(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒体状の処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器の底部から支柱によって起立させて設けた載置台と、前記載置台に設けられて前記被処理体を加熱する被処理体加熱手段とを有する熱処理装置において、
前記処理容器の底部に、加熱と冷却とを選択的に行うことが可能な熱電変換素子手段を設け、前記処理容器の側壁に抵抗加熱ヒータ手段を設け、前記熱電変換素子手段と前記抵抗加熱ヒータ手段との動作を制御する温度制御部を設けるように構成したことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記熱電変換素子手段には、不要な温熱或いは冷熱を廃棄するための熱媒体を流す媒体通路が形成された熱変換プレートが設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記処理容器の底部には、この温度を測定するための温度計測手段が設けられており、前記温度制御部は前記温度計測手段の測定値に基づいて温度制御動作を行うことを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記熱電変換素子手段のゼーベック効果による電圧により前記処理容器の底部の温度を測定し、この測定値に基づいて温度制御動作を行うことを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記熱電変換素子手段は、ペルチェ素子を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板などの半導体ウエハに熱処理を施すための熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウエハ等のシリコン基板に対して、成膜、パターンエッチング、酸化拡散、アニール等を繰り返し行なって、多数の所望の素子を形成するようになっている。
例えば成膜処理を例にとれば、真空引き可能になされた処理容器内の載置台上に半導体ウエハを載置し、これを加熱手段により所定の温度まで昇温維持すると共に、処理容器内に成膜ガスを供給しつつこの中を所定の減圧雰囲気に維持し、これによりウエハ表面に必要とする薄膜を堆積させる。この場合、使用するガス種によっては処理容器内に設けた上下電極間に印加した高周波電圧によりプラズマを立てて、成膜処理を行う場合もある。
【０００３】
ところで、最近にあっては、膜質の電気的特性が良好なことからＴｉ（チタン）膜やＷ（タングステン）膜やＴａ（タンタル）膜やＡｌ（アルミニウム）膜などの金属膜やこれらの窒化膜等を成膜する場合がある。これらの金属、或いは金属化合物を含有する膜を堆積させる時に用いる原料ガスとしてはＴｉＣｌ４ （四
塩化チタン）、ＰＥＴ（ペントエトキシタンタル）、ＤＭＡＨ（ジメチルアルミニウムヘキサイド）等の非常に蒸気圧の高い原料ガスが用いられる。このような蒸気圧が高い原料ガスを用いた場合には、生成される反応副生成物が、温度が低くなる傾向にある処理容器の内壁面や容器底部等にも付着し易くなって、パーティクル等の原因となったり、或いはプロセス条件によっては処理容器の底部のように高温の載置台を支持する部分は逆に過昇温状態になって腐食が促進されてしまう傾向となってしまう。
そこで、従来の枚葉式の熱処理装置にあっては、熱処理装置に熱媒体循環器等の温調装置を並設し、処理容器の側壁や容器底部に設けた媒体流路に熱媒体を流して、上記側壁の温度や容器底部の温度を所定の許容範囲内になるように温度制御を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した熱媒体循環器のような温調装置は、熱媒体の温度を一定に維持するためのタンクを必要とすることから、このタンク構造が非常に複雑になり、しかも熱媒体を循環使用する循環系路にもそれなりの保温手段を設けなければならないことから、装置全体が非常に大型化し、大幅なスペースを必要とするのみならず、コスト高及び多量の電力消費を招く、といった問題があった。
また、熱媒体を温調するためのコンプレッサ等の回転機構も使用していることから、定期的なメンテナンスも必要となっていた。更には、ここで使用される熱媒体は、熱効率等を考慮して通常は蒸気圧の高いガルデン（商品名）やフロリナート（商品名）等が用いられるが、このガルデンやフロリナート等は、万一漏洩した場合には、半導体集積回路の製造において深刻な悪影響を与える汚染を生じてしまう、といった問題もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、抵抗加熱ヒータ手段と熱電変換素子手段とを組み合わせて設けることにより、処理容器の適切な温度制御が行えるのみならず、省スペース、省エネルギ等が可能な熱処理装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、筒体状の処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器の底部から支柱によって起立させて設けた載置台と、前記載置台に設けられて前記被処理体を加熱する被処理体加熱手段とを有する熱処理装置において、前記処理容器の底部に、加熱と冷却とを選択的に行うことが可能な熱電変換素子手段を設け、前記処理容器の側壁に抵抗加熱ヒータ手段を設け、前記熱電変換素子手段と前記抵抗加熱ヒータ手段との動作を制御する温度制御部を設けるように構成したものである。
これにより、プロセス条件等によって加熱したり、或いは冷却したりする必要が生じる容器底部に対しては、熱電変換素子手段によって必要に応じて加熱と冷却とを選択的に行わしめ、また、プロセス中には上記容器底部と比較して低温気味になって反応副生成物が付着する傾向にある容器側壁は抵抗加熱ヒータ手段によって常時加熱するようにしており、この結果、処理容器を適正な温度に制御できるのみならず、装置全体を小型化して省スペース化、省エネルギ化等を達成することが可能となる。
また、従来使用された熱媒体循環器等の温調装置と比較して回転駆動する機構も不要なので、メンテナンス性も大幅に向上させることが可能となる。
【０００６】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記熱電変換素子手段には、不要な温熱或いは冷熱を廃棄するための熱媒体を流す媒体通路が形成された熱変換プレートが設けられている。
また、例えば請求項３に規定するように、前記処理容器の底部には、この温度を測定するための温度計測手段が設けられており、前記温度制御部は前記温度計測手段の測定値に基づいて温度制御動作を行なう。
【０００７】
また、例えば請求項４に規定するように、前記温度制御部は、前記熱電変換素子手段のゼーベック効果による電圧により前記処理容器の底部の温度を測定し、この測定値に基づいて温度制御動作を行なう。これによれば、熱電対等の温度計測手段を設ける必要をなくすことが可能となる。
また、例えば請求項５に規定するように、前記熱電変換素子手段は、ペルチェ素子を含むものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る熱処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の熱処理装置を示す構成図、図２は図１に示す熱処理装置の概略横断面図、図３は図１に示す熱処理装置の熱電変換素子の配列状態を示す容器底面図、図４は熱変換プレートを示す平面図、図５は熱処理装置の底部を示す拡大図である。
図示するように、この熱処理装置２は、例えばアルミニウム等により円筒体状に成形された処理容器４を有しており、この処理容器４は例えば接地されている。この処理容器４の底部６には、容器内の雰囲気を排出するための排気口８が設けられており、この排気口８には真空引きポンプ（図示せず）を介設した排気系１０が接続されて、処理容器４内を底部周辺部から均一に真空引きできるようになっている。
【０００９】
この処理容器４内には、容器底部６より起立された導電性材料、例えばハステロイよりなる支柱１２を介して円板状の載置台１４が設けられており、この上に被処理体として例えばシリコン基板等の半導体ウエハＷを載置し得るようになっている。この載置台１４は、例えば窒化アルミ等よりなり、この内部には、被処理体加熱手段として例えば所定のパターンに形成された抵抗加熱ヒータパターン１６が埋め込まれている。
【００１０】
この載置台１４の下方には、複数本、例えば３本のリフタピン１８（図示例では２本のみ記す）が上方へ起立させて設けられており、このリフタピン１８の基部は、環状結合部材２０に共通に結合されている。この環状結合部材２０は、処理容器４の底部６を気密に貫通して垂直に延びた押し上げ棒２２の上端に係合されている。かくして、押し上げ棒２２を上下動させることにより、上記リフタピン１８を載置台１４に貫通させて設けたリフタピン穴２４に挿通させてウエハＷを持ち上げ得るようになっている。
【００１１】
また、処理容器４の天井部には、ガス供給手段としてのシャワーヘッド２６が一体的に設けられた天井板２８が気密に取り付けられている。このシャワーヘッド２６は、上記載置台１４の上面の略全面を覆うように対向させて設けられており、載置台１４との間に処理空間Ｓを形成している。このシャワーヘッド２６は、処理空間Ｓに各種の処理ガスをシャワー状に導入するものであり、シャワーヘッド２６の下面の噴射面３０にはガスを噴射するための多数の噴射孔３２が形成される。
また、処理容器４の側壁の一部には、搬入口３４（図２参照）が設けられ、この搬入口３４にはウエハＷの搬入・搬出時に気密に開閉可能になされたゲートバルブ３６が設けられる。
【００１２】
そして、処理容器４の底部６の下面側には、本発明の特徴とする熱電変換素子手段３８が設けられており、容器底部６の加熱と冷却とを選択的に行い得るようになっている。具体的には、この熱電変換素子手段３８は、例えば２種類の異種半導体、或いは異種金属を接合してなるペルチェ素子３８Ａよりなり、図示例では例えば４角形状になされた７個のペルチェ素子３８Ａ（図３参照）を容器底部６の下面全体に接合させて設けている。周知のように、このペルチェ素子３８Ａでは、電流を流す方向に依存して、その上面側が加熱したり、冷却したりする動作を示す。尚、ペルチェ素子３８Ａの下面側は、上記した上面側とは逆の作用を示す。図５はこのような周知なペルチェ素子３８Ａの拡大図を示しており、ここではＰ型半導体とＮ型半導体を交互に導電部材３９で接合し、この両面に薄い絶縁体４１を接合して全体が形成されている。
上記各ペルチェ素子３８Ａへ流す電流の制御は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる温度制御部４０により行うようになっている。
【００１３】
また、上記各ペルチェ素子３８Ａの下面側には、例えばアルミニウム等の熱伝導性材料よりなる大口径の円板状の熱変換プレート４２が一体的に接合させて設けられている。この熱変換プレート４２は肉厚になされており、この内部には、図４にも示すように、プレート全面に亘って例えば略蛇行状に媒体通路４４が形成されている。そして、この媒体通路４４の媒体入口４４Ａから媒体出口４４Ｂに向けて一定温度の熱媒体、例えば室温程度の水を流して、この水により上記各ペルチェ素子３８Ａの下面側の温熱、或いは冷熱を外部へ運んで廃棄して、ペルチェ素子３８Ａの下面側の温度を略一定に維持し、伝熱効果を維持している。ここで上記熱媒体としては水に限定されず、例えばフロリナート等を用いてもよい。尚、上記媒体入口４４Ａと媒体出口４４Ｂとの間に循環系を介在させ、この循環系の途中に温調器を介設するなどして上記水を一定の温度にして循環使用するようにしてもよい。
【００１４】
また、この処理容器４の底部６には、この容器底部６の温度を測定するために温度計測手段として例えば熱電対４８が設けられており、この測定値を上記温度制御部４０へ入力し得るようになっている。
そして、上記処理容器４の側壁４Ａには、この側壁４Ａを加熱するための抵抗加熱ヒータ手段５０が設けられている。具体的には、この抵抗加熱ヒータ手段５０は、例えば棒状に成形された抵抗加熱カートリッジヒータ５０Ａよりなり、このカートリッジヒータ５０Ａを複数本、図示例では容器側壁４Ａに４本略等間隔て垂直に埋め込むようにして配置している。そして、各カートリッジヒータ５０Ａへの給電の制御は、上記温度制御部４０により行い得るようになっている。
【００１５】
次に、以上のように構成された熱処理装置を用いて行なわれる熱処理として成膜方法を例にとって図５も参照して説明する。
まず、成膜処理として例えばＴｉ膜の成膜時には、処理容器４内へ、開放されたゲートバルブ３６を介して半導体ウエハＷを導入し、これを載置台１４上に載置して処理容器４内を密閉する。処理容器４内を密閉したならば、成膜用の処理ガスとして例えばＴｉＣｌ４ ガスやＨ２ ガス等の必要なガスを、それぞれ流量制御しつつシャワーヘッド２６から所定の流量で処理容器４内に導入し、且つ真空引きポンプにより処理容器４内を真空引きし、所定の圧力に維持する。
これと同時に、載置台１４に埋め込んだ抵抗加熱ヒータパターン１６によりウエハＷを所定の温度に加熱維持し、これにより、ＴｉＣｌ４ ガスを熱分解してウエハＷの表面にＴｉ膜を堆積させることになる。この時のプロセス条件は、プロセス圧力が例えば１３Ｐａ（≒０．１Ｔｏｒｒ）〜８００Ｐａ（≒６Ｔｏｒｒ）程度の範囲内、プロセス温度は６００℃〜７００℃程度の範囲内である。
【００１６】
ここで、上記した成膜反応中において生成される反応副生成物は、蒸気圧が高い場合には比較的低温な部分に付着して堆積する傾向にある。この場合、容器側壁４Ａは、載置台１４からは処理空間Ｓを隔てて離間していることから低温気味になってここに反応副生成物が付着する恐れがあるので、温度制御部４０からは、抵抗加熱ヒータ手段５０の各抵抗加熱カートリッジヒータ５０Ａに電力を供給して容器側壁４Ａを所定の温度に加熱し、上記反応副生成物の付着を防止する。
この場合の側壁４Ａの温度は、反応副生成物の付着温度にもよるが、例えば１００〜２００℃程度の範囲内が好ましい。
【００１７】
これに対して、容器底部６は、載置台１４から離間しているとはいえ、熱伝導性材料よりなる支柱１２を介して多量の温熱が載置台１４から伝わってくるので、上記側壁４Ａよりもかなり温度が高くなる傾向にあり、プロセス温度にもよるが放置しておくと容器底部６の内面等が熱により腐食される恐れが生ずる場合がある。そこで、本実施例では、このような場合には、温度制御部４０から容器底部６に設けた熱電変換素子手段３８の各ペルチェ素子３８Ａに通電し、容器底部６を冷却する。各ペルチェ素子３８Ａへ流す電流の方向は、図５（Ａ）に示すようにペルチェ素子３８Ａの上面側（容器底部６の下面と接している面）が低温になってこの反対側面が高温になるような方向に流し、これにより容器底部６を所定の温度に冷却する。この冷却温度は、反応副生成物の付着温度にもよるが、例えば上記側壁４Ａと同じ１００〜２００℃程度の範囲内である。
【００１８】
この場合、このペルチェ素子３８Ａの上面側を低温に維持するためには、下面側の温度を低い温度に略一定に維持する必要があるので、熱変換プレート４２の媒体通路４４に室温程度の熱媒体として水を常時流しておく。これにより、ペルチェ素子３８Ａの下面側で発生した温熱は、上記熱媒体によって系外へ搬出されて廃棄されてしまうことになり、容器底部６の冷却を安定的に継続することができる。
この時の温度制御は、この容器底部６に設けた熱電対４８によりこの温度が測定されて上記温度制御部４０へ入力されており、この測定値に基づいて上記各ペルチェ素子３８Ａへの電流が制御されることになる。
【００１９】
この場合、上記容器側壁４Ａの温度を制御するためには、上記容器側壁４Ａにも熱電対を設けてこの温度を直接的に測定するようにしてもよいが、経験的にペルチェ素子３８Ａと、カートリッジヒータ５０Ａを設けていない時の容器底部６と容器側壁４Ａとの間の温度差は各プロセス毎に判明しているので、ペルチェ素子３８Ａに対する供給電力に対して決められた値となるように上記カートリッジヒータ５０Ａ側に供給する電力を制御するようにすればよい。
このように、高温に晒される傾向にある容器底部６を、所定の温度に維持することができるので、この容器底部６の内面側が高温により腐食されることを防止できる。
【００２０】
上記実施例の場合には、容器底部６が過度に昇温することを防止する場合を例にとって説明したが、プロセス温度が低い場合には、容器底部６の温度がそれ程上昇せず、ここに容器側壁４Ａと同様に反応副生成物が堆積する場合が生ずる。
このような場合には、温度制御部４０は、ペルチェ素子３８Ａに対しては、図５（Ｂ）に示すように前記とは逆の方向に電流を流し、ペルチェ素子３８Ａの上面側の温度を上げて容器底部６を加熱し、ここに反応副生成物が堆積しないようにする。この場合には、ペルチェ素子３８Ａの下面は冷熱が発生して低温になるので、熱変換プレート４２の媒体通路４４に流れる水は、今度は逆に冷熱を搬送して系外へ廃棄することになり、これにより容器底部６の加熱を安定的に継続することができる。尚、この状態における容器底部の温度制御はペルチェ素子からのジュール熱による加熱と合わさり制御される。
【００２１】
このように、従来装置で用いられていた熱媒体循環器のような大型の温調装置を用いることなく、ペルチェ素子３８Ａのような熱電変換素子手段３８と抵抗加熱カートリッジヒータ５０のような簡単な部材を用いるだけで、従来装置と同様に、容器側壁４Ａに反応副生成物が付着堆積することを防止し、且つ容器底部６が腐食したり、これに反応副生成物が付着堆積するのを防止することが可能となる。
また、上記実施例では、容器底部６に熱電対４８を設けて容器底部６の部分の温度を測定するようにしたが、この熱電対を設けることなく、ペルチェ素子３８Ａのゼーベック効果を利用してこの容器底部６の温度を測定するようにしてもよい。具体的には、温度制御部４０は、上記ペルチェ素子３８Ａへの給電を間欠的に断つようにし、すると、この給電が行われない時には、上記ペルチェ素子３８Ａによるゼーベック効果により、ペルチェ素子３８Ａの上下面間の温度差に起因する起電力が生じ、この起電力を上記温度制御部４０で測定することにより、この容器底部６の温度を求めるようにしてもよい。
【００２２】
この場合には、上述のように容器底部６の温度を測定する熱電対４８を不要にすることができる。
尚、上記実施例では、容器側壁４Ａや容器底部６の温度を、１００〜２００℃の範囲内に設定するようにしたが、これは単に一例を示したに過ぎず、生成される反応副生成物等の析出温度等に応じて適宜変更するのは勿論である。
また、ここでは熱処理として成膜処理を例にとって説明したが、これに限定されず、酸化拡散処理、エッチング処理、アニール処理等の他の熱処理にも本発明を適用できる。更には、本発明は、高周波やマイクロ波を用いたプラズマ処理装置にも適用することができる。
また、ここでは被処理体として、シリコン基板を用いて説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板にも本発明方法を適用できるのは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１乃至３、５に規定する発明によれば、プロセス条件等によって加熱したり、或いは冷却したりする必要が生じる容器底部に対しては、熱電変換素子手段によって必要に応じて加熱と冷却とを選択的に行わしめ、また、プロセス中には上記容器底部と比較して低温気味になって反応副生成物が付着する傾向にある容器側壁は抵抗加熱ヒータ手段によって常時加熱するようにしており、この結果、処理容器を適正な温度に制御できるのみならず、装置全体を小型化して省スペース化、省エネルギ化等を達成することができる。
また、従来使用された熱媒体循環器等の温調装置と比較して回転駆動する機構も不要なので、メンテナンス性も大幅に向上させることができる。
請求項４に規定する発明によれば、熱電対等の温度計測手段を設ける必要をなくすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱処理装置を示す構成図である。
【図２】図１に示す熱処理装置の概略横断面図である。
【図３】図１に示す熱処理装置の熱電変換素子の配列状態を示す容器底面図である。
【図４】熱変換プレートを示す平面図である。
【図５】熱処理装置の底部を示す拡大図である。
【符号の説明】
２  熱処理装置
４  処理容器
４Ａ  側壁
６  底部
１２  支柱
１４  載置台
１６  抵抗加熱ヒータパターン（被処理体加熱手段）
２６  シャワーヘッド
３８  熱電変換素子手段
３８Ａ  ペルチェ素子
４０  温度制御部
４２  熱変換プレート
４４  媒体通路
５０  抵抗加熱ヒータ手段
５０Ａ  抵抗加熱カートリッジヒータ
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【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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