WO1997046842A1 - Dispositif de traitement thermique vertical - Google Patents

Description

明 細 書

縦 型 加 熱 処 理 装 置

技術分野

この発明は、 例えば半導体ウェハ一の製造プロセスにおいて、 酸化膜を形成し たり、 不純物を拡散させたり、 蒸着膜を形成したりするために使用される縱型加 熱処理装置に関する。 背景技術

従来、 半導体ウェハーの製造プロセスにおいては、 焼鈍、 リン， ヒ素等の不純 物の拡散、 酸化膜の形成、 化学蒸着等のために、 加熱炉を備える加熱処理装置が 使用されている。 この加熱処理装置の一つとして、 半導体ウェハ一を 1枚又は複 数枚ずつ水平に支持した状態で加熱する縱型炉方式のものが提供されている （例 えば特開平 2 - 1 4 5 1 4号公報参照） 。

この種の加熱処理装置は、 第 9図に示すように、 半導体ウェハ一 Wを加熱処理 するためのプロセスチャンバ一 9 1の下方に、 半導体ウェハ一 Wをプロセスチヤ ンバ一 9 1 に供給したり、 加熱処理の完了した半導体ウェハ一 Wをプロセスチヤ ンバー 9 1から取り出したりするための搬送チヤンバ一 9 2を設けている。 この 搬送チャンバ一 9 2に供給された半導体ウェハ一 Wは、 支持体 9 3によって支持 されて、 昇降手段 9 4によってプロセスチャンバ一 9 1内の加熱処理位置 9 1 a に移送され、 抵抗加熱方式のヒータ 9 5を備える加熱炉 9 6によって加熱処理さ I

上記従来の縦型加熱処理装置においては、 加熱炉 9 6のヒー夕 9 5を、 プロセ スチャンバ一 9 1の頂部付近に集中的に配置して、 プロセスチャンバ一 9 1内の 温度分布を、 頂部 9 l bが最も高く、 その下方に向かって漸次低くなるように設 定しており、 これによつて、 半導体ウェハ一 Wの上面側を、 効率よく加熱するよ うにしている。

ところが、 上記従来の縱型加熱処理装置は、 特に加熱処理開始直後の数枚の半 導体ウェハー Wについて、 単品における膜厚等の処理精度の均一性 （いわゆるュ ニフォーミティ） を保つのが困難であるとともに、 複数枚の半導体ウェハー W相 互間における膜厚等の処理精度の均一性 （いわゆるリ ピータピリティ） を保つの が困難であるという問題があった。

本願発明者は、 上記問題点が生じる原因を究明したところ、 その原因は、 加熱 炉 9 6のヒータ 9 5を、 プロセスチヤンバー 9 1 の頂部付近に集中的に配置して いるので、 半導体ウェハ一 Wをプロセスチャンバ一 9 1内の加熱処理位置 9 1 a にセッ トした状態で、 ヒー夕 9 5からの輻射熱が、 半導体ウェハー W及び支持体 9 3によって遮られて、 上記加熱処理位置 9 1 aの下方に、 第 9図の斜線で示す ように、 温度の低い部分が生じ、 これによつて半導体ウェハ— Wの昇降時の熱履 歴が変化するためであるとの知見を得た。

この発明は、 かかる知見に基づいてなされたものであり、 被処理品のュニフォ ーミティ及びリ ピー夕ピリティを向上させることができる縦型加熱処理装置を提 供することを目的とする。 発明の開示

上記目的を達成するためのこの発明の縦型加熱処理装置は、

被処理物を支持する支持体と、

この支持体に支持された被処理物を、 搬送チヤンバーからプロセスチャンバー の加熱処理位置に移送する昇降手段と、

上記加熱処理位置に移送された被処理物を加熱する、 抵抗加熱方式のヒ一夕を 有し、 このヒー夕を、 上記プロセスチャンバ一の加熱温度分布が、 加熱処理位置 を最大として上下方向に漸次低くなるように、 上記プロセスチヤンバーの加熱処 理位置の側方に配置している加熱炉と

を含むものである。

上記の構成の縦型加熱処理装置によれば、 加熱炉のヒー夕を、 プロセスチャン バーの加熱処理位置の側方に配置しているので、 ヒータからの輻射熱が、 被処理 物及び支持体によって遮られることによって、 上記加熱処理位置の下方に温度の 低い部分が生じるのを防止することができる。 このため、 被処理物の昇降時の熱 履歴を一定にすることができる。 この結果、 良好なュニフォ一ミティ及びリ ビー 夕ピリティを確保することができる。 また、 プロセスチャ ンバ一の加熱温度分布 力 \ 加熱処理位置において最大となるので、 被処理物を効率的に加熱処理するこ とができる。

一つの好適な態様として、 この発明の縦型加熱処理装置は、 プロセスチャンバ —の上方に、 被処理物の中央部を加熱するランプヒータを備えている。 この態様 によれば、 上記ランプヒータによって、 被処理物の中央部を加熱して、 当該中央 部とその周辺部との間で温度差が生じるのを抑制することができる。 このため、 被処理物をより均一且つ効率よく加熱処理することができる。

他の好適な態様として、 この発明の縦型加熱処理装置は、 上記ランプヒー夕に 投入される電力を、 被処理物の高さ位置に応じて制御して、 被処理物の中央部に 入射される熱量と周辺部に入射される熱量とを、 被処理物の全ての高さ位置にお いて均一にする投入電力制御部を備えている。 この態様によれば、 被処理物の中 央部と周辺部とを、 その全ての高さ位置において均一に加熱することができる。 このため、 被処理物をより一層均一且つ効率よく加熱処理することができる。 さらに好適な態様として、 この発明の縦型加熱処理装置は、 上記プロセスチヤ ンバーの上部に、 被処理物に処理ガスを供給するためのガス供給口を設けている _c この態様によれば、 上記ガス供給口を通してプロセスチャンバ一の上部から被処 理物に処理ガスを直接供給することができるので、 被処理物の昇降速度を速く し た場合でも、 被処理物の近傍の処理ガスの流れが乱れるのを抑制することができ る。 このため、 被処理物をより一層均一かつ効率的に加熱処理することができる c 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の縦型加熱処理装置の一^ ^の実施の形態を示す断面図であ 第 2図は、 プロセスチャンバ一の加熱温度分布を示す概略図である。

第 3図は、 この発明の縦型加熱処理装置の要部断面図である。

第 4図は、 比較試験結果を示すグラフ図である。

第 5図は、 他の実施の形態を示す要部断面図である。

第 6図は、 さらに他の実施の形態を示す要部断面図である。

第 7図は、 第 5図に示す実施の形態での温度分布を示す概略図である。 第 8図は、 投入電力制御部を示すブロック図である。

第 9図は、 従来例を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態

次いで、 この発明の好ましい実施の形態を、 添付図面を参照しながら詳述する c 第 1図は、 この発明の縦型加熱処理装置の一つの実施の形態を示す断面図であ る。 この縦型加熱処理装置は、 被処理物としての半導体ウェハ一 Wを導入するプ ロセスチャンバ一 1 と、 プロセスチャンバ一 1に導入した半導体ウェハー Wを加 熱する加熱炉 2と、 上記半導体ウェハー Wを支持するウェハー支持体 3と、 この ウェハー支持体 3に支持された半導体ウェハー Wを昇降させる昇降装置 4 と、 上 記プロセスチヤンバ一 1の下方に設けられ、 上記ウェハー支持体 3に半導体ゥェ ハー Wを供給したり、 ウェハー支持体 2から半導体ウェハ一 Wを取り出したりす るための搬送チャンバ一 5 と、 この搬送チャンバ一 5に臨ませて設けられたハン ドリ ング装置 6と、 上記昇降装置 4ゃハンドリ ング装置 6の駆動を制御する制御 部 7等によって主要部が構成されている。

上記プロセスチャンバ一 1は、 上部が閉塞され下部が開口された筒体 1 1 によ つて構成されている。 この筒体 1 1の上部は、 上記加熱炉 2によって包囲されて いる。 また、 筒体 1 1の側壁 1 1 aの下部の所定範囲は、 断熱材 1 2によって覆 われている。 上記筒体 1 1は、 石英、 S i C等からなるものであり、 上部はァー チ状を呈している。 この筒体 1 1の下部の開口は、 上記搬送チャンバ一 5に連通 されており、 この搬送チヤンバー 5の底部は底板 5 1 によって閉塞されている。 加熱炉 2は、 炉壁 2 aの内面側に沿って抵抗加熱方式のヒータ 2 1を設けてい る。 上記ヒー夕 2 1 はコイル状のものであり、 プロセスチヤンバ一 1内の上部に 設定された半導体ウェハー Wの加熱処理位置 1 3を包囲するように、 当該加熱処 理位置 1 3の側方に設けられている。 このヒータ 2 1は、 プロセスチャンバ一 1 の加熱温度分布が、 第 2図に示すように、 上記加熱処理位置 1 3部分を最大とし て上下方向に向かって漸次低くなるように、 上記加熱処理位置 1 3部分にのみに 対応させて設けられている。

ウェハー支持体 3は、 石英、 S i C等からなる平板状の基盤 3 i上に、 例えば 石英からなる複数本の支持ピン 3 2を立設したものである （第 3図参照） 。 各支 持ピン 3 2の高さは、 半導体ウェハー Wを水平に支持できるように、 均一になつ ている。 上記支持ピン 3 2の下端部は、 基盤 3 1に固定されている。

昇降装置 4は、 上記ウェハー支持体 3を支持する昇降口ッ ド 4 1 と、 この昇降 口ッ ド 4 1の途中部を昇降自在に支持する静圧軸受 4 2と、 昇降口ッ ド 4 1の下 部を支持する支持部材 4 3と、 この支持部材 4 3を昇降駆動させる昇降駆動部 4 4 とを備えている。

上記昇降口ッ ド 4 1 は、 石英管からなるものであり、 その上端部が上記ウェハ —支持体 3の基盤 3 1の底面に接続されている。 この昇降口ッ ドの内部は、 半導 体ウェハ一 Wに処理ガスを供給するためのガス供給路として構成されている。 上記昇降口ッ ド 4 1を昇降駆動させる昇降駆動部 4 4は、 モー夕 4 4 aと、 こ のモータ 4 4 aによって回転駆動されるスパイラルギヤ 4 4 bと、 上記支持部材 4 3が取付けられ、 スパイラルギヤ 4 4 bにねじ込まれた昇降部材 4 4 c と、 昇 降部材 4 4 cの昇降をガイ ドするガイ ドロッ ド 4 4 dと、 昇降口ッ ド 4 1の昇降 ストロークを制御するためのエンコーダ 4 4 e等を備えている。

ハンドリ ング装置 6は、 第 3図に示すように、 垂直軸回りに旋回可能なロボッ トァ一厶 6 1 と、 このロボッ トアーム 6 1の先端で、 半導体ウェハー Wを真空吸 着する吸着部材 6 2とを備えている。 このハン ドリ ング装置 6は、 ウェハー支持 体 3を搬送チャンバ一 5に下降させた状態で、 ウェハー支持体 3の側方から半導 体ウェハー Wを支持ピン 3 2上に供給したり、 加熱処理が完了した半導体ウェハ — Wを、 支持ピン 3 2上から取り出したりすることができる。

以上の構成の縦型加熱処理装 ^は、 加熱炉 2のヒ一夕 2 1力く、 半導体ウェハー Wの加熱処理位置 1 3の側方に設けられているので、 ヒー夕 2 1からの輻射熱が、 半導体ウェハー W及びウェハー支持体 3によって遮られることにより、 上記加熱 処理位置 1 3の下方に温度の低い部分が生じるのを防止することができる。 この ため、 半導体ウェハー Wの昇降時の熱履歴を一定にすることができる。 従って、 特に加熱処理開始直後の数枚の半導体ウェハー Wについて、 その単品における胶 厚等の処理精度の均一性と、 複数枚の半導体ウェハー W相互問における胶厚等の 処理精度の均一性とを確保することができる。 また、 上記プロセスチャンバ一 1 の加熱温度分布が、 加熱処理位置 1 3部分で最大となるので、 半導体ウェハー W を効率よく加熱処理することができる。

第 4図は、 上記実施の形態に係る縦型加熱処理装置と、 従来の縦型加熱処理装 置とを用いて、 半導体ウェハーに酸化膜を形成した場合の、 それぞれの膜厚の比 較デ一夕を示すグラフ図である。 この加熱処理において、 処理ガスはドライ 0 ₂ を使用し、 半導体ウェハーの処理温度は 1 0 0 0。 Cに設定し、 処理時間は 6 5 秒に設定した。 また、 半導体ウェハ一は、 8インチのものを用いた。 なお、 各膜 厚のデ一夕は、 半導体ウェハ—の外周縁から 5 m mを除いた部分の円周上の 3 9 囿所の計測点の平均値である。 また、 同図において上段のグラフは、 処理枚数が 1枚目から 2 5枚目までの各半導体ウェハーの膜厚を経時的に計測した俯であり、 下段のグラフは、 1枚の半導体ウェハ一における膜厚のバラツキを 3ひ （σ :分 散） で示したデータである。

第 4図から、 本発明の縦型加熱処理装置で処理した半導体ウェハーは、 特に処 理開始直後における膜厚の低下が解消されていることが明らかである。 また、 1 枚の半導体ウェハーについての膜厚のバラツキについても、 従来よりも減少して いることが明らかである。 すなわち、 良好なュニフォ一ミティ とリ ピータビリテ ィ とを確保することができることが叨らかである。

なお、 上記ウェハ一支持体 3として、 2枚の半導体ウェハ一 Wを、 所定隙間を 設けて上下 2段に支持するものを採用してもよく、 この場合にも、 ヒー夕 2 1 に よる側方からの輻射熱によって、 各半導体ウェハ一 Wを支障なく加熱処理するこ とができる。

第 5図は縦型加熱処理装置の他の実施の形態を示す要部断面図である。 この縦 型加熱処理装置が、 第 1図に示す縦型加熱処理装置と異なる点は、 円筒形のプロ セスチャンバ一 1の上面部に、 内部に冷却水路 1 6を有する金属製水冷リ ング 1 7を介して、 板状の石英ガラス 1 4を配置し、 この石英ガラス 1 4の上方中央部 に、 赤外線ランプゃハロゲンランプ等の指向性のよいランプヒー夕 8を設けた点、 このランプヒータ 8に投入する電力を制御する投入電力制御部 9を設けた点、 及 び上記ランプヒータ 8の周囲に、 複数のガス供給口 1 5を設け、 このガス供給口 1 5を通して、 半導体ウェハ一 Wの処理面に直接処理ガスを供給するようにして いる点である。

上記投入電力制御部 9には、 第 8図に示すように、 電源 Eから入力される電力 を変化させてランプヒータ 8に出力する可変電圧トランス 9 1 と、 この可変トラ ンス 9 1が出力する電力を、 エンコーダ 4 4 eからの信号に基づいて変化させる マイクロコンピュー夕 9 2とを備えている。

このマイクロコンピュータ 9 2は、 上記エンコーダ 4 4 eからの信号を入力と して、 ウェハー支持体 3の高さ位置を判別する位置判別部 9 3 と、 ウェハー支持 体 3の高さ位置毎の上記ランプヒータ 8に印加すベき電圧を記憶する印加電圧記 憶部 9 4 と、 位置判別部 9 3からの信号と印加電圧記憶部 9 4からの信号とを比 較判別して、 上記可変電圧トランス 9 1が出力する電力を、 ウェハー支持体 3の 高さ位置に応じてリアルタイムに変化させる トランス駆動部 9 5 とを備えている c 上記印加電圧記憶部 9 4は、 半導体ウェハー Wが何れの高さ位置にある場合でも、 当該半導体ウェハー Wの中央部に入射される熱量と周辺部に入射される熱量とが、 常に均一になるように （第 7図の 「合成分布」 のグラフ参照） 、 上記ランプヒー 夕 8に印加すべき最適の電圧を、 ウェハ一支持体 3の高さ位置毎に記憶している _c この縦型加熱処理装置によれば、 投入電力制御部 9によって、 ランプヒー夕 8 に投入する電力を制御することにより、 半導体ウェハ一 Wの中央部に対する熱の 放射量を急速に変化させて、 半導体ウェハー Wの中央部とその周辺部とを、 何れ の高さ位置においても、 均一に加熱することができる。 また、 上記ガス供給口 1 5を通してプロセスチャンバ一 1の上部から半導体ウェハ一 Wに処理ガスを直接 供給することができる。 このため、 半導体ウェハ一 Wに結晶欠陥や成膜の不均一 が生じるのを防止しつつ、 半導体ウェハ一 Wの加熱処理のためのサイクルタイム を短くすることができる。 さらに詳述すると、 上記ランプヒー夕 8を設けていな い場合には、 第 7図の斜線で示すように、 半導体ウェハ一 Wに入射される熱量は、 その中央部よりも周辺部の方が多くなる。 このため、 半導体ウェハー Wを、 搬送 チャンバ一 5から加熱処理位置 1 3に急速に上昇させると、 半導体ウェハー Wの 周辺部が中央部よりも急速に加熱されて、 当該周辺部と中央部との温度差に起因 して、 半導体ウェハー Wに結晶欠陥や成膜の不均一が生じ易くなるとともに、 加 熱処理が完了した半導体ウェハ一 Wを、 加熱処理位置 1 3から搬送チャ ンバ一 5 に急速に下降させると、 半導体ウェハ一 Wの中央部が周辺部よりも急速に冷却さ れて、 当該中央部と周辺部との温度差に起因して、 半導体ウェハー Wに結晶欠陥 や成膜の不均一が生じ易くなる。 しかし、 上記実施の形態によれば、 ランプヒー 夕 8に投入される電力を、 投入電力制御部 9によって半導体ウェハー Wの高さ位 置に応じてリアルタイムに変化させて、 半導体ウェハー Wの中央部と周辺部とを、 半導体ウェハー Wの全ての高さ位置において均一に加熱することができるので、 半導体ウェハ一 Wを急速に昇降させても、 上記結晶欠陥や成膜の不均一が生じ難 くなる。 また、 処理ガスを上記ガス供給口 1 5を通して半導体ウェハ一 Wの処理 面 （上面） に直接供給することかできるので、 半導体ウェハ— Wの上昇及び下降 に伴う半導体ウェハ一 W近傍の処理ガスの流れに大きな乱れが生じるおそれがな く、 上記結晶欠陥や成膜の不均一がさらに生じ難くなる。 従って、 上記結品欠陥 や成膜の不均一が生じるのを防止しつつ、 ュニフォーミティ とリ ピータピリティ とを容易に確保することができるとともに、 半導体ウェハー Wの加熱処理のため のサイクルタイムを短くすることができる。

なお、 上記実施の形態においては、 プロセスチヤンバ一 1の中央部にランプヒ 一夕 8を設け、 その周囲に複数のガス供給口 1 5を設けているが、 第 6図に示す ように、 上記ガス供給口 1 5を、 プロセスチャンバ一 1の上部の中心に 1個だけ 設け、 その周囲にランプヒータ 8を複数個配置してもよい。

この発明の縦型加熱処理装置は上記実施の形態に限定されるものでない。 例え ば、 第 5図及び第 6図に示す実施の形態において、 投入電力制御部 9省略して実 施することが可能であり、 この場合にも、 半導体ウェハ一 Wを加熱処理位置 1 3 に配置した状態で、 上記ランプヒ一夕 8によって、 半導体ウェハー Wの中央部を 加熱して、 当該中央部とその周辺部との問で温度差が生じるのを抑制することが できるので、 被処理物を均一且つ効率的に加熱処理することができる。 また、 第

1図に示す実施の形態において、 プロセスチャンバ一 1の上部に、 ランプヒー夕

8やガス供給口 1 5を設けてもよい。

この発明の縦型加熱処理装置は、 上記半導体ウェハーの他、 液晶等の他の被処 理物の加熱処理にも勿論適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲

. 被処理物を支持する支持体と、

この支持体に支持された被処理物を、 搬送チャンバ一からプロセスチヤンバ 一の加熱処理位置に移送する昇降手段と、

上記加熱処理位置に移送された被処理物を加熱する、 抵抗加熱方式のヒー夕 を有し、 このヒータを、 上記プロセスチャンバ一の加熱温度分布が、 加熱処理 位置を最大として上下方向に漸次低くなるように、 上記プロセスチャンバ一の 加熱処理位置の側方に配置している加熱炉と

を含む縦型加熱処理装置。

. 上記プロセスチャンバ一の上方に、 被処理物の中央部を加熱するランプヒー 夕を備える請求項 1記載の縦型加熱処理装置。

. 上記ランプヒータに投入される電力を、 被処理物の高さ位置に応じて制御し て、 被処理物の中央部に入射される熱量と周辺部に入射される熱量とを、 被処 理物の全ての高さ位置において均一にする投入電力制御部を備える請求 2記 載の縦型加熱処理装置。

. 上記プロセスチャンバ一の上部に、 被処理物に処理ガスを供給するためのガ ス供給口を設けている請求項 1記載の縦型加熱処理装置。