JP4569042B2 - Heat treatment equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等に所定の熱処理を施す枚葉式の熱処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためには、半導体ウエハに対して、成膜、エッチング、酸化拡散、アニール等の各種の熱処理が繰り返し施される。ここで、この種の熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装置の一例について図5を参照して説明する。
真空引き可能になされた筒体状の処理容器2内には、加熱ヒータ4を内蔵した載置台6が設けられており、この載置台6の上面に半導体ウエハWを載置するようになっている。また、この処理容器2の天井部にシャワーヘッド部8を設け、これより必要な処理ガス、例えば薄膜を堆積させる場合には成膜ガスを処理容器内に導入し、CVD(Chemical Vapor Deposition)により薄膜を堆積させる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シャワーヘッド部8から処理容器2内へ導入された処理ガスの多くは、処理空間においてその中心部から周辺部に拡散して広がり、載置台6の周辺部から略均等に下方向へ排気されていく。しかしながら、一部の処理ガスG1は、シャワーヘッド部8の外周側に形成されている天井空間10の部分に滞留する傾向となり、この結果、ウエハ周縁部における処理ガスの流れが乱れてこの部分のガス流量が、例えば僅かに大きくなる。
また、上記したようにシャワーヘッド部8の外周側に天井空間10が存在していることから、ウエハWの表面から上面を見回した場合の天井面の形態が不均一となっており、この結果、ウエハ面内に大きな温度差が生じてウエハ温度の面内均一性が低下していた。
【0004】
このようなことから、ウエハ表面に形成される堆積膜の膜厚の面内均一性が劣化し、例えば図6に示すように、ウエハ中心部よりもウエハ周辺部の膜厚の方が大きくなる、といった問題が生じていた。
このような場合、従来にあっては、加熱ヒータ4を同心円状にゾーン毎に分割し、各ゾーン毎に個別に温度制御できるような構造として、図7に示すように、ウエハ中心部分の温度よりもウエハの周辺部の温度を意図的に低くなるように温度制御し、これによってウエハ周辺部における成膜レートを少し抑制して、結果的にウエハ面上の膜厚の面内均一性を向上させるようにした技術も提案されている。
【0005】
しかしながら、この場合には、例えば成膜のプロセス温度が、例えば480℃程度の時に、ウエハ中心とウエハ周辺との間の温度差Δtが20〜30℃程度にも達してしまい、従来のプロセスのように、半導体製造技術の設計ルールがそれ程厳しくない場合には大きな問題にはならなかったが、微細化及び薄膜化がより進んで設計ルールがより厳しくなった最近にあっては、上述のような20〜30℃もの温度差が生ずるとこれが膜質に影響を与え、所望の電気的諸特性が得られなくなる、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、被処理体の面内温度の均一性の向上を図ることができ、処理ガスの滞留をなくすことが可能な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】
請求項1に係る発明によれば、処理容器の天井部に展開可能に設けた天井蓋に設けたシャワーヘッド部から処理ガスを供給しつつ載置台上に設置した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、前記シャワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する天井面の凹凸の形態を改善するために、下面が、前記シャワーヘッド部の下面と、同一水平レベルに設定され且つ、前記シャワーヘッド部の外周側の領域を空間として維持するような形態改良部材を、前記天井蓋の展開に必要な隙間を除いて前記シャワーヘッド部の側壁と前記処理容器の側壁との間の全域に亘って設けるように構成したものである。
このように、シャワーヘッド部の外周側に形態改良部材を設けることにより、処理容器内の載置台に対する天井面の凹凸の形態が均一化され、しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空間もなくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均一性を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一性、例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
【0007】
この場合、例えば請求項2に規定するように、前記形態改良部材は、前記シャワーヘッド部を構成する材料と実質的に同一材料で形成されている。
【0008】
また、例えば請求項3に規定するように、前記形態改良部材は、内部が中空になされたリング状の円形リング体よりなる。
【0009】
【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を示す断面構成図、図2は処理容器内の天井面を示す下面図、図3は処理容器内の処理ガスの流れを示す模式図である。ここでは熱処理装置としてCVD成膜を行う場合を例にとって説明する。図示するように、この熱処理装置20は、例えばアルミニウムにより円筒体状に成形された処理容器22を有している。
また、この処理容器22の底部には、図示しない真空ポンプ等に接続された排気口24が設けられており、処理容器22内を必要に応じて真空引き可能としている。そして、この処理容器22内には、被処理体としての半導体ウエハWを載置するためにその底部より支柱26を介して起立された載置台28が設けられている。この載置台28は、全体が誘電体、例えば全体がAlN等のセラミックスよりなり、この内部に例えばモリブデン線等の抵抗体よりなる加熱ヒータ30が所定のパターン形状に配列して埋め込まれている。この加熱ヒータ30には、ヒータ電源32が配線34を介して接続されており、必要に応じて上記加熱ヒータ30に電力を供給するようになっている。尚、加熱ヒータ30に代えて、加熱ランプを用いるようにしてもよい。
【0010】
そして、上記載置台28には、この上下方向に貫通して複数のピン孔40が形成されており、各ピン孔40には、下端が連結リング42に共通に連結された例えば石英製の押し上げピン44が遊嵌状態で収容されている。そして、上記連結リング42は、容器底部を貫通して上下移動可能に設けた出没ロッド46の上端に連結されており、この出没ロッド46の下端はエアシリンダ48に接続されている。これにより、上記各押し上げピン44をウエハWの受け渡し時に各ピン孔40の上端から上方へ出没させるようになっている。また、上記出没ロッド46の容器底部に対する貫通部には、伸縮可能になされたベローズ50が介設されており、上記出没ロッド46を、処理容器22内の気密性を維持しつつ昇降できるようになっている。
【0011】
そして、この処理容器22の側壁には、ウエハを搬出入するための搬出入口52が形成されており、これにはゲートバルブ54が設けられて開閉可能になされている。このゲートバルブ54には、図示しないロードロック室やトランスファチャンバ等が接続される。
そして、この処理容器22の上端開口部には、一部が例えば蝶番56により支持されて開閉可能になされた天井蓋58がOリング等のシール部材60を介して気密に設けられている。そして、この天井蓋58には、下面に多数のガス噴出孔62を有するシャワーヘッド部64が設けられており、これにより処理ガスとして例えば成膜ガス等を処理容器22内の処理空間Sへ導入できるようになっている。尚、このシャワーヘッド部64内へ拡散板を設けるようにしてもよい。
【0012】
このシャワーヘッド部64は図示例のように中空の円板状に成形されており、この全体は、例えばアルミニウム等により形成されている。このシャワーヘッド部64を区画する区画壁の板厚ΔLは、例えば3〜4mm程度に設定されている。
そして、上記シャワーヘッド部64の外周側に、上記載置台28に対する天井面の凹凸の形態を改善するための形態改良部材66が設けられている。具体的には、この形態改良部材66は、天井面の凹凸の形態の改善を図るために、例えば上記シャワーヘッド部64を構成する材料と実質的に同一材料、例えばここではアルミニウムよりなり、内部が中空になされると共に、断面矩形状になされたリング状の円形リング体68により構成されている。
【0013】
また更に、天井面の凹凸の形態の改善を図るために、上記シャワーヘッド部64の下面と上記形態改良部材66の円形リング体68の底壁68Cの下面とは略同一水平レベルになされており、上記載置台6の表面側に対して天井面に凹凸が発生しないようにしている。
このような形態改良部材66は、天井面の凹凸の形態の改善を図るためにシャワーヘッド部64の側壁64Aと上記処理容器22の上部側壁22Aとの間に形成されるリング状の空間の略全域に設けられる。図示例では、上記シャワーヘッド部64の側壁64Aと上記形態改良部材66の円形リング体68の内周壁68Aとが接合された状態で設けられており、また、円形リング体68の外周壁68Bと処理容器22の側壁22Aとの間は、僅かな距離ΔL2、例えば1mm程度だけ離間されて隙間が形成されており、このシャワーヘッド部64や形態改良部材68が取り付けられた天井蓋58を、上記蝶番56を支点として展開させて開閉する時に、蝶番56から最も離れているこの形態改良部材66の先端側の展開軌跡が上記処理容器22の側壁22Aと衝突しないようにしている。
ここで、各部の寸法の一例について説明すると、直径が30cmのウエハを処理する場合の装置例では、シャワーヘッド部64のサイズにもよるが、円形リング体68の内径D1は294〜349mm程度、外径D2は429mm程度、高さH1は39〜44mm程度である。
【0014】
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、処理容器22の側壁に設けたゲートバルブ54を開状態とし、図示しないロードロック室等から搬出入口52を介して未処理の半導体ウエハWをこの処理容器22内へ搬入し、これを押し上げピン44に受け渡して降下させることによって、ウエハWを載置台28上に載置させる。
次に、処理容器22内を密閉状態とし、加熱ヒータ30への投入電力を増して予め予熱状態になされている載置台28の温度をプロセス温度まで昇温して維持する。そして、これと共にシャワーヘッド部64から処理ガスとして流量制御された成膜ガス等を処理容器22内の処理空間Sへ供給すると同時に、排気口24から処理容器22内を真空引きして処理容器22内を所定のプロセス圧力に維持し、成膜処理を行う。上記成膜ガスとしては、例えばTa2 O5 膜の薄膜を堆積させる場合には、例えばPET(ペンタエトキシタンタル)と酸素(O2 )等を用いる。
【0015】
上記シャワーヘッド部64のガス噴出孔62より処理空間Sへ放出された成膜ガスはこの処理空間Sを流下しつつ載置台28の中心側よりその周辺部側に向けて拡散して行き、そして、載置台28の外周側を略均等の流量で流下して排気口24から容器外へ排出されることになる。
ここで従来装置にあっては、シャワーヘッド部の側部にデッドスペース的な天井空間10が存在したので(図5参照)、ウエハ面より上方を見た場合の天井面の形態は、天井空間10の存在のために凹凸が発生してしまってそれ程均一性が良好ではなかったが、本実施例の場合にはシャワーヘッド部64の外周側に形態改良部材66を設けているので、ウエハ面より上方を見た場合の天井面の形態は、凹凸がほとんどなくなっていることから、均一性を大幅に向上させることが可能となる。この結果、ウエハ面における容器天井側の輻射熱に関する熱的条件は、ウエハ面内において略均一な状態となり、ウエハ温度の面内均一性を向上させることが可能となる。
【0016】
また、上述のように形態改良部材66を設けた結果、シャワーヘッド部64の外周側には、従来装置の場合には存在したデッドスペースが、本実施例の場合にはなくなり、従って、この部分に成膜ガスが渦巻等を起こして滞留することがなくなり、成膜ガス処理空間S内をその中心より周辺に向けて円滑に拡散しつつ流下して真空引きされることになる。これにより、処理空間Sにおけるガス流量がウエハの面内において略均一化され、結果的に、ウエハに図7に示したような温度分布を持たせることなく、すなわちウエハ温度の面内均一性を保持したまま、この熱処理(成膜処理)の面内均一性を向上させることができ、本実施例の場合には、膜厚の面内均一性を大幅に向上させることが可能となる。
特に、本実施例の場合には、シャワーヘッド部64の下面と形態改良部材66の下面とを略同一水平レベルになるように設定しているので、この点よりもウエハ面に対する天井面の凹凸の形態を均一化させることができる。
【0017】
更には、ここではシャワーヘッド部64と形態改良部材66との構成材料を互いに同一にして輻射などの熱的条件が同じとなるように設定しているので、この点よりもウエハ面に対する天井面の凹凸の形態を更に均一化させることができる。
また更には、形態改良部材66の内部を中空に形成するなどして、内部に拡散室を有するシャワーヘッド部64と類似する構造にしているので、ウエハ面に対する容器天井側の熱的条件は、ウエハ面内において略均一な状態となり、ウエハ温度の面内均一性を一層向上させることが可能となる。
また、上述のように、形態改良部材66を設けた結果、この分、処理空間Sの容量を小さくできるので、例えば金属膜を一原子層ずつ堆積させるALD(Atomic Layer Deposition)法を実施する場合、ガス置換を早く行うことができるので、その分、スループットを向上させることができる。
【0018】
また、実際に従来装置と本発明装置のウエハ面上における温度分布を比較したところ、従来装置の場合には最大温度が441.6℃、最低温度が439.2℃でその差が2.4℃であったが、本発明装置の場合には最大温度が440.2℃、最低温度が438.7℃でその差が1.5℃であり、本発明装置の場合ではウエハ温度の面内均一性を大幅に改善できることが判明した。尚、この時のウエハ設定温度は共に485℃、プロセス圧力は共に40Pa(0.3Torr)である。
また、従来装置と本発明装置の処理ガスの流れをシミュレートした結果、図3(A)に示すように、従来装置の場合にはシャワーヘッド部8の外周側の天井空間10に渦巻状に滞留する処理ガスが見られたが、本発明装置の場合には、図3(B)に示すようにシャワーヘッド部64の外周側に形態改良部材66を設けてデッドスペースをなくしたので、処理ガスは天井空間10に滞留することなく円滑に流れていることが判明した。
【0019】
また、上記実施例では形態改良部材66として内部が中空になされた円形リング体68を用いたが、これに限定されず、図4に示すように、形態改良部材66として例えば円形リング板70を用い、この円形リング板70をシャワーヘッド部64の側壁64Aの外周面に一体的に接続固定し、且つその下面をシャワーヘッド部64の下面と略同一水平レベルとなるように設定してもよい。これによれば、シャワーヘッド部64の外周側にデッドスペースである天井空間10が存在しても、この天井空間10は処理空間S側から略分離されているので、この空間部分に処理ガスが侵入することはほとんどなく、しかも、ウエハ面に対する天井面の凹凸の形態も改善することができる。
【0020】
尚、上記実施例では、形態改良部材66をアルミニウムで形成したが、これに限定されず、金属汚染の少ない材料ならばどのような材料でもよく、例えばステンレスやセラミック等も用いることができる。
また、上記実施例では熱処理装置としてCVD処理装置を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマ処理装置、エッチング装置、酸化拡散装置、改質装置等にも本発明を適用できるのは勿論である。
また、本実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、LCD基板、ガラス基板等を処理する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。
【0021】
【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、シャワーヘッド部の外周側に形態改良部材を設けることにより、処理容器内の載置台に対する天井面の凹凸の形態が均一化され、しかも、処理ガスの乱れの発生原因となる不要な空間もなくなり、この結果、被処理体の温度分布の面内均一性を大幅に向上させることができ、熱処理の面内均一性、例えば成膜処理の場合には膜厚の面内均一性を大幅に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を示す断面構成図である。
【図2】 処理容器内の天井面を示す下面図である。
【図3】 処理容器内の処理ガスの流れを示す模式図である。
【図4】 本発明の熱処理装置の変形例を示す図である。
【図5】 熱処理を施す従来の枚葉式の熱処理装置の一例を示す構成図である。
【図6】 堆積膜の膜厚の面内分布を示す図である。
【図7】 半導体ウエハの面内の温度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
20 熱処理装置
22 処理容器
22A 側壁
28 載置台
58 天井蓋
64 シャワーヘッド部
64A 側壁
66 形態改良部材
68 円形リング体
70 円形リング板
W 半導体ウエハ(被処理体)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single wafer heat treatment apparatus for performing a predetermined heat treatment on a semiconductor wafer or the like.
[0002]
[Prior art]
Generally, in order to manufacture a semiconductor integrated circuit, various heat treatments such as film formation, etching, oxidative diffusion, and annealing are repeatedly performed on a semiconductor wafer. Here, an example of a conventional single wafer heat treatment apparatus for performing this kind of heat treatment will be described with reference to FIG.
In the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, most of the processing gas introduced into the
Further, since the
[0004]
For this reason, the in-plane uniformity of the film thickness of the deposited film formed on the wafer surface is deteriorated, and the film thickness at the wafer peripheral part is larger than the wafer central part, for example, as shown in FIG. There was a problem.
In such a case, conventionally, as shown in FIG. 7, the temperature of the central portion of the wafer is such that the
[0005]
However, in this case, for example, when the film forming process temperature is about 480 ° C., for example, the temperature difference Δt between the wafer center and the wafer periphery reaches about 20 to 30 ° C. As described above, when the design rule of the semiconductor manufacturing technology is not so strict, it did not become a big problem. However, in recent years when the design rule becomes more strict due to further miniaturization and thinning, as described above. When a temperature difference of 20 to 30 ° C. occurs, the film quality is affected, and desired electrical characteristics cannot be obtained.
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 heat treatment apparatus that can improve the uniformity of the in-plane temperature of an object to be processed and can eliminate the retention of a processing gas.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a predetermined amount is applied to an object to be processed that is installed on a mounting table while supplying a processing gas from a shower head provided on a ceiling lid that is provided so as to be deployable on a ceiling of the processing container. In the heat treatment apparatus for performing heat treatment, on the outer peripheral side of the shower head unit, the lower surface is set at the same horizontal level as the lower surface of the shower head unit in order to improve the shape of the unevenness of the ceiling surface with respect to the mounting table. The shape improving member that maintains the space on the outer peripheral side of the shower head portion as a space is provided between the side wall of the shower head portion and the side wall of the processing vessel except for a gap necessary for the deployment of the ceiling lid. it is obtained by configuration so that provided over the entire region.
As described above, by providing the shape improving member on the outer peripheral side of the shower head unit, the shape of the unevenness of the ceiling surface with respect to the mounting table in the processing container is made uniform , and it is unnecessary to cause turbulence of the processing gas. As a result, the in-plane uniformity of the temperature distribution of the object to be processed can be greatly improved. As a result, the in-plane uniformity of the heat treatment, for example, the in-plane uniformity of the film thickness in the case of a film forming process can be improved. It becomes possible to greatly improve.
[0007]
In this case, for example, as prescribed in
[0008]
Further, for example, as prescribed in請Motomeko 3, before Symbol form improvements member is formed of a circular-ring of rings whose inside was made hollow.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a heat treatment apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a heat treatment apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a bottom view showing a ceiling surface in a processing container, and FIG. 3 is a schematic diagram showing a flow of processing gas in the processing container. Here, a case where CVD film formation is performed as a heat treatment apparatus will be described as an example. As shown in the figure, the
Further, an
[0010]
The mounting table 28 is formed with a plurality of
[0011]
A loading /
A
[0012]
The
A
[0013]
Furthermore , in order to improve the shape of the unevenness of the ceiling surface, the lower surface of the
Such
Here, an example of the dimensions of each part will be described. In an example of an apparatus for processing a wafer having a diameter of 30 cm, the inner diameter D1 of the
[0014]
Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described.
First, the
Next, the inside of the
[0015]
The film forming gas discharged from the gas ejection holes 62 of the
Here, in the conventional apparatus, since the dead space-
[0016]
Further, as a result of providing the
Particularly, in the case of the embodiment, since the setting and the lower surface of the lower surface and form an
[0017]
Furthermore, since the constituent materials of the
Still further, such as by forming the inner portion forms an
In addition, as described above, as a result of the provision of the
[0018]
When the temperature distribution on the wafer surface of the conventional apparatus and the apparatus of the present invention is actually compared, the maximum temperature is 441.6 ° C. and the minimum temperature is 439.2 ° C., and the difference is 2.4. In the case of the apparatus of the present invention, the maximum temperature is 440.2 ° C., the minimum temperature is 438.7 ° C., and the difference is 1.5 ° C. In the case of the apparatus of the present invention, the wafer temperature is in the plane. It has been found that the uniformity can be greatly improved. At this time, the wafer set temperature is 485 ° C. and the process pressure is 40 Pa (0.3 Torr).
Further, as a result of simulating the flow of the processing gas of the conventional apparatus and the apparatus of the present invention, as shown in FIG. 3A, in the case of the conventional apparatus, the
[0019]
In the above embodiment, the
[0020]
In the above embodiment, the
In the above embodiment, the CVD processing apparatus is described as an example of the heat treatment apparatus. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can of course be applied to a plasma processing apparatus, an etching apparatus, an oxidation diffusion apparatus, a reforming apparatus, and the like. It is.
In this embodiment, the semiconductor wafer is described as an example of the object to be processed. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to the case of processing an LCD substrate, a glass substrate, or the like.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the heat treatment apparatus of the present invention, the following excellent effects can be achieved.
According to the present invention, by providing the shape improving member on the outer peripheral side of the shower head part, the shape of the unevenness of the ceiling surface with respect to the mounting table in the processing container is made uniform, and the process gas is disturbed. Unnecessary space is eliminated, and as a result, the in-plane uniformity of the temperature distribution of the object to be processed can be greatly improved. In-plane uniformity of heat treatment, for example, in-plane uniformity of film thickness in the case of film formation Can greatly improve the performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram showing a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a bottom view showing a ceiling surface in a processing container.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a flow of a processing gas in a processing container.
FIG. 4 is a view showing a modification of the heat treatment apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a conventional single-wafer type heat treatment apparatus that performs heat treatment.
FIG. 6 is a diagram showing an in-plane distribution of the film thickness of a deposited film.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an in-plane temperature distribution of a semiconductor wafer.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記シャワーヘッド部の外周側に、前記載置台に対する天井面の凹凸の形態を改善するために、下面が、前記シャワーヘッド部の下面と、同一水平レベルに設定され且つ、前記シャワーヘッド部の外周側の領域を空間として維持するような形態改良部材を、前記天井蓋の展開に必要な隙間を除いて前記シャワーヘッド部の側壁と前記処理容器の側壁との間の全域に亘って設けるように構成したことを特徴とする熱処理装置。In the heat treatment apparatus for performing a predetermined heat treatment on object to be treated placed the process gas from the setting digit shower head on a mounting table while supplying the ceiling lid arranged to be deployed in a ceiling portion of the processing chamber,
In order to improve the unevenness of the ceiling surface with respect to the mounting table on the outer peripheral side of the shower head unit, the lower surface is set at the same horizontal level as the lower surface of the shower head unit, and the outer periphery of the shower head unit so that provided the form improvements member to maintain the area of the side as a space, over the entire region between the side wall and the sidewall of the processing chamber of the shower head with the exception of the clearance required for deployment of the ceiling cover The heat processing apparatus characterized by comprising.
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