(57)【要約】【課題】反応炉内の被処理基板に所定の熱処理を施す熱処理装置において、反応炉内の熱容量を低く抑え、且つ、炉内温度の昇降応答性能を向上することのできる熱処理装置を提供する。【解決手段】チャンバ５は、石英ガラスにより形成され、前記被処理基板Ｗの周囲を囲む第１のベルジャ７と、第１のベルジャ７の外側を覆うと共に、第１のベルジャ７との間に所定の空間層８を形成する第２のベルジャ９と、空間層８のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第１の気圧調整手段１５，１６と、チャンバ５内のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第２の気圧調整手段２，２４と、前記気圧調整手段の駆動制御を行う制御手段２１と、前記空間層８の気圧を検出し、検出信号を制御手段２１に出力する第１の気圧センサＳ１と、チャンバ５内の気圧を検出し、検出信号を制御手段２１に出力する第２の気圧センサＳ２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉を形成するチャンバを備え、前記反応炉内の被処理基板に対し所定の熱処理を施す熱処理装置において、
前記チャンバは、
石英ガラスにより形成され、前記被処理基板の周囲を囲む第１のベルジャと、
前記第１のベルジャの外側を覆うと共に、前記第１のベルジャとの間に所定の空間層を形成する第２のベルジャと、
前記空間層のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第１の気圧調整手段と、前記チャンバ内のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第２の気圧調整手段と、
前記第１の気圧調整手段及び第２の気圧調整手段の駆動制御を行う制御手段と、
前記空間層の気圧を検出し、検出信号を前記制御手段に出力する第１の気圧センサと、前記チャンバ内の気圧を検出し、検出信号を前記制御手段に出力する第２の気圧センサとを備えることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１の気圧センサと前記第２の気圧センサの出力に基づき、前記空間層の気圧と前記チャンバ内の気圧とが等しい状態となるよう前記第１の気圧調整手段及び前記第２の気圧調整手段の駆動制御を行うことを特徴とする請求項１に記載された熱処理装置。
【請求項３】
前記第２のチャンバは、石英ガラスまたは金属により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された熱処理装置。
【請求項４】
前記空間層に配設され、通電されることにより発熱するカーボンワイヤ発熱体を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された熱処理装置。
【請求項５】
前記カーボンワイヤ発熱体は、石英ガラス管に封入された状態で設けられていることを特徴とする請求項４に記載された熱処理装置。
【請求項６】
前記第２のベルジャの内面に熱反射層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された熱処理装置。
【請求項７】
前記第２のベルジャの周囲に冷却水パイプが配設され、水を冷却媒体として前記第２のベルジャ全体が冷却される構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載された熱処理装置。
【請求項８】
前記空間層に配設され、冷水流路となる冷却水パイプを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応炉内の被処理基板に所定の熱処理、プラズマ処理、ＣＶＤ処理、エッチング処理等を施す熱処理装置であって、半導体製造プロセスにおけるウエハ等の熱処理用に好適に使用される熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造プロセスにおいて、半導体ウエハ等の被処理基板を熱処理する場合には、多くの場合、所定の雰囲気が形成された反応炉内で処理が施される。
例えば、図１０に示すように、シリコン単結晶ウエハＷを加熱し、反応ガスにより所定の成膜処理を施す化学気相成長装置５０においては、透明石英ベルジャ５３及びステンレスベルジャ５４により反応炉空間が形成され、反応炉内のサセプタ５２により複数枚のウエハＷが支持される。
そして、反応炉内にガス導入ノズル５１から反応ガスＧが導入されると共に、高周波誘導加熱装置５５によりサセプタ５２が加熱されて、ウエハＷ上に成膜処理が行われる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３１６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、近年では半導体ウエハの大型化により、それを収容する反応炉（ベルジャ）も大型化し、従来よりも発熱量が増加し、発熱にかかるコストが嵩むという課題があった。
また、反応炉の容量増大に伴い、炉内温度の昇降応答性が低下するという課題があった。
【０００４】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、反応炉内の被処理基板に所定の熱処理を施す熱処理装置において、反応炉内の熱容量を低く抑え、且つ、炉内温度の昇降応答性能を向上することのできる熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記した課題を解決するために、本発明に係る熱処理装置は、反応炉を形成するチャンバを備え、前記反応炉内の被処理基板に対し所定の熱処理を施す熱処理装置において、前記チャンバは、石英ガラスにより形成され、前記被処理基板の周囲を囲む第１のベルジャと、前記第１のベルジャの外側を覆うと共に、前記第１のベルジャとの間に所定の空間層を形成する第２のベルジャと、前記空間層のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第１の気圧調整手段と、前記チャンバ内のガスを給排することにより所定の気圧を形成する第２の気圧調整手段と、前記第１の気圧調整手段及び第２の気圧調整手段の駆動制御を行う制御手段と、前記空間層の気圧を検出し、検出信号を前記制御手段に出力する第１の気圧センサと、前記チャンバ内の気圧を検出し、検出信号を前記制御手段に出力する第２の気圧センサとを備えることに特徴を有する。
尚、前記制御手段は、前記第１の気圧センサと前記第２の気圧センサの出力に基づき、前記空間層の気圧と前記チャンバ内の気圧とが等しい状態となるよう前記第１の気圧調整手段及び前記第２の気圧調整手段の駆動制御を行うことが望ましい。ここで、気圧が等しい状態とは、気圧が近似している状態を含み、その場合、前記空間層の気圧は、前記チャンバ内の気圧と前記チャンバ外の気圧の間の範囲にあることが望ましい。
【０００６】
また、前記第２のチャンバは、石英ガラスまたは金属により形成されていることが望ましい。
また、前記空間層に配設され、通電されることにより発熱するカーボンワイヤ発熱体を備えることが望ましい。また、前記カーボンワイヤ発熱体は、金属不純物の付着等を防止するため、石英ガラス管に封入された状態で設けられてもよい。
また、前記第２のベルジャの内面に熱反射層を設け、反応炉への加熱効率を向上させることが望ましい。
また、チャンバを冷却する場合に、前記第２のベルジャの周囲に冷却水パイプが配設され、水を冷却媒体として前記第２のベルジャ全体が冷却される構成であることが望ましく、或いは、前記空間層に配設され、冷水流路となる冷却水パイプを備える構成であってもよい。
【０００７】
このように構成することにより、反応炉の気圧と、その外気となるチャンバにおける空間層の気圧とを等しくすることができ、反応炉の昇降温に要する熱容量を最小限に抑えることができる。
さらには、チャンバの内面側全体から反応炉を効率的に加熱（或いは冷却）することができるため、大型のチャンバであっても、従来より低い発熱容量で、反応炉を迅速に所望の温度に到達させることができる。したがって、昇降温度の反応性が向上し、消費熱容量を低減することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反応炉内の被処理基板に所定の熱処理を施す熱処理装置において、反応炉内の熱容量を低く抑え、且つ、炉内温度の昇降応答性能を向上することのできる熱処理装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る熱処理装置の実施形態について説明する。この実施形態にあっては、本発明に係る熱処理装置を化学気相成長装置に適用した場合を説明する。尚、図１は、前記化学気相成長装置の概略全体構成を示す断面図である。
この化学気相成長装置１は、炉外に設けられた反応ガス供給部２から炉内に反応ガスＧを供給するためのガス導入ノズル３と、このガス導入ノズル３の基部周囲に設置され、被処理基板であるシリコン単結晶ウエハＷを支持するサセプタ４と、サセプタ４及びガス導入ノズル３の周囲を囲み、反応炉２０を形成するチャンバ５とを備える。さらにサセプタ４の下方には主ヒータ部６を備え、サセプタ５上のウエハＷに対し、下方から加熱処理を行うようになされている。
【００１０】
本発明にあっては、チャンバ５の構造に特徴を有するため、その構造について、図１及び図２を用いて詳細に説明する。尚、図２は、チャンバ５の壁構造を示す一部拡大断面図である。
チャンバ５は、内側に透明な石英ガラスにより形成された肉薄（例えば２ｍｍ）の石英ベルジャ７（第１のベルジャ）を有し、その外側には石英ベルジャ７を覆うと共に、石英ベルジャ７との間に所定の空間層８を形成する金属ベルジャ９（第２のベルジャ）を有している。
【００１１】
金属ベルジャ９は、例えばステンレス金属により全体が形成され、その周囲には冷水流路となる冷却水パイプ２５が配設されている。即ち、水を冷却媒体とする水冷方式によりベルジャ本体の冷却がなされる。
したがって、例えばポンプからなる冷水供給部１１の駆動により冷却水パイプ２５に所定温度の冷水が循環することによって、金属ベルジャ９が冷却され、反応炉２０が冷却されるようになされている。
さらに、前記空間層８には、前記石英ベルジャ７の外周面に沿ってカーボンワイヤ発熱体１０が例えば編紐状に配設されている。このカーボンワイヤ発熱体１０は、炉外に設けられた電力供給部１２からの供給電力が通電することにより、所定の温度に発熱するようになされている。
【００１２】
尚、金属ベルジャ９の内面には、図２に示すように熱反射層として例えばアルミナからなり、例えば厚さ０．２ｍｍのセラミックコーティング層９ａが設けられており、カーボンワイヤ発熱体１０による発熱が前記セラミックコーティング層９ａにおいて炉内に向けて反射し、炉内が効果的に加熱されるようになされている。また、セラミックコーティング層９ａを設けることにより、高温となる金属ベルジャ９によるカーボンワイヤ発熱体１０への金属不純物の汚染を防止することができる。
【００１３】
また、前記空間層８には不活性ガスを給排するための給気口１３及び排気口１４が設けられている。給気口１３には、不活性ガス供給部１５（第１の気圧調整手段）から不活性ガスが所定の流量で給気され、不活性ガス排気部１６（第１の気圧調整手段）による吸引動作によって排気口１４から不活性ガスの所定量の排気がなされる。これにより空間８内は不活性ガス流が形成されると共に、所定の気圧に調整される。
【００１４】
また、チャンバ５内に形成された反応炉２０には、前記のように反応ガス供給部２（第２の気圧調整手段）からガス導入ノズル３を介して所定流量の反応ガスＧの供給がなされ、排気口２４（第２の気圧調整手段）から所定流量の排気処理がなされる。これにより、反応炉２０は、所定の気圧に調整される。
【００１５】
さらに、チャンバ５における空間層８と反応炉２０には、その気圧検出を行うために、それぞれ気圧センサＳ１（第１の気圧センサ）、Ｓ２（第２の気圧センサ）が設けられている。それら気圧センサＳ１、Ｓ２による検出信号は、記憶装置や演算部等を具備するコンピュータである制御部２１（制御手段）に出力される。そして、制御部２１においては、各センサＳ１、Ｓ２の出力信号に基づき、各空間８，１８へのガス給気及び排気量を調整し、各空間の気圧が等しくなるよう制御がなされる。
即ち、反応炉２０の気圧が、その外気となるチャンバ５における空間層８の気圧と等しく制御されることによって、前記石英ベルジャ７の肉厚（厚さ寸法）を薄くしても破損等を起こすことが無く、ベルジャの熱容量を小さく抑えることができる。その結果、反応炉２０の昇温に要する熱容量が最小限に抑えられる。
尚、ここで、気圧が等しい状態とは、気圧が近似している状態を含み、その場合、前記空間層８の気圧は、チャンバ５内の気圧とチャンバ５外の気圧の間の範囲にあることが望ましい。
【００１６】
また、主ヒータ部６は、サセプタ４全体を下方から加熱するよう例えば高周波誘導加熱装置のコイル１８が設けられている。
このコイル１８には、例えば、チャンバ５に設けられたカーボンワイヤ発熱体１０と同様に、電力供給部１２により通電がなされ、所定の温度に発熱するようになされている。
【００１７】
また、反応炉空間２０内には、炉内温度を検出する例えば熱電対からなる温度センサＳＴ１が設置され、検出した信号を制御部２１に出力するようになされている。制御部２１は、温度センサＳＴ１の検出信号に基づき、反応炉２０が所定の温度となるよう電力供給部１２及び冷水供給部１１の駆動を制御するようになされている。
【００１８】
このように構成された化学気相成長装置１において、被処理基板であるシリコン単結晶ウエハＷに所定の薄膜を成膜するには、先ず、複数枚のシリコン単結晶ウエハＷをサセプタ４で支持し、チャンバ５で覆うことにより反応炉２０を形成する。
次いで、１回目の昇温処理において、炉内温度が温度センサＳＴ１の検出温度値で例えば１０００℃に達するまでカーボンワイヤ発熱体１０による加熱を行い、続けて温度センサＳＴ１の検出温度が１１５０℃となるまで炉内を昇温する。
【００１９】
このとき、サセプタ４下方の主ヒータ部６だけでなく、チャンバ５の内面側全体から炉内が効率的に加熱され、さらに、反応炉２０における昇降温度の反応性能が低下しないよう、反応炉２０の気圧とチャンバ５における空間層８の気圧とは均衡状態となされる。これにより、反応炉２０は迅速に所望の温度に到達する。
また、金属ベルジャ５が水冷式の冷却機能を有することによって、炉内における過度の温度上昇が抑制され、温度制御がより正確に行われる。
【００２０】
そして、サセプタ４上のシリコン単結晶ウエハＷが略均一温度に加熱され、基板温度が所望の温度に到達すると、反応ガス供給部２からガス導入ノズル３を介して所定流量の反応ガスＧの導入がなされる。
反応ガスＧは、反応炉２０内で分解されて、シリコン単結晶ウエハＷ上にシリコン単結晶薄膜が気相成長される。
【００２１】
以上のように、本発明に係る熱処理装置によれば、反応炉２０の気圧が、その外気となるチャンバ５における空間層８の気圧と等しく制御されることによって、前記石英ベルジャ７の肉厚（厚さ寸法）を薄くしても破損等を起こすことが無く、ベルジャの熱容量を小さく抑えることができる。その結果、反応炉２０の昇温に要する熱容量が最小限に抑えられる。
さらに、主ヒータ部６だけでなく、チャンバ５の内面側全体から反応炉２０を効率的に加熱、或いは冷却する構造であるため、大型のチャンバ５であっても、従来よりも低い発熱容量で反応炉２０を迅速に所望の温度に到達させることができる。したがって、昇降温度の反応性が向上し、消費熱容量を効果的に低減することができる。
【００２２】
尚、前記実施の形態においては、石英ベルジャ７と金属ベルジャ９とにより空間層８を形成したが、本発明にあっては、その構造に限定されるものではない。
例えば、図３に示すように、石英ベルジャ７を覆う別の石英ベルジャ２２を第２のチャンバとして設け、その間に空間層８を形成してもよい。尚、その場合においても、図４に示すように空間層８にカーボンワイヤ発熱体１０を配設し、チャンバ５の内面側全体から反応炉２０を加熱する構造であることが望ましい。また、その場合、外側の石英ベルジャ２２の強度を補強するために、図５に示すように石英ベルジャ２２の外周面を覆う金属ベルジャ９を設けることが望ましく、また、チャンバ５に冷却機能を持たせるため、図６に示すように、その金属ベルジャ９の周囲に冷水流路となる冷却水パイプ２５を配設してもよい。
【００２３】
また、チャンバ５に冷却機能を持たせない場合、図７に示すように、冷却水パイプ２５を配設しない構造としてもよい。
また、図８に示すように、石英ベルジャ７と金属ベルジャ９とにより空間層８を形成し、さらに金属ベルジャ９からカーボンワイヤ発熱体１０への不純物金属汚染防止を目的として、カーボンワイヤ発熱体１０を石英ガラス管２３に封入した状態で設けてもよい。
また、チャンバ５に冷却機能を持たせる構成としては、金属ベルジャ９の周囲に冷却水パイプ２５を配設する構成に限定されず、例えば図９に示すように空間層８において、カーボンワイヤ発熱体１０の間に冷却水パイプ２６を設ける構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、例えば、シリコン単結晶ウエハを加熱すると共に、反応ガスにより基板上に所定の薄膜を成膜する化学気相成長装置等の熱処理装置に関し、半導体製造業界等において好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明に係る熱処理装置を適用可能な化学気相成長装置の概略全体構成を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の化学気相成長装置が備えるチャンバの壁構造を示す一部拡大断面図である。
【図３】図３は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図４】図４は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図５】図５は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図６】図６は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図７】図７は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図８】図８は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図９】図９は、図２に示したチャンバの壁構造の他の形態を示す図である。
【図１０】図１０は、従来の化学気相成長装置の概略全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      化学気相成長装置（熱処理装置）
２      反応ガス供給部（第２の気圧調整手段）
３      ガス導入ノズル
４      サセプタ
５      チャンバ
６      主ヒータ部
７      石英ベルジャ（第１のチャンバ）
８      空間層
９      金属ベルジャ（第２のチャンバ）
１０    カーボンワイヤ発熱体
１１    冷水供給部
１２    電力供給部
１５    不活性ガス給気部（第１の気圧調整手段）
１６    不活性ガス排気部（第１の気圧調整手段）
２０    反応炉
２１    制御部（制御手段）
２４    排気口（第２の気圧調整手段）
Ｓ１    気圧センサ（第１の気圧センサ）
Ｓ２    気圧センサ（第２の気圧センサ）
Ｗ      シリコン単結晶ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010045195.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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