JPH11260738A - 真空熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】短時間で超高真空雰囲気にできる真空熱処理装
置を提供する。 【解決手段】本発明の真空熱処理装置１は、熱処理室１
２に接続された第２のロードロック室３２の前室に第１
のロードロック室３１が設けられており、その第１のロ
ードロック室３１に移載室２５が接続されている。第１
の真空ロードロック室３１には加熱手段２４が設けられ
ており処理対象物１７を加熱できるように構成されてい
るので、移載室２５から第１のロードロック室３１内に
水分が侵入しても、熱処理室１２内には水分が侵入せ
ず、超高真空雰囲気にするまでの真空排気時間が短くて
済む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空雰囲気内で処理
対象物の熱処理を行う真空技術にかかり、特に、超高真
空雰囲気を必要とする真空熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体ウェハ等の処理対象物
を真空雰囲気中で熱処理するためには、熱処理室内に処
理対象物を１００枚程度収容し、一括処理を行うバッチ
方式の装置が主流となっている。そのような真空熱処理
装置のうち、従来技術のものについて図４を参照しなが
ら説明する。

【０００３】図４の符号１０１は、従来の真空熱処理装
置の一例であり、処理対象物(Ｓｉウェハ)上にＳｉエピ
タキシャル層を成長させるための装置である。

【０００４】この真空熱処理装置１０１は、石英チュー
ブから成る熱処理室１１２と、熱処理室１１２周囲に配
置された発熱体１１５と、熱処理室１１２に気密に接続
されたロードロック室１３２と、ロードロック室１３２
にゲートバルブ１２２を介して接続された移載室１２１
とを有している。

【０００５】熱処理室１１２とロードロック室１３２と
には、真空ポンプ１１４、１１９がそれぞれ接続されて
おり、また、熱処理室１１２とロードロック室１３２と
の間には図示しないゲートバルブが設けられており、こ
の真空熱処理装置１０１を使用する場合には、そのゲー
トバルブと上記ゲートバルブ１２２とを閉じ、真空ポン
プ１１４、１１９を起動して、予め、熱処理室１１２内
とロードロック室１３２内とを個別に真空排気してお
く。このとき、発熱体１１５に通電して熱処理室１１２
を昇温させておく。

【０００６】熱処理室１１２内とロードロック室１３２
内がそれぞれ高真空雰囲気に達した後、移載室１２５に
設けられた扉１２１を開け、内部を大気に開放する。

【０００７】その状態で処理対象物１１７を移載室１２
５内に搬入し、扉１２１を閉じ、移載室１２１内に設け
られた移載機によって、移載室１２１内に配置されたボ
ード１１６上に処理対象物１１７を移載する。

【０００８】このとき、ロードロック室１３２内に窒素
ガスを導入し、ロードロック室１３２内の内部圧力が大
気圧に達し、また、移載室１２１内での処理対象物１１
７の移載が完了した後、ゲートバルブ１２２を開け、処
理対象物１１７が搭載されたボート１１６をロードロッ
ク室１３２内に搬入する。

【０００９】ゲートバルブ１２２を閉じた後、ロードロ
ック室１３２内に充満する窒素ガスを真空排気し、内部
が高真空状態に達した後、ロードロック室１３２と熱処
理室１１２との間のゲートバルブを開け、処理対象物１
１７が搭載されたボート１１６を熱処理室１１２に搬入
する。

【００１０】ゲートバルブを閉じた後、発熱体１１５へ
の通電量を増加させ、処理対象物１１７を加熱する。処
理対象物１１７が所定温度(８００℃〜９００℃)に達し
た後、熱処理室１１２内に水素ガスを導入し、処理対象
物１１７表面の自然酸化膜を除去する。

【００１１】次いで、発熱体１１５への通電量を制御
し、処理対象物１１７を所定温度(５００℃〜１２００
℃：ここでは７００℃)に設定した状態で、熱処理室１
１２内に薄膜の原料ガスを導入し、ＣＶＤ反応により、
処理対象物１１７表面にＳｉエピタキシャル層を成長さ
せる。

【００１２】上記のような真空熱処理装置１０１では、
処理対象物１１７が水平な状態でＳｉエピタキシャル層
が成長することから、膜厚が均一なＳｉエピタキシャル
層を得ることが可能となっている。

【００１３】ところで、高品質のＳｉエピタキシャル層
を成長させるためには、熱処理室１１２内の水分量をで
きるだけ低下させることが望ましく、そのため、熱処理
室１１２内の全圧を超高真空雰囲気程度になるまで真空
排気した後、ＣＶＤ反応を行うことが必要になる。

【００１４】図５のグラフに、温度７００℃での全圧と
水分分圧の関係を示す。このグラフの横軸は全圧、縦軸
は水分分圧を示しており、水分分圧を１．５×１０^-6Ｐ
ａにするためには、全圧を３×１０^-6Ｐａ程度の超高真
空雰囲気にする必要があることがわかる。

【００１５】ところが、Ｓｉバイポーラトランジスタで
は、オートドーピングを抑制し、素子の高速化をはかる
ため、できるだけ低温でエピタキシャル成長をさせたい
という要求がある。

【００１６】図６のグラフに、Ｓｉエピタキシャル層の
成長温度と水分分圧との関係を示す。このグラフは、Ne
w York市大学のG.Ghidini らによる測定結果であり、横
軸は温度Ｔの逆数に１０００を乗じた値、縦軸は水分の
分圧を示している。ここで９００℃以上の水分の分圧は
予想値である。

【００１７】このグラフ中で、領域Ａは高品質のＳｉエ
ピタキシャル層(Oxide Free Silicon)が得られる水分分
圧及び温度の範囲であり、領域Ｂは低品質のＳｉエピタ
キシャル層(Oxidation Silicon)しか得られない範囲で
ある。

【００１８】高品質のＳｉエピタキシャル層を得るため
に、領域Ａの範囲でＣＶＤ反応を行おうとする場合、低
温で成長させようとする程、水分分圧を低くする必要が
あり、従って、そのような低い水分分圧が得られまで全
圧も低くする必要がある。

【００１９】例えば７００℃程度の低温で成長させたい
場合には、水分分圧を１．５×１０^-6Ｐａ程度にする必
要があることから、熱処理室１１２内は、少なくとも圧
力３×１０^-6Ｐａ以下の超高真空雰囲気にする必要があ
ることがわかる。

【００２０】上記従来技術の真空熱処理装置１０１で
も、熱処理室１１２内は圧力３×１０^-6Ｐａ以下まで真
空排気しており、従って、成長温度７００℃で高品質の
Ｓｉエピタキシャル層が得られている。

【００２１】しかしながら移載室１２５内に大気が充満
した状態で、ロードロック室１３２が移載室１２５に接
続されるため、ボート１１６の移動と共に、ロードロッ
ク室１３２内に若干の大気が侵入し、大気中の水分が、
ロードロック室１３２の壁面に吸着しており、その状態
のロードロック室１３２内を熱処理室１１２と同程度の
高真空雰囲気にするため、真空排気に長時間を要してい
る。

【００２２】例えばロードロック室１３２内を１×１０
^-7Ｐａ台の超高真空雰囲気にしようとすると、１時間程
度の排気時間では到底足りず、逆に１時間程度の排気で
はロードロック室１３２内を１×１０^-4Ｐａ程度の真空
状態にすることしかできない。

【００２３】更に、水分が吸着した状態の処理対象物１
１７やボード１１６が熱処理室１１２内に搬入されるた
め、そこから脱離した水分が熱処理室１１２の雰囲気中
に混入し、熱処理室１１２内の圧力を上昇させてしま
う。従って、熱処理室１１２内を超高真空雰囲気に復帰
させるためにも真空排気時間が必要になるという問題が
ある。

【００２４】近年、増々低温でエピタキシャル成長を行
いたいという要求があり、特に、Ｓｉバイポーラトラン
ジスタでは、５５０℃程度の低温での成長が求められて
いるが、上記従来技術の真空熱処理装置１０１では、真
空排気時間が長時間になり過ぎるため、対応が困難にな
っていた。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、熱処理室を短時間で超高真空雰囲気にでき、生
産性が高い真空熱処理装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、処理対象物を搬入できるよ
うに構成された移載室と、前記移載室に開閉可能なゲー
トバルブを介して接続された第１のロードロック室と、
前記第１のロードロック室に開閉可能なゲートバルブを
介して接続された第２のロードロック室と、前記第２の
ロードロック室に接続され、搬入された処理対象物を熱
処理できるように構成された熱処理室とを有し、前記第
１、第２のロードロック室は真空排気可能に構成され、
前記第１のロードロック室には、気体を導入できるガス
導入管が設けられ、前記第１のロードロック室に前記気
体を充満させた後、前記移載室と前記第１のロードロッ
ク室とを接続できるように構成されたことを特徴とす
る。

【００２７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の真
空熱処理装置であって、前記気体として窒素ガスが用い
られたことを特徴とする。

【００２８】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の真空熱処理装置であって、前
記第１のロードロック室には加熱手段が設けられたこと
を特徴とする。

【００２９】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれか１項記載の真空熱処理装置であって、前
記熱処理室は、搬入された処理対象物を加熱しながら薄
膜の原料ガスを導入できるように構成されたことを特徴
とする。

【００３０】本発明は、上述のように構成されており、
処理対象物を搬入出するための移載室と、その移載室
に、開閉可能なゲートバルブを介して接続された第１の
ロードロック室と、同様に、その第１のロードロック室
に、開閉可能なゲートバルブを介して接続された第２の
ロードロック室とを有しており、第２のロードロック室
には、搬入された処理対象物を熱処理する熱処理室が接
続されている。

【００３１】そして、第１、第２のロードロック室は、
それぞれ独立に真空排気可能に構成されており、第１の
ロードロック室には、気体を導入できるガス導入管が設
けられている。

【００３２】第１のロードロック室には加熱手段が設け
られており、予め真空排気しながら第１のロードロック
室内を加熱し、壁面等に吸着した水分を放出させておく
と、第１のロードロック室内と第２のロードロック室内
とを接続したときに、第２のロードロック室内に水分が
侵入しなくなる。

【００３３】また、予め第１のロードロック室内で処理
対象物を加熱し、水分を放出させた後、第２のロードロ
ック室内に搬入するようにすると、第２のロードロック
室内や熱処理室内の真空雰囲気は悪化しなくなるため、
真空排気時間を短縮化できる。

【００３４】特に、熱処理室が、搬入された処理対象物
を加熱しながら原料ガスを導入し、処理対象物表面に薄
膜を形成するように構成されている場合には、熱処理室
内に水分が侵入しないため、薄膜形成温度を低下させる
ことが可能となる。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態にかか
る真空熱処理装置１の断面図である。この真空熱処理装
置１は、石英チューブから成る熱処理室１２と、第１の
ロードロック室３１と、第２のロードロック室３２と、
移載室２５とを有している。

【００３６】移載室２５と、第１のロードロック室３１
と、第２のロードロック室３２とはこの順序で設置され
ており、各室２５、３１、３２は、ゲートバルブ２２、
２３を介してそれぞれ接続されている。

【００３７】熱処理室１２は、一端が封止され、他端が
開放されており、略垂直にされた状態で、開放部分側が
第２のロードロック室３２に気密に取り付けられてい
る。そして、熱処理室１２と第２のロードロック室３２
との間には図示しないゲートバルブが設けられており、
該ゲートバルブを開けると内部が接続されるように構成
されている。

【００３８】第１、第２のロードロック室３１、３２
と、熱処理室１２には、真空ポンプ４１〜４３がそれぞ
れ接続されており、各室３１、３２、１２内を真空排気
できるように構成されている。

【００３９】上記の構成の真空熱処理装置１を用いて、
Ｓｉウェハ等の処理対象物表面にＳｉエピタキシャル層
を成長させる工程について説明する。

【００４０】先ず、熱処理室１２と第２のロードロック
室３２の間ゲートバルブを含む各ゲートバルブ２２、２
３を閉じ、各真空ポンプ４１〜４３を起動し、第１、第
２のロードロック室３１、３２内と熱処理室１２内を個
別に真空排気する。

【００４１】熱処理室１２の周囲には発熱体１５が設け
られており、各室３１、３２、１２内を真空排気しなが
ら発熱体１５に通電し、熱処理室１２を昇温させてお
く。

【００４２】第１のロードロック室３１には、ガス導入
管２８が設けられている。移載室２５内には図示しない
移載機が設けられており、薬品洗浄された処理対象物１
７を搬入する。

【００４３】移載室２５内にはボード１６が配置されて
おり、その移載機によって処理対象物１７をボード１６
上に移載する。

【００４４】このとき、第１のロードロック室３１に窒
素ガスを導入し、大気圧に復圧させておき、ゲートバル
ブ２２を開け、処理対象物１７が搭載されたボード１６
を移載室２５内から第１のロードロック室３１内に搬送
する。

【００４５】そして直ちにゲートバルブ２２を閉じ、第
１のロードロック室３１内への窒素ガスの導入を停止し
た後、内部を真空排気する。

【００４６】第１のロードロック室３１にはランプヒー
タから成る加熱手段２４が設けられており、第１のロー
ドロック室３１内の圧力が１×１０^-4Ｐａに到達した
後、加熱手段２４に通電し、処理対象物１７及び第１の
ロードロック室３１の内壁面を加熱し、処理対象物１７
を、酸化が進行しない４００℃程度の温度まで昇温さ
せ、処理対象物１７に吸着していた水分(及び第１のロ
ードロック室３１内壁面とボード１６に吸着していた水
分)を放出させる。

【００４７】それとは別に、予め第２のロードロック室
３２内を１×１０^-7Ｐａ程度の圧力まで真空排気してお
き、上記予備加熱が終了し、第１のロードロック室３１
内が第２のロードロック室３２内と同程度の高真空雰囲
気まで真空排気された後、第１、第２のロードロック室
３１、３２間のゲートバルブ２３を開け、ボート１６を
第２のロードロック室３２内に搬入する。

【００４８】その場合、水分が脱離された状態で第１、
第２のロードロック室３１、３２内が接続され、処理対
象物１７の搬入が行われるので、第２のロードロック室
３２内に水分が侵入することはない。

【００４９】従って、第２のロードロック室３２内の圧
力上昇は僅かであり、高真空雰囲気にするまでの排気時
間は非常に短くて済む。

【００５０】具体的に説明すると、図２は、上記従来の
真空熱処理装置１０１と本実施形態の真空熱処理装置１
の、熱処理室１１２、１２前段のロードロック室１３
２、３２についての、排気時間と圧力の関係を示すグラ
フである。

【００５１】図中で横軸は排気時間を、縦軸は圧力を示
している。曲線ｖ₁は従来のシングルロードロック型の
真空熱処理装置１０１の測定結果を示し、曲線ｖ₂は本
実施形態のダブルロードロック型の真空熱処理装置１の
測定結果をそれぞれ示している。

【００５２】曲線ｖ₁によると、従来の真空熱処理装置
１０１のロードロック室１３２内は、６０分の真空排気
時間では１×１０^-4Ｐａ程度の圧力にしかならないが、
曲線ｖ₂によると、本実施形態の真空熱処理装置１の第
２のロードロック室３２では、１０分間の真空排気時間
で、既に１×１０^-5Ｐａ以下の圧力に到達している。更
に真空排気を継続した場合、排気開始から３１分間の真
空排気時間で１×１０^-6Ｐａ以下の圧力に到達し、５０
分間の真空排気時間で１×１０^-7Ｐａという超高真空状
態の圧力に到達している。

【００５３】以上のように、本実施形態の真空熱処理装
置１は、従来技術に比してきわめて第２のロードロック
室３２内を超高真空状態にできることが分かる。

【００５４】ところで、ボード１６を搬入した状態で第
２のロードロック室３２内を真空排気している際には、
熱処理室１２内を１×１０^-7Ｐａ〜１×１０^-8Ｐａ程度
の超高真空雰囲気にしておき、第２のロードロック室３
２内が１×１０^-7Ｐａの真空雰囲気に到達すると、熱処
理室１２と第２のロードロック室３２の間のゲートバル
ブを開け、ボートローダ２９を上昇させ、ボート１６に
搭載された状態で処理対象物１７を熱処理室１２内に搬
入する。

【００５５】次いで、第２のロードロック室３２との間
のゲートバルブを閉じると、ボード１６の挿入によって
熱処理室１２内の圧力は上昇するが、処理対象物１７の
水分は脱離されており、第２のロードロック室３２から
の水分の侵入も僅かであるため、短い真空排気時間で超
高真空雰囲気に復帰する。

【００５６】図３は、従来のシングルロードロック型の
真空熱処理装置１０１と、本実施形態のダブルロードロ
ック型の真空熱処理装置１について、処理対象物１７を
搬入した後の、熱処理室１１２、１２の真空排気時間と
圧力の関係を示すグラフである。横軸は真空排気時間
を、縦軸は圧力であり、曲線ｗ₁は従来の真空熱処理装
置１０１の測定結果、曲線ｗ₂は本実施形態の真空熱処
理装置１の測定結果を示している。

【００５７】曲線ｗ₁より、従来の真空熱処理装置１０
１では、６０分間真空排気しても１×１０^-5Ｐａ程度の
圧力までしか到達できないことがわかる。それに対し、
曲線ｗ₂より、本実施形態の真空熱処理装置１では、１
０分間の真空排気により、１×１０^-7Ｐａ以下という超
高真空雰囲気の圧力に到達できることがわかる。

【００５８】このように、処理対象物１７が搬入された
熱処理室１２内を超高真空状態にした後、発熱体１５へ
の通電量を増加させ、処理対象物１７を昇温させる。処
理対象物１７の温度が８００℃から９００℃に達したと
ころで、熱処理室１２内に水素ガスを導入し、処理対象
物１７表面の自然酸化膜を除去する。

【００５９】次いで、発熱体１５への通電量を制御し、
処理対象物１７の温度を７００℃の一定温度にした後、
熱処理室１２内にＳｉエピタキシャル層の原料ガスを導
入し、ＣＶＤ反応により、処理対象物１７表面にＳｉエ
ピタキシャル層を成長させる。

【００６０】所定時間が経過し、Ｓｉエピタキシャル層
が所望の厚さに形成されたら、原料ガス導入を終了し、
熱処理室１２と第２のロードロック室３２の間のゲート
バルブを開け、ボートローダ２９を降下させ、第２のロ
ードロック室３２内にボート１６を搬入する。

【００６１】次いで、そのゲートバルブを閉じ、第１、
第２のロードロック室３１、３２間のゲートバルブ２３
を開け、第１のロードロック室３１内にボート１６を搬
入する。

【００６２】ゲートバルブ２３を閉じた後、第１のロー
ドロック室３１内に窒素ガスを導入し、内部が大気圧に
復圧したところで、第１のロードロック室３１と移載室
２５との間のゲートバルブ２２を開け、移載室２５内に
ボート１６を搬入する。次に、移載室２５内に配置され
た移載機により、ボード１６に搭載された処理対象物１
７を取り外した後、Ｓｉエピタキシャル層が形成された
処理対象物１７を真空熱処理装置１外に搬出する。

【００６３】以上のように、本実施形態の真空熱処理装
置１によれば、第２のロードロック室３２内や熱処理室
１２内を超高真空雰囲気まで真空排気する時間が短いの
で、プロセスに要する時間を大幅に短縮することが可能
になっている。

【００６４】また、熱処理室１２内には水分が持ち込ま
れないので、低温でＳｉエピタキシャル層を成長させる
ことが可能となる。

【００６５】なお、処理対象物１７が搭載されたボード
１６を、第２のロードロック室３２から熱処理室１２内
に搬送する際、熱処理室１２内と第２のロードロック室
３２内に水素ガスを導入させると、処理対象物１７表面
の自然酸化膜を除去する時間が短縮するので、プロセス
に要する時間が一層短縮する。

【００６６】上記の真空熱処理装置１では、第１のロー
ドロック室３１内に窒素ガスを導入したが、本発明は窒
素ガスに限定されるものではなく、例えばアルゴンガス
などの不活性であって乾燥したガスを広く用いることが
できる。

【００６７】更に、上記真空熱処理装置１ではＳｉエピ
タキシャル層を成長させたが、本発明はそれに限定され
るものではなく、ＳｉＧｅエピタキシャル成長、選択エ
ピタキシャル成長、粗面ポリシリコンの成長、ＳＯＩ製
造等の薄膜成長に用いることができる。

【００６８】更にまた、本発明は薄膜成長に限らず、真
空雰囲気下で処理対象物を熱処理する装置であればどの
ような真空熱処理装置にも適用可能である。

【００６９】

【発明の効果】熱処理室内やロードロック室内に水分が
持ち込まれないので、真空排気に要する時間が短かくな
る。低温でのエピタキシャル成長が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空熱処理装置の一例を示す断面図

【図２】本発明の真空熱処理装置と従来の真空熱処理装
置の、ロードロック室の排気時間を比較したグラフ

【図３】本発明の真空熱処理装置と従来の真空熱処理装
置の、熱処理室の排気時間を比較したグラフ

【図４】従来技術の真空熱処理装置の一例を示す断面図

【図５】７００℃における熱処理室内の全圧と水分分圧
との関係を示すグラフ

【図６】Ｓｉエピタキシャル層の成長温度と水分分圧と
の関係を示すグラフ

【符号の説明】

１……真空熱処理装置 １２……熱処理室 １７……処
理対象物 ２４……加熱手段 ２５……移載室
３１……第１のロードロック室 ３２……第２のロー
ドロック室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 律子 青森県八戸市北インター工業団地 東北真 空技術株式会社内 (72)発明者 砂賀 芳雄 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理対象物を搬入できるように構成された
   移載室と、 前記移載室に開閉可能なゲートバルブを介して接続され
   た第１のロードロック室と、 前記第１のロードロック室に開閉可能なゲートバルブを
   介して接続された第２のロードロック室と、 前記第２のロードロック室に接続され、搬入された処理
   対象物を熱処理できるように構成された熱処理室とを有
   し、 前記第１、第２のロードロック室は真空排気可能に構成
   され、 前記第１のロードロック室には、気体を導入できるガス
   導入管が設けられ、 前記第１のロードロック室に前記気体を充満させた後、
   前記移載室と前記第１のロードロック室とを接続させら
   れるように構成されたことを特徴とする真空熱処理装
   置。
2. 【請求項２】前記気体として窒素ガスが用いられたこと
   を特徴とする請求項１記載の真空熱処理装置。
3. 【請求項３】前記第１のロードロック室には加熱手段が
   設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２のい
   ずれか１項記載の真空熱処理装置。
4. 【請求項４】前記熱処理室は、搬入された処理対象物を
   加熱しながら薄膜の原料ガスを導入できるように構成さ
   れたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか
   １項記載の真空熱処理装置。