热处理装置和热处理方法 【技术领域】
本发明涉及对被处理体供给处理气体同时进行热处理的热处理装置和热处理方法。
背景技术
在半导体器件的一个处理工序中，有根据被称为减压CVD(Chemical vapor deposition)处理的方法，在被处理体上进行成膜的处理。作为进行这样的成膜处理的装置，例如使用图9所示的立式热处理装置。该立式热处理装置对被处理体以批量方式进行热处理。具体地说，立式热处理装置包括石英制的内管11和外管12的双重管构成的圆筒状的反应管10。将保持多个被处理体的半导体晶片(以下称为晶片)W的晶片载置部件13从反应管10的下方侧运入反应管10内。反应管10内经由排气管14由未图示的真空泵进行真空排气，形成减压环境。另一方面，在反应管10内导入处理气体。未图示的加热器包围反应管10的侧周边。通过该加热器地加热来进行晶片W的成膜处理。
在成膜处理例如是氮化硅膜的成膜处理情况下，作为处理气体，例如使用氨(NH3)气和二氯硅烷(SiH2Cl2)。下面简单说明这种情况下的气体供给系统。氨气从气体供给源15a经由气管16a供给到反应管10内，而二氯硅烷气从气体供给源15b经由气管16b供给到反应管10内。再有，为了延长外管12的维修周期，在内管11和外管12之间，将作为排放气体的氮气从气体供给源15c经由气管16c供给。Vc1和Vc2是阀门，Mc是流量调节部。在气管16a中，从上流侧起依次插入设置阀门Va1、流量调节部Ma和阀门Va2。在气管16b中，同样插入设置阀门Vb1、流量调节部Mb和阀门Vb2。
可是，上述处理气体是有害的。因此，在成膜处理结束后处理过的晶片W直接从反应管10取出时，反应管10内和与其连通的处理气体供给用的气管16a、16b内残留的有害的处理气体有流出到外部的危险。因此，在成膜处理结束后，将氮气从气体供给源15c作为置换气体(排放气体)流入气管16a、16b，可用氮气置换残存的处理气体。
具体地说，气管16c在流量调节部Mc的上流分支成四条分支路径17a、17b、18a、18b。分支路径17a和18a连接到相对于气管16a的流量调节部Ma的上流侧和下流侧，分支路径17b和18b连接到相对于气管16b的流量调节部Mb的上流侧和下流侧。在分支路径17a中，设置阀门Va3，在分支路径17b中，设置阀门Vb3，在分支路径18a中从上流侧起依次插入设置流量调节部Md和阀门Va4，在分支路径18b中从上流侧起依次插入设置流量调节部Me和阀门Vb4。
如以上那样，对于处理气体供给用的气管16a、16b，分别通过两个线路进行氮气的供给。其理由在于，处理气体的流量调整范围小，流量调节部Ma、Mb的最大流量小。即，分支路径18a、18b设置用于确保氮气的流量。
作为除去处理气体的方法，发明人例如研究了图10所示的方法。首先，在成膜处理结束的时刻t1，停止向气管16a和16b的全部气体供给。由此，处理气体向排气路径14侧排出，以使至此的13.3Pa(0.1torr)的处理压力减压至0.133Pa。但是，处理气体排出的速度缓慢地下降。因此，为了将反应管10内的压力临时上升到原来的处理压力，提高氮气分子和处理气体分子的碰撞概率，开始向气管16a和16b供给氮气(t2时刻)。由此，反应管10内残留的处理气体的稀释率下降至1.0×10-2。然后，处理气体向排气路径14侧排出(t3时刻)，以一气地减压。然后，如果再次开始向气管16a和16b供给氮气(t4时刻)，则处理气体的残存浓度变为1.0×10-4左右。通过重复进行这样的升降压，反应管10内的处理气体的稀释率下降到安全基准值以下的例如1.0×10-14。
但是，在这样的稀释处理中，例如需要近30分钟的较长时间。这是因为要在从热处理装置本体分离的场所设置能耗系统(用力系)，在其中设置气体供给单元。即，从气体供给单元至热处理装置本体的过渡配管长，所以为了去除残存于该部分中的处理气体，需要花费较长时间。由此，从晶片W的成膜处理结束至运出晶片W花费较长时间，成为生产率下降的主要原因之一。
【发明内容】
本发明是基于这种情况的发明，其目的在于，在对被处理体供给处理气体来进行热处理的热处理装置和热处理方法中，提供可以缩短从被处理体的运入至运出的所用时间的技术。
本发明提供一种热处理装置，其特征在于包括：将被处理体被运入和运出的反应容器；用于将处理气体导入所述反应容器内的处理气体导入部；与所述处理气体导入部分别设置，用于将置换气体导入所述反应容器内的置换气体导入部；用于排出所述反应容器内的气体的排气部；以及控制部，其与所述处理气体导入部、所述置换气体导入部和所述排气部连接，控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时低，接着控制所述处理气体导入部和所述置换气体导入部，停止所述处理气体的导入，将置换气体导入所述反应容器内，同时控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时高，接着控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时低。
根据这样的特征，可以在短时间内结束反应容器的气体置换处理，可以迅速地转移到被处理体的运出工序。
所述处理气体导入部优选包括：处理气体流路，其用于将处理气体导入所述反应容器内；以及第1开闭部件，其设置在所述反应容器的附近，进行所述处理气体流路的开闭；所述控制部可控制所述第1开闭部件。
所述排气部优选包括：排气路径，其用于排出所述反应容器内的气体；以及压力调整部件，其设置在所述排气路径中，调整所述排气路径的开闭，从而调整所述反应容器内的压力，所述控制部可控制所述压力调整部件。
这种情况下，热处理装置优选还包括：旁通路径，其相对于所述处理气体流路的所述第1开闭部件的上流侧部分和所述排气路径迂回连接于所述反应容器；以及第2开闭部件，其进行所述旁通路径的开闭。
这种情况下，优选在相对于所述处理气体流路的所述旁通路径的连接部的上流侧部分，设置用于将置换气体导入所述处理气体流路内的副置换气体导入部。
优选是所述副置换气体导入部包括：副置换气体流路，其用于将置换气体导入所述处理气体流路；以及第3开闭部件，其进行所述副置换气体流路的开闭。
优选是所述控制部还连接到所述第2开闭部件和所述第3开闭部件，控制所述第1开闭部件和所述第3开闭部件，停止所述处理气体的导入，将置换气体导入所述处理气体流路内，使该处理气体流路内为升压状态，接着控制所述第2开闭部件，通过所述旁通路径来排出所述处理气体流路内的气体。
根据这样的特征，例如在对反应容器进行被处理体的运入运出期间，可以进行处理气体流路内的气体置换处理。因此，提高生产率。
本发明提供一种热处理方法，其使用热处理装置对被处理体进行热处理，该热处理装置包括：将被处理体被运入和运出的反应容器；用于将处理气体导入所述反应容器内的处理气体导入部；与所述处理气体导入部分别设置，用于将置换气体导入所述反应容器内的置换气体导入部；以及用于排出所述反应容器内的气体的排气部，该热处理方法的特征在于包括：第1减压工序，其在热处理结束后实施，控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时低；升压工序，其在第1减压工序后实施，控制所述处理气体导入部和所述置换气体导入部，停止所述处理气体的导入，将置换气体导入所述反应容器内，同时控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时高；以及第2减压工序，其在所述升压工序后实施，控制所述排气部，使所述反应容器内的压力比热处理时低。
本发明提供一种热处理方法，其使用热处理装置对被处理体进行热处理，该热处理装置包括：将被处理体被运入和运出的反应容器；用于将处理气体导入所述反应容器内的处理气体导入部；与所述处理气体导入部分别设置，用于将置换气体导入所述反应容器内的置换气体导入部；以及用于排出所述反应容器内的气体的排气部，所述处理气体导入部包括：用于将处理气体导入所述反应容器内的处理气体流路；以及设置在所述反应容器附近，对所述处理气体流路进行开闭的第1开闭部件，所述控制部可控制所述第1开闭部件，所述排气部包括：用于排出所述反应容器内的气体的排气路径；以及压力调整部件，其设置在所述排气路径中，调整所述排气路径的开闭，从而调整所述反应容器内的压力，所述控制部可控制所述压力调整部件，还包括：旁通路径，其相对于所述处理气体流路的所述第1开闭部件的上流侧部分和所述排气路径迂回连接于所述反应容器；以及对所述旁通路径进行开闭的第2开闭部件，在所述处理气体流路的相对于所述旁通路径的连接部的上流侧部分，设置用于将置换气体导入所述处理气体流路内的副置换气体导入部，所述副置换气体导入部包括：用于将置换气体导入所述处理气体流路内的副置换气体流路；以及对所述副置换气体流路进行开闭的第3开闭部件，其特征在于，该方法包括：升压工序，其控制所述第1开闭部件和所述第3开闭部件，停止所述处理气体的导入，将置换气体导入所述处理气体流路内，使该处理气体流路内为升压状态；以及排气工序，其在所述升压工序后实施，控制所述第2开闭部件，通过所述旁通路径来排气所述处理气体流路内的气体。
【附图说明】
图1是表示本发明的热处理装置的一实施方式的概略构成图。
图2是表示图1的反应容器的纵剖面图。
图3是表示图1的反应容器的横剖面图。
图4是说明氮气导入用的气管前端部的纵剖面图。
图5是说明图1的热处理装置作用的说明图。
图6是说明图1的热处理装置中，从反应容器排出处理气体的处理特性图。
图7是说明图1的热处理装置作用的说明图。
图8是说明图1的热处理装置作用的说明图。
图9是表示现有技术的热处理装置的概略构成图。
图10是说明现有技术中，从反应容器排出处理气体的处理特性图。
【具体实施方式】
图1是表示本发明的热处理装置的一实施方式的整体概略图。本实施方式的立式热处理装置包括反应容器2。图2是表示反应容器2的纵剖面图。图2所示的反应管21例如由石英构成。该反应管21例如为内管22和外管23构成的双重管构造。外管23以与内管22同轴地形成适当间隔来设置。外管23的上端被堵塞，其下方侧气密性地连接金属性的筒状体的歧管24。另一方面，内管22的上端开口。内管22被支撑在突出形成在歧管24的内周面上的支撑环25上。
被处理体的晶片W架状地载置在晶片载置部件(保持器具)27上。载置部件升降机26将晶片载置部件(保持器具)27从歧管24下方侧的开口部运入内管22内。内管22形成被处理体的晶片W的热处理环境。在载置部件升降机26中，设置可堵塞歧管24下方侧的开口部的盖体28。此外，将隔热体29a以包围反应管21的周围来设置。在隔热体29a的内壁面上，设置例如电阻加热体构成的加热器29b。隔热体29a和加热器29b构成加热炉29。
用于将处理气体和置换气体等导入反应容器2内的多个气体导入管(在图中为了简便而描述了一个)贯通歧管24的支撑环25的下方部位。为了沿内管22的内侧面供给所述气体，将气体导入管的前端部向上方弯曲。在本实施方式中，气体导入管与作为气体流路的气管5、6和作为置换气体流路的气管7相当。另一方面，在歧管24的支撑环25的上方部位的周面上形成排气口30。此外，为了防止对内管22和外管23的薄膜附着，氮气导入用的气管4贯通歧管24的支撑环25的上方部位。
在排气口30中，气密地连接形成排气部的排气管3。在该排气管3上，通过压力调整部件31连接真空泵32。压力调整部件31由调整排气管3的开度的合适部件构成。控制部100根据由测定反应容器2内的压力的压力计101获得的压力测定值，对压力调整部件31进行控制，即进行排气管3的开度调整。再有，控制部100不仅进行压力调整部件31的控制，还进行本实施方式中使用的所有阀门的控制。
下面参照图3来说明用于将气体导入内管22内侧的多个气体导入管。如图3所示，气体导入管例如设置三根。其中的两根是形成处理气体流路的气管5、6，另一根是形成置换气体流路的气管7。气管5、6通过设置于反应容器2附近的阀门组件51、61，连通到各自的前端部50、60。各前端部50、60向内管22的内侧突入。如图1所示，阀门组件51是将作为第1开闭部件的阀门51a和作为第2开闭部件的阀门51b组合的组件。同样，阀门组件61是将作为第1开闭部件的阀门61a和作为第2开闭部件的阀门61b组合的组件。
阀门51a、61a分别对气管5、6进行开闭。阀门51b、61b分别对从气管5、6的相对于所述阀门51a、61a的上流侧部分分支合流到(连接)排气管3的旁通路径52、62进行开闭。再有，两个旁通路径52、62在中途(连接到排气管3之前)合流，在排气管3的连接点P1被连接。
这里，再次参照图3，说明气管7。气管7通过设置于反应容器2附近的阀门71连通到前端部70。前端部70向内管22的内侧突入。
阀门组件51、61和阀门71例如固定在设置于反应容器2附近的共用固定部件20上。再有，虽然这里进行了省略，但在反应容器2中，除了上述气管4～7以外，例如用于除去附着在内壁上的附着物的清洁气体导入管等也突入设置在内管22的内侧。
可是，例如在成膜处理结束后，如果从气管7将大量的氮气导入反应容器2，则有因该氮气的压力使反应容器2内的微粒飞扬的危险。因此，气管7的前端例如优选由特开平2000-58530号公报中记载的陶瓷多孔层覆盖。陶瓷多孔层例如是图4所示的二氧化硅多孔层9。如图4所示，该二氧化硅多孔层9构成为上端被堵塞的筒状体，通过与气管7的前端焊接而被固定。二氧化硅多孔层9的厚度例如为10～50mm。
下面参照图1，说明上述配管系统即气管4、5、6、7的基端侧的结构。气管4和气管7都被设置用于向反应容器2内供给氮气。因此，这些气管4和7的基端都通过阀门4a，共同地连接到氮气供给源4b。在气管4的阀门41和阀门4a之间，还插入设置阀门42和流量调节部43。此外，在气管7的阀门4a和阀门71之间，也插入设置阀门72和流量调节部73。
气管5例如是供给氨(NH3)气的气管，气管6是供给二氯硅烷(SiH2Cl2)气的气管。气管5的面对阀门组件51的基端侧通过阀门53、流量调节部54和阀门55，连接到氨气的气体供给源56。气管6的面对阀门组件61的基端侧通过阀门63、流量调节部64和阀门65，连接到二氯硅烷气的气体供给源66。在气管5和6中，分别连接从气管4的阀门4a和流量调节部43之间分支的作为副置换流路的分支路径8a和8b。由此，在气管5和6中，可从氮气供给源4b导入氮气。
分支路径8a的前端连接到气管5的流量调节部54和阀门55之间的P2点。分支路径8b的前端连接到气管6的流量调节部64和阀门65之间的P3点。在分支路径8a中，插入设置相当于第3开闭部件的阀门81。在分支路径8b中，也插入设置相当于第3开闭部件的阀门82。这些分支路径8a和8b都是例如在热处理过程结束，阀门55、65关闭后，用于将气管5、6中残留的处理气体和氮气进行置换的分支路径。
下面，对于上述装置的作用，举例说明成膜氮化硅膜的情况。例如，将150片晶片W呈架状地载置在晶片载置部件27上。该晶片载置部件27由载置部件升降机26从设置于歧管24下方侧的开口部被运入到内管22内。该开口部由盖体28气密性地密封。接着，通过加热器29b，将反应管21内例如加热到760°C左右。然后，通过调节排气流量，将反应管21内的压力例如调节到133×10-1Pa(1.0×10-1Torr)。另一方面，通过气管5和气管6，分别供给作为处理气体的氨气和二氯硅烷气，对晶片W进行成膜处理。
该成膜处理的气体流动示于图5。在图5中，流通状态用实线表示，非流通状态用虚线表示。如图5所示，在气管5和6中流通处理气体。而在气管4内，如上所述，流通用于防止因处理气体的反应而产生的反应生成物附着在外管23内壁上的氮气。另一方面，如图所示，气管7因阀门72关闭而不流通氮气。而且，因阀门81和阀门82关闭，在分支路径8a和8b的各阀门81、82的下流侧也不流通氮气。并且，在成膜处理时，在气体流通的气管5，6的任一个中，阀门组建51，61中的分支路侧的阀门51b，61b均关闭。因此，真空泵32的吸力仅作用在反应管21侧。此时，控制部100对压力调整部件31进行控制，以使反应容器2内维持上述处理压力、例如133×10-1Pa(1.0×10-1Torr)。
下面，参照图6～图8，说明成膜处理结束后排出反应容器2内和气管5及6内残留的处理气体的工序。图6表示反应容器2的内部压力的时间性变化，同时是兼用标记处理气体的残存浓度(稀释率)的特性图。如图6所示，如果在t1时刻结束成膜处理，则阀门55和65关闭，停止对气管5、6的处理气体的流通。而且，如果阀门51a和61a关闭，则使压力调整部件31完全打开(参照图7)。由此，反应容器2内急剧地转移到减压状态。此时，反应容器2内的压力例如维持133×10-3Pa(1.0×10-3Torr)。
接着，在t2时刻，一旦压力调整部件31关闭，阀门71就打开，开始从气管7导入氮气。然后，将置换气体和反应容器2内残留的处理气体进行置换(继续反应容器2的排气)，同时将反应容器2内的压力提高到成膜处理以上的压力。该升压工序的目的在于，将氮气导入反应容器2内，提高反应容器2内的压力，提高残存的处理气体分子和氮气分子的碰撞概率。由此，在后面进行的减压工序时，可排出更多的处理气体。在该升压工序中，来自气管7的氮气一气地流入反应容器2内。这里，如果在气管7的气体出口设置二氧化硅多孔层9，则氮气均匀地扩散，可大流量导入，而不卷起反应容器2内的微粒。反应容器2例如升压到133×102Pa，处理气体的稀释率例如变为1.0×10-2。
为了与处理气体进行置换，在导入充分量的氮气时间、例如将上述升压的压力状态维持5分钟左右后，在t3时刻，使压力调整部件31平稳。由此，使反应容器2内减压，直至与例如前面进行的第一次减压工序时相同的133×10-3Pa。由此，处理气体与氮气一起排出。通过重复进行这样的升降压，可将反应容器2内的处理气体的稀释率减低到例如可打开反应容器2的安全稀释率以下的例如1.0×10-14左右。然后，在压力调整部件31为关闭状态下，将氮气从气管7导入反应容器2内，使反应容器2内返回到大气压。然后，使晶片载置部件27下降。再有，维持该减压状态的时间例如为5分钟左右。
在反应容器2内残留的处理气体的稀释率下降到安全稀释率以下的例如1.0×10-14后，在该反应容器2内开始返回到大气压时，与此并行地开始将处理气体供给用的气管5、6内残留的处理气体置换为氮气的作业。即，在反应容器2侧进行晶片载置部件27的下降和晶片载置部件27的晶片W的运出等，同时进行气管5、6内的处理气体的置换处理。
具体地说，如图8所示，从图7的状态起关闭阀门71，停止对反应容器2的氮气供给。另一方面，阀门81和阀门82打开，氮气从分支路径8a、8b向气管5、6导入。此时，在阀门组件51、61中，阀门51a、51b和阀门61a、61b双方关闭，旁通路径52、62和气管5、6之间不流通(连通)。因此，通过从上流侧供给的氮气的压力，气管5内和气管6内被一气地加压。然后，在管内压力例如上升到两个大气压的时刻，阀门51b、61b打开，气管5、6和旁通路径52、62连通。由此，管内残留的处理气体与氮气一起向排气管3侧流出。重复进行基于氮气导入的加压和排气的气管5、6的升降压工序，直至处理气体浓度下降到固定值。
根据上述实施方式，在处理气体供给用的气管5、6的各个反应容器2附近位置，设置作为第1开闭部件的阀门51a、61a。因此，将成膜处理结束后应该排出内部的处理气体的空间分离，首先使反应容器2内成为减压状态，接着将氮气从气管7导入反应容器2内，使反应容器2内形成比热处理时的压力高的压力，然后，再次使反应容器2内成为减压状态。由此，反应容器2内的气体置换处理在短时间内结束，可以迅速地转移到晶片W的运出工序。热处理结束后，直至反应容器内的处理气体浓度变为安全基准值以下的时间，在使用例如现有技术描述的图9所示装置的顺序时约为25分钟，而在本实施方式的顺序时约为15分钟。
根据本实施方式，在进行晶片W的移载期间，进行作为处理气体流路的气管5、6的气体置换处理。因此，就气管5、6的气体置换处理时间来说，对生产率不产生影响。再有，除去气管5、6的残留气体，对于良好地进行后面的热处理是有效的。
就分离的处理气体流路的气体置换处理来说，在应进行气体置换的区域内导入大量的置换气体而使该区域内升压，在短时间内提高处理气体和置换气体的分子之间的碰撞概率，然后将该升压状态急剧地转移到减压状态。因此，与通常进行抽真空时相比，可以在短时间内完成处理气体的置换。而且，通过重复进行这样的升降压，可进一步提高该效果。
此外，在热处理后阀门51a、61a打开的状态下，也可以实施首先进行抽真空后，同时关闭阀门51a、61a，并将置换气体导入反应容器2内，使其压力比热处理时高的工序。
在上述实施方式中，反应容器2使用双重管构造，但本发明例如也可以应用于使用单管构成的反应容器的装置。