JP2007184625A

JP2007184625A - 熱処理装置

Info

Publication number: JP2007184625A
Application number: JP2007031554A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kobayashi; 俊幸小林; Yoshihiro Koyama; 芳弘小山; Mitsukazu Takahashi; 光和高橋
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2022-03-25
Also published as: JP4502220B2

Abstract

【課題】基板温度の均一性を向上する熱処理装置を提供する。
【解決手段】基板９に加熱を伴う処理を行う熱処理装置において、基板９に光を照射するランプ群、および、基板９を支持する円環状の補助リング３１が設けられる。補助リング３１は内周面３１０に内側に突出する円環状の支持部３１１を有し、支持部３１１が基板９の外縁部９１を下方より当接して支持する。熱処理装置では、ランプ群が互いに独立して電力が供給される複数の小グループに分けられており、複数の小グループに主に補助リングに向けて光の照射を行う小グループが含まれ、さらに、基板９と支持部３１１とが当接する幅である支持幅Ｗ、および、支持部３１１の厚みである支持部厚Ｔが所定の条件を満たすように決定される。これにより、加熱される基板温度の均一性が向上される。
【選択図】図７

Description

本発明は、基板に加熱を伴う処理を行う熱処理装置に関する。

半導体等のデバイスの微細加工の要求が高まるにつれ、半導体基板（以下、「基板」という。）の加熱工程の１つとして急速加熱工程（Rapid Thermal Process、以下、「ＲＴＰ」という。）が重要な役割を果たしている。ＲＴＰでは主にランプが加熱源として用いられ、処理室内を所定のガス雰囲気に保ちつつ秒オーダーで基板が所定の温度（例えば、１１００℃）に加熱され（昇温工程）、一定時間（例えば、数十秒）だけその温度に維持された後（保持工程）、ランプを消灯することにより急速冷却が行われる。

ＲＴＰにより、基板に作り込まれたトランジスタの接合層における熱による不純物の再拡散防止、酸化膜等の絶縁膜の薄膜化等、従来の電気炉による長時間の熱処理では実現困難であった処理が行われる。

ＲＴＰを行う熱処理装置においては、基板の外縁部に当接することにより基板を支持する補助リングが設けられる。補助リングはＲＴＰ中の基板の温度を測定するために基板の裏面側に配置された温度計にランプからの光が入射することを防ぐとともに、基板と一体的に加熱されることにより基板の表面の温度均一性を向上する。

ところが、基板と補助リングとが接する部分では双方を合わせた厚みが基板のみが存在する部位よりも大きくなることから、基板の外縁部では擬似的に単位面積当たりの熱容量が大きくなってしまい、上述の昇温工程および保持工程の双方において基板の温度均一性を保つことが困難となる。その結果、例えば、酸化膜等を生成する際の膜厚のばらつきを、今後一層厳しく求められる範囲内に抑えることが困難となってしまう。以下、従来の熱処理装置による酸化膜生成の例を示す。

図１はＲＴＰにおける基板温度の時間的変化を示す図である。横軸は時間、縦軸は基板温度を示している。図１中の時刻ｔ１からｔ２までの工程は基板温度を昇温する昇温工程であり、時刻ｔ２からｔ３までの工程は基板温度を目標温度Ａに保つ保持工程である。従来の熱処理装置を用いてこのようなＲＴＰを行った場合における基板上の位置と酸化膜の膜厚との関係を図２に示す。横軸は基板の中心からの距離を示し、縦軸は距離に対する酸化膜の平均膜厚を示している。

図２に示すように、距離Ｒ１付近よりも内側（基板の中心側）では安定した膜厚となるが、基板外縁部に対応する距離Ｒ２に近づくと急激に膜厚が増大する。これは、保持工程において補助リングの温度が基板温度よりも高くなってしまい、補助リングから伝導される熱により基板外縁部の温度が内側の部分に比べて高くなることが原因であると考えられる。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ランプを用いる熱処理装置において基板温度の均一性を向上することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板に光を照射して加熱を伴う処理を行う熱処理装置であって、基板に光を照射するランプ群と、基板の外縁部を下方から当接して支持する円環状の支持部を有するとともに前記外縁部から外側に広がる補助リングとを備え、支持される基板の外縁部と前記支持部とが当接する支持幅が１．０ミリメートル以上であり、前記支持部の厚みが０．３ミリメートル以上であり、前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算して平方ミリメートルにて表した値が、０．４以上であり、前記基板の厚みを２倍してミリメートルにて表した値以下であり、前記ランプ群が、互いに独立して電力が供給される複数の小グループに分けられており、前記複数の小グループに主に前記補助リングに向けて光の照射を行う小グループが含まれる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理装置であって、昇温工程において主に前記補助リングに向けて光の照射を行う前記小グループへの供給電力が他のものよりも高くされる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の熱処理装置であって、複数の放射温度計と、前記複数の放射温度計の測定結果に応じて前記複数の小グループへの電力供給を制御するランプ制御部とをさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算した前記値が１．５以下である。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持幅が３ミリメートル以下である。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持部の厚みが０．５ミリメートル以下である。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記補助リングが、炭化ケイ素により形成される。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記補助リングが、基板の外周面と対向する円筒状の面を有する。

本発明によれば、ランプを用いた熱処理装置において、加熱される基板の温度の均一性を向上することができる。

図３および図４は、本発明の一の実施の形態に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図であり、図３における切断面と図４における切断面とは熱処理装置１のＺ方向を向く中心軸１ａで垂直に交差する。図３および図４では細部の断面に対する平行斜線の記載を省略している。

熱処理装置１は、装置本体である本体部１１、本体部１１の上部を覆う蓋部１２、および、本体部１１の中央底面に配置された反射板１３を有し、これらにより内部空間が形成される。内部空間は石英にて形成されたチャンバ窓２１により上下に仕切られ、下部の処理空間１０では基板９が後述する支持リング群３０により支持される。なお、チャンバ窓２１と本体部１１との間は図示しないＯリングによりシールされ、本体部１１の内側面は円筒面となっている。

本体部１１の側壁には複数のガス導入口１１１および排気口１１２が形成されており、排気口１１２から処理空間１０内のガスが（強制）排気されたり、ガス導入口１１１を介して基板９に施される処理の種類に応じたガス（例えば、窒素、酸素）が導入されることにより、処理空間１０のガス置換が行われる。なお、基板９とチャンバ窓２１との間には多数の穴が形成された石英のシャワープレート２２が設けられ、ガス導入口１１１から導入されたガスがシャワープレート２２を介して基板９の上面に均一に付与される。処理に用いられたガスは、処理空間１０の下方から排気口１１２へと導かれる。

図３および図４に示すように、支持リング群３０は中心軸１ａを中心とする円筒状の円筒部材３３により支持され、円筒部材３３の下端にはカップリング部材３３１が取り付けられる。本体部１１の外部下方にはカップリング部材３３１と対向するカップリング部材３３２が設けられ、カップリング部材３３１およびカップリング部材３３２により磁気的なカップリング機構が構成される。カップリング部材３３２は図４に示すモータ３３３により中心軸１ａを中心に回転する。これにより、本体部１１内部のカップリング部材３３１が磁気的作用により回転し、基板９および支持リング群３０が中心軸１ａを中心に回転する。

蓋部１２の下面は基板９の上面に対向する反射面（以下、「リフレクタ」という。）１２１となっており、リフレクタ１２１に沿ってそれぞれが図３中のＸ方向を向くように棒状の上段ランプ群４１が配列される。上段ランプ群４１からの光のうち上方に出射されるものはリフレクタ１２１により反射され、基板９に照射される。

上段ランプ群４１の下方（すなわち、上段ランプ群４１と基板９との間）には、それぞれがＹ方向を向くように棒状の下段ランプ群４２が配置される。すなわち、上段ランプ群４１と下段ランプ群４２とは互いに直交するように蓋部１２に取り付けられる。

上段ランプ群４１および下段ランプ群４２のそれぞれは、中心軸１ａからの距離に応じて小グループに分けられている。図４ではグループ分けされた上段ランプ群４１のランプに中心軸１ａ側から符号４１１，４１２，４１３，４１４を付しており、図３ではグループ分けされた下段ランプ群４２のランプに中心軸１ａ側から符号４２１，４２２，４２３，４２４を付している。

図５は、小グループに分けられたランプとランプに電力を供給するランプ制御部６との接続関係を示すブロック図である（複数のランプであっても１つのブロックにて示している。）。図５に示すように、各グループ（上段ランプ群４１のランプ４１１〜４１４、および、下段ランプ群４２のランプ４２１〜４２４）は個別にランプ制御部６に接続され、互いに独立して電力が供給される。これにより、基板９の上面に照射される光の強度分布が制御される。

図６は図４中の矢印Ａ−Ａの位置から見たときの円筒部材３３から内側を示す図であり、図７は基板９が支持リング群３０に支持される様子を示す拡大断面図である。

図６および図７に示すように、支持リング群３０は基板９が載置される円環状の補助リング３１および補助リング３１を外側から支持する円環状の緩衝リング３２により構成される。補助リング３１および緩衝リング３２は共に基板９と比熱が近い炭化ケイ素（ＳｉＣ）にて形成される。補助リング３１は内周面３１０に中心軸１ａ側に突出する円環状の支持部３１１を有し、外部の搬送機構により処理空間１０内へと搬送された基板９は、基板９の外縁部９１に支持部３１１が下方から当接することにより支持される。基板９が補助リング３１に載置された状態では、基板９の外周面９０と補助リング３１の内周面３１０とが対向し、補助リング３１は基板９の外縁部９１から外側へと広がるように位置する。なお、以下の説明において、図７中に示すように基板９の厚みを基板厚Ｔｗ、支持部３１１の厚みを支持部厚Ｔ、基板９と支持部３１１とが重なる幅を支持幅Ｗと呼ぶ。

補助リング３１は同心円環状の緩衝リング３２に外方から支持され、緩衝リング３２は前述の円筒部材３３に支持される。そして、図７に示すように補助リング３１と緩衝リング３２との係合部３９１、および、緩衝リング３２と円筒部材３３との係合部３９２がそれぞれ間隙（遊び）を有することにより、加熱により補助リング３１および緩衝リング３２が膨張したとしても過大な応力による割れが防止される。

図４および図６に示すように、基板９の下方には、中心軸１ａから外側に向かって複数の放射温度計５１〜５３が取り付けられる。放射温度計５１〜５３は反射板１３に設けられた窓部材５０を介して基板９からの赤外光を受光することにより基板９の温度を測定する。支持リング群３０に載置された基板９は回転することから複数の放射温度計５１〜５３により中心軸１ａからの距離に応じた基板９の温度が測定される。その際、基板９、支持リング群３０および円筒部材３３によりランプ群４１，４２からの赤外線が放射温度計５１〜５３に入射することが阻止され、放射温度計５１〜５３により正確な温度測定が行われる。

基板９に加熱を伴う処理が行われる際には、例えば、放射温度計５１の測定結果に応じてランプ４１１，４２１への電力供給が制御され、同様に、放射温度計５２，５３の測定結果に応じてランプ４１２，４２２、ランプ４１３，４２３への電力供給がそれぞれ制御される。また、主に補助リング３１に向けて赤外線の照射を行うランプ４１４，４２４に関しては、予め決められたプロファイルに従って電力が供給される。このとき、基板９および支持リング群３０はモータ３３３およびカップリング機構により構成される回転機構により回転し、基板９の温度が可能な限り均一となるように基板９の加熱が制御される。

図８は、熱処理装置１におけるＲＴＰにより酸化膜を生成する際に、図７に示す支持部厚Ｔおよび支持幅Ｗを表１のように変更した場合に、基板外縁部と基板中央側との膜厚差Ｄ（図２参照）と、支持部厚Ｔと支持幅Ｗとの積（Ｔ×Ｗ）との関係を示す図である。

測定に際しては、直径が２００ｍｍ、基板厚Ｔｗが０．７２５ｍｍの基板を目標温度１１００℃まで約１００℃／ｓで急速加熱した後、６０秒間目標温度を保持している。また、膜厚差Ｄを求めるために基板外縁部から内側へ２ｍｍの位置（図２の距離Ｒ２の位置に相当）と１０ｍｍの位置（距離Ｒ１の位置に相当）とにおいて膜厚を測定している。なお、基板外縁部から１０ｍｍの位置よりも内側では膜厚が略一定であり、平均膜厚が約１１ｎｍとなることが確認されている。

図８より、膜厚差Ｄと（Ｔ×Ｗ）との間には直線Ｚで示される比例関係が存在することが分かる。ここで、許容される膜厚のばらつきを±１％とすると許容される膜厚差Ｄは約０．２２ｎｍ（平均膜厚１１ｎｍの２％）となる。したがって、直線Ｚにより（Ｔ×Ｗ）がおよそ１．５ｍｍ^２以下であれば、膜厚のばらつきを±１％以下とすることができるといえる。ここで、基板厚Ｔｗが小さいほど膜厚のばらつきが支持部厚Ｔおよび支持幅Ｗの影響を受けること、および、測定に際して基板厚Ｔｗが０．７２５ｍｍの基板９を使用したことを考慮すると、（Ｔ×Ｗ）が基板厚Ｔｗのおよそ２倍の値以下であれば、膜厚のばらつきを平均膜厚の±１％以内とすることができると推定される。つまり、（（Ｔ×Ｗ）≦（Ｔｗ×２））に示す関係が満たされることにより、基板９の温度均一性を向上することが実現される。

実際にＲＴＰが熱処理装置１により行われる際には、図１における昇温工程（時刻ｔ１からｔ２）において、基板９と補助リング３１とが重なる部分（すなわち、基板外縁部）では、基板中央部よりも単位面積当たりの熱容量が大きくなることから温度上昇が遅延する。そこで、補助リング３１を十分に加熱するためにランプ４１４，４２４への供給電力が他のランプよりも高く設定される。

ところが、このような設定では保持工程（時刻ｔ２からｔ３）において補助リング３１の温度が基板９の温度よりも高くなり、補助リング３１から熱が伝わって基板外縁部９１が他の部位よりも高温となってしまう。熱処理装置１では、基板９と補助リング３１とが重なる部分の形状（支持部厚Ｔおよび支持幅Ｗで示される形状）を基板厚Ｔｗで限定することにより、保持工程における基板外縁部と基板中央側の領域との温度差を抑制することを実現している。すなわち、補助リング３１から基板９への伝熱経路を制限することにより基板の温度均一性を向上している。

なお、図８より通常の膜厚（１０ｎｍ程度）を形成する場合には（Ｔ×Ｗ）が１．５ｍｍ^２以下であることが好ましいといえるが、この条件が表１にて示す測定範囲から導かれたことを考慮すると支持部厚Ｔが０．５ｍｍ以下とされ、支持幅Ｗが３ｍｍ以下とされることが好ましい。また、確実な測定結果が得られているという点では、（Ｔ×Ｗ）は１．２ｍｍ^２以下とされることがより好ましく、支持部厚Ｔが０．４ｍｍ以下とされることがより好ましいといえる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。

上記実施の形態では、基板９への酸化膜の生成を例として説明を行ったが、酸化膜生成以外の加熱を伴う処理が熱処理装置１により行われてよい。また、基板９の大きさ、厚さも様々なものであってよい。

支持リング群３０は必ずしも補助リング３１と緩衝リング３２とで構成される必要はなく、緩衝リング３２が省略され補助リング３１のみとされてもよい。

また、補助リング３１の形状は上記実施の形態に限定されず、例えば、内周面３１０が存在しない単純な板状の円環（すなわち、支持部厚が補助リング３１の厚さとなる）とされてもよく、単純な板状の円環の上面に基板９の外周面と対向する面を有する円環状の突起が設けられてもよい。

熱処理装置１では基板９が回転するが、基板９の回転は必要に応じて行われるのみでよい。

基板９を照射するランプは必ずしも上段ランプ群４１および下段ランプ群４２が互いに直交するように設けられる必要はなく、上段ランプ群４１または下段ランプ群４２のいずれかのみでもよい。さらに、基板９の上面および下面からランプ光が照射されてもよい。

基板の温度と時間との関係を示す図である。基板の中心からの距離と酸化膜の膜厚との関係を示す図である。熱処理装置の縦断面図である。熱処理装置の縦断面図である。ランプとランプ制御部とを示すブロック図である。円筒部材から内側を示す平面図である。基板が支持リング群に支持される様子を示す拡大断面図である。膜厚差Ｄと（Ｔ×Ｗ）との関係を示す図である。

符号の説明

１熱処理装置
６ランプ制御部
９基板
３１補助リング
５１〜５３放射温度計
９０外周面
９１外縁部
３１０内周面
３１１支持部
４１１〜４１４，４２１〜４２４ランプ
Ｔ支持部厚
Ｔｗ基板厚
Ｗ支持幅

Claims

基板に光を照射して加熱を伴う処理を行う熱処理装置であって、
基板に光を照射するランプ群と、
基板の外縁部を下方から当接して支持する円環状の支持部を有するとともに前記外縁部から外側に広がる補助リングと、
を備え、
支持される基板の外縁部と前記支持部とが当接する支持幅が１．０ミリメートル以上であり、前記支持部の厚みが０．３ミリメートル以上であり、
前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算して平方ミリメートルにて表した値が、０．４以上であり、前記基板の厚みを２倍してミリメートルにて表した値以下であり、
前記ランプ群が、互いに独立して電力が供給される複数の小グループに分けられており、前記複数の小グループに主に前記補助リングに向けて光の照射を行う小グループが含まれることを特徴とする熱処理装置。
請求項１に記載の熱処理装置であって、
昇温工程において主に前記補助リングに向けて光の照射を行う前記小グループへの供給電力が他のものよりも高くされることを特徴とする熱処理装置。
請求項１または２に記載の熱処理装置であって、
複数の放射温度計と、
前記複数の放射温度計の測定結果に応じて前記複数の小グループへの電力供給を制御するランプ制御部と、
をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算した前記値が１．５以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記支持幅が３ミリメートル以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記支持部の厚みが０．５ミリメートル以下であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記補助リングが、炭化ケイ素により形成されることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし７のいずれかに記載の熱処理装置であって、
前記補助リングが、基板の外周面と対向する円筒状の面を有することを特徴とする熱処理装置。