JP5347319B2 - 縦型熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエーハ等のような基板に熱処理を行うための縦型熱処理装置に関する。

半導体単結晶シリコン等の単結晶インゴットからウエーハを切出した後、半導体デバイスを製造するまでには、ウエーハの加工プロセスから素子の形成プロセスまで多数の工程が介在する。それらの工程の一つに熱処理工程がある。この熱処理工程は、ウエーハ表層での無欠陥層の形成、酸素析出物の形成によるゲッタリング層の形成、酸化膜の形成、不純物拡散等の目的で行われ、非常に重要なプロセスである。

このような熱処理工程で用いられる熱処理装置、例えば、酸化や不純物拡散に用いられる拡散炉（酸化・拡散装置）としては、現在、ウエーハの大口径化に伴い、ウエーハを水平に積層した状態で複数のウエーハを同時に熱処理する縦型の熱処理装置が主に用いられている。
この縦型熱処理装置では、通常複数のウエーハを保持するための熱処理用ボートが用いられている。このような複数のウエーハに同時に熱処理を行う熱処理装置は、バッチ式の熱処理炉と言われている。

図４は、従来のバッチ式の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。図４に示すように、熱処理装置１０１の反応室は石英製の反応管１０２により形成されており、シリコンウエーハ等の被熱処理基板Ｗが載置された熱処理用ボート１０３が設置されている。反応管上部にはＨ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒ等の雰囲気ガスを反応室内に供給するための石英製のガス導入管１０４が溶接されており、このガス導入管１０４は不図示のガス供給源に接続されている。さらに反応管１０２とガス導入管１０４を取り囲むように炭化珪素（ＳｉＣ）製のライナー管１０５が設置されている。ライナー管１０５の外側にはヒータ１０６が設置されており、熱処理用ボート１０３に載置された被処理基板Ｗはこのヒータ１０６によって加熱されるようになっている。

しかし、このような縦型熱処理装置１０１を使って、例えば１２００℃といった高温の熱処理を行っていると、石英製の反応管１０２が熱により変形し、反応管１０２が熱処理用ボート１０３やライナー管１０５に接触して損傷するという不具合が発生した。

また、反応管１０２の変形を防止するための縦型熱処理装置の一例が特許文献１には記載されている。これは、図５に示すような縦型熱処理装置１０１ａであり、反応管１０２を、石英製に換えて耐熱性の高い炭化珪素製のものとしている。この場合、石英製のガス導入管１０４を反応管１０２と溶接できないため、縦型熱処理装置１０１ａの下部、すなわち反応管１０２の下に石英製のフランジ部１０７を設け、この石英製フランジ部１０７に石英製のガス導入管１０４を溶接して縦型熱処理装置１０１ａの下部から反応室内にガス導入管１０４を挿入し、反応室内で上部までガス導入管１０４を延長しなければならない。

そこで、反応室内で石英製ガス導入管１０４にＳｉＣ製のガス管１０４ａを接続する構造としたが、縦型熱処理装置１０１ａの上部の反応管１０２と石英製フランジ部１０７の隙間からリークした空気がガス導入管１０４とガス管１０４ａの接続部からガス管１０４ａの内部に侵入し、その空気が熱処理中のウエーハに供給されてウエーハ表面に曇りが発生するといった問題が起きた。

特願２００７−２８２９４１号

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、熱処理による反応管の熱変形を抑制し、また、リークによるウエーハの曇りを発生させることもない縦型の熱処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、石英製の反応管と、該反応管内に配置され、被処理基板を保持するための熱処理用ボートと、被処理基板を加熱するためのヒータを有する縦型熱処理装置であって、前記反応管は筒形状の胴部と天井部を有しており、該反応管の内側には、反応管を支持して熱変形を抑制するための反応管支持体が配置されているものであることを特徴とする縦型熱処理装置を提供する。

このように、石英製の反応管の内側に、反応管を支持して熱変形を抑制するための反応管支持体が配置されている縦型熱処理装置であれば、その石英製の反応管が熱により軟化したとしても、反応管支持体によって石英製の反応管を支えて変形を最小限に留めることができる。そのため、大きく熱変形した反応管が熱処理用ボートやライナー管に接触するという従来における不具合を防止することができる。
したがって、反応管が石英製でありながら、特に高温アニールでも使用することが可能になる。また、その石英製の反応管のライフを延ばすことができるため、反応管のコストの低減、および稼働率の向上を図ることができる。更に、反応管を石英製としているため、ＳｉＣ製の反応管のように継目のリークの心配はない。

このとき、前記反応管支持体は、材質が、炭化珪素、炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、炭素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、珪素、珪素に炭化珪素のＣＶＤコーティングが施されたもののいずれかであるのが好ましい。
反応管支持体の材質がこれらのいずれかであれば、耐熱性が高く熱による石英製の反応管の変形をより効果的に抑制することができるとともに、被処理基板への重金属等の不純物汚染の少ない縦型熱処理装置とすることができる。

また、前記反応管支持体は、筒形状の胴体部を有しており、該胴体部の外径が、前記反応管の胴部の内径の９０％以上１００％未満のものとすることができる。
このように、反応管支持体の胴体部の外径が反応管の胴部の内径の９０％以上１００％未満であるので、反応室のスペースを必要以上に狭くすることもなく、しかも熱による反応管の変形をより小さくすることができる。

このとき、前記反応管支持体は、前記反応管の天井部を支持するための天部をさらに有しており、該天部は平板または曲面板からなるものであるのが好ましい。
このようなものであれば、反応管の天井部を支持することができ、反応管の天井部の変形も最小限に抑えることができる。

また、前記反応管支持体は、枠体、平板、曲面板のいずれかからなる前記反応管の天井部を支持するための天部と、枠体からなる底部と、該天部と底部を連結し、前記反応管の胴部を支持するための複数の支柱を有するものとすることができる。
このようなものであれば、反応管の天井部を支持することができ、該天井部の変形を抑制できるものとなり、さらに、反応管の胴部を支持するための複数の支柱を有するものであるので、軽量で取り扱いが容易となり、製造コストも低いものとすることができる。

このとき、前記反応管支持体の枠体、平板、曲面板のいずれかからなる天部の外径は、前記反応管の天井部の内径の９０％以上１００％未満のものであるのが好ましい。
このようなものであれば、反応室のスペースを必要以上に狭くすることもなく、しかも熱による反応管の天井部の変形をより小さくすることができる。

本発明の縦型熱処理装置であれば、反応管支持体によって、反応管の熱変形を抑制することができる。その結果、反応管が石英製でありながら高温アニールに使用でき、また、反応管のライフを延長し、コストの低減および稼働率の向上を図ることができる。さらに、反応管が石英製であることから継目は溶着できるため、リークの心配はない。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来では、図４に示すような縦型熱処理装置１０１を使って、例えば１２００℃といった高温の熱処理を行っていると、石英製の反応管１０２が熱により変形し、反応管１０２が熱処理用ボート１０３やライナー管１０５に接触して損傷するという不具合が発生した。

また、図５に示すような縦型熱処理装置１０１ａを用いた場合、縦型熱処理装置１０１ａの反応管１０２と石英製フランジ部１０７の隙間からリークした空気が石英製のガス導入管１０４とＳｉＣ製のガス管１０４ａの接続部からガス管１０４ａの内部に侵入し、その空気が熱処理中のウエーハに供給されてウエーハ表面に曇りが発生するといった問題があった。

そこで、本発明者は、この縦型熱処理装置について鋭意研究を行ったところ、石英製の反応管の熱による変形を抑制するため、反応管内に反応管支持体を配置すれば、上記石英製の反応管が熱処理によって軟化して変形し始めたとしても、その反応管支持体によって反応管を支持することができ、反応管の変形の度合いを抑制することができることを見出した。

このようなものであれば、図４の縦型熱処理装置１０１のように、反応管１０２が大きく熱変形し、熱処理用ボート１０３やライナー管１０５に接触することを防止することができる。また、図５の縦型熱処理装置１０１ａのように、わざわざ石英製のフランジ部１０７を設けたり、石英製のガス導入管１０４にＳｉＣ製のガス管１０４ａを接続させる必要もなく、反応管全体を石英製とし、ＳｉＣとの継目を排除することによって、空気のリーク、さらには被処理基板の表面に曇りが発生するのを防止できる。
本発明者はこれらのことを見出して本発明を完成させた。

図１は、本発明に係るバッチ式の縦型熱処理装置の一例を示した概略図である。図１に示すように、本発明の縦型熱処理装置１は、石英製の反応管２と、該反応管２の内側に設置され、被処理基板Ｗが載置される熱処理用ボート３と、反応管２を取り囲むライナー管５を有している。また、ライナー管５の周囲にはヒータ６が設置されており、このヒータ６によって、被処理基板Ｗを加熱することができる。

以下、各構成について説明する。
石英製の反応管２は、筒形状の胴部１０およびその上端に天井部１１を有している。
胴部１０は筒形状で、内側に熱処理用ボート３を配置することができれば良く、特には限定されないが、円筒形状とするのが好適である。図１では、円筒形状のものを例に挙げている。
また、天井部１１の形状は特に限定されず、例えば平板のように平らなものとすることもできるし、曲面板のように曲率半径を有する形状にすることもできる。天井部１１には、熱処理の際にＨ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒ等の雰囲気ガスを反応管２の内部に供給するための石英製のガス導入管４が溶接されている。ガス導入管４の溶接位置等は特に限定されないが、天井部１１の中心部であれば雰囲気ガスを反応管２の内部に効率良く供給することができる。また、１本に限定されず、適宜必要な本数設けることが可能である。このガス導入管４は、反応管２とライナー管５の間を通り、他端が不図示のガス供給源に接続されている。このように、本発明では、反応管２が石英製であるため、ガス導入管４等の継目は石英同士で溶着により溶接できるため、石英とＳｉＣとの接続のようなリークは発生しない。

そして、反応管２の内側には反応管支持体１２が配置されている。この反応管支持体１２は、石英製の反応管２が熱処理によって熱変形するのを抑制するためのものであり、熱変形する反応管２の内側から反応管２を支持することができるものであればよく、その材質や形状等は特には限定されない。その都度、熱処理条件等に応じた適切なものを用意することができる。

例えば材質に関しては、炭化珪素、炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、炭素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、珪素、珪素に炭化珪素のＣＶＤコーティングが施されたもののいずれかからなるものとすることができる。これらの材質、特に炭化珪素を用いたものであれば耐熱性も高く、熱変形する石英製の反応管２の支持に好適であり、反応管２の熱変形の度合いをより効果的に小さく抑制することができるとともに、被処理基板Ｗへの重金属等の不純物汚染の少ない縦型熱処理装置とすることができる。

また、反応管支持体１２の形状に関しては、図１に示すように、変形する反応管２の胴部１０を支持するための胴体部１３を有しており、該胴体部１３が反応管２の胴部１０と同じ筒形状（図１の場合、円筒形状）のものが挙げられる。そして、この胴体部１３の外径は、例えば反応管２の胴部１０の内径の９０％以上１００％未満のものとすることができる。このような形状で、上記範囲の大きさの反応管支持体であれば、反応管２の内側に配置した際に、反応室のスペースを必要以上に狭くすることがない。さらには、反応管２の内壁に沿って近傍に配置することができるので、反応管２が熱変形しても、変形の度合いが小さいうちに反応管２を支持することが可能である。すなわち、従来のように、内側に配置された熱処理用ボート３や、外側に配置されたライナー管５に接触するまで、反応管２が大きく熱変形するのを効果的に防止することができる。

また、このとき、反応管支持体１２は、その上端に、反応管２の天井部１１を支持するための天部１４を有するものとすることができる。この天部１４は、例えば図１に示すように平らな形状（平板１５）にすることができる。そして、この天部１４には、ガス導入管４を挿入するための貫通孔１７を設けておく。

上記反応管支持体１２の天部１４は、図１のような平板１５以外にも、図２に示す本発明の縦型熱処理装置の他の例のように、曲面板１６で構成することも可能である。天部１４の形状、構成部材は特に限定されず、反応管２の天井部１１の形状に対応させて適切な形状のものを選択することができる。
なお、反応管支持体１２の上端には平板１５や曲面板１６は設けず、開放されたものとすることも可能であるが、図１、図２に示すような天部１４を有するもののほうが、反応管２の天井部１１の熱変形をより適切に支持することができるので好ましい。

また、反応管支持体の形状に関して、他には、例えば図３に示すものが挙げられる。図３に示す反応管支持体１２ａは、上端の天部１４ａと、下端の底部１８とに枠体１９をそれぞれ有し、これらの枠体１９を連結する複数本の支柱２０によって構成されている。このような構成によって、反応管２が熱変形する際に、天部１４ａで反応管２の天井部１１を支持し、支柱２０で反応管２の胴部１０を支持することが可能である。

また、このように、枠体１９や複数の支柱２０で構成することで、反応管支持体１２ａの軽量化を図ることができ、取り扱いも容易にすることができる。かつ、材料コストを低く抑えることができ、安価に構成できる。
なお、反応管支持体１２ａの天部１４ａは枠体１９に限定されず、この他、図１、図２のような平板１５や曲面板１６等とし、これを支柱２０で支持するものとすることも可能である。

また、反応管支持体１２ａの天部１４ａ（図３の場合、円形である）の外径を、反応管２の天井部１１の内径（図３から分かるように、反応管２の胴部１０の内径に相当する）の９０％以上１００％未満とすることができる。天部１４ａをこのような大きさのものとし、また、支柱２０の高さも適宜調整することにより、反応管２の内壁の近傍に配置させることができ、反応室のスペースを必要以上に狭くすることもなく、かつ、反応管２が大きく熱変形しないように効率良く支持することが可能なものとなる。

そして、図１−図３に示したような反応管２、反応管支持体１２、１２ａには、それぞれ下部に、排気用ポート２１が設けられており、該排気用ポート２１から、熱処理時に反応室内に供給された雰囲気ガスを系外へと排気することが可能である。

なお、熱処理用ボート３やライナー管５、ヒータ６等の本発明の縦型熱処理装置１における上記以外の他の構成は特に限定されず、例えば従来と同様のものとすることができる。被処理基板の大きさや熱処理条件等に応じてその都度適切なものを用意することが可能である。

以上のような本発明の縦型熱処理装置であれば、熱処理によって、たとえ石英製の反応管が熱変形を起こしても、その内側に配設された反応管支持体によって支持することができ、反応管が従来のように大きく熱変形するのを防止できる。熱変形の度合いを小さくすることによって、反応管が熱処理用ボートやライナー管に接触するのを防ぐことが可能である。そもそも、反応管の内側、すなわち反応管と熱処理用ボートの間に反応管支持体を配置しているので、特に反応管の胴部が熱処理用ボートに接触するのを防ぐのに効果的である。そして、これらのため、石英製の反応管を用いつつも高温アニールが可能となり、さらにはその反応管のライフの延長を図ることができる。したがって、反応管のコストを低減することができるし、また、稼働率も向上させることができる。さらに、石英製の反応管であるため、接続部は溶接により溶着できるため、リークの心配はない。

以下、本発明を実施例、比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例１）
図１のような内径３８０ｍｍ、外径３９０ｍｍの円筒形状の石英製反応管を備えた縦型の熱処理装置を用意した。この反応管の天井部は平板であり、円筒形状の胴部外側から這わせたガス導入管が天井部の中心に溶接され、反応管の上部から雰囲気ガスを供給するようになっている。また、反応管の胴部の下部には排気用ポートが溶接されている。反応管の周囲はライナー管によって囲まれている。
さらに、前記反応管の中に、反応管の胴部と同じ筒形状で、炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートを施した材料で作製した外形３７０ｍｍの円筒形状である胴体部を有する反応管支持体を配置した。前記反応管支持体の天部は平板であり、平板の中心にはガス導入管を通すための貫通孔が設けてある。石英製反応管の平板からなる天井部と炭化珪素製で円筒形状の反応管支持体の天部の平板との隙間が５ｍｍになるように反応管支持体が配置されている。反応管および反応管支持体内に熱処理用ボートを配置し、このような本発明の縦型熱処理装置を用いてシリコン単結晶ウエーハに１２００℃で１時間の熱処理を１０００回実施した。

反応管の天井部が反応管支持体の天部の平板に接触し、かつ反応管の外径が最大４００ｍｍまで拡大したが、反応管が熱処理用ボートや反応管の外側に設置した炭化珪素製のライナー管に接触することはなかった。また、熱処理したシリコン単結晶ウエーハにリークが原因と思われる曇り等の問題は発生しなかった。

（実施例２）
反応管の天井部が曲率半径５００ｍｍのドーム状の曲面板であり、反応管支持体の天部が曲率半径５００ｍｍであること以外は実施例１と同様の本発明の縦型熱処理装置（図２参照）を用意し、実施例１と同様の熱処理を行った。

反応管の曲面板からなる天井部が、反応管支持体の天部の曲面板に接触し、反応管の外径が最大４００ｍｍまで拡大したが、反応管が熱処理用ボートや反応管の外側に設置した炭化珪素製のライナー管に接触することはなかった。

（実施例３）
図３に示す本発明の縦型熱処理装置を用意した。
反応管は、天井部が曲率半径５００ｍｍの曲面板であること以外は実施例１と同様である。
また、反応管支持体は、天部および底部が一対の円形の枠体からなるもので、これらの一対の枠体は幅２０ｍｍの３本の支柱で連結されている。この反応管支持体は炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートを施した材料で作製されたものであり、天部の枠体の外径は３７０ｍｍである。反応管内に反応管支持体が配置されたとき、石英製反応管のドーム状の曲面板からなる天井部と反応管支持体の天部である枠体との隙間（ここでは、反応管の天井部において枠体の直上に位置する箇所と、枠体との間隔を言う）は５ｍｍであった。この縦型熱処理装置を用い、実施例１と同様の熱処理を行った。

反応管の曲面板からなる天井部は、若干垂れ下がりはしたものの、熱処理用ボートに接触することはなかった。また、反応管の外径が最大４００ｍｍまで拡大したが、反応管の外側に設置した炭化珪素製ライナー管に接触することはなかった。

（比較例１）
図４のような縦型熱処理装置を用意した。すなわち、本発明の縦型熱処理装置における反応管支持体は備えていない。反応管は実施例１と同様のものである。
このような従来の縦型熱処理装置を用い、１２００℃で１時間の熱処理を５００回実施した。

熱処理の回数が実施例１の半分に過ぎないにも関わらず、反応管の平板からなる天井部がすり鉢状に大きく垂れ下がって、反応管内に配置されている熱処理用ボートに接触した。また、反応管の外径が最大４１５ｍｍまで拡大し、反応管の外側に設置した炭化珪素製のライナー管に接触して抜けなくなった。

（比較例２）
反応管の天井部が曲率半径５００ｍｍのドーム状の曲面板であること以外は比較例１と同様の縦型熱処理装置を用意した。
このような従来の縦型熱処理装置を用い、１２００℃で１時間の熱処理を５００回実施した。

反応管のドーム状の曲面板からなる天井部は、若干垂れ下がりはしたものの、熱処理用ボートに接触することはなかった。しかしながら、反応管の外径が最大４１５ｍｍまで拡大し、反応管の外側に設置した炭化珪素製のライナー管に接触して抜けなくなった。

以上の実施例１−３、比較例１−２からわかるように、本発明の縦型熱処理装置を用いた実施例１−３では、従来の縦型熱処理装置を用いた比較例１−２に対して熱処理回数が倍であるにもかかわらず、石英製の反応管の変形の度合いを抑制し、変形する反応管を内側から反応管支持体が支持し、熱処理用ボートやライナー管へ接触して不具合が発生するのを防止することができた。すなわち、本発明の縦型熱処理装置であれば、従来品よりも反応管のライフを延長することができ、コストの低減や稼働率の改善を図ることができる。

また、本発明品では、図５のようなＳｉＣ製の反応管を備えた縦型熱処理装置とは異なり、雰囲気ガスの導入にあたって、反応管内で、異なる管を接続させる必要も特にはないため、管の接続部からの空気の侵入を防ぎ、熱処理後の被処理基板の表面に曇りが発生するのを防ぐことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

上記実施例では、反応管支持体として炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートを施した材料で作製したものを用いたが、他の材料、例えば炭化珪素、炭素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、珪素、珪素に炭化珪素のＣＶＤコーティングが施されたものとすることも可能である。これらは、熱処理温度、被処理基板の種類等に応じて、適宜選択して使用すれば良い。
また、反応管支持体の形状も上記例に限定されるものではない。反応管を支持し、その熱変形を抑制する反応管支持体を備えた縦型熱処理装置であれば良く、熱処理条件等により、反応管支持体として適切なものを選択することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 反応管の天井部および反応管支持体の天部が曲面板である本発明の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 反応管支持体が一対の枠体と複数本の支柱とからなる本発明の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 従来の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。 ＳｉＣ製の反応管を備えた従来の縦型熱処理装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１…本発明における縦型熱処理装置、 ２…反応管、 ３…熱処理用ボート、
４…ガス導入管、 ５…ライナー管、 ６…ヒータ、
１０…胴部、 １１…天井部、 １２、１２ａ，…反応管支持体、
１３…胴体部、 １４、１４ａ…天部、 １５…平板、 １６…曲面板、
１７…貫通孔、 １８…底部、 １９…枠体、 ２０…支柱、
２１…排気用ポート、 Ｗ…被処理基板。

Claims (3)

1. 少なくとも、石英製の反応管と、該反応管内に配置され、被処理基板を保持するための熱処理用ボートと、被処理基板を加熱するためのヒータを有する縦型熱処理装置であって、
   前記反応管は筒形状の胴部と天井部を有しており、該反応管の内側には、反応管を支持して熱変形を抑制するための反応管支持体が配置されており、
   前記反応管支持体は、枠体、平板、曲面板のいずれかからなる前記反応管の天井部を支持するための天部と、枠体からなる底部と、該天部と底部を連結し、前記反応管の胴部を支持するための複数の支柱を有するものであることを特徴とする縦型熱処理装置。
2. 前記反応管支持体は、材質が、炭化珪素、炭化珪素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、炭素に炭化珪素のＣＶＤコートが施されたもの、珪素、珪素に炭化珪素のＣＶＤコーティングが施されたもののいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の縦型熱処理装置。
3. 前記反応管支持体の枠体、平板、曲面板のいずれかからなる天部の外径は、前記反応管の天井部の内径の９０％以上１００％未満のものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の縦型熱処理装置。

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