JPS6235518A - 縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法およびその装置 - 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〕 この発明は、外気との間に比重差のある不活性ガスを反
応管内を充満させることによって、反応管内への外気の
混入を防止する縦型半導体熱処理装置６の外気混入防止
方法およびその装置に関する〔従来技術〕 半導体基板、たとえば、シリコンウェーハ（以下、ウェ
ーハという）は、ウェーハポートにｍ載されて、縦型半
導体熱処理装置の反応管内に搬入される。そして、酸素
ガス、水素ガスのような反応ガスが、反応管内に供給さ
れ、酸化、拡散、ＣｖＤ等の所定の熱処理（化学処理も
含める）が、ウェーハに施される。反応管内に供給され
る反応ガスの純度は、熱処理の結果に大きく影響する。

そして、膜厚の不均一、導通不良等を防止して、高い歩
留りを確保するために、極めて高純度の反応ガスが、反
応管内に供給される。

縦型半導体熱処理装置の主要部分は、通常、クリーンル
ーム内に配置され、高性能フィルターによって十分に浄
化された空気が、クリーンルームに供給される。しかし
、塵芥、水分等の不純物を、空気から完全に排除するこ
とは極めて難しい。

そのため、クリーンルーム内の空気中に、不純物が、僅
かとはいえ、包含されている。

ところで、ウェーハは、ウェーハボート上に積載され、
熱処理の前後に、反応管に搬入または搬出される６反応
管は、上端または下端が開口し。

開口は、ウェーハポートとともに昇降するカバーによっ
て開閉される。つまり、たとえば、上端が開口していれ
ば、熱処理後、ウェーハ搬出のためにウェーハポートが
上昇されると、反応管のカバーが除去されて上端開口が
解放される。その後、次の熱処理のために、ウェーハを
積載したウェーハポートが、反応管の上端開口を介して
、降下し、ウェーハを反応管内に搬入する。そして、ウ
ェーハポートが、反応管内に移動した後、ウェーハポー
トとともに降下したカバーが、反応管の上端開口を閉塞
する。

しかし、ウェーハの搬出入のために、反応管の上端開口
または下方開口が解放されると、クリーンルーム内の空
気が、開口を介して反応管内に流入する。特に、ウェー
ハの搬入の際、クリーンルーム内の空気が、ウェーハ間
に介在して、ウェーハとともに反応管内に搬入される。

そして、このような反応管内に流入および搬入（混入と
総称する）する空気、つまり、外気は、所定の熱処理以
外の、不要な酸化膜をウェーハに形成する虞れがある。

加えて、上記のように、外気に相当するクリーンルーム
内の空気は、塵芥、水分等の不純物によって汚染されて
いる。そのため、反応管に混入する外気は、不要な酸化
膜を形成するだけでなく、反応管内の反応ガスを汚染し
、膜厚の不均一、導通不良等を生じ、歩留りの低下を招
く。

ウェーハの搬出入時における外気の混入を防止するため
に、ガスシャワーを利用した外気混入防止方法が広く採
用されている。ガスシャワーを利用する外気混入防止方
法は、反応管がほぼ水平に配設された横型半導体熱処理
装置のために開発され、縦型半導体熱処理装置に転用さ
れたものである。

ガスシャワーを利用した外気混入防止方法では、反応管
の開口に隣接して、たとえば、スカベンジャーボックス
が配置され、スカベンジャーボックス内にガスシャワー
が設けら糺る。つまり、高圧の不活性ガスが、スカベン
ジャーボックスに導入され、ウェーハに浴びせられてガ
スシャワーを形成する。そして、ウェーハ間に介在する
外気を、不活性ガスとともに、排気管に吸引して、排除
した後、ウェーハが反応管内に搬入される。このような
ガスシャワーによれば、ウェーハ間に介在する外気の搬
入が防止できるだけでなく、ウェーハ搬出入時での開口
の解放によって生じる外気の流入も防止できる。

〔従来技術の問題点〕

しかし、ガスシャワーによる外気混入防止方法では、外
気の混入を十分に防止することは難しい、これは以下の
理由によるものと考えられる。

熱処理は高温で、たとえば、拡散処理は約１２００℃で
、なされるため、ウェーハの搬出入の際、高温の反応ガ
スが、解放されている反応管の開口から流出しようとす
る０反応ガスが高温であるのに対して、不活性ガスは常
温下で供給されているために、反応ガスと不活性ガスと
の間に大きな温度差が存在する。そのため、大きな温度
差が障害となり、反応管の開口付近において、不活性ガ
スが、反応ガスと円滑に混合せず、渦を生じて局部的に
負圧化される。特に１本来、反応ガスは、ミクロ的に見
ると、反応管内を均一に分布して流れておらず、比較的
大きな負圧が生じる。そして、負圧による吸引力が、ガ
スシャワーに逆らって、外気を反応管内に導く傾向にあ
り、外気の混入を十分に防止することは難しい。

〔発明の目的〕

この発明は、縦型半導体熱処理装置の特性を利用して、
外気の混入を十分に防止できる縦型半導体熱処理装置の
外気混入防止方法およびその装置の提供を目的としてい
る。

〔発明の概略〕

この目的を達成するため、この発明によれば、゛縦型半
導体熱処理装置においては、反応管がほぼ垂直に配設さ
れている点に着目している。そして、外気との比重差に
よって反応管内への外気の混入を防止する不活性ガスが
反応管内に導入されている。このような思想によれば、
反応管内を不活性ガスで充満すれば、外気が反応管内に
混入しようとしても、外気の混入を妨げる力が、比重差
によって、外気に作用する。そのため、外気が反応管内
に混入される余地はなく、外気の混入は十分に防止され
る。

縦型半導体熱処理装置では、上記のように、ウェーハの
搬出入される反応管の開口は、反応管の上端または下端
に設けられている。そのため、上端間ロタイブの縦型半
導体熱処理装置においては、外気よりも大きな比重の不
活性ガス、たとえば、アルゴンガス、クリプトンガス、
キセノンガスのいずれかが、反応管内に導入される。逆
に、下端間ロタイブの縦型半導体熱処理装置においては
、外気よりも小さな比重の不活性ガス、たとえば、ヘリ
ウムガス、窒素ガス、ネオンガスのいずれかが、反応管
内に導入される。

上端間ロタイブ、下端間ロタイブのいずれにおいても、
反応ガスは、反応管の下方から反応管内に導入され、上
方から排出される。そして、反応管内に充満された不活
性ガスは、反応ガスとともに排出される。しかし、アル
ゴンガスのような外気より比重の大きな比重の不活性ガ
スは、反応ガスとの間に大きな比重差があり、反応管の
下方に残存しやすく、また、反応ガスと混合しにくい。

そのため、アルゴンガス等の不活性ガスは、反応管の上
方から、反応ガスとともに排出しにくく、不活性ガスの
残存は、反応管内での反応ガスの均一な分布を妨げ、均
一な熱処理の障害となる。従って、不活性ガスとしてア
ルゴンガス等を使用する場合、外気より比重の小さな窒
素ガス、ネオンガス、ヘリウムガスのような第２の不活
性ガスを補足的に導入して、アルゴンガス等を反応管の
下方から強制的に排出することが好ましい。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながらこの発明の実施例について詳
細に説明する。

第１図に示すように、この発明の外気混入防止装置１０
は、反応管Ｉ２の上端開口１４よりウェーハを搬出入す
る縦型半導体熱処理装置１６（図面の複雑化を避けるた
めに、ヒータコイル、断熱体等は省略されている）に装
着されている。この外気混入防止袋２ｔ１０は、外気よ
り大きな比重の不活性ガス、たとえば、アルゴンガスの
導入用導管１８と、外気よりも小さな比重の第２の不活
性ガス、たとえば、窒素ガスの導入用導管２０とを具備
している。

実施例において、アルゴンガスの導管１８は、大径の導
管２２に連通され、導管２２は、反応管１２の下端に設
けられた反応ガス導入部２４で、反応管に連通されてい
る。導管２２は、反応ガス導入部２４をこえて更に延出
し、この延出部に排出弁２６が設けられている。拡散処
理のための反応ガス（厳格にいえば、水素を燃焼して生
じる水蒸気が反応ガスに該当する）である高純度の水素
ガスおよび酸素ガスを供給する導管２８．３０は、導管
２２内を延び、反応ガス導入部２４で反応管１２に連通
されている。無論、導管２日、３０は、導管２２内を延
びることなく、反応管１２に直接連通してもよい。他方
、窒素ガスの導管２０は、反応管１２の上部で反応管に
連通されている。なお、参照番号３２．３４．３Ｂ、３
日は、流入弁をそれぞれ示し、４２．４４は、反応管の
上端に設けられた蓋体手段、反応ガスの排気管を示す。

上記構成の外気混入防止装置１０は、以下のように操作
される。

まず、約１２００℃で拡散処理の施されたウェーハをｙ
１載したウェーハポート（図示しない）を反応管内に懸
吊した状態で、８００℃程度まで降温する、降温中、流
入弁３２が開かれ、アルゴンガスが、導管１８．２２を
介して、反応管内に導入されて充満される。このとき、
排出弁２６が閉じられていることはいうまでもない。

その後、ウェーハポートを上昇させてウェーハは、反応
管１２から搬出される。ウェーハポートとともに開口用
カバー（図示しない）も上昇し、開口１４は解放される
。開口１４が解放されると、外気は反応管内に流入しよ
うとする（この場合、下方に流れようとする）、シか１
−１反応管内に汎領上り比重の大きなアルゴンガスが充
満され、アルゴンガスの一部は、開口１４を介してスカ
ベンジャー（図示しない）に漏出する。そのため、外気
が開口１４から反応管内に流れようとしても、下方への
流れを妨げる力が、アルゴンガスと外気との比重差によ
って、外気に作用し、外気の流入が防止される。たとえ
、なんらかの理由によって、外気が反応管内に流入して
も、アルゴンガスとの間の比重差によって、外気はアル
ゴンガス上に浮遊し、開口１４から漏出するアルゴンガ
スとともに、いずれ排出される。いずれにせよ、一時的
な流入はともかく、滞留につながる外気の流入は、十分
に防止される。

それから、熱処理されるべき次のウェーハを積載してウ
ェーハポートが、カバーとともに降下する。上記のよう
に、外気が、ウェーハ間に介在して、ウェーハとともに
反応管内に搬入しようとする。しかし、反応管内は、ア
ルゴンガスで充満され、アルゴンガスの一部は開口１４
から漏出している。そのため、下方への排気の流れを妨
げる力が、アルゴンガスと外気との比重差によって、外
気に作用し、外気は、ウェーハ間から押し出され、反応
管の外部に排出される。そのため、ウェーハ間に介在し
た外気の搬入は、十分に阻止される。

上記のように、外気の流入や搬入といった、いわゆる外
気の混入が、アルゴンガスの存在によって［−分に阻止
される。そのため、不要な酸化膜がウェーハに形成され
ず、かつ、反応ガスが汚染されないため、ウェーハの膜
厚の不均一、導通不良等を生じることもなく、高い歩留
りが確保されるウェーハポートが完全に降下し、カバー
によって開口１４が閉じられた後、ウェーハに所定の熱
処理が施される。そして、熱処理中、水素ガスおよび酸
素ガスが、下端の反応ガス導入部２４から反応管１２に
導入され、点火手段（図示しない）によって点火されて
水素ガスが燃焼し、水蒸気が生じる。そして、この水蒸
気によって所定の熱処理が、ウェーハに施され、水Ｊ気
は、熱処理後、反応管−に部の排気管４４から排出され
る。

しかし、この発明においては、反応ガスの導入に先立っ
て、窒素ガスが反応管内に補足的に導入され、アルゴン
ガスは強制的に排出される。つまり、水素ガスおよび酸
素ガスの流入弁３６．３８を開く以前に、窒素ガスの流
入弁３４とアルゴンガスの排出弁２６が開かれる。筒部
、アルゴンガスの流入弁３２は既に閉じられている。こ
こで、窒素ガスの導管２０は、反応管の上部で反応管に
連通され、アルゴンガスを排気する導管２２は、反応管
の下部で反応管に連通されている。そのため、窒素ガス
は、反応管内で上部から下部に流れ、導管２２、排出弁
２Ｂを介して排出される。この上方から下方に向かう窒
素ガスの流れは、比重の関係から下方に向かうアルゴン
ガスの流れと一致する。そのため、アルゴンガスは、窒
素ガスの流れに追いたてられて、効果的に排出される。

なお、窒素ガスを供給するとともに、排出弁２６を介し
て、反応管内に負圧を作用させれば、アルゴンガスは一
層効果的に排出される。

ここで、比重の関係から、アルゴンガスは、一般に、下
方に残存する傾向にある。しかし、導管２２が、反応管
の下方に設けられているため、下方に位首すればするほ
ど、窒素ガスとともに、アルゴンガスは、排出されやす
い、そのため、アルゴンガスは、迅速かつ十分に反応管
！２から排出され、アルゴンの残存が許されない。

アルゴンガスが排出された後、反応ガスが反応管内に導
入される。つまり、窒素ガスの流入弁３４、窒素ガス、
アルゴンガスの共通の排出弁２６が閉じられ後、流入弁
３６．３８が開かれて、水素ガスおよび酸素ガスが反応
管内に導入される。そして、水素ガスが燃焼され、反応
管内に水蒸気が生じて、所定の拡散処理がウェーハに施
される。

アルゴンガスを排出するために、補足的に導入された窒
素ガスは、水蒸気と混同しやすく、混然一体化されて、
排気管４４から迅速に排出される。

また、窒素ガスは、不活性ガスであるため、たとえ、反
応管内に多少残存しても、ウェーハの均一な拡散処理を
妨げる虞れはない。

拡散処理は、反応管内を１２００℃前後に保ってなされ
る。そして、拡散処理の終了後、８００℃程度に降温し
、アルゴンガスを反応管内に導入しつつ、ウェーハが反
応管から搬出され、上記の外気混入防止工程が繰り返さ
れる。

窒素ガスの導管２０は、上記実施例に示すように、反応
管１２の上方で反応管に連通ずることが好ましい、しか
し、中央または下方で反応管に連通させてもよい、また
、加熱された窒素ガスを導入すれば、窒素ガスと反応ガ
スの比重差が小さくなり、反応ガスと一層混同しやすく
なるため、反応ガスとともに、窒素ガスは、極めて迅速
に排出される０反応管！２内に導管２０の一部を配設し
、反応管内の導管を流れる際、窒素ガスを加熱すれば、
窒素ガスが効果的に加熱される。筒部、外部で加熱した
窒素ガスを導管２０に供給してもよい。

下方に開口　１１４を持つ縦型半導体熱処理装置１１Ｂ
に装着された別実施例に係る外気混入防止装置１１０を
第２図に示す。外気混入防止装置１１０は、第１図に示
す外気混入防止装置１０と同様の構成部材からほぼ構成
され、第１図の構成部材に１００を加えた参照番号が第
２図の対応する構成部材に付されている。

外気混入防止装置１１０においては、開口１１４が下端
にあるため、外気より比重の小さな不活性ガス、たとえ
ば、ヘリウムガスが、外気の混入を防止するように、反
応管内に導入される。この点が、上記実施例の外気混入
防止装置ｌＯと大きく異なり、この相違から構成上、操
作上の差が生じる。

外気の混入を防止するヘリウムガスは、反応ガスである
水蒸気より比重が小さいため、反応管の上方に向う傾向
にあり、反応ガスの流れに一致する。そのため、ヘリウ
ムガスは容易に排出され、たとえ残存しても不活性であ
るため、拡散処理に悪影響を及ぼさない。

従って、外気混入防止装置１１０においては、ヘリウム
ガスを排出する目的で、別の不活性ガスを補足的に導入
する必要がない、そのため、ウェーハが反応管内に搬入
された後、反応ガスを直ちに導入して、拡散処理に取り
かかれる。

また、反応ガスの排気管１４４からヘリウムガスが排出
され、反応ガスの排気管が不活性ガスの排出用導管を兼
用している。そのため、排出弁１２Ｂが排気管１４４に
設けられ、第１図に示す導管２２が省略される。筒部、
兼用することなく、不活性ガスの排出用導管を反応ガス
の排気管と別個に設け、負圧を利用して、不活性ガスを
排出してもよい実施例では、ヘリウムガスの導管１１８
は反応管１１２の上方で反応管に連通している。しかし
、導管１１８は、必要に応じて、反応管の下方で反応管
に連通してもよい、しかし、下方からヘリウムガスを導
入すると、反応管内への外気吸引力が、開口１１４付近
に発生する虞れがあるため、上方から導入するように、
導管１１８を反応管の上方で連通させることが好ましい
。

外気の混入を防止する不活性ガスとして、アルゴンガス
またはヘリウムガスが、上記第１、第２実施例において
、使用されている。しかし、アルゴンガスの代りに、ク
リプトンガス、キセノンガス、ヘリウムガスの代りに、
窒素ガス、ネオンガスを使用してもほぼ同様な効果が得
られる。また、第１実施例において、アルゴンガスを排
出するために、窒素ガスが補足的に使用されているが、
窒素ガスの代りに、ネオンガス、ヘリウムガスを使用し
てもほぼ同様な効果が得られる。

また、実施例では、拡散処理の場合について述べたが、
この発明の思想は、拡散処理に限定されるものでなく、
他の熱処理、たとえば、水素アニール処理、エピタキシ
ャル処理、にも応用できる、また、実施例では、水素ガ
スを反応管内で燃焼させて水蒸気を発生させているが、
水素ガスを外部で予め燃焼させて水蒸気を発生させ、そ
の水蒸気を反応管内に供給してもよい、更に、水素ガス
、酸素ガスを反応管の下方から反応管内に導入している
が、第２実施例において、上方から導入してもよい。

〔発明の効果〕

上記のように、この発明の外％混入防止方法によれば、
外気との比重差によって反応管内への外気の混入を防止
する不活性ガスを反応管内に導入している。このような
方法によれば、反゛応管内を不活性ガスで充満すれば、
外気が反応管内に混入しようとしても、外気の混入を妨
げる力が、比重差によって、外気に作用する。そのため
、外気が反応管内に混入される余地はなく、外気の混入
は十分に防止される。

そして、上端間ロタイブの縦型半導体熱処理装置におい
ては、外気よりも大きな比重の不活性ガス、たとえば、
アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスのいずれ
かが、反応管内に導入される。逆に、下端間ロタイブの
縦型半導体熱処理装置においては、外気よりも小さな比
重の不活性ガス、たとえば、ヘリウムガス、窒素ガス、
ネオンガスのいずれかが、反応管内に導入される。

不活性ガスとしてアルゴンガス等を使用する場合、外気
より比重の小さな窒素ガス、ネオンガス、ヘリウムガス
のような第２の不活性ガスを補足的に導入すれば、アル
ゴンガス等が残存することなく効果的に排出される。

また、この発明に係る外気混入防止装置によれば、外気
より大きな比重の第１の不活性ガス（アルゴンガス等）
の導入用導管および外気よりも小さな比重の第２の不活
性ガス（窒素ガス等）の導入用導管が、反応管にそれぞ
れ連通される。そして、第１の不活性ガスの排出用導管
が、反応管のド部で反応管に連通されている。

また、別の外気混入防止装置によれば、外気より小さな
比重の不活性ガスの導入用導管が、反応管に連通され、
反応ガスの排気管が不活性ガスの排出用導管を兼用して
いる。

このような構成の外気混入防止装置では、構成的に複雑
化することなく、ウェーハ搬出入時での外気の混入を十
分に防止することができる。

−１−述した実施例は、この発明を説明するためのもの
であり、この発明を同等限定するものでなく、この発明
の技術範囲内で変形、改造等の施されたものも全てこの
発明に包含されることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、上端間ロタイブおよび下端間ロ
タイブの縦型半導体熱処理装置に装着されたこの発明の
外気混入防止装置の概略正面図である。 １０．１１０：縦型半導体熱処理装置の外気混入防止装
置、１２，１１２：反応管、１４，１１４　：反応管の
開口、１６．１１［（：縦型半導体熱処理装置、１８：
アルゴン導入用導管、１１８：ヘリウム導入用導管、２
０：窒素導入用導管、２２：導管、２８．１２８＝排出
弁、２８．１２８　：水素ガス導入用導管、３０．１３
０　：酸素ガス導入用導管、３２，３４，３Ｅｆ、３８
，１３２，１３８．１３８：流入弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）外気との間に比重差のある不活性ガスを反応管内
   に充満し、外気と不活性ガスとの比重差によって反応管
   内への外気の混入を防止する縦型半導体熱処理装置の外
   気混入防止方法。 （２）上記不活性ガスは外気より比重が大きく、上記不
   活性ガスは、反応管の下部から排出される特許請求の範
   囲第１項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方
   法。 （３）上記不活性ガスが、アルゴンガス、クリプトンガ
   ス、キセノンガスのいずれかである特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混入
   防止方法。（４）上記不活性ガスよりも小さな比重の第
   ２の不活性ガスを反応管内に導入して、上記不活性ガス
   を強制的に排出せしめている特許請求の範囲第２項また
   は第３項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方
   法。 （５）第２の不活性ガスは、反応管の上部から導入され
   る特許請求の範囲第４項記載の縦型半導体熱処理装置の
   外気混入防止方法。 （６）第２の不活性ガスが、窒素ガス、ネオンガス、ヘ
   リウムガスのいずれかである特許請求の範囲第５項記載
   の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （７）加熱された第２の不活性ガスが反応管内に導入さ
   れる特許請求の範囲第４項ないし第６項のいずれか記載
   の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （８）第２の不活性ガスの導管の一部が反応管の内部に
   配設され、第２の不活性ガスは反応管の内部を流れる際
   加熱されて、反応管内に導入される特許請求の範囲第７
   項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （９）上記不活性ガスは外気より比重が小さく、上記不
   活性ガスは、反応管の上部から排出される特許請求の範
   囲第１項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方
   法。 （１０）上記不活性ガスが、ヘリウムガス、窒素ガス、
   ネオンガスのいずれかである特許請求の範囲第９項記載
   の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （１１）上記不活性ガスが加熱された後、反応管内に導
   入される特許請求の範囲第９項または第１０項記載の縦
   型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （１２）上記不活性ガスの導管の一部が反応管の内部に
   配設され、不活性ガスは反応管の内部を流れる際加熱さ
   れて、反応管内に導入される特許請求の範囲第１１項記
   載の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （１３）上記不活性ガスは、反応ガスとともに排出され
   る特許請求の範囲第９項ないし第１２項のいずれか記載
   の縦型半導体熱処理装置の外気混入防止方法。 （１４）外気より大きな比重の第１の不活性ガスの導入
   用導管および外気よりも小さな比重の第２の不活性ガス
   の導入用導管が、反応管にそれぞれ連通されるとともに
   、第２の不活性ガスによって強制的に排出される第１の
   不活性ガスの排出用導管が、反応管の下部で反応管に連
   通されている縦型半導体熱処理装置の外気混入防止装置
   。 （１５）第２の不活性ガスの導入用導管の一部が、反応
   管内を延び、反応管の上部で反応管に連通されている特
   許録請求の範囲第１４項記載の縦型半導体熱処理装置の
   外気混入防止装置。 （１６）外気より小さな比重の不活性ガスの導入用導管
   が、反応管に連通され、反応ガスの排気管が不活性ガス
   の排出用導管を兼用している縦型半導体熱処理装置の外
   気混入防止装置。 （１７）不活性ガスの導入用導管の一部が、反応管内を
   延び、反応管の上部で反応管に連通されている特許録請
   求の範囲第１６項記載の縦型半導体熱処理装置の外気混
   入防止装置。