JP3671142B2 - 基板の光照射式熱処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱処理炉内において光照射により半導体ウエハ等の各種基板を１枚ずつ熱処理するために使用される基板の光照射式熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造工程においては、近年、複数枚の半導体ウエハを一度に加熱し熱処理するバッチ式電気炉に代わり、ハロゲンランプ、アークランプ等のランプからの光照射を利用して熱処理炉内で半導体ウエハを１枚ずつ加熱し熱処理する枚葉式のランプアニール装置が、各種工程で広く使用されている。このランプアニール装置の１型式として、熱処理炉の内部にウエハ支持部材、例えばウエハの外周縁部下面に接触してウエハを支持するウエハ支持リングを配設し熱処理炉内へ１枚ずつ搬入されるウエハをそのウエハ支持リング上に支持させてウエハを加熱し熱処理する装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ウエハを１枚ずつ熱処理炉内へ搬入し、その搬入されたウエハをウエハ支持リング上に支持させて加熱し熱処理した後、熱処理の終了したウエハをウエハ支持リング上から取り出して熱処理炉内から搬出する、といった方法により、複数枚のウエハの熱処理を連続して行った場合、処理済みのウエハと未処理のウエハとを入れ替える際に、熱処理炉内へ搬入されてくる未処理ウエハは室温程度であることから、ウエハ支持リングと未処理ウエハとが数百℃といった温度差になることがある。このような大きな温度差のある状態で、ウエハをウエハ支持リング上に載置すると、ウエハは、ウエハ支持リングと接触している周縁部分だけ局部的に温度が上昇し、その周縁部分の熱膨張が他の部分に比べて大きくなる。このため、ウエハは、ウエハ支持リング上で部分変形し、場合によってはウエハ支持リング上で弾むといったことが起こる。この結果、ウエハ支持リング上におけるウエハの位置がずれてしまい、熱処理結果に悪影響を及ぼすことになる。
【０００４】
一方、ウエハの変形が生じない程度の温度までウエハ支持リングを冷却させた後に、ウエハをウエハ支持リング上に支持させる、といった方法も考えられるが、その場合には、スループットの大幅な低下を招くことになる。
【０００５】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、基板を１枚ずつ熱処理炉内へ搬入して基板支持部材に支持させ、基板を熱処理した後に、基板を基板支持部材上から取り出して熱処理炉内から搬出する、といった方法で基板を連続処理する場合に、基板の入れ替えに際して、基板と基板支持部材との間の温度差が原因で基板が部分変形して基板の位置ずれを生じる、といったことを防止することができ、スループットを低下させることもない基板の光照射式熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、少なくとも炉壁の一部が光透過性材料で形成された熱処理炉と、この熱処理炉の内部に配設され、基板の周縁部分に当接して基板を支持する基板支持リングと、前記熱処理炉の外側に、熱処理炉内へ１枚ずつ搬入されて前記基板支持リング上に支持された基板に対向するように配設され、同一平面内に複数の光源を列設して構成された光照射加熱手段とを備えた基板の光照射式熱処理装置において、前記光照射加熱手段の複数の光源のうち、前記熱処理炉内へ搬入され前記基板支持リングの直上位置に停止した基板だけに光を照射する光源を選択的に駆動させて点灯させる光源駆動手段を備え、熱処理炉内へ搬入された基板を基板支持リング上に支持させる前に、前記光源駆動手段により前記光源を選択的に駆動させて、光源から基板へ選択的に光を照射して基板が予熱されるようにすることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の光照射式熱処理装置において、基板が予熱される前に前記基板支持リングの温度を測定する測温手段と、この測温手段による測定結果に基づいて、光源から基板へ選択的に光を照射して基板を予熱する時間を算出する演算手段と、この演算手段によって算出された時間だけ基板を予熱するように前記光源駆動手段を制御する制御手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明の光照射式熱処理装置においては、熱処理炉内へ搬入された基板を基板支持リング上に支持させる前に、光源駆動手段により、基板支持リングの直上位置に停止した基板だけに光を照射する光源が選択的に駆動させられることにより、基板へ選択的に光が照射されて基板が予熱され、基板支持リングと基板との間の温度差が小さくなる。このため、基板を基板支持リング上に載置した時に、基板が部分変形して基板の位置がずれる、といったことは起こらない。また、基板を基板支持リング上に載置した時に基板の変形が生じない温度まで基板を加熱するのに要する時間は、数秒程度と短く、さらに、熱処理炉内のガス置換操作と併行して基板の予熱を行うなどの方法を採れば、基板の予熱工程がスループットに及ぼす影響は最小限に抑えられる。
【００１３】
請求項２に係る発明の光照射式熱処理装置では、測温手段により、基板が予熱される前に基板支持リングの温度が測定され、その測定結果に基づいて演算手段により、光源から基板へ選択的に光を照射して基板を予熱する時間が算出され、その算出された時間だけ基板を予熱するように制御手段により光源駆動手段が制御されるので、必要以上に基板を加熱したり、加熱時間が不足したりすることがなく、効率の良い基板の予熱が行われる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について図１を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、この発明に係る光照射式熱処理装置であるランプアニール装置の構成の１例を示す概略側断面図である。このランプアニール装置は、半導体ウエハＷの搬入および搬出を行なうための開口１２を有する熱処理炉１０を備えている。
【００１６】
熱処理炉１０の少なくとも上部の炉壁は、赤外線透過性を有する材料、例えば石英ガラスによって形成され、光入射窓１４となっている。熱処理炉１０の開口１２は、ゲートバルブ１６によって開閉自在に閉塞される。また、図示していないが、熱処理炉１０の開口１２と対向する面側には、ウエハＷを水平姿勢で支持する支持アームを有し熱処理前のウエハＷをアライメントユニットから熱処理炉１０内へ搬入し熱処理後のウエハＷを熱処理炉１０内から搬出するウエハ搬出入装置が配設されている。
【００１７】
熱処理炉１０の内方には、リング支持ガイド１８が配設されており、リング支持ガイド１８の上部に、ＳｉＣなどによって形成されたウエハ支持リング２０が水平姿勢で取着されている。ウエハＷは、ウエハ支持リング２０上に、例えば外周の２分の１以上の範囲で接触し０．５ｍｍ以上の幅で重なるようにして支持される。また、図示を省略したが、リング支持ガイド１８の上面部を貫通して上昇および下降しウエハＷの下面に当接してウエハＷを支持する複数本、例えば３本の支持ピンを有しその支持ピンを昇降させる駆動部を備えたウエハ移載機構が設けられている。そして、熱処理前のウエハＷは、ウエハ搬出入装置の支持アームに支持されて熱処理炉１０内へ搬入され、ウエハ移載機構の上昇した支持ピン上へ移し替えられた後、支持ピンが下降することにより、ウエハ支持リング２０上に載置され水平姿勢で支持される。また、熱処理後のウエハＷは、支持ピンが上昇することにより、ウエハ支持リング２０上から浮上させられた後、支持ピン上からウエハ搬出入装置の支持アーム上へ移し替えられ、ウエハ搬出入装置により熱処理炉１０内から搬出される。
【００１８】
熱処理炉１０の上方には、光入射窓１４に対向してランプハウス２２が設けられている。ランプハウス２２には、同一平面内にハロゲンランプ、アークランプ等の複数のランプ２４ａ、２４ｂが列設されるとともに、各ランプ２４ａ、２４ｂごとにリフレクタ（反射板）２６がそれぞれ配設されている。そして、各ランプ２４ａ、２４ｂから放射された光は、それぞれリフレクタ２６によって効率良く集光され、光入射窓１４を透過して熱処理炉１０内へ照射される。
【００１９】
また、熱処理炉１０の内部には、ウエハ支持リング２０上に支持されたウエハＷの上面に対向して、赤外線透過性を有する材料、例えば石英ガラスによって形成され複数個のガス吹出し孔３０が穿設されたガス流分配板２８が配設されている。このガス流分配板２８と光入射窓１４との間は、窒素等の処理ガスが導入されるガス導入室３２となっており、ガス導入室３２は、図示しないガス導入路を通して処理ガス供給源に流路接続されている。そして、処理ガス供給源から供給されガス導入室３２内に導入された処理ガスは、ガス流分配板２８の複数個のガス吹出し孔３０を通ってウエハ支持リング２０上のウエハＷの上面全体へ均等に吹き出すようになっている。一方、リング支持ガイド１８の外周部と熱処理炉１０の内周部との間に環状のガス排気路３４が形成されており、ガス排気路３４は、図示しない排気口に連通接続されている。また、熱処理炉１０の内部の気密性を高く保つために、ゲートバルブ１６との当接部および光入射窓１４との接合部にＯ−リング３６がそれぞれ取り付けられている。
【００２０】
以上の構成は、従来の装置と同様であるが、この装置では、ランプハウス２２の複数のランプが、ウエハ支持リング２０の直上位置に停止したウエハＷの上面だけに光を照射する一群のランプ２４ａとそれ以外の一群のランプ２４ｂとに区別されている。そして、前者のランプ２４ａ群は、そのまま電源装置３８に接続され、後者のランプ２４ｂ群は、スイッチ４０を介在させて電源装置３８に接続されている。電源装置３８およびスイッチ４０は、コントローラ４２によってそれぞれ制御される。そして、ウエハ支持リング２０上にウエハＷを支持させて熱処理するときは、スイッチ４０を閉成して電源装置３８から全てのランプ２４ａ、２４ｂに電力を供給し、全てのランプ２４ａ、２４ｂを点灯駆動させる。また、ウエハ支持リング２０の直上位置にウエハＷを保持してウエハＷを予熱するときは、スイッチ４０を開成して電源装置３８から一群のランプ２４ａだけに電力を供給し、それらのランプ２４ａだけを点灯駆動させるようにする。なお、全てのランプ２４ａ、２４ｂの点灯駆動と一群のランプ２４ａだけの点灯駆動とを切り換えるための構成は、どのようなものであってもよい。
【００２１】
また、この装置には、ウエハ支持リング２０上に支持されたウエハＷの温度を測定するための温度検出器（図示せず）とは別に、ウエハ支持リング２０の温度を測定するための放射温度計等の温度検出器４４が熱処理炉１０の内部に設置されている。この温度検出器４４により、熱処理炉１０内へのウエハＷの搬入時におけるウエハ支持リング２０の温度が測定される。温度検出器４４の検出信号は、マイコン４６へ送られ、マイコン４６により、測定されたウエハ支持リング２０の温度に基づいて、ウエハＷをウエハ支持リング２０上に載置してもウエハＷが変形することのない温度までウエハＷを加熱するために必要な時間あるいはランプ２４ａへの印加電力が算出される。なお、加熱前におけるウエハＷの温度は、熱処理炉１０内への搬入直後では室温程度であると考えられる。マイコン４６によりウエハＷの予熱時間が算出されると、その信号がコントローラ４２へ送られ、コントローラ４２から電源装置３８およびスイッチ４０へ制御信号が送られる。
【００２２】
ここで、熱処理時にウエハを回転させる機構を持ったランプアニール装置などでは、ウエハの温度を測定するための温度検出器として放射温度計が使用されることが多いので、ウエハ支持リング２０の温度を測定するための温度検出器４４としても放射温度計を使用することにした場合、ウエハの熱処理温度、例えば１，２００℃といった温度付近で所要の計測精度が得られるように計測回路を設計すると、４００℃以下の低温では、精度の良い温度検出は困難になる。そして、ウエハＷの入れ替えの際にウエハ支持リング２０上でのウエハＷの部分変形により生じるウエハＷの位置ずれは、ウエハ支持リンク２０とウエハＷとの間の温度差が５０℃以上であるときに顕著に見られ、また、熱処理炉１０内へ搬入されたウエハＷの温度は室温付近であることから、ウエハ支持リング２０の温度が１００℃程度であるときにも、放射温度計によりその温度を測定することができる必要がある。しかしながら、ウエハ支持リング２０上でのウエハＷの部分変形による位置ずれを防止するためには、計測精度は±１０℃〜２０℃でよいので、比較的安価な計測回路で温度を検出しても差し支えない。
【００２３】
また、ウエハＷを所定温度まで予熱するためには、ウエハＷの温度を測定する必要があるが、ウエハＷが低温である場合には、ランプ２４ａからの照射光のうちの赤外成分がウエハＷを透過するので、放射温度計によってはウエハＷの温度を正確に測定することができない。そこで、加熱開始時におけるウエハＷの温度はほぼ室温であること、および、ウエハ支持リング２０の温度に対して±５０℃の温度までウエハＷを加熱すればよいことから、予め実験により、ウエハＷの予熱時間あるいはランプ２４ａに印加する電力を求めておき、そのデータをマイコン４６に記憶させておいて、マイコン４６によりウエハ支持リング２０の温度に基づいて上記した演算を行うようにする。
【００２４】
以上のような構成のランプアニール装置において、ウエハ搬出入装置によってウエハＷが熱処理炉１０内へ挿入されると、ウエハ移載機構の支持ピンが上昇し、支持ピン上にウエハＷが水平姿勢で支持される。この間に、温度検出器４４によってウエハ支持リング２０の温度が測定され、その測定温度に基づいてマイコン４６によりウエハＷの予熱時間が算出される。次に、熱処理炉１０の開口１２がゲートバルブ１６によって閉塞されると、コントローラ４２から電源装置３８およびスイッチ４０に制御信号が送られ、一群のランプ２４ａだけが点灯駆動される。そして、マイコン４６で算出された時間だけ、一群のランプ２４ａからウエハＷの上面へ光照射され、ウエハＷが加熱されて温度上昇する。このウエハＷの予熱工程は、数秒程度で終了する。ウエハＷの予熱が終わると、ウエハ移載機構の支持ピンが下降することにより、ウエハＷは、ウエハ支持リング２０上に載置され水平姿勢で支持される。このとき、ウエハＷが予熱されたことによってウエハ支持リング２０とウエハＷとの間の温度差が小さくなっているため、ウエハＷをウエハ支持リング２０上に載置しても、ウエハＷが部分変形してウエハＷの位置がずれる、といったことは起こらない。
【００２５】
ウエハＷがウエハ支持リング２０上に支持されると、ガス導入路を通して熱処理炉１０のガス導入室３２内へ処理ガスが導入され、その処理ガスがガス導入室３２からガス流分配板２８の複数のガス吹出し孔３０を通ってウエハＷの上面へ吹き出され、熱処理炉１０内がパージされてガス排気路を通して排気され、熱処理炉１０内のガス置換が行われる。
【００２６】
なお、ウエハ移載機構の支持ピン上にウエハＷが支持され熱処理炉１０の開口１２が閉塞された時点で、熱処理炉１０のガス導入室３２内への処理ガスの導入を開始し、熱処理炉１０内のガス置換操作と併行してウエハＷの予熱を行うようにしてもよい。このようにしたときは、ウエハＷの予熱工程がスループットに及ぼす影響は最小限に抑えられることになり、場合によってはその影響が全く無くなる。
【００２７】
熱処理炉１０内のガス置換が終了すると、図示しないウエハ温度検出装置および温度コントローラにより、予めプログラムされた所望の温度にウエハＷが加熱されるように、電源装置３８からランプハウス２２の全てのランプ２４ａ、２４ｂに電力が供給され、ウエハＷが光照射によって加熱される。熱処理が終了すると、ウエハＷは、熱処理炉１０内において所望の温度まで冷却された後、熱処理炉１０内から搬出される。
【００２８】
なお、ウエハ支持リング２０の温度を測定する手段は、上記した実施形態のものに限定されない。また、上記した実施形態では、温度検出器４４によりウエハ支持リング２０の温度を測定し、その測定結果に基づいてマイコン４６によりウエハＷの予熱時間を算出し、算出された時間だけランプ２４ａを点灯駆動させるようにしているが、予め実験等によりウエハＷの予熱時間を決定しておき、熱処理炉１０内へウエハＷが搬入される度ごとにウエハ支持リング２０の温度を測定して予熱時間を算出する、といったことをせずに、設定された一定時間だけウエハＷを予熱するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の光照射式熱処理装置を使用すると、基板の入れ替えに際して、基板と基板支持部材との間の温度差が原因で基板が部分変形して基板の位置ずれを生じる、といったことを防止することができ、熱処理結果を安定させることができるとともに、スループットの低下を招くこともない。
【００３２】
請求項２に係る発明の光照射式熱処理装置では、基板を効率良く予熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る基板の光照射式熱処理装置であるランプアニール装置の構成の１例を示す概略側断面図である。
【符号の説明】
１０ 熱処理炉
１２ 熱処理炉の開口
１４ 光入射窓
１６ ゲートバルブ
１８ リング支持ガイド
２０ ウエハ支持リング
２２ ランプハウス
２４ａ、２４ｂ ランプ
２６ リフレクタ（反射板）
２８ ガス流分配板
３０ ガス吹出し孔
３２ ガス導入室
３４ ガス排気路
３６ Ｏ−リング
３８ 電源装置
４０ スイッチ
４２ コントローラ
４４ 温度検出器
４６ マイコン
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (2)

1. 少なくとも炉壁の一部が光透過性材料で形成された熱処理炉と、
   この熱処理炉の内部に配設され、基板の周縁部分に当接して基板を支持する基板支持リングと、
   前記熱処理炉の外側に、熱処理炉内へ１枚ずつ搬入されて前記基板支持リング上に支持された基板に対向するように配設され、同一平面内に複数の光源を列設して構成された光照射加熱手段と、
   を備えた基板の光照射式熱処理装置において、
   前記光照射加熱手段の複数の光源のうち、前記熱処理炉内へ搬入され前記基板支持リングの直上位置に停止した基板だけに光を照射する光源を選択的に駆動させて点灯させる光源駆動手段を備え、熱処理炉内へ搬入された基板を基板支持リング上に支持させる前に、前記光源駆動手段により前記光源を選択的に駆動させて、光源から基板へ選択的に光を照射して基板が予熱されるようにすることを特徴とする基板の光照射式熱処理装置。
2. 基板が予熱される前に前記基板支持リングの温度を測定する測温手段と、
   この測温手段による測定結果に基づいて、光源から基板へ選択的に光を照射して基板を予熱する時間を算出する演算手段と、
   この演算手段によって算出された時間だけ基板を予熱するように前記光源駆動手段を制御する制御手段と、
   をさらに備えた請求項１記載の基板の光照射式熱処理装置。

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