JPH10223722A - 半導体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ホットウォール式枚葉式熱処理装置において、
取り出し時にウエハ面内に生じる温度分布を低減して、
スリップの発生を抑える。 【解決手段】ウエハを搬送する治具を２分割にして左右
に開閉できる構成とし、反応室の左右の端で予備加熱し
た後、ウエハを取り出し動作をするように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、酸化，アニール，熱ＣＶＤ装置な
どの半導体熱処理プロセスでは、バッチ式装置（縦型拡
散装置，縦型ＣＶＤ装置）が主として使用されている。
しかし、半導体素子の高集積化に対応して、数ｎｍ程度
の非常に薄い酸化膜や浅い拡散層の形成，自然酸化膜の
防止技術が必須になっており、これらの要求に対応する
ためには数分以下の短時間処理に適し、クラスタユニッ
ト化や大口径ウエハへの対応も容易な枚葉式装置が有利
になっている。これらの枚葉式装置では、スループット
を落とさないためウエハを急速に加熱，冷却する必要が
あり、ウエハ加熱にランプを用いることが多い。しか
し、ランプ加熱の装置はウエハの温度均一性が悪い，消
費電力が大きい，ランプ寿命が短い等の問題があった。

【０００３】これらバッチ式装置とランプ加熱の枚葉式
装置の問題を同時に解決する装置として、本発明者らが
特願平7−94419号に示した枚葉式ＣＶＤ装置がある。バ
ッチ式装置と同様に反応室全体を高温のヒータで取り囲
んで加熱するホットウォール式の装置であるため、ラン
プ加熱の問題を解決することができる。この枚葉式ＣＶ
Ｄ装置の反応炉の構造を図７（上方から見た断面図），
図８（側面から見た断面図），図９（ウエハ支持方法の
詳細）を用いて詳細に説明する。複数ゾーンに分割され
た平板状ヒータ１を上下に配置した中に反応管２を備
え、２枚のウエハ３を水平状態で挿入して加熱し、ガス
供給口４からガスを供給しながら、ガス供給口４と反対
側の排気口５から排気して（図の白あるいは黒矢印のよ
うに、ガスはウエハ３に平行に流れる。）、ウエハ３上
に膜を形成する装置である。反応管２の内部には支持板
台２１を設置し、この上にウエハ３を支える支持板８
ａ，８ｂが設けられている。支持板８ａ，８ｂは反応管
２内のほぼ中央に置かれる。支持板台２１には支持板保
持ピン２２が支持板８ａ，８ｂの四隅の位置に設けられ
ている。支持板保持ピン２２は２段階に太さが変わる形
状で、一番下が最も太く、一番上が最も細くなってい
る。下段支持板８ｂは支持板保持ピンの下側の段差に、
上段支持板８ａが上側の段差に引っ掛かって止るように
なっている。支持板８ａ，８ｂの中心にはウエハ３とほ
ぼ同形状，同寸法の開口８４を設け、この開口８４に沿
って設けられた支持ピン８２ａ，８２ｂの上にウエハ３
を保持する。

【０００４】ウエハ３の挿入は次のような手順で行う。

【０００５】(1）ウエハ３を搬送治具１１で１枚ずつ支
持し、これを上下に重なった状態で２個ならべ、反応管
２の外側で待機する。

【０００６】(2）一方のゲートバルブ１０ａを通して搬
送治具１１に載せられた状態でウエハ２枚同時に反応管
２の内部に挿入され（挿入速度１００mm／min 以上）、
所定の位置に停止する。

【０００７】(3）搬送治具１１が下降してウエハ３を支
持板８ａ，８ｂに移載する。

【０００８】(4）搬送治具１１のみ反応管２から取り出
す。

【０００９】(5）支持板８に移載された後、ウエハ３は
上下のヒータ１によって加熱処理される（酸化処理，Ｃ
ＶＤ成膜処理，アニールなど）。

【００１０】ウエハ３を移載するため、支持板８ａ，８
ｂには搬送治具１１が上下に動く位置にスリット８１が
設けられている。この枚葉式ＣＶＤ装置と類似形状の酸
化では、図１０に示すように矩形のウエハ支持板を用い
る代わりに、反応管２内に設置した支持台２１に直接ウ
エハを載せて処理するようにしている。ウエハ３の取り
出しは挿入手順と全く反対の手順で行う。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
の２枚のウエハを水平に保持して処理する枚葉式ＣＶＤ
装置を用いて、約９００℃以上の温度でウエハにスリッ
プを発生させることなく処理を可能にすることにある。
熱応力によるスリップの問題は９００℃以下の比較的低
温で処理することが多い熱ＣＶＤプロセスでは問題にな
らなかったが、処理温度が９００℃以上となる酸化，ア
ニール，エピタキシャル成長プロセスでは顕著になって
いた。

【００１２】スリップ発生はウエハ面内に生じる温度分
布によって発生する。ウエハ面内にはウエハ挿入時と取
り出し時に大きな温度分布が生じると考えられるが、検
討を進めた結果、スリップは主としてウエハ取り出し時
に発生していることがわかった。これは、ウエハの降伏
応力が温度の上昇に伴って指数関数的に減少するのに対
して、取り出し時にウエハ面内の温度差が最大になる時
のウエハ平均温度が、挿入時のそれに比べて高いためで
ある。取り出し時には低温の搬送治具（通常、処理中は
反応室の外側で室温の状態で待機している。）が高温の
ウエハに接近あるいは部分的に接触し、ウエハが局所的
に冷却されて大きな温度分布が生じる。図１１は高温に
加熱されたウエハを取り出すため、搬送治具を反応炉内
に入れた時のウエハ面内の温度分布を解析した結果であ
る。横軸は、ウエハを搬送する方向に直角方向の位置で
（ウエハ中心を０）、縦軸はウエハ温度である。数十℃
の温度差がウエハ面内に生じることがわかる。この結果
を元に、搬送治具を入れて５秒後の温度分布からウエハ
に生じるせん断応力(シリコンのすべり方向の成分)を概
算したところ、最大で１０ＭＰａ程度の値になった。こ
れは、シリコンの降伏せん断応力が１０００℃で１〜１
０ＭＰａの範囲にあることから、スリップが発生する限
界を越えていることがわかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決し、ホ
ットウォール式の枚葉式熱処理装置でスリップを低減す
るには、取り出し時に搬送治具に接近あるいは接触する
ことによってウエハの温度が局所的に低下するのを防ぐ
ことが必要になる。

【００１４】このため、ウエハを取り出す時にあらかじ
め搬送治具をウエハに近い温度まで予備加熱した後、ウ
エハに近づけるようにすることで解決できる。ただし、
反応室の中で予備加熱する時には、放射伝熱によりウエ
ハが冷えない位置で加熱する必要がある。すなわち、図
で説明した枚葉式ＣＶＤ装置の場合、ウエハと直接対面
しない反応管の左右の端で搬送治具を予備加熱し、その
後ウエハを取り出す動作をするように構成する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。図１は本発明の第１の実施例の特徴を最も
良く示す図で、ウエハ３を反応管２から取り出す時の様
子を示したものである。なお、図中には説明に必要な構
成要素のみを示し、ヒータ等は省略した。図２は支持板
８の、図３は搬送治具１１の拡大図である。搬送治具１
１は左右２分割してある。この２分割した搬送治具１１
は図示しない搬送治具移動機構に固定され、ウエハ３を
炉内に出し入れするための水平移動、ウエハ３を支持板
８に置く（あるいはすくい上げる）ための垂直移動に加
えて、左右に開閉する動作が可能としてある。支持板８
は従来装置と特に違いはないが、２分割した搬送治具１
１の開閉動作を妨げないように、ウエハ３を挿入する側
のスリット８１は一箇所に限定される。

【００１６】ウエハ３の挿入は、従来技術のところで説
明した方法と全く同じ手順で行われる。挿入時はウエハ
３の温度が低いので搬送治具１１の温度も低くてもかま
わない。一方、ウエハ３の取り出しも基本的に挿入と反
対の手順で行われるが、以下の点が異なる。すなわち、
図１（ａ）に示すようにウエハ３を取り出すために搬送
治具１１を反応管２内に入れる時、搬送治具１１はウエ
ハ３の外周を通るウエハ表面に対する法線と、反応管２
の内壁面で作られる円柱領域内にいずれの部分も入らな
いような位置に入れる。この実施例では反応管２の左右
（ウエハ３を挿入する方向の前後として）の端の位置に
入れる。この状態で搬送治具１１の温度がウエハ３の温
度をほぼ等しくなるまで加熱し、その後、図１（ｂ）に
示すように、ウエハ３をすくい上げるためににウエハ３
の下に搬送治具１１を移動する。そして、搬送治具１１
を中央に移動し（閉動作）、上方向に移動してウエハ３
をすくい上げた後、反応管２の外に取り出す。このよう
に、搬送治具１１は低温の状態で反応管２内に入れられ
るが、ウエハ３と直接対面しない位置に入れるために急
激にウエハ３を急冷することがない。このため、ウエハ
面内に生じる温度分布に起因したスリップ発生を防止す
ることができる。

【００１７】次に、搬送治具１１の予備加熱時間につい
て説明する。搬送治具１１は可能な限りウエハ３の温度
に近づくまで予備加熱する方が望ましいが、それには非
常に長い時間が必要になる。搬送治具１１の温度が１０
０℃でウエハ３を取り出そうとした時の熱応力が１０Ｍ
Ｐａ程度になることは従来技術のところで述べた。これ
に対して、搬送治具１１の温度が８００℃では熱応力は
約１／２に９００℃では約１／４に低減されることが、
簡単な放射計算から容易にわかる。ここでは、搬送治具
１１を８００〜９００℃まで加熱することを基準とし
て、搬送治具１１の予備加熱時間について検討する。図
４は反応管２内に搬送治具１１を入れた時の温度変化を
計算した結果である。これは搬送治具１１の放射率と大
きさ（ウエハ３に接触する先端部分の幅Ｗと厚さＨ）を
変更した場合の、搬送治具１１の温度変化を比較した図
である。計算は１０００℃の反応室内に搬送治具１１を
入れたと仮定しており、放射伝熱のみを考慮して求めて
いる。この結果からわかるように、搬送治具１１の温度
上昇は放射率の大きさによって変化するが、概略800℃
まで上昇するのに３０〜６０秒かかっている。放射率を
高くすると温度上昇が速くなるため、搬送治具１１の材
質は石英などより、ＳｉＣ，アルミナ，セラッミク，シ
リコンなどの不透明な材料が望ましく、石英を使用する
場合には表面に放射率の高い材料をコーティングする方
が良い。コーティング材料としては、シリコン，ＳｉＣ
などが良く、これらのコーティングはＣＶＤプロセスに
よって行うことができる。ただし、搬送治具１１の材質
は高温に耐え得る材質であれば良く、上に説明した材料
だけに限定を加えるものではない。以上説明したよう
に、予備加熱時間は搬送治具１１の形状，材質（放射
率）によって最適な値が変化する。このため、搬送治具
１１の設計に際しては、これらのパラメータを最適化す
る必要があることは言うまでもない。最適な設計をすれ
ば、３０秒以下の予備加熱時間で搬送治具１１の温度を
９００℃程度に上げることができる。この程度の時間で
あれば、スループットの大幅な低下を引き起こさないで
済む。

【００１８】図５には、搬送治具１１の予備加熱時間を
より短縮するための工夫をした実施例を示す。搬送治具
１１の中に搬送治具加熱ヒータ１２が組み込まれてお
り、これを用いて予め搬送治具を加熱しておくことがで
きる。あるいは、搬送治具１１自体がヒータであっても
良い。例えば、ＳｉＣなどの材料はヒータとして使用で
きるので、これらの材料で搬送治具１１を製作すれば良
い。なお、この搬送治具１１に搬送治具加熱ヒータ１２
を組み込む場合には、ウエハ挿入時には、搬送治具１１
の温度を下げ挿入前のウエハ３と概略同じ温度に温度コ
ントロールし、その状態で反応管２内にウエハ３を挿入
する。ウエハ３を取り出す時には、反応管２内で熱処理
されているウエハ３の温度とほぼ等しい温度に加熱して
取り出しを行う。図６は酸化，アニール装置の場合の実
施例を示す。図１に記載したＣＶＤ，エピタキシャル成
長装置では、化学反応によりウエハ３表面に膜を形成す
る必要があるため、成膜速度の均一性を上げる目的で矩
形の支持板８にウエハ３を載せていたが、酸化，アニー
ル装置ではこれが不要であるため、単なるリング状の支
持台２０を用いている点に違いある。ウエハ３の取り出
し方法や手順は全く同じである。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、ホットウォール式の枚
葉式拡散，酸化，アニール，ＣＶＤ，エピタキシャル成
長装置において９００℃以上の温度でウエハを処理して
も熱応力に起因したスリップの発生を大幅に低減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の枚葉式ＣＶＤ装置の反
応炉内にウエハを挿入、あるいは取り出す途中の状態を
表す斜視図。

【図２】本発明の第１の実施例の支持板の形状を示す斜
視図。

【図３】本発明の第１の実施例の搬送治具の形状を示す
斜視図。

【図４】搬送治具を反応炉内に入れた時の温度変化の解
析結果を示すグラフ。

【図５】内部にヒータをいれた搬送治具を示す斜視図。

【図６】本発明の第１の実施例の枚葉式酸化装置の反応
炉内にウエハを挿入、あるいは取り出す途中の状態を表
す斜視図。

【図７】従来の枚葉式ＣＶＤ装置の反応炉を上から見た
断面図。

【図８】従来の枚葉式ＣＶＤ装置の反応炉を側面から見
た断面図。

【図９】従来の枚葉式ＣＶＤ装置の反応炉のウエハの支
持方法を示す側面から見た断面図。

【図１０】従来の枚葉式酸化装置の反応炉内からウエハ
を取り出す途中の状態を示す斜視図。

【図１１】従来の枚葉式ＣＶＤ装置の反応炉を用いてウ
エハを処理する場合に、ウエハ取り出し時のウエハの温
度分布の解析結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１…ヒータ、２…反応管、３…ウエハ、４ａ，４ｂ…ガ
ス供給口、５ａ，５ｂ…排気口、７…断熱材、８，８
ａ，８ｂ…支持板、８１…スリット、８２…支持ピン、
８４…開口、９ａ，９ｂ…フランジ、１０ａ，１０ｂ…
ゲートバルブ、１１ａ，１１ｂ…搬送治具、１２…搬送
治具加熱ヒータ、２０…支持台、２１…台座、２２…保
持部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応炉中にウエハを概略水平に挿入して処
   理する半導体処理装置において、上記ウエハの上記反応
   炉内への挿入と取り出しをする搬送機構と上記搬送機構
   の先端に取り付けられ、複数分割された搬送治具と、上
   記搬送治具を概略水平方向に開閉する機構を有したこと
   を特徴とする半導体処理装置。
2. 【請求項２】請求項１において、上記ウエハを上記反応
   炉から取り出す際に上記搬送治具を上記ウエハの端に立
   てた表面あるいは裏面に対する法線と上下のヒータ面に
   よって囲まれた範囲に入らない位置に挿入し、この位置
   で概略上記ウエハと同じ温度に達するまで加熱した後、
   上記ウエハを取り出す動作を行う半導体処理装置。
3. 【請求項３】反応炉中にウエハを概略水平に挿入して処
   理する半導体処理装置において、上記ウエハの上記反応
   炉内への挿入と取り出しをする搬送機構と上記搬送機構
   の先端に取り付けられ、さらにその内部にヒータを組み
   込んだ搬送治具を有し、上記ヒータを発熱させ上記搬送
   治具を概略上記ウエハと同じ温度になるように加熱した
   状態で上記ウエハを上記反応炉から取り出すことを特徴
   とする半導体処理装置。