JP4597393B2

JP4597393B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP4597393B2
Application number: JP2001019342A
Authority: JP
Inventors: 幸正齋藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2002222808A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理装置およびその圧力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、熱処理の一つとして被処理体例えば半導体ウエハの表面に酸化膜を形成する酸化処理工程があり、この酸化処理の一つの方法として、処理容器内において半導体ウエハを所定の処理温度で水蒸気と接触させて酸化（ウエット酸化）させる方法がある。このような処理を行うために、例えば特開昭６３−２１０５０１号公報等に示されているように、水素ガスと酸素ガスを反応（燃焼）させて水蒸気を発生させる燃焼装置を処理炉の外部に独立して設け、この燃焼装置により発生する水蒸気を処理炉に供給して熱処理を行うようにした酸化処理装置（熱処理装置）が知られている。また、排気管の先端を工場排気系に接続することにより、処理容器内の圧力を大気圧近くの微減圧に排気して、処理時にその圧力を保持する常圧排気系を備えた酸化処理装置が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、工場排気系の引き圧だけを利用して処理容器内の圧力を制御する従来装置の場合、引き圧が弱い（排気能力が低い）ために、圧力制御の幅が小さく、気圧変動があった場合には、安定した圧力制御ができないという問題があった。また、従来装置では、大気圧との差圧に基づいて処理容器内の圧力を制御していたので、気圧の変動により、処理容器内の圧力が微妙に変動する可能性があり、それによって被処理体の膜厚が変化してしまうおそれがあった。
【０００４】
本発明は、前記事情を考慮してなされたもので、簡単な構成で排気能力の向上が図れる熱処理装置を提供することを目的とする。また、本発明は、排気系の排気圧力を、従来の工場排気系の引き圧だけで賄っていた場合よりも高めることができて、それにより圧力制御の幅を広げることができると共に、気圧の変動の影響を排除しながら処理容器内の圧力制御を行うことのできる熱処理装置およびその圧力制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち、請求項１に係る発明は、処理容器内に被処理体を収容して熱処理する熱処理装置において、前記処理容器の排気系が、一端が前記処理容器の排気口に接続された排気管と、該排気管の他端に吸引口が接続されると共に出口が工場排気系に接続され、入口から出口に向かって駆動ガスを流通させることにより吸引口から排気管を通して処理容器内のガスを吸引して出口から排気するエゼクタと、前記排気管の途中に設けられた開閉および圧力調節の可能なコンビネーションバルブと、前記排気管内の排気圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサの検出圧力に基づいて前記コンビネーションバルブを制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の熱処理装置において、前記エゼクタが複数のエゼクタ部材を直列に接続した多段式に構成され、各エゼクタ部材の各吸引口に前記排気管の下流端が分岐接続されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基いて詳述する。図１は、本発明を酸化処理装置に適用した第１実施の形態の構成を示す図である。
【００１２】
図１において、１は被処理体である半導体ウエハＷを収容し、処理ガスとして水蒸気を供給して例えば８５０℃程度の高温下で熱処理する縦型でバッチ式の処理炉で、この処理炉１は、上端が閉塞され下端が開放した縦長円筒状の耐熱性を有する例えば石英製の反応管（処理容器）２を備えている。
【００１３】
この反応管２は、炉口として開放した下端開口部が蓋体３で気密に閉塞されることにより、気密性の高い処理炉１を構成するようになっている。前記蓋体３上には、多数枚例えば１５０枚程度の半導体ウエハＷを水平状態で上下方向に間隔をおいて多段に支持する基板支持具である例えば石英製のウエハボート４が保温筒６を介して載置されている。
【００１４】
蓋体３は、図示しない昇降機構により、処理炉１内へのウエハボート４のロード（搬入）ならびにアンロード(搬出）および炉口の開閉を行うように構成されている。また、前記反応管２の周囲には、炉内を所定の温度例えば３００〜１０００℃に加熱制御可能な抵抗発熱体からなるヒーター８が設けられている。ヒーター８は、急速昇降温が可能であることが好ましい。ヒーター８の周囲は冷却ジャケット９で覆われている。
【００１５】
反応管２の下側部には、ガス導入管部１０が適宜個数設けられており、その一つには、処理ガス供給手段（水蒸気供給手段）として、水素ガスＨ_２と酸素ガスＯ_２の燃焼反応により水蒸気を発生させて供給する燃焼装置（外部燃焼装置）１１が接続されている。なお、他のガス導入管部には、その他の処理ガス例えば塩化水素ＨＣｌあるいは不活性ガス例えばＮ_２等を供給するガス供給源が接続されている（図示省略）。
【００１６】
また、前記反応管２の下側壁には、反応管２内を排気するための排気管部（排気口）１３が設けられており、この排気管部１３には、常圧排気系（排気系）１８を構成する排気管１９の一端が接続され、この排気管１９の他端は、工場排気系の排気ダクトに出口が開放されたエゼクタ４０の吸引口４２に接続されている。排気管１９は、耐食性配管、例えばステンレス管の内面をフッ素樹脂被膜でコーティングした構成の配管からなっている。
【００１７】
排気管１９には、その排気圧力を検出する絶対圧型の圧力センサ２２と、開閉および圧力調節の可能なコンビネーションバルブ２０とが順に設けられ、コンビネーションバルブ２０は、絶対圧型圧力センサ２２の検出圧力を基に制御部３６により制御されるように構成されている。このコンビネーションバルブは、例えば電気信号を空気圧に変換して弁体の位置制御を行うようになっていると共に、弁体の着座部にＯリングを有しシャットオフができるようになっている。また、絶対圧型圧力センサ２２としては、例えば０〜１３３０ｈＰａ[０〜１０００Ｔｏｒｒ]のレンジで検知可能な一般的なものが用いられる。なお、絶対圧型圧力センサ２２としては、例えば８００〜１１００ｈＰａのレンジで検知可能なものであってもよい。
【００１８】
前記絶対圧型圧力センサ２２およびコンビネーションバルブ２０は、過酷な腐食環境に耐え得るように、接ガス面が非金属の耐食性材料例えば耐食性樹脂好ましくはフッ素樹脂によって形成されている。この場合、絶対圧型圧力センサ２２は、フッ素樹脂製またはセラミックス製の本体と、この本体内に気密に設けられたセラミックス製の受圧部材とを有していることが好ましい。
【００１９】
工場排気系は、その排気圧力が、例えば大気圧との差圧が−１０００Ｐａ[−７．５Ｔｏｒｒ]程度の微減圧にて稼動されているため、絶対圧に対する変動があり、また、複数台の熱処理装置が多連に接続された場合に、個々の装置での引きが弱くなり、圧力変動が生じる。すなわち、多連に接続されていることによる圧力変動だけでなく、向上排気設備自身が大気圧とある一定の差圧が得られるように運転されているため、絶対圧で見ると変動がある。そのために、常圧排気系１８の排気管１９の先端に、補助排気駆動手段としてのエゼクタ４０が設けられている。このエゼクタ４０は、排気管１９の下流端を接続した吸入口４２の他に、駆動ガスとして空気または不活性ガス（ここでは窒素ガス）を流入させる入口４３とその出口４４とを有するもので、開閉バルブ４５を介して入口４３から駆動ガスを流入させることにより、吸入口４２から処理炉１の排気を吸引して、吸引したガスを出口４４から駆動ガスと共に工場排気ダクトへ排気することができる。
【００２０】
この場合のエゼクタ４０は、複数例えば３個のエゼクタ部材４０ａ，４０ｂ，４０ｃを直列に接続した多段式に構成されており、各エゼクタ部材４０ａ，４０ｂ，４０ｃの各吸引口４２ａ，４２ｂ，４２ｃに、排気管１９の下流端が分岐接続されている。１段目のエゼクタ部材４０ａには、駆動ガスとして例えば窒素ガスまたは空気が導入されることにより、１段目のエゼクタ部材４０ａに排気管１９から排気が吸引されるようになっている。
【００２１】
２段目のエゼクタ部材４０ｂは、前記１段目のエゼクタ部材４０ａから排出されるガスが導入されることにより排気管１９から排気を吸引し、同様に、３段目のエゼクタ部材４０ｃは、前記２段目のエゼクタ部材４０ｂから排出されるガスが導入されることにより排気管１９から排気を吸引するようになっている。従って、各エゼクタ部材４０ａ，４０ｂ，４０ｃから排出されるガスは、順次増大していき、最終段（図示例では３段目）のエゼクタ部材４０ｃからし工場排気系に排出される。なお、２段目、３段目のエゼクタ部材４０ｂ，４０ｃの吸引口４２ｂ，４２ｃには逆流防止のための逆止弁４６が設けられている。
【００２２】
次に作用を説明する。まず、処理炉１内は、大気に開放されていると共にヒーター８により予め所定の温度、例えば３００℃に加熱制御されており、この状態で、多数枚の半導体ウエハＷが保持されたウエハボート４を処理炉１内にロードして、処理炉１の炉口を蓋体３で密閉し、処理炉１内を所定の排気圧力で排気してサイクルパージを行う。反応管２内を排気する場合には、開閉バルブ４５を開いてエゼクタ４０に駆動ガスを流し、コンビネーションバルブ２０を開く。そうすると、工場排気系の引き力に加えて、エゼクタ４０による引き力が加わるので、安定した排気が行われる。この排気能力を使って反応管２内の排気を行いながら、処理炉１のサイクルパージを行う。
【００２３】
サイクルパージは、処理炉１内を排気しながら不活性ガス例えばＮ2の供給と停止を交互に繰り返すことにより行われる。この排気状態で、所定流量に制御された不活性ガス例えばＮ2を不活性ガス供給弁の開閉の繰り返しにより間欠的に供給することにより、処理炉１内を不活性ガスで置換することができる。
【００２４】
次に、その状態でヒーター９の制御により処理炉１内を所定の処理温度、例えば８５０℃まで昇温させ、圧力センサ２２の検出出力に基づいてコンビネーションバルブ２０を制御部３６が制御することにより、処理炉１内を所定の常圧ないし微減圧に制御し、この状態でリカバリー（半導体ウエハの温度を安定させる）をしてから、所望の熱処理、例えばＨＣｌ酸化を行う。この熱処理は、酸素ガスＯ2と水素ガスＨ2を燃焼装置１１に供給して燃焼させ、発生する水蒸気を塩化水素ガスＨＣｌおよび不活性ガス例えばＮ2と共に処理炉１内に供給することにより、微減圧状態で行われる。
【００２５】
熱処理工程を終了したなら、コンビネーションバルブ２０を開いて処理炉１内のガスを排気してから、ヒーター８の制御により処理炉１内の温度を所定の温度例えば３００℃程度に降温させ、これと並行して処理炉１内を常圧に戻して、処理炉１内からウエハボート４をアンロードし、クーリング（半導体ウエハを搬送可能な温度に冷却すること）を行えばよい。
【００２６】
このように、本実施の形態の酸化処理装置によれば、補助的な排気駆動手段としてのエゼクタ４０を備えているため、工場排気系だけでは能力的に困難であった排気圧力で処理炉１の排気を行うことができる。特に、エゼクタ４０は多段式であるため、少ない駆動ガス消費量で大気圧変動以上の排気能力を得ることができ、このため、気圧の変動があったとしても、排気圧力を大気圧付近に何時でも安定して制御することができる。例えば、駆動ガスとして空気または窒素ガスを毎分４０リットル供給することにより、−１３３ｈＰａ[−１００Ｔｏｒｒ]の減圧排気が可能である。従って、処理炉１内の圧力を、コンビネーションバルブ２０を全開した場合の６００（大気圧−１００）Ｔｏｒｒ〜コンビネーションバルブ２０を全閉した場合の８００（大気圧＋処理ガスの導入圧）Ｔｏｒｒくらいまでの範囲でコントロールすることができる。
【００２７】
また、常圧排気系１８の圧力センサとして、絶対圧型の圧力センサ２２を用いているため、低気圧等の大気圧の変動に左右されることなく、例えば大気圧付近での安定した絶対圧制御が可能となり、何時でも均一な膜厚の酸化膜を形成することが可能となると共に薄膜の形成が可能となる。
【００２８】
なお、圧力センサ２２として絶対圧型の代わりに差圧型を使用することもできる。その場合には、大気圧を絶対圧型圧力センサ（大気圧センサ）により検出してその検出信号を制御部３６に取込み、設定差圧を補正するように構成する必要がある。
【００２９】
次に本発明の第２実施の形態の構成を図２を用いて説明する。本実施の形態において、図１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明を加える。
【００３０】
本実施の形態の酸化処理装置ないしその圧力制御方法においては、排気管１９の途中に介在されていたコンビネーションバルブ２０（図１参照）が省略されており、その代わりにエゼクタ４０の入口４２の開閉バルブの位置に電空レギュレータ４１が設けられている。そして、その電空レギュレータ（流量制御器）４１が、圧力センサ２２の検出信号に基づいて、制御部３６により制御されるように構成されている。
【００３１】
電空レギュレータ４１は、電気信号に応じて絞り調節することにより、エゼクタ４０へ入力する駆動ガス流量を制御することのできるもので、電空レギュレータ４１により所定流量に制御された駆動ガスがエゼクタ４０に導入されることにより、エゼクタ４０の吸引・排気能力が調節される。そして、電空レギュレータ４１は、絶対圧型の圧力センサ２２の検出圧力に基づいて制御されるので、排気管１９内の排気圧力を所定の圧力（設定圧力）となるように制御することができる。
【００３２】
このように電空レギュレータ４１でエゼクタ４０への駆動ガス流量を調節することによって、処理炉１の排気圧力を制御できるようにしたため、工場排気系だけの場合よりも広範囲で安定した圧力制御が可能となると共に、価格の高いコンビネーションバルブが省略できて、低コストの省エネルギ型のシステムを提供することができる。なお、排気管１９には、開閉弁が設けられていてもよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。例えば、前記実施の形態では、処理炉として、縦型炉が例示されているが、横型炉であってもよく、また、バッチ式が例示されているが、枚葉式であってもよい。被処理体としては、半導体ウエハ以外に、例えばＬＣＤ基板やガラス基板等であってもよい。上記水蒸気供給手段としては、燃焼式に限定されず、例えば気化器式、触媒式、沸騰式等であってもよい。
【００３４】
また、前記実施の形態では、本発明を酸化処理装置に適用した場合が示されているが、本発明は、酸化処理装置以外に、例えば拡散処理装置、ＣＶＤ処理装置、アニール処理装置等、あるいはこれらの複合型装置にも適用可能である。また、外部燃焼装置を用いずに、処理炉内に水素と酸素を導入して反応させるようにしてもよい。また、減圧排気系と常圧排気系とを切換バルブで択一的に選択できるように組み合わせて設けてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００３８】
（１）請求項１の発明によれば、処理容器内に被処理体を収容して熱処理する熱処理装置において、前記処理容器の排気系が、一端が前記処理容器の排気口に接続された排気管と、該排気管の他端に吸引口が接続されると共に出口が工場排気系に接続され、入口から出口に向かって駆動ガスを流通させることにより吸引口から排気管を通して処理容器内のガスを吸引して出口から排気するエゼクタと、前記排気管の途中に設けられた開閉および圧力調節の可能なコンビネーションバルブと、前記排気管内の排気圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサの検出圧力に基づいて前記コンビネーションバルブを制御する制御部とを備えているため、エゼクタとコンビネーションバルブの働きによって、常圧排気系における処理容器内の圧力制御の範囲を広げることができ、大気圧の変動があったとしても、排気圧力を大気圧付近に何時でも安定して制御することができる。
【００４０】
（２）請求項２の発明によれば、エゼクタが多段式であるため、簡単な構成で排気能力の更なる向上が図れ、少ない駆動ガス消費量で大気圧変動以上の排気能力を得ることができ、気圧の変動があったとしても、排気圧力を大気圧付近に何時でも安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を酸化処理装置に適用した第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明を酸化処理装置に適用した第２の実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）
２反応管（処理容器）
１３排気管部（排気口）
１８常圧排気系
１９排気管
２０コンビネーションバルブ
２２圧力センサ
３６制御部
４０エゼクタ
４０ａ〜４０ｃエゼクタ部材
４１電空レギュレータ（流量制御器）
４２吸引口
４３入口
４４出口

Claims

処理容器内に被処理体を収容して熱処理する熱処理装置において、前記処理容器の排気系が、一端が前記処理容器の排気口に接続された排気管と、該排気管の他端に吸引口が接続されると共に出口が工場排気系に接続され、入口から出口に向かって駆動ガスを流通させることにより吸引口から排気管を通して処理容器内のガスを吸引して出口から排気するエゼクタと、前記排気管の途中に設けられた開閉および圧力調節の可能なコンビネーションバルブと、前記排気管内の排気圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサの検出圧力に基づいて前記コンビネーションバルブを制御する制御部とを備えていることを特徴とする熱処理装置。
前記エゼクタは、複数のエゼクタ部材を直列に接続した多段式に構成され、各エゼクタ部材の各吸引口に前記排気管の下流端が分岐接続されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。