CN1533592A - 热处理装置以及热处理方法 - Google Patents
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Abstract
提供热处理温度的收敛快并且在宽泛的处理温度范围温度稳定性高的热处理装置。热处理装置，具有对收容的被处理体进行热处理的处理室、沿处理室外面形成的流体通道、设置在流体通道中的前述热处理用的加热机构、使流体接触加热机构的加热面地通过流体通道的流体通过机构、在热处理过程中的至少一个阶段控制通过流体通道的流体的温度以及流量的控制机构。
Description
技术领域
本发明涉及热处理装置以及采用了它的热处理方法，特别是涉及在半导体制造中用于在半导体基板上进行膜形成等的热处理装置以及热处理方法。
技术背景
一般，在半导体装置的制造中，是用热处理成膜装置或CVD(化学气相沉积)装置等(以下，总称热处理装置)，多采用在半导体基板上形成多晶硅膜、氧化膜、氮化膜等薄膜的工序。
这些热处理工序，随着器件的细微化，要求低温化，同时为了提高生产性又要求缩短处理时间。
在特开平6-53141号公报上，介绍了如图10所示那样具有空冷装置、可望提高生产率的热处理装置。
在图10中，热处理装置100，由以下部分构成：用于对装在舟皿2上的半导体晶片1进行热处理的处理室3；与处理室3之间形成流体通道8、9并覆盖处理室3的外侧的保温部件7；设置在流体通道8、9中加热处理室3内的加热器6；与加热器6的加热面接触地使流体14(空气)通过流体通道8、9的送风机21(空冷装置)；设置在流体通道8、9入口的开闭阀19。送风机21可在一定风量下运行而空冷流体通道8、9。
对半导体晶片1进行热处理时的处理室3的最高温度，根据处理对象而不同，例如，可分为低温(100℃～500℃)、中温(500℃～900℃)以及高温(900℃～1300℃)。
虽然在将晶片1从处理室3取出时必须冷却处理室3，但在热处理装置100上，在中温(例如约800℃)下处理后的冷却时，可使处理室3以-30℃/分钟左右的速度降温，与没有空冷装置的装置(自然冷却的降温速度为-5℃/分钟左右)相比生产率大幅提高。
开闭阀19，只在冷却时打开排出高温的废气，冷却时间之外关闭以防止热量无谓地释放。
在特开平7-135182号公报上，如图11所示那样，介绍了具有与上述同样的空冷装置并且具有中间装有换热器20的排气循环通道的热处理装置200。
在热处理装置200上，将沿排气循环通道排出的高温废气在换热器20进行冷却，返回处理室3再利用。
在前述的热处理装置100以及热处理装置200上，可在短时间内冷却处理室3内。
但是，在这些热处理装置上，在处理室3的热处理完了之后，因为使室温左右的空气大量流过流体通道8、9，所以在处理室3处于高温状态(例如1200℃左右)时，由于急剧的温度变化，存在可能破坏加热器6以及处理室3的问题。
另外，存在升温时的过升温的问题。通常，如果在热处理开始时使处理室3高速上升至设定温度，则发生温度的过升温。图12所示是该过升温的一例。
在图12中，图线1是以+30℃/分从100℃上升至400℃时的处理室3内的温度变化。
这时，相对设定温度400℃发生+80℃的过升温，处理室3内的晶片受到不必要的加热。又，为了在设定温度下进行反应，必须等待温度收敛，从而生产率降低。
为了防止温度的过升温，有阶段性降低升温速度的方法。图12的图线2所示为阶段性设计设定温度而升温至设定温度400℃时的处理室3内的温度变化。
这时，完成升温所需时间变长，结果与进行不必要的热处理的情况一样，生产率同样降低。
又，在进行器件模拟时，多不考虑过升温而进行模拟，实际的器件与模拟的结果之间有很大的差别。
即，因为过升温在各热处理装置之间存在标准偏差，所以必须进行试验获取数据，且需要很长时间反馈到模拟。
这样，传统的热处理装置，虽然升温速度快，但之后的温度收敛所需时间长，妨碍构成稳定的热处理程序。
并且，还存在热处理时处理室3内的温度稳定性的问题。
图13是在传统的热处理装置(特别是扩散炉)上使处理室3内的温度以+3℃/分钟的升温速度从450℃上升至700℃，而从升温开始2小时后(0分)开始的处理室3内的温度纪录。
又，图14，是在传统的热处理装置上使处理室3内的温度以-3℃/分钟的降温速度从450℃降温至200℃，而从降温开始2小时后(0分)开始的处理室3内的温度纪录。
如图13所示那样，虽然维持处理室3内中·高温时的温度稳定性良好，但如图14所示那样，将处理室3内维持在低温(例如200℃左右)时的温度稳定则不好。因此，在布线形成工序中进行必要的低温热处理时，必须另外准备安装了低温专用加热器等的热处理装置。
发明内容
本发明，是为了解决上述传统的问题而设计，目的在于提供热处理温度的收敛快且在宽泛的处理温度范围温度稳定性高的热处理装置。
如果根据本发明，则可提供具有以下部分的热处理装置：对收容的被处理体进行热处理的处理室；沿处理室外面形成的流体通道；设置在流体通道中的前述热处理用的加热机构；使流体接触加热机构的加热面而通过流体通道的流体通过机构；在热处理中的至少一个时期控制通过流体通道的流体的温度以及流量的控制机构。
即，因为利用具有在热处理过程中的至少一个时期控制通过流体通道的流体的温度以及流量的流体控制机构的上述构成进行利用加热机构的热处理时，可提高升温以及降温(即冷却)的速度，同时可微调来自加热机构的传热，所以，热处理温度的收敛快，并且可在宽泛的处理温度范围获得高的温度稳定性，提高生产率。
又，在使处理室从高温状态冷却到中温状态时，也因为可控制流体而在处理室内不产生急剧的温度变化，所以，不会破坏处理室。
作为本发明的被处理体，虽然例举出半导体基板(晶片)等，但不限于此。
作为本发明的热处理装置，可例举出在半导体基板的表面上层叠薄膜或氧化膜，或者进行杂质的扩散等用的CVD装置、氧化膜形成装置以及扩散装置等。
所谓本发明的流体通道，是使加热用流体或冷却用流体接触处理室外面而在处理室内与处理室外之间进行热交换的通道，具体地可例举出在处理室的外面与由其外侧的保温部件构成的外壁之间形成的通道。
作为本发明的加热机构，最好在其表面具有有与流体接触的充分的接触面积的加热面而可良好进行对流体的传热。
作为本发明的流体，可采用空气等气体或液体。特别是，在希望冷却效果好的时候，最好使用水等液体。
本发明的控制机构，可例举出由以下部分构成的形式：在流体通道的上游对通过流体通道的流体进行冷却或加热的温度调节机构；控制通过流体通道的流体的流量的流量控制机构；检测处理室或被处理体的温度并控制温度调节机构和流量控制机构的驱动的流体控制部。
作为流体控制机构，可例举出设置在流体通道上的流量控制阀。
作为流体通过机构，可例举出送风量可变的风扇或送液量可变的泵。流体通过机构，如果是在流体通道上并列设置且流量相互不同的多个送风量可变的风扇，则可进行精确的流量调节。
控制机构，可例举出利用热电偶等温度检测机构检测处理室或被处理体的温度并开关控制加热机构以及温度调节机构的形式。这时对应处理室收纳的被处理体的条件——即被处理体的种类、数量、设定温度和外因的各种变动，可获得高的温度稳定性。
另外，在本发明中，如果根据预先设定的程序执行进行温度控制的程序等，则也可不设置温度检测机构。
控制机构，具有在流体通道中设置在处理室附近的第1加热机构和在流体通道的上游加热通过流体通道的流体的第2加热机构，因为第1加热机构可切换到第2加热机构，所以，可不产生急剧的温度变化而使处理室的温度下降。
如果根据本发明的另外的观点，是提供一种热处理方法：在采用具有对收纳的被处理体进行热处理的处理室、沿处理室外面形成的流体通道、设置在流体通道中的前述热处理用的加热机构、使流体接触加热机构的加热面而流过流体通道的流体通过机构、控制加热机构以及流体通过机构的控制机构的热处理装置进行热处理时，控制机构，在热处理中的至少一个时期，对流体通过机构进行指令从而一面改变流体的温度以及流量一面使流体通过流体通道。
在本发明中，热处理，由到达预先设定的处理温度之前的升温期间、在一定范围保持前述设定温度的保持期间以及到热处理结束之前的降温期间构成，控制机构，在前述期间的至少一个时期，检测处理室或被处理体的温度并控制流体的温度以及流量。
又，控制机构，通过在要到达预先设定的处理温度之前，对流体通过机构进行指令使前述流体通过流体通道，可除去为了升温而过多提供的热量，所以，可控制温度的过升温。
又，控制机构，在被处理体的热处理时，通过对流体通过机构进行指令使相对热处理设定温度控制在例如-100℃的流体连续流动，从而可在既定温度下的热处理时使热处理温度稳定。
特别是低温的热处理时，通过连续流动控制在极低温(例如-100～100℃左右)的流体，可使热处理温度稳定。
又，控制机构，在要到达预先设定的热处理温度之前，因为对加热机构进行指令而以平均+10℃/分以上的温度上升率及相对设定温度过升温在+1℃以下地升温，所以，可缩短温度稳定所需时间——即从过升温下降到设定温度所需时间或不超过设定温度地降低温度上升率时到达设定温度的时间。
本发明的热处理装置，可用于在半导体基板上形成薄膜时的热处理。
图面的简单说明
图1是本发明的实施形式1的热处理装置的基本构成的断面图。
图2是采用图1的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图3是本发明的实施形式2的热处理装置的基本构成的断面图。
图4是采用图3的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图5是本发明的实施形式3的热处理装置的基本构成的断面图。
图6是采用图5的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图7是本发明的实施形式4的热处理装置的基本构成的断面图。
图8是采用图7的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图9是采用图1的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图10是传统的热处理装置的基本构成的断面图。
图11是传统的热处理装置的基本构成的断面图。
图12是采用传统的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图13是采用传统的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
图14是采用传统的热处理装置进行的热处理方法的一例的处理室内的温度测定结果的线图。
实施发明的最佳形式
以下，虽然参照图说明本发明的实施形式，但本发明并不限于这些。
实施形式1
图1，是本发明的实施形式1的热处理装置的基本构成的断面图。
如图1所示那样，作为扩散炉的热处理装置10，具有用于放置半导体晶片1的舟皿2、用于在所需的温度下对前述半导体晶片1实施热处理的处理室3、用于将放置了半导体晶片1的舟皿2送入·取出前述处理室3内的升降机构4、为了使处理室3内达到所需温度而围绕处理室3的外壁5的侧部设置的加热器6、围绕加热器6的周围以及处理室3的外壁5的上部设置的保温部件7。
又，在处理室3与保温部件7之间，分别形成使流体14(空气)与加热器6的内外形成的加热面6a接触地通过的流体通道8、9。
在流体通道8、9的下游侧(图中上方)设置送风机21。送风机21，送风量可变，将室内的空气从流体入口22吸引到流体通道8、9，使被吸引的空气接触加热面6a而通过之后，可向热处理装置10外排出。
在流体入口22的附近分别设置将气体导入处理室3的气体导入口11以及排出处理室3内的气体的气体排出口12。
在处理室3中设置用于测定处理室3内的温度的热电偶13。热电偶13连接用于根据设定温度控制处理室3内的温度的温度控制机构(未图示)。
图2中示出使用热处理装置10，在利用加热器6的加热使处理室3内以+30℃/分的升温速度从100℃升温到设定温度400℃的过程中，在处理室3的温度达到了350℃时，改变送风机21的输出使送风机21的送风量为最大送风量的10％、30％、50％而使室温的空气从流体入口22流到流体通道8、9时的处理室3内的温度测定结果(图线1～3)。
并且，例举了与传统装置的处理室3内的温度测定结果的比较例(图线4)。该传统例(图线4)，虽然使用热处理装置10与上述一样使处理室3的温度升温至350℃，但不进行送风机21的送风，即设计为不进行本发明的冷却运行的构成。
如图2所示那样，图线2所示的本发明的进行了冷却运行的测定结果，与上述不进行冷却运行的传统例的测定结果(图线4)比较，加快了向设定温度的收敛。
但是，在送风量设为10％时(图线1)，冷却能力太低，产生了约10℃的过升温。又，在送风量设为50％时(图线3)，因为冷却能力太强，所以一度温度降低，之后升温。
了解到在送风量设为30％时(图线2)，没有过升温发生，在升温结束的同时收敛到设定温度。
这样，通过在升温过程中(升温工序结束之前)增加冷却运行，使半导体晶片1不会受到不必要的热处理，并且在与阶段性升温的传统方法相比时，可明显缩短升温所需时间。
实施形式2
图3是本发明的实施形式2的热处理装置的基本构成的断面图。
在实施形式1的热处理装置10上，虽然设计为在流体通道8、9的下游侧设置一台送风机21的构成，但该实施形式2的热处理装置30，如图3所示那样，设计为在流体通道8、9的下游侧设置第1流量调节器15和第2流量调节器16的构成。除这点以外的构成，与热处理装置10基本是同样的构成，所以省略各部分构成的说明。
第1以及第2流量调节(控制)器15、16，由送风机和控制其送风量的调节器构成。
利用第1流量调节器15，控制例如流量控制范围为5～100L/MIN(升每分)左右的大送风量；利用第2流量调节器16，控制例如流量控制范围为500SCM(立方厘米每分)～10L/MIN左右的小送风量。
第1以及第2流量调节器15、16的位置，也可在流体通道8、9的上游侧，即流体入口22附近。
在该实施形式2的热处理装置30上，因为具有流量控制范围不同的大小二台流量调节器15、16，所以，可进行更精确的流量控制。
图4中示出使用热处理装置30，改变加热器6的功率和第1以及第2流量调节器15、16的送风量地使室温的空气从流体入口22流到流体通道8、9时的处理室3内的温度测定结果。另外，图中的送风量用以100L/MIN为100％的百分率表示。
在该例中，利用加热器6的加热将处理室3内的温度以+30℃/分的升温速度从100℃上升至400℃的过程中，在处理室3的温度到了350℃时在30L/MIN下驱动第1流量调节器15，在处理室3的温度超过350℃而收敛后，逐渐降低第1流量调节器15的送风量，在送风量达到10L/MIN以下时，切换到第2流量调节器16，并且，使流量逐渐减小，加热器6的功率也随着前述送风量的下降而逐渐下降。
处理室3内的温度，虽然与图2的图线2中所示的送风量30％的情况大致一样地变化，但因为一面降低冷却能力——即减少送风量，一面也减小加热器6的功率，所以，可减少无谓的能源消耗。
实施形式3
图5是本发明的实施形式3的热处理装置的基本构成的断面图。
在实施形式3的热处理装置50上，设计为在实施形式1的热处理装置10的流体入口22设置第2加热器17的构成。除这点以外的构成，基本与热处理装置10是同样的构成，所以省略各部分构成的说明。
作为图线1在图6中示出使用热处理装置50，在停止加热器6的运行而冷却已被加热器6加热到1100℃的处理室3内的温度的过程中，使已被第2加热器17加热到750℃的空气从流体入口22流到流体通道8、9时的处理室3内的温度测定结果。
作为图线2在图6中示出不进行本发明的上述冷却运行——即送风的强制冷却，而放置着等待自然冷却时的处理室3内的温度测定结果。
在该例中，在过去那样自然冷却时(图线2)，是-5℃/分左右的降温速度，而在进行本发明的冷却运行时(图线1)，可获得-15℃/分左右的降温速度。
另外，将上述冷却运行时流到流体通道8、9的流体的温度设为750℃，是为了防止流体温度设得太低(例如与处理室3内的温差在500℃以上的流体的温度)时，由于急剧的温度变化而引起热处理装置50的各部损伤。
实施形式4
图7是本发明的实施形式4的热处理装置的基本构成的断面图。
在实施形式4的热处理装置70上，设计为在实施形式1的热处理装置10的流体入口22设置冷却器18的构成。除这点以外的构成，基本与热处理装置10是同样的构成，所以省略各部分构成的说明。
图8(图线1～5)中示出使用热处理装置70，将处理室3内的温度设为100℃、200℃以及700℃，并以上述各设定温度进行处理室3内的温度控制时的处理室3内的温度测定结果。
另外，在该例中，加热器6使用高温用的加热器。
在设定温度700℃下，不进行本发明的冷却运行——即让流体通过流体通道8、9的冷却，而进行只利用加热器6的开关控制的传统的温度控制(图线1)。
示出了在设定温度200℃下，进行只利用加热器6的开关控制的传统的温度控制(图线2)时、和除该温度控制外且作为本发明的冷却运行而将送风机21的送风量设为70％地使室内的空气(26℃)[以下，称作外界气体]从流体入口22流到流体通道8、9时(图线3)的结果。
示出了在设定温度100℃下，除加热器6的开关控制外且作为本发明的冷却运行而将送风机21的送风量设为100％地使外界气体(26℃)从流体入口22流到流体通道8、9时(图线4)、和除加热器6的开关控制外且作为本发明的温度调节用的冷却而将送风机21的送风量设为100％地使从流体入口22取入的外界气体(26℃)在冷却器18冷却到0℃而流到流体通道8、9时(图线5)的结果。
如图8所示那样，在设定温度700℃下，虽然仅利用加热器6的开关控制处理室3内的温度就稳定了(图线1)，但在设定温度200℃下，则产生了±5℃以上的温度起伏(图线2)。
产生这样的温度起伏的原因之一是，尽管在相对设定温度而处理室3内的温度高时，因为高温的处理室3内与外界气体温度之差大所以温度下降快，但低温下由于与外界气体温度之差小所以自然冷却时间长。
上述原因之二是，由于加热器6是高温型号的，所以只要加热器的输出稍微波动，处理室3内的温度就大变动。因此，可认为如果将处理室3内的温度与外界气体温度之差设得大，则即使在设定温度100℃左右的低温下处理室3内的温度也稳定。
基于这种考虑而进行的实验例，是获得图8的图线3的结果的进行本发明的冷却运行的情况。
如图8的图线3所示那样，温度起伏在±1℃以内，与不进行本发明的冷却运行的情况相比，处理室3内的温度的稳定性非常好。
在获得图8的图线4的结果的进行了取入外界气体而进行的冷却运行时，因为上述冷却运行带来的温降小，所以，温度起伏在±10℃以上，处理室3内的温度的稳定性不好。
如果采用获得图8的图线5的结果的利用冷却了的外界气体(0℃)的上述温度控制，温度起伏在±1℃以内，与图线4的情况相比显著提高了处理室3内的温度的稳定性。
实施形式5
在实施形式5中，使用热处理装置10，一面利用设置在处理室3内的热电偶13监测处理室3内的温度一面对应处理室3内的温度改变送风机21的功率地进行本发明的冷却。
在该例中，将处理室3内的温度设定在400℃，并以+30℃/分的温度上升率将变成了100℃的处理室3内的温度升温到设定温度400℃，并保持在设定温度400℃。
送风机21的功率，如实施形式1中用图2说明的那样，设定为使送风机21的送风量为最大送风量的30％。
根据实施形式5进行处理室3内的温度控制时的处理室3内的温度测定结果示于图9(图线1以及2)。另外，图9的图线2，是一面利用开关控制来控制加热器6一面保持送风机21的功率一定而进行的利用传统的温度控制的处理室3内的温度测定结果。
如果利用本发明的温度控制，则因为一面利用热电偶13监测处理室3内的温度一面自动调整送风机21的功率(图线1)，所以，与不调整送风机21的功率时(图线2)相比，即使在升温的最后阶段升温速度也几乎不下降，并且温度的过升温也在+1℃以内，缩短了温度收敛的时间。
在前述的各实施形式中，虽然流体采用空气，但根据热处理条件等可采用比热等不同的各种的气体或液体作为流体。特别是，要求冷却效果高时，最好使用水等液体。
产业上利用的可能性
在采用本发明的热处理装置上，因为利用具有在热处理过程中的至少一个阶段控制流过流体通道的流体的温度以及流量的流体控制机构的上述构成，在进行利用加热机构的热处理时，可提高升温以及降温(即冷却)的速度，同时可微调来自加热机构的传热，所以，热处理温度的收敛快，并且在宽泛的处理温度范围可获得高的温度稳定性，生产率提高。
又，即使在将处理室从高温状态冷却到中温状态时，也通过控制流体而而在处理室不产生急剧的温度变化，从而不会损坏处理室。
如果采用本发明，特别是因为可提高从中温开始的冷却速度，同时可顺利进行从高温到中温的冷却，所以，可切实防止处理室的损坏。
因为可抑制热处理温度的过升温，所以，与器件模拟的一致性也好，生产性以及质量提高。并且，因为即使在低温也可使温度稳定，所以，半导体装置等被处理体的质量提高。
又，因为可在1台装置上进行从高温到低温的热处理，所以，也减少了设备投资。
Claims (10)
1.一种热处理装置，其特征在于具有：对收容的被处理体进行热处理的处理室；沿处理室外面形成的流体通道；设置在流体通道中的前述热处理用的加热机构；使流体接触加热机构的加热面而通过流体通道的流体通过机构；在热处理中的至少一个时期控制通过流体通道的流体的温度以及流量的控制机构。
2.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：控制机构，由在流体通道的上游对通过流体通道的流体进行冷却或加热的温度调节机构、控制通过流体通道的流体的流量的流量控制机构、检测处理室或被处理体的温度并控制温度调节机构和流量控制机构的驱动的流体控制部构成。
3.如权利要求2所述的热处理装置，其特征在于：流量控制机构，是设置在流体通道上的流量控制阀。
4.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：流体通过机构，是并列设置在流体通道上且流量相互不同的多个送风量可变的风扇。
5.如权利要求1到4的任何一项所述的热处理装置，其特征在于：用于在半导体基板上形成薄膜时的热处理。
6.如权利要求1所述的热处理装置，其特征在于：控制机构，具有在流体通道中设置在处理室附近的第1加热机构和在流体通道的上游加热通过流体通道的流体的第2加热机构，第1加热机构可切换到第2加热机构。
7.一种热处理方法，其特征在于：在采用具有对收纳的被处理体进行热处理的处理室、沿处理室外面形成的流体通道、设置在流体通道中的前述热处理用的加热机构、使流体接触加热机构的加热面而流过流体通道的流体通过机构、控制加热机构以及流体通过机构的控制机构的热处理装置进行热处理时，控制机构，在热处理中的至少一个时期，对流体通过机构进行指令从而一面改变流体的温度以及流量一面使流体通过流体通道。
8.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于：热处理，由到达预先设定的处理温度之前的升温期间、在一定范围保持前述设定温度的保持期间以及到热处理结束之前的降温期间构成，控制机构，在前述期间的至少一个时期，检测处理室或被处理体的温度并控制流体的温度以及流量。
9.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于：控制机构，对流体通过机构进行指令而在即将到达预先设定的处理温度之前使前述流体通过流体通道。
10.如权利要求7所述的热处理方法，其特征在于：并且，控制机构，在即将到达预先设定的热处理温度之前，对加热机构以及流体通过机构进行指令而以平均+10℃/分以上的温度上升率且相对设定温度过升温在+1℃以下地升温。
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