JPH06310448A

JPH06310448A - 熱処理装置

Info

Publication number: JPH06310448A
Application number: JP5119156A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Imahashi; 一成今橋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-04-21
Filing date: 1993-04-21
Publication date: 1994-11-04
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: US5414244A; JP3380988B2; KR100274753B1

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体ウエハ等の被処理体全体を均一且つ正
確に加熱して熱処理することができ、しかも熱処理温度
を正確に制御することができる熱処理装置を提供する。【構成】本熱処理装置１０は、処理容器１１内で保持
体１２により保持された半導体ウエハＷを加熱して所定
の熱処理を施す加熱手段１３と、この加熱手段１３によ
り処理された半導体ウエハＷを冷却する冷却手段１４と
を備え、上記処理容器１１内で保持体１２により保持さ
れた半導体ウエハＷから所定距離を隔てた位置に熱板１
５を設け、この熱板１５を介して半導体ウエハＷを加熱
するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程における熱処理装置は、
熱拡散処理、熱酸化処理、アニール処理などとして広く
用いられている。従来の熱処理装置は、例えば図６に示
すように、半導体ウエハＷを保持するサセプタ１と、こ
のサセプタ１の下方に配設され、サセプタ１を介して半
導体ウエハＷをランプ２Ａにより急速加熱して半導体ウ
エハＷを短時間で熱処理する加熱装置２と、この加熱装
置２の下方に配設され、内部の冷却コイル３Ａに水等の
冷却媒体を循環させて熱処理後の半導体ウエハＷを短時
間で冷却する冷却装置３とを備えて構成されている。ま
た、上記加熱装置２には温度コントローラ２Ｂを介して
温度プロファイルコントローラ２Ｃが接続され、この温
度プロファイルコントローラ２Ｃの温度プロファイルに
基づいて温度コントローラ２Ｂを作動して半導体ウエハ
Ｗの熱処理温度を制御するように構成されている。ま
た、上記サセプタ１の温度は例えば熱電対２Ｄによって
検出し、この検出信号を上記温度コントローラ２Ｂへフ
ィードバックして温度プロファイルの管理下で温度コン
トローラ２Ｂを介して常に一定温度で半導体ウエハＷを
熱処理するように構成されている。

【０００３】また、図７に示す熱処理装置は、同図に示
すように、半導体ウエハＷを保持する保持体１と、この
保持体１の上方から半導体ウエハＷをランプ２Ａにより
急速加熱して半導体ウエハＷを短時間で熱処理する加熱
装置２と、この加熱装置２の上方に配設され、内部の冷
却コイル３Ａに冷却媒体を循環させて熱処理後の半導体
ウエハＷを短時間で冷却する冷却装置３とを備えて構成
されている。そして、この熱処理装置は、図６に示すも
のと同様、半導体ウエハＷの温度を放射温度計２Ｅで検
出し、温度コントローラ２Ｂ及び温度プロファイルコン
トローラ２Ｃによって熱処理温度を制御するように構成
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
前者の熱処理装置の場合には、加熱装置２のランプ２Ａ
でサセプタ１を加熱し、これに面接触した半導体ウエハ
Ｗをサセプタ１を介して熱処理するようにしているた
め、半導体ウエハＷの表面状態、特に表面の薄膜間の凹
凸によって、あるいは熱処理時の半導体ウエハＷの多少
歪みによって半導体ウエハＷとセプタ１とが全面で密着
せず、サセプタ１と半導体ウエハＷとの熱抵抗が区々に
なり、各半導体ウエハＷ毎あるいは半導体ウエハＷ内の
各部位の熱処理温度にバラツキが生じ、均一な熱処理を
行なうことが難しいという課題があった。

【０００５】また、従来の後者の熱処理装置の場合に
は、ランプ２Ａにより半導体ウエハＷを直接加熱するよ
うにしているため、前者のような熱抵抗のバラツキなど
という問題を生じないが、半導体ウエハＷの特定部位で
温度を検出するようにしているため、半導体ウエハＷに
形成された種々の薄膜の状態によって放射温度計２Ｅに
よる検出温度に誤差を生じ、半導体ウエハＷの温度を正
確に把握し制御することが困難で、各半導体ウエハＷ毎
に熱処理温度に差が生じ均一な熱処理を行なうことが難
しいという課題があった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、半導体ウエハ等の被処理体全体を均一且つ
正確に加熱して熱処理することができ、しかも熱処理温
度を正確に制御することができる熱処理装置を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の熱処理装置は、処理容器内で保持体により保持された
被処理体を加熱して所定の熱処理を施す加熱手段と、こ
の加熱手段により処理された被処理体を冷却する冷却手
段とを備えた熱処理装置において、上記処理容器内で上
記保持体により保持された被処理体から所定距離を隔て
た位置に熱板を設け、この熱板を介して上記被処理体を
加熱するようにしたものである。

【０００８】また、本発明の請求項２に記載の熱処理装
置は、請求項１に記載の発明において、上記加熱手段
は、上記熱板と接触して温度を測定する温度検出手段
と、この温度検出手段の検出温度に基づいて上記熱板を
加熱制御する制御手段とを備えて構成したものである。

【０００９】また、本発明の請求項３に記載の熱処理装
置は、請求項２に記載の発明において、上記熱板を加熱
源として構成したものである。

【００１０】

【作用】本発明の請求項１に記載の発明によれば、処理
容器内の保持体で被処理体を保持した状態で、加熱手段
を作動して熱板を加熱すると、熱板が昇温して所定温度
に達し、これに伴って熱板の輻射熱などによって被処理
体全体を所定温度まで均等に昇温させて全体を均等に熱
処理することができ、熱処理後には加熱手段を停止して
冷却手段を作動すると、この冷却手段によって被処理体
を冷却して熱処理を終了することができる。

【００１１】また、本発明の請求項２に記載の発明によ
れば、請求項１に記載の発明において、被処理体を熱処
理する間に、上記熱板の温度を温度検出手段により検出
し、この検出温度に基づいて制御手段により上記熱板の
温度を加熱制御して常に被処理体を所定の処理温度に即
して正確に制御することができる。

【００１２】また、本発明の請求項３に記載の発明によ
れば、請求項２に記載の発明において、上記熱板を加熱
源として構成したため、加熱手段を簡素化することがで
きると共に、熱板の温度を制御手段により直接高精度に
制御することができ、被処理体をより正確に熱処理する
ことができる。

【００１３】

【実施例】以下、図１〜図５に示す実施例に基づいて本
発明を説明する。本実施例の熱処理装置１０は、図１に
示すように、石英等の耐熱耐食性材料によって形成され
た処理容器１１と、この処理容器１１内で被処理体とし
ての例えば８インチ半導体ウエハＷを保持し且つ炭化珪
素等のセラミックによって形成された保持体１２（図２
参照）と、この保持体１２により保持された半導体ウエ
ハＷを加熱して所定の熱処理を施す加熱手段１３と、こ
の加熱手段１３により処理された半導体ウエハＷを冷却
する冷却手段１４とを備えて構成されている。そして、
上記処理容器１１内には、上記保持体１２で保持された
半導体ウエハＷの上下の両面から所定の距離、例えば数
mm〜数１０mm隔てた位置に熱板１５がそれぞれ設けら
れ、この熱板１５を介して輻射熱とガス雰囲気において
はガスの熱による対流により半導体ウエハＷを加熱して
所定の熱処理を行なうように構成されている。上記熱板
１５は、例えば炭化珪素、グラファイト、シリコン等の
熱容量が小さくなるように例えば２mm厚で形成され、例
えば半導体ウエハＷの全面に対向する大きさの矩形状に
形成されている。

【００１４】上記処理容器１１は、半導体ウエハＷを収
容するように扁平な構造に形成され、その左端に形成さ
れた開口部１１Ａのフランジ部でロードロック室２０に
連結されている。また、この処理容器１１の右端には内
部に半導体ウエハＷを熱処理する際に所定のガスを供給
するガス供給部１１Ｂ及び処理後のガスを排気するガス
排気部１１Ｃが形成されている。そして、これらのガス
供給部１１Ｂとガス排出部１１Ｃの間から上記保持体１
２が左端に向けて水平に延設されている。この保持体１
２は、図２に示すように、半導体ウエハＷより大径に形
成されたリングの一部を切り欠いた本体１２Ａと、この
本体１２Ａの周方向等間隔隔てた３箇所から内方へ突出
する支持ピン１２Ｂとを有し、３箇所の支持ピン１２Ｂ
で半導体ウエハＷを支承するように構成されている。

【００１５】また、上記加熱手段１３は、上記処理容器
１１の上下それぞれで所定の距離を隔てて配設されてい
る。この加熱手段１３は、加熱源としてのハロゲンラン
プ等からなる複数のランプ１３Ａと、これらのランプ１
３Ａからの放射熱量を制御する温度コントローラ１３Ｂ
と、この温度コントローラ１３Ｂに接続され且つ温度コ
ントローラ１３Ｂによって制御すべき半導体ウエハＷの
温度プロファイルが設定された温度プロファイルコント
ローラ１３Ｃとを備え、この温度プロファイルコントロ
ーラ１３Ｃから発信する温度プロファイル信号Ｓ₁を受
信したコントローラ１３Ｂによりランプ１３Ａの放熱量
を制御するように構成されている。また、上記温度コン
トローラ１３Ｂには上記熱板１５の温度を検出する熱電
対等の温度センサ１３Ｅが接続され、この温度コントロ
ーラ１３Ｂは温度センサ１３Ｅからの検出信号Ｓ₂を受
信すると共に上記温度プロファイルコントローラ１３Ｃ
から送信される温度プロファイル信号Ｓ₁と常時比較し
て温度プロファイルに即してランプ１３Ａの放熱量を制
御するように構成されている。

【００１６】また、上記冷却手段１４は、本体１４Ａ内
に水等の冷却媒体が流通する流通路１４Ｂが形成され、
加熱手段１３による加熱が終了した後、この流路１４Ａ
に冷却媒体を流して本体１３Ａで処理容器１１側からの
輻射熱を吸収して処理容器１１内の半導体ウエハＷを迅
速に冷却するように構成されている。尚、上記冷却手段
１４の本体１４Ａの処理容器１１に対向する側面には上
記各ランプ１３Ａの輻射熱を反射する反射面１３Ｄが形
成され、この反射面１３Ｄによって各ランプ１３Ａから
の輻射熱を効率良く処理容器１１側へ集中させるように
構成されている。

【００１７】上記熱板１５は、熱容量が小さく構成され
ているため、熱応答性が高く、上記ランプ１３Ａからの
輻射熱を全面で均等に吸収して迅速に所定の温度プロフ
ァイルに従って昇温し、また冷却手段１４による吸熱に
より迅速に所定の温度プロファイルに従って降温するよ
うに構成されている。この温度プロファイルは、加熱手
段１３、熱板１５、半導体ウエハＷと熱板１５間の距離
及び半導体ウエハＷの熱処理内容等の各処理条件によっ
て最適な状態のものとして設定されたものである。本実
施例で用いられる温度プロファイルは例えば図３に示す
ように熱板１５及び半導体ウエハＷの温度が昇降するよ
うに設定されている。つまり、図３では加熱手段１３及
び冷却手段１４の作用によって熱板１５の温度が同図の
のように時間の経過の伴って昇降温し、この熱板１５
を介して半導体ウエハＷの温度が同図ののように時間
の経過の伴って昇降温して例えばプロセス温度１０００
℃で半導体ウエハＷを熱処理するように構成されてい
る。

【００１８】また、上記処理容器１１に連結されたロー
ドロック室２０は、例えばステンレス等によって形成さ
れ、半導体ウエハＷを処理容器１１の保持体１２との間
で受け渡しする際の予備室として構成されている。即
ち、このロードロック室２０の左右両端には半導体ウエ
ハＷを出し入れする際の開口部２０Ａ、２０Ｂがそれぞ
れ形成され、それぞれの開口部２０Ａ、２０Ｂをゲート
バルブ２１、２２によって開閉できるように構成されて
いる。また、このロードロック室２０にはガス供給部２
０Ｃ及びガス排気部２０Ｃが形成され、上記処理容器１
１のガス雰囲気に合わせて所定のガスを内部に供給し、
ガスを排気するように構成されている。そして、このロ
ードロック室２０内には屈伸可能な搬送アーム２１が配
設されている。この搬送アーム２１は駆動部２１Ａによ
って図２に示すように半導体ウエハＷを載せたフォーク
２１Ｂを屈伸して上記処理容器１１内に設けられた保持
体１２との間で半導体ウエハＷを受け渡しするように構
成されている。

【００１９】次に、図１に示す熱処理装置１０を用いて
半導体ウエハＷを窒素雰囲気で例えばアニール処理を行
なう場合の動作について説明する。それにはまず、ロー
ドロック室２０のゲートバルブ２２を開放し、搬送アー
ム２１を駆動させてフォーク２１Ｂによってプロセスチ
ャンバー（図示せず）から半導体ウエハＷを取り出し、
ロードロック室２０内に半導体ウエハＷを搬入してゲー
トバルブ２２を閉じて内部を密閉状態にする。その後、
ガス排気部２０Ｄからガスを排気した後、ガス供給部２
０Ｃから窒素ガスを供給して内部を窒素雰囲気にする。
これと並行して処理容器１１内も同様にして窒素ガス置
換して内部を窒素雰囲気にする。次いで、ゲートバルブ
２３を開放した後、搬送アーム２１を処理容器１１側へ
伸ばしてフォーク２１Ｂの半導体ウエハＷを図２で示す
ように保持体１２へ移載し、搬送アーム２１を屈曲し、
ゲートバルブ２３を閉じ、処理容器１１内で半導体ウエ
ハＷのアニール処理を行なう。

【００２０】この際、加熱手段１３を作動させると、温
度プロファイルコントローラ１３Ｃ及び温度コントロー
ラ１３Ｂの制御下で各ランプ１３Ａが点燈して処理容器
１１の上下から加熱すると、その輻射熱及び処理容器１
１内での輻射熱による窒素ガスの熱対流によって上下の
熱板１５、１５が速やかに加熱され、図３に示すように
各ランプ１３Ａの点燈後１分で各熱板１５、１５は１０
００℃以上に達し、１１００℃前後を維持する。これに
伴って各熱板１５、１５からの輻射熱及び窒素ガスの熱
対流により半導体ウエハＷも熱板１５、１５と同様に昇
温して１分後には処理温度である１０００℃に達し、そ
の約２分半後に加熱手段１３の作動を停止し、冷却媒体
を流して冷却手段１４に作動させると、熱板１５、１５
からの輻射熱を冷却手段１４によって吸熱して徐々に降
温して４分後には略始動時の温度になる。一方、半導体
ウエハＷは熱板１５、１５を介して冷却作用を受けるた
め、熱板１５、１５よりも緩やかに降温して約５分後に
は３００℃前後になってアニール処理を終了する。アニ
ール処理終了後には、ゲートバルブ２３を開放してロー
ドロック室２０を介して半導体ウエハＷを所定の場所へ
返送する。そして、後続の半導体ウエハＷを同様の手順
で繰り返し処理する。

【００２１】以上説明したように本実施例によれば、半
導体ウエハＷを熱処理する際に、一旦熱板１５全体を所
定温度に均等に加熱し、均等に加熱された熱板１５の輻
射熱及び窒素ガスの熱対流によって半導体ウエハＷを熱
処理するようにしたため、半導体ウエハＷに形成された
薄膜等の表面状態に左右されることなく半導体ウエハＷ
全体を均等且つ迅速に加熱することができる。また、熱
板１５の温度を温度センサ１３Ｅによって常に監視する
と共に、この温度センサ１３Ｅによる検出温度を温度コ
ントローラ１３Ｂへフィードバックして熱板１５の温度
を常に温度プロファイルに従って制御するようにしてい
るため、半導体ウエハＷを所望の温度で正確に熱処理す
ることができる。また、２枚の熱板１５の間に半導体ウ
エハＷが設置されているため、半導体ウエハＷの多少の
設置位置の移動があっても再現性良く温度制御すること
ができ、更に熱板１５と非接触であるため、熱板１５か
ら半導体ウエハＷが不純物により汚染される虞もない。

【００２２】図４及び図５は本発明の他の実施例の熱処
理装置を示す図である。この熱処理装置１０は、図４に
示すように、主として加熱手段の構造を異にする以外は
上記実施例と同様に構成されている。そこで、本実施例
の特徴である加熱手段について説明すると、この加熱手
段１４は、図４、図５に示すように、上記実施例で加熱
源として用いられているランプ１３Ａが省略され、熱板
１５が加熱源として構成されたものである。この熱板１
５を取り出して示したものが図５である。この熱板１５
は、発熱抵抗体によって形成された矩形状の熱板本体１
５Ａと、その両端全長に亘って一体的に形成された導電
性材料からなる導電部１５Ｂとからなり、この導電部１
５Ｂに電流を流すことにより熱板本体１５Ａ全面に電流
が均等に流れて熱板本体１５Ａ全面が均等に昇温するよ
うに構成されている。また、上記発熱抵抗体としては、
例えば上記実施例で用いられた例えば炭化珪素、グラフ
ァイト、シリコン等が好ましく、また、導電性材料とし
ては、例えば銅、アルミニウム等の通常用いられる導電
性材料が好ましい。そして、この熱板本体１５Ａは、そ
の温度が温度センサ１３Ｅによって常時検出できるよう
に構成されている。また、冷却手段１４は、上記実施例
における反射面１３Ｄを省略した以外は上記実施例に準
じて構成されている。

【００２３】本実施例の熱処理装置１０の場合には、加
熱手段１３を作動させると、温度プロファイルコントロ
ーラ１３Ｃ及び温度コントローラ１３Ｂの制御下で熱板
１５自体、即ち熱板本体１５Ａが所定温度まで直接昇温
して加熱源として作用し、その他は上記実施例に準じて
動作することにより、半導体ウエハＷを加熱して所定の
熱処理を行なうことができる。従って本実施例によれ
ば、上記実施例におけるランプ１３Ａを省略して熱板１
５を加熱源としているため、加熱手段１３を簡素化して
製造コストを低減できると共に、処理容器１１内で熱板
１５により半導体ウエハＷを直接熱処理するようにした
ため、半導体ウエハＷの熱処理を迅速化することができ
る。

【００２４】尚、上記各実施例ではアニール処理を行な
う場合について説明したが、この発明の熱処理装置は、
処理容器のガス雰囲気を適宜変更することによりアニー
ル処理以外の、熱拡散処理、酸化処理、ＣＶＤ処理など
の熱処理に広く適用することができる。また、本発明に
おける熱板は、加熱源として用いる場合には、熱板本体
を発熱抵抗体として形成したものについて説明したが、
発熱抵抗体を内蔵させた構造のものであっても良い。ま
た、熱板を設ける位置は、半導体ウエハ等の被処理体の
大きさ、熱処理条件等によって適宜設定することができ
る。

【００２５】

【発明の効果】本発明の請求項１に記載の発明によれ
ば、半導体ウエハ等の被処理体全体を均一且つ正確に加
熱して熱処理することができ、しかも熱処理温度を正確
に制御する熱処理装置を提供することができる。

【００２６】また、本発明の請求項２に記載の発明によ
れば、請求項１に記載の発明において、上記熱板の温度
を温度検出手段により検出し、この検出温度に基づいて
制御手段が上記熱板の温度を加熱制御するようにしたた
め、被処理体を熱処理する間に、常に被処理体を所定の
処理温度に即して正確に制御できる熱処理装置を提供す
ることができる。

【００２７】また、本発明の請求項３に記載の発明によ
れば、請求項２に記載の発明において、上記熱板を加熱
源として構成したため、加熱手段を簡素化できると共に
被処理体を迅速に処理できる熱処理装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理装置の一実施例を示す断面図で
ある。

【図２】図１に示す熱処理装置に用いられた保持体と搬
送アームとの間で半導体ウエハを受け渡しする状態を示
す斜視図である。

【図３】図１に示す温度プロファイルコントローラに設
定した温度プロファイルを示すグラフである。

【図４】本発明の熱処理装置の他の実施例を示す断面図
である。

【図５】図４に示す熱処理装置の加熱装置を取り出して
示す斜視図である。

【図６】従来の熱処理装置の一例の要部を示す断面図で
ある。

【図７】従来の熱処理装置の他の例の要部を示す断面図
である。

【符号の説明】

１０熱処理装置１１処理容器１２保持体１３加熱手段１３Ａランプ（加熱源）１３Ｂ温度コントローラ（制御手段）１３Ｃ温度プロファイルコントローラ（制御手段）１３Ｅ温度センサ（温度検出手段）１４冷却手段１５熱板１５Ａ熱板本体（加熱源）Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内で保持体により保持された被
処理体を加熱して所定の熱処理を施す加熱手段と、この
加熱手段により処理された被処理体を冷却する冷却手段
とを備えた熱処理装置において、上記処理容器内で上記
保持体により保持された被処理体から所定距離を隔てた
位置に熱板を設け、この熱板を介して上記被処理体を加
熱することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】上記加熱手段は、上記熱板と接触して温
度を測定する温度検出手段と、この温度検出手段の検出
温度に基づいて上記熱板を加熱制御する制御手段とを備
えて構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱処理
装置。
【請求項３】上記熱板を加熱源として構成したことを
特徴とする請求項２に記載の熱処理装置。