WO2003009358A1 - Appareil et procede de traitement thermique - Google Patents

Description

明細書 熱処理装置および熱処理方法 技術分野

本発明は、 熱処理装置およびそれを用いた熱処理方法に関し、 特に、 半導体製造において半導体基板に膜形成等を行うための熱処理装置およ び熱処理方法に関する。 背景技術 ―

一般に、 半導体装置の製造においては、 熱処理成膜装置や C VD装置 など （以下、 熱処理装置と総称する） を使用して、 半導体基板上にポリ シリコン膜、 酸化膜、 窒化膜などの薄膜を形成する工程が多用されてい る。

これら熱処理工程は、 デバイスの微細化に伴って、 低温化が求められ るとともに、 生産性の向上のために処理時間の短縮が求められている。 特開平 6— 5 3 1 4 1号公報には、 図 1 0に示すように、 空冷装置を 有し、 スループットの向上が図られた熱処理装置が開示されている。 図 1 0において、 熱処理装置 1 0 0は、 ポ一ト 2上に収納された半導 体ゥェ八 1に熱処理を施すための処理室 3と、 処理室 3との間に流体通 路 8、 9を形成して処理室の外側を覆う保温部材 7と、 流体通路 8、 9 に配設され処理室 3内を加熱するヒーター 6と、 ヒーター 6の加熱面に 接触するよう流体通路 8、 9に流体 1 4 (空気） を通過させる送風機 2 1 (空冷装置） と、 流体通路 8、 9の入口に配設された開閉バルブ 1 9 とからなる。 送風機 2 1は一定風量で駆動され、 流体通路 8、 9を空冷 する。 半導体ウェハ 1に熱処理を施す際の処理室 3の最高温度は、 処理内容 によって異なり、 例えば、 低温 （1 0 0〜5 0 0 °C) 、 .中温 （5 0 0〜 9 0 0 °C) および高温 （9 0 0〜 1 3 0 0 °C) に分けることができる。 ウェハ 1を処理室 3から取り出すには処理室 3を冷却する必要がある が、 熱処理装置 1 0 0では、 中温 （例えば、 約 8 0 0 °C) での処理後の 冷却時に、 処理室 3を一 3 (TCZ分程度の速さで降温することが可能と なり、 空冷装置をもたない装置 （自然冷却による降温速度が一 5 °CZ分 程度） に比べてスループットが大きく向上する。

開閉バルブ 1 9は、 冷却時のみ開かれて高温の排気を排出し、 冷却時 以外では熱が無駄に放出されるのを防ぐために閉じられる。

特開平 7— 1 3 5 1 8 2号公報には、 図 1 1に示すように、 上記と同 様の空冷装置を有するとともに、 熱交換器 2 0が介設された排気循環路 を備えた熱処理装置 2 0 0が開示されている。

熱処理装置 2 0 0では、 排気循環路に排出された高温の排気を熱交換 器 2 0で冷却し、 処理室 3に戻して再利用される。

前記の熱処理装置 1 0 0および熱処理装置 2 0 0では、 処理室 3内を 短時間で冷却することができる。

しかしながら、 これらの熱処理装置では、 処理室 3での熱処理完了後 に、 室温程度の空気を大量に流体通路 8、 9に流すため、 処理室 3が高 温状態 （例えば、 1 2 0 0 °C位） にある場合には、 急激な温度変化によ り、 ヒ一夕一 6および処理室 3を破損するおそれがあるという問題があ つた。

別の問題としては、 昇温時のオーバーシュートがある。 通常、 熱処理 開始時に処理室 3を高速で設定温度まで上げると、 温度のオーバーシュ 一卜が生じる。 図 1 2は、 このオーバ一シュートの一例を示す。 図 1 2において、 ダラフ 1は、 + 3 0 °C/分で 1 0 0 °Cから 4 0 0 °C まで昇温した場合の処理室 3内の温度変化を示す。

この場合、 設定温度 4 0 0 °Cに対して + 8 0 °Cのオーバーシュ一卜が 起きており、 処理室 3内のウェハは不必要な加熱を受ける。 また、 設定 温度で反応を進めるには、 温度が収束するまで待たなければならず、 ス ループッ卜が低下する。

温度のオーバーシュートを防ぐため、 昇温レートを段階的に低下させ る方法がある。 図 1 2のグラフ 2は、 設定温度を段階的に設定して設定 温度 4 0 0 °Cまで昇温した場合の処理室 3内の温度変化を示す。

この場合、 昇温完了までの時間が長くなり、 結果的には不必要な熱処 理が行われることに変わりはなく、 スループットも同様に低下する。 また、 デバイスシミュレーションを行う場合には、 オーバ一シユート を考慮せずにシミュレーションを行うことが多く、 実際のデバイスとシ ミュレーシヨンの結果との間に大きな差が出る。

すなわち、 オーバーシュートは各熱処理装置間でばらつきがあるため、 実験を行ってデータを取得せねばならず、 シミュレーションへフィード バックするには長時間を要するのである。

このように、 従来の熱処理装置は、 昇温速度には優れているが、 その 後の温度収束に要する時間が長く、 安定した熱処理プロセスを構築する 上で障害となっていた。

さらに、 別の問題として、 熱処理時における処理室 3内の温度の安定 性がある。

図 1 3は、 従来の熱処理装置 （特に拡散炉） で、 処理室 3内の温度を 4 5 0 °Cから + 3 °C/分の昇温速度で 7 0 0 °Cまで昇温し、 昇温開始 2 時間経過後 （0分） からの処理室 3内の温度を記録したものである。 また、 図 1 4は、 従来の熱処理装置で、 処理室 3内の温度を 4 5 0 °C から— 3 °C/分の降温速度で 2 0 0 °Cまで降温し、 降温開始 2時間経過 後 （0分） からの処理室 3内の温度を記録したものである。

図 1 3に示すように、 処理室 3内を中 ·高温に維持する場合の温度安 定性はよいが、 図 1 4に示すように、 処理室 3内を低温 （例えば、 2 0

0 °C位） に維持する場合の温度安定性はよくない。 このため、 配線形成 工程で必要な低温の熱処理を行うには、 低温専用ヒーター等を搭載した 熱処理装置を別途用意する必要があった。

本発明は、 上記の従来の問題点を解決するためになされたものであり、 熱処理温度の収束が速く、 力 ^つ広い処理温度範囲で温度安定性が高い熱 処理装置を提供することを目的とする。 発明の開示

この発明によれば、 収納された被処理体を熱処理する処理室と、 処理 室の外面に沿って形成された流体通路と、 流体通路に配設された前記熱 処理用の加熱手段と、 流体を加熱手段の加熱面に接触して流体通路を通 過させる流体通過手段と、 熱処理中の少なくとも一時期に、 流体通路を 通過する流体の温度および流量を制御する制御手段とを備えた熱処理装 置が提供される。

すなわち、 熱処理中の少なくとも一時期に、 流体通路を通過させる流 体の温度および流量を制御する流体制御手段を備えた上記構成により、 加熱手段による熱処理を行う際に、 昇温および降温 （すなわち、 冷却） の速度を高めることができるとともに、 加熱手段からの伝熱を微調整す ることができるので、 熱処理温度の収束が速く、 さらに広い処理温度範 囲で高い温度安定性を得ることができ、 スループットが向上する。

また、 処理室を高温状態から中温状態まで冷却する際においても、 処 理室に急激な温度変化を生じないよう流体を制御することができるので、 処理室を破損することがない。 この発明における被処理体としては、 半導体基板 （ウェハー） 等が挙 げられるが、 これに限定されるものではない。

この発明における熱処理装置としては、 半導体基板の表面に薄膜や酸 化膜を積層したり、 あるいは不純物の拡散等を行うための C V D装置、 酸化膜形成装置および拡散装置等が挙げられる。

この発明における流体通路とは、 処理室の外面に加熱用流体あるいは 冷却用流体を接触させて処理室内と処理室外との間で熱の授受を行う通 路であり、 具体的には、 処理室の外面とその外側の保温材からなる外壁 との間に形成される通路が挙げられる。

この発明における加熱手段としては、 その表面に流体と接触する十分 な接触面積を有する加熱面を備え、 流体への伝熱が良好に行えるものが 好ましい。

この発明における流体として空気等の気体あるいは液体が用いられる。 特に、 冷却効果を高めたい場合には、 水等の液体を使用することが好ま しい。

この発明における制御手段は、 流体通路を通過する流体を流体通路の 上流で冷却または加熱する温度調整手段と、 流体通路を通過する流体の 流量を制御する流量制御手段と、 処理室または被処理体の温度を検知し て温度調整手段と流量制御手段の駆動を制御する流体制御部とからなる ものが挙げられる。

流量制御手段としては、 流体通路に配設された流量制御バルブが挙げ られる。

流体通過手段としては、 送風量可変のファンまたは送液量可変のポ ンプが挙げられる。 流体通過手段が、 流体通路に並列に配置され流量が 互いに異なる複数の送風量可変のファンであれば、 きめ細かい流量調整 が可能になる。 制御手段は、 処理室または被処理体の温度を熱電対等の温度測定手段 で検知して加熱手段および温度調整手段をオンオフ制御するものが挙げ られる。 この場合処理室に収納された被処理体の条件、 すなわち、 被処 理体の種類、 数量、 設定温度や外因による様々な変動に対応して、 高い 温度安定性を得ることができる。

なお、 この発明において予め設定されたプログラムに基づいて温度制 御を行うプログラム制御等を行えば、 温度測定手段を設けなくてもよい。 制御手段が、 流体通路中で処理室の近傍に配設された第 1の加熱手段 と、 流体通路を通過する流体を流体通路の上流で加熱する第 2の加熱手 段とを有し、 第 1の加熱手段が第 2の加熱手段に切り換えられるので、 急激な温度変化を生じさせることなく処理室の温度を降下させることが できる。

この発明の別の観点によれば、 収納された被処理体を熱処理する処理 室と、 処理室の外面に沿って形成された流体通路と、 流体通路に配設さ れた前記熱処理用の加熱手段と、 流体を加熱手段の加熱面に接触して流 体通路を通過させる流体通過手段と、 加熱手段および流体通過手段を制 御する制御手段とを備えた熱処理装置を用いて熱処理を行うに際し、 制 御手段が、 熱処理中の少なくとも一時期に、 流体の温度および流量を変 えながら流体通路に流体を通過させるよう流体通過手段に指令を行う熱 処理方法が提供される。

この発明では、 熱処理が、 予め設定された処理温度に到達するまでの 昇温期間、 前記設定温度を一定範囲で維持する維持期間および熱処理が 終了するまでの降温期間からなり、 制御手段が、 前記期間の少なくとも 一時期に、 処理室または被処理体の温度を検知して流体の温度および流 量を制御する。

また、 制御手段が、 予め設定された処理温度に到達する直前に、 前記 „

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流体を流体通路に通過させるよう流体通過手段に指令を行うことにより 昇温のために過剰に与えられた熱を除去できるので、 温度のオーバーシ ユートが抑制できる。

また、 制御手段が、 被処理体の熱処理に際し、 熱処理設定温度に対し て、 例えば、 一 1 0 0 °Cに制御した流体を流し続けるよう流体通過手段 に指令を行うことにより、 所定温度での熱処理の際に熱処理温度を安定 させることができる。

特に低温での熱処理の際、 流体通路に極低温 （例えば、 一 1 0 0〜1 0 0 °c程度） に制御した流体を流し続けることにより、 熱処理温度を安 定させることができる。

さらに、制御手段が、予め設定された熱処理温度に到達する直前まで、 平均 + 1 0 °cz分以上の温度上昇率で、 かつ設定温度に対しオーバーシ ユートが + 1 °C以下で昇温させるよう加熱手段に指令を行うので、 温度 の安定に要する時間、 すなわち、'オーバーシュートから設定温度に下げ るために要する時間または設定温度からォ一バーしないように温度上昇 率を下げた場合に設定温度に到達する時間を短縮することができる。 この発明の熱処理装置は、 半導体基板上に薄膜を形成する際の熱処理 に使用することができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 この発明の実施の形態 1による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

図 2は、 図 1の熱処理装置を用いて行つた熱処理方法の一例による処 理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 3は、 この発明の実施の形態 2による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。 図 4は、 図 3の熱処理装置を用いて行った熱処理方法の一例による処 理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 5は、 この発明の実施の形態 3による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

図 6は、 図 5の熱処理装置を用いて行った熱処理方法の一例による処 理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 7は、 この発明の実施の形態 4による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

図 8は、 図 7の熱処理装置を用いて行った熱処理方法の一例による処 理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 9は、 図 1の熱処理装置を用いて行った熱処理方法の一例による処 理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 1 0は、 従来の熱処理装置の基本的な構成を示す断面図である。 図 1 1は、 従来の熱処理 g置の基本的な構成を示す断面図である。 図 1 2は、 従来の熱処理装置の用いて行った熱処理方法の一例による 処理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 1 3は、 従来の熱処理装置の用いて行った熱処理方法の一例による 処理室内の温度測定結果を示すグラフである。

図 1 4は、 従来の熱処理装置の用いて行った熱処理方法の一例による 処理室内の温度測定結果を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明するが、 これらに よってこの発明は限定されるものではない。

実施の形態 1

図 1は、 この発明の実施の形態 1による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

図 1に示すように、 拡散炉である熱処理装置 1 0は、 半導体ウェハ 1 を載置するためのポ一ト 2と、 所望の温度下で前記半導体ウェハ 1に熱 処理を施すための処理室 3と、 半導体ウェハ 1の載置されたポート 2を 前記処理室 3内へ出し入れするためのエレベーター機構 4と、 処理室 3 内を所望の温度にするために処理室 3の外壁 5の側部を囲むように配設 されたヒ一ター 6と、 ヒータ一 6の周囲および処理室 3の外壁 5の上部 を囲むように配設された保温材 7とを備える。

また、 処理室 3と保温材 7の間には、 流体 1 4 (空気） をヒーター 6 の表裏に形成された加熱面 6 aに接触させて通過させる流体通路 8、 9 がそれぞれ形成されている。

流体通路 8、 9の下流側 （図中上方） には送風機 2 1が配設されてい る。 送風機 2 1は、 送風量が可変であり、 室内の空気を流体入口 2 2か ら流体通路 8、 9へ吸引し、 吸引された空気を加熱面 6 aに接触させて 通過させた後、 熱処理装置 1 0外へ排出することができる。

流体入口 2 2の近傍には処理室 3へガスを導入するガス導入口 1 1お よび処理室 3内のガスを排気するガス排気口 1 2がそれぞれ配設されて いる。

処理室 3には処理室 3内の温度を測定するための熱電対 1 3が配設さ れている。 熱電対 1 3は、 設定温度に基づいて処理室 3内の温度を制御 するための温度制御手段 （図示せず） に接続されている。

熱処理装置 1 0を用いて、 ヒー夕一 6の加熱により処理室 3内を 1 0 0 から設定温度 4 0 0 °Cまで'、 + 3 0 °CZ分の昇温速度で昇温するに 際し、 処理室 3の温度が 3 5 0 °Cとなった時点で、 送風機 2 1の送風量 が最大送風量の 1 0 %、 3 0 %、 5 0 %となるように、 送風機 2 1の出 力を変えて流体入口 2 2から室温の空気を流体通路 8、 9に流した際の 処理室 3内の温度測定結果を図 2に示す （グラフ 1〜3 ) 。

さらに、 従来装 Λによる処理室 3内の温度測定結果との比較例を挙げ た （グラフ 4 ) 。 この従来例 （グラフ 4 ) は、 熱処理装置 1 0を用いて 上記と同様に処理室 3の温度を 3 5 0 °Cまで昇温させるが、 送風機 2 1 による送風は行わない、 すなわち、 本発明による冷却動作を行わない構 成とした。

図 2に示すように、 グラフ 2に示した本発明による冷却動作を行った 測定結果では、 上記の冷却動作を行わない従来例による測定結果 （ダラ フ 4 ) に比べ、 設定温度への収束が速かった。

しかし、 送風量を 1 0 %とした場合 （グラフ 1 ) には、 冷却能力が低 すぎて、 約 1 0 °Cのオーバーシュートが生じた。 また、 送風量を 5 0 % とした場合 （グラフ 3 ) には、 冷却能力が強すぎたため、 いったん温度 が落ち込み、 その後昇温した。 '

送風量を' 3 0 %とした場合 （グラフ 2 ) には、 オーバ一シュートの発 生がなく、 昇温の終了と同時に設定温度に収束していることがわかる。 このように、 昇温中に （昇温工程の終了前に） 、 冷却動作を加えるこ とにより、 半導体ウェハ 1は不必要な熱処理を受けることがなく、 また 段階的に昇 する従来の方法と比べた場合、 昇温に要する時間は飛躍的 に短くなつた。

実施の形態 2

図 3は、 この発明の実施の形態 2による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

実施の形態 1による熱処理装置 1 0では、 流体通路 8、 9の下流側に 一基の送風機 2 1を配置する構成としたが、 この実施の形態 2による熱 処理装置 3 0は、 図 3に示すように、 流体通路 8、 9の下流側に第 1の 流量コントローラ 1 5と第 2の流量コントローラ 1 6を配置する構成と した。 この点以外の構成は、 熱処理装置 1 0と基本的に同一の構成であ るため、 各部の構成の説明は省略する。

第 1および第 2の流量コントローラ 1 5、 1 6は、 送風機とその送風 ' 量を制御するコントローラとからなる。

第 1流量コントロ一ラ 1 5では、 例えば、 流量制御範囲が 5〜 1 0 0 L ZMIN (リットル毎分） 程度の大送風量が制御され、 第 2流量コント口 —ラ 1 6では、 例えば、 流量制御範囲が 5 0 0 S C M (立方センチメー トル毎分） 〜1 0 L ZMIN程度の小送風量が制御される。

第 1および第 2流量コントローラ 1 5、 1 6の位置は、 流体通路 8、 9の上流側、 すなわち、 流体入口 2 2の近傍でもよい。

この実施の形態 2による熱処理装置 3 0では、 流量制御範囲が異なる 大小二基のコントローラ 1 5、 1 6を備えているので、 さらにきめ細か い流量制御が可能となる。

熱処理装置 3 0を用いて、 ヒーター 6にかかるパワーと、 第 1および 第 2流量コントローラ 1 5、 1 6の送風量を変化させて、 流体入口 2 2 から室温の空気を流体通路 8、 9に流した際の処理室 3内の温度測定結 果を図 4に示す。なお、 図中の送風量は 1 0 0 L /MINを 1 0 0 %とした ときの百分率で示す。

この例では、 ヒータ一 6の加熱により処理室 3内の温度を 1 0 0 °Cか ら設定温度 4 0 0 °Cまで + 3 0 °CZ分の昇温速度で昇温する際、 処理室 3の温度が 3 5 0 °Cとなった時点で第 1流量コントローラ 1 5を 3 0 L /MINで駆動し、処理室 3の温度が 3 5 0 を超えて収束した後、第 1の 流量コントローラ 1 5の送風量を徐々に低下させ、 送風量が 1 0 L /MIN 以下となった時点で、 第 2の流量コント口一ラ 1 6に切り替え、 さらに 流量を徐々に低下させ、 ヒーター 6にかかるパワーも前記送風量の低下 に伴い、 徐々に低下させた。 処理室 3内の温度は、 図 2のグラフ 2で示した送風量 3 0 %の場合と 略同じように変化するが、 冷却能力を低下させながら、 つまり、 送風量 を低下させながら、 ヒーター 6のパワーも低下させているので、 無駄な エネルギー消費を低減することができる。

実施の形態 3

図 5は、 この発明の実施の形態 3による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

実施の形態 3による熱処理装置 5 0では、 実施の形態 1による熱処理 装置 1 0の流体入口 2 2に第 2のヒータ一 1 7を配設する構成とした。 この点以外の構成は、 熱処理装置 1 0と基本的に同一の構成であるため、 各部の構成の説明は省略する。

熱処理装置 5 0を用いて、 ヒーター 6の駆動により 1 1 0 0 °Cとなつ た処理室 3内の温度を、 ヒーター 6の駆動を停止して冷却するに際し、 流体入口 2 ' 2から第 2のヒ一ター 1 7で 7 5 0 °Cに加熱した空気を流体 通路 8、 9に流した場合の処理室 3内の温度測定結果を図 6にダラフ 1 として示す。

本発明による上記の冷却動作、 すなわち、 送風による強制冷却を行わ ずに、 放置して自然に冷却されるのを待った場合の処理室 3内の温度測 定結果を図 6にグラフ 2として示す。

この例では、従来のように自然冷却した場合（グラフ 2 ) には、 — 5 °C ノ分程度の降温速度であつたが、本発明による冷却動作を行った場合（グ ラフ 1 ) には、 — 1 5 °C/分程度の降温速度を得ることができた。

なお、 上記の冷却動作の際に流体通路 8、 9に流す流体の温度を 7 5 0 °Cにしたのは、 流体の温度をより低温 （例えば、 処理室 3内との温度 差が 5 0 0 °C以上となる流体の温度） にした場合には、 急激な温度変化 により、 熱処理装置 5 0の各部に損傷が生じるのを防止するためである。 実施の形態 4

図 7は、 この発明の実施の形態 4による熱処理装置の基本的な構成を 示す断面図である。

実施の形態 4による熱処理装置 70では、 実施の形態 1による熱処理 装置 10の流体入口 22に冷却器 18を配設する構成とした。 この点以 外の構成は、 熱処理装置 10と基本的に同一の構成であるため、 各部の 構成の説明は省略する。

熱処理装置 70を用いて、 処理室 3内の温度を 100°C、 200°Cお よび 700°Cに設定し、 上記各設定温度で処理室 3内の温度制御を行つ た場合の処理室 3内の温度測定結果を図 8に示す （グラフ 1〜5) 。 なお、 この例では、 ヒータ一 6は高温用のヒーターを使用した。 設定温度 700°Cでは、 本発明による冷却動作、 すなわち、 流体通路 8、 9に流体を通過させる冷却を行わないで、 ヒータ一 6のオンオフ制 御だけによ'る従来の温度制御を行った （グラフ 1) 。

設定温度 200°Cでは、 ヒーター 6のオンオフ制御だけによる従来の 温度制御を行った場合 （グラフ 2) と、 この温度制御に加えて、 この発 明の冷却動作として、 流体入口 22から室内の空気 （26°C) 〔以下、 外気と称する〕を、送風機 21の送風量を 70 %に設定して流体通路 8、 9に流した場合 （グラフ 3) の結果を示す。

また、 設定温度 100°Cでは、 ヒ一夕一 6のオンオフ制御に加えて、 この発明の冷却動作として、 送風機 21の送風量を 100%に設定し、 流体入口 22から外気 (26°C) を流体通路 8、 9に流した場合 （ダラ フ 4) と、 ヒータ一 6のオンオフ制御に加えて、 この発明の温度調整用 の冷却として、 送風機 21の送風量を 100%に設定し、 流体入口 22 から取り込んだ外気 （26°C) を冷却器 18で 0°Cに冷却して流体通路 8、 9に流した場合 （グラフ 5) の結果を示す。 図 8に示すように、 設定温度 7 0 0 °Cでは、 ヒー夕一 6のオンオフ制 御だけで処理室 3内の温度が安定したが（グラフ 1 )、設定温度 2 0 0 °C では、 ± 5 °C以上の温度の振れが発生した （グラフ 2 ) 。 ·

このような温度の振れが発生する原因の一つは、 設定温度に対して処 理室 3内の温度が高くなつた場合、 高温の処理室 3内では外気温度との 差が大きいため温度が下がるのは速いが、 低温では外気温度との差が小 さいため、 自然冷却に時間がかかるためである。

上記の原因のもう一つは、 ヒータ一 6が高温仕様であるため、 ヒ一夕 —にかかる出力がわずかに揺らいだだけで、 処理室 3内の温度が大きく 変動するためである。 よって、 処理室 3内の温度と外気温度との差を大 きくすれば、 設定温度 1 0 0 °C程度の低温でも処理室 3内の温度は安定 すると考えられる。

この考えに基づいて行われた実験例が、 図 8のグラフ 3として結果が 得られた、 'この発明の冷却動作を行った場合である。

図 8のグラフ 3が示すように、 温度の振れは土 1 °C以内に収まり、 この 発明の冷却動作を行わない場合に比べて、 処理室 3内の温度の安定性が 非常によくなつている。

図 8のグラフ 4として結果が得られた、 外気を取り込んで行う冷却動 作を行った場合には、 上記の冷却動作による温度降下が小さいため、 温 度の振れは ± 1 0 °C以上となり、処理室 3内の温度の安定性がよくなかつ た。

図 8のグラフ 5として結果が得られた冷却した外気 （0 °C) による上 記の温度制御では、 温度の振れは ± 1 以内に収まり、 グラフ 4の場合に 比べて処理室 3内の温度の安定性は格段に向上した。

実施の形態 5

実施の形態 5では、 熱処理装置 1 0を用い、 処理室 3内に配置された 熱電対 1 3で処理室 3内の温度を監視しながら、 処理室 3内の温度に応 じて送風機 2 1のパワーを変化させてこの発明の冷却を行った。

この例では、 処理室 3内の温度を 4 0 0 °Cに設定し、 1 0 0 °Cとなつ た処理室 3内の温度を設定温度 4 0 0 °Cまで + 3 0 °CZ分の温度上昇率 で昇温して、 設定温度 4 0 0 °Cに維持した。

送風機 2 1のパワーは、 実施の形態 1で図 2を用いて説明したように、 送風機 2 1の送風量が最大送風量の 3 0 %となるように設定した。

実施の形態 5に基づいて処理室 3内の温度制御を行つた場合の処理室 3内の温度測定結果を図 9に示す （グラフ 1および 2 ) 。 なお、 図 9の グラフ 2は、 ヒ一ター 6をオンオフ制御で制御しながら送風機 2 1のパ ヮーを一定に維持して行つた従来の温度制御による処理室 3内の温度測 定結果である。

この発明の温度制御では、 処理室 3内の温度を熱電対 1 3で監視しな がら自動的'に送風機 2 1のパワーを変化させているため （グラフ 1 ) 、 送風機 2 1のパワーを変化させない場合 （グラフ 2 ) と比較して、 昇温 の最終段階においても昇温速度をほとんど下げることなく、 また温度の ォ一バ一シュートも + 1 °C以内に収まり、 温度収束までの時間が短縮さ れた。

前記の各実施の形態では、 流体に空気を用いたが、 熱処理の条件等に 応じて比熱等が異なる種々の気体あるいは液体を流体として用いること ができる。 特に、 冷却効果を高めたい場合には、 水等の液体を使用する ことが好ましい。 産業上の利用の可能性

この発明の熱処理装置では、 熱処理中の少なくとも一時期に、 流体通 路を通過させる流体の温度および流量を制御する流体制御手段を備えた 上記構成により、加熱手段による熱処理を行う際に、昇温および降温（す なわち、 冷却） の速度を高めることができるとともに、 加熱手段からの 伝熱を微調整することができるので、 熱処理温度の収束が速く、 さらに 広い処理温度範囲で高い温度安定性を得ることができ、 スループットが 向上する。

また、 処理室を高温状態から中温状態まで冷却する際においても、 処 理室に急激な温度変化を生じないよう流体を制御することにより、 処理 室を破損することがない。

この発明では、 特に、 中温からの冷却速度を高めることができるとと もに、 高温から中温までの冷却を円滑に行うことができるので、 処理室 の破損が確実に防止される。

熱処理温度のオーバーシュートが抑制できるため、 デバイスシミュレ ーシヨンとの整合性もよく、 生産性および品質が向上する。 さらに、 低 温でも温度を安定させることができるので、 半導体装置等の被処理体の 品質が向上する。

また、 1台の装置で高温から低温までの熱処理ができるので、 設備投資 も少なくて済む。

Claims

請求の範囲

1. 収納された被処理体を熱処理する処理室と、 処理室の外面に沿って形 成された流体通路と、 流体通路に配設された前記熱処理用の加熱手段と、 流体を加熱手段の加熱面に接触して流体通路を通過させる流体通過手段 と、 熱処理中の少なくとも一時期に、 流体通路を通過する流体の温度お よび流量を制御する制御手段とを備えた熱処理装置。

2 . 制御手段が、 流体通路を通過する流体を流体通路の上流で冷却また は加熱する温度調整手段と、 流体通路を通過する流体の流量を制御する 流量制御手段と、 処理室または被処理体の温度を検知して温度調整手段 と流量制御手段の駆動を制御する流体制御部とからなる請求項 1に記載 の熱処理装置。

3 . 流量制御手段が、 流体通路に配設された流量制御バルブである請求 項 2記載の熱処理装置。

4. 流体通過手段が、 流体通路に並列に配置され流量が互いに異なる複 数の送風量可変のファンである請求項 1に記載の熱処理装置。

5 . 半導体基板上に薄膜を形成する際の熱処理に使用される請求項 1か ら 4のいずれか 1つに記載の熱処理装置。

6 . 制御手段が、 流体通路中で処理室の近傍に配設された第 1の加熱手 段と、 流体通路を通過する流体を流体通路の上流で加熱する第 2の加熱 手段とを有し、 第 1の加熱手段が第 2の加熱手段に切り換えられる請求 項 1に記載の熱処理装置。

7 . 収納された被処理体を熱処理する処理室と、 処理室の外面に沿って 形成された流体通路と、 流体通路に配設された前記熱処理用の加熱手段 と、 流体を加熱手段の加熱面に接触して流体通路を通過させる流体通過 手段と、 加熱手段および流体通過手段を制御する制御手段とを備えた熱 処理装置を用いて熱処理を行うに際し、 制御手段が、 熱処理中の少なく とも一時期に、 流体の温度および流量を変えながら流体通路に流体を通 過させるよう流体通過手段に指令を行う熱処理方法。

8 . 熱処理が、 予め設定された処理温度に到達するまでの昇温期間、 前 記設定温度を一定範囲で維持する維持期間および熱処理が終了するまで の降温期間からなり、 制御手段が、 前記期間の少なくとも一時期に、 処 理室または被処理体の温度を検知して流体の温度および流量を制御する 請求項 7に記載の熱処理方法。 '

9 . 制御手段が、 予め設定された処理温度に到達する直前に前記流体を 流体通路に通過させるよう流体通過手段に指令を行う請求項 7に記載の 熱処理方法。

1 0 . さらに、 制御手段が、 予め設定された熱処理温度に到達する直前 まで、 平均 + 1 0 ノ分以上の温度上昇率で、 かつ設定温度に対しォ一 バ一シュートが + 1 °c以下で昇温させるよう加熱手段および流体通過手 段に指令を行う請求項 7に記載の熱処理方法。