JP2006313779A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 常温域から低温域にかけてのウェハの温度を精度よくモニタすることを可能としつつ、ウェハの温度の面内均一性を向上させる。
【解決手段】 低温域においては、熱電対３ａ、３ｂによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハの回転を停止させたまま所定の温度シーケンスでウェハＷを昇温し、高温域においては、熱電対３ａ、３ｂをウェハＷから離間させ、パイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハＷを回転させながら所定の温度シーケンスでウェハＷを昇温する。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱処理装置および熱処理方法に関し、特に、ランプアニール装置に適用して好適なものである。

従来のランプアニール装置では、アニール時のウェハの温度をモニタするために、熱電対などの接触温度センサまたは放射温度計などの非接触温度センサのいずれか一方が単独で用いられていた。
また、例えば、特許文献１には、熱電対を併設することなく、常温ないし低温域での基板の加熱を支障なく行うことができ、放射温度計による検出値に基づいて正確な温度制御を行うことができるようにするために、放射温度計による検出値が予め設定された制御開始温度に到達した時点で定電力加熱工程から制御加熱工程に移行させる方法が開示されている。
特開２００３−１３３２４８号公報

しかしながら、放射温度計などの非接触温度センサを用いてウェハの温度をモニタする方法では、常温域から低温域にかけての放射温度計による温度の計測精度が低いことから、ウェハの温度を正確に把握することができない。このため、ウェハの温度の不均一化を招き、ウェハ跳ねなどに起因する処理の中断などを引き起こすことがあるという問題があった。

一方、熱電対などの接触温度センサを用いてウェハの温度をモニタする方法では、接触温度センサがウェハに常時接触しているため、ウェハを回転させながらアニール処理を行うことができない。このため、アニール処理時にウェハの温度の面内均一性を確保することが困難となり、ウェハから得られるデバイスの品質にバラツキが発生するという問題があった。

また、特許文献１に開示された方法では、放射温度計などの非接触温度センサのみを用いてウェハの温度をモニタするため、常温域から低温域にかけてのウェハの温度を正確に把握することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、常温域から低温域にかけてのウェハの温度を精度よくモニタすることを可能としつつ、ウェハの温度の面内均一性を向上させることが可能な熱処理装置および熱処理方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱処理装置によれば、ウェハを回転させるウェハ回転手段と、前記ウェハを加熱するウェハ加熱手段と、前記ウェハに接触した状態で前記ウェハの温度を計測する接触温度センサと、前記ウェハに非接触の状態で前記ウェハの温度を計測する非接触温度センサと、前記ウェハの温度に基づいて、前記接触温度センサと前記ウェハとの接触状態を制御する接触制御手段と、前記接触温度センサにて前記ウェハの温度を計測している時に前記ウェハの回転を停止させ、前記非接触温度センサにて前記ウェハの温度を計測している時に前記ウェハを回転させる回転制御手段と、前記接触温度センサまたは前記非接触温度センサによる前記ウェハの温度の計測結果に基づいて、前記ウェハ加熱手段の加熱出力を制御する加熱出力制御手段とを備えることを特徴とする。

これにより、常温ないし低温域では、接触温度センサにてウェハの温度をモニタしながらウェハを昇温させることが可能となるとともに、高温域では、接触温度センサをウェハから離間させた状態で、非接触温度センサにてウェハの温度をモニタしながらウェハを昇温させることが可能となる。このため、常温ないし低温域での温度を正確にモニタしながらウェハを昇温させることが可能となり、常温ないし低温域におけるウェハの温度を均一化することが可能となるとともに、高温域ではウェハの温度の計測精度を確保しつつ、ウェハを回転させながら熱処理を行うことが可能となり、熱処理時のウェハの温度の面内均一性を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係る熱処理方法によれば、静止されたウェハに接触温度センサを接触させるステップと、前記接触温度センサにて前記ウェハの温度をモニタしながら前記ウェハを昇温させるステップと、前記ウェハの温度が所定値を超えた時に前記接触温度センサを前記ウェハから離すステップと、前記接触温度センサが前記ウェハから離された状態で前記ウェハを回転させるステップと、前記回転させられているウェハの温度を非接触温度センサにてモニタしながら、前記ウェハをさらに昇温させるステップと、前記ウェハを回転させながら、前記昇温されたウェハの熱処理を行うステップとを備えることを特徴とする。

これにより、常温ないし低温域での温度を正確にモニタしながらウェハを昇温させることが可能となるとともに、高温域ではウェハの温度の計測精度を確保しつつ、ウェハを回転させながら熱処理を行うことが可能となり、ウェハ跳ねなどに起因する処理の中断などを引き起こすことなく、熱処理時のウェハの温度の面内均一性を向上させることができる。

また、本発明の一態様に係る熱処理方法によれば、前記回転させられているウェハの温度を前記非接触温度センサにてモニタしながら、前記熱処理されたウェハを降温させるステップと、前記ウェハの温度が所定値を下回った時に定出力加熱制御にて前記ウェハをさらに降温させるステップとを備えることを特徴とする。
これにより、ウェハの降温中に接触温度センサをウェハに接触させる必要がなくなり、接触温度センサの接触位置の調整の困難性を回避することが可能となるとともに、プロセス処理への影響を抑制しつつ、ウェハを降温させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る熱処理装置および熱処理方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱処理装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、支持台１には、ウェハＷを水平に支持する回転リング２が設けられている。また、支持台１には、ウェハＷに接触した状態でウェハＷの温度を計測する熱電対３ａ、３ｂおよびウェハＷに非接触の状態でウェハＷの温度を計測するパイロメータ５ａ〜５ｅが設けられている。ここで、熱電対３ａ、３ｂはウェハＷの裏面に接触可能な状態で支持台１に保持されるとともに、パイロメータ（あるいは放射温度計）５ａ〜５ｅはウェハＷの裏面から放射される放射熱を検出できるように支持台１に保持されている。また、熱電対３ａ、３ｂは複数設けられ、ウェハＷの中心部および周辺部の温度をモニタできるように配置されている。また、パイロメータ５ａ〜５ｅも複数設けられ、ウェハＷの中心部から周辺部に渡って温度をモニタできるように配置されている。

また、支持台１には、熱電対３ａ、３ｂを昇降させるモータ４ａ、４ｂが設けられるとともに、回転リング２を駆動するモータ１１が設けられている。そして、回転リング２とモータ１１は、モータ１１の回転力を回転リング２の回転力に変換する伝達機構１２を介して連結されている。さらに、支持台１上には、ウェハＷを加熱するランプ６が設置されている。

そして、制御ユニット７は、熱電対３ａ、３ｂ、パイロメータ５ａ〜５ｅ、モータ４ａ、４ｂ、１１およびランプ６に接続され、熱電対３ａ、３ｂまたはパイロメータ５ａ〜５ｅにて計測されたウェハＷの温度に基づいて、モータ４ａ、４ｂ、１１の駆動制御を行うとともに、ランプ６の出力制御を行うことができる。すなわち、制御ユニット７には、接触制御手段７ａ、回転制御手段７ｂおよび加熱出力制御手段７ｃが設けられている。ここで、接触制御手段７ａは、熱電対３ａ、３ｂにて計測されたウェハＷの温度に基づいて、熱電対３ａ、３ｂとウェハＷとの接触状態を制御することができる。回転制御手段７ｂは、熱電対３ａ、３ｂにてウェハＷの温度を計測している時にウェハＷの回転を停止させ、パイロメータ５ａ〜５ｅにてウェハＷの温度を計測している時にウェハＷを回転させることができる。加熱出力制御手段７ｃは、熱電対３ａ、３ｂまたはパイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果に基づいて、ランプ６の加熱出力を制御することができる。

そして、ウェハＷの熱処理を行う場合、図１（ａ）に示すように、回転リング２を静止させた状態で回転リング２上にウェハＷを載置する。そして、制御ユニット７は、モータ４ａ、４ｂを駆動することにより、熱電対３ａ、３ｂをウェハＷの裏面に接触させる。なお、制御ユニット７は、熱電対３ａ、３ｂの接触率が予め決められた範囲内に収まるように熱電対３ａ、３ｂの上下位置を調整することができる。そして、制御ユニット７は、熱電対３ａ、３ｂによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、回転リング２を静止させたまま所定の温度シーケンスでウェハＷを昇温させる。そして、ウェハＷの温度が低温域を超えて高温域に入ると、制御ユニット７は、図１（ｂ）に示すように、モータ４ａ、４ｂを駆動することにより、熱電対３ａ、３ｂをウェハＷから離間させる。なお、ウェハＷの温度の低温域と高温域の境界は、パイロメータ５ａ〜５ｅにて高温域の温度を正確に計測できる範囲に設定することができ、例えば、ウェハＷの温度の低温域は４００℃程度以下、ウェハＷの温度の高温域は４００℃程度以上に設定することができる。

そして、制御ユニット７は、熱電対３ａ、３ｂをウェハＷから離間させた状態でモータ１１を駆動し、回転リング２を回転させることによりウェハＷを回転させる。そして、制御ユニット７は、パイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハＷを回転させながら所定の温度シーケンスでウェハＷを昇温させる。そして、ウェハＷが所定の温度に昇温されると、ウェハＷを回転させながらウェハＷの熱処理を行う。なお、ウェハＷの熱処理時の温度は、例えば、９００〜１０００℃程度の範囲内に設定することができる。

そして、ウェハＷの熱処理が完了すると、制御ユニット７は、パイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハＷを回転させながら所定の温度シーケンスでウェハＷを降温させる。そして、ウェハＷの温度が高温域から低温域に入ると、ランプ６の加熱出力を一定に保ちながらウェハＷをさらに降温させる。

これにより、常温ないし低温域では、熱電対３ａ、３ｂにてウェハＷの温度をモニタしながらウェハＷを昇温させることが可能となるとともに、高温域では、熱電対３ａ、３ｂをウェハＷから離間させた状態で、パイロメータ５ａ〜５ｅにてウェハＷの温度をモニタしながらウェハＷを昇温させることが可能となる。このため、常温ないし低温域での温度を正確にモニタしながらウェハＷを昇温させることが可能となり、常温ないし低温域におけるウェハＷの温度を均一化することが可能となるとともに、高温域ではウェハＷの温度の計測精度を確保しつつ、ウェハＷを回転させながら熱処理を行うことが可能となり、熱処理時のウェハＷの温度の面内均一性を向上させることができる。

また、ウェハＷを降温させる場合、ウェハＷが高温域から低温域に入った時にランプ６の加熱出力を一定に保ちながらウェハＷを降温させることにより、ウェハの降温中に熱電対３ａ、３ｂをウェハＷに接触させる必要がなくなり、熱電対３ａ、３ｂの接触位置の調整の困難性を回避することが可能となるとともに、プロセス処理への影響を抑制しつつ、ウェハＷを降温させることができる。

図２は、図１の熱処理装置の温度シーケンスを示す図である。
図２において、図１の熱処理装置の温度シーケンスには、熱電対３ａ、３ｂを用いた温度制御領域Ｒ１、パイロメータ５ａ〜５ｅを用いた温度制御領域Ｒ２および定出力温度制御領域Ｒ３が設けられている。なお、温度制御領域Ｒ１では、低温域におけるウェハＷの昇温状態に対応し、温度制御領域Ｒ２では、高温域におけるウェハＷの昇温から降温にかけての状態に対応し、定出力温度制御領域Ｒ３では、低温域におけるウェハＷの降温状態に対応させることができる。

ここで、温度制御領域Ｒ１では、熱電対３ａ、３ｂがウェハＷの裏面に接触される。そして、熱電対３ａ、３ｂによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハの回転を停止させたまま所定の温度シーケンスでウェハＷが昇温される。
また、温度制御領域Ｒ２では、熱電対３ａ、３ｂがウェハＷから離間される。そして、パイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハＷを回転させながら所定の温度シーケンスでウェハＷが昇温される。また、ウェハＷの熱処理が完了すると、パイロメータ５ａ〜５ｅによるウェハＷの温度の計測結果をモニタしながらランプ６の加熱出力を制御し、ウェハＷを回転させながら所定の温度シーケンスでウェハＷが降温される。

また、定出力温度制御領域Ｒ３では、熱電対３ａ、３ｂおよびパイロメータ５ａ〜５ｅによる計測結果をモニタすることなく、ランプ６の加熱出力を一定に保ちながらウェハＷが降温される。

本発明の一実施形態に係る熱処理装置の概略構成を示す断面図。 図１の熱処理装置の温度シーケンスを示す図。

符号の説明

１ 支持台、２ 回転リング、３ａ、３ｂ 熱電対、４ａ、４ｂ、１１ モータ、５ａ〜５ｅ パイロメータ、６ ランプ、７ 制御ユニット、７ａ 接触制御手段、７ｂ 回転制御手段、７ｃ 加熱出力制御手段、１２ 伝達機構、Ｗ ウェハ

Claims (3)

1. ウェハを回転させるウェハ回転手段と、
   前記ウェハを加熱するウェハ加熱手段と、
   前記ウェハに接触した状態で前記ウェハの温度を計測する接触温度センサと、
   前記ウェハに非接触の状態で前記ウェハの温度を計測する非接触温度センサと、
   前記ウェハの温度に基づいて、前記接触温度センサと前記ウェハとの接触状態を制御する接触制御手段と、
   前記接触温度センサにて前記ウェハの温度を計測している時に前記ウェハの回転を停止させ、前記非接触温度センサにて前記ウェハの温度を計測している時に前記ウェハを回転させる回転制御手段と、
   前記接触温度センサまたは前記非接触温度センサによる前記ウェハの温度の計測結果に基づいて、前記ウェハ加熱手段の加熱出力を制御する加熱出力制御手段とを備えることを特徴とする熱処理装置。
2. 静止されたウェハに接触温度センサを接触させるステップと、
   前記接触温度センサにて前記ウェハの温度をモニタしながら前記ウェハを昇温させるステップと、
   前記ウェハの温度が所定値を超えた時に前記接触温度センサを前記ウェハから離すステップと、
   前記接触温度センサが前記ウェハから離された状態で前記ウェハを回転させるステップと、
   前記回転させられているウェハの温度を非接触温度センサにてモニタしながら、前記ウェハをさらに昇温させるステップと、
   前記ウェハを回転させながら、前記昇温されたウェハの熱処理を行うステップとを備えることを特徴とする熱処理方法。
3. 前記回転させられているウェハの温度を前記非接触温度センサにてモニタしながら、前記熱処理されたウェハを降温させるステップと、
   前記ウェハの温度が所定値を下回った時に定出力加熱制御にて前記ウェハをさらに降温させるステップとを備えることを特徴とする熱処理方法。

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