JPH08316222A - 熱処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理基板を反応容器内に搬入して熱処理を
行うにあたり、被処理基板を速やかに所定の熱処理温度
に安定させ、均一な熱処理を行うこと。 【構成】 ウエハＷの温度が例えば５００℃付近では入
射角により熱線Ｈの吸収率が異なり、垂直に入射するも
のほど吸収率が小さいが、ウエハ保持具３を上昇させる
際、例えば突上げピンＰによりウエハ保持板３１を突上
げて、ウエハ保持板３１を水平面から傾いた状態で支持
すると、加熱源２４から直接到達する熱線ＨはウエハＷ
に斜めから所定の入射角を持って入射するので、大きな
吸収率で熱線Ｈを吸収することができ、ウエハＷの各位
置での温度上昇が揃ってくる。従ってウエハＷの温度が
速やかに所定温度に安定し、この結果面内均一性の高い
熱処理を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスの中に、
高温下においてシリコンの表面部を酸化しこれにより酸
化膜（絶縁膜）を得る酸化処理や、不純物層を表面に形
成したシリコン層を加熱し、これにより不純物をシリコ
ン層内に熱拡散する拡散処理などがある。

【０００３】この種の酸化、拡散を行う熱処理装置とし
てバッチ式である縦型熱処理装置が知られているが、例
えばキャパシタ絶縁膜の酸化膜やゲート酸化膜の形成あ
るいは不純物イオンの拡散処理では、極めて薄い膜や浅
い接合を得る場合、膜質、膜厚や拡散深さがサーマルバ
ジェット（熱履歴）の影響を大きく受け、バッチ式の熱
処理装置では、先に反応管内に搬入されたウエハと最後
の方に搬入されたウエハとではサーマルバジェットに大
きな差が生じてしまう。

【０００４】そこで上述の熱処理炉を改良し、反応管内
の設定位置に１枚づつウエハを保持具に載せて搬入した
後急加熱する枚葉式の熱処理装置についても検討が進め
られている。このような枚葉式の熱処理装置について図
８（ａ）に示す概略図を参照しながら説明すると、１は
縦型の反応容器であり、熱処理領域を含む部分が断熱体
１０で囲まれている。この反応容器１には、上から下へ
向って処理ガスが流れるように処理ガス供給管１１及び
排気管１２が設けられている。

【０００５】反応容器１の中には、ウエハＷを水平に保
持するウエハ保持具１３が設けられており、このウエハ
保持具１３には反応容器１の下方側の図示しない移載室
にて図示しない搬送手段により１枚のウエハＷが載置さ
れ、ウエハＷが所定位置まで上昇される。一方抵抗発熱
体１５ａ及び均熱体１５ｂよりなる加熱部１５により前
記ウエハＷが所定の熱処理温度まで加熱されると共に処
理ガス供給管１１より処理ガスが供給されて例えば常圧
雰囲気で酸化処理される。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】上述の熱処理装置
では、ウエハＷはウエハ保持具１３に水平に保持された
状態で反応容器１内の熱処理領域に搬入されるが、ウエ
ハ保持具１３が上昇する間ウエハＷは図９（ｂ）に実線
の矢印で示すように加熱部１５より垂直方向に直接に入
射する熱線を受けると共に、点線の矢印で示すように断
熱体１０より反射されて斜めに入射する熱線（二次輻射
熱）をも受ける。このようにウエハＷには加熱部１５よ
り入射角の異なる熱線が入射するが、入射角が異なると
熱線の透過率や反射率が異なり、これによりウエハＷに
吸収される熱線の量も変ってくる。

【０００７】ところで反応容器１内を予熱する際、ウエ
ハＷの温度が例えば６００℃程度と低い場合には、ウエ
ハＷの表面は鏡面であり、波長の短い例えば０．９μｍ
〜３μｍ程度の熱線の一部は透過、反射してしまうの
で、熱線の透過や反射の割合が入射角によって大きく異
なり、被処理面に垂直に入射するものほど吸収率が小さ
く、垂直に入射する熱線では吸収率は例えば０．１程度
と非常に小さい。

【０００８】従ってウエハＷを水平に保持する場合に
は、ウエハＷの加熱にあたっては、比較的吸収率の高い
斜めから入射する熱線の影響が大きくなるが、斜めに入
射する熱線の量はウエハＷの各位置において異なると共
に夫々の入射角も異なり、これに応じて吸収される熱線
の量も異なるため、各位置において温度上昇にばらつき
を生じてしまう。このためウエハＷを熱処理領域まで上
昇させたときにウエハＷの温度が全面に亘って熱処理温
度に安定するまでの時間が長くなってしまい、この結果
熱処理速度例えば酸化膜の成長速度にばらつきが生じ、
膜厚についての面内均一性が低くなってしまうという問
題があった。

【０００９】またウエハＷを水平に保持して熱処理領域
に搬入すると、ウエハＷの表面積が大きいため、ウエハ
Ｗが大きな抵抗（風圧）を受け、これによりウエハＷの
直ぐ後方領域が負圧となり、ウエハＷの表面側の圧力と
裏面側の圧力に圧力差が生じてしまい、処理ガスの流れ
が乱されてしまうという問題もあった。

【００１０】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は被処理基板の温度を短時間で安定
させ、これにより面内均一性の高い熱処理を行うことが
できる熱処理方法及びその装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、被
処理基板をほぼ水平な状態で保持具に保持させて反応容
器内に下方側から搬入し、反応容器の外に設けられた加
熱源からの輻射熱により熱処理する熱処理方法におい
て、前記被処理基板を傾けた状態で反応容器内の熱処理
領域まで上昇させることを特徴とする。

【００１２】請求項２の発明では、被処理基板をほぼ水
平な状態で保持具に保持させて反応容器内に下方側から
搬入し、反応容器の外に設けられた加熱源からの輻射熱
により熱処理する熱処理方法において、前記被処理基板
の中で上端位置が時間と共に周方向に移動するように、
前記被処理基板を傾けた状態で反応容器内の熱処理領域
まで上昇させることを特徴とする。

【００１３】請求項３の発明は、被処理基板をほぼ水平
な状態で保持具に保持させて反応容器内に下方側から搬
入し、反応容器の外に設けられた加熱源からの輻射熱に
より熱処理する熱処理装置において、被処理基板を傾け
るための機構を前記保持具に組み合わせて設けたことを
特徴とする。

【００１４】

【作用】例えば反応容器の上方に加熱源を設けると共に
反応容器の周囲にこれを囲むように断熱材を設けると、
被処理基板の被処理面には加熱源から垂直方向に直接に
熱線が入射すると共に、断熱材などで反射された熱線も
入射するが、被処理基板を水平面に対して傾けながら反
応容器内の熱処理領域まで上昇させると、加熱源から直
接入射する熱線は斜めから被処理面に入射する。

【００１５】ここで被処理基板が例えば５００℃付近の
低温の場合には、熱線の透過や反射の割合が入射角によ
って大きく異なり、被処理面に垂直に入射するものほど
吸収率が小さく、斜めから入射するものとの間では吸収
率の差が大きい。また加熱源から直接入射する熱線は、
断熱材によって反射されて入射する熱線よりも量が多い
ので、この直接の熱線を斜めから入射するようにすれ
ば、大きな吸収率で熱線を吸収することができ、被処理
面の各位置での温度上昇も揃ってくる。従って被処理体
の温度が速やかに所定温度に安定し、この結果面内均一
性の高い熱処理を行なうことができる。

【００１６】また被処理基板の中で上端位置が時間と共
に周方向に移動するように、被処理基板を傾けた状態で
反応容器内の熱処理領域まで上昇させるようにすると、
被処理基板の各位置において加熱源に近い部分が時間と
共に変化していくので、加熱源から受ける熱線の強さの
ばらつきが抑えられ、より面内均一性の高い熱処理を行
なうことができる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例に係る熱処理方法を実
施するための熱処理装置を示す断面図である。図１中２
は例えば石英よりなる、下端部が開口した管状の反応容
器であり、この反応容器２により被処理基板例えば半導
体ウエハＷに対して熱処理を行う処理室が構成されてい
る。この反応容器２は加熱炉２０の中に配置されてお
り、この加熱炉２０は、反応容器２の周囲及び上面を間
隙を介して覆うように設けられた例えば炭化ケイ素（Ｓ
ｉＣ）よりなる均熱部材２１を備えている。

【００１８】更に均熱部材２１の外側には断熱体２２及
び、水冷ジャケット２３ａを備えた外装体２３が設けら
れている。また均熱部材２１の上面と断熱体２２との間
には抵抗発熱体よりなる加熱源２４が配置されている。
さらに、前記反応容器２には、図示しない処理ガス供給
源からの処理ガスを、後述するウエハ保持具３上のウエ
ハＷに供給するように、処理ガス供給管２５が設けられ
ると共に、反応容器２内を排気する排気管２６が接続さ
れている。

【００１９】前記反応容器２内には被処理基板の保持具
であるウエハ保持具３が設けられており、このウエハ保
持具３は、図２及び図３に示すようにウエハを載置する
ウエハ保持板３１を支持部３２にて支持するように構成
されている。ウエハ保持板３１は、例えば図２に示すよ
うに、底面に搬送ア−ム３０ａが水平方向に挿脱できる
ように周縁から中央へ切り込まれた段差３０を形成する
と共に、ウエハＷの脱落を防ぐために周縁を起立して構
成されている。

【００２０】前記支持部３２は、例えば円柱形状をなし
ており、その上面の中央部には支持棒３３が突設されて
いる。前記ウエハ保持板３１は、鉛直軸及び水平軸のい
ずれの軸まわりにも回動できるように前記支持棒３３に
ボールジョイント部３４を介して支持されている。また
支持部３２には、支持棒３３を挟んで径方向に対向する
位置に設けられた突上げピンＰ，Ｐを１組として、周方
向にｎ等分例えば８等分する位置に、４組のピンＰ１〜
Ｐ４（１組のピンは同符号を付してある）が配列されて
いる。なお各ピンＰの上端はウエハ保持板３１の支持を
確実にするために例えば平面が円弧形状の平板状に形成
されている。

【００２１】これら一組の突上げピンＰ、Ｐは、例えば
同時に上下方向に移動するように構成されており、ウエ
ハ保持板３１を水平に支持する場合には、図３（ａ）に
示すように、１組の突上げピンＰ、Ｐが、ウエハ保持板
３１の下面と支持部材３２の上面との間の距離である長
さＬ分上昇して、これら１組の突上げピンＰと支持部３
６とにより、ウエハ保持板３１が支持される。またウエ
ハ保持板３１を水平面から傾けて支持する場合には、図
３（ｂ）に示すように、１組の突上げピンＰの一方が長
さＬの位置から△Ｌ分上昇すると共に、他方のピンが長
さＬの位置から△Ｌ分下降して、これら１組の突上げピ
ンＰ、Ｐと支持棒３３とにより、ボールジョイント部３
４を介してウエハ保持板３１が水平面から傾くように支
持される。

【００２２】このとき△Ｌはウエハ保持板３１の水平面
からの傾きの角度に応じて決定されるが、この傾きの角
度は後述するように例えば加熱源２４からの直接の熱線
Ｈを高い吸収率で吸収するために必要な熱線Ｈの入射角
に応じて所定の角度に設定される。例えばウエハ保持板
３１は水平面から例えば３０度以内の範囲で傾くように
△Ｌが設定される。この実施例では、支持部３２、突き
上げピンＰ、支持棒３３及びボールジョイント部３４に
より、ウエハ保持板３１を傾けるための傾斜機構が構成
されている。

【００２３】またこのウエハ保持具３は、回転テ−ブル
４１を介して昇降軸４２の頂部に取り付けられ、昇降軸
４２は図１に示すように反応容器２の下方側の後述の筒
状体５の下端部にてボールネジなどを含む昇降機構４３
により昇降できるように構成されている。そして昇降軸
４２内には軸受け部４２ａを介して回転軸４４を有して
おり、モータＭにより回転軸４４が回転し、これにより
回転テ−ブル４１を介してウエハ保持具３が回転できる
ようになっている。

【００２４】前記反応容器２の下方側には、上端部が反
応容器２の下端部に気密に接続され、内部空間が反応容
器２内の空間に連続する、水冷ジャケットを有する筒状
体５が配設されている。この筒状体５には前記ウエハ保
持具３と外部との間でウエハの移載を行うための移載室
５１が形成されており、この移載室５１の側壁部にはゲ
ートバルブにより開閉されるウエハＷの搬入出口５２が
形成されている。また移載室５１の上部両側には、反応
容器側からの輻射熱を遮断するためのシャッタＳ１、Ｓ
２が設けられると共に、移載室５１の下部両側にも、筒
状体５の底部側との間を遮断するように、シャッタＳ
３、Ｓ４が設けられており、シャッタＳ３、Ｓ４は閉じ
たときに昇降軸４２を囲む半円状の切り欠きが先端に形
成されている。５３、５４、５５、５６はシャッタの待
機室である。

【００２５】次に上述実施例の作用について述べる。先
ずウエハ保持具３を鎖線の如く移載室５１内に位置させ
ておき、搬入出口５２より被処理基板であるウエハＷを
搬入してウエハ保持板３１上に載置する。この際ウエハ
保持板３１は、図４（ａ）に示すように１組の突上げピ
ンＰと支持部３６とにより水平に支持されており、搬送
ア−ム３０ａ（図２参照）はウエハＷを載せた状態で、
段差部３０内に収まるように下降し、ウエハＷをウエハ
保持板３１上へ載置した後抜き出される。

【００２６】一方加熱源２４よりの輻射熱が均熱体２１
を通じて反応容器２内に入射し、所定温度の均熱領域が
形成されると共に、処理ガス供給管２５から処理ガス例
えばＯ₂ ガス及びＨＣｌガスの混合ガスが反応容器２内
に供給される。このときシャッタＳ１、Ｓ２、及びＳ
３、Ｓ４は閉じられており、反応管２からの輻射熱がシ
ャッタＳ１、Ｓ２で遮られている。

【００２７】次いでシャッタ（Ｓ１、Ｓ２）を開いた
後、ウエハ保持具３を回転軸４４、回転テ−ブル４１を
介して回転させながら、昇降軸４２により上昇させる
が、このとき突上げ部材３５より１組の突上げピンＰが
周方向に順次上下方向に移動し、これによってウエハ保
持板３１は水平面から所定角度例えば０〜３０度傾くと
共に、その上端の位置が時間と共に周方向に移動しなが
ら上昇していく。

【００２８】即ち先ず上述のように１組の突上げピンＰ
１、Ｐ１が共に長さＬ分上昇してウエハ保持板３１を支
持し、次いで一方の突上げピンＰ１が△Ｌ分上昇すると
共に他方の突上げピンＰ１が△Ｌ分下降して、ウエハ保
持板３１を水平面から傾けて支持する。この後再び突上
げピンＰ１が共に元の位置（Ｌの位置）に戻りウエハ保
持板３１を水平に支持すると共に、これら突上げピンＰ
１と周方向に隣接する１組の突上げピンＰ２、Ｐ２が共
に長さＬ分上昇してウエハ保持板３１を水平に支持し、
一方１組の突上げピンＰ１、Ｐ１は共に下降する。次い
で突上げピンＰ１と同様に突上げピンＰ２を移動させて
ウエハ保持板３１を水平面から傾けて支持した後、さら
に突上げピンＰ３、突上げピンＰ４を順次上下方向に移
動させる。

【００２９】このようにして図４（ｂ），（ｃ）に示す
ように、ウエハ保持板３１を突上げピンＰ１，Ｐ２，Ｐ
３，Ｐ４により順次突き上げることにより、ウエハ保持
板３１を、その上端位置が時間と共に移動するように傾
けて支持しながら、図４（ｄ）に示すように反応容器２
内の所定位置まで上昇させる。これによりウエハＷが所
定温度例えば１１００℃まで昇温する。そしてウエハ保
持具３を所定時間この高さ位置に停止させておくことに
よりウエハＷの表面に例えば厚さ５０オングストローム
の酸化膜を形成させ、この後ウエハ保持板３１を例えば
水平面に対して傾けながら、図４（ｃ），（ｂ），
（ａ）の順番でウエハ保持具３を下降させる。

【００３０】このようにウエハ保持具３を上昇させる
と、加熱源２４から直接にウエハＷの被処理面に入射す
る熱線Ｈは、図５に示すようにウエハＷに対して斜めに
入射する。ここで入射角が異なると熱線Ｈの透過率や反
射率が異なり、熱線Ｈの吸収率は、熱線Ｈが垂直に入射
するほど低くなる。この傾向は温度が低くなる程大き
く、例えばウエハＷが５００℃前後の場合には吸収率が
相当小さい。

【００３１】一方ウエハＷの被処理面は、加熱源２４か
ら直接に入射する熱線Ｈと、断熱体２２で反射されて入
射する熱線Ｈ（二次輻射熱）とを受けることになるが、
熱線Ｈの量としては直接に入射するもののほうが圧倒的
に多く、この熱線ＨはウエハＷの全面にほぼ同じ角度で
入射する。

【００３２】ここでウエハＷを移載室５１から上昇させ
るときに傾けるようにすれば、加熱源２４からの直接の
熱線ＨはウエハＷの被処理面に斜めから入射するので高
い吸収率で吸収される。一方断熱体２２で反射して入射
する二次的な熱線は反射の仕方が多様であり、被処理面
の入射位置によって入射角も異なり、吸熱量が異なる。

【００３３】従って二次的な熱線の影響についてみれ
ば、被処理面の位置によって吸熱量のばらつきがある
が、加熱源２４から直接入射する熱線の吸熱量が多いの
で二次的な熱線Ｈの吸熱量のばらつきの影響が少なく、
ウエハＷの各位置での温度上昇が揃ってくる。従って面
内温度が所定温度例えば１１００℃に短時間で安定する
ため、酸化膜の成長を左右する熱処理温度付近の温度に
よる熱履歴のばらつきが小さくなるため酸化膜の膜厚の
面内均一性が高くなる。

【００３４】またウエハＷをその上端位置が時間と共に
移動するように傾けながら上昇させると、ウエハＷの各
位置において加熱源２４に近い部分が時間と共に変化し
ていくので、加熱源２４から受ける熱線Ｈの強さのばら
つきが抑えられ、より高い面内均一性で熱処理を行なう
ことができる。

【００３５】ここで図６（ａ）は上述実施例のように、
ウエハＷを上昇時させたときにおける面内温度の経時変
化を示し、図６（ｂ）は、ウエハＷを水平に保持した状
態でウエハ保持具３を上昇させた場合についての面内温
度の経時変化である。この図のように、面内温度が１１
００℃に安定するまでの時間Ｔ１、Ｔ２は、ウエハを傾
けた場合の方が水平の場合よりも短く（Ｔ１＜Ｔ２）、
また面内温度が１１００℃に収束したときの面内温度差
も小さい。

【００３６】さらにウエハ保持具３の昇降時にウエハ保
持板３１を水平面から傾けて支持するようにすると、ウ
エハＷの受ける抵抗（風圧）の程度が小さくなり、これ
によりウエハＷの上昇時にはウエハＷの裏面側が、また
下降時にはウエハＷの表面側が負圧となるが、その負圧
の程度が小さく、このためウエハＷの表面側と裏面側の
圧力の差も小さくなる。従って反応容器２内の気流の乱
れが抑えられ、この結果処理ガスはほぼ均一にウエハＷ
の表面へ流れるので酸化膜の成長の乱れが少くなり、高
い面内均一性を得ることができるという利点も合わせて
得られる。

【００３７】更に本発明を実施するための熱処理装置と
しては、上述の構成に限らず、例えば図８に示すように
ウエハ保持具にシ−ソ−機構６を組み合わせて構成して
もよい。即ちこのシ−ソ−機構６は軸部６１により可動
板６２がシーソー運動する第１のシ−ソ−部６３と、軸
部６４により可動板６５がシーソー運動する第２のシ−
ソ−部６４とを互いに直交するように上下に重ねて構成
されている。

【００３８】このような構成では、ウエハ保持具３が上
昇する際、ウエハ保持板３１は先ず第１のシ−ソ−部６
３によりその一部が持ち上げられて、水平面から傾いた
状態で支持され、次いでこのシ−ソ−部６３のシ−ソ−
運動に合わせて先に持ち上げられた位置から周方向に１
８０度移動した位置が持上げられる。この後第２のシ−
ソ−部６６により、前記位置から周方向に９０度移動し
た位置が持ち上げられ、さらに当該位置から周方向に１
８０度移動した位置が持上げられる。従ってこのような
例においてもウエハＷは水平面から傾いた状態で支持さ
れながら熱処理領域まで上昇し、ウエハＷの上端位置が
時間と共に９０度ずつ変化する。

【００３９】以上において本発明では、ウエハが熱処理
領域まで到達した後その位置に停止して熱処理が行われ
ている間においても、ウエハを傾けるようにしてもよ
い。また本発明は、上述実施例のような枚葉式の熱処理
装置に限らず、複数枚のウエハを保持具に棚状に配列し
て保持し、これらウエハを一括して熱処理するバッチ式
の熱処理装置に適用してもよい。なお本発明は、酸化膜
の形成に限らず他の熱処理例えば不純物イオンの拡散処
理やＣＶＤ処理、あるいはアニール処理などの熱処理を
行う場合に適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、被処理基
板を傾けた状態で熱処理領域まで上昇させるようにした
ので、被処理基板を所定温度に速やかに安定させて、面
内均一性の高い熱処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施例に用いられる熱処理装置
を示す断面図である。

【図２】本発明方法の一実施例に用いられるウエハ保持
板、支持部を示す斜視図である。

【図３】本発明方法の一実施例に用いられる支持部を示
す断面図である。

【図４】本発明方法の作用を示す説明図である。

【図５】本発明方法の一実施例の工程を示す説明図であ
る。

【図６】ウエハの面内温度の経時変化を示す特性図であ
る。

【図７】本発明方法の他の実施例に用いられるシ−ソ−
機構を示す斜視図である。

【図８】従来の熱処理装置を示す概略断面図である。

【符号の説明】

２ 反応容器 ２０ 加熱炉 ２２ 断熱体 ２４ 加熱源 ３ ウエハ保持具 ３１ ウエハ保持板 ３２ 支持部 ３３ 支持棒 ３４ ボールジョイント部 Ｐ（Ｐ１〜Ｐ４）突上げピン ４１ 回転テ−ブル Ｈ 熱線 Ｗ ウエハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板をほぼ水平な状態で保持具に
   保持させて反応容器内に下方側から搬入し、反応容器の
   外に設けられた加熱源からの輻射熱により熱処理する熱
   処理方法において、 前記被処理基板を傾けた状態で反応容器内の熱処理領域
   まで上昇させることを特徴とする熱処理方法。
2. 【請求項２】 被処理基板をほぼ水平な状態で保持具に
   保持させて反応容器内に下方側から搬入し、反応容器の
   外に設けられた加熱源からの輻射熱により熱処理する熱
   処理方法において、 前記被処理基板の中で上端位置が時間と共に周方向に移
   動するように、前記被処理基板を傾けた状態で反応容器
   内の熱処理領域まで上昇させることを特徴とする熱処理
   方法。
3. 【請求項３】 被処理基板をほぼ水平な状態で保持具に
   保持させて反応容器内に下方側から搬入し、反応容器の
   外に設けられた加熱源からの輻射熱により熱処理する熱
   処理装置において、 被処理基板を傾けるための機構を前記保持具に組み合わ
   せて設けたことを特徴とする熱処理装置。