JPH07321059A - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】基板にかかるストレスを低減しつつ、昇降温速
度を向上させた熱処理装置及びこの熱処理方法を提供す
ることを目的とする。 【構成】被熱処理基板９を保持する基板保持手段１１
と、基板保持手段１１と所定間隔を空けて配置された熱
源６と、熱源からの放出される放射熱を、被熱処理基板
９に向けて反射させる反射板１と、反射板１を移動させ
る第１の移動手段３とを具備し、第１の移動手段３によ
って反射板１を移動し放射熱が被熱処理基板９に到達す
る量を調節することにより、被熱処理基板９の熱処理温
度を調節することを特徴とする熱処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱処理装置及び熱処理方
法に関する。枚葉式の半導体基板等の熱処理装置におい
て、高速に昇温、降温をすることを可能とし、さらに
は、熱処理中に基板温度を変更する製造工程に好適な熱
処理装置及びその熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウェハやガラス基板等に対
し、拡散層を形成したり、シリコン酸化膜やシリコン窒
素化膜等を形成するには、各種の熱処理装置が用いられ
てきた。これらの装置は一般に、反応容器（加熱室）内
に収納した被熱処理基体を加熱するとともに、該容器内
に不活性ガスもしくは反応性ガスを導入することによ
り、所定の熱処理が行われる。

【０００３】従来より行われていた、温度調節の手法
は、電気炉に供給する電力を調節することにより、被処
理基板の温度調節を行うものである。すなわち、電気炉
の熱源がカーボンヒーターやＲＦコイルと加熱媒体との
組み合わせである場合に、当該カーボンヒーターゃＲＦ
コイルに流れる電流を調節することにより、温度調節を
行う。温度制御は、ＰＩＤ制御等が一般的である。

【０００４】しかし、従来のように、熱源の電力制御を
行う型の熱処理装置においては、当該熱源の熱容量が比
較的大きく、昇温、降温等に比較的長時間がかかるとい
う問題があった。このため、半導体集積回路の高集積化
に必要とされる、浅い拡散層の形成等が非常に困難とな
ってきた。

【０００５】ここで、高速の昇温、降温を実現するた
め、枚葉式の熱処理装置において、主として基板保持台
の昇降のみによって温度調節を行う熱処理装置が開発さ
れた。この技術は、USP 4,857,689 に詳細に開示されて
いる。すなわち、熱源への供給電力、さらには、熱源の
出力は固定されており、温度調整をもっぱら被処理基板
を登載した基板保持台の昇降のみによって行う。基板を
熱源に近づけると、基板温度が上昇し、基板を熱源より
遠ざけると、基板温度が低下する。この結果、熱源の熱
容量などは、昇降温について全く問題とならなくなり、
基板の昇降を高速に行うことにより、温度調節が高速に
行える。

【０００６】しかし、上述の基板保持台を移動する型の
熱処理装置においては、高速に温度調節を行おうとする
ためには、熱処理中に基板にかなりの加速度をかける必
要が生じる。熱処理中の基板の移動、加速度の印加は、
基板に多大なストレスをかけ、場合によっては、基板が
半導体基板であれば、転移等の問題が生じる。これは歩
留まりを低下させる一因にもなる。また、基板にストレ
スをかけずに基板保持台の移動するためには、ある程度
の限界が生じ、このため、この問題が、昇降温の速さの
限界を決めている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の基板保持台移動型の熱処理装置では、基板に多大なス
トレスがかかる、昇降温についてもある程度の限界が存
在する等の問題があった。本発明は、上記欠点を除去
し、基板にかかるストレスを低減しつつ、昇降温速度を
向上させた熱処理装置及びこの熱処理方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、被熱処理基板を保持する基板保持手段
と、基板保持手段と所定間隔を空けて配置された熱源
と、熱源からの放出される放射熱を、被熱処理基板に向
けて反射させる反射板と、反射板を移動させる第１の移
動手段とを具備し、第１の移動手段によって反射板を移
動し放射熱が被熱処理基板に到達する量を調節すること
により、被熱処理基板の熱処理温度を調節することを特
徴とする熱処理装置を提供する。

【０００９】さらに、被熱処理基板を保持する基板保持
手段より所定間隔を空けて配置された熱源からからの放
出される放射熱を、被熱処理基板に向けて反射させる反
射板を、第１の所望の熱処理温度に応じて、第１の位置
に移動する工程と、反射板を、第２の所望の熱処理温度
に応じて、第２の位置に移動する工程とを具備し、第１
及び第２の所望の熱処理温度に応じて、反射板を移動す
ることにより、被熱処理基板温度を調節することを特徴
とする熱処理方法を提供する。

【００１０】

【作用】本発明で提供する手段を用いると、熱処理温度
の調節はもっぱら反射板の移動によって行い、例えば反
射板を基板から遠ざけることにより、被熱処理基板に到
達する放射熱を低減させ、基板の温度を低下せしめ、逆
に反射板を基板に近づけることにより被熱処理基板に到
達する放射熱を増加させ、基板の温度を上昇せしめる。
この結果、基板保持手段は高速に移動させる必要がな
く、基板にかかるストレスが低減される。また、反射板
を高速に移動させることにより（さらには、基板保持台
の移動とあわせて行うことにより）温度調節を高速に行
うことができる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を［図１］〜［図７］を用い
て説明する。本発明の熱処理装置は［図１］に示す構成
をしている。すなわち、可動反射板１と、これに接続さ
れた保持軸２と、第１の移動手段３と、これらを取り囲
む外周器４と、上部固定反射板５と、熱源６と、反応管
７と、遮蔽板８と、半導体基板９が搭載され基板保持軸
１０に接続された基板保持台１１と、下部固定反射板１
２と、ガス導入口１３と、基板入出口１４と、第２の移
動手段１６と、反応内管１７と、温度センサー１８と、
制御装置１９とから構成される。

【００１２】可動反射板１はＳｉＣ薄膜におり覆われた
石英（より好ましくは白色石英）等で構成される。別の
手法としては、熱放射につき高反射率、低吸収率を有す
る部材（例えば、ステンレス、アルミニウム等）から構
成することも可能である。

【００１３】第１の移動手段３はサーボモータとボール
ネジを用いて可動反射板１の保持軸２を駆動し、これを
移動させる。外周器４は冷却材、冷却水等により所定温
度に設定されており、後述する熱源近辺の高温領域に比
較し低温の第１の温度領域を区画する。外周器４の具体
的な大きさは、例えば、半導体基板の直径が１５０ｍｍ
と仮定すると、外周器４は直径４００ｍｍ、高さ５００
ｍｍ、厚さは約５ｍｍ程度の円筒形が好適である。部材
は酸化アルミニウム等が好適である。この時の可動反射
板１の直径は３９０ｍｍ程度が望ましい。

【００１４】熱源６は抵抗加熱ヒータやＲＦコイルによ
り加熱される加熱媒体等から構成され、さらに、冷却水
等により一定温度に温度調整がなされている。ただし、
熱処理中に温度の変更をすることは無い。

【００１５】可動反射板１の表面温度は上部固定反射板
５及び下部固定反射板１２、熱源６と、可動反射板１と
の位置関係によって決定される温度となる。すなわち、
可動反射板１が最上部に位置するときには表面温度は最
低となり、可動反射板１が最下部に位置するときには表
面温度は最高となる。可動反射板１から基板９への熱の
伝達は、反射熱及び拡散熱さらには反射板からの熱放射
によってなされる。

【００１６】反応管７、反応内管１７及びガス導入口１
３の構成により、反応ガス（薄膜堆積工程・酸化膜形成
工程の時は所定の反応ガス）もしくは不活性ガス（イオ
ン注入後の熱処理等においては例えばアルゴンガス）が
基板９の上方から下方に流れる。この様に基板の軸心が
垂直になるよう配置することにより低パーティクルな環
境を達成できる。

【００１７】遮蔽板８は熱源６から基板９への直接の放
射熱を遮蔽するはたらきをする。このため、基板９の加
熱は、固定反射板５、１２、及び可動反射板１から基板
９へ熱放射および熱拡散により律速されるようになり、
可動反射板１による温度調整がより正確に行える。

【００１８】基板入出口１４は、例えばロードロック
式、開放式等の構成であり、基板保持台１１が基板保持
軸１０及び第２の移動手段１６（第１の移動手段３と同
様、サーボモータ等から構成される）により最下部まで
移動させられたときに、基板９を、この熱処理装置の外
部からロード、アンロードする。

【００１９】温度センサー１８は基板９の表面温度を常
に監視しており、検出出力は制御装置１９に入力され
る。制御装置１９は外部から入力される設定温度に対応
した信号ｉｎと検出出力である信号ｓｅｎｓｅとを比較
し、制御信号ｃｏｎｔを出力し、これを第１の移動手段
３に転送する。ＰＩＤ制御等の負帰還制御により第１の
移動手段３を制御する。より具体的には、設定温度より
も検出温度の方が低い場合は、可動反射板１をより下部
に、設定温度よりも検出温度の方が高い場合は可動反射
板１をより上部に移動せしめる。

【００２０】以上説明したような構成により、熱処理温
度の調節はもっぱら可動反射板の移動によって行い、例
えば可動反射板を基板から遠ざけることにより、基板に
到達する放射熱等を低減させ、基板の温度を低下せし
め、逆に可動反射板を基板に近づけることにより基板に
到達する放射熱等を増加させ、基板の温度を上昇せしめ
る。この結果、基板保持台は高速に移動させる必要がな
く、基板にかかるストレスが低減される。また、可動反
射板を高速に移動させることにより（さらには、後述す
るように、基板保持台の移動とあわせて行うことによ
り）温度調節を高速に行うことができる。

【００２１】続いて、本発明で提供する熱処理装置の使
用方法について、更に分説する。熱処理開始前の基板の
昇温工程につき、［図２］を参照して説明する。すなわ
ち、基板保持台１１が最下部まで下降し、基板９がこの
基板入出口１４より基板保持台１１上に搭載させられた
後、速度Ｖ2 （ｔ）で基板保持台１１が上昇する。同時
に、速度Ｖ1 （ｔ）で可動反射板１が下降する。この結
果、昇温時には基板保持台１１の上昇に対応する昇温以
上に高速に昇温が行われる。すなわち、可動反射板１と
基板保持台１１との相対速度Ｖ1 （ｔ）＋Ｖ2 （ｔ）に
対応した高速な昇温速度で、基板が加熱される。

【００２２】続いて、処理中の設定温度の変更につき、
［図３］を参照して説明する。すなわち、基板９が搭載
された基板保持台１１は反応管７の最上部に固定され、
設定温度の変化に伴い、可動反射板１が上下する。例え
ば設定温度をＴ1 （低温）からＴ2 （降温）に変更する
際、外部から入力される信号ｉｎと信号ｓｅｎｓｅとが
制御装置１９内で比較がなされる。温度センサー１８は
基板９の表面温度を常に監視しており、検出出力は制御
装置１９に入力される。制御装置１９は外部から入力さ
れる設定温度に対応した信号ｉｎと検出出力である信号
ｓｅｎｓｅとを比較し、制御信号ｃｏｎｔを出力し、こ
れを第１の移動手段３に転送する。上述したように、例
えばＰＩＤ制御等の負帰還制御により第１の移動手段３
を制御する。この場合、設定温度よりも検出温度の方が
低い場合に、可動反射板１をより下部に１をより上部に
速度Ｖ1 （ｔ）で移動せしめる。

【００２３】続いて、熱処理終了時の基板の降温工程に
つき、［図４］を参照して説明する。すなわち、基板保
持台１１が最下部まで速度Ｖ2 （ｔ）で下降する。同時
に、速度Ｖ1 （ｔ）で可動反射板１が上昇する。この結
果、降温時には基板保持台１１の下降に対応する降温以
上に高速に降温が行われる。すなわち、可動反射板１と
基板保持台１１との相対速度Ｖ1 （ｔ）＋Ｖ2 （ｔ）に
対応した高速な降温速度で、基板が冷却される。

【００２４】昇温速度及び降温速度が向上する様子を
［図５］を参照して説明する。［図５］（ａ）は昇温時
の基板温度の時間変化の様子を示している。すなわち、
時刻ｔ0 において、基板が搭載され、基板保持台１１の
上昇が開始され、基板温度がＴ0 （例えば２０℃）から
Ｔ1 （例えば８００℃）に上昇する。２０が設定温度で
ある。２１が本実施例における温度上昇の状況であり、
従来例の温度変化２２と比較してより高速に昇温されて
いることが伺える。［図５］（ｂ）は降温時の基板温度
の時間変化の様子を示している。すなわち、時刻ｔ0 に
おいて、基板保持台１１の降下が開始され、基板温度が
Ｔ1 （例えば８００℃）からＴ0 （例えば２０℃）に上
昇する。２１が本実施例における温度降下の状況であ
り、従来例の温度変化２２と比較してより高速に降温さ
れていることが伺える。

【００２５】続いて、熱処理中に導入ガス、処理温度等
を種々に変更する例を［図６］、［図７］を参照して説
明する。［図６］はガス供給のタイミング及び熱処理温
度の時間変化を示した例であり、［図７］は製造工程を
工程順に示した断面図である。酸化膜中にボロン及びヒ
素を含有したＢＡｓＳＧ膜（ボロン・ヒ素シリケートグ
ラス）４２を堆積したシリコン基板４１を基板保持台の
上に搭載し、反応管内のある高さまで上昇させ、基板を
５００℃に保持する。この時、Ｇ1 を空けて、窒素ガス
を反応管内に供給する。続いて、１００℃／秒の昇温速
度で、基板温度を８００℃に設定する。この時の温度変
更は、基板保持台の上昇と反射板の下降とを同時に行う
ことによりなされる。Ｇ1 を閉じ、窒素ガスの供給を止
めると同時に、Ｇ2 を空け、所定時間経過後にこれを閉
じることにより、水素ガスを反応管内に１０パーセント
供給する。続いて、１００℃／秒の昇温速度で、基板温
度を１０００℃に設定する。この時の温度変更は反射板
の下降のみによって行う。この状態でしばらく保持し、
ＢＡｓＳＧ膜４２からボロンの拡散を行い、Ｐ型拡散層
領域４３を形成する（［図７］（ｂ））。続いて、５０
℃／秒の降温させることにより基板温度を８００℃に設
定する。この時の降温も反射板の上昇のみで行う。この
状態で、酸素をＧ3 より供給し、ヒ素を酸化することに
より、シリコン基板内に拡散しやすくする。再び１００
℃／秒の昇温により、９５０℃に基板温度を設定する。
この時の昇温も反射板の下降のみで行う。この状態で、
ＢＡｓＳＧ膜４２からヒ素の拡散を行い、Ｎ型拡散層領
域４４を形成する（［図７］（ｃ））。続いて、基板温
度を５００℃以下になるまで、反射板を上昇するととも
に基板保持台を下降させる。さらに、基板保持台を最下
部まで下降させ、基板の取り出しを行う。

【００２６】以上説明したように、本発明で提供する熱
処理装置及び熱処理方法は、同一電気炉内で複数のステ
ップからなるプロセスを実行するのに非常に好適である
ことが理解できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明で提供する手段を用いると、熱処
理温度の調節はもっぱら反射板の移動によって行い、例
えば反射板を基板から遠ざけることにより、被熱処理基
板に到達する放射熱を低減させ、基板の温度を低下せし
め、逆に反射板を基板に近づけることにより被熱処理基
板に到達する放射熱を増加させ、基板の温度を上昇せし
める。この結果、基板保持手段は高速に移動させる必要
がなく、基板にかかるストレスが低減される。また、反
射板を高速に移動させることにより（さらには、基板保
持台の移動とあわせて行うことにより）温度調節を高速
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した構成図である。

【図２】本発明の実施例の動作中の状況を示した図であ
る。

【図３】本発明の実施例の動作中の状況を示した図であ
る。

【図４】本発明の実施例の動作中の状況を示した図であ
る。

【図５】本発明の効果を示した図である。

【図６】本発明の熱処理装置の使用例を示した図であ
る。

【図７】本発明の熱処理装置を用いた半導体装置の製造
工程を示した断面図である。

【符号の説明】

１ 可動反射板 ２ 保持軸 ３ 第１の移動手段 ４ 外周器 ５ 上部固定反射板 ６ 熱源 ７ 反応管 ８ 遮蔽板 ９ 半導体基板 １０ 基板保持軸 １１ 基板保持台 １２ 下部固定反射板 １３ ガス導入口 １４ 基板入出口 １６ 第２の移動手段 １７ 反応内管 １８ 温度センサー １９ 制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被熱処理基板を保持する基板保持手段と、 前記基板保持手段と所定間隔を空けて配置された熱源
   と、 前記熱源からの放出される放射熱を、前記被熱処理基板
   に向けて反射させる反射板と、 前記反射板を移動させる第１の移動手段とを具備し、 前記第１の移動手段によって前記反射板を移動し前記放
   射熱の前記被熱処理基板に到達する量を調節することに
   より、被熱処理基板の熱処理温度を調節することを特徴
   とする熱処理装置。
2. 【請求項２】さらに、前記基板保持手段を移動させる第
   ２の移動手段を具備することを特徴とする請求項１記載
   の熱処理装置。
3. 【請求項３】さらに、前記前記基板保持手段と前記熱源
   との間に遮断壁を具備し、当該遮断壁により前記熱源か
   ら前記被熱処理基板への直接的な熱放射を遮断すること
   を特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】被熱処理基板を保持する基板保持手段より
   所定間隔を空けて配置された熱源からからの放出される
   放射熱を、前記被熱処理基板に向けて反射させる反射板
   を、第１の所望の熱処理温度に応じて、第１の位置に移
   動する工程と、 前記反射板を、第２の所望の熱処理温度に応じて、第２
   の位置に移動する工程とを具備し、 前記第１及び第２の所望の熱処理温度に応じて、前記反
   射板を移動することにより、前記被熱処理基板温度を調
   節することを特徴とする熱処理方法。