(57)【要約】【課題】  対象物を熱処理する際に、対象物を速やかに加熱あるいは冷却することが可能な技術を提供することを目的としている。【解決手段】  本発明は対象物を熱処理する装置として具現化される。その熱処理装置は、対象物と雰囲気ガスを収容する収容室と、収容室の容積を変更する容積変更手段を備えている。その熱処理装置では、収容室を密閉した状態で容積変更手段が収容室の容積を変更する。【選択図】図１
2010157660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物と雰囲気ガスを収容する収容室と、
収容室を密閉した状態で収容室の容積を変更する容積変更手段を備える熱処理装置。
【請求項２】
容積変更手段が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を減少させて対象物を加熱する請求項１の熱処理装置。
【請求項３】
容積変更手段が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を増大させて対象物を冷却する請求項１または２の熱処理装置。
【請求項４】
対象物と雰囲気ガスを収容室に収容する工程と、
収容室を密閉した状態で収容室の容積を変更する工程を備える熱処理方法。
【請求項５】
前記収容室の容積を変更する工程が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を減少させて対象物を加熱する工程を備える請求項４の熱処理方法。
【請求項６】
前記収容室の容積を変更する工程が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を増大させて対象物を冷却する工程を備える請求項４または５の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を熱処理する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハを加工する際には、酸化工程、拡散工程、リフロー工程、アニール工程、シンタリング工程など、種々の熱処理が行われる。これらの熱処理においては、半導体ウェハを収容室に収容した後、雰囲気ガスを収容室に導入して、半導体ウェハを加熱して高温に維持する。熱処理が終了すると、高温となった半導体ウェハを冷却して収容室から取り出し、次の工程へ搬送する。
【０００３】
半導体ウェハの加熱や冷却に要する時間を短縮する技術が開発されている。例えば特許文献１には、収容室の容積を可変とする技術が記載されている。この技術では、半導体ウェハを搬入・搬出する際には、収容室の容積を大きくして作業性を確保し、その後に収容室の容積を小さくしてから、雰囲気ガスの導入および半導体ウェハの加熱を行う。特許文献１の技術では、このような構成とすることによって、半導体ウェハの加熱に要する時間を短縮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２０１７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体ウェハを加熱する際には、通常はヒータによる加熱が行われる。半導体ウェハをヒータによって加熱する場合、半導体ウェハが均一に加熱されるようにするために、ヒータでゆっくり加熱して半導体ウェハの温度を徐々に上げていく必要がある。このため、熱処理で要求される温度まで半導体ウェハを加熱するために、ある程度の時間を必要とする。
【０００６】
また、熱処理が終了した半導体ウェハを冷却する際には、従来は自然冷却によって半導体ウェハを冷却している。しかしながら、自然冷却によって半導体ウェハを冷却する場合、半導体ウェハの温度が常温まで低下するにはかなりの長時間を必要とする。
【０００７】
以上のように、半導体ウェハの加工においては、熱処理そのものに要する時間だけではなく、熱処理で要求される温度まで半導体ウェハを加熱する時間や、熱処理が終了した半導体ウェハを常温まで冷却する時間が、生産性に影響を及ぼしている。半導体ウェハの生産性を向上するためには、半導体ウェハの加熱や冷却に要する時間をより短縮する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決する。本発明は、対象物を熱処理する際に、対象物を速やかに加熱あるいは冷却することが可能な技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は対象物を熱処理する装置として具現化される。その熱処理装置は、対象物と雰囲気ガスを収容する収容室と、収容室を密閉した状態で収容室の容積を変更する容積変更手段を備えている。
【００１０】
上記の熱処理装置では、対象物と雰囲気ガスを収容室に収容した後、収容室を密閉した状態で収容室の容積を変更する。このような構成を採用することによって、対象物の加熱や冷却に要する時間を短縮することができる。
【００１１】
例えば対象物を加熱する場合、上記の熱処理装置では、容積変更手段が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を減少させる。これによって、収容室内の雰囲気ガスが断熱圧縮し、高温高圧となった雰囲気ガスとの接触によって対象物が加熱される。この場合、ヒータによる加熱とは異なり、対象物は均一に加熱されるため、対象物をゆっくり加熱する必要がない。対象物の加熱に要する時間を短縮することができる。
【００１２】
また、対象物を冷却する場合、上記の熱処理装置では、容積変更手段が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を増大させる。これによって、収容室内の雰囲気ガスは断熱膨張し、低温低圧となった雰囲気ガスとの接触によって対象物が冷却される。自然冷却によって対象物を冷却する場合に比べて、短時間で対象物を冷却することができる。
【００１３】
本発明は方法の発明として具現化することもできる。本発明の熱処理方法は、対象物と雰囲気ガスを収容室に収容する工程と、収容室を密閉した状態で収容室の容積を変更する工程を備えている。
【００１４】
上記の熱処理方法では、前記収容室の容積を変更する工程が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を減少させて対象物を加熱する工程を備えることが好ましい。
【００１５】
上記の熱処理方法では、前記収容室の容積を変更する工程が、収容室を密閉した状態で収容室の容積を増大させて対象物を冷却する工程を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱処理装置および熱処理方法によれば、対象物を熱処理する際に、対象物を速やかに加熱あるいは冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は実施例１の熱処理装置１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は実施例１の熱処理装置１００の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図３は実施例２の熱処理装置３００の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に整理する。
（特徴１）  対象物は半導体ウェハである。
（特徴２）  熱処理装置は半導体ウェハの酸化工程において用いられる。
【実施例１】
【００１９】
図１に、実施例１の熱処理装置１００の構成を示す。熱処理装置１００は、半導体ウェハＷの酸化工程において用いられる熱処理装置である。
【００２０】
図１に示すように、熱処理装置１００は、主に、外側耐圧容器１０２と、内側耐圧容器１０４と、収容室１０６を備えている。
【００２１】
外側耐圧容器１０２は、内側耐圧容器１０４を取囲むように配置されている。外側耐圧容器１０２と内側耐圧容器１０４の間には断熱空間１０８が形成されており、真空ポンプ１１０が断熱空間１０８を真空引きすることで、内側耐圧容器１０４から外側耐圧容器１０２への放熱が抑制される。また、断熱空間１０８には、内側耐圧容器１０４を冷却する際に、コンプレッサ１１１を介して冷却ガスが導入される。
【００２２】
内側耐圧容器１０４の内部には、収容室１０６が配置されている。収容室１０６は、上面が開口した箱型形状の下側容器１１２と、下側容器１１２の内側側面に沿って上下方向に摺動可能な天板１１４から構成されている。天板１１４はピストン１１６の駆動により上下方向に移動する。天板１１４が上下動することで、収容室１０６の容積は変動する。
【００２３】
図示はされていないが、外側耐圧容器１０２、内側耐圧容器１０４および下側容器１１２には、半導体ウェハＷを出し入れするための出入口が設けられている。これらの出入口は、通常は密閉されており、半導体ウェハＷを出し入れする際に開放される。収容室１０６に搬入された半導体ウェハＷは、下側容器１１２の内側底面に設けられた載置台１１５上に載置される。
【００２４】
下側容器１１２の直下には、収容室１０６内の半導体ウェハＷを加熱するヒータ１１８が設けられている。熱処理装置１００は、収容室１０６内のガスの温度を計測する温度センサ１１７を備えている。後述するように、ヒータ１１８は、温度センサ１１７が計測する収容室１０６のガスの温度が所定の温度範囲に維持されるように、出力を調整する。
【００２５】
給気管１２０は、収容室１０６内に雰囲気ガスを導入する。給気管１２０には給気弁１２２が設けられている。
【００２６】
排気管１２４は、収容室１０６内からガスを排出する。排気管１２４には排気弁１２６が設けられている。
【００２７】
以下では図２を参照しながら、熱処理装置１００を用いた半導体ウェハＷの酸化処理について説明する。
【００２８】
ステップＳ２０２では、半導体ウェハＷを収容室１０６に搬入する。半導体ウェハＷを収容室１０６内の載置台１１５上に載置した後、外側耐圧容器１０２、内側耐圧容器１０４および下側容器１１２の出入口は密閉される。
【００２９】
ステップＳ２０４では、真空ポンプ１１０を駆動して、断熱空間１０８の真空引きを行う。これによって、断熱空間１０８が真空状態となり、内側耐圧容器１０４から外側耐圧容器１０２への放熱が抑制される。
【００３０】
ステップＳ２０６では、給気弁１２２と排気弁１２６を開いて、給気管１２０から収容室１０６に不活性ガスを導入する。本実施例では、不活性ガスとして窒素ガスが導入される。これによって、収容室１０６内の大気や水蒸気が排気管１２４から追い出されて、収容室１０６内がパージされる。
【００３１】
ステップＳ２０８では、給気管１２０から収容室１０６にプロセスガスを導入する。本実施例では、半導体ウェハＷを酸化する際に必要とされる分量の酸素ガスと水素ガスが、プロセスガスとして導入される。プロセスガスの導入後、給気弁１２２と排気弁１２６が閉じられて、収容室１０６は密閉される。この時点で、収容室１０６には、半導体ウェハＷと、不活性ガスとプロセスガスが混合した雰囲気ガスが収容されている。
【００３２】
ステップＳ２１０では、ピストン１１６を駆動して天板１１４を降下させ、収容室１０６の容積を減少させる。これによって、密閉された収容室１０６内の雰囲気ガスが断熱圧縮されて、雰囲気ガスが高温となる。高温の雰囲気ガスとの接触によって、半導体ウェハＷは均一に加熱される。半導体ウェハＷの表面において、酸化反応が生じる。
【００３３】
ステップＳ２１２では、所定の時間が経過するまで待機する。これによって、半導体ウェハＷは十分に酸化処理がなされる。なお、収容室１０６内の雰囲気ガスはステップＳ２１０で断熱圧縮されたことで高温高圧となっており、プロセスガスの分圧も高圧となっている。これによって、半導体ウェハＷの表面における酸化反応が促進される。
【００３４】
ステップＳ２１２で半導体ウェハＷに酸化処理を施している間も、内側耐圧容器１０４から外側耐圧容器１０２へのわずかな放熱などによって、収容室１０６の温度は緩やかに低下していく。そこで本実施例の熱処理装置１００では、ステップＳ２１２で半導体ウェハＷに酸化処理を施している間、ヒータ１１８を用いて半導体ウェハＷを補助的に加熱する。ヒータ１１８の出力は、温度センサ１１７で計測される温度が所定の温度範囲で維持されるように制御される。
【００３５】
ステップＳ２１２で所定の時間が経過し、半導体ウェハＷの酸化処理が完了すると、ステップＳ２１４へ進む。ステップＳ２１４では、コンプレッサ１１１によって断熱空間１０８に冷却ガスを導入する。これによって、ステップＳ２１０からステップＳ２１２までの処理で高温となった内側耐圧容器１０４や、下側容器１１２や、天板１１４の余熱が、断熱空間１０８の冷却ガスによって吸熱される。
【００３６】
ステップＳ２１６では、ピストン１１６を駆動して天板１１４を上昇させ、密閉された収容室１０６の容積を増加させる。これによって、密閉された収容室１０６内の雰囲気ガスが断熱膨張されて、雰囲気ガスが低温となる。低温の雰囲気ガスとの接触によって、半導体ウェハＷは均一に冷却される。
【００３７】
ステップＳ２１８では、排気弁１２６を開いて、収容室１０６内に残存する雰囲気ガスを大気に開放する。
【００３８】
ステップＳ２２０では、外側耐圧容器１０２、内側耐圧容器１０４および下側容器１１２の出入口を開放して、半導体ウェハＷを収容室１０６から搬出する。
【００３９】
以上のように、本実施例の熱処理装置１００によれば、収容室１０６に半導体ウェハＷと雰囲気ガスを収容し、収容室１０６を密閉した状態で天板１１４を降下させることで、雰囲気ガスが断熱圧縮して高温となる。高温となった雰囲気ガスとの接触によって半導体ウェハＷは均一に加熱される。半導体ウェハの温度分布にばらつきを生じることがないので、ゆっくり加熱する必要がなく、半導体ウェハＷの温度を速やかに上昇させることができる。
【００４０】
本実施例の熱処理装置１００によれば、収容室１０６を密閉した状態で天板１１４を上昇させることで、プロセスガスが断熱膨張して低温となる。低温となったプロセスガスとの接触によって半導体ウェハＷは均一に冷却される。半導体ウェハＷの温度を速やかに下降させることができる。
【００４１】
本実施例の熱処理装置１００では、半導体ウェハＷの酸化処理が完了した後に、断熱空間１０８に冷却ガスを導入する。これによって、熱容量の大きな内側耐圧容器１０４や、下側容器１１２や、ヒータ１１８や、天板１１４の余熱を速やかに吸熱し、これらの余熱が半導体ウェハＷへ伝熱してしまうことを防ぐことができる。半導体ウェハＷの冷却期間を短縮することができる。
【００４２】
なお上記の実施例では熱処理装置１００を半導体ウェハＷの酸化工程における熱処理に用いる場合について説明しているが、これ以外にも、例えば半導体ウェハＷの拡散工程、リフロー工程、アニール工程、シンタリング工程における熱処理に用いることもできる。これらの各工程においては、半導体ウェハＷを加熱する際の雰囲気ガスの種類が異なるが、上記の熱処理装置１００を用いることで、半導体ウェハＷの加熱や冷却に要する時間を短縮することができる。
【実施例２】
【００４３】
図３は本実施例の熱処理装置３００の構成を示している。熱処理装置３００は、容積変更部３０２と、熱処理部３０４を備えている。
【００４４】
熱処理部３０４は、主に、外側耐圧容器３０６と、内側耐圧容器３０８と、保温容器３１０を備えている。外側耐圧容器３０６は、断熱空間３１２を挟んで内側耐圧容器３０８を取囲むように形成されている。熱処理部３０４には、断熱空間３１２を真空引きする真空ポンプ３１４と、断熱空間３１２に冷却ガスを導入するコンプレッサ３１６が配置されている。保温容器３１０は内側耐圧容器３０８の内部に配置されている。保温容器３１０の内部には、半導体ウェハＷを載置する載置台３１８が設けられている。また、熱処理部３０４は、保温容器３１０内のガスの温度を計測する温度センサ３２０と、保温容器３１０内の半導体ウェハＷを加熱するヒータ３２２を備えている。
【００４５】
容積変更部３０２は、耐圧容器３２４と、下側容器３２６と、天板３２８と、ピストン３３０から構成されている。下側容器３２６は、上面が開口した箱型形状に形成されている。天板３２８は下側容器３２６の内側側面に沿って上下方向に摺動可能に配置されている。天板３２８はピストン３３０の駆動による上下方向に移動する。
【００４６】
熱処理部３０４の保温容器３１０の内部と、容積変更部３０２の下側容器３２６の内部は、連通管３３２によって連通している。本実施例の熱処理装置３００では、天板３２８によって上面を閉塞された下側容器３２６と保温容器３１０が、半導体ウェハＷと雰囲気ガスを収容する収容室を構成している。
【００４７】
給気管３３４は、容積変更部３０２の下側容器３２６内に雰囲気ガスを導入する。給気管３３４には給気弁３３６が設けられている。
【００４８】
排気管３３８は、熱処理部３０４の保温容器３１０内からガスを排出する。排気管３３８には排気弁３４０が設けられている。
【００４９】
本実施例の熱処理装置３００では、熱処理部３０４の保温容器３１０内に半導体ウェハＷを搬入し、断熱空間３１２を真空引きして、給気管３３４から容積変更部３０２の下側容器３２６内に雰囲気ガスを導入すると、雰囲気ガスは熱処理部３０４の保温容器３１０内にも行き渡る。その後に、給気弁３３６と排気弁３４０を閉じた状態でピストン３３０を駆動して天板３２８を降下させることで、収容室を密閉した状態で、収容室の容積を減少させることができる。これによって、密閉された収容室内の雰囲気ガスが断熱圧縮されて、雰囲気ガスが高温となる。高温の雰囲気ガスによって半導体ウェハを均一に加熱することができる。
【００５０】
熱処理の終了後、断熱空間３１２に冷却ガスを導入し、ピストン３３０を駆動して天板３２８を上昇させることで、収容室を密閉した状態で、収容室の容積を増大させることができる。これによって、密閉された収容室内の雰囲気ガスが断熱膨張されて、雰囲気ガスが低温となる。低温の雰囲気ガスによって半導体ウェハを均一に冷却することができる。
【００５１】
本実施例の熱処理装置３００では、実施例１の熱処理装置１００とは異なり、容積変更部３０２と熱処理部３０４が別体の装置として構成されている。実施例１の熱処理装置１００に比べて、装置の大型化を防ぎ、設備配置を容易なものとすることができる。
【００５２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５３】
１００ 熱処理装置
１０２ 外側耐圧容器
１０４ 内側耐圧容器
１０６ 収容室
１０８ 断熱空間
１１０ 真空ポンプ
１１１ コンプレッサ
１１２ 下側容器
１１４ 天板
１１５ 載置台
１１６ ピストン
１１７ 温度センサ
１１８ ヒータ
１２０ 給気管
１２２ 給気弁
１２４ 排気管
１２６ 排気弁
３００ 熱処理装置
３０２ 容積変更部
３０４ 熱処理部
３０６ 外側耐圧容器
３０８ 内側耐圧容器
３１０ 保温容器
３１２ 断熱空間
３１４ 真空ポンプ
３１６ コンプレッサ
３１８ 載置台
３２０ 温度センサ
３２２ ヒータ
３２４ 耐圧容器
３２６ 下側容器
３２８ 天板
３３０ ピストン
３３２ 連通管
３３４ 給気管
３３６ 給気弁
３３８ 排気管
３４０ 排気弁
【図１】
2010157660.tif 000003
【図２】
2010157660.tif 000004
【図３】
2010157660.tif 000005