KR100944844B1 - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 기판을 가열로 내에서 열처리하는 데 있어서, 기판의 표면이 높은 청정도인 상태로 열처리를 행하는 것이다.
반응 용기 내의 기판에 대해, 반응 용기의 외부에 마련된 가열 수단에 의해 가열하여 소정의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서, 반응 용기 내에 복수의 기판을 각각 종방향으로 하여 횡방향으로 간격을 두고 보유 지지하고, 세정액을 공급하여 기판을 세정하여 세정액을 배액구로부터 배출한다. 계속해서 기판을 열처리하기 위한 처리 가스를 반응 용기 내에 공급하는 구성으로 한다. 이 경우, 세정 후의 기판은 주변의 분위기에 노출되는 일 없이 세정 후의 청정한 표면을 그대로 유지한 상태에서 열처리된다. 이로 인해 기판에 대해 양호한 열처리를 행할 수 있다.
반입출 포트, 로딩 영역, 가열로, 반응 용기, 자세 변경 수단, 회전 상자

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{HEAT TREATING APPARATUS AND HEAT TREATING METHOD}
도1은 본 발명의 열처리 장치의 실시 형태를 도시하는 평면도.
도2는 본 발명의 열처리 장치의 실시 형태를 도시하는 종단면도.
도3은 상기 열처리 장치에 설치된 가열로를 도시하는 종단면도.
도4는 상기 열처리 장치에 설치된 가열로를 도시하는 평면도.
도5는 상기 가열로의 기판 보유 지지구를 도시하는 사시도.
도6은 상기 열처리 장치에 설치된 자세 변경 수단을 도시하는 사시도.
도7은 상기 열처리 장치의 반응 용기에 세정액을 공급하는 모습을 도시하는 설명도.
도8은 종래의 열처리 장치를 도시하는 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
A1 : 반입출 포트
A2 : 로딩 영역
3 : 제1 이동 탑재 수단
4 : 제2 이동 탑재 수단
5 : 가열로
51 : 반응 용기
6 : 자세 변경 수단
61 : 회전 상자
7 : 덮개 부재
8 : 가스 공급구
9 : 세정액 공급구
91 : 배액구
본 발명은, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대해 산화 처리 및 CVD 등 소정의 열처리를 행하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼(이하, 간단히「웨이퍼」라 함)에 대해 CVD(chemical vapor deposition: 화학 기상 증착)에 의한 성막 처리나 산화 및 확산 처리 등으로 한 열처리를 배치식(batch)으로 행하는 장치로서 종형 열처리 장치가 있다. 이 열처리 장치는 가열로 내에 종형의 반응관을 설치하고, 반응관의 하단 개구부를 개폐하는 덮개 부재 상에 웨이퍼 보유 지지구를 탑재하여 이 웨이퍼 보유 지지구에 다수의 웨이퍼를 선반 형상으로 보유 지지하고, 덮개 부재의 상승에 의해 웨이퍼 보유 지지구를 반응관 내로 반입한 후, 소정의 열처리를 행하는 것이다.
한편, 웨이퍼는 캐리어에 수용되어 공장 내의 각 스테이션 혹은 스토커로 반 송되지만, 그 동안에 파티클이나 유기물이 부착되거나 대기에 의해 자연 산화막이 형성되거나 한다. 이로 인해 일반적으로는 열처리 장치라 함은 별개로 세정 장치를 설치하고, 이 세정 장치에서 불산을 비롯하여 복수의 약액을 이용하여 차례로 웨이퍼를 세정하고, 세정된 웨이퍼를 캐리어에 의해 열처리 장치에 반입하는 것이 행해지고 있다.
그러나 열처리 장치의 영역과는 다른 영역에 세정 장치를 설치하면, 세정되고 나서 열처리 장치의 반응 용기 내로 반입될 때까지 대기에 노출되어 자연 산화막이 성장되어 버리고, 디바이스에 있어서의 박막화가 진행되면 약간의 자연 산화막이라도 디바이스 특성에 영향을 준다. 또한 유기물 또는 무기물의 불순물도 디바이스 특성에 영향을 준다. 예를 들어(C)M0S의 게이트 산화막을 구성하는 실리콘 산화막의 타겟 막 두께로서 금후 10 ㎚ 이하를 겨냥하는 움직임도 있고, 그와 같은 상황하에 있어서는 반응 용기 내로 가능한 한 불순물을 갖고 들어 가지 않는 것, 즉 웨이퍼의 표면을 가능한 한 청정한 상태로 유지해 두는 것이 요구된다.
이러한 요구로부터 도8의 (a), (b)에 도시한 열처리 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 이 열처리 장치는 웨이퍼를 수납한 캐리어가 반입출되는 반입출 블록(B1)과, 캐리어로부터 취출된 웨이퍼를 세정하기 위한 세정 챔버(B2)와, 세정 후의 웨이퍼(W)를 성막하는 성막 챔버(B3)를 구비하고 있다. 세정 챔버(B2) 내에는 웨이퍼(W)를 선반 형상으로 보유 지지하는 웨이퍼 보트(11)가 배치되고, 캐리어 내의 웨이퍼가 차례로 웨이퍼 보트(11)에 적재되고, 세정 챔버(B2) 내를 기밀 공간으로 한 후, 수직으로 배치된 노즐(12)로부터 약액이 각 웨이퍼(W) 로 분사된다. 그 후, 다른 노즐(12)로부터 순수(純水)가 공급되고, 또한 노즐로부터 IPA(이소프로필 알콜)가 공급된 후, 모터(M)에 의해 웨이퍼 보트(11)를 회전시켜 그 원심력에 의해 웨이퍼(W) 상의 물방울을 털어낸다. 그러한 후, 세정 챔버(B2) 내를 질소 가스 분위기로 하고, 계속해서 웨이퍼 보트(11)가 성막 챔버(B3)의 하방의 엘리베이터로 이동 탑재된다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평8-203852호 공보(단락 0028의 제7 내지 9행, 도1, 7, 9)
그러나 상세하게 서술한 열처리 장치에 있어서는, 세정 후의 웨이퍼(W)를 성막 챔버(B3)로 이동하는 동안에 웨이퍼(W)가 주위의 분위기에 노출되어 예를 들어 자연 산화막이 표면에 생성되거나, 혹은 상기 분위기 속에 부유하는 예를 들어 하이드로 카본 등의 유기물이나 수분 등의 불순물이 웨이퍼(W)의 표면에 흡착되는 경우가 있다. 이 상태에서 예를 들어 실리콘 산화막을 형성하기 위한 열처리를 웨이퍼(W)에 대해 행하면, 자연 산화막이 형성된 부위의 막 두께가 두꺼워져 면 내에서 두께로 변동이 발생되거나, 불순물을 포함하는 저품질의 실리콘 산화막이 형성되고, 그 후에 제조되는 디바이스 특성에 영향을 주는 우려가 있다.
또한, 세정을 행하기 위한 전용의 챔버나, 이 챔버로부터 웨이퍼 보트(11)를 보트 엘리베이터로 이동하는 보트 핸들러 등을 필요로 하기 때문에 장치가 대규모가 되어 넓은 공간을 점유해 버린다. 또한 종형의 열처리 장치에 있어서는, 가능한 한 반응 용기의 높이를 억제하고 또한 처리 매수를 많이 하고자 하는 경향이 있 으므로, 웨이퍼 보트의 피치가 좁게 되어 있다. 그 경우, 상세하게 서술한 도8의 (b)에 기재한 노즐로부터 세정액을 공급하는 방법으로서는 각 웨이퍼(W) 사이에 세정액을 충분히 널리 퍼지게 하는 것은 곤란하며, 이로 인해 충분한 세정을 할 수 없어 예를 들어 기판 표면에 자연 산화막을 남겨 버릴 우려가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 기초로 하여 이루어진 것으로, 그 목적은 기판을 가열로 내에서 열처리하는 데 있어서, 기판의 표면이 높은 청정도인 상태로 열처리를 행할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 열처리 장치는 반응 용기 내의 기판에 대해, 가열 수단에 의해 가열하여 소정의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서,
기판이 반응 용기 내로 반입된 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하기 위한 세정액 공급 수단과,
상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하기 위한 배액구와,
상기 세정액이 배출된 후에, 기판을 열처리하기 위한 처리 가스를 반응 용기 내에 공급하는 처리 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 다른 발명의 열처리 장치는 반응 용기 내의 기판에 대해, 반응 용기의 외부에 마련된 가열 수단에 의해 가열하여 소정의 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서,
상기 반응 용기의 반입구를 개폐하는 덮개 부재와,
이 덮개 부재에 마련되고, 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지구와,
이 기판 보유 지지구를 상기 반응 용기에 대해 반입 및 반출하는 수단과,
기판을 보유 지지한 기판 보유 지지구가 반응 용기 내로 반입된 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하기 위한 세정액 공급 수단과,
반응 용기 내로부터 세정액을 배출하기 위한 배액구와,
상기 세정액이 배출된 후에, 기판을 열처리하기 위한 처리 가스를 반응 용기 내에 공급하는 처리 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 기판 보유 지지구는, 복수의 기판을 각각 종방향으로 하여 횡방향으로 간격을 두고 보유 지지하는 구성이라도 된다. 또 세정액 공급 수단 및/또는 배액구는 상기 덮개 부재에 마련된 구성이라도 된다. 또 세정액 공급 수단은, 반응 용기 내를 세정액으로 충족시키기 위한 것이고, 세정액이 공급되어 있는 동안은 배액구가 폐쇄되어 있는 구성이라도 된다.
본 발명의 열처리 방법은 기판을 반응 용기 내로 반입하는 공정과,
그 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 공정과, 상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하는 공정과,
상기 세정액을 배출한 후, 반응 용기 내에 처리 가스를 공급하는 동시에, 상기 반응 용기 내를 가열하여 기판에 대해 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 다른 발명의 열처리 방법은 반응 용기 내의 기판에 대해, 반응 용기의 외부에 마련된 가열 수단에 의해 가열하여 소정의 열처리를 행하는 열처리 방법에 있어서,
기판을 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정과,
계속해서 상기 기판 보유 지지구를 반응 용기 내에 대해 반입하고, 덮개 부재에 의해 반응 용기의 반입구를 기밀하게 폐쇄하는 공정과,
그 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 공정과,
상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하는 공정과,
상기 세정액을 배출한 후, 반응 용기 내에 처리 가스를 공급하는 동시에, 상기 반응 용기 내를 가열하여 기판에 대해 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판을 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정은, 복수매의 기판을 각각 종방향으로 하여 횡방향으로 간격을 두고 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정이라도 좋다. 또 세정액은 덮개 부재에 마련된 토출구로부터 공급되도록 해도 된다. 게다가 세정액은 덮개 부재에 마련된 배액구로부터 배출되도록 해도 된다. 게다가 또한, 반응 용기 내에 세정액을 공급하는 공정은 상기 반응 용기 내를 세정액으로 충족시키는 공정이라도 좋다.
본 발명에 관한 열처리 장치의 실시 형태에 대해 이하에 설명하지만, 우선 장치의 전체 구성에 대해 도1 및 도2를 참조하면서 설명한다. 이 열처리 장치는 기판인 웨이퍼(W)를 예를 들어 15매 선반 형상으로 수납한 캐리어(C)를 반입출하기 위한 반입출 포트(A1)와, 웨이퍼(W)를 열처리용의 가열로 내로 반입하여 소정의 열처리를 행하기 위한 로딩 영역(이동 탑재 영역)(A2)을 구비하고 있고, 이들 반입출 포트(A1)와 로딩 영역(A2)과는 칸막이 벽(20)에 의해 분위기가 구획되어 있다.
반입출 포트(A1)는 캐리어(C)가 외부로부터 반입출되는 제1 적재대(21)와, 캐리어(C) 내의 웨이퍼(W)가 로딩 영역(A2)으로 반입출될 때에 놓여진 제2 적재대(22)와, 양 적재대(21, 22) 사이에서 캐리어(C)를 반송하는 캐리어 반송 기구(23)를 구비하고 있다. 이 캐리어(C)는 전후의 공정 사이에서 웨이퍼(W)를 이송할 때에 웨이퍼(W)가 대기 중에 놓여지는 것을 방지하기 위해 예를 들어 덮개 부착의 밀폐형 캐리어로 구성되고, 칸막이 벽(20)의 개구부를 개폐하는 도어(24)에 조합된 덮개 개폐 기구에 의해 덮개가 제거되어 캐리어(C) 내가 로딩 영역(A2)의 분위기에 놓여지도록 되어 있다.
로딩 영역(A2)은, 예를 들어 청정 공기의 측면 유동이 형성되어 있고, 각각이 웨이퍼(W)를 소정의 경로로 이동 탑재하는 제1 이동 탑재 수단(3)과 제2 이동 탑재 수단(4)이 마련되는 동시에, 웨이퍼(W)에 대해 열처리를 행하는 가열로(5)와, 웨이퍼의 자세를 횡방향과 종방향 사이로 변경하는 자세 변경 수단(6)이 마련되어 있다.
상기 제1 이동 탑재 수단(3)은 횡방향 자세의 웨이퍼(W)의 이면측 주연부를 하방측으로부터 지지하는 예를 들어 복수매의 아암을 소정의 간격을 두고 적층한 아암 유닛(31)이 반송 기체(32)에 진퇴 가능하게 설치되는 동시에, 이 반송 기체(32)를 횡방향(열처리 장치의 폭 방향) 및 상하 방향으로 이동 가능하게 또한 연직 축 주위에 회전 가능하게 하기 위한 구동계(33)를 구비하고 있다. 이 제1 이동 탑재 수단(3)은 캐리어(C)와 자세 변경 수단(6) 사이에서 웨이퍼(W)의 이동 탑재를 행하는 역할을 갖고 있다.
또한 제2 이동 탑재 수단(4)은, 자세 변경 수단(6)에 의해 종방향이 된 웨이퍼(W)의 주연부 예를 들어 디바이스 형성 영역의 외측을 좌우로부터 파지하는 한 쌍의 아암이 전후 방향으로 복수 배열된 아암 유닛(41)이 반송 기체(42)에 진퇴 가능하게 설치되는 동시에, 이 반송 기체(42)를 횡방향(열처리 장치의 폭 방향) 및 상하 방향으로 이동 가능하게 하기 위한 구동계(43)를 구비하고 있다. 이 제2 이동 탑재 수단(4)은 자세 변경 수단(6)과 가열로(5) 사이에서 웨이퍼(W)의 이동 탑재를 행하는 역할을 갖고 있다.
계속해서 상기 가열로(5)에 대해 도3 및 도4를 참조하면서 상세하게 서술한다. 도면 중 부호 50은 노 본체이며, 이 노 본체(50) 내에는 열처리시에 웨이퍼(W)가 놓여지는 가열 분위기를 구획하는 비금속 예를 들어 석영 및 세라믹스 등으로 이루어지는 예를 들어 원통형의 반응 용기(51)가 설치되어 있다. 이 반응 용기(51)의 상단부측에는 배기구(52)가 형성되어 있고, 또한 하단부측에는 웨이퍼(W)의 반입출구인 개구부(53)가 형성되어 있다. 이 개구부(53)의 하방측에는, 상기 개구부(53)를 개폐하기 위한 승강 가능한 적어도 표면이 비금속 예를 들어 석영, 세라믹스 등으로 이루어지는 덮개 부재(7)가 배치되어 있고, 또한 상기 덮개 부재(7) 상에는 다수매 예를 들어 25 내지 50매의 종방향의 웨이퍼(W)를 가로로 나란히 하여(병렬로) 보유 지지하는 웨이퍼 보트(71)가 축부(72)를 통해 설치되어 있다. 이 덮개 부재(7)는 승강부의 일부를 이루는 보트 엘리베이터(73)에 의해 덮개 부재(7)가 상승하여 웨이퍼 보트(71)로 보유 지지된 웨이퍼(W)를 반응 용기(51) 내로 반입하는 동시에 반응 용기(51)의 개구부(53)를 폐쇄하여 상기 반응 용기(51) 내를 기 밀하게 하도록 구성되어 있다. 이 반응 용기(51)를 기밀하게 하는 구성에 대해 상세하게 설명하면, 반응 용기(51)의 하단부는 플랜지부(51a)가 형성되고, 웨이퍼 보트(71)를 탑재한 덮개 부재(7)가 상승하여 상기 플랜지부(51a)의 하부면에 접촉하여 상기 하부면 사이를 수지제의 밀봉재 예를 들어 O링(51b)에 의해 기밀하게 밀봉하여 개구부(53)를 폐색하게 된다.
웨이퍼 보트(71)는, 상세하게는 도5에 도시한 바와 같이 수평판(74)의 표면에 한 쌍의 세로의 단부판(75)이 대향하여 배치되고, 이 단부판(75, 75) 사이에 걸쳐 기판 지지 부재 예를 들어 지지 막대(76)가 예를 들어 3개 설치되어 있다. 이 지지 막대(76)의 표면의 일부에는 길이 방향으로 간격을 두고 홈(76a)이 형성되어 있고, 이 홈(76a)에 예를 들어 상기 제2 이동 탑재 수단(4)에 의해 상측을 향하기 때문에 적재되는 웨이퍼(W)의 외주연이 결합되어 상기 웨이퍼(W)를 보유 지지 가능하도록 구성되어 있다. 또 수평판(74) 및 단부판(75)에는 후술하는 처리 가스 및 세정액을 통과시키는 개구부(77)를 필요에 따라서 형성하도록 해도 좋다. 이러한 구성이라고 하면, 웨이퍼(W)의 처리시에 처리 가스 또는 세정액의 흐름이 원활하게 되어, 결과적으로 웨이퍼(W)끼리의 간극 내에 균일하게 처리 가스 및 세정액을 공급할 수 있기 때문에 유리하다.
설명을 도3 및 도4로 복귀하면, 노 본체(50)의 예를 들어 내측이며 반응 용기(51)의 외측에는, 가열 수단인 히터(54) 예를 들어 카본와이어 히터가 설치되어 있다. 이 카본와이어 히터는 반응 용기(51) 내의 처리 분위기를 예를 들어 100 ℃/분쯤의 고속인 승온 속도로 가열할 수 있기 때문에 바람직하다. 상기 카본와이어 히터에 대해 상세하게는, 예를 들어 선 직경 10 미크론 전후의 고순도의 카본파이버의 다발을 복수 이용하여 짜 넣음으로써 형성된 카본와이어를 세라믹스, 예를 들어 외경이 수십 밀리의 투명한 석영관 중에 밀봉한 것을 이용할 수 있어, 예를 들어 노 본체(50)의 내측에서 종방향에 따라서 형성된다. 또 히터는 이에 한정되는 것이 아니라 예를 들어 철-니켈-크롬 합금 등의 금속체라도 좋다.
반응 용기(51)의 바닥부측 측면에는, 처리 가스 공급 수단인 예를 들어 토출 구멍이 아래를 향하게 된 가스 공급구(8)가 설치되어 있고, 이 가스 공급구(8)는 가스 공급로(81) 예를 들어 가스 공급관을 거쳐서 처리 가스의 공급원, 이 예로서는 산소 공급원(82) 및 수증기 공급원(83)에 각각 접속되어 있다. 또 V1 내지 V3은 밸브(가스 공급 밸브)이다. 또한 반응 용기(51)의 바닥부측 측면에는, 반응 용기(51) 내에 하단부로부터 중단부에 걸쳐서 수직 상승되고, 또한 웨이퍼 보트(71) 상에 있는 웨이퍼(W)의 배열 방향으로 신장하는 건조한 불활성 가스 예를 들어 질소 가스를 공급하는 질소 공급관(84)이 웨이퍼(W)의 양 측면에 설치되고, 이 질소 가스 공급관(84)의 기단부측에는 밸브(V4)를 거쳐서 질소 가스의 공급원(85)에 접속되어 있다. 이 질소 가스 공급관(84)은, 웨이퍼 보트(71)로 보유 지지되는 웨이퍼(W)를 향해 가스를 분무하는 분무 구멍(84a)이 형성되고, 후술하는 세정액에 의한 세정 후의 웨이퍼(W)에 공급하여 건조시키는 역할을 갖고 있다. 또, 웨이퍼(W)의 상단부로부터 하단부까지의 사이의 높이 위치에 질소 가스 공급관(84)을 상하로 복수 배열한 구성으로 해도 좋다. 이러한 구성이라고 하면, 웨이퍼(W)의 면 내에 의해 확실하게 질소 가스를 공급할 수 있으므로 유리하다. 또한 질소 가스 공급관 (84)을 승강 가능한 구성으로 해도 좋다. 게다가 또한, 반응 용기(51)의 상부에 설치된 배기구(52)에는 배기로(86) 예를 들어 배기관이 접속되어 있고, 밸브(V5)를 거쳐서 접속된 배기 수단(87)에 의해 반응 용기(51) 내의 분위기가 외부에 배기되도록 구성되어 있다. 이 배기로(86)의 도중에는, 예를 들어 상기 질소 가스 공급관(84)으로부터의 분기로(84a)의 일단부가 밸브(V6)를 거쳐서 접속되고, 밸브(V5)를 폐쇄한 상태에서 밸브(V6)를 개방함으로써 반응 용기(51)의 상측으로부터 질소 가스를 공급 가능하도록 구성되어 있다.
또한 덮개 부재(7)의 표면에는, 세정액 공급 수단인 세정액 노즐(9)이 예를 들어 수직으로 상승시켜 설치되어 있고, 이 세정액 노즐(9)은 보트 엘리베이터(73) 내에 설치된 세정액 공급로(91) 예를 들어 세정액 공급관을 거쳐서 세정액인 예를 들어 5 내지 10 중량 ％의 불산의 공급원(92), 순수의 공급원(93) 및 IPA(이소프로필 알콜)의 공급원(94)에 각각 접속되어 있다. 또 V7 내지 V9는 밸브(세정액 공급 밸브)이며, P1 내지 P3은 펌프이다. 또한 덮개 부재(7)에는, 세정액을 배출하기 위한 배액구(95가) 설치되어 있고, 이 배액구(95)는 보트 엘리베이터(73) 내에 설치된 배액로(96) 예를 들어 배액관을 거쳐서 도시하지 않은 드레인 탱크에 연통하고 있다. 또 배액로(96)에는 배액구(95)를 개폐하는 밸브(배액 밸브)(V10)가 설치되어 있다.
계속해서 도1 및 도2에 기재한 웨이퍼(W)의 자세를 변경하는 자세 변경 수단(6)에 대해 도6을 참조하면서 상세하게 서술한다. 도면 중 부호 61은 전방면이 개방된 회전 상자이며, 이 회전 상자(61)의 내주면에는 단부(62)가 웨이퍼(W)의 두께 상당의 간격을 두고 상하로 배열하여 형성되어 있다. 웨이퍼(W)는 단부(62) 사이에 삽입되고, 상기 단부(62)에 이면측을 지지되어 선반 형상으로 보유 지지되도록 구성되어 있다. 또한 회전 상자(61)의 배면측 바닥부에는, 폭 방향으로 수평하게 신장하는 회전축(64)이 설치되어 있고, 이 회전축(64)의 기단부측은 회전 기구(65)와 접속되어 있다. 그리고 상기 회전 기구(65)에 의해 회전축(64)이 수평 축 주위에 90도 회전함으로써, 이 웨이퍼(W)를 수납한 회전 상자(61)가 전방 회전 및 후방 회전하고, 이에 의해 웨이퍼(W)의 자세가 종방향과 횡방향 사이에서 변경되도록 구성되어 있다.
또한 회전 상자(61)의 배면에는, 예를 들어 하단부로부터 상단부에 걸쳐 종으로 개방된 개구부(61a)가 형성되어 있고, 후방 회전 위치에 있는 회전 상자(61)의 개구부(61a)와 대향하도록 기판 급상승 수단(66)이 배치되어 있다. 이 기판 급상승 수단(66)은, 상승하여 상기 개구부(61a)를 통과 가능한 급상승 부재(67)를 구비하고 있고, 이 급상승 부재(67)의 표면에는 도6의 (b)에 도시한 바와 같이 웨이퍼(W)의 외주연이 결합되는 상부측 측면이 밖으로 경사진 홈부(67a)가 형성되어 있다. 이 급상승 부재(67)의 하방측에는 승강 기구(68)가 축부(69)를 거쳐서 접속되고, 이 승강 기구(68)에 의해 급상승 부재(67)가 상승하여 웨이퍼(W)를 상측에 급상승하고, 이 웨이퍼(W)를 제2 이동 탑재 수단(4)이 수취한다. 즉, 기판 급상승 수단(66)과, 제2 이동 탑재 수단(4)과의 협동 작용에 의해 웨이퍼(W)의 교환이 가능하도록 구성되어 있다.
계속해서, 상술한 열처리 장치를 이용하여 웨이퍼(W)를 열처리하는 공정에 대해 설명한다. 열처리로서는, 웨이퍼(W)의 표면에 실리콘 산화막을 형성하기 위한 산화 처리를 예로 들어 설명한다. 우선, 예를 들어 자동 반송 로봇에 의해 도1 및 도2에 도시한 반입출 포트(A1)의 제1 적재대(21)에 캐리어(C)가 반입되고, 계속해서 캐리어 반송 기구(23)에 의해 예를 들어 도시하지 않는 캐리어 스토커에 일시적으로 보관된 후, 제2 적재대(22)로 반송된다. 그리고 캐리어(C)가 칸막이 벽(20)에 압접된 후, 캐리어(C)의 덮개가 벗겨져 계속해서 도어(24)가 개방된다.
계속해서 제1 이동 탑재 수단(3)의 아암 유닛(31)이 캐리어(C) 내로 진입하고, 복수매 예를 들어 5매의 웨이퍼(W)를 일괄해서 캐리어(C)로부터 취출하여 종방향의 회전 상자(61)로 반입한다. 이 작업을 차례로 반복하여 캐리어(C) 내에 있는 웨이퍼(W)를 회전 상자(61)로 반입한 후, 회전 기구(65)에 의해 회전축(64)이 회전함으로써 회전 상자(61)가 90도 후방 회전한다. 이에 의해 회전 상자(61) 내에 수평하게 보유 지지되어 있던 웨이퍼(W)의 자세가 종방향으로 변경된다. 계속해서, 제2 이동 탑재 수단(4)의 아암 유닛(41)이 회전 상자(61)의 상측에 안내되고, 또한 기판 급상승 수단(66)에 의해 회전 상자(61) 내로부터 상측으로 급상승된 복수매 예를 들어 15매의 웨이퍼(W)를 일괄해서 수취하여 웨이퍼 보트(71)에 적재한다. 이 작업을 차례로 반복하여 소정 매수의 웨이퍼(W)를 보트(71)에 적재한 후, 제2 이동 탑재 수단(4)은 후퇴한다.
그러한 후, 보트 엘리베이터(73)가 상승하여 반응 용기(51) 내에 웨이퍼(W)를 보유 지지한 웨이퍼 보트(71)가 반입되고, 상기 반응 용기(51)의 개구부(53)가 덮개 부재(7)에 의해 폐쇄되어 기밀해진다. 계속해서, 밸브(V5 및 V7)를 개방 하여 세정액 노즐(9)의 토출 구멍으로부터 세정액 예를 들어 불산 용액을 반응 용기(51) 내에 공급하고, 도7의 (a)에 도시한 바와 같이 반응 용기(51) 내를 불산 용액으로 충족시키는 동시에, 히터(54)에 의해 반응 용기(51) 내에 있는 세정액과 자연 산화막과의 반응이 촉진되고 또한 비등하지 않는 온도 예를 들어 80 ℃로 세정액의 온도 조절이 이루어진다. 또, 이「충족시킴」이라 함은, 세정액의 액면 레벨이 웨이퍼(W)의 상단부보다도 높아진 상태이다. 이렇게 해서 소정 시간이 경과될 때까지 웨이퍼(W)를 불산 용액 중에 침지함으로써, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 자연 산화막이나, 표면에 부착한 불순물을 제거할 수 있다. 그 후, 밸브(V7, V5)를 폐쇄하여 배액구(95)의 밸브(V10)를 개방하는 동시에 밸브(V6)를 개방하고, 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 질소 가스를 상측으로부터 반응 용기(51) 내에 공급하면서 불산 용액을 반응 용기(51)로부터 배출하고, 배출 후에 밸브(V6, V10)를 폐쇄하여 밸브(V8, V5)를 개방하고 세정액 노즐(9)로부터 세정액인 순수를 공급하여 상기 반응 용기(51) 내를 순수로 충족시키고, 웨이퍼(W)의 표면에 부착되어 있는 불산 용액을 씻어 버린다. 또 밸브(V8, V5)를 폐쇄하고 밸브(V6, V10)를 개방하여 순수를 반응 용기(51)로부터 배출한 후, 밸브(V6, V10)를 폐쇄하여 밸브(V5, V9)를 개방하고 세정액 노즐(9)로부터 세정액인 IPA를 공급하여 반응 용기(51) 내를 IPA에서 충족시키고, 계속해서 밸브(V9, V5)를 폐쇄하고 밸브(V6, V10)를 개방하여 IPA를 반응 용기(51)로부터 배출한다. 이 IPA를 공급함으로써 웨이퍼(W)에 부착되어 있는 물방울(순수)의 표면 장력이 저하되고, 그리고 종방향으로 보유 지지되어 수직인 상태에 있는 웨이퍼(W)의 표면을 전하여 낙하한다.
이와 같이 세정시에 있어서는 불산 용액, 순수 및 IPA의 차례로 세정액의 공급의 절환 및 배액시에 반응 용기(51) 내로의 질소의 공급의 절환을 행하고 있지만, 이 일련의 밸브(V5 내지 V10)의 절환 조작은 도시하지 않는 제어부에 조립된 시퀀스 프로그램을 기초로 하여 절환하는 데 행해진다. 더욱 상세하게는 후술하는 열처리시의 있어서의 처리 가스 및 퍼지 가스의 공급을 절환하기 위한 밸브(V1 내지V3, V5)의 절환 조작도 상기 제어부에 조립된 시퀀스 프로그램을 기초로 하여 제어하도록 해도 좋다. 또, 이 예로서는 IPA를 액체로서 공급하도록 하고 있지만 증기로 공급하도록 해도 좋고, 이 경우 예를 들어 별도 IPA 증기의 공급로를 덮개 부재(7)에 설치하도록 해도 된다.
그러한 후, 밸브(V5)를 개방하고 밸브(V6 내지 V9)를 폐쇄한 상태로 하고, 또한 밸브(V4)를 개방하여 질소 가스 공급관(84)으로부터 건조 가스인 질소 가스를 반응 용기(51) 내에 공급한다. 이미 상술한 바와 같이 질소 가스 공급관(84)에는 각 웨이퍼(W)에 대응한 위치에 가스 공급 구멍(84a)이 천공되어 있기 때문에, 각 웨이퍼(W)에 질소 가스가 분무되어 건조가 촉진되는 동시에, 반응 용기(51) 내의 질소 퍼지가 행해진다. 소정의 시간이 경과되기까지 질소 가스에 의한 건조를 행한 후, 밸브(V4)를 폐쇄하여 질소 가스의 공급을 정지한다. 또, 질소 가스가 공급되고 있는 동안은 배기관(86)에 설치된 밸브(V5)를 개방하고, 질소 가스의 공급을 정지하였을 때에는 상기 밸브(V5)를 폐쇄한다.
그러한 후, 히터(54)에 의해 반응 용기(51) 내의 처리 분위기가 소정의 프로세스 온도 예를 들어 1000 ℃까지 승온하고, 예를 들어 산소 가스 및 수증기의 혼 합 가스인 처리 가스가 가스 공급관 및 가스 공급구(8)를 거쳐서 반응 용기(51) 내에 공급되는 동시에, 배기 수단(87)에 의해 배기구(52)로부터 배기됨으로써 반응 용기(51) 내에 소정의 압력 분위기 예를 들어 미감압 분위기가 형성되고, 웨이퍼(W)의 표면부의 실리콘이 산화되어 실리콘 산화막이 생성된다.
소정의 시간이 경과되기까지 상기 열처리가 행해진 후, 밸브(V1 내지 V3)를 폐쇄하고 처리 가스의 공급을 정지하고, 또한 질소 가스에 의해 반응 용기(51)내를 질소 퍼지하여 밸브(V4)를 폐쇄한 후, 보트 엘리베이터(73)를 소정의 하강 위치까지 하강시켜서 덮개 부재(7)를 개방하여 반응 용기(51)를 기밀 상태에서 개방하고, 웨이퍼(W)를 보유 지지한 웨이퍼 보트(71)를 반응 용기(51) 내로부터 반출한다. 그리고 상술한 반송 경로라 함은 역의 흐름, 즉 제2 이동 탑재 수단(4)이 웨이퍼 보트(71)로부터 웨이퍼(W)를 취출하여 회전 상자(61)로 반입하고, 이 회전 상자(61)를 전방 회전시켜 웨이퍼(W)의 자세를 수평하게 변경한 후, 제1 이동 탑재 수단(3)에 의해 웨이퍼(W)를 취출하여 캐리어(C)로 복귀하여 열처리를 종료한다.
상술한 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(W)를 열처리하기 위한 가열로(5)에 세정액을 공급하는 수단을 마련하여 웨이퍼(W)를 세정한 후, 계속해서 상기 가열로(5)에 처리 가스를 공급하여 열처리하는 구성으로 함으로써, 세정 후의 웨이퍼(W)는 주변의 분위기에 노출되는 일 없이 세정 후의 청정한 표면을 그대로 유지한 상태에서 열처리되어 표면에 실리콘 산화막을 형성할 수 있다. 이로 인해 상기 열처리에 의해 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는 실리콘 산화막은 자연 산화막이 전혀 혹은 거의 존재하지 않은 매우 질이 좋은 것이고, 그 결과적으로 상기 웨이퍼(W)를 이용하여 질이 좋은 박막 게이트 산화막을 얻을 수 있는 등 양호한 반도체 디바이스를 제조할 수 있다. 여기서 반응 용기(51) 내에 공급하는 질소 가스는, 이미 상술한 바와 같이 세정 후의 웨이퍼(W)를 건조시키는 역할과 함께, 반응 용기(51) 내를 퍼지하여 세정 후의 웨이퍼(W)의 표면을 청정하게 유지하는 역할을 겸하고 있고, 그로 인해 본 예에 있어서는 로딩 영역(A2) 내를 질소 가스 분위기로 하지 않아도 끝나기 때문에 장치 구성을 간단하게 할 수 있어 운전 비용의 저감을 도모할 수 있다.
상술한 실시예로서는 열처리로서 산화 처리를 예를 들었지만, CVD를 행하도록 해도 좋고, 이 경우 반응 용기(51) 내 예를 들어 반응 용기(51)의 내표면, 웨이퍼 보트(71), 덮개 부재(7)의 표면 등에 부착되어 있는 막이 세정액으로 세정되는 물질인 경우에는 반응 용기(51) 내의 세정도 합쳐서 행할 수 있다. 이러한 막으로서는 염화암모늄을 예를 들 수 있고, 프로세스로서는 염화암모늄이 부생성되는 반응, 예를 들어 디클로로실란 등의 실란계의 가스와 암모니아 가스를 반응시켜 실리콘 질화막(Si3N4막)을 성막하는 프로세스를 들 수 있다.
또 상술한 실시 형태에 있어서는, 종방향으로 한 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(71)에 적재하여 세정 및 열처리를 행하는 구성으로 함으로써, 예를 들어 세정시에 있어서는 세정액을 반응 용기(51)로부터 배출할 때에, 수직인 상태에 있는 표면에 세정액이 표면 장력으로 부착하는 일은 적고, 이 세정액은 중력에 의해 낙하하기 때문에, 이들 세정액의 웨이퍼(W) 표면으로부터의 제거를 빠르게 행할 수 있다. 이로 인해 웨이퍼(W)의 표면에 세정액의 워터 마크, 특히 질소 가스에 의한 건조시 에 웨이퍼의 표면에 IPA의 워터 마크가 발생되는 것을 억제할 수 있다. 또, 본 발명에 있어서는 건조 가스는 질소 가스로 한정되지 않고, 예를 들어 저산소 또한 고온ㆍ고압에 조제된 드라이 에어를 선택해도 된다. 이 경우, 질소에 비해 워터 마크의 발생이 보다 확실하게 억제되기 때문에 유리하다.
또한 열처리시에 있어서의 효과를 설명하면, 열처리시에 있어서 웨이퍼(W)를 종방향으로 하는 것은 반응 용기(51)의 하단부측으로부터 상단부측을 향해 흐르는 처리 가스의 유동 방향과, 각 웨이퍼(W)끼리의 간극이 신장되는 방향을 정렬하게 되므로, 웨이퍼(W)간의 가스의 흐름이 원활하게 된다. 즉, 본 예에 있어서는 웨이퍼(W)를 종방향으로 함으로써 반응 용기(51) 내의 처리 가스의 흐름에 따른 배치라도, 그로 인해 웨이퍼(W)의 면 내에 균일하게 처리 가스를 공급할 수 있다. 또 본 발명에 있어서는 복수매의 웨이퍼(W)를 일괄해서 열처리하는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들어 1매의 웨이퍼(W)를 열처리하는 매엽식으로 해도 좋다. 또한 종방향으로 적재함으로써 얻어지는 효과는 저감되지만, 웨이퍼(W)를 횡방향으로 보유 지지하여 처리하도록 해도 좋다.
본 발명에 있어서는, 이미 상술한 바와 같이 100 ℃/분의 승온 능력을 갖는 히터(54)를 선택하는 구성으로 한정되는 일은 없다. 그러나 본 발명과 같이 세정과 열처리를 공통의 챔버[가열로(5)]로 행하는 경우, 세정시에는 세정액이 비등하지 않도록 저온으로 온도 조절하는 것이 바람직하고, 또한 열처리시에는 처리 가스의 반응을 촉진시키기 위해 1000 ℃ 등으로 한 고온으로 온도 조절되어 있고, 양 공정의 온도 차가 크기 때문에, 능력이 높은 히터(54)를 선택하여 승온 시간을 단 축함으로써, 반복하여 웨이퍼(W)를 열처리하는 경우에 토탈적으로 처리량의 저하를 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서는, 웨이퍼(W)는 세정되어 열처리되기 때문에, 밀폐형의 캐리어(C)에 의해 장치로 반입출하는 구성으로 한정되지 않고, 오픈형의 캐리어를 이용해도 좋다. 이 경우에서도 상술한 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한 캐리어(C) 내에 종으로 웨이퍼(W)를 적재하도록 해도 좋다.
본 발명의 열처리 장치에 따르면, 기판을 반응 용기 내에서 세정액에 의해 세정한 후, 계속해서 상기 반응 용기에서 열처리하는 구성으로 함으로써, 세정 후의 기판은 주변의 분위기에 노출되는 일 없이 세정 후의 청정한 표면을 그대로 유지한 상태에서 열처리된다. 이로 인해 기판에 대해 양호한 열처리를 행할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반응 용기 내의 기판에 대해, 가열 수단에 의해 가열하여 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서,
    기판이 반응 용기 내로 반입된 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하기 위한 세정액 공급 수단과,
    상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하기 위한 배액구와,
    상기 세정액이 배출된 후에, 기판을 열처리하기 위한 처리 가스를 반응 용기 내에 공급하는 처리 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 반응 용기 내의 기판에 대해, 반응 용기의 외부에 마련된 가열 수단에 의해 가열하여 열처리를 행하는 열처리 장치에 있어서,
    상기 반응 용기의 반입구를 개폐하는 덮개 부재와,
    이 덮개 부재에 설치되고, 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지구와,
    이 기판 보유 지지구를 상기 반응 용기에 대해 반입 및 반출하는 수단과,
    기판을 보유 지지한 기판 보유 지지구가 반응 용기 내로 반입된 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하기 위한 세정액 공급 수단과,
    반응 용기 내로부터 세정액을 배출하기 위한 배액구와,
    상기 세정액이 배출된 후에, 기판을 열처리하기 위한 처리 가스를 반응 용기 내에 공급하는 처리 가스 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 기판 보유 지지구는 복수의 기판을 각각 종방향으로 하여 횡방향으로 간격을 두고 보유 지지하는 것인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 세정액 공급 수단은 상기 덮개 부재에 마련된 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 배액구는 상기 덮개 부재에 마련된 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 세정액 공급 수단은 반응 용기 내를 세정액으로 충족시키기 위한 것이고, 세정액이 공급되고 있는 동안은 배액구가 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 기판을 반응 용기 내로 반입하는 공정과,
    그 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 공정과,
    상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하는 공정과,
    상기 세정액을 배출한 후, 반응 용기 내에 처리 가스를 공급하는 동시에, 상기 반응 용기 내를 가열하여 기판에 대해 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  8. 반응 용기 내의 기판에 대해, 반응 용기의 외부에 마련된 가열 수단에 의해 가열하여 열처리를 행하는 열처리 방법에 있어서,
    기판을 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정과,
    계속해서 상기 기판 보유 지지구를 반응 용기 내에 대해 반입하고, 덮개 부재에 의해 반응 용기의 반입구를 기밀하게 폐쇄하는 공정과,
    그 후, 상기 반응 용기 내에 세정액을 공급하여 기판을 세정하는 공정과,
    상기 반응 용기 내로부터 세정액을 배출하는 공정과,
    상기 세정액을 배출한 후, 반응 용기 내에 처리 가스를 공급하는 동시에, 상기 반응 용기 내를 가열하여 기판에 대해 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 기판을 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정은, 복수매의 기판을 각각 종방향으로 하여 횡방향으로 간격을 두고 기판 보유 지지구로 보유 지지시키는 공정인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 세정액은 덮개 부재에 마련된 토출구로부터 공급된 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 세정액은 덮개 부재에 마련된 배액구로부터 배출된 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 용기 내에 세정액을 공급하는 공정은, 상기 반응 용기 내를 세정액으로 충족시키는 공정인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
KR1020040081977A 2003-10-15 2004-10-14 열처리 장치 및 열처리 방법 KR100944844B1 (ko)

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