JPH088204A

JPH088204A - 熱処理装置

Info

Publication number: JPH088204A
Application number: JP16057194A
Authority: JP
Inventors: Hideki Otani; 秀樹大谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ウェハ上の酸化膜の形成を防止し、かつ炉心
管内を流れる気体の流量を低く抑えつつ炉心管内の温度
分布を均一化するようにした熱処理装置を提供する。【構成】熱処理装置10は、炉心管部12、循環管路14、
電気炉式気体加熱装置、ファン装置18、水冷式気体冷却
器20及びガス導入装置22，23とを備えている。炉心管部
12は、内管29と外管35からなり、それぞれが開口部を有
する本体と開口部に嵌合する蓋部から構成されている。
内外管の本体及び蓋部は、それぞれ、開閉弁付き導入管
または、排出管を備え、開閉弁を備えた循環路の気体導
入系及び気体排出系に連結されている。内管の内壁に
は、多数の邪魔板40が長手方向及び周方向に離隔して千
鳥状に配置されている。ウェハを収容後、不活性ガスに
置換し、炉芯管路とを連結し、不活性ガスを循環させ
る。不活性ガスを加熱し、ウェハを熱処理する。不活性
ガスを冷却し、ガスをO₂，H₂に変えて酸化装置にでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関し、更
に詳細には、半導体装置用のウェハを加熱して、不純物
を熱拡散させたり、又はウェハ上に酸化膜を形成したり
するための熱処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程において、熱処理
装置は、ウェハを加熱して、不純物を熱拡散させたり、
又はアニーリングを施したり、或いは酸化膜を形成した
りするために使用されている。従来の熱処理装置８０
は、図５に示すように、Ｂの位置に配置された一方の端
部にシャッタ８２付き開口部を有する炉心管８４と、炉
心管８４の外周に設けられたヒータ８６とを備えてい
る。Ｎ₂ガスは、炉心管の他方の端部に設けられたＮ₂
ガス導入口８８から導入され、シャッタ８２の付近の排
出口から排出される。

【０００３】ウェハＳを熱拡散処理する時には、ウェハ
Ｓをウェハボート９０上に配列して、Ａの位置に待機さ
せる。一方、炉心管８４をヒータ８６で加熱し、所定の
温度に到達して段階で、シャッタ８２を開放し、開口部
経由ボートローダ９２によりウェハボート９０を炉心管
８４内に送入して、所定位置Ｃに配置する。所定時間経
過した後、逆の手順でウェハボート９０を炉心管８４か
ら取り出し、Ａの待機位置に戻す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の熱処理装置は、次に述べるような問題を有している。
先ず、第１の問題は、ウェハの表面に酸化膜が形成され
ることである。ウェハボートの搬入出時、高温のＮ₂ガ
スが開口部経由炉心管から大気中に大量に放出されるの
で、外気と高温のＮ₂ガスが混ざり合う開口部付近は、
高温の酸素が存在する雰囲気となっている。そのため、
ウェハボートの搬入出に伴いウェハＳが開口部を通過す
る時、ウェハは高温の酸素により酸化され、表面に酸化
膜が形成される。半導体装置の作製工程では、熱処理工
程の後、この酸化膜を除去する工程が実施されるが、除
去される前に、酸化膜を構成する酸素によって、不純物
が半導体内で異常拡散する現象が生じる。この現象は、
半導体装置が微細で高密度である程、半導体装置の特性
に影響を与え、半導体装置の品質管理上で問題となって
いる。

【０００５】第２の問題として、従来の熱処理装置は、
炉心管内の温度分布を均一にするために、大量の不活性
ガス（主として、Ｎ₂ガス）を炉心管内に流す必要があ
ると言うことである。これは、熱処理工程の費用を増大
させる一因になっている。

【０００６】上述の問題に鑑み、本発明の目的は、第１
には熱処理工程においてウェハ上に所望でない酸化膜が
形成されないように改良された熱処理装置を提供するこ
とであり、第２には炉心管内を流れる気体の流量を低く
押さえつつ炉心管内の温度分布を均一化するようにした
熱処理装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した第１の目的を達
成するために、本発明に係る熱処理装置は、開閉自在な
開口部を有する炉心管を備え、開口部を介して搬入出し
た被処理物を炉心管内で熱処理する熱処理装置におい
て、炉心管に開閉弁付き気体導入口及び開閉弁付き気体
排出口とを設け、更に、炉心管の気体導入口及び気体排
出口に解離自在にそれぞれ接続できる、開閉弁付き第１
接続口と第２接続口とを備え、かつ炉心管を経由して気
体を循環するようにした循環管路と、循環管路に設けら
れた気体加熱装置、気体冷却装置及び送風機とを備える
ことを特徴としている。

【０００８】本発明で使用する炉心管は、従来の炉心管
と同じ材質、例えば石英製の炉心管で、横型でも縦型で
も良い。気体加熱装置は、加熱管内に気体を流し、加熱
管を管外から加熱することにより、気体を加熱するよう
にした既知の手段であって、例えば電気炉内に気体が流
れる管路を設けた電気炉形式の気体加熱装置がある。気
体冷却装置は、空冷式又は水冷式の既知の気体冷却装置
である。また、送風機は、既知の高温ガス用ファンを使
用できる。

【０００９】本発明の望ましい実施態様は、炉心管が、
被処理物を配置する内管と、内管をその外側から囲む外
管とからなる二重管で構成され、それぞれが開閉弁付き
気体導入口及び開閉弁付き気体排出口とを有し、かつ内
管内を流れる気体の流れ方向と外管と内管との間の環状
流路を流れる気体の流れ方向とが逆になるように内管と
外管のそれぞれに循環管路が設けられていることを特徴
としている。

【００１０】また、第２の目的を達成するために、本発
明に係る望ましい実施態様は、被処理物を配置する炉心
管の管内壁に、炉心管内の気体の流れを乱流状態にする
邪魔板を設けたことを特徴としている。ここで、邪魔板
とは、気体の流れに交差する面を備え、流体力学的に言
って気体の流れを乱して乱流状態にする流れの障害物で
あって、気体流れ方向に直交する流路の断面の各位置に
おいて気体の流速を均一にする機能を有する。邪魔板の
形状は、その目的を果たす限り特に制約はない。

【００１１】

【作用】請求項１の発明では、ウェハを載せたウェハボ
ートを内部に収容し、不活性ガスにて空気を置換し、か
つ外部から隔離された炉心管と、同様に不活性ガスにて
空気を置換し、かつ外部から隔離された循環管路とを連
結し、循環管路に沿って炉心管経由送風機により不活性
ガスを循環させる。次いで、循環する不活性ガスを気体
加熱装置により加熱し、高温の不活性ガスで炉心管内の
ウェハを熱処理する。熱処理工程の終了後、気体加熱装
置を停止し、循環する不活性ガスを気体冷却装置により
冷却する。冷却終了後、炉心管を循環管路から分離し、
更に開口部を開放して冷却されたウェハボートを取り出
す。炉心管内部を不活性ガスにて置換し、外気から隔離
するには、気体導入口から不活性ガスを導入し、気体排
出口から不活性ガスを排出しつつ、気体導入口及び気体
排出口の開閉弁を閉止する。同様に、循環管路内部を不
活性ガスで置換し、外気から隔離するには、循環管路及
び循環管路に接続された気体加熱装置、気体冷却装置及
び送風機のそれぞれの気体流路に不活性ガスを導入、排
出しつつ、第１接続口及び第２接続口の開閉弁を閉止す
る。

【００１２】請求項２の発明では、炉心管が二重管で構
成され、かつ内管内の気体の流れ方向と、内管と外管と
の間の環状部を流れる気体の流れ方向が逆であるから、
炉心管加熱時、内管内の温度分布を均一にすることがで
きる。また、内管の周囲を外管が囲っているので、メタ
ル等の好ましくない異物が外部から内管内に侵入する恐
れがない。

【００１３】請求項３の発明では、ウェハが収容されて
いる炉心管に邪魔板を設けることにより、気体の流れが
乱流になって流れ方向の断面の各位置での流速が均一化
されるので、少ない流量で炉心管内の温度分布が一定に
なる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて
本発明をより詳細に説明する。図１は本発明に係る熱処
理装置の一実施例の構成を示す概略フローシート、図２
は炉心管の構成を示す模式的断面図、図３は図２の矢視
Ｉ−Ｉの断面図である。本実施例の熱処理装置１０は、
図１に示すように、炉心管部１２、循環管路１４、電気
炉式気体加熱装置１６、ファン装置１８、水冷式気体冷
却器２０、Ｎ₂及びＯ₂ガスなどのガス導入装置２２及
びＨ₂ガスなどのガス導入装置２３とを備えている。

【００１５】炉心管部１２は、図２に示すように、一方
の端部に開口部２４を有する内管本体２６と、開口部２
４の外周に嵌合して開口部２４を閉止する内管蓋部２８
とからなる内管２９と、内管本体２６の外周を取り囲
み、内管本体２６と同じ側の端部に開口部３０を有する
外管本体３２と、外管本体３２の開口部３０の外周に嵌
合して開口部３０を閉止する外管蓋部３４とからなる外
管３５とから構成されている。

【００１６】内管本体２６の開口部２４と反対側の端部
及び内管蓋部３４には、それぞれ開閉弁３６を有する気
体排出管３８及び開閉弁４２を有する気体導入管４４が
設けられており、内管２９内を矢印の方向Ｘに気体が流
れる。また、外管本体３２の開口部３０と反対側の端部
及び外管蓋部３４には、それぞれ開閉弁４６を有する気
体導入管４８及び開閉弁５０を有する気体排出管５２が
設けられている。内管本体２６の気体排出管３６及び内
管蓋部２６の気体導入管４４は、それぞれ外管本体３２
の端部壁及び外管蓋部３４を貫通して外方に突出してい
る。その貫通部は、管が端部壁又は蓋部壁と一体的に接
合されていても良く、また端部壁又は蓋部の貫通孔に管
を貫通させた後、封止剤で封止しても良い。以上の構成
により、内管２９と外管３５との間には環状の気体流路
５４が形成され、気体は、環状流路５４内を矢印Ｙの方
向に流れる。

【００１７】内管本体２６の内壁面には、多数個の邪魔
板４０が全面にわたり設けてある。邪魔板４０は、図２
に示すように、内管本体２６の長手方向に見て略台形の
断面形状を有するブロックであって、図３に示すよう
に、内管本体２６の内壁の全面にわたり、内管本体２６
の周方向及び長手方向に離隔して、しかも長手方向に見
て千鳥状に配列されている（図３の破線は、実線で表示
した邪魔板４０の後方に千鳥状に配置されたものの例示
である）。各邪魔板４０は、図２に示すように、気体の
流れの下流側の面５６が内管本体２６の長手方向に直交
する平面を成し、上流側の面５８が、内管本体２６の壁
面に向かうに従い下流側の面５６から離隔するような曲
面を成し、内管本体２６の壁面から高さは、ウェハボー
ト上に載置されたウェハに衝突しないような寸法になっ
ている。

【００１８】邪魔板４０は、内管本体２６と一体的に形
成してもよく、また図４（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、内管本体２６の内径にほぼ等しい外径の管体５７に
邪魔板４０のブロックを設けた邪魔板管５９を別途形成
し、必要に応じてそれを内管本体２６内に挿入し、不要
になれば引き出すようにしても良い。図４（ａ）は邪魔
板管５９の長手方向の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）
の矢視II−IIの横断面図である。

【００１９】循環管路１４は、図１に示すように、内管
２９に接続される気体導入系６０及び気体排出系６２の
内管系と、外管３５に接続される気体導入系６４及び気
体排出系６６の外管系の２系統から構成されている。気
体導入系６０、６４及び気体排出系６２、６６は、連結
部６１、６３、６５、６７により炉心管部１２の各気体
導入管及び気体排出管に連結され、かつ連結部付近にそ
れそれ開閉弁６８、７０、７２及び７４を備えている。
連結部６１、６３、６５、６７の連結方式は、いわゆる
クィック・カップリング式又は嵌合式であって、簡便か
つ素早く連結できるようになっている。更に、循環管路
内のＮ₂ガスの圧力を調整するために、圧力調整弁７６
が循環管路１４に設けてある。

【００２０】電気炉式気体加熱装置１６は、気体が内部
を流れる加熱管と加熱管を加熱する電気炉とからなる既
知の気体加熱装置である。必要に応じて、バイパス管路
を気体加熱装置１６の周りに設け、後述する冷却工程の
際には気体加熱装置１６をバイパスさせてもよい。ま
た、ファン装置１８は、高温ガスを送風できる高温ガス
用の既知の送風ファンである。水冷式気体冷却器２０
は、既知の二重管型の水冷式冷却器であって、内管に冷
却水を流し、内管と外管との環状空間に冷却する気体を
流すようになっている。必要に応じて、バイパス管路を
気体冷却器２０の周りに設け、前述した加熱工程の際に
は気体冷却器２０をバイパスさせてもよい。Ｎ₂ガス導
入装置２２は、Ｎ₂ガスボンベとガス圧力調整弁とを備
えた装置で、開閉弁７８を介して循環管路１４に接続さ
れている。

【００２１】以下に、本実施例装置を使用して、熱処理
する方法を説明する。先ず、熱処理装置１０から炉心管
部１２を取り外し、図２に示すように、ウェハＳを載せ
たウェハボートＷを内管本体２６内に導入し、所定位置
に配置した後、内管蓋部２６及び外管蓋部３４をそれぞ
れ内管本体２６及び外管本体３２の開口部２４、３０の
外周に嵌合して閉止する。次いで、開閉弁３６、４２、
４６及び５０を開放し、開閉弁４２及び４６から不活性
ガス（主にＮ₂ガス、以下Ｎ₂ガスという）を導入し、
開放弁３６及び５０から内管２９内及び外管と内管との
間の環状空間５４内の空気を排出する。空気をＮ₂ガス
で置換し終わった後、まず開放弁３６及び５０を閉止
し、次いで開放弁４２及び４６を閉止する。これによ
り、炉心管部１２は、Ｎ₂ガスで置換された状態で外部
とは隔離される。

【００２２】一方、図１において、開閉弁７８を開放
し、Ｎ₂ガスをＮ₂ガス導入装置２２から循環管路１４
に導入しつつ、開放した開閉弁６８、７０、７２及び７
４から空気を排出し、気体加熱装置１６、ファン装置１
８及び気体冷却器２０の内部を含む循環管路１４内の空
気をＮ₂ガスで置換する。置換完了後、開閉弁６８、７
０、７２及び７４を閉止し、Ｎ₂ガスで置換された状態
で装置１０を外部から隔離する。

【００２３】次いで、炉心管部１２を循環管路１４に所
定の連結部６１、６３、６５、６７で連結し、各開閉弁
を全て開放する。これにより、炉心管部１２と循環管路
１４とは連通し、熱処理装置１０は運転開始できる状態
になる。ファン装置１８を起動し、炉心管部１２経由循
環管路１４に沿ってＮ₂ガスを循環する。必要に応じ、
圧力調整弁７６によって循環管路１４内のＮ₂ガスの圧
力を調整する。続いて、気体加熱装置１６で加熱を開始
する。加熱されたＮ₂ガスは、内管側では気体導入系６
０から内管２９に入り、邪魔板４０により流れが乱され
て乱流状態で内管２９内を流れ、ウェハＳを加熱した
後、気体排出系６２を経由、再び気体加熱装置１６で加
熱されて循環する。外管側では、Ｎ₂ガスは、気体導入
系６４から外管に入り、環状流路５４内を流れつつ内管
２９を加熱し、気体排出系６６を経由循環する。これに
より、内管２９内のウェハＳは、熱処理される。

【００２４】熱処理工程を所定時間行った後、気体加熱
装置６０の運転を停止し、代わって、気体冷却器２０を
運転し、循環するＮ₂ガスを冷却する。これにより、内
管内のウェハは、冷却される。冷却完了後、炉心管部１
２を熱処理装置１０から取り外し、内管２９からウェハ
Ｓを載せたウェハボートＷを取り出す。

【００２５】本実施例では、以上の操作により、ウェハ
は、常温で内管２９内に搬入され、また熱処理後、常温
に冷却された状態で内管２９から搬出されるので、従来
の装置で生じていたような、高温空気による酸化の恐れ
は無い。また、炉心管部１２では、内管２９内を流れる
Ｎ₂ガスの方向と内管と外管との環状流路５４を流れる
Ｎ₂ガスの方向とが逆になっているので、炉心管部１２
の長手方向の温度分布を均一に維持することができる。
更には、ウェハが収容されている内管２９の外側をＮ₂
ガスが流れているので、メタル等の望ましくない異物が
外部から内管２９内に侵入してウェハＳを汚染するのを
防止することができる。Ｎ₂ガスは邪魔板４０により攪
乱されて乱流状態で内管内を流れるので、温度分布が均
一になり、低い流量で効率良くウェハを加熱することが
できる。酸化する場合には、手順はＮ₂ガスに準じて、
ガス導入装置２２からＯ₂ガスを、またガス導入装置２
３からＨ₂ガスを導入する。

【００２６】本実施例は、本発明の一つの実施態様を示
すものであって、本実施例の二重管式炉心管に代えて、
内管のみの炉心管でもよく、また必ずしも邪魔板を内管
の壁面に設ける必要も無い。また、邪魔板の形状も本実
施例と同様にする必要はなく、邪魔板の機能を有する限
り、特に形状に制約はない。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、外部から隔離
された不活性ガス雰囲気に維持されつつウェハは熱処理
装置内に配置されて熱処理され、また搬出時、ウェハは
既に冷却されているので、従来の装置のように外気中の
酸素により酸化される恐れはない。また、外気にウェハ
を露出している時間が短いので、ウェハ汚染を抑制する
ことができる。本熱処理装置は、循環させる気体の種類
を変えることにより、アニーリング装置、熱拡散装置又
は熱酸化装置として使用することができる。請求項２の
発明では、炉心管が二重管で構成され、かつ内管内の気
体の流れ方向と、内管と外管との間の環状部を流れる気
体の流れ方向が逆であるから、炉心管加熱時、内管内の
温度分布を均一にすることができる。また、内管の周囲
を外管が囲っていて、かつ気体が内管と外管との間の環
状流路を流れているので、熱処理工程において、メタル
等の好ましくない異物が外部から内管内に侵入し、ウェ
ハを汚染するのを防止できる。請求項３の発明では、ウ
ェハが収容されている炉心管に邪魔板を設けることによ
り、気体の流れが乱流になって流れ方向の断面の各位置
での流速が均一化されるので、少ない流量で炉心管内の
温度分布が一定になる。よって、不活性ガスの所要量が
低減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理装置の一実施例の構成を示
す概略フローシートである。

【図２】炉心管の構成を示す模式的長手方向断面図であ
る。

【図３】図２の矢視Ｉ−Ｉの断面図である。

【図４】図４（ａ）は邪魔板管５９の長手方向の断面
図、図４（ｂ）は図４（ａ）の矢視II−IIの横断面図で
ある。

【図５】従来の熱処理装置の構成を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

１０本発明に係る熱処理装置の一実施例１２炉心管部１４循環管路１６電気炉式気体加熱装置１８ファン装置２０水冷式気体冷却器２２ガス導入装置（Ｎ₂ガス、Ｏ₂ガスなど）２３ガス導入装置（Ｈ₂ガスなど）２４開口部２６内管本体２８内管蓋部２９内管３０開口部３２外管本体３４外管蓋部３５外管３６、４２、４６、５０開閉弁３８、５２気体排出管４０邪魔板４４、４８気体導入管５４環状流路５６、５８邪魔板の面５７管体５９邪魔板管６０、６４気体導入系６１、６３、６５、６７連結部６２、６６気体排出系６８、７０、７２、７４、７８、７９開閉弁７６圧力調整弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開閉自在な開口部を有する炉心管を備
え、開口部を介して搬入出した被処理物を炉心管内で熱
処理する熱処理装置において、炉心管に開閉弁付き気体導入口及び開閉弁付き気体排出
口とを設け、更に、炉心管の気体導入口及び気体排出口に解離自在に
それぞれ接続できる、開閉弁付き第１接続口と第２接続
口とを備え、かつ炉心管を経由して気体を循環するよう
にした循環管路と、循環管路に設けられた気体加熱装置、気体冷却装置及び
送風機とを備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】前記炉心管が、被処理物を配置する内管
と、内管をその外側から囲む外管とからなる二重管で構
成され、それぞれが開閉弁付き気体導入口及び開閉弁付
き気体排出口とを有し、かつ内管内を流れる気体の流れ
方向と外管と内管との間の環状流路を流れる気体の流れ
方向とが逆になるように内管と外管のそれぞれに循環管
路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
熱処理装置。
【請求項３】被処理物を配置する炉心管の管内壁に、
炉心管内の気体の流れを乱流状態にする邪魔板を設けた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置。