JPH08181046A - 等温加熱冷却制御手段を備えた反応炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体装置の製造過程で用いられる種々の反応
炉において、反応室の上下方向の温度差を僅少に保持し
ながら等温冷却、加熱もしくは保温することが可能で、
均等な熱履歴で種々の均質な熱処理を行うことができる
生産性の高い反応炉を提供する。 【構成】反応室と、反応室を加熱するヒータと、ヒータ
の外周部に熱伝導性の良好な部材で構成した放熱面積の
大きいヒートシンクカバーを設けた反応炉であって、反
応炉の上部に設けられた吸気口からヒートシンクカバー
と反応炉の間の隙間部に冷却用気体を送入する手段と、
反応炉の下部に設けられた排気口から冷却用気体を排出
する手段を設け、冷却用気体の流入量を調整して、反応
室の上部と下部の温度差を僅少に保持しながら等温冷却
または等温加熱速度を最大限に制御する手段を少なくと
も備えた反応炉。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程で
用いられる各種の薄膜製造装置、不純物拡散炉、熱酸化
炉、あるいはエッチング装置等に使用される反応炉に係
り、特に等温冷却または加熱手段を備えた反応炉に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷却手段置を備えた反応炉の一例
を図５に示す。図に示すように、ヒータケース（反応
炉）１の上部に、反応室６の外周とヒータケース１の内
周の間の間隙部の熱を排出するために反応炉１の上部に
熱排気用ダンパ２を設け、この熱排気用ダンパ２を開け
てブロア３により炉内の雰囲気を吸引排気し、反応室６
の降温スピードを高めていた。なお、ブロア３により吸
引された熱風はラジエータ４によって熱交換され冷却さ
れて系外に排出される。この従来の冷却手段を備えた反
応炉において、炉内の冷却速度を上げるために、反応炉
１の上部に設けられている熱排気用ダンパ２を全開し、
ブロワ３によって反応炉１の下部に設けられている吸気
口１２より外気を導入して反応室６を冷却する構造であ
るため、例えば、反応室６内に装填されている被処理物
であるウエハの炉内冷却時において、反応室６内の縦断
面方向に温度差が生じ、反応室６内に装填されている上
部ウエハと下部ウエハとの間に、例えば図３（ｂ）に示
すような温度差（１００℃以上）が生じたり、また図４
（ｂ）に示すように、ウエハ表面に、冷却用外気の排気
方向に偏った温度勾配が生じ、ウエハを等温冷却するこ
とができず、ウエハに均質な熱酸化膜等の形成、あるい
は不純物の均一な拡散等が行えないという問題が生じ、
さらに、図２に示す従来例（２℃／分）のように、反応
室６内のウエハの冷却速度が遅く、ウエハの熱処理等の
処理効率が低く生産性に劣るという問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したごとく、従来
の半導体装置の製造工程で用いられる種々の反応炉の冷
却過程において、反応室内の縦断面方向における温度差
が生じ、被加熱物であるウエハ等に熱履歴の差が生じ
て、均一な膜厚および膜質の熱酸化膜の形成ができず、
また半導体中への不純物の均等な熱拡散、あるいは均質
な種々の反応が行えないという問題があり、さらに反応
室の等温冷却速度が遅く、著しく生産性に劣るという問
題があった。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、半導体装置の製造工程で用いられる薄膜
製造装置、不純物拡散炉、熱酸化炉あるいはエッチング
等に用いられる種々の反応炉において、反応室の上下、
縦断面方向の温度バランスを保持しながら高速冷却また
は加熱、もしくは保温が可能で、均等な熱履歴で種々の
均質な熱処理を行うことができる生産性の高い等温加熱
冷却手段を備えた反応炉を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明の等温加熱冷却手段を備えた反応炉
においては、特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、 本発明は請求項１に記載のよ
うに、反応室と、該反応室を加熱するヒータと、該ヒー
タの外周部に、熱伝導性の良好な部材で構成した放熱面
積の大きいヒートシンクカバーを配設した反応炉であっ
て、上記反応炉の上部に設けられた吸気口から上記ヒー
トシンクカバーと反応炉の間隙部に冷却用気体を送入す
る手段と、上記反応炉の下部に設けられた排気口から上
記冷却用気体を排出する手段を設け、上記冷却用気体の
流入量を調整して、上記反応室の上部と下部の温度差を
僅少に保持しながら等温冷却または等温加熱速度を最大
限に制御する手段を少なくとも設けた反応炉とするもの
である。また、本発明は請求項２に記載のように、請求
項１において、冷却用気体の導入の停止もしくは冷却用
気体の流入量を微量に制御して、反応室の上部と下部の
温度差を僅少に保持しながら等温加熱制御する手段もし
くは反応室を所定の温度に一定に保持する制御手段を設
けたものである。また、本発明は請求項３に記載のよう
に、請求項１において、反応炉の上部に、炉外から冷却
用空気を吸入する吸気ファンもしくは炉外から冷却用空
気をヒートシンクカバーの上部に供給する送風機を配設
し、反応室の温度を検出する手段と、上記吸気ファンも
しくは送風機の風量を調整して、上記反応室の上部と下
部の温度差を僅少に保持しながら冷却速度を最大限に制
御する手段を少なくとも設けるものである。さらに、本
発明は請求項４に記載のように、請求項１ないし請求項
３のいずれか１項において、ヒートシンクカバーは、銅
もしくはアルミニウムからなるパイプ、線または板材に
よって構成した円筒形状の放熱カバーを用いるものであ
る。

【０００６】

【作用】本発明の等温加熱冷却手段を備えた反応炉は、
請求項１に記載のように、ヒータの外周部を熱伝導性の
良い部材、すなわち銅パイプ、銅線または銅板等の熱伝
導性の良い部材で覆い、放熱面積を拡大したヒートシン
クカバー（放熱カバー）を設け、かつヒートシンクカバ
ーの上部から下部の方向に冷却用気体の導入量を調整し
制御する手段を設けているので、熱対流により高温にな
り易い反応炉の上部より冷却されるため、反応炉の下部
が著しく速く冷却されることなく、ヒータの上下方向の
温度バランスを保つことができ、上下方向の温度差を僅
少に保持しながら最大の冷却速度もしくは最大の加熱速
度で反応室の等温冷却もしくは等温加熱を行うことがで
きる効果がある。特に反応室の等温冷却時において、反
応室内の温度を急速に等温冷却することができ、例え
ば、図２に示すように、従来よりも冷却速度を約２倍に
することができ、著しく生産性の向上がはかられる。ま
た、反応室内に装填されている上部と下部のウエハ等の
温度差を、例えば、図３（ａ）に示すように±５℃以下
に制御することが可能となり、図４（ａ）に示すよう
に、ウエハの温度分布差を少なくすることができ、ウエ
ハをほぼ均等に熱処理することができる。また、請求項
２に記載のように、冷却用気体の導入の停止もしくは冷
却用気体の流入量を微量に制御して、反応室の上部と下
部の温度差を僅少に保持しながら等温加熱制御する手段
もしくは反応室を所定の温度に一定に保持する制御手段
を設けているので、ウエハ等の加熱において、反応室の
上下の温度差を僅少にした加熱が行えるので、ウエハに
均等な熱履歴を与えることができ高品質のウエハが得ら
れる。また、請求項３に記載のように、請求項１におけ
る反応炉の上部に、炉外から冷却用空気を吸入する吸気
ファンもしくは炉外から冷却用空気をヒートシンクカバ
ーの上部に供給する送風機を配設し、反応室の温度を検
出する手段と、上記吸気ファンもしくは送風機の風量を
調整して、上記反応室の上部と下部の温度差を僅少に保
持しながら冷却速度を最大限に制御する簡易な構成によ
って、上記の請求項１と同様の優れた効果が得られるの
で、各種半導体の製造におけるスループットの向上と、
製造原価の低減をはかることができる。さらに、請求項
４に記載のように、ヒートシンクカバーは、銅パイプま
たは銅線もしくは銅板により構成した円筒形状の放熱カ
バーとすることが好ましいが、その他、アルミニウム等
の熱伝導率の良い金属または合金であればよく、特にそ
の材質を限定するものではない。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。図１は本実施例で例示する等温
冷却手段を備えた反応炉の構造の一例を示す模式図であ
る。図において、縦型の反応炉の反応室６の内部には、
熱酸化膜を形成するウエハが装填されており、所定の雰
囲気および温度で所定時間加熱された後、反応室６を等
温冷却する場合を示す。反応室６の外側にはヒータ５が
配設され、その外周部には、銅パイプからなるヒートシ
ンクカバー８が配設されている。ヒータケース（反応
炉）９の上部には、吸気口１２が設けられ、ヒートシン
クカバー８の外周とヒータケース９の内周との間の間隙
部に冷却用空気を導入する冷却用空気送入ファン１０が
設けられている。また、ヒータケース（反応炉）９の下
部には、上記冷却用空気を排出する排気口１３が設けら
れ、ラジエータ（熱交換器）４を介して、排気量が自在
に調整できる回転数可変ブロワ１１によって系外に吸引
排気される。すなわち、冷却用空気は、冷却用空気送入
ファン１０および／または回転数可変ブロワ１１によっ
て必要とする任意の流入量に調整され、熱対流により蓄
熱され易いヒートシンクカバー８の上部から、ヒートシ
ンクカバー８の下部の方向に流れるため、反応炉の下部
が著しく速く冷却されることなく、反応炉の上下方向の
温度バランスを保ちながら、反応室６の上下の温度差を
僅少に保持しながら最大の冷却速度で効率的に等温冷却
を行うことができる。上記の等温冷却手段を備えた反応
炉を用いて、ウエハを熱酸化し等温冷却を行った結果、
反応室６内に装填されている上部と下部のウエハの温度
差は小さくなり、図３（ａ）に示すごとく、例えば１０
００℃から７００℃に等温冷却する過程における上部ウ
エハと下部ウエハの温度差を±５℃以下にコントロール
することができた。また、図２に示すように、例えば１
０００℃からの等温急速冷却において、従来は冷却速度
が約２℃／分で、７００℃に冷却するのに約１２０分要
したものが、本発明の実施例においては等温冷却速度が
約５℃／分に向上し、７００℃までの冷却時間は約６０
分と著しく短縮することができた。そして、ウエハを反
応管１内に装填し、所定の温度に加熱した後、等温冷却
を行い、ウエハを取り出すまでに要する１サイクルの時
間は、従来の冷却方法では約２００分（降温速度２℃／
分）であったが、本実施例の方法によると約１４０分
（降温速度５℃／分）程度に短縮することができた。さ
らに、ウエハ表面の温度分布差を調べた結果、従来の冷
却方法においては、図４（ｂ）に示すように、ウエハの
温度分布差は冷却気排気方向に偏り、しかも約２０℃程
度のウエハ温度分布差が生じるのに対し、本実施例にお
いては、冷却気体排出方向に対し温度分布差が偏ること
なく、ウエハの中心部で約１０℃を示し、ウエハをほぼ
均一に等温冷却することができた。上記実施例におい
て、冷却気体として外気（空気）を用いる場合について
述べたが、その他に、アルゴン、窒素、炭酸ガス等の不
活性ガスを用いることができることは言うまでもない。
また、上記実施例においては等温急速冷却について述べ
たが、冷却用気体の流入量の停止ないしは冷却用気体の
流入量を微調整して等温加熱を行った結果、等温冷却の
場合と同様に、反応室の上下の温度差を僅少に保持した
状態で等温急速加熱を行うことができた。なお、この保
温、昇温の場合には、冷却用気体の流入量の停止ないし
は冷却用気体の流入量を微調整するため、ヒータからの
放熱が弱められ電力消費量を低減することができた。さ
らに、冷却用気体の流入量の停止ないしは冷却用気体の
流入量を微調整して等温に保持する熱処理を行ったとこ
ろ、反応室の上下の温度差を±２℃以内に制御すること
ができた。

【０００８】

【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の等
温加熱冷却手段を備えた反応炉は、反応室を加熱するヒ
ータの外周部に熱伝導性の良い材料で構成されたヒート
シンクカバーを配設し、反応炉の内側との間隙部に反応
室の外周の表面部にヒートシンクカバーを設け、かつヒ
ートシンクカバーの外側と反応炉の内側との間の間隙部
に、冷却用気体をヒートシンクカバーの上部から下部の
方向に導入して反応炉の温度を制御するため、反応炉の
上部の蓄熱と下部の速く冷却される現象を効果的に抑制
することができるので、反応炉の上下方向の温度差を僅
少に保持した状態で、最大の加熱もしくは冷却速度で等
温加熱もしくは等温冷却を行うことができるので、ウエ
ハ等の被加熱物の熱履歴の差を少なくすることができ、
デバイス特性の均一化および製品の歩留りをいっそう向
上することができる。また、被処理物の加熱もしくは冷
却時間を大幅に短縮することが可能で、半導体の製造プ
ロセスを著しく短縮することができると共に、生産性を
従来よりも１０％以上向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で例示した等温冷却装置を備え
た反応炉の構成を示す模式図。

【図２】本発明の実施例で例示した反応室内の温度と冷
却時間との関係を従来例と比較して示すグラフ。

【図３】本発明の実施例で例示した反応室内のウエハの
温度と冷却時間との関係を従来例と比較して示すグラ
フ。

【図４】本発明の実施例で例示したウエハの温度分布差
を従来例と比較して示す説明図。

【図５】従来の等温冷却装置を備えた反応炉の構成を示
す模式図。

【符号の説明】

１…ヒータケース（反応炉） ２…排気用ダンパ ３…ブロワ ４…ラジエータ（熱交換器） ５…ヒータ ６…反応室 ７…ヒータ端子 ８…ヒートシンクカバー ９…ヒータケース（反応炉） １０…冷却用空気送入フアン １１…回転数可変ブロワ １２…吸気口 １３…排気口 １４…吸気 １５…排気

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応室と、該反応室を加熱するヒータと、
   該ヒータの外周部に、熱伝導性の良好な部材で構成した
   放熱面積の大きいヒートシンクカバーを配設した反応炉
   であって、上記反応炉の上部に設けられた吸気口から上
   記ヒートシンクカバーと反応炉の間隙部に冷却用気体を
   送入する手段と、上記反応炉の下部に設けられた排気口
   から上記冷却用気体を排出する手段を設け、上記冷却用
   気体の流入量を調整して、上記反応室の上部と下部の温
   度差を僅少に保持しながら等温冷却または等温加熱速度
   を最大限に制御する手段を少なくとも設けたことを特徴
   とする等温加熱冷却制御手段を備えた反応炉。
2. 【請求項２】請求項１において、冷却用気体の導入の停
   止もしくは冷却用気体の流入量を微量に制御して、反応
   室の上部と下部の温度差を僅少に保持しながら等温加熱
   制御する手段もしくは反応室を所定の温度に保持する制
   御手段を設けたことを特徴とする等温加熱制御手段を備
   えた反応炉。
3. 【請求項３】請求項１において、反応炉の上部に、炉外
   から冷却用空気を吸入する吸気ファンもしくは炉外から
   冷却用空気をヒートシンクカバーの上部に供給する送風
   機を配設し、反応室の温度を検出する手段と、上記吸気
   ファンもしくは送風機の風量を調整して、上記反応室の
   上部と下部の温度差を僅少に保持しながら冷却速度を最
   大限に制御する手段を少なくとも設けたことを特徴とす
   る等温冷却手段を備えた反応炉。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
   おいて、ヒートシンクカバーは、銅もしくはアルミニウ
   ムからなるパイプ、線または板材によって構成した円筒
   形状の放熱カバーであることを特徴とする等温加熱冷却
   手段を備えた反応炉。