(57)【要約】【課題】被処理物の面内温度を均一に冷却することによって、被処理物の品質を向上することができる枚葉式熱処理装置を提供する。【解決手段】この枚葉式熱処理装置１は、平板状の被処理物２を１枚ずつ収容する処理室３と、前記処理室３の外面３１に対して所定の間隔をおいて設けられ、前記処理室３の外面３１から加熱することによって前記処理室３内の前記被処理物２を間接的に加熱する加熱体４と、前記処理室３の上面３１ａ及び下面３１ｂと前記加熱体４との間に形成された上下の流通路５ａ，５ｂと、この各流通路５ａ，５ｂに冷却媒体７を流通させることによって前記被処理物２を間接的に冷却する冷却手段とを備えている。前記冷却手段は、上側流通路５ａと下側流通路５ｂとで逆向きの流れとなるように冷却媒体７を流通させるものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の被処理物を１枚ずつ収容する処理室と、
前記処理室の外面に対して所定の間隔をおいて設けられ、前記処理室の外面から加熱することによって前記処理室内の前記被処理物を間接的に加熱する加熱体と、
前記処理室の上面及び下面と前記加熱体との間に形成された上下の流通路と、この各流通路に冷却媒体を流通させることによって前記被処理物を間接的に冷却する冷却手段とを備えた枚葉式熱処理装置において、
前記冷却手段は、上側流通路と下側流通路とで逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させることを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項２】
前記処理室と前記加熱体との間に形成される上下の流通路には、複数の板状の仕切板が間挿され、当該流通路が仕切板によって複数の分割通路に間仕切りされていることを特徴とする請求項１に記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項３】
隣り合う前記分割通路には、互いに逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させることを特徴とする請求項２に記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項４】
前記複数の分割通路の内、前記被処理物の中央側の中央分割通路が、その外側の外側分割通路より冷却媒体の流量が多くなるように流量制御されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の枚葉式熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、枚葉式熱処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや表示デバイス等の製造においては、被処理物として、例えば、円板状の半導体ウェハに、酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の処理を施すために、各種の熱処理装置が用いられている。この種の熱処理装置として、例えば、半導体ウェハを１枚ずつ処理する枚葉式熱処理装置が知られている。この枚葉式熱処理装置は、半導体ウェハの面内均一な熱処理及び急速な昇降温を要する熱処理が比較的容易にできることから、半導体ウェハの大径化に伴い、多く使用されるようになっている。
【０００３】
半導体ウェハは、枚葉式熱処理装置によって、所定の温度で加熱されて熱処理が施され、加熱によって高温となった半導体ウェハは、その後冷却されて取り出される。
この半導体ウェハの熱処理において、半導体ウェハには、品質として、例えば、平坦度が要求される。この平坦度を得るためには、半導体ウェハの冷却時において、半導体ウェハの径方向に温度差が生じない（面内温度が均一）よう冷却することが重要となる。
【０００４】
一方、半導体ウェハのスループットの向上やサーマルバジェットの低減も重要な要素とされる。この対策としては、加熱された半導体ウェハの冷却する温度の時間当たりの変化（温度勾配）を大きくする必要がある。しかし、温度勾配を大きくすると、半導体ウェハの面内温度の均一性が得にくくなる。このように、半導体ウェハの品質の保持とスループットの向上及びサーマルバジェットの低減とは、相反関係にあり、両立させるのは困難とされている。
そこで、面内温度を均一に冷却しつつ冷却効率を向上させた冷却手段として、特許文献１に記載のものが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−３７８３３号公報（第１，２図）
【０００６】
この枚葉式熱処理装置は、内部に被処理物を１枚ずつ収容する処理室と、この処理室の上面もしくは下面又は上・下両面に対向するように配設され、処理室内に収容された被処理物を加熱する加熱体と、処理室を冷却する冷却手段とを備えている。この冷却手段は、同一平面内において屈曲したパイプ状に形成された吹き出しパイプ体を有しており、その片面側に複数個の冷却媒体の吹き出し孔が分配して穿設されている。このパイプ体は、処理室の壁面と加熱体との間に介設されており、吹き出しパイプ体の一端部が冷却媒体の供給源に流路接続されている。このように、処理室の壁面と加熱体との間に介設されたパイプ体から、至近距離で処理室の壁面に冷却媒体が吹き付けられることによって、面内均一の冷却と、冷却効率の向上とが図られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の枚葉式熱処理装置は、半導体ウェハを出し入れする入口側の冷却速度が、入口と反対側の冷却速度より速くなる傾向があり、半導体ウェハの面内温度を均一にするように冷却すると、逆に半導体ウェハの面内温度の差が拡大する場合があった。
また、パイプ体が長くなるに伴い、パイプ体の内部で冷却媒体が加熱されるため、冷却媒体の供給源に近い孔から吹き出る冷却媒体の温度と、最も遠い孔から吹き出る冷却媒体の温度とが異なり、半導体ウェハの面内温度の均一を図ることが困難な場合が多かった。
更に、半導体ウェハの面内温度を均一に冷却するには、冷却媒体の流量、パイプ体の径、パイプ体の形状、吹き出す孔の径、孔のピッチ、パイプ体と処理室との距離等、非常に多くのパラメーターを制御する必要があった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、平板状の被処理物の面内温度を均一に冷却することによって、被処理物の品質を向上することができるとともに、スループットの向上、サーマルバジェットの低減を図ることができる枚葉式熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平板状の被処理物を１枚ずつ収容する処理室と、前記処理室の外面に対して所定の間隔をおいて設けられ、前記処理室の外面から加熱することによって前記処理室内の前記被処理物を間接的に加熱する加熱体と、前記処理室の上面及び下面と前記加熱体との間に形成された上下の流通路と、この各流通路に冷却媒体を流通させることによって前記被処理物を間接的に冷却する冷却手段とを備えた枚葉式熱処理装置において、前記冷却手段は、上側流通路と下側流通路とで逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させることを特徴とする。
本発明によれば、上側流通路と下側流通路とで逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させるので、被処理物の面内温度を均一に維持しつつ、被処理物を効率的に冷却することができる。
【００１０】
また、前記処理室と前記加熱体との間に形成される上下の流通路には、複数の板状の仕切板が間挿され、当該流通路が仕切板によって複数の分割通路に間仕切りされているのが好ましい。
この場合には、処理室と加熱体との間に形成される流通路が、仕切板によって間仕切りされているので、冷却媒体が上側流通路と下側流通路とで逆向きに流れる境界となる部分の流速低下を防ぐとともに、その流れを整流することができる。
【００１１】
更に、前記処理室と前記加熱体との間に形成される上下の流通路には、複数の板状の仕切板が間挿され、当該流通路が仕切板によって複数の分割通路に間仕切りされ、隣り合う前記分割通路には、互いに逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させるのが好ましい。
この場合には、互いに隣り合う分割通路に互いに逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させるので、被処理物の面内温度を均一に維持しつつ、被処理物を効率的に冷却することができる。
【００１２】
また、前記複数の分割通路の内、前記被処理物の中央側の中央分割通路が、その外側の外側分割通路より冷却媒体の流量が多くなるように流量制御されているのが好ましい。
この場合には、より一層被処理物の面内温度を均一に維持しつつ、被処理物を効率的に冷却することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）に、第一実施形態に係る枚葉式熱処理装置の正面断面図を示し、図１（ｂ）に同側面断面図を示す。
この枚葉式熱処理装置１は、被処理物２として、例えば、円板状の半導体ウェハに、酸化、拡散、ＣＶＤ、アニール等の熱処理を施すもので、半導体ウェハ２を１枚ずつ加熱し、そして冷却することができる。
【００１４】
枚葉式熱処理装置１は、一端が開放された有底筒状の処理室３と、処理室３の開放側Ａを塞ぐ蓋体（図示せず）と、処理室３の外面３１に対して所定の間隔をおいて設けられた加熱体４と、処理室３と加熱体４との間に形成された流通路５と、流通路５に冷却媒体７を供給する冷却手段９とを備えている。
処理室３は、例えば、石英ガラス等の耐熱性素材で構成されており、半導体ウェハ２を１枚ずつ収容することが可能で、その内部には、半導体ウェハ２を載置できるように、支持部３３が設けられている。蓋体は、半導体ウェハ２を出し入れするために設けられており、処理室３に開閉自在に取り付けられている。
【００１５】
加熱体４は、熱源として、例えば、電磁誘導加熱タイプのものが採用されており、電磁誘導作用によって発熱する発熱部４１と、発熱部４１の外周を取り巻く断熱材４２と、断熱材４２の外周を取り巻く鉄芯４３と、鉄芯４３内に所定の間隔で配列されたコイル４４と、コイル４４に接続された高周波電流供給手段（図示せず）とを有している。
流通路５は、処理室３の上面３１ａと加熱体４との間に形成された上側流通路５ａと，処理室３の下面３１ｂと加熱体４との間に形成された下側流通路５ｂとを備えており、処理室３の開放側Ａからその反対側Ｂに亘って形成されている。
冷却手段９は、冷却媒体７として、例えば、冷却エアーをエアー供給機構（図示せず）によって、上側流通路５ａの上側供給部６ａと下側流通路５ｂの下側供給部６ｂとに、配管６ｃを介してそれぞれ供給するものである。
【００１６】
この枚葉式熱処理装置１による半導体ウェハ２の熱処理は、高周波電流供給手段によって高周波電流が加熱体４に供給され、コイル４４から磁力線が発生し、発熱部４１に渦電流が生じて発熱する。そして、発熱部４１が電磁誘導によって発熱することによって、処理室３の外面３１を通して、その輻射熱によって処理室３内の半導体ウェハ２が間接的に加熱される。
一方、加熱された半導体ウェハ２の冷却は、エアー供給機構によって、流通路５に冷却エアーが供給され、高温の発熱部４１と処理室３の外面３１とが冷却される。そして、処理室３が冷却されるに伴って、処理室３内の半導体ウェハ２が間接的に冷却され、半導体ウェハ２の熱処理が完了する。
【００１７】
上記した半導体ウェハ２の冷却時において、冷却エアー７は、上側流通路５ａにおいて処理室３の開放側Ａからその反対側Ｂへ流れ、下側流通路５ｂにおいては、上側流通路５ａと逆向きに流れる。
つまり、冷却エアー７が上側流通路５ａと下側流通路５ｂとで対向して流れることによって、半導体ウェハ２の径方向の温度差が小さく抑えられている。従って、半導体ウェハ２の面内温度を均一に維持しつつ冷却することが可能である。また、流通路５を流れる冷却エアー７の流量を制御することで、冷却速度の制御や面内均一冷却の最適化を容易に行うことが可能である。
【００１８】
図２に、本発明の第二実施形態に係る枚葉式熱処理装置１の正面断面図を示す。
この枚葉式熱処理装置１は、処理室３と加熱体４との間に形成された流通路５に、例えば、石英ガラスからなる板状の仕切板８が複数間挿されている。仕切板８は、図１における処理室３の開放側Ａからその反対側Ｂまでの流通路５の全長に亘って間挿されており、この仕切板８によって流通路５が複数の分割通路５１に間仕切りされている。
こうすることにより、冷却エアー７の流れを整流できるとともに、対向流の境界となる部分の流速低下を防ぐことができるので、半導体ウェハ２の冷却効果をより一層高めることができる。また、間挿された仕切板８によって、冷却エアーと接触する面積が増大し、熱交換性が向上するので、半導体ウェハ２を冷却する時間を短縮することができる。
【００１９】
半導体ウェハ２の冷却時には、各分割通路５１に冷却エアー７がエアー供給機構によって供給される。この時、変形として、隣り合う分割通路５１には、例えば、互いに冷却エアー７の流れが対向して流通させるようにしても良い。このように、隣り合う分割通路５１で冷却エアー７の流れが対向することで、より一層半導体ウェハ２の面内温度を均一に保持しつつ冷却することができる。
【００２０】
また、この枚葉式熱処理装置１の分割通路５１は、仕切板８によって、例えば、半導体ウェハ２の径方向内方側に位置する中央分割通路５１ａと、半導体ウェハ２の径方向外方側に位置する外側分割通路５１ｂと、半導体ウェハ２の周縁側に位置する外縁分割通路５１ｃとに間仕切りされている。この半導体ウェハ２の径方向内方側に位置する中央分割通路５１ａを流通する冷却エアー７の流量は、外側分割通路５１ｂ及び外縁分割通路５１ｃを流れる冷却エアー７の流量よりも多くなるように、例えば、マスフローコントローラによって流量制御されている。
このように、半導体ウェハ２の径方向において、中央分割通路５１ａを流通する冷却エアー７の流量を、その他の分割通路５１ｂ，５１ｃより多くなるように制御することによって、より一層半導体ウェハ２の面内温度を均一に保持しつつ冷却することができる。
【００２１】
図３に、本発明の第三実施形態に係る枚葉式熱処理装置１の正面断面図を示す。
この枚葉式熱処理装置１は、第一実施形態における冷却エアー７の流れの方向をそのまま９０度回転し、冷却エアー７が図３における左右方向に流れるようにしたものである。
この場合には、冷却エアー７が発熱部４１に直接衝突するので、より一層冷却効率を向上させることができる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、被処理物２は、半導体ウェハに限らず、平板状であれば形状、材質を問わない。代表的なものとしては、ガラス基板等の絶縁体基板と、その表面に形成された各種の薄膜を含むものであっても良い。また、処理室３は、矩形状のものでも良い。更に、加熱体４は、抵抗加熱タイプのものでも良い。
【００２３】
【実施例】
本発明の効果を実証するための比較実験を行った。この実験は、各流通路５ａ，５ｂを流れる冷却エアーの流れの方向が異なる以外、その他の条件は全て同一にして行ったものである。
具体的には、図４（ａ）に示すように、上側流通路５ａを流れる冷却エアー７の流れと下側流通路５ｂを流れる冷却エアー７の流れとが、互いに同一方向の流れ（同方向流）である場合と、図４（ｂ）に示すように、互いに逆方向（対向流）である場合との比較をする実験であり、それ以外の条件は、同一である。
図５に示すように、温度測定対象物である半導体ウェハ２は、直径３００ｍｍのもので、径方向に所定の間隔をおいて温度測定位置Ｐ１〜Ｐ５が設定されている。各温度測定位置Ｐ１〜Ｐ５は、図４における処理室３の開放側Ａからその反対側Ｂに向かって順番に配設されている。
【００２４】
上記の条件によって得た実験結果を図６に示す。（ａ）は、冷却エアー７の流れが同方向流である場合の各測定位置Ｐ１〜Ｐ５における時間当たりの温度変化（温度勾配）をグラフに示し、（ｂ）に、同対向流の場合のグラフを示している。
図６に示すように、（ａ）のグラフでは、半導体ウェハ２の各測定位置Ｐ１〜Ｐ５における温度勾配が、時間経過とともにばらつきが大きくなるのに対して、（ｂ）では、時間が経過しても概ね一致している。
つまり、冷却エアー７の流れが対向流である本発明の場合の方が、同方向流である比較例の場合よりも、半導体ウェハ２の面内温度をより一層均一に冷却することができることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、平板状の被処理物の面内温度を均一に冷却することによって、被処理物の品質を向上することができるとともに、スループットの向上、サーマルバジェットの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る枚葉式熱処理装置の正面断面図であり、（ｂ）は、本発明の第一実施形態に係る枚葉式熱処理装置の側面断面図である。
【図２】本発明の第二実施形態に係る枚葉式熱処理装置の正面断面図である。
【図３】本発明の第三実施形態に係る枚葉式熱処理装置の正面断面図である。
【図４】（ａ）は、冷却エアーの流れが同方向流の場合の枚葉式熱処理装置の側面断面図であり、（ｂ）は、冷却エアーの流れが対向流の場合の枚葉式熱処理装置の側面断面図である。
【図５】半導体ウェハにおける温度測定点を示した平面図である。
【図６】（ａ）は、冷却エアーの流れが同方向流の場合の温度測定結果を表すグラフであり、（ｂ）は、冷却エアーの流れが対向流の場合の温度測定結果を表すグラフである。
【符号の説明】
１      枚葉式熱処理装置
２      半導体ウェハ（被処理物）
３      処理室
３１    外面
３１ａ  上面
３１ｂ  下面
４      加熱体
５      流通路
５ａ    上側流通路
５ｂ    下側流通路
５１    分割通路
５１ａ  中央分割通路
５１ｂ  外側分割通路
７      冷却エアー（冷却媒体）
８      仕切板
９      冷却手段
【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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