JP4502220B2 - Heat treatment equipment - Google Patents
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Description
本発明は、基板に加熱を伴う処理を行う熱処理装置に関する。 The present invention relates to a heat treatment apparatus for performing a process involving heating on a substrate.
半導体等のデバイスの微細加工の要求が高まるにつれ、半導体基板(以下、「基板」という。)の加熱工程の1つとして急速加熱工程(Rapid Thermal Process、以下、「RTP」という。)が重要な役割を果たしている。RTPでは主にランプが加熱源として用いられ、処理室内を所定のガス雰囲気に保ちつつ秒オーダーで基板が所定の温度(例えば、1100℃)に加熱され(昇温工程)、一定時間(例えば、数十秒)だけその温度に維持された後(保持工程)、ランプを消灯することにより急速冷却が行われる。 As the demand for microfabrication of devices such as semiconductors increases, a rapid heating process (hereinafter referred to as “RTP”) is important as one of the heating processes of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as “substrate”). Playing a role. In RTP, a lamp is mainly used as a heating source, and the substrate is heated to a predetermined temperature (for example, 1100 ° C.) in a second order while keeping the processing chamber in a predetermined gas atmosphere (for example, 1100 ° C.) for a certain time (for example, After being maintained at that temperature for several tens of seconds (holding step), rapid cooling is performed by turning off the lamp.
RTPにより、基板に作り込まれたトランジスタの接合層における熱による不純物の再拡散防止、酸化膜等の絶縁膜の薄膜化等、従来の電気炉による長時間の熱処理では実現困難であった処理が行われる。 With RTP, processing that was difficult to achieve with long-term heat treatment in a conventional electric furnace, such as prevention of re-diffusion of impurities due to heat in the junction layer of transistors built into the substrate, and thinning of insulating films such as oxide films, etc. Done.
RTPを行う熱処理装置においては、基板の外縁部に当接することにより基板を支持する補助リングが設けられる。補助リングはRTP中の基板の温度を測定するために基板の裏面側に配置された温度計にランプからの光が入射することを防ぐとともに、基板と一体的に加熱されることにより基板の表面の温度均一性を向上する。 In a heat treatment apparatus that performs RTP, an auxiliary ring that supports a substrate by being in contact with an outer edge portion of the substrate is provided. The auxiliary ring prevents the light from the lamp from entering a thermometer disposed on the back side of the substrate in order to measure the temperature of the substrate in the RTP, and is heated integrally with the substrate so that the surface of the substrate is Improve temperature uniformity.
ところが、基板と補助リングとが接する部分では双方を合わせた厚みが基板のみが存在する部位よりも大きくなることから、基板の外縁部では擬似的に単位面積当たりの熱容量が大きくなってしまい、上述の昇温工程および保持工程の双方において基板の温度均一性を保つことが困難となる。その結果、例えば、酸化膜等を生成する際の膜厚のばらつきを、今後一層厳しく求められる範囲内に抑えることが困難となってしまう。以下、従来の熱処理装置による酸化膜生成の例を示す。 However, since the combined thickness of the portion where the substrate and the auxiliary ring are in contact with each other is larger than the portion where only the substrate is present, the heat capacity per unit area is increased in a pseudo manner at the outer edge portion of the substrate. It becomes difficult to maintain the temperature uniformity of the substrate in both the temperature raising step and the holding step. As a result, for example, it becomes difficult to suppress variations in film thickness when forming an oxide film or the like within a range that will be required more strictly in the future. Hereinafter, an example of oxide film generation by a conventional heat treatment apparatus will be described.
図1はRTPにおける基板温度の時間的変化を示す図である。横軸は時間、縦軸は基板温度を示している。図1中の時刻t1からt2までの工程は基板温度を昇温する昇温工程であり、時刻t2からt3までの工程は基板温度を目標温度Aに保つ保持工程である。従来の熱処理装置を用いてこのようなRTPを行った場合における基板上の位置と酸化膜の膜厚との関係を図2に示す。横軸は基板の中心からの距離を示し、縦軸は距離に対する酸化膜の平均膜厚を示している。 FIG. 1 is a diagram showing temporal changes in substrate temperature in RTP. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the substrate temperature. The process from time t1 to t2 in FIG. 1 is a temperature raising process for raising the substrate temperature, and the process from time t2 to t3 is a holding process for keeping the substrate temperature at the target temperature A. FIG. 2 shows the relationship between the position on the substrate and the thickness of the oxide film when such RTP is performed using a conventional heat treatment apparatus. The horizontal axis indicates the distance from the center of the substrate, and the vertical axis indicates the average thickness of the oxide film with respect to the distance.
図2に示すように、距離R1付近よりも内側(基板の中心側)では安定した膜厚となるが、基板外縁部に対応する距離R2に近づくと急激に膜厚が増大する。これは、保持工程において補助リングの温度が基板温度よりも高くなってしまい、補助リングから伝導される熱により基板外縁部の温度が内側の部分に比べて高くなることが原因であると考えられる。 As shown in FIG. 2, the film thickness is stable on the inner side (center side of the substrate) than the vicinity of the distance R1, but the film thickness increases rapidly as the distance R2 corresponding to the outer edge of the substrate is approached. This is considered to be because the temperature of the auxiliary ring becomes higher than the substrate temperature in the holding step, and the temperature of the outer edge of the substrate becomes higher than the inner portion due to the heat conducted from the auxiliary ring. .
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ランプを用いる熱処理装置において基板温度の均一性を向上することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the uniformity of the substrate temperature in a heat treatment apparatus using a lamp.
請求項1に記載の発明は、基板に光を照射して加熱を伴う処理を行う熱処理装置であって、基板に光を照射するランプ群と、基板の外縁部を下方から当接して支持する円環状の支持部を有するとともに前記外縁部から外側に広がる補助リングと、前記補助リングを外側から支持する円環状の緩衝リングとを備え、支持される基板の外縁部と前記支持部とが当接する支持幅が1.0ミリメートル以上であり、前記支持部の厚みが0.3ミリメートル以上であり、前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算して平方ミリメートルにて表した値が、0.4以上であり、前記基板の厚みを2倍してミリメートルにて表した値以下であり、前記緩衝リングが、前記補助リングの外縁部を下方から環状の面接触にて支持し、前記ランプ群が、互いに独立して電力が供給される複数の小グループに分けられており、前記複数の小グループに主に前記補助リングに向けて光の照射を行う小グループが含まれる。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の熱処理装置であって、昇温工程において主に前記補助リングに向けて光の照射を行う前記小グループへの供給電力が他のものよりも高くされる。
Invention of Claim 2 is the heat processing apparatus of
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の熱処理装置であって、複数の放射温度計と、前記複数の放射温度計の測定結果に応じて前記複数の小グループへの電力供給を制御するランプ制御部とをさらに備える。
Invention of Claim 3 is the heat processing apparatus of
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算した前記値が1.5以下である。
Invention of Claim 4 is the heat processing apparatus in any one of
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持幅が3ミリメートル以下である。
The invention according to claim 5 is the heat treatment apparatus according to any one of
請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記支持部の厚みが0.5ミリメートル以下である。 A sixth aspect of the present invention is the heat treatment apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the support portion has a thickness of 0.5 mm or less.
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記補助リングが、炭化ケイ素により形成される。
The invention according to claim 7 is the heat treatment apparatus according to any one of
請求項8に記載の発明は、請求項1ないし7のいずれかに記載の熱処理装置であって、前記補助リングが、基板の外周面と対向する円筒状の面を有する。
The invention according to claim 8 is the heat treatment apparatus according to any one of
本発明によれば、ランプを用いた熱処理装置において、加熱される基板の温度の均一性を向上することができる。 According to the present invention, in the heat treatment apparatus using a lamp, the uniformity of the temperature of the substrate to be heated can be improved.
図3および図4は、本発明の一の実施の形態に係る熱処理装置1の構成を示す縦断面図であり、図3における切断面と図4における切断面とは熱処理装置1のZ方向を向く中心軸1aで垂直に交差する。図3および図4では細部の断面に対する平行斜線の記載を省略している。
3 and 4 are longitudinal sectional views showing the configuration of the
熱処理装置1は、装置本体である本体部11、本体部11の上部を覆う蓋部12、および、本体部11の中央底面に配置された反射板13を有し、これらにより内部空間が形成される。内部空間は石英にて形成されたチャンバ窓21により上下に仕切られ、下部の処理空間10では基板9が後述する支持リング群30により支持される。なお、チャンバ窓21と本体部11との間は図示しないOリングによりシールされ、本体部11の内側面は円筒面となっている。
The
本体部11の側壁には複数のガス導入口111および排気口112が形成されており、排気口112から処理空間10内のガスが(強制)排気されたり、ガス導入口111を介して基板9に施される処理の種類に応じたガス(例えば、窒素、酸素)が導入されることにより、処理空間10のガス置換が行われる。なお、基板9とチャンバ窓21との間には多数の穴が形成された石英のシャワープレート22が設けられ、ガス導入口111から導入されたガスがシャワープレート22を介して基板9の上面に均一に付与される。処理に用いられたガスは、処理空間10の下方から排気口112へと導かれる。
A plurality of
図3および図4に示すように、支持リング群30は中心軸1aを中心とする円筒状の円筒部材33により支持され、円筒部材33の下端にはカップリング部材331が取り付けられる。本体部11の外部下方にはカップリング部材331と対向するカップリング部材332が設けられ、カップリング部材331およびカップリング部材332により磁気的なカップリング機構が構成される。カップリング部材332は図4に示すモータ333により中心軸1aを中心に回転する。これにより、本体部11内部のカップリング部材331が磁気的作用により回転し、基板9および支持リング群30が中心軸1aを中心に回転する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
蓋部12の下面は基板9の上面に対向する反射面(以下、「リフレクタ」という。)121となっており、リフレクタ121に沿ってそれぞれが図3中のX方向を向くように棒状の上段ランプ群41が配列される。上段ランプ群41からの光のうち上方に出射されるものはリフレクタ121により反射され、基板9に照射される。
The lower surface of the
上段ランプ群41の下方(すなわち、上段ランプ群41と基板9との間)には、それぞれがY方向を向くように棒状の下段ランプ群42が配置される。すなわち、上段ランプ群41と下段ランプ群42とは互いに直交するように蓋部12に取り付けられる。
Below the upper lamp group 41 (that is, between the
上段ランプ群41および下段ランプ群42のそれぞれは、中心軸1aからの距離に応じて小グループに分けられている。図4ではグループ分けされた上段ランプ群41のランプに中心軸1a側から符号411,412,413,414を付しており、図3ではグループ分けされた下段ランプ群42のランプに中心軸1a側から符号421,422,423,424を付している。
Each of the
図5は、小グループに分けられたランプとランプに電力を供給するランプ制御部6との接続関係を示すブロック図である(複数のランプであっても1つのブロックにて示している。)。図5に示すように、各グループ(上段ランプ群41のランプ411〜414、および、下段ランプ群42のランプ421〜424)は個別にランプ制御部6に接続され、互いに独立して電力が供給される。これにより、基板9の上面に照射される光の強度分布が制御される。
FIG. 5 is a block diagram showing a connection relationship between the lamps divided into small groups and the lamp control unit 6 that supplies power to the lamps (even a plurality of lamps are shown as one block). . As shown in FIG. 5, each group (the
図6は図4中の矢印A−Aの位置から見たときの円筒部材33から内側を示す図であり、図7は基板9が支持リング群30に支持される様子を示す拡大断面図である。
6 is a view showing the inside from the
図6および図7に示すように、支持リング群30は基板9が載置される円環状の補助リング31および補助リング31を外側から支持する円環状の緩衝リング32により構成される。補助リング31および緩衝リング32は共に基板9と比熱が近い炭化ケイ素(SiC)にて形成される。補助リング31は内周面310に中心軸1a側に突出する円環状の支持部311を有し、外部の搬送機構により処理空間10内へと搬送された基板9は、基板9の外縁部91に支持部311が下方から当接することにより支持される。基板9が補助リング31に載置された状態では、基板9の外周面90と補助リング31の内周面310とが対向し、補助リング31は基板9の外縁部91から外側へと広がるように位置する。なお、以下の説明において、図7中に示すように基板9の厚みを基板厚Tw、支持部311の厚みを支持部厚T、基板9と支持部311とが重なる幅を支持幅Wと呼ぶ。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
補助リング31は同心円環状の緩衝リング32に外方から支持され、緩衝リング32は前述の円筒部材33に支持される。そして、図7に示すように補助リング31と緩衝リング32との係合部391、および、緩衝リング32と円筒部材33との係合部392がそれぞれ間隙(遊び)を有することにより、加熱により補助リング31および緩衝リング32が膨張したとしても過大な応力による割れが防止される。
The
図4および図6に示すように、基板9の下方には、中心軸1aから外側に向かって複数の放射温度計51〜53が取り付けられる。放射温度計51〜53は反射板13に設けられた窓部材50を介して基板9からの赤外光を受光することにより基板9の温度を測定する。支持リング群30に載置された基板9は回転することから複数の放射温度計51〜53により中心軸1aからの距離に応じた基板9の温度が測定される。その際、基板9、支持リング群30および円筒部材33によりランプ群41,42からの赤外線が放射温度計51〜53に入射することが阻止され、放射温度計51〜53により正確な温度測定が行われる。
As shown in FIGS. 4 and 6, below the
基板9に加熱を伴う処理が行われる際には、例えば、放射温度計51の測定結果に応じてランプ411,421への電力供給が制御され、同様に、放射温度計52,53の測定結果に応じてランプ412,422、ランプ413,423への電力供給がそれぞれ制御される。また、主に補助リング31に向けて赤外線の照射を行うランプ414,424に関しては、予め決められたプロファイルに従って電力が供給される。このとき、基板9および支持リング群30はモータ333およびカップリング機構により構成される回転機構により回転し、基板9の温度が可能な限り均一となるように基板9の加熱が制御される。
When processing involving heating is performed on the
図8は、熱処理装置1におけるRTPにより酸化膜を生成する際に、図7に示す支持部厚Tおよび支持幅Wを表1のように変更した場合に、基板外縁部と基板中央側との膜厚差D(図2参照)と、支持部厚Tと支持幅Wとの積(T×W)との関係を示す図である。
FIG. 8 shows that when the oxide film is generated by RTP in the
測定に際しては、直径が200mm、基板厚Twが0.725mmの基板を目標温度1100℃まで約100℃/sで急速加熱した後、60秒間目標温度を保持している。また、膜厚差Dを求めるために基板外縁部から内側へ2mmの位置(図2の距離R2の位置に相当)と10mmの位置(距離R1の位置に相当)とにおいて膜厚を測定している。なお、基板外縁部から10mmの位置よりも内側では膜厚が略一定であり、平均膜厚が約11nmとなることが確認されている。
In the measurement, a substrate having a diameter of 200 mm and a substrate thickness Tw of 0.725 mm is rapidly heated to a target temperature of 1100 ° C. at about 100 ° C./s, and then the target temperature is maintained for 60 seconds. Further, in order to obtain the film thickness difference D, the film thickness is measured at a position of 2 mm (corresponding to the position of distance R2 in FIG. 2) and a position of 10 mm (corresponding to the position of distance R1) from the outer edge of the substrate. Yes. It has been confirmed that the film thickness is substantially constant inside the
図8より、膜厚差Dと(T×W)との間には直線Zで示される比例関係が存在することが分かる。ここで、許容される膜厚のばらつきを±1%とすると許容される膜厚差Dは約0.22nm(平均膜厚11nmの2%)となる。したがって、直線Zにより(T×W)がおよそ1.5mm2以下であれば、膜厚のばらつきを±1%以下とすることができるといえる。ここで、基板厚Twが小さいほど膜厚のばらつきが支持部厚Tおよび支持幅Wの影響を受けること、および、測定に際して基板厚Twが0.725mmの基板9を使用したことを考慮すると、(T×W)が基板厚Twのおよそ2倍の値以下であれば、膜厚のばらつきを平均膜厚の±1%以内とすることができると推定される。つまり、((T×W)≦(Tw×2))に示す関係が満たされることにより、基板9の温度均一性を向上することが実現される。
FIG. 8 shows that there is a proportional relationship indicated by a straight line Z between the film thickness difference D and (T × W). Here, if the allowable film thickness variation is ± 1%, the allowable film thickness difference D is about 0.22 nm (2% of the average film thickness of 11 nm). Therefore, if (T × W) is about 1.5 mm 2 or less by the straight line Z, it can be said that the variation in film thickness can be ± 1% or less. Here, considering that the smaller the substrate thickness Tw is, the variation in the film thickness is affected by the support portion thickness T and the support width W, and that the
実際にRTPが熱処理装置1により行われる際には、図1における昇温工程(時刻t1からt2)において、基板9と補助リング31とが重なる部分(すなわち、基板外縁部)では、基板中央部よりも単位面積当たりの熱容量が大きくなることから温度上昇が遅延する。そこで、補助リング31を十分に加熱するためにランプ414,424への供給電力が他のランプよりも高く設定される。
When the RTP is actually performed by the
ところが、このような設定では保持工程(時刻t2からt3)において補助リング31の温度が基板9の温度よりも高くなり、補助リング31から熱が伝わって基板外縁部91が他の部位よりも高温となってしまう。熱処理装置1では、基板9と補助リング31とが重なる部分の形状(支持部厚Tおよび支持幅Wで示される形状)を基板厚Twで限定することにより、保持工程における基板外縁部と基板中央側の領域との温度差を抑制することを実現している。すなわち、補助リング31から基板9への伝熱経路を制限することにより基板の温度均一性を向上している。
However, in such a setting, the temperature of the
なお、図8より通常の膜厚(10nm程度)を形成する場合には(T×W)が1.5mm2以下であることが好ましいといえるが、この条件が表1にて示す測定範囲から導かれたことを考慮すると支持部厚Tが0.5mm以下とされ、支持幅Wが3mm以下とされることが好ましい。また、確実な測定結果が得られているという点では、(T×W)は1.2mm2以下とされることがより好ましく、支持部厚Tが0.4mm以下とされることがより好ましいといえる。 In addition, when forming a normal film thickness (about 10 nm) from FIG. 8, it can be said that (T × W) is preferably 1.5 mm 2 or less, but this condition is from the measurement range shown in Table 1. In consideration of the guidance, it is preferable that the support portion thickness T is 0.5 mm or less and the support width W is 3 mm or less. In terms of obtaining a reliable measurement result, (T × W) is more preferably 1.2 mm 2 or less, and support portion thickness T is more preferably 0.4 mm or less. It can be said.
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
上記実施の形態では、基板9への酸化膜の生成を例として説明を行ったが、酸化膜生成以外の加熱を伴う処理が熱処理装置1により行われてよい。また、基板9の大きさ、厚さも様々なものであってよい。
In the above embodiment, the generation of the oxide film on the
また、補助リング31の形状は上記実施の形態に限定されず、例えば、内周面310が存在しない単純な板状の円環(すなわち、支持部厚が補助リング31の厚さとなる)とされてもよく、単純な板状の円環の上面に基板9の外周面と対向する面を有する円環状の突起が設けられてもよい。
Further, the shape of the
熱処理装置1では基板9が回転するが、基板9の回転は必要に応じて行われるのみでよい。
Although the
基板9を照射するランプは必ずしも上段ランプ群41および下段ランプ群42が互いに直交するように設けられる必要はなく、上段ランプ群41または下段ランプ群42のいずれかのみでもよい。さらに、基板9の上面および下面からランプ光が照射されてもよい。
The lamps that irradiate the
1 熱処理装置
6 ランプ制御部
9 基板
31 補助リング
51〜53 放射温度計
90 外周面
91 外縁部
310 内周面
311 支持部
411〜414,421〜424 ランプ
T 支持部厚
Tw 基板厚
W 支持幅
DESCRIPTION OF
Claims (8)
基板に光を照射するランプ群と、
基板の外縁部を下方から当接して支持する円環状の支持部を有するとともに前記外縁部から外側に広がる補助リングと、
前記補助リングを外側から支持する円環状の緩衝リングと、
を備え、
支持される基板の外縁部と前記支持部とが当接する支持幅が1.0ミリメートル以上であり、前記支持部の厚みが0.3ミリメートル以上であり、
前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算して平方ミリメートルにて表した値が、0.4以上であり、前記基板の厚みを2倍してミリメートルにて表した値以下であり、
前記緩衝リングが、前記補助リングの外縁部を下方から環状の面接触にて支持し、
前記ランプ群が、互いに独立して電力が供給される複数の小グループに分けられており、前記複数の小グループに主に前記補助リングに向けて光の照射を行う小グループが含まれることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for performing a process involving heating by irradiating a substrate with light,
A group of lamps that irradiate the substrate with light;
An auxiliary ring that has an annular support portion that supports the outer edge portion of the substrate by abutting from below and extends outward from the outer edge portion;
An annular buffer ring for supporting the auxiliary ring from the outside;
With
The support width where the outer edge portion of the substrate to be supported and the support portion abut is 1.0 mm or more, and the thickness of the support portion is 0.3 mm or more,
The value expressed in square millimeters by multiplying the support width and the thickness of the support portion is 0.4 or more, and is equal to or less than the value expressed in millimeters by doubling the thickness of the substrate.
The buffer ring supports the outer edge portion of the auxiliary ring from below with an annular surface contact,
The lamp group is divided into a plurality of small groups to which power is supplied independently of each other, and the plurality of small groups include a small group that mainly emits light toward the auxiliary ring. A heat treatment device characterized.
昇温工程において主に前記補助リングに向けて光の照射を行う前記小グループへの供給電力が他のものよりも高くされることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1,
A heat treatment apparatus characterized in that power supplied to the small group for irradiating light mainly toward the auxiliary ring in the temperature raising step is made higher than others.
複数の放射温度計と、
前記複数の放射温度計の測定結果に応じて前記複数の小グループへの電力供給を制御するランプ制御部と、
をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 1 or 2,
Multiple radiation thermometers,
A lamp controller for controlling power supply to the plurality of small groups according to the measurement results of the plurality of radiation thermometers;
A heat treatment apparatus further comprising:
前記支持幅と前記支持部の前記厚みとを乗算した前記値が1.5以下であることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The heat treatment apparatus, wherein the value obtained by multiplying the support width by the thickness of the support portion is 1.5 or less.
前記支持幅が3ミリメートル以下であることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The heat treatment apparatus, wherein the support width is 3 mm or less.
前記支持部の厚みが0.5ミリメートル以下であることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The thickness of the said support part is 0.5 millimeter or less, The heat processing apparatus characterized by the above-mentioned.
前記補助リングが、炭化ケイ素により形成されることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The heat treatment apparatus, wherein the auxiliary ring is made of silicon carbide.
前記補助リングが、基板の外周面と対向する円筒状の面を有することを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus according to any one of claims 1 to 7,
The heat treatment apparatus, wherein the auxiliary ring has a cylindrical surface facing the outer peripheral surface of the substrate.
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