JP4161959B2 - 被処理体の熱処理方法 - Google Patents
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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。
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150〜100℃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被処理体の熱処理方法を提供することにある。
を有することを特徴とする被処理体の熱処理方法である。
これにより、表面に皮膜が形成されている被処理体の熱処理、例えばアニール処理を迅速に行って、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。
また例えば請求項3に規定するように、前記降温率は、5.9℃/minよりも大きい。
また例えば請求項4に規定するように、前記降温率は、4.3℃/minよりも大きい。
また例えば請求項5に規定するように、前記被処理体の表面には銅膜が形成されており、前記アニール工程はH2 雰囲気下で行われる。
図1は本発明に係る被処理体の熱処理方法を実施するための熱処理装置の第1実施例を示す構成図、図2は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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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H2 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。
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。
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N2 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。
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。
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。
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度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。
従って、本装置では、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。
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。
図6は本発明の被処理体の熱処理方法を実施するための熱処理装置の第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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図8は従来装置の昇温特性を示すグラフ、図9は第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。
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。
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。
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。
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。
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 (6)
- 排気可能になされた筒体状の処理容器と、
複数の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、を備えた熱処理装置を用いて前記被処理体に対して熱処理を施すに際して、
前記被処理体を所定の温度まで昇温する昇温工程と、
前記所定の温度でアニール処理するアニール工程と、
前記被処理体を150〜100℃の温度範囲内を15.2℃/min以下の降温率で降温させる降温工程と、
を有することを特徴とする被処理体の熱処理方法。 - 前記温度範囲は150〜50℃であって、前記降温率は11.1℃/min以下であることを特徴とする請求項1記載の熱処理方法。
- 前記降温率は、5.9℃/minよりも大きいことを特徴とする請求項1記載の熱処理方法。
- 前記降温率は、4.3℃/minよりも大きいことを特徴とする請求項2記載の熱処理方法。
- 前記被処理体の表面には銅膜が形成されており、前記アニール工程はH2 雰囲気下で行われることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の熱処理方法。
- 前記アニール工程は減圧雰囲気下において行われることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の熱処理方法。
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