JP2000286200A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

熱処理方法および熱処理装置

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JP2000286200A
JP2000286200A JP11093955A JP9395599A JP2000286200A JP 2000286200 A JP2000286200 A JP 2000286200A JP 11093955 A JP11093955 A JP 11093955A JP 9395599 A JP9395599 A JP 9395599A JP 2000286200 A JP2000286200 A JP 2000286200A
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temperature
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heat treatment
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Eisuke Nishitani
英輔 西谷
Katsunao Kasatsugu
克尚 笠次
Naoko Matsuyama
直子 松山
Shinta Sasaki
伸他 佐々木
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Kokusai Electric Corp
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    • C30B31/06—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor by contacting with diffusion material in the gaseous state
    • C30B31/12—Heating of the reaction chamber

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホットウォール加熱にランプ加熱を併用する
ことで、ウェハの加熱時間の飛躍的な短縮を図りなが
ら、ウェハ内の温度分布の均一化を実現し、スループッ
トを向上する。 【解決手段】 ホットウォール型ＣＶＤ装置の炉体３外
部にランプ１０を設置する。予めホットウォール反応炉
体３を所定温度に加熱して保持しておく。この炉体３内
にウェハＷを搬入した直後、上記ランプ１０からの照射
光により短時間でウェハＷを所望の温度まで加熱する。
加熱後、ランプ１０を消灯し、ホットウォール反応炉体
３内でウェハ内熱拡散によりウェハ温度を均一化させ
る。ウェハＷを炉体３内に搬入させる前に予め搬送時間
の間の冷却分を見込んで加熱した後、ウェハＷを炉体３
内に搬入してウェハ温度を均一化させるようにしてもよ
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板の加熱を伴う
熱処理方法および熱処理装置に関するものであり、特に
基板温度を均一性良くかつ高速に所望の温度まで加熱す
ることが可能な熱処理方法および熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体の高集積化と生産コスト低減のた
めのウェハ大口径化に伴い、もはや従来のバッチ式縦型
ＣＶＤ装置ではバッチ内の全ウェハを全面に亘って高精
度に膜形成することが困難になってきている。そこで、
ウェハを一枚づつ処理する枚葉型のＣＶＤ装置が主流と
なりつつある。枚葉型のＣＶＤ装置には、コールドウォ
ール式とホットウォール式とがある。
【０００３】（１）コールドウォール式 コールドウォール式は、冷却された反応炉体の中に設置
されたウェハを直接ランプで加熱するか、ヒータまたは
ランプ等で加熱したサセプタ上にウェハを載せて加熱
し、原料ガスを供給して成膜するというものである。バ
ッチ式と異なり、毎回殆ど同じ加熱条件で成膜できるた
めウェハ間のばらつきを低減できるものの、ウェハ面内
の膜厚分布を均一化するためはウェハを回転させたり、
ウェハ上部からシヤワー状にガスを供給するといった均
一化のために色々と工夫が必要であった。また特開平４
−２５５２１４号に記載されているように、加熱用ラン
プの形状や配置を工夫することでウェハ温度を均一にす
ることも行われてきた。
【０００４】（２）ホットウォール式 他方、ホットウォール式は、コールドウォール式ＣＶＤ
装置におけるように複雑な均一化の手法を回避し、容易
にウェハ温度を均一化できるようにしたものであり、例
えば特開平７−９４４１９号に開示されている。このホ
ットウォール式ＣＶＤ装置の断面模式図を図１０に示
す。反応炉体３の外側から抵抗加熱ヒータ４を用いて反
応炉体３自身を高温にして、反応炉体３内のウェハＷの
加熱を行うようになっている。ツィーザ８により支持さ
れて搬送室１からゲートバルブ５を介して反応炉体３内
に搬入したウェハＷは、加熱初期にはホットウォールの
系の温度との差（４００〜７００℃）を持つため多少速
い昇温速度を有するが、昇温速度は温度差の４乗に比例
するため、ウェハ温度がホットウォールの系の温度に近
づくにつれ昇温速度が低下し、結果的として図１１に示
したようにプレヒート時間に５分以上要してしまう。こ
れに比較してランプ加熱では、フィラメント温度が高い
（２５００〜３０００Ｋ）ため、ウェハが所望する温度
（４００〜７００℃）に近づいても、ウェハ温度とフィ
ラメント温度との温度差が２０００℃程度あるため、殆
ど昇温速度が低下することがなくプレヒート時間は大幅
に短くなる。
【０００５】ここでプレヒート時間とは、ウェハＷを反
応炉体３に搬入してからウェハＷが所望の温度に到達
し、かつ均一化するまでの時間である。なお、前述した
ホットウォールの系とは、抵抗加熱ヒータ４によって加
熱される系をいい、その系には反応炉体３そのものと反
応炉体３内に存在する雰囲気および物体が含まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記ホットウォール式
ＣＶＤ装置では、ウェハＷと反応炉体３の内壁が熱平衡
状態（両者の温度が等しい状態）になるため、膜種に依
らずウェハ温度が一定に保たれ温度均一性及び温度安定
性に優れているという特徴を有する。さらに、図示して
いないが、フランジ１３に連通するＣＶＤガス導入口６
とフランジ１４に連通するガス排気口７のウェハＷを挟
んで対向する位置に、もう一つのガス導入口とガス排気
口とが備えられており、これらを成膜の途中て切り替え
てガスの流れ方向を反転させることにより、形成した膜
厚の均一性に優れるという特徴も有する。
【０００７】しかしながら、ホットウォール式ＣＶＤ装
置では、ウェハＷがほぼ室温に近い温度で反応炉体３内
に搬入されてから所望の温度に達するまでのプレヒート
時間が５分程度（図１１参照）あるいはそれ以上と長
く、成膜時間を含めた全体の処理時間（タクトタイム）
が長くなるため、スループットが低いという問題があ
る。
【０００８】さらに、この現象は加熱温度（炉体温度）
が低い程顕著となる。これは次の理由による。反応炉体
３が低温（〜５００℃）になればなる程、図１２に示す
ように分光放射強度（輻射強度）が低下すると共に黒体
放射波長分布（輻射波長分布）が長波長側にシフトす
る。一方、Ｓｉウェハは図１３に示すように１．２μｍ
より長波長では吸収係数が極めて小さいため、炉体から
の熱は殆ど吸収せず加熱効率が極めて悪い。例えばλ＝
３μｍの場合、吸収効率はウェハ温度４００℃、５００
℃でそれぞれ３％、１５％である。従って、反応炉体３
が低温になる程加熱効率が低下する。これがホットウォ
ール式ＣＶＤ装置でウェハ加熱を行う場合に長時間を要
する原因となっている。
【０００９】さらに、冷たいウェハＷを反応炉体内に搬
入することで炉体自体の温度低下も伴い、それを回復さ
せるための時間も必要とする。これを改善するために、
フィード・フォワード・コントロール（ＦＦＣ）方式と
高速昇温ヒータ方式とが提案されている。
【００１０】ＦＦＣ方式 上述したようにホットウォール式はウェハの昇温速度が
遅いという問題を持つが、これとは別に、ウェハを系の
中に搬入することで系の温度が低下するというもう一つ
の問題も持つ。このもう一つの問題に対し、予め反応炉
体の温度低下分を考慮して系の温度を多少高めに設定し
ておくという手法がＦＦＣである。しかし、ＦＦＣの結
果は図１４に示したように、系の温度（ＦＦＣ設定温
度）が多少高めに設定されているものの（冷却手段がな
いため高温に設定できず、高々数１０℃）、プレヒート
時間が若干改善されるだけで、いぜんとして大きく短縮
することは出来ない。
【００１１】高速昇温ヒータ方式 図１５に断面模式図を示すように、反応炉体３を加熱す
るヒータ自身の熱容量を小さくして高速に昇温出来る高
速昇温ヒータ９と、高温になり過ぎた反応炉体３に強制
冷却エアを送って反応炉体３を高速に冷却できる強制空
冷機構（図示せず）を付加したものである。本方式で
は、ウェハＷを搬入した時点での系の温度（ＦＦＣ設定
温度）をより高く設定できるため、図１６に示すよう
に、設定温度までの初期加熱時間の短縮は図れる。しか
し設定温度を安定維持するまでに要する制御周期の短縮
が図れないため、従来よりも多少プレヒート時間を短縮
できるが、その効果は小さい。この高速昇温ヒータ方式
は、むしろ成膜が終了して次のウェハＷが搬入されるま
での間に十分にＦＦＣ設定温度まで系の温度を回復させ
るということが狙いとなる。そもそもホットウォールの
特徴は、ウェハＷの搬入のような多少の外乱因子があっ
ても、その影響を受けず常に一定温度の系を形成するこ
とにある。このため高速昇温ヒータ方式のように多少の
昇温時間を短縮させるために系自体の温度を上下させる
ことは、ホットウォール本来の長所を殺し、ウェハ温度
の制御をより複雑化させるため、好ましくない。
【００１２】先に述べたように、ホットウォール反応炉
体加熱の特徴は、均一に加熱された炉体３の中にウェハ
Ｗを入れ熱的平衡状態になれば、容易にウェハＷも炉体
３と同じ温度にすることがてきるというものであり、ウ
ェハＷの種類の違いによる放射率や吸収係数等の熱的特
性に影響を与える因子を考慮する必要がないという点で
ある。
【００１３】しかし上記特徴はホットウォール反応炉体
３の熱容量がウェハＷの熱容量に対し無限大となる理想
的な系での話であり、実際には冷たいウェハＷが系の中
に搬入されることで系が乱れ、系全体の温度の低下が起
こる。
【００１４】本発明は、より理想に近い形で実現できる
熱処理方法および熱処理装置を提供するものである。す
なわち、本発明の課題は、従来用いられてきたホットウ
ォール式熱処理装置において、基板温度の均一化を容易
に実現できる長所をそのまま活かした上で、従来のホッ
トウォール式熱処理装置の欠点であった長い基板加熱時
間を短縮し、装置のスループットを向上させることが可
能な熱処理方法および熱処理装置を提供することにあ
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ランプ（非平
衡）加熱とホットウォール炉体（平衡）加熱とを併用し
たことに特徴がある。系にウェハＷを搬入する前に予め
ウェハＷの平均温度を系と同じ温度にした後にウェハＷ
を系に搬入する、あるいはウェハ搬入直後系の熱を殆ど
奪う前にウェハを系の温度と同じになるよう系の外から
極めて短時間に加熱すれば、殆ど系を乱すことが無くな
る。その後、ウェハＷは自身の持つ熱伝導で比較的短時
間で温度を均一化することができる。このときウェハ
を、系の温度と同じになるように加熱するのに用いられ
るのがランプ加熱であり、その後ウェハ温度を均一化さ
せるのに用いられるのがホットウォール炉体加熱であ
る。ここで改めてランプ加熱の特徴を述べると、発光体
（ランプ内のフィラメント）と被加熱体である基板との
温度差を大きく取り、発光体の放射強度を大きくするこ
とで、基板の昇温時間を容易に短縮できる（加熱速度は
温度差の４乗および放射強度の１乗に比例）ことが大き
な特徴である。現在市販されている装置でも、ランプ加
熱であれば１００℃／秒程度の昇温速度を実現してい
る。従ってランプ加熱を使用することにより、ホットウ
オールで５００℃まで加熱するのに５分要していたのに
比べて、数１０倍高速化することが可能となる。
【００１６】しかし、ランプ加熱では常時非平衡な状態
である（即ち、ランプから基板への幅射と基板からの放
射の熱入出量のバランスで温度が決定される）ため一定
の温度に維持することが非常に難しいこと、基板への照
度分布を高精度に制御しないと基板面内の温度均一化が
図れないことが大きな欠点である。
【００１７】そこで、本発明では、ランプ（非平衡）加
熱とホットウォール炉体（平衡）加熱を併用し、加熱初
期には温度分布は余り考慮せず、とにかく基板をランプ
で高速加熱（この状態では不均一）し、その後、熱的に
均一な系内で熱伝導による基板面内の温度均一化を図る
という熱処理方法および熱処理装置を実現するものであ
る。以下に本発明の課題を達成する実現手段を列挙す
る。
【００１８】請求項１の発明は、基板搬入前に抵抗加熱
ヒータにより反応炉体内の温度を所定の温度に保持して
おくホットウォール式の熱処理装置において、前記反応
炉体の外に反応炉体を透過する放射光により反応炉体内
に搬入される基板を加熱するランプを備え、前記所定の
温度に保持された反応炉体内に基板を搬入した後、前記
抵抗加熱ヒータによる加熱は維持したままで、前記反応
炉体の外に設けた前記ランプにより基板を直接所望の温
度まで加熱する工程を有することを特徴とする熱処理方
法である。本発明によれば、ホットウォールによる加熱
時間に比べて、飛躍的に加熱時間を短縮できるので、高
いスループットが得られ、プロセスの生産性を向上でき
る。
【００１９】請求項２の発明は、請求項１に記載の熱処
理方法において、前記ランプにより基板をほぼ所望の温
度まで加熱した後、ランプを消灯し、反応処理を開始す
る前に、前記抵抗加熱ヒータにより加熱維持された反応
炉体内で基板を所定時間保持する工程を有することを特
徴とする熱処理方法である。ランプ加熱により基板の平
均温度がほぼ所望の温度に到達した時点でランプを消灯
し、消灯後はホットウオールの系の中でウェハを所定時
間保持し、ウェハ自身が熱伝導で均一化するのを待てば
良い。したがって基板の高速加熱はできるが、一定の温
度に高精度に制御できないというランプ加熱の欠点をカ
バーできる。本発明によればランプ加熱による加熱温度
に比べて、高精度に加熱温度を制御できる。
【００２０】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の熱処理方法において、前記ランプにより基板をほぼ
所望の温度まで加熱した後、ランプを消灯した時点で反
応炉体内の温度が所望する反応時温度となるよう、ラン
プ点灯前の時点において、予め反応炉体内の温度を反応
時温度とは異なる温度に設定しておくことを特微とする
熱処理方法である。予めホットウォールの系の温度を設
定しておくには、基板搬送時の温度低下や、ランプ加熱
時のランプ光長波長成分による反応炉の加熱等のホット
ウォールの系の変動分を補うように、処理温度より若干
高めもしくは低めに設定しておくなどする。ランプ点灯
前に反応炉体内の温度を反応時温度とは異なる温度に設
定しておくと、ランプを消灯した時点で反応炉体内の温
度を所望する反応時温度にすることができる。
【００２１】請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれ
かに記載の熱処理方法において、予め反応炉体内に基板
を搬入してランプを点灯した後、基板の温度が略所定の
温度に到達するまでのランプの出力、ランプ点灯時間等
のランプ加熱条件を測定しておき、実際の基板処理工程
において、前記測定により得た前記ランプ加熱条件によ
り基板の加熱を行うことを特徴とする熱処理方法であ
る。実際の基板処理の際に加えるのと同じランプ加熱条
件で基板を加熱したときに所定温度に到達するランプ出
力、点灯時間を予め測定しておくので、高速加熱にふさ
わしい最適な加熱温度が得られる。
【００２２】請求項５の発明は、基板搬入前に抵抗加熱
ヒータにより反応炉体内の温度を所定の温度に保持して
おくホットウォール式の熱処理方法において、基板搬入
前に基板温度が前記反応炉体内の所定温度よりも高くな
るように基板を予備加熱する工程を有することを特徴と
する熱処理方法である。前記反応炉体に連設した搬送室
に基板を予備加熱する基板予備加熱手段を備え、前記所
定の温度に保持された反応炉体内に前記搬送室から基板
を搬入する際の基板の温度低下分を見込んで、搬入直後
の基板が所望の温度になるように、前記温度低下分を上
乗せして前記基板を予備加熱する方法である。
【００２３】本発明では、搬送室に基板予備加熱手段を
新たに設けたり、基板搬送前に余分な加熱時間を必要と
したりするが、反応炉体ではなく、反応炉体外部で基板
を予備加熱するので、反応炉体に与える熱的影響が小さ
く、ホットウォールの特徴を活かすことができる。また
反応炉体に光透過性が要求されないので、透過性のある
特定の膜種を生成する装置に限定されず、全ての膜種の
熱処理装置に適用可能である。
【００２４】請求項６の発明は、請求項５に記載の熱処
理方法において、予め基板冷却速度を測定し、それによ
り適切な前記反応炉体内の所定温度と基板の予備加熱温
度との差である上乗せ温度を割り出し、実際の処理工程
において、前記測定により割り出した上乗せ温度を基に
決定した適切な基板予備加熱温度により基板を予備加熱
することを特徴とする熱処理方法である。より適切な上
乗せ温度を割り出せると、基板を最適温度に予備加熱で
きるので、反応炉体内への基板搬入による反応炉体内の
温度低下の影響が極めて小さくなり、それゆえ基板を反
応炉体内に搬入した後の基板の温度安定化時間をより短
縮することができる。
【００２５】請求項７の発明は、請求項５または６に記
載の熱処理方法において、２枚の基板を、同時に予備加
熱して反応炉体内に搬送する際、それぞれの予備加熱位
置から反応炉体までの距離の違いによる搬送時の温度低
下の違いを見込んで、それぞれの基板をそれぞれ所望の
加熱条件で独立して予備加熱することを特微とする熱処
理方法である。２枚の基板をそれぞれ同時に独立して予
備加熱するので、それぞれの予備加熱位置から反応炉体
までの搬送距離の違いによる搬送時間の違い、すなわ
ち、温度低下の違いを見込んで、それぞれ所望する加熱
条件で予備加熱することができる。
【００２６】請求項８の発明は、反応炉体の外に設けた
抵抗加熱ヒータにより反応炉体内の加熱を行うホットウ
ォール式の熱処理装置において、前記反応炉体の外に設
けられ、反応炉体を透過する放射光により前記反応炉体
内の基板を加熱するランプと、基板搬入前に前記抵抗加
熱ヒータに通電して反応炉体内の温度を所定の温度に保
持させ、基板搬入後も前記通電を維持させる抵抗加熱ヒ
ータ制御手段と、前記基板搬入後、前記ランプを点灯し
て前記基板を所定の温度近くまで加熱させ、加熱後前記
ランプを消灯させるランプ制御手段とを備えたことを特
徴とする熱処理装置である。反応炉は石英製で同時に１
枚ないし２枚程度の基板を処理できる枚葉式が好まし
い。ランプはハロゲンランプが好ましい。抵抗加熱ヒー
タ制御部とランプ制御部とは個別に構成しても一体で構
成してもよい。
【００２７】反応炉体の外側にランプと抵抗加熱ヒータ
を設けて、ランプ（非平衡）加熱とホットウォール（平
衡）加熱とを併用する。まず基板搬入前にホットウォー
ル加熱で反応炉体を所定の温度に保持しておく。つぎに
基板を反応炉体に搬入した後、基板をランプで高速で加
熱して所定の温度近くまで高めてやり、ランプを消灯さ
せる。その後、ホットウォール加熱で熱的に均一になっ
ている系内での熱伝導により、基板の温度均一化を図
る。反応炉体を所定温度に維持することで基板温度の均
一化が図れるので、ランプ加熱のときに、基板への照度
分布を特に高精度に制御しなくてもよい。本発明によれ
ば、ホットウォールによる加熱時間に比べて、飛躍的に
加熱時間を短縮でき、またランプ加熱による加熱温度に
比べて、高精度に加熱温度を制御できるので、スループ
ットの高い熱処理装置が得られる。
【００２８】請求項９の発明は、請求項８に記載の熱処
理装置において、基板平坦面を反応炉体内で基板搬送方
向とほぼ平行に支持し、処理することを特徴とする熱処
理装置である。基板平坦面が反応炉内で基板搬送方向と
ほぼ平行になるように基板を支持するので、基板平坦面
を搬送方向に対して垂直に支持するものと比較して、ラ
ンプ加熱による加熱効率を高めることができ、基板の一
層の高速加熱が可能となる。
【００２９】請求項１０の発明は、請求項９に記載の熱
処理装置において、１枚の基板、もしくは基板平坦面に
垂直な方向に積層した２枚の基板を処理することを特徴
とする熱処理装置である。１枚ないし２枚の基板を処理
できる併用加熱方式を採用した枚葉式熱処理装置である
ため、各基板を高速加熱することができる上、全面に亘
って高精度に熱処理することができる。
【００３０】請求項１１の発明は、請求項９または１０
に記載の熱処理装置において、前記ランプが基板平坦面
と対向して配置されることを特徴とする熱処理装置であ
る。ランプが基板平坦面と対向して配置されているの
で、例えば基板端面と対向して配置されているものに比
べて、ランプからの放射光が基板平坦面に有効に作用
し、より一層基板を高速加熱でき、スループットをさら
に高めることができる。
【００３１】請求項１２の発明は、２枚の基板を処理す
る請求項１０に記載の熱処理装置において、前記ランプ
を上部と下部に設け、上部ランプが上部基板平坦面と対
向して上部基板平坦面を直接加熱し、下部ランプが下部
基板平坦面と対向して下部基板平坦面を直接加熱するよ
うに配置されていることを特徴とする熱処理装置であ
る。上部ランプが上部基板と対向し、下部ランプが下部
基板と対向するように配置されていると、上部基板は上
部ランプにより、また下部基板は下部ランプによりそれ
ぞれ高速加熱することができ、スループットをさらに高
めることができる。
【００３２】また上部ランプが上記基板平坦面を直接加
熱し、下部ランプが直接下部基板平坦面を加熱すると、
端面を加熱するものに比べて、２枚の基板を同時且つよ
り高速に加熱することができる。また上部基板と下部基
板の加熱条件が異なっていても上部ランプと下部ランプ
のそれぞれに異なる加熱条件に対応した設定を行うこと
ができるので、上部基板と下部基板の温度が均一となる
よう加熱できる。
【００３３】請求項１３の発明は、請求項１２に記載の
熱処理装置において、上部ランプと上部基板との距離
と、下部ランプと下部基板との距離が略等しいことを特
徴とする熱処理装置である。上部ランプと上部基板との
距離と、下部ランプと下部基板の距離が略等しいと、上
部基板と下部基板とを均一加熱することがで容易であ
り、ばらつきのない成膜を同時に２枚の基板上に形成で
きる。
【００３４】請求項１４の発明は、請求項８〜１３のい
ずれかに記載の熱処理装置において、前記ランプを基板
搬送方向に複数配置したことを特徴とする熱処理装置で
ある。基板面内の加熱条件が異なっていても、ランプ毎
に異なる加熱条件に対応した設定を行うことができるの
で、基板面内で均一な加熱を高速に行うことができる。
【００３５】請求項１５の発明は、請求項１４に記載の
熱処理装置において、前記ランプは棒状のランプであり
基板搬送方向と垂直に配置したことを特徴とする熱処理
装置である。ウェハをランプで均一に加熱できる照度分
布を有することが重要である。この場合、厳密には「均
一な基板加熱」と「均一な照度分布」が必ずしも一致し
ている訳ではなく、最適な照度分布が存在する。照度分
布をコントロールするためには複数のランプを適切に配
置することや、棒状のランプであってもランプ内の発光
密度を疎密化することや、反射面を工夫する等、幾つか
方法が挙げられる。最も簡易な方法としては、ランプを
棒状とし、この棒状ランプを、水平保持された基板平坦
面に平行に、かつ基板搬送方向に対し垂直に複数設ける
ことである。これによりウェハの平均温度を素早く上昇
させることができ、ウェハ内の温度分布を均一化させる
ことができ、その結果ウェハの温度を均一に所望する温
度まで素早く加熱できる。
【００３６】請求項１６の発明は、請求項１２ないし１
５のいずれかに記載の熱処理装置において、ランプの出
力を独立に制御できるようにしたことを特徴とする熱処
理装置である。ランプの出力を独立に制御できるので、
搬送時の搬送口付近からの熱の逃げ等による温度低下を
補正することができる。また、基板面内の膜厚分布を任
意に補正でき、基板面内の膜厚をより均一化でき、全面
に亘って高精度の膜形成を行うことができる。また、上
部基板と下部基板の加熱条件が異なっていても上部ラン
プと下部ランプのそれぞれを異なる加熱条件に対応する
よう制御できるので、上部基板と下部基板を均一に加熱
することができる。
【００３７】請求項１７の発明は、請求項８〜１６のい
ずれかに記載の熱処理装置において、ランプを消灯した
時点で、反応炉体内の温度が所望する反応時温度となる
よう、ランプ点灯前の時点において予め反応炉体内の温
度を反応時温度とは異なる温度に設定しておくことを特
徴とする熱処理装置である。予めホットウォールの系の
温度を設定しておくには、基板搬送時の温度低下や、ラ
ンプ加熱時のランプ光長波長成分による反応炉の加熱等
のホットウォールの系の変動分を補うように、処理温度
より若干高めもしくは低めに設定しておくなどする。
【００３８】請求項１８の発明は、請求項８〜１７のい
ずれかに記載の熱処理装置において、反応炉体内の基板
近傍の温度を測定する反応炉体に対して脱着可能な温度
測定手段を有し、予め反応炉体内に設置した前記温度測
定手段を用いて、反応炉体内に基板を搬入してランプを
点灯した後、基板の温度が略所定の温度に到達するまで
のランプの出力、ランプ点灯時間等のランプ加熱条件を
測定しておき、前記温度測定手段がない実際の基板処理
工程において、前記測定により得た前記ランプ加熱条件
により基板の加熱を行うことを特徴とする熱処理装置で
ある。実際の基板処理の際に加えるのと同じランプ加熱
条件で基板を加熱したときに所定温度に到達するランプ
出力、点灯時間を予め測定しておくので、高速加熱にふ
さわしい最適な加熱温度が得られる。
【００３９】請求項１９の発明は、基板搬入前に抵抗加
熱ヒータにより反応炉体内の温度を所定の温度に保持し
ておくホットウォール式の熱処理装置において、前記反
応炉体に連設した搬送室に設けられて基板を予備加熱す
る基板予備加熱手段と、前記所定の温度に保持された反
応炉体内に前記搬送室から基板を搬入する際の基板の温
度低下分を補うため前記基板を基板温度が前記反応炉体
内の所定温度よりも高くなるように予備加熱させる予備
加熱制御手段とを備えたことを特徴とする熱処理装置で
ある。より具体的には、予備加熱制御手段は、基板を、
所定の温度に保たれた反応炉に搬入する際の搬送時の温
度低下を見込んで、搬入直後に基板が所望の温度になる
よう温度低下分を上乗せして予備加熱する。搬送室に基
板予備加熱手段を新たに設けたり、基板搬送前に余分な
加熱時間を必要としたりするが、反応炉体ではなく、反
応炉体外部で予備加熱するので、反応炉体に与える熱的
影響が小さく、ホットウォールの特徴を活かすことがで
きる。またランプ光が透過する膜種の熱処理装置に適用
が限定されず、全ての膜種の熱処理装置に適用可能であ
る。また、搬送室に予備加熱手段を設けたので、別途予
備加熱室等設ける必要がないため、装置の小型化が図れ
る。
【００４０】請求項２０の発明は、請求項１９に記載の
熱処理装置において、前記搬送室に、２枚の基板を同時
に予備加熱できる２箇所の予備加熱位置と、２箇所の予
備加熱位置に配置される各基板をそれぞれ所望する加熱
条件で独立して予備加熱する２個の基板予備加熱手段と
を備えたこと特徴とする熱処理装置である。予備加熱位
置と基板予備加熱手段とをそれぞれ２箇所設け、２枚の
基板をそれぞれ同時に独立して予備加熱することができ
るので、それぞれの予備加熱位置から反応炉体までの搬
送距離の違いによる搬送時間の違い、すなわち、温度低
下の違いを見込んで、それぞれ所望する加熱条件で予備
加熱することができる。
【００４１】請求項２１の発明は、請求項１９または２
０に記載の熱処理装置において、搬送室に基板の温度を
測定する温度検出器を備え、前記搬送室で前記基板予備
加熱手段により基板を加熱後、前記搬送室内に備えられ
た温度検出器により基板の温度変化を測定することで、
基板の冷却速度を算出し、それにより適切な前記反応炉
体内の所定温度と基板の予備加熱温度との差である上乗
せ温度を割り出し、前記搬送室内での適切な基板予備加
熱温度を決定することを特徴とする熱処理装置である。
より適切な上乗せ温度を割り出せると、基板を最適温度
に予備加熱できるので、反応炉体内への基板搬入による
反応炉体内の温度低下の影響が極めて小さくなり、それ
ゆえ基板を反応炉体内に搬入した後の基板の温度安定化
時間をより短縮することができる。
【００４２】請求項２２の発明は、請求項１９〜２１の
いずれかに記載の熱処理装置において、搬送室の基板予
備加熱手段がランプであることを特徴とする熱処理装置
である。搬送室の基板予備加熱手段は抵抗加熱ヒータで
もよいが、高速加熱の観点からはランプが好ましい。
【００４３】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態として
高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置を説明する。ラン
プ加熱とホットウォール加熱を併用して、加熱初期は基
板をランプ等で高速加熱し、加熱後はホットウォール加
熱で熱伝導によるウェハ面内の温度均一化を図る。これ
を、ここでは次の２つの実施形態で実現している。 （１）直接石英反応炉体内で基板をランプ加熱する方法
（第１の実施の形態） 加熱された石英反応炉体を通してランプからの光が十分
透過するかが課題となる。 （２）予め基板を炉体内に搬入する前に加熱しておく方
法（第２の実施の形態） 炉体内に搬入するまでの基板温度低下が課題となる。
【００４４】第１の実施の形態 高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置の断面模式図を図
１に示す。ＣＶＤ装置は、偏平な空間を有する石英製の
反応炉体３を備える。反応炉体３の中央にはウェハ平坦
面に垂直な方向に上下に隙間を空けて積層した２枚のウ
ェハＷを支持するための２組のウェハ支持台１２が上下
に設けられ、２枚単位の枚葉処理ができるようになって
いる。反応炉体３の一端（右端）にはフランジ１３が設
けられ、フランジ１３に連通するガス導入口６を介して
反応炉体３内にＣＶＤガスを導入できるようになってい
る。また反応炉体３の他端（左端）にはフランジ１４が
設けられ、該フランジ１４に連通するガス排気口７より
排気されるようになっている。なお、図示していない
が、前記ガス導入口６とガス排気口７のウェハＷを挟ん
で対向する位置にもう一つのガス導入口とガス排気口が
備えられており、これらを成膜の途中で切替えてガスの
流れ方向を反転させるようにしている。反応炉体３の周
囲には分割型の抵抗加熱ヒータ４が設けられ、反応炉体
３内部を複数の抵抗加熱ヒータ４に対応したゾーン毎に
独立して加熱できるようになっている。ホットウォール
反応炉体３に隣接して、ウェハＷを搬送する搬送室１が
設けられる。この搬送室１は反応炉体３の一端側のフラ
ンジ１３に連通されて、その連通部はゲートバルブ５に
より開閉できるようになっている。
【００４５】ウェハ加熱初期に、反応炉体３を透過する
放射光により反応炉体３内のウェハＷを直接加熱するラ
ンプ加熱を行うため、石英製の反応炉体３の外側であっ
て、ホットウォールを形成するための抵抗加熱ヒータ４
の内側にランプ１０を設けている。ランプ１０はウェハ
搬送方向に複数配置してある。ランプ１０は照度分布を
コントロールしてウェハＷを均一に加熱できるような配
置構成とする。具体的には線状光源とすべくランプ１０
を棒状として、この棒状ランプ１０を、水平保持された
ウェハ平坦面に平行に、かつウェハ搬送方向に対し垂直
に複数設ける。
【００４６】棒状ランプ１０はウェハ平坦面と対向する
ように反応炉体３の上下に設けられ、上部ランプ１０が
上部ウェハＷと対向して上部ウェハ平坦面を直接加熱
し、下部ランプ１０が下部ウェハＷと対向して下部ウェ
ハ平坦面を直接加熱するように配置されている。また、
上部ランプ１０と上部ウェハＷとの距離と、下部ランプ
１０と下部ウェハＷとの距離が略等しいようにする。こ
のように配置するのは、上下部ウェハＷの温度を均一化
するためである。
【００４７】図示例では、ウェハＷを中心として、ゲー
トバルブ５側前方をＦ、その反対側の後方をＢ、上方を
Ｕ、下方をＬとそれぞれ定義し、ランプ加熱をＵＦ、Ｕ
Ｂ、ＬＦ、ＬＢの４ゾーンに分割して１つのゾーン内に
２本のランプ１０を並列接続して配置し、ランプ加熱の
温度分布の均一性を向上させている。それぞれのゾーン
を０〜１００％（０〜２ｋＷ）の出力範囲で制御可能と
している。
【００４８】なお、ここではランプ加熱を４ゾーンに分
割しているが、よりフレキシブルな制御を行うために、
更に多くのゾーンに分割してもよいのは勿論のことであ
る。また、ここでは１つのゾーン内に２本のランプを並
列接続して配置しているが、更に多くのランプを並列接
続して配置すれば、ランプ加熱直後の温度分布の均一性
を更に向上させることができる。勿論、１つのゾーンを
形成するランプが１本であってもよい。
【００４９】上述した高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ
装置を稼働させるために、装置本体制御電源１５が設け
られ、装置本体制御電源１５からゲートバルブ開閉制御
信号を出力してゲートバルブ５を開閉できるようになっ
ている。装置本体制御電源１５には抵抗加熱ヒータ制御
手段としてのヒータ制御電源１６と、ランプ制御手段と
してのランプ制御電源１７とが接続される。ヒータ制御
電源１６は装置本体制御電源１５からの信号に応じて、
分割された抵抗加熱ヒータ４を独立に制御するようにな
っている。またランプ制御電源１７も、各ゾーンのラン
プ１０を独立に制御するようになっている。
【００５０】ランプ１０を独立に制御できるようにする
ことにより、例えばランプ１０のゲートバルブ側Ｆ、ゲ
ートバルブと反対側Ｂについては、基板搬入時のゲート
バルブからの熱の逃げによるゲートバルブ付近の温度低
下を補正するために、ゲートバルブ５に近い方の温度を
ゲートバルブ５から遠い方の温度よりも高くしたりする
ことが可能となり、それによりホットウォールの系を補
正できる。また、ガスの流れ方向に依存した膜厚分布の
不均一性を補正するために、ゲートバブル５から遠い方
の温度をゲートバルブ５に近い方の温度よりも高くした
りする場合もあるが、このような場合でも、ランプの独
立制御により、膜厚分布を補正できる。また、ランプ１
０の上方Ｕ、下方Ｌについては、上方のランプ１０が上
部ウェハ表面を直接加熱し、下方のランプ１０が下部ウ
ェハ裏面を直接加熱しており、Ｓｉウェハの場合には、
ウェハＷの表裏で熱の吸収率が異なり、一般的には吸収
率は裏＞表となるため、このような場合には、下方の温
度を上方の温度より高くするように制御し、上部ウェハ
と下部ウェハの温度を均一にすることができる。しかし
ながら、実際の製品ウェハでは表面に種々の材料やパタ
ーンが加わるため、吸収率がウェハＷの表裏で逆転する
場合もあり、そのような状況に合わせてランプを個別に
制御して上部ウェハと下部ウェハの温度の均一化を図っ
ている。
【００５１】ランプ制御電源１７は、装置本体制御電源
１５から次の３種類の信号からなるランプ点灯制御信号
を受け取って、各ゾーンＬＢ、ＵＢ、ＵＦ、ＬＦ毎のラ
ンプ１０を制御できるようになっている。
【００５２】（１）ゲートバルブ５が開いてからランプ
１０を点灯させるまでのランプ点灯開始タイミング信号 （２）ランプ１０の点灯時間である点灯時間幅制御信号
（個々のゾーンの相対的な加熱量制御は後述のランプ出
力制御信号で行っているが、全体の加熱量制御はこの点
灯時間幅制御信号による時間の長短で行っている） （３）各ゾーンにおける点灯時の電源出力制御を行うラ
ンプ出力制御信号（×４ゾーン） 図２に示すように、ゲートバルブ（ＧＶ）５を開いた
後、ウェハＷを搬送室１から反応炉体３に搬送し、それ
が終了するまでの時間は通常５〜２０秒間であり、搬送
終了後、ランプ１０を点灯する時間は通常１０〜２０秒
間である。この点灯時間（黒塗りのタイミング部分）の
立上がりが前記ランプ点灯開始タイミング信号で制御さ
れ、ランプ点灯時間が前記点灯時間幅制御信号によって
制御されることになる。ランプ点灯開始タイミングは、
ウェハＷが反応炉体３内に搬入される時のゲートバルブ
５の開信号、あるいは基板搬送機（図示せず）からのウ
ェハ搬入信号等、ウェハＷが反応炉体３内に搬入される
直前のタイミングに基づく信号を基準にして形成されて
いればよい。
【００５３】なお、前述した制御方式では各ゾーンの点
灯時間を一定とする代りに、各ゾーンの出力を可変とし
て、ゾーン毎に印加する加熱量を変えるようにしたが、
この方式とは別に各ゾーンの出力を一定として、ゾーン
毎の点灯時間を変化させるようにしてもよい。
【００５４】一般的にランプ加熱にはハロゲンランプが
用いられる。横軸に波長（μｍ）、縦軸に比放射エネル
ギー（％）を取ったハロゲンランプの発光波長分布を図
３に示す。また、反応炉体３には石英が用いられている
が、２５℃と５００℃に加熱されている石英の透過特性
を図４に示す。横軸が波長（μｍ）、縦軸は透過率
（％）である。なお、石英はＧＥ２１４相当品（ゼネラ
ルエレクトリック社製の商品名）である。さらに、前述
したＳｉウェハの吸収波長特性も合わせ、これらの波長
分布特性を考慮すると、ランプ１０からの放射光は殆ど
石英に吸収されることなくウェハＷに照射され、ホット
ウォールとしての系を乱すことなくウェハＷだけを選択
的に高速加熱できることがわかる。
【００５５】さて上述したような構成において、ウェハ
搬入前に、装置本体制御電源１５からの制御信号を受け
たヒータ制御電源１６により抵抗加熱ヒータ４に通電し
て反応炉体３の温度を予め所定の温度に保持させ、ウェ
ハ搬入後も前記通電を維持させて所定の温度を保持す
る。ウェハＷの搬入時は、ゲートバルブ開閉制御信号を
出してゲートバルブ５を開き、２枚のウェハＷをツィー
ザ８で支持して、図示しない基板搬送機によりフランジ
１３を介して反応炉体３内に搬入し、２組のウェハ支持
台１２にそれぞれ載置する。
【００５６】装置本体制御電源１５からランプ点灯制御
信号を受け取ったランプ制御電源１７は、ゲートバルブ
５が開いてからウェハＷが反応炉体３内に搬入され、ラ
ンプ点灯開始タイミング信号により決められた所定のラ
ンプ点灯開始タイミングとなったら点灯時間幅制御信号
に基づきランプ１０に所定時間（１０〜２０秒）通電し
点灯させ、ウェハＷを所定の温度近くまで急速加熱させ
る。ウェハＷの平均温度がほぼ所望の温度に到達した時
点でランプ１０への通電を停止してランプ１０を消灯
し、後はホットウオールの系の中でウェハ自身が熱伝導
で均一化する（ウェハ内熱拡散）のを待つ。このウェハ
温度が変化する様子を図５に示す。横軸は時間（ｍｉ
ｎ）、縦軸はウェハ温度（℃）である。ウェハ温度は、
ランプ加熱により急速に上昇した後、ウェハ内熱拡散し
て、反応炉体３と同じ設定温度に維持される。この間の
プレヒート時間は、ランプ加熱が用いられるため非常に
短い。また、ウェハＷが搬入された時点で石英反応炉体
３の温度低下が開始するが、数秒〜十数秒でウェハ温度
を炉体温度まで上昇させることが可能になるため、従来
のように大きく系が乱されることはない。
【００５７】より厳密に言えば、ランプ放射光の長波長
成分（約３μｍより長波長）が石英反応炉体３を加熱す
るため、ウェハ加熱初期に石英反応炉体３が冷却される
分を多少補うか、あるいは炉体温度を多少上げてしまう
可能性もある。従ってランプ１０を消灯した時点でホッ
トウォールの系の温度が所望するウェハＷの平均温度と
一致するよう考慮して、ホットウォールの系の温度を予
め設定しておくことが精密な温度制御に不可欠となる。
【００５８】また、実際の基板処理の際に、高速加熱に
ふさわしい最適なランプ加熱条件によりウェハを加熱す
るために、予めランプ加熱条件を測定しておくのが望ま
しい。具体的には、予め反応炉体内に反応炉体に対して
脱着可能な温度測定手段（熱電対等）を装着しておき、
この温度測定手段を用いて、反応炉体内に基板を搬入し
てランプを点灯した後、基板の温度が略所定の温度に到
達するまでのランプの出力、ランプ点灯時間等のランプ
加熱条件を測定しておく。そうしておくことにより、温
度測定手段を離脱させて温度測定手段がない実際の基板
処理工程において、前記測定により得た最適なランプ加
熱条件により基板の加熱を行うことができる。尚、前記
ランプ加熱条件の測定については後述する実施例で詳細
に説明する。
【００５９】ここに実施の形態において用いたランプ１
０とそのウェハＷへの照度分布イメージの具体例を図６
に示す。図６（ａ）のようにフィラメント２８が透けて
見える加熱に有効な部分を半分、残りの半分を反射部分
２９で覆う。図６（ｂ）のように２本のランプ１０を近
接配置して、その放射輝度分布を互いに補完して平均化
する。プレヒート時間は、ウェハＷの平均温度を所望の
温度まで加熱する時間と、その後のウェハ自身の熱伝導
で均一化するのに要する時間とを合せた時間となるが、
当然所望の温度まで加熱された状態でウェハ温度分布均
一性が良い程、その後の熱伝導による均一化に要する時
間が短縮され、それだけプレヒート時間も短縮される。
従って簡単なランプ加熱であっても、より均一性の高く
なるように照度分布を考慮してランプ構造、配置等を決
定することが好ましい。したがって、図６では２本の場
合を示したが、コストを度外視すればより多くのランプ
を使用して加熱初期のウェハ温度均一性を向上させるこ
とができるのは言うまでもない。
【００６０】さて、ウェハ内の温度が均一化した後、ガ
ス導入口６より反応炉体３内に導入された反応ガスが分
解し、ウェハ表面に反応生成物が堆積して、薄膜が生成
される。反応後の使用済みガスは排気口７より排出され
る。成膜処理済みのウェハＷはフランジ１３、ゲートバ
ルブ５より搬送室１へツィーザ８で支持されて搬送され
る。第２の実施の形態 図７に、反応炉体３に隣接する搬送室２１に、ウェハＷ
を反応炉体３に搬入する前に予め加熱しておく予備加熱
機構１８を有する高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置
の断面模式図を示す。第１の実施の形態と異なる点は、
反応炉体３からランプを取り去る代りに、搬送室２１に
予備加熱機構１８を設け、さらにウェハ温度を測定する
温度検出器２２を設けた点である。予備加熱機構１８は
抵抗加熱ヒータとすることも可能であるが、高速加熱の
点からここではランプ１９を使っている。
【００６１】ツィーザ８に支持されたウェハＷが予備加
熱される搬送室２１の予備加熱位置の上部に、ウェハＷ
とほぼ等しい径をもつランプ用開口部２３を設け、その
ランプ用開口部２３にウェハＷの平坦面と垂直に対向す
るランプ１９を点状光源として取り付ける。ランプ１９
は、内面にパラボラ状の反射面２４を有する取付け体２
０によって取り付けられる。ランプ１９を点状光源とし
たのは、反応炉体３に比べて取付け条件や温度条件の制
約が緩く、もっとも簡単かつ安価に構成できるからであ
る。ランプ用開口部２３はガラス窓２５を嵌めて塞いで
ある。ランプ１９からの放射光がウェハ表面に有効に作
用して予備加熱できるように、ウェハＷの周囲を取り囲
むリング状の反射板２６を搬送室上部から垂下させてい
る。
【００６２】搬送室２１の予備加熱位置の下部には、ラ
ンプ用開口部２３よりは小径なセンサ用開口部３０を設
け、そのセンサ用開口部３０にリアルタイムでウェハ温
度を測定することが可能な温度検出器２２を取り付け
る。温度検出器２２はウェハ裏面から放射される赤外光
をモニタし、その強度から温度を測定する赤外温度検出
器（ＩＲセンサ）が好ましい。センサ用開口部３０はラ
ンプ用開口部２３と異なりＣａＦ2 やＢａＦ2 等の赤外
透過率の高い材質の窓２７を嵌めて塞いである。しか
し、コストも含め、それぞれの透過波長を考慮して別の
材料を選択することも可能である。
【００６３】本方式では、搬送室２１でウェハＷを加熱
しても、反応炉体３に搬送する間にウェハＷの温度低下
を伴うため、予め温度低下分を上乗せしてウェハ加熱を
行うことが必須である。ウェハＷの種類の違いで放射率
が異なるため一概に何度上乗せするか、一義的に定める
ことはできないが、仮に所望するウェハ温度を５００℃
（即ち、炉体内に搬入した時点で５００℃）とした場
合、予備加熱位置からの搬送時間を５秒とすると６００
〜６５０℃まで加熱する必要がある。
【００６４】ＩＲセンサを用いてリアルタイムでウェハ
温度を測定することによりウェハＷを反応炉体へ搬入す
る前のウェハ温度管理が可能となる。これは処理毎のウ
ェハ予備加熱温度を制御するためだけでなく、一度、加
熱後にウェハＷを搬送せずにその状熊での温度変化を測
定することでウェハ冷却速度を知るためでもある。した
がって、ウェハＷの種類が変ってもウェハ冷却速度から
適切な予備加熱温度を割り出すことが可能となる。
【００６５】図８に示すように第２の実施の形態によれ
ば、ウェハ温度が設定温度になるまでの時間は、上乗せ
分までの加熱に要する炉体外プレヒート時間（５〜１０
秒）、ウェハ搬送時間（５〜１０秒）、ウェハ内熱拡散
により設定温度に落ち着くまでの炉体内プレヒート時間
（１〜２分程度）を要する。ここで炉体内プレヒート時
間は短いほど良い。処理前に一度ＩＲセンサを用いてウ
ェハ温度の冷却速度を測定しておくと、予備加熱終了後
から反応炉体３内にウェハＷが搬入されるまでの時間に
冷却される温度が逆算できるため、それに見合っただけ
の温度を上乗せした温度までウェハＷを予備加熱すれば
よい。ただし、デバイスの特性を考慮すると、ウェハＷ
の種類によっては加熱が許される上限温度が存在し、必
ずしも前記した上乗せ温度まで予備加熱できない場合も
ある。その場合でも、許容される温度までウェハＷを予
備加熱しておくことで、従来の全く予備加熱しない場合
に比べ、反応炉体３がウェハ搬入によって引き起こされ
る温度低下の影響が小さくなり、加熱温度短縮によるス
ループットの向上、ウェハ連続処理におけるウェハ間の
膜厚バラツキの低減に効果がある。
【００６６】反応炉体３では、２枚のウェハＷを同時に
処理するので、予備加熱でも２枚同時に加熱する必要が
ある。そこで、搬送室２１に予備加熱位置を２箇所設
け、それぞれの箇所に予備加熱機構１８を備えるように
して、同時に２枚加熱できるようにする。
【００６７】図９はそのような予備加熱機構を２箇所備
えたＣＶＤ装置の説明図である。中央の搬送室２１に
は、ローダ３１側に２つのカセット室３２がゲートバル
ブ３３を介して隣接して設けられ、対向する位置に２つ
の冷却室３４が設けられている。また、２つの冷却室３
４の間には第１反応炉３５、第２反応炉３６がゲートバ
ルブ３７、３８を介して設けられている。搬送室２１
は、ウェハＷを１枚ずつ独立して搬送可能（勿論２枚同
時搬送も可能）な２個のツィーザ３９、４０を有する基
板搬送機４１を備え、図に示すように予備加熱位置Ａ、
Ｂを平面的に並列して２箇所設け、その位置に前述した
予備加熱機構（図示略）をそれぞれ設けて、２枚同時に
予備加熱を行うことができるようになっている。またこ
れらの予備加熱機構は、ウェハＷを２枚同時に反応炉に
搬送する際、予備加熱位置Ａから反応炉までの距離と、
予備加熱位置Ｂから反応炉までの距離との違いによる搬
送時間の違いを考慮して、また、複数の反応炉３５、３
６にウェハＷを搬送する場合にも、それぞれの予備加熱
位置からそれぞれの反応炉３５、３６までの搬送時間を
考慮して、それぞれ所望する加熱条件で独立して予備加
熱を行うことができるようになっている。これは上記で
示したＩＲセンサを用いたウェハ温度管理により達成さ
れる。
【００６８】この第２の実施の形態は、先の第１の実施
の形態と比較すると、複雑な予備加熱機構等を新たに必
要とし、またウェハ搬送前に余分な加熱時間がかかると
いう難点がある。しかし第１の実施の形態では、ランプ
光が透過する膜種のＣＶＤ装置に適用が限定されるのに
対し、第２の実施の形態では全ての膜種のＣＶＤ装置に
適用可能であり、原理的には最も反応炉体に与える熱的
影響が小さく、最もホットウォールの特徴を活かすこと
のできる手法であると考えられる。
【００６９】なお、実施の形態ではＣＶＤ装置について
述べたが、本発明はＣＶＤ装置に限定されず、例えば拡
散装置などにも適用できる。
【００７０】
【実施例】図１７を用いて第１の実施形態の実施例を説
明する。熱処理装置は、反応炉体３の外側に抵抗加熱ヒ
ータ４を設けて反応炉体３の加熱を行うホットウォール
式である。さらに反応炉体３の外側に反応炉体３を透過
する放射光によりウェハＷを直接加熱するランプ１０を
設ける。ウェハＷを複数のゾーンに分割しゾーン毎に独
立して加熱できるように、独立して通電制御できるラン
プ１０を複数本配置する。図示例では、ゲートバルブ側
上部ＵＦ、ゲートバルブと反対側の上部ＵＢ、ゲートバ
ルブ側の下部ＬＦ、ゲートバルブと反対側の下部ＬＢの
４ゾーンとした。ウェハ搬入前に抵抗加熱ヒータ４に通
電して反応炉体３及び反応炉体３内の温度を所定の温度
に保持させ、ウェハ搬入後も通電を維持させる。ウェハ
搬入後、ランプ１０に通電してウェハＷを所定の温度近
くまで加熱させ、加熱後前記ランプ通電を停止する。停
止後、ホットウォールの系の温度によりウェハ温度が均
一化する。
【００７１】ここでは上記熱処理装置を使用してＴａ2
Ｏ5 成膜の標準条件下（ウェハ温度４７０℃、膜厚均一
性±３％以内）において、ウェハを４７０℃まで昇温し
て成膜するまでのプロセス時間を、従来例と比較して評
価した。なお、ウェハ温度４７０℃というのは一例であ
って、本発明は３００〜７００℃の温度範囲のＣＶＤ成
膜にも適用できる。
【００７２】この評価において、ウェハ温度を直接測定
することは非常に難しく、特にウェハの搬入出に伴う過
渡的な温度変化を観測する場合は、従来の定常状態での
ウェハ温度を測定するような方法、例えば直接ウェハＷ
に貼り付けた熱電対による測定方法を採用することはで
きない。そこで図１７に示したように、上下２枚のウェ
ハＷ間に複数本の熱電対を入れた石英管（以下、プロフ
ァイルＴＣと呼ぶ）１１を搬入し、ウェハＷの前後左右
４点と中央の５点で測定を行い、間接的にウェハ温度の
挙動が推定できるようにした。
【００７３】図１８は、まずランプ加熱による適切な加
熱量を決定するため、全てのゾーンのランプ出力を８５
％、ゲートバルブ開からランプ点灯までの時間を１５秒
に固定した上で、加熱時間を５、１０、１５秒と変化さ
せたときの上記プロファイルＴＣ（ウェハ中心）の温度
をモニタした結果を示したものである。ここではプロフ
ァイルＴＣ自身の熱容量（主に石英管）のため、実際の
ウェハ温度よりもかなり時間的な遅れが発生しているこ
とが予測され、ほぼ定常状態に近づいた段階でウェハ搬
入前の炉体温度（４７０℃）に最も近づく加熱量を適正
加熱量と判断した。同図の結果から、５秒では加熱が不
十分、１５秒では加熱過剰、１０秒がほぼ適正か若干不
足であると判断し、ランプ出力８５％の場合、暫定的に
加熱時間を１１秒とした時の加熱量を適正加熱量とし
た。
【００７４】図１９は、上記で得た適正加熱量のランプ
出力８５％、加熱時間を１１秒とした条件で、ゲートバ
ルブ開からランプ点灯までの時間を変化させた時の上記
プロファイルＴＣ（ウェハ中心位置）の温度をモニタし
た結果を示したものである。同図の結果から、１３〜２
０秒の間では殆ど変化していないことが分り、多少の時
間的な変動が生じてもある程度のマージンが確保できる
ことが確認できた。この結果、これ以降の実験ではゲー
トバルブ開からランプ点灯開始までの時間を１５秒とし
た。
【００７５】図２０は、上記までの実験で決定したラン
プ加熱の条件（１ゾーン当たりのランプ定格２ｋＷ・８
５％出力×４ゾーン、ゲートバルブ開からランプ点灯開
始までの時間１５秒、ランプ点灯時間１１秒）によるラ
ンプ加熱ありの場合（本実施例）と、ランプ加熱なしの
場合（従来の加熱方法）を比較したものである。さらに
上記で述べたように、プロファイルＴＣの温度推移は実
際のウェハ温度の推移よりも遅れがあるため、上記加熱
条件で実際に成膜し、その成膜速度または膜厚からアレ
ニウス式により逆算してウェハ温度をプロットした。な
お、図中何も示されていない曲線が上記加熱条件でウェ
ハを加熱した際の上記プロファイルＴＣ（ウェハ中心位
置）の温度をモニタした結果を示している。また、図中
の石英炉体内面温度とは上記加熱条件でウェハを加熱し
た際の石英反応炉体の内面温度の予測値であり、ランプ
加熱時にランプによる石英反応炉体の加熱が僅かながら
起こっている様子を表わしている。この図から従来の加
熱方法ではウェハの搬入によりホットウォール炉体が８
分経過した後もまだ４７０℃には到達していないのに対
し、ランプ加熱を用いると約３分で４７０℃±１℃以内
に収っていることが分る。また、従来は約５分間加熱し
た後に成膜を開始していたが、ほぼ同じ温度で成膜を開
始する場合では加熱時間が約２分間に短縮されているこ
とが分る。このことから、本実施例のホットウォール系
にランプを併用加熱することにより、加熱時間を短縮
し、スループットが大幅に向上することが分った。
【００７６】図２１は５回連続でウェハ処理した場合の
プロファイルＴＣ（ウェハ中心位置）の温度推移を示し
たものである。ランプ加熱しない従来例ではウェハＷを
連続処理した場合、反応炉体３の温度低下があるのに対
して、本実施例のランプ併用加熱方式では、単にスルー
プットが向上するだけでなく、ウェハＷを連続処理した
場合には、ウェハ搬入による反応炉体３の温度低下を引
き起こすことがなくなり、炉体温度が常に安定に保たれ
ることを示している。これは結果的に連続処理における
ウェハ間の膜厚バラツキを低減する効果があることを示
している。
【００７７】
【発明の効果】本発明によれば、基板温度の均一化を容
易に実現できる長所をそのまま活かしながら、ホットウ
ォール式熱処理装置の欠点であった長い基板加熱時間を
飛躍的に短縮して、装置のスループットおよびプロセス
の生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による初期ランプ加熱方式を
採用した高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置の断面模
式図である。
【図２】第１の実施形態によるランプ点灯タイミング特
性図である。
【図３】ハロゲンランプの発光波長分布図である。
【図４】石英（ＧＥ２１４相当品）の透過特性図であ
る。
【図５】第１の実施形態によるウェハ温度立上がり特性
図である。
【図６】第１の実施の形態に用いたランプおよびランプ
光からウェハへの照射強度分布イメージ図である。
【図７】第２の実施形態による炉体外プレヒート方式を
採用した高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置の断面模
式図である。
【図８】第２の実施形態によるウェハ温度立上がり特性
図である。
【図９】２つの予備加熱機構を備えたＣＶＤ装置構成の
平面図である。
【図１０】従来例のホットウォール型ＣＶＤ装置の断面
模式図である。
【図１１】従来例のウェハ温度立上がり特性図である。
【図１２】黒体放射波長分布特性図である。
【図１３】Ｓｉウェハの吸収波長特性図である。
【図１４】従来例のホットウォール型ＣＶＤ装置にＦＦ
Ｃ制御方式を採用したときのウェハ温度立上がり特性図
である。
【図１５】従来例の高速昇温ヒータ方式を採用したホッ
トウォール型ＣＶＤ装置の断面模式図である。
【図１６】高速昇温ヒータ方式を採用したホットウォー
ル型ＣＶＤ装置のウェハ温度立上がり特性図である。
【図１７】実施の形態に対応する初期ランプ加熱方式を
採用した高速加熱ホットウォール型ＣＶＤ装置およびウ
ェハ温度測定装置の断面模式図である。
【図１８】ランプ加熱時間を変化させた場合のプロファ
イルＴＣ（ウェハ中心位置）の温度推移特性図である。
【図１９】ランプ点灯開始時間を変化させた場合のプロ
ファイルＴＣ（ウェハ中心位置）の温度推移特性図であ
る。
【図２０】ランプ加熱の有無におけるプロファイルＴＣ
温度（ウェハ中心位置）および成膜速度から推定したウ
ェハ温度時間推移特性図である。
【図２１】５回連続でウェハ処理した場合のプロファイ
ルＴＣ（ウェハ中心位置）の温度推移特性図である。
【符号の説明】
１ 搬送室 ３ 反応炉体 ４ 抵抗加熱ヒータ ５ ゲートバルブ １０ ランプ １６ ヒータ制御電源（抵抗加熱ヒータ制御手段） １７ ランプ制御電源（ランプ制御手段） Ｗ ウェハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松山 直子 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 (72)発明者 佐々木 伸他 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA03 AA20 AB31 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 BB01 BB03 BB08 DP11 DQ14 DQ17 EK01 EK05 EK06 EK11 EK12 EK13

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板搬入前に抵抗加熱ヒータにより反応炉
    体内の温度を所定の温度に保持しておくホットウォール
    式の熱処理装置において、前記反応炉体の外に反応炉体
    を透過する放射光により反応炉体内に搬入される基板を
    加熱するランプを備え、 前記所定の温度に保持された反応炉体内に基板を搬入し
    た後、前記抵抗加熱ヒータによる加熱は維持したまま
    で、前記反応炉体の外に設けた前記ランプにより基板を
    直接所望の温度まで加熱する工程を有することを特徴と
    する熱処理方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の熱処理方法において、 前記ランプにより基板をほぼ所望の温度まで加熱した
    後、ランプを消灯し、 反応処理を開始する前に、前記抵抗加熱ヒータにより加
    熱維持された反応炉体内で基板を所定時間保持する工程
    を有することを特徴とする熱処理方法。
  3. 【請求項３】請求項１または２に記載の熱処理方法にお
    いて、 前記ランプにより基板をほぼ所望の温度まで加熱した
    後、 ランプを消灯した時点で反応炉体内の温度が所望する反
    応時温度となるよう、ランプ点灯前の時点において、予
    め反応炉体内の温度を反応時温度とは異なる温度に設定
    しておくことを特微とする熱処理方法。
  4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の熱処理方
    法において、 予め反応炉体内に基板を搬入してランプを点灯した後、
    基板の温度が略所定の温度に到達するまでのランプの出
    力、ランプ点灯時間等のランプ加熱条件を測定してお
    き、 実際の基板処理工程において、前記測定により得た前記
    ランプ加熱条件により基板の加熱を行うことを特徴とす
    る熱処理方法。
  5. 【請求項５】基板搬入前に抵抗加熱ヒータにより反応炉
    体内の温度を所定の温度に保持しておくホットウォール
    式の熱処理方法において、 基板搬入前に基板温度が前記反応炉体内の所定温度より
    も高くなるように基板を予備加熱する工程を有すること
    を特徴とする熱処理方法。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の熱処理方法において、 予め基板冷却速度を測定し、それにより適切な前記反応
    炉体内の所定温度と基板の予備加熱温度との差である上
    乗せ温度を割り出し、 実際の処理工程において、前記測定により割り出した上
    乗せ温度を基に決定した適切な基板予備加熱温度により
    基板を予備加熱することを特徴とする熱処理方法。
  7. 【請求項７】請求項５または６に記載の熱処理方法にお
    いて、 ２枚の基板を、同時に予備加熱して反応炉体内に搬送す
    る際、 それぞれの予備加熱位置から反応炉体までの距離の違い
    による搬送時の温度低下の違いを見込んで、それぞれの
    基板をそれぞれ所望の加熱条件で独立して予備加熱する
    ことを特微とする熱処理方法。
  8. 【請求項８】反応炉体の外に設けた抵抗加熱ヒータによ
    り反応炉体内の加熱を行うホットウォール式の熱処理装
    置において、 前記反応炉体の外に設けられ、反応炉体を透過する放射
    光により前記反応炉体内の基板を加熱するランプと、 基板搬入前に前記抵抗加熱ヒータに通電して反応炉体内
    の温度を所定の温度に保持させ、基板搬入後も前記通電
    を維持させる抵抗加熱ヒータ制御手段と、 前記基板搬入後、前記ランプを点灯して前記基板を所定
    の温度近くまで加熱させ、加熱後前記ランプを消灯させ
    るランプ制御手段とを備えたことを特徴とする熱処理装
    置。
  9. 【請求項９】請求項８に記載の熱処理装置において、基
    板平坦面を反応炉体内で基板搬送方向とほぼ平行に支持
    し、処理することを特徴とする熱処理装置。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載の熱処理装置において、
    １枚の基板、もしくは基板平坦面に垂直な方向に上下に
    積層した２枚の基板を処理することを特徴とする熱処理
    装置。
  11. 【請求項１１】請求項９または１０に記載の熱処理装置
    において、前記ランプが基板平坦面と対向して配置され
    ることを特徴とする熱処理装置。
  12. 【請求項１２】２枚の基板を処理する請求項１０に記載
    の熱処理装置において、前記ランプを上部と下部に設
    け、上部ランプが上部基板平坦面と対向して上部基板平
    坦面を直接加熱し、下部ランプが下部基板平坦面と対向
    して下部基板平坦面を直接加熱するように配置されてい
    ることを特徴とする熱処理装置。
  13. 【請求項１３】請求項１２に記載の熱処理装置におい
    て、上部ランプと上部基板との距離と、下部ランプと下
    部基板との距離が略等しいことを特徴とする熱処理装
    置。
  14. 【請求項１４】請求項８〜１３のいずれかに記載の熱処
    理装置において、前記ランプを基板搬送方向に複数配置
    したことを特徴とする熱処理装置。
  15. 【請求項１５】請求項１４に記載の熱処理装置におい
    て、前記ランプは棒状のランプであり基板搬送方向と垂
    直に配置したことを特徴とする熱処理装置。
  16. 【請求項１６】請求項１２ないし１５のいずれかに記載
    の熱処理装置において、ランプの出力を独立に制御でき
    るようにしたことを特徴とする熱処理装置。
  17. 【請求項１７】請求項８〜１６のいずれかに記載の熱処
    理装置において、ランプを消灯した時点で、反応炉体内
    の温度が所望する反応時温度となるよう、ランプ点灯前
    の時点において予め反応炉体内の温度を反応時温度とは
    異なる温度に設定しておくことを特徴とする熱処理装
    置。
  18. 【請求項１８】請求項８〜１７のいずれかに記載の熱処
    理装置において、 反応炉体内の基板近傍の温度を測定する反応炉体に対し
    て脱着可能な温度測定手段を有し、 予め反応炉体内に設置した前記温度測定手段を用いて、
    反応炉体内に基板を搬入してランプを点灯した後、基板
    の温度が略所定の温度に到達するまでのランプの出力、
    ランプ点灯時間等のランプ加熱条件を測定しておき、 前記温度測定手段がない実際の基板処理工程において、
    前記測定により得た前記ランプ加熱条件により基板の加
    熱を行うことを特徴とする熱処理装置。
  19. 【請求項１９】基板搬入前に抵抗加熱ヒータにより反応
    炉体内の温度を所定の温度に保持しておくホットウォー
    ル式の熱処理装置において、 前記反応炉体に連設した搬送室に設けられて基板を予備
    加熱する基板予備加熱手段と、 前記所定の温度に保持された反応炉体内に前記搬送室か
    ら基板を搬入する際の基板の温度低下分を補うため前記
    基板を基板温度が前記反応炉体内の所定温度よりも高く
    なるように予備加熱させる予備加熱制御手段とを備えた
    ことを特徴とする熱処理装置。
  20. 【請求項２０】請求項１９に記載の熱処理装置におい
    て、前記搬送室に、２枚の基板を同時に予備加熱できる
    ２箇所の予備加熱位置と、 該２箇所の予備加熱位置に配置される各基板をそれぞれ
    所望する加熱条件で独立して予備加熱する２個の基板予
    備加熱手段とを備えたこと特徴とする熱処理装置。
  21. 【請求項２１】請求項１９または２０に記載の熱処理装
    置において、搬送室に基板の温度を測定する温度検出器
    を備え、 前記搬送室で前記基板予備加熱手段により基板を加熱
    後、 前記搬送室内に備えられた温度検出器により基板の温度
    変化を測定することで、基板の冷却速度を算出し、それ
    により適切な前記反応炉体内の所定温度と基板の予備加
    熱温度との差である上乗せ温度を割り出し、前記搬送室
    内での適切な基板予備加熱温度を決定することを特徴と
    する熱処理装置。
  22. 【請求項２２】請求項１９〜２１のいずれかに記載の熱
    処理装置において、搬送室の基板予備加熱手段がランプ
    であることを特徴とする熱処理装置。
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