(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記処理容器の側壁部のみに設けられると共に、前記処理容器の天井部は、輻射熱を反射する鏡面として構成されていることを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記処理容器の側壁部にこれを囲むようにリング状に配置され、且つ処理容器の高さ方向へ所定間隔で多段に設けた複数のリング状の加熱ランプよりなることを特徴とする請求項１記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記処理容器の側壁部にその高さ方向に沿って配置され、且つ処理容器の周方向に等間隔で設けた複数の直線状加熱ランプよりなることを特徴とする請求項１記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項４】
載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされてその開口端を突き合わせるように設けられた一対の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記一対の処理容器の側壁部のみに設けられていることを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記処理容器の側壁部にこれを囲むようにリング状に配置され、且つ処理容器の高さ方向へ所定間隔で多段に設けた複数のリング状の加熱ランプよりなることを特徴とする請求項４記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記処理容器の側壁部にその高さ方向に沿って配置され、且つ処理容器の周方向に等間隔で設けた複数の直線状加熱ランプよりなることを特徴とする請求項４記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項７】
前記被処理体を支持する前記載置部の両側には、前記被処理体を両面から挟むように均熱板を配置したことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の枚葉式熱処理装置。
【請求項８】
載置部に支持された被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置であって、
真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、
前記処理容器の側壁部のみに配置された加熱手段と、
を有し、
前記加熱手段は、複数の発熱体からなり、それぞれの発熱体との間隔と配列する発熱体の全体の長さを前記被処理体面と前記処理容器面との間で決定される該被処理体面上の形態係数を一定になるように構成したことを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項９】
載置部に支持された被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置であって、
真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、
前記処理容器の側壁部のみに配置された加熱手段と、
を有し、
前記加熱手段は、複数の発熱体からなり、それぞれの発熱体との間隔と配列する発熱体の全体の長さを、前記被処理体表面の各部における輻射熱の出入りの総計が同じになるようにすべく前記被処理体面と前記処理容器面との間で決定される該被処理体面上の形態係数が略一定になるように構成したことを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項１０】
載置部に支持された被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置であって、
真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、
前記処理容器の側壁部のみに配置された加熱手段と、
を有し、
前記加熱手段は、複数の発熱体からなり、それぞれの発熱体との間隔と配列する発熱体の全体の長さを前記被処理体面と前記処理容器面との間で決定される該被処理体面上の形態係数を該被処理体の中心から周辺部に至るまで一定になるように構成したことを特徴とする枚葉式熱処理装置。
【請求項１１】
前記処理容器の天井部は、輻射熱を反射する鏡面として構成されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の枚葉式熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、枚葉式熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程にあっては、半導体ウエハ上に導体或いは非導体の薄膜形成処理、酸化膜の形成処理、熱拡散処理等の熱処理を施し、更に、これにエッチング処理を施して所定のパターンを形成する等の一連の操作を繰り返し行なって、目的とする集積回路を形成している。
この種の熱処理を行なう装置として、同じ処理条件の熱処理を一挙に例えば１５０枚程度のウエハに対して行なうことができる、いわゆるバッチ式の縦型熱処理装置と、半導体ウエハ毎に異なった種類の熱処理を施すことができる、いわゆる多品種小量生産に向いている枚葉式の熱処理装置が知られており、例えば生産形態に合わせて両装置が選択的に使用される。
【０００３】
ここで、従来の枚葉式の熱処理装置を例にとって説明する。
図８は従来の枚葉式の熱処理装置を示す概略断面図であり、例えば石英製の処理容器２内の底部には、熱線に対して透明な材料、例えば石英よりなる載置台４が気密に密閉するように設けられ、この上に被処理体としての半導体ウエハＷが載置保持される。
この載置台４の下方であって、処理容器２４の底部外側には、モータ６によって回転される回転テーブル８に取付けた多数、例えば１２〜１６個程度の加熱ランプ１０が配置されており、これからの熱線が石英製の載置台４を透過して半導体ウエハをその裏面より加熱するようになっている。この加熱ランプ１０として、発熱量の大きなランプ、例えばハロゲンランプが用いられており、ウエハの急速な昇温を可能としている。
従って、処理すべきウエハ毎に、処理ガスの種類、その供給量、処理圧力、処理温度等を個別に制御することができ、ウエハ毎に異なった熱処理を迅速に行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような多数の加熱ランプ１０を設けた構造にあっては、ウエハ面への均熱加熱を施すためにモータ６と回転テーブル８を備えた高価な回転機構を設けなけらばならず、コスト高を余儀なくされていた。
また、このように略平面的に多数の加熱ランプ１０を集合させて加熱手段を構成した場合には、この加熱ランプ１０をどのように配置したとしても、ウエハ面内においてわずかな温度差が生じて若干の温度分布が生ずることは避けることができない。特に、ウエハの中心部の温度がその周縁部よりも僅かに高くなってしまう現象を避けることができなかった。
そのために、この温度差に起因して成膜の面内不均一性が生じたり、或いは不純物の熱拡散処理において拡散層の深さを精度良く制御できないといった問題点があった。
このような膜厚の制御性の不十分さは、現在主流になっている８インチウエハに対する熱処理においては、ある程度、許容できるものであったが、ウエハの大口径化に伴って、例えば１２インチウエハに対して熱処理を行なう場合には、均熱処理のための加熱ランプの配置設計が非常に困難になり、従来の技術をそのまま適用することができない。
【０００５】
更には、集積回路の高速動作化及び高集積化に伴って、８インチウエハにおいても例えば不純物の熱拡散層を浅くして、その深さもより精度良くコントロールすることが要求されているが、上述のような加熱機構においては、ウエハ面内の温度の不均一性が許容限度以上になってしまうという問題点があった。
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、処理容器の側壁部のみに加熱手段を設けることによって、被処理体の面内温度の均一性を高めることができる枚葉式熱処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、被処理体と加熱手段との間の幾何学的配置関係に形態係数を取り入れることにより、被処理体の表面に平行に対向する部分には加熱手段を設けず、側壁部のみに設けることで面内温度の均一性を確保することができるという知見を得ることによりなされたものである。
第１の発明は、上記問題点を解決するために、載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記処理容器の側壁部のみに設けられると共に、前記処理容器の天井部は、輻射熱を反射する鏡面として構成したものである。
第２の発明は、載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされてその開口端を突き合わせるように設けられた一対の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記一対の処理容器の側壁部のみに設けるように構成したものである。
【０００７】
【作用】
第１の発明によれば、処理容器の側壁部のみに例えばリング状の加熱ランプをその高さ方向に所定間隔を隔てて複数段に亘って設けるようにしたので、被処理体の面内中心の温度がその周縁部よりも高くなることがなく、面内温度の均一性を高めることが可能となる。
この場合、リング状の加熱ランプに替えて、例えば直線状のランプを処理容器の側壁部に多数起立させて設けるようにしてもよい。
また、処理容器内の天井部を鏡面とすることにより、形態係数を考えた場合、原理的には無限長の筒体状の処理容器と等価となり、面内温度の均一性を一層高めることが可能となる。
【０００８】
更には、上記と同様な構成の加熱手段及び処理容器を被処理体の反対面側（裏面側）にも設けることにより、被処理体の両面側から同様な加熱を行なうことができ、更に面内温度の均一性を高めることが可能となる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明に係る枚葉式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は第１の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図、図２は図１に示す装置の平面図である。
図示するようにこの枚葉式熱処理装置１２は、例えば石英のような熱線に対して透明な材料よりなる円筒体状の処理容器１４を有しており、この処理容器１４の下端は開口されて、この開口には、上面が載置面となされた凸状の載置部としての載置台１６が、Ｏリング等のシール部材１８を介して気密に取り付け固定されている。
【００１０】
この載置台１６は、例えば石英或いはアルミニウム等により形成され、その上端載置面の側部には、ここに載置される被処理体である半導体ウエハＷの縁部を保持するためのクランプ２０が設けられている。更に、この載置台１６には、ウエハＷの搬入搬出時にこれを押し上げるためのプッシャーピン２２が載置面より上方へ出没可能に設けられ、また、ピン挿入孔の下端開口部とプッシャーピン２２との間には蛇腹状の金属性ベローズ２４が伸縮可能に設けられており、処理容器１４内の気密性を保持したままピン２２の出没を許容している。
【００１１】
そして、処理容器１４の側壁部１４Ａの外側には、本発明の特長とする加熱手段２６が設けられている。具体的にはこの加熱手段２６は、処理容器１４の側壁部１４Ａの周方向に沿ってこれを取り囲むように同心円状に配置されたリング状の加熱ランプ２８よりなり、この加熱ランプ２８を、処理容器１４の高さ方向に沿って所定間隔Ｄで等間隔に複数段、図示例においては５段に亘って配置しており、これからの輻射熱により半導体ウエハＷを加熱するようになっている。また、リング状の各ランプ２８の外側面には、容器側に向けて開放された断面円弧になされたリング状の反射傘３０が設けられており、熱効率を向上するようになっている。
【００１２】
ここで、上記各ランプ２８間の間隔Ｄ及びランプ２８を上下に配列する全体の長さＬは、ウエハ上面と処理容器１４の側壁部１４Ａとの間で決定されるウエハ面上の形態係数が、略一定となるように決定され、これによりウエハ表面の各部分における輻射熱の出入りの総計が略同じとなり、面内温度の均一性を確保することが可能となる。
２つ以上の固体の表面間で放射（輻射）による熱の移動を考える場合、２面の幾何学的配置の形状で定まる形態係数を用いると交換熱量の計算が容易になることは、すでに知られている。
【００１３】
ここで、図６及び図７を参照して形態係数（Ｖｉｅｗ  Ｆａｃｔｏｒ  Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）Ｆについて説明する。
図６及び図７において、２つの面Ａと面Ａ’を定義し、面Ａは円筒の底面（ウエハに相当）に対応し、面Ａ’はその側面（加熱ランプの配列面に相当）に対応するものとする。
面Ａ、Ａ’のそれぞれの微小面をｄＡ、ｄＡ’とするとｄＡ’のｄＡに対する形態係数Ｆは次の式で定義される。
【００１４】
0003785650.tif 000002
【００１５】
ここで各記号は次のように定義される。
Ｒ：  ウエハの半径
ｒ：  ウエハ中心から微小面ｄＡまでの距離
Ｈ：  処理容器面上の有効放熱面の高さ
Ｒｆ：  ウエハ中心から微小面ｄＡ’までの距離（発熱体の半径）
Ｓ：  微小面ｄＡとｄＡ’との直線距離
ｈ：  ウエハ位置から微小面ｄＡ’までの高さ
θ：  ｒとＲｆのなす角度
φ：  微小面ｄＡの法線とＳとがなす角度
ｄＡ：  ウエハ面内のとった微小面積
ｄＡ’：  処理容器面内の微小面積
ｄｈ：  微小面積ｄＡ’の高さ
φ’：  微小面ｄＡ’とＳのなす角度
ｄθ：  微小面積ｄＡ’の幅
【００１６】
このような数式に基づいて形態係数Ｆを求めたところ図７に示す結果が得られた。
横軸は、中心からの距離でありウエハの面に対応する。この場合、側壁の高さＨは、４００ｍｍに設定してある。これによると、形態係数Ｆは中心部から半径方向に行くに従って僅かではあるが上昇しているが、全体的に見て、略同一であると見做すことができる。
このように形態係数Ｆをウエハの中心から周辺部に至るまで略一定となるように設定することにより、ウエハ表面の各微小部分における熱の出入りが略等しくなり、面内温度の均一性を確保することが可能となる。
【００１７】
以上のようなプロセスにより、最適な装置設計を行なうと、例えば１２インチウエハ対応の装置の場合には、リング状加熱ランプの直径を５００ｍｍとし、１本のランプの出力を１ＫＷと仮定すると、２０本のランプを用いて、そのランプ２８間の間隔Ｄを２０ｍｍ程度に設定し、且つランプ２８の配列長さＬを４００ｍｍ程度に設定するのが好ましい。
尚、各ランプ２８を個々に、或いは複数本毎のグループとし、個々に或いはグループ毎に投入電力を制御できるようにして、処理容器１４の高さ方向に温度分布を持たせるようにして微妙な温度制御ができるようにしてもよい。
【００１８】
一方、処理容器１４の天井部３２は、平坦に形成されており、この内面には、例えば金メッキ或いは銀メッキ等が施されて鏡面３４が形成され、ランプ２８からの輻射熱を反射して熱効率を高めるようになっている。
そして、この処理容器１４の天井部３２には、容器内へ処理ガスを導入するための処理ガス導入ノズル３６が設けられており、このノズル３６は、途中に流量コントローラ３８及び開閉弁４０を介設したガス通路４２を介して処理ガス源４４に接続されている。
また、処理容器１４の側壁部１４Ａの下部には、ウエハＷの搬出入を行なうゲートバルブ４６及び容器内を真空引きするために図示しない真空ポンプに接続された排気口４８が設けられており、容器内を所定の真空圧に維持できるようになっている。
【００１９】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、ウエハＷの熱処理、例えば酸化処理を行なう場合には、例えば８インチ或いは１２インチウエハを載置台１６上に載置し、処理容器１４内を気密状態にする。そして、処理容器１４内を真空引きすると共にリング状加熱ランプ２８に所定の電力を供給し、ウエハ温度をプロセス温度まで急速に加熱すると同時に、処理ガス源４４から処理ガス、例えば水蒸気等を流してこれを処理容器１４内へ導入して酸化処理を行なう。
ここでウエハを昇温し且つプロセス温度に維持する場合、容器外側に上下方向に段状に配置した各加熱ランプ２０からの輻射熱がランプの高さ位置に応じてウエハ表面の加熱に寄与することになるが、ここで前述のようにウエハ表面の各微小エリアに対する加熱ランプ２８の配列面の形態係数は図７に示すようにウエハ中心より半径方向に沿って略一定になるように設定されている。従って、ウエハ表面の各微小エリアに流れこむ熱流及びこれより輻射熱となって外に出て行く熱流を考慮した場合、収支の熱量は各微小エリアにおいて略等しくなり、この結果、ウエハ表面の温度差がほとんどなくなり、面内温度の均一性を高くすることができる。
【００２０】
ここで、処理容器１４の天井部３２の下面は鏡面３４としてあることから、加熱ランプ２８からの輻射熱がここで反射されて直接的に或いは間接的にウエハ面側に向けられるので形態係数を考慮する幾何学上において加熱ランプ２８を無限長の筒体状に配置した構造と等価となり、ウエハの面内温度の均一性を一層高めることができ、しかも熱効率も向上させることができる。
このように面内温度の均一性を確保できることから、酸化層の深さや成膜の厚さを均一化させ且つその深さや厚さを精度高くコントロールすることができる。
【００２１】
又、各加熱ランプ２８の輻射量を個別に制御できるようにすれば、必要に応じてウエハ面内に温度分布を持たせることもでき、例えば、ウエハ中心部の温度のみを、その周縁部と比較して高く設定することも可能である。
更に、処理容器天井部３２における鏡面３４の構造としては、金や銀のコーティングに限らず、輻射率の高い材料、例えば輻射率０．０３のアルミニウムのコーティング等も採用することができる。
【００２２】
また、上記実施例においては、加熱手段２６としてリング状加熱ランプ２８を用いたが、これに限らず、例えば図３及び図４に示すようにリング状加熱ランプに替えて直線状加熱ランプ４８を用いるようにしてもよい。この場合には、直線状加熱ランプ４８を処理容器１４の高さ方向に配置し、且つその処理容器１４の周方向に等間隔で複数本設けるようにすればよい。また、各直線状加熱ランプ４８に反射傘３０を設けて熱効率を向上させる点も、図１に示す構成と同様である。このような構成においても、図１に示す構成例と同一の作用効果を示すことになる。
又、加熱ランプ２８、４８に替えて抵抗発熱体等、他の発熱部材を用いてもよいのは勿論である。
【００２３】
尚、上記実施例においては、半導体ウエハＷの上面のみから輻射熱を供給してこれを加熱するようにしたが、これに限定されず、例えば図５に示す第２の発明装置のようにウエハＷの下面側にも同様な構造の処理容器を設け、ウエハの上下両面側から加熱するようにしてもよい。
図５においては、図１に示す装置の構成部分と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
図示するように上側の処理容器１４の下部には、これと略同一の構造に形成された下側の処理容器５０がその開口端を上方に向けて上側処理容器１４の開口端と突き合わせるようにして接合して設けられる。
【００２４】
この接合部の側壁部からは、容器周方向に等間隔で配置された３本の石英製の載置部としての載置バー５２が設けられており、その先端を上方へ屈曲させてこの部分でウエハＷの裏面を３点支持するようになっている。この載置バー５２の上下には、所定の間隔を隔てて、例えばＳｉＣ等よりなる均熱板５４、５６が配置されており、この均熱板５４、５６にはそれぞれ温度検出用の熱電対５８、６０が設けられている。従って、ウエハＷは均熱板５４、５６間に挟まれるような状態で載置される。尚、均熱板５４、５６に挟まれて区画される空間を密閉空間としてもよいし、処理容器１４の天井部側及び処理容器５０の底部側と連通状態にしてもよい。
【００２５】
そして、上側の処理容器１４の天井部３２は勿論のこと、下側の処理容器の底部６２にもそれぞれ輻射熱反射用の鏡面３４、６４を設けている。更に、上側の処理容器１４の側壁部１４Ａに図１に示したと同様なリング状加熱ランプ２８を多段に複数個設けると共に下側の処理容器５０の側壁部５０Ａにも反射傘６８付きのリング状加熱ランプ６６を多段に複数個設けている。尚、前述のようにリング状加熱ランプに替えて直線状加熱ランプを用いてもよいのは勿論であり、また、２枚の均熱板５４、５６を設けなくてもよい。
この場合には、半導体ウエハＷの上側面のみならず、下側面からも形態係数がウエハ面内において略同一となるように配置した加熱ランプ６６からの輻射熱により加熱されるので、その結果、ウエハの表面温度の均一性を保持したままその昇温速度を上げることができるので瞬時に熱処理ができ、その分、スループットの向上に寄与することが可能となる。
【００２６】
また、２枚の均熱板５４、５６を設けてこれらの温度を熱電対５８、６０により測定することによりウエハの面内温度の均一性を更に高めることができるのみならず、ウエハ温度はこれら２つの熱電対の測定温度値の範囲内に存在することから、測定の困難なウエハ温度を正確に把握することができ、温度コントロールも行ない易くなる。
尚、上記実施例においては、成膜や酸化膜を形成する場合について述べたが、いわゆるクリーントラックに設けられる現像液塗布前後の加熱装置としても適用できるのは勿論である。
また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、例えばＬＣＤ基板の熱処理装置にも適用し得る。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る枚葉式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。
第１の発明によれば、処理容器の側壁部のみに加熱手段を設けるようにしたので、被処理体の面内温度の均一性を大幅に改善することができ、従って、面内均一性の高い熱処理、例えば成膜処理等を行なうことができる。
また、加熱手段としての加熱ランプを固定的に設けるだけで済むので、従来必要とされていたランプの回転機構を設ける必要がなく装置のコスト削減に寄与することができる。
更に、処理容器の天井部に鏡面を設けて輻射熱を反射させることにより、被処理体の面内温度の均一性を一層向上できるのみならず、熱効率も高めることができる。
第２の発明によれば、第１の発明の作用効果を発揮するのみならず、被処理体の両面から加熱するようにしたので、被処理体昇温速度を上げて瞬時に熱処理を施すことができ、処理速度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す装置の平面図である。
【図３】第１の発明装置の変形例を示す概略側面図である。
【図４】図３に示す装置の平面図である。
【図５】第２の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図６】形態係数を説明するための説明図である。
【図７】被処理体の半径方向の距離と形態係数との関係を示すグラフである。
【図８】従来の枚葉式熱処理装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１２    枚葉式熱処理装置
１４    処理容器
１４Ａ  側壁部
１６    載置台（載置部）
２６    加熱手段
２８    リング状加熱ランプ
３０    反射傘
３２    天井部
３４    鏡面
４８    直線状加熱ランプ
５０    下側の処理容器
５０Ａ  側壁部
５２    載置バー（載置部）
５４、５６  均熱板
６４    鏡面
６６    リング状加熱ランプ
６８    反射傘
Ｗ      半導体ウエハ（被処理体）
【図１】
0003785650.tif 000003
【図２】
0003785650.tif 000004
【図３】
0003785650.tif 000005
【図４】
0003785650.tif 000006
【図５】
0003785650.tif 000007
【図６】
0003785650.tif 000008
【図７】
0003785650.tif 000009
【図８】
0003785650.tif 000010