JP3785650B2

JP3785650B2 - Single wafer heat treatment system

Info

Publication number: JP3785650B2
Application number: JP08610495A
Authority: JP
Inventors: 英利木村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JPH08264473A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、枚葉式熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程にあっては、半導体ウエハ上に導体或いは非導体の薄膜形成処理、酸化膜の形成処理、熱拡散処理等の熱処理を施し、更に、これにエッチング処理を施して所定のパターンを形成する等の一連の操作を繰り返し行なって、目的とする集積回路を形成している。
この種の熱処理を行なう装置として、同じ処理条件の熱処理を一挙に例えば１５０枚程度のウエハに対して行なうことができる、いわゆるバッチ式の縦型熱処理装置と、半導体ウエハ毎に異なった種類の熱処理を施すことができる、いわゆる多品種小量生産に向いている枚葉式の熱処理装置が知られており、例えば生産形態に合わせて両装置が選択的に使用される。
【０００３】
ここで、従来の枚葉式の熱処理装置を例にとって説明する。
図８は従来の枚葉式の熱処理装置を示す概略断面図であり、例えば石英製の処理容器２内の底部には、熱線に対して透明な材料、例えば石英よりなる載置台４が気密に密閉するように設けられ、この上に被処理体としての半導体ウエハＷが載置保持される。
この載置台４の下方であって、処理容器２４の底部外側には、モータ６によって回転される回転テーブル８に取付けた多数、例えば１２〜１６個程度の加熱ランプ１０が配置されており、これからの熱線が石英製の載置台４を透過して半導体ウエハをその裏面より加熱するようになっている。この加熱ランプ１０として、発熱量の大きなランプ、例えばハロゲンランプが用いられており、ウエハの急速な昇温を可能としている。
従って、処理すべきウエハ毎に、処理ガスの種類、その供給量、処理圧力、処理温度等を個別に制御することができ、ウエハ毎に異なった熱処理を迅速に行なうことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような多数の加熱ランプ１０を設けた構造にあっては、ウエハ面への均熱加熱を施すためにモータ６と回転テーブル８を備えた高価な回転機構を設けなけらばならず、コスト高を余儀なくされていた。
また、このように略平面的に多数の加熱ランプ１０を集合させて加熱手段を構成した場合には、この加熱ランプ１０をどのように配置したとしても、ウエハ面内においてわずかな温度差が生じて若干の温度分布が生ずることは避けることができない。特に、ウエハの中心部の温度がその周縁部よりも僅かに高くなってしまう現象を避けることができなかった。
そのために、この温度差に起因して成膜の面内不均一性が生じたり、或いは不純物の熱拡散処理において拡散層の深さを精度良く制御できないといった問題点があった。
このような膜厚の制御性の不十分さは、現在主流になっている８インチウエハに対する熱処理においては、ある程度、許容できるものであったが、ウエハの大口径化に伴って、例えば１２インチウエハに対して熱処理を行なう場合には、均熱処理のための加熱ランプの配置設計が非常に困難になり、従来の技術をそのまま適用することができない。
【０００５】
更には、集積回路の高速動作化及び高集積化に伴って、８インチウエハにおいても例えば不純物の熱拡散層を浅くして、その深さもより精度良くコントロールすることが要求されているが、上述のような加熱機構においては、ウエハ面内の温度の不均一性が許容限度以上になってしまうという問題点があった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理容器の側壁部のみに加熱手段を設けることによって、被処理体の面内温度の均一性を高めることができる枚葉式熱処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、被処理体と加熱手段との間の幾何学的配置関係に形態係数を取り入れることにより、被処理体の表面に平行に対向する部分には加熱手段を設けず、側壁部のみに設けることで面内温度の均一性を確保することができるという知見を得ることによりなされたものである。
第１の発明は、上記問題点を解決するために、載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされた筒体状の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記処理容器の側壁部のみに設けられると共に、前記処理容器の天井部は、輻射熱を反射する鏡面として構成したものである。
第２の発明は、載置部に支持された１枚の被処理体を熱処理する枚葉式熱処理装置において、真空引き可能になされてその開口端を突き合わせるように設けられた一対の処理容器と、前記被処理体を加熱する加熱手段とを設け、前記加熱手段は前記一対の処理容器の側壁部のみに設けるように構成したものである。
【０００７】
【作用】
第１の発明によれば、処理容器の側壁部のみに例えばリング状の加熱ランプをその高さ方向に所定間隔を隔てて複数段に亘って設けるようにしたので、被処理体の面内中心の温度がその周縁部よりも高くなることがなく、面内温度の均一性を高めることが可能となる。
この場合、リング状の加熱ランプに替えて、例えば直線状のランプを処理容器の側壁部に多数起立させて設けるようにしてもよい。
また、処理容器内の天井部を鏡面とすることにより、形態係数を考えた場合、原理的には無限長の筒体状の処理容器と等価となり、面内温度の均一性を一層高めることが可能となる。
【０００８】
更には、上記と同様な構成の加熱手段及び処理容器を被処理体の反対面側（裏面側）にも設けることにより、被処理体の両面側から同様な加熱を行なうことができ、更に面内温度の均一性を高めることが可能となる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は第１の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図、図２は図１に示す装置の平面図である。
図示するようにこの枚葉式熱処理装置１２は、例えば石英のような熱線に対して透明な材料よりなる円筒体状の処理容器１４を有しており、この処理容器１４の下端は開口されて、この開口には、上面が載置面となされた凸状の載置部としての載置台１６が、Ｏリング等のシール部材１８を介して気密に取り付け固定されている。
【００１０】
この載置台１６は、例えば石英或いはアルミニウム等により形成され、その上端載置面の側部には、ここに載置される被処理体である半導体ウエハＷの縁部を保持するためのクランプ２０が設けられている。更に、この載置台１６には、ウエハＷの搬入搬出時にこれを押し上げるためのプッシャーピン２２が載置面より上方へ出没可能に設けられ、また、ピン挿入孔の下端開口部とプッシャーピン２２との間には蛇腹状の金属性ベローズ２４が伸縮可能に設けられており、処理容器１４内の気密性を保持したままピン２２の出没を許容している。
【００１１】
そして、処理容器１４の側壁部１４Ａの外側には、本発明の特長とする加熱手段２６が設けられている。具体的にはこの加熱手段２６は、処理容器１４の側壁部１４Ａの周方向に沿ってこれを取り囲むように同心円状に配置されたリング状の加熱ランプ２８よりなり、この加熱ランプ２８を、処理容器１４の高さ方向に沿って所定間隔Ｄで等間隔に複数段、図示例においては５段に亘って配置しており、これからの輻射熱により半導体ウエハＷを加熱するようになっている。また、リング状の各ランプ２８の外側面には、容器側に向けて開放された断面円弧になされたリング状の反射傘３０が設けられており、熱効率を向上するようになっている。
【００１２】
ここで、上記各ランプ２８間の間隔Ｄ及びランプ２８を上下に配列する全体の長さＬは、ウエハ上面と処理容器１４の側壁部１４Ａとの間で決定されるウエハ面上の形態係数が、略一定となるように決定され、これによりウエハ表面の各部分における輻射熱の出入りの総計が略同じとなり、面内温度の均一性を確保することが可能となる。
２つ以上の固体の表面間で放射（輻射）による熱の移動を考える場合、２面の幾何学的配置の形状で定まる形態係数を用いると交換熱量の計算が容易になることは、すでに知られている。
【００１３】
ここで、図６及び図７を参照して形態係数（ＶｉｅｗＦａｃｔｏｒＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）Ｆについて説明する。
図６及び図７において、２つの面Ａと面Ａ’を定義し、面Ａは円筒の底面（ウエハに相当）に対応し、面Ａ’はその側面（加熱ランプの配列面に相当）に対応するものとする。
面Ａ、Ａ’のそれぞれの微小面をｄＡ、ｄＡ’とするとｄＡ’のｄＡに対する形態係数Ｆは次の式で定義される。
【００１４】

【００１５】
ここで各記号は次のように定義される。
Ｒ：ウエハの半径
ｒ：ウエハ中心から微小面ｄＡまでの距離
Ｈ：処理容器面上の有効放熱面の高さ
Ｒｆ：ウエハ中心から微小面ｄＡ’までの距離（発熱体の半径）
Ｓ：微小面ｄＡとｄＡ’との直線距離
ｈ：ウエハ位置から微小面ｄＡ’までの高さ
θ：ｒとＲｆのなす角度
φ：微小面ｄＡの法線とＳとがなす角度
ｄＡ：ウエハ面内のとった微小面積
ｄＡ’：処理容器面内の微小面積
ｄｈ：微小面積ｄＡ’の高さ
φ’：微小面ｄＡ’とＳのなす角度
ｄθ：微小面積ｄＡ’の幅
【００１６】
このような数式に基づいて形態係数Ｆを求めたところ図７に示す結果が得られた。
横軸は、中心からの距離でありウエハの面に対応する。この場合、側壁の高さＨは、４００ｍｍに設定してある。これによると、形態係数Ｆは中心部から半径方向に行くに従って僅かではあるが上昇しているが、全体的に見て、略同一であると見做すことができる。
このように形態係数Ｆをウエハの中心から周辺部に至るまで略一定となるように設定することにより、ウエハ表面の各微小部分における熱の出入りが略等しくなり、面内温度の均一性を確保することが可能となる。
【００１７】
以上のようなプロセスにより、最適な装置設計を行なうと、例えば１２インチウエハ対応の装置の場合には、リング状加熱ランプの直径を５００ｍｍとし、１本のランプの出力を１ＫＷと仮定すると、２０本のランプを用いて、そのランプ２８間の間隔Ｄを２０ｍｍ程度に設定し、且つランプ２８の配列長さＬを４００ｍｍ程度に設定するのが好ましい。
尚、各ランプ２８を個々に、或いは複数本毎のグループとし、個々に或いはグループ毎に投入電力を制御できるようにして、処理容器１４の高さ方向に温度分布を持たせるようにして微妙な温度制御ができるようにしてもよい。
【００１８】
一方、処理容器１４の天井部３２は、平坦に形成されており、この内面には、例えば金メッキ或いは銀メッキ等が施されて鏡面３４が形成され、ランプ２８からの輻射熱を反射して熱効率を高めるようになっている。
そして、この処理容器１４の天井部３２には、容器内へ処理ガスを導入するための処理ガス導入ノズル３６が設けられており、このノズル３６は、途中に流量コントローラ３８及び開閉弁４０を介設したガス通路４２を介して処理ガス源４４に接続されている。
また、処理容器１４の側壁部１４Ａの下部には、ウエハＷの搬出入を行なうゲートバルブ４６及び容器内を真空引きするために図示しない真空ポンプに接続された排気口４８が設けられており、容器内を所定の真空圧に維持できるようになっている。
【００１９】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、ウエハＷの熱処理、例えば酸化処理を行なう場合には、例えば８インチ或いは１２インチウエハを載置台１６上に載置し、処理容器１４内を気密状態にする。そして、処理容器１４内を真空引きすると共にリング状加熱ランプ２８に所定の電力を供給し、ウエハ温度をプロセス温度まで急速に加熱すると同時に、処理ガス源４４から処理ガス、例えば水蒸気等を流してこれを処理容器１４内へ導入して酸化処理を行なう。
ここでウエハを昇温し且つプロセス温度に維持する場合、容器外側に上下方向に段状に配置した各加熱ランプ２０からの輻射熱がランプの高さ位置に応じてウエハ表面の加熱に寄与することになるが、ここで前述のようにウエハ表面の各微小エリアに対する加熱ランプ２８の配列面の形態係数は図７に示すようにウエハ中心より半径方向に沿って略一定になるように設定されている。従って、ウエハ表面の各微小エリアに流れこむ熱流及びこれより輻射熱となって外に出て行く熱流を考慮した場合、収支の熱量は各微小エリアにおいて略等しくなり、この結果、ウエハ表面の温度差がほとんどなくなり、面内温度の均一性を高くすることができる。
【００２０】
ここで、処理容器１４の天井部３２の下面は鏡面３４としてあることから、加熱ランプ２８からの輻射熱がここで反射されて直接的に或いは間接的にウエハ面側に向けられるので形態係数を考慮する幾何学上において加熱ランプ２８を無限長の筒体状に配置した構造と等価となり、ウエハの面内温度の均一性を一層高めることができ、しかも熱効率も向上させることができる。
このように面内温度の均一性を確保できることから、酸化層の深さや成膜の厚さを均一化させ且つその深さや厚さを精度高くコントロールすることができる。
【００２１】
又、各加熱ランプ２８の輻射量を個別に制御できるようにすれば、必要に応じてウエハ面内に温度分布を持たせることもでき、例えば、ウエハ中心部の温度のみを、その周縁部と比較して高く設定することも可能である。
更に、処理容器天井部３２における鏡面３４の構造としては、金や銀のコーティングに限らず、輻射率の高い材料、例えば輻射率０．０３のアルミニウムのコーティング等も採用することができる。
【００２２】
また、上記実施例においては、加熱手段２６としてリング状加熱ランプ２８を用いたが、これに限らず、例えば図３及び図４に示すようにリング状加熱ランプに替えて直線状加熱ランプ４８を用いるようにしてもよい。この場合には、直線状加熱ランプ４８を処理容器１４の高さ方向に配置し、且つその処理容器１４の周方向に等間隔で複数本設けるようにすればよい。また、各直線状加熱ランプ４８に反射傘３０を設けて熱効率を向上させる点も、図１に示す構成と同様である。このような構成においても、図１に示す構成例と同一の作用効果を示すことになる。
又、加熱ランプ２８、４８に替えて抵抗発熱体等、他の発熱部材を用いてもよいのは勿論である。
【００２３】
尚、上記実施例においては、半導体ウエハＷの上面のみから輻射熱を供給してこれを加熱するようにしたが、これに限定されず、例えば図５に示す第２の発明装置のようにウエハＷの下面側にも同様な構造の処理容器を設け、ウエハの上下両面側から加熱するようにしてもよい。
図５においては、図１に示す装置の構成部分と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
図示するように上側の処理容器１４の下部には、これと略同一の構造に形成された下側の処理容器５０がその開口端を上方に向けて上側処理容器１４の開口端と突き合わせるようにして接合して設けられる。
【００２４】
この接合部の側壁部からは、容器周方向に等間隔で配置された３本の石英製の載置部としての載置バー５２が設けられており、その先端を上方へ屈曲させてこの部分でウエハＷの裏面を３点支持するようになっている。この載置バー５２の上下には、所定の間隔を隔てて、例えばＳｉＣ等よりなる均熱板５４、５６が配置されており、この均熱板５４、５６にはそれぞれ温度検出用の熱電対５８、６０が設けられている。従って、ウエハＷは均熱板５４、５６間に挟まれるような状態で載置される。尚、均熱板５４、５６に挟まれて区画される空間を密閉空間としてもよいし、処理容器１４の天井部側及び処理容器５０の底部側と連通状態にしてもよい。
【００２５】
そして、上側の処理容器１４の天井部３２は勿論のこと、下側の処理容器の底部６２にもそれぞれ輻射熱反射用の鏡面３４、６４を設けている。更に、上側の処理容器１４の側壁部１４Ａに図１に示したと同様なリング状加熱ランプ２８を多段に複数個設けると共に下側の処理容器５０の側壁部５０Ａにも反射傘６８付きのリング状加熱ランプ６６を多段に複数個設けている。尚、前述のようにリング状加熱ランプに替えて直線状加熱ランプを用いてもよいのは勿論であり、また、２枚の均熱板５４、５６を設けなくてもよい。
この場合には、半導体ウエハＷの上側面のみならず、下側面からも形態係数がウエハ面内において略同一となるように配置した加熱ランプ６６からの輻射熱により加熱されるので、その結果、ウエハの表面温度の均一性を保持したままその昇温速度を上げることができるので瞬時に熱処理ができ、その分、スループットの向上に寄与することが可能となる。
【００２６】
また、２枚の均熱板５４、５６を設けてこれらの温度を熱電対５８、６０により測定することによりウエハの面内温度の均一性を更に高めることができるのみならず、ウエハ温度はこれら２つの熱電対の測定温度値の範囲内に存在することから、測定の困難なウエハ温度を正確に把握することができ、温度コントロールも行ない易くなる。
尚、上記実施例においては、成膜や酸化膜を形成する場合について述べたが、いわゆるクリーントラックに設けられる現像液塗布前後の加熱装置としても適用できるのは勿論である。
また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、例えばＬＣＤ基板の熱処理装置にも適用し得る。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る枚葉式熱処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
第１の発明によれば、処理容器の側壁部のみに加熱手段を設けるようにしたので、被処理体の面内温度の均一性を大幅に改善することができ、従って、面内均一性の高い熱処理、例えば成膜処理等を行なうことができる。
また、加熱手段としての加熱ランプを固定的に設けるだけで済むので、従来必要とされていたランプの回転機構を設ける必要がなく装置のコスト削減に寄与することができる。
更に、処理容器の天井部に鏡面を設けて輻射熱を反射させることにより、被処理体の面内温度の均一性を一層向上できるのみならず、熱効率も高めることができる。
第２の発明によれば、第１の発明の作用効果を発揮するのみならず、被処理体の両面から加熱するようにしたので、被処理体昇温速度を上げて瞬時に熱処理を施すことができ、処理速度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す装置の平面図である。
【図３】第１の発明装置の変形例を示す概略側面図である。
【図４】図３に示す装置の平面図である。
【図５】第２の発明に係る枚葉式熱処理装置の一実施例を示す断面図である。
【図６】形態係数を説明するための説明図である。
【図７】被処理体の半径方向の距離と形態係数との関係を示すグラフである。
【図８】従来の枚葉式熱処理装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１２枚葉式熱処理装置
１４処理容器
１４Ａ側壁部
１６載置台（載置部）
２６加熱手段
２８リング状加熱ランプ
３０反射傘
３２天井部
３４鏡面
４８直線状加熱ランプ
５０下側の処理容器
５０Ａ側壁部
５２載置バー（載置部）
５４、５６均熱板
６４鏡面
６６リング状加熱ランプ
６８反射傘
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a single wafer heat treatment apparatus.
[0002]
[Prior art]
In general, in the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, a heat treatment such as a conductor or non-conductor thin film forming process, an oxide film forming process, a thermal diffusion process, etc. is performed on a semiconductor wafer, and further, an etching process is applied thereto. A target integrated circuit is formed by repeating a series of operations such as forming a predetermined pattern.
As an apparatus for performing this type of heat treatment, a so-called batch type vertical heat treatment apparatus capable of performing heat treatment under the same processing conditions on, for example, about 150 wafers at once, and different types of heat treatment for each semiconductor wafer. There is known a single-wafer type heat treatment apparatus suitable for so-called multi-product small-volume production. For example, both apparatuses are selectively used according to the production form.
[0003]
Here, a conventional single wafer type heat treatment apparatus will be described as an example.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a conventional single wafer heat treatment apparatus. For example, a mounting table 4 made of a material transparent to heat rays, for example, quartz, is airtight at the bottom of a processing vessel 2 made of quartz. A semiconductor wafer W as an object to be processed is placed and held thereon.
A large number, for example, about 12 to 16 heating lamps 10 attached to the rotary table 8 rotated by the motor 6 are arranged below the mounting table 4 and outside the bottom of the processing container 24. The heat ray passes through the quartz mounting table 4 and heats the semiconductor wafer from its back surface. As the heating lamp 10, a lamp with a large calorific value, for example, a halogen lamp is used, and the temperature of the wafer can be rapidly raised.
Accordingly, the type of processing gas, the supply amount, the processing pressure, the processing temperature, and the like can be individually controlled for each wafer to be processed, and different heat treatments can be quickly performed for each wafer.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the structure provided with a large number of heating lamps 10 as described above, an expensive rotating mechanism including a motor 6 and a rotary table 8 must be provided in order to perform soaking on the wafer surface. It was forced to be expensive.
Further, in the case where a heating means is configured by assembling a large number of heating lamps 10 in a substantially planar manner, a slight temperature difference occurs in the wafer surface no matter how the heating lamps 10 are arranged. Therefore, it is inevitable that a slight temperature distribution occurs. In particular, it has been impossible to avoid a phenomenon in which the temperature at the center of the wafer is slightly higher than the peripheral edge.
For this reason, there is a problem that in-plane non-uniformity of film formation occurs due to this temperature difference, or the depth of the diffusion layer cannot be accurately controlled in the impurity thermal diffusion process.
Such inadequate controllability of the film thickness is acceptable to some extent in the heat treatment for the 8-inch wafers that are currently in the mainstream, but for example, 12 inches are required as the wafer diameter increases. When heat treatment is performed on a wafer, it becomes very difficult to design the arrangement of heating lamps for soaking, and conventional techniques cannot be applied as they are.
[0005]
Furthermore, with the increase in the speed and integration of integrated circuits, it is required that the thermal diffusion layer of impurities, for example, be shallow in an 8-inch wafer and the depth be controlled with higher accuracy. In such a heating mechanism, there is a problem that the temperature non-uniformity in the wafer surface exceeds the allowable limit.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to provide a single wafer heat treatment apparatus that can improve the uniformity of the in-plane temperature of the object to be processed by providing heating means only on the side wall of the processing container.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventor incorporates a shape factor into the geometrical relationship between the object to be processed and the heating means, so that no heating means is provided in the portion facing the surface of the object to be processed in parallel, only the side wall portion. It is made by obtaining the knowledge that the uniformity of the in-plane temperature can be ensured by providing it.
In order to solve the above-mentioned problems, the first invention is a single-wafer type heat treatment apparatus for heat-treating one object to be treated supported by a mounting portion, and is a cylindrical treatment container that can be evacuated. And a heating means for heating the object to be processed. The heating means is provided only on the side wall portion of the processing container, and the ceiling portion of the processing container is configured as a mirror surface that reflects radiant heat. .
According to a second aspect of the present invention, there is provided a pair of processing containers provided in a single-wafer type heat treatment apparatus for heat-treating a target object supported by the mounting portion so as to be evacuated and abutted on the opening ends thereof. And a heating means for heating the object to be processed, wherein the heating means is provided only on the side walls of the pair of processing containers.
[0007]
[Action]
According to the first invention, since the provided over a plurality of stages at a predetermined distance only on the side wall portion of the processing chamber for example a ring-shaped heating lamp in its height direction, within the plane of the object The center temperature does not become higher than the peripheral edge portion, and the uniformity of the in-plane temperature can be improved.
In this case, instead of the ring-shaped heating lamp, for example, a number of linear lamps may be provided upright on the side wall of the processing vessel.
In addition, when the shape factor is considered by making the ceiling in the processing container a mirror surface, in principle, it becomes equivalent to an infinitely long cylindrical processing container, and the uniformity of the in-plane temperature can be further improved. It becomes possible.
[0008]
Further, by providing the heating means and the processing container having the same configuration as described above also on the opposite surface side (back surface side) of the object to be processed, the same heating can be performed from both surfaces of the object to be processed. It becomes possible to improve the uniformity of the internal temperature.
[0009]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a single wafer heat treatment apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a single wafer heat treatment apparatus according to the first invention, and FIG. 2 is a plan view of the apparatus shown in FIG.
As shown in the figure, this single wafer heat treatment apparatus 12 has a cylindrical processing container 14 made of a material transparent to heat rays such as quartz, and the lower end of the processing container 14 is opened. In this opening, a mounting table 16 as a convex mounting portion whose upper surface is a mounting surface is airtightly attached and fixed via a seal member 18 such as an O-ring.
[0010]
The mounting table 16 is formed of, for example, quartz or aluminum, and a clamp 20 for holding an edge of the semiconductor wafer W as a processing target mounted on the side of the upper mounting surface. Is provided. Further, the mounting table 16 is provided with pusher pins 22 for pushing up the wafer W when the wafer W is loaded and unloaded so as to be able to protrude and retract above the mounting surface, and the lower end opening of the pin insertion hole and the pusher pins 22. Between them, a bellows-like metallic bellows 24 is provided so as to be extendable and retractable, and the pins 22 are allowed to go up and down while maintaining the airtightness in the processing container 14.
[0011]
And the heating means 26 which is the characteristics of this invention is provided in the outer side of the side wall part 14A of the processing container 14. FIG. Specifically, the heating means 26 includes a ring-shaped heating lamp 28 disposed concentrically so as to surround the side wall portion 14A of the processing container 14 along the circumferential direction. A plurality of stages are arranged along the height direction of the container 14 at a predetermined interval D at equal intervals, and in the illustrated example, over five stages, and the semiconductor wafer W is heated by the radiant heat from this stage. In addition, the outer surface of each ring-shaped lamp 28 is provided with a ring-shaped reflector 30 having a cross-sectional arc opened toward the container side, so as to improve thermal efficiency.
[0012]
Here, the distance D between the lamps 28 and the overall length L of the lamps 28 arranged vertically are determined by the shape factor on the wafer surface determined between the wafer upper surface and the side wall portion 14A of the processing vessel 14. Thus, the total amount of radiant heat in and out of each part of the wafer surface becomes substantially the same, and it is possible to ensure uniformity of the in-plane temperature.
When considering heat transfer between two or more solid surfaces by radiation (radiation), it is already known that the exchange heat quantity can be easily calculated by using the form factor determined by the geometry of the two surfaces. It has been.
[0013]
Here, a view factor definition F will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
6 and 7, two surfaces A and A ′ are defined. The surface A corresponds to the bottom surface of the cylinder (corresponding to the wafer), and the surface A ′ corresponds to the side surface (corresponding to the arrangement surface of the heating lamps). It shall correspond.
If the minute surfaces of the surfaces A and A ′ are dA and dA ′, the form factor F of dA ′ with respect to dA is defined by the following equation.
[0014]

[0015]
Here, each symbol is defined as follows.
R: radius of the wafer r: distance from the wafer center to the minute surface dA H: height of the effective heat radiation surface on the processing vessel surface Rf: distance from the wafer center to the minute surface dA ′ (radius of the heating element)
S: Linear distance between minute surfaces dA and dA ′ h: Height from wafer position to minute surface dA ′ θ: Angle formed by r and Rf φ: Angle formed between normal of minute surface dA and S dA: Wafer Micro-area dA ′ taken in the plane: Micro-area dh in the processing vessel plane: Height φ ′ of micro-area dA ′: Angle dθ between micro-surface dA ′ and S d: Width of micro-area dA ′
When the form factor F was obtained based on such a mathematical formula, the result shown in FIG. 7 was obtained.
The horizontal axis is the distance from the center and corresponds to the surface of the wafer. In this case, the height H of the side wall is set to 400 mm. According to this, the form factor F increases slightly as it goes in the radial direction from the center, but it can be considered that it is substantially the same as a whole.
Thus, by setting the form factor F to be substantially constant from the center to the periphery of the wafer, the heat input and output at each minute portion of the wafer surface becomes substantially equal, and the uniformity of the in-plane temperature is ensured. It becomes possible to do.
[0017]
When an optimum apparatus design is carried out by the above process, for example, in the case of an apparatus compatible with a 12-inch wafer, assuming that the diameter of the ring-shaped heating lamp is 500 mm and the output of one lamp is 1 KW, 20 It is preferable that the distance D between the lamps 28 is set to about 20 mm, and the arrangement length L of the lamps 28 is set to about 400 mm.
Each lamp 28 is individually or in groups of a plurality of lamps, and the input power can be controlled individually or for each group so that the temperature distribution in the height direction of the processing container 14 has a delicate distribution. The temperature may be controlled.
[0018]
On the other hand, the ceiling portion 32 of the processing container 14 is formed flat, and a mirror surface 34 is formed on the inner surface by, for example, gold plating or silver plating, and the radiant heat from the lamp 28 is reflected to improve thermal efficiency. It is designed to increase.
A processing gas introduction nozzle 36 for introducing a processing gas into the container is provided on the ceiling portion 32 of the processing container 14, and this nozzle 36 is provided with a flow rate controller 38 and an on-off valve 40 on the way. It is connected to the processing gas source 44 through the gas passage 42 provided.
Further, a gate valve 46 for carrying in / out the wafer W and an exhaust port 48 connected to a vacuum pump (not shown) for evacuating the inside of the container are provided below the side wall portion 14A of the processing container 14. The inside of the container can be maintained at a predetermined vacuum pressure.
[0019]
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described.
First, when performing a heat treatment of the wafer W, for example, an oxidation process, for example, an 8-inch or 12-inch wafer is mounted on the mounting table 16, and the inside of the processing container 14 is made airtight. Then, the inside of the processing container 14 is evacuated and a predetermined power is supplied to the ring-shaped heating lamp 28 to rapidly heat the wafer temperature to the process temperature. At the same time, a processing gas such as water vapor is supplied from the processing gas source 44. This is introduced into the processing vessel 14 to perform an oxidation process.
Here, when the temperature of the wafer is raised and maintained at the process temperature, the radiant heat from the heating lamps 20 arranged stepwise in the vertical direction outside the container contributes to the heating of the wafer surface according to the lamp height position. However, as described above, the form factor of the arrangement surface of the heating lamps 28 for each minute area on the wafer surface is set to be substantially constant along the radial direction from the wafer center as shown in FIG. Yes. Therefore, when considering the heat flow that flows into each minute area on the wafer surface and the heat flow that goes out as radiant heat from this, the amount of heat in the balance becomes substantially equal in each minute area, resulting in a temperature difference on the wafer surface. Is almost eliminated, and the uniformity of the in-plane temperature can be increased.
[0020]
Here, since the lower surface of the ceiling portion 32 of the processing container 14 is a mirror surface 34, the radiant heat from the heating lamp 28 is reflected here and directed directly or indirectly to the wafer surface side, so that the shape factor is taken into consideration. This is equivalent to a structure in which the heating lamps 28 are arranged in an infinitely long cylindrical shape in terms of geometry, so that the uniformity of the in-plane temperature of the wafer can be further improved and the thermal efficiency can be improved.
Since the uniformity of the in-plane temperature can be ensured in this way, the depth of the oxide layer and the thickness of the film can be made uniform, and the depth and thickness can be controlled with high accuracy.
[0021]
Further, if the radiation amount of each heating lamp 28 can be individually controlled, a temperature distribution can be provided in the wafer surface as required. For example, only the temperature at the center of the wafer is compared with the peripheral portion. It is also possible to set a higher value.
Further, the structure of the mirror surface 34 in the processing container ceiling portion 32 is not limited to gold or silver coating, and a material having a high emissivity, for example, an aluminum coating with an emissivity of 0.03 can be employed.
[0022]
In the above embodiment, the ring-shaped heating lamp 28 is used as the heating means 26. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 3 and 4, a linear heating lamp 48 is used instead of the ring-shaped heating lamp. You may make it use. In this case, a plurality of linear heating lamps 48 may be arranged in the height direction of the processing container 14 and provided at equal intervals in the circumferential direction of the processing container 14. Moreover, the point which provides the reflector 30 in each linear heating lamp 48 and improves thermal efficiency is the same as that of the structure shown in FIG. Even in such a configuration, the same operational effects as the configuration example shown in FIG. 1 are exhibited.
Of course, other heating members such as a resistance heating element may be used instead of the

heating lamps

28 and 48.
[0023]
In the above embodiment, radiant heat is supplied from only the upper surface of the semiconductor wafer W to heat it. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the second invention apparatus shown in FIG. A processing container having a similar structure may be provided on the lower surface side of the wafer and heated from the upper and lower surfaces of the wafer.
In FIG. 5, the same parts as those of the apparatus shown in FIG.
As shown in the figure, at the lower part of the upper processing container 14, a lower processing container 50 formed in substantially the same structure as this faces the opening end of the upper processing container 14 with its opening end facing upward. To be joined.
[0024]
From the side wall portion of the joint portion, there are provided three placement bars 52 serving as quartz placement portions arranged at equal intervals in the circumferential direction of the container. Thus, the back surface of the wafer W is supported at three points. On the upper and lower sides of the mounting bar 52, soaking plates 54 and 56 made of, for example, SiC are arranged at a predetermined interval, and the soaking plates 54 and 56 are thermocouples for temperature detection, respectively. 58 and 60 are provided. Accordingly, the wafer W is placed in a state where it is sandwiched between the soaking plates 54 and 56. In addition, the space defined by the soaking plates 54 and 56 may be a sealed space, or may be in communication with the ceiling side of the processing container 14 and the bottom side of the processing container 50.
[0025]
In addition to the ceiling portion 32 of the upper processing container 14, the bottom surface 62 of the lower processing container is provided with mirror surfaces 34 and 64 for radiant heat reflection, respectively. Further, a plurality of ring-shaped heating lamps 28 similar to those shown in FIG. 1 are provided in multiple stages on the side wall portion 14A of the upper processing vessel 14, and a ring shape with a reflector 68 is also provided on the side wall portion 50A of the lower processing vessel 50. A plurality of heating lamps 66 are provided in multiple stages. Of course, a linear heating lamp may be used instead of the ring-shaped heating lamp as described above, and the two soaking plates 54 and 56 may not be provided.
In this case, not only the upper surface of the semiconductor wafer W but also the lower surface is heated by the radiant heat from the heating lamp 66 arranged so that the shape factor is substantially the same in the wafer surface. Since the temperature rise rate can be increased while maintaining the uniformity of the surface temperature, heat treatment can be performed instantaneously, which contributes to an improvement in throughput.
[0026]
Further, by providing two soaking plates 54 and 56 and measuring these temperatures with thermocouples 58 and 60, not only the uniformity of the in-plane temperature of the wafer can be further increased, but the wafer temperature Since it exists within the range of the measured temperature values of the two thermocouples, it is possible to accurately grasp the wafer temperature that is difficult to measure and to easily control the temperature.
In the above-described embodiment, the case of forming a film or an oxide film has been described. However, it is needless to say that the present invention can also be applied as a heating device before and after applying a developing solution provided in a so-called clean track.
Further, the object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, and can be applied to a heat treatment apparatus for an LCD substrate, for example.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the single wafer heat treatment apparatus according to the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
According to the first invention, since the provided heating means only on the side wall of the processing chamber, it is possible to greatly improve the uniformity of the surface temperature of the object, therefore, surface uniformity High heat treatment, for example, a film forming process can be performed.
Further, since it is only necessary to provide a heating lamp as a heating means in a fixed manner, it is not necessary to provide a lamp rotating mechanism that has been conventionally required, which can contribute to cost reduction of the apparatus.
Furthermore, by providing a mirror surface on the ceiling of the processing container to reflect the radiant heat, not only the uniformity of the in-plane temperature of the object to be processed can be further improved, but also the thermal efficiency can be increased.
According to the second invention, not only the effects of the first invention are exhibited, but also heating is performed from both sides of the object to be processed, so that the temperature of the object to be processed is increased and heat treatment is performed instantaneously. And the processing speed can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a single wafer heat treatment apparatus according to the first invention.
FIG. 2 is a plan view of the apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic side view showing a modification of the first invention apparatus.
4 is a plan view of the apparatus shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of a single wafer heat treatment apparatus according to the second invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a form factor;
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the distance in the radial direction of the object to be processed and the form factor.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a conventional single wafer heat treatment apparatus.
[Explanation of symbols]
12 single wafer processing apparatus 14 processing container 14A side wall part 16 mounting table (mounting part)
26 heating means 28 ring-shaped heating lamp 30 reflector 32 ceiling part 34 mirror surface 48 linear heating lamp 50 lower processing container 50A side wall part 52 mounting bar (mounting part)
54, 56 Heat equalizing plate 64 Mirror surface 66 Ring-shaped heating lamp 68 Reflector umbrella W Semiconductor wafer (object to be processed)

Claims

In a single wafer heat treatment apparatus that heat-treats one object to be processed supported by the mounting portion, a cylindrical processing container that is evacuated and a heating unit that heats the object to be processed are provided. The heating unit is provided only on a side wall portion of the processing container, and a ceiling portion of the processing container is configured as a mirror surface that reflects radiant heat.

The heating means includes a plurality of ring-shaped heating lamps arranged in a ring shape so as to surround the side wall of the processing container and provided in multiple stages at predetermined intervals in the height direction of the processing container. The single wafer type heat treatment apparatus according to claim 1.

2. The heating means includes a plurality of linear heating lamps arranged along the height direction of the side wall of the processing container and provided at equal intervals in the circumferential direction of the processing container. Single-wafer heat treatment apparatus as described.

In a single wafer heat treatment apparatus for heat-treating one object to be treated supported by the mounting portion, a pair of treatment containers provided so as to be evacuated and abutting open ends thereof, and the object to be treated And a heating means for heating the substrate, wherein the heating means is provided only on the side walls of the pair of processing containers.

The heating means includes a plurality of ring-shaped heating lamps arranged in a ring shape so as to surround the side wall of the processing container and provided in multiple stages at predetermined intervals in the height direction of the processing container. The single wafer heat treatment apparatus according to claim 4.

5. The heating means includes a plurality of linear heating lamps arranged along the height direction of the side wall of the processing container and provided at equal intervals in the circumferential direction of the processing container. Single-wafer heat treatment apparatus as described.

The single wafer according to any one of claims 4 to 6, wherein a soaking plate is disposed on both sides of the mounting portion for supporting the object to be processed so as to sandwich the object to be processed from both sides. Type heat treatment equipment.

A single wafer heat treatment apparatus for heat treating an object supported by a mounting part,
A cylindrical processing container made evacuated,
Heating means disposed only on the side wall of the processing vessel;
Have
The heating means includes a plurality of heating elements, and the distance between the heating elements and the total length of the heating elements arranged are determined between the surface of the object to be processed and the surface of the processing container. A single wafer heat treatment apparatus characterized in that the above form factor is constant.

A single wafer heat treatment apparatus for heat treating an object supported by a mounting part,
A cylindrical processing container made evacuated,
Heating means disposed only on the side wall of the processing vessel;
Have
The heating means is composed of a plurality of heating elements, and the distance between each heating element and the total length of the heating elements arranged so that the total amount of radiant heat in and out of each part of the surface of the object to be processed is the same. Subeku the single-wafer thermal processing apparatus characterized by the form factor on該被processing member surface to be determined between the have configured so as to be approximately constant and the object member surface and the processing vessel surface.

A single wafer heat treatment apparatus for heat treating an object supported by a mounting part,
A cylindrical processing container made evacuated,
Heating means disposed only on the side wall of the processing vessel;
Have
The heating means includes a plurality of heating elements, and the distance between the heating elements and the total length of the heating elements arranged are determined between the surface of the object to be processed and the surface of the processing container. A single wafer heat treatment apparatus, characterized in that the above form factor is constant from the center to the periphery of the object to be processed.

The ceiling portion of the processing chamber is a single wafer type heat treatment apparatus according to any one of claims 8 to 1 0, characterized in that it is constructed as a mirror for reflecting radiation heat.