JP2002110583A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理におけるリング部材５の温度均一性を
図り、リング部材の破損を防止すること。 【解決手段】 熱処理装置において基板Ｗの温度均一性
を向上させるために設けられたリング部材５を主として
加熱するために設けられた、リング部材５の上方側に位
置する直管状加熱光源１０をリング加熱制御部８１によ
り制御する。その際、リング加熱制御部８１は、リング
部材５上方の直管状加熱光源１０を内周側と外周側とに
分割し、熱処理過程の各段階において内周側と外周側と
を個別に制御するように構成される。これにより、基板
Ｗに対する熱処理中でのリング部材５の温度均一性が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ、液
晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、
光ディスク用基板等の薄板状精密基板（以下、単に「基
板」という。）に熱処理を施す熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加熱光源が基板の上面に対向する
ように配置された片面加熱のランプアニール等の熱処理
装置が知られている。かかる熱処理装置においては基板
の全面を均一に加熱するために、基板の外周部に厚みが
１ｍｍ程度のセラミックス製のリング部材を設けてい
る。また、熱処理を行うための加熱手段として、基板の
みならず、リング部材をも加熱することができるように
加熱光源が配置されている。

【０００３】そして、基板に対する加熱処理を行う際に
は、主として基板を加熱するために設けられた加熱光源
は複数ゾーンに分割され、それぞれのゾーンごとに制御
を行うことで基板に対する熱処理の均一性を向上させて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱処理装置では、主としてリング部材を加熱するために
設けられた加熱光源が全体的に統一されて制御されるこ
と、及びリング部材の外側には水冷されたチャンバ壁が
存在すること等が要因となって、基板外周部に設けられ
たリング部材の内周側と外周側とで温度勾配が発生して
いた。すなわち、リング部材の外周側の温度が内周側の
温度よりも低くなるという現象が生じていたのである。

【０００５】このようなリング部材における内周側と外
周側との温度差は、熱処理過程を通して最大で約２４３
℃にも達し、内周側に圧縮応力を、外周側に引っ張り応
力を発生させて最終的にリング部材を破損させる結果を
招くことになる。

【０００６】そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなさ
れたものであって、熱処理におけるリング部材の温度均
一性を図り、リング部材を破損することのない熱処理装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、基板を処理室に収容して
熱処理を施す熱処理装置であって、基板の外周部に配置
され、基板の温度均一性を向上させる温度補償部材と、
主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、
前記温度補償部材における基板近傍領域を加熱する第１
の温度補償部材加熱手段と、主として前記温度補償部材
を加熱するために設けられ、前記温度補償部材における
基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段
と、基板に対して熱処理を施す際に、主として基板を加
熱するために設けられた基板加熱手段を制御するととも
に、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度
補償部材加熱手段とを個別に制御する制御手段と、を備
えている。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の熱処理装置において、前記温度補償部材が、基板の周
縁部を支持する支持手段としても機能することを特徴と
している。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の熱処理装置において、前記温度補償部材がリン
グ状部材であることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１１】＜１．熱処理装置＞図１は、本実施形態に
かかる熱処理装置１を示す断面図である。図１に示すよ
うに、熱処理装置１はチャンバ壁２と開閉扉３と石英窓
４とリング部材５とリフタ６と加熱手段７と制御部８と
を備えて構成される。

【００１２】チャンバ壁２は水冷機構を備え、チャンバ
壁２と開閉扉３と石英窓４とで基板Ｗを熱処理する際の
処理室９を形成する。開閉扉３は基板Ｗの搬送時に搬送
口９ａを開放し、外部に設けられる搬送ロボット等が処
理室９内にアクセス可能な状態とする。

【００１３】処理室９内に基板Ｗを搬送する際には、図
１に２点鎖線で示すように処理室９の下部から昇降自在
に設けられたリフタ６が上昇し、搬送ロボット等との基
板Ｗの受け渡しを行う。その後、リフタ６は下降し、図
１に実線で示すように基板Ｗをリング部材５に載置して
処理室９内から退避する。

【００１４】リング部材５は、基板Ｗに対する熱処理す
る際に、基板Ｗの全面において温度の均一性を向上させ
るために設けられたものであり、リング形状の内縁部５
ａで基板Ｗを支持することによって基板Ｗの外形サイズ
を擬似的に大型化し、その大型化された加熱領域に対し
て熱処理を施すことで加熱領域の中央部分に存在する基
板Ｗの均一性を高めるものである。このことから、リン
グ部材５は基板Ｗの外周部に配置されて基板Ｗの温度均
一性を向上させる温度補償部材として機能するととも
に、基板Ｗを支持する支持手段としても機能することに
なる。

【００１５】このリング部材５は、焼結ＳｉＣ等のセラ
ミックス材料で形成され、チャンバ壁２に設けられる支
持部９ｂによって処理室９内に配置され、熱処理を行う
際に内縁部５ａで支持する基板Ｗが処理室９内の最適な
処理位置に配置されるようになっている。なお、リング
部材５を処理室９内に設ける構造は他の構造であっても
よい。

【００１６】加熱手段７は石英窓４の上方側に配置され
ており、複数の直管状加熱光源１０が上下２段で井桁状
に配列されて構成される。この直管状加熱光源１０とし
て例えばハロゲンランプ等が使用できる。各直管状加熱
光源１０は制御部８から電力供給を受けることにより、
放射エネルギーを放出するように構成される。そして各
直管状加熱光源１０から放射される放射エネルギーは石
英窓４を介して処理室９に導かれ、処理室９内の基板Ｗ
及びリング部材５を加熱させる。

【００１７】図２は加熱手段７と基板Ｗとリング部材５
との位置関係を示す概念図であり、熱処理装置１の上方
側からみた図である。図２に示すように、本実施形態に
おいては加熱手段７として直管状加熱光源１０が合計３
２本設けられており、１６本ずつの上下２段構成で井桁
状に配列されている。

【００１８】複数の直管状加熱光源１０のうちの下段中
央の１０本及び上段中央の１０本は基板Ｗの外形サイズ
をカバーするように設けられており、直下に位置する基
板Ｗを主として加熱するための基板加熱手段７１として
機能する。一方、複数の直管状加熱光源１０のうちの下
段両外側の６本及び上段両外側の６本はリング部材５の
外形サイズに対応して設けられており、直下に位置する
リング部材５を主として加熱するためのリング部材加熱
手段（温度補償部材加熱手段）７２として機能する。

【００１９】ただし、各直管状加熱光源１０からの放射
エネルギーは直下方向にのみ放射されるものではないた
め、基板加熱手段７１として機能する直管状加熱光源１
０からの放射エネルギーの一部がリング部材５を加熱す
るように作用し、リング部材加熱手段７２として機能す
る直管状加熱光源１０からの放射エネルギーの一部が基
板Ｗを加熱するように作用することは勿論である。

【００２０】図３は、制御部８による制御形態を示すブ
ロック図である。制御部８はリング加熱制御部８１と基
板加熱制御部８２とを備えており、リング加熱制御部８
１はリング部材加熱手段７２を構成する下段両外側の６
本及び上段両外側の６本の直管状加熱光源１０を制御
し、基板加熱制御部８２は基板加熱手段７１を構成する
下段中央の１０本及び上段中央の１０本の直管状加熱光
源１０を制御する。

【００２１】基板加熱制御部８２は、基板加熱手段７１
を構成する上下段それぞれの１０本の直管状加熱光源１
０うちの中央２本（上下段合わせて４本）を中央部、そ
の両外側２本を合わせた４本（上下段合わせて８本）を
中間部、さらにその両外側２本を合わせた４本（上下段
合わせて８本）を外周部として３ゾーンに分割し、ゾー
ン毎に個別に加熱制御を行う。すなわち、基板加熱制御
部８２は中央部加熱制御部８２ａと中間部加熱制御部８
２ｂと外周部加熱制御部８２ｃとを備えており、中央部
加熱制御部８２ａが中央部に配置されている直管状加熱
光源１０を制御し、中間部加熱制御部８２ｂが中間部に
配置されている直管状加熱光源１０を制御し、外周部加
熱制御部８２ｃが外周部に配置されている直管状加熱光
源１０を制御する。各制御部８２ａ〜８２ｃは基板Ｗに
対する熱処理過程において基板Ｗの全面が均一な状態で
昇温・保温・降温されるように、直管状加熱光源１０に
対して供給する電力を調整する。

【００２２】なお、基板加熱制御部８２は、基板Ｗの全
面に対して均一な温度状態での熱処理を実現するため
に、処理室９には図示しない温度計測手段が設けられ、
その温度計測手段からの計測温度に基づいて昇温・保温
・降温の各段階で各制御部８２ａ〜８２ｃが個別にフィ
ードバック制御を行うように構成されている。

【００２３】また、リング加熱制御部８１は、リング部
材加熱手段７２を構成する上下段それぞれの６本のうち
のリング部材５における基板Ｗの近傍領域を加熱する内
側２本（上下段合わせて４本）をリング部材５の内周側
加熱手段（第１の温度補償部材加熱手段）とし、リング
部材５における基板Ｗの遠隔領域を加熱する外側４本
（上下段合わせて８本）をリング部材５の外周側加熱手
段（第２の温度補償部材加熱手段）として、リング部材
５の内周側と外周側との２ゾーンに分割し、ゾーン毎に
個別に加熱制御を行うように構成されている。

【００２４】すなわち、リング加熱制御部８１は内周側
加熱制御部８１ａと外周側加熱制御部８１ｂとを備えて
おり、内周側加熱制御部８１ａが主としてリング部材５
の内周側を加熱するための直管状加熱光源１０を制御
し、外周側加熱制御部８１ｂが主としてリング部材５の
外周側を加熱するための直管状加熱光源１０を制御す
る。各制御部８１ａ，８１ｂは、基板Ｗに対して熱処理
を行う際に、リング部材５が均一な状態で昇温・保温・
降温されるように制御する。

【００２５】具体的には、昇温段階・保温段階・降温段
階の各段階ごとに予め内周側と外周側との電力供給比を
設定しておき、実際の基板Ｗに対する熱処理の際には各
制御部８１ａ，８１ｂが予め設定された比率で直管状加
熱光源１０に電力供給を行うことにより、熱処理中にお
けるリング部材５の温度均一性を向上させている。例え
ば、内周側よりも外周側の電力供給量が大きくなるよう
に各段階についての電力供給比を予め設定しておくこと
で、熱処理中に外周部の温度が内周部よりも著しく低く
なることを防止することができる。

【００２６】なお、図３では上段と下段とのそれぞれに
リング加熱制御部８１及び基板加熱制御部８２を設ける
構成例を示しているが、これに限定されるものではな
く、上段と下段とで１個のリング加熱制御部８１及び１
個の基板加熱制御部８２を共有するように構成してもよ
い。むしろ、そのように構成する方が装置構成を簡単化
できるので好ましい。

【００２７】本実施形態における熱処理装置１は上記の
ように構成されており、リング部材５の上方位置に配置
され、直管状加熱光源１０によって構成されるリング部
材加熱手段７２を内周側と外周側とに分割し、内周側と
外周側とを個別に制御して各直管状加熱光源１０からの
放射エネルギーの出力調整を行うことができるように構
成されているため、熱処理の際にリング部材５の内周側
と外周側とに発生する温度勾配を低減することが可能に
なる。

【００２８】＜２．実験例＞次に、上記のような構成の
場合と従来の構成の場合との比較を行った実験例につい
て説明する。

【００２９】本実験例において、加熱光源は定格２ＫＷ
で発光長３００ｍｍの直管状ハロゲンランプを使用し、
リング部材５は幅４３ｍｍの焼結ＳｉＣで形成されたも
のを使用する。

【００３０】また、基板Ｗの加熱手順は次のように実施
する。加熱当初は基板温度を測定しているパイロメータ
の測定下限よりも基板温度が高くなるまで適当な大きさ
の定電力を加熱光源に与え、基板Ｗとリング部材５とを
加熱していく。そして、基板Ｗの温度がパイロメータに
よって測定可能な状態となってから、基板Ｗの温度をフ
ィードバック信号としてフィードバック制御に切り換
え、目標温度に到達して所定時間が経過すれば、加熱光
源による加熱を終了する。

【００３１】本実験では、目標温度を１１００℃、昇温
過程における昇温レートを１２０℃／ｓとした加熱条件
において基板Ｗに対する加熱処理を行うこととし、その
熱処理過程でのリング部材５の各部での温度を測定す
る。

【００３２】図４は、本実験でのリング部材５の温度計
測点を示す図である。図４に示すように、本実験ではリ
ング部材５の外周端部から約２ｍｍ内側の点Ｐ１と、基
板Ｗをリング部材５に載置した状態での基板Ｗの端部か
ら約２ｍｍ外側の点Ｐ５と、点Ｐ１と点Ｐ５との間に等
間隔で設けられた３点（Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）との合計５
点に熱電対を設置し、リング部材５の温度を測定した。

【００３３】なお、この熱電対は実験のためのものであ
り、熱処理装置１として必須のものではない。

【００３４】従来の構成で本実験を行うと、上述のよう
に、リング部材５を加熱するための加熱光源が１ゾーン
とされているとともに、リング部材５の外側に水冷され
るチャンバ壁２の影響を受けるため、リング部材５の内
側と外側との温度差は昇温過程から目標温度保持状態に
移り変わる時点で最大の約２４３℃に達する。

【００３５】一般に、内周側の温度をＴ１、外周側の温
度をＴ２、内周側半径をａ、外周側半径ｂ、ヤング率を
Ｅ、リング部材を形成する材料の線膨張係数をα、とす
ると、任意の半径ｒにおける円周方向の応力 θは、次
式

【００３６】

【数１】

【００３７】で求めることができる。ただし、Ｋは外周
側半径ｂと内周側半径ａとの比であり、Ｋ＝ｂ／ａであ
る。数１より、内径側と外径側との温度差が直接応力に
結びつくことが分かる。

【００３８】したがって、従来の構成において約２４３
℃の温度差が生じている状態では、数１の計算から内部
応力が約４５７Ｍｐａとなり、焼結ＳｉＣの応力破壊限
界の約５１０Ｍｐａに近い値となっている。この数値は
上記の数値条件のみを考慮したものであり、実際の装置
においては他の詳細部分において条件が異なってくるこ
とから、従来の構成では応力破壊限界に対して余裕のな
い装置構成となっている。

【００３９】これに対し、上述した本実施形態の熱処理
装置１の構成では、予め設定される内周側と外周側との
電力供給比に基づいてリング部材５の内周側と外周側と
の出力調整を行いつつ加熱処理を行うことで、リング部
材５の内周側と外周側との温度差は最大でも約１８０℃
に低減することができた。そして、この熱処理装置１の
リング部材５に発生する円周方向の応力は数１の計算か
ら約３７０Ｍｐａとなり、応力破壊限界に対して充分な
余裕を含ませることができるので、リング部材５の破壊
を防止することができる。

【００４０】＜３．変形例＞以上、本発明の実施の形態
について説明したが、本発明は上記の内容に限定される
ものではない。

【００４１】例えば、上記において加熱手段７が直管状
加熱光源である場合について説明したがこれに限定され
るものではなく、シングルエンド型の加熱光源等のよう
に任意の加熱光源であってもよい。また、ランプ等のよ
うな光源である必要もない。さらに、上記説明において
は、加熱手段７が基板Ｗ及びリング部材５の上方側に配
置される例について示したがこれに限定されるものでも
なく、また、加熱手段７の配置形態も井桁状であること
に限定されない。

【００４２】また、上記において基板Ｗの外周部に配置
され、基板Ｗの温度均一性を向上させる温度補償部材の
一例として一体化されたリング部材５を例示したが、温
度補償部材はリング部材５が複数の分離された部材によ
って形成されて、処理室９内に設置されたときに複数の
部材が組み合わされて全体として略リング形状をなすよ
うにしてもよい。

【００４３】また、上記説明では基板Ｗとして半導体ウ
エハを想定しているため、温度補償部材はリング形状で
ある例を示しているが、基板Ｗが半導体ウエハでない場
合には他の形状の方が好ましい場合もある。また、温度
補償部材を形成する材料も任意である。

【００４４】また、上記においてリング部材５は熱処理
時に基板Ｗを支持する支持手段としても機能する例につ
いて示したが、熱処理時において基板Ｗを支持するため
に、リング部材５とは別個独立した支持手段を設けても
よい。この場合、リング部材５は温度補償部材としての
み機能することになる。

【００４５】さらに、上記においては主としてリング部
材５を加熱するための加熱手段を内周側と外周側との２
ゾーンに分割し、その２ゾーンを加熱過程において個別
に制御する構成例について示したが、３ゾーン以上に分
割してそれぞれのゾーンを個別に制御するように構成し
てもよい。この場合であっても、リング部材５における
基板近傍領域を加熱する第１の温度補償部材加熱手段
と、基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手
段とは少なくとも存在することになる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項３に記載の発明によれば、基板に対して熱処理を施
す際に、温度補償部材における基板近傍領域を加熱する
第１の温度補償部材加熱手段と、温度補償部材における
基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段と
を個別に制御するように構成されているため、熱処理過
程での温度補償部材の基板近傍領域側と基板遠隔領域側
との温度差を低減することができ、温度補償部材の温度
均一性が向上する。

【００４７】請求項２に記載の発明によれば、温度補償
部材が基板の周縁部を支持する支持手段としても機能す
るため、別途支持手段を設ける必要がない。

【００４８】請求項３に記載の発明によれば、温度補償
部材がリング状部材であるため、基板が特に半導体ウエ
ハである場合に、基板の温度均一性を良好に向上させ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理装置を示す断面図である。

【図２】加熱手段と基板とリング部材との位置関係を示
す概念図である。

【図３】制御部による制御形態を示すブロック図であ
る。

【図４】実験例でのリング部材の温度計測点を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 熱処理装置 ５ リング部材（温度補償部材） ７ 加熱手段 ８ 制御部（制御手段） １０ 直管状加熱光源 ７１ 基板加熱手段 ７２ リング部材加熱手段（第１及び第２の温度補償部
材加熱手段） ８１ リング加熱制御部 ８１ａ 内周側加熱制御部 ８１ｂ 外周側加熱制御部 ８２ 基板加熱制御部 ８２ａ 中央部加熱制御部 ８２ｂ 中間部加熱制御部 ８２ｃ 外周部加熱制御部 Ｗ 基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０５Ｂ 3/00 ３１０Ｄ ５Ｆ０４５ Ｈ０５Ｂ 3/00 ３１０ Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｔ Ｑ (72)発明者 小林 俊幸 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 (72)発明者 芝 康裕 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 Ｆターム(参考） 3K058 AA86 AA91 BA00 CA05 CA12 CA23 CA46 CA69 CA70 CB26 CE02 CE12 CE17 CE21 GA03 GA05 GA06 4G015 EA00 4K055 AA06 NA04 4K056 AA09 BA02 BB05 CA18 FA04 4K063 AA05 BA12 CA03 FA13 5F045 EB02 EB03 EC03 EJ04 EJ09 EK12 EK22 EM02 EM09 EM10 EN04 GB05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を処理室に収容して熱処理を施す熱
   処理装置であって、 基板の外周部に配置され、基板の温度均一性を向上させ
   る温度補償部材と、 主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、
   前記温度補償部材における基板近傍領域を加熱する第１
   の温度補償部材加熱手段と、 主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、
   前記温度補償部材における基板遠隔領域を加熱する第２
   の温度補償部材加熱手段と、 基板に対して熱処理を施す際に、主として基板を加熱す
   るために設けられた基板加熱手段を制御するとともに、
   前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償
   部材加熱手段とを個別に制御する制御手段と、を備える
   ことを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の熱処理装置において、 前記温度補償部材は、基板の周縁部を支持する支持手段
   としても機能することを特徴とする熱処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の熱処理装置にお
   いて、 前記温度補償部材はリング状部材であることを特徴とす
   る熱処理装置。