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縦型拡散装置の高精度熱処理技術の開発

縦型拡散装置の外観写真と概略図

図1 縦型拡散装置の外観写真と概略図

定常時の熱処理内温度分布

図2 定常時の熱処理内温度分布

ウェーハ挿入時の温度分布変化

図3 ウェーハ挿入時の温度分布変化

非接触ウェーハ温度計測システム

図4 非接触ウェーハ温度計測システム

1.概要

 半導体製造プロセスでは,シリコンウェーハを1000°Cに加熱し,酸化膜形成,アニールを行う.半導体の高集積化,微細化の達成のため,熱処理設備において,熱処理ばらつき低減,クリーン化の向上が必須である.本技術開発では,熱流体シミュレーション,流れ可視化実験,放射温度計測技術の研究により,新方式の縦型熱処理技術を開発した.ガス流れ系については,予熱した処理ガスを装置の上部に供給し,装置内を下方に流す方式が,外気混入量低減,乱れ発生防止の点で優れていることを見出し採用した.また,ウェーハ挿入時の温度変動を低減し,かつ熱処理時のウェーハ温度ばらつきを低減するため,ヒータ寸法と発熱制御の最適条件を見出し採用した.開発した縦型装置は従来の横型装置に比較して,ウェーハ温度ばらつきを1/10に低減できると共に,ごみを含んだ外気が装置内に混入する量を1/1000に低減できるものであり,高精度な熱処理を可能とした.本装置は,4M,16MDRAMメモリー半導体の生産設備の主流として,世界中の半導体製造ラインで実用されている.

2.技術の内容

 2・1 縦型拡散装置  開発した縦型拡散装置の外観写真と概略図を図1に示す.移載機によってカセットから取り出したシリコンウェーハ(直径150mm程度の円板)を,石英製ボートに一定間隙で並べる.ウェーハを乗せた石英製ボートを電気ヒータ加熱の熱処理室に挿入し,約1000°Cに数十分間加熱する.熱処理室内には処理ガス(N2,O2など)を流し,シリコン基板中への不純物(B,P,Asなど)の拡散,結晶の損傷の回復,熱酸化膜の形成などを行う.

 2・2 ガス流れ系の最適化  従来の横型装置では,ウェーハ挿入時の外気混入と装置内での自然対流による温度ばらつきのために,高精度化に限界があった.ガス流れの可視化実験により,装置の下方にウェーハ挿入口を設け,処理ガスを予熱して装置の上部に供給し,装置内を下方に流す方式が,ウェーハ挿入時の外気混入量低減,装置内の乱れ発生防止と温度分布低減の点で優れていることを見出し採用した.その結果,ごみを含んだ外気が装置内に混入する量を15ppm以下とし(従来の横型装置では2%),クリーンで高精度な熱処理を可能にした.

 2・3 ヒータ寸法,発熱制御の最適化  図2に定常時の熱処理内温度分布の解析結果を示す.4ゾーンに分割した各ヒータ(U,CU,CL,L)の長さと発熱量を最適化することにより,熱処理室内の温度ばらつきを±0.5°C以内にした(横型装置では±5°C).また,ヒータ全長を均一温度領域の長さ(均熱長)の1.4倍以下にし(横型装置では約2.5倍),装置の小形化と省電力化を行った.

 図3にウェーハ挿入時の温度分布変化の解析結果を示す.ウェーハ挿入に合わせて各ヒータの発熱量を最適に制御することにより,ウェーハ温度がオーバシュートすることなく短時間で熱処理温度に達するようにして,熱処理ばらつきを低減した.

 2・4 クり一ン放射温度計測システム  石英製プリズムの反射を利用し,ウェーハからの熱放射を熱処理室の外部に設けた放射温度計に導く方式の非接触ウェーハ温度計測システムを開発した(図4).シリコンが不透明で放射率の温度変化がない波長0.9μmを測定波長とするもので,精度2°Cで測定できる.温度計測技術,熱制御技術は半導体製造ラインのFA化のキーテクノロジとなっている.

3.まとめ

 開発した縦型拡散装置は,高精度な熱処理を可能とし,クリーン化,小形化の点で優れており,4M,16MDRAMメモリー半導体の生産他化設備の主流として,世界中の半導体製造ラインで実用化され,半導体の高集積化,微細化を推進した.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1993年、平澤茂樹((株)日立製作所)、高垣哲也(同左)、鈴木増雄(国際電気(株))、木枝茂和((株)日立製作所)、鳥居卓爾(日立工機(株))に日本機械学会賞(技術賞)を贈った。

文献

[1] 平澤茂樹,木枝茂和,渡辺智司,鳥居卓爾,高垣哲也,内野敏幸,「縦形半導体拡散装置におけるウエハ温度分布の解析」,日本機械学会論文集, Ser.B, Vol.57, No.543, pp.3938-3943, 1991.

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キーワード

熱処理、半導体製造、シリコンウエーハ、縦型拡散装置、流動方式、最適化、ばらつき低減、クリーン化
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