JP2007251126A - 半導体バッチ加熱組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、主に半導体ウェーハ処理装置に用いるための加熱装置に関する。
【解決手段】バッチ加熱／ウェーハ処理に用いるための加熱処理装置が提供され、ウェーハボートを受けるためのプロセスチャンバと、少なくとも１つの加熱ゾーン用の電気加熱回路を形成するように構成され、連続オーバーコート層内に封入された基板本体を含む少なくとも１つの加熱素子と、ウェーハボート内のウェーハを加熱するために少なくとも１℃／秒の温度変化率を有する加熱素子上に配置された熱反射面を含む熱リフレクタとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に半導体ウェーハ処理装置に用いるための加熱装置に関する。

シリコンウェーハの高温処理は、最新のマイクロエレクトロニクス装置を製造するのに重要である。シリサイド形成、注入アニール、酸化、拡散駆動及び化学蒸着（ＣＶＤ）を含むこのようなプロセスは、マルチウェーハバッチ炉又はシングルウェーハ急速加熱装置のいずれにおいても、約３００℃から１２００℃に及ぶ温度で実施することができる。これらの段階は通常、チャンバ内の温度、圧力、及び気体流を極めて精密に制御することが必要である。従来技術の一実施形態では、処理段階は、ウェーハが高スループットのバッチモードで処理される管状炉内で行われる。

従来技術の通常のバッチ炉では、電気加熱素子が一般に用いられる。金属コイル素子のような電気加熱素子は、通常、温度サイクルを受けると本質的に亀裂及び粒子を発生する作用の影響を受けやすい、例えば焼結アルミナ又は窒化アルミニウム等のセラミック材料で絶縁される。このようなシステムは熱質量が高く、結果として低い加熱及び冷却速度を生じる。更に、従来のコイル素子の不連続面により、電力密度は、加熱されることになる区域全体にわたって急激に変化する。加えて、温度サイクル中の金属加熱素子とセラミック絶縁体との間の熱膨張が異なるので、従来技術のヒータを使用することにより粒子生成又は不具合が生じる可能性がある。処理手順中に電力が印加される間、通常粒子は半導体基板上に浮遊するので、粒子は一般的には処理上の問題は引き起こさない。しかしながら、処理サイクルの最後に電力が低下すると、粒子を浮遊させる力が消滅し、粒子が落下して半導体基板表面上に到達し、汚染を引き起こす。落下動作は、半導体基板に対する重力及び静電引力の結果とすることができる。焼結セラミック材料を含むヒータを用いる従来のバッチ炉での粒子汚染問題の他に、加熱及び冷却速度の点で信頼性上の問題及び固有の限界もある。焼結セラミックは、高温勾配を受けると熱衝撃の影響を受けやすく、破壊される傾向になる。

望ましくないドーパント拡散、或いは半導体基板表面上に到達するヒータからの粒子が汚染を引き起こす問題を軽減するために、一部の従来の半導体バッチ処理チャンバでは高輝度ランプが用いられる。放射ランプは、瞬時に消すことができるので熱質量が極めて小さく冷却が迅速であることにより、急速加熱が可能である。しかしながら、高輝度ランプの使用する場合、これらが局在エネルギー源であることにより問題に遭遇する可能性がある。従来のバッチ炉などの場合、加熱及び冷却過渡時に温度差が生じるだけでなく、処理中にも不均一性が持続する可能性がある。典型的なランプベースＲＴＰシステムの内壁は、従来のバッチ炉等の場合は通常比較的低温であり、均一な平衡プロセス温度までは加熱されない。より大きな直径ウェーハでは、ウェーハ全体にわたり均一な温度を維持するのが困難な場合がある。他のシステムでは、これらのシステムは複数のウェーハのボートに対してウェーハ毎に均一に加熱することはできない。多くのランプは、円形ウェーハに対して均一な熱を提供する際に効果のない線形フィラメントを用いる。処理中に温度の不均一性を動的に検出し、積極的に加熱を調節する必要がある場合がある。結果としてこれは、複雑な温度測定システムを必要とする可能性がある。更に、ランプ及び他の構成部品の経年変化及び劣化に起因する幾つかのランプベースシステムにおいて問題が生じる可能性がある。結果として、再現性能を維持するのが困難なものとなり、部品の頻繁な交換が必要となる可能性がある。

汚染及び均一性の問題の他に、従来技術のバッチシステムにおける適合限界がある。半導体ウェーハ処理用のバッチシステムは、多くの場合円形のウェーハによって駆動される円筒形状を有する。加熱システムの幾何形状は、多くの場合基板の幾何形状に適合させるようにする。従来技術の抵抗ヒータでは、セラミック絶縁体に埋め込まれた金属コイル素子は、連続加熱面を提供しない。ランプのアレイを用いたシステムは、典型的には円筒型加熱表面を提供することはできない。

本発明は、複数のウェーハに対して高速で均一なエネルギー効率並びに汚染の無い加熱及び冷却を提供することができると同時に、バッチ処理装置において望ましい設計の柔軟性を可能にする半導体処理システムに関する。
米国特許第５，３４３，０２２号公報 米国公開特許２００４−００７４８９９Ａ１号公報 米国公開特許２００４−０１７３１６１Ａ１号公報

一実施形態では、本発明は、複数のウェーハを処理するためのウェーハボート配置用の内部を有するチャンバと、外部に配置されてチャンバの外部に適合し、外側に配置され３００℃−８００℃の範囲内の少なくとも４０℃／分のヒータ温度変化率でチャンバ内に収容された複数のウェーハを加熱するための少なくとも１つの放射ヒータとを備え、該ヒータが少なくとも１つのゾーンを形成する複数の回路内にパターン形成された少なくとも１つの抵抗加熱素子を有し、少なくとも１つのゾーンを独立制御により加熱し、パターン形成された抵抗加熱素子の少なくとも一部が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属からなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、又は複合体及び／又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む誘電絶縁層でコーティングされ、ウェーハボートを収容するチャンバに面するヒータ側と反対側にあるヒータの外部側に配置された少なくとも１つの熱シールドと、該熱シールドの外側に配置された絶縁エンクロジャとを備えるバッチ処理装置に関する。

一態様では、放射ヒータは、封入材を有するグラファイトコアを含み、該封入材が、グラファイトコアをコーティングする実質的に連続な平面を形成し、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属からなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、又は複合体及び／又はこれらの組合せ；ＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のＮＺＰ構造を有する高温安定化リン酸ジルコニウム；元素周期律表の２ａ族、３ａ族及び４ａ族の元素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含むガラスセラミック組成物；ＳｉＯ_２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙ又は同様のものの酸化物を含むプラズマ抵抗材料との混合物から選択された材料の薄いシェルである。

一態様における本発明は、少なくとも１つのゾーンを形成する複数の回路内にパターン形成された少なくとも１つの抵抗加熱素子を有し、少なくとも１つのゾーンを独立制御で加熱するヒータを用いる、バッチ処理装置内で複数のウェーハを加熱する方法に関し、抵抗加熱素子の表面の少なくとも一部分は、３００℃−８００℃の範囲内の少なくとも４０℃／分のヒータ温度変化率で、最高８００℃の温度までウェーハ基板を加熱するため、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属からなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、又は複合体及び／又はこれらの組合せの少なくとも１つを含む誘電体絶縁層でコーティングされる。

本明細書で用いられる類似の用語は、関連する基本機能の変化を生じることなく変えることができるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１つ又は複数の用語が修飾する数値は、場合によっては特定された正確な数値に限定されない場合がある。

用語「抵抗ヒータ」は、「ヒータ」又は「加熱素子」と同義的に用いることができ、当該用語は、１つ又は複数の品目が存在することができることを示す単数形又は複数形とすることができる。本明細書で用いられるように、「熱シールド」は「熱リフレクタ」又は「放射バッフル」と同義的に用いられる。

本明細書で用いられる「ウェーハ基板」又は「基板」は、複数形で用いられるが、該用語は１つ又は複数の基板を用いることができ、「ウェーハ」を「基板」と同義的に用いることができることを示すのに用いられる。同様に「加熱プレート」、「加熱素子」、「コーティング層」、「反射素子」又は「リフレクタ」は、複数形で用いることができるが、これらの用語は１つ又は複数の品目を用いることができることを示すのに用いられる。

「バッチ処理チャンバ」は、「バッチ加熱組立体」又は「バッチ炉」と同義的に用いることができ、内部に収容された複数の基板（ウェーハ）を有する真空下の封入チャンバを備え、１つ又はそれ以上のヒータによって３００℃−８００℃の温度まで封入チャンバが加熱されている組立体を意味する。

本発明は、封入固体物を含む抵抗ヒータが用いられる半導体バッチ処理チャンバに関する。本発明のバッチ加熱システムは、セラミック封入グラファイトヒータの低熱質量及び純度に基づく、複数ウェーハの高速で均一な比較的汚染のない熱処理を可能にする。組立体は、封入チャンバ内に収容されたウェーハのボートを均一に加熱するように配置された１つ又は複数のセラミックヒータを含み、セラミックヒータは熱シールドのような低熱質量の絶縁体によって囲まれる。

バッチ処理チャンバ：
図１は、縦型加熱処理装置用の本発明のバッチ炉の一実施形態を示す。バッチ炉は、プロセスに必要な環境条件（圧力レベル、気体流レベル、その他）を維持する封入チャンバ１を含む。一実施形態では、チャンバ１は、ウェーハ３の汚れを低減する高純度水晶材料で作られる。一実施形態（図示せず）では、プロセスチャンバ１は、内管及び外管を備えた管状又は二重構造タイプの形態である。複数のウェーハ３は、処理中のウェーハの配置のために複数の支持体又は棚部を有するウェーハボート２内に装荷される。一実施形態では、ウェーハボート２は、ベースプレート５を通って延びるシャフト４によって支持される。シャフト４は、ウェーハ３の装荷／非装荷のためにウェーハボートをプロセスチャンバ１の内及び外に移動させることができる。シャフト４は、通常シャフトの軸の周りを回転し、ウェーハ３上のあらゆるプロセスの不均一性を平均化する。気体流を含むプロセス用において、気体吸入口及び排気口は、ベースプレート５内又はプロセスチャンバ壁１内に配置することができる。

実際のプロセスが開始できる前に、ウェーハは、ウェーハボート上に装荷する必要がある。同様に、プロセスの最後に、ウェーハをボートから非装荷する必要があり、新規のウェーハを装荷する必要がある。ウェーハの装荷／非装荷は通常、プロセス温度よりもかなり低い温度で実施される。従って、ウェーハがウェーハボート上に装荷されると、装荷／非装荷温度からプロセス温度まで炉を加熱する必要がある。炉内の条件が均一な結果の定常状態に到達するのを待機する必要性があるので、所要の処理時間が長くなる。同様に、プロセスの最後にウェーハを非装荷可能となる前に、炉を冷却する必要がある。炉を加熱し冷却するのに要する時間は、全サイクル時間の大きな部分を占める可能性があり、スループットを高めるために最小限にする必要がある。全時間温度サイクルにおけるウェーハ内へのエネルギー入力は、サーマルバジェットと呼ばれることが多い。必要な長い処理時間は、プロセスレシピのサーマルバジェットによって課された限度に違反する可能性がある。

バッチ加熱組立体の一実施形態では、ウェーハ３は、抵抗加熱素子６ａ−６ｃによってプロセス温度まで加熱される。これらの抵抗加熱素子は、低熱質量の絶縁体内に収納されたセラミック封入グラファイトヒータであり、該絶縁体の役割は、環境に対する熱損失を低減し、システム効率を最適化することである。セラミック封入グラファイトヒータ６ａ−６ｃは、処理されるべきウェーハ３を含むウェーハボート２を収納する水晶チャンバ１の周りに配置される。

ウェーハ３上でより良好な温度均一性を達成する一実施形態では、複数のヒータを用いて、幾つかの加熱ゾーン６ａ−６ｃを生成し、その電力密度は独立して制御することができる。各加熱ゾーンは、１つ又は複数のヒータからなることができる。大きなサイズの加熱ゾーンは、直列又は並列で幾つかのヒータを互いに装着し、単一の温度制御器を用いてこれらのヒータに電力を供給することによって生成することができる。

熱シールド７ａ−７ｃは、熱損失を減少させるためにヒータの周りに隣接して配置される。一実施形態では、シールドは、ヒータと直接接触している。別の実施形態では、シールドとヒータとの間に５ｍｍから２０ｍｍまでのギャップがある。熱シールドは、これらの熱シールドがセラミックヒータによって放射された熱を反射してチャンバの外側に移送される熱を最小にするので、加熱速度を効果的に増大させ、プロセスのサーマルバジェットを減少させる。図１に示すように、熱シールドは、ヒータの外側に配置される。他の実施形態では、熱シールドは、水晶チャンバの上又は下に位置決めされ、ウェーハボートの上部又は底部を通る熱損失を減少させ、ウェーハのバッチ全体にわたって良好な熱均一性を維持するのに役立つことができる。

一実施形態では、熱シールドは、アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデン、タンタル、その他の高反射性金属を含む。第２の実施形態では、熱シールドは、熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム、その他のようなセラミック材料を含む、熱を反射するあらゆる材料で作られる。一実施形態では、熱シールドの表面は、熱シールドの反射性を増大させるために研磨される。反射性が高くなるほど、より多くの熱がヒータ上に反射され、システムの熱効率がより高くなる。一実施形態では、熱シールドは、０．００１インチから０．０５インチまでの厚さの薄い金属箔又は層を含む。これらは非常に薄いために、熱シールドは、本質的に非常に低い熱質量を有し、加熱及び冷却が有利である用途に対して熱シールドを理想的なものにする。

一実施形態では、熱シールド７ａ−７ｃは、耐プロセス性があり、一般に銅のような汚染されない金属メッキセラミック、金属化ガラス、及び同様のもの等の絶縁体を更に含む。

粒子汚染を低下させるための高速温度変化率抵抗ヒータ：
例えば汚染なし又は殆ど汚染なしである粒子汚染が減少したバッチ加熱組立体の一実施形態では、抵抗ヒータ６ａ−６ｃは、電気加熱回路の少なくとも１つのゾーンを定める電流路のパターンで構成された加熱表面と、基板としてパターン形成本体を封入する誘電体絶縁コーティング層とを有する基板本体を含む。

一実施形態では、加熱素子６ａ−６ｃの基板本体はグラファイトを含む。別の実施形態では、基板本体は、水晶、窒化ホウ素、焼結窒化アルミニウム、焼結窒化ケイ素、窒化ホウ素及び窒化アルミニウムの焼結体、並びにモリブデン、タングステン、タンタル、レニウム、及びニオビウムのグループから選択された耐熱金属のうちの１つから選択された材料を含む。本発明の加熱素子６ａ−６ｃの表面は、実質的に連続であり、電気接続に必要な表面以外のパターン形成熱発生抵抗器を気密シールするため１つ又は複数のオーバーコート層でコーティングされることで、短路及び電位変化の発生を防ぎグラファイトダスト及び粒子のない、実質的に連続した平面を保証する。

一実施形態では、コーティング層は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属、或いはこれらの複合体及び／又は組合せからなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物の少なくとも１つからなる。

一実施形態では、抵抗加熱素子６ａ−６ｃのコーティング層は、ＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のＮＺＰ構造を有する高温安定化リン酸ジルコニウム、並びに同じ結晶構造を有する関連の等構造リン酸塩及びケイリン酸塩を含む。別の実施形態では、保護コーティング層２５は、元素周期律表の２ａ族、３ａ族及び４ａ族の元素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含むガラスセラミック組成物を含む。本明細書で呼ばれる２ａ族とは、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａを含むアルカリ土類金属素子を意味する。本明細書で呼ばれる３ａ族は、Ｓｃ、Ｙ又はランタノイド元素を意味する。本明細書で呼ばれる４ａ族は、Ｔｉ、Ｚｒ又はＨｆを意味する。コーティング層２５として用いるための好適なガラスセラミック組成物の実施例は、限定ではないが、ランタンアルミノシリケート（ＬＡＳ）、マグネシウムアルミノシリケート（ＭＡＳ）、カルシウムアルミノシリケート（ＣＡＳ）、及びイットリウムアルミノシリケート（ＹＡＳ）を含む。一実施形態では、保護コーティング層２５は、ＳｉＯ_２の混合物と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、又は同様のものの酸化物、或いはこれらの金属の１つのフッ化物、もしくはイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）を含むプラズマ抵抗材料とを含む。このような金属の酸化物の組合せ、及び／又はアルミニウム酸化物との金属酸化物の組合せを用いてもよい。別の実施形態では、保護コーティング層２５は、１６００℃よりも低い融点及び８８４℃から８９５℃までの狭い範囲内のガラス遷移温度（ＴＧ）に対して、２５重量％から５５重量％にわたるイットリア含有量を有する、Ｙ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２（ＹＡＳ）に基づく。複数のコーティング層を有する抵抗ヒータの一実施形態では、外側コーティングは第１のコーティング層と同じ材料又は異なる材料とすることができる。

グラファイトコアを有する抵抗ヒータ６ａ−６ｃの一実施形態では、グラファイト本体によって形成された電気パターンは、例えばスパイラル又は蛇行、スパイラルコイル、ジグザグ、迷路パターン、その他の電気加熱回路の少なくとも１つのゾーンの電流路を形成するための種々のサイズ及び形状のものとすることができる。グラファイト本体の厚さは、従来技術の公知の電気計算から、すなわちグラファイトベース１０に対して設計されている電気経路の厚さと共に、蛇行電気経路の長さ、幅、及び厚さに基づいて求めることができる。一実施形態では、グラファイトベース１０は、少なくとも０．０５インチの厚さを有する。第２の実施形態では、少なくとも約０．１０インチ。一実施形態では、電気接触は、コーティング層により機械加工され、外部電源に接続するための接触位置でグラファイトを露出する。或いは、電気接触拡張は、最終コーティングプロセス前に最初にグラファイトベースに機械加工されるか、又は全コーティング動作の前に加えることができる。

抵抗ヒータ６ａ−６ｃの一実施形態では、コーティング材料は、炭素、ケイ素、又はＹ_２Ｏ_３等の材料で非ドープされた形態、或いはドープされた形態の熱分解窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタンアルミニウム、窒化チタン、炭窒化チタンアルミニウム、炭化チタン、炭化ケイ素、及び窒化ケイ素のうちの１つである。ｐＢＮ及びＡＩＮは両方とも、優れた絶縁及び伝導特性を有し、気相から容易に堆積させることができる。これらはまた、高温安定性を有する。更にこれらは、熱分解グラファイトベース（黒）とは異なる色（白）を有し、従って電気パターンの形成段階において、コーティング層をパターンから容易に視覚的に識別することができる。

様々な方法を用いて、拡張熱プラズマ（ＥＴＰ）、イオンメッキ、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）（有機金属化学気相成長法（ＯＭＣＶＤ）とも呼ばれる）、金属有機気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、スパッタリングのような物理蒸着プロセス、反応性電子ビーム（ｅ−ビーム）蒸着、ペインティング後加熱（比較的厚いコーティング層用）、溶射、及びプラズマ溶射を含む抵抗ヒータの本体／基板上に１つ又は複数の層を堆積することができる。各層が異なる方法で堆積されている状態で、ヒータの基板上に複数のコーティング層用にこれらの方法を組合せることができる。一実施形態では、コーティング層の厚みは０．００５インチから０．１０インチまでである。第２の実施形態では、コーティング層は約０．０１インチから０．０５インチまでである。第３の実施形態では、コーティング層の厚みは、約０．０２インチよりも小さな厚さである。更に第４の実施形態では、コーティング層は、厚さが約０．１インチから０．０３インチまでの範囲の実質的に連続した平面層である。

特許文献１に記載される加熱素子の一実施例では、加熱素子は、加熱素子を形成する基板上に配置されたパターン形成熱分解グラファイト層と、パターン形成プレートを封入する少なくとも１つのコーティング層とを有する基板として熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）を含む。特許文献２に記載された加熱素子の別の実施例では、加熱素子は、窒化、炭化、炭窒化又は酸窒化化合物又はこれらの混合物の１つを含む少なくとも１つのコーティング層内に封入された、抵抗ヒータ用の電気流路のパターン状に構成されたグラファイト本体を含む。特許文献３に記載された加熱素子の更に別の実施例では、加熱素子は、グラファイト基板と、窒化、炭化、炭窒化又は酸窒化化合物の少なくとも１つを含む第１のコーティングと、抵抗ヒータ用の電気流路を形成するパターン形成グラファイトの第２のコーティング層と、パターン形成基板上の表面コーティング層とを含み、該表面コーティング層はまた、窒化、炭化、炭窒化又は酸窒化化合物の少なくとも１つを含む。ｐＢＮがオーバーコート層に用いられる一実施形態では、層厚さは、熱均一性を促進するように最適化され、ｐＢＮに固有の高度の熱伝導率の異方性を有利に利用する。第２の実施形態では、複数のオーバーコート層は、熱均一性を促進するのに用いられる。

バッチ組立体に用いるための放射ヒータは、優れた温度変化率すなわち１００℃から３００℃の間で＞４０℃／分を有するように特徴付けられる。１００℃から３００℃の温度範囲の一実施形態では、ヒータは、＞６０℃／分の温度変化率、別の実施形態では＞８０℃／秒の温度変化率を有する。更に別の実施形態では、温度変化率は＞１００℃／分である。第５の実施形態では、温度変化率は＞１５０℃／分である。極端な条件下で熱衝撃に対する優れた耐性を有する他のヒータ、及び、例えば１００℃−３００℃の温度範囲で＞５℃／秒の加熱速度を有する高速熱反応速度も用いることができる。

ヒータは、バッチ加熱装置に用いるのに好適な寸法を有した円筒形状、平面円板、圧盤及び同様のものとすることができる。一実施形態では、各ヒータは、ヒータの最長寸法（例えば、直径、長さ、その他）が２インチから２０インチまで、厚さが０．０５インチから０．５０インチまでである。一実施形態では、ヒータは、長さ２インチ×幅２インチ×厚さ．０１ｍｍの寸法を有する円盤とすることができる。円筒型（又は円筒型を形成する部分断面）の第３の実施形態では、円筒型ヒータは、内径２インチから２０インチまで、壁０．１０インチから０．５０インチまで、長さ２インチから４０インチまでの寸法を有する。

図２Ａは、円筒形状を有するヒータ６ａ−６ｃの一実施形態の平面図を示す。図２Ｂは、図２Ａの線Ａ−Ａに沿った断面の円筒型ヒータを示し、図２Ｃは、図２Ｂに示す丸で囲んだ区域の組立分解図を示す。グラファイト本体又はベース１０は、半導体処理用途に好適なあらゆる所望の厚さのものとすることができる。外側コーティング層１２は、グラファイトベースボディ１０の両面を封入する。別の実施形態では、コーティング層１２は、耐食性及び構造的支持のためのグラファイトベースボディ１０の上面を単に覆う。パターン１３は、外部電源（図示せず）への接続に適合された開口端を有する、スパイラル又は蛇行構成のパターンである。

バッチ加熱組立体の種々の実施形態：
一実施形態では、バッチ加熱システムは、円形ウェーハの幾何形状に適合し、水晶チャンバ周りの連続円筒型加熱表面を形成する。図３は、ヒータ６ａ−６ｃの円筒型実施形態の水平断面図である。水晶チャンバをヒータによって完全に囲むことができず、開口が幾つかの半径方向位置で許容される必要がある別の実施形態では、ヒータは、熱シールド（図４参照）によって囲まれた加熱素子の円筒断面を含む。円筒断面は、プロセス又は測定目的のために水晶チャンバへの接近を可能にするように間隔を置いて配置され、該円筒断面は製造の観点から製作が容易である。更に、断面は、幾何形状、気体流、又はあらゆる他の非軸対称外乱によって引き起こされる半径方向の不均一性を伴うプロセスに対応するように設計の柔軟性をもたらす。

例えば、フラットパネルディスプレイ処理のために四角形、矩形、又はより一般的な多角形を含む、半導体処理で遭遇するウェーハ幾何形状に対応する実施形態では、ヒータ６ａ−６ｃは、図５に示すように多角幾何形状を有する。更に別の実施形態では、加熱システムは、図６に示すように水晶チャンバの周りに配置されたプレート加熱素子からなる。プレート加熱素子は、典型的には製造が容易で、実際にあらゆるウェーハ幾何形状に適合することができる。これらはまた、半径方向の温度制御を追加の柔軟性に提供することができる。

一実施形態では、熱シールドは、図６に示すように単一の連続片を含む。熱シールドは、感圧接着剤、セラミック結合、接着剤、及び同様のものを用いる結合のような幾つかの方法を用いて、或いは銅のようなプロセス耐性があり一般に汚染のないスクリュー、ボルト、クリップ、及び同様のもの等のファスナーによって取り付けることができる。一実施形態では、熱シールドは、プレートヒータの周りに締結された分離片からなる。第２の実施形態では、熱シールドは、取付け及び取り外しを容易にするためにプレートヒータの後部に締結された平板である。更に別の実施形態では、熱シールドは、絶縁スクリュー、ボルト、クリップ、及び同様のもの等の絶縁ファスナーを用いてヒータ６ａ−６ｃから間隔を置いて配置され、間にギャップを形成する。

ヒータに対する電気接触は、種々の方法で行うことができる。プレート又は多角型ヒータの一実施形態では、コーティング層を除去してグラファイトを所定の位置で露出し、次いで、ネジ付きナット及び接触を向上させるためにグラファイトワッシャを用いてグラファイト上に伝導性ロッドをボルト締めした。ロッド及びナットは、アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデン、タンタル、その他のあらゆる伝導性材料で作ることができる。露出されたグラファイトが許容されず、或いはヒータによって形成された内面の内側突起が望ましくない用途では、セラミックコーティンググラファイトポストを使用することによって、電気的に接続することができる。

一実施形態では、グラファイトポストは、グラファイトスクリューに締結されるか、或いは直接加熱素子のグラファイトベースにネジ止めされる。これらの技法により、例えば、温度がかなり低い熱シールドの外側の加熱表面から更に離れて電気接続を配置することが可能となる。電気接続が低温領域内に配置されると、電気接続は、熱膨張の差の影響を受けにくく、従って柔軟性のある設計が容易になる。

図７に示す、電気接続用に外部ポストを用いるバッチシステムの一実施形態では、断面円筒型ヒータ６は、外側に配置された複数の熱シールド７ａ−７ｂを備える。電力は、ＰＢＮコーティンググラファイトポスト８及び９を介して、ヒータ内に供給される。これらのポストは、熱シールドを貫通して加熱システムの外側で接触するようにし、この場合、電気的接続はかなり低い温度でなされることになる。このような一実施形態では、ヒータコア温度は７００℃で測定されるが、ポスト端部温度はかなり低い５００℃で測定される。また、他の方法を用いて、限定ではないが、グラファイトポスト内に螺着された金属ロッド、ポストの外径上のクランプ、ポスト端部に接して平坦にねじ込まれた圧着端子を含む、電力ケーブルにグラファイトポストを接続することができる。

バッチ加熱組立体の特徴：
加熱組立体の一実施形態では、ヒータ６ａ−６ｃは、低抵抗の加熱素子としてグラファイトを含み、従って低電圧大電流電源の使用を必要とする。セラミック封入グラファイトヒータの最終抵抗は、製造時に厳密に制御することができる。一実施形態では、ヒータの部品毎のばらつきが通常０．５％よりも小さく、第２の実施形態では０．１％よりも小さい。例えば、内径８インチ’、半径方向のエクステンション１３０度、及び高さ６．３インチを有する２つの円筒断面ヒータ６ａ−６ｃは、同じ伝導体パターンで製造される。第１の部分は、６．６５５オームの最終抵抗を有し、第２の部分は、第１の部分の最終抵抗の０．２４％以内である６．６３９オームの最終抵抗を有する。従って、一実施形態では、ヒータの幾つかは直列に装着され、１つの独立した加熱ゾーンとして用いられる。直列でヒータを取り付ける利点は、全体の加熱ゾーン抵抗が増大することである。ヒータの適正な量を選択して直列で取り付けることによって、従来の大電流低電圧電源（例えば２００Ｖ、２０Ａ）をヒータへの給電に用いることができる。

セラミック封入ヒータの優れた耐熱衝撃特性と熱シールド絶縁体の低い熱質量とを組合せることで、本発明によって得られる極めて高い温度変化率が可能となる。ｐＢＮ封入グラファイトヒータが用いられる一実施形態では、バッチ加熱組立体は、ヒータ上で観察される悪影響がなく、６００℃／分を超える温度変化率で加熱される。更に熱シールドの使用及びヒータによってヒータ自体の上に排出された熱を金属化絶縁層によって反射することで高い温度変化率が得られる。熱シールド自体は、その熱質量が低いので本質的に急激に加熱される。

急速熱応答で封入ヒータ６ａ−６ｃを用いるバッチ加熱組立体の一実施形態では、ウェーハを急速に加熱し、該ウェーハを１℃／秒の速度で約３００℃−１０００℃の程度のプロセス温度にすることができる。本発明の一実施形態では、ヒータは、少なくとも１０℃／分の速度（「温度変化率」）で室温から１０００℃まで加熱される。第２の実施形態では、温度変化率は、少なくとも４０℃／分である。第３の実施形態では、温度変化率は、６０℃／分−３００℃／分である。

一実施形態では、バッチ加熱組立体は更に、従来技術のバッチ加熱組立体の熱質量の１／１０よりも小さな総熱質量を有するものとして特徴付けられる。これは、同じ電源に対して、本発明のバッチ加熱組立体が、従来技術のバッチ加熱組立体の１０倍よりも速く加熱されることになることを意味する。グラファイトは、他のセラミック材料よりも低密度を有し、極めて耐熱衝撃性があり、セラミック封入ヒータを作るために極めて薄く機械加工することができる。加熱シールドは、通常０．００１インチから０．０５インチまでの厚さのシートメタルで作ることができ、結果として極めて低質量の構成部品が得られる。

熱質量計算は、以下のように説明することができる。内径４００ｍｍ（通常３００ｍｍウェーハ処理用）の１メートル高さの円筒型加熱システムでは、４０ｍｍ厚さのアルミニウムで作られた従来のセラミック加熱システムは、２５℃で１８４ｋＪ／Ｋの総熱質量を有することになる。これに比べ、本発明のバッチ加熱組立体の実施形態は、ヒータの外側上に１０ｍｍ離間した２つのステンレス鋼熱シールドによって囲まれた極めて薄い（８ｍｍ）円筒型セラミック封入グラファイトヒータを含み、ヒータの熱質量は１４．５ｋＪ／Ｋ、リフレクタの熱質量は約１．３ｋＪ／Ｋ各々である。総熱質量は１７．１ｋＪ／Ｋである。この低い熱質量は、セラミック封入グラファイトヒータの低い熱質量と熱シールドの低い熱質量とに由来する。

封入ヒータを用いるバッチ加熱組立体は更に、これに応じてグラファイトパターンを製造することによって電力密度分布を均一に調整することができるので、ヒータの内面上の優れた温度均一性により特徴付けられる。更に、加熱素子上のセラミックコーティングによって形成された連続平面が超高度の熱均一性をもたらす。ｐＢＮ又はＡＩＮコーティングが用いられる一実施形態では、例えば、ｐＢＮでは６０Ｗ／ｍＫ、又はＡＩＮでは２００Ｗ／ｍＫのセラミックコーティングの高熱伝導率は、アルミナのような低伝導率材料を用いる従来技術のバッチ炉内よりも、より均一に熱を拡散するのに役立つ。断面円筒形状を有するヒータ（８インチＩＤを有する）が用いられる一実施形態では、最高温度と最低温度との間の差によって定義された熱均一性は、ヒータの縁部から６インチ離れて配置された中央ゾーン内で５℃になるように測定される。ヒータ表面の優れた熱均一性は、ウェーハが収容され、続いてウェーハが加熱されているチャンバ内の対応する熱均一性を反映する。一実施形態では、ウェーハ収容チャンバの外面上の最高温度と最低温度との差は１０℃よりも小さい。

従来技術のバッチ加熱組立体では、加熱素子が互いに近接して配置されず、又は適切に設計された熱絶縁体が用いられない限り、エッジ効果は、加熱素子の縁部に近接した区域内の熱均一性を悪化させ、従って、加熱されるべきウェーハの品質に影響を与える。

封入ヒータを用いるバッチ加熱組立体の別の利点は、半導体ウェーハ上への粒子形成／堆積の軽減にある。典型的なバッチ組立体では、ウェーハ処理は水晶チャンバの内側で起こるが、水晶チャンバを囲む加熱システムの粒子生成及び清浄度が、ウェーハ表面に影響を与える主要な要因である。水晶チャンバを囲む気体及び粒子によって、水晶チャンバの内側のプロセス環境の汚染を防ぐためにとられた多くの予防措置（密封、陽圧差、その他）にもかかわらず、粒子は、依然として水晶チャンバ内にみつかり、プロセスを汚染する可能性がある。従って、汚染なし加熱システムを有することが重要である。本発明の一実施形態では、バッチ加熱組立体は、化学蒸着のようなプロセスを介して堆積された保護層でコーティングされたヒータを用いる。従って、コーティング層は汚染されておらず、十分に密度が高く、耐熱衝撃性がある。例えば、熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）は、粒子生成、亀裂又は不具合の兆候なく、３０００℃／分を超える加熱速度で循環されている。製造プロセスに起因して、これらの層を用いるヒータは、焼結材料内に亀裂及び粒子を生成する機構の傾向がない。これらは、従って温度サイクルを含む用途に好適である。

バッチ加熱組立体は更に、従来技術のバッチ組立体と比較して、運転の延長／長寿命を有するように特徴付けられる。ＡＩＮ及び／又はｐＢＮ等のコーティングを用いるヒータは、高耐酸化性及び優れた気体気密性を示している。この実施例の加熱構成部品であるグラファイトは、ｐＢＮコーティングによって十分に保護されることになる。バッチ装置は、固有の酸化問題、並びにプロセス工具に対する著しく低い気密性要件及びパージ気体の純度に起因して、従来の金属コイルヒータでは評価されていないウェーハプロセスで用いることができる。

本発明は、以下の非限定実施例によって更に例証される。

グラファイトコア及び熱分解窒化ホウ素コーティングを有する、ゼネラルエレクトリック社（「ＧＥ」）から入手されるＢｏｒａｌｅｃｔｒｉｃ（登録商標）ヒータの内径２００ｍｍ厚さ８ｍｍの円筒断面の形態でセラミック封入ヒータを用いるバッチ組立体の温度変化率能力を例証するために実験を行った。円筒断面は、アルミナスペーサを用いてステンレスシールド熱シールドから１０ｍｍ離間された。放射バッフル／封入ヒータ組立体は、支持構造体に取り付けられ、次いで、１００℃から７００℃まで水晶円筒を直接加熱するのに用いられた。ヒータがヒータ温度が７００℃で安定化する前に、速やかに７００℃まで加熱される必要がある点に留意されたい。

図８は、ヒータの温度変化率が様々な値で制御された様々な事象を示すグラフである。実験では、ヒータの温度は１５、３０、及び６０℃／分の速度で増大した。更に実験では、ヒータの温度変化率は制御されなかったが、全出力がヒータ内に入力された（出力は、Ｒが低下し、Ｉが増大するにつれて増大した）。１００℃から３００℃の温度変化率は、３００℃／分であった。３００℃から６００℃では、温度変化率は、１２０℃／分であるように測定された。６００℃から７００℃では、温度変化率は、温度が７００℃で一定に保持される前に４２℃／分まで増大した。ヒータが７００℃で一定温度に達するのに９分はかからなかった。これは、内部ヒータ表面上の電力密度が８．５Ｗ／ｃｍ^２で達成された。比較すると、従来技術のバッチ加熱組立体の焼結セラミック材料によって達成することができる最大加熱速度は、約２０℃／分であり、著しく処理時間が増大する。

図９は、放射バッフルとして用いたステンレス鋼リフレクタから１０ｍｍ離間して配置された、８ｍｍ厚さのセラミック封入ヒータを用いるバッチ組立体の別の実施形態の加速寿命試験を示すグラフである。この実験では、直列に装着された２つの半円筒断面が試験された。部分ヒータ（各円筒型の半分は、図７に示す通りである）は、グラファイトコア及び熱分解窒化ホウ素コーティングを有するＢｏｒａｌｅｃｔｒｉｃ（登録商標）ヒータとしてゼネラルエレクトリック社から入手された。

組立体は、４５℃／分の温度変化率で２００℃から５００℃の間で１００回を超えて循環された。結果は、このシステムが優れた熱均一性と共に極めて再現可能であることを示している。６．５℃よりも小さな温度変化は、左のヒータと右のヒータとの間で得られた。これは、本発明のバッチ加熱組立体に用いたグラファイトヒータのヒータ抵抗に対する厳密な制御に起因する。

温度サイクル中にバッチ組立体の性能を評価するこの実験では、２つの半円筒断面を合わせて、組立体として用いるための円筒型ヒータを形成した。適合ステンレス鋼リフレクタは、１０ｍｍのギャップを残してアルミナスペーサを用いてヒータ断面の背部に取り付けられた。組立体は支持構造体に取り付けられ、次いで、２００℃から６００℃までの１５８温度サイクルの温度変化試験を受けた。これは、通常はウェーハ基板処理システム内の水晶チャンバを加熱するためにバッチ加熱組立体内で受けたのと同じである。各サイクルで、ヒータは、最高６００℃まで上昇して６００℃で７分間保持され、２００℃まで冷却され、２００℃で１０分間保持された。図１０に示すように、組立体は５０℃／分を超えて６００℃までの温度変化率を示した。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が可能であり、本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には理解されるであろう。

本発明の半導体バッチ処理チャンバの実施形態の構造を示す断面図。 図１の処理チャンバ内に用いる抵抗ヒータの一実施形態の断面図。 本発明のバッチ加熱システムの円筒型実施形態の一実施形態の水平断面図。 本発明のバッチ加熱システムの円筒断面実施形態の第２の実施形態の水平断面図。 本発明のバッチ加熱システムの六角形実施形態の水平断面図。 プレート加熱素子を用いるバッチ加熱システムの四角形実施形態の水平断面図。 電気接続用の外部ポストを用いる本発明の円筒断面実施形態の断面図。 本発明の断面円筒型実施形態の温度変化率を示すグラフ。 本発明の２断面円筒型実施形態の再現性を示すグラフ。 温度サイクル中にバッチ組立体の性能を評価したグラフ。

符号の説明

１ チャンバ
２ ボート
３ ウェーハ
４ シャフト
５ プレート
６、６ａ、６ｂ、６ｃ ヒータ
７ａ、７ｂ、７ｃ シールド
８、９ グラファイトポスト
１０ グラファイトベース
１２、２５ コーティング層
１３ パターン

Claims (12)

1. 複数のウェーハ基板を３００℃−８００℃のプロセス温度まで加熱するのに用いるためのバッチ処理装置であって、
   前記ウェーハ基板を支持するための複数の棚部を含むウェーハボート配置用の内部を有するチャンバと、
   前記チャンバの外側に配置され、内部側と外部側とを有し、該内部側が前記チャンバに面し、熱エネルギーを前記チャンバに移送して該チャンバ内に収容される前記ウェーハを加熱する少なくとも1つのヒータと、
   前記ヒータの外部側に配置された少なくとも１つの熱シールド層と、
   前記熱シールド層の外側に配置された少なくとも１つの金属化絶縁層と、
   を含み、
   前記ヒータが、少なくとも１つのゾーンを形成する複数の回路内にパターン形成された少なくとも１つの抵抗加熱素子を有し、前記少なくとも１つのゾーンを独立制御により加熱し、パターン形成された抵抗加熱素子の少なくとも一部が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属からなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、又は複合体及び／又はこれらの組合せ；ＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のＮＺＰ構造を有する高温安定化リン酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族及び４ａ族の元素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含むガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス；及びＳｉＯ_２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、又はＤｙの酸化物との混合物；のうちの少なくとも１つを含む少なくとも１つの層でコーティングされ、
   前記コーティング層は、拡張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法、イオンプラズマ蒸着、有機金属化学気相成長法、有機金属気相エピタキシー、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つによって、パターン形成抵抗加熱素子上に堆積され、
   前記チャンバは、少なくとも４０℃／分の温度変化率でプロセス温度まで加熱されることを特徴とするバッチ処理装置。
2. 前記ヒータが、３００℃−８００℃の温度範囲内の少なくとも６０℃／分の温度変化率を有することを特徴とする請求項１のバッチ処理装置。
3. 前記ヒータが、３００℃−８００℃の温度範囲内の少なくとも１００℃／分の温度変化率を有することを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載のバッチ処理装置。
4. 前記パターン形成抵抗加熱素子がグラファイトを含み、熱分解窒化ホウ素及び窒化アルミニウムの１つを含む誘電体絶縁層でコーティングされることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のバッチ処理装置。
5. 前記熱シールドが、ガラス、セラミック、アルミニウム、ニッケル、鉄、タングステン、タンタル、モリブデン、及びこれらの合金からなるグループから選択された少なくとも１つの材料を含む熱反射面を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のバッチ処理装置。
6. 前記ヒータと前記熱シールドとの間に非接触ギャップが存在することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のバッチ処理装置。
7. 前記ヒータが、円筒型、矩形、四角形、及び多角形のうちの１つから選択された断面形状を有する前記チャンバの形状に適合する形状であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のバッチ処理装置。
8. 前記ヒータが、プレート、円筒型、円筒断面、半円筒断面、多角断面、球断面、円盤、及び圧盤のうちの１つであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のバッチ処理装置。
9. 少なくとも１つの抵抗加熱素子を有する前記ヒータが、複数の加熱ゾーンを定める複数の回路内でパターン形成され、各ゾーンが独立制御されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のバッチ処理装置。
10. 相互接続されて少なくとも１つの加熱ゾーンを形成する複数のヒータを含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のバッチ処理装置。
11. 直列又は並列に相互接続されて複数の加熱ゾーンを定める複数のヒータを含むことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載のバッチ処理装置。
12. 複数のウェーハ基板を３００℃−８００℃のプロセス温度まで加熱するのに用いるバッチ処理装置であって、
    前記ウェーハ基板を支持するための複数の棚部を含むウェーハボート配置用の内部を有するチャンバと、
    前記チャンバの外側に配置され、内部側と外部側とを各々が有し、該内部側が前記チャンバに面し、熱エネルギーを前記チャンバに移送して該チャンバ内に収容される前記ウェーハを加熱する複数のヒータと、
    前記ヒータの外部側に配置された複数の熱シールド層と、
    前記熱シールド層の外側に配置された少なくとも複数の金属化絶縁層と、
    を含み、
    前記各ヒータが、少なくとも１つのゾーンを形成する複数の回路内にパターン形成された少なくとも１つの抵抗加熱素子を有し、前記少なくとも１つのゾーンを独立制御により加熱し、パターン形成された抵抗加熱素子の少なくとも一部が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐熱性超硬合金、遷移金属、及び希土類金属からなるグループから選択された元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又は酸窒化物、又は複合体及び／又はこれらの組合せ；ＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３のＮＺＰ構造を有する高温安定化リン酸ジルコニウム；２ａ族、３ａ族及び４ａ族の元素からなるグループから選択された少なくとも１つの元素を含むガラスセラミック組成物；ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２ガラス；及びＳｉＯ_２と、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、又はＤｙの酸化物との混合物；のうちの少なくとも１つを含む少なくとも１つの層でコーティングされ、
    前記コーティング層は、拡張熱プラズマ（ＥＴＰ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法、イオンプラズマ蒸着、有機金属化学気相成長法、有機金属気相エピタキシー、スパッタリング、電子ビーム及びプラズマ溶射の少なくとも１つによって、パターン形成抵抗加熱素子上に堆積され、
    前記チャンバは、少なくとも４０℃／分の温度変化率でプロセス温度まで加熱され、
    前記ヒータが、直列又は並列で相互接続されることを特徴とするバッチ処理装置。