(57)【要約】【課題】ガス導入管や噴出孔への副生成物の堆積を抑制しながらチューブ内の温度不均一を解消することができ、ウェハ面内の反応均一性が高い熱処理装置を提供する。【解決手段】本発明による横型拡散炉は、キャリアガスをプロセス温度付近まで昇温させる昇温管路９と、原料ガス導入管７の噴出孔１０近傍に設けられ、昇温管路９において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構１１を有している。これにより、原料ガスを石英チューブ１の内部に導入する直前にプロセス温度に昇温させることができるため、原料ガス導入管７や噴出孔１０への副生成物の堆積が抑制される。また、プロセス温度に昇温された原料ガスを石英チューブ１に導入することにより、石英チューブ１内の温度不均一を解消することができ、ウェハ面内の反応均一性が高くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を収容する反応室と、キャリアガスとプロセスガスからなる原料ガスを前記反応室に導入する原料ガス導入管と、前記反応室内を所定のプロセス温度に昇温するヒータを備えた熱処理装置であって、
キャリアガスを前記プロセス温度付近まで昇温させる昇温管路と、前記原料ガス導入管の噴出孔近傍に設けられ、前記昇温管路において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記昇温管路は、少なくともその一部が前記ヒータ近傍に前記ヒータに沿って配設されることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記昇温管路は、複数本のパイプ及びこれらを接続する継ぎ手からなることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記パイプ及び前記継ぎ手は、石英からなることを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記パイプと前記継ぎ手は、嵌め合いにより接続されていることを特徴とする請求項３記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記原料ガス導入管の前記噴出孔及び前記混合機構は、前記反応室内の複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記混合機構は、オリフィスを有することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び太陽光発電セル等の製造プロセスにおいて用いられる熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置及び太陽光発電セル等の製造プロセスでは、ウェハの熱酸化や拡散を目的としたプロセスにおいて生産性の高いバッチ処理方式の横型拡散炉が用いられている（図４参照）。横型拡散炉を用いたウェハの拡散プロセスでは、複数のシリコンウェハが石英ボートに装填されて石英チューブ内に横（長手）方向に挿入され、原料ガス導入管の噴出孔から原料ガスが導入される。
【０００３】
一方、上記のようなバッチ処理方式の熱処理装置では、チューブ内に導入される原料ガスの温度がプロセス温度に対して低いため、チューブ内の温度が不均一となり、ガス噴出孔付近のウェハの温度が低くなる。これにより、ウェハ面内における反応均一性が低くなり、ウェハ面内においてシート抵抗や不純物プロファイルといった仕上りにばらつきが生じていた。
【０００４】
原料ガスに起因した装置内の温度不均一を抑制することを目的とした先行例として、例えば特許文献１では、プロセスガスとキャリアガスを装置に導入する前に混合し、混合された原料ガスをガス供給部に導入するプロセス配管の少なくとも一部をテープヒータで加熱し、加熱された原料ガスを装置内に導入するようにしたＣＶＤ装置が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６５５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に提示されたＣＶＤ装置の構成を、拡散プロセスに用いられる熱処理装置に適用した場合、チューブ内の温度不均一は抑制される。しかし、例えばリン拡散プロセスにおいてプロセスガスとして用いられるオキシ塩化リンは、高温になると堆積と拡散が進行するため、原料ガス導入管や噴出孔において副生成物の堆積や拡散反応が進行し、パーティクルの発生による製品性能及び歩留まりの低下、さらに噴出孔の目詰まりによる仕上りのばらつき等の問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ガス導入管や噴出孔への副生成物の堆積を抑制しながらチューブ内の温度不均一を解消することができ、ウェハ面内の反応均一性が高い熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱処理装置は、被処理基板を収容する反応室と、キャリアガスとプロセスガスからなる原料ガスを反応室に導入する原料ガス導入管と、反応室内を所定のプロセス温度に昇温するヒータを備えた熱処理装置であって、キャリアガスをプロセス温度付近まで昇温させる昇温管路と、原料ガス導入管の噴出孔近傍に設けられ、昇温管路において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構を有するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、昇温管路において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構を、原料ガス導入管の噴出孔近傍に設けることにより、原料ガスを反応室に導入する直前に昇温させるようにしたので、原料ガス導入管や噴出孔への副生成物の堆積が抑制されると共に、反応室内の温度不均一を解消することができ、ウェハ面内の反応均一性が高い熱処理装置を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る横型拡散炉内の構成を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る横型拡散炉の昇温管路を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る横型拡散炉の混合機構を示す模式図である。
【図４】従来の横型拡散炉内の構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る熱処理装置について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る熱処理装置であるバッチ処理方式の横型拡散炉を示している。なお、図１では、拡散炉の外形は図示を省略し、炉内の構成を示している。本実施の形態１では、単結晶シリコン太陽電池セルのＮ型シリコン層を形成する目的で行われるリン拡散プロセスに用いられる横型拡散炉について説明する。
【００１２】
横型拡散炉の炉内に設置された反応室である石英チューブ１には、被処理基板である複数のシリコンウェハ２が石英ボード３に装填された状態で収容される。また、炉内には、石英チューブ１内を所定のプロセス温度に昇温するヒータ４、石英チューブ１にキャリアガスを導入するキャリアガス導入管５とプロセスガスを導入するプロセスガス導入管６、及びキャリアガスとプロセスガスからなる原料ガスを導入する原料ガス導入管７を備えている。
【００１３】
キャリアガス導入管５とプロセスガス導入管６は、石英チューブ１内の石英ボード３下方に平行に配置されている（図１では、プロセスガス導入管６は、キャリアガス導入管５の背後にある）。また、石英チューブ１には、チューブ内のガス（酸）を排気する排気管８が設けられている。
【００１４】
さらに、炉内には、キャリアガスをプロセス温度付近まで昇温させる昇温管路９が設けられている。昇温管路９は、少なくともその一部がヒータ４近傍に、ヒータ４に沿って配設され、その管端はキャリアガス導入管５に接続される。すなわち、ヒータ４は、石英チューブ１内をプロセス温度まで昇温する役割と、昇温管路９を流れるキャリアガスをプロセス温度まで昇温する役割を兼ねている。
【００１５】
また、原料ガス導入管７の噴出孔近傍には、昇温管路９において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構１１が設けられている。原料ガス導入管７の噴出孔及び混合機構１１は、石英チューブ１内の複数箇所（図１では５箇所）に設けられ、石英チューブ１内に原料ガスを導入する。混合機構１１については、後に図３を用いて詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態１に係る横型拡散炉の昇温管路９について、図２を用いて説明する。昇温管路９は、複数本の石英パイプ９１及びこれらを接続するＵ型の石英継ぎ手９２から構成される。石英パイプ９１の外径は、石英継ぎ手９２の内径よりも若干小さく形成され、嵌め合いにより接続される。なお、昇温管路９を構成するパイプと継ぎ手の材質は、プロセス温度に対する耐熱性や寿命を考慮して選定され、石英に限定されるものではない。
【００１７】
炉内に設置された昇温管路９は、キャリアガスをプロセス温度の８５０℃付近まで昇温させることができるように、十分な長さを有している。また、石英パイプ９１と石英継ぎ手９２の嵌め合いの隙間からは、キャリアガスが炉内に僅かながら漏れ出す。これにより、炉内は高温のキャリアガスで満たされ、石英ボート３の出し入れの際に石英チューブ１が大気に触れることによる急激な温度変化が抑制される。
【００１８】
次に、本実施の形態１に係る横型拡散炉の混合機構について、図３を用いて説明する。混合機構１１は、キャリアガス導入管５、プロセスガス導入管６、及びオリフィス１２を有する原料ガス導入管７から構成される。オリフィス１２は、その径を調整することにより流体の流量を制御可能なものである。また、オリフィス１２は、キャリアガスとプロセスガスを攪拌する拡散板としての機能も有している。
【００１９】
図３に示すように、昇温管路９において昇温されたキャリアガスは、キャリアガス導入管５を経て混合機構１１に到達し、ここでプロセスガス導入管６から導入された常温のプロセスガスと混合される。これにより、キャリアガスとプロセスガスからなる原料ガスは、プロセス温度付近まで昇温され、オリフィス１２を通って原料ガス導入管７の噴出孔１０から石英チューブ１に導入される。
【００２０】
本実施の形態１に係る横型拡散炉を用いて、Ｎ型不純物であるリンをＰ型シリコン基板に拡散させるリン拡散プロセスを実施した際の動作について説明する。リン拡散プロセスでは、キャリアガスとして窒素（Ｎ２）、プロセスガスとして酸素（Ｏ２）とオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を、例えばＮ２：Ｏ２：ＰＯＣｌ３＝１０：１：２の流量比で混合した原料ガスが用いられる。
【００２１】
石英チューブ１内は、ヒータ４により予めプロセス温度の８５０℃に熱せられている。また、シリコンウェハ２は石英ボード３に装填され、石英チューブ１内に収容されている。キャリアガスである窒素は、昇温管路９を通り、プロセス温度の８５０℃に昇温され、キャリアガス導入管５を経て石英ボート３下方に設けられた混合機構１１に導入される。一方、プロセスガスである酸素とオキシ塩化リンは、それぞれプロセスガス導入管６を通り、常温のまま混合機構１１に導入される。
【００２２】
混合機構１１では、プロセス温度のキャリアガス（窒素）に対し、常温のプロセスガス（酸素とオキシ塩化リン）が少量ずつ混合されるため、キャリアガスとプロセスガスが混合された原料ガスの温度は、ほぼプロセス温度と等しくなる。さらに、原料ガスは、オリフィス１２により十分に混合され、適切な流量に調整されて原料ガス導入管７の噴出孔１０から石英チューブ１に導入される。これにより、石英チューブ１内においてシリコンウェハ２にリンが拡散される。
【００２３】
リン拡散プロセスにおいてプロセスガスとして用いられるオキシ塩化リンは、高温になると堆積と拡散が進行し、ガス配管の目詰まりを引き起こす。このため、本実施の形態１では、石英チューブ１に原料ガスを導入する直前に、プロセス温度に昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合機構１１において混合することにより、原料ガス導入管７及び噴出孔１０への副生成物の堆積を抑制し、目詰まりやパーティクルの発生を防止している。
【００２４】
さらに、本実施の形態１に係る横型拡散炉では、プロセス温度付近に昇温された原料ガスが石英チューブ１に導入されるため、噴出孔１０に近いシリコンウェハ２下部と、噴出孔１０から遠いシリコンウェハ２上部とで温度の差が生じない。このように、石英チューブ１内の温度不均一が発生しないため、拡散の進行が均一に進み、ウェハ面内の反応均一性が高いものとなる。
【００２５】
比較例として、従来の横型拡散炉の構成について図４を用いて説明する。なお、図４中、図１と同一、相当部分には同一符号を付している。従来の横型拡散炉においては、原料ガス導入管１３から導入される原料ガスの温度は、室温から１００℃程度であり、石英チューブ１に導入された後、ヒータ４により加熱され、プロセス温度の８５０℃付近まで昇温されていた。
【００２６】
このため、ガス導入管１３の噴出孔１４に近いシリコンウェハ２下部は、ヒータ４により加熱された原料ガスが接触しやすいシリコンウェハ２の上部に比べて温度が低くなり、拡散の進行がウェハ面内で不均一であった。すなわち、シリコンウェハ２下部では上部に比べて拡散の進行が遅くなり、シート抵抗が高くなっていた。また、不純物プロファイルもウェハ面内においてばらつきが生じていた。
【００２７】
本実施の形態１によれば、昇温管路９において昇温されたキャリアガスと常温のプロセスガスを混合する混合機構１１を、原料ガス導入管７の噴出孔１０近傍に設けることにより、原料ガスを石英チューブ１に導入する直前に昇温させるようにしたので、原料ガス導入管７や噴出孔１０への副生成物の堆積が抑制されると共に、石英チューブ１内の温度不均一を解消することができ、ウェハ面内の反応均一性が高い熱処理装置を得ることができる。
【００２８】
また、昇温管路９を構成する石英パイプ９１と石英継ぎ手９２は、嵌め合いにより容易に組み立てられるため、製造コストが抑えられメンテナンス性にも優れている。また、嵌め合いの隙間からキャリアガスが炉内に漏れることにより、炉内が高温のキャリアガスで満たされ、石英ボート３の出し入れの際の石英チューブ１の急激な温度変化による熱応力が緩和される。これにより、熱応力に起因した石英チューブ１の破損や寿命の低下を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、半導体装置及び太陽光発電セル等の製造プロセスにおいて用いられる横型拡散炉のような熱処理装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  石英チューブ、２  シリコンウェハ、３  石英ボート、４  ヒータ、
５  キャリアガス導入管、６  プロセスガス導入管、７、１３  原料ガス導入管、
８  排気管、９  昇温管路、１０、１４  噴出孔、１１  混合機構、１２  オリフィス、９１  石英パイプ、９２  石英継ぎ手。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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