JP2009032998A - 半導体ウエハ加熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の半導体ウエハを一括して処理可能に構成されたものにおいて、すべての半導体ウエハについて、所定の熱処理を、半導体ウエハの面内での均一性、および、半導体ウエハ間での均一性が高い状態で、行うことのできる半導体ウエハ加熱処理装置を提供すること。
【解決手段】 半導体ウエハが保持された状態のウエハ保持具を、内面が反射面とされた処理容器内に収容し、当該処理容器内に設けられたフィラメントランプによって加熱することにより、半導体ウエハの加熱処理を行う半導体ウエハ加熱処理装置において、フィラメントランプがフィラメントの色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、フォトレジストのアッシング処理（灰化処理）や、ガラス基板へのアモルファスシリコン成膜（ＣＶＤ）処理などにおける予備加熱、フォトレジストのベーク処理などに使用される半導体ウエハ加熱処理装置に関する。

現在、例えば、半導体デバイスの製造プロセスにおいては、例えば半導体ウエハに対する不純物拡散処理や成膜処理を行うために、例えば多数の半導体ウエハについて、目的とする処理を同時に（一括して）行うことができるバッチ式の加熱処理装置が知られており、このような加熱処理装置においては、例えば、多数枚の半導体ウエハが水平となる状態で上下方向に所定間隔（ピッチ）で保持されたウエハ保持具が処理室内に収容されると共に所定の処理用ガスが処理室内に導入された状態において、半導体ウエハが加熱手段により所定の処理温度、例えば９００〜１２００℃程度に加熱されることにより、目的とする熱処理が行われる。

このような熱処理装置のある種のものにおいては、例えば図３に示すように、各々、環状のハロゲンランプよりなる多数の光放射加熱用ヒータ４０が処理室４５に沿って所定間隔毎に並列状に配置されて構成された加熱手段を備えた構成とされている（特許文献１参照）。

上記のような光照射式の加熱処理装置によって、例えば、フォトレジストのアッシング（灰化処理）やガラス基板へのアモルファスシリコン成膜（ＣＶＤ）等の予備加熱、フォトレジストのベーク処理等を行う場合には、被処理体を、上記シリコン酸化膜形成、不純物拡散等のプロセスよりも低温、例えば１００〜５００℃程度の温度で、被処理体を加熱処理することが必要とされている。

しかしながら、上記加熱処理装置においては、例えばシリコンよりなる半導体ウエハ（シリコンウエハ）ＰＷなどの被処理体を１００〜５００℃程度の温度範囲で加熱する場合には、光放射加熱用ヒータ４０に近いシリコンウエハＰＷの外縁部は高温になり、一方、光放射加熱用ヒータ４０から遠いシリコンウエハＰＷの中央部は外縁部より温度が低い状態となり、シリコンウエハＰＷ上の面内での温度分布が均一な状態となるよう加熱することができない、という不具合が生じることが判明した。

一般に、シリコン（Ｓｉ）は、図４（イ）に示すように、波長が長くなるに従って透過率が高くなる（吸光度が低くなる）傾向、すなわち、例えば１．１μｍより短波長側の光は吸収される割合が高く、１．１μｍより長波長側の光は透過する割合が高くなる光透過特性を示すことが知られている。
また、シリコン（Ｓｉ）に限らず、例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ（図４（ロ）））やゲルマニウム（Ｇｅ（図４（ハ）））などについても、同様の傾向が見られ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）については、例えば０．８μｍより長波長側の光の透過率が高くなり、また、ゲルマニウム（Ｇｅ）については、例えば１．８μｍより長波長側の光の透過率が高くなる。
一方、ハロゲンランプや白熱ランプなどのフィラメントランプは、図５に示すように、フィラメントランプから放射される波長ピークが、点灯時におけるフィラメントの色温度が低くなるに従って、長波長側に移動して長波長側の光の放射強度の割合が大きくなる。 従って、シリコンウエハＰＷに吸収される、１．１μｍ以下の短波長の光について高い光出力が得られる状態、すなわちフィラメントの色温度が高い（例えば３０００Ｋ、波長ピークは０．９〜１μｍ程度）状態のフィラメントランプ４０によって、シリコンウエハＰＷを加熱した場合には、フィラメントランプ４０から放射された光の大部分は、シリコンウエハＰＷの外縁部において吸収されるために、中央部に到達する光量が小さくなって、シリコンウエハＰＷの中央部に対する加熱の程度が低くなり、シリコンウエハＰＷ上の面内での温度分布にバラツキが生ずることになる。
具体的には、例えば、シリコンウエハＰＷの中央部と外縁部との温度差が５０℃以上にもなることがあり、このような問題は、例えば直径がφ３００ｍｍの大口径のシリコンウエハの処理を行う場合に、顕著になる。

特開２００１−１５６００８号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、複数の半導体ウエハを一括して処理可能に構成されたものにおいて、すべての半導体ウエハについて、所定の熱処理を、半導体ウエハの面内での均一性、および、半導体ウエハ間での均一性が高い状態で、行うことのできる半導体ウエハ加熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体ウエハ加熱処理装置は、半導体ウエハが保持された状態のウエハ保持具を、内面が反射面とされた処理容器内に収容し、当該処理容器内に設けられたフィラメントランプによって加熱することにより、半導体ウエハの加熱処理を行う半導体ウエハ加熱処理装置において、
前記フィラメントランプがフィラメントの色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯されることを特徴とする。

本発明の半導体ウエハ加熱処理装置においては、前記ウエハ保持具は、複数の半導体ウエハを互いに垂直方向に離間した状態で保持する多数のウエハ保持部を有し、
前記フィラメントランプは直管型のものであって、その管軸が垂直方向に伸びる姿勢で、ウエハ保持具の周囲に配置された構成とすることができる。

また、本発明の半導体ウエハ加熱処理装置においては、加熱処理が行われるに際して、前記ウエハ保持具における、処理すべき半導体ウエハが載置されるウエハ載置領域の上部および下部に位置されるウエハ保持部には、熱電対が接続された模擬的な半導体ウエハが配置されることが好ましい。

本発明の半導体ウエハ加熱処理装置によれば、処理容器内の内面が反射面とされていると共に、フィラメントランプがフィラメントの色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯されることにより、フィラメントランプから放射される光の大部分は、半導体ウエハを透過するので、すべての半導体ウエハについて、半導体ウエハの面内および半導体ウエハ間で実質的に均一な条件で、光照射が行われて、フィラメントランプから放射される光が処理容器内で多重反射される過程において、半導体ウエハに徐々に吸収されることとなる結果、すべての半導体ウエハについて、所望の加熱処理を温度分布が均一となる状態で行うことができる。

また、フィラメントランプが直管型のものであって、その管軸が垂直方向に伸びる姿勢で、ウエハ保持具の周囲に配置された構成とされていることにより、フィラメントランプからの光を、ウエハ保持具に所定間隔で保持された半導体ウエハ間に導いて、すべての半導体ウエハについて、半導体ウエハの面内および半導体ウエハ間で実質的に均一な条件で、光照射を行うことができるので、一層確実に、半導体ウエハの温度分布が均一となる状態で所望の加熱処理を行うことができる。

さらに、光の入射条件が他のウエハ保持部と大きく異なる、処理すべき半導体ウエハが載置されるウエハ載置領域の上部および下部に位置されるウエハ保持部に、模擬的な半導体ウエハが配置されることにより、製品とされる半導体ウエハについては、所定の熱処理を実質的に同一の条件で行うことができるので、半導体ウエハの面内での均一性、および、半導体ウエハ間での均一性が高い状態が確実に得られる。
また、模擬的な半導体ウエハに設けられた熱電対により検出される温度データに基づいて、半導体ウエハが設定された温度状態となるよう、フィラメントランプに対する供給電力の大きさが制御されるので、所望の熱処理を確実に行うことができる。

図１は、本発明の半導体ウエハ加熱処理装置の一例における要部の構成を概略的に示す断面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
この半導体ウエハ加熱処理装置は、高さ方向（図１において、上下方向）に伸びるよう配置された、上端が閉塞されると共に下端が開放されている筒状の内管（ベルジャ）１１と、その周囲に所定の間隔を隔てて同心状に配置された、上端が閉塞されている筒状の外管１２とからなる二重管構造を有する処理容器１０を備えている。
内管１１および外管１２は、いずれも、例えば石英ガラスにより形成されており、外管１２の内面には、例えばアルミニウム、金またはステンレス鋼よりなる、例えば波長１．１〜３．０μｍの範囲の光を６０％以上反射する反射面１２Ａが形成されている。

処理容器１０の下方には、上下方向に駆動されてウエハ保持具２０を処理容器１０（内管１１）内に搬入、搬出する昇降機構１５が設けられており、この昇降機構１５における円板状の底板１６によって処理容器１０の下端開口が閉塞されることにより内管１１の内部に処理室Ｓが形成される。
また、底板１６におけるウエハ保持具２０の載置面についても、外管１２の内面と同様に反射面１６Ａが形成されている。

ウエハ保持具２０は、例えば石英ガラスよりなり、複数枚例えば１４枚程度の半導体ウエハ、例えば直径がφ３００ｍｍであるシリコンウエハＰＷが水平となる状態で、上下に所定間隔（ピッチ）、例えば９．５ｍｍ間隔で上下に多段に保持されるよう形成された、ウエハ保持部を有する。
このウエハ保持具２０における、製品とされるシリコンウエハＰＷが載置されるウエハ載置領域の上部および下部に位置されるウエハ保持部、例えば最上部および最下部に位置されるウエハ保持部には、例えば熱電対が接続された模擬的な半導体ウエハであるダミーウエハＤＷが配置される。

上記半導体ウエハ加熱処理装置においては、処理容器１０内における内管１１と外管１２との間に形成される環状空間に、処理室Ｓ内に収容されたシリコンウエハＰＷを所定の処理温度に加熱するためのフィラメントランプ３０が設置されている。
この実施例においては、図２にも示すように、例えば１２本の直管型のフィラメントランプ３０が、その管軸が垂直方向に伸びる姿勢で、例えば円周方向に沿って等間隔毎に離間して内管の周囲を取り囲むよう設置されている。
各々のフィラメントランプ３０は、例えば、両端に封止部が形成された、例えばガラス材料よりなる発光管を備えており、発光管の内部空間に、例えばハロゲンガスが封入されるとともに、例えばタングステン素線がコイル状に巻回されて形成されたコイル状のフィラメント３１が、発光管の管軸に沿って伸びるよう配置されている。

各フィラメントランプ３０におけるフィラメント３１は、ランプ点灯時におけるフィラメント３１の色温度が少なくとも２０００Ｋ程度となるよう構成されていれば、素線径，コイル径，コイルピッチ，長さおよびその他の具体的な構成は特に制限されるものではないが、例えばフィラメント３１の長さは、ウエハ保持具２０の高さ方向の全域にわたって均一に光が照射される大きさとされていることが好ましい。
フィラメントランプ３０の一構成例を示すと、例えば、フィラメント３１の長さが４０ｃｍ、定格電力が１ｋＷ、定格電圧が２００Ｖのものである。

次に、上記半導体ウエハ加熱処理装置において実施されるシリコンウエハＰＷに対する熱処理について説明する。
シリコンウエハＰＷが保持された状態のウエハ保持具２０が、底板１６上に載置された後、昇降機構１５により底板１６が上方向に駆動されてウエハ保持具２０が下端開口から処理容器１０（内管１１）内に搬入されると共に、底板１６により処理容器１０の下端開口が気密に閉塞される。上述したように、例えばウエハ保持具２０における最上部および最下部のウエハ保持部には、ダミーウエハＤＷが載置された状態とされている。
そして、処理室Ｓ内の雰囲気の不活性ガス置換や真空引きが必要に応じて行われた後、フィラメントランプ３０が、被処理体であるシリコンウエハＰＷを透過する波長の光が主として放射される、フィラメント３１の色温度である２０００Ｋ以下となるよう点灯されることにより、シリコンウエハＰＷに対して加熱処理が行われる。ここに、「主として放射される」とは、シリコンウエハＰＷを透過する波長の光の割合が８８％以上（シリコンウエハＰＷに吸収される波長の光が１２％以下）であることをいう。
フィラメントランプ３０がフィラメント３１の色温度が２０００Ｋより大きくなるよう点灯される場合には、シリコンウエハＰＷに吸収される波長の光の割合が高くなるため、フィラメントランプ３０に近いシリコンウエハＰＷの外縁部において吸収される光量が多くなるため、シリコンウエハＰＷの温度分布にバラツキが生ずる。

シリコンウエハＰＷに対する加熱処理は、例えば、予め取得しておいたダミーウエハＤＷの温度とフィラメントランプ３０に対する印加電圧との相関パターン（温度プロファイル）に従って、ウエハ保持具２０の最上部および最下部に載置されたダミーウエハＤＷに設けられた熱電対によって検知される温度情報に基づいて、フィラメントランプ３０に対する印加電圧（供給電力）の大きさが調整されて、行われる。ここに、相関パターン（温度プロファイル）は、例えば熱電対を埋め込んだダミーウエハＤＷを用いて、実際の製品とされるシリコンウエハＰＷに対してなされる処理条件で加熱処理をすることにより得られる。

加熱処理中における温度制御について具体的に説明すると、ダミーウエハＤＷが所定の温度に達したことが検知されることにより、各フィラメントランプ３０に対する供給電力が絞られる（小さく抑制）ことにより、あるいは、電力供給が停止されることにより、所定の温度状態が維持される。例えば処理室Ｓ内が真空状態とされている場合には、シリコンウエハＰＷからの放熱は緩やかに行われるので、フィラメントランプ３０に対する電力供給を停止した場合であっても、シリコンウエハＰＷの温度は極緩やかに下降することとなり、シリコンウエハＰＷの温度が所定の温度範囲内に維持された状態で熱処理が行われる。
また、所望の熱処理について要求される温度範囲に応じてフィラメントランプ３０の点灯制御が行われてもよい。例えば温度範囲が比較的広い場合には、フィラメントランプ３０に対する電力供給が停止され、一方、温度範囲が比較的狭い場合は、シリコンウエハＰＷを所定の温度状態に維持するのに必要な電力が供給される。

而して、上記半導体ウエハ加熱処理装置においては、フィラメントランプ３０がフィラメント３１の色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯されることにより、フィラメントランプ３０から放射される光は、図５に示すように、波長ピークが例えば１．４〜１．５μｍ、波長１．１μｍ以上の光の割合が８８％以上のものとなって、その大部分がシリコンウエハＰＷを透過されて発散されることになる。
すなわち、フィラメントランプ３０からの光（図１において二点鎖線で示す。）は、処理容器１０を構成する内管１１を透過してシリコンウエハＰＷに入射されるが、その大部分の光は当該シリコンウエハＰＷを透過して、他のシリコンウエハＰＷへの入射および透過を繰り返しながら、内管１１を透過し、その後、外管１２の内面に形成された反射面１２Ａ、または底板１６の内面上に形成された反射面１６Ａによって反射されて、再び、処理室Ｓ内に導入される。
そして、フィラメントランプ３０から放射される光が処理室Ｓ内で多重反射される過程において、すべてのシリコンウエハＰＷについて、シリコンウエハＰＷの面内およびシリコンウエハＰＷ間で実質的に均一な条件で光照射が行われて、シリコンウエハＰＷに徐々に吸収されることとなる結果、後述する実験例の結果にも示されているように、各シリコンウエハＰＷについて、所望の加熱処理を温度分布が均一となる状態、例えば半導体を製造する最先端ラインでの許容範囲である、シリコンウエハＰＷ上の温度分布における温度差が２％以下となる状態で行うことができる。

また、上記半導体ウエハ加熱処理装置によれば、フィラメントランプ３０が直管型のものであって、その管軸が垂直方向に伸びる姿勢で、ウエハ保持具２０の周囲に配置された構成とされていることにより、フィラメントランプ３０からの光を、ウエハ保持具２０に所定間隔で保持されたシリコンウエハＰＷ間に導いて、すべてのシリコンウエハＰＷについて、シリコンウエハＰＷの面内およびシリコンウエハＰＷ間で実質的に均一な条件で、光照射を行うことができるので、一層確実に、シリコンウエハＰＷの温度分布が均一となる状態で所望の加熱処理を行うことができる。

さらに、光の入射条件が他のウエハ保持部と大きく異なる、製品とされるシリコンウエハＰＷが載置されるウエハ載置領域の上部および下部に位置されるウエハ保持部に、ダミーウエハＤＷが配置されることにより、製品とされるシリコンウエハＰＷについては、一層確実に、所望の熱処理を実質的に均一な条件で行うことができるので、シリコンウエハＰＷの面内での均一性、および、シリコンウエハＰＷ間での均一性が高い状態が確実に得られる。
また、ダミーウエハＤＷに設けられた熱電対により検出される温度データに基づいて、シリコンウエハＰＷが設定された温度状態となるよう、予め設定された温度プロファイルに従って、フィラメントランプ３０に対する供給電力の大きさが制御されるので、所望の熱処理を確実に、かつ、容易に行うことができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
図１および図２に示す構成の半導体ウエハ加熱処理装置を用い、ウエハ保持具に対して、直径φ３００ｍｍであるシリコンウエハ（製品ウエハ）１４枚を載置すると共に、最上部および最下部に位置されるウエハ保持部にダミーウエハを載置した状態（満載状態）において、ウエハ保持具を処理室内に搬入し、製品ウエハの温度が２００℃となるよう加熱処理を行った。ここに、各フィラメントランプは、定格電力が１ｋＷ、定格電圧が２００Ｖであるものであり、ランプ点灯時におけるフィラメントの色温度が２４００Ｋとなる条件で点灯した。
加熱処理時におけるシリコンウエハの特定の測定箇所の温度が２００℃に達したときの、シリコンウエハ上の最大温度と最小温度との温度差を測定し、シリコンウエハの面内での温度均一性を調べた。結果を下記表１に示す。

また、フィラメントランプの数を調整すると共に総放射エネルギー量（電力密度）が同一となる条件（駆動電力）で点灯することにより、点灯時におけるフィラメントの色温度を下記表１に従って調整して、上記と同様の実験を行った。結果を下記表１に示す。
下記表１において、例えば、温度差が「４℃」とあるのは、シリコンウエハにおける特定の測定箇所の温度が２００℃に達したときの、最大温度が２０２℃、最小温度が１９８℃である状態であることを示し、温度差（処理温度に対する誤差）〔％〕は、２／２００×１００（％）より、「１％」と記載してある。

以上のように、フィラメントランプがフィラメントの色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯されることにより、シリコンウエハの面内での温度差を２％以下にすることができ、シリコンウエハの温度分布が均一となる状態で加熱することができることが確認された。
また、ウエハ保持具における高さ方向における位置に関わらず、すべてのシリコンウエハについて同様の結果が得られた。すなわち、シリコンウエハ間での均一性が高い状態で所望の加熱処理を行うことができることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、フィラメントランプは、処理室内に配置されていれば、フィラメントランプから放射される光を処理室内で多重反射させることができるので、複数本である必要はなく、例えば１本でもよく、また、シリコンウエハの外周に配置されていなくてもよい。さらに、フィラメントランプは、両端封止型のものであっても、一端封止型のものであってもよい。
また、加熱処理中の温度制御は、例えば放射温度計などの温度測定手段を用い、この温度測定手段により得られる温度情報をフィードバック制御することにより、行われてもよい。
さらに、本発明は、いわゆる縦型熱処理装置に限定されるものではなく、処理容器が水平方向に伸びるよう配置され、半導体ウエハが垂直となる状態で水平方向に並ぶよう保持された状態で処理容器内に収容される横型熱処理装置にも適用することができる。

本発明の半導体ウエハ加熱処理装置の一例における要部の構成を概略的に示す断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 従来における光照射式の加熱処理装置の一例における構成を示す断面図である。 Ｓｉ（イ），ＧａＡｓ（ロ）およびＧｅ（ハ）の光透過特性を示すグラフである。 総放射エネルギー（ランプ電力密度）を同じにした場合における放射スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１０ 処理容器
１１ 内管（ベルジャ）
１２ 外管
１２Ａ 反射面
１５ 昇降機構
１６ 底板
１６Ａ 反射面
２０ ウエハ保持具
３０ フィラメントランプ
３１ フィラメント
４０ 光放射加熱用ヒータ
４５ 処理室
ＰＷ シリコンウエハ
ＤＷ ダミーウエハ
Ｓ 処理室

Claims (3)

1. 半導体ウエハが保持された状態のウエハ保持具を、内面が反射面とされた処理容器内に収容し、当該処理容器内に設けられたフィラメントランプによって加熱することにより、半導体ウエハの加熱処理を行う半導体ウエハ加熱処理装置において、
   前記フィラメントランプがフィラメントの色温度が２０００Ｋ以下となるよう点灯されることを特徴とする半導体ウエハ加熱処理装置。
2. 前記ウエハ保持具は、複数の半導体ウエハを互いに垂直方向に離間した状態で保持する多数のウエハ保持部を有し、
   前記フィラメントランプは直管型のものであって、その管軸が垂直方向に伸びる姿勢で、ウエハ保持具の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハ加熱処理装置。
3. 加熱処理が行われるに際して、前記ウエハ保持具における、処理すべき半導体ウエハが載置されるウエハ載置領域の上部および下部に位置されるウエハ保持部には、熱電対が接続された模擬的な半導体ウエハが配置されることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウエハ加熱処理装置。

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