DE60219903T2

DE60219903T2 - Wärmebehandlungseinrichtung

Info

Publication number: DE60219903T2
Application number: DE60219903T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Tachikawa Makiya; Takanori Minato SAITO; Karuki Minato EICKMANN; Sanjeev Kaushal; Anthony Dip; David L O'meara
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2022-03-21
Also published as: CN1494738A; JP4210041B2; EP1376667A4; US7141765B2; CN1257537C; EP1376667B1; DE60219903D1; WO2002082524A1; TWI248129B; JP2002299335A; EP1376667A1; US20040115585A1; KR20030078936A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine Vorrichtung dieses Typs wird in US-A-5,676,869 beschrieben. Noch spezieller betrifft die Erfindung eine Technik, die die Genauigkeit der Temperaturmessung des zu verarbeitenden Gegenstandes, wie zum Beispiel eines Halbleiterwafers, verbessert.
Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Das Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung verwendet verschiedene Arten von Wärmebehandlungsvorrichtungen, die Wärmebehandlungen durchführen, wie zum Beispiel Oxidation, Diffusion und Filmbildung. Eine Wärmebehandlungsvorrichtung vom Batch-Typ in vertikaler Bauart, die eine Wärmebehandlung an einer Mehrzahl von Gegenständen zu einer bestimmten Zeit durchführt, ist als eine der vorher erwähnten Wärmebehandlungsvorrichtungen bekannt.
Mit der Wärmebehandlungsvorrichtung des Batch-Typs in vertikaler Bauart wird eine Mehrzahl von Halbleiterwafern in einem Waferschiffchen in vertikal beabstandeten Intervallen gehalten, und danach wird das Waferschiffchen in das Verarbeitungsgefäß geladen. Die Halbleiterwafer werden auf eine vorbestimmte Temperatur mit Hilfe einer röhrenförmigen Heizeinrichtung, die das Verarbeitungsgefäß umgibt, erwärmt, und dannach werden die Halbleiterwafer einer vorbestimmten Behandlung unterworfen. Eine Temperatursteuereinrichtung steuert die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung, basierend auf den Temperaturdaten, die von einer Temperatursensoreinheit, die in dem Verarbeitungsgefäß angeordnet ist, gemessen werden, wodurch das Innere des Verarbeitungsgefäßes und damit die Halbleiterwafer bei einer vorher festgesetzten Temperatur bleiben.
Um Filme zu erhalten, die eine ausgezeichnete Eigenschaft und eine gleichmäßige Qualität aufweisen, ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf jedem Halbleiterwafer und unter den Halbleiterwafern, die jeweils bei verschiedenen Höhen platziert wurden, notwendig. Daher ist das Innere des Verarbeitungsgefäßes in eine Mehrzahl von Heizzonen eingeteilt, und die Ausgangsleistung von jeder Heizeinrichtung, die der jeweiligen Heizzone entspricht, wird unabhängig gesteuert.
Die Temperatursensoreinheit, die in solch einer Wärmebehandlungsvorrichtung verwendet wird, ist zusammengesetzt aus: einem geraden Schutzrohr, das aus Quarz hergestellt ist und sich vertikal in dem Verarbeitungsgefäß erstreckt; und Thermoelementen, die in dem Schutzrohr bei Positionen angeordnet sind, die jeweils den Heizzonen entsprechen. Die Thermoelemente messen die Temperaturen in dem Verarbeitungsgefäß bei Positionen, die jeweils den Heizzonen entsprechen, und die Wärmeleistung der Heizeinrichtungen wird basierend auf den gemessenen Temperaturen gesteuert.
6 zeigt eine typische Struktur einer üblichen Temperatursensoreinheit. Ein Thermoelement 60 wird durch die Verbindung eines metallischen Drahts 61A aus Platin mit einem metallischen Draht 61B aus einer Platin-Rhodiumlegierung hergestellt. Die metallischen Drähte 61A und 61B werden in röhrenförmige, elektrisch isolierende Elemente 62A und 62B, die aus Aluminiumoxidkeramiken hergestellt sind, eingeführt. Die metallischen Drähte 61A und 61B erstrecken sich innerhalb eines Schutzrohres 65, das aus Quarz hergestellt ist, werden zu der Außenseite des Endstücks des Schutzrohres 65 geführt und werden mit einer Steuereinrichtung verbunden.
Die vorübergehende (transiente) Reaktion der oben erwähnten Temperatursensoreinheit ist allerdings langsam in Anbetracht der Temperaturanstiegsrate des Halbleiterwafers, wenn er schnell aufgeheizt wird. Wenn der Anstieg der Temperatur, die von dem Thermoelement gemessen wird, langsamer ist als der Anstieg der tatsächlichen Temperatur des Halbleiterwafers, sobald der Halbleiterwafer erwärmt wird, ist eine exakte Temperatursteuerung schwierig, und daher ist eine lange Zeitdauer nötig, bis die Halbleiterwafer einen stabilen Zustand erreichen, in dem sie sich bei der vorher festgelegten Verarbeitungstemperatur befinden. Dies verlängert die gesamte Bearbeitungszeit und resultiert in einer Abnahme der Durchsatzrate.
Die US-A-6,077,777 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung von Leitern eines Halbleiterwafers, welches die Schritte umfaßt, nacheinander eine Barriereschicht, eine Leiterschicht und eine Antireflexbeschichtungsschicht auf einem Halbleitersubstrat auszubilden; die Schichten zu strukturieren und die Rückstände, die während der Musterung entstanden sind, zu entfernen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist das Ziel der vorliegende Erfindung, die vorübergehende (transiente) Reaktion des Temperatursensors einer Wärmebehandlungsvorrichtung zu verbessern, und dadurch eine Wärmebehandlungsvorrichtung bereit zu stellen, die in der Lage ist, die Temperatur des Gegenstandes schnell einzustellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Ursache der langsamen, vorübergehenden Reaktion des Temperatursensors untersucht. Sie fanden heraus, daß die langsame vorübergehende Reaktion dadurch verursacht wird, daß die Reflektivität der metallischen Drähte (Draht aus Platin und Draht aus Rhodium) des Thermoelementes auf das abstrahlende Licht, das von dem Gegenstand, der verarbeitet werden soll, emittiert wird, hoch ist und daher das Emissionsvermögen der metallischen Drähte auf Grund des metallischen Glanzes der metallischen Drähte gering ist. Die Erfinder fanden weiterhin heraus, daß die Wärmekapazität der Thermoelementeinheit auf Grund der Bereitstellung des röhrenförmigen, elektrisch isolierenden Elementes erhöht ist, was auch in der langsamen vorübergehenden Reaktion resultiert. Die Erfinder zogen die Schlußfolgerung, daß die Reaktion des Thermoelementes auf das abstrahlende Licht, das von dem Gegenstand emittiert wird, durch Verbesserung der Emissionsfähigkeit des Thermoelementes verbessert werden kann, und sie brachten die vorliegende Erfindung zum Abschluss.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmebehandlungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen bereit: ein Verarbeitungsgefäß; eine Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen zu verarbeitenden Gegenstand, der sich in dem Verarbeitungsgefäß befindet, zu erwärmen; eine Temperatursensoreinheit, die in dem Verarbeitungsgefäß angeordnet ist; und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung basierend auf Temperaturdaten, die von dem Temperatursensor gemessen werden, zu steuern, wobei die Temperatursensoreinheit ein Schutzrohr und ein Thermoelement mit einem Paar metallischer Drähte aufweist, die in dem Schutzrohr enthalten und an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und wobei ein Film mit einer Antireflexfunktion auf wenigstens einer Oberfläche der Verbindung der metallischen Drähte ausgebildet ist.
Die Reflektivität eines Abschnitts des Thermoelementes, auf dem der Film ausgebildet ist, für ein Licht einer beliebigen Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 5 μm beträgt vorzugsweise 80% oder weniger, mehr bevorzugt 50% oder weniger.
Der Film, der die Antireflexfunktion hat, ist vorzugsweise elektrisch isolierend.
Der Film, der die Antireflexfunktion hat, ist vorzugsweise aus mehreren Schichten aufgebaut. In diesem Fall ist bezogen auf die Dicke des Filmes die oberste Schicht vorzugsweise elektrisch isolierend, und eine Schicht, die mit den Metalldrähten in direktem Kontakt steht, ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das gegenüber den metallischen Drähten inert ist.
In einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die metallischen Drähte des Thermoelementes jeweils aus Platin und einer Platin-Rhodiumlegierung hergestellt sein und der Film, der die Antireflexfunktion hat, kann aus einer Schicht aus Siliziumnitrid, einer Schicht aus Silizium und einer Schicht aus Siliziumnitrid hergestellt sein, die auf den metallischen Drähten in dieser Reihenfolge gebildet werden. Die Schicht aus Silizium kann mit Phosphat dotiert sein.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Reflektivität des temperaturmessenden Abschnitts des Thermoelementes vermindert werden und seine Emissionsfähigkeit kann erhöht werden.
Für den Fall, daß der Film eine elektrisch isolierende Schicht enthält, es ist nicht nötig, die metallischen Drähte jedes Thermoelementes mit einer elektrisch isolierenden Röhre zu beschichten, was zu einer Abnahme der Wärmekapazität der Temperatursensoreinheit führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die transiente Reaktion des Thermoelementes verbessert, und daher kann die Temperatur des Gegenstandes mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Somit kann die Heizeinrichtung exakt gesteuert werden.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmebehandlungsvorrichtung in vertikaler Bauart in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die schematisch deren Struktur zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Temperatursensoreinheit, die in 1 gezeigt ist, die deren Struktur zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Thermoelementes der Temperatursensoreinheit, die in 2 gezeigt ist, die dessen Struktur zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht der metallischen Drähte des Thermoelementes und eines Filmes, der auf dem Verbindungspunkt der metallischen Drähte gebildet ist, die schematisch deren Struktur zeigt;
5 ist ein Graph, der eine vorübergehende Reaktion während des Wärmevorganges zeigt, die für das Thermoelement charakteristisch ist; und
6 ist eine Querschnittsansicht eines konventionellen Thermoelementes, die dessen Struktur zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Wärmebehandlungsvorrichtung in vertikaler Bauart, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und ein filmbildendes Verfahren auf Halbleiterwafern durch ein CVD-Verfahren durchführt, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmebehandlungsvorrichtung in vertikaler Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung, die schematisch deren Struktur zeigt.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung in vertikaler Bauart umfaßt ein Verarbeitungsgefäß (Verarbeitungsröhre) 11 mit einer Doppelröhrenstruktur, die eine gerade innere Röhre 11A umfaßt, die sich vertikal erstreckt, und eine äußere Röhre 11B, die die innere Röhre 11A mit einem gewissen Spalt dazwischen konzentrisch umgibt. Ein oberes Ende der inneren Röhre 11A ist geöffnet und ein oberes Ende der äußeren Röhre 11B ist geschlossen. Ein Raum unterhalb des Verarbeitungsgefäßes 11 dient als ein Beladungsbereich L, wo Halbleiterwafer von einem Waferschiffchen 17, d. h. einer Haltevorrichtung für Gegenstände, auf- und abgeladen werden. Die innere Röhre 11A und die äußere Röhre 11B sind aus einem Material hergestellt, das exzellente Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist, wie zum Beispiel Quarzglas mit einem hohen Reinheitsgrad.
Das Verarbeitungsgefäß 11 umfaßt ein kurzes zylindrisches Verteilerrohr 12, das mit einem unteren Endteil der äußeren Röhre 11B verbunden ist. Das Verteilerrohr 12 hat einen Flansch 12A an seinem oberen Ende. Ein Flansch 111 ist an einem unteren Abschnitt des Endes der äußeren Röhre 11B angeordnet. Die Flansche 12A und 111 sind miteinander durch einen Flanschpresser 13 mit einem Abdichtmittel (nicht gezeigt), wie zum Beispiel einem O-Ring, der zwischen die Flansche 12A und 111 eingeschoben ist, verbunden.
Die innere Röhre 11A erstreckt sich abwärts über ein unteres Ende der äußeren Röhre 11B hinaus, um in das Verteilerrohr 12 eingeführt zu werden, und sie wird durch eine ringförmige Stütze 14 der inneren Röhre, die auf einer inneren Oberfläche des Verteilerrohrs 12 angeordnet ist, gestützt.
Ein Gaszuführungsrohr 15 zur Einführung eines Prozeßgases und eines inerten Gases in die Verarbeitungskammer 11 führt durch eine Stelle der Seitenwand des Verteilerrohrs 12, um sich aufwärts in die innere Röhre 11A zu erstrecken. Ein Raum zwischen der Seitenwand des Verteilerrohrs 12 und dem Gaszuführungsrohr 15 ist in einer luftundurchlässigen Art und Weise verschlossen. Das Gaszuführungsrohr 15 ist an eine Gaszuführungsquelle angeschlossen, die nicht gezeigt ist.
Eine Austrittsöffnung 16 zum Abführen von Luft aus dem Verarbeitungsgefäß 11 ist auf der anderen Seite der Seitenwand des Verteilerrohrs 12 angeordnet. Die Austrittsöffnung 16 ist mit einem Austrittsmechanismus (nicht gezeigt) verbunden, der zum Beispiel eine Vakuumspumpe und einen Drucksteuermechanismus hat, bei dem ein Druck in dem Verarbeitungsgefäß 11 gesteuert wird.
Unter dem Verarbeitungsgefäß 11 ist eine Hebevorrichtung 21 vorgesehen, die das Waferschiffchen 17 zum Ein- und Ausladen in und aus dem Verarbeitungsgefäß 11 vertikal bewegt. Die Hebevorrichtung 21 umfaßt einen scheibenförmigen Deckel 20, der eingerichtet ist, eine Öffnung 11C am unteren Ende des Verarbeitungsgefäßes 11 zu schließen. Das Waferschiffchen 17 ist aus Quarzglas mit einem hohen Reinheitsgrad hergestellt. Eine Mehrzahl an Stücken, zum Beispiel ungefähr 100 bis 500 Stück Halbleiterwafer werden auf dem Waferschiffchen 17 gehalten, während sie in vertikalen Abstanden in vorbestimmten Intervallen, zum Beispiel von 5,2 bis 20,8 mm, angeordnet sind.
Ein säulenförmiges Stützelement 22 ist an dem Deckel 20 befestigt und erstreckt sich aufwärts parallel zu einer Achse des Verarbeitungsgefäßes 11. Das Stützelement 22 tritt durch den Deckel 20 hierdurch. Eine scheibenförmige Schiffchenstütze 22A, die angepasst ist, das Waferschiffchen 12 darauf zu stützen, ist integral mit dem Stützelement 22 an dessen oberen Ende vorgesehen. Ein unteres Ende des Stützelementes 22 ist mit einem Rotationsantriebsmittel 23 verbunden, das unterhalb des Deckels 20 vorgesehen ist. Eine wärmeisolierende Röhre 24 ist auf dem Deckel 20 angeordnet, wobei das Stützelement 22 durch die wärmisolierende Röhre 24 hindurchführt.
Eine röhrenförmige Heizeinrichtung 30 ist außerhalb des Verarbeitungsgefäßes 11 angebracht, um die Halbleiterwafer, die in dem Verarbeitungsgefäß 11 aufgenommen sind, auf eine vorbestimmte Verarbeitungstemperatur zu erwärmen. Die röhrenförmige Heizeinrichtung 30 hat ein zylindrisches, wärmeisolierendes Element, das nicht gezeigt ist. Drahtförmige Widerstandsheizeinrichtungen sind auf der inneren Oberfläche des wärmeisolierenden Elementes in einem helikalen, schraubenförmigen oder schlangenförmigen Muster angeordnet. Die Widerstandsheizeinrichtungen sind mit einer Steuereinrichtung 31 verbunden, die eine elektrische Leistung steuert, welche den Drähten zugeführt wird, um basierend auf Temperaturdaten, die von der Temperatursensoreinheit 40 gemessen werden, eine vorbestimmte Temperatur für die Halbleiterwafer zu erreichen, was im folgenden beschrieben wird.
Das Innere des Verarbeitungsgefäßes 11 ist in der vertikalen Richtung in eine Mehrzahl von Heizzonen aufgeteilt. Vier Heizzonen Z1 bis Z4 sind dargestellt. Die röhrenförmige Heizeinrichtung 30 ist in der Lage, eine sogenannte Zonensteuerung durchzuführen. Das bedeutet, daß die röhrenförmige Heizeinrichtung 30 in der Lage ist, die Temperaturen in den jeweiligen Heizzonen unabhängig zu steuern.
Jede der Widerstandsheizeinrichtungen ist ausschließlich in einer der Heizzonen angeordnet, und die Steuereinrichtung 31 kann die elektrische Leistung, die zu den Widerstandsheizeinrichtungen zugeführt werden soll, unabhängig steuern.
Eine flache Heizeinrichtung 32 ist oberhalb des Verarbeitungsgefäßes 11 parallel zu einer Oberfläche des oberen Endes des röhrenförmigen Heizelementes 30 so angeordnet, daß sie dem Waferschiffchen 17 in dem Verarbeitungsgefäß 11 gegenüber steht. Die flache Heizeinrichtung 32 verhindert, daß Wärme von einem oberen Teil des Verarbeitungsgefäßes 11 freigesetzt wird, und daher können die Halbleiterwafer mit einer erhöhten Gleichmäßigkeit innerhalb der Ebene erwärmt werden. Die flache Heizeinrichtung 32 hat drahtförmige Widerstandsheizeinrichtungen, die auf einem plattenförmigen Basiselement angeordnet sind. Die Widerstandsheizeinrichtungen sind auch mit der Steuereinrichtung 31 verbunden.
In dem Verarbeitungsgefäß 11 befindet sich die Temperatursensorseinheit 40. Die wärmeerzeugenden Leistungen der röhrenförmigen Heizeinrichtung 30 und der flachen Heizeinrichtung 32 werden basierend auf Temperaturdaten gesteuert, die von der Temperatursensoreinheit 40 gemessen werden.
Die Temperatursensoreinheit 40 führt durch die Seitenwand des Verteilerrohres 12 unterhalb der Austrittsöffnung 16. Die Seitenwand des Verteilerrohres 12 und die Temperatursensoreinheit 40 sind in einer luftundurchlässigen Art und Weise verschlossen. Die Temperatursensoreinheit 40 erstreckt sich aufwärts in einem ringförmigen Raum, der zwischen dem Waferschiffchen 17 und der inneren Röhre 11A ausgebildet ist, parallel zu einer inneren Wand der inneren Röhre 11A. Der Abschnitt an der Spitze der Temperatursensoreinheit 40 ist oberhalb eines oberen Endes der inneren Röhre 11A gebogen und erstreckt sich zu dem Zentrum des Verarbeitungsgefäßes 11 in paralleler Richtung mit den Oberflächen der Halbleiterwafer, die in dem Waferschiffchen 17 gehalten werden.
Wie in 2 gezeigt ist, umfaßt die Temperatursensoreinheit 40 ein Schutzrohr 41, das aus durchsichtigem Quarzglas hergestellt ist, und eine Mehrzahl von Thermoelementen 42 (fünf Thermoelemente sind gezeigt), die in dem Schutzrohr 41 enthalten sind. Die Thermoelemente 42 sind in Positionen angeordnet, die einer Heizzone entsprechen, die von der flachen Heizeinrichtung 32 erwärmt wird (zum Beispiel an einer Position direkt unterhalb eines Zentrums der flachen Heizeinrichtung 32), und in Positionen, die den jeweiligen Heizzonen Z1 bis Z4 entsprechen, die von der röhrenförmigen Heizeinrichtung 30 erwärmt werden.
Das Schutzrohr 41 hat einen ersten Abschnitt 41A, der sich gerade und vertikal erstreckt, einen zweiten Abschnitt 41B, der einem oberen Ende des ersten Abschnittes 41A nachfolgt, um sich horizontal zu erstrecken (nach rechts in der Darstellung von 2) und zwar senkrecht zu einer Achse des ersten Abschnittes 41A, und einen Basis-Endabschnitt, der einem unteren Ende des ersten Abschnittes nachfolgt, um sich horizontal zu erstrecken (in die entgegengesetzte Richtung wie der zweite Abschnitt 41B).
Ein distales Ende des Schutzrohrs 41, d. h. ein distales Ende des zweiten Abschnittes 41B, ist geschlossen. Ein proximales Ende des Schutzrohrs 41, d. h. ein proximales Ende des Basis-Endabschnittes 41C, ist durch eine Abdichtung 45, wie z.B. einen Haftstoff, verschlossen. Metallische Drähte 43 der jeweiligen Thermoelemente 42 werden durch die Abdichtung 45 aus dem Schutzrohr 41 herausgeführt. Die metallischen Drähte 43 der jeweiligen Thermoelemente 42 sind mit Eingangsanschlüssen der Steuereinrichtung 31 mit Hilfe von ausgleichenden Leitungsdrähten verbunden.
Der Abschnitt des Basis-Endabschnittes Basis 41C des Schutzrohrs 41 kann durch die Abdichtung 45 in einer luftundurchlässigen Art und Weise verschlossen werden. In diesem Fall kann das Schutzrohr 41 mit einem inerten Gas gefüllt werden, wie zum Beispiel Stickstoffgas (N₂ Gas), um eine Oxidation der Thermoelemente 42 zu verhindern.
Alternativ kann eine Atmosphäre mit einem reduzierten Druck in dem Innenraum des Schutzrohrs 41 aufgebaut werden. Selbst wenn das Schutzrohr 41 gebrochen ist, während der Innenraum des Verarbeitungsgefäßes 11 einen reduzierten Druck hat, wird so verhindert, daß die gebrochenen Stücke des Schutzrohrs 41 in dem Verarbeitungsgefäß 11 verstreut werden.
Vorzugsweise kann eine ringförmige Rille (nicht gezeigt) entlang des gesamten Umfanges des Basis-Endteils des Schutzrohrs 41 gebildet werden, und die Seitenwand des Verteilerrohrs 12 kann in die ringförmige Rille gepaßt werden. Wenn das Verarbeitungsgefäß 11 einen reduzierten Druck hat, wird somit die Temperatursensoreinheit 40 daran gehindert, in das Verarbeitungsgefäß 11 hineingezogen zu werden.
Die Durchmesser der metallischen Drähte 43 der Thermoelemente 42 betragen zum Beispiel ungefähr 0,5 mm. Paare von metallischen Drähten 43 eines jeden Thermoelements sind aus einem Draht aus Platin (Pt) 43A und aus einem Draht aus einer Platin-Rhodiumlegierung (Pt/Rh) 43B gebildet. Wie in 3 und 4 gezeigt, wird ein Film 50 auf den Oberflächen der jeweiligen Metalldrähte 43A und 43B und auf einer Oberfläche einer Verbindung 44 gebildet, wo die metallischen Drähte 43A und 43B miteinander verbunden sind, d.h. auf einem ein Abschnitt, der eine Temperatur mißt.
Der Film 50 hat eine Antireflexfunktion für Licht einer Wellenlänge innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches. Wenn der Film 50, der die Antireflexfunktion hat, auf den Oberflächen der jeweiligen Metalldrähte 43A und 43B und ihres Verbindungspunktes bzw. ihrer Verbindungsstelle 44 ausgebildet ist, ist eine Reflektivität eines solchen Bereiches für Licht einer beliebigen Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 5 μm (Mikrometer) gering im Vergleich zu der Reflektivität von den Oberflächen der jeweiligen Drähte 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44, wo der Film 50 nicht ausgebildet ist.
Der Film 50 kann aus einer Mehrzahl von Schichten aus anorganischen Materialien zusammengesetzt sein, die in bezug auf die Richtung der Dicke des Filmes aufgeschichtet sind. Eine oberste Schicht 50A des Films 50 ist vorzugsweise elektrisch isolierend und eine unterste Schicht 50C, die mit den metallischen Drähten 43A und 43B und ihrem Verbindungspunkt 44 in direktem Kontakt steht, ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, welches in Bezug auf die Drähte inert ist. Der Begriff „inert" bedeutet hier, daß die unterste Schicht 50C im Wesentlichen nicht mit den metallischen Drähten 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44 reagiert, zumindestens nicht innerhalb eines Bereiches einer Verarbeitungstemperatur der Halbleiterwafer.
Der Film 50, der eine erwünschte Funktion hat, kann durch geeignete Auswahl von Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes und durch Aufeinanderstapeln derselben erhalten werden, wobei die Materialien, die Anzahl und die Dicke der jeweiligen Schichten 50A bis 50C des Films 50 in Betracht gezogen werden.
Die Reflektivität eines Abschnittes der Thermoelemente 42, auf dem der Film 50 ausgebildet wird, für Licht einer beliebigen Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 5 μm beträgt vorzugsweise 80% oder weniger, mehr vorzugsweise 50% oder weniger. Dadurch kann das Ansprechverhalten eines jeden Thermoelements 42 signifikant verbessert werden. Eine Reflektivität über 80% ist nicht bevorzugt, da der Anstieg der Temperatur der Thermoelemente langsamer ist als derjenige der Halbleiterwafer. Es sollte angemerkt werden, daß Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,5 bis 5 μm die Halbleiterwafer in einem Temperaturbereich (100 bis 1200°C) für die Verarbeitung von Halbleiterwafer höchst effizient erwärmen kann.
Mehr bevorzugt wird der Film 50 aus demselben oder im Wesentlichen demselben Material gebildet, wie desjenigen des Gegenstandes, der verarbeitet werden soll, das heißt des Halbleiterwafers. Daher werden die Charakteristika des Temperaturanstiegs des Thermoelementes 42 ähnlich wie diejenigen des Halbleiterwafers sein.
Unter diesem Gesichtspunkt wird der Film 50 vorzugsweise durch wechselndes Aufeinanderstapeln von zum Beispiel einer Schicht aus Siliziumnitrid und einer Schicht aus Silizium entlang der Richtung der Dicke des Films 50 aufgebaut. In der Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, wird der Film 50 durch Aufeinanderstapeln von drei Schichten, d. h. einer Schicht aus Siliziumnitrid 50A, einer Schicht aus Silizium 50B und einer Schicht aus Siliziumnitrid 50C zusammengesetzt. Die Schichten aus Siliziumnitrid 50A und 50C sind 0,1 bis 0,3 μm dick, die Schicht aus Silizium 50B ist 1 bis 3 μm dick und die gesamte Dicke des Films 50 liegt in einem Bereich von 1,2 bis 3,6 μm. Das bedeutet, daß die Dicke der Schicht 50B aus Silizium, die aus dem gleichen Material gebildet ist wie jene des Halbleiterwafers, ausreichend dicker ist als jene der Schichten 50A und 50C aus Siliziumnitrid, so daß die Reflektivität des gesamten Films nahe an die der Halbleiterwafer kommt. Das Siliziumnitrid, das die Schichten 50A und 50C bildet, ist ausgewählt, weil es, wie oben beschrieben, elektrisch isolierend und inert gegenüber den metallischen Drähten ist. Da die Reflektivität von Siliziumnitrid sich von der des Halbleiterwafers unterscheidet, werden die Dicken der Schichten 50A und 50C aus Siliziumnitrid in minimal erforderlicher Weise hergestellt. Man beachte, daß die Schichten 50A und 50C nicht aus einem von der Schicht 50B aus Silizium völlig verschiedenen Material hergestellt werden, sondern daß sie aus Siliziumnitrid hergestellt werden, welches Silizium enthält. Die Schicht 50B aus Silizium ist vorzugsweise aus Silizium hergestellt, das zum Beispiel mit Phosphat (P) dotiert ist. Verglichen mit dem Film 50, der aus einer Schicht Silizium aufgebaut ist, die nicht mit Phosphat dotiert ist, ist es in diesem Fall möglich, die Reflektivität gegenüber einem Licht einer beliebigen Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 5 μm um ungefähr 20% zu reduzieren, so daß ein ausgezeichneter Antireflexeffekt erreicht werden kann.
Die Anzahl der Schichten des Films 50 kann auch 2 bzw. weniger, oder 4 bzw. mehr betragen. Die Dicken der jeweiligen Schichten sind nicht auf die oben vorgestellte Ausführungsform begrenzt.
Der Film 50 kann auch aus einem Material hergestellt sein, das eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit aufweist, z. B. Siliziumcarbid (SiC), Aluminiumnitrid (AlN) und so weiter. Ein schwarzes Material ist besonders bevorzugt, um so die Reflektivität effektiv zu reduzieren.
Im folgenden wird eine Wärmebehandlung für den zu verarbeitenden Gegenstand (Halbleiterwafer) beschrieben, die in einer Wärmebehandlungsvorrichtung mit vertikaler Bauart erfolgt. Das Beladen der Halbleiterwafer erfolgt in dem Beladungsbereich L. Das Waferschiffchen 17, das die Halbleiterwafer darauf trägt, wird auf der Schiffchenstütze 22A. montiert, wenn der Deckel 20 in einer tiefsten Position ist. Dann wird der Deckel 20 durch die Hebevorrichtung 21 hochgehoben, so daß das Waferschiffchen 17 in das Verarbeitungsgefäß 11 durch die Öffnung am unteren Ende 11C geladen wird, die dann luftundurchlässig durch den Deckel 20 geschlossen wird. Testwafer werden auf den obersten und untersten Plattformen des Waferschiffchens 17 gehalten.
Der Auslaßmechanismus reduziert einen Druck in dem Verarbeitungsgefäß 11 auf einen vorbestimmten Druck, z. B. auf etwa 13 Pa. Die röhrenförmige Heizeinrichtung 30 und die flache Heizeinrichtung 32 erwärmen das Verarbeitungsgefäß 11 auf eine vorbestimmte Temperatur. Wenn das Drehantriebsmittel 23 das Waferschiffchen 17 dreht, wird Prozeßgas in das Verarbeitungsgefäß 11 durch das Gaszuführungsrohr 15 eingeführt. Dann werden die Halbleiterwafer einer filmbildenden Verarbeitung unterworfen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Film 50 auf dem Thermoelement 43 gebildet, das heißt, auf den Oberflächen der metallischen Drähte 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44. So wird die Reflektivität des temperaturmessenden Teils (Verbindungsstelle 44) für das abstrahlende Licht, das von den Halbleiterwafern emittiert wird, reduziert (ihre Emissionsfähigkeit wird erhöht).
Die Temperatur jedes Thermoelementes wird schnell erhöht, sobald sie das abstrahlende Licht, das von den Halbleiterwafern emittiert wurde, erhalten haben. Das bedeutet, daß jedes Thermoelement im Stande ist, die transiente Veränderung in der Temperatur der Halbleiterwafer genauer zu messen. Eine Temperatursteuerung durch die röhrenförmige Heizeinrichtung 30 und die flache Heizeinrichtung 32 kann genauer ausgeführt werden, insbesondere, wenn die Temperatur ansteigt, so daß das Verarbeitungsgefäß 11 und die Halbleiterwafer schneller auf eine vorher festgesetzte Temperatur erwärmt werden können. Es ist dementsprechend möglich, eine Durchsatzrate durch Verkürzen der gesamten Zeit, die für die Verarbeitung gebraucht wird, zu verbessern.
Wegen der Bereitstellung der elektrisch isolierenden Schicht 50A aus Siliziumnitrid wird keines der isolierenden Elemente 62A und 62B, die aus Aluminiumoxidkeramik oder ähnlichem hergestellt sind (siehe 6), für die Isolierung der benachbarten metallischen Drähte benötigt. Daher wird die Wärmekapazität der Thermoelementeinheit 42 reduziert, und so kann jedes Thermoelement 42 die kurzfristige Veränderung in der Temperatur der Halbleiterwafer genauer messen.
Da alle Thermoelemente 42 die Temperatur der Halbleiterwafer mit großer Genauigkeit messen können, kann die Steuerung der Zonentemperatur geeignet erfolgen. So können die Halbleiterwafer bei gleichförmiger Temperatur innerhalb der Ebene sowie bei gleichförmiger Temperatur innerhalb der Halbleiterwafer, die auf unterschiedlichen Ebenen platziert sind, wärmebehandelt werden.
Da die Schicht 50C, die in Kontakt mit den Metalldrähten 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44 ist, aus einem dazu inerten Material hergestellt ist, ist es möglich, die Bildung einer Legierung zwischen den metallischen Drähten 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44 einerseits und dem Material, das den Film 50 bildet, andererseits zu verhindern, und es ist möglich, resultierende unerwünschte Probleme zu verhindern, wie zum Beispiel das Brechen des Films 50 oder der metallischen Drähte 43A und 43B und ihrer Verbindungsstelle 44 eines jeden Thermoelementes 42.
Obgleich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und verschiedene Modifikationen und Änderungen sind möglich. Zum Beispiel ist die Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, eine filmbildende Verarbeitung durchzuführen und kann konfiguriert werden, Behandlungen, wie zum Beispiel Oxidation, Diffusion und Tempern, durchzuführen. Die Wärmebehandlungsvorrichtung ist weiterhin nicht auf eine sogenannte Vorrichtung in vertikaler Bauart begrenzt, sondern sie kann von einem anderen Typ sein.
Experimente
Die Versuchsergebnisse, die durch Anwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, durchgeführt wurden, werden im folgenden beschrieben. Die Thermoelemente A bis D, die die folgenden Spezifikationen haben, wurden wie folgt hergestellt:
[Thermoelement A]
Ein Thermoelement wurde durch Verwendung eines Drahts aus Platin (43A) und eines Drahts aus einer Platin-Rhodiumlegierung (43B), die beide einen Durchmesser von 0,3 mm haben, hergestellt. Ein Film (50), der aus einer Schicht aus Siliziumnitrid (50A), einer Schicht aus Silizium (50B) und einer Schicht aus Siliziumnitrid (50C) aufgebaut war, wurde auf den Oberflächen der metallischen Drähte (43A, 43B) und ihrer Verbindungsstelle (44) in einer Weise hergestellt, die in 4 gezeigt ist. Eine Schicht aus Siliziumnitrid (50C) als eine erste Schicht (unterste Schicht) war 0,3 μm dick, die Schicht aus Silizium (50B) als eine zweite Schicht war 2 μm dick und die Schicht aus Siliziumnitrid (50A) als eine dritte Schicht (oberste Schicht) war 0,2 μm dick. Eine Reflektivität des Thermoelementes (42) in einem Bereich, in dem der Film (50) gebildet war, für ein Licht einer beliebigen Wellenlänge innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 5 μm, betrug 80% oder weniger. Dieses Thermoelement wird „Thermoelement A" genannt.
[Thermoelement B]
Wie in 6 gezeigt ist, wurde eine Thermoelementeinheit durch Einführung der metallischen Drähte (43A, 43B) des Thermoelementes (A) in röhrenförmige, elektrisch isolierende Elemente (62A, 62B), die aus Aluminiumoxidkeramik hergestellt waren, hergestellt. Die Spezifikationen des Films (50) waren die gleichen wie diejenigen des Thermoelementes A. Dieses Thermoelement wird „Thermoelement B" genannt.
[Thermoelement C]
Ein Thermoelement wurde als Vergleichsbeispiel hergestellt, das die gleiche Struktur hatte wie diejenige des Thermoelementes A, aber ein Film auf den Oberflächen der jeweiligen Metalldrähte und ihrer Verbindungsstelle wurde nicht hergestellt. Dieses Thermoelement wird „Thermoelement C" genannt.
[Thermoelement D]
Ein zweites Thermoelementes wurde als Vergleichsbeispiel hergestellt, das die gleiche Struktur hat wie diejenige des Thermoelementes B, aber ein Film auf den Oberflächen der jeweiligen Metalldrähte und ihrer Verbindungsstelle wurde nicht hergestellt. Dieses Thermoelement wird „Thermoelement D" genannt.
Jedes der vier Thermoelemente A bis D wurde in einem zentralen Abschnitt einer Höhenrichtung des leeren Waferschiffchens (17), das keinen Gegenstand zum Verarbeitung hielt, montiert. Das Waferschiffchen (17) wurde in das Verarbeitungsgefäß (11) geladen. Dann wurden die röhrenförmige Heizeinrichtung (30) und die flache Heizeinrichtung (32) für einige Minuten mit einer konstanten Ausgangsleistung in Betrieb genommen. 5 zeigt die Ergebnisse des Anstiegs der Temperaturen der jeweiligen Thermoelemente nach ihrem Erwärmen.
Wie in 5 gezeigt ist, war der Anstieg der Temperaturen der Thermoelemente A und B gemäß der vorliegenden Erfindung schneller als derjenige der Vergleichs-Thermoelemente C und D. Dadurch wurde bestätigt, daß ein Ansprechvermögen eines Thermoelementes durch Bilden eines Filmes mit einer Antireflexfunktion auf den Oberflächen von metallischen Drähten und ihrer Verbindungsstelle verbessert werden kann.

Claims

Wärmebehandlungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen: ein Verarbeitungsgefäß; eine Heizeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen zu verarbeitenden Gegenstand, der sich in dem Verarbeitungsgefäß befindet, zu erwärmen; eine Temperatursensoreinheit, die in dem Verarbeitungsgefäß angeordnet ist; und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung basierend auf Temperaturdaten, die von der Temperatursensoreinheit gemessen werden, zu steuern, wobei die Temperatursensoreinheit ein Schutzrohr und ein Thermoelement mit einem Paar metallischer Drähte aufweist, welche in dem Schutzrohr enthalten und an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film mit einer Antireflexfunktion auf wenigstens einer Oberfläche der Verbindung der metallischen Drähte ausgebildet ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Film mit der Antireflexfunktion aus mehreren Schichten aufgebaut ist; und die oberste Schicht, in Bezug auf eine Richtung der Filmdicke, der mehreren Schichten elektrisch isolierend ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Schicht der mehreren Schichten, welche mit den Metalldrähten des Thermoelements in direktem Kontakt ist, aus einem Material hergestellt ist, das gegenüber den metallischen Drähten inert ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die mehreren Schichten Schichten umfassen, die als die oberste Schicht und die mit den metallischen Drähten des Thermoelements in direktem Kontakt stehende Schicht aus Siliziumnitrid hergestellt sind, sowie eine Schicht aus Silizium, die zwischen den Schichten aus Siliziumnitrid angeordnet ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Schicht aus Silizium mit Phosphat dotiert ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflektivität eines Teils des Thermoelements, auf dem der Film ausgebildet ist, für Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,5 bis 5 μm 80% oder darunter beträgt.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Gegenstand ein Siliziumwafer ist; der Film mehrere Schichten umfaßt; die mehreren Schichten eine Schicht aus Silizium umfassen; und die Schicht aus Silizium eine Dicke hat, die größer ist als alle anderen Schichten der mehreren Schichten außer der Schicht aus Silizium.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Schicht aus Silizium mit Phosphat dotiert ist.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die mehreren Schichten eine oberste, elektrisch isolierende Schicht, in Bezug auf die Richtung der Filmdicke, und eine mit den Metalldrähten des Thermoelements direkt in Kontakt stehende Schicht, die aus einem gegenüber den metallischen Drähten inerten Material besteht, aufweist, und wobei die Schicht aus Silizium zwischen der elektrisch isolierenden Schicht und der Schicht liegt, die aus dem gegenüber den metallischen Drähten inerten Material besteht.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitung dazu eingerichtet ist, eine Haltevorrichtung für Gegenstände zum Halten mehrerer Gegenstände in vertikal beabstandeten Intervallen zu beladen; die Heizeinrichtung so eingerichtet ist, daß sie die Temperaturen entsprechender Heizzonen steuern kann, welche durch Aufteilen des Verarbeitungsgefäßes in mehrere Bereiche in Bezug auf eine vertikale Richtung definiert sind; das Schutzrohr sich in dem Verarbeitungsgefäß in der Vertikalen erstreckt; mehrere Thermoelemente vorgesehen sind und die mehreren Thermoelemente bei Positionen angeordnet sind, die jeweils den Heizzonen entsprechen.
Wärmebehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem Schutzrohr mehrere der Thermoelemente enthalten sind; und Filme mit der Antireflexfunktion vollständig auf Teilen der Metalldrähte der Thermoelemente vorgesehen sind, welche in dem Schutzrohr liegen, und auch die Funktion der elektrischen Isolierung der metallischen Drähte der Thermoelemente relativ zueinander haben.