JP4144268B2

JP4144268B2 - Vertical heat treatment equipment

Info

Publication number: JP4144268B2
Application number: JP2002188924A
Authority: JP
Inventors: 正幸今井; 孝夫阿部
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004031846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハを熱処理する縦型熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハの製造プロセスやその半導体ウェーハを用いたデバイス製造プロセスにおいては、半導体ウェーハを数百℃〜千数百℃程度に加熱するプロセスがあり、抵抗加熱式（ヒータ加熱式）やランプ加熱式などの様々な方式の熱処理炉が用途に応じて用いられている。
【０００３】
抵抗加熱式（ヒータ加熱式）の熱処理装置には、縦型と横型があるが、省スペース性や気密性などのメリットから、近年では縦型熱処理装置が広く使用されている。一般的な縦型熱処理装置１０’は図２に記載したように、縦型の反応管３と、複数のウェーハを平行に搭載するウェーハボート５と、このウェーハボートを支持する保温筒４と、反応管３の側部を取り囲むヒータ１と、このヒータ１を取り囲む側部断熱材２と、反応管の上部に位置する上部断熱材２’とを有する構造となっており、ウェーハボート５上に複数の製品ウェーハ７を上下方向に平行に載置し、さらに、製品ウェーハ７の上下にはダミーウェーハ６を載置した状態で反応管３の内部空間に投入し、ガス導入管９から所定のプロセスガスを導入して熱処理が行なわれる。保温筒４は炉口部からの熱の放散を防ぐために設けられ、通常は、不透明石英からなる容器に不透明石英フィン４ａが複数枚収容された構造を有する。保温筒４の下部には、炉口部分を封じるためステンレス製のキャップ８が設けられている。
【０００４】
図２のような熱処理装置には、主に熱処理炉の構造によって決定される均熱長（均一な温度で熱処理が可能な領域の幅）が存在する。製品ウェーハ７はこの均熱長の範囲内で熱処理する必要があるが、通常、均熱長はウェーハボート５の長さより短いので、製品ウェーハ７の上下の位置には、製品とはならないダミーウェーハ６が必要な枚数だけ並べられて熱処理が行なわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図２に模式的に示したような従来の縦型熱処理装置の場合、均熱長は、ウェーハボート５の長さ（あるいは、反応管３の内部空間の長さ）に比べてかなり短いため、製品ウェーハ７の上下位置に製品とはならないダミーウェーハ６をかなりの枚数仕込まなければならなかった。そのため、一度に投入可能な製品ウェーハ７の枚数も自ずと制限され、熱処理の生産性を高める際の障害となっていた。
【０００６】
単に均熱長を長くするだけであれば、縦型熱処理装置の全長を長くしたり、ヒータ１の長さを反応管３の長さに比べて極端に長くすることによっても可能であるが、これらの方法では、熱処理装置全体の長さを延長する必要があり、コスト面やスペース面であまり得策とは言えなかった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、従来の縦型熱処理装置の全長を延長することなく均熱長を長くした縦型熱処理装置を、簡便かつ低コストで提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するため本発明者らは、従来の縦型熱処理装置の熱が最も逃げやすいと考えられる反応管の上部と炉口部の近傍に、断熱材の代わりに、炉内からの熱を効果的に反射する熱線反射材料を適用すれば、炉外への熱の放散が抑制され、均熱長を拡大することができるとともに、ヒータの消費電力を低下できるのではないかと発想し、本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち本発明は、縦型の反応管と、複数のシリコン単結晶ウェーハを平行に搭載するウェーハボートと、このウェーハボートを支持する保温筒と、反応管の側部を取り囲むヒータと、このヒータを取り囲む側部断熱材と、反応管の上部に位置する上部断熱材とを有し、前記シリコン単結晶を１０００〜１２００℃に加熱処理するために使用する縦型熱処理装置において、
前記保温筒と前記上部断熱材のうちの少なくとも一方の位置に、特定波長の熱線を反射する熱線反射材を配置し、該熱線反射材は、互いに隣接するＳｉ層とＳｉＯ _２層とからなり、反射対象となる熱線の波長域で１次元フォトニックバンドギャップ構造を形成するように前記Ｓｉ層とＳｉＯ _２層との厚さが定められた積層周期単位を、基体表面に２周期以上形成したものとして構成されることを特徴とする。
【００１０】
このように、縦型熱処理装置において均熱長の長さに影響を与える保温筒と上部断熱材のうちの少なくとも一方の位置、好ましくは両方の位置に、特定波長の熱線を反射する熱線反射材を配置することにより、反応管の上下方向のヒータのない部分からの放熱を防止し、装置全長を延長することなく均熱長を長くすることができる。
【００１１】
前記熱線反射材をなす積層体の隣接する要素反射層の屈折率差が１．１未満では、反射率の低下が避けがたくなるので、好ましくは１．２以上、より好ましくは１．５以上、さらに好ましくは２．０以上確保されていることが望ましい。
【００１２】
なお、「透光性を有する」とは、物体が光などの電磁波を通す性質を有していることとして定義されるが、本発明においては、反射させるべき熱線の透過率が、使用される層の厚さにおいて、８０％以上となる透光性を有していることが望ましい。透過率が８０％未満であると熱線の吸収率が高まり、本発明の熱線反射材料による熱線の反射効果が十分に得られなくなるおそれがある。上記の透過率は９０％以上が好ましく、さらに望ましくは１００％であるのがよい。この場合の透過率１００％とは、通常の透過率測定方法における測定限界（例えば誤差１％以内）の範囲で、ほぼ１００％であるとみなしうる程度のものをいう。
【００１３】
そして、熱線反射部材により反射させる熱線の特定波長帯は、１〜１０μｍの範囲内から選択すれば、種々の用途の加熱処理に必要な熱線の波長帯をカバーでき、本発明の効果を享受することができる。
【００１４】
熱線反射材を構成する要素反射層の積層体は、屈折率の異なる互いに隣接した第一及び第二の要素反射層を含み、該第一及び第二の要素反射層を含む積層周期単位が、基体表面に２周期以上に形成されたものとすることができる。このように積層体の屈折率を、層厚方向において周期的に変化させることにより、熱線の反射率をさらに高めることができる。この場合、積層周期単位を構成する複数種類の材料の屈折率差が大きいほど反射率が大きくなる。例えば、積層周期単位を最も簡単に構成するには、熱線に対する屈折率が互いに異なる第一要素反射層と第二要素反射層との２層構造とすることができる。この場合、両層の屈折率の差が大きいほど、熱線の反射率を十分に高く確保する上での、必要な積層周期単位数を削減することができる。従って、第一要素反射層（高屈折率層）として、例えば屈折率が３以上のＳｉ層を用いることが好ましい。また、第一要素反射層（低屈折率層）として、例えば屈折率が２以下のＳｉＯ₂層を用いることが好ましい。なお、積層周期単位を構成する要素反射層の層数は３層以上であってもよい。
【００１５】
熱線反射材の積層体を、上記積層周期単位の積み重ねにより形成する場合、第一の要素反射層と第二の要素反射層のうち、高屈折率層の厚さをｔ１、低屈折率層の厚さをｔ２として、ｔ１＜ｔ２に設定する、すなわち高屈折率層の厚さを低屈折率層の厚さよりも大きく設定すると、熱線に対する特定波長帯の反射率がさらに高められる。
【００１６】
そして、反射すべき熱線に対する高屈折率層の屈折率をｎ１、同じく低屈折率層の屈折率をｎ２として、ｔ１×ｎ１＋ｔ２×ｎ２が、反射させるべき熱線の波長λの１／２に等しくなっているとき、その波長を含んだ比較的広い波長帯域にて反射率がほぼ１００％に近い（記載を明確化するために、本明細書では９９％以上と定義しておく）完全反射帯域が形成され、本発明の効果が最大限に高められる。以下、さらに詳しく説明する。
【００１７】
周期的に屈折率が変化する積層体の層厚方向には、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造（以下、フォトニックバンド構造という）が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられる。この現象は、フォトニックバンド構造において、一定エネルギー域（つまり、一定波長域）の電磁波の存在自体が禁止されることを意味し、電子のバンド理論との関連からフォトニックバンドギャップとも称される。多層膜の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップともいう。その結果、該積層体は、該波長の熱線に対する選択的な反射率が向上した熱線反射材料層として機能する。
【００１８】
フォトニックバンドギャップを形成するための、各層の厚さおよび周期数は、反射すべき波長帯の範囲により、計算または実験的に決定することができる。その骨子は以下の通りである。フォトニックバンドギャップの中心波長をλｍとしたとき、屈折率変化の１周期の厚さθは、波長λｍの熱線が１／２波長分（あるいはその整数倍でもよいが、その分膜厚が多く必要である。以下、１／２波長の場合で代表させる）だけ存在できるように設定する。これは、層の１周期内に入射した熱線が定在波を形成するための条件であり、結晶中の電子波が定在波を形成するブラッグ反射条件と同様である。電子のバンド理論では、このブラッグ反射条件を満足する逆格子の境界位置にエネルギーギャップが現れるが、フォトニックバンド理論でもこれは全く同様である。
【００１９】
ここで、要素反射層に入射した熱線は、層の屈折率にほぼ逆比例して波長が短くなる。厚さがｔ、屈折率ｎの要素反射層層に波長λの熱線が垂直に入射すると、その波長はλ／ｎとなるから、層厚方向の波数はｎ・ｔ／λとなる。これは、屈折率１、厚さｎ・ｔの層に波長λの熱線が入射した場合と同じであり、ｎ・ｔを屈折率ｎの要素反射層の換算厚さと呼ぶことにする。
【００２０】
熱線反射材料層においては、反射すべき熱線に対する高屈折率層の屈折率をｎ１、同じく低屈折率層の屈折率をｎ２とすれば、高屈折率層の換算厚さはｔ１×ｎ１となり、同じく低屈折率層の換算厚さはｔ２×ｎ２となる。従って、１周期の換算厚さθ’はｔ１×ｎ１＋ｔ２×ｎ２にて表される。この値が、反射させるべき熱線の波長λの１／２に等しくなっているとき、前記した高反射率帯が極めて顕著に現れる。特に、ｔ１×ｎ１＝ｔ２×ｎ２の条件を満たす場合は、１周期の換算厚さθ’の２倍の波長を中心として、ほぼ左右対称な形で完全反射帯域が形成される。
【００２１】
熱線反射材料における積層周期単位の各層の厚さおよび周期数は、反射すべき波長帯の範囲により、計算または実験的に決定することができる。そして、本発明のように屈折率差が１．１以上の材料の組合せを採用することにより、こうした完全反射に近い熱線反射率を有する積層周期構造を、比較的小さい積層周期単位の形成周期数、具体的には、５周期以下にて簡便に実現することができる。特に、屈折率差が１．５以上の組合せを用いると、４周期、３周期、あるいは２周期程度の形成周期数でも上記のような大きな熱線反射率を実現できるようになる。
【００２２】
なお、反射すべき波長帯の範囲は、熱源の温度に依存する。すなわち、ある一定温度の下において物体表面の単位面積から単位時間に放射される放射エネルギーのうち、最大限度の大きさを示すものは完全黒体から放射される単色放射能である。これを式で表すと次式となる（プランクの法則）。
Ｅ_ｂλ＝Ａλ^−５（ｅ^Ｂ／λＴ−１）^−１〔Ｗ／（μm）^２〕
ここで、Ｅ_ｂλ：黒体の単色放射能〔Ｗ／（μm）^２〕、λ：波長〔μm〕、Ｔ：物体表面の絶対温度〔Ｋ〕、Ａ：３．７４０４１×１０^−１６〔Ｗ・ｍ^２〕、Ｂ：１．４３８８×１０^−２〔ｍ・Ｋ〕である。図１２は、物体表面の絶対温度Ｔを変化させたときの黒体の単色放射能（Ｅ_ｂλ）と波長との関係を示すグラフである。Ｔが低くなるにつれて、単色放射能のピークが低下し、長波長側にシフトすることがわかる。
【００２３】
積層体を構成する要素反射層の材料は、高温に対して安定な材料であって、かつ赤外線反射のために必要十分な屈折率差を確保できる材質の組合せを選択することが望ましい。また、積層体は、屈折率が３以上の半導体又は絶縁体からなる層を、高屈折率層となる第一の要素反射層として含むものとして構成することができる。屈折率が３以上の半導体又は絶縁体を第一の要素反射層として用いることにより、これと組み合わされる第二の要素反射層との間の屈折率差を大きく確保することが容易となる。屈折率が３以上の物質として、Ｓｉ、Ｇｅ、６ｈ−ＳｉＣ、及びＳｂ_２Ｓ_３、ＢＰ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ等の化合物半導体を例示できる。半導体及び絶縁体の場合、反射すべき熱線のフォトンエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型のものは、熱線吸収を起こしやすいので、熱線のフォトンエネルギーよりも十分大きいバンドギャップエネルギー（例えば２ｅＶ以上）を有するものを使用することが望ましい。他方、これよりもバンドギャップエネルギーが小さいものであっても、間接遷移型のもの（例えばＳｉやＧｅなど）であれば熱線吸収を低くとどめることができ、本発明に好適に使用できる。このうちＳｉは、ＣＶＤ法等により多結晶やアモルファスとして膜厚均一性や平坦性の高い層の形成が容易であり、屈折率も３．５程度の高い値を示す。従って、第一の要素反射層をＳｉ層とすることで、反射率の高い積層構造を安価に実現することができる。
【００２４】
次に、第二の要素反射層を構成する低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＣＮ等を例示できる。この場合、選択した第一の要素反射層の材料種別に応じて、屈折率差が１．１以上となるように、第二の要素反射層の材料選定を行なう必要がある。特にＳｉＯ_２層、ＢＮ層あるいはＳｉ_３Ｎ_４層を採用することが、屈折率差を大きく確保する上で有利である。ＳｉＯ_２層は屈折率が１．５と低く、例えばＳｉ層からなる第一の要素反射層との間に特に大きな屈折率差を付与することができる。また、Ｓｉ層の熱酸化やＣＶＤ法等により膜厚均一性や平坦性の高い膜の形成が容易である利点がある。他方、ＢＮ層は、結晶構造や方位により差を生ずるが、その屈折率は１．６５〜２．１の範囲である。また、Ｓｉ_３Ｎ_４層は、膜の品質によっても異なるが、１．６〜２．１程度の屈折率を示す。これらはＳｉＯ_２と比較すれば多少大きい値であるが、それでもＳｉとの間には１．４〜１．８５もの大きな屈折率差を付与することができる。例えば、シリコンウェーハの製造において通常用いられる温度域（４００〜１４００℃）を考慮すると、前記熱反射層がＳｉ層を必須としてさらにＳｉＯ_２層及びＢＮ層の少なくともいずれかを含むように構成すること、例えば要素反射層としてＳｉ層とＳｉＯ_２層及び／又はＢＮ層とを含むように構成することが、その輻射熱を効率的に反射する上で有効である。なお、ＢＮは融点がＳｉＯ_２と比較して相当高く、超高温用の用途に好適である。さらにＢＮは、高温で分解されてもガスとして出てくるのはＮ_２であって、ホウ素は半金属的な状態で表面に残存するため、Ｓｉウェーハ等の半導体ウェーハの電気特性に影響を及ぼさない利点がある。
【００２５】
以下、ＳｉとＳｉＯ_２を用いて一次元フォトニックバンドギャップ構造を形成することにより、赤外領域をほぼ完全に反射することができる条件を、計算により検討した結果について説明する。Ｓｉは屈折率が約３．５であり、その薄膜は波長約１．１〜１０μｍの赤外領域の光に対して透明である。また、ＳｉＯ_２は屈折率が約１．５で、その薄膜は波長約０．２〜８μｍ（可視から赤外領域）の光に対して透明である。図３は、Ｓｉ基体１００上に、１００ｎｍのＳｉ層Ａと２３３ｎｍのＳｉＯ_２層Ｂの２層からなる積層周期単位を４周期形成した熱線反射材料層を形成した反射部材の断面図である。このような構造であれば、図４のように１〜２μｍ帯での赤外線の反射率がほぼ１００％となり、赤外線の透過は禁止される。なお、基体を別材質（例えば石英（ＳｉＯ_２））にて構成し、その上に別のＳｉ層を形成して、以降、同様のＳｉ層ＡとＳｉＯ_２層Ｂの２層からなる積層周期単位を形成してもよい。
【００２６】
例えば、１６００℃の熱源の最大強度は１〜２μｍ帯にあるが、２μｍ〜３μｍ帯（１０００〜１２００℃程度の熱源からの、熱線スペクトルのピーク波長域に相当する）までカバーしようとすると、反射可能な波長帯の異なる別の周期性のある組合せを付加すればよい。すなわち、前述の１００ｎｍ（Ｓｉ）／２３３ｎｍ（ＳｉＯ_２）の組合せ（図３のＡ／Ｂ）に、それぞれの層厚さを増加させた１５７ｎｍ（Ｓｉ）／３６６ｎｍ（ＳｉＯ_２）の組合せ（図５のＡ’／Ｂ’）を付加した図５のような構成とすればよい。
【００２７】
このような構成にすると、図６に示すように、前述の１００ｎｍ（Ｓｉ）／２３３ｎｍ（ＳｉＯ_２）の４周期構造が１〜２μｍ帯での赤外線の反射率がほぼ１００％となるのに対して、１５７ｎｍ（Ｓｉ）／３６６ｎｍ（ＳｉＯ_２）の４周期構造は２〜３μｍ帯での赤外線の反射率がほぼ１００％となる。従って、これらを重ねた図５の構造では、１〜３μｍ帯の反射率がほぼ１００％の材料が得られる。
【００２８】
同様に、３〜４．５μｍ帯については、Ｓｉ層およびＳｉＯ_２層ともにさらに厚い膜の組合せを適宜選択して４周期構造を形成すればよい。ＳｉとＳｉＯ_２の屈折率差よりも屈折率差の小さい層の組合せでは、必要な周期数を増加させる必要が生ずる場合もあるため、選択する２つの層としては屈折率差が大きい方が有利である。上記組合せでは全体の層の厚さを１．３μｍとすることにより、１〜２μｍの波長帯を、また、全体の層の厚さを３．４μｍとすることにより、１〜３μｍ帯を、それぞれほぼ完全に反射する。
【００２９】
次に、本発明の効果を確認するために行なった実験結果を説明する。
【００３０】
（実験例１）
直径２００ｍｍ、p型１０Ωｃｍ、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウェーハの表面に、ＣＶＤ法により厚さ３７６ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成した。さらにそのＳｉＯ₂膜の表面に厚さ１５５ｎｍの多結晶Ｓｉ膜と３７６ｎｍのＳｉＯ₂膜を順次３周期積層し、図７のように、シリコン単結晶ウェーハ１０１の基体上に、ＳｉＯ₂層Ｂ’’とＳｉ層Ａ’’の周期が３．５周期形成された熱線反射材を作製した。
【００３１】
このウェーハに赤外光を照射し、透過光を測定することにより吸収スペクトルを測定した。また、リファレンスとして、周期構造の層を形成しないシリコン単結晶ウェーハの吸収スペクトルを測定し、これらの差スペクトルを取り、図８に示した。図８の結果から、波長帯約１．７〜２．６μｍ付近の吸光度が大きいことがわかる。これは、ウェーハ表面の周期構造により波長帯約１．７〜２．６μｍの反射率が極めて増大したため、その波長帯の光の透過率が減少したことによって、見かけ上、その波長帯の吸収率が増大したように見えるスペクトルが得られたものである。すなわち作製された熱線反射材は、リファレンスに比べて波長帯約１．７〜２．５μｍの赤外光の反射率が極めて高いこと（反射率に換算するとほぼ１００％反射）が得られたことがわかる。
【００３２】
（実験例２）
実験例１で作製した熱線反射材を実際の熱処理装置に適用した場合の熱線反射効果を簡便に確認するため、図９に示すように、石英製の反応管の内径が２４５ｍｍの横型炉の炉口付近（炉口から１０、５０、９０ｍｍの位置）に熱線反射材を各１枚ずつ配置した場合と、熱線反射材の代わりにシリコンウェーハを配置した場合とで、熱電対を用いて炉内の温度分布を比較した。尚、炉内の均熱長の温度は１１１０℃（±５℃程度）に設定し、炉口側の均熱長の端部には、この熱処理装置を用いて実際の熱処理を行なう際に使用する枚数のダミーウェーハ（２２枚）をセットして温度分布を測定した。温度測定結果を図１０に示した。
【００３３】
図１０に明確に示されている通り、実験例１で作製した熱線反射材を炉口付近に配置するだけで、元の均熱長から外れた領域の温度が数１０℃程度高くなっていることがわかる。言い換えると、同一温度を示す炉内位置が、最大で５０〜６０ｍｍ程度炉口側に広がったことがわかる。すなわち、本発明に係る熱線反射材の使用により、熱処理炉の均熱長が拡大する効果が得られることが実証された。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の一実施形態に係る縦型熱処理装置１０を模式的に示した縦断面図である。尚、図１において図２と同一の部材は同一の記号を用いて表した。
【００３５】
本発明の縦型熱処理装置１０と、図２の従来の縦型熱処理装置１０’との相違点は、図２における上部断熱材２’及び／又は保温筒４の位置に、熱線反射材４ｂを配置したことにある。尚、図１は、上部断熱材２’及び保温筒４の双方の位置に熱線反射材４ｂの配置した例を示している。熱線反射材４ｂの配置の仕方としては、例えば次の通りである。
【００３６】
上部断熱材２’の位置に配置する場合には、図１のように上部断熱材２’の一部を除去し（全部を除去してもよい）、その位置に熱線反射材４ｂを１枚または複数枚ならべて配置することができる。あるいは、上部断熱材２’は図２と同一形態でそのまま残して、反応管３と上部断熱材２’の隙間に熱線反射材４ｂを固定してもよい。一方、保温筒４の位置に配置する場合には、保温筒４の内部に収容される不透明石英フィン４ａの代わりとして、図１のように熱線反射材４ｂを収容することができる。また、保温筒４自体を熱線反射材で構成することも可能である。
【００３７】
そして、熱線反射材４ｂは、基体として例えばシリコン基板や石英基板を使用し、その表面に形成される積層体の周期構造としては、例えば、反射すべき波長帯が２μｍ〜３μｍ帯（製品ウェーハ７の目標加熱温度を１０００〜１２００℃程度としたとき、該ウェーハ７からの熱源スペクトルのピーク波長域に相当する）であるとすれば、その波長帯の熱線をほぼ完全反射できるようにするため、膜厚の組合せを１５７ｎｍ（Ｓｉ）／３６６ｎｍ（ＳｉＯ_２）とした４周期構造とすることができる。つまり、図５のＡ’／Ｂ’と等価な構造となるが、基体として石英基板を用いる場合には、ＳｉとＳｉＯ_２の積層順を逆にする。これらの層の堆積方法は、常圧または減圧のＣＶＤ法を好適に用いることができる。
【００３８】
また、熱線反射材４ｂは、図１のように所定位置に直接配置することもできるが、雰囲気ガスからの熱伝達による温度上昇をできるだけ抑制して熱線反射率の低下を防止するため、図１１のように、例えば石英製容器２０のような熱線に対して透光性を有する材料からなる真空容器に封入した状態で配置することもできる。
【００３９】
【実施例】
図２に示すような縦断面構造を有する従来の縦型熱処理装置の保温筒内部に設置された不透明石英フィンを取り外し、その代わりに、実験例１で作製した熱線反射材と同一の積層構造を有するシリコンウェーハを投入した。また、図２の上部断熱材と反応管の隙間に実験例１で作製した熱線反射材と同一の積層構造を有するシリコンウェーハを設置した。
このような改良を行なって本発明の縦型熱処理装置を作製し、改良前後で同一の熱処理条件（１１００℃、Ａｒ１００％雰囲気）で反応管内部の温度測定を行なった。その結果、改良前に比べ改良後の均熱長は、上下方向にそれぞれ約５％程度拡大していることが確認された。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の縦型熱処理装置の全長を延長することなく極めて簡便かつ低コストで均熱長を長くした縦型熱処理装置を提供することができる。また、均熱長の拡大により、ダミーウェーハの枚数を低減することができるとともに、製品ウェーハのチャージ枚数を増加させることができるので、熱処理ウェーハの生産性を向上することができる。さらに、熱線反射材料による反射効果（断熱効果）により、炉内が効率的に加熱されるため、熱処理装置の消費電力を低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の縦型熱処理装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】従来の縦型熱処理装置を示す縦断面図である。
【図３】Ｓｉ層とＳｉＯ_２層の４周期構造を有する熱線反射材の断面図である。
【図４】図３の構造を有する熱線反射材の熱線反射率特性を示す図である。
【図５】図３の４周期構造に、厚さの異なるＳｉとＳｉＯ_２の４周期構造を積層した構造を有する熱線反射材の断面図である。
【図６】図５の構造を有する熱線反射材の熱線反射率特性を示す図である。
【図７】実験例１で作製した熱線反射材の部分断面図である。
【図８】図７の構造を有する熱線反射材とリファレンスとの吸光度の差スペクトルを示す図である。
【図９】実験例２の実験形態を示す横型炉の縦断面図である。
【図１０】実験例２における温度測定結果を示す図である。
【図１１】熱線反射材を真空容器に封入した形態を示す断面図である。
【図１２】物体表面の絶対温度Ｔを変化させたときの黒体の単色放射能（Ｅ_ｂλ）と波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ヒータ
２側部断熱材
３反応管
４保温筒
４ａ不透明石英フィン
４ｂ熱線反射材
５ウェーハボート
６ダミーウェーハ
７製品ウェーハ
８キャップ
９ガス導入管
１０，１０’ 縦型熱処理装置
２０石英製容器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical heat treatment apparatus for heat treating a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor wafer manufacturing processes and device manufacturing processes using the semiconductor wafer include processes for heating a semiconductor wafer to several hundred to several hundreds of degrees Celsius, such as a resistance heating type (heater heating type) and a lamp heating type. Various types of heat treatment furnaces are used depending on the application.
[0003]
The resistance heating type (heater heating type) heat treatment apparatus includes a vertical type and a horizontal type, but in recent years, a vertical heat treatment apparatus has been widely used because of merits such as space saving and airtightness. As shown in FIG. 2, a general vertical heat treatment apparatus 10 ′ includes a vertical reaction tube 3, a wafer boat 5 on which a plurality of wafers are mounted in parallel, a heat insulating cylinder 4 that supports the wafer boat, It has a structure having a heater 1 surrounding the side portion of the reaction tube 3, a side heat insulating material 2 surrounding the heater 1, and an upper heat insulating material 2 ′ located above the reaction tube. A plurality of product wafers 7 are placed in parallel in the vertical direction, and further, dummy wafers 6 are placed on the top and bottom of the product wafer 7 into the internal space of the reaction tube 3. A heat treatment is performed by introducing a process gas. The heat insulating cylinder 4 is provided in order to prevent heat dissipation from the furnace opening, and usually has a structure in which a plurality of opaque quartz fins 4a are accommodated in a container made of opaque quartz. A stainless steel cap 8 is provided at the lower part of the heat insulating cylinder 4 to seal the furnace port portion.
[0004]
The heat treatment apparatus as shown in FIG. 2 has a soaking length (width of a region where heat treatment can be performed at a uniform temperature) determined mainly by the structure of the heat treatment furnace. The product wafer 7 needs to be heat-treated within the range of the soaking length, but since the soaking length is usually shorter than the length of the wafer boat 5, dummy wafers that are not products are placed above and below the product wafer 7. The required number of 6 is arranged and heat treatment is performed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the conventional vertical heat treatment apparatus as schematically shown in FIG. 2, the soaking length is considerably shorter than the length of the wafer boat 5 (or the length of the internal space of the reaction tube 3). A considerable number of dummy wafers 6 that cannot be products had to be loaded on the upper and lower positions of the product wafer 7. For this reason, the number of product wafers 7 that can be loaded at one time is naturally limited, which has been an obstacle to increasing the productivity of heat treatment.
[0006]
If the soaking length is simply increased, the total length of the vertical heat treatment apparatus can be increased, or the length of the heater 1 can be made extremely longer than the length of the reaction tube 3, In these methods, it is necessary to extend the entire length of the heat treatment apparatus, which is not very advantageous in terms of cost and space.
[0007]
The present invention has been made in view of such a problem, and provides a simple and low-cost vertical heat treatment apparatus having a long soaking length without extending the overall length of a conventional vertical heat treatment apparatus. Objective.
[0008]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, the present inventors have proposed that heat from the inside of the furnace is used instead of the heat insulating material in the vicinity of the upper part of the reaction tube and the furnace port part where the heat of the conventional vertical heat treatment apparatus is considered to be most easily escaped. The idea is that if heat-reflective material that effectively reflects the heat is applied, heat dissipation to the outside of the furnace is suppressed, soaking length can be increased, and power consumption of the heater can be reduced. The present invention has been completed.
[0009]
That is, the present invention relates to a vertical reaction tube, a wafer boat on which a plurality of silicon single crystal wafers are mounted in parallel, a heat insulating cylinder that supports the wafer boat, a heater that surrounds a side portion of the reaction tube, and this heater. In a vertical heat treatment apparatus that has a side heat insulating material that surrounds and an upper heat insulating material that is located at the top of the reaction tube, and that is used to heat-treat the silicon single crystal to 1000 to 1200 ° C.
A heat ray reflecting material that reflects heat rays of a specific wavelength is disposed at at least one position of the heat insulating cylinder and the upper heat insulating material, and the heat ray reflecting material includes a Si layer and a SiO ₂ layer adjacent to each other , Two or more laminated period units in which the thickness of the Si layer and the SiO ₂ layer is determined so as to form a one-dimensional photonic bandgap structure in the wavelength range of the heat ray to be reflected are formed on the substrate surface. It is characterized by being configured as .
[0010]
Thus, in the vertical heat treatment apparatus, a heat ray reflecting material that reflects heat rays of a specific wavelength at at least one position, preferably both positions, of the heat insulating cylinder and the upper heat insulating material that affects the length of the soaking length. By disposing, it is possible to prevent heat radiation from the portion without the heater in the vertical direction of the reaction tube, and to increase the soaking length without extending the overall length of the apparatus.
[0011]
When the difference in refractive index between adjacent element reflection layers of the laminate constituting the heat ray reflective material is less than 1.1, it is difficult to avoid a decrease in reflectivity. Therefore, it is preferably 1.2 or more, more preferably 1.5 or more. More preferably, it is desirable to ensure 2.0 or more.
[0012]
Note that “having translucency” is defined as an object having the property of transmitting electromagnetic waves such as light, but in the present invention, the transmittance of heat rays to be reflected is used. It is desirable that the layer has a light-transmitting property of 80% or more in the thickness of the layer. If the transmittance is less than 80%, the absorption factor of the heat ray is increased, and the heat ray reflection effect by the heat ray reflective material of the present invention may not be sufficiently obtained. The transmittance is preferably 90% or more, and more preferably 100%. In this case, the transmittance of 100% means a value that can be regarded as almost 100% within a measurement limit (for example, within an error of 1%) in a normal transmittance measuring method.
[0013]
And if the specific wavelength range of the heat ray reflected by the heat ray reflecting member is selected from the range of 1 to 10 μm, the wavelength range of the heat ray necessary for the heat treatment for various uses can be covered, and the effect of the present invention can be enjoyed. be able to.
[0014]
The laminated body of the element reflection layers constituting the heat ray reflective material includes first and second element reflection layers adjacent to each other having different refractive indexes, and a lamination period unit including the first and second element reflection layers includes: It can be formed on the substrate surface in two or more cycles. Thus, the reflectance of the heat ray can be further increased by periodically changing the refractive index of the laminated body in the layer thickness direction. In this case, the greater the difference in refractive index between the plurality of types of materials constituting the lamination cycle unit, the greater the reflectance. For example, in order to configure the lamination cycle unit most simply, a two-layer structure of a first element reflection layer and a second element reflection layer having different refractive indexes with respect to heat rays can be used. In this case, the larger the difference in refractive index between the two layers, the more the number of lamination period units required to ensure a sufficiently high heat ray reflectance. Therefore, it is preferable to use, for example, a Si layer having a refractive index of 3 or more as the first element reflective layer (high refractive index layer). Further, as the first element reflective layer (low refractive index layer), for example, a SiO ₂ layer having a refractive index of 2 or less is preferably used. Note that the number of element reflection layers constituting the lamination cycle unit may be three or more.
[0015]
When the laminated body of heat ray reflective materials is formed by stacking the above-mentioned lamination period units, the thickness of the high refractive index layer is t1 among the first element reflective layer and the second element reflective layer, and the low refractive index layer When the thickness is set to t2 and t1 <t2, that is, when the thickness of the high refractive index layer is set to be larger than the thickness of the low refractive index layer, the reflectance of the specific wavelength band with respect to the heat rays is further increased.
[0016]
Then, assuming that the refractive index of the high refractive index layer for the heat rays to be reflected is n1 and the refractive index of the low refractive index layer is n2, t1 × n1 + t2 × n2 is equal to ½ of the wavelength λ of the heat rays to be reflected. The reflectivity is nearly 100% in a relatively wide wavelength band including that wavelength (for the sake of clarity, it is defined as 99% or more in this specification) The effect of the present invention is maximized. This will be described in more detail below.
[0017]
A band structure similar to the electron energy in the crystal (hereinafter referred to as photonic band structure) is formed for the photoquantized electromagnetic wave energy in the layer thickness direction of the laminate whose refractive index changes periodically. An electromagnetic wave having a specific wavelength corresponding to the period of rate change is prevented from entering the laminate structure. This phenomenon means that in the photonic band structure, the existence of electromagnetic waves in a certain energy region (that is, a certain wavelength region) is prohibited, and is also called a photonic band gap in relation to the electronic band theory. . In the case of a multilayer film, since the refractive index change is formed only in the layer thickness direction, it is also called a one-dimensional photonic band gap in a narrow sense. As a result, the laminate functions as a heat ray reflective material layer with improved selective reflectivity with respect to heat rays of the wavelength.
[0018]
The thickness and the number of periods of each layer for forming the photonic band gap can be calculated or experimentally determined according to the range of the wavelength band to be reflected. The outline is as follows. When the center wavelength of the photonic band gap is λm, the thickness θ of one period of the refractive index change may be 1/2 wavelength (or an integer multiple thereof) of the heat ray of the wavelength λm. In the following, it is set so that it can exist only in the case of 1/2 wavelength. This is a condition for heat rays incident within one period of the layer to form a standing wave, and is the same as the Bragg reflection condition in which an electron wave in the crystal forms a standing wave. In the electron band theory, an energy gap appears at the boundary position of the reciprocal lattice that satisfies the Bragg reflection condition, but this is exactly the same in the photonic band theory.
[0019]
Here, the heat rays incident on the element reflection layer have a wavelength that is substantially inversely proportional to the refractive index of the layer. When a heat ray having a wavelength λ is perpendicularly incident on an element reflection layer having a thickness t and a refractive index n, the wavelength is λ / n, and the wave number in the layer thickness direction is n · t / λ. This is the same as when heat rays having a wavelength λ are incident on a layer having a refractive index of 1 and a thickness of n · t, and n · t is referred to as a converted thickness of an element reflection layer having a refractive index of n.
[0020]
In the heat ray reflective material layer, if the refractive index of the high refractive index layer with respect to the heat rays to be reflected is n1, and the refractive index of the low refractive index layer is n2, the converted thickness of the high refractive index layer is t1 × n1, Similarly, the converted thickness of the low refractive index layer is t2 × n2. Therefore, the converted thickness θ ′ for one cycle is represented by t1 × n1 + t2 × n2. When this value is equal to ½ of the wavelength λ of the heat ray to be reflected, the above-described high reflectance band appears very remarkably. In particular, when the condition of t1 × n1 = t2 × n2 is satisfied, a complete reflection band is formed in a substantially bilaterally symmetric shape around a wavelength twice as large as the converted thickness θ ′ of one cycle.
[0021]
The thickness and the number of periods of each lamination period unit in the heat ray reflective material can be calculated or experimentally determined according to the range of the wavelength band to be reflected. And by adopting a combination of materials having a refractive index difference of 1.1 or more as in the present invention, such a laminated periodic structure having a heat ray reflectance close to complete reflection can be formed by a relatively small number of forming periods in a laminated period unit. Specifically, it can be easily realized in 5 cycles or less. In particular, when a combination having a refractive index difference of 1.5 or more is used, a large heat ray reflectance as described above can be realized even with the number of formation periods of about four, three, or two periods.
[0022]
Note that the range of the wavelength band to be reflected depends on the temperature of the heat source. That is, the radiant energy radiated from the unit area of the object surface per unit time at a certain temperature to the maximum level is the monochromatic radioactivity radiated from the complete black body. This is expressed by the following equation (Planck's law).
E _bλ = Aλ ⁻⁵ (e ^{B / λT} −1) ⁻¹ [W / (μm) ² ]
Here, E _bλ : Monochromatic radioactivity of a black body [W / (μm) ² ], λ: Wavelength [μm], T: Absolute temperature [K] of the object surface, A: 3.74041 × 10 ⁻¹⁶ [W M ² ], B: 1.4388 × 10 ⁻² [m · K]. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the monochromatic radioactivity (E _bλ ) and wavelength of a black body when the absolute temperature T on the object surface is changed. It can be seen that the monochromatic radioactivity peak decreases and shifts to the longer wavelength side as T decreases.
[0023]
It is desirable that the material of the element reflection layer constituting the laminate is a combination of materials that are stable to high temperatures and can secure a necessary and sufficient refractive index difference for infrared reflection. Moreover, a laminated body can be comprised as what contains the layer which consists of a semiconductor or an insulator with a refractive index of 3 or more as a 1st element reflection layer used as a high refractive index layer. By using a semiconductor or insulator having a refractive index of 3 or more as the first element reflective layer, it becomes easy to ensure a large difference in refractive index between the second element reflective layer and the second element reflective layer. Examples of the material having a refractive index of 3 or more include compound semiconductors such as Si, Ge, 6h-SiC, and Sb ₂ S ₃ , BP, AlP, AlAs, AlSb, GaP, and ZnTe. In the case of a semiconductor and an insulator, a direct transition type having a band gap energy close to the photon energy of the heat ray to be reflected is likely to cause heat ray absorption. Therefore, a band gap energy sufficiently larger than the photon energy of the heat ray (for example, 2 eV or more) ) Is preferable. On the other hand, even if the band gap energy is smaller than this, if it is an indirect transition type (for example, Si, Ge, etc.), the heat ray absorption can be kept low and can be suitably used in the present invention. Among these, Si is easy to form a layer with high film thickness uniformity and flatness as a polycrystalline or amorphous material by a CVD method or the like, and the refractive index shows a high value of about 3.5. Therefore, by using the first element reflective layer as the Si layer, a laminated structure having a high reflectivity can be realized at low cost.
[0024]
Next, examples of the low refractive index material constituting the second element reflection layer include SiO ₂ , BN, AlN, Al ₂ O ₃ , Si ₃ N _4, and CN. In this case, it is necessary to select the material of the second element reflection layer so that the refractive index difference is 1.1 or more according to the material type of the selected first element reflection layer. In particular, it is advantageous to use a SiO ₂ layer, a BN layer, or a Si ₃ N ₄ layer to ensure a large difference in refractive index. The SiO ₂ layer has a low refractive index of 1.5, and can give a particularly large refractive index difference to the first element reflecting layer made of, for example, a Si layer. Further, there is an advantage that it is easy to form a film having high film thickness uniformity and flatness by thermal oxidation of the Si layer, a CVD method, or the like. On the other hand, the BN layer has a difference depending on the crystal structure and orientation, but its refractive index is in the range of 1.65 to 2.1. Further, the Si ₃ N ₄ layer exhibits a refractive index of about 1.6 to 2.1, although it varies depending on the quality of the film. These are slightly larger values than SiO ₂ , but still a large refractive index difference of 1.4 to 1.85 can be given to Si. For example, in consideration of a temperature range (400 to 1400 ° C.) normally used in the manufacture of silicon wafers, the heat reflecting layer is configured to include an Si layer as an essential component and further include at least one of a SiO ₂ layer and a BN layer. For example, it is effective to efficiently include the Si reflection layer and the SiO ₂ layer and / or the BN layer as the element reflection layer in order to efficiently reflect the radiant heat. Note that BN has a considerably higher melting point than SiO ₂ and is suitable for applications for ultra-high temperatures. Furthermore, even if BN decomposes at a high temperature, it is N ₂ that comes out as a gas, and boron remains on the surface in a semi-metallic state, which affects the electrical characteristics of a semiconductor wafer such as a Si wafer. There are no advantages.
[0025]
Hereinafter, the result of studying the conditions under which the infrared region can be reflected almost completely by forming a one-dimensional photonic band gap structure using Si and SiO ₂ will be described. Si has a refractive index of about 3.5, and the thin film is transparent to light in the infrared region having a wavelength of about 1.1 to 10 μm. SiO ₂ has a refractive index of about 1.5, and its thin film is transparent to light having a wavelength of about 0.2 to 8 μm (visible to infrared region). FIG. 3 is a cross-sectional view of a reflecting member in which a heat ray reflective material layer is formed on a Si substrate 100, in which four layers of a lamination cycle unit composed of two layers of a 100 nm Si layer A and a 233 nm SiO ₂ layer B are formed. With such a structure, as shown in FIG. 4, the infrared reflectance in the 1 to 2 μm band is almost 100%, and infrared transmission is prohibited. The base is made of another material (for example, quartz (SiO ₂ )), another Si layer is formed thereon, and thereafter, a stacking cycle consisting of two layers of the same Si layer A and SiO ₂ layer B is performed. Units may be formed.
[0026]
For example, the maximum intensity of a heat source at 1600 ° C. is in the 1-2 μm band, but if you try to cover the 2 μm-3 μm band (corresponding to the peak wavelength region of the heat ray spectrum from a heat source of about 1000-1200 ° C.) What is necessary is just to add another periodic combination from which the possible wavelength range differs. That is, the above-mentioned combination of 100 nm (Si) / 233 nm (SiO ₂ ) (A / B in FIG. 3) and the combination of 157 nm (Si) / 366 nm (SiO ₂ ) in which the respective layer thicknesses are increased (FIG. 5). (A ′ / B ′) is added as shown in FIG.
[0027]
With such a configuration, as shown in FIG. 6, the above-mentioned four-period structure of 100 nm (Si) / 233 nm (SiO ₂ ) has an infrared reflectance of almost 100% in the 1-2 μm band. Thus, the four-period structure of 157 nm (Si) / 366 nm (SiO ₂ ) has an infrared reflectance of approximately 100% in the 2-3 μm band. Therefore, in the structure of FIG. 5 in which these are stacked, a material having a reflectance of approximately 100% in the 1 to 3 μm band can be obtained.
[0028]
Similarly, for the 3-4.5 μm band, a four-period structure may be formed by appropriately selecting a thicker film combination for both the Si layer and the SiO ₂ layer. In a combination of layers having a refractive index difference smaller than the refractive index difference between Si and SiO ₂ , it may be necessary to increase the required number of periods. Therefore, it is advantageous that the two layers to be selected have a large refractive index difference. It is. In the above combination, by setting the total layer thickness to 1.3 μm, the wavelength band of 1 to 2 μm, and by setting the total layer thickness to 3.4 μm, the 1 to 3 μm band is obtained. Reflects almost completely.
[0029]
Next, the results of experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described.
[0030]
(Experimental example 1)
A SiO ₂ film having a thickness of 376 nm was formed by CVD on the surface of a silicon single crystal wafer having a diameter of 200 mm, a p-type of 10 Ωcm, and a crystal orientation <100>. Furthermore the SiO ₂ film polycrystalline Si film and the 376 nm SiO ₂ film having a thickness of 155nm was sequentially three cycles laminated on the surface of, as shown in FIG. 7, on a substrate of a silicon single crystal wafer 101, SiO ₂ layer B ' A heat ray reflective material in which the period of 'and Si layer A''is 3.5 periods was produced.
[0031]
The absorption spectrum was measured by irradiating the wafer with infrared light and measuring the transmitted light. Further, as a reference, an absorption spectrum of a silicon single crystal wafer not forming a layer having a periodic structure was measured, and a difference spectrum thereof was taken and shown in FIG. From the result of FIG. 8, it can be seen that the absorbance in the vicinity of the wavelength band of about 1.7 to 2.6 μm is large. This is because the reflectivity in the wavelength band of about 1.7 to 2.6 μm is greatly increased due to the periodic structure on the wafer surface, and the transmittance of light in that wavelength band is apparently reduced, so that the absorptance of the wavelength band is apparently reduced. A spectrum that appears to have increased is obtained. That is, the produced heat ray reflective material has an extremely high reflectance of infrared light having a wavelength band of about 1.7 to 2.5 μm compared to the reference (approximately 100% reflection in terms of reflectance). I understand.
[0032]
(Experimental example 2)
In order to easily confirm the heat ray reflection effect when the heat ray reflective material produced in Experimental Example 1 is applied to an actual heat treatment apparatus, as shown in FIG. 9, a furnace of a horizontal furnace having an inner diameter of a reaction tube made of quartz of 245 mm Using a thermocouple in the vicinity of the mouth (10, 50, 90 mm from the furnace mouth) when one heat ray reflector is placed and when a silicon wafer is placed instead of the heat ray reflector The temperature distribution of was compared. The temperature of the soaking length in the furnace is set to 1110 ° C (about ± 5 ° C), and the end of the soaking length on the furnace port side is used when performing actual heat treatment using this heat treatment device. The number of dummy wafers (22) to be set was set, and the temperature distribution was measured. The temperature measurement results are shown in FIG.
[0033]
As clearly shown in FIG. 10, the temperature of the region deviating from the original soaking length is increased by several tens of degrees Celsius only by placing the heat ray reflective material produced in Experimental Example 1 in the vicinity of the furnace port. I understand that. In other words, it can be seen that the in-furnace position showing the same temperature has spread to the furnace port side by about 50 to 60 mm at the maximum. That is, it has been demonstrated that the use of the heat ray reflective material according to the present invention provides an effect of increasing the soaking length of the heat treatment furnace.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a vertical heat treatment apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same members as those in FIG. 2 are denoted by the same symbols.
[0035]
The difference between the vertical heat treatment apparatus 10 of the present invention and the conventional vertical heat treatment apparatus 10 ′ of FIG. 2 is that the heat ray reflective material 4b is provided at the position of the upper heat insulating material 2 ′ and / or the heat insulating cylinder 4 in FIG. It is in the arrangement. FIG. 1 shows an example in which the heat ray reflective material 4 b is arranged at both the upper heat insulating material 2 ′ and the heat insulating cylinder 4. For example, the arrangement of the heat ray reflective material 4b is as follows.
[0036]
In the case of disposing at the position of the upper heat insulating material 2 ′, a part of the upper heat insulating material 2 ′ is removed as shown in FIG. 1 (the entire heat insulating material 4b may be removed), and one heat ray reflecting material 4b is disposed at that position. Alternatively, a plurality of sheets can be arranged. Alternatively, the upper heat insulating material 2 ′ may be left in the same form as in FIG. 2 and the heat ray reflective material 4 b may be fixed in the gap between the reaction tube 3 and the upper heat insulating material 2 ′. On the other hand, when arrange | positioning at the position of the heat insulation cylinder 4, instead of the opaque quartz fin 4a accommodated in the inside of the heat insulation cylinder 4, the heat ray reflective material 4b can be accommodated like FIG. It is also possible to configure the heat insulating cylinder 4 itself with a heat ray reflective material.
[0037]
The heat ray reflective material 4b uses, for example, a silicon substrate or a quartz substrate as a base, and as a periodic structure of a laminated body formed on the surface, for example, a wavelength band to be reflected is a 2 μm to 3 μm band (product wafer 7 If the target heating temperature is about 1000 to 1200 ° C., it corresponds to the peak wavelength region of the heat source spectrum from the wafer 7), so that the heat rays in that wavelength band can be almost completely reflected. A four-period structure in which the combination of film thicknesses is 157 nm (Si) / 366 nm (SiO ₂ ) can be obtained. That is, the structure is equivalent to A ′ / B ′ in FIG. 5, but when a quartz substrate is used as the substrate, the stacking order of Si and SiO ₂ is reversed. As a method for depositing these layers, a CVD method under normal pressure or reduced pressure can be suitably used.
[0038]
Moreover, although the heat ray reflective material 4b can also be arrange | positioned directly in a predetermined position like FIG. 1, in order to suppress the temperature rise by heat transfer from atmospheric gas as much as possible and to prevent the heat ray reflectivity fall, FIG. Thus, for example, it can also arrange | position in the state enclosed with the vacuum container which consists of a material which has translucency with respect to a heat ray like the container 20 made from quartz.
[0039]
【Example】
The opaque quartz fin installed inside the heat insulating cylinder of the conventional vertical heat treatment apparatus having a vertical cross-sectional structure as shown in FIG. 2 is removed, and instead, the same laminated structure as the heat ray reflective material produced in Experimental Example 1 is used. The silicon wafer which has is input. Moreover, the silicon wafer which has the same laminated structure as the heat ray reflective material produced in Experimental example 1 was installed in the clearance gap between the upper heat insulating material and reaction tube of FIG.
By making such improvements, the vertical heat treatment apparatus of the present invention was produced, and the temperature inside the reaction tube was measured under the same heat treatment conditions (1100 ° C., Ar 100% atmosphere) before and after the improvement. As a result, it was confirmed that the soaking length after the improvement was increased by about 5% in the vertical direction compared to before the improvement.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a vertical heat treatment apparatus with a long soaking length that is extremely simple and low cost without extending the overall length of the conventional vertical heat treatment apparatus. Further, by increasing the soaking length, the number of dummy wafers can be reduced and the number of charged product wafers can be increased, so that the productivity of the heat-treated wafer can be improved. Furthermore, since the inside of the furnace is efficiently heated by the reflection effect (heat insulation effect) by the heat ray reflective material, the power consumption of the heat treatment apparatus can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a vertical heat treatment apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a conventional vertical heat treatment apparatus.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a heat ray reflective material having a four-period structure of a Si layer and a SiO ₂ layer.
4 is a diagram showing heat ray reflectance characteristics of a heat ray reflective material having the structure of FIG. 3;
5 is a cross-sectional view of a heat ray reflective material having a structure in which a four-period structure of Si and SiO _{2 having} different thicknesses is stacked on the four-period structure of FIG. 3;
6 is a diagram showing heat ray reflectivity characteristics of a heat ray reflective material having the structure of FIG. 5. FIG.
7 is a partial cross-sectional view of a heat ray reflective material produced in Experimental Example 1. FIG.
8 is a diagram showing a difference spectrum of absorbance between a heat ray reflective material having the structure of FIG. 7 and a reference.
9 is a longitudinal sectional view of a horizontal furnace showing an experimental configuration of Experimental Example 2. FIG.
FIG. 10 is a view showing a temperature measurement result in Experimental Example 2.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a form in which a heat ray reflective material is sealed in a vacuum container.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the monochromatic radioactivity (E _bλ ) and wavelength of a black body when the absolute temperature T on the object surface is changed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heater 2 Side part heat insulating material 3 Reaction tube 4 Heat insulation cylinder 4a Opaque quartz fin 4b Heat ray reflective material 5 Wafer boat 6 Dummy wafer 7 Product wafer 8 Cap 9 Gas introduction pipe 10, 10 'Vertical heat processing apparatus 20 Quartz container

Claims

縦型の反応管と、複数のシリコン単結晶ウェーハを平行に搭載するウェーハボートと、このウェーハボートを支持する保温筒と、反応管の側部を取り囲むヒータと、このヒータを取り囲む側部断熱材と、反応管の上部に位置する上部断熱材とを有し、前記シリコン単結晶を１０００〜１２００℃に加熱処理するために使用する縦型熱処理装置において、
前記保温筒と前記上部断熱材のうちの少なくとも一方の位置に、特定波長の熱線を反射する熱線反射材を配置し、該熱線反射材は、互いに隣接するＳｉ層とＳｉＯ _２層とからなり、反射対象となる熱線の波長域で１次元フォトニックバンドギャップ構造を形成するように前記Ｓｉ層とＳｉＯ _２層との厚さが定められた積層周期単位を、基体表面に２周期以上形成したものとして構成されることを特徴とする縦型熱処理装置。A vertical reaction tube, a wafer boat on which a plurality of silicon single crystal wafers are mounted in parallel, a heat insulating cylinder that supports the wafer boat, a heater that surrounds the side of the reaction tube, and a side heat insulating material that surrounds the heater And a vertical heat treatment apparatus used for heat-treating the silicon single crystal to 1000 to 1200 ° C.
A heat ray reflecting material that reflects heat rays of a specific wavelength is disposed at at least one position of the heat insulating cylinder and the upper heat insulating material, and the heat ray reflecting material includes a Si layer and a SiO ₂ layer adjacent to each other , Two or more laminated period units in which the thickness of the Si layer and the SiO ₂ layer is determined so as to form a one-dimensional photonic bandgap structure in the wavelength range of the heat ray to be reflected are formed on the substrate surface. A vertical heat treatment apparatus characterized by being configured as follows.

前記熱線の前記特定波長帯が、１〜１０μｍの範囲内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。 The vertical heat treatment apparatus according to claim 1, wherein the specific wavelength band of the heat ray is within a range of 1 to 10 μm.

前記積層周期単位の形成周期数が５周期以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された縦型熱処理装置。 The vertical heat treatment apparatus according to claim 1, wherein the number of formation periods of the lamination period unit is 5 or less.

前記熱線反射材を、前記熱線に対して透光性を有する材料からなる真空容器に封入した状態で配置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された縦型熱処理装置。The longitudinal direction according to any one of claims 1 to 3 , wherein the heat ray reflective material is disposed in a state of being enclosed in a vacuum vessel made of a material having a light transmitting property with respect to the heat ray. Mold heat treatment equipment.