JPS58135636A - 半導体ウエハ−熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体ウェハーの熱処理装置に関するもので
、特に種々の熱処理を施す製造プロセスにおいて、ウェ
ハーのそりあるいはスリップ転位等の欠陥の発生を防止
する半導体ウェハーの熱処理装置に関するものである。

半導体装置例えば、ＩＣを製造するときにれ。

通常シリコン等の半導体ウェハーをＩＩ数孜互シ１が平
行になるようにボートに並立して設置し、このボートを
筒形反応管にそう人し、反応管軸心にその主面が垂直に
なるようＫして加熱し、半導体ウェハーに所定の熱処理
を行なう。

通常これらの熱処理は高温で行なわれる為に、ウェハー
のそりやスリップ等の転位が生じ、ウェハーの特性不良
の原因となり、半導体装置製造の歩留りを著しく低下さ
せることになる。

従来はこれらそりゃスリップをできる限り＃宏する為に
反応管内に、ボートを出し入れする時には、試料の自動
移動手段（以後オート・ローダ−と記す）を用いて、極
力低速でウェハー・＆−）の、出し入れを行なう等の考
慮がなされて来た。

しかし、処理濃度が高温になると上述の対策では充分で
はなく、転位等の欠陥を、防止することとその温度分布
を示すように、反応管１の長さ方向には、棒状発熱体２
によって作られた、破線で示した均熱帯（１１度が一定
となる領域）を中心として、反応管１０前後方向に向か
って低くなる山形の温度勾配を持っている。その為Ｋｆ
ｆ応管１に半導体ウェハーを挿入、あるいは引き出しを
行なう際には、反応管１に対して前部に置かれた半導体
ウェハーと、後部に置かれたウェハーでは反応管１内の
、温度勾配に従って半導体ウェハー各々の温度が異なっ
ている。

又、第２図に示すように第１図のウェハー・ボート３の
上に置かれた半導体ウェハーＷでは、面内の各点ａ　＋
　ｂ　＋　　ｅ　Ｈｄ　＋では、それぞれの間に温度差
があり、その温度差がそり、スリップ転位等を招く原因
になる。

このウェハー面内に生じる温度差は、従来の熱処理にお
いては不可避と言わなければならなかった０ つまり従来方法では第２図に示す、ウェハーＷの面内の
各点ａｓ　ｂｓ　ｅ、ａ、％にａとＣに生じる温度差Δ
ｔ（ｃはウェハー・ボート３に接触している為に冷却速
度が他の点よりも速く、他の点と比べて相対的に低い温
度となっている）の為にウェハー外周より中心方向に走
るスリップが発生しやすい傾向にあった。

このスリップの発生を極力防止する為に従来方法ではｊ
ｔをなるべく小さくする為にウェハーの出し入れに長時
間を要していた。

しかし実際の半導体製造プ四七スにおいては、プ田七ス
の時間効率、製造コストの低減等の理由から、ウェハー
の出し入れに長時間を要するのは得策ではない。

通常、半導体装置の製造においては、このよう　　　　
　　）□な熱処理が何回も繰返えされるので、ブ田セス
を経るに従い、熱歪み、欠陥の増加をもたらし最終的な
製品の歩留りを著しく低下させることになる。

第３図は、従来装置を模式的に表わしたものである。従
来装置ではウェハーを反応管１に挿入又は、取り出すと
きには、ウェハーを乗せたウェハー、ボート３に石英棒
４の先端を固定し、終端を取り付は金具６に固定し、制
御回路７からの命令により、オート・ローダ−５は半導
体ウェハーを、挿入する際には、石英棒４を一定の速度
で押し、文字導体ウェハーを取り出す際には、一定の速
度で石英棒４を引いて行く。

このような従来装置においては、炉芯管１に、ウェハー
・ボート３を出し入れするとき、第１囚で示したように
反応管１内に存在する温度勾配の為に複数の半導体ウェ
ハーのうち一枚だけについては、最適条件のもとに反応
管１への出し入れが行なわれても、他の多数の半導体ウ
エノ１−については保障のかぎりではなかった。又、第
２図で示した半導体ウェハー面内に存在する温度差を是
正するなんらの対策も施されていなかった。

本発明の目的はこのような従来装置の欠点を除来して、
熱処理を施す為に、豪数の半導体ウェハーを反応管ＩＫ
出し入れするとき、壷数の半導体ウニへ−全てについて
、最適な温度上昇あるいは濃度降下の条件を与え、さら
に各々の半導体ウェハーについては面内の温度差をなく
した熱処理を可能にする熱処理装置を提供するととにあ
る。

本発明によれば炉芯管と骸炉芯管の周りを環状に取りま
くように分割された複数個の独立した発熱体と、該発熱
体ごとに温度を検出する濃度センサーとを備えた電気炉
と、前記炉芯管内に半導体ウェハーを挿入する試料の自
動移動手段と、前記炉芯管内に挿入される半導体ウェハ
ーの面内温度を検出する一対の非接触型温度検出手段と
を備えかつ該非接触型温度検出手段から検出された半導
体ウェハーの面内温度、および前記発熱体ごとに設けら
れた温度センサーからの温度をもとに前記各発熱体およ
び前記試料の自動移動手段を制御する制御手段を備えて
いることを特徴とする半導体ウェハーの熱処理装置が得
られる。

以下図面を用いて本発明を具体的に説明する。

第４図は本装置の概略図を示し、第５図は第４図の発熱
体層辺部を炉芯管の長さ方向から見た図を示し、図中の
ａｌ　〜＆ｍ＋　ｂｔ　〜ｂ、、　ｃｌ　〜（！＠１　
ｄｌ　〜ｄｎ＋ｅｔ〜ｅｌｌ　ｆｌ〜ｆｍ＋ｇｔ〜ｇｅ
ｔ　ｈｘ　−ｈｌｌ　は炉芯管の周りを取り巻く、分割
されたそれぞれ独立した発熱体を示し、各発熱体にはそ
れぞれの発熱体に量も近い炉芯ｆ１の湿度を測定する温
度センサー８１〜Ｓｈｎが具備されていて、温度センサ
ーｓ＆１〜Ｓｈｎによって得られた炉芯管１の各部位の
温度は、制御手段ｌＯに入力される。

第６因は第５図を炉芯管の横方向から見た図を示し、第
６図では第５図で発熱体ａ１〜ｈ、のうちａ　Ｉ　〜ａ
ｎ　！　ｅ　Ｉ　−＠ｔｒ　を図示している。

そして集６図のａ　１−＆ｔ＊　＋　６１〜ｅｆｌ　に
は第５図に図示していなかった各発熱体の具備する温度
センサーより得られた炉芯ｔ１の各点の温度を制御手段
１０に入力するリード線と、制御手段１０より各熱体ａ
１〜ｈｆｉ　に電力を供給するリード線を、それぞれ各
熱体ａ、〜ａ”＋ｅ）〜・１から制御手段１゜に向う矢
印と、制御手段１０から、各発熱体に向う矢印を用いて
表わしている。

第４図に示すように、シリコン７オトセルによって試料
の温度を検知する非接触屋温度センサーに自動焦点調節
機構を具備した非接触湿温度検出手段８，９は、半導体
ウェハ−ＷＪ　、　ｖ、の表面上の任意の点の温度を測
定して、その結果を制御手段１０に入力する。

非接触型温度検出手段８．９には、それぞれ上下・左右
、任意の方向に非接触型温度センサー８゜９を移動させ
る、走査手段（図示せず）を有し、その走査手段の移動
方向と距離は制御手段１０が制御する。

炉芯ｖｌの周辺に環状に取り付けられた。それぞれに温
度センサーを持つ独立した発熱体１１〜−はそれぞれ制
御手段１０により出力された情報によりそれぞれ任意の
温度に設定され、炉芯ｔ１内の任意の位置に任意の大き
さの温度分布を作り出す。

オート・ローダ−５は、制御手段ｌＯより出力された情
報によりオート・ローダ−ＫＡ備したモーターの回転を
制御することにより、オート・ｐ−グー５に接続した石
英棒４を押したり、引いたりする。それによって複数の
半導体ウェハーを乗せたウェハー・ボート３を炉芯管ｌ
内を移動させる。

ｔｉｇ７図は、第４図中制御手段１ｏで示したブロック
図である。

非接触型温度検出手段８，９で測定したウェハＷｊ　、
　Ｗ、の表面温度は、ウェハー表面温度久方部１１に入
力されＡ／Ｄ変換器１２を経て、比較演算部１４に入力
される。

非接触型温度検出手段の走査機構ｌ１ＩＩＩＩ部１３で
は、あらかじめ設定したピッチにより赤外線温度計８は
、それに具備した上下方向の駆動機構１９及び、左右方
向の駆動機構２０．非接触型温度検出手段９は、それに
具備した上下方向の駆動機構２１、左右方向の駆動機構
２２を、それぞれ駆動して、非接触型温度検出手段８，
９を任意の位置く移動させる。

炉芯管温度入力部１５は、独立した発熱体ａ１〜ｈ、に
それぞれの発熱体の温度センサー８１〜ＩＪ。

が接する部位の炉芯管ｌの温度が入力される。炉芯管温
度入力部１５がら入った炉芯管１の温度側室値は、Ａ／
Ｄ変換器１６を経て、比較演算部１４に入力される。

発熱体電力制御部１７では、炉芯管温度入力部１５に入
力された炉芯管１の温度側室値に従って又場合によって
は、比較演算部１４から出力された値によって、各々の
発熱体ａ１〜ｈ、のうち最適な発熱体に供給する電力を
調節する。

オート１１１２−グーの制御部１８はオート−ローダ−
５の駆動機構２ｏを、制御して、ウェハー・ボート３を
炉芯管１内を移動させる。

゛又場合によって比較演算部１４がら出方された値によ
って、オート・四−グー５の移動速度の加減も行う。

比較演算部１４は、ウェハー表面温度については、Ａ／
Ｄ変換器１２を通して非接触型温度検出手段８，９が測
定したウェハーＷ４　、　ＶＢについてそれぞれ表面上
の任意の点の温度が入力され、それによって内部で最適
な演算を行なうことにより熱処理ウェハーＷ１　、　Ｗ
ｇＢ　それぞれについて表面の温度分布、　ｗｌとｗｆ
ｌの個々場所についての温度差を求めることができる。

それによって熱処理ウェハー全体の立体的な温度分布を
求めることができる。

又炉芯管温度に関しては、デ芯管温度入力部１５よりＡ
／Ｄ変換器１６を経て、各々の発熱体が具備した温度セ
ンサーｅａ１〜５ｈｆｌが測定した炉芯管１の各点の温
度測定値に基づき、内部で最適な演算を行なうことによ
って、炉芯管１の長さ方向の温度分布と、それぞれの発
熱体の置かれている炉芯管１の径方向の温度分布を合わ
せた、炉芯管１の立体的な温度分布を作り出すことがで
きる。これら、炉芯管の立体的な温度分布を、その時々
に最適に変化させることにより、熱処理ウェハー全体の
立体的な温度分布が制御され、次に述べる、熱処理ウェ
ハーの挿入、引き出し、熱処理中それぞれに適した形に
、発熱体電力制御部１７に出力する値を変化させること
によって実現される。

次にこれら制御系の動作を熱処理ウェハーの挿入と熱処
理について具体的に説明する。

まず熱処理ウェハーの挿入時は、実際に炉芯管１内にウ
ェハーを挿入する前に、まず発熱体電力制御部１７は熱
処理ウェハーの枚数に従って炉芯管中央部には処理ウェ
ハーの枚数に要する長さよりも、いくぶん長目に均熱ゾ
ーンを作り、さらに均熱ゾーンへのウェハーの挿入方向
から見て手前と向こう側には適当な温度勾配を持たせて
、第１図に示したような炉芯管１の横方向に′台形状の
温度勾配を作り、さらに炉芯管１の径方向については、
炉芯管上部の発熱体ａｌ−ＪＬ、、が相対的に炉芯管１
の下部の発熱体・１〜・ゎよりも高めになるような径方
向の温度勾配を作る。

このときに社、非接触型温度検出手段８，９によるウェ
ハーＷｌ、Ｗゎの表面の温度測定と、その具備した走査
機構（１９〜２２）による、非接触型温度検出手段の駆
動及び、オートローダ−は停止している。

前記した炉芯管１の温度勾配が１発熱体に具備した温度
センサーと、その欄定値によって各々の発熱体に供給を
制御する発熱体電力制御部によるフィード・バック制御
により、完成したとき、熱処理ウェハ−Ｗｉ−ｖ、、を
乗せたウェハーポー）３に石英棒４の一端を固定し、他
の一端を取り付は金具６に固定する。

そして、オート・ｐ−ポー５を設定した移動速度でオー
ト・ｐ−ポー制御部１８によりオート・ｐ−ポー駆動機
構２３を駆動し、熱処理ウェハーＷ】〜ｖ、を炉芯管Ｉ
Ｋそう人する。

それと同時に、非接触型温度検出手段８，９はその具備
した走査機構（１９〜２３）に上り熱処理ウェハーｗ１
〜町の任意の位置の表面温度を次々に測定し、それを比
較演算部１４に出力し、比較演算部１４では、次々に非
接触型温度検出手段８．９より入力されるＷｌ　、　Ｗ
＠の温度測定値よりＷｌ　、　Ｗｌｌの表面の温度分布
を演算により求め１その結果ウェハーＶｒ１　、　Ｗヶ
それぞれの温度分布が一様でなければ、比較演算部１４
では炉芯管１の立体的な温度分布から、発熱体の設定温
度を変更すべき発熱体と、その設定温度を演算により求
めその発熱体と、設定温度を発熱体電力制御１１１７に
出力する。発熱体制御部１７では比較演算部１４より入
力された発熱体と設定温度の情報に従って電力を加減す
べき発熱体が具備する温度センサー８ｍ１〜８ｈ、が測
定した温度の値によって比較演算１Ｂ１４が設定した温
度に到達するように供給する電力を加減して、ＷＩＷ、
の表面の温度分布が一様になるようにし、又ＷＩＷ、の
温度差が常にある一定値内に保つようにするが１発熱体
の温度制御だけでは、前記した、条件が作り出せないと
きには比較演算部１４はオートローダ−制御部に対して
発熱体の温度制御によって前記した条件が作り出される
までの間だけ、オート・曹−ポーの移動速度を遅くする
ような情報をオート・−−ポー制御部１８に出力し、オ
ート・ローダ−制御１１１８では比較演算部１４より入
力された情報に従ってオー）・交−ポー５の移動速度を
遅くする。

以上の動作を熱処理ウェハーＷ１−ＷＢが全て均熱ゾー
ンに到達するまでくり返し、到達した所でオーＦ・ロー
ダ−５は停止する。さらに、熱処理ウェハーＷｌ　　ｖ
、、の面内の温度が均一で、熱処理ウェハーＷ）　Ｗ＠
の温度差がなくなった時に、熱処理が開始される。

熱処理終了後の熱処理ウェハーＷ１〜Ｗ、の取り出し′
については、挿入時と同様の動作を行ない、炉芯管ｌよ
り熱処理ウェハーＷ１〜Ｗ、を全で引き出し、各熱処理
ウェハーｗ１〜Ｗ、及び、ウェハーボート３が充分に冷
却された後、石英棒４を取り付は金具６と、ウェハ−・
ボート３より取りはずす。

以上のような操作で、挿入、熱処理、引き出しの各行程
を行なう本発明による装置では、ウェハーの出し入れ時
には、発熱体１１〜ａ、までの最適な発熱体の集合１群
付近の炉芯管の温度よりも相対的に発熱体ｄ１〜ｄ１ま
での適当な発熱体の集合６群及び発熱体ｆ、〜ｆ、まで
の適当な発熱体の集合ｆ群等の温度を高めることＫより
、ウェハーの出し入れに要する時間を短縮しても、ウェ
ハー面内の温度均一性が保たれ、スリップ等の発生がお
さえられる。

上記の効果により、半導体製造プルセスの時間が短縮さ
れる為に、ＩＯ等の半導体装置の製造コスシの大巾な低
減が実現される。

以上述べた本発明の半導体ウェハーの熱鑑理装置には従
来装置にない次に述べるような顕著な効果が得られる。

１）半導体ウェハーの面内各点の温度を連続的に測定し
、反応管の屑ＨＯ個々の発熱体に、独立した個々の温度
を与える為に半導体ウェハー面内に温度差を作らない。

２）半導体ウェハーの熱処理の際に最前部に位置する半
導体ウェハー及び最後部に位置する半導体ウェハーの双
方の温度を連続的に測定し、反応管周囲の個々の発熱体
に、独立した個々の温度を与える為Ｋｌ）　　と合わせ
て、熱処理ウェハー全てに対し、最適な温度条件のもと
に熱処理が行なえる。　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　Ｉ゛３）更には、半導体ウェハーの
温度検出を反応管の外側で行なう為に非接触型温度検出
手段による反応管、ウェハー・ボート等へＯ汚染ひいて
は、熱処理ウェハーへの汚染を防止する。

又、非接触型温度検出手段が高温にさらされない為に非
接触型温度検出手段の寿命も伸びる等である。

特に上記１）、　２）で述べた効果により、従来装置で
問題となっていた、半導体φエバーのスリップ、そり等
を著しく低減することを可能とし、半導体素子製造の歩
留りの飛皐的な向上をもたらすことができる。

以上ここでは本装置の具体的説明を半導体ウェハーの熱
処理を例に取って行なったが、他の物質のウェハー試料
の熱処理においても有効であることは言を待たない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の炉芯管及びその管内の温度勾配を示す図
。 第２図は半導体ウェハー面内各点に温度差があることを
示す図。 ＆ｒ　ｂｇ　ｅ＠　（１：半導体ウェハー面内の各点。 第３図は従来装置の概略図。 第４図は本装置の概略図。 ｓ　：ｌ路管、３　；ウェハー・ボート、４：石英棒、
５；オーシ・シーダー、６：石英欅取り付は金具、８．
９：赤外線温度針、１０；制御回路、ｗｌｌｗ、−半導
体ウニバー（点は関Ｋｌｌ数の半導体ウェハーが存在す
ることを示す）（図中の矢印は制御回路と各機器間の信
号の流れを示す。）１１５図ならびに第６図は本発明に
おいて反応管周囲に設置された複数の発熱体を示す。 第５図は反応管の長さ方向から見た図、ａｌ〜ｈｎ：発
熱体、８＆１〜ｓｈ、　；発熱体に具備した温度検出機
構。 第６図線反応管の横方向から見た図（図中の矢印は制御
回路と各発熱体間の信号の流れを示す。）第７図は第４
図に示す制御手段ｌＯのブロック図を示し、図中の破線
内拡制御手段１０内部Ｏプリッタ図。 破線外は情報を入力する検出器及び制御手段１０より出
力される情報により制御される器機を示す。 一点鎖線内はそれぞれ非接触型温度検出手段８゜９とそ
の駆動機構を表わしている。 １１；ウェハー表面温度入力部、１２　；　Ａ／Ｄ変換
器、１３；非接触型温度検出手段の走査機構制御部、１
４：比軸演算部、１５；炉芯管温度入力部、（点は多数
の情報が入・出力されることを示す）、１６−ム／Ｄ変
換器（点は多数の情報が入・出力されることを示す）、
１７：発熱体電力制御部（出力部点は多数の発熱体に電
力を供給する供給線を表わす）、１９；非接触型温度検
出手段８に具備した上下方向の駆動機構、２０；非接触
型温度検出手段８に具書した左・右方向の駆動機構。 ２１：非接触型温度検出手段９に具備した上下方向の駆
動機構、２２：非接触型温度検出手段９に具備した左右
方向の駆動機構、２３ニオ−）ジオ　　１　口 ＊７’Ｔ：、管内位置 矛２０ 第３口 第４胆

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炉芯管と該炉芯管の周りを環状に取りまくように分割さ
   れた複数個の独立した発想体と、該発熱体ごとに温度を
   検出する温度センサーとを備えた電気炉と、前記炉芯管
   内に半導体ウェハーを挿入する試料の自動移動手段と、
   前記炉芯管内に挿入される半導体ウェハーの面内温度を
   検出する一対の非接触型温度検出手段とを備え、かつ該
   非接触型温度検出手段から検出された半導体ウェハーの
   面内温度、および前記発熱体ごとに設けられた温度上ン
   す−からの温度をもとに前記各発熱体および前記試料の
   自動移動手段を制御する制御手段を備えていることを特
   徴とする半導体ウェハーの熱処理装置。