(57)【要約】【課題】装置の小型化を図りつつ、昇温及び降温の効率を向上させて処理時間を短縮することができる、半導体製造装置及び熱処理装置を提供すること。【解決手段】  半導体を収納する導電性を有したプロセスチューブ１０と、プロセスチューブ１０の外周を覆い該チューブ１０の断熱及び冷却に供する空間２３を形成している筒状体の断熱兼冷却構造体２０と、断熱兼冷却構造体２０の外周に配置された誘導加熱コイル３０と、誘導加熱コイル３０を駆動する誘導加熱制御回路４０と、断熱兼冷却構造体２０の空間２３への流体導入路７１と空間２３からの流体排出路７２，７３とを備え、空間２３を真空状態と冷却媒体の通過状態とに切り換え可能としている半導体製造装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を収納する導電性を有したプロセスチューブと、前記プロセスチューブの外周を覆い該チューブの断熱及び冷却に供する空間を形成している断熱兼冷却構造体と、前記断熱兼冷却構造体の外周に配置された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの駆動手段と、前記空間への流体導入路と前記空間からの流体排出路とを備え、
前記空間を真空状態と冷却媒体の通過状態とに切り換え可能としていることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
前記断熱兼冷却構造体が、前記プロセスチューブの外周に嵌合された内側壁と該内側壁に対向する外側壁とを有してなる筒状体からなることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記空間に該空間を通過する流体の流れを散乱させる複数のフィンが配置されていることを特徴とする請求項２記載の半導体製造装置。
【請求項４】
前記フィンは前記断熱兼冷却構造体の前記内側壁から突出していることを特徴とする請求項３記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記断熱兼冷却構造体が、前記プロセスチューブの外周に巻き回された管材からなることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項６】
前記流体導入流路に該流路を開閉するバルブを備えるとともに、前記流体排出路を真空ポンプに連通可能としていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項７】
前記流体導入流路と前記流体排出路は、前記プロセスチューブの先端側と後端側とに隔離された位置において前記空間に連通していることを特徴とする請求項６記載の半導体製造装置。
【請求項８】
前記プロセスチューブは石英チューブの周囲に導電体が被覆されてなるものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項９】
前記プロセスチューブのチューブ全体が導電体からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１０】
前記冷却媒体が空気又水のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１１】
前記冷却媒体が気化により熱を奪う作用を果たす媒体であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の半導体製造装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体製造装置を用い、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態とし、降温時は前記空間に冷却媒体を流すことを特徴とする半導体製造方法。
【請求項１３】
被熱処理物を収納する導電性を有したプロセスチューブと、前記プロセスチューブの外周を覆い該チューブの断熱及び冷却に供する空間を形成している断熱兼冷却構造体と、前記断熱兼冷却構造体の外周に配置された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの駆動手段と、前記空間への流体導入路と前記空間からの流体排出路とを備え、
前記空間を真空状態と冷却媒体の通過状態とに切り換え可能としていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の熱処理装置を用い、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態とし、降温時は前記空間に冷却媒体を流すことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハの酸化や拡散といった半導体の熱処理に関連する処理をなす半導体製造装置、その他の素材の熱処理を行うための熱処理装置、並びにそれらの装置を利用した半導体製造方法及び熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の拡散炉、あるいはＣＶＤ炉等の熱処理装置では、１００枚ものウェハが同時処理できる大型の装置が主流である。それらの従来装置は、大量のウェハを同時処理するためスループットは大きいが、その熱容量が圧倒的に大きいため、昇降温に時間がかかり、安定した温度領域に達するまでには一般的に数十分から１時間以上の時間がかかる。
また、昇温時のエネルギー効率を上げるため反応チューブの断熱を行うと、降温時間が長くなり、また断熱を行わず降温時間を短くした場合は、昇温時および定温時の熱放出が大きく、エネルギー効率が悪くなる上に、クリーンルームへの熱負荷も大きくなるといった問題があった。
このような課題を解決するため、断熱層と風道をそれぞれ設けて空冷を可能とし、それらの外側から誘導加熱を用いて加熱を行う熱処理装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−１７４２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、断熱層と風道とをそれぞれ設けた構成は、断熱層と空冷層との二重構造となり、誘導コイルとの距離が長くなって加熱効率が悪化し、また装置が大型化するといった新たな問題を生じさせる。
従って、本発明は、装置の小型化を図りつつ、昇温及び降温の効率を向上させて処理時間を短縮することができる、半導体製造装置、熱処理装置、半導体製造方法及び熱処理方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の半導体製造装置は、半導体を収納する導電性を有したプロセスチューブと、前記プロセスチューブの外周を覆い該チューブの断熱及び冷却に供する空間を形成している断熱兼冷却構造体と、前記断熱兼冷却構造体の外周に配置された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの駆動手段と、前記空間への流体導入路と前記空間からの流体排出路とを備え、前記空間を真空状態と冷却媒体の通過状態とに切り換え可能としているものである。冷却媒体には空気、水又は気化により熱を奪う作用を果たす媒体等が利用できる。
これによれば、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態として断熱性を持たせ、降温時は前記空間に冷却媒体を流すようすることで冷却速度を速めることができるため、プロセスチューブ内の半導体の熱処理における昇温及び降温の時間が短縮される。また、その場合の断熱と冷却に共通の構造体空間が利用される構成のため、半導体製造装置の小型化が可能となる。
【０００５】
前記断熱兼冷却構造体は、前記プロセスチューブの外周に嵌合された内側壁と該内側壁に対向する外側壁とを有してなる筒状体から構成できる。
その場合、前記空間に該空間を通過する流体の流れを散乱させる複数のフィンが配置されていることが好ましい。こうすることで、空間内を流れる冷却媒体が空間内において拡散されるため、冷却効率が向上する。
また、前記フィンは前記断熱兼冷却構造体の前記内側壁から突出していることが好ましい。こうすることで、プロセスチューブの冷却時、そのフィンが放熱フィンとしても作用し、冷却効率が向上する。
なお、前記断熱兼冷却構造体は、前記プロセスチューブの外周に巻き回された管材から構成しても良い。
上記装置において、前記流体導入流路に該流路を開閉するバルブを備えるとともに、前記流体排出路を真空ポンプに連通可能としていることが好ましい。これにより、断熱兼冷却構造体の空間を容易に真空状態にしたり、空間に容易に冷却媒体を通すことができる。
また、前記流体導入流路と前記流体排出路は、前記プロセスチューブの先端側と後端側とに隔離された位置において前記空間に連通していることが好ましい。これにより、冷却媒体が断熱兼冷却構造体の空間の全体に行き渡り易くなるので、冷却効率が向上する。
【０００６】
また、前記プロセスチューブは石英チューブの周囲に導電体が被覆されてなるもの、あるいはチューブ全体を導電体から構成してなるもののいずれでも良い。前者は導電体と被熱処理物が隔離されるため、導電体からの金属などによる汚染の影響を少なくでき、後者は熱容量が小さく、昇温、降温の効率が良いという利点を有する。
【０００７】
本発明の半導体製造方法は、上記の半導体製造装置を利用し、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態とし、降温時は前記空間に冷却媒体を流すようするものである。
【０００８】
本発明の熱処理装置は、被熱処理物を収納する導電性を有したプロセスチューブと、前記プロセスチューブの外周を覆い該チューブの断熱及び冷却に供する空間を形成している断熱兼冷却構造体と、前記断熱兼冷却構造体の外周に配置された誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの駆動手段と、前記空間への流体導入路と前記空間からの流体排出路とを備え、前記空間を真空状態と冷却媒体の通過状態とに切り換え可能としたものである。
これによれば、プロセスチューブに対して、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態として断熱性を持たせ、降温時は前記空間に冷却媒体を流すようすることで冷却速度を速めることができるため、プロセスチューブ内の被処理物に対する昇温及び降温の時間が短縮される。また、その場合の断熱と冷却に共通の構造体空間が利用される構成のため、熱処理装置の小型化が可能となる。
【０００９】
本発明の熱処理方法は、上記の熱処理装置を用い、昇温時は前記断熱兼冷却構造体の空間を真空状態とし、降温時は前記空間に冷却媒体を流すようするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体製造装置の全体構成を示す模式図、図２は図１の半導体製造装置のプロセスチューブ部分の径方向に沿う断面を示す模式図である。
【００１１】
この半導体製造装置１は、半導体ウェハ又は他の被熱処理物が収納される筒状のプロセスチューブ１０、プロセスチューブ１０の外周を覆う断熱兼冷却構造体２０、断熱兼冷却構造体２０の外周の長手方向に沿って巻き回された誘導加熱コイル３０、誘導加熱コイル３０への電力供給を制御する誘導加熱コイル駆動手段としての誘導加熱制御回路４０、被熱処理物をプロセスチューブ１０に保持する支持台５０を備えてなる。
【００１２】
プロセスチューブ１０は、通常、チューブ本体は１０００℃程度の温度にも耐えうる耐熱性部材、ここでは石英１１から構成され、その石英チューブ１０の外側面に、誘導加熱コイル３０で加熱される比較的抵抗の高い導電体１２が被膜等されて密着するように取り付けられている。これらの導電体としては、タングステン、モリブデン、タンタル、ニッケル、鉄・クロム合金類、ニッケル・クロム合金類、炭化珪素、黒鉛等が挙げられる。なお、プロセスチューブ１０の全体を上記のような導電体から構成しても良い。
【００１３】
断熱兼冷却構造体２０は、図２から分かるように、プロセスチューブ１０の外周に嵌合された内側壁２１と該内側壁２１に対向する外側壁２２とを有してなる筒状体からなる。そしてそれら内側壁２１と外側壁２２との間が空間２３として形成された構造となっている。この断熱兼冷却構造体２０は、その内側壁がプロセスチューブ１０の長手方向外周に密着して取り付けられており、その空間２３がプロセスチューブ１０に対する断熱又は冷却空間として利用される。従って、この断熱兼冷却構造体２０は耐熱性に優れた、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、炭化珪素（ＳｉＣ）等から作られるのが好ましい。
また、空間２３には、断熱兼冷却構造体２０の内側壁２１から複数のフィン２４を突起させて、そのフィン２４に空間２３内を流れる流体を散乱させる作用、及び降温時にプロセスチューブ１０から伝わる熱を放熱する作用を持たせるようにするのが好ましい。
【００１４】
誘導加熱コイル３０は、誘導加熱制御回路４０により駆動制御されて交流電流が供給されることにより、プロセスチューブ１０の導電体１２を利用してプロセスチューブ１０に発熱を生じさせる作用を果たしている。従って、発熱効率の観点からは、プロセスチューブ１０の全体が導電体から構成されているのが好ましい。
【００１５】
誘導加熱制御回路４０は、商用電源から交流電力を取り込んでそれを高周波の交流電流に変換し、その高周波交流電流を、必要な時に必要な量だけ誘導加熱コイル３０に供給できる機能を備えた回路である。この誘導加熱制御回路４０は任意の構成として良いが、例えば、この回路４０のＯＮ／ＯＦＦを行う素子、整流回路、高周波インバータ回路等により構成される。また、先に先行資料として紹介した特許文献１に開示された加熱ユニットの電源部回路することもできる。
【００１６】
被熱処理物の支持台５０は、半導体ウェハなどの被熱処理物が複数保持できるように構成されており、その被熱処理物保持部分がプロセスチューブ１０内に自由に挿脱できるようにされている。
【００１７】
プロセスチューブ１０には、その一端にプロセスチューブ１０の内部にプロセスガスを投入するためのプロセスガス投入管６１が、そしてその他端にはプロセスガスを排出するためのプロセスガス排出管６２がそれぞれ設けられている。
【００１８】
断熱兼冷却構造体２０には、その空間２３に連通する流体導入路７１と流体排出路７２、７３とが備えられている。流体導入流路７１と流体排出路７２，７３は、前記プロセスチューブ１０の先端側と後端側とに隔離された位置において空間２３に連通しているようにするのが好ましい。それは、流体導入流路７１から導入されて流体排出路７２，７３から排出される冷却媒体が、空間２３の全体によく行き渡るようになるからである。
【００１９】
流体導入路７１には第１バルブ８１が設けられ、その流路を開閉可能にしている。また、流体排出路７２は真空ポンプ９０と接続されており、その流体排出路７２には真空ポンプ９０に対する連通を開閉する第２バルブ８２が設けられている。流体排出路７３は流体排出路７２から分岐されたもので、熱排気用又は冷却媒体回収用に利用される。流体排出路７３にもその流路を開閉する第３バルブ８３が設けられている。
【００２０】
次に、上記半導体製造装置１の使用例を図３の熱処理の一例を示すフローチャートに従って説明する。まず、被熱処理物、例えば半導体ウェハを保持した支持台５０を、プロセスチューブ１０に挿入して固定する（Ｓ１）。続いて、第１バルブ８１及び第３バルブ８３を閉じ、第２バルブ８２を開き、真空ポンプ９０を利用して断熱兼冷却構造体２０の空間２３を大気圧より低い真空状態にする（Ｓ２）。続いて、誘導加熱制御回路４０を利用して誘導加熱コイル３０に電流を供給し、導電体１２を発熱させてプロセスチューブ１０内の温度を必要な温度まで上昇させて必要な時間その温度を保持する（Ｓ３）。なおこのステップＳ３中、プロセスチューブ１０内の温度が熱処理に応じた所定の温度になったところで処理内容に応じたプロセスガスがプロセスガス投入管６１からプロセスチューブ１０内へ必要量投入される。なお、このプロセスガスはプロセス時間終了後、プロセスガス排出管６２から排出される。
【００２１】
そして、半導体ウェハに対する高温処理の所定時間が経過した時点で誘導加熱コイル３０への電流供給を停止する。その後、第２バルブ８２を閉じ、第１バルブ８１及び第３バルブ８３を開いて空間２３の真空状態を解除して、空間２３の真空断熱を解除する（Ｓ４）。続いて、流体導入路７１から空気、水又はその他の冷却媒体を断熱兼冷却構造体２０の空間２３内に導入し、その空間２３の全体を貫いて流体排出路７２，７３から排出させる（Ｓ５）。なお、その排出された冷却媒体は再度冷却されて再利用に供されるようにするのがよい。そして、プロセスチューブ１０内の温度が予め定めた温度にまで下がったら、プロセスチューブ１０から支持台５０を取り出すことで、半導体ウェハの熱処理が完了する（Ｓ６）。
【００２２】
なお、上記におけるプロセスガスとしては、その処理に応じて例えば次のようなものが挙げられる。シリコン熱酸化膜形成処理にあっては酸素又は水素＋酸素を反応させた水蒸気、ＣＶＤシリコン酸化膜形成処理にあってはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）＋酸素、ＣＶＤシリコン窒化膜形成処理にあってはジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）＋アンモニア（ＮＨ3）、ＣＶＤポリシリコン膜形成処理にあってはモノシラン（ＳｉＨ4）。なお、ＣＶＤ成膜時は、プロセスチューブ１０の内部は減圧されていることが多い。
また、上記における冷却媒体としては、空気、水の他に、気化により熱を奪う作用を果たす媒体、例えば代替フロン（ＨＦＣｓ、ＨＣＦＣｓ）等が利用できる。
【００２３】
上記の半導体製造装置を用い、被熱処理物の昇温〜高温維持時には断熱兼冷却構造体２０の空間２３を真空断熱とすることにより熱効率が向上し、被熱処理物の降温時には断熱兼冷却構造体２０の空間２３に冷却媒体を流すことにより冷却速度が向上して、プロセスタイムの削減が図れる。また、エネルギー効率が良くなるため、クリーンルームへの熱負荷も少なくて済む。加えて、本装置は、これらの断熱と冷却の異なる機能を１つの断熱兼冷却構造体２０を利用して行う構造であるため、装置の小型化が可能となっている。
【００２４】
ところで、図１では内側壁と外側壁を有した筒状体の断熱兼冷却構造体２０を用いた例を示したが、図４に示すような管材の断熱兼冷却構造体２０Ａとすることもできる。この断熱兼冷却構造体２０Ａは、プロセスチューブ１０の外周の長手方向に沿って複数回巻き回されたチューブなどの管材から構成される。この場合、チューブなどの管材の内側空間が断熱と冷却に供される。したがって、プロセスチューブ１０の断熱及び冷却の効率を高める観点からは、この管材をプロセスチューブ１０の長手方向において、できるだけ密着させるように巻き付けて断熱兼冷却構造体２０Ａを構成するのが好ましい。そして、この場合でも、巻き回された管材の一端は流体導入路７１に連通させ、管材の他端は流体排出路７２，７３に連通させる。この管材の断熱兼冷却構造体２０Ａを用いて図３に示したような動作を行わしめても、筒状体の断熱兼冷却構造体２０を用いた場合と略同様の断熱、冷却効果を得ることができる。
【００２５】
本発明の装置における熱処理炉に相当する部分は、プロセスチューブと、プロセスチューブの外周を覆い該チューブの断熱及び冷却に供する空間を形成している断熱兼冷却構造体と、断熱兼冷却構造体の外周に配置された誘導加熱コイルとを備えてなる構成であれば良い。従って、図４で用いた管材をプロセスチューブに巻き付けるのではなく、その種の管材を複数本用意し、それらをプロセスチューブの管軸方向と平行に並べて、プロセスチューブの軸方向に沿う外周全体を覆い、それらの管材の内部空間を利用してプロセスチューブの断熱と冷却を行うことができる。このようにすると、冷却媒体の流れが特に良好になるため、冷却効率を一層向上させることができる。
【００２６】
上記実施形態で説明した半導体の製造装置及び製造方法は、半導体以外の被熱処理物を対象とした熱処理装置及び熱処理方法にも適用が可能である。
また、本発明の装置の利用対象としては、半導体を含む被熱処理物のアニール、拡散、熱酸化、熱ＣＶＤ等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体製造装置の全体構成を示す模式図。
【図２】図１の装置のプロセスチューブ部分の径方向に沿う断面を示す模式図。
【図３】図１の装置を利用した熱処理の一例を示すフローチャート。
【図４】本発明の別の実施形態に係る半導体製造装置の構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００２８】
１…半導体製造装置（熱処理装置）、１０…プロセスチューブ、１１…石英、１２…導電体、２０…筒状体の断熱兼冷却構造体、２０Ａ…管材の断熱兼冷却構造体、２１…内側壁、２２…外側壁、２３…空間、２４…フィン、３０…誘導加熱コイル、４０…誘導加熱制御回路、５０…支持台、６１…プロセスガス投入管、６２…プロセスガス排出管、７１…流体導入路、７２，７３…流体排出路、８１…第１バルブ、８２…第２バルブ、８３…第３バルブ、９０…真空ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006210641.tif 000006