JP3912208B2

JP3912208B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP3912208B2
Application number: JP2002200572A
Authority: JP
Inventors: 孝規斉藤; 健一山賀; 中尾　　賢
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2022-07-09
Also published as: CN2597491Y; EP1480262A4; CN1618118A; EP1480262A1; JP2003324045A; TW200303586A; WO2003073487A1; KR100910292B1; EP1480262B1; TWI244140B; US7102104B2; CN1309022C; KR20040083069A; DE60239766D1; US20050121432A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対して比較的低温で所定の処理を施すための熱処理装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理等の各種の熱処理が行なわれる。これらの熱処理を縦型の、いわゆるバッチ式の熱処理装置にて行う場合には、まず、半導体ウエハを複数枚、例えば２５枚程度収容できるカセットから、半導体ウエハを縦型のウエハボートへ移載してこれに多段に支持させる。このウエハボートは、例えばウエハサイズにもよるが３０〜１５０枚程度のウエハを載置できる。このウエハボートは、排気可能な処理容器内にその下方より搬入（ロード）された後、処理容器内が気密に維持される。そして、処理ガスの流量、プロセス圧力、プロセス温度等の各種のプロセス条件を制御しつつ所定の熱処理が施される。
【０００３】
ここで、図１０を参照して従来の熱処理装置の一例について説明すると、この熱処理装置２は、内筒４と外筒６とよりなる石英製の２重管構造の縦型の所定の長さの処理容器８を有している。上記内筒４内の処理空間Ｓには、被処理体を保持するための被処理体保持具としての石英製のウエハボート１０が収容されており、このウエハボート１０には被処理体としての半導体ウエハＷが所定のピッチで多段に保持される。
この処理容器８の下方を開閉するためにキャップ１２が設けられ、これには磁性流体シール１４を介して回転する回転軸１６が設けられる。そして、この回転軸１６の上端に回転テーブル１８が設けられ、このテーブル１８上に保温筒２０を設け、この保温筒２０上に上記ウエハボート１０を載置している。そして、上記キャップ１２は昇降可能なボートエレベータ２２のアーム２４に取り付けられており、上記回転軸１６やウエハボート１０等と一体的に昇降可能にしており、ウエハボート１０は処理容器８内へその下方から挿脱可能になされている。
【０００４】
上記処理容器８の下端開口部は、例えばステンレス製のマニホールド２６が接合されており、このマニホールド２６には、熱処理、例えば成膜に必要な種々の処理ガスを処理容器８内へ導入するための複数、図示例では２つのガスノズル２８Ａ、２８Ｂが貫通させて設けられている。そして、各ガスノズル２８Ａ、２８Ｂには、それぞれガス供給系３０Ａ、３０Ｂが接続されると共に、各ガス供給系３０Ａ、３０Ｂには、ガス流量を制御する例えばマスフローコントローラのような流量制御器３２Ａ、３２Ｂが介設されている。
【０００５】
そして、上記各ガスノズル２８Ａ、２８Ｂより供給された各処理ガスは、内筒４内の処理空間Ｓであるウエハの収容領域を上昇して天井部で下方へ折り返し、そして内筒４と外筒６との間隙内を流下して排出されることになる。また、マニホールド２６の側壁には、排気口３４が設けられており、この排気口３４には、図示しない真空ポンプ等が介設されて処理容器８内を真空引きするようになっている。また、処理容器８の外周には、断熱材よりなる断熱層３６が設けられており、この内側には、加熱手段として加熱ヒータ３８が設けられて内側に位置するウエハＷを所定の温度に加熱するようになっている。
【０００６】
ここで、この種の従来の熱処理装置２にあっては、例えば９００〜１２００℃程度の比較的高温域での熱処理、例えば成膜、酸化拡散処理等を行うことを前提として設計されていることから、上記したような高温域での熱的安定性及び熱処理時における外部からのウエハの汚染の防止等の見地より、断熱層３６は比較的厚くなされて熱容量が大きくなるように設計されている。また、処理済み後のウエハの温度を急速に下げるためにこの処理容器８の外側に冷却風を吹き付けるようにした、熱処理装置（例えば特開２０００−１００８１２号公報等）も知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近にあっては、上述したような例えば９００〜１２００℃程度の高温域ではなく、例えば５０〜６００℃程度の比較的低温域で半導体ウエハを熱処理する必要性が発生する場合もあった。例えば半導体素子の高速動作の要請に対応するために、配線抵抗の低減化の目的で最近注目されている銅配線を行う場合には、ウエハ上にメッキ等された銅膜を、５０〜１５０℃程度の低温でアニール処理することが必要とされる場合があり、また、配線容量の低減化の目的で層間絶縁膜として誘電率の小さな樹脂等の有機膜を用いる時にはこの有機膜を４００〜６００℃程度の低温で焼き締めすることが必要とされる場合もある。
【０００８】
上述したような、低温域での熱処理を行う場合に、図６に示したような、例えば９００〜１２００℃程度の高温域用に設計された熱容量の大きな熱処理装置２を用いると、低温で処理したにもかかわらず、ウエハ温度を室温程度の取り扱い温度まで低下させるに非常に長時間を要してしまう。例えば前述したように断熱層３６が厚く設定されて熱容量が大きいことから、９００〜１２００℃程度の高温域での降温速度は５〜６℃／ｍｉｎ程度で大きいが、特に、１００℃前後での低温域での降温速度は非常に小さくて例えば１〜２℃／ｍｉｎ程度になってしまっている。このような低温域での現象は、上記したように処理容器８の側壁に冷却風を吹き付けるような装置例の場合も同様である。
このように、処理済み後にウエハ温度をハンドリング温度まで低下させるのに長時間を要するため、スループットが大幅に低下してしまう、といった問題があった。
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、例えば５０〜６００℃程度の低温域での降温率を高くでき、熱処理のスループットを向上させることが可能な熱処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、排気可能になされた筒体状の処理容器と、複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、前記処理容器内へ所定の処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理容器の内側に配置されて前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器の壁面を冷却する容器冷却手段と、前記被処理体の降温時に、前記被処理体が収容されている前記被処理体保持手段が設けられた前記処理容器内の領域へ、冷却ガスを直接導入する冷却ガス導入手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
このように、処理容器内に加熱手段を設け、且つこの処理容器の壁面を容器冷却手段により冷却するようにしているので、全体としての熱容量が小さくなり、しかも、処理容器の壁面が冷たいので、低温域での降温率（降温速度）を大幅に向上させることが可能となる。従って、その分、被処理体の熱処理のスループットを向上させることが可能となる。
【００１０】
また、冷却ガス導入手段により処理容器内へ直接的に冷却ガスを導入することができるので、その分、低温域での降温率（降温速度）及び動特性を更に向上させることが可能となる。
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記冷却ガス導入手段は、前記処理容器内の周方向に沿って複数個配置された冷却ガスノズルを有している。
請求項３に係る発明によれば、被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、排気可能になされた筒体状の処理容器と、複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、前記処理容器内へ所定の処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、前記処理容器の内側に配置されて前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器の壁面を冷却する容器冷却手段と、を備え、前記処理容器の内壁面には、該内壁面の熱反射率を低下させるための熱反射率低下処理が施されていることを特徴とする熱処理装置である。
これによれば、処理容器の内壁面の熱反射率が低い分だけ容器内部の熱を吸収して容器冷却手段で効率的に熱を系外へ排除できるので、その分、冷却効率が向上し、更に、降温率及び動特性を向上させることが可能となる。
【００１１】
また、例えば請求項４に規定するように、前記加熱手段は、棒状になされたヒータ棒よりなり、該ヒータ棒の下端部が前記処理容器の底部側で支持されている。
また、例えば請求項５に規定するように、前記加熱手段は、前記処理容器の内壁面に沿って配置される側部ヒータと、前記処理容器の天井部側に配置されて前記被処理体保持手段の天井部側を加熱する天井部ヒータと、前記処理容器の底部側に配置されて前記被処理体保持手段の底部側を加熱する底部ヒータと、よりなる。
このように、加熱手段として側部ヒータの他に、天井部ヒータと底部ヒータとを設けて放熱量が中央部と比較して多くなる傾向にある被処理体保持手段の上端部及び下端部に保持されている被処理体により多くの熱量を投入するようにしたので、高い温度制御性を維持したまま被処理体の面間温度の均一性を向上させることが可能となる。
【００１２】
この場合、例えば請求項６に規定するように、前記側部ヒータ及び前記天井部ヒータは前記処理容器の天井部に支持され、前記底部ヒータは、前記処理容器の下端開口部を開閉する蓋部に支持されている。
このように、主要なヒータである側部ヒータを、スペース的に比較的余裕のある処理容器の天井部にて支持させるようにしたので、他の配管類、例えば処理ガス導入手段や冷却ガス導入手段等の配設が集中する処理容器の下部における配管類の集中を避けることが可能となり、その分、この部分のメンテナンス性を向上させることができる。
【００１３】
また、例えば請求項７に規定するように、前記処理容器内の下部の内壁面側には、補助底部ヒータが配置されている。
これによれば、被処理体の温度の面間均一性を一層向上させることが可能となる。
また、例えば請求項８に規定するように、前記処理容器の上部の内壁面側には補助天井部ヒータが配置されている。
これによれば、被処理体の温度の面間均一性を一層向上させることが可能となる。
【００１４】
また、例えば請求項９に規定するように、前記容器冷却手段は、前記処理容器の外壁面に密着させて巻回された冷却パイプよりなり、該冷却パイプ内に冷媒を流すように構成されている。
また、例えば請求項１０に規定するように、前記冷却パイプは、伝熱セメント材により埋め込まれて前記処理容器の外壁面に固定されている。
これによれば、容器冷却手段の冷却パイプは伝熱セメント材に埋め込まれているので、伝熱面積が向上してその分、熱交換効率も向上し、更に降温率を向上させることが可能となる。
また、例えば請求項１１に規定するように、前記容器冷却手段は、２重管構造になされており、その２重管の間に冷媒を流すように構成されている。
また、例えば請求項１２に規定するように、前記処理容器の材質は、石英、ステンレススチール、アルミニウムの内のいずれか１つよりなる。
また、例えば請求項１３に規定するように、前記被処理体の処理温度は、５０〜６００℃の範囲内である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る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は本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図、図２は本発明の熱処理装置を示す断面図、図３は加熱手段のヒータ棒を示す斜視図である。
図示するように、この本発明の第１実施例に係る熱処理装置４０は下端が開放された円筒体状になされた処理容器４２を有している。この処理容器４２は、例えば石英の他、ステンレススチールやアルミニウム等の金属により形成することができる。例えば処理容器４２の材料として前述したような５０〜６００℃程度の低温域の中でも、主として３５０〜６００℃程度の高い側で半導体ウエハの処理を行う場合には、耐熱性の高い石英を用い、５０〜３５０℃程度の低い側で半導体ウエハの処理を行う場合には、ステンレススチールやアルミニウム等の金属を用いることができる。
【００１６】
この処理容器４２の天井部には、開口された排気口４６が設けられると共に、この排気口４６に例えば直角に横方向へ屈曲された排気ノズル４８が連設されている。そして、この排気ノズル４６には、途中に圧力制御弁５０や排気ポンプ５２等が介設された排気系５４が接続されており、上記処理容器４２内の雰囲気を排気出来るようになっている。尚、処理態様によって、処理容器４２内は真空雰囲気や略常圧の雰囲気になされる。
上記処理容器４２の下端は、例えばステンレススチール製の筒体状のマニホールド５６によって支持されており、このマニホールド５６の下方より多数枚の被処理体としての半導体ウエハＷを多段に載置した被処理体保持手段としての石英製のウエハボート５８が昇降可能に挿脱自在になされている。上記処理容器４２の下端と上記マニホールド５６の上端との間には、Ｏリング等のシール部材５７が介在されて、この部分の気密性を維持している。本実施例の場合において、このウエハボート５８には、例えば３０枚程度の直径が３００ｍｍのウエハＷを略等ピッチで多段に支持できるようになっている。
【００１７】
このウエハボート５８は、石英製の保温筒６０を介してテーブル６２上に載置されており、このテーブル６２は、マニホールド５６の下端開口部を開閉する蓋部６４を貫通する回転軸６６上に支持される。
そして、この回転軸６６の貫通部には、例えば磁性流体シール６８が介設され、この回転軸６６を気密にシールしつつ回転可能に支持している。また、蓋部６４の周辺部とマニホールド５６の下端部には、例えばＯリング等よりなるシール部材７０が介設されており、容器内のシール性を保持している。
上記した回転軸６６は、例えばボートエレベータ等の昇降機構７２に支持されたアーム７４の先端に取り付けられており、ウエハボート５８及び蓋部６４等を一体的に昇降できるようになされている。尚、上記テーブル６２を上記蓋部６４側へ固定して設け、ウエハボート５８を回転させることなくウエハＷの処理を行うようにしてもよい。
【００１８】
上記マニホールド５６の側部には、上記半導体ウエハＷを加熱する加熱手段７６と、この処理容器４２内へ所定の処理ガスを導入する処理ガス導入手段７８と、本発明の特徴の１つである冷却ガス導入手段８０とがそれぞれ設けられる。
具体的には、上記加熱手段７６は、例えば図３にも示すように、上部をＵ字状に屈曲した長いヒータ棒８２を有しており、このヒータ棒８２を図１及び図２にも示すように、処理容器４２の周方向に複数個、図２に示す場合には８個設けられているが、この数量に限定されない。このヒータ棒８２の長さは、上記ウエハボート５８の高さよりも長く設定されており、処理容器４２の内壁面にその高さ方向に沿って、且つこの内壁面より僅かな距離だけ離間させた状態で配置されている。そして、このヒータ棒８２の下端部８２Ａは略直角にＬ字状に屈曲されており、この下端部８２Ａを上記マニホールド５６に固定することにより、このヒータ棒８２の全体を支持している。このヒータ棒８２としては、例えばカーボンワイヤの周囲を石英層で被覆してなるカーボンワイヤヒータ等を用いることができる。上記各ヒータ棒８２は、給電ライン８３によりスイッチ機構８４を介してヒータ電源８６へ接続されている。
【００１９】
また、上記処理ガス導入手段７８は、上記マニホールド５６を貫通させて設けた複数本、図示例では２本の処理ガスノズル８８Ａ、８８Ｂを有している。各処理ガスノズル８８Ａ、８８Ｂは、処理ガスライン９０Ａ、９０Ｂを介して各処理ガス源９２Ａ、９２Ｂへそれぞれ接続されている。そして、上記各処理ガスライン９０Ａ、９０Ｂには、開閉弁９４Ａ、９４Ｂ及びマスフローコントローラのような流量制御器９６Ａ、９６Ｂがそれぞれ介設されている。尚、上記処理ガスノズル８８Ａ、８８Ｂ等は、必要なガス種の数に応じて必要な数量設けられるのは勿論である。
また、上記冷却ガス導入手段８０は、図１及び図２にも示すように、上記マニホールド５６を貫通されて設けた複数本、図示例では８本の冷却ガスノズル９８を有している。これらのガスノズル９８は、上記マニホールド５６の周方向に沿って略均等に等ピッチになるように配置されており、そのノズル先端は上方に向けられている。各冷却ガスノズル９８は、途中に開閉弁１０２が介設された冷却ガスライン１００を介して冷却ガス源１０４に接続されており、後述するように、熱処理後のウエハ温度を低下させる時に、各冷却ガスノズル９８から冷却ガスを噴射するようになっている。
【００２０】
ここで冷却ガスとしては、Ｎ₂ ガス、Ａｒガス、Ｈｅガス等の不活性ガス、或いは清浄空気等を用いることができる。また、この冷却ガスライン１００に図示しない冷却機構を介設してこの冷却ガスをより低温に冷やしてから噴射するようにしてウエハの降温率を高めるようにしてもよい。
そして、上記処理容器４２には、これを冷却するための本発明の特徴とする容器冷却手段１１０が設けられている。具体的には、この容器冷却手段１１０は、上記処理容器４２の外壁面に、これに密着させて例えば螺旋状に巻回した冷却パイプ１１２を有している。この冷却パイプ１１２は、例えば銅等の熱伝導性の良好な材料よりなり、処理容器４２の高さ方向の略全体に亘って巻回されている。
【００２１】
そして、この冷却パイプ１１２の一端は冷媒導入口１１２Ａとして形成され、他端は冷媒排出口１１２Ｂとして形成される。そして、この冷媒導入口１１２Ａは、途中に開閉弁１１６を介設した冷媒通路１１８を介して冷媒源１１４へ接続されている。ここで、冷媒として、例えば冷却水を用いることができるが、特にこれに限定されるものではなく、この冷却水は循環通路を用いて繰り返し使用するのがよい。
そして、上記処理容器４２の外側壁には、この冷却パイプ１１２を埋め込むようにして所定の厚さになされた熱伝導性の良好な伝熱セメント材１２０が張り付けられており、必要時に処理容器４２の側壁をより効率的に冷却し得るようになっている。
【００２２】
次に、以上のように構成された第１実施例の熱処理装置を用いて行なわれる熱処理方法について説明する。ここでは熱処理として、ウエハ表面に形成した銅膜をアニール処理する場合を例にとって説明する。
まず、半導体ウエハＷがアンロード状態で熱処理装置が待機状態の時には、処理容器４２はプロセス温度より低い温度、例えば５０℃程度に維持されており、常温の多数枚、例えば３０枚のウエハＷが載置された状態のウエハボート５８を処理容器４２内にその下方より上昇させてロードし、蓋部６４でマニホールド５６の下端開口部を閉じることにより容器内を密閉する。
そして、処理容器４２内を真空引きして所定のプロセス圧力、例えば１００Ｐａ程度に維持すると共に、加熱手段７６のヒータ棒８２への供給電力を増大させることにより、ウエハ温度を上昇させてアニール用のプロセス温度、例えば１５０℃程度まで昇温して安定させ、その後、所定の処理ガスであるＨ_２ガスを流量制御しつつ処理ガス導入手段７８の一方の処理ガスノズル、例えば８８Ａから供給する。
【００２３】
このＨ₂ ガスは処理容器４２内を上昇しつつ、回転しているウエハボート５８に収容されているウエハＷと接触して銅膜がアニール処理されることになる。そして、このＨ₂ ガスは処理容器４２の天井部の排気口４６から系外へ排気されることになる。
このような熱処理（アニール）中において、処理容器４２の側壁に設けた容器冷却手段１１０の冷却パイプ１１２には、冷却水などの冷媒を流して容器側壁を冷やしてもよいし、或いは冷却水を流さないで熱効率を高めるようにしておいてもよい。このようにして、所定の時間の熱処理が終了したならば、ヒータ棒８２への供給電力を抑制し、或いは遮断して次に冷却操作を行う。
【００２４】
まず、容器冷却手段１１０の冷却パイプ１１２へは冷媒を引き続き流し込み（熱処理中に冷媒を流していない時には冷媒を流し始める）、処理容器４２の側壁を冷却し続ける。
これと同時に、処理ガス導入手段７８の処理ガスノズル８８Ａからの処理ガスの供給を停止すると共に、冷却ガス導入手段８０の各冷却ガスノズル９８から、冷却ガスとして例えばＮ_２ガスや清浄空気を処理容器４２内へ噴射し、これによりウエハＷの冷却を促進させる。
このように、処理容器４２の側壁を、冷却パイプ１１２に冷却水を流すことにより直接的に冷却するようにしており、しかも、処理容器４２や伝熱セメント材１２０等を含めて加熱炉全体の熱容量も小さいので、効率的にウエハＷを冷却することができ、この降温率を高めることができる。
【００２５】
この場合、上記伝熱セメント材１２０により冷却パイプ１１２を埋め込むようにしているので、処理容器４２の側壁や冷却パイプ１１２との間の熱伝導効率が大幅に増大して、その分、処理容器４２の温度をより速く低下させることが可能となる。
しかも、これと同時に、処理容器４２内へはその下方より冷却ガスが導入されているので、この冷却ガスが処理済みのウエハＷと直接接触し、これを冷却することになり、この結果、ウエハＷの温度を更に速く低下させることができ、その降温率をより高くすることができる。
また、ここで処理容器４２の内壁面に熱反射を低下させるための熱反射率低下処理を予め施しておけば、処理容器４２の側壁の熱吸収率が高くなって、処理容器４２内の温度、ひいてはウエハＷの温度を更に速く低下させることが可能となる。このような熱反射率低下処理としては、容器内壁に、黒化処理を施したり、サンドブラスト等により表面を粗くして熱反射率が低くなるようにすればよい。
【００２６】
また、上記容器冷却手段１１０としては、金属の筒を２重管構造にして、これらの２重管の間に冷媒を流すようにしてもよい。
尚、ここでヒータ棒８２を処理容器４２内に設けているが、プロセス温度が低いこと及びプロセス内容が銅膜をアニールする処理であること、ヒータ棒８２の表面が石英等で被覆されている等の理由から、ウエハが金属汚染される心配は生じない。
ここで、実際に上記熱処理装置４０のウエハ降温時の評価を行ったので、その評価結果について説明する。
【００２７】
図４は半導体ウエハの降温特性を示すグラフであり、図４（Ａ）は冷却パイプに冷却水を流しているが冷却ガスは噴射していない時の降温特性を示し、図４（Ｂ）は冷却パイプに冷却水を流し、且つ冷却ガスも処理容器内へ噴射している時の降温特性を示す。ここではウエハ温度を略１５０℃から室温程度まで冷却する時の特性を示している。尚、冷却水の流量は共に５リットル／ｍｉｎであり、冷却ガスは清浄空気を用いてその流量は６６６リットル／ｍｉｎである。
図４（Ａ）に示すように、冷却ガスの噴射はなく、冷却水のみを用いた場合には、温度の低下は全体的に緩やかな曲線を描いており、それでも、温度の高い領域では温との低い領域よりもその温度降下の速度は大きくなっている。例えば温度１５０℃から１００℃までは、降温率は５．９℃／ｍｉｎであり、温度１５０℃から５０℃までは４．３℃／ｍｉｎ程度である。この場合、降温率はそれ程高くはないが、図６に示した従来の熱処理装置における降温率１〜２℃／ｍｉｎより遥かに大きく、冷却ガスを用いないでも十分に大きな降温率を得られることが判明した。
【００２８】
これに対して、図４（Ｂ）に示すように、冷却ガスも冷媒も用いた場合には、温度の低下は急激な曲線を描いており、温度降下の程度は非常に大きくなっている。例えば温度１５０℃から１００℃までの降温率は１５．２℃／ｍｉｎであり、温度１５０℃から５０℃までは１１．１℃／ｍｉｎであり、図４（Ａ）に示す場合と比較して非常に高い降温率を示していることが判明した。
従って、本発明装置では、処理済みのウエハ温度をより速く低下させることができるので、その分、スループットを大幅に向上させることが可能となる。
【００２９】
また、ウエハの熱処理開始時のウエハ温度の昇温操作についても評価を行ったのでその評価結果について説明する。図５はウエハ温度の昇温時の評価結果を示すグラフである。尚、図中、曲線Ａは温度制御系のコンピュータからの設定値であり、曲線Ｂはヒータ棒８２への供給電力であり、曲線Ｃはウエハ温度である。尚、設定温度は１５０℃、冷却水の流量は５リットル／ｍｉｎである。
このグラフの曲線Ｃによれば、昇温開始から、目標値の１０分以内である略３分程度で設定温度である１５０℃の近傍（９０％以内）に達しており、昇温速度（昇温率）も十分に高く、従来装置と略同様な値に維持できていることが判明し、良好な結果を得ることができた。
【００３０】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は本発明の熱処理装置の第２実施例を示す構成図、図７は天井部ヒータや底部ヒータの形状を示す平面図である。尚、図１にて説明した構成部品と同一部品については同一参照符号を付して説明を省略する。
この第２実施例では、処理容器４２の構成材料を金属に限定して温度安定化までの時間をより短縮化すると共に、加熱手段７６のヒータ数をより多くしてプロセス時のウエハの面間温度の均一性の向上を図るようにしている。
すなわち、ここでは、まず処理容器４２は、金属汚染を引き起こすことがない金属材料、例えばステンレススチールや表面がアルマイト処理されたアルミニウムにより形成されている。この処理容器４２の天井部４２Ａも、この下端開口部を開閉する蓋部４２Ｂも同様に上記したような金属材料により形成されている。この時、処理容器４２の高さ及び直径はそれぞれ約９００ｍｍ及び５００ｍｍ程度であり、その容量は１７３リットル程度である。
【００３１】
そして、ウエハボート５８を支持する回転テーブル６２及びこれに連結される回転軸６６の上部は熱伝導をし難い耐熱材料、例えば石英によって形成されている。このウエハボート５８には例えば直径が３００ｍｍのウエハＷが支持される。尚、ここでは、図１に示す装置例で用いた保温筒６０（図１参照）は用いていない。
そして、この第２実施例で用いる加熱手段７６としては、以下に説明するような複数種類のヒータが用いられることになる。図６中においては、ヒータに関して発熱する部分には、梨地状の模様が付されている。
【００３２】
まず、先に図３に示したようなヒータ棒８２が、処理容器４２の内壁面に沿って上下方向に配置されている。このヒータ棒８２は、図２において説明したように、処理容器４２の周方向に沿って所定の間隔で多数本配置されており、側部ヒータ１３０を形成している。この点は、図１において説明した場合と同じである。ただし、この第２実施例では、このヒータ棒８２は、処理容器４２の底部側壁で支持されるのではなく、図６に示すように処理容器４２の天井部４２Ａにより支持されている。更に、本実施例においては、処理容器４２内の底部側に底部ヒータ１３２を配置すると共に、天井部側にも天井部ヒータ１３４を配置している。上記底部ヒータ１３２は、回転テーブル６２に対して平面的に対向するように配置しており、ウエハボート５８に多段に収容されているウエハＷの最下端部側に特に多量の熱量を投入できるようになっている。
【００３３】
また、天井部ヒータ１３４は、ウエハボート５８の上端面に対して平面的に対向するように配置しており、ウエハボート５８に多段に収容されているウエハＷの最上端部側に特に多量の熱量を投入できるようになっている。
上記底部ヒータ１３２は、配線を兼ねる支柱１３６により上記蓋部４２Ｂに支持固定されており、ヒータ電源８６（図１参照）側に接続されている。これに対して、上記天井部ヒータ１３４は、配線を兼ねる支柱１３８を介して処理容器４２の天井部４２Ａに支持固定されている。
ここで、上記底部ヒータ１３２及び天井部ヒータ１３４としては、図７（Ａ）に示すように、円形のドーナツ形状になされた平面状のヒータ板を用いてもよいし、図７（Ｂ）に示すように、ワイヤカーボンを蛇行状に屈曲変形させて平面的に複数組、例えば３組配置して用いるようにしてもよい。当然のこととして、これらのヒータ１３２、１３４は、ウエハＷに対して金属汚染を生じないように例えばその表面が高純度の石英により被覆されたり、或いは石英管内にヒータ本体が収容されて構成されている。
【００３４】
また、上記底部ヒータ１３２として、例えば特開２００１−１５６００５号公報に開示されているような、例えば高純度の炭素素材よりなる抵抗発熱線を石英プレート中に封入したものを用いてもよいし、この底部ヒータ１３２を回転テーブル６２と一体化して設けるようにしてもよい。
このように、底部ヒータ１３２や天井部ヒータ１３４を設けることにより、放熱量がウエハ中央部に対して多くなる傾向にあるウエハボート５８の底部や上部に対する投入熱量を多くでき、これにより、ウエハボート５８に多段に、例えば２５枚程載置されているウエハＷの面間温度の均一性を高く維持することが可能となる。
【００３５】
この場合、上記した底部ヒータ１３２や天井部ヒータ１３４を設けただけでは投入熱量がまだ少ない時には、更に、補助底部ヒータ１４０や補助天井部ヒータ１４２を設けるようにしてもよい。上記補助底部ヒータ１４０や補助天井部ヒータ１４２は、共にスペース的に余裕のある処理容器４２の上方空間を使用するために容器天井部４２Ａにその上端部を支持固定させている。具体的には、上記補助底部ヒータ１４０はその発熱部分が処理容器４２内の下部の内壁面側に沿って設けられ、上記補助天井部ヒータ１４２はその発熱部分が処理容器４２内の上部の内壁面側に沿って設けられており、それぞれ最下端部近傍のウエハＷ及び最上端部近傍のウエハＷを加熱し得るようになっている。
【００３６】
これらの補助底部ヒータ１４０や補助天井部ヒータ１４２は、前述したように発熱部は梨地状に記載されている部分だけであり、その他の導通部分は、抵抗値が小さくなるような構成、例えばその直径を大きくすることにより抵抗値を少なくして発熱が生じないようにしてある。これらの補助底部ヒータ１４０や補助天井部ヒータ１４２も、ウエハＷに対する金属汚染が生じないようにその全体が石英カバー等で被覆されているのは勿論である。
また、上記処理容器４２の内壁面は、熱反射率低下処理を行ってもよいし、或いは熱反射率低下処理を行わないで、逆に電界研磨やクロムをメッキする等して熱反射率を高くする処理を行ってもよい。例えばプロセス温度が５０〜４００℃程度の非常な低温範囲で温度安定化のコントロールが非常に難しいような場合には、熱反射率低下処理を行って熱効率を犠牲にしても温度安定化のコントロールを行う易くし、逆に、プロセス温度が４００〜６００℃程度の普通の低温範囲内の場合には温度安定化のコントロールも行い易いことから、熱反射率を高くする処理を行って熱効率を向上させるようにしてもよい。
【００３７】
次に、この第２実施例の動作について説明する。
ここでの基本的な熱処理方法は、先に説明した第１実施例の場合と同じである。この第２実施例では、加熱手段７６のヒータ数を増加したので、より高い昇温率を達成でき、例えば現状の技術では最大２００℃／ｍｉｎの昇温率を得ることができる。尚、昇温率の下限については供給電力を抑制することにより、必要な小さな値を得ることができる。
この第２実施例では、例えばウエハボート５８を降下させた状態（アンロード状態）の時も処理容器４２内へ上昇させた状態（ロード状態）の時も、常に冷却パイプ１１２に冷却水を流して処理容器４２を室温程度に冷却しておく。そして、例えば２５枚のウエハＷを載置したウエハボート５８を上昇させてロードした時に、今までオフしていた加熱手段７６の全てのヒータ、すなわち側部ヒータ１３０、底部ヒータ１３２、天井部ヒータ１３４及び設けられている場合には補助底部ヒータ１４０や補助天井部ヒータ１４２にフルパワーで通電を開始し、ウエハＷをプロセス温度まで昇温する。
【００３８】
この場合、処理容器４２を冷却していない一般的な処理装置では、ウエハ温度が大き目にオーバーシュートして長時間かかってプロセス温度に安定化して行くが、本実施例では、処理容器４２が冷却されているために、温度コントロールのの応答性が良くなるので、オーバーシュートの大きさが抑制されることになり、この結果、ウエハ温度を短時間でプロセス温度に安定化させることができる。
また、この第２実施例では、底部ヒータ１３２及び天井部ヒータ１３４、必要な場合には補助底部ヒータ１４０及び補助天井部ヒータ１４２を設けて、放熱量がウエハボート５８の中央部よりも大きくなる傾向にあるウエハボート５８の上下端部への熱供給量を増大させるようにしたので、昇温時及びプロセス時のウエハの面間温度の均一性を高く維持することができる。従って、ウエハボート５８に載置されている全てのウエハＷの熱履歴を略同一に維持することが可能となる。
プロセスが終了した時には、全てのヒータ１３２、１３４、１４０、１４２に対する通電をオフし、冷却ガスノズル９８からＮ₂ ガス等の冷却ガスを噴射するのは、先に第１実施例にて説明した場合と同様である。
【００３９】
ここで、第２実施例の温度上昇時の評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図８は従来装置の昇温特性を示すグラフ、図９は本発明の第２実施例の昇温特性を示すグラフである。設定温度は従来装置の場合は１５０℃、本発明の場合は１００℃、ウエハサイズは従来装置の場合は２００ｍｍ（８インチ）、本発明装置の場合は３００ｍｍ（１２インチ）である。従来装置の場合は１４０枚のウエハ、本発明の場合は２５枚のウエハをそれぞれ収容している。尚、上述のように従来装置と本発明装置とで設定温度が異なるのは、従来装置では１００℃程度の非常な低温でのプロセスは考慮していないため、制御可能な下限温度値である１５０℃を設定温度とした。
【００４０】
本発明の評価で用いた装置の場合は、加熱手段７６としては、側部ヒータ１３０、底部ヒータ１３２、天井部ヒータ１３４及び補助底部ヒータ１４０を設けており、補助天井部ヒータ１４２は設けていない。また、処理容器４２の内壁面には、熱反射率低下処理を行った。
また、従来装置の場合にはトップ（４枚目）、センタ（７０枚目）、ボトム（１３６枚目）の各ウエハに熱電対をそれぞれ設けてその温度を測定した。本発明の場合には、１枚目と７枚目と１６枚目と２５枚目のウエハに熱電対をそれぞれ設けてその温度を測定した。また、その熱電対は、各ウエハ毎にその中心部と周辺部に２個設けて、その温度差も測定した。尚、本発明装置の場合、プロセス圧力は常圧、冷却水の流量は２０リットル／ｍｉｎ、降温時のＮ₂ ガスの流量は５リットル／ｍｉｎである。
【００４１】
図８に示すように、従来装置の場合には昇温開始から設定温度である温度１５０±５℃の範囲内に入るまでに５３分も要しており、スループットの大幅な低下が生じてしまう。また、昇温途中においても、ウエハ面間の温度差が最大３０℃も生じ、しかも、この状態が２０〜３０分間程度のかなり長時間継続し、ウエハに対する熱履歴が大きく異なってしまうことが判明した。尚、ここでは処理容器を１５０℃に維持した状態でこの中にウエハをロード（搬入）している。
これに対して、図９に示す本発明装置の場合には、昇温開始後７分程度で設定温度である温度１００±５℃の範囲内に入るまでに、７分程度要しているだけであり、しかも、昇温指令中止から温度安定領域に入るまでには５分間程度であり、迅速に所定のプロセス温度まで昇温できることが判明する。尚、この時の昇温速度は５０℃／ｍｉｎである。
【００４２】
このように、昇温指令中止から僅か５分間程でプロセス温度が安定する理由は、昇温時にも冷却水により処理容器４２の壁面を冷却することにより、ウエハ温度のオーバーシュートを抑制することができ、これにより温度制御性を向上させることが可能になったからである。
また、ウエハ昇温時のウエハ温度の面間の温度差は最大でも数℃程度であり、ウエハ温度の面間均一性（プロセス時も含む）を非常に向上できることが判明した。
ただし、ウエハ昇温時のウエハの中心部と周辺部との温度差（面内温度差）は最大１５℃程度まで大きくなるが、この状態は僅か２〜３分間程度であり、ウエハに熱的な悪影響を与えることはほとんどない。
【００４３】
このように、第２実施例のように側部ヒータ１３０に加えて底部ヒータ１３２や天井部ヒータ１３４等を設けることにより、昇温時及びプロセス時のウエハの面間温度均一性を大幅に向上できることが判る。
尚、以上の各実施例では、銅膜をアニールする場合を例にとって説明したが、金属汚染等を問題としない熱処理ならば上記熱処理に限定されないのは勿論である。例えば層間絶縁膜として樹脂層を焼き締める場合には、プロセス温度は３００〜６００℃程度になり、また、処理ガスとしてＮＨ₃ ガス等が用いられる。また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ガラス基板やＬＣＤ基板等にも、本発明を適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の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。
本発明によれば、処理容器内に加熱手段を設け、且つこの処理容器の壁面を容器冷却手段により冷却するようにしているので、全体としての熱容量が小さくなり、しかも、処理容器の壁面が冷たいので、低温域での降温率（降温速度）を大幅に向上させることができる。従って、その分、被処理体の熱処理のスループットを向上させることができる。
また、冷却ガス導入手段により処理容器内へ直接的に冷却ガスを導入することができるので、その分、低温域での降温率（降温速度）及び動特性を更に向上させることができる。
請求項３に係る発明によれば、処理容器の内壁面の熱反射率が低い分だけ容器内部の熱を吸収して容器冷却手段で効率的に熱を系外へ排除できるので、その分、冷却効率が向上し、更に、降温率及び動特性を向上させることができる。
請求項５、７、８に係る発明によれば、加熱手段として側部ヒータの他に、天井部ヒータと底部ヒータとを設けて放熱量が中央部と比較して多くなる傾向にある被処理体保持手段の上端部及び下端部に保持されている被処理体により多くの熱量を投入するようにしたので、高い温度制御性を維持したまま被処理体の面間温度の均一性を向上させることができる。
請求項６に係る発明によれば、主要なヒータである側部ヒータを、スペース的に比較的余裕のある処理容器の天井部にて支持させるようにしたので、他の配管類、例えば処理ガス導入手段や冷却ガス導入手段等の配設が集中する処理容器の下部における配管類の集中を避けることができ、その分、この部分のメンテナンス性を向上させることができる。
請求項１０に係る発明によれば、容器冷却手段の冷却パイプは伝熱セメント材に埋め込まれているので、伝熱面積が向上してその分、熱交換効率も向上し、更に降温率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱処理装置の第１実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の熱処理装置を示す断面図である。
【図３】加熱手段のヒータ棒を示す斜視図である。
【図４】半導体ウエハの降温特性を示すグラフである。
【図５】ウエハ温度の昇温時の評価結果を示すグラフである。
【図６】本発明の熱処理装置の第２実施例を示す構成図である。
【図７】天井部ヒータや底部ヒータの形状を示す平面図である。
【図８】従来装置の昇温特性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施例の昇温特性を示すグラフである。
【図１０】従来の熱処理装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
４０熱処理装置
４２処理容器
５８ウエハボート（被処理体保持手段）
７６加熱手段
７８処理ガス導入手段
８０冷却ガス導入手段
８２ヒータ棒
８８Ａ，８８Ｂ処理ガスノズル
９８冷却ガスノズル
１１０容器冷却手段
１２０伝熱セメント材
１３０側部ヒータ
１３２底部ヒータ
１３４天井部ヒータ
１４０補助底部ヒータ
１４２補助天井部ヒータ
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
排気可能になされた筒体状の処理容器と、
複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、
前記処理容器内へ所定の処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、
前記処理容器の内側に配置されて前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器の壁面を冷却する容器冷却手段と、
前記被処理体の降温時に、前記被処理体が収容されている前記被処理体保持手段が設けられた前記処理容器内の領域へ、冷却ガスを直接導入する冷却ガス導入手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
前記冷却ガス導入手段は、前記処理容器内の周方向に沿って複数個配置された冷却ガスノズルを有していることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
被処理体に対して所定の熱処理を施す熱処理装置において、
排気可能になされた筒体状の処理容器と、
複数の前記被処理体を多段に保持して前記処理容器内へ挿脱される被処理体保持手段と、
前記処理容器内へ所定の処理ガスを導入する処理ガス導入手段と、
前記処理容器の内側に配置されて前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器の壁面を冷却する容器冷却手段と、
を備え、前記処理容器の内壁面には、該内壁面の熱反射率を低下させるための熱反射率低下処理が施されていることを特徴とする熱処理装置。
前記加熱手段は、棒状になされたヒータ棒よりなり、該ヒータ棒の下端部が前記処理容器の底部側で支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱処理装置。
前記加熱手段は、前記処理容器の内壁面に沿って配置される側部ヒータと、前記処理容器の天井部側に配置されて前記被処理体保持手段の天井部側を加熱する天井部ヒータと、前記処理容器の底部側に配置されて前記被処理体保持手段の底部側を加熱する底部ヒータと、よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱処理装置。
前記側部ヒータ及び前記天井部ヒータは前記処理容器の天井部に支持され、前記底部ヒータは、前記処理容器の下端開口部を開閉する蓋部に支持されていることを特徴とする請求項５記載の熱処理装置。
前記処理容器内の下部の内壁面側には、補助底部ヒータが配置されていることを特徴とする請求項５または６記載の熱処理装置。
前記処理容器の上部の内壁面側には補助天井部ヒータが配置されていることを特徴とする請求項５乃至７記載の熱処理装置。
前記容器冷却手段は、前記処理容器の外壁面に密着させて巻回された冷却パイプよりなり、該冷却パイプ内に冷媒を流すように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
前記冷却パイプは、伝熱セメント材により埋め込まれて前記処理容器の外壁面に固定されていることを特徴とする請求項９記載の熱処理装置。
前記容器冷却手段は、２重管構造になされており、その２重管の間に冷媒を流すように構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の熱処理装置。
前記処理容器の材質は、石英、ステンレススチール、アルミニウムの内のいずれか１つよりなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の熱処理装置。
前記被処理体の処理温度は、５０〜６００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の熱処理装置。