JP2000269155A - 熱処理装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体ウエハの加熱処理において、例えば昇
温から加熱処理終了まで高いウエハ温度の面内均一性を
保つこと。また、加熱処理終了後において処理装置の高
速な放熱を可能にすること。 【解決手段】 加熱ランプ６１と対向するウエハ上方の
処理容器２１内壁面に孔部と電磁コイル２２により孔部
２４内を上下するピン２３とを設け、反射部２０を構成
する。被処理基板Ｗの昇温時には被処理基板の周縁部に
対応する箇所のピンを没入させて反射率を低くし、所定
温度における加熱処理時には逆に中央部の反射率を低く
することで、ウエハ温度の面内均一性を高くする。ま
た、加熱処理終了後は反射部２０の全部のピンを没入さ
せ、反射率を最小とすることで被処理基板を高速に放熱
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理基板に対して例えば加熱ランプにより熱処理を行
う熱処理装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造過程で例えば半導
体をｎ型或いはｐ型にする工程は熱拡散により行われ
る。このような熱処理を行うための装置としては例えば
レーザまたは電子ビームを使ってウエハを加熱する装置
や抵抗加熱体による装置、またランプ熱によって加熱す
る装置等が知られている。

【０００３】中でもランプ熱により加熱を行うランプア
ニール装置は量産性に優れ、高速昇温可能なことが知ら
れており、ここに従来のランプアニール装置を図６に示
す。

【０００４】処理容器１１内には石英よりなる載置台１
２が設けられ、ガス供給管１６により不活性ガスが供給
されるようになっている。加熱ランプ１４からの熱線は
透過窓１３及び載置台１２を介してウエハＷに照射され
る構造となっている。載置台１２上に置かれたウエハＷ
は、裏面側から加熱ランプ１４により加熱されるが、ウ
エハＷや載置台１２を透過して処理容器１１内に入射し
た熱線が処理容器１１の内壁にて反射され、その反射さ
れた熱線も受けて加熱される。ウエハＷの温度制御は熱
電対等の測温計で検出した、例えばウエハ裏面の温度を
加熱ランプ１４のランプパワーへとフィードバックして
行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ウエハＷの
面内温度均一性を確保するため、例えばウエハＷの径方
向の温度調整ができるように、同心円毎に発熱制御がで
きる加熱ランプなどを用いる工夫などがされているが、
ウエハの中央部と周縁部とでは、発熱量及び放熱量のバ
ランスにおいて程度の差が大きいため、現状では高い面
内均一性の確保が困難になっている。

【０００６】例えばウエハＷを昇温し、加熱処理し、降
温するときのウエハＷの中央部と周縁部との昇降温特性
についてみると、後述する実施の形態の説明で用いてい
る図３に示してあるように、設定されたプロセス温度で
ウエハ周辺部の温度が中央部より低くなっており、同一
ウエハ内で温度差が生じていることが分かる。 一方、
図３にもあるように従来型ランプアニール装置では、所
定のプロセス温度（図３では１０００℃）に致るまでの
昇温時には、プロセス温度における加熱処理時とは逆に
ウエハ中央部の方が周縁部よりも低くなる。これは、加
熱ランプからの発熱量が安定したときには、ウエハ周縁
部の放熱量がどうしても大きくなってしまい、また昇温
時には周縁部からの吸熱量が大きいためである。ここで
今後のデバイス微細化に伴い、プロセス温度における加
熱処理時は勿論のこと昇温時におけるウエハ温度の面内
均一性も膜質に大きく効いてくるため、この問題を解決
する方法が求められている。

【０００７】また一部の高速昇温加熱装置では、従来型
ランプアニール装置で示したようなウエハ下方側の加熱
ランプに加えて、ウエハ上方側にも加熱ランプを設ける
ものも見られるが、ウエハの温度均一性を確保すること
が困難であるため、例えば加熱ランプを回転させる機構
などを設ける必要があり、装置が大型化、複雑化してし
まうという課題があった。

【０００８】本発明は以上のような問題点に着目し、有
効に解決すべくつくられたもので、その目的は被処理基
板温度の面内均一性を向上させることのできる熱処理装
置及び加熱方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被処理基板の
載置台が設けられた処理容器と、前記載置台に載置され
た被処理基板を加熱処理するための加熱源と、被処理基
板の温度分布を調節するために熱線の反射率を変えるこ
とができるように構成された反射部と、を備えたことを
特徴とする熱処理装置を提供するものである。

【００１０】上記の反射部は載置台と対向して設けら
れ、反射面を形成する板状部と、この板状部に形成され
た複数の孔部と、これら孔部内に露出、没入自在に設け
られ、先端面が反射面をなす可動部材と、を含み孔部内
における可動部材の位置を変えることによって反射率を
可変とすることを特徴とする。

【００１１】また、本発明は上記の装置により、被処理
基板を載置台に載置して被処理基板の昇温を開始した
後、加熱処理を終了して被処理基板の降温を終了するま
での間に、反射部により熱線の反射率を変えることを特
徴とする熱処理方法を提供するものである。

【００１２】この熱処理方法は、先ず被処理基板の昇温
時には反射部において被処理基板の周縁部に対応する部
位の反射率を被処理基板の中央部に対応する部位の反射
率よりも小さくし、次に被処理基板が所定のプロセス温
度になって加熱処理を行う間は、反射部において被処理
基板の周縁部に対応する部位の反射率を被処理基板の中
央部に対応する部位の反射率よりも大きくし、そして加
熱処理終了後、被処理基板の降温を行っている間は反射
面全体の反射率を小さくする、一連の工程により達成さ
れるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の熱処理方法に用い
られる熱処理装置の一実施の形態を示した断面図であ
る。２１はアルミニウムよりなる処理容器であり、この
処理容器２１内には例えばＳｉＣによってコーティング
されたカーボン製の載置台４３が設けられている。載置
台４３上方の処理容器２１天井の壁部には例えば口径１
０ｍｍ程度の円筒状の孔部２４が多数穿設されている。
ここでウエハＷに対向する処理容器２１の天井部のう
ち、孔部２４が設けられた部分を便宜的に反射部２０と
呼ぶことにすると、この反射部２０は、例えば図２のよ
うに点線で示す多数の同心円に沿って孔部２４が配置さ
れており、最外周の同心円はウエハＷより幾分大きな円
をなしている。

【００１４】この夫々の孔部２４内には可動部材である
ピン２３が電磁コイル２２及び図示しないバネによって
上下自在に、つまり孔部内に没入した位置と孔部が設け
られていない内壁面のレベルと同じレベル位置である露
出位置との間を移動自在に設けられており、制御部２５
から送信される信号に応じてピン２３が前記孔部内を上
下する。なお図２では孔部２４とピン２３とは便宜上共
通の円で描いてある。反射部２０の具体例を挙げると、
例えば８インチウエハでは、７個の同心円を構成し、各
同心円に沿った孔部の配列間隔は例えば１５ｍｍ程度と
する。ピン２３の没入位置は例えば１６ｍｍ程度とす
る。この例では処理容器２１天井の壁部は反射面をなす
板状部に相当する。

【００１５】前記載置台４３の周囲にはウエハリフト４
２が設けられており、このウエハリフト４２は、ウエハ
Ｗの搬入出を行う図示しない搬送アームにウエハＷを受
け渡しすることができるように、上下する構造となって
いる。

【００１６】また、載置台４３の上方には支持部材３３
により処理容器２１の天井部に固定され、下方にガス噴
出孔３５を有するガス供給部３４が載置台４３と対向し
て設けられており、ガス供給源３２とはバルブ３１及び
ガス供給管３０を介して接続されている。更に載置台４
３の下方には多数のガス孔を有するガス整流板４４と、
その更に下方側には処理容器２１の下方開口部を塞ぐよ
うにして透過窓５１が下向き凸状かつ気密に取り付けら
れている。なお、ガス供給部３４、ガス供給管３０、ガ
ス整流板４４及び透過窓５１は例えば石英製のものが使
われる。

【００１７】前記透過窓５１の内側には、Ｎ2 ガス供給
源３７からバルブ３６及びガス供給管３８を介してＮ2
ガスが供給されるようになっており、これは前述のガス
整流板４４と共に、例えば本装置をＣＶＤ等に用いる場
合を考慮して設置されているものである。一方、透過窓
５１下方側には回転テーブル６３上に同心円に沿って複
数の加熱ランプ６１及び反射部６２が設けられ、これが
一体となって加熱手段を形成している。反射部６２は夫
々の加熱ランプ６１の側周及び底部を囲むようにした複
数のすり鉢状くぼみを有した構成となっており、また加
熱ランプ６１は例えばハロゲンランプやアークランプが
用いられる。

【００１８】次に、上述実施の形態によるウエハＷの加
熱処理について説明する。先ず図示しない搬送アームに
よりウエハＷがゲートバルブ４１より処理容器２１内へ
と搬送され、ウエハリフト４２に受け渡された後ウエハ
リフト４２が降下して載置台４３中央上へ載置される。
処理容器２１内には例えばウエハＷの酸化を防ぐため
に、ガス供給管３０及びバルブ３１を介してガス供給源
３２から送られた不活性ガス例えばＮ2 ガスがガス供給
部３４下部にあるガス噴出孔３５から供給される。

【００１９】ここで加熱ランプ６１による加熱を開始す
る。載置台４３には図示されない測温計例えば熱電対
が、ウエハ裏面に接するように埋め込まれており、この
熱電対により得られる検出値は図示されない伝達経路を
経て制御部２５へ送られ、加熱ランプ６１の発光量を調
節するためにフィードバックされる。そしてウエハＷは
所定のプロセス温度、例えば１０００℃まで昇温され、
その後所定のプロセス温度に所定時間維持され、しかる
後降温する。

【００２０】上述の温度制御はウエハＷの中央部を基準
に行われるため、ウエハＷ中央部は図３実線のように推
移する。またウエハＷの周縁部は図３の点線のように推
移する。ここで発明が解決しようとする課題でも述べた
ようにウエハＷの中央部と周縁部との間に温度差が生じ
ているため、この実施の形態では加熱ランプ６１と対向
する処理容器２１内壁面に埋設されたピン２３を上下す
ることで夫々の箇所に反射する熱エネルギーの量を調節
してウエハＷ表面の温度差を解消しようとしている。

【００２１】電磁コイル２２はＯＮの状態でピン２３を
図示しないバネの復元力に抗して孔部内に没入した形態
をとるため、処理容器２１内壁面に凹みができ、その箇
所の熱線の反射率が小さくなる。一方電磁コイル２２が
ＯＦＦの状態では、バネの復元力によって処理容器２１
の内壁面と同レベルの位置にピン２３下端が位置し、孔
部をピン２３が塞ぐような形態となり、熱線の反射率が
先の状態よりは大きくなる。ここで電磁コイル２２の制
御は以下の通りに進行する。

【００２２】例えばプロセス温度を１０００℃に設定す
ると、先ずウエハＷの加熱開始時から１０００℃に達す
るまでの昇温プロセス（図３中ａで示される部分）では
図４（ａ）の（イ）で示すようにウエハＷ周縁部に対向
する箇所のピンが引込む（没入する）と共に図４（ａ）
の（ロ）で示されるようにウエハＷ中央部に対向する箇
所のピンが露出する（例えばピンの先端面が孔部以外の
壁面と同じレベルになる）。従って反射部２０からウエ
ハＷに放射される発熱量についてみれば、ウエハＷの中
央部よりも周縁部の方が小さく、このことは図２で示す
温度分布を相殺する方向に作用するので、昇温時におけ
るウエハＷの面内温度均一性が高くなる。

【００２３】この後の図３（ｂ）で示されるｔ1 からｔ
2 に致る処理プロセスでは、前述のようにウエハＷ周縁
部の温度が中央部よりも低下するので夫々イ及びロに配
置された電磁コイル２２のＯＦＦ、ＯＮが逆転し（図４
（ｂ））、ウエハＷ周縁部に対向する箇所のピンが露出
し、中央部に対向する箇所のピンが没入し、これにより
ウエハＷ表面の温度差が相殺される。

【００２４】図３（ｃ）で示される時間ｔ2 経過後は装
置を高速に冷却するため、加熱ランプ６１への電力供給
を停止するとともに図４（ｃ）のように全てのピンを没
入状態とし、反射部２０の反射率を最も低い状態として
降温を早めるようにする。

【００２５】上述実施の形態によれば、半導体ウエハの
加熱処理において、昇温プロセス、処理プロセス及び降
温プロセスの夫々に応じた温度制御を反射部２０の反射
率を変化させることにより行っているため、加熱開始か
ら所定の温度における熱処理終了まで一貫して高いウエ
ハの温度面内均一性を保つことができ、均一性の高いア
ニール処理を行うことができる。また加熱終了後にはウ
エハの冷却を高速に行うことができ、高いスループット
が得られる。

【００２６】図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示した例
は、いわばオープン制御であるが、例えばクローズルー
プで、ウエハＷの表面温度に応じ露出されるピンと没入
されるピンとの配列パターンを選定してもよい。またピ
ンは露出、没入の２つの位置をとるだけでなく、没入量
を調整できるように構成し、装置のセットアップの段階
でピンの没入量を調整して適切な反射率を有する反射部
としてもよいし、あるいはウエハの温度検出値に応じて
リアルタイムで各ピンの没入量を調整するようにしても
よい。

【００２７】ここで図５は本発明に係る他の実施の形態
を表したものである。この装置では加熱ランプ６１等で
構成される加熱手段がウエハＷ上方に設けられ、その加
熱手段と対向するように載置台４３下方側の処理容器２
１内壁面に反射部２０が設けられる。この実施の形態で
は、載置台４３の下面から放射される熱線を反射部２０
で反射し、その反射率を調整することにより載置台４３
の面内温度均一性を高め、以ってウエハＷの面内温度均
一性を高めるようにしている。

【００２８】これまで述べた実施の形態において、加熱
手段に加熱ランプを用いる装置を例示したが、加熱源は
加熱ランプに限定されるものではなく、例えば抵抗加熱
体による加熱源を採用することも可能である。

【００２９】更に、本発明の用途は上述の加熱手段によ
る効果を応用して例えばウエハの成膜等に利用すること
も可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、例えばウエハと対向す
るように反射率が可変な反射部を設けているため、ウエ
ハ温度について高い面内均一性を維持できる。また、ウ
エハの加熱処理終了後には高速な放熱が為されるため、
スループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一の実施の形態を表す断面図であ
る。

【図２】図１の実施の形態で用いられる反射部を下から
見た平面図である。

【図３】被処理基板中央部及び周縁部の温度変化を表し
た温度プロファイルである。

【図４】被処理基板の温度変化に応じて、ピンが上下す
る様子をあらわした反射部の断面図である。

【図５】本発明に係る他の実施の形態を表す断面図であ
る。

【図６】従来発明に係るランプアニール装置を表す断面
図である。

【符号の説明】

Ｗ ウエハ ２０ 反射部 ２１ 処理容器 ２２ 電磁コイル ２３ ピン ２４ 孔部 ２５ 制御部 ３４ ガス供給部 ４３ 載置台 ４４ ガス整流板 ５１ 透過窓 ６１ 加熱ランプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 伸明 東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内 (72)発明者 重岡 隆 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板の載置台が設けられた処理容
   器と、前記載置台に載置された被処理基板を加熱処理す
   るための加熱源と、被処理基板の温度分布を調節するた
   めに熱線の反射率を変えることができるように構成され
   た反射部と、を備えたことを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 反射部は載置台と対向して設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】 反射部は、反射面を形成する板状部と、
   この板状部に形成された複数の孔部と、これら孔部内に
   露出、没入自在に設けられ、先端面が反射面をなす可動
   部材と、を含み孔部内における可動部材の位置を変える
   ことによって反射率を変えることを特徴とする請求項１
   記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１の装置を用い、被処理基板を載
   置台に載置して被処理基板の昇温を開始した後、加熱処
   理を終了して被処理基板の降温を終了するまでの間に、
   反射部により熱線の反射率を変えることを特徴とする熱
   処理方法。
5. 【請求項５】 被処理基板の昇温時には、反射部におい
   て被処理基板の周縁部に対応する部位の反射率を被処理
   基板の中央部に対応する部位の反射率よりも小さくする
   ことを特徴とする請求項３記載の熱処理方法。
6. 【請求項６】 被処理基板が所定のプロセス温度になっ
   て加熱処理を行う間は、反射部において被処理基板の周
   縁部に対応する部位の反射率を被処理基板の中央部に対
   応する部位の反射率よりも大きくすること特徴とする請
   求項４または５記載の熱処理方法。
7. 【請求項７】 加熱処理終了後、被処理基板の降温を行
   っている間は、反射面全体の反射率を小さくすることを
   特徴とする請求項４、５または６記載の熱処理方法。