縦型炉アニールとは

縦型炉アニールとは、縦に立てた石英の反応管へウェーハを水平のまま何十枚も積み上げ、ロットごとまとめて温度履歴を与える熱処理です。 バッチアニール、炉アニールとも呼ばれます。炉は昇温にも降温にも時間がかかり、1枚あたりの熱の総量は大きくなります。それでも1回に100枚以上をまとめて処理できるので1枚あたりの処理時間は短く、量産で使われ続けています。使いこなしの要は、何十枚に同じ温度と雰囲気をそろえることです。

熱を受ける時間は長くても、1枚あたりの処理時間は短い

1枚のウェーハが熱を受ける時間と、1枚あたりの処理時間は別の量です。成膜の方式は枚葉式とバッチ式に分かれ、KOKUSAI ELECTRICは、数十枚以上をまとめて扱えるバッチ式が、1枚ずつ処理する枚葉式を生産性で上回るとしています。熱酸化もバッチでまとめて行えるので生産性が高い¹とされています。

枚数は装置の仕様で決まります。KOKUSAI ELECTRICは200mmウェーハ対応のVERTEX Revolutionに、175枚を一度に収める高生産性炉と100枚を一度に収める低天井対応炉をオプションとして用意し²、酸化、拡散、アニール（低温、高温、超高温）に対応するとしています。小さな基板向けでは、ワイエイシイデンコーのバッチ式縦型アニール炉が6インチまでの基板を1バッチ25枚または50枚で処理する³仕様です。1回の加工時間をこの枚数で割ったものが1枚あたりの時間で、炉の採算はここから出てきます。

成膜した膜を後から整える熱処理もあります。KOKUSAI ELECTRICは、成膜後にプラズマや熱を加えて膜中の不純物を除き、粒子を安定させて膜質を改善する技術⁴をトリートメント技術と呼んでいます。

縦型の形は、横型炉の出し入れの問題から決まった

酸化・アニール・LP-CVDには、もともと横型炉が使われていました⁵。寝かせた石英ボートに100〜150枚のウェーハを立てて並べ、それごと円筒形の石英反応管へ入れ、外側のヒーターで全体を同じ温度に保つ構造です。

横型炉には問題が三つありました。一つ目は、ボートを石英管へ差し込むときのこすれでパーティクルが出ることです。二つ目は、こすれを避けるカンチレバー方式に替えても、高温で石英がたわんで変形するため、ボートと石英管を頻繁に交換する必要があったことです。三つ目は、差し込むときに一緒に入る大気で自然酸化膜が成長し、微細化の障害になり始めたことです。

横型炉と縦型炉の出し入れ

横型炉はボートを横から差し込むので、挿入するときにこすれと大気の巻き込みが起きます。縦型炉は水平に積んだウェーハを真下から入れ、ボートを回して面内をそろえます。

そこで、反応管を縦に置き、ウェーハを水平に載せたボートを真下から持ち上げて入れる縦型炉が開発されました。発想は高純度のシリコン単結晶を作るフローティングゾーン炉に由来し、1960年代にはドイツのHelmut-Seier社が酸化・拡散・CVDに使った例がありました⁵。1980年代初めには米国Tempress社が初めて縦型拡散炉を開発しましたが、当時は横型炉の問題が深刻ではなく、置き換わりませんでした。

1980年代中頃には日立と国際電気（現KOKUSAI ELECTRIC）が共同で開発し、1986年に酸化・拡散・CVD用の縦型炉としてVERTEXシリーズが発売されました。利点は、微細なパーティクルの減少、ウェーハを回転させる機構による面内均一性の大幅な向上、ウェーハの自動移載のしやすさ、設置面積の縮小、石英部品の交換頻度の低下です。

レシピは、ボート全体の温度と炉内の酸素をそろえる

炉のレシピは、温度ゾーンの設定、ボートの昇降と搬送、炉内のガス置換、降温と取り出しの手順で構成します。KOKUSAI ELECTRICのバッチ装置には、温度制御、自動搬送、真空・ガス置換、冷却、成膜の各技術が使われています²。VERTEX Revolutionには、雰囲気制御によって大気中の酸素濃度や湿度に敏感なプロセスに対応するオプションもあります。

ワイエイシイデンコーのバッチ式縦型アニール炉は、制御温度の上限が1000℃、温度精度はボート内の上中下3点で±1℃、昇温時の行き過ぎは1℃未満としています³。炉内の雰囲気はN2、O2、H2、真空から選び、到達酸素濃度は10ppm未満です。温度はボートの上中下の3点で、雰囲気は流すガスの種類に加えて残る酸素の量で管理する仕様です。

ボート内で管理する値

ボートの上・中・下の3点で温度を±1℃に収め、炉内に残る酸素を10ppm未満まで下げます。

雰囲気が結果を左右する理由は、横型炉の歴史に表れています。横型炉で困っていたのは挿入時に巻き込む大気で、それが自然酸化膜として膜になりました。炉に入れる前後で何を吸わせるかは、レシピの温度と同じくらい結果を左右します。

温度の目安は、同じ炉で行う他の工程からわかります。1960年代前半には、酸化の際に800〜1,100℃程度に加熱した炉へ酸素または水蒸気を含んだ酸素を流して、シリコン酸化膜を形成していました⁶。炉は、この温度域を長時間保つための装置です。

測るものは分布です。炉は一度に多数枚を収めるため、良し悪しは1枚の値よりも、ウェーハ内とウェーハ間の広がりに出ます。均一性を面内・ウェーハ間・ロット間の三段で管理する考え方が、そのまま炉の管理と重なります。

欠点は熱の総量、失敗の規模、待ち時間

第一の欠点は熱の総量です。サーマルバジェットはウェハプロセスで熱を加える工程の総和で、活性化アニール、酸化、CVDなどの処理温度と処理時間で決まります⁷。高温でも処理時間が短ければ小さく、低温でも長ければ大きくなります。注入したドーパントがどれだけ拡散するかはその後のサーマルバジェットで決まり、拡散を抑えるにはサーマルバジェットを減らす必要があります。炉は時間の側を大きく使うため、工程の後段ほど使いにくくなり、RTAやレーザアニールが使われます。

温度と時間の組み合わせ

温度が高くても短時間ならサーマルバジェットは小さく、温度が低くても長時間なら大きくなります。炉の長い温度履歴は後者の側にあります。

第二の欠点は、失敗したときの規模です。KOKUSAI ELECTRICのVERTEX Revolutionでは、1回に100枚または175枚が同じレシピで処理されます。温度やガスがずれると、損失の単位は1枚からロット全体へ広がります。まとめて処理して得た生産性は、そのまま損失の単位にもなります。

第三は待ち時間です。昇温、保持、降温を含めた1回が長いため、サイクルタイムの面では不利になります。急ぎのロットを1枚だけ先に通す使い方は、枚葉の装置に譲ります。

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よくある質問（FAQ）

縦型炉アニールとは何ですか？

縦に立てた石英の反応管の中へ、ウェーハを水平に保ったまま何十枚も積み上げ、ロットごとまとめて温度履歴を与える熱処理です。ウェーハを水平に載せたボートを、真下から持ち上げて反応管へ入れます。

なぜ縦になったのですか？

横型炉の困りごとを消すためです。横型ではボートと石英管がこすれてパーティクルが出るのを避けられず、高温で石英がたわむため部品を頻繁に取り替える必要がありました。差し込むときに巻き込む大気が自然酸化膜を育て、微細化の障害にもなり始めていました。

一度に何枚くらい流せますか？

装置と炉の仕様で決まります。KOKUSAI ELECTRICは200mmウェーハ対応のVERTEX Revolutionに、175枚を一度に収める高生産性炉と100枚を一度に収める低天井対応炉をオプションとして用意しています。6インチまでの基板を扱う小型のアニール炉では、1バッチ25枚または50枚の仕様もあります。

RTAと比べて何が有利ですか？

1枚あたりの処理時間です。熱処理をバッチでまとめて行えるため生産性が高く、1回で数十枚から百枚以上を処理するので、1回の時間を枚数で割ると1枚あたりの時間は短くなります。

縦型炉アニールの欠点は何ですか？

熱の総量と、失敗したときの規模です。サーマルバジェットは処理温度と処理時間で決まり、低温でも処理時間が長ければ大きくなって、注入したドーパントの拡散を進めます。1回のレシピをロット全体で共有するため、条件がずれるとロット全体が影響を受けます。

現場では何を動かしますか？

温度ゾーンの設定、ボートの昇降と搬送、炉内のガス置換、降温と取り出しの手順です。管理する値は、ボートの上中下で測る温度のばらつき、昇温時の行き過ぎ、炉内に残る酸素の濃度です。

炉はアニール専用ですか？

炉は複数の工程で共用します。KOKUSAI ELECTRICグループはLP-CVD、酸化、アニール（低温、高温）、拡散、ALDに対応した装置を提供しています。同じ構造の炉で、流すガスと温度履歴を変えて別の工程を行います。

比較・違いを学ぶ

• RTA（急速熱処理）とは── 1枚ずつ、時間を短くして熱を抑える方式
• 拡散炉とは── 同じ炉が酸化や成膜も担う点
• 熱バジェット（熱予算）とは── 炉で大きくなる熱の総量の指標

関連用語

• 拡散炉とは
• 熱処理（半導体製造）とは
• 熱バジェット（熱予算）とは
• RTA（急速熱処理）とは
• 石英部材とは
• LPCVD（減圧CVD）とは
• 均一性（面内・ウェーハ間・ロット間）とは
• ロットとは

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出典

7件を表示

1. 1
   SCREENセミコンダクターソリューションズ：初心者のための半導体入門「成膜工程」screen.co.jp ↩
2. 2
   KOKUSAI ELECTRIC：製品・サービス情報kokusai-electric.com ↩ab
3. 3
   ワイエイシイデンコー：縦型アニール炉 VFシリーズyac-denko.co.jp ↩ab
4. 4
   KOKUSAI ELECTRICの強みkokusai-electric.com ↩
5. 5
   日本半導体歴史館：縦型炉shmj.or.jp ↩ab
6. 6
   日本半導体歴史館：1960年代前半 横型拡散炉による熱酸化膜及び気相拡散へ移行shmj.or.jp ↩
7. 7
   日新イオン機器：イオン注入ディクショナリー「サーマルバジェット」nissin-ion.co.jp ↩