JP4435221B2 - 熱処理装置の空焼き方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造技術に関し、特に、ヒータユニットの断熱槽の改良に係り、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化処理や拡散処理、成膜処理、アニール処理およびリフロー処理等の熱処理（thermal treatment ）を施す熱処理装置（furnace ）に利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハに拡散処理を施すのにバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置（以下、熱処理装置という。）が使用されている。
熱処理装置はウエハが搬入される処理室を形成する縦形に設置されたプロセスチューブと、プロセスチューブ内を排気する排気管と、プロセスチューブ外に敷設されてプロセスチューブ内を加熱するヒータユニットとを備えており、複数枚のウエハがボートによって垂直方向に整列されて保持された状態でプロセスチューブ内に下端の炉口から搬入され、ヒータユニットによってプロセスチューブ内が加熱されることにより、ウエハに拡散処理が施されるように構成されている。
このような熱処理装置においては、ヒータユニットはプロセスチューブを全体的に被覆する長い円筒形状に形成された断熱槽の内周に長大に形成されたヒータ素線が敷設されている。
そして、従来のこの種の断熱槽は円盤形状の天井壁部材が円筒形状の側壁部材にその上端開口部を閉塞するように被せられて形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２７０５２９号公報

しかしながら、天井壁部材が側壁体の上端開口部に被せられた断熱槽においては、ヒータユニットの温度が１３００℃までも上昇された際には、天井壁部材の周辺部が上方に反ることによって天井壁部材の周辺部と側壁体の上端開口部との間に隙間が形成されてしまうために、断熱槽内の熱が逃げてしまうという問題点がある。

本発明の目的は、断熱槽内の熱が逃げるのを防止することができる半導体製造装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）処理室を形成する処理管と、
前記処理室にガスを導入するガス導入管と、
前記処理室の雰囲気を排出する排気管と、
前記処理管の外側に設けられた断熱槽と、を備え、
前記断熱槽は、
上下両端が開口した円筒形状の側壁部材と、
前記側壁部材の上端に載置され、上端の開口を閉塞する天井壁部材と、を備え、
前記天井壁部材の下端面は、前記側壁部材に載置される前記側壁部材の上端面よりも下側に位置し、前記下端面が平坦面であることを特徴とする熱処理装置。
（２）熱処理装置に使用されるヒータユニットであって、
前記ヒータユニットは、
円筒形状のケースと、
前記ケースの内部に設置される断熱槽と、
前記断熱槽の内周側に設けられたヒータ素線と、を備え、
前記断熱槽は、
上下両端が開口した円筒形状の側壁部材と、
前記側壁部材の上端に載置され、上端の開口を閉塞する天井壁部材と、を備え、
前記天井壁部材の下端面は、前記側壁部材に載置される前記側壁部材の上端面よりも下側に位置し、前記下端面が平坦面であることを特徴とするヒータユニット。
（３）熱処理装置に使用される断熱槽であって、
前記断熱槽は、
上下両端が開口した円筒形状の側壁部材と、
前記側壁部材の上端に載置され、上端の開口を閉塞する天井壁部材と、を備え、
前記天井壁部材の下端面は、前記側壁部材に載置される前記側壁部材の上端面よりも下側に位置し、前記下端面が平坦面であることを特徴とする断熱槽。
（４）処理室を形成する処理管と、
前記処理室にガスを導入するガス導入管と、
前記処理室の雰囲気を排出する排気管と、
前記処理管の外側に設けられた断熱槽と、
前記断熱槽の内周側に設けられたヒータ素線と、を備え、
前記断熱槽は、
上下両端が開口した円筒形状の側壁部材と、
前記側壁部材の上端に載置され、上端の開口を閉塞する天井壁部材と、を備え、
前記天井壁部材の下端面は、前記側壁部材に載置される前記側壁部材の上端面よりも下側に位置し、前記下端面が平坦面である熱処理装置を用いて被処理基板に半導体集積回路装置を製造する半導体集積回路装置の製造方法であって、
前記処理室内に前記被処理基板を搬入する工程と、
前記被処理基板を加熱して所望の処理を実行する工程と、
を備えることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。

前記した手段の断熱槽においては、側壁部材と天井壁部材とが段差部によって結合していることにより、天井壁部材が反ったとしても、天井壁部材の周辺部と側壁部材の上端開口部との間に隙間が形成されてしまうのを防止することができるために、断熱槽内の熱が逃げるのを防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本発明の一実施の形態である熱処理装置（バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置）は、図１に示されているように、筐体１に垂直に配されて支持された縦形のプロセスチューブ２を備えている。
プロセスチューブ２は石英（ＳｉＯ₂ ）が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に成形されている。プロセスチューブ２の筒中空部はボートによって垂直方向に整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室３を形成しており、プロセスチューブ２の下端開口は被処理基板としてのウエハを出し入れするための炉口４を構成している。
プロセスチューブ２の外側には炭化シリコン（ＳｉＣ）が使用されて上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に成形された均熱チューブ５が同心円に被せられて、筐体１によって垂直に支持されている。
プロセスチューブ２の一部には排気管６が接続されており、排気管６は排気装置（図示せず）に接続されて処理室３を所定の真空度に真空排気し得るように構成されている。
プロセスチューブ２の側壁の他の部位にはガス導入管７がプロセスチューブ２の炉口４に連通するように接続されており、ガス導入管７には窒素ガス供給装置（図示せず）に接続されている。
プロセスチューブ２の下端部の外側にはこれを包囲するスカベンジャ８が、均熱チューブ５の外側空間に連通するように形成されており、スカベンジャ８の内部は排気管（図示せず）によって排気されるようになっている。

筐体１の天井壁におけるプロセスチューブ２の下端開口に対向する部分には、ボート搬入搬出口９が開設されており、ボート搬入搬出口９はシャッタ１０によって開閉されるようになっている。
また、ボート搬入搬出口９にはシールキャップ１７が垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ１７はボート搬入搬出口９よりも大径の円盤形状に形成されており、筐体１の内部に垂直に設備されたエレベータ（図示せず）によって垂直方向に昇降されるように構成されている。
シールキャップ１７の中心線上には被処理基板としてのウエハＷを保持するためのボート１１が垂直に立脚されて支持されるようになっている。

ボート１１は上下で一対の上側端板１２および下側端板１３と、上側端板１２と下側端板１３との間に垂直に立脚された複数本（本実施の形態においては三本とする。）の保持部材１４とを備えており、三本の保持部材１４には多数の保持溝１５が長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように刻設されている。
ボート１１は三本の保持部材１４の保持溝１５間にウエハＷの周辺部を挿入されることにより、複数枚のウエハＷを水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。
ボート１１とシールキャップ１７との間には断熱キャップ部１６が配置されており、断熱キャップ部１６はボート１１をシールキャップ１７の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート１１の下端を炉口４の位置から適当な距離だけ離間させるように構成されている。

均熱チューブ５の外部にはプロセスチューブ２の内部を加熱するヒータユニット２０が、均熱チューブ５を包囲するように同心円に配置されて、スカベンジャ８を挟んで筐体１によって支持されている。
図２に示されているように、ヒータユニット２０はステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されて上端閉塞で下端開口の円筒形状に形成されたケース２１を備えており、ケース２１の内径は均熱チューブ５の外径よりも充分に大きく設定されている。
ケース２１の内部には耐熱温度が１６００℃になるように構成された断熱槽２２が設置されている。断熱槽２２は均熱チューブ５の外径よりも大径の内径およびケース２１の内径よりも小径の外径を有する上下両端が開口した円筒形状の側壁部材２３と、側壁部材２３の上端に被せられて上端開口を閉塞する円盤形状の天井壁部材２４とを備えている。

断熱槽２２の側壁部材２３は外側ブランケット２３ａと内側ブランケット２３ｂとが、ケース２１の内周面に二重に敷設されて構築されており、外側ブランケット２３ａおよび内側ブランケット２３ｂはいずれも、多結晶ムライト繊維が連続的に積層されてブランケット形状に成形されニードルパンチ処理されて構成されている。
側壁部材２３の上端開口部には階段形状の雌形段差部２５が、内側ブランケット２３ｂの高さが外側ブランケット２３ａよりも低く設定されることによって形成されている。
断熱槽２２の天井壁部材２４は上側ボード２４ａと下側ボード２４ｂとが重ね合わされて構築されている。上側ボード２４ａおよび下側ボード２４ｂはいずれも、多結晶ムライト繊維に結合材を加えて円板形状に成形されており、最高使用温度加熱後の曲げ強度が０．３２ＭＰａになるように構成されている。
天井壁部材２４の外周には階段形状の雄形段差部２６が、下側ボード２４ｂの外径が上側ボード２４ａの外径よりも小径に設定されることによって形成されている。側壁部材２３の雌形段差部２５と天井壁部材２４の雄形段差部２６とは互いに嵌合するように設定されており、天井壁部材２４の雄形段差部２６が側壁部材２３の雌形段差部２５に嵌入されることにより、天井壁部材２４は側壁部材２３の上端開口部を密閉するように被せ付けられている。

断熱槽２２の側壁部材２３の内周にはヒータ素線３０が螺旋状に配線されて敷設されている。ヒータ素線３０はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金が使用されて丸棒形状に押し出し成形によって成形されており、側壁部材２３の内周面に螺旋状に配線されて、側壁部材２３の内周面に据え付けられた取付金具（図示せず）によって保持されている。

以上のように構成されたヒータユニット２０は実際の稼働前に空焼きステップを実施される。
空焼きステップは図２に示されているように処理室３にボート１１を搬入せずにボート搬入搬出口９をシャッタ１０によって閉じた状態で、室温から所定の高温度（１２００℃〜１３００℃）まで約３０時間かけて上昇させることにより、ヒータユニット２０の内部の不純物を除去するステップである。

すなわち、空焼きステップの実施により、断熱槽２２の側壁部材２３を構成した外側ブランケット２３ａおよび内側ブランケット２３ｂと天井壁部材２４の上側ボード２４ａおよび下側ボード２４ｂとにおける多結晶ムライト繊維に付着ないしは吸着した金属汚染物質や、多結晶ムライト繊維を結合するための結合材等の不純物が焼失される。
また、ヒータ素線３０のアルミニウムと酸素（Ｏ₂ ）との酸化反応によってヒータ素線３０の表面に形成された酸化アルミニウム膜の膜が、きわめて高温度をもって実施される空焼きステップにより緻密で薄い膜を形成するために、ヒータ素線３０はこの表面に形成された緻密で薄い酸化アルミニウム膜によって効果的に保護される状態になる。
なお、空焼きステップが低温度をもって実施された場合には、ヒータ素線３０の表面には厚くて粗い酸化アルミニウム膜が形成され、この厚くて粗い酸化アルミニウム膜は剥離し易いために、ヒータ素線３０の耐久性（寿命）は低下してしまう。
ちなみに、空焼きステップにおいて発生した不純物のガスは、スカベンジャ８の排気管によってヒータユニット２０の外部に排気される。

ところで、図３（ａ）に示されているように、雄形段差部を有しない天井壁部材２４’が側壁部材２３’の上端面に被せられて上端開口部が閉塞されている場合には、空焼きステップにおいてヒータユニットの温度が１３００℃まで上昇されると、図３（ｂ）に示されているように、天井壁部材２４’が周辺部が上方に反ることにより、天井壁部材２４’の周辺部と側壁部材２３’の上端開口部との間に隙間２７が形成されてしまうために、断熱槽内の熱が逃げてしまうという問題点が発生する。その結果、従来の熱処理装置におけるヒータユニットの空焼きステップの温度は１２００℃に設定されることになるために、ヒータユニットにおける金属汚染を充分に低減することができない。

しかし、本実施の形態に係る断熱槽２２においては、天井壁部材２４の外周の雄形段差部２６が側壁部材２３の上端開口部の雌形段差部２５に嵌入されていることにより、図３（ｃ）に示されているように、空焼きステップにおいてヒータユニット２０の温度が１３００℃に上昇されて、天井壁部材２４が上方に反ったとしても、天井壁部材２４の周辺部と側壁部材２３の上端開口部との間に隙間が形成されてしまうのを防止することができるために、断熱槽内の熱が逃げてしまうという問題点が発生するのは防止することができる。その結果、本実施の形態に係る熱処理装置においては、空焼きステップの温度を１３００℃に設定することによりヒータユニットにおける金属汚染を充分に低減することができる。

以上のように空焼きステップを実施された本実施の形態に係る熱処理装置の熱処理工程における作用は、従来のヒータユニットを備えた熱処理装置それと同様であるから、本実施の形態に係る熱処理装置による成膜工程の作用の説明は省略する。

なお、本発明は前記実施の形態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に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、側壁部材２３の雌形段差部２５および天井壁部材２４の雄形段差部２６の形状は階段形状に形成するに限らず、図４に示されているように形成することができる。

図４（ａ）に示された第二の実施の形態においては、Ｒ面取り部を有する雌形段差部２５Ａおよび雄形段差部２６Ａが嵌合されている。

図４（ｂ）に示された第三の実施の形態においては、テーパを有する雌形段差部２５Ｂおよび雄形段差部２６Ｂが嵌合されている。

図４（ｃ）に示された第四の実施の形態においては、三段の段差を有する雌形段差部２５Ｃおよび雄形段差部２６Ｃが嵌合されている。

図４（ｄ）に示された第五の実施の形態においては、一段の段差を有する雌形段差部２５Ｄおよび雄形段差部２６Ｄが嵌合されている。

ヒータ素線は丸棒形状に形成して断熱槽の内周に螺旋状に敷設するに限らず、波形の平板形状にプレス加工やレーザ切断加工によって形成して断熱槽に互いに平行に多段に並べて敷設してもよい。

ヒータユニット、断熱槽およびケース等は円筒形状に形成するに限らず、四角形筒形状や多角形筒形状に形成してもよい。

また、図５に示されているように、本発明は急熱急冷ヒータユニット２０Ａを備えた熱処理装置にも適用することができる。
このヒータユニット２０Ａの下端部には吸気管３１が断熱槽２２の内部に連通するように接続されており、上端部には排気管３２が断熱槽２２の内部に連通するように接続されている。排気管３２にはラジエタ３３およびブロア３４が上流側から順に介設されている。このヒータユニット２０Ａの天井壁部材２４の中央部には排気管３２を接続するための取付孔２４ｃが大きく開設されている。
この熱処理装置において、冷却を行う場合には空気等の冷却媒体が吸気管３１から吸い込まれ、排気管３２によって断熱槽２２の内周と均熱チューブ５の外周との間の空間から冷却媒体が排気される。熱を奪って昇温した冷却媒体は排気管３２の途中のラジエタ３３で冷却された後に排出される。処理室３内でウエハが処理されている際は冷却は行われないので、天井壁部材２４の周辺部が上方に反ってしまう可能性があるが、本実施の形態においては側壁部材２３と天井壁部材２４との結合部には雌雄の段差部２５、２６が形成されているので、反りの発生は防止される。

本発明はバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置に限らず、他の半導体製造装置全般に適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、断熱槽内の熱が逃げるのを防止することができる。

なお、良好な実施形態には、次のものを含む。
天井壁部材が筒形状の側壁部材の上端開口部に被せられた断熱槽を備えている半導体製造装置において、
前記側壁部材と天井壁部材との結合部分には段差部が形成されていることを特徴とする半導体製造装置。

本発明の一実施の形態である熱処理装置を示す正面断面図である。 主要部を示す正面断面図である。 反りによる状態を説明する主要部の各断面図であり、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）はその比較例における隙間の発生を示し、（ｃ）は本実施の形態の場合を示している。 段差部の変形例を示す各断面図であり、（ａ）は第二の実施の形態、（ｂ）は第三の実施の形態、（ｃ）は第四の実施の形態、（ｄ）は第五の実施の形態をそれぞれ示している。 本発明の他の実施の形態である熱処理装置の主要部を示す正面断面図である。

符号の説明

Ｗ…プロダクトウエハ（基板）、
１…筐体、２…プロセスチューブ、３…処理室４…炉口、５…均熱チューブ、６…排気管、７…ガス導入管、８…スカベンジャ、９…ボート搬入搬出口、１０…シャッタ、
１１…ボート、１２、１３…端板、１４…保持部材、１５…保持溝、１６…断熱キャップ部、１７…シールキャップ、
２０…ヒータユニット、２１…ケース、２２…断熱槽、２３…側壁部材、２４…天井壁部材、２５…雌形段差部、２６…雄形段差部、２７…隙間、３０…ヒータ素線、
２０Ａ…急熱急冷ヒータユニット、
３１…吸気管、３２…排気管、３３…ラジエタ、３４…ブロア。

Claims (1)

1. 処理室を形成するプロセスチューブと、
   前記処理室にガスを導入するガス導入管と、
   前記処理室の雰囲気を排出する排気管と、
   前記プロセスチューブの外側に設けられた断熱槽と、
   前記断熱槽の内周側に設けられたヒータ素線と、
   複数枚の基板を整列させて保持するボートと、
   前記プロセスチューブのボート搬入搬出口を開閉するシャッタと、を備えた熱処理装置の空焼き方法において、
   上下両端が開口した円筒形状の上端開口部に雌形段差部を有する多結晶ムライト繊維製の側壁部材と、円板形状の外周に雄形段差部を有する多結晶ムライト繊維製の天井壁部材とをそれぞれ予め形成し、前記雄形段差部を前記雌形段差部に嵌入させて、前記天井壁部材が前記側壁部材の前記上端開口部を閉塞した前記断熱槽を形成するステップと、
   前記断熱槽内を排気するスカベンジャを前記プロセスチューブの下端部外側に設けるステップと、
   前記処理室内に前記ボートを搬入せずに、前記ボート搬入搬出口を前記シャッタによって閉じた状態で、前記断熱槽内を前記スカベンジャによって排気しながら、前記処理室内の温度を１３００℃まで上昇させる空焼きステップと、
   を有することを特徴とする熱処理装置の空焼き方法。

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