(57)【要約】【課題】半導体処理装置に於いて、急速加熱、急速冷却を行った場合に、断熱体の破損、損傷を防止しようとするものである。【解決手段】基板を処理する反応室４と、該反応室に収納された基板５を加熱する加熱装置２とを具備する半導体処理装置に於いて、前記加熱装置は発熱体３２と該発熱体の外周側に断熱層を有し、該断熱層は発熱体側から外周に向って少なくとも３層構造を有し、中間の断熱層のかさ密度が他の層のかさ密度より小さい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する反応室と、該反応室に収納された基板を加熱する加熱装置とを具備する半導体処理装置に於いて、前記加熱装置は発熱体と該発熱体の外周側に断熱層を有し、該断熱層は発熱体側から外周に向って少なくとも３層構造を有し、中間の断熱層のかさ密度が他の層のかさ密度より小さいことを特徴とする半導体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ等の半導体基板を加熱して半導体装置を製造する半導体処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程には、熱化学反応により基板表面に薄膜を生成する成膜工程、或はアニール処理工程、不純物の拡散工程等、基板を加熱して処理する工程があり、半導体処理装置は基板を収納し、処理する為の反応室、反応室内の基板を加熱する加熱装置を具備している。
【０００３】
従来の半導体処理装置としては、例えば特許文献１に示されるものがある。
【０００４】
以下、図６を参照して従来の半導体処理装置について概略を説明する。
【０００５】
ヒータベース１に円筒状の加熱装置２が立設され、該加熱装置２の内部に同心に均熱管３、更に反応管４が設けられ、該反応管４内にはウェーハ５を水平多段に保持するボート６が収納され、該ボート６は図示しないボートエレベータにより、装入、引出し可能である。
【０００６】
前記加熱装置２は、筒状の断熱体７及び該断熱体７の内円筒面に配設された発熱線８を有している。前記断熱体７は固形状のセラミックで形成され、該断熱体７の内面に断面が円形の前記発熱線８が均等に引回され、前記加熱装置２の軸心方向に所要のゾーンに分割され、均熱加熱を行う為に、ゾーン制御が行われている。
【０００７】
該加熱装置２は、前記断熱体７に対して円筒空間９を形成する様に設けられたヒータケース１１、該ヒータケース１１と前記断熱体７の上端に設けられる天井部１２から構成され、該天井部１２には下面と側面に開口するエルボ状の排気導路１３が形成されている。
【０００８】
前記断熱体７の所要箇所には該断熱体７の内部と前記円筒空間９とを連通するガス吹出し口１４が設けられ、前記均熱管３の上端には前記排気導路１３に向って突出するノズル状の開口部１５が形成されている。
【０００９】
前記円筒空間９の下端に冷却ガス供給ライン１７が連通され、前記反応管４と前記均熱管３間の空間１６の下端には冷却ガス供給ライン１８が連通され、前記冷却ガス供給ライン１７，１８にはそれぞれエアバルブ１９，２０が設けられている。
【００１０】
前記ウェーハ５の処理は、該ウェーハ５が装填された前記ボート６が前記反応管４に装入され、前記加熱装置２の加熱により所定温度迄加熱昇温される。該加熱装置２により加熱した状態で図示しない反応ガス導入口より反応ガスが導入され、所要の熱処理が為される。
【００１１】
処理が完了すると、前記ボート６の引出し時に於ける前記ウェーハ５の自然酸化を防止する為、該ウェーハ５を前記反応管４内に収納した状態で前記加熱装置２、前記反応管４等の急冷が行われ、所定温度迄降温される。
【００１２】
急冷は、前記エアバルブ１９，２０が開かれ、前記円筒空間９、前記空間１６に冷却ガスが供給され、冷却ガスは前記円筒空間９、前記空間１６を上昇する過程で前記加熱装置２、前記均熱管３、前記反応管４を冷却し、該反応管４内部のウェーハ５を冷却する。
【００１３】
前記加熱装置２、前記均熱管３、前記反応管４、前記ウェーハ５が所定温度迄冷却された後、前記ボート６が引出され、該ボート６より前記ウェーハ５が払出される。
【００１４】
上記したウェーハの処理に於いて、前記加熱装置２は前記反応管４内のウェーハ５を均一に加熱する必要があり、又処理前、処理後の昇温工程、降温工程に要される時間を短くすることが基板に対する熱負荷の低減とスループットの向上の為に要求される。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１６４２９８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した様に、スループットの向上、ウェーハに対する熱負荷の低減の為、加熱装置２、均熱管３、反応管４等は急速加熱、急速冷却が行われるが、断熱体７は高温下での使用、昇温速度・降温速度の高速化に伴う熱応力によるひび、破損が発生する虞れがあり、断熱体７にひび、破損が生じた場合は、発熱線８への過度の応力が加わり断線の原因となる虞れがあり、更に破損して生じた隙間からの放熱で炉内温度が不均一になる要因ともなり、安定した加熱ができなくなる虞れがあった。
【００１７】
又、従来の発熱線８では断面が円形であり、炉内に面する表面積が少なく、均一に加熱できる様に発熱線８を隙間なく引回すには発熱線８を複雑な形状とする外なく、又囲うのが容易な様に線形も小さくする必要があった。
【００１８】
更に、発熱線８は複数のゾーンに分割されているが、ゾーン間にデッドゾーンが生じない様にしなければならず、隣接するゾーンの端部を重合させる構成もあるが、ゾーン制御を行う場合、ゾーン相互の熱干渉が顕著化し、制御誤差を生じる要因となっていた。
【００１９】
本発明は斯かる実情に鑑み、急速加熱、急速冷却を行った場合に、断熱体の破損、損傷を防止しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板を処理する反応室と、該反応室に収納された基板を加熱する加熱装置とを具備する半導体処理装置に於いて、前記加熱装置は発熱体と該発熱体の外周側に断熱層を有し、該断熱層は発熱体側から外周に向って少なくとも３層構造を有し、中間の断熱層のかさ密度が他の層のかさ密度より小さい半導体処理装置に係るものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１、図２に於いて、本発明に係る半導体処理装置の要部を説明する。尚、図１中、図６中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００２３】
円筒状の加熱装置２の内部に均熱管３、更に反応管４が同心に設けられ、該反応管４内にはウェーハ５を水平多段に保持するボート６が収納され、該ボート６は図示しないボートエレベータにより、装入、引出し可能である。前記反応管４内には反応ガス導入管３５及び排気管３６が連通され、前記反応ガス導入管３５には流量制御器３７が設けられ、前記排気管３６には圧力制御器３８が設けられ、反応ガスが所定流量で導入されると共に前記反応管４が所定圧力に維持される様に、排ガスが排出される様になっている。尚、前記ボート６、ボートエレベータ等は上記した従来の半導体処理装置と同様であり説明を省略する。
【００２４】
前記加熱装置２は、円筒壁部２２と天井部１２とから構成されている。
【００２５】
前記円筒壁部２２は外側から、外壁２３、該外壁２３に所要の間隙２４を形成して同心に設けられた内壁２５を有し、該内壁２５と前記均熱管３との間には空間３９が形成される。
【００２６】
前記内壁２５の下端には冷却ガス導入ダクト３３が設けられ、該冷却ガス導入ダクト３３は前記間隙２４に連通している。冷却ガス供給ライン１７が前記冷却ガス導入ダクト３３に連通され、冷却ガス供給ライン１８が空間１６に連通され、前記冷却ガス供給ライン１７，１８にはそれぞれエアバルブ１９，２０が設けられている。
【００２７】
前記外壁２３は、金属製のヒータケース２６及びソリッド状の断熱体２７から構成されている。
【００２８】
又、前記内壁２５は外層断熱体２８、中間層断熱体２９、内層断熱体３０の多層構造となっており、該内層断熱体３０の内面全体に亘り発熱線３２が設けられている。前記内壁２５には、前記外層断熱体２８、前記中間層断熱体２９、前記内層断熱体３０を貫通するガス吹出し口３１が所要の分布で多数穿設され、前記間隙２４と前記空間３９とを連通している。
【００２９】
前記外層断熱体２８、前記中間層断熱体２９、前記内層断熱体３０はそれぞれかさ密度が異なっており、少なくとも前記中間層断熱体２９は他の外層断熱体２８、内層断熱体３０よりはかさ密度が小さくなっている。例えば外層断熱体２８、中間層断熱体２９、内層断熱体３０とも材質は同じでアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ２  Ｏ３  ）とシリカ（ＳｉＯ２  ）を主成分とする材質である。
【００３０】
又、例えば、前記外層断熱体２８のかさ密度は０．３５ｇ／ｃｍ３  、前記中間層断熱体２９のかさ密度は０．１ｇ／ｃｍ３  、前記内層断熱体３０のかさ密度は０．３５ｇ／ｃｍ３  である。
【００３１】
次に、前記発熱線３２には急速加熱が可能であるセラミック発熱線、例えば珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２  ）が用いられ、発熱表面積が大きくなる様に、断面は楕円形状、或は平板形状等の形状が採用される。
【００３２】
図３、図４は、発熱線３２が前記内層断熱体３０に設けられる場合の、前記発熱線３２の態様を示しており、図３は帯板材から蛇行形状に成形された発熱線３２を示している。
【００３３】
又、図４では部分的に発熱量が異なる様に、発熱線３２を蛇行させて成形させた場合の間隔を異ならせている。部分的に発熱量を異ならせる手段として、発熱線３２の断面積を部分的に減少又は増大させ、該発熱線３２の電気抵抗を部分的に異ならせ発熱量の調整を行ってもよい。
【００３４】
前記発熱線３２は、前記加熱装置２の軸心方向に所要のゾーンに区分けされ、ゾーン制御が可能となっており、各ゾーンには各ゾーンの加熱温度を検出するヒータ温度検出器３４が設けられている。又、前記発熱線３２は各ゾーンの成形パターンを同じにすることにより、発熱量を各ゾーンとも均一にする様にしてもよい。
【００３５】
前記反応管４内で処理される前記ウェーハ５の処理状態は主制御部４１によって制御される。該主制御部４１は、炉内の温度を制御する温度制御部４２、処理ガスの流量、冷却ガスの流量を制御するガス流量制御部４３、前記反応管４内の圧力を制御する圧力制御部４４、前記ボートエレベータ等の機構部を制御する駆動制御部４５を備えている。
【００３６】
前記反応管４の内面に沿って炉内温度検出器４６が立設され、該炉内温度検出器４６で検出された炉内検出温度、前記ヒータ温度検出器３４が検出したヒータ温度は、前記温度制御部４２に入力される。前記エアバルブ１９，２０の開閉が前記ガス流量制御部４３により制御されると共に該ガス流量制御部４３は前記流量制御器３７によりガス導入量を制御し、前記圧力制御部４４は前記圧力制御器３８を介して排気圧力を制御し、前記反応管４内の圧力を制御している。
【００３７】
以下、作用について説明する。
【００３８】
前記ウェーハ５の処理は、該ウェーハ５が装填された前記ボート６が前記反応管４に装入され、前記加熱装置２の加熱により所定温度迄急速加熱される。該加熱装置２により前記ウェーハ５を所定温度に加熱した状態で前記反応ガス導入管３５より反応ガスが導入され、前記排気管３６を介して排気ガスが排出され、前記ウェーハ５に所要の熱処理が為される。
【００３９】
該ウェーハ５処理後の冷却は、前記エアバルブ１９，２０が開かれ、前記間隙２４、前記空間１６に冷却ガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスが供給される。前記間隙２４に流入した冷却ガスは、該間隙２４を上昇し、更に前記ガス吹出し口３１を経て前記空間３９に流出する。前記空間１６に供給された冷却ガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスは、前記空間１６を上昇して排気導路１３より排気される。前記内壁２５、前記発熱線３２は前記間隙２４、前記空間３９を上昇する冷却ガスにより冷却され、前記均熱管３、前記反応管４は前記空間３９、前記空間１６を上昇する冷却ガスにより冷却される。
【００４０】
而して、前記反応管４内の前記ウェーハ５は急速冷却される。
【００４１】
前記発熱線３２にセラミック発熱線を採用したことで、急速加熱、高温加熱が可能となり、更に冷却ガスによる前記加熱装置２の冷却により急速冷却が可能となっている。
【００４２】
前記内壁２５は断熱体であり、熱伝導率は小さい。更に所定の断熱効果を得る為には、所定の厚みも必要である。この為、前記加熱装置２の急速加熱、急速冷却により、前記内壁２５の内面と外面との間で大きな温度差が生じる。
【００４３】
上記した様に、前記内壁２５では３層構造となっており、前記中間層断熱体２９のかさ密度が小さくなっており、該中間層断熱体２９が緩衝帯としての機能を有している。即ち、前記外層断熱体２８と前記内層断熱体３０間で温度差が生じ、熱膨張差が生じたとしても、熱膨張差は前記中間層断熱体２９が変形することで吸収される。又該中間層断熱体２９は断熱材としてかさ密度が小さいので、変形することによって発生する応力も小さく、該中間層断熱体２９自体、及び前記外層断熱体２８、前記内層断熱体３０に発生する応力は小さく、損傷することはない。
【００４４】
尚、上記実施の形態では内壁２５の外周に外壁２３が設けられたが、内壁２５のみとしてもよい。この場合、前記外層断熱体２８に前記ヒータケース２６が設けられる。又、前記内壁２５は３層構造としたが、４層以上の構造であってもよい。
【００４５】
又、前記発熱線３２の形状についても、種々変更が可能であり、例えば図５（Ａ）で示される様に直線帯形状、図５（Ｂ）で示される様に波帯形状、或は図５（Ｃ）で示される様にピッチを任意に変えた矩形波形状等が挙げられる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板を処理する反応室と、該反応室に収納された基板を加熱する加熱装置とを具備する半導体処理装置に於いて、前記加熱装置は発熱体と該発熱体の外周側に断熱層を有し、該断熱層は発熱体側から外周に向って少なくとも３層構造を有し、中間の断熱層のかさ密度が他の層のかさ密度より小さいので、加熱装置の急速加熱、急速冷却を行った場合に、中間の断熱層が熱応力の緩衝帯となるので、断熱体の破損、損傷が防止できるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態で使用される発熱線の形状の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態で使用される発熱線の形状の一例を示す説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の実施の形態で使用される発熱線の形状の一例を示す説明図である。
【図６】従来例の概略断面図である。
【符号の説明】
２          加熱装置
４          反応管
２２        円筒壁部
２３        外壁
２４        間隙
２５        内壁
２８        外層断熱体
２９        中間層断熱体
３０        内層断熱体
３２        発熱線
３３        冷却ガス導入ダクト
３９        空間
４１        主制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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