JP2005268266A - 加熱ランプ及びそれを備えた半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状にすることにより、線光源加熱ランプを扁平な断面形状にし、線光源としてのランプを面光源として機能させる加熱ランプを備えた半導体製造装置を提供することにある。
【解決手段】 チューブ８を通って延びるフィラメント４を備えた線光源としての加熱ランプ１を複数本並置することによりランプバンクを構成すると共に、その後方に反射板２を配置し、ランプバンクから基板等の被処理体５に光を照射することによって被処理体５を加熱する半導体製造装置において、上記加熱ランプ１を、フィラメント４を楕円の螺旋状又は蛇行状に巻回した直線状の発光体と、上記発光体を包摂し両端の電極が設けられた封止部１１により発光体を封止した偏平断面のチューブ８とで構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板等の被処理体を加熱する加熱ランプ及び該加熱ランプを備えた半導体製造装置に関するものである。

従来の加熱ランプは、その基本形として、図７に示す通り、（ａ）電球型、（ｂ）棒状型等のものがあり、いずれもフィラメントがランプの内部にコイル状に配置されている。半導体製造装置に用いる場合、これらの加熱ランプは点光源又は線光源として複数個配置されてランプバンクとして構成され、内部に基板を配設した反応チャンバーの直近に配置される。点光源ハロゲンランプの場合を図８に、線光源ハロゲンランプの場合を図９に示す。

図８（ａ）に示す点光源ハロゲンランプ３１はベースソケット３３とフィラメント３４及びリフレクタ３５を含む。そして、フィラメント３４から照射された光は、リフレクタ３５により反射されつつウェハ５の加熱面（片側）を垂直又は斜めに照射する。また、点光源ハロゲンランプ３１のフィラメント３４は、ウェハ５の加熱面に対して垂直方向に伸びるよう設計されるため、強度の大きな光を照射することにより高速にウェハ５を昇温させることができる。

また、点光源ハロゲンランプ３１は図８（ｂ）の如くウェハ５の全面に散在するよう配置され、ランプバンク３２として構成される。従って、ウェハ５の各部毎における細かい温度制御が可能であるため、ウェハ５の加熱面内において非常に高い均一加熱を実現することができる。

しかし、上記のような点光源ハロゲンランプ３１においては、フィラメント３４がウェハ５の加熱面に対して垂直であり、外へ射出される光はリフレクタ３５において多重反射される。これより、フィラメント３４から射出された光は、該加熱面へ到達する途中において大きな熱損失を招くという問題がある。

一方、図９に示す線光源ハロゲンランプ３９の場合には、図９（ａ）に示されるように、フィラメント３４がウェハ５の加熱面と平行に設けられ、ランプバンク３２として構成される。そして、このフィラメント３４から射出された光は、直接またはリフレクタ３５で反射されることによりウェハ５の加熱面を照射するため、高い加熱効率を得ることができる。また、線光源ハロゲンランプ３９をウェハ５の両面に設けることにより、高速にウェハ５を昇温させることができる。なお、線光源ハロゲンランプ３１をウェハ５の片側に２段に設けることによっても、同様にウェハ５を高速に昇温させることができる。

上記のようなランプバンク３２によるランプ加熱機構を持つ半導体製造装置では、ランプ加熱部分（ランプバンクの領域）を、例えばランプ光軸に対し光軸平行方向に３分割または４分割等、複数に分割することがある。図１０に、その一例を示す。ここでは、反応チャンバー３８内にウェハ５を配設し、該チャンバーの上部及び下部に上記線光源ハロゲンランプ３９の集合から成るランプバンク３２を配置した半導体製造装置において、ランプバンク３２の領域をゾーンＩ、II、III、IVの４つに分割している。このようにランプを並べて分割したゾーンごとに、ランプ電力を制御し、それぞれに温度制御用熱電対（炉内に対して配置し、後で抜き出す）、又はファイバ式放射温度計センサ（炉内に対して配置し、後で抜き出す）を設け、所定の温度になるようにランプ電力を制御する。この制御されたランプからの輻射熱及びランプ光源の反射等で赤外線加熱を行っている。

図１１に従来の線光源ハロゲンランプから成る加熱ランプ３０単体の詳細な構造を、また図１２に、そのランプバンクを備えた半導体製造装置の構成例を示す。

従来の線光源ハロゲンランプは、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、フィラメント３４を所定の直径ｄ１を有する円形の螺旋状に巻回したコイルフィラメント３６を、所定の直径Ｄ１の筒状石英ガラスから成るチューブ４０内に直線状に配置して発光体とし、内部に、バネを兼ねた支持ワイヤ４２から成る保持機構を配設してコイルフィラメント３６を中央に保持すると共に、フィラメントをチューブ両端から引き出してチューブを封止し、封止部４１に電極３６ａを設けた構造を有する。

上記棒状（線光源）の加熱ランプ３０から成るランプバンクを実際に使用する場合には、互いに並置された各加熱ランプ３０の上部に、図１２に示すように個別の反射板（個別反射板）５１が設けられ、その各反射板５１同士を連接した総合的な反射板（総反射板）５０が構成される。このため各加熱ランプ３０間に相互干渉防止壁５３がある形で総反射板５０が設置される。

ランプの中心にはコイルフィラメント３６があり、このコイルフィラメント３６の電極３６ａへ電圧を加えると、コイルフィラメント３６が発光し光源として機能する。発光したフィラメント３６から出る赤外線が直接ウェハ５に照射される分と、ランプ背面からの反射による赤外線に照射される分とによって、ウェハ５が照射され、ウェハの温度が上昇する。ウェハ５に照射される赤外線の照射密度が温度に与える影響は、ランプ３１の照射と反射板３２からの照射の合計になるが、隣り合うランプからの影響を受けるとともに、ウェハを支えているウェハ保持機構６からの熱の逃げ（熱伝導）を考慮しなければならない。

そのため、通常はウェハ５の裏面に密接する均熱板（サセプタ７）を配設する等の形で、温度をならすための機構を備えている。また、これだけでは、ランプの配置間隔に比例した温度ムラが生じるため、ウェハ保持機構６を回転させて温度ムラをなくす様な制御を加えているものもある。

しかしながら、従来の図１１に示した線光源加熱ランプは、フィラメントを円形の螺旋状に巻回したコイルフィラメントを、筒状石英ガラスチューブ内に配置した構造であるため、１本の線光源加熱ランプがカバーする加熱領域が狭く、そのため所要の加熱処理体の面積に対して比較的多くの本数の加熱ランプを配置する必要がある。また加熱ランプの直径からくる制約により加熱装置の高さが定まることから、加熱ランプ固有の高さが比較的大きく、その反射板の高さやランプハウジングの高さを低くすることができない。

また、線光源加熱ランプを上記図９（ｂ）に示したように配列した従来のランプバンクでは、ランプの配設が、ランプ光軸と平行になるように横に設置されているため、図８（ｂ）の点光源のランプバンクに較べると、平行配置ランプ間及びランプゾーン間の温度の制御が構造的に困難であり、その制御を容易とする構造が望まれる。
また一般に、線光源ランプを並置した加熱ランプ装置では、ランプ同士の相互干渉を防止するためや、ランプ外壁の保護のため、ランプ間に上記図１２に示したように個別反射板の一部を存在させるか、もしくは、相互干渉のない距離でランプを配置する。しかし、いずれの構造でも、ランプ間に上記の構造的隙間が出来るため、隙間に対応する箇所でウェハ面内の温度が低下し、ウェハ上でそのまま温度ムラとして現れてしまう。そこで通常は、石英、ＳｉＣ等を用いたヒートマス（均熱体）を設けて、ランプ間温度の低下を押さえる処置を施しているが、ヒートマス限界があるという問題点がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状にすることにより、線光源加熱ランプを扁平な断面形状にし、線光源としてのランプを面光源として機能させる加熱ランプ及びそれを備えた半導体製造装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明に係る加熱ランプは、フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状に巻回して成る発光体と、上記発光体を包摂し両端の電極が設けられた封止部により発光体を封止した偏平断面のチューブと、を備えたことを特徴とする。

本発明において、発光体及びチューブの形状は、直線状、円弧状又は蛇行状に形成することができる。また、チューブの断面形状は、偏平であればよく、楕円形の他、六角形、八角形等にすることができる。さらに上記加熱ランプは、チューブにハロゲンガスが封入されたハロゲンランプとして構成することが好ましい。

請求項２の発明に係る半導体製造装置は、チューブを通って延びるフィラメントを備えた線光源としての加熱ランプを複数本並置することによりランプバンクを構成すると共に、その後方に反射板を配置し、ランプバンクから基板等の被処理体に光を照射することによって被処理体を加熱する半導体製造装置において、上記加熱ランプを、フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状に巻回して成る直線状の発光体と、上記発光体を包摂し両端の電極が設けられた封止部により発光体を封止した偏平断面のチューブとで構成したことを特徴とする。

本発明において、加熱ランプは、チューブにハロゲンガスが封入されたハロゲンランプとして構成することが好ましい。また、本発明において、ランプバンクを構成する加熱ランプ群は二段に千鳥状に配列することにより、上下の高さを小さくすることができる。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、コイルフィラメントを楕円の螺旋状にすることにより、線光源加熱ランプを扁平な断面形状にしたので、従来の円形のコイルフィラメントの場合に較べ、加熱ランプ固有の高さを小さくすることができ、これにより反射板の高さやランプハウジングの高さを低くすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、コイルフィラメントを楕円の螺旋状にすることにより、線光源加熱ランプを扁平な断面形状にし、線光源としてのランプを面光源として機能させるようにしたので、従来の円形断面の加熱ランプを用いた場合に較べ、同一面積内における平行配置ランプ間の数が少なくなり、ランプゾーン間の温度の制御が構造的に容易となる。また、石英、ＳｉＣ等を用いたヒートマス（均熱体）を設けて、ランプ間温度の低下を押さえる処置を施した場合でも、ヒートマス限界を回避することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
本実施形態に係るランプ加熱装置は、ウェハ加熱用ランプ単体を用いる他に、ランプハウスの構造を最適化し温度定性を向上させ、ランプ加熱の際の機械的構造の影響を最小限に押さえることを可能とするものである。

図１に示す本実施形態の加熱ランプ１は棒状ランプの構造のものであり、従来の線光源ハロゲンランプ（図１１）におけるランプフィラメントの構造を変えて、線光源として発光していたものを面光源化する構造である。

すなわち、この加熱ランプ１は、図１（ａ）に示すように、フィラメント４を楕円の螺旋状に巻回したオーバルコイルフィラメント９から成る発光体と、上記発光体を包摂し両端の電極１２が設けられた封止部１１により発光体を封止した楕円断面のチューブ８とを備える。

詳述するに、線光源ハロゲンランプから成る加熱ランプ１は、図１（ｂ）に示すように、フィラメント４を所定の長径ｄ２と短径ｄ３を有する楕円形の螺旋状に巻回したオーバルコイルフィラメント９を、所定の長径Ｄ２と短径Ｄ３の楕円断面を有する筒状石英ガラスから成るチューブ８内に直線状に配置して発光体としている。ランプ内部には、ステムとしての封止部１１に基部を固定した２本の支持ワイヤ１０をフィラメント保持機構として延在させ、この離間した２本の支持ワイヤ１０間にオーバルコイルフィラメント９を螺旋状に巻回する形で、オーバルコイルフィラメント９を中央に保持している。このオーバルコイルフィラメント９の端部は、チューブ８の両端から引き出され、チューブの封止部１１にて封止されかつ電極１２が形成されている。加熱ランプ１のチューブ８内にはハロゲンガスが封入されている。

図２に本実施形態の加熱ランプの作用を従来と比較して示す。
従来の線光源加熱ランプ（棒状ランプ）３０は、既に図１１（ａ）で説明したように、円筒状の石英ガラスのチューブ４０内にコイルフィラメント３６を入れ、フィラメントが石英に触れないようにフィラメント保持機構の支持ワイヤ４２にてコイルフィラメント３６を押さえている。

この従来のランプ構造の場合、光源としてはコイルフィラメント３６の外形寸法が、長手方向に直交する面で見たとき点光源（線光源としては長さ方向）の大きさになる。このため、ランプの横方向の幅を広げようとしても、コイルフィラメントを被うチューブの配置と温度分布の関係から物理的な制限があり、ランプの大きさはあまり大きくすることが出来ない。なお、現状のコイルフィラメント３６を点光源とみなせる理由は、ウェハ５に対しての大きさが相対的に小さいためである。例えば、ウェハ径１５０ｍｍに対してコイルフィラメント径ｄ１は５ｍｍ以下である。なお、ランプのチューブ径Ｄ１は１０ｍｍである。

これに対して、本実施形態の線光源加熱ランプでは、図１で説明したように、コイルフィラメント９をオーバル（楕円）形状とし、照射する必要のある面方向（説明では水平方向）に延ばした偏平状の加熱ランプとしているので、点光源の水平方向照射能力を向上させることが可能となり、ランプの長さ方向部分の作用と併せて面光源として使用することができる。ランプの寸法として、例えばランプのチューブ長径（幅）Ｄ２は２０ｍｍ、短径（高さ）Ｄ３は１０ｍｍである。

図２に示す本実施形態の加熱ランプと従来との比較において、図２（ａ）に示す従来のランプ装置の場合、ウェハ５の表面での光密度は相対的に低いが、本実施形態（本発明）におけるランプ装置では、これよりもウェハ５の表面での光密度が高くなる。

図３に、本発明の棒状オーバルランプから成る加熱ランプ１を複数並べてランプバンクを構成し、これを加熱機構として備えた導体製造装置の構成例を示す。

この加熱機構は、オーバルランプから成る加熱ランプ１、反射板２、ウェハ５、ウェハ保持機構６、均熱板（サセプタ）７で構成される。棒状オーバルランプから成る加熱ランプ１は、２段のランプバンクを構成すべく、互いに並置された１段目の加熱ランプ１ａの群と、その上方にて互いに並置された２段目の加熱ランプ１ｂの群とから成り、各加熱ランプ１ａ、１ｂの上部には、図３に示すように個別の反射板（個別反射板）２ａ、２ｂが設けられ、垂直面内で横方向に見たとき全体として千鳥状に配置されている。そして各反射板２ａ、２ｂ同士を連接した総合的な反射板（総反射板）２が構成されている。このため各加熱ランプ１ａ、１０ｂ間に相互干渉防止壁３がある形で総反射板２が設置される。

しかし、この加熱機構では、加熱ランプ１個あたりの横方向幅が従来のものに較べて大きいため、相互干渉防止壁３がある加熱ランプ１ａ、１ｂ間の隙間数が少なくなっている。

上記複数の加熱ランプは、反応チャンバー（図１０参照）の上方に配置されており、均熱板としてのサセプタ７とその上にウェハ保持機構６を介して保持されたウェハ５とを加熱する。サセプタ７はウェハ面内の温度均一性を高めるため回転される。

本加熱機構は、オーバルランプから成る加熱ランプ１の赤外線を効率よくウェハ５に照射可能であり、隣り合うランプ１ａ、１ｂ間には相互干渉防止壁３があるが、そのオーバルランプの偏平方向幅の単位幅当たりの高さ方向の割合を、つまりオーバルランプから成る加熱ランプ１のランプ間距離を、最小になるように配置することが出来るため、従来のようなランプ間の温度ムラを最小限に抑えることが可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、ランプのチューブの平面的形状を図４に示す如くサークル（円弧状チューブ）２１にして、サークル（円形）ランプを構成することができる。

また、図５に示す如くフィラメント保持機構の２本の支持ワイヤ１０間にフィラメントを蛇行させながら保持させ、蛇行型フィラメント２４を構成することもできる。すなわち、フィラメントの巻き方も、楕円状フィラメントの他、蛇行型フィラメント等様々な巻き方があり、用途に応じて巻き方を変更することができる。

更にまた、ランプのチューブの断面形状は、上記楕円形の他、図６（ａ）の如き六角形、図６（ｂ）の如き八角形としたり、あるいはランプ外壁（チューブ）の構造を変更することで隣り合うランプ同士の距離を狭くすることも可能となる。図６（ｃ）に六角形のチューブ断面形状とした加熱ランプを千鳥状に配置した例を示す。

本発明のオーバルランプから成る加熱ランプを示したもので、（ａ）はその全体略図、（ｂ）は断面図である。 本発明の加熱ランプの作用を従来と比較して示した図である。 本発明の加熱ランプを備えた半導体製造装置の概略を示した図である。 本発明の変形例のサークルランプを示す図である。 本発明の変形例の蛇行型フィラメントを示す図である。 本発明の変形例である外壁（チューブ）の構造を示す断面図である。 従来の加熱ランプの基本形を示した図である。 従来の点光源の加熱ランプを説明する図である。 従来の線光源の加熱ランプを説明する図である。 従来の加熱ランプを備えた半導体製造装置とその加熱制御ゾーンの分割例を示した図である。 従来の線光源の加熱ランプを示したもので、（ａ）はその全体略図、（ｂ）は断面図である。 従来の加熱ランプを備えた半導体製造装置の概略を示した図である。

符号の説明

１ 加熱ランプ
１ａ、１ｂ 加熱ランプ
２ 反射板
３ 相互干渉防止壁
４ フィラメント
５ ウェハ
６ ウェハ保持機構
７ 均熱板（サセプタ）
８ チューブ（楕円筒状の石英ガラス）
９ オーバルコイルフィラメント
１０ 支持ワイヤ（フィラメント保持機構）
１１ 封止部
１２ 電極

Claims (2)

1. フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状に巻回して成る発光体と、
   上記発光体を包摂し両端の電極が設けられた封止部により発光体を封止した偏平断面のチューブと、
   を備えたことを特徴とする加熱ランプ。
2. チューブを通って延びるフィラメントを備えた線光源としての加熱ランプを複数本並置することによりランプバンクを構成すると共に、その後方に反射板を配置し、ランプバンクから基板等の被処理体に光を照射することによって被処理体を加熱する半導体製造装置において、
   上記加熱ランプを、
   フィラメントを楕円の螺旋状又は蛇行状に巻回して成る直線状の発光体と、
   上記発光体を包摂し両端の電極が設けられた封止部により発光体を封止した偏平断面のチューブとで構成した、
   ことを特徴とする半導体製造装置。

Images