JP2000124211A

JP2000124211A - 枚葉式の熱処理装置

Info

Publication number: JP2000124211A
Application number: JP10304782A
Authority: JP
Inventors: Wataru Okase; 亘大加瀬; Masaaki Hasei; 雅昭長谷井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-04-28
Anticipated expiration: 2018-10-12
Also published as: JP3130009B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造を複雑化したり、コストを高騰させるこ
となく簡単な構造で、被処理体の温度の面内均一性を向
上させることができる枚葉式の熱処理装置を提供する。【解決手段】真空引き可能になされた処理容器４内
で、加熱ヒータ２４を内部に有する載置台１６上に載置
した被処理体Ｗに対して所定の熱処理を施す枚葉式の熱
処理装置において、前記載置台の裏面の周縁部に、この
周縁部より外方へ逃げる熱を補償するための熱補償部材
６６を設けるように構成する。これにより、構造を複雑
化したり、コストを高騰させることなく簡単な構造で、
被処理体の温度の面内均一性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、枚葉式の熱処理装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスを製造するに
は、半導体ウエハに成膜処理、成膜された薄板の改質処
理、酸化拡散処理、アニール処理、エッチング処理等の
多くの熱処理が所定の順序に従って繰り返し施されるこ
とによって所望のデバイスを製造する。この熱処理の中
でも、成膜処理及び必要な場合にはそれに伴って行なわ
れる改質処理は、半導体デバイスが高密度化、高集積
化、薄膜化及び多層構造化するに従って、その仕様が年
々厳しくなってきており、そのため、熱処理の面内均一
性も高いものが要求されてきている。例えば絶縁膜とし
ては、従来はシリコン酸化膜やシリコンナイトライド膜
等が用いられていたが、より絶縁特性が良好な材料とし
て、例えば酸化タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）等が用いられる
傾向にある。この酸化タンタル膜は、成膜後にこれに紫
外線等を照射する改質処理を施すことにより、一層絶縁
性が高められることが知られている。一般的な改質処理
は、例えば処理容器内の載置台上に半導体ウエハを載置
し、このウエハを載置台内に埋め込まれた加熱ヒータで
所定の温度に加熱維持しつつ、処理容器内にオゾン等の
改質ガスを導入し、これと同時に紫外線を照射してガス
を活性化し、ウエハ表面の膜、例えば酸化タンタル膜を
改質するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的な枚
葉式の熱処理装置にあっては、その処理容器の側壁はコ
ールドウォール状態となっているので、この側壁に近い
載置台の周縁部はその中心部よりもかなり放熱量が多く
なって中心部よりも温度が低くなる傾向にある。このた
め、熱処理時にウエハ面内に大きな温度分布が生じて面
内温度が不均一となり、熱処理、ここでは改質処理がウ
エハ面内に均一に施すことが困難になるといった問題が
発生した。特に、このような問題は、ウエハサイズが６
インチ、８インチから１２インチへと大きくなるに従っ
て、許容できない程度まで拡大してきた。そして、この
ような問題は、上記した改質処理に限らず、成膜処理、
熱拡散処理等の一般的な熱処理全体について共通した問
題となっている。本発明は、以上のような問題点に着目
し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本
発明の目的は、構造を複雑化したり、コストを高騰させ
ることなく簡単な構造で、被処理体の温度の面内均一性
を向上させることができる枚葉式の熱処理装置を提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、真空引き可能になされた処理容器内で、加熱ヒータ
を内部に有する載置台上に載置した被処理体に対して所
定の熱処理を施す枚葉式の熱処理装置において、前記載
置台の裏面の周縁部に、この周縁部より外方へ逃げる熱
を補償するための熱補償部材を設けるように構成したも
のである。これにより、載置台の周縁部は、コールドウ
ォール状態の側壁に近いために、載置台中央部と比較し
て多くの熱が奪われる傾向にあるが、その分の熱量が載
置台の裏面周縁部に設けた熱補償部材からの反射熱等に
よって補給されて温度補償がなされる。従って、全体的
には、被処理体の温度の面内均一性を向上させることが
可能となる。

【０００５】この場合、請求項２に規定するように、前
記熱補償部材は、リング状の薄板により形成することが
できる。また、請求項３に規定するように、前記熱補償
部材は、その上面が熱線を反射するための鏡面にするこ
とにより、熱線（輻射熱）を効果的に載置台に向けて反
射できるので、温度補償効率を一層向上させることが可
能となる。

【０００６】更に、請求項４に規定するように、前記熱
補償部材は、前記載置台の裏面に接して設けるようにす
れば、熱反射に加えて熱伝導によっても載置台に熱量を
供給できるので、温度補償効率を更に向上させて、被処
理体温度の面内均一性を更に向上させることが可能とな
る。また、請求項５に規定するように、前記リング状の
薄板は、その内径が前記載置台の半径以上で直径よりも
小さい大きさであり、外径が前記載置台の直径以上の大
きさとする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る枚葉式の熱
処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図
１は本発明に係る枚葉式の熱処理装置を示す概略構成
図、図２はシャワーヘッド部を示す平面図、図３は図１
に示す熱処理装置において用いられる熱補償部材を示す
斜視図である。ここでは被処理体として半導体ウエハを
用い、熱処理装置として例えばこの半導体ウエハの表面
に形成されている金属酸化膜、例えば酸化タンタル膜を
改質する場合を例にとって説明する。図示するように、
熱処理装置としての改質装置２は、例えばアルミニウム
により筒体状に成形された処理容器４を有している。こ
の処理容器４の底部４Ａの中心部には、給電線挿通孔６
が形成されると共に周辺部には、真空引きポンプ、例え
ばターボ分子ポンプ８及びドライポンプ１０を介設した
真空排気系１２に接続された排気口１４が設けられてお
り、容器内部を真空引き可能としている。この排気口１
４は、容器底部４Ａに複数個、例えば等間隔で同一円周
上に４個程度設けられ、各排気口１４は、真空排気系１
２により共通に連通されている。

【０００８】この処理容器４内には、非導電性材料、例
えばアルミナ製の円板状の載置台１６が設けられ、この
載置台１６の下面中央部には下方に延びる中空円筒状の
脚部１８が一体的に形成され、この脚部１８の下端は上
記容器底部４Ａの給電線挿通孔６の周辺部にＯリング等
のシール部材２０を介在させてボルト２２等を用いて気
密に取り付け固定される。従って、この中空脚部１８内
は、外側に開放され、処理容器４内に対して気密状態と
なっている。上記載置台１６には、例えば、ＳｉＣによ
りコーティングされたカーボン製の加熱ヒータ２４が埋
め込まれており、この上面側に載置される被処理体とし
ての半導体ウエハＷを所望の温度に加熱し得るようにな
っている。この載置台１６の上部は、内部に銅などの導
電板よりなるチャック用電極２５を埋め込んだ薄いセラ
ミックス製の静電チャック２６として構成されており、
この静電チャック２６が発生するクーロン力により、こ
の上面にウエハＷを吸着保持するようになっている。
尚、この静電チャック２６の表面にＨｅガスなどのバッ
クサイドガスを流してウエハへの熱伝導性を向上させた
り、ウエハ裏面への成膜を防止するようにしてもよい。
また、この静電チャック２６に代えてメカニカルクラン
プを用いるようにしてもよい。

【０００９】上記加熱ヒータ２４には、絶縁された給電
用のリード線２８が接続され、このリード線２８は、処
理容器４内に晒すことなく円筒状の脚部１８内及び給電
線挿通孔６を通って外へ引き出され、開閉スイッチ３０
を介して給電部３２に接続される。また、静電チャック
２６のチャック用電極２５には、絶縁された給電用のリ
ード線３４が接続され、このリード線３４も処理容器４
内に晒すことなく円筒状の脚部１８内及び給電線挿通孔
６を通って外へ引き出され、開閉スイッチ３６を介して
高圧直流電源３８に接続される。載置台１６の周辺部の
所定の位置には、複数のリフタ孔４０が上下方向に貫通
させて設けられており、このリフタ孔４０内に上下方向
に昇降可能にウエハリフタピン４２が収容されており、
ウエハＷの搬入・搬出時に図示しない昇降機構によりリ
フタピン４２を昇降させることにより、ウエハＷを持ち
上げたり、持ち下げたりするようになっている。このよ
うなウエハリフタピン４２は、一般的にはウエハ周縁部
に対応させて３本設けられる。

【００１０】また、処理容器４の天井部には、図２に示
すようなシャワーヘッド４４が設けられる。このシャワ
ーヘッド４４は、紫外線を９０％以上透過させる材料、
例えば石英よりなる。具体的には、このシャワーヘッド
４４は、ウエハＷの直径よりも大きなリング状になされ
た管径の太い分配リング管４６と、この分配リング管４
６間に縦横に格子状に配設して接続した複数のガス噴射
管４８により構成される。このリング管４６及びガス噴
射管４８の内径は、それぞれ１６ｍｍと４．３５ｍｍ程
度であり、各ガス噴射管の下面側には、直径が例えば
０．３〜０．５ｍｍ程度の多数の噴射孔５０が等ピッチ
で形成されており、オゾン含有の処理ガスを噴出し得る
ようになっている。この場合、各ガス噴射管４８の載置
台１６上のウエハＷに対する投影面積は、ウエハ表面の
面積の２０％よりも小さく設定するのが好ましく、ガス
噴射管４８の格子間の空間部に、後述するようにより多
くの紫外線ＵＶが通過して直接ウエハ面に照射するよう
になっている。

【００１１】そして、処理容器４の天井部には、ウエハ
径よりも大きく設定された円形の開口５２が形成されて
おり、この開口５２には、紫外線に対して透明な材料、
例えば石英により形成された円形の透過窓５４が天井部
との間でＯリング等のシール部材５６を介して固定枠５
８により気密に取り付けられている。この透過窓５４
は、大気圧に対して耐え得るように厚さが例えば２０ｍ
ｍ程度に設定されている。そして、この透過窓５４の上
方には、処理容器４内に向けて紫外線ＵＶを放射するた
めの紫外線照射手段６０が設けられており、これより放
出される紫外線ＵＶにより活性酸素原子を発生させるよ
うになっている。具体的には、この紫外線照射手段６０
は、複数の円筒体状の紫外線ランプ６２を有しており、
ここでは７本の紫外線ランプ６２を石英製の透過窓５４
の外側に、載置台１６の載置面に対向させて平行となる
ように配列している。ランプ６２の数は、必要とする紫
外線強度を得るために適宜増加される。このような紫外
線ランプとしては例えば２０Ｗ程度の小さな電力で、例
えば波長が２５４ｎｍを中心とする多くの紫外線を放出
することが可能な冷陰極管を用いることができる。

【００１２】この複数の紫外線ランプ６２の全体は、箱
状のケーシング６４により覆われており、この内側面は
ランプより上方に向かう紫外線を下方に向けて反射する
ための反射面として形成される。そして、このように構
成された装置において、上記載置台１６の裏面側に本発
明の特徴とする熱補償部材６６が設けられる。具体的に
は、この熱補償部材６６は、図３にも示すように厚さが
２〜３ｍｍ程度の、例えばステンレス板をリング状の薄
板６８として加工することにより形成されている。この
リング状の薄板６８を載置台１６の裏面１６Ａの周縁部
の近傍に対応させて設置し、支持部材７０により脚部１
８に固定している。そして、好ましくは、このリング状
の薄板６８の上面を鏡面７２として、熱線或いは輻射熱
を載置台１６に向けて反射し易くなるように形成するの
がよい。これにより、載置台１６の周縁部に対して熱線
或いは輻射熱を供給してこの部分の温度補償を行なうよ
うになっている。

【００１３】この場合、図１に示すように、リング状の
薄板６８を載置台１６の裏面１６Ａから僅かに間隙を隔
てて設置するようにしてもよいし、或いは図４に示すよ
うに、載置台１６の裏面１６Ａに接合させるようにして
設置させてもよい。このように接合させることにより、
熱線や輻射熱の反射のみならず、熱伝導によっても載置
台１６の周縁部に熱を供給することが可能となる。ま
た、リング状の薄板６８の内径Ｄ１は、載置台１６の半
径以上で直径よりも小さい範囲に設定し、外径Ｄ２は載
置台１６の直径以上の大きさとする。これにより、載置
台周縁部に対して効率的に熱を投入してその温度補償が
可能となる。具体的には、載置台１６の直径を８インチ
サイズのウエハに対応させて２６ｃｍ程度とすると、内
径Ｄ１は１７ｃｍ程度、外径Ｄ２は２６ｃｍ程度であ
る。また、この処理容器４の側壁の一部には、ウエハ搬
出入口７６が設けられ、ここに真空引き可能になされた
ロードロック室７８との間を連通・遮断する前記ゲート
バルブＧを設けている。

【００１４】次に、以上のように構成された装置を用い
て行なわれる改質処理について説明する。まず、改質の
対象となる金属酸化膜、例えば酸化タンタル膜が形成さ
れている半導体ウエハＷを、真空状態に維持された処理
容器４内に、ロードロック室７８側からウエハ搬出入口
７６を介して導入し、これを載置台１６上に載置して静
電チャック２６のクーロン力により吸着保持する。そし
て、加熱ヒータ２４によりウエハＷを所定のプロセス温
度に維持すると共に、処理容器４内を真空引きして所定
のプロセス圧力に維持しつつ、改質ガスとしてオゾンと
窒素ガスを供給して改質処理を開始する。シャワーヘッ
ド４４に導入されたオゾン含有の改質ガスは、まず、リ
ング状の分配リング管４６に沿って回り込んで、各ガス
噴射管４８に流入する。そして、この改質ガスはガス噴
射管４８に設けた多数の噴射孔５０より処理容器４内に
供給されることになり、ウエハ面に対して均一にオゾン
ガスを供給することができる。

【００１５】一方、これと同時に、紫外線照射手段６０
の各紫外線ランプ６２からは多量の紫外線ＵＶが放出さ
れ、この紫外線ＵＶは直接、或いはケーシング６４の反
射面で反射された後に石英製の透過窓５４を透過して所
定の真空圧に維持された処理容器４内に入り、更に、石
英製の格子状のシャワーヘッド４４の主に空間部を通過
して処理空間の改質ガス中に注がれる。ここで、改質ガ
スはオゾンを主体成分としており、このオゾンは紫外線
の照射により励起されて多量の活性酸素原子を発生し、
この活性酸素原子が先のウエハ表面に形成されている金
属酸化膜に作用してこれを略完全に酸化し、改質を行な
うことになる。この場合、処理容器４は真空状態に維持
されていることから、発生した活性酸素原子が他のガス
原子或いはガス分子と衝突する確立が非常に少なくなっ
て、その分、活性酸素原子の密度が向上し、改質処理を
迅速に行なうことができる。この改質処理によって、金
属酸化膜の絶縁性を迅速に且つ大幅に向上させることが
可能となる。

【００１６】改質中における処理容器４内の圧力は、１
〜６００Ｔｏｒｒの範囲内に設定する。この範囲外の圧
力では、改質の進行が遅かったり、或いは十分でなく、
金属酸化膜の絶縁耐圧が低下してしまう。また、改質プ
ロセス時のウエハ温度は、３２０〜７００℃の範囲内に
設定する。ウエハ温度が３２０℃よりも小さい場合は、
絶縁耐圧が十分でなく、また、７００℃を越えると、金
属の結晶化温度が７００〜７５０℃程度であることか
ら、結晶化により十分な改質を得ることができない。こ
のような改質工程において、処理容器４の側壁はコール
ドウォール状態なので、これに近い載置台１６の周縁部
の熱がその中央部と比較して多く奪われるので、載置台
１６の中央に比較して周縁部の温度がかなり低下する傾
向にある。しかしながら、この装置にあっては、載置台
１６の裏面の周縁部に対応させて、例えばステンレス製
のリング状の薄板６８よりなる熱補償部材６６を設けて
いるので、この薄板６８が載置台１６からくる熱線や輻
射熱を反射して再度、載置台１６へ戻すように作用する
ことになる。或いはこの薄板６８自体が加熱されて、こ
れからの輻射熱が載置台１６へ投入されるように作用す
ることになる。

【００１７】この結果、温度が低下する傾向にある載置
台周縁部には、熱補償部材６６から熱が投入されること
になり、その分、載置台周縁部の温度補償を行なうこと
ができ、従って、ウエハ温度の面内温度の均一性を向上
させることが可能となる。この場合、リング状の薄板３
８の上面を鏡面７２として仕上げておけば、熱線等の反
射効率が高くなるので、その分、載置台周縁部に対して
戻す熱量が多くなり、ウエハの面内温度の均一性を一層
向上させることができる。また、図４に示すように載置
台周縁部の裏面に、リング状の薄板６８を密着させて取
り付けておけば、上述した熱線等の反射に加えて、熱伝
導によっても載置台周縁部側へ熱を伝えることができ、
従って、ウエハの面内温度の均一性を更に向上させるこ
とが可能となる。

【００１８】図４に示す場合には、リング状の薄板６８
の厚さを、ウエハの昇降効率が低下しない範囲で更に厚
くして、例えば厚さを２〜１０ｍｍ程度としてこの熱容
量を大きくし、熱伝導による熱供給量を多くするように
してもよい。ここで、熱補償部材を設けた本発明装置と
熱補償部材を設けていない従来装置による載置台上の温
度について実際に評価を行なったので、その評価結果に
ついて説明する。図５はその評価結果を示すグラフであ
り、ウエハ温度は中央部と、周縁部（上、下、左、右）
の４点において測定しており、図５中に測定ポイントを
模式的に示している。設定温度は４４５℃であり、設定
圧力は３０Ｔｏｒｒである。このグラフから明らかなよ
うに、従来装置の場合には、中央部と周縁部（上、下、
左、右）との温度差は最大１１℃程度にも達して、温度
分布が大きいのに対して、本発明装置の場合には最大６
℃程度であって温度分布が小さいことが判明した。計算
の結果、ウエハ温度の面内均一性は、従来装置が±５．
６℃となってかなり大きいのに対して、本発明装置の場
合には±３．２℃となって大幅にウエハ温度の面内均一
性を向上させることができた。

【００１９】尚、本発明装置はウエハサイズに限定され
ず、例えば６インチ、８インチ、１２インチサイズの全
てのウエハに対して適用可能である。また、ここでは熱
処理装置として改質処理を例にとって説明したが、これ
に限定されず、成膜装置、熱拡散装置、アニール装置、
エッチング装置等の全ての枚葉式の熱処理装置に適用す
ることができる。更には、被処理体としては、半導体ウ
エハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用
できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の枚葉式の
熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮
することができる。載置台の裏面周縁部に熱補償部材を
設けて、載置台からの熱線や輻射熱を反射させて戻すよ
うにしたので、載置台周縁部の温度補償を行なうことが
でき、従って、複雑な構造を採用することなく被処理体
温度の面内均一性を向上させることができる。また、熱
補償部材の上面を鏡面として熱線等の反射効率を上げる
ようにすれば、載置台周縁部に戻す熱がその分だけ多く
なり、被処理体温度の面内均一性を一層向上させること
ができる。更に、熱補償部材を載置台の裏面に接して設
けるようにすれば、熱反射のみならず、熱伝導によって
も熱を伝えることができ、被処理体温度の面内均一性を
更に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る枚葉式の熱処理装置を示す概略構
成図である。

【図２】シャワーヘッド部を示す平面図である。

【図３】図１に示す熱処理装置において用いられる熱補
償部材を示す斜視図である。

【図４】本発明装置の変形例を示す構成図である。

【図５】熱補償部材を設けた本発明装置と熱補償部材を
設けていない従来装置による載置台上の温度についての
評価結果を示すグラフである。

【符号の説明】

２熱処理装置（成膜装置）４処理容器１６載置台１６Ａ裏面２４加熱ヒータ４４シャワーヘッド５４透過窓６０紫外線照射手段６６熱補償部材６８リング状の薄板７０支持部材７２鏡面Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K055 AA06 NA04 4K063 AA05 AA12 AA16 BA12 CA03 DA06 DA13 DA19 DA32 DA33 5F045 AA11 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 AE21 AE23 AE25 AF07 BB02 BB16 DP03 EB02 EB03 EC03 EF05 EK09 EK21 EM05 EM10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空引き可能になされた処理容器内で、
加熱ヒータを内部に有する載置台上に載置した被処理体
に対して所定の熱処理を施す枚葉式の熱処理装置におい
て、前記載置台の裏面の周縁部に、この周縁部より外方
へ逃げる熱を補償するための熱補償部材を設けるように
構成したことを特徴とする枚葉式の熱処理装置。
【請求項２】前記熱補償部材は、リング状の薄板より
なることを特徴とする請求項１記載の枚葉式の熱処理装
置。
【請求項３】前記熱補償部材は、その上面が熱線を反
射するための鏡面になされていることを特徴とする請求
項１または２記載の枚葉式の熱処理装置。
【請求項４】前記熱補償部材は、前記載置台の裏面に
接して設けられていることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載の枚葉式の熱処理装置。
【請求項５】前記リング状の薄板は、その内径が前記
載置台の半径以上で直径よりも小さい大きさであり、外
径が前記載置台の直径以上の大きさであることを特徴と
する請求項２乃至４のいずれかに記載の枚葉式の熱処理
装置。