JP2018078265A - 加熱装置、半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
加熱効率を向上し、昇温時間の短縮化、加熱器への投入パワーの低消費電力化を図る。
【解決手段】
加熱装置２０は、基板Ｗを支持する支持部１を有し、加熱位置ＨＰと非加熱位置ＮＨとの間で基板Ｗを移送する移送機構Ｍと、加熱位置ＨＰで、基板Ｗの一面を加熱する加熱器４と、基板Ｗの他面と対向して移送機構Ｍに設けられた熱反射板２を有し、熱反射板２が、基板Ｗの他面を覆う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板処理の実施前に基板温度を所定温度に昇温させる加熱装置と同装置を備えた半導体製造装置に関する。

基板温度を所定温度に加熱した後、同基板に対して成膜やビーム照射等の処理を施す成膜装置やイオン注入装置等の半導体製造装置が知られている。

基板加熱の一例としては、特許文献１に記載されているように、搬送アームの旋回により同アームの一端に支持されている基板を非加熱位置から加熱位置へ移送させ、加熱位置に配置された昇温用のヒーターで同基板を一面側から加熱する手法が知られている。

特開２０１５−１５３３０

特許文献１の基板加熱方法は、ヒーターが配置されていない側の基板面（非加熱面）から熱が放散されるので、加熱効率が悪い。このために、基板が所定温度に到達するまでに要する時間の長期化や加熱器での消費電力が増加する等の問題がある。

本発明では、これらの問題を一挙に解決することのできる加熱効率の改善された加熱装置と同加熱装置を備える半導体製造装置を提供する。

本発明の加熱装置は、
基板の外周を支持する支持部を有し、加熱位置と非加熱位置との間で基板を移送する移送機構と、
前記加熱位置で、前記基板の一面を加熱する加熱器と、
前記基板の他面と対向して前記移送機構に設けられた熱反射板を有し、
前記熱反射板が、前記他面を覆う加熱装置。

基板の非加熱面を覆う熱反射板を設けたので、非加熱面から放散された熱を非加熱面の全域に反射することが可能となり、基板の加熱効率が向上する。
この加熱効率の向上により、昇温時間の短縮化、加熱器への投入パワーの低消費電力化が可能となる。

基板の加熱効率をさらに向上するには、
前記加熱位置で、前記支持部から前記加熱器に前記基板を移送し、前記基板を前記支持部よりも前記熱反射板側に位置させる第二移送機構を備えていることが望ましい。

上記した第二移送機構があれば、加熱器と熱反射板との距離が近づくことから、基板の加熱効率がさらに向上する。

加熱効率を向上させる別の構成としては、
前記熱反射板が、前記基板側に向けて凹形状をしていることが望ましい。

上記した凹形状の熱反射板であれば、非加熱面から放散された熱を非加熱面側に効果的に反射することができる。

基板面の温度計測や基板面の温度分布調整のために、
前記熱反射板には開口が形成されていることが望ましい。

熱反射板に開口があれば、同開口を通じて放射温度計による基板の温度測定が可能となる。また、開口の大きさ、形状、位置等を工夫することにより、熱反射板側の基板面の温度分布を調整することも可能となる。

加熱器上で基板を固定支持するために、
前記加熱器が、前記基板を前記加熱器上に固定支持する機械式、静電式あるいは真空式の固定支持具を備えていてもよい。

加熱効率が向上された本発明の構成であれば、上記の固定支持具による安定して強固な固定支持の条件を短時間で充足することが可能となる。

上述した加熱装置を備えた装置としては、前記加熱器に固定支持された前記基板に半導体製造処理を施す半導体製造装置が考えられる。

このような半導体製造装置であれば、半導体製造処理の前工程である加熱工程が短時間で済むので、基板処理に要する全体の作業時間を短縮することができる。

基板の非加熱面を覆う熱反射板を設けたので、非加熱面から放散された熱を非加熱面の全域に反射することが可能となり、基板の加熱効率が向上する。
この加熱効率の向上により、昇温時間の短縮化、加熱器への投入パワーの低消費電力化が可能となる。

本発明に係る加熱装置の構成例を示す概略図 図１の加熱装置で加熱位置に移送された基板を側方から視たときの概略図 加熱器を移送する第二移送機構を備えた加熱装置の一例を示す概略図 移送機構の支持部に支持された基板を上方から視たときの概略図 熱反射板の変形例についての説明図（Ａ）はＸＹ平面図、（Ｂ）は（Ａ）に記載のＶ−Ｖ線でＺ方向に図５（Ａ）に記載の構成例を切断したときの切断面 本発明の加熱装置を備えた半導体製造装置の一例を示す概略図 図６の半導体製造装置で加熱位置に移送された基板を側方から視たときの概略図 基板と静電チャック間の静電容量の時間変化を表す実験結果

本発明に係る加熱装置の構成例を図１、図２を用いて、以下に説明する。

図１に図示されているように、加熱装置２０は、加熱位置ＨＰと非加熱位置ＮＨとの間で基板Ｗ（例えば、シリコンやシリコンカーバイド等の半導体基板や、無機アルカリガラスや石英ガラス等のガラス基板）を移送する移送機構Ｍを備えている。
図示される移送機構Ｍは、旋回により基板Ｗの移送を行う機構で、
回転軸１１周りにモーター等の駆動源１２によって一端が回動する搬送アーム１０と、
搬送アーム１０の他端に設けられていて、基板Ｗの外周端部を支持する支持部１と、
支持部１に支持された基板Ｗと対向する熱反射板２を備えている。

熱反射板２は、基板Ｗの非加熱面を覆っている。このことを換言すれば、熱反射板２の基板Ｗの非加熱面との対向面積は、非加熱面の面積と同じか、これよりも大きく、熱反射板２側から基板Ｗをみたときに、基板Ｗが熱反射板２に隠れて見えない。つまり、基板Ｗの非加熱面の全面を覆っている。
このような熱反射板２を用いることで、非加熱面から放散された熱を非加熱面側に反射して、非加熱面の全体にわたり、熱反射効果が得られる。
熱反射板２としては、アルミ、銅等の反射効率の高い金属を使用する。一方、金属材料の基板への混入を防止するという目的であれば、反射率は多少落ちるもののこれらの金属材料とは別に非金属材料を使用することが考えられる。
また、金属材料の基板との対向面や表面全体を非金属材料でコーティングすることで、金属材料の基板への混入を防止するようにしてもよい。この場合、非金属材料は熱を透過する材料で、金属材料は熱を反射する材料を用いる。

さらに、加熱装置２０は加熱位置ＨＰに加熱器４を備えている。基板Ｗは、移送機構Ｍで加熱位置ＨＰに移送された後、加熱器４で加熱される。

図２には、加熱位置ＨＰで基板Ｗが加熱される様子が描かれている。加熱器４と基板Ｗ、基板Ｗと熱反射板２の間に描かれている矢印は、基板Ｗと熱反射板２の間での熱の流入出と加熱器４から基板Ｗへの熱の流入を簡単に表したものである。

本発明の構成では、加熱器４で加熱されている基板面の裏側となる非加熱面と対向して熱反射板２が設けられている。この熱反射板２は、図示の通り、支持部１と搬送アーム１０との間に保持されている。

この熱反射板２を設けることで、基板Ｗの非加熱面側から放散される熱を基板側に反射することが可能となる。その結果、基板Ｗの加熱効率が向上され、昇温時間の短縮化、加熱器４への投入パワーの低消費電力化が可能となる。

この構成例では、搬送アーム１０に対して複数の支持部１がボルトによって固定されているが、搬送アーム１０と支持部１は一体化されていてもよい。また、熱反射板２として、上述した実施形態では独立した部材が設けられていたが、本発明の熱反射板２はこのような構成に限られない。例えば、搬送アーム１０の一部を大型にして、大型にした部位を熱反射板２として使用してもよい。

ただし、取り扱う基板Ｗの寸法や基板面内での温度分布特性への影響等に応じて熱反射板２の大きさや形状等を適宜変更することを考慮すれば、搬送アーム１０とは別に熱反射板２を設けておく方が望ましい。

図３には、加熱効率のさらなる向上を目的とし、駆動源２２で加熱器４に連結された駆動軸１３を矢印方向に移動させる第二移送機構Ｍ２を備えた構成例が描かれている。

第二移送機構Ｍ２で、加熱器４が矢印方向へ移動すると、加熱器４の上面に基板Ｗが当接する。この状態でさらに加熱器４を熱反射板２側へ移動させることで、支持部１から加熱器４に基板Ｗが移送される。
基板Ｗを加熱器４に移送させた後の加熱工程では、図１、図２の構成例と比べて、加熱器４と熱反射板２との距離が近づくことから、加熱効率がさらに向上する。

加熱器で基板Ｗを加熱するタイミングは、基板Ｗの加熱器４への移送後に行ってもよい。
また、これとは別に、加熱器４に基板Ｗを移送する前に基板Ｗの加熱を行うようにしてもよい。具体的には、基板Ｗの加熱器４への移送前に、基板Ｗから加熱器４が離間している状態で、一旦、加熱器４で基板Ｗを加熱する。その後、基板温度が所定温度となった後で加熱器４へ基板Ｗを移送させ、基板Ｗをさらに加熱して目標温度にする２段階での加熱方法を採用してもよい。
このような２段階での加熱方法であれば、基板裏面の支持面積が少ない支持部１に基板Ｗが支持されているときに、基板Ｗの熱変形に伴う熱ストレスをある程度開放することができる。よって、基板裏面の支持面積が大きい加熱器４上で全ての熱ストレスを開放する場合に比べて、基板裏面の擦れによる傷つきや基板割れのリスクを低減することができる。

第二移送機構Ｍ２の構成としては、図３に描かれる構成例に限らない。例えば、加熱器４を移動させる代わりに、搬送アーム１０を移動させるようにしてもよい。さらには、加熱器４と搬送アーム１０の両方を移動させるようにしてもよい。
このことを一般的に言えば、第二移送機構Ｍ２は、加熱位置ＨＰで、支持部１から加熱器４に基板Ｗを移送して、基板Ｗを支持部１よりも熱反射板２側に位置させる機構であればよい。

熱反射板２の構成としては種々の変形例が考えられる。例えば、図４、図５に描かれる構成であってもよい。

図４では、熱反射板２の一部に開口３が形成されている。開口３の数は、複数でも単数でもよい。また、開口３の形状は、円形でなく、矩形あるいは三角形等、様々な形状であってもよく、形成される位置についても図示される位置に限定されるものではない。

このような開口３が形成されていれば、例えば、開口３を通じて基板Ｗの上方から放射温度計による基板Ｗの温度測定が可能となる。また、開口３の大きさ、形状、位置等を工夫することにより、熱反射板２側の基板面の温度分布を調整することも可能となる。

図４の構成例で、搬送アーム１０が設けられている基板中央部の温度測定を基板上方より放射温度計で行う場合には、測定対象とする基板中央部が露出するように、熱反射板２と搬送アーム１０の両方に開口３を形成する。また、放射温度計での温度計測に代えて、熱電対を用いて基板Ｗの温度を計測するようにしてもよい。その他、温度計測については従来から知られている種々の手法を用いることができる。

図５には、平板状の熱反射板２に代えて、基板側に向けて凹形状をした熱反射板２を用いる構成例が描かれている。
図５（Ａ）は、加熱位置ＨＰにある搬送アーム１０を上方からみたときの平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に一点鎖線で記載のＶ−Ｖ線で、Ｚ方向に沿って図５（Ａ）に示す構成例を切断したときの断面図である。

この熱反射板２は、搬送アーム１０に沿った平坦面と搬送アーム１０側から基板Ｗ側に向けて漸次拡開する内壁面を有する部材である。
このような熱反射板２を用いることで、図示される矢印のように、非加熱面から放散された熱をより効果的に基板側に反射することができる。
なお、凹形状の例としては、上記した形状に限られない。例えば、漸次拡開する内壁面が非線形的に変化するものであってもよい。

図６、図７には、これまでに述べた加熱装置２０を備えた半導体製造装置の構成例が描かれている。同図に描かれる半導体製造装置は、イオン注入装置ＩＭであって、特許文献１の図１と同様の装置である。

イオン源６１が略スポット状のイオンビームＩＢを射出して、質量分析電磁石６２と分析スリット６３がイオン源６１から射出されたイオンビームＩＢを質量分析し、加減速器６４が同イオンビームＩＢを加速あるいは減速する。その後、エネルギー分離器６５が、所望のエネルギーを含むイオンビームＩＢの成分のみを下流に通し、走査器６６が一方向に沿ってイオンビームＩＢを走査する。走査されたイオンビームＩＢは、平行化器６７を通過することで、ビーム進行方向が互いに平行なイオンビームＩＢとなるように偏向されて、処理室６８に入射する。

処理室６８には、本発明の加熱装置２０が設けられている。この加熱装置２０は、図示されない駆動源により回転軸１１周りに独立旋回可能な２本の搬送アーム１０の端部に熱反射板２を備えた移送機構Ｍを備えている。移送機構Ｍは、搬送アーム１０の支持部１に基板Ｗを支持し、非加熱位置ＮＨである真空予備室ＡＬと加熱位置ＨＰである注入位置との間で基板Ｗを移送する。

この加熱装置２０は、図３で説明した第二移送機構Ｍ２を備えている。また、図７に描かれているように、静電チャックＥを備えた加熱器４をＸ軸周りに任意の角度回転させるツイスト機構Ｔｗと加熱器４およびツイスト機構ＴｗをＹ軸周りに任意の角度回転させるチルト機構Ｔｉを備えている。さらに、処理室６８の天井からビューポート７４を介して、放射温度計７３で基板Ｗの温度計測ができるように構成されている。

支持部１に基板Ｗが支持された状態で、基板下方にある加熱器４で基板温度が第一の温度になるまで基板Ｗの加熱が行われる。次に、第二移送機構Ｍ２により、加熱器４上に基板Ｗが移送された後、基板Ｗが加熱器４上に載置された状態で基板温度が第二の温度（最終的に目標とする基板温度）になるまで基板Ｗの加熱が行われる。

加熱器４に基板Ｗが移送された後、搬送アーム１０は非加熱位置ＮＨの方へ旋回して加熱器４の上方から移動する。その後、イオンビームＩＢが基板Ｗに任意の角度で照射されるように、チルト機構Ｔｉにて基板ＷがＹ軸周りに回転される。図６に図示される加熱器４の姿勢は、チルト機構Ｔｉで図７の状態から９０度回転されたときの状態である。この状態で、第二移送機構Ｍ２で図７に記載の矢印の方向に沿って加熱器４が往復搬送されることで、基板Ｗへのイオンビーム照射工程が行われる。

図８は、図６、図７のイオン注入装置ＩＭでの実験結果である。この実験結果は、熱反射板２の有無により、静電チャックＥを使って、基板Ｗを安定して強固に固定支持できる状態になるまでに要する時間の差を示したものである。図８の実験結果において、熱反射板２の有無以外の条件は、構成上の違いはない。

図８に示す縦軸の静電容量は、基板Ｗと静電チャックＥの間の静電容量である。静電容量は公知の静電容量計を使って計測される。
加熱器４による基板Ｗの非加熱時、常温状態で熱歪みのない基板Ｗを７００Ｖの吸着電圧で静電チャックＥにより加熱器４上に吸着させたときの基板Ｗと静電チャックＥとの間の静電容量の値が、図８に示す８０％の静電容量に相当している。静電容量が８０％に近いとき、基板Ｗの熱歪が十分に緩和され、基板Ｗを加熱器４上に安定して強固に固定支持することが可能な状態になったと判断して、次の工程（静電チャックによる基板の固定支持）に進むことが出来る。

図８に示す横軸の時間０秒の時点は、支持部１に支持された基板Ｗが加熱器４で３０秒間加熱された後、基板Ｗが第二移送機構Ｍ２で加熱器４上に移送された時点を指す。

図８より、熱反射板２を備えた本発明の構成と熱反射板２を備えていない構成との比較から、本発明の構成であれば約２４０秒も早く静電容量が８０％に達していることがわかる。このことから、熱反射板２を備えた本発明の構成であれば、安定して、強固な基板の固定支持の条件を充足するまでの時間が大幅に短縮される。

これまでの実施形態では、移送機構Ｍとして搬送アーム１０が基板Ｗを旋回移送する構成であったが、旋回に代えて直動により基板Ｗを移送する構成であってもよい。例えば、搬送アームの中央に基板支持部を設け、搬送アームの両端を直動機構によってスライドさせる構成にしてもよい。

また、本発明の加熱装置２０の使用環境は、真空、大気のいずれでもよい。

さらに、本発明の加熱装置２０は、図６、図７で示したイオン注入装置以外の半導体製造装置として、成膜装置等の基板の予備加熱処理が必要な他の装置にも使用することができる。

基板Ｗを加熱器４上に固定支持する手段として、静電チャックＥを例に説明したが、静電チャックＥに代えて、従来から知られている機械式あるいは真空式の固定支持具を用いてもよい。また、これらの固定支持具を組み合わせたものであってもよい。

前記実施形態では、搬送アーム１０は長板状の部材であったが、その形状はこれに限定されるものではなく、円形、三角形等、種々な形状のものを用いてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

Ｗ 基板
１ 支持部
２ 熱反射板
３ 開口
４ 加熱器
１０ 搬送アーム
２０ 加熱装置
ＨＰ 加熱位置
ＮＨ 非加熱位置
Ｍ 移送機構
Ｍ２ 第二移送機構

Claims (6)

1. 基板を支持する支持部を有し、加熱位置と非加熱位置との間で基板を移送する移送機構と、
   前記加熱位置で、前記基板の一面を加熱する加熱器と、
   前記基板の他面と対向して前記移送機構に設けられた熱反射板を有し、
   前記熱反射板が、前記他面を覆う加熱装置。
2. 前記加熱位置で、前記支持部から前記加熱器に前記基板を移送し、前記基板を前記支持部よりも前記熱反射板側に位置させる第二移送機構を備えた請求項１記載の加熱装置。
3. 前記熱反射板が、前記基板側に向けて凹形状をしている請求項１または２記載の加熱装置。
4. 前記熱反射板には開口が形成されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加熱装置。
5. 前記加熱器が、前記基板を前記加熱器上に固定支持する機械式、静電式あるいは真空式の固定支持具を備えている請求項１乃至４のいずれか一項に記載の加熱装置。
6. 請求項５に記載の加熱装置を備え、
   前記加熱器に固定支持された前記基板に半導体製造処理を施す半導体製造装置。