JPH11204447A - 枚葉式の熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 処理済みの被処理体の温度を、搬出可能な温
度まで迅速に下げることができる枚葉式の熱処理装置を
提供する。 【解決手段】 枚葉式の熱処理装置において、下端に開
口部２を有する処理容器４と、この処理容器の天井部に
設けた加熱手段１８と、前記処理容器の上方に連通され
た被処理体Ｗの受渡室３０と、この受渡室に設けられ
て、前記被処理体を載置しつつこれを前記処理容器内に
昇降させる昇降載置台２０と、前記受渡室内に設けられ
て、処理済みの被処理体を降下させた時に前記開口部に
臨ませて輻射熱を遮断するための出没可能になされた熱
遮断シャッター部材５０とを備えるように構成する。こ
れにより、処理済みの被処理体の温度を、搬出可能な温
度まで迅速に下げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、枚葉式の熱処理装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、集積回路等の半導体装置を製造
するためには、半導体ウエハ等に、酸化、成膜、拡散、
アニール等の各種の熱処理が施される。この種の熱処理
を行なうためには、半導体ウエハサイズが小さい場合に
は一度に多数枚のウエハの熱処理を行なうバッチ式の処
理装置が用いられていたが、ウエハサイズが８インチ、
１２インチへと次第に大型化するに従って、処理の均一
性の確保が難しいバッチ式の処理装置から、一枚ずつウ
エハを高速で処理する枚葉式の熱処理装置が多用される
傾向になってきた。

【０００３】この枚葉式の熱処理装置の一例としては、
下端が開口された石英製の処理容器内に、その下方より
昇降可能な載置台に載置した半導体ウエハを導入し、こ
れを熱処理するようになっている。加熱源としては、処
理容器の天井部に、例えば発熱量の大きな面状ヒータを
配置しておき、これによりウエハを高速でプロセス温度
まで加熱昇温するようになっている。熱処理の種類にも
よるが、一般に、酸化処理を行なう場合には、Ｈ₂ Ｏ等
の所定の処理ガスの存在の基でウエハを例えば９００〜
１０５０℃程度まで加熱し、形成する酸化膜の膜厚にも
よるが、６０秒程度の酸化処理を行なう。そして、熱処
理が完了したならば、処理済みのウエハを処理容器の下
方へ降下させて、この状態でウエハを搬送が可能な温
度、例えば６００℃以下まで自然冷却するまで待機し、
搬送可能温度まで温度が下がったならば、装置外へウエ
ハを取り出すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の従
来の処理装置にあっては、処理容器の下方で処理済みの
ウエハが搬出可能な温度まで低下するまで待機する場
合、この上方に位置する処理容器自体からの輻射熱或い
は加熱ヒータからの輻射熱が待機中のウエハにかなり入
射するので、搬出可能温度まで温度が低下するまでにか
なりの時間を要し、スループットを低下させる原因とな
っていた。この輻射熱を低減させる手法として、処理容
器自体の高さを大きくして、熱源と待機中のウエハとの
間の距離を大きくすることも行なわれるているが、この
場合には、装置自体の高さが大型化してしまうという問
題があった。

【０００５】そこで、本出願人は、特開平５−２９９３
６９号公報において、処理容器の開口部の下方に複数段
の遮熱用シャッターを配置した構造の熱処理装置を提案
している。しかし、この装置は、処理空間内の熱容量が
変動することを主として抑制するものであり、待機中の
ウエハに入射する輻射熱を抑制するものではない。ま
た、上述したように熱容量の変動の抑制を目的としてい
ることから、シャッターを上下に複数段設けなければな
らず、装置の高さが大型化するという問題点を依然とし
て有していた。本発明は、以上のような問題点に着目
し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本
発明の目的は、処理済みの被処理体の温度を、搬出可能
な温度まで迅速に下げることができる枚葉式の熱処理装
置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、枚葉式の熱処理装置において、下端に
開口部を有する処理容器と、この処理容器の天井部に設
けた加熱手段と、前記処理容器の上方に連通された被処
理体の受渡室と、この受渡室に設けられて、前記被処理
体を載置しつつこれを前記処理容器内に昇降させる昇降
載置台と、前記受渡室内に設けられて、処理済みの被処
理体を降下させた時に前記開口部に臨ませて輻射熱を遮
断するための出没可能になされた熱遮断シャッター部材
とを備えるように構成したものである。

【０００７】これにより、処理容器内で所定の熱処理が
行なわれた被処理体は、昇降載置台を降下させることに
よって、処理容器の下方に連結された受渡室内に位置さ
せる。次に、この状態で、熱遮断シャッター部材を駆動
することによってこれを処理容器の開口部に臨ませるこ
とによって、被処理体の上方を覆い、高温状態の処理容
器や加熱手段からの輻射熱を遮断し、この輻射熱が被処
理体に届かないようにする。このように待機中の処理済
みの被処理体には、輻射熱が当たらないので、これを迅
速に搬出可能温度まで冷却することが可能となる。この
ことは、搬出可能温度までの冷却時間を同一とすると、
処理装置自体の高さを従来装置と比較して小さくできる
ことを意味する。

【０００８】この場合、熱遮断シャッター部材は、例え
ば水平旋回可能なされたシャッターアームと、これに保
持させた熱遮断板により形成することができる。熱遮断
板としては、耐熱性及び耐腐食性に優れて輻射熱を遮断
する例えば不透明石英板により形成することができる。
特に、この熱遮断板を所定ピッチで複数枚積層するよう
に構成すれば、熱遮断効率を一層高めることができる。
また、シャッターアーム自体に、冷媒通路を設けてこれ
に冷媒を流すように構成すれば、これに保持させている
熱遮断板自体も強制的に冷却することができるので、被
処理体の冷却を一層迅速に行なうことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る枚葉式の熱処
理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明に係る枚葉式の熱処理装置を示す断面構成図、
図２は熱遮断シャッター部材を示す拡大側面図、図３は
熱遮断シャッターを示す拡大平面図、図４はシャッター
アームに形成された冷媒通路を示す図である。ここでは
熱処理として被処理体としての半導体ウエハの表面に酸
化膜を形成する場合について説明する。

【００１０】図１に示すようにこの枚葉式の熱処理装置
は下端が開口された開口部２を備えた有天井の処理容器
４を有している。この処理容器４は天井部がドーム状に
成形されて下端が開放された筒体状の石英製外筒６と、
この内側に所定の間隙を隔てて同心状に配置された内筒
８により構成されている。外筒６の下端にはステンレス
製の筒体状のマニホールド７がシール部材９を介して連
結されており、この内壁面には支持部１０が内側へ突出
されてリング状に設けられており、これに上記内筒８の
下端を支持させている。また、内筒８の天井部にはガス
流入口１２が形成されており、処理容器４の下部側壁に
設けたガス導入ノズル１４から導入した処理ガス等を内
外筒８、６間の間隙を上方向へ導いて、このガス流入口
１２から内筒８内へ流下させるようになっている。

【００１１】また、マニホールド７の側壁には、ガス排
出ノズル１６が受けられており、これには図示しない真
空ポンプ等を介設した排気系が接続されて、処理容器４
内の雰囲気を排出できるようになっている。処理容器４
の上方には、加熱手段として平面状になされた面状発熱
体１８が設けられており、処理容器４内の昇降載置台２
０上に載置した被処理体としての半導体ウエハＷを加熱
し得るようになっている。この面状発熱体１８の直径
は、ウエハＷの直径よりも大きく設定されており、ウエ
ハＷの面内均一加熱を行なうようになっている。この面
状発熱体１８は、単位面積の発熱量が大きな２ケイ化モ
リブデンや、鉄、クロム、アルミニウムの合金よりなる
カンタル（商品名）を用いることができ、ウエハを迅速
に加熱し得るようになっている。

【００１２】また、外筒６の外側には、これより所定の
間隙だけ隔てて全体を囲むようにして例えば石英製の外
管２２が気密に設けられており、この下部に設けたパー
ジガス導入口２４からＯ₂ ガスやＨＣｌガス等のパージ
ガスを導入して反対側に設けたパージガス排出口２６か
ら排出するようになっている。このパージガスにより、
外部より侵入してくる重金属等の汚染物を排出して金属
コンタミを防止する。また更に、この外管２２の外側に
は、ドーム状にこの全体を覆うようにして例えばＳｉＣ
よりなるコンタミ防止壁２８が配置されており、この上
方に位置する面状発熱体１８に重金属等の汚染物質が含
まれていてもこれが処理容器４の内側へ原子レベルで侵
入することを防止するようになっている。

【００１３】一方、処理容器４の下端の開口部２には、
上記マニホールド７を介して半導体ウエハＷの受け渡し
を行なうための受渡室３０が処理容器４内に連通するよ
うに設けられる。この受渡室３０は、例えばアルミニウ
ムにより箱状に形成されており、この開口部のフランジ
部３４を、上記マニホールド７の下端のフランジ部３２
にＯリング等のシール部材３６を介して気密に接続され
ている。この受渡室３０内には処理容器４の軸心に位置
させて、前記昇降載置台２０が設けられている。この昇
降載置台２０は、受渡室３０の底部３８に例えば差動排
気ロッドシール４０を介して気密に昇降可能に設けられ
た石英製の昇降ロッド４２を有しており、この上端に３
本の石英製の分岐ロッド４４を介して石英製の載置板４
６を取り付けて構成されている。そして、この載置板４
６の上面周辺部に、例えば３本の石英製の支持ピン４８
を起立させて、この支持ピン４８に半導体ウエハＷを直
接支持させている。

【００１４】このようにウエハＷを面ではなく、複数点
で支持することにより、載置板４６に対してウエハＷの
偏当たりがなくなって、この面内均一加熱をより保証す
ることが可能となる。この昇降ロッド４２は、例えばボ
ールネジ等の昇降機構５１に連結されており、これを昇
降駆動させることにより、ウエハＷを処理容器４内に上
昇させてプロセスエリアに位置させ得るようになってい
る。そして、この受渡室３０内には、本発明の特徴とす
る熱遮断シャッター部材５０が設けられる。具体的に
は、この熱遮断シャッター部材５０は、シャッターアー
ム５２とこれに保持される熱遮断板５４により構成され
る。図２及び図３にも示されるようにこのシャッターア
ーム５２は、受渡室３０の底部３８にシール軸受５６を
介して気密に旋回可能に貫通させて設けた旋回軸５８の
上端に取り付けられており、シャッターアーム５２を、
昇降時のウエハと干渉しないように所定の角度θだけ水
平面内で旋回して待避できるようになっている。

【００１５】尚、受渡室３０の大きさは、シャッターア
ーム５２の旋回を許容できる程度に水平方向へ十分に大
きく形成されている。このシャッターアーム５２は、先
端側の面積を広くして、ここに上記ウエハＷと略同じ形
状の円板状の熱遮断板５４を載置している。このシャッ
ターアーム５２は、例えばアルミニウムやステンレスス
チールのような熱伝導性の良好な材料により一定の肉厚
をもって形成され、その表面には、セラミックコート或
いはＰＢＩのような耐熱樹脂コート等を施して耐熱性を
持たせてある。また、この肉厚なシャッターアーム５２
内には、図４にも示すように、このアームの略全域を通
るように冷媒通路６０が形成されており、この冷媒通路
６０は、上記旋回軸５８内を通って外部に引き出され
て、これに例えばチラーのような冷媒を流してシャッタ
ーアーム５２の全体を所定の温度まで冷却できるように
なっている。この冷媒通路６０を形成するにはシャッタ
ーアーム５２を厚み方向に２つ割りにして、この分割面
に通路用の溝を削り込んだ後に両者を接合すればよい。

【００１６】また、熱遮断板５４は、耐熱性及び耐腐食
性が良好で、しかも輻射熱を通さない材料、例えば内部
に多数の発泡を含んだ薄い不透明石英を用いることがで
きる。この熱遮断板５４の大きさは、この上方の処理容
器４や面状発熱体１８からの輻射熱がウエハに当たらな
いように少なくともウエハＷの直径よりも大きく設定す
ることが望ましい。また、ここでは、輻射熱に対する遮
断性を良好にするために、薄い熱遮断板５４を３枚用
い、これらの間にそれぞれ３個の石英製のスペーサ部材
６２を介在させて略等ピッチで積層固定されている。
尚、熱遮断板５４の枚数及び各板間のスペーサ部材６２
の数はこれに限定されない。

【００１７】ちなみに１２インチサイズのウエハＷを処
理する場合には、熱遮断板５４の直径Ｌ１は、４０〜５
０ｃｍ程度、各熱遮断板５４の厚みＬ２は２〜３ｍｍ程
度、各板間のピッチＬ３は５〜１０ｍｍ程度に設定する
のがよい。図１に戻って６４は、旋回軸５８を回転させ
る旋回モータである。また、この受渡室３０の側壁に
は、ゲートバルブ６６を介して、真空引き可能なロード
ロック室６８が設けられており、この中には、旋回及び
屈伸可能になされた多関節アームよりなる搬送アーム７
０が設けられて、受渡室３０内との間でウエハＷの受け
渡しを行なうようになっている。

【００１８】次に、以上のように構成された本発明装置
の動作について説明する。まず、ロードロック室６８内
の搬送アーム７０により、未処理の半導体ウエハＷを、
開放されたゲートバルブ６６を介して受渡室３０内に導
入し、これを図１に示すように下方へ降下されている昇
降載置台２０の載置板４６上に載置して受け渡す。

【００１９】次に、ゲートバルブ６６を閉じて受渡室３
０内を密閉すると共に熱遮断シャッター部材５０の旋回
モータ６４を駆動することにより、シャッターアーム５
２を図３の一点鎖線で示すように所定の角度θだけ旋回
させてこれをウエハＷの上方から退避させる。そして、
昇降機構５１を駆動することにより、昇降ロッド４２を
上昇させて、この上端の載置板４６上に保持してあるウ
エハＷを図５に示すように処理容器４内の所定のプロセ
スエリアに位置させる。

【００２０】この処理容器４内は、面状発熱体１８から
の放熱により、予め所定のプロセス温度、或いはそれに
近い温度まで加熱されており、プロセスエリアに位置づ
けされたウエハＷをプロセス温度に昇温維持しつつ、ガ
ス導入ノズル１４から所定の処理ガスを供給し、所定の
熱処理、例えば酸化処理を行なう。酸化処理を行なう時
には、例えばプロセス温度は９００〜１０５０℃程度の
範囲内であり、プロセス圧力は、例えば５０〜７６０Ｔ
ｏｒｒ程度の範囲内である。処理ガスとしては、Ｏ₂ ガ
ス、Ｈ₂ Ｏガス或いはＨＣｌとＨ₂ Ｏの混合ガス、また
はこの混合ガスにＮＨ₃ ガスを加えたガス等を用いるこ
とができ、これらを所定の流量で流す。

【００２１】面状発熱体１８は、単位面積当たりの発熱
量の大きな２ケイ化モリブデン等を用いているので、ウ
エハを迅速にプロセス温度まで加熱昇温し、この温度に
維持することができる。また、プロセス中においては、
外筒２２内には、所定量のＯ₂ やＨＣｌガス等のパージ
ガスを流しており、しかも、この外筒２２の外側には、
コンタミ防止壁２８を配置しているので、外部から例え
ば面状発熱体１８中に含まれている重金属原子が処理容
器４内へ侵入しようとしても、上記コンタミ防止壁２８
やパージガスによりこの重金属はトラップされてその侵
入を阻止でき、ウエハがコンタミ汚染されることを防止
することができる。

【００２２】このようにして、所定の時間、例えば形成
すべき酸化膜の厚さにもよるが、３０〜６０秒程度の間
だけ酸化処理を行なったならば、再度、昇降機構５１を
駆動して昇降ロッド４２を降下させて、図１に示すよう
に処理済みのウエハＷを処理容器４の下方の受渡室３０
内に位置させる。これと同時に、旋回モータ６４を再度
駆動することにより、旋回軸５８を角度θだけ逆回転さ
せて今まで退避させていたシャッターアーム５２と熱遮
断板５４を処理容器４の開口部２に臨ませて、これによ
り待機状態のウエハの上方を覆うようにして、ウエハ温
度が、例えば６００℃以下の搬出可能温度まで冷えるま
でここで待機させる。

【００２３】ここで、待機中のウエハＷに向けて、１０
５０℃程度の高温状態の面状発熱体１８や処理容器４か
らは輻射熱が放出されているが、この輻射熱はウエハＷ
の上方を覆うようにして設けられている熱遮断板５４に
より遮断されるので、ウエハＷには輻射熱が入り込ま
ず、従って、これを迅速に冷却することができる。この
場合、熱遮断板５４は、所定のピッチで多層配置されて
いるので、各熱遮断板５４の境界面で輻射熱が例えば上
方へ反射されることになり、ウエハＷに入る輻射熱を一
層抑制することができるので、その分、ウエハを迅速に
冷却することができる。

【００２４】また更に、ここでは熱遮断板５４を支持す
るシャッターアーム５２に冷媒通路６０を設け、これに
チラーのような冷媒を流してアーム自体を例えば１００
〜１５０℃程度に冷却するようにしたので、この冷却効
果により各熱遮断板５４も冷却されることになり、その
分、熱遮断板５４から放射される輻射熱が少なくなり、
更に、ウエハを迅速に搬出可能温度まで冷却することが
できる。特に、処理容器４内が常圧程度の雰囲気になっ
ている場合には、シャッターアーム５２で冷えた冷気が
対流によって下方のウエハを直接冷却するので、ウエハ
の一層迅速な冷却が可能となる。すなわち、シャッター
アーム５２内に冷媒を通すことにより、ウエハ温度を一
定温度まで再現性よく、よりすばやく冷却することがで
きる。

【００２５】このようにして搬出可能温度までウエハＷ
が冷却されると、前述したと逆の経路を経て、処理済み
のウエハＷはロードロック室６８内へ搬出されることに
なる。このように本発明では、熱処理後の待機状態のウ
エハ上に熱遮断板５４を位置させてウエハに入り込もう
とする輻射熱を遮断するようにしたので、ウエハＷを所
定の搬出可能温度まで迅速に冷却することができ、その
分、スループットを向上させることができる。

【００２６】また、所定の搬出可能温度までの待機時間
（冷却時間）を、熱遮断板を有していない従来装置と同
じと仮定した場合には、本発明装置では、熱遮断板で輻
射熱を遮断できる分だけ処理容器４の高さを小さくし
て、ウエハと面状発熱体１８との間を短くすることがで
き、その分、装置全体の高さを小さくしてこの装置の小
型化を図ることが可能となる。この点に関して、従来の
装置例では、処理容器の高さが略７００ｍｍ程度であっ
たが、本発明装置の場合には、略６００ｍｍ程度で済
み、略１００ｍｍ程度だけ処理容器の高さを小さくする
ことができた。また、このように処理容器の高さを小さ
くできると、この容積もその分、小さくできるので、真
空引きに要する時間も短くできる。

【００２７】ここでは、シャッターアーム５２を図３に
示すように角度θだけ旋回させて退避させるようにした
が、これに限定されず、例えばエアシリンダ等を用いて
熱遮断板５４を待機中の上に出没させるようにしてもよ
い。また、上記実施例では熱処理として、酸化処理を例
にとって説明したが、これに限定されず、熱拡散処理、
ＣＶＤ成膜処理、アニール処理等にも本発明装置を適用
することができる。そして、熱遮断板５４は、輻射熱を
遮断する構造なので、処理容器４内が常圧の場合は勿
論、真空雰囲気中の場合でも効率的にウエハの冷却が可
能である。また、ここでは処理容器として２重管構造の
ものを採用したが、これに限らず、単管構造のものでも
よい。更には、被処理体としては半導体ウエハに限定さ
れず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用できるのは勿
論である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の枚葉式の
熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮
することができる。処理済みの被処理体を受渡室内で待
機させて冷却する際に、この上方に熱遮断シャッター部
材を設けて被処理体に向かってくる輻射熱を遮断するよ
うにしたので、被処理体を搬出可能温度まで迅速に冷却
することができる。従って、その分、被処理体の熱処理
のスループットを向上させることができる。また、冷却
時間を同じと仮定した場合には、輻射熱を遮断できる分
だけ処理容器の高さを短かくでき、その分、装置の小型
化に寄与することができる。また、熱遮断シャッター部
材を構成する熱遮断板を所定のピッチで積層構造とする
ことにより、各熱遮断板の境界部分で輻射熱を反射する
ことができるので、その分、更に被処理体の迅速冷却が
可能となる。更に、熱遮断シャッター部材を構成するシ
ャッターアームの冷媒通路に冷媒を流してこれを冷却す
ることにより、一層、被処理体の迅速冷却が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る枚葉式の熱処理装置を示す断面構
成図である。

【図２】熱遮断シャッター部材を示す拡大側面図であ
る。

【図３】熱遮断シャッターを示す拡大平面図である。

【図４】シャッターアームに形成された冷媒通路を示す
図である。

【図５】昇降載置台を上昇させた時の熱処理装置を示す
断面構成図である。

【符号の説明】

２ 開口部 ４ 処理容器 ６ 外筒 ８ 内筒 １４ ガス導入ノズル １６ ガス排出ノズル １８ 面状発熱体（加熱手段） ２０ 昇降載置台 ３０ 受渡室 ４６ 載置板 ５０ 熱遮断シャッター部材 ５１ 昇降機構 ５２ シャッターアーム ５４ 熱遮断板 ５８ 旋回軸 ６０ 冷媒通路 ６２ スペーサ部材 Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｈ０１Ｌ 21/324 Ｇ Ｗ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下端に開口部を有する処理容器と、この
   処理容器の天井部に設けた加熱手段と、前記処理容器の
   上方に連通された被処理体の受渡室と、この受渡室に設
   けられて、前記被処理体を載置しつつこれを前記処理容
   器内に昇降させる昇降載置台と、前記受渡室内に設けら
   れて、処理済みの被処理体を降下させた時に前記開口部
   に臨ませて輻射熱を遮断するための出没可能になされた
   熱遮断シャッター部材とを備えたことを特徴とする枚葉
   式の熱処理装置。
2. 【請求項２】 前記熱遮断シャッター部材は、水平旋回
   可能になされたシャッターアームと、このアームに保持
   されている熱遮断板とよりなることを特徴とする請求項
   １記載の枚葉式の熱処理装置。
3. 【請求項３】 前記熱遮断板は、所定のピッチで複数枚
   積層されることを特徴とする請求項１または２記載の枚
   葉式の熱処理装置。
4. 【請求項４】 前記シャッターアームには、冷媒を流す
   ための冷媒通路が設けられていることを特徴とする請求
   項２または３記載の枚葉式の熱処理装置。
5. 【請求項５】 前記熱遮断板は、少なくとも前記被処理
   体の上方を覆うような大きさを有することを特徴とする
   請求項２乃至４のいずれかに記載の枚葉式の熱処理装
   置。
6. 【請求項６】 前記熱遮断板は、不透明石英板よりなる
   ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の枚
   葉式の熱処理装置。