JP2559403B2 - 縦型処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、加熱環境下において処理流体によって被処
理物に化学反応を生じさせる処理に適用して特に有効な
技術に関するもので、たとえば、半導体ウエハ（以下、
単にウエアという）の拡散処理あるいはアニール処理等
に利用可能なものである。

〔従来の技術〕

ウエハの処理に用いられる縦型構造の処理装置の一例
としては、株式会社工業調査会、昭和59年11月29日発
行、「電子材料1984年別冊、超LSI製造・試験装置ガイ
ドブック」、P60に記載されたものがあり、この文献に
は、反応管を縦置きにした、いわゆる縦型構造の処理装
置について、横型のものと比較した有利な点等が種々説
明されている。

本発明者は、前記縦型構造の処理装置における熱損失
対策について検討した。以下は公知とされた技術ではな
いが、本発明者によって検討された技術であり、その概
要は次の通りである。

たとえば、拡散装置を例に説明すると、反応管の内部
において所定の熱処理が完了した後に、反応管の炉口が
開かれて治具とともに被処理物であるウエハが外部に取
り出されるが、後続のウエハの処理準備の間、前記炉口
は開かれたままの状態となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、前記のように炉口が開かれた状態のまま、
例えば数分間放置されていると、反応管の内部の処理域
の温度は急激に低下し、後続のウエハ処理を行う際に、
再度処理域の温度状態を一定温度にまで高める回復時間
が長時間必要となることが本発明者によって見出され
た。

また、前の処理から次の処理にとりかかる時間を十分
にとることのできない特殊な処理プロセスにおいては、
温度の回復時間を持つことなく、規定値よりも低い温度
条件であっても処理を開始しなければならない場合があ
るが、このような場合において、炉口の開かれていた間
の時間、あるいは周囲の温度状態によって処理開始時の
処理域の温度条件は必ずしも一定ではない。にもかかわ
らず、前記のような理由から処理を開始してしまった場
合には、各処理によって温度条件にばらつきを生じるこ
とになり、製品の安定性を確保できない結果となってし
まう。

さらに、炉口が開かれた状態が長時間続くと、反応管
の内部に異物が入り込み、後続の処理不良を誘発する可
能性もあることが本発明者によって見出された。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであ
り、その目的は熱処理における作業効率および信頼性を
向上させることのできる技術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。

〔問題点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
要を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、縦置き型の反応管の内部に遮断蓋を取付
け、この遮断蓋は被処理物の出し入れ時においては処理
域の下部の反応管内側部に設けられた脱落防止手段によ
って係止されて前記処理域を封止状態にするとともに、
前記被処理物の処理域への挿入の際に被処理物を保持す
る治具の上部に付勢されて処理域の上方に押し上げられ
る構造とするものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、被処理物の出し入れ時におい
て、遮断蓋によって処理域が封止されるため、処理域の
熱放散を抑制することができ、処理域内の規定温度まで
の回復時間を短縮できるとともに、熱放散の影響による
処理開始温度のばらつきを防止でき、信頼性の高い処理
が可能となる。また、外部からの異物の混入による処理
域の汚染も防止できる。

〔実施例１〕 第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施例である
拡散装置を用いた処理工程を順次示す説明図である。

本実施例は、被処理物ウエハ２の表面にＰ形あるいは
Ｎ形の所定の拡散層を形成する、いわゆる拡散装置１に
適用したものであり、鉛直方向に長尺状に設置され、上
端がドーム状に閉塞されかつ下端がウエハ２の導出入口
3aとして形成された反応管３を有している。該反応管３
の内部は、処理域Ａとして構成され、該処理域Ａには反
応管３の外部より処理流体供給管４が導かれており、こ
の処理流体供給管４の開口先端からは処理流体としての
窒素ガス５が前記処理液Ａに対して供給されるようにな
っている。一方、反応管３の下方は処理域Ａに対して排
気管６が接続されており、処理域Ａの内部を必要に応じ
て排気する構造となっている。

ここで、第１図（ａ）は本装置１による処理状態を示
すものであるが、この処理状態において、前記処理域Ａ
には複数枚のウエハ２が、前記反応管３の幅断面方向と
平行になるようにして所定の間隔を置いて治具７により
保持されている。この治具７は、前記反応管３の導出入
口3aに装着される封止蓋８と一体的に構成されており、
したがって、この封止蓋８を導出入口3aに装着した状態
において、ウエハ２は処理域Ａ内において最適な処理位
置となるようにされている。

第１図（ａ）において、治具７の上面には石英ガラス
よりなる遮断蓋10が載置されている。この遮断蓋10は、
たとえば複数枚の円板部材10aを一定の間隔を維持しな
がら並列に連結して形成されたものであり、それぞれ対
面した円板部材10aの間の空間が緩衝空間として機能
し、該遮断蓋10を境にして上下方向への熱の流通を抑制
する構造となっている。したがって、第１図（ａ）の状
態においては、この遮断蓋10によって処理域Ａの上方へ
の熱の放散が防止され、処理時における熱効率を高めら
れている。

反応管の内部下方、すなわち導出入口3aの内側面に
は、内方に向かって突起部11が設けられており、この部
分の反応管３の内径は、少なくとも前記遮断蓋10の直径
よりも小さい構造となっている。したがって、反応管３
から封止蓋10が取り外されて、治具７が反応管３の下方
外部に降下された場合、第１図（ｂ）に示すように、遮
断蓋10は前記突起部11に係止されて反応管３の内部下端
にとどまって処理域Ａを外気と隔絶した状態とする。

前記反応管３の側部周囲には、加熱手段としてのヒー
ター12が設けられており、前記処理域Ａを所定の温度条
件、例えば一般的な拡散温度条件である1000℃前後まで
加熱することができるようにされている。

また、該ヒーター12の周囲および本装置１の上端は、
たとえばセラミックウール等によりなる断熱体13で覆わ
れており、装置外部への熱放散が防止されている。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、所定枚数のウエハ２が治具７に保持された状態
となり、封止蓋８が反応管３の導出入口3aに装着され
る。この時、遮断蓋10は治具７の上面によって処理域Ａ
の上方に押しやられた状態となる（第１図（ａ））。

この状態において、処理流体供給管４より、キャリア
としての窒素ガス５等の不活性ガスが処理域Ａ内に供給
されて、処理域Ａが不活性雰囲気で満たされる。一方、
ヒーター12の加熱によって処理域Ａが一定条件の温度に
まで高められると、ウエハ２の表面においては、あらか
じめ添加されたリン（Ｐ）あるいはホウ素（Ｂ）等の不
純物の拡散反応が開始され、ウエハ２の表面領域に所定
のＰ形層あるいはＮ形層が形成される。

このような拡散処理において、本実施例では、治具７
の上面に位置する遮断蓋10の作用により、処理域Ａの上
方への熱放散が有効に遮断されているため、ウエハ２に
対するヒーター12の加熱効率を高く維持することができ
る。このようにして前記反応が一定時間、たとえば一般
的な拡散時間である８〜10時間程度継続されて処理が完
了すると、封止蓋８が外されて治具７とともにウエハ２
が反応管３の外部下方に降下される（第１図（ｂ））。
このとき、治具の上面に載置された遮断蓋10も治具７と
ともに反応管３の内部を降下されるが、該遮断蓋10は導
出入口3aの内側面に設けられた突起部11により反応管３
の内部下端で係止される。このように、ウエハ２を反応
管の外部に取り出した状態では、反応管３の内部の処理
域Ａは遮断蓋10により外気から遮断された状態となる。
そのため、該処理域Ａからの熱放散が防止され、処理域
Ａは一定の高温状態を維持される。このため、治具７に
後続処理のウエハ２を装着して処理域Ａの内部に挿入し
た場合にも、規定の温度条件までの温度回復時間が極め
て短時間で足り、後続の処理を効率的に行うことができ
る。

また、ウエハ２の出し入れ時において、処理域Ａから
の熱放散を防止できるため、外気等の影響を受けること
なく処理域Ａ内の温度をほぼ一定に保っておくことがで
きる。したがって、後続の処理開始条件を均一化でき、
特に前の処理からそれに続く処理までの待ち時間を十分
にとることのできない短時間処理等においては、処理の
安定性を図ることができる。

このことから、本実施例によれば以下の効果を得るこ
とができる。

（１）．ウエハ２の出し入れ時において、遮断蓋10によ
って反応管３の導出入口3aが閉塞されているため、熱放
散を防止でき、これによって、処理域Ａの温度低下を抑
制して後続の処理における規定条件までの温度回復時間
を短縮できる。

（２）．前記（１）により、効率的なウエハ処理が可能
となり半導体装置の製造効率を向上させることができ
る。

（３）．前記（１）により、処理域Ａの温度低下を防止
して、後続の処理開始温度を均一化できるため、ウエハ
処理における処理の安定性を図ることができる。

（４）．ウエハ２の出し入れ時において、導出入口3aが
閉塞されているため、処理域Ａへの異物の侵入が防止さ
れ、処理域Ａの汚染に起因するウエハ２の処理不良を防
止できる。

〔実施例２〕 第２図は本発明の他の実施例である水素アニール装置
を示す説明図である。

本実施例は、本発明を水素アニール装置21に適用した
ものであり、前記実施例１と同様に、上端がドーム状に
閉塞され、かつ下端が導出入口22aとして開口された反
応管22を有している。

前記反応管22の内部は、上方の処理液Ａが形成され、
下方に断熱域Ｂが形成された構造となっており、これら
の各域A,Bにはそれぞれ反応管22の外部より処理流体供
給管4a,4bが接続されて各域A,Bに水素と窒素との混合ガ
ス23aもしくは窒素ガス23bを供給するようになってい
る。

ウエハ２は、反応管22の幅断面方向と平行となるよう
にして治具24によって保持されており、この治具24の下
部には、導出入口22aに装着された封止蓋25を貫通して
さらに下方外部に延設される支持棒24aが連結されてい
る。この支持棒24aは、下方外部からの操作によって管
軸方向に移動可能とされており、これともなってウエハ
２は治具24とともに反応管22の内部を移動されるように
なっている。

本実施例の遮断蓋10は、前記実施例１のものと同様の
構造のものであり、、処理域Ａの下部に設けられた突起
部11によって処理域Ａから断熱域Ｂへの脱落を防止され
た状態となっている。なお、前記反応管22の下方外側面
からは排出管26が突設されており、反応管22の内部に供
給される混合ガス23aのうち、処理に寄与しなかった水
素ガス等の可燃性のガス成分が、排出管26の先端におい
て燃焼されるようになっている。

前記反応管22の処理液Ａに対応する部分の側部外方に
は加熱手段としてのヒーター12が前記処理域Ａを所定の
温度条件、たとえば数百℃程度とするように設けられて
いる。またこれ以外の反応管22の周囲および上方は、た
とえばセラミックウール等よりなる断熱体13で覆われて
おり、外部への熱放散を防止されている。

次に、本実施例の作用について説明すると以下の通り
である。

まず、所定枚数のウエハ２が治具24に保持された状態
で支持棒24aの操作によって導出入口22aより反応管22の
内部に挿入されて、さらに第２図において二点鎖線で示
す位置に送られる。これにともなって、処理域Ａの下部
に位置されていた遮断蓋10は、治具24の上昇移動によ
り、処理域Ａの上方に押しやられた状態となる。

次に、封止蓋25が導出入口22aに装着されて反応管22
の内部が封止された状態となると、処理流体供給管4aよ
り水素ガスと窒素ガスとの混合ガス23aが反応管22の内
部に供給され、処理液Ａがこれらの流体雰囲気で満たさ
れた状態となる。このとき、ウエハ２の表面においてシ
リコン（Si）とシリコン酸化膜（SiO₂）との界面に存在
する不整合結合子に水素ガス中のＨ基が次々に結合し
て、半導体素子としての電気的特性を安定させる化学的
処理が行われる。このような処理時において、治具24の
上面に載置された遮断蓋10の遮断作用によって処理域Ａ
の上方への熱放散は有効に防止されている。

前記の所定時間のアニール処理が完了すると、反応管
22の外部下方より支持棒24aが再び操作されて、治具24
とともにウエハ２が処理域Ａから断熱域Ｂに降下され
る。このとき、治具24の上面に載置されていた遮断蓋10
も、治具24とともに処理域Ａ内を降下するが、処理域Ａ
の下部の突起部11によって、治具24がさらに下方に降下
しても、該遮断蓋10は処理域Ａの下端に係止され、これ
により処理域Ａと断熱域Ｂとが遮断蓋10を境に隔成され
た状態となる。したがって、このときには遮断蓋10によ
り処理域Ａから断熱域Ｂへの流体の流出が阻止された状
態となる。また遮断蓋10の熱遮断作用により処理域Ａ内
の温度低下も有効に防止されている。

このようにして、断熱域Ｂ内にウエハ２が位置される
と、今度は流体供給管4bより窒素ガス23bの供給が開始
されて、断熱域Ｂ内が不活性雰囲気となる。またこの断
熱域Ｂは、前記処理域Ａと装置外部の温度（常温）との
中間温度となるように温度制御されているため、断熱域
Ｂに位置されたウエハ２は次第に冷却される。このよう
にウエハ２が徐々に冷却されるため、前記のアニール処
理による不整合結合子とＨ基との結合状態は安定化す
る。

次に、導出入口22aの封止蓋25が開かれて、治具24に
保持されたウエハ２が管外に取り出される。このとき、
断熱域Ｂは外気に曝されることになるが、この断熱域Ｂ
は前記のように不活性雰囲気で満たされ、処理域Ａとは
断熱蓋10によって隔てられているため、安全性の高いウ
エハ２の取り出しが可能である。

このように、本実施例によれば水素アニール装置１に
おいて、処理域Ａにおけるアニール処理の後に、ウエハ
２は断熱蓋10によって熱的に遮断された断熱域Ｂに位置
され、この断熱域Ｂにおいて徐々に冷却された後に外部
に取り出されるため、急激な温度変化によるウエハ２の
処理不良を防止できる。

またこのとき処理域Ａは外気が流入することを防止さ
れて、一定の高温状態を維持される。

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。たとえば、遮断蓋10の
構造としては、石英ウール等を真空封印した構造のもの
など、熱遮断効果のあるものならば、いかなるものであ
ってもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発
明をその利用分野である、縦型構造の拡散装置および水
素アニール装置に適用した場合について説明したが、こ
れに限定されるものではなく、たとえば酸化装置、CVD
（Chemical Vapour Deposition）装置、さらにはアルゴ
ンアニール装置等にも利用可能である。

〔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、下記の通りであ
る。

すなわち、反応管内側部に設けられた脱落防止手段に
よって係止されて反応管内部の処理域を封止状態にする
とともに、被処理物の処理域への挿入の際に被処理物を
保持する治具の上部に付勢されて処理域の上方に押し上
げられる遮断蓋を設けることによって、被処理物の出し
入れ時における処理域の熱放散を防止でき、処理域の規
定温度までの回復時間を短縮できるとともに、後続の処
理開始温度を均一化でき、処理効率および処理の信頼性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施例である拡
散装置を用いた処理工程を順次示す説明図、 第２図は本発明の他の実施例である拡散装置を示す説明
図である。 １……拡散装置、２……ウエハ（被処理物）、３……反
応管、3a……導出入口、4,4a,4b……処理流体供給管、
５……窒素ガス（処理流体）、６……排気管、７……治
具、８……封止蓋、10……遮断蓋、10a……円板部材、1
1……突起部、12……ヒーター、13……断熱体、21……
水素アニール装置、22……反応管、22a……導出入口、2
3a……混合ガス、23b……窒素ガス、24……治具、24a…
…支持棒、25……封止蓋、26……排出管、Ａ……処理
域、Ｂ……断熱域。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鉛直方向に長尺状に設置され内部に処理域
   とその下部に断熱域と下端に被処理物の導出入口が設け
   られている反応管と、前記処理域を加熱する加熱手段
   と、前記導出入口をふさぐ封止蓋と、被処理物を保持す
   る治具と、前記反応管内の処理域と断熱域を仕切る移動
   可能な断熱蓋とを有し、 前記遮断蓋は、前記反応管内への被処理物の出し入れの
   とき及び前記治具が前記反応管内の断熱域に存在してい
   るときには、前記反応管に設けられた脱落防止手段によ
   って前記処理域と断熱域との間に係止されて前記反応管
   内の処理域を封止し、前記治具が前記反応管内の処理域
   に存在するときには、前記治具によって前記反応管内の
   上方へ移動させられるものであることを特徴とする縦型
   処理装置。
2. 【請求項２】前記反応管内の遮断蓋が石英ガラスで構成
   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
   の縦型処理装置。
3. 【請求項３】前記加熱手段はヒーターであり、前記導出
   入口を除く断熱域に対応する前記反応管外部に断熱体が
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項に記載の縦型処理装置。
4. 【請求項４】被処理物を治具に載置するステップと、 上端が閉塞され、下端が開口された反応管の下端から前
   記被処理物の載置された前記治具を前記反応管内の断熱
   域に挿入するステップと、 前記治具を上方へ移動することにより、前記反応管に設
   けられた脱落防止手段によって前記反応管内の断熱域と
   前記断熱域の上方にある処理域との間に係止された遮断
   蓋を上方に移動するステップと、 前記被処理物を前記処理域において、所定の温度で処理
   するステップと、 前記治具を下方へ移動し、前記遮断蓋を前記脱落防止手
   段で係止するステップと、 前記治具を前記反応管の下端から取り出すステップとを
   有することを特徴とする処理方法。