JP2004281637A - 枚葉型半導体熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハを加熱する際、急速昇温可能であり、かつ温度均一性が良好で、消費電力の少ない枚葉型半導体熱処理装置を提供する。
【解決手段】枚葉型半導体熱処理装置であって、加熱装置とコールドウォール型の反応炉とが上下に配置されてなり、前記反応炉は水平保持されたウェハ１８とパイロメータ２２とを内装可能な真空チャンバ１６であり、上端には熱透過材質からなる蓋１４が備えられる。前記加熱装置は前記蓋１４の上部に備えられるグラファイト１２と、前記グラファイト１２の上部に備えられ、当該グラファイト１２を加熱するための渦巻き形状の誘導加熱コイル１０とからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体熱処理装置に係り、特に枚葉型でコールドウォール炉を備える枚葉型半導体熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大口径の半導体ウェハを熱処理する枚葉型の半導体熱処理装置では、ランプ加熱装置が用いられていた。ランプ加熱装置は昇降温性が良いため、枚葉型半導体熱処理装置の難点であるスループットの向上を図ることができる。しかし、ランプ加熱装置での加熱は、温度均一性が悪く、大口径の半導体ウェハにおいては、スリップが発生してしまうという問題がある。
【０００３】
ランプ加熱装置を使用する半導体熱処理装置として特許文献１が挙げられる。特許文献１では、以下のような半導体熱処理装置を提供している。前記半導体熱処理装置は、半導体ウェハの上下面にそれぞれランプ型加熱装置を備え、前記半導体ウェハの外縁部には円筒状の断熱材に埋設した抵抗型加熱装置を備えるようにしたものである。
【０００４】
上記発明によると、半導体ウェハは、一般的にその外縁部では放熱し易く昇温しにくい。また、加熱温度よりも低温である反応ガスが流入する側の半導体ウェハ面は温度が下がり易いということを鑑み、半導体ウェハの外縁部を加熱するために、温度均一性の良い抵抗加熱装置を前記半導体ウェハの外縁部に備えつつ、昇温性の良いランプ加熱装置で前記半導体ウェハ全体を加熱できるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５６０１１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に挙げたような半導体熱処理装置では、加熱反応速度や温度均一性の異なる加熱装置を組み合わせているため、相互の加熱の影響により温度制御が複雑になってしまう可能性がある。また、半導体ウェハ全域を加熱するのはランプ型加熱装置であることに変わりが無いため、依然として温度均一性が悪いという問題点は解消されていない。
【０００７】
本発明では、半導体ウェハを加熱する際、急速昇温可能であり、かつ温度均一性が良好で、消費電力の少ない枚葉型の半導体熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体熱処理装置は、枚葉型半導体熱処理装置であって、加熱装置とコールドウォール型の反応炉とが上下に配置されてなり、前記反応炉は水平保持された半導体ウェハとパイロメータとを内装可能な真空チャンバであり、上端には熱透過材質からなる真空耐圧構造の蓋が備えられ、前記加熱装置は前記蓋の上部に備えられるグラファイトと、前記グラファイトの上部に備えられ当該グラファイトを加熱するための誘導加熱コイルとからなることを特徴とする。
【０００９】
また、前記構成の半導体熱処理装置において、前記真空耐圧構造の蓋は平板の上に山笠状の板を乗せた２層構造であり、前記２層間には空間が備えられ、当該空間には前記平板と山笠状の板とを上下に繋ぐ仕切りが備えられるようにすると良い。
さらに、前記パイロメータは、前記半導体ウェハの下面側に前記誘導加熱コイルの配置に沿って、複数備えられるようにすると良い。
【００１０】
【作用】
上記構成の半導体熱処理装置において、枚葉型半導体熱処理装置であって、加熱装置とコールドウォール型の反応炉とが上下に配置されてなり、前記反応炉は水平保持された半導体ウェハとパイロメータとを内装可能な真空チャンバであり、上端には熱透過材質からなる真空耐圧構造の蓋が備えられ、前記加熱装置は前記蓋の上部に備えられるグラファイトと、前記グラファイトの上部に備えられ当該グラファイトを加熱するための誘導加熱コイルとからなることにより、反応炉である真空チャンバの外部に輻射熱源であるグラファイトと誘導加熱コイルを備えるようになるため、熱処理時の半導体ウェハのコンタミネーションを低減させることができる。さらに、加熱装置に誘導加熱コイルを用いたことにより、半導体ウェハの急速昇温が可能となり、かつ温度均一性を良好にすることができる。
【００１１】
また、前記真空耐圧構造の蓋を平板の上に山笠状の板を乗せた２層構造として、前記２層間には空間が備えられ、当該空間には前記平板と山笠状の板とを上下に繋ぐ仕切りが備えられるようにすることにより、前記真空チャンバ内が真空になった場合に、山笠状の板にかかる大気圧を当該蓋の縁側へ逃がすことができる。
【００１２】
前記真空チャンバに内装される前記パイロメータを、前記半導体ウェハの下面側に前記誘導加熱コイルの配置に沿って、複数備えられるようにすることにより、前記半導体ウェハの加熱状態を下側から測定することができる。つまり、熱処理を阻害せずに各誘導加熱コイルによる加熱状態を測定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る半導体熱処理装置の詳細を図面に従い説明する。図１は、本発明に係る半導体熱処理装置の主要部を示す図であり、図２は、本実施例の真空チャンバ１６の蓋１４を示す図である。
【００１４】
本実施形態の基本構造は、縦型に配置される円筒状の真空チャンバ１６と、前記真空チャンバを密閉可能な蓋１４と輻射熱源であるグラファイト１２と、誘導加熱コイル１０とからなる。
【００１５】
本実施形態では、前記真空チャンバ１６の内部に、ウェハ１８を水平に保持可能な円筒状壁面と壁面に合う底板を持つ支持部２０と、断面形状が矩形であり上辺フレームに複数のパイロメータを設置可能なパイロメータ支持部３０と、前記パイロメータ支持部３０により支持される複数のパイロメータ２２が備えられる。前記パイロメータ２２は、後述する誘導加熱コイル１０の配置に沿って備えられる。また、当該パイロメータ２２は前記ウェハ１８の温度を計測するためのものであるから、前記ウェハ１８の表面に反応により膜が形成された場合であっても、当該ウェハ１８の温度計測が可能となるように、ウェハ１８の下面側に計測面をとるように備えられる。前記パイロメータ支持部３０は、フレーム下辺中央部が、立設された円筒形状の軸２８に接続されている。また、前記ウェハ１８を水平保持する支持部２０は、その底板の中心と軸２８の中心とを一致させ、軸２８を中心に摺動回転可能に支持される。また、前記軸２８は図示しない機構部により昇降可能とされている。
【００１６】
前記真空チャンバ１６の下端部は図示しない機構部を内装するケーシング２６に接続され、上端部には当該真空チャンバ１６を密閉可能な蓋１４が備えられる。前記蓋１４は、材質を石英としており、円形の平板１１の上に山笠状の板１３をかぶせた２層構造をしている。上記山笠状の板１３は、その上面を前記平板１１と平行となるようにしている。つまり、断面形状を台形とした円錐形である。さらに、前記平板１１と前記山笠状の板１３との間には空間が形成される。当該空間には、前記２つの板を繋ぎ、前記真空チャンバ１６が真空状態となった場合に、大気圧に対する耐圧性を向上させるための複数の仕切り１５ａが垂直に備えられる。なお、前記真空チャンバ１６の側面には、ウェハ１８の出し入れ、或いは真空チャンバ１６の内部空気の給排気をするための窓１７が備えられており、当該窓１７には窓１７を閉鎖するための蓋２４が備えられている。
【００１７】
前記真空チャンバ１６の外部であり、蓋１４の上面近傍には、円形平板の輻射熱源であるグラファイト１２が水平に備えられる。さらに、前記グラファイト１２の上面近傍には、当該グラファイト１２を加熱するための機構であり、渦巻き型の誘導加熱コイル１０が配置されている。前記グラファイト１２と前記誘導加熱コイル１０とは、電磁誘導の効率を良くするために、近接配置することが望ましい。また、前記グラファイト１２と、前記誘導加熱コイル１０との間には、図示しない断熱材が備えられる。
【００１８】
上記のような半導体熱処理装置において、図１（ａ）の状態で真空チャンバ１６の内部に窓１７からウェハ１８を挿入する。ウェハ１８挿入後、窓１７を蓋２４により閉鎖する。窓１７を閉鎖後、軸２８を上昇させ、図１（ｂ）のように蓋１４の下面近傍までウェハ１８をリフトさせる。
【００１９】
前記真空チャンバ１６の内部空気を抜き、真空状態にする。真空チャンバ１６の内部圧力が低下すると、蓋１４は上部に大気圧を受ける。しかし、蓋１４は、その形状により、垂直に加えられる大気圧を水平方向と垂直方向とに分散させることができる。詳しくは、平板１１と山笠状の板１３との接合部分である斜めの梁が垂直応力を分散させるため、垂直に加えられる圧力に対する耐圧性が高くなる。
【００２０】
真空チャンバ１６の内部を真空にした後、誘導加熱コイル１０に電力を投入する。これにより、誘導加熱コイル１０の下部近傍に配置されたグラファイト１２の内部には渦電流が発生し、グラファイト１２は発熱する。発熱したグラファイト１２の輻射熱により、蓋１４の下面近傍までリフトされたウェハ１８が加熱される。ウェハ１８の熱処理中、支持部２０は水平回転するため、保持されているウェハ１８も同様に回転する。これにより、ウェハ１８の温度均一性向上を図ることができる。前記ウェハ１８の上面は熱処理により、処理膜等が形成されるため正確な温度計測ができなくなる。よって、上面より加熱されるウェハ１８の温度を、パイロメータ２２で下面から計測する。当該パイロメータ２２は、前記誘導加熱コイル１０の配置に沿って複数備えられているため、前記ウェハ１８の面に沿った温度分布を計測することができる。パイロメータ２２は、放射温度計や熱電対等でよい。
ウェハ１８を熱処理後、前記誘導加熱コイル１０に投入している電力を遮断し、ウェハ１８の冷却を行う。
【００２１】
上記の半導体熱処理装置において、蓋１４を平板１１の上に山笠状の板１３を乗せた形状の２層構造とし、前記２層間には空間が備えられるようにし、当該空間には前記平板１１と山笠状の板１３とを上下に繋ぐ仕切りを備えるようにしたことにより、平板１１と山笠状の板１３との接合部分である斜めの梁が垂直応力を水平方向と垂直方向とに分散させる。よって、蓋１４を真空耐圧構造とすることができる。また、パイロメータ２２を、前記ウェハ１８の下部側に備えるようにしたことにより、ウェハ１８の表面に反応膜が形成された場合であってもウェハ１８の温度計測をすることができる。また、真空チャンバ１６の内部に配置されたウェハ１８の加熱を阻害せずに温度計測が可能となる。さらに、前記真空チャンバ１６に内装されたウェハ１８を、水平回転可能としたことにより、加熱時の温度均一性の向上を図ることができる。さらにまた、加熱方式を誘導加熱としたことにより、昇降中も含めた温度均一性向上を図ることができる。例えば、従来は、熱処理中の温度のバラツキが５℃程度であったものを、±１℃以内とすることができる。また、従来に比べ、急速昇降温が可能になり、かつその際の温度均一性も良い。
【００２２】
本実施形態では、支持部２０を円筒状としたが、ウェハ１８を水平保持可能であり、熱処理及び温度計測に影響を与えない形状であれば良いため、半導体ウェハの形状に合わせ、３点支持によるもの等でも良い。また、蓋１４について実施形態では仕切り１５ａを垂直としたが、図２（ｂ）のように傾斜をつけて仕切り１５ｂのようにしても良い。こうした場合、断面形状がトラス構造となるため、耐久性は向上する。また、実施形態では、誘導加熱コイル１０の形状を渦巻き型としているが、ウェハ１８（グラファイト１２）を均等加熱可能であれば他の形状としても良い。
【００２３】
【発明の効果】
上記のような半導体熱処理装置において、枚葉型半導体熱処理装置であって、加熱装置とコールドウォール型の反応炉とが上下に配置されてなり、前記反応炉は水平保持された半導体ウェハとパイロメータを内装可能な真空チャンバであり、上端には熱透過材質からなる蓋が備えられ、前記加熱装置は前記蓋の上部に備えられるグラファイトと、前記グラファイトの上部に備えられ当該グラファイトを加熱するための誘導加熱コイルとからなることを特徴としたことにより、反応炉である真空チャンバ外に誘導加熱コイルを設置するようになるため、半導体ウェハへのコンタミネーションが軽減される。また、それに伴いグラファイトも真空チャンバ外に備えられるため、同様の効果を得ることができる。さらに、加熱装置に誘導加熱コイルを用いることにより、消費電力が少なく、半導体ウェハを急速昇温させることが可能となり、かつ温度均一性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体熱処理装置の主要部を示す断面構造図であり、（ａ）は通常時、（ｂ）は稼動時を示す。
【図２】本発明に係る真空チャンバの蓋の構造を示す図であり、（ａ）は基本形状、（ｂ）は他の形状を示す。
【符号の説明】
１０………誘導加熱コイル、１１………平板、１２………グラファイト、１３………山笠状の板、１４………蓋、１６………真空チャンバ、１７………窓、１８………ウェハ、２０………支持部、２２………パイロメータ、２４………蓋、２６………ケーシング、２８………軸、３０………パイロメータ支持部。

Claims (3)

1. 枚葉型半導体熱処理装置であって、加熱装置とコールドウォール型の反応炉とが上下に配置されてなり、前記反応炉は水平保持された半導体ウェハとパイロメータとを内装可能な真空チャンバであり、上端には熱透過材質からなる真空耐圧構造の蓋が備えられ、前記加熱装置は前記蓋の上部に備えられるグラファイトと、前記グラファイトの上部に備えられ当該グラファイトを加熱するための誘導加熱コイルとからなることを特徴とする枚葉型半導体熱処理装置。
2. 前記真空耐圧構造の蓋は平板の上に山笠状の板を乗せた２層構造であり、前記２層間には空間が備えられ、当該空間には前記平板と山笠状の板とを上下に繋ぐ仕切りが備えられることを特徴とする請求項１に記載の枚葉型半導体熱処理装置。
3. 前記パイロメータは、前記半導体ウェハの下面側に前記誘導加熱コイルの配置に沿って、複数備えられることを特徴とする請求項１または２に記載の枚葉型半導体熱処理装置。

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