JPH03253024A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱処理技術、特に、熱処理装置における強制
冷却技術に関するもので、例えば、半導体装置の製造工
程において、不純物を拡散処理するのに利用して有効な
ものに関する。

〔従来の技術］ 半導体装置の製造工程において、半導体ウェハに不純物
をデポジション、および引伸し拡散する方法として、複
数枚のウェハを載置したポートを比較的低温（例えば、
８００〜９００°Ｃ）でプロセスチューブに搬入した後
、所定の温度（例えば、１０００〜１２００″Ｃ）まで
炉温度を上昇させて所定時間の処理を実施し、その後、
炉温度を低温まで降温させてから、ウェハを載置したポ
ートをプロセスチューブより搬出するように構成されて
いる所謂炉熱炉冷プロセスと呼ばれている方法がある。

なお、このような炉熱炉冷プロセスを述べである例とし
ては、特開昭５８−３３０８３号公報がある。

このような炉熱炉冷プロセスに使用される拡散装置にお
いては、加熱用ヒータ、ヒータを固定した断熱材、プロ
セスチューブ、およびこれらの間に設置された均熱管（
・５ｉＣ）等の熱容量が大きいため、炉熱炉冷プロセス
における降温（炉冷）時の速度が小さくなる。特に、比
較的低温（１０００°Ｃ以下）の処理において顕著にな
り、そのため、処理サイクル時間が長くなり、作業効率
、炉効率が低くなる。また、比較的短時間処理のプロセ
ス（例えば、２０分以下）においては、炉熱炉冷プロセ
ス法そのものの適用も雛しい。

そして、ウェハ径がさらに大口径化された場合にはウェ
ハ変形、割れ、熱応力転位等が発生し易くなるため、炉
熱炉冷プロセス法における低温度をさらに低下（例えば
、９００　’Ｃ→８００　’Ｃ）させる必要があり、か
つ、プロセスチューブの大型化に伴い熱容量も増大する
ため、問題はより一層大きくなる。

そこで、従来、特開昭５８−３３０８３号公報に記載さ
れているように、炉熱炉麿プロセスにおける降温時の速
度を高める技術として、ヒータと、均熱管との間の空間
に冷却用流体を通流する吹込管が軸心方向に挿入されて
おり、この吹込管により冷却用流体をヒータと均熱管と
の間の空間に通流させることにより、プロセスチューブ
を強制冷却させる技術が提案されている。

なお、これ以外に、プロセスチューブを強制的に冷却さ
せる技術を述べである例として、実開昭５３−９８７０
１号公報、実開昭５４−１３１２８２号公報、実開昭５
’１５４１２２号公報、実開昭５５−１４７９１号公報
、実開昭５６−４９５００号公報、実開昭５８−１５８
４４２号公報、がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、特開昭５８−３３０８３号公報に記載されてい
る熱処理装置においては、ヒータと均熱管との間の空間
が冷却されるため、吹込管の吹出口付近のみが局所的に
冷却されてしまうため、プロセスチューブ内の温度のば
らつきが大きくなるという問題点があることが、本発明
者によって明らかにされた。

本発明の目的は、プロセスチューブ内の温度のばらつき
を防止しつつ炉熱炉冷プロセスにおける降温速度を高め
ることができる熱処理装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、次の通りである。

すなわち、半導体ウェハ群が搬入搬出される処理室を備
えているプロセスチューブと、プロセスチューブに外装
されて前記処理室内を加熱するヒータとを備えている熱
処理装置において、前記ヒータの壁体内部に空洞部が開
設されていることを特徴とする。

〔作用〕

前記した手段によれば、ヒータに空洞部が開設されるこ
とにより、ヒータの熱容量が減少されているため、炉熱
炉冷プロセスにおいて、炉冷開始と同時に降温速度を高
めることができ、その結果、プロセス全体としての所要
時間を短縮させることができる。しかも、冷却がヒータ
全体にわたって均一に起こるため、プロセスチューブ内
におＩＪる温度のばらつきの発生が防止される。

〔実施例］ 第１図は本発明の一実施例である拡散装置を示す縦断面
図、第２図は第１図の■−■線に沿う一部省略拡大断面
図、第３図は炉熱炉冷プロセスのシーケンスを示す線図
である。

本実施例において、本発明に係る熱処理装置としての拡
散装置は石英ガラス等を用いて略円筒形状に形成されて
いるプロセスチューブ１を備えており、このプロセスチ
ューブ１には炉口１ａおよび処理ガス供給路１ｂがそれ
ぞれ両端に配されて開設されているとともに、その筒中
空部には処理室２が実質的に形成されている。プロセス
全体ブ１の外方にはヒータ３がこれを取り巻くように配
設されており、ヒータ３は後記する均熱管６およびプロ
セスチューブ１を通して処理室２を均一に加熱するよう
になっている。

ヒータ３はヒータ素ｍ４と、断熱材５と容器６とを備え
ている。ヒータ素線４は所定のピンチが設定されている
円筒形のコイル状に巻かれており、ヒータ素線４は通電
されることによって発熱する電気抵抗体により構成され
ている。ヒータ３の外側は石英ウール等からなる断熱材
５によって被覆されており、ヒータ３はこの断熱材５に
より支持されるようになっている。断熱材５の外部には
ステンレス等のような剛性材料を用いられて円筒形状に
形成されている容器６が断熱材５を包囲するように外装
されており、この容器６の内周面は断熱効果低下補強手
段の一つである鏡面処理部７が形成されている。この鏡
面処理部７によりヒータ３の熱線が径方向内向きに反射
されるため、ヒータ３全体としての加熱効率が高められ
るようになっている。

プロセスチューブ１の外部にはヒータ３との間に、炭化
シリコン（ＳｉＣ）等を用いられてプロセスチューブｌ
よりも大径の円筒形状に形成されている均熱管８が配設
されている。この均熱管８の中空部内底面上にプロセス
チューブ１が載置され、また、この均熱管６はヒータ３
の中空部内底面上に載置されている。

本実施例において、前記ヒータ３の断熱材５における壁
体内部には冷却用空洞部としての流通路１１が複数本、
周方向に間隔を置いた位置において軸線方向に延在する
ように配されて、全長にわたってそれぞれ開設されてい
る。各流通路１１の一端には給気管１２が接続されてお
り、この給気管１２には、冷却用流体としてのエア１３
を供給するためのエア供給源としての送風機１４が接続
されている。他方、各流通路１１の他端には排気管１５
が接続されており、この排気管１５にはエア１３を冷却
するための冷却装置１６が接続されている。

また、断熱材５の外方には断熱効果低下補強手段として
の補助ヒータ１７が断熱材５を取り囲むように敷設され
ており、この補助ヒータ１７により断熱材５に流通路１
１群が開設されたことによる断熱効果の低下分が補強さ
れるようになっている。

次に作用を説明する。

被処理物としてのウェハ９を拡散処理する場合、ウェハ
９を複数枚立てたポート１０はプロセスチューブ１に炉
口１ａから略中央部に搬入され、炉熱炉冷プロセスにつ
いてのシーケンス制御装置（図示せず）により第３図に
示されているような処理シーケンスで処理が実施される
。

すなわち、ウェハ９が複数枚立てられているボート１０
は低温時にプロセスチューブｌの炉口１ａから中央部ま
で搬入される。

ここで、ウェハ９群およびポート１０がプロセスチュー
ブ１に対して搬入されて行く際、ボート１０の進行方向
前側領域におけるウェハ９群と、後側領域におけるウェ
ハ９群との間において温度差が発生するのを防止するた
めに、ボー）１０は緩やかな速度をもって徐々に移動さ
れる。また、同様な理由で、搬入時におけるプロセスチ
ューブ１のヒータ３Ｇこよる加熱温度は所定の処理温度
よりも一時的に降下される。例えば、処理温度が約１０
００°Ｃとした場合、搬入搬出時には温度が約８００°
Ｃに降下される。

このようにして、搬入時において、ヒータ３による加熱
温度が下げられ、かつ、ボー１１０が徐々に移動されて
行くことにより、ポートｌＯ上におけるウェハ９群の前
後部における温度差の発生が抑制される。その結果、ポ
ート１０上におけるウェハ９群内（１ハツチ内）の熱処
理レート（程度）についての差が抑制されることになる
。

続いて、第１図に示されているように、炉口ｌａがキャ
ップ２０により閉塞されるとともに、炉温が８°Ｃ／分
で昇温するようにヒータ３により加熱されて行く。次い
で、１０００°Ｃ（高温）が所定時間維持されるととも
に、処理ガス供給口１ｂから所定の処理ガスが供給され
、所定の処理条件で熱処理が実施される。

所定の処理終了後、炉冷ステップに入るが、この際、ヒ
ータ素線４の加熱温度が低下されると、ヒータ３の断熱
材５には流通路１１が開設され熱容量が減少されている
ため、断熱材５の熱は短時間で奪われ、ヒータ３が短時
間で冷却されることになる。したがって、炉冷ステップ
に入ると同時に強制冷却が開始されることになる。

このとき、第１図に示されているように、送風４！１１
４が運転されてヒータ３の流通路１１に冷却用流体とし
てのエア１３が、給気管１２→流通路１１→排気管１５
→冷却装置１６、を通して流通される。前述の熱容量減
少化効果とあいまって、このエア１３によりヒータ３が
強制的に冷却さ籾ヒータ３の冷却に伴ってプロセスチュ
ーブ１が低温（例えば、８００℃）まで、５〜ＩＯ’ｃ
／分で降温（炉冷）される。

ところで、強制冷却が実施されない場合には、冷却速度
は２〜３”６７分であり、高温から低温までの炉冷時間
は約６７〜１００分かかる。本実施例によれば、冷却速
度は５〜１０°Ｃ／分となり、炉冷時間を２０〜４０分
に短縮することができる。

この冷却速度は炉熱炉冷プロセスのシーケンス制御装置
による制御に基づく送風機からのエアの供給量により、
自由に設定することができる。

処理シーケンスが高温一定の方式、すなわち、ウェハ９
を載置保持したボー）１０を高温下で搬入搬出する方式
を熱応力転位対策のために、第３図に示すような処理シ
ーケンスＬこ変更する場合であって、元の処理条件が比
較的短時間処理の場合（例えば、１０００°Ｃで５〜２
０分処理する場合）、従来のように冷却速度が遅い時に
は、この炉冷ステップで熱処理が進行してしまうため、
第３図に示されているような高温ステップが充分に確保
されない。したがって、比較的短時間処理の場合、炉熱
炉冷処理シーケンスの設定が難しい。

しかし、本実施例によれば、このような短時間処理の場
合であっても、前述したように、炉熱炉冷処理シーケン
スの設定が可能となる。

なお、処理開始時の低温（例えば、８００″Ｃ）と、処
理終了時の低温（例えば、９４０°Ｃ）が異なる場合に
は、次の処理までに低温をさらに低下させる必要がある
が、本実施例によれば、この準備時間を短縮することも
できる。

このようにして、プロセスチューブ１の処理室２が所定
の低１（８００°Ｃ）まで冷却されると、ボート１０に
保持されているウェハ９群は処理室２から炉口１ａに搬
送される。このとき、ボート１０はゆっ（りと進行され
る。したがって、前述した搬入時と同様、ウェハ９群内
の前部と後部とにおいての温度差は発生せず、温度分布
がウェハ群９内において均一になり、温度差による熱応
力の発生が抑制され、その結果、熱応力に伴う転位欠陥
やウェハの変形が防止されることになる。

前記実施例によれば次の効果が得られる。

（１）　　ヒータの壁体内部に空洞部を開設することに
より、ヒータの熱容量および断熱効果を低下させること
ができるため、プロセスチューブの低温化時にヒータの
温度低下速度を高めることができ、その結果、プロセス
チューブの処理室の降温速度を高めて、処理時間全体と
しての所要時間を短縮化するごとができる。

（２）　　ヒータの壁体内部に冷却用流体流通路を開設
し、この冷却用流体流通路に冷却用流体を供給すること
により、冷却用流体をヒータに直接的に供給することが
できるため、ヒータを強制的に、かつ、直接的に冷却さ
せることができ、その結果、プロセスチューブの処理室
の降温速度を高めることができ、処理時間全体としての
所要時間を短縮化することができる。

（３）　　プロセスチューブへの搬入搬出時にウェハ群
を徐々に進行させることにより、ウェハ群の進行方向前
後部における温度差の発生を抑制させることができるた
め、熱処理レートをウェハ群内（ｌハツチ内）において
全体的に均一化させることができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

例えば、冷却用流体としてはエアを使用するに限らず、
窒素ガス等を使用することができ、また、循環使用する
ように構成してもよい。

さらに、ヒータの強制冷却は、空洞部としての流通路に
冷却用流体を流通させることにより実行されるように構
成するに限らず、炭化ノリコン（Ｓ　ｉ　Ｃ）等のよう
な熱容量の大きな材料が用いられて形成された冷却用治
具をヒータの空洞部に出入させることにより、この冷却
用治具の熱容量によりヒータにおける熱を吸収させて強
制的に冷却するように構成してもよい。

この場合、第４図に示されているように、冷却用治具１
９はヒータ３の断熱材５に開設された空洞部としての冷
却用治具挿入孔１８に新旧のものを交換して出し入れす
ることにより、冷却効果を高めることができる。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である拡散装置に適用した
場合について説明したが、それに限定されるものではな
く、低圧ＣＶＤ装置、アニーリング装置、その他の熱処
理装置全般に適用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、次の通りである。

ヒータの壁体内部に空洞部を開設することにより、ヒー
タの熱容量および断熱効果を低下させることができるた
め、プロセスチューブの低層化時にヒータの温度低下速
度を高めることができ、その結果、プロセスチューブの
処理室の降温速度を高めて、処理時間全体としての所要
時間を短縮化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である拡散装置を示す縦断面
図、 第２図は第１図の■−■線に沿う一部省略拡大断面図、 第３図は炉熱炉冷プロセスのシーケンスを示す線図であ
る。 第４図は本発明の他の実施例に使用される冷却用治具を
示す部分斜視図である。 １・・・プロセスチューブ、２・・・処理室、３・・・
ヒータ、４・・・ヒータ素線、５・・・断熱材、６・・
・容器、７・・・鏡面処理面、８・・・均熱管、９・・
・ウェハ（被処理物）、１０・・・ホード（処理治具）
、１１・・・流通路（空洞部）、１２・・・給気管、１
３・・・エア（冷却用流体）、１４・・・送風機、１５
・・排気管、１６・・・冷却装置、１７・・・補助ヒー
タ、１８・・・挿入孔（空洞部）、１９・・冷却用治具
、２ｏ・・・キヤ・７ブ。 第３１！！！１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体ウェハ群が搬入搬出される処理室を備えてい
   るプロセスチューブと、プロセスチューブに外装されて
   前記処理室内を加熱するヒータとを備えている熱処理装
   置であって、前記ヒータの壁体内部に空洞部が開設され
   ていることを特徴とする熱処理装置。 ２、前記空洞部には、冷却用の気体または固体が通され
   るように構成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の熱処理装置。 ３、前記ヒータの壁体内部には、断熱効果の低下を補強
   する補強手段が配設されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の熱処理装置。