JP2000306855A

JP2000306855A - 加熱装置

Info

Publication number: JP2000306855A
Application number: JP11117503A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kiyota; 幸弘清田; Masaru Matsushima; 勝松島; Nobuyuki Niimi; 信幸新見; Shin Murakami; 伸村上
Original assignee: SE TECHNO SERVICE KK; Hitachi Ltd
Current assignee: SE TECHNO SERVICE KK; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体製造等に使用する加熱装置において、簡
単な構成で、被加熱体の温度変化に対する温度検出手段
の応答性を改善する。【解決手段】熱源のランプ(２)によりチャンバ(４)内の
被加熱体(５)を加熱する加熱装置において、熱電対を試
料台近傍ではなく、被加熱体(５)とランプ(２)との間の
チャンバ(３)の外壁あるいは内壁付近に熱電対(１)を設
置し、被加熱体(５)の温度を制御する。【効果】熱電対周辺の熱容量が小さくなるため、応答性
に優れた温度測定が可能となる。また、被加熱体表面の
温度に近い温度測定が可能となる。また、チャンバ外壁
に熱電対を配置した場合は熱電対からの汚染の問題が無
くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加熱装置、更に詳し
くいえば、半導体能集積回路などを製造する際に、半導
体ウエハ等の被加熱体をチャンバ内に配置し、ウエハ上
に薄膜を堆積したり、不純物を導入したり、不純物を活
性化したりする際に、チャンバ内の温度を正確に制御す
る必要のある加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体能集積回路等を製造する際に用い
る加熱装置では、チャンバ内の温度を適切に制御するこ
とが重要である。従来、この種の加熱装置として、図１
６の断面図及び図１７の要部平面図に示すような、Ｓｉ
Ｃコートしたグラファイト製のサセプタ４に半導体ウエ
ハ１５を載置し、上面からランプ２で加熱する化学的気
相堆積装置がある。このとき温度の測定は、サセプタ４
の外周囲に設置されたリングに埋め込んだ熱電対４１と
サセプタ４中心部に埋め込んだ熱電対４２によって行っ
ている。この測定値をヒータ電源にフィードバックする
事により加熱ランプ２の温度を制御し、チャンバ３内の
均一加熱を実現している。この装置では、半導体ウエハ
１５と熱電対の位置が近いので、ある一定温度に達した
後の平衡状態においては温度の制御性がよい。また半導
体ウエハ１５上の薄膜等によって測定値が変化すること
はない。尚、本技術はＡＳＭ社Epsilon1資料に記載され
ている。

【０００３】他の従来技術として、図１８の側断面図に
示すように、石英チャンバ３内の被加熱体である半導体
ウエハ１５を加熱ランプ２で上面及び下面から加熱し、
サセプタ４の裏面温度を放射温度計４３によって測定す
るものが知られている。この装置は放射温度計４３を用
いているので金属汚染の問題はない。なお、本技術はア
プライドマテリアルズ社Centura Epi資料（Applied Mat
erials,Inc. 1994）に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１６及び１７に示し
た加熱装置では、熱電対をサセプタ等に埋め込む場合、
熱電対からのチャンバ内金属汚染を避けるためにサセプ
タ形状に工夫が必要となリ、そのための加工が困難であ
る。さらにサセプタ４の熱容量が大きいためランプ電力
の変化に対する応答性が悪く、急速加熱中の実際のウエ
ハ温度と熱電対の測定温度との誤差が大きくなる問題が
ある。その問題をを避けるためにウエハをチャンバ内に
搬送する時にもサセプタ４を高温に保つ方法が採られる
が、この場合、電力消費量が大きくなるうえに、いわゆ
る瞬間アニールは困難となる。また、ウエハ裏面温度を
測定するので必ずしも集積回路が形成されるウエハ表面
の温度を正確に反映していないという問題がある。

【０００５】また、図１８の放射温度計を用いた加熱装
置では、サセプタ裏面温度を測定するのでウエハ表面の
温度との誤差は大きい。また、加熱ランプからの迷光を
完全に遮ることが困難なため、誤差を生じやすい。また
放射温度計の検知波長によって温度測定可能領域が決ま
るため、低温から高温に至る広範囲の温度測定が困難で
ある。さらにはウエハのランプ光の吸収係数がウエハ上
の膜の有無、パターン等によって変化するため、温度測
定値も変化してしまう問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、チャンバ内の被
加熱体表面の近くの温度を広い温度範囲わたって正確に
検出し、かつチャンバ内の被加熱体表面の温度を応答性
よく制御する加熱装置を実現することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の加熱装置は、被加熱体を内部に設置するチ
ャンバの外部に設けられた電熱ヒータと、温度を測定す
るための１個以上の熱電対を設け、上記熱電対の出力に
応じた電力を上記電熱ヒータに印加して被加熱体の温度
制御を行う加熱装置において、上記熱電対のうち少なく
とも１個は上記被加熱体とヒータの間で、上記チャンバ
の壁付近に設ける。ここで、チャンバの壁付近とは、チ
ャンバの壁の外側又は内側に直接接する場合、壁と熱電
対との間に空隙、介在部とを設ける場合を含む。

【０００８】本発明では、熱電対をサセプタ近傍ではな
く、被加熱体から見てヒータ側のチャンバ外壁あるいは
内壁付近に配置する。これにより、熱電対周辺の熱容量
が小さくなるため、応答性に優れた温度測定が可能とな
る。また、被加熱体表面の温度に近い温度測定が可能と
なる。また、チャンバ外壁に熱電対を配置した場合は熱
電対からの汚染の問題が無くなるので装置構成が簡便に
なり、装置製造コストの低減が可能になる。さらに熱電
対周囲に被加熱体と放射率がほぼ等しい物質を配置する
ことでより正確な測定が可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】＜実施形態１＞図１及び図２はそ
れぞれ本発明による加熱装置の一実施形態の構成を示す
断面図及び要部平面図である。図１に示すように、本加
熱装置は石英チャンバ３の内部にディスク状の被加熱体
５及びそれを支持するサセプタ４が配置され、被加熱体
５をハロゲンランプあるいは赤外ランプ２によって加熱
する構成となっている。温度測定のための熱電対１は被
加熱体５から見てランプ側の石英チャンバ３の外壁付近
に設置されている。熱電対１は石英チャンバ３の外壁に
接触していてもよく、また、保護管６等で覆われていて
もよい。保護管６はステンレス、インコネル、石英等の
チューブ状のものが好ましい。保護管６を用いることに
よる応答性の劣化が懸念される場合は、保護管６を外形
１ｍｍ程度にすれば保護管なしの場合と同程度の応答性
を得ることができる。

【００１０】熱電対１の出力は制御部９でモニタされ、
一定の温度更生をした値に応じた電力をランプ２に印加
して被加熱体５の温度制御を行う。なお、後で述べる他
の実施形態においても、制御部９は設けられるが、説明
の簡明のため他の実施形態においては説明を省く。図２
はランプ２側から被加熱体５を見た図である。上から熱
電対１、被加熱体５、サセプタ４の順で配置されてお
り、熱電対１は被加熱体５の中心部の直上に置かれてい
る。

【００１１】図３は上記実施形態の構成による温度計測
による温度更正曲線である。すなわち図１及び図２に示
した加熱装置のチャンバ３内に熱電対を表面に貼付した
半導体ウエハ５を設置した場合の、半導体ウエハの測定
温度値と石英チャンバ外壁付近の熱電対１の測定値との
温度更正曲線である。４００℃から１２００℃の範囲
で、石英チャンバ外壁付近の熱電対の測定値の方が常に
約５０℃高くなっている。この温度更正曲線より、加熱
中の被加熱体表面の温度を、石英チャンバ外壁付近の熱
電対によりモニターできる。また、石英チャンバ外壁付
近の熱電対温度をフィードバックして加熱用ランプに与
える電力を制御することで被加熱体表面の温度を正確に
制御することができる。

【００１２】図４は図３に関して説明した場合と同様の
構成により熱電対付き半導体ウエハを加熱した際の加熱
時間と各熱電対の温度の実測結果による関係を示してい
る。被加熱体に埋め込んだ熱電対と同様の傾向で石英チ
ャンバ外壁付近の熱電対測定値が変化している。すなわ
ち、石英チャンバ外壁付近の熱電対の半導体ウエハ表面
の温度に対する応答性が十分であることが確認できた。

【００１３】＜実施形態２＞図５及び図６はそれぞれ本
発明による加熱装置の第ニの実施形態の構成を示す断面
図及び要部平面図である。本加熱装置は石英窓８を具備
したステンレスチャンバ７の内部に半導体ウエハ１５及
びそれを支持するサセプタ４が配置され、半導体ウエハ
１５をハロゲンランプあるいは赤外ランプ２によって加
熱する構成となっている。熱電対１は保護管６内に設置
され、石英窓８のランプ２側に設置されている。図６は
ランプ２側から半導体ウエハ１５を見た図である。上か
ら熱電対１、石英窓８、半導体ウエハ１５、サセプタ４
の順で配置されており、また熱電対１は半導体ウエハ１
５の中心部の直上に置かれている。本構成においても図
３及び図４に示したと同様の測定結果によれば、図３及
び図４に示した特性と同様の特性が得られ、半導体ウエ
ハの温度制御が可能であることが確認された。

【００１４】＜実施形態３＞図７及び図８はそれぞれ本
発明による加熱装置の第三の実施形態の構成を示す断面
図及び要部平面図である。本実施形態の加熱装置では、
石英窓８上に複数の熱電対、すなわち第１の熱電対１
０、第２の熱電対１１、第３の熱電対１２を設置したも
のである。熱電対１０、１１、１２は図８に示すよう
に、それぞれ半導体ウエハ１５の端、中心の直上に配置
されている。本構成においては、加熱ランプを例えば第
１のゾーンのランプ１６と第２のゾーンのランプ１７と
第３のゾーンのランプ１８に分割し、それぞれのゾーン
のランプの近傍にある熱電対の出力をそのゾーンのラン
プ出力にフィードバックして半導体ウエハ１５の均一加
熱を実現している。すなわち、第１の熱電対１０に対し
て第１のゾーンのランプ１６を、第２の熱電対１１に対
して第２のゾーンのランプ１７を、第３の熱電対１２に
対して第３のゾーンのランプ１８を割り当て、それぞれ
のゾーンにつき独立に電力を制御することで均一加熱が
実現される。

【００１５】図９は図７及び図８に示した第三の実施形
態による加熱装置の温度計測結果を示す。図７及び図８
に示した加熱装置において、ウエハの熱電対１０（ウエ
ハ左端）、１１（ウエハ中心）及び、１２（ウエハ右
端）のそれぞれ直下に位置する所に熱電対を埋め込み、
ウエハの加熱を行った際の各部（ウエハ左端、ウエハ中
心及びウエハ右端）のウエハの温度及び熱電対１０、１
１及び１２の検出温度を示している。石英窓上の熱電対
１０乃至１２の温度差をプラスマイナス０．２℃にする
ことによって半導体ウエハ１５上の温度差をプラスマイ
ナス０．９℃に抑えることができた。

【００１６】＜実施形態４＞図１０は本発明による加熱
装置の第四の実施形態の構成を示す断面図である。本実
施形態は図５と同様、ステンレスチャンバ７の中に設置
された被加熱体５を石英窓８を通してランプ２によって
加熱する装置である。熱電対１はステンレスチャンバ７
の壁に付属する真空フランジ２１を通して挿入された石
英製保護管２０の中に設置され、被加熱体５の直上の石
英窓８内壁付近に設置されている。この場合、熱電対１
と被加熱体５の間隔を狭めることができるので両者の温
度差は１０乃至２０℃程度になり、被加熱体表面の温度
により近い温度計測が可能となった。また、熱電対１を
石英製保護管２０で覆っているので熱電対１からの金属
汚染が被加熱体５に転写されることはない。本実施形態
の構成においても図８に示したように複数の熱電対を使
用すれば、被加熱体の複数の点の温度を計測できること
は明らかである。

【００１７】＜実施形態５＞図１１は本発明による加熱
装置の第五の実施形態の構成を示す断面図である。本実
施例では石英窓８上に被加熱体１５と同様の放射率を持
つ物質１３を設置し、そこに熱電対１を設置した構成に
なっている。本図１１では被加熱体１５は半導体ウエハ
であり、被加熱体１５と同様の輻射熱を持つ物質１３も
同じ半導体から成っている。本構成により、より高精度
な温度制御が可能となった。すなわち熱電対１が被加熱
体と同様の輻射熱を持つ物質１３に接触しているため、
被加熱体により近い昇降温特性が得られるようになっ
た。

【００１８】＜実施形態６＞図１２は本発明による加熱
装置の第六の実施形態の構成を示す断面図である。本実
施例では石英チャンバ３の内壁に被加熱体１５と同様の
放射率を持つ物質１３を配置し、そこに熱電対１を接触
させている。ここで被加熱体１５と同様の放射率を持つ
物質１３は石英チャンバ３の中のいずれの場所、たとえ
ばサセプタ４に隣接しておいても同様の効果が得られ
た。本構成によっても被加熱体１５により近い昇降温特
性が得られるようになる。

【００１９】＜実施形態７＞図１３は本発明による加熱
装置の第七の実施形態の構成を示す断面図である。本実
施形態は図５に示した構成に、石英製保護管２０と被加
熱体裏面温度を測定する第１の熱電対２５を追加したも
のである。石英窓８上の熱電対１の温度によって被加熱
体５の表面温度を制御する際に、サセプタ４の裏面温度
を測る熱電対２５の温度をモニターする事でより再現性
の高い制御が可能となる。

【００２０】＜実施形態８＞図１４は本発明による加熱
装置の第八の実施形態の構成を示す断面図である。図１
３の構成に被加熱体裏面温度を測定する第２の熱電対２
６と被加熱体裏面温度を測定する第３の熱電対２７を追
加した物である。本構成によりサセプタ４裏面の複数点
の温度をモニターすることで被加熱体の温度分布を低減
することができた。また、再現性も向上する。

【００２１】＜実施形態９＞図１５は本発明による加熱
装置の第九の実施形態の構成を示す断面図である。本実
施形態は加熱源として球状ランプ３０を用い、凸面状ガ
ラス窓３１を通して試料ホルダー３２上の被加熱体５を
加熱する構成になっている。球状ランプ３０と凸面状ガ
ラス窓３１の間に熱電対１を配置し、さらにホルダー裏
面の温度を熱電対２５によって測定することで試料の温
度制御性及び再現性に優れた加熱装置を構成することが
できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は熱電対をサセプタ近傍ではな
く、被加熱体から見てヒータ側のチャンバ外壁あるいは
内壁付近に配置することにより、熱電対周辺の熱容量が
小さくなるため、応答性に優れた温度測定が可能とな
る。また、被加熱体表面の温度に近い温度測定が可能と
なる。また、熱電対を大気中に設置するので装置構成が
簡便になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による加熱装置の第一の実施形態を示す
側断面図。

【図２】本発明による加熱装置の第一の実施形態を示す
部分平面図。

【図３】本発明による加熱装置の第一の実施形態のおけ
る温度更正曲線図。

【図４】本発明による加熱装置の第一の実施形態のおけ
る昇温特性図。

【図５】本発明による加熱装置の第二の実施形態を示す
側断面図。

【図６】本発明による加熱装置の第二の実施形態を示す
部分平面図。

【図７】本発明による加熱装置の第三の実施形態を示す
側断面図。

【図８】本発明による加熱装置の第三の実施形態を示す
部分平面図。

【図９】本発明による加熱装置の第三の実施形態による
温度測定値。

【図１０】本発明による加熱装置の第四の実施形態を示
す側断面図。

【図１１】本発明による加熱装置の第五の実施形態を示
す側断面図。

【図１２】本発明による加熱装置の第六の実施形態を示
す側断面図。

【図１３】本発明による加熱装置の第七の実施形態を示
す側断面図。

【図１４】本発明による加熱装置の第八の実施形態を示
す側断面図。

【図１５】本発明による加熱装置の第九の実施形態を示
す側断面図。

【図１６】従来の加熱装置の例を示す側断面図。

【図１７】従来の加熱装置の例を示す側断面図。

【図１８】従来の加熱装置の例を示す側断面図。

【符号の説明】

１・・熱電対、２・・ランプ、３・・石英チャンバ、４
・・サセプタ、５・・被加熱体、６・・熱電対保護管、
７・・ステンレスチャンバ、８・・石英窓、１０・・第
１の熱電対、１１・・第２の熱電対、１２・・第３の熱
電対、１３・・被加熱体とほぼ等しい放射率を持つ物
質、１５・・半導体ウエハ、１６・・第１のゾーンに属
するランプ、１７・・第２のゾーンに属するランプ、１
８・・第３のゾーンに属するランプ、２０・・石英製保
護管、２１・・真空フランジ、２５・・被加熱体裏面温
度を測定する第１の熱電対、２６・・被加熱体裏面温度
を測定する第２の熱電対、２７・・被加熱体裏面温度を
測定する第３の熱電対、３０・・球状ランプ、３１・・
凸面状ガラス窓、３２・・被加熱体ホルダー、４０・・
サセプタリング、４１・・サセプタリング内熱電対、４
２・・サセプタ中心に埋め込んだ熱電対、４３・・放射
温度計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松島勝東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者新見信幸東京都町田市忠生１−14−８有限会社エス・イー・テクノサービス内 (72)発明者村上伸東京都町田市忠生１−14−８有限会社エス・イー・テクノサービス内Ｆターム(参考） 4K029 BD01 DA08 EA08 EA09 4K030 CA04 CA12 HA17 JA10 JA16 KA24 KA41 LA15 5F045 BB14 EC05 EK12 EK22 EK27 EK30 GB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱体を内部に設置するチャンバと、上
記被加熱体を上記チャンバ外部から加熱するためのヒー
タと、温度を測定するための１個以上の熱電対と、上記
熱電対の出力に応じた電力を上記ヒータに印加して上記
被加熱体の温度制御を行う制御手段を具備した加熱装置
において、上記熱電対のうち少なくとも１個は上記被加
熱体とヒータとの間であって、上記チャンバの壁付近に
設置されていることを特徴とする加熱装置。
【請求項２】上記ヒータが赤外ランプ又はハロゲンラン
プヒータのいずれかであり、上記被加熱体が半導体ウエ
ハであり、上記半導体ウエハ上に薄膜を堆積させる処
理、不純物を導入する処理、不純物を活性化させる処理
のいずれかを行う半導体処理装置に用いる請求項１記載
の加熱装置。
【請求項３】上記チャンバが、石英を通して上記ヒータ
の輻射熱を上記被加熱体加える構成であることを特徴と
する請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】上記熱電対が上記チャンバ外壁と上記ヒー
タとの間に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか１つに記載の加熱装置。
【請求項５】上記熱電対が上記チャンバ内壁と上記被加
熱体との間に配置されたことを特徴とする請求項１乃至
３のいずれか１つに記載の加熱装置。
【請求項６】上記熱電対の近傍に上記被加熱体とほぼ等
しい放射率を持つ物質が配置され、上記物質に上記熱電
対が貼付けられたことを特徴とする請求項１乃至５のい
ずれか１つに記載の加熱装置。
【請求項７】上記熱電対の少なくとも１個は上記被加熱
体から見て上記ヒータ側とは逆側の位置に配置されてい
ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記
載の加熱装置。