JPH01205425A - 酸化炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の目的」 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体ウェハ等の被処理体に酸化膜を形成す
る酸化炉に関する。

（従来の技術） 従来のこの種の酸化炉として、例えば特公昭５８−１８
２及び特公昭６２−６３４２号公報に開示されたものか
ある。

これらはいずれも半導体ウェハを酸化処理するプロセス
チューブ周囲に、ウェハ加熱用の加熱手段と、水蒸気発
生用の加熱手段とを配置し、ブＩコセスチューブ内を水
蒸気発生用の燃焼領域と酸化膜生成領域とに兼用したも
のである。

一方、特開昭５５−９０４０５号公報には、プロセスチ
ューブとは別個に水蒸気発生用の外部燃焼装置を配置し
、この燃焼室内で水素ガスをその着火点以上の温度の熱
源に酸素ガスと共に接触させ、酸素ガス、水素ガスを燃
焼化合して水蒸気を得て、これをプロセスチューブ内に
供給するように構成している。

（発明が解決しようとする問題点） プロセスチューブ内を水蒸気発生用の燃焼領域に兼用す
るものにあっては、プロセスチューブ内の酸化膜形成領
域か前記燃焼領域の熱の影響を受け、酸化膜形成領域の
温度分布およびウェットガスの流れが均−ｍ＝とならず
、特に、燃焼領域の炎の近くのウェハは膜厚が均一とな
らず、歩留まりか悪化していた。

一方、特開昭５５−９０４０５号公報によれば、プロセ
スチューブとは別個の外部燃焼装置によって水蒸気を生
成しているので、上述した問題を解決することかできる
。

しかし、上記装置では、水素ガス導入管を燃焼室内に長
く挿入し、水素ガスの不燃焼により生ずる焙発事故を防
止するため、水素ガスと酸素ガスとを燃焼室の壁面近傍
で燃焼化合している。

そのため、壁面近傍か加熱されて失透すなわち透明度を
失うと共Ｇこ、燃焼室を構成する石英中の分子か不純物
として燃焼室内に飛散して水蒸気に付着し、この不純物
か水蒸気と共にプロセスチューブ内に供給されて半導体
ウェハが不良品となる問題があった。

また、このように燃焼室内に長く挿入した水素ガス尋人
管の先端側に熱源を配置する必要があるので、構成が複
雑となり、製造が困難となると共にコストが高くなると
いう問題かある。

さらに、上記例の他に水素ガスの導入管の先端側の熱源
として集光レンズを採用したものもあるか、いずれも水
素ガスの燃焼位置が固定されてしまい、容易にその燃焼
位置を自由に選択することができな”いという問題かあ
る。、すなわち、プロセスの種類（特に、酸化の度合い
の種類）によっては外部の流量コン１〜ローラによって
水素ガス、酸素ガス量を可変するものかあるか、この場
合、炎の大きさか異なるので、前記失透を防止するため
には、水素ガスの燃焼位置を自由に選択できることが好
ましく、従来装置ではこの選択が極めて困難となってい
た。。

そこで、本発明の目的とするところは、上述した従来の
問題点を解決し、プロセスチューブ外に水蒸気発生用の
外部燃焼装置を配置してプロセスチューブ内の温度分布
の均一制御を容易とし、プロセスチューブ内の温度分布
、ガスの流れの均一性を高めることで均熱長を長く確保
でき、しかも水蒸気発生の際に不純物か生じず、歩留ま
りの高い酸化処理を実行することができ、構成が簡易で
低コストの酸化炉を提供することにある。

「発明の構成」 （問題点を解決するための手段） 本発明は、水素ガスと酸素ガスとを外部燃焼装置で燃焼
化合させて発生した水蒸気をプロセスチューブ内に供給
して酸化処理を行うものであって、 上記外部燃焼装置の燃焼室又はガス導入経路を外部（よ
りを加熱した状態として、燃焼室内に上記水素ガスおよ
び酸素ガスを流入させ□る構成としている３゜ そして、好ましくは、上記外部燃焼装置は、酸素ガ２ス
、水素ガスを独立して導入するための導入管と、 各導入管の一方又は双方の周囲に配置され、導入管内ガ
スを発火点以上の温度まで加熱する加熱手段と、 少なくともいずれか一方が加熱された酸素ガス。

水素ガスを導入して接触さぜ、゛これら″を燃焼化合し
て尿蒸気を′生成する燃焼室と、 この水蒸気をプロセスチューブのガス導入口に供給する
供給管とを有する構成とすることができる。

（作用） 水素ガス、酸素ガスのいずれか一方又は双方を、燃焼室
に導入して混合するための経路途中である導入管部分で
、ガスの発火点温度以上に加熱しておく。

この状態で上記両ガスを燃焼室に導くと、両ガスが接触
して混合することで、燃焼化合し水蒸気が発生すること
になる３、あるいは、燃焼室雰囲気を加熱しておき、こ
の燃焼室内に上記両ガスを導入することでも同様に水蒸
気を発生することができる。このように、本発明では燃
焼室内に熱源を有ぜずに、燃焼室内にガスを導入する前
に燃焼室又はガス導入経路を外部より加熱するだけで、
燃焼室内での燃焼を実行することができるので、構造が
容易となり装置の低コス１へ化を図ることができる。し
かも、ガス導入管の吐出端側に熱源を必要とし、ないの
で、ガス導入管の吐出端位置を自由に選択することが容
易となる。。

また、酸化処理を実行するプロセスチューブとは別個（
、こ外部燃焼装置を設けているので、この外部燃焼装置
のプロセスチューブに対する熱の影響か少なくなり、プ
ロセスチューブ内の酸化膜形成領域での均熱性の制御か
容易となり、ウェットガスの流れの均一化も確保するこ
とかできるので、均シ（１長か長く確保でき、歩留まり
の高い酸化炉を提供できる。。

（実施例） 以下、本発明を半導体ウェハの高圧酸化炉に適用した一
実施例について、図面を参照して具体的に説明する。。

先ず、高圧酸化炉の全体構成について第１図を参照して
説明する４、 高圧容器であるタンク７０内には、ブＶコセスチ、フー
ーフ１．この周囲に配置されたヒータ３．プロセス時に
ブ［７セスチユーフ］の開口端を密閉するキャップ７２
及び外部燃ｊ’３’ｊ＋装置１０等か配置されている。

、そし゛Ｃ２前記外部燃焼装置］−〇の供給管６０とブ
ＩＶセ、スチューフ］のガス導入１−１２との連結は、
石英管同士を摺り合わぜなホールジョイン１〜方式を採
用している。。

尚、ポールジョインＩ”　ｆＭ成とすることで、外部燃
焼装置１０とプロセスチューブ］との距離を短くし、水
蒸気の結露をテープヒータなどを要せずに防止できる。

、尚、このように距離を短くして配置した烏合に、外部
燃焼装置１０の熱影響か懸念されるか、悪影響のない距
離たけ離してホールジヨイントするか、あるいは供給管
６０側に炎遮断用の仕切り板を形成しても良い。また、
ガス導入［」２と供給管６０との連結は上記ポールジョ
イン１〜力式に限定されるものではない３゜また、前記
外部燃焼装置１０へ酸素、水素を供給するなめの供給糸
１前記タンク７０内の圧力制御系、タンク７０の冷却系
等が設けられており、フローメータ１懺圧カケージＰ−
Ｉ゛、流量コントローラＭＦＣ１逆止弁ＣＶ、二一ドル
ハルフＭＶ、正方弁１３Ｖ、安全弁丁？■等て構成され
ている。また、タンク７０とプロセスチューブ１との圧
力差のバランスをとるためのミキシンク°トラップ７４
゜タンク７０の冷却水を１ヘラツブするクーリングリ→
）゛−ブＩ〜ラップ７６等か設けられている。

なお、前記タンク７０内は約１０気圧まで昇圧されるこ
とになるか、タンク７０内での爆発を防止するなめ、安
全弁ＲＶ及び圧力ゲージＦ３が設けられている。

そして、高圧に維持されたタンク７０に配置される前記
プロセスチューブ１内には、ボート４に所定間隔毎に離
間されて搭載された半導体ウェハ８か配置され、プロセ
スチューブ１内を水蒸気雰囲気とすると共に、ヒータ３
で加熱することで、ウェハ８の表面に酸化膜を形成する
ようになっている。

このような高圧酸化炉では、常圧酸化で同−膜厚を得る
場合に比べれは、酸化温度か下げられ、酸化時間を短縮
できるというメリッ１へかある。

そして、本実施例装置では、プロセスチューブ］とは別
個に外部燃焼装置］○を有する構成となっている。この
外部燃焼装Ｎ１０は、前記プロセスチューブ１か配置さ
れるタンク７０内に配置されている。

外部燃焼装置ＴＯは、酸素ガス、水素ガスを燃焼して水
蒸気を生成し、この水蒸気を前記プロセスチューブ１の
ガス導入口２に供給するものである。。

この外部燃焼装置１０は、下記の構成を有している。

ずなわぢ、酸素ガス、水素ガスを独立して導入するため
の導入管２０．３０と、この導入管２０゜３０の周囲に
配置され、導入管２０．３０内のガスを発火点以上の温
度まで加熱する加熱手段４０と、前記導入管２０，３０
に接続され、酸素ガス、水素ガスを燃焼化合して水蒸気
を生成する燃焼室５０と、この水蒸気を前記プロセスチ
ューブのガス導入口２に供給する供給管６０とを有して
いる、。

前記導入管２０．３０は、同軸の二重管として構成され
、本実施例では酸素ガス導入管２０の内側に水素ガス導
入管３０が配置される構成となっている。

なお、前記酸素ガス導入管２０は前記燃焼室５０と一体
的に構成され、本実施例では石英カラスで構成している
。また、酸素ガス導入管２０内に配置される水素ガス導
入管３０は、第２図に示すようにその先端に設けられた
ノズル３３が燃焼室内に配置されるように、チューブコ
ネクタ３４によって支持されている。

前記水素ガス導入管３０は、水平管３１の一端に水素ガ
ス導入用の垂直管３２を具備し、また、その他端には前
記ノズル３３が形成されている。

このノズル３３は、同図に示すように水平に対して斜め
下方に傾斜しｆＳ角度て形成され、たとえば５度傾斜し
た角度となっている。

次に、石英ガラスで一体的に形成された前記燃焼室５０
、酸素ガス導入管２０および供給管６０について説明す
る。。

酸素ガス導入管２０は、その水平管２１の連結端２　］
、　ａにて前記燃焼室５０と連通され、その他端側には
垂直管２２が配置され、この垂直管２２により酸素ガス
を導入可能となっている。

また、中空筒状の一端に前記酸素ガス導入管２０を有す
る前記燃焼室５０は、その他端に前記供−１１＝ 給管６０を連結した構造となっている。

前記供給管６０は、その一端か前記ガス導入口２とボー
ルジヨイント可能な形状に形成されている。

尚、供給管６０を燃焼室５０の周面に配置し、導入管２
０．３０の接続端とは反対側の一端に設けない構成とす
ることもてきる３、この場合、装置か小型化し、また、
水素ガス導入管３０の対向端に設ける場合に比べて炎が
直接供給管６０内に侵入することを防止でき、外部燃焼
装置１０の外部に対する熱影響を低減できる。

次に、二重管を構成する前記酸素ガス導入管２０、水素
ガス導入管３０の周囲に配置される加熱手段４０につい
て説明すると、この加熱手段４０は、半割り型ヒータ４
１，４２を前記二重管の上下に配置した構成となってお
り、この半割り型ヒータ４１，４２をそれぞれ支持する
筐体４３．４４は、第２図に示すように、ヒンジを介し
て開閉自在に支持されている。

また、前記半割り型ヒータ４１，４２の温度検出のなめ
に、Ｒタイプの熱電対４５が配置され、この熱電対４５
にて温度検出することにより常時たとえば８５０℃程度
に温度コントロールされるようになっている。

前記加熱手段４０に隣接して、該燃焼室５ｏを支持する
ための支持体が設けられている。この支持体は、上下に
２分された下側、下側支持体５５゜５６から形成され、
各支持体５５．５６の内側を燃焼室５０の熱放出防止用
の冷却部とするなめに、冷却水を循環するための冷却水
導入口５５ａ、５６ａおよび冷却水導出口５５ｂ、５６
ｂが設けられている。尚、下側支持体５５の冷却水導出
口５５ｂと上側支持体５６の冷却水導入Ｄ　５６　ａと
は、ＳＵＳフレキシブルチューブ５８によって接続され
ている。また、前記各支持体５５．５６の側面には切欠
部５５．ｃ、５６ｃが形成され、切欠部５５ｃ、５６ｃ
を介し、て前記燃焼室５０内の炎を検出するための炎検
知器５７か配置されている。

この検出器５７によって異常炎が検出された場合には、
アラームシグナルがンステムコントローラにフィードバ
ックされるようになっている５゜次に、作用について説
明する。

前記外部燃焼装置］０では、先に提案したヒートキャリ
ング方式（特願昭６２−４３７５１）を採用し、ている
。

すなわち、酸素ガス導入管２０に酸素ガスをたとえば５
！／分で供給し、一方水素ガス導入管３０に水素ガスガ
スＨ２を４．８ｉ７７分で供給する。。

なお、水蒸気発生のための燃焼に要する水素ガス。

酸素ガスの割合は所定比であるが、上記のように酸素ガ
スを多く供給している理由は、燃焼に供されない酸素ガ
スを、前記プロセスチューブ１−へ水蒸気を供給する際
のキャリアとして用いるなめである。また、この酸素ガ
スは酸化膜の形成にも供されることは言うまでもない。

ここで、酸素ガス導入管２０．水素ガス導入管３０を介
し、て供給される酸素ガス、水素ガスは、加熱手段４０
によって例えは水素ガスの発火点以上の温度に加熱され
、燃焼に必要なエネルギが与えられる。

そして、水素ガス導入管３０の先端ノズル３３から水素
ガスか燃焼室５０に放出された瞬間に、この水素ガスか
酸素ガスと接触して着火し、燃焼を開々台する、二と（
・こなる。

ここで、実験によると、加熱手段４０の温度か約７５０
°Ｃの場合は、水素ガス尋人管３０の先端ノズル３３近
傍の温度か、水素ガスの発火点温度より低い温度たとえ
ば３８２°Ｃても水素ガスは着火しノコか、加熱手段４
０の温度か７３０℃近傍の場合には着火しなかっな３゜ この実験により燃焼位置の温度か仮に水素ガスの発火点
より低くても、水素ガスか水素ガス導入老・３０内を通
る際に、その発火点以」二に加熱されていれば着火する
ことかわかる。

なお、水素ガス導入管２０の経路途中には、酸素ガスや
空気か存在しないので、該導入管途中で水素ガスか着火
する恐れかないことは言うまでもない３゜ このようにして水素ガス及び酸素ガスか燃焼すると水蒸
気か発生し、この水蒸気は供給管６０゜ガス導入ｎ　２
を介し、てプロセスチューブ１内に入り、図示しない半
導体ウェハの酸化に寄与−することになる。

ここで、上記燃焼により燃焼室５０内には炎か生ずるか
、水素ガス導入管３０のノズル３３を、水平に対して斜
め下方に傾斜することにより、上側に向かう傾向にある
炎か直接燃焼室５０の上面に接触することかないので、
石英で構成された燃焼室５０が不透明となる失透減少を
防止することができ、また、この際に石英か不純物とし
て水蒸気に付着することを防止できる７、シたかって、
このような不純物かプロセスチューブ］内に供給される
ことかないので、半導体ウェハの歩留まりを向上するこ
とかてきる。

尚、本実施例では外部燃焼装置５０で水素ガス。

酸素ガスを燃焼して水蒸気を得ているので、この燃焼時
の熱かプロセスチューブ］に悪影響を与えることを防止
できる。従って、プロセスチューブ１内の温度の均一化
制御が容易となり、ウェブ１〜ガスの流れも均一化され
るので、均熱長を長く確−］　６　− 保てき、酸化膜の厚さか均一化され、半導体ウェハ８の
歩留まりを向上することができる。

そして、上述した実施例において、外部燃焼装置１０を
もタンク７０内に配置している理由は、タンク内の圧力
か所定値に保たれているので、外部燃焼装置］０よりプ
ロセスチューブ１内に水蒸気を供給するなめに特別な供
衿圧を作用さぜる必要はなく、もし外部燃焼装置］○を
タンク７０外に配置するとずれは、供給のための圧力を
作用するなと構成か複雑となるためである。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が−ｉ」能であ
る。

たとえば、水素ガス導入管３０．酸素ガス導入管２０は
、必ずしも同軸の２重管で構成する必要はなく、これら
を別々に燃焼室５０に接続するように構成しても良い。

この場合加熱手段４０を各導入管にそれぞれ別個に設け
てもよく、あるいは水素ガス導入管３０または酸素ガス
導入管２０のいずれか一一方に設け−−１，７− るものでも良い。また、酸化の度合いによって酸素ガス
、水素ガスの流量を前記流量コー７トローラＭ　Ｆ　Ｃ
，によって変える場合には、燃焼室５０内の炎の大きさ
か変わるので、この炎か燃焼室５０の壁面に接触しない
ように、水素ガス尋人管３０又は酸素ガス導入管２０の
燃焼室５０に対する吐出位置を、容易に変えられる構造
とすることもできる。この場合、従来装置のように、導
入管先端に熱源を必要とする構成ではないので、その実
現か容易となる。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、プロセスチュー
ブ外に水蒸気発生のための外部燃焼装置を配置している
ので、プロセスチューブ内の温度分布の均一制御が容易
となり、ウェットガスの流れの均一化を図ることかでき
、酸化処理の際の被処理体の歩留まりの向上を図ること
ができる。

さらに、外部燃焼室内には何等の熱源を配置する必要か
ないので、外部燃焼装置の構成か簡易となり、酸化炉全
体の構成か簡易化されてコストダランを図ることかでき
る。。

また、水素、酸素の導入管先端に熱源を設けなくても良
いので、導入管先端位置の選択を自由に設定することか
容易となり、酸化の度合いを変えて酸化処理を実行する
場合でも、燃焼室内の壁面に炎が接触して生ずる失透現
象を容易に防止でき、不純物がプロセスチューブに流入
することを防止できるので被処理体の歩留まりの向上に
寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の高圧酸化炉の全体構成を示
す概略説明図、 第２図は第１−図の高圧酸化炉に適用される外部燃焼装
置の分解斜視図、 第３図は第２図の外部燃焼装置の正面図、１・・・プロ
セスチューブ、 ２・・・ガス導入し１．８・・・被処理体、］０・・・
外部燃焼装置、 ２０・・・酸素ガス導入管、 ３０・・・水素ガス導入管、 ４０・・・加熱手段、４１．４２・・・割り型ヒータ、
５０・・・燃焼室、 ６０・・・供給管、 ７０・・・高圧容器。 代理人　弁理士　井　上　　−（他１名）−２０＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　水素ガスと酸素ガスとを外部燃焼装置で燃焼化合させ
   て発生した水蒸気をプロセスチューブ内に供給して酸化
   処理を行うものであって、 上記外部燃焼装置の燃焼室又はガス導入経路をを外部よ
   り加熱した状態として、燃焼室内に上記水素ガスおよび
   酸素ガスを流入させるようにしたことを特徴とする酸化
   炉。