JPH09320974A

JPH09320974A - 熱処理装置

Info

Publication number: JPH09320974A
Application number: JP16082796A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Kimura; 英利木村; Sumie Segawa; 澄江瀬川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理体のピッチと加熱体の内径を最適化す
ることによりスループットを低下させることなく面内温
度の均一性を高く維持しつつ昇温することができる熱処
理装置を提供する。【解決手段】被処理体を保持体に所定のピッチＨで多
段に支持させた状態で収容する筒体状の処理容器４と、
この処理容器の外周に同心円状に設けられた加熱体１８
を有する熱処理装置において、前記被処理体が前記加熱
体から直接的或いは間接的に受ける加熱体輻射熱と、前
記被処理体がこれに上下に隣接する隣設被処理体から放
射されて受ける被処理体輻射熱と、前記被処理体がこの
被処理体から放射された自己の輻射熱が前記隣設被処理
体によって反射されることによって自己が受けることに
なる反射自己輻射熱との３つの輻射熱を輻射伝熱解析理
論及び形態係数の手法を用いて分析することによって、
前記被処理体の面内温度が略均一になるように前記被処
理体のピッチと前記加熱体の半径Ｒｆを設定するように
構成する。これにより、被処理体の面内温度の均一性を
高く維持しつつ昇温を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体ウエハやＬＣＤのアモル
ファスＳｉの形成されたガラス基板等の被処理体に対し
て、拡散層を形成したり、シリコン酸化膜、シリコン窒
化膜、ポリシリコン膜等を形成する場合には、各種の熱
処理炉が用いられる。この熱処理炉としては、当初は、
例えばウエハを垂直方向に保持した状態で水平方向に等
間隔で多数枚配列したものを横置きの炉内へ挿入して熱
処理を行なうようになっているいわゆる横型炉が主流で
あったが、最近においてはスペースの有効利用やプロセ
スガスの炉内均一拡散の向上のために、炉体自体を縦型
にしてこの中にウエハを水平方向に保持した状態で垂直
方向に等間隔で多数枚設けて熱処理を行なうようにした
いわゆる縦型炉が主流になってきた。

【０００３】現在は、８インチのウエハが主に用いられ
ているが、スループットの向上及び高密度化を目指して
更に大きなサイズ、例えば１２インチサイズのウエハを
用いて１Ｇビットの微細加工を行なうことも検討されて
きている。一般に、製品の歩留まりがよく、特性の均一
なチップを得るためには、ウエハ上に形成される膜厚の
面内及び面間の均一性が大きな要素となり、そのために
はウエハの熱処理時において所定のプロセス温度まで、
できるだけ面内の温度分布を均一に保持した状態で昇温
する必要がある。又、ウエハの大口径化に従って、ウエ
ハの自重も増大することから加熱時には自重による剪断
応力に加えて面内温度の不均一性にともなう熱応力も加
わり、マイクロクラックが発生し易い状態となってい
る。従って、マイクロクラックの抑制のためにも加熱時
においてウエハ面内温度差をいかに小さく維持するかが
重要な問題となっている。

【０００４】均一加熱を行なうには、炉内における上下
のウエハ間の距離をかなりとって処理を行なえばよい
が、スループットとの兼ね合いでウエハ間隔を無暗にと
ることもできない。従って、処理炉の設計において、加
熱特性を決定する大きな要因である例えばウエハ間隔
（ピッチ）や処理容器を被う加熱炉の内径の大きさを決
定する場合には、確立された設計指針が存在しないこと
からこれらを経験と直感に基づいて決定し、試行錯誤を
繰り返しながら最適と思われる数値を最終的に決定する
ということが行なわれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ようにスループットの向上及びウエハの大口径が進んで
きている今日において、大口径用の処理炉を設計するに
際して例えばある程度確立された８インチサイズのウエ
ハの処理のための設計思想が、そのまま、それよりも大
口径の例えば１２インチサイズのウエハ処理のための処
理炉に応用することはできない。例えば、ウエハサイズ
が大きくなれば、その分熱容量も増えるし、加熱体から
ウエハに輻射される輻射熱のウエハに対する当たり方、
ウエハ相互間の熱の授受等の複雑な要素がからみあい、
ウエハ面内の温度差を小さくした状態でプロセス温度ま
で昇温できるという最適炉を設計するためには再度、前
述したような試行錯誤を繰り返して行なわなければなら
なかった。

【０００６】特に、最近にあっては、集積回路の高速動
作化にともなって不純物の熱拡散深さをより浅くするこ
とが要求され、この深さを精度よく制御し、且つスルー
プットも向上させるために、ウエハをプロセス温度まで
急速で昇温し、処理後に常温まで急速に降温させるよう
にしたいわゆる高速昇温降温処理炉も開発されてきては
いるが、面内温度均一性を保持したまま大口径ウエハ、
例えば１２インチウエハも処理できるような最適な高速
処理炉を設計するには、更に困難が伴ってしまう。

【０００７】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、被処理体のピッチと加熱体の内径を最適化す
ることによりスループットを低下させることなく面内温
度の均一性を高く維持しつつ昇温することができる熱処
理装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、被処理体を保持体に所定のピッチで多
段に支持させた状態で収容する筒体状の処理容器と、こ
の処理容器の外周に同心円状に設けられた加熱体を有す
る熱処理装置において、前記被処理体が前記加熱体から
直接的或いは間接的に受ける加熱体輻射熱と、前記被処
理体がこれに上下に隣接する隣設被処理体から放射され
て受ける被処理体輻射熱と、前記被処理体がこの被処理
体から放射された自己の輻射熱が前記隣設被処理体によ
って反射されることによって自己が受けることになる反
射自己輻射熱との３つの輻射熱を輻射伝熱解析理論及び
形態係数の手法を用いて分析することによって、前記被
処理体の面内温度が略均一になるように前記被処理体の
ピッチと前記加熱体の半径を設定するように構成したも
のである。

【０００９】以上のように構成したので、被処理体の面
内の温度差を非常に小さく維持したまま加熱昇温が可能
になり、また、プロセス温度における定常状態において
も面内温度の均一性を高く維持することができる。実際
の数値に関しては被処理体が８インチサイズのウエハの
場合には、ピッチは、３ｍｍから２０ｍｍの範囲内、加
熱体の半径は、１１０ｍｍから１５０ｍｍの範囲内であ
る。また、被処理体が１２インチサイズの場合には、ピ
ッチは、８ｍｍから２５ｍｍの範囲内、加熱体の半径
は、１７０ｍｍから２４０ｍｍの範囲内である。実際の
熱処理装置の設計にあたっては、輻射熱すなわち加熱体
輻射熱、被処理体輻射熱、反射自己輻射熱を考慮して、
これらに基づいて常に被処理体の面内の温度差が少な
く、均一状態となるような被処理体のピッチ及び加熱体
の半径を決定する。輻射熱を求める場合には、被処理体
と、加熱体や隣設被処理体との間の幾何学的配置状態で
定まる形態係数と輻射伝熱解析理論を用いる。また、被
処理体の昇温状態を検討する場合には、これの熱線に対
する反射率も考慮するのがよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る熱処理装置に
ついて添付図面を参照して説明する。図１は本発明の熱
処理装置を示す概略断面図、図２は被処理体と加熱体と
の配置関係を示す拡大図である。本実施例では熱処理装
置として半導体ウエハの酸化拡散等の熱処理を行なうバ
ッチ式の縦型熱処理炉を例にとって説明する。

【００１１】この熱処理炉２は、赤外線等の輻射熱線を
透過しやすく、高温において不純物の発生が少ない材
料、例えば、高純度石英製の下端開口を有する縦型筒体
状の処理容器４を備えていて、この処理容器４の下端開
口部にサポータ、例えば、ステンレススチールからなる
ベースプレート６が設けられる。そして、この処理容器
４の下端は、例えばステンレススチール製の筒体状のマ
ニホールド７に支持され、これをベースプレート６に保
持させて、処理容器４は、その長手方向が垂直に立設支
持されている。この処理容器４内は炉室８が構成されて
いる。この処理容器４によって形成される炉室８内に
は、石英製の保温筒１０上に載置された保持体としての
石英製の被処理体収納用ボート１２が搬入出可能に設け
られていて、このボート１２に多数枚の被処理体である
半導体ウエハＷが水平状態で垂直方向に等間隔で同軸的
に配列支持されている。ウエハＷの支持は、図２に示す
ようにボート支持１４に対して所定のピッチの等間隔で
凸状に設けた支持部１６上にウエハ周縁部を載置するこ
とにより行なわれる。ここで、ウエハＷ間のピッチＨ
や、後述する加熱体、すなわち炉体１８の半径Ｒｆは、
ウエハの面内均熱加熱を行なう上で大きな要素となって
いるので、輻射伝熱解析理論及び形態係数を用いてウエ
ハの面内温度の均一性を維持するように規定された値に
設定される。

【００１２】上記炉室８内には、処理容器４外からプロ
セスガスを導入するためのパイプ２０が設けられてお
り、半導体ウエハＷに対する所望の処理、例えば酸化工
程、拡散工程、成膜工程などを実行可能となっている。
尚、上記保温筒１０は、上記処理容器４の蓋の作用をす
るフランジキャップ２２上に搭載され、このフランジキ
ャップ２２は図示しないエレベータアームに取り付けら
れて上下移動する。この上下移動は、上記保温筒１０及
びボート１２を上下移動させ、上方移動により、上記処
理容器４の下端のマニホールド７の開口すなわちボート
挿入口４Ａを上記キャップ２２により密封し得るように
なっている。更に、保温筒１０は、例えばモータ（図示
せず）の回転をベルト２４を介して回転軸に伝達し、回
転可能とされている。一方、上記処理容器４の外周に
は、容器を被うようにして円筒状の加熱体１８が同心円
的に設けられている。ここでは、炉体が、加熱体１８を
構成しており、この炉体は、例えば２ケイ化モリブデン
等よりなる抵抗発熱体２６と、これから外方へ伝わる熱
を遮断する断熱材２８と、この断熱材２８を被う例えば
ステンレス製のアウタシェル３０により構成される。
尚、上記抵抗発熱体２６の内側に例えばＳｉＣ等を塗布
した円筒状の石英製均熱管を設けた炉体構造としてもよ
い。この場合には、この均熱管も含めた構造物が加熱体
となる。

【００１３】また、上記マニホールド７には、上記パイ
プ２０の下端を挿通する挿通孔を形成し、これにパイプ
２０の下端を挿通させてガス導入口３２を形成してお
り、更に、このマニホールド７には処理容器４内の雰囲
気を排気する排気口３４が形成されている。特に、本実
施例においては、例えば８インチサイズのウエハを処理
する場合には、加熱体の半径Ｒｆは、１１０ｍｍ〜１５
０ｍｍの範囲内に、また、ウエハピッチ（支持部のピッ
チ）Ｈは、３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定され、１２
インチサイズのウエハを処理する場合には、半径Ｒｆ
は、１７０ｍｍ〜２４０ｍｍの範囲内に、またウエハピ
ッチＨは、８ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内に設定され、前述
のように昇温時及び定常状態時のウエハの面内の均一性
を高く維持するように設定されている。

【００１４】次に動作について説明する。まず、ウエハ
Ｗの熱処理、例えば酸化処理を行なう場合には、例えば
８或いは１２インチ半導体ウエハを多数枚保持したボー
ト１２が炉室８内に搬入される。そして、炉室８内が気
密状態に設定されると、発熱抵抗体２６による加熱が実
施される。ウエハの搬入は予め炉室８内を酸化膜の成長
を抑制する温度、例えば６００℃以下の設定温度にした
後、ボート１２を搬入してもよい。発熱抵抗体２６から
の輻射熱は、直接、処理容器４を透過して炉室８内の半
導体ウエハＷに向け入射する。

【００１５】次に、ウエハがプロセス温度に達したなら
ば、プロセスガス用のパイプ２０を介して炉室８に熱処
理に応じたプロセスガスを導入し、所定時間だけ熱処理
を行なう。この間、排気口３４からは炉室８内の雰囲気
を排気し、内部を所定のプロセス圧力に維持して所望の
熱処理を行なうことになる。

【００１６】ところで、先に説明したようにウエハ昇温
時に、ウエハ面内の温度差をいかに小さく維持したまま
加熱するかという点は、膜厚等を均一に維持して半導体
回路の電気的特性を均一に維持し、且つスループットを
向上させる上から、大きな課題となる。昇温時における
ウエハ面内の熱分布は、上下方向に隣設されるウエハの
ピッチＨ及び加熱体１８の半径Ｒｆが特に作用し、処理
炉の設計においては、これらの値をどのように設定する
かが大きなポイントになる。特に、ウエハの昇温及び降
温を高速で行なうことができる新規な高速熱処理炉や、
これから主流になるであろうと予想される１２インチサ
イズのウエハの熱処理を行なって１Ｇビットもの大容量
をチップを作るような大型の処理炉にあっては、この熱
処理炉のサイズをどのように決定すべきかが重要とな
る。

【００１７】本発明者は、ウエハの加熱を考える場合に
は、輻射伝熱解析理論により、ウエハが加熱体から直接
或いは間接的に受ける輻射熱、すなわち加熱体輻射熱の
みならず、ウエハがこの上下に隣設された他のウエハか
ら放射されて受ける輻射熱、すなわち被処理体輻射熱及
びウエハ自体から放射した自己の輻射熱が他の隣設ウエ
ハに反射して再度自己が受けることになる輻射熱、すな
わち反射自己輻射熱も考慮すべきである点を見いだし
た。図３はこの時の状況をモデル化して示している。す
なわち、符号Ｗ１は、加熱対象として着目するウエハで
あり、ウエハＷ２はウエハＷ１の加熱に影響を与える隣
設ウエハである。実際は、このウエハＷ１の下方にも隣
設ウエハが配置されるが、ここでは説明の簡単化のため
に下方のウエハの記載は省略する。

【００１８】まず、輻射伝熱解析理論に基づいてウエハ
Ｗ１の特定エリア３６に入射する輻射熱について考える
と、このエリア３６には、加熱体（炉壁）１８から直接
或いは間接的にくる加熱体輻射熱３８と、隣設ウエハＷ
２の或るエリア４０から放射されて特定エリア３６に受
ける被処理体輻射熱４２と、自己のウエハＷ１のあるエ
リア４３から放射された輻射熱が隣設ウエハＷ２に当た
ってこれに反射されて再度自己のウエハＷ１に入ってく
る反射自己輻射熱４４が入射する。上記加熱体輻射熱３
８は、加熱体１８からの直接輻射熱３８Ａのみならず、
加熱体１８からの輻射熱が他の物体、例えば隣設ウエハ
Ｗ２等に反射して自己のウエハＷ１に入射する反射輻射
熱３８Ｂも含む。そして、この反射輻射熱３８Ｂには、
１回のみならず１回から無限回、他の部分、或いは自己
のウエハＷ１との間で反射した後に入射してくる反射輻
射熱、総てが含まれる。

【００１９】このようにウエハＷ１は上記３つの輻射熱
により次第に昇温されることになり、従って、これら３
つの輻射熱を合成して考慮した時にウエハ面内の温度差
が最も小さくなるような条件を求めればよいことにな
る。さて、２つ以上の固体の表面間で放射（輻射）によ
る熱の移動を考える場合、２面の幾何学的配置の形状で
定まる形態係数Ｆ（ＶｉｅｗＦａｃｔｏｒＤｅｆｉ
ｎｉｔｉｏｎ）を用いると交換熱量の計算が容易になる
ことは既に知られている。２物体間の放射熱交換量を図
４に示す模式図を用いて説明する。

【００２０】図４においてｄＡｉ，ｄＡｊは黒体２面Ａ
ｉ，Ａｊ上の微小要素、ｓはそれらの間の距離とする。
また、ｄＡｉ，ｄＡｊにおける法線ｎｉ，ｎｊとｓ方向
となす角をそれぞれφｉ，φｊとする。ｄＡｉから出て
ｄＡｊで吸収される熱流ｄＱｉとすれば、ｄＱｉは次の
数１で与えられる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここでσはボルツマン係数である。同様に
ｄＡｊから出てｄＡｉで吸収される熱流ｄＱｊは次の数
２で与えられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】尚、輻射熱は、その物体の絶対温度の４乗
に比例する。従って、ｄＡｉとｄＡｊ間で正味放射熱交
換される熱流ｄＱは数３で与えられる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで形態係数Ｆを次の数４のように定義
する。

【００２７】

【数４】

【００２８】尚、Ｆｄｉｄｊは、面ｄＡｉの面ｄＡｊに
対する形態係数である。従って、ｄＱは数５のようにな
る。

【００２９】

【数５】

【００３０】これを積分すると、最終的には、面Ａｉか
らの正味流出熱流Ｑｏは、数６のようになる。

【００３１】

【数６】

【００３２】また、面Ａｉ，Ａｊが灰色体の場合には、
それぞれ放射率εｉ，εｊを導入して、Ｑｏは数７のよ
うになる。

【００３３】

【数７】

【００３４】ここで、以上のような熱流について、図３
に示すようなモデルにおいて求めるのであるが、その前
に自己のウエハＷ１と先に説明した３つの輻射熱を生ず
る物体、すなわち加熱体１８と、隣設ウエハＷ２と、自
己のウエハＷ１（反射により他の物体と見なすことがで
きるため）との間における概略的な形態係数をシミュレ
ーションによって求める。その時の結果の予想を図５に
示す。図５の横軸において、ウエハＷ１の中心を真中に
位置させ、横軸目盛りはその中心からの距離を示す。形
態係数の算出においては前記各数式において距離ｓに図
２に示すピッチＨや半径Ｒｆを導入すればよい。

【００３５】尚、ここでは、一例として１２インチウエ
ハサイズの場合には、ウエハピッチは１６ｍｍ、ウエハ
−加熱体間の距離は６０ｍｍにそれぞれ設定される。従
って、加熱体半径は、２１０ｍｍに設定される。図５に
示すグラフから明らかなように、自己のウエハＷ１に対
するものよりも隣設ウエハに対する形態係数が大きい理
由は、自己のウエハからの輻射熱は、一担、隣設ウエハ
に反射してから入射するので、その分、実質的距離が大
きくなるからである。すなわち、隣設ウエハを線対称の
中心として反対側にウエハが位置するのと等価になるか
らである。又、加熱体１８に対する形態係数がかなり低
いのは、自己のウエハＷ１と加熱体１８の位置関係が直
交関係になっているからである。

【００３６】上記したような形態係数を基に、実際に自
己のウエハＷ１が受ける輻射熱量の総和を予想により求
めると、図６に示すグラフのようになると思われる。す
なわち、図６中において、一点鎖線で示すグラフが自己
のウエハＷがその面上の個々のエリアにおいて受ける輻
射熱を示しており、このラインが略水平方向に直線とな
るようなウエハピッチＨや半径Ｒｆ（図２参照）を決定
すればよく、これにより、ウエハ昇温時にウエハ面内の
温度差が非常に小さい炉体を設計することが可能とな
る。

【００３７】図６に示すグラフにおいて、加熱体１８か
らの輻射熱量が他に比較して大きいのは、昇温時には加
熱体自体の温度は先行して非常に高くなっているのに対
して、ウエハ自体の温度は加熱体よりもかなり低いから
である。又、図６に示すグラフを求めるに際しては、ウ
エハ自体の輻射熱に対する反射率も考慮して求める。更
には、ウエハは温度に依存して、熱線に対するその透過
率も変化することから、その分も加味してグラフを求め
るようにすれば、一層最適な処理炉を設計することがで
きる。

【００３８】さて、ここで前述した熱流を実際の加熱炉
の幾何学形状のモデルにあてはめた時の各形態係数の算
出過程について詳しく説明する。炉内には、複数枚のウ
エハと抵抗発熱体などのヒータにより加熱された加熱体
としての炉壁、そしてウエハの支持治具がある。ウエハ
支持治具はサイズが小さく、しかも局部的にしか存在し
ないので、ここでは考慮から外すこととする。全体の形
態係数は、ウエハ同士の交換輻射と炉壁からウエハへの
輻射の和になる。まず、ウエハ同士の形態係数について
考える。図７はウエハ同士の形態係数を考える時のモデ
ルを示す図である。２つのウエハＡ、Ａ₂ が対向して平
行に配置されており、ウエハは反射体であり、輻射体で
あると考える。ウエハＡ₂ を基準とし、微小要素ｄＡ、
ｄＡ₂ について立体角Ｇを求めると次の数８のようにな
る。

【００３９】

【数８】

【００４０】ここでＨはウエハ間のピッチ、ｒ、ｒ’
は、それぞれウエハ中心Ｚより微小要素ｄＡ、ｄＡ₂ ま
での距離、ウエハ中心と各微小要素ｄＡ、ｄＡ₂ とのな
す平面上の角度、φは微小要素ｄＡから微小要素ｄＡ₂
を見た時の垂直方向となす角度である。形態係数は、立
体角を積分したものであることから、上記数式をｄθに
ついて０〜２πまで積分して次の数９で与えられる仮の
形態係数ｆを得る。

【００４１】

【数９】

【００４２】更に、ウエハ全面についての形態係数を求
めるために、上記数９をウエハの半径方向へ積分するた
めにｒについて積分し、数１０で与えられる零次反射の
仮の形態係数ｆｏを得る。

【００４３】

【数１０】

【００４４】実際には、ウエハ間でｎ回の反射を繰り返
し、反射光によりｎ次の輻射になると考えられるので、
ｎ次反射の仮の形態係数ｆｎは次の数１１のようにな
る。

【００４５】

【数１１】

【００４６】そして、反射の度に、反射率の分だけ輻射
光が弱められるので、反射率λとしてウエハ間の全体の
見かけの最終的な形態係数Ｆ_waf は次の数１２のように
なる。

【００４７】

【数１２】

【００４８】次に、ウエハ列と炉壁との間の形態係数を
求める。図８は２枚のウエハＡ、Ａ₂ が炉内にある場合
を示し、基準とする図中下方のウエハＡ₂ から見ること
ができる加熱体１８の壁面、すなわち炉壁の領域は、上
方のウエハＡ、との間の距離、すなわちピッチＨに依存
する。従って、ウエハから見上げる炉壁の高さが制限さ
れることになる。前述した図７に示したと同様に微小領
域ｄＡ₂ がｘ軸上にあると考えると、この微小領域の中
心の座標は点ａ（ｒ、０、０）に位置する。ここでｒは
中心Ｏより点ａまでのｘ軸上における距離である。ま
た、ｙ軸は、図では示されていないが、ｘ軸にウエハ平
面上で直交する方向であり、ｚ軸はｘ、ｙ軸に直交する
方向、すなわち図中上下方向である。この点ａが炉壁を
見上げた時、その高さの上限は点ａと上方のウエハＡの
エッジｃとを結ぶ直線が、炉壁と交わった点ｂ（ｘ、
ｙ、ｚ）となる。この直線ｌの方程式は次の数１３のよ
うになる。

【００４９】

【数１３】

【００５０】尚、θは点ｂからウエハＡ₂ のある平面上
におろした垂線が交わる点と中心θとを結ぶ直線が中心
Ｏから点ａに延びる直線となす角度である。ここで点ｂ
は、半径をＲｆとする円周上の炉壁面にあるので、次の
式に拘束される。

【００５１】

【数１４】

【００５２】従って、上記数１３より、ｘ、ｙは以下の
数１５、数１６のようになる。

【００５３】

【数１５】

【００５４】

【数１６】

【００５５】上記数１４、数１５、数１６により点ｂの
高さｈは次の数１７のようになる。

【００５６】

【数１７】

【００５７】従って、形態係数Ｆ_fur は、θを０〜２π
まで積分することによって次の数１８にようになる。

【００５８】

【数１８】

【００５９】従って、熱処理炉内で考慮すべきウエハの
全体の形態係数は、数１２で示されるウエハ同士の形態
係数Ｆ_waf と数１８で示される炉壁からの形態係数Ｆ
_fur の和となる。しかも、それぞれの輻射面は、材料と
その表面状態により決まる輻射率をもっており、ウエハ
の輻射率をε_waf 、炉壁の輻射率をε_fur とすると、実
際のウエハ面上の微小領域ｄＡ₂ の形態係数Ｆ_total は
次の数１９のようになる。

【００６０】

【数１９】

【００６１】以上のようにして理論式として炉内の形態
係数を求めることができ、これを８インチウエハ、１２
インチウエハについて数値的に解析し、シミュレーショ
ンを行なった。この時の結果を図９乃至図１８に示す。
図９乃至図１３は８インチサイズのウエハに対するシミ
ュレーション結果を示し、図１４乃至図１８は１２イン
チサイズのウエハに対するシミュレーション結果を示
す。それぞれ、横軸にウエハ中心からの半径を取り、縦
軸には輻射率を考慮した形態係数を取ってあり、これが
実際の温度に対応するものである。

【００６２】８インチウエハの場合には、図９から図１
３に示す各グラフにおいて、ウエハピッチＨを、３ｍ
ｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍに変化させた時の結
果を示しており、図９から図１３に移行するに従って加
熱体の半径Ｒｆを１１０ｍｍから１５０ｍｍまで変えた
時、いずれもＨ＝３ｍｍ〜Ｈ＝２０ｍｍの範囲内で特性
曲線が略フラットになっており、この範囲内ではウエハ
の面内温度が略均一となって良好な結果を示すことが判
明した。特に、図１１に示すように加熱体の半径Ｒｆを
１３０ｍｍに設定した時に、ピッチＨを３ｍｍ〜２０ｍ
ｍの範囲内に設定すると、最も良好な結果を示すことが
判明した。

【００６３】１２インチウエハの場合には、図１４から
図１８に示す各グラフにおいて、ウエハピッチＨを、８
ｍｍ、１５ｍｍ、２５ｍｍ、５０ｍｍに変化させた時の
結果を示しており、図１４から図１８に移行するに従っ
て加熱体の半径Ｒｆを１７０ｍｍから２４０ｍｍまで変
えた時、いずれもＨ＝８ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内で特性
曲線が略フラットになっており、この範囲内ではウエハ
の面内温度が略均一となって良好な結果を示すことが判
明した。特に、図１６に示すように加熱体の半径Ｒｆを
２００ｍｍに設定した時、ピッチＨを８ｍｍ〜２５ｍｍ
の範囲内に設定すると、最も良好な結果を示すことが判
明した。尚、上記実施例では、酸化処理を行なう熱処理
装置を例にとって説明したが、これに限定されず、縦型
のバッチ処理炉ならばどのような熱処理装置でも本発明
を適用し得るのは勿論である。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱処理装
置によれば、次のように優れた作用効果を発揮すること
ができる。被処理体の昇温時に、スループットを低下さ
せることなく被処理体の面内の温度差を最小にして略均
一状態に維持したままプロセス温度まで昇温することが
できる熱処理装置を容易に設計することができる。従っ
て、最適設計に要する時間やコストを大幅に削除するこ
とができる。また、このように設計した熱処理装置によ
り、被処理体の面内温度の均一性を高く保持したまま所
定の熱プロセスを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理装置を示す断面図である。

【図２】被処理体と加熱体との配置関係を示す拡大図で
ある。

【図３】考慮すべき輻射熱を説明するための図である。

【図４】２物体の間の放射熱交換量を説明するためのモ
デルを示す図である。

【図５】被処理体の加熱に寄与する各部材の形態係数の
シミュレーション結果を示す概略的なグラフである。

【図６】被処理体が各部材から実際に受ける輻射熱量を
示す概略的なグラフである。

【図７】ウエハ間の形態係数を説明するためのモデルを
示す図である。

【図８】ウエハと加熱体間の形態係数を説明するための
モデルを示す図である。

【図９】８インチサイズウエハのシミュレーション結果
を示すグラフである。

【図１０】８インチサイズウエハのシミュレーション結
果を示すグラフである。

【図１１】８インチサイズウエハのシミュレーション結
果を示すグラフである。

【図１２】８インチサイズウエハのシミュレーション結
果を示すグラフである。

【図１３】８インチサイズウエハのシミュレーション結
果を示すグラフである。

【図１４】１２インチサイズウエハのシミュレーション
結果を示すグラフである。

【図１５】１２インチサイズウエハのシミュレーション
結果を示すグラフである。

【図１６】１２インチサイズウエハのシミュレーション
結果を示すグラフである。

【図１７】１２インチサイズウエハのシミュレーション
結果を示すグラフである。

【図１８】１２インチサイズウエハのシミュレーション
結果を示すグラフである。

【符号の説明】

２熱処理炉４処理容器１２被処理体収納ボート（保持体）１８炉体（加熱体）２６抵抗発熱体３８加熱体輻射熱４２被処理体輻射熱４４反射自己輻射熱Ｗ半導体ウエハ（被処理体）Ｗ１自己のウエハＷ２隣設ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体を保持体に所定のピッチで多段
に支持させた状態で収容する筒体状の処理容器と、この
処理容器の外周に同心円状に設けられた加熱体を有する
熱処理装置において、前記被処理体が前記加熱体から直
接的或いは間接的に受ける加熱体輻射熱と、前記被処理
体がこれに上下に隣接する隣設被処理体から放射されて
受ける被処理体輻射熱と、前記被処理体がこの被処理体
から放射された自己の輻射熱が前記隣設被処理体によっ
て反射されることによって自己が受けることになる反射
自己輻射熱との３つの輻射熱を輻射伝熱解析理論及び形
態係数の手法を用いて分析することによって、前記被処
理体の面内温度が略均一になるように前記被処理体のピ
ッチと前記加熱体の半径を設定するように構成したこと
を特徴とする熱処理装置。
【請求項２】前記加熱体輻射熱は、前記加熱体からの
輻射熱が無限回まで反射されて前記被処理体に到達して
くる輻射熱の総和であることを特徴とする請求項１記載
の熱処理装置。
【請求項３】前記各輻射熱は、輻射伝熱解析理論と形
態係数を用いて求められることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の熱処理装置。
【請求項４】前記ピッチと前記半径の設定に際して、
前記被処理体の反射率を加味するように構成したことを
特徴とする請求項１乃至３記載の熱処理装置。
【請求項５】前記被処理体の直径が８インチサイズの
被処理体の場合には、前記被処理体のピッチは、３ｍｍ
から２０ｍｍの範囲内であり、前記加熱体の半径は、１
１０ｍｍから１５０ｍｍの範囲内であることを特徴とす
る請求項１乃至４記載の熱処理装置。
【請求項６】前記被処理体の直径が、１２インチサイ
ズの被処理体の場合には、前記被処理体のピッチは、８
ｍｍから２５ｍｍの範囲内であり、前記加熱体の半径
は、１７０ｍｍ〜２４０ｍｍの範囲内であることを特徴
とする請求項１乃至４記載の熱処理装置。