JPS62257721A - 半導体ウエハの加熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 不発明は、半導体ウェハの加熱処理装置に係り、特に、
半導体ウェハの熱処理が終了したのち、反応管内の半導
体ウェハを均一に、かつ高速で冷却するのに好適な冷却
手段を備えた、半導体ウエノ・の加熱処理装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

半導体ウェハの大口径化および高品質化の要求にともな
い、縦形の半導体ウェハ加熱処理装置の需要が本格化し
つつある。

縦形の半導体ウェハ加熱処理装置の基本的な構成は、外
周からヒータで加熱される縦形の反応管を備え、この反
応管の一端すなわち上部からキャリアガス’ｋＷ内に供
給する給気口と、前記反応管の他端すなわち下部から、
処理すべき半導体ウェハをバスケットに装着して反応管
内に搬出入する出入口と、この出入口を密閉する蓋体と
からなっている。そして１反応管内で半導体ウェハの加
熱処理を施したのち、急速冷却するための冷却ガスの流
路が反応管とヒータとの間に設けられている。

このような半導体ウェハの加熱処理装置で１本発明にも
つとも近い従来技術として１例えば特開昭５７−８９２
１９号公報記載の半導体拡散装置が知られている。

当該公報によれば、反応管の半導体ウェハ出入口に取付
ける蓋体に、ガス導入および排気用の孔を設け、蓋体と
反応管との間隙に不活性ガスを流通させて、反応管への
外気浸入を防止する構造となっていた。

しかし、蓋体を大量の空気で冷却する必要が生じた陽合
、逆流によって反応管内へ空気が侵入する点（（つ（ハ
ては：＋己：１されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

−ヒ記の従来筏術は、不活並ガスを用いて、反応管内へ
の外気侵入を防止することが前提であ）。

空気などの活性ガスを用いて上記と同様な構造の蓋体で
冷却しようとした場合、給気ガスが反応管に衝突する付
近より１反応・Ｕ内の方が低い圧力となる部分が発生し
、この際の気流の乱れによって活性ガスが反応管内へ侵
入してしまう。

このため、活性ガスの影響により、反応管内で加熱処理
される半導体ウェハの酸化膜厚あるいは膜質のばらつき
が大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、反応管内で半導体ウェハを加熱処理した
のち急速冷却するに際し、ウエノ・各部の冷却速度全均
一化するとともに器体を大量の空気など活性ガスを用い
て冷却しても、その活性ガスが反応管内へ侵入すること
が防止され、半導体ウェハの酸化膜厚あるいは膜／ｊ！
′を均一に処理できる半導体ウェハの加熱処理装置を提
供することを、その目的としている。

〔問題点（ｉ−解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明に係る半導体ウェハ
の加熱処理装置の構成は、外周からヒータで加熱される
反応管金偏え、この反応管の一端からキャリアガスｔ−
ｇ内に供給する給気口と、前記反応管の他端から、処理
すべき半導体ウェハをウェハ保持具に・装着して反応管
内に搬出入する出入口と、この出入口を密閉する蓋体と
を有し、前記ヒータと前記反応管との間隙に冷却流体通
路を設けてなる半導体ウェハの加熱処理装置において。

前記蓋体の中心軸を貫通し、装置外から前記反応管側の
蓋体表面に至る流体通路と、前記蓋体と前記ウェハ保持
具との間に仕切板を備え、この仕切板と蓋体表面との間
隙によシ形成される半径方向のｆＪｒｅ１本１世路と、
前記反応管と前記蓋体とのｒｉｌｌｉＩ隙により形成さ
れる流体通路とを連通ずる蓋体部冷却流路を設けたもの
である。

なお付記すると１本発明は、蓋体を冷却する活性ガスが
反応管と＠突する付近でガス流路を急拡大することによ
って反応管内を負圧にするとともに、反応管内の半導体
ウェハと蓋体との間の反応管壁に設けた給気孔から不活
性ガスを反応管内へ適度に給気し１反応管内圧全外圧よ
シ高くさせることによシ、活性ガスが反応管内に浸入し
て半導体ウェハの酸化膜厚あるいは膜質がばらつくこと
を防止するものである。

〔作用〕

詳細は実施例の説明で後述するが、第１図において、蓋
体７を冷却する空気（活性ガス）は１図示しない真空ポ
ンプで吸引することによシ、ガス通路１５　ａ、　　１
５　ｂ、　　１５　ｃに沿って流通される。

したがって、冷却空気量が多いほど、ガス通路は負圧に
なる。

この場合１反応管３内の半導体ウェハ１の各部分も負圧
となり半導体ウェハの熱処理結果に影響を及ぼす可能性
がある。

そこで、半導体ウェハ部の底面と仕切板に係る円板９と
の間の反応管１の管壁に不活性ガス給気０１７を設け、
蓋体７を冷却するため真空ポンプを、起動すると同時に
、窒素等の不活性ガスを上記給気口１７を介して反応Ｗ
３内に適度に供給し。

反応管内圧を保つ。これによって蓋体７の冷却に用いる
空気が反応管３内へ浸入することが防止できる。

〔実施レリ〕

以下１本発明の各実施例を第１図々いし第７図を参照し
て説明する。

まず、第１図は１本発明の一実施例に係る縦形の半導体
拡散装置の縦断面図、第２図は、第１図のＡ−Ａ＠面図
、第３図は、第１図の装置において反応管内圧力調節機
構を備えたものの略示構成図である。

第１図において、一点鎖線で示す１ば、処理すべき半導
体ウェハ（以下単にウェハという）、２は、ウェハ１の
保持具に係るバスケット、３は。

バスケットｚ全円筒状に覆う反応管、４ば、反応管３を
囲撓する均熱管、５は１反応管３を外周から加熱するヒ
ータ、６は、ヒータ５外周および反応管３の天井ｆ１５
−ｘ　４う断熱材、７：は、ウェハ１の出入口を密閉す
る４体である。

８は、益体上面７２に第２図に示すよりに謂数個（図で
は４１ａｌ）配置したピース、９は、仕切板に係る円板
であり、円板９は、ピース８を介して蓋体上面７ａと間
隙を保って設けられており、バスケット２を搭載する。

１０は、前記蓋体７１円板９．バスケット２等を鉛直方
向に移動してウェハ１を反応管３内に毅出入する駆動機
構のアーム部を示す。

１２は、セラミックス系の材質で形成された給気管で、
この給気管１２はヒータ下端５ａ部に冷却空気を導くも
のである。１３は、ヒータ上端５ｂから天井付近の断熱
材６に設けた排気管で、冷却空気は給気管１２からヒー
タ５と均熱管４との間隙全上昇して排気管１３から排出
されるもので。

この間に、熱処理後のウェハを短時間で冷却する。

この冷却系ｆｆ、は、従来から縦形の半導体拡散装置（
（は具肯されているのが通例である。１４はペースを示
す。

本実施例では、次に述べる蓋体７部を冷却する活性ガス
に係る空気の流通路を形成したことに特徴がある。

１５は、蓋体７の中心軸を貫通し、装置外から反応管３
側のｊＸ体表面７ａに至るＷ路であり、この′ｇ路１５
によシ流体通路に係るガス通路１５Ｃが構成されている
。このガス通路１５Ｃを形成する管路１５は真空ポンプ
（図示せず）に接続してい、ろ。

１５ｂば、蓋体上面７ａと円板９との間隙により形成さ
れる半径方向のガス通路、１５ａは１反応管３と蓋体７
との間隙により形成されるガス通路である。ここで、ガ
ス通路１５１および円板９て面した反応管３の内径は、
円板９上面で段部３ａを形成し、反応管３の天井付近の
内径より大きく形成されている。

蓋体７を冷却する空気は、Ｘ全ポンプを管路１５に接続
して吸引することにより、ガス通路１５ａの先端で大気
？装置内に導き、ガス通路１５　ａ、　　１５　ｂ、　
　ｌ　５　ｃの方向に流通せしめ、蓋体部冷却流路が形
成される。

次に、ウェハ冷却時に反応管３内の圧力を一定にするた
めの内圧１調節機構の構成を第３図を参照して説明する
。

第３図において、１６ば、反応管内圧力検知手段に係る
圧力検出器、１７は不活性ガス給気口で、これら圧力検
出器１６および不活性ガス給気口１７は、ウェハ下端１
ａと円板９との１司の反応管３０看壁に設けられている
。１８は、不活性ガス給気口１７の配管部に具備された
圧力調節弁。

１９は、圧力検出器１６および圧力調節７Ｆ１８に電気
的に接続された圧力コントローラであり、これら圧力調
節升１８．圧力コントローラ１９で。

反応管内圧力の検知結果に応じて不活性ガスを反応管３
内に給気するための圧力調節手段を構成している。すな
わち、前述の内圧調節機Ｍは、反応管３内圧力が所定１
直よシ低くなった場合、装置外部から反応管３内へ窒素
ガスなどの不活性ガスを自動的に給気するものである。

次に、このような構成の縦形の半導体拡散装置の作用を
、熱処理後のウェハ１を反応管３内に入れたま１急冷す
る操作について、従来の装置の動作と本実施例の装置の
動作とを対比して説明する。

まず、従来の動作では、ヒータ５の発熱を停止するとほ
ぼ同時に、冷却空気を給気管１２に供給し、均熱管４１
反応管３が内蔵するウェハ１を冷却し、ヒータ５と均熱
管４の間隙に取付けている検出器（図示せず）によるモ
ニタ温度が目標温度に達した時点で冷却空気の供給を停
止していた。

この動作によるウェハ温度の経時的変化を測定した結果
を第４図に示す。

第４図は、従来の縦形半導体拡散装置における冷却特性
を示す図で、（ａ）は、ウェハ温度線図、（ｂ）は、ウ
ェハの温度測定位置を示す説明図である。

第４図（ａ）から明らかなように、ウエノ・の冷却速度
は、蓋体７に近い下ウエノ・がもっとも遅く、ヒータ中
央付近の中ウェハ、天井に近い上ウエノ１の順に徐々に
速くなっている。

このように反応管軸方向のウェハ間温度差が生じる原因
は、装置を構成する部材の熱容量で説明づけられる。す
なわち装Ｎを支える強度部材１例えば耐火煉瓦等の熱容
量が大きい部材が集中する蓋体７付近に面した下ウェハ
の冷却速度がもつとも遅く、均熱管４．ヒータ５のみで
熱容量の大きい部材が少ないヒータ中央に面した中ウェ
ハは中間の冷却速度であシ、さらに熱容量の大きい部材
がほとんど無い天井に面した上ウェハの冷却速度がもつ
とも速い。

このように、従来の冷却動作によると１反応管軸方向の
ウェハ温度が不均一になることにより、酸化膜厚のばら
つきが大きくなるなどの問題があった。

この問題点を解決するためには、従来の冷却動作と平行
して蓋体７を冷却することが必要と考えられる。

冷却媒体としては、定期的に行う蓋体７の洗浄作業を容
易にするためガスが好ましい。また、経済性を考えると
空気が最適である。しかし、活性ガスである空気を冷却
媒体として用いた場合、新たな問題として蓋体７付近に
ある冷却媒体の空気が逆流し反応・び３内のウェハ１に
達し、８化膜厚を不均一にする可能性がある。

そこで、本実施例の動作では、ヒータ５が発熱状態にあ
るときに蓋体７の管路１５’を接続した真空ポンプで吸
引してガス通路１５ａ、１５ｂ。

１５Ｃに空気を流し蓋体７の冷却を開始する。その後、
ヒータ５の発熱を停止し、さらに給気管１２に空気を流
しヒータ５付近を冷却する。前述のモニタ温度が目標温
度に達した時点で、蓋体７部およびヒータ５部の２系統
に供給していた冷却空気を止める。

以上の冷却動作でガス通路１５ａ、１５ｂ。

１５ＣＫｆｉす冷却空気量が多いほど、ガス通路は負圧
になる。これに対してウェハ部の圧力は、キャリアガス
を給気口１１から反応管３内に供給しているので、ガス
通路１５ａ、１５ｂ、１５Ｃよ）相対的に高い圧力とな
る。したがって、ガス通路を流れる冷却空気が逆流し反
応管３内のウエノ・部に達し、酸化膜ｊ４あるいは膜質
処理結果を不均一にする可能性は皆無となる。

ただし、蓋体７の冷却速度を早くするため冷却空気量を
著しく多くし念場合、ウエノ・１部が著しく負正になシ
、ウェハ面の反応速度が低下する。

そこで反応管３内の圧力が問題になる場合は、前述の内
圧調節機構を、冷却動作に合わせて作動させる。

−すなわち１反応管３内圧力を圧力検出器１６で検出し
、その検出信号に従って圧力コントローラ１９によシ圧
力調節弁１８を制御し、不活性ガス給気口１７から窒素
ガス等の不活性ガスを反応管３内に給気して反応管３内
の圧力？一定に保つ。

本実施例によれば、蓋体を空気等の活性ガスで冷却する
ことにより１反応管内の熱処理後のウェハ各部の冷却速
度を均一化するとともに、蓋体を大量の空気で冷却して
も、その空気が反応管内のウェハ部に侵入すること全防
止でき、ウェハの酸化膜厚あるいは膜質の処理結果全均
一にすることができる。

次に、本発明の他の実施例を第５図ないし第７図を参照
して説明する。

第５図は、本発明の他の実施例に係る縦形の半導体拡散
装置の縦断面図、第６図は、第５図の排気管に取付ける
冷却器部のさらに他の実施例を示す拡大縦断面図、第７
図は、その平面図である。

第５図中、第１図と同一符号のものは、先の実施側と同
等部分であるから、その説明を省略する。

第５図に示す縦形の半導体拡散装置は、ウェハｌＫ−収
納するバスケット２、バスケット２を円筒状に覆う反応
管３．均熱管４．ヒータ５．ヒータ５外周および天井を
覆う断熱材６１反応管端を閉じる蓋体１人、また蓋体７
人およびバスケット２を鉛直方向に移動しウエノ・１を
搬出入するための駆動機構（第５図ではそのアーム１０
部分のみを示す）で構成されている。

熱処理後のウェハ１は、短時間で冷却して単位時間当り
の仕事回数を向上させるため、セラミックス系の材質か
らなる給気管２０で冷却、空気を装置外部からヒータ下
端５ａに導き、ヒータ５と均熱管４との間隙を上昇させ
る間に熱を奪い、ヒータ上端５ｂから天井付近の断熱材
全通るステンレス製の排気管２１で装置外へ放出する。

なお、装置外部の排気管は排気弁２７を経て冷却器（図
示せず）に接続し、水冷などＫより冷却空気を室温にし
たのち大気へ放出している。

第５図の実施例では、ヒータ上端５ｂから排気弁２７に
達する排気管の一部分を必ず下向きに配管しており、こ
の下向き配管部分２２に冷却器２３を設け、冷却器２３
に供給する冷却水により。

熱処理中の排気管内の空気を冷却していることが特徴で
ある。

なお、排気管２１を下向きに曲げた部分２１ａの外周は
断熱材２８で覆われ排気管から大気への熱漏洩を防止し
ている。あるいは、上記の曲げ部分２１ａは、装置内に
あシ断熱材６で覆われていても良い。

第５図に示す冷却器２３は、排気管の下向き配管部分２
２に冷却水チューブ２４をコイル状に巻きつける単純な
構成のものである。このほか、第６．７図に示す例のよ
うに、冷却器２３Ａの冷却空気が流れる管内側にフィン
２５を設けて冷却効率を高めるようにしてもよい。すな
わち冷却器２３Ａの下向き配管部分２２の外側に冷却水
を流す冷却チューブ２４を設け、内側にスペーサ２６で
フィン２５を管内面に固定し、管内伝熱面積を大きくす
るようにしてもよい。

本実施例によれば１反応管３内の熱処理後のウェハを急
冷するだめの冷却流路の排気弁に１例えば止め弁機能が
完璧でないものを使用しても、排気管を下向きに曲げて
いるので、熱処理中に排気管から冷たい大気が装置内に
侵入するのを防止できる。また、実用的な強制冷却とし
て度々用いられるブロワで給気管２０に冷却空気を送風
する方法で、給気管２０付近に止め弁を設けないような
例では従来、装置内外の空気の密度差によって給気管か
ら装置内に冷たい空気が侵入したのに対して１本実施例
では下向き配管部分２２に冷却器２３．２３Ａ’に設け
て空気を冷却しているので。

排気管内を流れる空気の密度が高くなシ通風抵抗が増す
。したがって、熱処理中に浮力により発生する給気管か
ら装置内への流れを阻止できる。

このように本実施例では、給排気管から冷たい空気が装
置内に浸入するのを防止できるので、熱処理中の装置内
温度が低下してウェハ温度が目標温度と異なることを防
止でき、ウェハの酸化膜厚あるいは膜質を均一にし、所
望の熱処理結果が得られる効果がある。

なお、前述の各実施例は縦形の半導体拡散装置の例を説
明したが１本発明は縦形の拡散装置に限るものではなく
、同様の効果が期待される範囲で半導体ウェハの加熱処
理装置に汎用的に適用できるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように５本発明は、反応管内で半導体ウェハ
を加熱処理したのち急速冷却するのに際し、ウェハ各部
の冷却速度を均一化するとともに。

蓋体を大量の空気など活性ガスを用いて冷却しても、そ
の活性ガスが反応管内へ侵入することが防止され、半導
体ウェハの酸化膜厚あるいは膜質全装置 均一に処理しうる半導体ウェハの加熱処理１字提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る縦形の半導体拡散装
置の縦断面図、第２図は、第１図の八−入断面図、第３
図は、第１図の装置において反応管内圧力調節機構を備
えたものの略示構成図、第４図は、従来の縦形半導体拡
散装置における冷却特性を示す図で、（ａ）は、ウェハ
温度線図、（ｂ）は、ウェハの温度測定位置を示す説明
図、第５図は。 本発明の他の実施例に係る縦形の半導体拡散装置の縦断
面図、第６図は、第５図の排気管に取付ける冷却器部の
さらに他の実施例を示す拡大縦断面図、第７図は、その
平面図である。 １・・・ウェハ、２・・・バスケット、３・・・反応管
、５・・・ヒータ、？、７Ａ・・・蓋体、９・・・円板
、１１・・・給気口、１２．２０・・・給気管、１３，
２１・・・排気管、１５・・・管路％　　１５ａ、１５
ｂｔ　　１５Ｃ・・・ガス通路。 １６・・・圧力検出器、１７・・・不活性ガス給気口、
１８　圧力調節弁　１９　圧力・／ト・−ラ。　　　７
テ二）代理人　弁理士　小川勝男　　′＼ 早　ｌ　　の ｔ５ｔｔ、ｔｓｂｓｃ−ｎスｆｆｉＬ ／６．・圧ｒ後立器 １７・・・モジ右イ生カース締汽口 ｌδ・圧力調節弁 １９　　圧力コントローラ 第　４　　の 軽１ＩｈＥｌキ間（句 第　６　目 第　７１２］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外周からヒータで加熱される反応管を備え、この反
   応管の一端からキャリアガスを管内に供給する給気口と
   、前記反応管の他端から、処理すベき半導体ウェハをウ
   ェハ保持具に装着して反応管内に搬出入する出入口と、
   この出入口を密閉する蓋体とを有し、前記ヒータと前記
   反応管との間隙に冷却流体通路を設けてなる半導体ウェ
   ハの加熱処理装置において、前記蓋体の中心軸を貫通し
   、装置外から前記反応管側の蓋体表面に至る流体通路と
   、前記蓋体と前記ウェハ保持具との間に仕切板を備え、
   この仕切板と蓋体表面との間隙により形成される半径方
   向の流体通路と、前記反応管と前記蓋体との間隙により
   形成される流体通路とを連通する蓋体部冷却流路を設け
   たことを特徴とする半導体ウェハの加熱処理装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、反応管
   内のウェハと仕切板との中間位置の反応管壁に、不活性
   ガス給気口と反応管内圧力検知手段とを設け、反応管内
   圧力の検知結果に応じて不活性ガスを反応管内に給気す
   るための圧力調節手段を設けたものである半導体ウェハ
   の加熱処理装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、蓋体部
   冷却流路は、その蓋体の中心軸を貫通する流体通路を真
   空ポンプに接続せしめたものである半導体ウェハの加熱
   処理装置。