KR20130028875A - 기판 냉각 기구 및 기판 냉각 방법 그리고 열처리 장치 - Google Patents

기판 냉각 기구 및 기판 냉각 방법 그리고 열처리 장치 Download PDF

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마사토 가와카미
히로미 니타도리
윤 모
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

복수의 기판을 가열하는 배치식의 열처리 장치에서, 열처리 후의 기판을 신속하게 또한 균일하게 냉각할 수 있는 냉각 기구 및 냉각 방법, 그리고 이러한 냉각 기구를 구비한 열처리 장치를 제공하는 것이다. 처리 용기(11) 내의 기판 보지 부재(15)와 가열 수단(12) 사이에 삽입되는 삽입 위치와 삽입 위치로부터 인출된 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하며, 열처리 후의 기판(W)으로의 복사열을 차폐하는 통 형상을 이루는 열차폐 부재(30)와, 처리 용기(11)의 외부에 배치된 공냉 포트(21)를 가지고, 열차폐 부재(30)는, 인출 위치에서 2 개의 반통 형상 부재(31)가 합체 및 분리 가능하게 설치되어 있고, 이들이 합체한 상태로, 열차폐 부재(30)가 인출 위치와 삽입 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있다.

Description

기판 냉각 기구 및 기판 냉각 방법 그리고 열처리 장치{SUBSTRATE COOLING DEVICE, SUBSTRATE COOLING METHOD AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 기구 및 기판 냉각 방법, 그리고 이러한 기판 냉각 기구를 구비한 열처리 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대하여 확산 처리, 성막 처리, 산화 처리 등의 열처리를 행할 경우에는, 종형(縱型)의 석영제의 처리 용기 내에, 복수의 기판을 수직 방향으로 다단으로 배치한 석영제의 보트를, 처리 용기로 반입하고, 처리 용기의 주위에 설치된 원통 형상의 저항 발열형의 히터에 의해 기판을 가열하는 배치식의 종형 열처리 장치가 널리 이용되고 있다.
이러한 종형 열처리 장치에서는, 처리 용기의 하방에 기판 반송실이 되는 로딩 에어리어가 설치되고, 그 로딩 에어리어에서 보트에 복수의 기판이 탑재된 다음, 처리 용기 내로 반입되어 열처리가 행해진다. 열처리 종료 후, 보트에 탑재된 기판은 처리 용기로부터 로딩 에어리어로 이송되고, 보트로부터 취출되어 반출된다. 이 때 기판은 500 ~ 1200℃ 정도의 고온이며, 이에 의해 로딩 에어리어도 고온이 되기 때문에, 로딩 에어리어의 노구(爐口) 근방으로 냉각 가스를 공급하여 냉각하는 기술이 알려져 있다(특허 문헌 1 등).
일본특허공개공보 2002 - 176045 호
그러나, 로딩 에어리어로 냉각 가스를 공급해도, 고온으로 가열된 기판의 온도를 유효하게 저하시키는 것이 곤란하며, 기판의 냉각에 시간이 걸려 그 만큼 처리의 스루풋이 저하된다.
또한, 냉각 효과를 높이기 위하여 냉각 가스를 대량으로 흘리는 것도 행할 수 있지만, 대부분의 경우, 보트에는 좁은 간격으로 복수의 기판이 탑재되어 있기 때문에 냉각 가스는 측방으로부터 공급될 수 밖에 없고, 이 때문에 기판의 면내에서 냉각이 불균일하게 됨으로써 기판의 온도 분포에 편향이 발생하고, 열팽창의 차이로부터 휨이 발생하여 기판이 파손되기 쉬워지는 문제도 발생한다. 특히, 기판이 대형화됨에 따라 기판 내의 온도 분포의 편향은 보다 심각한 것이 되고 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 복수의 기판을 가열하는 배치식의 열처리 장치에 있어서, 열처리 후의 기판을 신속하게 냉각할 수 있고, 또한 기판이 대형화되어도 균일하게 냉각할 수 있는 냉각 기구 및 냉각 방법, 그리고 이러한 냉각 기구를 구비한 열처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제 1 관점은, 복수의 기판을 보지(保持)하는 기판 보지 부재와, 상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와, 상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과, 상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구를 가지고, 상기 가열 수단에 의해 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판을 열처리 하는 열처리 장치에서의, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 기구로서, 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에 삽입되는 삽입 위치와 삽입 위치로부터 인출된 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하며, 상기 열처리 후의 기판으로의 복사열을 차폐하는 통 형상을 이루는 열차폐 부재와, 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트를 가지고, 상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치에서 2 개의 반통 형상 부재가 합체 및 분리 가능하게 설치되어 있고, 이들 2 개의 반통 형상 부재는, 서로 분리되어 배치된 퇴피 위치와, 이들이 합체하여 통 형상으로 구성되는 합체 위치와의 사이에서 이동 가능하게 설치되고, 상기 2 개의 반통 형상 부재가 상기 합체 위치에서 합체된 상태로, 상기 열차폐 부재가 상기 인출 위치와 상기 삽입 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구를 제공한다.
상기 제 1 관점에 있어서, 상기 공냉 포트는, 상기 기판 보지 부재로 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 공급 기구를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열차폐 부재의 상기 반통 형상 부재를 각각 지지하는 지지 부재를 더 가지고, 상기 지지 부재는, 상기 반통 형상 부재가 합체하여 상기 가열 수단과 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재 사이에 삽입될 때, 상기 반통 형상 부재의 열을 배출하는 기능을 가지는 것이 바람직하다. 상기 지지 부재는, 질화 알루미늄 및 알루미나 중 어느 하나로 구성할 수 있다. 또한, 상기 열차폐 부재의 상기 외측면을 구성하는 상기 상대적으로 저복사율의 재료는 석영 및 텅스텐 중 어느 하나를 이용할 수 있고, 상기 내측면을 구성하는 상기 상대적으로 고복사율의 재료는 질화 알루미늄 및 알루미나 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치로 인출될 때, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스의 공급을 방해하지 않는 길이를 가지는 것으로 할 수 있다. 또한 상기 열차폐 부재는, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스가 통과하여 상기 기판 보지 부재의 기판으로 공급되는 홀을 가지는 구성으로 할 수 있다. 이 경우, 상기 열차폐 부재는, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스의 공급을 방해하는 부분에만 냉각 가스가 투과하는 홀을 가지는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점은, 복수의 기판을 보지하는 기판 보지 부재와, 상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와, 상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과, 상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구를 가지고, 상기 가열 수단에 의해 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판을 열처리하는 열처리 장치에서의, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 방법으로서, 열처리 후, 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에, 통 형상을 이루고 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 열차폐 부재를 삽입하고, 상기 열처리 후의 기판으로의 복사열을 차폐하여, 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판의 복사 냉각을 행하고, 또한 상기 기판 보지부를 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트로 반출하여 기판의 공냉을 행하는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 방법을 제공한다.
본 발명의 제 3 관점은, 복수의 기판을 보지하는 기판 보지 부재와, 상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와, 상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과, 상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구와, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 기구를 구비하고, 상기 기판 냉각 기구는, 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에 삽입되는 삽입 위치와 삽입 위치로부터 인출되는 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하며, 열처리 후의 기판에의 복사열을 차폐하는 통 형상을 이루는 열차폐 부재와, 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트를 가지고, 상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치에서 2 개의 반통 형상 부재가 합체 및 분리 가능하게 설치되어 있고, 이들 2 개의 반통 형상 부재는, 서로 분리되어 배치된 퇴피 위치와, 이들이 합체하여 통 형상으로 구성되는 합체 위치와의 사이에서 이동 가능하게 설치되고, 상기 2 개의 반통 형상 부재가 상기 합체 위치에서 합체한 상태에서, 상기 열차폐 부재가 상기 인출 위치와 상기 삽입 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 열처리 후, 처리 용기 내의 기판 보지 부재와 가열 수단 사이에 통 형상의 열차폐 부재가 삽입되므로, 가열 수단으로부터 기판에의 복사열을 차폐하는 것 및 기판으로부터 방출되는 복사열을 흡수할 수 있다. 이 때문에, 고온 상태에서 복사 냉각에 의해 기판을 유효하게 냉각할 수 있다. 또한, 외측면을 상대적으로 저복사율의 재료로 구성함으로써, 가열 수단으로부터의 복사열을 반사하여 기판에의 도달을 최대한 저감하고, 내측면을 상대적으로 고복사율의 재료로 구성함으로써, 기판으로부터 방출되는 복사열을 흡수하는 효과를 높일 수 있다. 이 후, 기판 보지 부재는 공냉 포트로 반출되어 공냉되지만, 복사 냉각에 의해 기판 온도가 저하되어 있기 때문에, 대류 냉각에 의해 효과적으로 기판이 냉각되고, 기판이 공냉에 의해 효율적으로 냉각되지 않는 시간을 최대한 단축할 수 있다. 또한, 열차폐 부재는 삽입 위치로부터 인출 위치로 인출된 후, 각 반통 형상 부재로 분리되어 퇴피 위치로 퇴피하므로, 열차폐 부재가 기판의 공냉을 방해하지 않고, 기판 보지 부재의 반입출에 방해가 되지도 않는다. 또한, 대량의 냉각 가스로 냉각하는 등의 급격한 냉각 방법과는 달리, 대형의 기판이라도 기판 내의 온도 분포의 편향이 적어 균일한 냉각을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 장치를 도시한 종단면도이다.
도 2는 도 1의 열처리 장치의 로딩 에어리어를 도시한 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 A - A 선에 따른 종단면도이다.
도 4는 열차폐 부재를 도시한 사시도이다.
도 5는 열차폐 부재를 도시한 단면도이다.
도 6은 열차폐 부재의 장착 순서를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 열차폐 부재의 퇴피 순서를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 열차폐 부재의 변형예를 도시한 도이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 장치를 도시한 종단면도, 도 2는 도 1의 열처리 장치의 기판 반송실인 로딩 에어리어를 도시한 횡단면도, 도 3은 도 1의 A - A 선에 따른 종단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(1)는, 기판인 복수의 반도체 웨이퍼(이하, 단순히 웨이퍼라고 함)(W)에 대하여, 예를 들면 확산 처리, 산화 처리, 성막 처리 등의 각종 열처리를 실시하는 것이며, 이들 처리를 행하는 열처리 에어리어(2)와, 열처리 에어리어(2)로 웨이퍼(W)의 반입출을 행하는 로딩 에어리어(기판 반송실)(3)를 가지고 있다.
열처리 에어리어(2)는, 상하 방향으로 연장되는 원통 형상을 이루는 종형의 처리 용기(11)를 가지고 있다. 이 처리 용기(11)는 본체부가 내열성을 가지는 재료, 예를 들면 석영으로 구성되어 있고, 본체부 아래는 원통 형상의 금속제인 매니폴드(13)로 되어 있고, 이 매니폴드(13)에는 처리 가스 공급 배관 및 배기관(모두 도시하지 않음)이 접속되어, 처리 용기(11) 내로의 처리 가스의 공급 및 처리 용기(11) 내의 배기를 행할 수 있도록 되어 있다. 처리 용기(11)의 주위에는 가열 수단으로서 저항 히터로 이루어지는 원통 형상의 히터 유닛(12)이 설치되어 있다. 또한, 처리 용기(11)의 내부에는 석영제의 내통(14)이 설치되어 있고, 처리 용기(11)는 이중관 구조로 되어 있다. 또한, 가열 수단은 저항 히터에 한정되지 않고, 복사열에 의해 가열하는 것이면 되고, 또한 처리 용기(11)의 외측에 한정되지 않고, 기판을 둘러싸도록하도록 배치된다면 처리 용기(11)의 내측에 설치되어도 된다.
처리 용기(11)의 내통(14) 내에는, 복수의 웨이퍼(W)를 상하 방향으로 적층한 상태로 보지한 석영제의 웨이퍼 보트(15)(기판 보지 부재)가 반입되고, 처리 용기(11) 내를 감압 분위기로 한 상태에서 처리 가스에 의해 확산 처리, 성막 처리, 산화 처리 등의 소정의 열처리가 행해지도록 되어 있다.
로딩 에어리어(3)는 하우징(21)을 가지고, 하우징(21) 내에는 웨이퍼 보트(15)를 지지하여 승강하는 승강 지지체(22)가 설치되어 있다. 승강 지지체(22)는 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강되고, 이에 의해, 웨이퍼 보트(15)를 하우징(21) 내의 이점 쇄선으로 나타낸 웨이퍼 전달 위치와, 처리 용기(11) 내의 실선으로 나타낸 처리 위치와의 사이에서 승강 가능하게 되어 있다.
웨이퍼 보트(15)는, 보온통(16) 및 캡(17)을 개재하여 승강 지지체(22)에 지지되어 있고, 승강 기구에 의해 승강 지지체(22)를 하강시켜, 웨이퍼 보트(15)가 로딩 에어리어(3)의 하우징(21) 내에 있는 상태에서, 이동 재치 기구(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼 보트(15)와 웨이퍼 캐리어(도시하지 않음)의 사이에 웨이퍼(W)의 전달이 행해지도록 되어 있다.
이동 재치 기구에 의해 웨이퍼 캐리어로부터 웨이퍼 보트(15)로 웨이퍼(W)를 이동 재치하고, 웨이퍼 보트(15)에 복수, 예를 들면 50 ~ 150 매의 웨이퍼(W)를 탑재한 상태에서, 승강 기구에 의해 승강 지지체(22)를 상승시킴으로써, 도 1에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)를 탑재한 웨이퍼 보트(15)가 처리 용기(11) 내로 반입된 상태가 된다. 이 상태에서, 캡(17)은 처리 용기(11)의 저부 개구 및 하우징(21)의 상부 개구에 대응하는 개구를 폐색하여, 처리 용기(11) 내를 기밀한 공간으로 유지하도록 되어 있다. 그리고, 처리 용기(11)를 배기하고, 처리 용기(11) 내로 소정의 처리 가스를 도입하여 히터 유닛(12)에 의해 웨이퍼 보트(15)에 탑재된 웨이퍼(W)를 예를 들면 500 ~ 1200℃의 고온으로 가열함으로써, 확산 처리, 성막 처리, 산화 처리 등의 소정의 열처리가 행해진다. 처리 용기(11) 내에서 소정의 처리를 행한 후에는, 승강 기구에 의해 승강 지지체(22), 캡(17) 및 보온통(16)과 함께 웨이퍼 보트(15)가 로딩 에어리어(3)의 하우징(21) 내에 하강되어 공냉된다. 즉, 로딩 에어리어(3)의 하우징(21)은 기판인 웨이퍼(W)를 냉각하는 냉각 기구의 일부인 공냉 포트로서 기능한다.
웨이퍼 보트(15)가 하우징(21) 내로 되돌려진 후, 이동 재치 기구에 의해 웨이퍼 보트(15)에 탑재된 처리 후의 웨이퍼(W)를 웨이퍼 캐리어에 수납하도록 되어 있다. 처리 용기(11)로부터 웨이퍼 보트(15)를 로딩 에어리어(3)로 반출한 후에는, 셔터(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(11)의 저부 개구를 폐색하여, 처리 용기(11)로부터 로딩 에어리어(3)에의 열을 차단하여, 웨이퍼 보트(15)에 보지된 웨이퍼(W)의 냉각이 방해되지 않도록 되어 있다.
도 2, 3에 도시한 바와 같이, 로딩 에어리어(3)의 하우징(21) 내에는 청정 가스 예를 들면 N2 가스를 공급하기 위한 팬 필터 유닛(FFU)(23)과, 정류 상태로 청정 가스를 배출하는 배기 유닛(24)이 설치되어 있고, 또한 FFU(23)의 상방에는, 열처리 후에 처리 용기(11)로부터 하우징(21) 내로 강하되고 있는 웨이퍼 보트(15)에, 냉각 가스, 예를 들면 N2 가스를 분출하는 냉각 가스 공급 노즐(25)이 예를 들면 2 개 설치되어 있다. 이 냉각 가스 공급 노즐(25)은, 열처리 후에 기판인 웨이퍼(W)를 냉각하는 기판 냉각 기구의 일부로서 기능한다. 또한, 하우징(21)에는 웨이퍼 캐리어를 반입출하기 위한 반입출구(26)가 형성되어 있고, 반입출구(26)는 셔터(27)에 의해 개폐된다.
열처리 장치(1)는, 열처리 후에 기판인 웨이퍼(W)를 냉각하는 기판 냉각 기구를 가지고 있다. 기판 냉각 기구는 상술한 바와 같이, 공냉 포트로서 기능하는 로딩 에어리어(3)의 하우징(21)과, 상기 냉각 가스 공급 노즐(25)을 가지고 있는데, 이 외에 그 주요부로서, 웨이퍼(W)의 열처리 종료 시에 히터 유닛(12)과 처리 용기(11) 내의 웨이퍼 보트(15) 사이에 삽입됨으로써, 히터 유닛(12)으로부터 웨이퍼(W)로의 열을 차폐하는 열차폐 부재(30)를 가지고 있다. 이 열차폐 부재(30)는, 히터 유닛(12)으로부터의 열을 차폐함으로써 기판인 웨이퍼(W)의 냉각을 촉진한다. 열차폐 부재(30)는 히터 유닛(12)과 처리 용기(11) 내의 웨이퍼 보트(15)와의 사이의 삽입 위치와, 로딩 에어리어(3)의 하우징(21)의 상부의 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하게 설치되어 있다.
열차폐 부재(30)는 2 개의 반통 형상 부재(31)를 가지고 있고, 도 4에 도시한 바와 같이, 이들이 합체하여 통 형상으로 형성된다. 이들 2 개의 반통 형상 부재(31)의 하단에는 반통 형상 부재를 각각 지지하는 지지 부재로서의 암(32)이 장착되어 있고, 인출 위치에서 구동 기구(도시하지 않음)에 의해, 암(32)를 개재하여 2 개의 반통 형상 부재(31)를, 양자가 외방으로 이격된 퇴피 위치와, 합체하여 열차폐의 기능을 발휘하는 합체 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 2 개의 반통 형상 부재(31)가 합체 위치에서 합체하여 통 형상의 열차폐 부재(30)를 구성한 상태에서, 상기 구동 기구에 의해 열차폐 부재(30)가 인출 위치와 삽입 위치와의 사이에서 승강되도록 되어 있다. 또한, 암(32)의 장착 위치는 하단에 한정되지 않는다.
열차폐 부재(30)의 2 개의 반통 형상 부재(31)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 내측면을 포함하는 내측 부분(33)과 외측면을 포함한 외측 부분(34)이 일체적으로 설치된 2 층 구조로 되어 있다. 내측 부분(33)은 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로부터의 복사열을 쉽게 흡수할 수 있도록, 상대적으로 고복사율의 내열 재료, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)로 구성되고, 외측 부분(34)은 히터 유닛으로부터의 열선을 최대한 차단할 수 있도록, 상대적으로 저복사율(즉, 고반사율)의 내열 재료, 예를 들면 석영, 텅스텐(W)으로 구성된다. 이들 내측 부분(33)과 외측 부분(34)은 적당한 방법으로 접합 또는 접착되어 있어도 되고, 적당한 막 형성 기술에 의해 내측 부분(33)에 외측 부분(34)을 막 형성해도 된다.
또한, 암(32)은 열차폐 부재(30)가 흡수한 열을 배출하는 기능을 가지고, 비교적 열전도율이 높은 내열 재료, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)로 구성되는 것이 바람직하다. 열 배출을 양호하게 하기 위해서는, 내측 부분(33), 외측 부분(34) 및 암(32)은 일체인 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 하우징(21)의 상부에서 2 개의 반통 형상 부재(31)를 합체시켜 통 형상 부재(30)를 형성한 다음, 내통(14)과 웨이퍼 보트(15) 사이에 삽입된다. 캡(17)에는 2 개의 반통 형상 부재(31)를 합체시켜 열차폐 부재(30)를 형성한 상태에서 열차폐 부재(30) 및 암(32)이 통과 가능한 홀(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 이에 의해 열차폐 부재(30)의 상승 및 그 후의 웨이퍼 보트(15)의 하강이 가능해진다. 이 홀은 열처리 시에는 셔터(도시하지 않음)에 의해 닫혀지도록 되어 있다.
이어서, 이와 같이 구성되는 열처리 장치(1)의 동작에 대하여 설명한다.
우선, 웨이퍼 보트(15)를 로딩 에어리어(3)의 하우징(21)에서의 웨이퍼 전달 위치에 배치하고, 이동 재치 기구에 의해 웨이퍼 캐리어로부터 웨이퍼 보트(15)에 복수, 예를 들면 50 ~ 150 매 정도의 웨이퍼(W)를 이동 재치한다.
이어서, 승강 기구에 의해 승강 지지체(22)를 개재하여 웨이퍼 보트(15) 및 보온통(16)을 상승시키고, 하우징(21)의 개구 및 처리 용기(11)의 저부 개구를 통하여 처리 용기(11) 내의 내통(14)의 내측 부분으로 반입한다. 이 때, 캡(17)에 의해 하우징(21)의 개구 및 처리 용기(11)의 저부 개구가 폐색된다. 이 때, 처리 용기(11) 내는 히터 유닛(12)에 의해 가열되어 500 ~ 1200℃의 고온으로 유지되어 있다. 이 상태에서, 처리 용기(11) 내를 배기하여 소정의 감압 분위기로 하고, 또한 소정의 처리 가스를 처리 용기 내로 도입하여 확산 처리, 성막 처리, 산화 처리 등의 소정의 열처리를 행한다.
열처리가 종료된 후, 웨이퍼 보트(15)를 강하시켜 웨이퍼(W)를 냉각하는데, 본 실시예에서는 이에 앞서, 열차폐 부재(30)를 히터 유닛(12)과 처리 용기(11) 내의 웨이퍼 보트(15) 사이에 삽입하고, 히터 유닛(12)으로부터 웨이퍼(W)의 열을 차폐하여 웨이퍼(W)의 냉각을 촉진한다.
종래, 열처리 후의 웨이퍼의 냉각은 오직 로딩 에어리어에서의 공냉에 의해 행해지고 있었지만, 일반적으로 물체의 방열은, 400℃ 정도 이상에서는 복사가 지배적이며, 400℃ 정도 이하에서는 대류가 지배적이기 때문에, 웨이퍼 보트(15)가 처리 용기(11)로부터 반출된 직후의 고온 상태에서는, 냉각 가스에 의한 대류 냉각은 거의 냉각에 기여하지 않는다. 또한, 냉각 효과를 높이기 위하여 대량의 냉각 가스를 흘렸다고 해도 냉각 가스의 상류측만이 냉각되고 기판 내에 극도(차이가 심한)의 온도 분포가 발생하여 기판의 휨에 의한 파손의 원인이 된다. 따라서 본 실시예에서는, 고온 상태에서 복사 냉각에 의해 웨이퍼(W)를 유효하게 냉각하기 위하여 열차폐 부재(30)를 이용하고 있다.
즉, 복사 냉각을 효과적으로 하기 위해서는, (1) 웨이퍼(W)는 열처리 후에도 히터 유닛(12)으로부터의 복사열을 받고 있으므로, 이 히터 유닛(12)으로부터 웨이퍼(W)에 미치는 복사열을 차단하는 것 및 (2) 웨이퍼면으로부터 방출되는 복사열을 흡수하는 것의 2 개가 중요하며, 이 2 개는 열처리 후에 히터 유닛(12)과 웨이퍼 보트(15) 사이에 저온의 열차폐 부재(30)를 삽입함으로써 달성되는 것이다.
구체적으로, 열차폐 부재(30)를 히터 유닛(12)과 웨이퍼 보트(15) 사이에 삽입함으로써, 열차폐 부재(30)가 히터 유닛(12)으로부터의 복사열을 차폐하고, 또한 외측 부분(34)으로서 저복사율 재료(고반사율 재료)를 이용하여 히터 유닛(12)으로부터의 복사열의 흡수를 최대한 저감하고, 또한 내측 부분(33)으로서 고복사율 재료를 이용하여 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로부터의 복사열을 쉽게 흡수할 수 있도록 한다. 또한, 열차폐 부재(30)가 흡수한 열을 암(32)을 통하여 배출함으로써, 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로부터의 복사열을 흡수하는 효과를 보다 높일 수 있다. 열 배출을 양호하게 하기 위해서는, 암(32)은 비교적 열전도율이 높은 내열 재료, 예를 들면 질화 알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3)로 구성되는 것이 바람직하고, 내측 부분(33), 외측 부분(34) 및 암(32)은 일체인 것이 바람직하다.
또한 이상에 의해, 웨이퍼 보트(15)가 처리 용기(11) 내로부터 로딩 에어리어(3)로 반출될 때에는 웨이퍼(W)의 온도는 종래보다 저하되어 있어, 웨이퍼(W)가 공냉에 의해 효율적으로 냉각되지 않는 시간을 최대한 단축할 수 있다.
이어서, 도 6 및 도 7을 참조하여, 열차폐 부재(30)의 장착 및 퇴피 순서에 대하여 설명한다.
웨이퍼 보트(15)에 웨이퍼(W)를 이동 재치하고 있을 때, 및 웨이퍼 보트(15)를 처리 용기(11) 내로 반입할 때에는, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 하우징(21) 내의 상부에서, 통 형상의 열차폐 부재(30)를 구성하는 2 개의 반통 형상 부재(31)가 외방으로 이격된 퇴피 위치에 있다.
그리고, 상기 통 형상의 열차폐 부재(30)를 처리 용기(11) 내의 내통(14)의 내측에 웨이퍼 보트(15)를 둘러싸도록 삽입할 때 까지는, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 2 개의 반통 형상 부재(31)를 수평 이동시켜 합체시켜, 통 형상의 열차폐 부재(30)를 형성한다. 열처리가 종료된 시점에서, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 처리 용기(11) 내의 내통(14)의 내측에 웨이퍼 보트(15)를 둘러싸도록 삽입한다. 삽입 동작과 동시 또는 삽입 후에, 웨이퍼 보트(15)를 강하시킨다. 이에 의해 상술한 바와 같이, 강하하고 있는 웨이퍼 보트(15)의 웨이퍼(W)에의 히터 유닛(12)으로부터의 복사열을 차폐하고, 또한 웨이퍼(W)로부터의 복사열을 흡수할 수 있다. 또한, 전체의 처리 시간을 단축한다는 관점으로부터는, 열처리가 종료되어 냉각을 행할 때까지의 사이에 행하는 다른 처리가 없으면, 도 6의 (b)의 반통 형상 부재(31)를 합체시켜 통 형상의 열차폐 부재(30)를 형성하는 공정은 열처리가 종료될 때까지 완료하는 것이 바람직하다.
도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 보트(15)의 상단이 열차폐 부재(30)에 도달할 때, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 열차폐 부재(30)를 웨이퍼 보트(15)와 함께 강하시키고, 처리 용기(11)의 외부로 반출하여, 하우징(21) 내의 소정의 위치에 위치시킨다. 이 상태에서 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 2 개의 반통 형상 부재(31)를 수평 방향 외방으로 이동시켜, 퇴피 위치에 퇴피시킨다.
이와 같이, 열차폐 부재(30)를 분할 타입으로 하여 퇴피할 수 있도록 했으므로, 로딩 에어리어(3)에서의 열처리 후의 웨이퍼(W)의 공냉을 방해하지 않고, 또한 웨이퍼 보트(15)의 반입출의 방해가 되지도 않는다.
또한, 열차폐 부재(30)의 길이는, 로딩 에어리어의 하우징(21) 내에 강하할 때, 웨이퍼 보트로의 냉각 가스의 공급을 방해하지 않는 길이로 되어 있다. 이에 의해, 열차폐 부재(30)가 하우징(21) 내에 강하하고 나서 퇴피 위치로 퇴피할 때까지의 사이에도, 웨이퍼 보트(15)에 냉각 가스가 분사되어, 효율적으로 웨이퍼(W)의 공냉을 행할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 대량의 냉각 가스를 분사하지 않기 때문에 기판 내에 극도의 (차이가 심한) 온도 분포가 발생하지 않는다.
단, 열차폐 부재(30)의 히터 유닛(12)으로부터의 복사열을 차폐하는 효과 및 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로부터의 복사열을 흡수하는 효과는, 그 길이가 길수록 커지므로, 이들 효과를 보다 중시할 경우에는, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 보다 길이를 길게 하는 것이 유리하다. 열차폐 부재(30)의 상기 효과와, 로딩 에어리어(3)에서의 냉각 가스의 분출에 의한 웨이퍼(W)의 냉각을 양립한다는 관점으로부터는, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 홀(41)이 형성된 것을 이용할 수 있다. 즉, 처리 용기(11) 내에 삽입될 때에는, 열차폐 부재(30)의 홀(41)이 형성되어 있지 않은 부분에서 상기 열차폐 부재(30)로서의 효과를 발휘하고, 열차폐 부재(30)가 로딩 에어리어(3)로 되돌려졌을 때에는 홀(41)을 통하여 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로 냉각 가스를 공급할 수 있다. 도 8의 (b)의 구성에서는 홀(41)의 존재에 의해 열차폐 부재(30)의 효과가 불충분해질 우려가 있을 경우에는, 도 8의 (c)에 도시한 바와 같이, 상부(30a)에 홀을 형성하지 않고 열차폐 부재(30)의 상기 효과를 충분히 발휘시키고, 하부(30b)에 홀(41)을 형성하여 냉각 가스가 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))에 도달하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예에서는, 열차폐 부재(30)를 처리 용기(11) 내의 내통(14)과 웨이퍼 보트(15) 사이에 삽입했지만, 이에 한정되지 않고, 처리 용기(11)의 외벽과 내통(14) 사이, 혹은 히터 유닛(12)과 처리 용기(11)의 외벽 사이에 삽입되어 있어도 된다. 단, 히터 유닛으로부터의 복사열을 차폐하는 효과 및 웨이퍼(W)(웨이퍼 보트(15))로부터의 복사열을 흡수하는 효과의 양방을 유효하게 하기 위해서는, 보다 웨이퍼 보트(15)에 가까운 처리 용기(11)의 내통(14)과 웨이퍼 보트(15)의 사이에 삽입하는 것이 유리하다.
또한 열처리로서는, 확산 처리, 성막 처리, 산화 처리를 들었지만, 이 외에 어닐 처리, 개질 처리, 에칭 처리 등 기판의 가열을 수반하는 처리이면, 본 발명의 열처리에 포함된다. 또한, 본 발명의 열처리에서는 가스의 공급은 필수는 아니다. 또한, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용할 경우를 예시했지만, 처리에 따라 사파이어 기판, ZnO 기판, 글라스 기판 등 다양한 것을 이용할 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.
1 : 열처리 장치
2 : 열처리 에어리어
3 : 로딩 에어리어
11 : 처리 용기
12 : 히터 유닛
14 : 내통
15 : 웨이퍼 보트
16 : 보온통
17 : 캡
21 : 하우징
22 : 승강 지지체
25 : 냉각 가스 공급 노즐
30 : 열차폐 부재
30a : 상부
30b : 하부
31 : 반통 형상 부재
32 : 암
33 : 내측 부분
34 : 외측 부분
41 : 홀
W : 반도체 웨이퍼(기판)

Claims (10)

  1. 복수의 기판을 보지하는 기판 보지 부재와, 상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와, 상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과, 상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구를 가지고, 상기 가열 수단에 의해 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판을 열처리하는 열처리 장치에서의, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 기구로서,
    상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에 삽입되는 삽입 위치와 삽입 위치로부터 인출된 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하며, 상기 열처리 후의 기판으로의 복사열을 차폐하는 통 형상을 이루는 열차폐 부재와, 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트를 가지고,
    상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치에서 2 개의 반통 형상 부재가 합체 및 분리 가능하게 설치되어 있고, 이들 2 개의 반통 형상 부재는, 서로 분리되어 배치된 퇴피 위치와, 이들이 합체하여 통 형상으로 구성되는 합체 위치와의 사이에서 이동 가능하게 설치되고, 상기 2 개의 반통 형상 부재가 상기 합체 위치에서 합체한 상태로, 상기 열차폐 부재가 상기 인출 위치와 상기 삽입 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공냉 포트는, 상기 기판 보지 부재로 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 공급 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열차폐 부재의 상기 반통 형상 부재를 각각 지지하는 지지 부재를 더 가지고, 상기 지지 부재는, 상기 반통 형상 부재가 합체하여 상기 가열 수단과 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재 사이에 삽입될 때, 상기 반통 형상 부재의 열을 배출하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지 부재는, 질화 알루미늄 및 알루미나 중 어느 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열차폐 부재의 상기 외측면을 구성하는 상기 상대적으로 저복사율의 재료는 석영 및 텅스텐 중 어느 하나이며, 상기 내측면을 구성하는 상기 상대적으로 고복사율의 재료는 질화 알루미늄 및 알루미나 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치로 인출될 때, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스의 공급을 방해하지 않는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 열차폐 부재는, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스가 통과하여 상기 기판 보지 부재의 기판으로 공급되는 홀을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열차폐 부재는, 상기 냉각 가스 공급 기구로부터의 냉각 가스의 공급을 방해하는 부분에만 냉각 가스가 투과하는 홀을 가지는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 기구.
  9. 복수의 기판을 보지하는 기판 보지 부재와, 상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와, 상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과, 상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구를 가지고, 상기 가열 수단에 의해 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판을 열처리하는 열처리 장치에서의, 열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 방법으로서,
    열처리 후, 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에, 통 형상을 이루고 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 열차폐 부재를 삽입하고, 상기 열처리 후의 기판으로의 복사열을 차폐하여, 상기 기판 보지 부재에 보지된 기판의 복사 냉각을 행하고, 또한 상기 기판 보지부를 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트로 반출하여 기판의 공냉을 행하는 것을 특징으로 하는 기판 냉각 방법.
  10. 복수의 기판을 보지하는 기판 보지 부재와,
    상기 기판 보지 부재를 수용하는 처리 용기와,
    상기 기판 보지 부재를 둘러싸도록 배치되어 복사열에 의해 가열하는 가열 수단과,
    상기 기판 보지 부재를 상기 처리 용기의 내부와 상기 처리 용기의 외부와의 사이에서 반송하는 반송 기구와,
    열처리 후의 기판을 냉각하는 기판 냉각 기구
    를 구비하고,
    상기 기판 냉각 기구는, 상기 처리 용기 내의 상기 기판 보지 부재와 상기 가열 수단 사이에 삽입되는 삽입 위치와 삽입 위치로부터 인출된 인출 위치와의 사이에서 이동 가능하며, 열처리 후의 기판으로의 복사열을 차폐하는 통 형상을 이루는 열차폐 부재와, 상기 처리 용기의 외부에 배치된 공냉 포트를 가지고,
    상기 열차폐 부재는, 상기 인출 위치에서 2 개의 반통 형상 부재가 합체 및 분리 가능하게 설치되어 있고, 이들 2 개의 반통 형상 부재는, 서로 분리되어 배치된 퇴피 위치와, 이들이 합체하여 통 형상으로 구성되는 합체 위치와의 사이에서 이동 가능하게 설치되고, 상기 2 개의 반통 형상 부재가 상기 합체 위치에서 합체한 상태로, 상기 열차폐 부재가 상기 인출 위치와 상기 삽입 위치와의 사이에서 이동하고, 또한 외측면이 상대적으로 저복사율의 재료로 구성되고, 내측면이 상대적으로 고복사율의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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