JP3138304B2

JP3138304B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP3138304B2
Application number: JP03307197A
Authority: JP
Inventors: 亘大加瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 2001-02-26
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JPH05121341A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウエハ、
ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の面状の被処理体を熱処
理するための熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造において
は、半導体ウエハの酸化・拡散処理、ＣＶＤ処理等が行
われる。特に、最近においては、０．４μｍから０．２
μｍへと半導体デバイスのデザインルールの微細化が進
み、また、半導体ウエハについても８インチから１２イ
ンチへと大径化が進み、このような大面積の極薄膜形成
技術に対応すべく急速熱処理装置の開発が緊急の課題と
なっている。

【０００３】具体的に説明すると、半導体ウエハのプロ
セス処理では、サーマルバジェット（熱履歴）を小さく
することが必須の条件であり、例えば５０〜１００Åの
ドーピング処理、ゲート酸化膜やキャパシター絶縁膜の
極薄膜形成においては、急速熱処理すなわち短時間で熱
処理を行うことが不可欠である。また、例えばＰＮ接合
を０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化を図り、任意形
状表面への接合形成を可能にするためには、接合時の膜
劣化や結晶欠陥の発生を防止する必要があるが、ＰＮ接
合の活性領域が狭いために急速熱処理を行うことが必要
である。

【０００４】また、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜の形成にお
いては、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイ
クルによる相乗効果で拡大し、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧等の信頼性の低減が生じやすいが、これを防
止するためには急速熱処理により熱サイクルを低減する
ことが必要である。また、例えば高誘電体材料を使用し
てキャパシター絶縁膜を形成する場合には、メタルオキ
サイド（Ｔａ₂Ｏ₅等）、ポリイミド（パッシベーショ
ン膜）等の成膜を可能にするメタル成膜とドーピングが
できる複合プロセス処理が可能なシステムが必要とされ
るに至った。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある現状においては、半導
体ウエハの中央部と周辺部との温度差を小さくして均一
に急速熱処理ができ、半導体ウエハに生じやすいスリッ
プ、歪、ソリの低減化を図り、半導体デバイスの製作上
不都合が生じないようにする必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の縦型の
バッチ処理型熱処理装置においては、石英製のウエハボ
ートに積層収納された半導体ウエハを取り囲むように筒
状の発熱源を配置して、半導体ウエハの周辺部から中央
部に向かって加熱するようにしているため、半導体ウエ
ハを急速に加熱しようとすると、半導体ウエハの中央部
と周辺部との間に大きな温度勾配が生じて、均一な熱処
理ができない問題がある。このような事情から、本発明
者は、処理容器内に配置された半導体ウエハの処理面に
対向するよう面状発熱源を配置することにより、半導体
ウエハの面内温度の均一化を図る技術について鋭意研究
を重ねてきたところ、このような面状発熱源だけでは、
半導体ウエハの下降時または上昇時の移動距離と温度変
化との関係が必ずしもリニアにならず、そのため、半導
体ウエハの面内温度の均一性を高くするためには、半導
体ウエハの移動速度をかなり精密にコントロールするこ
とが必要とされ、制御系が複雑となる問題が生じた。そ
こで、本発明の目的は、面状の被処理体の移動速度の制
御系の構成を簡単としながら、面状の被処理体の全面を
均一な温度で急速に熱処理することができる熱処理装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明の熱処理装置は、下端に開口を有する処理容
器内に配置された面状の被処理体の処理面に対向するよ
う、面状発熱源を、下方に伸びる断熱保温材の上部に配
置してなる熱処理装置において、前記処理容器におけ
る、前記断熱保温材によって覆われていない開口側部分
の外周面に、独自に温度コントロールされる補助ヒータ
ーを設けてなり、当該補助ヒーターにより、処理容器内
における面状の被処理体の移動距離と温度変化とがリニ
アな関係に設定されることを特徴とする。また、前記補
助ヒーターが、処理容器の外周面に直接設けられた透明
な抵抗発熱膜からなることを特徴とする。さらに、前記
補助ヒーターが配置されたその外側に当該補助ヒーター
を強制的に冷却する冷却手段を設けたことを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】補助ヒーターにより処理容器における、前記断
熱保温材によって覆われていない開口側部分を温度コン
トロールできるので、面状の被処理体の移動距離と温度
変化とをリニアな関係に設定することができ、面状の被
処理体の移動速度の制御系の構成が簡単となり、また、
面状の被処理体の面内温度の均一性を高くすることがで
きる。また、補助ヒーターを、処理容器の外周面に直接
設けられた透明な抵抗発熱膜により構成することによ
り、処理容器の軽量化を図ることができる。さらに、補
助ヒーターが配置されたその外側に当該補助ヒーターを
強制的に冷却する冷却手段を設けることにより、補助ヒ
ーターによる加熱を急激に停止することができ、急速冷
却が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。なお、以
下の実施例は面状の被処理体として半導体ウエハを使用
した例であるが、本発明においては、半導体ウエハに限
定されることはなく、例えばＬＣＤ等のようにその他の
面状の被処理体を用いることもできる。

【００１０】図１は本実施例に係る熱処理装置の概略図
である。１は面状の被処理体としての半導体ウエハ、２
は面状発熱源、２１は補助ヒーター、２２は冷却手段、
２３は均熱部材、３はウエハ保持具、４は断熱保温材、
４１は断熱筒、５はウエハの移動機構、６はウエハの回
転機構、７は処理容器、８はガス導入管、９はガス排出
管である。

【００１１】補助ヒーター２１は、処理容器７の出入口
となる下端の開口に近い、断熱保温材４によって覆われ
ていない部分の外周面に設けられている。図１では、補
助ヒーター２１は、上段、中段、下段の３つのゾーン２
１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに分割されており、それぞれ独自
に温度コントロールができるようになっている。すなわ
ち、各ゾーンの補助ヒーターにはそれぞれ例えば熱電対
等の温度センサー（図示省略）が設けられており、これ
らの温度センサーよりの検出信号に基づいて各補助ヒー
ターの発熱量がコントロールされる。

【００１２】補助ヒーター２１の具体的構成は、特に限
定されるものではないが、処理容器７の外周面に透明な
抵抗発熱膜を直接設けて構成することが好ましい。この
ような抵抗発熱膜によれば、構成が簡単であるうえ、処
理容器７を軽量なものとすることができ、取扱い上便利
となる。また、透明であるため、処理容器７内の状態を
テレビカメラ等によりモニタすることも可能となる点で
好ましい。抵抗発熱膜の材料としては、例えば酸化すず
（ＳｎＯ₂）等を好ましく用いることができるが、これ
に限定されるものではない。

【００１３】さらに、図１に示すように、補助ヒーター
２１が配置されたその外側に当該補助ヒーター２１を強
制的に冷却する冷却手段２２を設けることが好ましい。
補助ヒーター２１のみでは、電源を切ったとしても自然
放冷には時間を要するため迅速な温度コントロールが困
難である。そこで、冷却手段２２を設けて、補助ヒータ
ー２１を強制的に冷却することにより、処理容器７内を
ウエハ１が上昇または下降する際のウエハの移動距離と
温度変化とをきわめて高い精度でリニアなものとするこ
とができ、それだけウエハの面内温度の均一性が高くな
る。冷却手段２２の具体的構成も特に限定されるもので
はないが、例えば冷却ガスを用いてこれを補助ヒーター
２１の外周に流す手段を採用することができる。２４は
冷却ガス供給管、２５は冷却ガス排気管である。２６は
冷却ガスの供給路を構成するための筒体であり、冷却ガ
スはこの筒体２６の下部の冷却ガス供給管２４から導入
されて上部の冷却ガス排気管２５から排気されるように
なっている。冷却ガス供給管２４および冷却ガス排気管
２５の配設位置は特に限定されず、かなり自由に設計す
ることができる。

【００１４】図２は、本実施例の熱処理装置の効果を補
助ヒーターを設けていない熱処理装置と比較して示すも
のであり、補助ヒーターを設けていない熱処理装置Ｂで
は、点線で示すように半導体ウエハ１の移動距離と温度
との関係がリニアにならず曲線となっており、半導体ウ
エハ１の移動速度をかなり精密にコントロールする必要
があるが、本実施例の熱処理装置Ａでは、実線で示すよ
うに、きわめて高い精度でリニアにすることができるた
め、半導体ウエハ１の移動速度のコントロールが容易と
なり、半導体ウエハ１の面内温度の均一性を十分に高く
することができる。

【００１５】面状発熱源２は、半導体ウエハ１の処理面
１１に対向するよう断熱保温材４の上部内壁に固定配置
されている。この面状発熱源２は、例えば二ケイ化モリ
ブデン（ＭｏＳｉ₂）、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃｒ）と
アルミニウム（Ａｌ）の合金線であるカンタル（商品
名）線等の抵抗発熱体を面状に配置することにより構成
することができる。例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳ
ｉ₂）は、単線として使用することができ、カンタル線
はコイルとして使用することができる。特に、二ケイ化
モリブデン（ＭｏＳｉ₂）は約１８００℃の高温にも十
分に耐えることができるので、酸化・拡散処理装置用の
材料としては好適である。

【００１６】この面状発熱源２の発熱面は、半導体ウエ
ハ１の処理面１１と同様の形態、すなわち円形状である
ことが好ましく、また、その外径が半導体ウエハ１の外
径の２倍以上であることが好ましい。このような条件を
満たす面状発熱源２によれば、半導体ウエハ１の中央部
と周辺部との間の温度差を十分に小さくすることがで
き、半導体ウエハ１の処理面１１の全面をさらに均一な
温度で熱処理することができる。また、面状発熱源２の
発熱面は、半導体ウエハ１と平行に配置されることが好
ましい。また、面状発熱源２の発熱面は、全体が一様な
平面であってもよいし、周辺部が半導体ウエハ１に接近
する方向に湾曲していてもよい。

【００１７】面状発熱源２の温度は、半導体ウエハ１の
最高使用温度よりも１００〜３００℃高いことが好まし
い。面状発熱源２は加熱制御部（図示省略）により駆動
されるが、その温度コントロールは、面状発熱源２の適
宜の位置に熱電対等の温度センサー（図示省略）を配置
して、これよりの検出信号に基づいて行うことができ
る。

【００１８】また、図１に示すように、面状発熱源２と
半導体ウエハ１との間に面状の均熱部材２３を配置する
ようにしてもよい。この均熱部材２３は、面状発熱源２
に発熱ムラが存在する場合にこの発熱ムラを解消して半
導体ウエハ１に向かう放射熱を十分に垂直方向に制御す
るものである。また、均熱部材２３を例えば高純度炭化
ケイ素（ＳｉＣ）等のように汚染の少ない材料により構
成し、さらにこの均熱部材２３により面状発熱源２を処
理空間から完全に隔離することにより、面状発熱源２が
汚染の原因となる重金属を含む材料により構成されてい
る場合にも、当該重金属による汚染を有効に防止するこ
とができる。

【００１９】この均熱部材２３は半導体ウエハ１の処理
面１１に対向するよう配置され、その外径は面状発熱源
２の場合と同様に半導体ウエハ１の外径の２倍以上であ
ることが好ましい。また、この均熱部材２３は、その中
央部の肉厚が周辺部の肉厚より厚いことが好ましい。こ
のような肉厚とすることにより、半導体ウエハ１の周辺
部の熱放散を少なくして中央部と周辺部との間の温度の
均一性をさらに高めることができる。また、この均熱部
材２３は、その周辺部が半導体ウエハ１に接近する方向
に湾曲する形態としてもよい。このような湾曲した周辺
部を有することにより、半導体ウエハ１の周辺部の熱放
散を少なくして中央部と周辺部との温度差を小さくする
ことができる。

【００２０】断熱筒４１は、面状発熱源２および均熱部
材２３等を保持するために設けられたものである。

【００２１】ウエハ保持具３の周縁部に一体的に形成さ
れている例えば３〜４個の保持突起３１が半導体ウエハ
１の処理面１１とは反対の裏面１２に当接し、これによ
り半導体ウエハ１をウエハ保持具３上に保持している。
このウエハ保持具３は、例えば高純度炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）等のように耐熱性が優れ、かつ、汚染の少ない材料
により構成することが好ましい。特に、高純度炭化ケイ
素（ＳｉＣ）は石英（ＳｉＯ₂）よりも耐熱性が優れて
おり、約１２００℃の高温にも十分に耐えることができ
るので、酸化・拡散処理装置用の材料として好適なもの
である。

【００２２】ウエハの移動機構５は、ウエハ保持具３を
面状発熱源２に対して急速に接近移動させ、次いで急速
に後退移動させるものであり、モータ５１と、駆動軸５
２と、駆動アーム５３とにより構成されている。モータ
５１は駆動軸５２に連結されていて、モータ５１により
駆動軸５２が回転制御される。駆動軸５２にはネジが設
けられており、このネジを介して駆動アーム５３の一端
と螺合されている。駆動アーム５３の他端は後述するモ
ータ６１を介してウエハ保持具３に連結されている。モ
ータ５１が駆動軸５２を回転させると、この駆動軸５２
に設けられたネジの作用により駆動アーム５３が上昇ま
たは下降移動し、この駆動アーム５３の移動に伴ってウ
エハ保持具３が上昇または下降移動する。従って、モー
タ５１の回転を制御回路により制御することにより、ウ
エハ保持具３の上昇速度または下降速度を適宜調整する
ことができる。ウエハ保持具３の移動距離は例えば３０
０〜６００ｍｍ程度であり、移動速度は５０〜２００ｍ
ｍ／ｓｅｃ以上の急速とするのが好ましい。

【００２３】半導体ウエハ１の熱処理中は、回転機構６
により半導体ウエハ１がその中心を軸として回転移動さ
れる。回転機構６において、６１はモータであり、半導
体ウエハ１をウエハ保持具３と共に回転するものであ
る。

【００２４】断熱保温材４は、例えばアルミナセラミッ
クスからなり、半導体ウエハ１の移動方向に沿って適正
な温度勾配をもたせるために、下部に向かうに従って肉
厚が薄くなっている。すなわち、下部に至るほど保温効
果を少なくして、処理容器７内の温度均一性を高めてい
る。断熱保温材４の下端部には、熱処理の終了後に半導
体ウエハ１を急速に冷却するための冷却手段（図示省
略）を設けることが好ましい。冷却手段としては、アン
モニア、二硫化イオウ、水等の冷媒を用いることができ
る。冷媒の潜熱を利用して例えば３００〜４００℃の温
度に冷却する。断熱保温材４の内径は、半導体ウエハ１
の温度を考慮して定めることが好ましいが、例えば半導
体ウエハ１が８インチの場合には、その２倍程度の４０
０〜５００ｍｍφ程度が好ましい。

【００２５】処理容器７は、例えば石英（ＳｉＯ₂）等
により形成することができる。この処理容器７は下端に
開口を有する筒状の形態を有しており、ウエハ保持具３
および半導体ウエハ１を面状発熱源２および断熱保温材
４から隔離して半導体ウエハ１の雰囲気を外部から分離
するものである。

【００２６】ガス導入管８は、その一端が処理容器７の
下部から外部に突出し、その他端が処理容器７の内部に
おいて上方に伸長して半導体ウエハ１の斜め上方に位置
されている。このガス導入管８は、処理容器７に対して
例えばＯリング（図示省略）をネジにより締め付けるこ
とにより気密に固定されている。

【００２７】ガス排出管９は、処理容器７の下部におい
て処理容器７の内外を貫通するように設けられている。
このガス排出管９は全部で３個所に設けられており、個
々にバルブ（図示省略）が設けられている。従って、ガ
スの排出が円滑になされ、半導体ウエハ１の膜質を向上
させることができる。移動機構５によってウエハ保持具
３が上昇し、半導体ウエハ１が完全に処理容器７内に収
納された状態で、処理容器７がすべて密閉された状態と
なるようにしている。ガス導入管８から処理容器７内に
プロセスガスを導入し、面状発熱源２による放射熱によ
って処理容器７内の温度を熱処理に必要な所定温度にす
る。処理容器７内の温度は、面状発熱源２からの距離が
一定であれば、一定の温度となるので、半導体ウエハ１
の最高位置（静止位置）をあらかじめ設定しておくこと
により、熱処理に必要な所定温度（例えば１２００℃）
とすることができる。

【００２８】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明の熱処理装置は、常圧のプロセス、減圧プロ
セス、真空プロセスのいずれにも適用することができ
る。また、酸化処理、拡散処理、ＣＶＤ処理、アニール
等の各種の熱処理に適用することができる。また、面状
の被処理体としては、円型の半導体ウエハに限定され
ず、ＬＣＤ等角型のその他の面状の被処理体であっても
よい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
面状の被処理体の移動速度の制御系の構成を簡単としな
がら、面状の被処理体の全面を均一な温度で急速に熱処
理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱処理装置の概略図であ
る。

【図２】本発明の熱処理装置の効果を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１半導体ウエハ２面状発
熱源２１補助ヒーター２２冷却手
段２３均熱部材２４冷却ガ
ス供給管２５冷却ガス排気管２６筒体３ウエハ保持具３１保持突
起４断熱保温材４１断熱筒５移動機構５１モータ５２駆動軸５３駆動ア
ーム６回転機構６１モータ６２回転軸７処理容
器８ガス導入管９ガス排
出管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 - 21/24 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/38 - 21/40 H01L 21/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下端に開口を有する処理容器内に配置さ
れた面状の被処理体の処理面に対向するよう、面状発熱
源を、下方に伸びる断熱保温材の上部に配置してなる熱
処理装置において、前記処理容器における、前記断熱保温材によって覆われ
ていない開口側部分の外周面に、独自に温度コントロー
ルされる補助ヒーターを設けてなり、当該補助ヒーター
により、処理容器内における面状の被処理体の移動距離
と温度変化とがリニアな関係に設定されることを特徴と
する熱処理装置。
【請求項２】補助ヒーターが、処理容器の外周面に直
接設けられた透明な抵抗発熱膜からなることを特徴とす
る請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の熱処理装置に
おいて、補助ヒーターが配置されたその外側に当該補助
ヒーターを強制的に冷却する冷却手段を設けたことを特
徴とする熱処理装置。