００ｍｌ ／ｍｉｎの流量のガスを酸素濃
度計４４へ導入し、残りの１，８００ｍｌ ／ｍｉｎの
流量のガスは、バイパス排気管路４６を通してそのまま
排出されるようになっていた。このように、従来のラン
プアニール装置は、吸引ポンプ３８の吸引量が固定され
ており、吸引ポンプ３８によって吸引されたガスのうち
測定に必要な量のガスだけを酸素濃度計４４へ流すよう
にしているので、ガスサンプリング管３２の吸引口へ吸
入されるガスの量が必要以上に多くなる。このため、熱
処理炉１０の炉口１２を開放した状態で、ガスサンプリ
ング管３２の吸引口を熱処理炉１０の炉口１２に近付け
ていくと、炉口１２を通って外気がガスサンプリング管
３２内へ吸い込まれ、酸素濃度計４４によって測定され
たガスの酸素濃度が急に上昇することになる。したがっ
て、従来のランプアニール装置では、ガスサンプリング
管３２内へ外気が吸い込まれないようにして、熱処理炉
１０内の雰囲気ガスだけがガスサンプリング管３２内へ
吸入されるように、ガスサンプリング管３２の吸入口の
位置を熱処理炉１０の炉口１２から比較的離すようにし
ていた。このため、従来のランプアニール装置では、酸
素濃度計４４によるガスの酸素濃度の測定により、熱処
理炉１０内へ外気が巻き込まれたかどうかを敏感に検知
することができなかった。また、何らかの原因で熱処理
炉１０内のガスの酸素濃度が上昇したような場合におい
て、その後に窒素ガスにより熱処理炉１０内をパージし
た際に、熱処理炉１０の内部全体でガスの残留酸素濃度
が低下したかどうかの確認を正確に行えなかった。

【００１１】この発明は、以上のような事情に鑑みてな
されたものであり、熱処理炉内のガスの酸素濃度の測定
により、熱処理炉内へ炉口を通し或いはシール部のリー
クによって外気が流入したかどうかを敏感に検知するこ
とができるとともに、熱処理炉の後部側から熱処理炉内
へパージガスを導入して熱処理炉内をパージしたとき
に、熱処理炉の内部全体でガスの残留酸素濃度が低下し
たかどうかの確認を正確に行うことができ、もって、基
板の誤処理を無くすることができる基板の熱処理方法を
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
基板の搬入および搬出を行うための炉口を有し基板を枚
葉で収容する熱処理炉内へパージガスを導入して、その
パージガスを熱処理炉内から前記炉口を通して流出させ
るとともに、前記熱処理炉の内部に開口した吸入口を有
するガスサンプリング管内へ熱処理炉内のガスを吸入し
て、そのガスの酸素濃度を測定しながら、前記熱処理炉
内へ前記炉口を通って基板を搬入し、その後に熱処理炉
の炉口を気密に閉塞して、基板を熱処理する基板の熱処
理方法において、前記ガスサンプリング管の吸入口を、
前記熱処理炉内に収容された基板の炉口側先端位置と同
等もしくはその位置より炉口寄りに配置し、前記ガスサ
ンプリング管内へ前記熱処理炉の前記炉口を通して外気
が吸入されないように、熱処理炉内から炉口を通して流
出するパージガスの流速とガスサンプリング管内へ吸入
口を通して流入するガスの流量とを調整することを特徴
とする。

【００１３】請求項２に係る発明は、請求項１記載の熱
処理方法において、ガスサンプリング管の吸入口の位置
を調節するようにすることを特徴とする。

【００１４】請求項１に係る発明の基板の熱処理方法で
は、ガスサンプリング管の吸入口が熱処理炉内の基板の
炉口側先端位置と同等もしくはその位置より炉口寄りに
配置されるので、熱処理炉内のガスの酸素濃度の測定に
より、熱処理炉内へ外気が流入したかどうかを敏感に検
知することが可能になる。また、何らかの原因で熱処理
炉内のガスの酸素濃度が上昇したような場合において、
その後にパージガスで熱処理炉内をパージした際に、熱
処理炉の内部全体でガスの残留酸素濃度が低下したかど
うかを正確に確認することが可能になる。そして、熱処
理炉内から炉口を通して流出するパージガスの流速とガ
スサンプリング管内へ吸入口を通して流入するガスの流
量とを調整して、ガスサンプリング管内へ熱処理炉の炉
口を通して外気が吸入されないようにされるので、測定
されたガスの酸素濃度がガスサンプリング管内への外気
の吸込みによって上昇するようなことは起こらない。

【００１５】請求項２に係る発明の熱処理方法では、ガ
スサンプリング管の吸入口の位置を、基板の大きさや熱
処理炉内部の圧力分布などの条件に応じて任意の位置に
変更することが可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の最良の実施形態
について図１ないし図４を参照しながら説明する。

【００１７】図１は、この発明に係る基板の熱処理方法
を実施するのに使用される熱処理装置（図示例のものは
ランプアニール装置）の構成の１例を示す概略側断面図
である。このランプアニール装置の主要部の構成自体
は、図５に示した装置と何ら異ならないので、その説明
を省略する。なお、図１中の４８は、熱処理炉１０の後
部側に形設されたガス導入路２６とパージガス、例えば
窒素ガスの供給源とを流路接続するパージガス供給配管
であり、このパージガス供給配管４８にはニードルバル
ブ５０および流量計５２が介設されている。窒素ガス供
給源からパージガス供給配管４８を通して熱処理炉１０
内へ導入されるパージガス流量は、例えば５〜６０ ｌ
／ｍｉｎ程度である。

【００１８】このランプアニール装置では、熱処理炉１
０の内部へ挿入されたガスサンプリング管５４の先端の
吸入口が、図２に平面横断面図を示すように、熱処理炉
１０内に収容された半導体ウエハＷの炉口１２側先端位
置と同等もしくはその位置より炉口１２寄りに配置され
る。そして、ガスサンプリング管５４の吸入口の位置
は、ウエハＷのサイズや熱処理炉１０内部の圧力分布な
どの条件に応じ、熱処理炉１０内に収容されたウエハＷ
の炉口１２側先端位置と炉口１２との間の範囲ｒ内にお
いて調節可能になっている。また、ガスサンプリング管
５４に配管５６を通して流路接続された酸素濃度測定装
置５８は、酸素濃度計６０、ニードルバルブ６２、流量
計６４および吸引ポンプ６６を直列的に流路接続して構
成されており、この酸素濃度測定装置５８では、吸引ポ
ンプ６６とガスサンプリング管５４との間に酸素濃度計
６０が介設されている。そして、酸素濃度計６０には、
例えば２００〜１，０００ｍｌ／ｍｉｎの流量のサンプ
ルガスが流されるようになっている。

【００１９】図１に示したような構成のランプアニール
装置を使用して半導体ウエハＷの熱処理を行う場合に
は、ガスサンプリング管５４の吸入口を、図２に示した
ようにウエハＷの炉口１２側先端位置と炉口１２との間
の範囲ｒ内に配置し、パージガス供給配管４８に設けら
れたニードルバルブ５０、および、酸素濃度測定装置５
８に設けられたニードルバルブ６２をそれぞれ調節し
て、熱処理炉１０の炉口１２が開放された状態において
ガスサンプリング管５４内へ炉口１２を通して外気が吸
入されないように、ガス導入路２６を通して熱処理炉１
０内へ導入する窒素ガスの流量、したがって熱処理炉１
０内から炉口１２を通して流出する窒素ガスの流速と、
ガスサンプリング管５４内へ吸入口を通して流入し酸素
濃度計６０に流されるサンプルガスの流量とを調整する
ようにする。このため、ガスサンプリング管５４の吸入
口の各位置ごとに、ガスサンプリング管５４内へ炉口１
２を通して外気が吸入されないパージガス流量とサンプ
ルガス流量とを、予め実験により求めておくようにす
る。

【００２０】そして、酸素濃度計６０により熱処理炉１
０内部のガスの酸素濃度を測定して、酸素濃度が所定値
以下になっているかどうかを監視しながら、可動フラン
ジ１８を熱処理炉１０の炉口ブロック１４に近付けるよ
うに移動させて、サセプタ２０に支持されたウエハＷを
熱処理炉１０内へ挿入し、炉口１２を可動フランジ１８
によって閉塞する。以後、従来のランプアニール装置と
同様にしてウエハＷの熱処理が行われるが、熱処理炉１
０内へのウエハＷの搬入時に熱処理炉１０内へ外気が巻
き込まれたり熱処理炉１０の炉口１２を閉塞した後に炉
口１２と可動フランジ１８との間のシール部のリークに
よって熱処理炉１０内へ外気が流入したりして、酸素濃
度計６０により測定されたガスの酸素濃度が許容値を上
回ることがあると、ただちにウエハＷの加熱を中止し、
ウエハＷの表面に蒸着された金属材料が酸化されたりす
ることがないようにする。また、酸素濃度計６０によっ
て測定された酸素濃度が許容値以下であっても、酸素濃
度の上昇が検知されたときは、熱処理炉１０内へ導入さ
れるパージガスの流量を増加させることにより、熱処理
炉１０内部のガスの酸素濃度を低下させて、酸素濃度が
常に所定値以下に保持されるようにしてもよい。

【００２１】なお、上記した実施形態では、熱処理炉１
０内へガスサンプリング管５４を挿入し、そのガスサン
プリング管５４の吸入口の位置を調節することができる
ようにしたが、図３に平面横断面図を示すように、熱処
理炉７０の側壁にガスサンプリング管７２を固設するよ
うにしてもよい。この場合にも、ガスサンプリング管７
２の、熱処理炉７０の内部に開口した吸入口７４は、熱
処理炉１０内に収容されたウエハＷの炉口側先端位置と
同等もしくはその位置より炉口寄りに設けるようにす
る。

【００２２】

【実施例】図１に示した構成のランプアニール装置を使
用し、熱処理炉１０の炉口１２を開放した状態におい
て、ガス導入路２６を通して熱処理炉１０内へ導入され
熱処理炉１０内をパージして炉口１２から流出するパー
ジガス（窒素ガス）の流速、および、ガスサンプリング
管５４内へ吸入されて酸素濃度計６０に流されるサンプ
ルガスの吸引量をそれぞれ種々に変更して、酸素濃度計
６０によりサンプルガスの酸素濃度を測定したときの実
験結果を図４に示す。この実験においては、ガスサンプ
リング管５４の吸入口を炉口１２から２５ｍｍだけ熱処
理炉１０内部へ入った位置に配置した。また、熱処理炉
１０の炉口１２の開口面積は６５ｃｍ₂（２．６ｃｍ×
２５ｃｍ）、熱処理炉１０の内容積は約２．２ ｌ（６
５ｃｍ₂×３３．４ｃｍ）であり、ガスサンプリング管
５４の吸入口の内径寸法は４ｍｍである。

【００２３】図４に示した結果より、ガスサンプリング
管５４の吸入口を炉口１２から２５ｍｍだけ内側に入っ
た位置に配置したときは、サンプルガス吸引量を１，０
００ｃｃ／ｍｉｎ以下にし、熱処理炉１０の炉口１２で
のパージガス流速を約７．７ｃｍ／ｓｅｃ以上（熱処理
炉１０内へ導入されるパージガスの流量を約３０ ｌ／
ｍｉｎ以上）にすれば、ガスサンプリング管５４内へ炉
口１２を通して外気が吸入されることによる酸素濃度の
上昇を防止できることが分かる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１に係る発明の基板の熱処理方法
によれば、熱処理炉内への基板の搬入時に炉口を通して
熱処理炉内へ外気が巻き込まれたり熱処理炉の炉口の閉
塞時にシール部のリークによって熱処理炉内へ外気が流
入したりしたかどうかを、熱処理炉内のガスの酸素濃度
を測定することにより敏感に検知することができ、ま
た、熱処理炉の後部側から熱処理炉内へパージガスを導
入して熱処理炉内をパージしたときに、熱処理炉の内部
全体でガスの残留酸素濃度が低下したかどうかを正確に
確認することができるため、熱処理炉内部のガスの残留
酸素濃度が許容値を上回った状態で基板を誤処理する、
といった心配が無くなる。

【００２５】請求項２に係る発明の熱処理方法では、基
板の大きさや熱処理炉内部の圧力分布などの条件に応じ
てガスサンプリング管の吸入口の位置が任意に変えられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る基板の熱処理方法を実施するの
に使用される熱処理装置の構成の１例を示す概略側断面
図である。

【図２】図１に示した装置の概略平面横断面図である。

【図３】図１および図２に示した装置と異なる構成例を
示し、熱処理炉の概略平面横断面図である。

【図４】図１および図２に示した装置において、熱処理
炉内へ導入され熱処理炉内をパージして炉口から流出す
るパージガスの流速とガスサンプリング管内へ吸入され
るサンプルガスの吸引量とをそれぞれ種々に変えたとき
の、熱処理炉内部のガスの酸素濃度の変化を示す図であ
る。

【図５】従来の基板の熱処理方法を実施するのに使用さ
れる熱処理装置の構成の１例を示す概略側断面図であ
る。

【符号の説明】

１０、７０ 熱処理炉 １２ 熱処理炉の炉口 １４ 炉口ブロック １６ 光照射用光源 １８ 可動フランジ ２０ サセプタ ２６ ガス導入路 ２８ ガス排気路 ４８ パージガス供給配管 ５０、６２ ニードルバルブ ５２、６４ 流量計 ５４、７２ ガスサンプリング管 ５８ 酸素濃度測定装置 ６０ 酸素濃度計 ６６ 吸引ポンプ Ｗ 半導体ウエハ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の搬入および搬出を行うための炉口
   を有し基板を枚葉で収容する熱処理炉内へパージガスを
   導入して、そのパージガスを熱処理炉内から前記炉口を
   通して流出させるとともに、前記熱処理炉の内部に開口
   した吸入口を有するガスサンプリング管内へ熱処理炉内
   のガスを吸入して、そのガスの酸素濃度を測定しなが
   ら、前記熱処理炉内へ前記炉口を通って基板を搬入し、
   その後に熱処理炉の炉口を気密に閉塞して、基板を熱処
   理する基板の熱処理方法において、 前記ガスサンプリング管の吸入口を、前記熱処理炉内に
   収容された基板の炉口側先端位置と同等もしくはその位
   置より炉口寄りに配置し、前記ガスサンプリング管内へ
   前記熱処理炉の前記炉口を通して外気が吸入されないよ
   うに、熱処理炉内から炉口を通して流出するパージガス
   の流速とガスサンプリング管内へ吸入口を通して流入す
   るガスの流量とを調整することを特徴とする基板の熱処
   理方法。
2. 【請求項２】 ガスサンプリング管の吸入口の位置を調
   節する請求項１記載の基板の熱処理方法。