JP4605853B2 - 熱処理装置、熱処理システム及び熱処理方法 - Google Patents

熱処理装置、熱処理システム及び熱処理方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハなどの被処理体を磁気カップリングを利用して回転させながら当該被処理体に対して熱処理を行う装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造装置の一つとして、半導体ウエハ(以下ウエハという)をランプにより加熱して熱処理例えばアニール、CVD、酸化処理を行う枚葉式熱処理装置がある。この場合ウエハ全面を均一に加熱するためにウエハを加熱ランプに対して相対的に回転する必要がある。この種の装置は、例えば米国特許第5755511号公報に記載されており、次のように構成されている。即ち処理容器の上に透過窓を介して加熱ランプが配置されると共に、処理容器の下部においてその外側の外輪部と処理容器の内側の内輪部とが磁気カップリングを介して結合され、外輪部及び内輪部は処理容器に固定された固定部に対して夫々軸受部を介して回転自在に設けられている。前記軸受部は夫々内輪部と外輪部とに直接接触する金属製のボ−ルにより構成され、グリ−スを潤滑剤としている。そして駆動部により外輪部を回転させ、その回転力を磁気カップリングを介して内輪部に伝達することにより、内輪部に設けられたウエハ載置部が回転することになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述の装置ではグリ−スを潤滑剤とした軸受部を用いているので摩擦トルクが小さく、このため磁気カップリングにおける磁力が小さくても内輪部が外輪部に精度良く追従し、外輪部を停止させたときにウエハが高い精度で所定の位置に停止する。しかしグリ−スを軸受部の潤滑剤として用いているのでグリ−スの蒸気によりウエハが汚染される懸念があり、また内輪部が軸受部のボ−ルの上で転がるので高速回転に向かないという課題がある。
【0004】
そこで本発明者はグリ−スを用いないセラミックス軸受部を検討しているが、セラミックス軸受部はグリ−スを用いた軸受部に比べて摩擦トルクが大きく、外輪部を停止させたときに内輪部が所定の位置からずれてつまり内輪部側の磁極及び外輪部側の磁極の中心がずれた状態で停止する。
【0005】
一方最近においてin−situ連続処理や、スル−プットの向上を図るために、搬送ア−ムを備えた搬送室に複数の熱処理部を気密に接続し、ウエハに対して連続して熱処理を行うクラスタツ−ルと呼ばれているシステムが開発されている。クラスタツールにおいては、均一なプロセスを行うため、一部の熱処理部ではウエハを載置台により回転させながら熱処理を行うが、この場合載置台にウエハの形状に適合する係合部である凹部を形成し、この凹部にウエハを嵌め込んで回転させるようにしている。
【0006】
ウエハには結晶の方向の指標となるオリエンテ−ションフラット(オリフラ)やV字状のノッチがあるため、一の熱処理部においてウエハの停止位置が狂うと、ウエハが所定の向きに向いていない状態で次の熱処理部の処理容器内に搬入されることになり、載置台の凹部に嵌め合わせることができなくなる。
【0007】
なお予めウエハの停止位置(停止したときの向き)のずれ分(角度)を見込んでモ−タを制御することも考えられるが、摩擦トルクの大きさが例えばわずかながら経時的に変化すると、その変化分が停止位置に反映されるなど、得策ではない。
【0008】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、いわゆる磁気カップリングを用いて被処理体の載置部を回転させながら加熱処理を行うにあたり、被処理体を高精度で所定の向きに停止させることができ、例えば複数の熱処理装置を用いて連続処理を行う場合に、被処理体を後続の熱処理装置内に所定の向きで搬入することができる技術を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理装置は、処理容器の外側に設けられ、周方向に沿って磁極が多数配列された外輪部と、
前記処理容器の内側に設けられ、前記磁極の夫々の間で磁力が作用するように周方向に沿って多数の磁極が配列されると共に前記磁力により外輪部に追従して回転する内輪部と、
前記内輪部と処理容器との間に介設された軸受部と、
前記処理容器内にて前記内輪部と共に回転し、被処理体を載置するための載置部と、を備え、
要求される被処理体の向きの許容範囲に応じた、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差において、前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクの値が前記軸受部の摩擦トルクの値よりも大きく、
前記処理容器内にて被処理体を載置部により回転させながら、加熱手段により加熱しかつ処理容器内に所定のガスを供給して被処理体に対して熱処理を行う熱処理装置において、
前記内輪部及び外輪部の磁極数は、
前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクと、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差と、の関係を示すトルク曲線であって、内輪部及び外輪部の極数ごとに得られる各トルク曲線の最大トルクの中で最大値を持つ極数Lよりも多い極数であり、かつトルク曲線の上昇部分の傾きが前記極数Lにおけるトルク曲線の上昇部分の傾きよりも大きい極数であることを特徴とする。
【0011】
そしてこの発明は、搬送室に複数の処理容器を気密に接続したいわゆるクラスタ−ツ−ルに好適に適用でき、一の処理容器で被処理体に対して熱処理をおこなった後、当該被処理体に対して次の処理容器で熱処理を行う場合に所定の向きで載置部に載置することができる。
【0012】
また本発明の熱処理方法は、上述の熱処理装置(熱処理部)を用い、熱処理部の載置部に被処理体を載置する工程と、
次いで外輪部を回転させることにより載置部を回転させながら、加熱手段により加熱しかつ処理容器内に所定のガスを供給して被処理体に対して熱処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦断面図である。1は例えばアルミニウム(A5052)からなる偏平な処理容器であり、加熱処理空間における内側面の横断面形状が円形に形成されている。処理容器1の底部の周縁側はリング状の溝部11として形成されており、この溝部11の中には内輪部2が設けられている。内輪部2は前記溝部11の内壁に軸受部31を介して垂直軸回りに回転自在に保持されている。この軸受部31は真空用のセラミックス軸受部であり、耐摩擦性、耐高熱性、耐腐食性に優れた窒化ケイ素よりなる転動体であるボ−ル31aを自己潤滑性がある材質例えばフッ素樹脂よりなる保持器31bの中に収納して構成されている。
【0014】
内輪部2の上端部には、被処理体であるウエハWの周縁部を保持するリング状の載置部12が設けられており、内輪部2と一体となって回転する。載置部12の表面には、オリフラタイプウエハの場合図2に示すようにウエハWを位置決めした状態で載置するために、位置決め部である段部(ザグリ)12aがウエハWと同一形状に形成されている。図2中、12bはウエハWのオリフラOFに相当する個所である。
【0015】
一方処理容器1の一部である前記溝部11を形成するハウジング13が下方側に伸びており、当該ハウジング13の外側には外輪部4が例えば上下2段に設けられた軸受部32、33を介して垂直軸回りに回転自在に保持されている。この軸受部31、32は処理容器1の外側にあるので、例えばグリ−スを用いた軸受部などを用いればよい。
【0016】
前記内輪部2及び外輪部4には夫々磁極21及び41が設けられ、これら磁極21、41は互いに前記ハウジング13の隔壁14の内側及び外側に配置されて磁気カップリングを構成している。隔壁14は非磁性材料である例えばアルミニウムや非磁性鋼(例えばSUS304)から構成される。図3は、図1においてA−A線で切った断面図のうち内輪部2、隔壁14及び外輪部4を示したものであり、この図を用いて説明すると、内輪部2は高透磁率材料であるマルテンサイト系ステンレス鋼(SUS440C)により構成され、外周に沿って多数例えば60個の矩形状の突起22が形成されている。この突起22は前記磁極21に相当するものである。
【0017】
また外輪部4には、周方向に沿って磁極41に相当するネオジム系磁石よりなる永久磁石42が前記内輪部2の磁極21に対応して例えば60個設けられている。各磁極41(永久磁石42)については、図4に示すように一個おきに内側及び外側に夫々N極及びS極が着磁がされると共にそれら一個おきの磁極41の間にある磁極41は内側及び外側に夫々S極及びN極が着磁されている。つまり磁極41の配列においてN極及びS極が交互に着磁されている関係になっている。従って内輪部2の磁極21については、一個おきに内側及び外側に夫々N極及びS極が発生し、それら一個おきの磁極21の間にある磁極21は内側及び外側に夫々S極及びN極が発生することになる。内輪部2の外径及び外輪部4の内径は例えば夫々およそ370mm、380mmに設定されている。
【0018】
このように本実施例で使用する磁気カップリングの磁極数(磁極21、41の数)は60極としているが、その選定の理由について図5を参照しながら述べておく。図5は外輪部4を回転させたときの内輪部2のトルクと外輪部4及び内輪部2の対応する磁極21、41同士の角度差(回転角度差)との関係を示すトルク曲線を、40極、60極及び80極の夫々の場合についてコンピュ−タを使って求めたものである。この図5から分かるようにいずれの極数においても、前記角度差がゼロのところではトルクは発生しないが、角度差を大きくしていくとトルクも増加していき、やがてある角度差でトルクが最大になり、その後角度差を大きくしていくとトルクは減少する。各磁極におけるトルクの最大値を最大伝達トルクと呼ぶことにすると、最大伝達トルクは極数を増やすことにより大きくなるが、極数がある程度以上になると磁極間の反発力が大きくなり、逆に小さくなっていく。例えば1極から順に極数を増やしていけば極数の増加に伴って最大伝達トルクが大きくなることは容易に理解できるところであり、40極に比べて60極の最大伝達トルクが小さいということは、このことを裏付けている。一方最大伝達トルクは小さくなっても、トルク曲線の上昇部分の傾きは大きくなっていき、極数がある値を越えると、その傾きも小さくなっていく。即ち40極に比べて60極の上昇部分の傾きが大きく、60極に比べて80極の上昇部分の傾きが小さくなっている。
【0019】
この発明では、ウエハの停止時に要求される位置決め精度、つまり所定の向きに対して許容される角度におけるトルクをいかに大きくとるかということが重要であり、その角度は例えば0.3度と小さいので、図5から分かるように前記最大伝達トルクの大きさが問題ではなく、トルク曲線の上昇部分の傾きが大きいほど確実にウエハを位置決め精度内で停止させることができる。このような理由から60極を選定している。
【0020】
この場合磁極カップリングの最大伝達トルクは365kgf.cm以上であり、内輪部2と外輪部4とのずれ(角度差)が0.3度のときの伝達トルクはおよそ132kgf.cmである。前記セラミックス軸受部31の摩擦トルクはおよそ68kgf.cmであり、前記角度差が0.3度のときの伝達トルクは摩擦トルクの2倍弱である。
【0021】
図1に説明を戻すと、前記外輪部4の外周面にはギヤ部43が形成されており、このギヤ部43は駆動部であるステッピングモ−タ44のギヤ部と45と歯合していて、ステッピングモ−タ44の駆動により外輪部4が回転するように構成されている。
【0022】
処理容器1の前記溝部11を形成するハウジング13の外部寄りの部位にはパ−ジガス例えばN2 ガスの供給路51が形成されており、その先端は溝部11における軸受部31の直ぐ上に連通している。またハウジング13の内部よりの部位には、パ−ジガスの排気路52が例えば周方向に複数形成されている。パ−ジガスは図示しないガス供給管から前記供給路51を介して前記溝部11内に入り込み、軸受部31内を通って排気路52を介して図示しない排気管から排気される。このようにパ−ジガスを流すようにすれば、、処理容器1内に位置する軸受部31から発塵したとしてもパ−ジガスにより外部に排気されるのでウエハWのプロセスには影響しないし、また軸受部31が冷却される効果もある。
【0023】
前記ウエハWの下方側の処理容器1の底部には、図示しないがウエハWを突き上げて処理容器1の外の搬送ア−ムとの間で受け渡しを行うためのリフトピンが設けられている。前記処理容器1のウエハWよりも少し上側の側壁には、処理ガスを供給するための例えば横長のスリット状のガス供給路61及び処理ガスを排気する排気路62が互いに対向する位置に形成されている。排気路62は、処理容器1の側壁から外側に突出する排気室63を介して排気管64に接続されている。
【0024】
前記処理容器1の天井部には例えば石英よりなる透過窓71が設けられており、この透過窓71の上側には加熱手段である例えばリング状のハロゲンランプ72が同心円状に設けられている。図中73はハロゲンランプ72の電力供給系を収納した筐体である。
【0025】
次に上述実施の形態の作用について述べる。先ず処理容器1の図示しない搬送口から搬入された図示しない搬送ア−ムから載置部12にウエハWを受け渡す。続いてステッピングモ−タ44を駆動して外輪部4を回転させる。このとき外輪部4の磁極41と内輪部2の磁極21との間に磁力が働いているので、磁極21が磁極41に吸引されようとするが、内輪部2の軸受部31に摩擦があるため、内輪部2に働くトルクが軸受部31における摩擦トルクを越えるまでは外輪部4側の磁極41のみが回転し、内輪部2に働くトルク(伝達トルク)が前記摩擦トルクを越えたときに内輪部2側の磁極21が遅れて回転するする。図6は外輪部4を例えば反時計方向に回転させたときに上述の理由から外輪部4に遅れて内輪部2が回転する様子を模式的に示した図であり、外輪部4が内輪部2に対して角度θだけ進んだときに内輪部2が回転し始める。なおこの角度θは磁極21の中心軸に対する磁極41の中心軸のずれ分つまり内輪部2側の摩擦トルクがゼロのときの磁極41の停止位置からのずれ分である。このようにしてウエハWが回転する。
【0026】
そしてウエハWを例えば70rpm(max288rpm可能)で回転させながらランプ72からの輻射熱によりウエハWを加熱し更にガス供給路61から処理ガスを供給して所定の熱処理が行われる。この熱処理としては、ウエハWを例えば1000℃まで昇温すると共に不活性ガス例えばN2 ガスを供給しながら行うアニ−ル処理や、ウエハWを例えば600℃まで昇温すると共に成膜ガスを供給しながら行う成膜処理(CVD)などが挙げられる。そして熱処理を終了した後、ランプ72をオフにしてウエハWを降温させ、ウエハWが所定温度になった後、ステッピングモ−タ44を停止する。外輪部4が停止すると、内輪部2も停止するが、既述のように摩擦トルクがあるため、内輪部2は外輪部4に対して角度θだけ遅れた位置に停止する。処理後のウエハWは図示しない搬送ア−ムにより処理容器1から搬出される。
【0027】
上述の実施の形態によれば、載置部の軸受部としてグリ−スを用いないセラミックス軸受部を使用しているので軸受部によるウエハWの汚染を防止できる。そしてこのセラミックス軸受部は摩擦トルクが大きいが、磁気カップリングの極数ごとのトルク曲線の最大伝達トルクの中で最大値を持つ極数よりも多い極数を選定し、トルク曲線の上昇部分の傾きを大きくして、要求されるウエハWの向きの許容範囲(ウエハWを処理容器1から搬出するときの向きが決められていて、その決められた向きに対してウエハWの向きのずれが許容される角度)に対応する角度差において大きな伝達トルクを確保するようにし、例えば0.3度のときのトルクの値が前記軸受部の摩擦トルクの値を大幅に越えるようにしている。従って例えばスル−プットを稼ぐために載置部を回転するときの加速度、減速度を大きくしても、載置部12を停止したときにウエハWの向きのずれが前記許容範囲内に確実に収まる。このため例えば後述のように、後工程に上述の加熱装置が控えている場合にもウエハW載置部12の段部12aに嵌合して載置することができるし、後工程の処理装置がウエハWを載置部の上に単に載せるだけの場合でも、常に一定の向きにおくことにより膜厚、パ−ティクルなどの処理結果の解析に役立つ。
【0028】
なお要求されるウエハWの向きの許容範囲は0.3度に限られるものではないが、本発明では例えば1.0度までを対象としている。また極数の選定の仕方は、トルク曲線における最大伝達トルクの最大値やトルク曲線の上昇部分が大きくなくとも、要求される載置部に対する被処理体の向きの許容範囲に対応する角度差のときのトルクの値が前記軸受部の摩擦トルクの値を越えていれば、例えば80極を選定しても本発明の範囲に含まれるが、加速度、減速度をある程度大きくする設計を考えるなら、前者の値が摩擦トルクの値の1.2倍以上が好ましい。
【0029】
上述の技術を適用したクラスターツール(熱処理システム)の一例を図7に示しておく。この熱処理システムは、搬送アーム80を備えた気密構造の搬送室8の周囲に例えば2個のカセット室81と4個の処理容器82とをゲートバルブGを介して気密に接続して構成され、各処理容器82の内部構造は既述の実施の形態と同じ構造である。言い換えれば既述の実施の形態に係る熱処理装置(熱処理部)を4個用意し、各処理容器のウエハ搬出入口をゲートバルブGを介して搬送室8に接続したものである。
【0030】
このような熱処理システムでは、複数枚のウエハWを保持したウエハカセットCを外部から図示しないゲートドアを開いてカセット室81内に搬入し、そのゲートドアを閉じ、ゲートバルブGを開いて搬送アーム80によりカセットC内のウエハWを−の処理容器82に搬送し、所定の熱処理を行う。その後当該ウエハWを搬送アーム80により他の処理容器82に搬送し、所定の熱処理を行い、こうしてウエハWに対して連続処理を行った後、搬送アーム80により例えばもとのカセットC内にあるいは他のカセット室81のカセットC内に受け渡される。連続処理の一例を挙げると、−の処理容器82にて急速加熱酸化プロセスが行われ、他の処理容器82にてポリシリコン形成のためのCVDプロセスが行われる。
【0031】
このような熱処理装置では、載置部12の段部12a(図1、図2参照)にウエハWが嵌合し、ウエハWを例えば許容範囲±0.3度で所定の向きに向けておかないと載置部12に載せることができない制約があるが、熱処理後のウエハWの停止位置は予定の停止位置からわずかにずれているもののそのずれ分は0.3度よりも少ないので、次の処理容器82の載置部にウエハWを載せることができる。
【0032】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被処理体を高精度で所定の向きに停止させることができ、例えば複数の熱処理部を用いて連続処理を行う場合に、被処理体を後続の熱処理部内に所定の向きで搬入することができる。そして内輪部の軸受部としてセラミックス軸受部を用いているので載置部の軸受部による被処理体の汚染を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦断面図である。
【図2】上記の実施の形態に用いられる載置部を示す斜視図である。
【図3】上記の実施の形態に用いられる内輪部及び外輪部を示す横断面図である。
【図4】内輪部及び外輪部の磁極の配列を拡大して示す平面図である。
【図5】上記の実施の形態で用いられる磁気カップリングのトルク曲線を示す特性図である。
【図6】外輪部と内輪部との角度差を示す説明図である。
【図7】上記の実施の形態の熱処理装置を含むクラスターツールを示す平面図である。
【符号の説明】
W 半導体ウエハ
1 処理容器
11 溝部
12 ウエハの載置部
13 ハウジング
14 隔壁
2 内輪部
21 磁極
31、32、33 軸受部
4 外輪部
41 磁極
44 ステッピングモ−タ
51 パ−ジガスの供給路
52 パ−ジガスの排気路
61 ガス供給路
62 排気路
72 ランプ
8 搬送室
81 カセット室
82 処理容器

Claims (8)

  1. 処理容器の外側に設けられ、周方向に沿って磁極が多数配列された外輪部と、
    前記処理容器の内側に設けられ、前記磁極の夫々の間で磁力が作用するように周方向に沿って多数の磁極が配列されると共に前記磁力により外輪部に追従して回転する内輪部と、
    前記内輪部と処理容器との間に介設された軸受部と、
    前記処理容器内にて前記内輪部と共に回転し、被処理体を載置するための載置部と、を備え、
    要求される被処理体の向きの許容範囲に応じた、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差において、前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクの値が前記軸受部の摩擦トルクの値よりも大きく、
    前記処理容器内にて被処理体を載置部により回転させながら、加熱手段により加熱しかつ処理容器内に所定のガスを供給して被処理体に対して熱処理を行う熱処理装置において、
    前記内輪部及び外輪部の磁極数は、
    前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクと、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差と、の関係を示すトルク曲線であって、内輪部及び外輪部の極数ごとに得られる各トルク曲線の最大トルクの中で最大値を持つ極数Lよりも多い極数であり、かつトルク曲線の上昇部分の傾きが前記極数Lにおけるトルク曲線の上昇部分の傾きよりも大きい極数であることを特徴とする熱処理装置。
  2. 前記軸受け部は、セラミックスよりなる転動体と自己潤滑性がある保持器とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の熱処理装置。
  3. 被処理体の向きの許容範囲に対応する角度差が0.3度であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱処理装置。
  4. 外輪部側の磁極及び内輪部側の磁極の一方がネオジム系磁石であり、他方がマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の熱処理装置。
  5. 加熱手段は被処理体を輻射熱により加熱するものであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の熱処理装置。
  6. 処理容器内の載置部に対して被処理体を所定の向きで載置し、当該載置部を回転させながら、加熱手段により加熱しかつ処理容器内に所定のガスを供給して被処理体に対して熱処理を行う熱処理装置と、この熱処理装置の処理容器にゲ−トバルブを介して気密に接続された搬送室と、この搬送室にゲ−トバルブを介して気密に接続された処理容器を備えた他の熱処理装置と、を備え、一の熱処理装置にて被処理体に対して熱処理を行い、次いでその被処理体を前記搬送室を介して他の熱処理装置に搬送して熱処理を行う熱処理システムにおいて、
    前記一の熱処理装置は、請求項1ないし5のいずれか一項に記載された熱処理装置であることを特徴とする熱処理システム。
  7. 他の熱処理装置の載置部の位置決め部に被処理体が嵌合することにより被処理体の向きが位置決めされることを特徴とする請求項6記載の熱処理システム
  8. 処理容器の外側に設けられ、周方向に沿って磁極が多数配列された外輪部と、
    前記処理容器の内側に設けられ、前記磁極の夫々の間で磁力が作用するように周方向に沿って多数の磁極が配列されると共に前記磁力により外輪部に追従して回転する内輪部と、
    前記内輪部と処理容器との間に介設された軸受部と、
    前記処理容器内にて前記内輪部と共に回転し、被処理体を載置するための載置部と、を有し、
    要求される被処理体の向きの許容範囲に応じた、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差において、前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクの値が前記軸受部の摩擦トルクの値よりも大きく、
    前記内輪部及び外輪部の磁極数は、
    前記外輪部を回転させたときの内輪部のトルクと、外輪部及び内輪部の対応する磁極同士の回転中心に対する角度差と、の関係を示すトルク曲線であって、内輪部及び外輪部の極数ごとに得られる各トルク曲線の最大トルクの中で最大値を持つ極数Lよりも多い極数であり、かつトルク曲線の上昇部分の傾きが前記極数Lにおけるトルク曲線の上昇部分の傾きよりも大きい極数である熱処理装置を用い、
    前記載置部に被処理体を載置する工程と、
    次いで外輪部を回転させることにより載置部を回転させながら、加熱手段により加熱しかつ処理容器内に所定のガスを供給して被処理体に対して熱処理を行う工程と、を含むことを特徴とする熱処理方法。
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