JP4908765B2

JP4908765B2 - 均熱部材及び熱処理装置

Info

Publication number: JP4908765B2
Application number: JP2005080912A
Authority: JP
Inventors: 智行石橋; 昌展竹村
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006269454A

Description

この発明は、半導体の製造時における基板の熱処理装置に用いられる均熱部材、及び、この均熱部材を備えた熱処理装置に関する。

半導体デバイスの製造時には、被加熱物である半導体ウエハに熱処理を施す熱処理装置が用いられる。熱処理装置としては、被加熱物を１枚ずつ処理する枚葉式熱処理装置がある。また、被加熱物が収納される処理室（熱処理空間）を被覆する発熱体、この発熱体の外周に巻回されたコイル、及び、このコイルに高周波電流を供給する電源回路を備え、電源回路からコイルに高周波電流を供給して電磁誘導によって発熱体を発熱させて処理室を加熱する誘導加熱高速昇降温装置（ＩＨ−ＲＴＰ）がある（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１等に開示されているＩＨ−ＲＴＰでは、処理室を被覆する発熱体の外周に巻回されたコイルに高周波電流を供給して発熱体を発熱させ、発熱体に生じた熱で処理室内に収納された被加熱物を加熱する。このため、処理室内には平面視において矩形の加熱範囲が構成され、この加熱範囲は、コイルの巻回方向に沿って一定の温度に加熱されることから、平面の一方向のみについて分割された複数の領域毎に分割方向に直交する方向について一定の温度に加熱される。

これらの熱処理装置においては、被加熱物の全体を均一に加熱する必要があるが、被加熱物は端縁部において他の部分よりも高温になり易い。

そこで、従来の熱処理装置では、処理室内で被加熱物の周囲に配置される均熱部材を備えている。被加熱物が平面視において円形を呈する半導体ウエハである場合、均熱部材は半導体ウエハの外形に合せてリング状に形成される（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−２８１７０３号公報特開平０９−１９９４３７号公報

しかしながら、上記ＩＨ−ＲＴＰのように、平面視が被加熱物を含む矩形の加熱範囲において平面の一方向のみについて分割された複数の領域毎に処理室内が一定の温度に加熱される熱処理装置では、平面視が円形の半導体ウエハを被加熱物としてリング状の均熱部材を用いた場合、被加熱物の全面を均一に加熱することができず、温度分布が形成される問題があった。

これは、図１に示すように、処理室内において矩形の加熱範囲２１０を構成する複数の矩形の領域２１１〜２１６のそれぞれにおいて、被加熱物２２１及び均熱部材２３１が存在する部分と存在しない部分との比率が互いに異なるためであると考えられる。つまり、領域２１２及び領域２１５において被加熱物２２１及び均熱部材２３１が占める面積は領域２１３及び領域２１４において被加熱物２２１及び均熱部材２３１が占める面積よりも小さいため、被加熱物２２１において領域２１２及び領域２１５に位置する部分は領域２１３及び領域２１４に位置する部分よりも単位面積当りに多量の熱を吸収する。

また、図２に示すように、被加熱物２２１の搬送用のハンド２４１との干渉を避けるべく均熱部材２３１の一部に切欠き２３２〜２３５を形成した場合には、領域２１２及び領域２１５において被加熱物２２１及び均熱部材２３１が占める面積がさらに小さくなり、被加熱物２２１において切欠き２３２〜２３５に近接する部分がより高温になる。

このように、被加熱物内に温度分布を生じると、被加熱物の全体に均一な熱処理を施すことができず、半導体デバイス等の製造に支障をきたす。

この発明の目的は、加熱部材による加熱範囲に近似した外縁形状の内側に被加熱物の形状に近似した開口部を形成した平面形状とすることにより、平面視が被加熱物を含む矩形の加熱範囲においても被加熱物の全体が均一に加熱されるようにすることができる均熱部材、及び、この均熱部材を備えた熱処理装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の均熱部材は、
（１）加熱部材によって加熱される熱処理空間内で被加熱物の近傍に配置される均熱部材であって、前記加熱部材による加熱範囲に近似した外縁形状を呈し、この外縁形状の内側に前記被加熱物の形状に近似した開口部を形成した平面形状を呈することを特徴とする。

この構成においては、熱処理空間内に収納された被加熱物の近傍に、内側に被加熱物の形状に近似した開口部を有するとともに加熱部材の加熱範囲に近似した外縁形状を呈する均熱部材が配置される。したがって、加熱部材の加熱範囲において被加熱物の占める面積が部分的に異なる場合に、被加熱物の占める面積が小さい部分には被加熱物の占める面積が大きい部分よりも広い範囲に均熱部材が位置し、被加熱物の単位面積当りの熱吸収量が均一化される。

（２）前記外縁形状が矩形であることを特徴とする。

この構成においては、熱処理空間内に収納された被加熱物の近傍に、内側に被加熱物の形状に近似した開口部を有するとともに加熱部材の加熱範囲に近似した矩形の外縁形状を呈する均熱部材が配置される。したがって、加熱部材の加熱範囲が矩形の平面形状を呈し、加熱範囲において被加熱物の占める面積が部分的に異なる場合に、被加熱物の占める面積が小さい部分には被加熱物の占める面積が大きい部分よりも広い範囲に均熱部材が位置し、被加熱物の単位面積当りの熱吸収量が均一化される。

（３）前記開口部が前記被加熱物よりも小さい平面形状を呈し、前記被加熱物が前記開口部と中心位置を一致させて上面に載置されることを特徴とする。

この構成においては、被加熱物の中心位置と開口部の中心位置とが一致する状態で、均熱部材の上面に被加熱物が載置される。したがって、均熱部材が熱処理空間内における被加熱物の支持部材として使用される。

（４）前記外縁形状の内側において前記被加熱物が存在する領域と前記被加熱物が存在しない領域とについて単位面積当りの熱容量が略等しくなるように材質及び側面断面形状を決定したことを特徴とする。

この構成においては、被加熱物が前記開口部と中心位置を一致させて均熱部材の上面に載置される場合に、均熱部材の平面内における被加熱物が存在する領域と被加熱物が存在しない領域とについて単位面積当りの熱容量を略等しくするように均熱部材の材質及び側面断面形状が決定される。したがって、加熱部材が加熱範囲の全体又は比較的大きい領域毎に均一な温度に加熱する場合にも、均熱部材の内側の全体について単位面積当りの熱容量が略均一化され、被加熱物に温度分布を生じることがない。

また、この発明の熱処理装置は、
（５）被加熱物を１枚ずつ収納する熱処理空間と、前記熱処理空間の平面内で前記被加熱物の全面を含む矩形の加熱範囲の全体、又は該加熱範囲について前記平面内における一方向にのみ分割された複数の領域のそれぞれを均一に加熱する加熱部材と、を備えた熱処理装置において、加熱部材によって加熱される熱処理空間内で被加熱物の近傍に配置される均熱部材であって、前記加熱部材による加熱範囲に近似した外縁形状の内側に前記被加熱物の形状に近似した開口部を形成した平面形状を呈する均熱部材を備えたことを特徴とする。

この構成においては、熱処理空間内に収納された被加熱物の近傍に、内側に被加熱物の形状に近似した開口部を有するとともに加熱部材の加熱範囲に近似した矩形の外縁形状を呈する均熱部材が配置される。したがって、矩形の平面形状を呈する加熱部材の加熱範囲において被加熱物の占める面積が部分的に異なる場合に、被加熱物の占める面積が小さい部分には被加熱物の占める面積が大きい部分よりも広い範囲に均熱部材が位置し、被加熱物の単位面積当りの熱吸収量が均一化される。

この発明の均熱部材及び熱処理装置によれば、熱処理空間内に収納された被加熱物の近傍に、内側に被加熱物の形状に近似した開口部を有するとともに加熱部材の加熱範囲に近似した外縁形状を呈する均熱部材を配置することができる。これによって、加熱部材の加熱範囲において被加熱物の占める面積が部分的に異なる場合にも、被加熱物の占める面積が小さい部分には被加熱物の占める面積が大きい部分よりも広い範囲に均熱部材が位置するようにし、被加熱物の単位面積当りの熱吸収量を均一化することができ、被加熱物内に温度分布を生じることなく被加熱物の全体に均一な熱処理を施すことができる。

図３及び図４は、この発明の実施形態に係る均熱部材を備えた熱処理装置としての半導体製造装置１００の構成を示す正面断面図及び側面断面図である。半導体製造装置１００は、石英チューブからなるプロセスチャンバ１０１の外側に、加熱体１０２、断熱材１０３及び誘導加熱コイル１０４をこの順に配置して構成されている。

一例として、プロセスチャンバ１０１は、図３において、上下２本の互いに平行な直線と、上下の直線の左右両端のそれぞれを連結する半円弧と、からなる断面形状を呈している。なお、プロセスチャンバ１０１の断面形状は矩形であってもよい。この発明の熱処理空間に相当するプロセスチャンバ１０１の内部には、均熱部材１が配置されている。均熱部材１については後述する。このプロセスチャンバ１０１の内部に、被加熱物である半導体ウエハ２１が図示しない支持部材を介して収納される。

加熱体１０２は、例えば、グラファイトからなり、図３においてプロセスチャンバ１０１と相似形に形成されている。なお、加熱体１０２は、必ずしもプロセスチャンバ１０１と相似形である必要はない。プロセスチャンバ１０１の外側面と加熱体１０２の内側面との間には、５ｍｍ程度の間隙が形成されている。この間隙には空気が流通する。なお、冷却時に、プロセスチャンバ１０１の外側面と加熱体１０２の内側面との間の間隙に強制的に空気を導入し、空冷効果を得るようにすることもできる。また、加熱体１０２の表面に、主として酸化を防止する目的で、例えばＳｉＣコート層を形成してもよい。

断熱材１０３は、例えば緻密なシリカクロスを５ｍｍ程度の厚さに積層して構成されている。断熱材１０３の素材及び厚さは、電気的絶縁性を有することを条件に、加熱体１０３の昇温性及び降温性を考慮して決定される。即ち、断熱材１０３には、加熱体１０３の加熱時における断熱性が要求されるとともに、加熱体１０３の冷却時における熱伝導性も要求される。なお、断熱材１０３は、目的に応じて適宜省略可能である。

誘導加熱コイル１０４は、一例として角型断面を呈する銅パイプ１４１によって構成されており、図３において加熱体１０２と相似形になるように、加熱体１０２の外側に巻回されている。誘導加熱コイル１０４は、加熱体１０２との間に断熱材１０３を挟持している。したがって、加熱体１０２の外側面及び誘導加熱コイル１０４の内側面に断熱材１０３が接触しており、断熱材１０３も図３において加熱体１０２と相似形を呈している。

この結果、加熱体１０２、断熱材１０３及び誘導加熱コイル１０４は、正面断面において互いに相似形を呈している。なお、より好ましくは、図３に示すように、プロセスチャンバ１０１も正面断面において加熱体１０２、断熱材１０３及び誘導加熱コイル１０４と互いに相似形を呈する形状に構成する。

誘導加熱コイル１０４には電源装置１０５から電力が供給されるとともに、冷却装置１０６から冷却水が供給される。

半導体製造装置１００において被加熱物２１の熱処理を行う場合、先ず、被加熱物２１を、プロセスチャンバ１０１の内部に前面側から挿入する。この状態でプロセスチャンバ１０１を密封し、誘導加熱コイル１０４に電源装置１０５から電力を供給する。

これによって、誘導加熱コイル１０４の電磁誘導により加熱体１０２が加熱され、主として加熱体１０２からの熱輻射によってプロセスチャンバ１０１の内部の温度が昇温する（加熱工程）。誘導加熱コイル１０４に対する電源装置１０５からの電力供給量は、プロセスチャンバ１０１の内部温度が所定の期間にわたって所定の熱処理温度を維持するように制御される。

図５は、上記半導体製造装置１００に適用される均熱部材１を示す図である。図５（Ａ）は均熱部材１及び半導体ウエハ２１の平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）におけるＸ−Ｘ部の均熱部材１の側面断面図である。前述のように、均熱部材１は、半導体製造装置１００におけるプロセスチャンバ１０１の内部に配置されている。

図５（Ａ）に示すように、プロセスチャンバ１０１の内部には、誘導加熱コイル１０４により、図中の左右方向について複数の領域１１〜１６に分割された矩形の加熱範囲１０が構成される。半導体ウエハ２１は、領域１２〜１５に含まれるように、加熱範囲１０の中央部に収納される。誘導加熱コイル１０４は、領域１１〜１６のそれぞれを一定の温度に加熱する。この結果、加熱範囲１０は、全面について略均一に加熱される。

半導体ウエハ２１は、円形の平面形状を呈している。このため、領域１２及び領域１５において半導体ウエハ２１が占める面積は、領域１３及び領域１４において半導体ウエハ２１が占める面積よりも小さい。

均熱部材１は、加熱範囲１０において領域１２〜１５によって構成される矩形の平面形状に近似した矩形の外縁形状を呈している。均熱部材１の内部には、半導体ウエハ２１の平面形状に近似した円形の開口部２が外縁形状と中心位置を一致させて形成されている。この例では、開口部２の開口径は、半導体ウエハ２１の外径よりも僅かに大きくされている。均熱部材１は、平面視において開口部２の中心位置が半導体ウエハ２１の中心位置に一致するように配置されている。

均熱部材１が矩形の外縁形状を呈するため、領域１２及び領域１５において均熱部材１が占める面積は、領域１３及び領域１４において均熱部材１が占める面積よりも大きい。この結果、均熱部材１と半導体ウエハ２１とが占める面積は、領域１２〜１５のそれぞれにおいて互いに略一致する。

このため、半導体ウエハ２１において、領域１２及び領域１５のそれぞれに位置する部分が領域１３及び領域１４のそれぞれに位置する部分よりも著しく多量の熱を吸収することがない。この結果、半導体ウエハ２１の全面について単位面積当りの熱吸収量が均一化され、半導体ウエハ２１の全面に均一に熱処理を施すことができる。

なお、均熱部材１の外縁形状の面積、及び、プロセスチャンバ１０１の内部の上下方向における均熱部材１の配置位置は、半導体ウエハ２１の全面について単位面積当りの熱吸収量ができるだけ均一になるように決定することができる。

また、均熱部材１は、例えば、石英やＳｉＣ等のようにプロセスチャンバ１０１内における半導体ウエハ２１の熱処理に影響を与えない材料を素材として形成される。

図６は、この発明の別の実施形態に係る均熱部材１′を示す図である。図６（Ａ）は均熱部材１′及び半導体ウエハ２１の平面図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＸ１−Ｘ１部の側面断面図であり、図６（Ｃ）は図６（Ａ）におけるＸ２−Ｘ２部の側面断面図である。

均熱部材１′の中央部に形成された開口部２′の開口径は、半導体ウエハ２１の外径よりも僅かに小さくされている。均熱部材１′の上面には、半導体ウエハ２１を載置するための段部４が形成されている。均熱部材１′の上面に半導体ウエハ２１を載置しない場合には、段部４は省略できる。また、均熱部材１′の上面には、溝部３が形成されている。溝部３には、矢印Ｙ方向に半導体ウエハ２１の搬送用のハンド３１が進入する。その他の構成は、図５に示した均熱部材１と同様である。

半導体ウエハ２１は、均熱部材１′の上面に載置される。したがって、均熱部材１′は、プロセスチャンバ１０１の内部における半導体ウエハ２１の支持部材を兼ねる。均熱部材１′の平面形状において、プロセスチャンバ１０１の内部に対して半導体ウエハ２１を搬入及び搬出する際にハンド３１が通過する溝部３の下方にも、均熱部材１′の一部が存在している。

したがって、均熱部材１′は平面形状において矩形の外縁形状を呈するため、領域１２及び領域１５における均熱部材１′の熱容量は、領域１３及び領域１４における均熱部材１′の熱容量よりも十分に大きい。この結果、均熱部材１′と半導体ウエハ２１との熱容量の和は、領域１２〜１５のそれぞれにおいて互いに略一致する。

なお、均熱部材１′の側面断面形状及び材質は、半導体ウエハ２１の全面について単位面積当りの熱吸収量ができるだけ均一になるように決定することができる。

従来の均熱部材の平面形状と加熱範囲との関係を示す図である。従来の別の均熱部材の平面形状と加熱範囲との関係を示す図である。この発明の実施形態に係る均熱部材を備えた熱処理装置としての半導体製造装置１００の構成を示す正面断面図である。同半導体製造装置１００の構成を示す側面断面図である。上記半導体製造装置１００に適用される均熱部材１を示す図である。この発明の別の実施形態に係る均熱部材１′を示す図である。

符号の説明

１均熱部材
２開口部
３溝部
１０加熱範囲
１１〜１６領域
２１半導体ウエハ（被加熱物）
１００半導体製造装置（熱処理装置）
１０１プロセスチャンバ
１０２加熱体（加熱部材）
１０４誘導加熱コイル（加熱部材）

Claims

平面形状が矩形の加熱部材によって加熱される熱処理空間内で平面形状が円形の被加熱物の近傍に配置される均熱部材であって、前記加熱部材による加熱範囲に近似した矩形の外縁形状を呈し、この外縁形状の内側に前記被加熱物の形状に近似した開口部を形成した平面形状を呈し、
前記開口部は前記被加熱物の外径よりも僅かに小さい内径の円形の平面形状を呈し、
前記被加熱物が前記開口部と中心位置を一致させて上面に載置され、
前記外縁形状の内側において前記被加熱物が存在する領域と前記被加熱物が存在しない領域とについて、前記被加熱物を含む単位面積当りの熱容量が略等しくなるように材質及び側面断面形状を決定したことを特徴とする均熱部材。
円形の被加熱物を１枚ずつ収納する熱処理空間と、前記熱処理空間の平面内で前記被加熱物の全面を含む矩形の加熱範囲について前記平面内における一方向にのみ分割された複数の領域のそれぞれを均一に加熱する加熱部材と、を備えた熱処理装置において、
請求項１に記載の均熱部材を備えたことを特徴とする熱処理装置。