(57)【要約】【課題】ウェハの熱処理時に昇降温を均一に行うことを特徴とする。【解決手段】枚葉型半導体熱処理装置であって、ウェハ１０を水平に内装可能な矩形断面のプロセスチューブ１２と、前記プロセスチューブ１２を覆う断面形状を長円とするサセプタ１４と、前記サセプタ１４を覆う相似形状の誘導加熱コイル１６とを配置してなる。また、前記サセプタ１４の壁面であって、前記ウェハ１０の平面部に対応する箇所は、前記ウェハ１０の平面部と平行であるようにすると良い。さらに、前記プロセスチューブ１２の上下面であって前記サセプタ１４との間には空間が設けられ、当該空間に連通する給排気のダクト１８がそれぞれ設けられることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枚葉型半導体熱処理装置であって、半導体ウェハを水平に内装可能なプロセスチューブと、前記プロセスチューブを覆う断面形状を長円とするサセプタと、前記サセプタを覆う相似形状の誘導加熱コイルとを配置してなることを特徴とする半導体熱処理装置。
【請求項２】
前記半導体ウェハの平面部に対向する前記サセプタの壁面は、前記半導体ウェハの平面部と平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体熱処理装置。
【請求項３】
前記半導体ウェハは、前記プロセスチューブ内において、中央位置に配置され、当該半導体ウェハの上下面から前記サセプタまでの間隔が共に等しいことを特徴とする請求項２に記載の半導体熱処理装置。
【請求項４】
前記プロセスチューブの上下面であって前記サセプタとの間には空間が設けられ、かつ当該空間に連通する給排気のダクトがそれぞれ設けられ、当該ダクトの給排気口はプロセスチューブの上下面で点対称に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記半導体ウェハを内装するプロセスチューブの壁面であり前記半導体ウェハの２つの平面部に対向する壁面に、冷却ガスを両壁面で逆向きの流れとなるように送風し、前記半導体ウェハの冷却を行うことを特徴とする半導体熱処理方法。
【請求項６】
前記冷却ガスの供給量を、前記半導体ウェハの放熱量を均等化させるように調整することを特徴とする請求項５に記載の半導体熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体熱処理装置および方法に係り、特に、高速熱処理を行う枚葉型の半導体熱処理装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、枚葉型の半導体熱処理装置では、半導体ウェハを短時間で急速加熱する必要があるため、昇温性の良いコールドウォール型のランプアニール装置が主として用いられていた。しかし、前記ランプアニール装置は、昇温時の温度均一性が悪く、半導体ウェハの大口径化に伴い、半導体ウェハ内の温度分布が不均一となりやすく、熱応力の影響を受け、前記半導体ウェハにスリップが発生するという問題がある。また、ランプアニール装置には、消費電力が大きい、ランプの寿命が短いといった問題点もあげられる。
【０００３】
これに対し、特許文献１に挙げられている発明は、温度均一性の良いホットウォール型のものである。特許文献１によれば、輻射熱源を加熱する際に、昇温性の悪いが、寿命が長く、消費電力の少ない抵抗発熱体を使用している。しかし、抵抗発熱体を常に通電させておくことにより、輻射熱源であるサセプタを高温状態に保つことができる。これにより、反応室を高温状態に保つことができるため、上述した昇温性の悪さを補うことができる。また、高温に保持された反応室内に半導体ウェハを挿入または引出しをする際には、最初に反応室内に挿入された側と後から挿入される側とには温度差が生じてしまう。この場合に生じる温度差については、搬送治具に前記半導体ウェハを載せ、反応室内に、高速で挿入または引出しを行えるようにして改善を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１７６８２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した装置では、加熱後の半導体ウェハを冷却する際に反応室から取出し、別の装置内で冷却を行う必要がある。また、冷却を行う装置を設置するためのスペースが必要である。さらに、抵抗発熱体には常に、送電を行っているため、無駄な電力を消費してしまうといった問題点が挙げられる。このため、従来の装置では、昇降温性が良好で、温度均一性が良く、消費電力が少ないという装置は実現しえなかった。
【０００６】
本発明では、上記問題を解決し、温度均一性が良く、高速昇温および降温が可能であり、かつ降温時であっても半導体ウェハの温度分布が良好であり、消費電力および消費冷却ガスが少なく経済的な半導体熱処理装置および方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明に係る半導体熱処理装置は、枚葉型半導体熱処理装置であって、半導体ウェハを水平に内装可能なプロセスチューブと、前記プロセスチューブを覆う断面形状を長円とするサセプタと、前記サセプタを覆う相似形状の誘導加熱コイルとを配置してなることを特徴とする。そうした場合、前記半導体ウェハの平面部に対向する前記サセプタの壁面は、前記半導体ウェハの平面部と平行とすると良い。
【０００８】
また、前記半導体ウェハは、前記プロセスチューブ内において、中央位置に配置され、当該半導体ウェハの上下面から前記サセプタまでの間隔が共に等しいようにすると良い。
【０００９】
さらに、前記プロセスチューブの上下面であって前記サセプタとの間には空間が設けられ、かつ当該空間に連通する給排気のダクトがそれぞれ設けられ、当該ダクトの給排気口はプロセスチューブの上下面で点対称に設定すると良い。
【００１０】
また、本発明に係る半導体熱処理方法は、前記半導体ウェハを内装するプロセスチューブの壁面であり前記半導体ウェハの平面部に対向する２つの壁面に、冷却ガスを両壁面において逆向きの流れとなるように送風し、前記半導体ウェハの冷却を行うことを特徴とする。この場合、前記冷却ガスの供給量を、前記半導体ウェハの放熱量を均等化させるように調整するようにすると良い。
【００１１】
【作用】
上記のように、半導体ウェハを水平に内装可能なプロセスチューブと、前記プロセスチューブを覆う断面形状を長円とするサセプタと、前記サセプタを覆う相似形状の誘導加熱コイルとを配置してなる構造としたことにより、誘導加熱コイルがサセプタに沿って同一形状で配置されているため、ウェハの内面温度分布の均一性が良好となり、サセプタを加熱する際の投入電力を低減することが可能になる。
また、サセプタの壁面と半導体ウェハの平面部を平行にすることにより、前記半導体ウェハ表面と輻射熱源のサセプタ壁面との距離が等しくなる。
【００１２】
さらに、前記半導体ウェハは、前記プロセスチューブ内において、中央位置に配置され、当該半導体ウェハの上下面から前記サセプタまでの間隔が共に等しいようにすることにより、前記半導体ウェハにおける上下の平面部とサセプタとの距離が等しくなり、輻射熱が半導体ウェハの上下の面に均等に伝わる。
【００１３】
また、前記プロセスチューブの上下面であって前記サセプタとの間には空間が設けられ、かつ当該空間に連通する給排気のダクトがそれぞれ設けられ、当該ダクトの給排気口はプロセスチューブの上下面で点対称に設定することにより、半導体ウェハの上下で冷却ガスをそれぞれ逆方向に流すことができる。
【００１４】
つまり、加熱後の半導体ウェハに対し、前記半導体ウェハを内装するプロセスチューブの壁面に、前記プロセスチューブを境界として、一方の側面と他方の側面とにおいて冷却ガスを逆方向へ流すことにより、冷却ガスは、供給側から排気側にかけて吸熱を行うため、排気側に行くに従い温度勾配が上昇するが、半導体ウェハの対向面において冷却ガスを逆方向の流れで供給することにより、温度勾配を一定とすることができる。
前記プロセスチューブの上下空間に供給する冷却ガスを前記ウェハの放熱量のバランスに応じて調整することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に従い説明する。図１は本発明に係る実施形態の縦断面図であり、図２は横断面図であり、図３は部分断面斜視図である。
【００１６】
本実施例の基本構成は、ウェハ１０を内装可能なプロセスチューブ１２と、前記プロセスチューブ１２を覆うサセプタ１４と、前記サセプタ１４を囲繞する誘導加熱コイル１６とからなる。
【００１７】
本実施例の半導体熱処理装置は、枚葉型である。前記ウェハ１０を内装するプロセスチューブ１２は、材質を石英とするのが好ましく、円形や矩形等の形状の半導体ウェハを内装する、正面、平面共に矩形状の箱であり、前記ウェハ１０を搬送する側が開口されている。前記開口部には、ウェハ１０を搬送した後、蓋がされる。また、前記開口部の対向面には前記ウェハ１０が、熱処理中に不純物と反応してしまうことを防ぐために、不活性ガス又は反応ガスを注入する注入口１１が設けられている。また、当該プロセスチューブ１２の内部には、前記ウェハ１０をプロセスチューブ１２の内部で、中心位置に水平に保持するための支持部２０が備えられている。
【００１８】
前記プロセスチューブ１２は、前記ウェハ１０を冷却する際、冷却ガスを送通させるための、冷却ガス送通空間を、前記ウェハ１０の平面部と対向する壁面の外側に設けつつ、輻射熱源であるサセプタ１４に内装される。前記サセプタ１４は、図２に示すように、その横断面の形状を長円形（トラック型）とし、ウェハ１０の平面部に対向する辺は平行になるようにしている。また、前記平行面とウェハ１０の平面とが、前記ウェハ１０の上下平面の各面から等距離になるようにしている。これにより、前記ウェハ１０と輻射熱源との距離が終始等しくなるため、前記ウェハ１０に輻射熱が均等に伝わり、ウェハ１０を両面から均一加熱することができる。
【００１９】
前記サセプタ１４の外周には相似形状であり、当該サセプタ１４を囲繞する誘導加熱コイル１６が備えられる。また、前記誘導加熱コイル１６は、前記サセプタ１４の如何なる点からも均等な間隔をとるように配置されることが望ましい。これにより、前記サセプタに影響する磁束の粗密を均等化することができる。
前記誘導加熱コイル１６を、前記サセプタ１４と相似形状にすることにより、前記サセプタ１４と当該誘導加熱コイル１６との間隔が一定となり送電時の磁束が前記サセプタ１４に一様に影響することとなり、前記サセプタ１４を均一に加熱することができる。また、サセプタ１４の加熱方式を誘導加熱方式とすることにより、従来の抵抗加熱方式に比べ、約１０倍（約１０００℃／ｍｉｎ）の昇温速度でウェハ１０を昇温させることができるようになるため、誘導加熱コイル１６に常時送電しておく必要がなくなる。また、降温に際しては、誘導加熱コイル自体は発熱しないため、送電を絶った後にさらにサセプタ１４が加熱体の輻射熱等により加熱されることがなく、抵抗体加熱方式に比べ約１０倍（約５００℃／ｍｉｎ）程度の速さで降温させることができる。
【００２０】
前述したプロセスチューブ１２の壁面であり、プロセスチューブ１２の上下面となる前記ウェハ１０の平面部が対向する２壁面と、サセプタ１４との間に設けられた、冷却ガス送通空間には、前記冷却ガスを供給または排気するための一対のダクト１８が備えられる。なお、前記プロセスチューブ１２の上下に設けられる冷却ガス送通空間は、断熱材等で構成される仕切り１３により上下に仕切られている。このため、プロセスチューブ１２の上下において、流れる向きの違う冷却ガスを送通させることや、性質の異なる冷却ガスを送通させることが可能となる。
【００２１】
上記構成の実施形態においては、ウェハ１０をプロセスチューブ１２の開口部より搬送し、支持部２０に設置後、前記開口部に蓋をする。プロセスチューブ１２を密閉した後、当該プロセスチューブ１２の内部を真空状態とする。その後、不活性ガス又は反応ガスを注入する注入口１１より、Ｈ２ＯガスやＡｒ等の不活性ガス又は反応ガスを送り込むことにより、プロセスチューブ１２に内在していた空気と前記不活性ガス又は反応ガスとを置換する。これにより、前記ウェハ１０が、熱処理中に不純物と化合してしまうことを防ぐことができる。
【００２２】
上述の作業終了後、誘導加熱コイル１６に任意の電力を投入する。電力を投入された誘導加熱コイル１６は、磁束を発生させる。前記発生した磁束は導電体であるサセプタ１４の内部に渦電流を発生させる。これにより前記サセプタ１４が加熱される。前記加熱されたサセプタ１４は、輻射熱を発生させ、前記ウェハ１０を加熱する。
【００２３】
ウェハ１０を加熱処理した後、誘導加熱コイル１６への電力の投入を止める。ダクト１８ａ及びダクト１８ｃから冷却ガスを前記冷却ガス送通空間へ供給する。ダクト１８ａから供給された冷却ガスはダクト１８ｂから排気され、ダクト１８ｃから供給された冷却ガスはダクト１８ｄから排気される。この際、供給された冷却ガスは、排気側に進むに従い、サセプタ１４及びウェハ１０からの輻射熱を吸熱して昇温する。このため、前記冷却ガスの温度勾配は、供給側から排気側にかけて上昇することとなる。しかし、前記冷却ガスは、前記プロセスチューブ１２を境界として上下の空間において、逆方向に送通されているため、各冷却ガス送通空間における冷却ガスの温度勾配は、図４のようになる。このため、上下を通過する冷却ガスの温度勾配は、平均すると、被冷却体であるウェハ１０を均一に冷却していることとなる。この際、供給される冷却ガス量は、５００ｌ／ｍｉｎ程度であることが望ましい。
【００２４】
上記のようにプロセスチューブ１２を覆うサセプタ１４をトラック型とし、前記ウェハ１０の平面部に対向する前記サセプタ１４の壁面は、前記ウェハ１０の平面部と平行にすることにより、ウェハ１０の平面部とサセプタ１４平面部が略等間隔となるため、ウェハ１０を均一加熱することができる。また、誘導加熱コイル１６を前記サセプタ１４と相似形状にしたことにより、サセプタ１４と誘導加熱コイル１６との間隔が一定となり、サセプタ１４を均一に加熱することができる。さらに、誘導加熱は、被加熱物自体が熱を発生させるので熱効率が高く、被加熱物以外には熱の発生が無いため熱損失が小さい。なお、前記ウェハ１０は、前記プロセスチューブ１２の内部において、中央位置に配置され、当該ウェハ１０の上下面から前記サセプタ１４までの間隔が共に等しいようにすることにより、前記ウェハ１０の上下それぞれの面でサセプタ１４との距離が等しいために、ウェハ１０の上下面に輻射熱が均等に伝わり、ウェハ１０を均一に加熱することができる。
【００２５】
さらにまた、プロセスチューブ１２の上下で、サセプタ１４との間に、冷却ガス送通空間を設けたことにより、プロセスチューブ１２の上下にそれぞれ逆方向の流れの冷却ガスを送ることができる。
【００２６】
加熱後のウェハ１０に対し、前記ウェハ１０を内装するプロセスチューブ１２の壁面に、前記ウェハ１０を境界として、一方の側面と他方の側面とにおいて冷却ガスを逆方向へ流し、前記ウェハ１０の冷却を行うことにより、冷却ガスの吸熱作用を伴う温度勾配が、前記プロセスチューブ１２の上下で逆の形となる。このため、双方を平均すると、前記ウェハ１０を均一に冷却することができる。また、前記冷却ガスの供給量を、前記ウェハ１０の放熱量に応じて調整することにより、前記ウェハ１０を均一冷却することができる。
また、加熱装置を誘導加熱コイル１６としたことにより、ウェハ１０の急速加熱及び急速冷却が可能となる。
【００２７】
上記実施形態では、プロセスチューブ１２を正面、平面、共に矩形としたが、サセプタ１４と同形状のトラック型等としても良い。また、実施形態においては、ダクト１８ａとダクト１８ｃとを冷却ガス供給側としたが、ダクト１８ｂとダクト１８ｄを供給側とすることもできる。
また、冷却ガスの供給量を５００ｌ／ｍｉｎ程度としたが、これに限定するものでなく、ウェハ１０の温度分布が良好になるように調整するようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
半導体ウェハを水平に内装可能な矩形断面のプロセスチューブと、前記プロセスチューブを覆う側断面の形状を長円とするサセプタと、前記サセプタを覆う相似形状の誘導加熱コイルとを備えるようにしたことにより、ウェハの内面温度分布の均一性が良好となり、サセプタを加熱する際の投入電力を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体熱処理装置の縦断面図である。
【図２】本発明に係る半導体熱処理装置の横断面図である。
【図３】本発明に係る半導体熱処理装置の部分断面斜視図である。
【図４】本実施例に係る半導体熱処理方法の冷却ガスの温度勾配を示した図である。
【符号の説明】
１０………ウェハ、１１………注入口、１２………プロセスチューブ、１３………仕切り、１４………サセプタ、１６………誘導加熱コイル、１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）………ダクト、２０………支持部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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