WO1996028843A1 - Appareil de traitement thermique - Google Patents

Description

明 細 害 熱 処 理 装 置 技 術 分 野

本発明は、 半導体ウェハ等の 板の熱処 置に関する。

背 景 技 術

半導体デバイスの製造においては、脑錢板である半導体ウェハに対して酸 化、 拡散、 C V D (Ch emi c a l Va po r Depo s i t i on ) 、 ァニールなどの処理を行う ために、 各種の熱処3¾置力く使用されている。 その中で、 多¾¾¾のウェハに対し て同時にバッ

その周囲にヒータを配置した いわゆるホットウオール型の炉内に熱処理室として機能する «έ の反応管 （プロ セスチューブ） を設けてある。 そして、 この反応管内に被処 板の支持具であ るウェハボートを介してウェハを水平かつ上下方向に適宜の間隔で多段に多数枚 搭載し、 これら多■のウェハを同時に熱処理するようにされている。

このような従来の熱処理装置においては、 ウェハボートに搭載したウェハの中 央部よりもその周縁部に、 より多くの方向からヒータからの熱放射が入射し易い。 特に急速昇降温を行う場合、 ウェハの中央部と周縁部の温度応答性に顕著な差が 生じ易く、 一枚のウェハの面内^差により生じる内部応力によってウェハにス リップ （結晶のずれ） 力生じる傾向がある。 このような問題点を解消するために、 従来の縦型熱処理装置においては、 ウェハボートにウェハの周縁部下面を面接触 で支持するリング状の支持板を設け （このようにリング状の支持板を設けたゥェ ハボートをリングボートという。 ） 、 この支持板の熱容量によりウェハの周縁部 の '^応答性を抑制し、 ゥェハの中央部と周縁部の面内温度差の減少を図つてい る ο し力、しな力ら、 上記した従来の ί¾ [熱処3¾置においては、 ウェハとリング状 の支持板の間の熱伝導力、'放射伝熱だけでなく、 ウェハと支持板の間に存在する気 体を介した熱伝導 （気体の伝熱、 対流伝熱ともいう。 ） をも重要な要素としてい る。 このため、反応管内を ¾Sした状態で 昇降温を行おうとする場合、 リン グ状の支持板の効果が十分に発揮されず、 ウェハの中央部と周縁部の面内^^ を十分に させることが困難であった。 従って、 このような従来の„ 理 装置においては、 E下では、 急 昇降温を行うことが困難であるため、 スルー プットの向上に自から限界があった。

そこで、 本発明は、 上記した問題点を解決するために、 理室内において、 常圧下だけでなく減圧下においても被処理基板の中央部と周縁部の面内温 ^を 十分に減少させて急 昇降温を行うことができ、 スループットの向上が図れる熱 処理装置を提供することを目的とする。

発明の開示

上記した目的を達成するために本発明は、 熱処理室内に被処 板を収容して 熱処理する熱処理装置において、 被処理基板の周囲に被処理基板の周縁部にヒ一 夕から入射する所定の入射角 の入射角をもっ^ ¾射を遮る遮熱部材 （バッフ ァ） を設けたことを特徴とする。

~¾に、 被処理基板 （例えばウェハ） の周縁部は、 ヒータからの熱放射の入射 角が増大する （すなわち入射に対して被処3¾板の被処理面が直角になる） ほど いわゆる放射形態係数が増大し、 熱放射の影響を受け易くなる。 しかし、 本発明 によれば、 披処理基板の周囲に設けられた遮熱部材により被処 S¾板の周縁部に おける所定の λ!ί角以上のヒータからの熱放射が遮られるため、 周縁部の^ ¾射 による影響が極力抑制されるようになる。 従って、 従来の熱処理装置と異なり、 本発明の熱処¾ ^置では、 被処 板の周縁部の熱放射による影響を気体の伝熱 ではなく放射伝熱の観点から抑制しているため、 熱処理室内において、 常圧下だ けでなく減圧下においても被処理基板の中央部と周縁部の面内温度差を十分に減 少させることができる。 その結果、 m l昇降温を行うことか可能となり、 スルー プットの向上が図れる。

図面の簡単な説明

第 1図は本発明の熱処理装置の第 1 例の全^成を示す縦断面図である。 第 2図は本発明の第 1 例の熱処理装置の 板搭載部におけるヒータ からの ¾射の Λ ί状態を示す概略縦断面図である。

第 3図は第 2図に示した 板搭載部の平面図である。

第 4図はウェハサイズと放射形態係数との関係を示すグラフである。

第 5図は本発明の熱処理装置の第 2実施例の被処理基板搭載部の概略縦断面図 である。

第 6図は第 5図に示した被処^¾板搭載部の平面図である。

発明を実施するための最良の形態

〔第 1 例〕

以下、 本発明の熱処3¾置を 熱処理装置に適用した第 1 ¾5¾例を添付した に基づいて詳述する。 第 1図において、 1は被処 板、 例えば半導体ゥェ I に減圧 C V Dによる 処理を施すように構成された,熱処理装置であ る。 その中央部に円形の開口部 2 aを有する、 例えばステンレススチール製の、 ベースプレート 2を水平に備えている。 このベースプレート 2の下方には上端及 び下端に外向きのフランジ部 3 a , 3 bを有する、 例えばステンレススチール製 の、 短い円筒状のマ二ホールド 3が開口部 2 aと同芯に配置され、 このマ二ホー ルド 3上には縦型熱処理炉 （熱処理室） を形成する耐熱性及び耐食性を有する材 料、 例えば不透明石英、 からなる熱処理容器である反応管 （プロセスチューブ） 4が気密に接続されている。

反応管 4は、 その上端が閉塞され、下端が開口されると共に下端に外向きのフ ランジ部 4 aを有している。 本第 例における反応管 4の内側には、 上端及 CTF端の開口された石英製の内管 5がマ二ホールド 3内面に形成された内向きに 延出したフランジ部 3 cに係止させて同心円状に配置され、 この配置により二重 管構造の„ 理炉が形成されている。

マ二ホールド 3には反応管 5内に図示しな L、処理ガス供給源ある L、は不活性ガ ス供給源から処理ガスな t、し不活性ガスを導入するための の導入管部 6力 <設 けられている。 さらに、 図示しない真空ポンプ等の Mff手段により反応管 4内を 排気して、 例えば 1 0〜1 0 ^_8 T o r r程度の真空度に、 真空引きするための排 気管部 7がマ二ホールド 3に設けられている。 また、反応管 4の周囲には反応管 4内を高温、例えば 7 0 0〜1 2 0 0 °C程度、 に加熱する例えば力ンタル線等の tm (抵抗発^:) をコィル伏等に形成してなる加熱源であるヒータ 8が配置 されている。 このヒータ 8の外周は断^ 9を介して冷却ジャケット構造の、 例 えばステンレススチールからなるアウターシェル 1 0で湲われている。 これによ り、 いわゆるバッチ処翻の加 が構成されている。 なお、 ヒータ 8、 断熱材 9及びアウターシェル 1 0はベースプレート 2上に立設して支持されている。 さらにマ二ホールド 3の下方には、 その開口端を開閉する、 例えばステンレスス チール製の、 蓋体 1 1がローディング である昇降 1 2により昇降可能に 設けられている。 この蓋体 1 1上には多！^、 例えば 1 5 0枚^、 のウェハ W を水平优態で上下方向に適宜間隔で多段に して搭載する基板支持具である不 透明石英製のウェハボート （ラダーボート） 1 3が石英製の保温筒 1 4を介して 載置されている。 また、 蓋体 1 1にはウェハ Wを均一に熱処理するよう保温筒 1 4を介してウェハボート 1 3を回転させるための回転 fg¾手段 （図示なし） 力設 けられていてもよい。 .

ウェハボート 1 3は、 第 1図から第 3図に示すように、 円板状のウェハ Wの周 囲を囲むように適宜の間隔で配置された複数本 （3〜4本、 第 1実施例では 3本） の支柱 1 5を有し、 これらの支柱 1 5には多 、 例えば 1 5 0枚^、 のゥェ ハ Wを水平状態で上下方向 （高さ方向） に適宜ないし所定の間隔で多段に支持し て搭載する溝状の係止部 1 6が設けられている。 支柱 1 5は、 移 (移載口 ボット） により水平方向からウエノヽ Wの移載が 能なように一方が開放部 1 7と された構成になっている。 なお、 上記した移 は、 第 3図に示すように、舌 片状の移載アーム 1 8を有し、 この移載アーム 1 8上にウェハ Wを載せてウェハ ボート 1 3等に対する移載^!を反応管 4の下方に配設した移載エリァで行うよ うになつている。

とくに、 本発明の Ml理装置の第 1 ¾¾例では、 第 2図と第 3図に示すように、 ウェハボート 1 3の支柱 1 5には、 ウェハ Wの周囲に位置してウェハ Wの周縁部 にヒータから入射する所定の Λ ί角 Q以上の熱放射を遮る円環状の遮熱部材（バ ッファ） 1 9がウェハ Wと同間隔 （ピッチ） で、 かつ上下に隣合う遮熱部材 1 9 の中間に各ウェハ W力位置するようにして多段に日よけ （ブラインド） 状に配設 されている。 遮熱部材 1 9は、 耐熱性および遮熱性を有し、 かつウェハの汚染源 になりにくい材質、 例えば不透明石英、 からなつている。 また、 遮熱部材 1 9は ウェハボート 1 3の支柱の外側に緩く嵌まる大きさの偏平な円環状に形成され、 ウェハボート 1 3の支柱 1 5の外側にその内縁部を数力所溶接 2 0で固定するこ とにより取付けられている （第 2図及び第 3図参照） 。

ここで、 第 2図に示すように、 ウェハ Wの半径を R、遮熱部材 1 9の内縁 （内 径） 部の半径を R a、 外縁 （外径） 部の半径を R bとすると、 遮熱部材 1 9の大 きさは次のように決定される。 すなわち、 "^に、 ia の異なる二つの固体面間 における放射伝熱の伝 ^SQ [kc a l/h] は、 Q = F (T 1 - Τ 2 ⁴ ) Αで表わ される。 ここで、 は¾ ^形態係数で、 入射面に対する入射角が 0度で 0となり、 入射角の増大に従って増大し、 入射角が 9 0度で最大となる無次元数である。 二 つの固定面の翻力《極めて大きく、 更に距離が極めて近ければ、 最大値 1をとる。 つまり、 この場合は、 2固定面間以外に ¾*fがもれない状態をいう。 T 1はヒー 夕 8の SS、 T 2はウェハ Wの SS、 Aはその他の定数である。

また、 所定のピッチで^向に多段に配置されたウェハ Wの面内のある点から 加熱源全体に対する放射形態係数 Fは、 ウェハ Wの^ を 1とした場合、 第 4 図に示すようにほぼ 0. 7の点からウェハ Wのエッジ部 （1の点） にかけて急激 に增大する。 そこで、 第 2図に示すウェハ Wの半径 Rを 0. 7とし、 遮熱部材 1 9の外縁部の半径 R bを 1とすると、 ウェハ Wの面内における放射形態係数 F を小さくすることができる。 従って、 ウェハ Wの半径 Rを 1とした場合、 遮熱部 材 1 9の外縁部の半径は 1. 4、 すなわちウェハ Wの半径 Rの 1. 4倍であるこ とが最も好ましいことになる。 なお、 遮熱部材 1 9の外縁部の半径 R bは、 その 遮熱効果からいえば、 ある程度の許容範囲を有するので、 ウェハ Wの半径 Rの 1. 2〜 1. 8倍であることが好ましいことになる。 その理由は、 この比が 1. 2倍を下回ると遮熱効果が減少し、 また、 1. 8倍を上回ると遮熱効果が増 大して急 昇降温の妨げになるからである。

さらに遮熱部材 1 9の内縁部の半径 R aは、 ウェハ Wの半径 Rとほぼ等しけれ ば （すなわち、 両者力く近接していれば） 、 ウェハ Wの半径 Rよりも若干小さくて も良く、 あるいは本第 1 例のようにウエノヽ Wの半径 Rよりも若干大きくても 良い （第 2図参照） 。 また、遮熱部材 1 9は、 ウェハ Wよりも大きい熱容量を有 するようにその厚さ等を加減している。 そして、 遮熱部材 1 9の内径 （内縁部） 、 外径 （外縁部） 及び厚さは、 上記した値 （比） を考慮すると共に、 実際の急速昇 降温にてウェハ Wの中央部と周縁部の面内; fi¾差を出来るだけ減少させ得る値に 実験により具体的に設定されるようになっている。

次に、 本第 1実施例の作用を述べる。 先ず、 第 1図に示すように、 昇降機構 1 2により反応管 4下方の移載ェリ了に下降移動された蓋体 1 1上に配設されたゥ ェハボート 1 3に移 の移載アーム 1 8 (第 3図参照） によりウェハ W力移 載されると、昇降纖 1 2により蓋体 1 1が上昇移動され、 ウェハボート 1 3が 反応管 4内に搬入される。 その後、 蓋体 1 1がマ二ホールド 3の下端フランジ部 3 bに気密に当接して反応管 4内力、'密閉される。

そして、 排気管部 7からの排気 （真空引き） により反応管 4内を真空に置換し た後、 導入管部 6からの不活性ガス、 例えば窒素 (N₂ ) ガスを導入して反応管 4内を窒素 （N₂ ) ガスで置換する。 その後、 不活性ガスの導入を止め、 ヒータ 8によりウェハ Wを所定の処理^まで Ugに昇温させたなら、 導入管部 6から 所定の処理ガスを導入しつつ反応管 4内を所定の ¾E状態に維持してウェハ Wに OT ^理等の 理を行う。 この熱処理力終了した後、 熱処理したウェハ Wを、 例えば室温まで、 急 に降温させ、 処理後のウェハ Wを蓋体 1 1の下降移動によ りウェハボート 1 3ごと反応管 4外へ搬出する。

このようにして本発明の第 1 !Ufe例の熱処理装置においては、 Mff下の熱処理 室内でウェハ Wの 昇温および 降温力行われる。 そして、 本発明の熱処理 装置によれば、 ウェハ Wの周囲に設けられた遮熱部材 1 9により、 この周縁部に ヒータから Λ ίする所定の入射角 0£U:の^ ¾射力遮られ、 ウェハ Wの周縁部の ¾¾¾射による影響が抑制される （第 2図参照） 。 すなわち、 バッチ処 ¾ 加熱に 起因するウェハ Wの周縁部の ¾¾射による影響力遮熱部材 1 9の日よけ （ブライ ンド） 作用とその熱容量による緩和作用により抑制され、 ウェハ Wの周縁部の温 度応答性をその中央部の 応答性とほぼ同等にすることができる。 さらに急速 昇降温時におけるウェハ Wの中央部と周縁部の面内' SJ 差を極力減少させること 力河能となり、 ウエノ、Wの面内 の均一化が図れるようになる。

従って、 従来の熱処理装置と異なり、 本発明の第 1実施例の縦型熱処理装置で は、 ウェハ Wの周縁部の熱放射による影響を気体の伝熱ではなく放射伝熱の観点 から抑制しているため、 熱処理室内において、 常圧下だけでなく ¾E下において もウェハ Wの中央部と周縁部の面内' 差を十分減少させて急 J¾昇降温を行うこ とか可能となり、 スループッ卜の向上が図れる。 上記した第 inm例ではウェハ

Wがその周囲に配置された複数本 （例えば 3本） の支柱 1 5を有するウェハボー ト 1 3に水平忧態で上下方向に適宜間隔で多段に搭«¾持される。 とくに、 この ウェハボート 1 3の支柱 1 5に円環状の遮熱部材 1 9がウェハ Wとほぼ同間隔で かつ S¾いに多段に配設されているため、 常圧下だけでなく ¾ETにおいても搭 載された多 のウェハ Wの中央部と周縁部の面内 S¾¾を極力減少させて 昇降温を行うことか^ I能となり、 スループッ卜のさらなる向上が図れることにな る。 また、 本発明の第 例の經熱処離置では、 上下に隣合う遮熱部材 1 9の中間にウェハ W力； atいに位置するように配設されているため、 水平方向 からウェハ Wの移載を行う場合に、 移 の移載ァ-ム 1 8 (第 3図参照） が 遮熱板 1 9と干渉することがなく、 支柱 1 5間の開口部 1 7を介してウェハ Wの 移載を容易に力、つ ¾ϋに行うことか^!能となり、 スループッ卜のさらなる向上が 図れる。 さらに、遮熱部材 1 9がウェハ Wよりも大きい熱容量を有しているため、 そのブラインド作用による遮熱効果だけでなく遮熱部材 1 9の熱容量によっても 応答性の良いウェハ Wの周縁部の急激な昇降温を緩和することができる。 そ の結果、 熱処理室内において、常圧下だけでなく減圧下においてもウェハ Wの中 央部と周縁部の面内温度差をさらに十分に減少させてさらに急 な昇降温を行う こと力可能となり、 スループットのさらなる向上が図れる。

上記した第 例のウェハボート 1 3と既存のリングボートを用いて^!昇 降温比 i^S^ (シユミレーシヨン） を行ったところ、 次のような結果が得られた。 先ず、 既存のリングボー卜の支持板の内径を 1 4 O mm、 外径を 2 0 O mm、 厚 さを 5 mmとし、 他方、 本第 例のウェハボート 1 3の遮熱部材 1 9の内径

(R a ) を 2 1 O mm、 外径 （R b ) を 2 8 O mm、 厚さ （O を 5 mmとした。 また、 ウェハ Wは 8インチの大きさのものを用い、 ウェハピッチ （P) を 2 0 m mとした （第 2図参照） 。 そして、 ウェハ Wを室温 2 5 °Cから 8 0 0 °Cまで iuliに昇温させる ΙϋΙ昇温 (例えば、 ∞ 分） と、 8 0 0 °Cから 2 5 °Cまで急 に降温させる急 Ji降温 (例えば、 一∞°CZ分） を行った。 その結果、 既存のリングボートを用いた場合 のウェハ Wの中央部と周縁部の面内^差力最大 5 0 °Cであったのに対し、 本第 1実施例のウェハボート 1 3を用いた場合のウェハ Wの中央部と周縁部の面内温 度差は最大 3 5 °Cであった。 その結果、 本発明によって、 ウェハ Wの面内温度差 力減少されることが十分実証された。

〔第 2 例〕

第 5図及び第 6図は、

を示している。 ここで 上記した第 1実施例と同一部分には同一参照符号が付されその詳細な説明が省略 されている。 図示するように本第 2 H¾例のウェハボート 1 3は、 平坦で円環状 の遮熱部材 1 9の周囲を囲むように適宜の間隔で配置された複数本 （3〜4本） 、 例えば 3本、 の支柱 1 5を有している。 これら支柱 1 5の内側に円環状の遮熱部 材 1 9がその外縁部を溶接等で固定することにより上下方向に適宜間隔で多段に 配設されている。 さらに、 多段に配設した各遮熱部材 1 9の内縁部上面にはゥェ ハ Wを隣合う遮熱部材 1 9の中間に支持するための支持部 2 1が周方向に適宜の 間隔 （例えば 3等分の位置に） で設けられている。 本第 例によれば、 上記 した第 1実施例と同様の作用効果力得られるとともに、 ウェハボート 1 3の支柱 1 5がウェハ Wの周縁部から離れているため、 支柱 1 5がウェハ Wの面内温度の 均一化に及ぼす影響を極力減少させること力可能となる。

産業上の利用可能性

以上のように、 本発明の熱処理装置は、 多数枚のウェハを熱処理するバッチ式 ,熱処理装置として、 さらには、 ホットウオール型の枚葉式熱処理装置にも適 用可能である。 また、 被処理基板としては、 半導体ウェハのほかに、 例えば L C D基板等が適用可能である。 さらに、 遮熱部材の材料としては、 不透明石英 のほかに、例えば炭化ゲイ素 （S i C) 等が適用できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1.

して熱処理する 理装置において、 被 処理基板の周囲にその周縁部に入射する所定の入射角以上の熱放射を遮る遮熱部 材を設けた熱処理装置。

2. 上言 熱部材が被処3¾板よりも大なる熱容量を有している請求項 1の 熱処理装置。

3. 上言 2ϋ熱部材が被処^¾板を搭載する基板支持具の支柱に固設された環 状板からなる請求項 1の熱処3¾置。

4. 上言 熱部材が不透明石英からなる請求項 1の^ !1理装置。

5. 上言 S¾熱部材が炭ィヒゲイ素からなる請求項 1の熱処理装置。

6. 上記熱処理装置がバッチ式縱型熱処3¾置である請求項 1の熱処理装置。

7. 上記熱処理装置がホットウォール型の枚葉式熱処理装置である請求項 1 の熱処理装置

8. 上記被処理基板が半導体ウェハである請求項 1の熱処理装置。

9. 上記被処 板が L C D基板である請求項 1の熱処理装置。

1 0. 上記遮熱部材カ 状板からなり、 その外縁部の半径が円板状の被処理 基板の半径の 1. 2〜1. 8倍である請求項 1の熱処理装置。

1 1. 被処理基板がその周囲に配置された複数本の支柱を有する基板支持具 に水平かつ上下方向に適宜の間隔で多段に搭載され、 該基板支持具の支柱に環状 の遮熱部材が被処 as板とほぼ上下方向に同間隔で多段に配設されている熱処理

1 2. 上言 Kg熱部材が隣接する被処 板の中間に位置するように配設され ている請求項 1 1の熱処理装置。

1 3. 上記環状の遮熱部材カ上記支柱の外側にその内縁部を固定して取付け られている請求項 1 1の^ ^置。

1 4. 上記環状の遮熱部材が上記支柱の内側にその外縁部を固定して取付け られるとともに、 上記環 t¾i熱部材の内縁部上面に披処 as板を支持する支持部 が周方向に適宜の間隔で設けられている請求項 1 1の熱処 s¾g。