JP4924395B2

JP4924395B2 - 処理装置及び処理方法

Info

Publication number: JP4924395B2
Application number: JP2007317396A
Authority: JP
Inventors: 廣行松浦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: US20090145890A1; TW200939379A; US8354623B2; TWI411057B; KR101135742B1; CN101452827A; CN101452827B; KR20090060182A; JP2009141205A

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面に薄膜を堆積させる成膜処理等の各種の熱処理を施す処理装置及び処理方法に関する。

一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処理等の各種の熱処理が行われる。上記各種の熱処理の中で、例えば成膜処理を例にとれば、この種の成膜処理は、例えば特許文献１〜５に開示されているような例えばバッチ式の成膜装置内で行われる。具体的には、図１０に示すように、縦型の石英製の処理容器２内に、被処理体である半導体ウエハＷをウエハボート４に多段に支持させた状態でこれを収容し、上記処理容器２を囲むようにして設けた円筒状の加熱手段６でウエハＷを所定の温度、例えば６００〜７００℃程度に加熱する。

そして、ガス供給手段８より各種の必要なガス、例えば成膜処理であるならば成膜用のガスを処理容器２内へこの下部より供給しつつ処理容器２の天井部に設けた排気口１０より真空排気系１２で処理容器２内を真空引きし、所定の圧力に内部雰囲気を維持して成膜処理等の各種の熱処理を行う。

特開平８−４４２８６号公報特開平９−２４６２５７号公報特開２００２−９００９号公報特開２００６−５４４３２号公報特開２００６−２８７１９４号公報

ところで、上述したような従来の処理装置にあっては、処理容器２の外周側に加熱手段６を設けてジュール熱で加熱するようにしていることから、処理容器２内のウエハＷを加熱するためには比較的熱容量の大きな石英製の処理容器２自体も必然的に加熱しなければならない。このため、処理容器２の加熱のための消費エネルギーが大幅に増大してしまう、といった問題があった。

また、上述したように処理容器２自体も高温に晒されることから、例えば成膜処理の場合には、高温のウエハＷの表面のみならず、高温状態になる処理容器２の内壁面にも不要な付着膜が堆積し易くなり、この不要な付着膜がパーティクルの発生源になったり、この不要な付着膜のためにクリーニングサイクルが短くなる等の問題もあった。

更には、半導体素子のジャンクション等の微細化によりドーパントの不必要な拡散を防止する必要からウエハＷの熱処理時におけるウエハＷに対する高速昇温及び高速降温が求められているが、上述したように熱容量の大きな処理容器２も同時に昇降温させなければならないことから、ウエハＷの高速昇温及び高速降温を行うことが、非常に困難である、といった問題もあった。

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、誘導加熱を用いることによって処理容器自体を加熱することなく被処理体を加熱するようにし、もって消費エネルギーを抑制し、処理容器の内面に不要な付着膜等が堆積することを防止し、更には被処理体の高速昇温及び高速降温が可能な処理装置及び処理方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、被処理体に対して熱処理を施す処理装置において、排気可能になされて複数の前記被処理体を収容することができる縦長の処理容器と、前記処理容器の外周に巻回された金属製パイプを有すると共に、前記金属製パイプが前記金属製パイプ内に冷媒を流すための冷却器に接続されているようになされた誘導加熱用コイル部と、前記誘導加熱用コイル部に高周波電力を印加する高周波電源と、前記処理容器内へ必要なガスを導入するガス供給手段と、複数の支柱を有すると共に前記支柱間に前記被処理体と前記誘導加熱用コイル部からの高周波により誘導加熱される誘導発熱体とを保持するための複数のリング部材を接合させて設け、前記被処理体と前記誘導発熱体とを交互に保持した状態で前記処理容器内へ挿脱される保持手段と、を備えたことを特徴とする処理装置である。

このように、処理容器の外周に巻回した誘導加熱用コイル部からの高周波により処理容器内に設けた誘導発熱体を誘導加熱し、この誘導加熱された誘導発熱体に接近させて被処理体を配置することにより被処理体を加熱することができる。
従って、上述したように、誘導加熱を用いることによって処理容器自体を加熱することなく被処理体を加熱するようにし、もって消費エネルギーを抑制し、処理容器の内面に不要な付着膜等が堆積することを防止し、更には被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことができる。

また例えば請求項２に記載したように、前記保持手段は、回転可能に設けられている。
また例えば請求項３に記載したように、前記被処理体は、円板状になされており、前記誘導発熱体は前記被処理体よりも直径が大きな円板状になされている。

また例えば請求項４に記載したように、前記誘導発熱体は、導電性セラミック材、グラファイト、ガラス状炭素、導電性石英、導電性シリコンよりなる群から選択される１以上の材料よりなる。
また例えば請求項５に記載したように、前記複数のリング部材は、前記被処理体を保持するために内径が小さくなされたリング部材と、該リング部材より内径が大きくなされて前記誘導発熱体を保持するためのリング部材とを含む。

請求項６に係る発明は、被処理体に熱処理を施す処理方法において、排気が可能になされた縦長の処理容器内に、複数の前記被処理体と高周波により誘導加熱される複数の誘導発熱体とを保持手段に設けたリング部材により互いに交互に保持した状態で挿入し、前記処理容器内へ必要なガスを導入しつつ前記処理容器の外周に巻回した金属製パイプを有する誘導加熱用コイル部から高周波を加えることにより前記誘導発熱体を誘導加熱し、該加熱された前記誘導発熱体により前記被処理体を加熱して前記熱処理を施すと共に前記処理容器を冷却するために前記金属製パイプに冷媒を流すようにしたことを特徴とする処理方法である。

本発明に係る処理装置及び処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
処理容器の外周に巻回した誘導加熱用コイル部からの高周波により処理容器内に設けた誘導発熱体を誘導加熱し、この誘導加熱された誘導発熱体に接近させて被処理体を配置することにより被処理体を加熱することができる。
従って、上述したように、誘導加熱を用いることによって処理容器自体を加熱することなく被処理体を加熱するようにし、もって消費エネルギーを抑制し、処理容器の内面に不要な付着膜等が堆積することを防止し、更には被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことができる。

以下に、本発明に係る処理装置及び処理方法の好適な一実施例を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る処理装置の一例を示す構成図、図２は処理容器を示す断面図、図３は被処理体と誘導発熱体を支持する保持手段の動作を示す動作説明図、図４は処理容器の下端部の回転機構を示す拡大断面図である。ここでは熱処理として例えば成膜処理を例にとって説明する。

図１に示すように、この処理装置２０は下端が開放されて上下方向に所定の長さを有して円筒体状になされた縦型の処理容器２２を有している。この処理容器２２は、例えば耐熱性の高い石英を用いることができる。

この処理容器２２の下方より複数枚の被処理体としての円板状の半導体ウエハＷと本発明の特徴とする複数の誘導発熱体Ｎとをそれぞれ複数段に亘って所定のピッチで載置した保持手段２４が昇降可能に挿脱自在になされている。上記保持手段２４の挿入時には、上記処理容器２２の下端の開口部は、例えば石英やステンレス板よりなる蓋部２６により塞がれて密閉される。この際、処理容器２２の下端部と蓋部２６との間には、気密性を維持するために例えばＯリング等のシール部材２８が介在される。この蓋部２６及び上記保持手段２４の全体は、例えばボートエレベータ等の昇降機構３０に設けられたアーム３２の先端に支持されており、保持手段２４及び蓋部２６を一体的に昇降できるようになされている。

ここで本実施例においては、上記保持手段２４は、上記半導体ウエハＷを保持する第１の保持ボート３４と上記誘導発熱体Ｎを保持する第２の保持ボート３６とを有している。具体的には、まず、上記第１の保持ボート３４は、全体が例えば耐熱材料である石英で構成されている。この第１の保持ボート３４は、円形リング状になされた天板３８と円形リング状になされた底板４０との間に、図２にも示すように３本（図１では２本のみ記す）の支柱４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを掛け渡して構成されている。

上記３本の支柱４２Ａ〜４２Ｃは、図２に示すように平面内の半円弧の領域内に沿って等間隔で配置されており、その反対の半円弧側よりウエハＷを保持するフォーク（図示せず）を用いてウエハＷを搬出入させるようになっている。上記各支柱４２Ａ〜４２Ｃの内側には、図３にも示すように、ウエハＷの周縁部を保持するために段部状になされた溝部４４が等ピッチでその長手方向に沿って形成されており、この各溝部４４にウエハＷの周縁部を支持させて複数枚、例えば１０枚〜５５枚程度のウエハＷを多段に等ピッチで支持できるようになっている。

一方、上記第２の保持ボート３６は、平面方向において上記第１の保持ボート３４よりも一回り大きく形成され、上記第１の保持ボート３４の周辺を囲むようにして設けられている。この第２の保持ボート３６も上記第１の保持ボート３４と同様に形成されている。すなわち、上記第２の保持ボート３６は、全体が例えば耐熱材料である石英で構成されている。この第２の保持ボート３６は、円形リング状になされた天板４６と円形リング状になされた底板４８との間に、図２にも示すように３本（図１では２本のみ記す）の支柱５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを掛け渡して構成されている。

上記３本の支柱５０Ａ〜５０Ｃは、図２に示すように平面内の半円弧の領域内に沿って等間隔で配置されており、その反対の半円弧側よりウエハＷを保持するフォーク（図示せず）を用いて誘電発熱体Ｎを搬出入させるようになっている。上記各支柱５０Ａ〜５０Ｃの内側には、図３にも示すように、誘電発熱体Ｎの周縁部を保持するために段部状になされた溝部５２が等ピッチでその長手方向に沿って形成されており、この各溝部５２に誘電発熱体Ｎの周縁部を支持させて複数枚、例えば１５〜６０枚程度の誘電発熱体Ｎを多段に等ピッチで支持できるようになっている。

ここで上記誘導発熱体Ｎは、高周波によって誘導加熱を引き起こすことができ、且つ熱伝導率が良好な材料、例えばＳｉＣ等の導電性セラミック材を用いることができる。この誘導発熱体Ｎは、半導体ウエハＷと同じような円板状に成形されており、直径は上記ウエハＷよりも大きく設定されている。例えばウエハＷの直径が３００ｍｍの時は、この誘導発熱体Ｎの直径は３２０〜３４０ｍｍ程度に設定されている。

ここで、図３（Ａ）はウエハＷを搬入、又は搬出する時の位置関係を示している。図３（Ａ）の上記ウエハＷと誘導発熱体Ｎとは交互に配置されていると共に、例えば各ウエハＷと、これの上下に隣り合う誘導発熱体Ｎとの間隔は略等しく設定され、フォークによるウエハＷの搬出入を行い易くしている。ここでウエハＷ間のピッチＰ１及び誘導発熱体Ｎ間のピッチＰ２はそれぞれ３０〜４０ｍｍ程度である。また誘導発熱体Ｎの厚さＨ１は２〜１０ｍｍ程度である。ここで、上記ウエハＷと誘導発熱体Ｎとの交互の配列の上下端は誘導発熱体Ｎで終端するようにし、最上部及び最下部に位置するウエハの熱的条件を他の部分に位置するウエハと同等となるようにする。

このように、構成された保持手段２４は、下端の蓋部２６に設けた回転機構５４により回転可能になされると共に、上記第１及び第２の保持ボート３４、３６は、互いに上下方向へ相対移動可能になされている。具体的には、図４にも示すように、上記回転機構５４は、上記蓋部２６の中央部より下方へ伸びる円筒状の固定スリーブ５６を有しており、この固定スリーブ５６内は処理容器２２内に連通されている。この固定スリーブ５６の外周には、軸受５８を介して円筒状の回転体６０が回転可能に設けられており、この回転体６０には図示しない駆動源により走行駆動される駆動ベルト６２が掛け渡されて、この回転体６０を回転するようになっている。

また上記軸受５８の下部において、上記固定スリーブ５６と回転体６０との間には磁性流体シール５９が介設されており、上記処理容器２２内の気密性を保持するようになっている。上記固定スリーブ５６内には、同じく円筒状になされた中空回転軸６４が、固定スリーブ５６より僅かな隙間を隔てて挿通されている。そして、この中空回転軸６４の上端には、中央部が開口された回転テーブル６６が取り付け固定されている。そして、この回転テーブル６６上に円筒状になされた例えば石英製の保温筒６８を介して上記第２の保持ボート３６の底板４８を設置して、この第２の保持ボート３６を支持するようになっている。

また、この中空回転軸６４の下端部は、連結部材７０を介して上記回転体６０の下端部に連結されており、この回転体６０と一体的に回転するようになっている。更に、上記中空回転軸６４内には、円柱状の中心回転軸７２が中空回転軸６４より僅かな隙間を隔てて挿通されている。そして、この中心回転軸７２の上端には回転テーブル７４が取り付け固定されている。そして、この回転テーブル７４上に、円筒状になされた例えば石英製の保温筒７６を介して上記第１の保持ボート３４の底板４０を設置して、この第１の保持ボート３４を支持するようになっている。そして、上記中心回転軸７２の下端部は、昇降駆動板７８に連結されている。

また、上記回転体６０からは下方向へ複数本の案内ロッド８０が伸びており、この案内ロッド８０は、上記昇降駆動板７８に設けた案内孔８２内へ挿通されている。そして、この案内ロッド８０の下端部は、ベース板８４に連結固定されている。このベース板８４の中心には、例えばエアシリンダ等よりなるアクチュエータ８６が設けられ、上記昇降駆動板７８を上下方向へ所定のストロークだけ昇降させるようになっている。従って、このアクチュエータ８６を駆動することにより、中心回転軸７２等と共に第１の保持ボート３４を上下方向へ昇降移動できるようになる。ここで、このストローク量は２０〜３０ｍｍ程度である。尚、第１の保持ボート３４に代えて、第２の保持ボート３６を昇降移動させるようにしてもよく、いずれにしても両ボート３４、３６が相対的に昇降移動できればよい。

このように、第１の保持ボート３４を昇降移動させることにより、図３（Ｂ）に示すように、ウエハＷの裏面側に上記誘導発熱体Ｎを接近させることができるようになっている。この時の両者間の隙間Ｈ２は２〜１６ｍｍ程度である。また、上記昇降駆動板７８と上記連結部材７０との間には、上記中心回転軸７２の周囲を覆うようにして伸縮可能なベローズ８９が設けられており、上記処理容器２２内の気密性を維持しつつ中心回転軸７２の上下移動を許容するようになっている。

ここで図１に戻って、上記処理容器２２の下部には、この処理容器２２内へ熱処理に必要なガスを導入するガス供給手段９０が設けられている。具体的には、上記ガス供給手段９０は、上記処理容器２２の側壁を貫通した第１のガスノズル９２及び第２のガスノズル９４を有している。上記第１及び第２のガスノズル９２、９４は、例えば石英よりなり、各ガスノズル９２、９４には、それぞれガス通路９６、９８が接続されている。この各ガス通路９６、９８には、開閉弁９６Ａ、９８Ａ及びマスフローコントローラのような流量制御器９６Ｂ、９８Ｂがそれぞれ順次介設されており、成膜に必要な第１のガス及び第２のガスをそれぞれ流量制御しつつ導入できるようになっている。尚、ガス種及びガスノズルは必要に応じて更に設けることができるのは勿論である。

また、上記処理容器２２の天井部には、横方向へＬ字状に屈曲させた排気口１００が設けられる。この排気口１００には、処理容器２２内を排気する排気系１０２が接続されている。具体的には、上記排気系１０２の排気通路１０２Ａには、バタフライ弁のような圧力制御弁１０２Ｂ及び排気ポンプ１０２Ｃがそれぞれ順次介設されている。尚、処理の種類によっては、低圧の真空状態から大気圧程度の圧力で処理を行う場合があり、これに対応して、上記排気系１０２によって高真空から大気圧の近傍まで処理容器２２内の圧力を制御できるようになっている。

そして、上記処理容器２２には、本発明の特徴とする誘導加熱用コイル部１０４が設けられている。具体的には、この誘導加熱用コイル部１０４は、上記処理容器２２の外周に巻回された金属製パイプ１０６を有している。この金属製パイプ１０６は処理容器２２の外周にその上下方向へ螺旋状に巻回しており、高さ方向におけるその巻回領域はウエハＷの収容領域よりも上下方向へ長く延びている。この金属製パイプ１０６の巻回態様は、図１に示すように上下方向に僅かに隙間を設けるように巻回してもよいし、或いは、隙間を設けないで密に巻回するようにしてもよい。この金属製パイプ１０６としては例えば銅管等を用いることができる。

そして、この金属製パイプ１０６の上下の両端側には、給電ライン１０８が接続されており、この給電ライン１０８の先端は高周波電源１１０に接続されて、上記金属製パイプ１０６の高周波電力を印加するようになっている。また、この給電ライン１０８の途中には、インピーダンス整合を行うマッチング回路１１２が介設されている。

上述のように、金属製パイプ１０６よりなる誘導加熱用コイル部１０４に高周波電力を印加することにより、この誘導加熱用コイル部１０４から放射される高周波は処理容器２２の側壁を透過して内部に至り、第２の保持ボート３６に支持されている誘導発熱体Ｎに過電流を生ぜしめて、これを発熱乃至加熱させることができるようになっている。この高周波電源１１０の高周波の周波数は、例えば０．５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲内、好ましくは１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲内に設定される。

この周波数が０．５ｋＨｚよりも小さい場合には、効果的に誘導加熱ができなくなり、また５０ｋＨｚよりも大きい場合には、表皮効果が大きくなり過ぎて誘導発熱体Ｎの周縁部のみが加熱されてウエハＷの面内温度の均一性が大幅に低下してしまう。

また上記金属製パイプ１０６の両端からは、媒体通路１１４が延びており、この媒体通路１１４には冷却器１１６が接続されて、冷媒を上記金属製パイプ３８内に流してこれを冷却できるようになっている。この冷媒としては、例えば冷却水を用いることができる。

そして、この装置全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる制御手段１２０により制御される。そして、この制御手段１２０は、この装置全体の動作を制御するためのプログラムを記憶するための記憶媒体１２２を有している。この記憶媒体１２２は、フレキシブルディスク、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはＤＶＤ等よりなる。

次に、以上のように構成された処理装置２０を用いて行なわれる成膜方法（熱処理）について説明する。上述したように、以下に説明する動作は、上記記憶媒体１２２に記憶されたプログラムに基づいて行われる。

まず、処理容器２２内から第１の保持ボート３４と第２の保持ボート３６よりなる保持手段２４を下方へ降下させてアンロードした状態で、図示しない移載フォークを用いて上記保持手段２４の第１の保持ボート３４に対して未処理のウエハＷを移載し、保持させる。

この場合、第１及び第２の保持ボート３４、３６の上下方向における位置関係は図３（Ａ）に示すようになっており、ウエハＷと、これに上下方向に隣り合う誘導発熱体Ｎとの間は広くなされて、ウエハＷの移載が行い易いようになっている。ここで、上記誘導発熱体Ｎは、第２の保持ボート３６に図示しないフォークを用いて予め詰め込まれて支持されている。尚、この誘導発熱体Ｎは、例えばウエハの数バッチ処理に亘って支持された状態となっており、例えば処理容器２２内のドライクリーニングと一緒にクリーニングされることになる。

このようにして、ウエハＷの移載が完了してウエハＷと誘導発熱体Ｎとが図３（Ａ）に示すように交互に配列された状態となったならば、昇降機構３０を駆動することにより、上記保持手段２４を上昇させて、これを処理容器２２の下端開口部より処理容器２２内へロードする。そして、この処理容器２２の下端開口部を蓋部２６により気密にシールし、処理容器２２内を密閉状態とする。

次に、上記保持手段２４の下部の回転機構５４に設けたアクチュエータ８６を駆動し、昇降駆動板７８及びこれに連結された中心回転軸７２（図４参照）を下方向へ所定のストロークだけ降下させる。これにより、上記中心回転軸７２の上端の回転テーブル７４上に保温筒７６を介して設置されている第１の保持ボート３４を、図３（Ｂ）中の矢印１２４に示すように下方向へ所定のストロークだけ降下させて、図３（Ｂ）に示すように各ウエハＷを、その下方に隣り合う誘導発熱体Ｎの上面側に接近させ、誘導発熱体Ｎからの放射熱等を効率的に受け取るこができるようにする。

図３（Ｂ）に示すような状態になったならば、高周波電源１１０をオンにして金属製パイプ１０６よりなる誘導加熱用コイル部１０４に高周波電力を印加することにより高周波を処理容器２２内へ放射し、これにより第２の保持ボート３６に支持されている各誘導発熱体Ｎに過電流を生ぜしめてこれを誘導加熱する。

このように、各誘導発熱体Ｎが誘導加熱されると、これに接近して配置されている各ウエハＷが誘導発熱体Ｎからの熱放射や熱輻射等によって加熱されて昇温することになる。そして、これと同時に、ガス供給手段９０の各ガスノズル９２、９４から成膜に必要なガス、すなわち第１及び第２のガスを流量制御しつつ供給し、この処理容器２２内の雰囲気を天井部の排気口１００から排気系１０２により真空引きして容器内雰囲気を所定のプロセス圧力に維持する。

また、上記ウエハＷの温度も、処理容器２２内に設けた図示しない熱電対により測定しつつ高周波電力を制御することにより所定のプロセス温度に維持し、所定の熱処理、すなわち成膜処理を行うことになる。更に、蓋部２６に設けた回転機構５４を駆動することにより、上記第１及び第２のボート３４、３６を所定の回転数で回転しつつ処理を行う。また、熱処理中には、誘導加熱用コイル部１０４を形成する金属パイプ１０６が加熱されるので、これを冷却するために冷却器１１６からは冷却水などの冷媒を上記金属パイプ１０６内に流すようにする。この場合、成膜ガスの反応条件にもよるが、処理容器２２の内壁面への膜付着を防止するためには、壁面を８０℃以下に冷却するのが望ましい。

このように、高周波による誘導加熱によって誘導発熱体Ｎを加熱し、更にこの放熱によって近傍に位置するウエハＷを加熱させるようにしたので、熱容量の大きな処理容器２２自体をほとんど加熱することがなく、その分、消費エネルギーを少なくすることができる。

また上述のように、処理容器２２自体がほとんど加熱されないで低温に維持されることから、特に成膜処理の場合には処理容器２２の内壁面に不要な付着膜が堆積することを抑制することができ、その分、パーティクルの発生を低くでき、また、クリーニング処理を行う頻度を少なくすることができる。

また更には、上述のように処理容器２２自体がほとんど加熱されないので、処理を開始する際にウエハＷを高速で昇温することができ、また、処理が終了した場合には、ウエハＷを高速で降温させることができる。具体的には、誘導発熱体Ｎの昇温速度は６．０℃／ｓｅｃ程度を達成でき、ウエハＷの昇温速度は４．０℃／ｓｅｃ程度を達成することができる。

また、誘導発熱体Ｎとして、抵抗率がある程度低くて、且つ熱伝導性が比較的良好な材料、例えば導電性のあるＳｉＣ等よりなる導電性セラミック材を用いるので、この誘導発熱体Ｎを効率的に誘導加熱することができると共に、面内温度の均一性が良好な状態で加熱することができ、従って、この近傍に位置されているウエハも面内温度の均一性が良好な状態で加熱することができる。

以上説明したように、本発明によれば、処理容器２２の外周に巻回した誘導加熱用コイル部１０４からの高周波により処理容器２２内に設けた誘導発熱体Ｎを誘導加熱し、この誘導加熱された誘導発熱体Ｎに接近させて例えば半導体ウエハＷよりなる被処理体を配置することにより被処理体を加熱することができる。

従って、上述したように、誘導加熱を用いることによって処理容器２２自体を加熱することなく被処理体を加熱するようにし、もって消費エネルギーを抑制し、処理容器の内面に不要な付着膜等が堆積することを防止し、更には被処理体の高速昇温及び高速降温を行うことができる。

＜誘導発熱体としての適格性の評価＞
次に、半導体ウエハＷを加熱するための上記誘導発熱体Ｎとしての適格性について検討したので、その評価結果について説明する。

上記誘導発熱体Ｎとして求められる特性は、高周波により効率的に誘導加熱することができ、且つ熱伝導熱が高くて面内方向において可能な限り均一的に加熱することができるという点である。周知のように、高周波により導電性物質を誘導加熱する場合は、発生する渦電流によって発熱が生ずるが、この導電性物質における渦電流は導電性物質の表面に近い程大きく、内部に行くにつれて指数関数的に小さくなる、という表皮効果が生ずる。従って、円板状の導電性物質の場合には、周縁部が迅速に加熱されることになり、中央部が比較的加熱され難い現象が生ずることになる。

そして、上記誘導加熱の時に生ずる表皮効果を考察する上で、電流浸透深さδは非常に重要な数値となり、この電流浸透深さδはできるだけ大きい方がよい。この電流浸透深さδとは、渦電流が誘導発熱体の表面における渦電流強さの１／ｅ（≒０．３６８）倍に減少した点までの深さとして定義され、以下の式で表される。

δ（ｃｍ）＝５．０３（ρ／μｆ）^１／２
ρ：誘導発熱体の抵抗率（μΩ・ｃｍ）
μ：誘導発熱体の比透磁率（非磁性体ではμ＝１）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
尚、ＳｉＣではμ＝１である。

ここで、上記導電性物質よりなる円板状の誘導発熱体Ｎの渦電流の分布についてシミュレーションを行ったので、図５にその渦電流の分布のグラフを示す。
図５において、横軸には誘導発熱体の断面の中心からの距離を採っており、縦軸には電流密度比を採っている。そして、誘導発熱体の外周面（左右の縦軸に対応）に誘導加熱用コイル部１０４が巻回されていることになる。ここでは、電流密度比の基準として周縁部（距離”−２０”と”＋２０”）の電流値を基準としている。

グラフ中において、曲線Ｉｘは断面左側の誘導加熱用コイル部１０４によって生ずる電流分布を示し、曲線Ｉｙは断面右側の誘導加熱用コイル部１０４によって生ずる電流分布を示している。そして、曲線Ｉｏは、上記ＩｘとＩｙとを重ね合わせた時の重ね合わせ電流の電流分布を示している。この曲線Ｉｏから判るように、誘導発熱体の周縁部では電流値が大きくて発熱量も多くなるが、中心部に行くに従って電流値、すなわち発熱量も次第に低下して行くのが判る。

次に、誘導発熱体Ｎの材料として２種類の材料、すなわちガラス状炭素と導電性セラミック材の代表例である導電性ＳｉＣとについて電流密度比とその周波数依存性についてシミュレーションによって検討して評価したので、その評価結果について説明する。
図６はガラス状炭素の電流密度比とその周波数依存性を示すグラフであり、図７は導電性ＳｉＣの電流密度比とその周波数依存性を示すグラフである。ここでは、図５で示したような重ね合わせ電流Ｉｏのみを示している。また、図５に示したと同様に各グラフの横軸には誘導発熱体の断面の中心からの距離を採っており、縦軸には電流密度比を採っている。

図６に示すガラス状炭素の特性に関して、直径は６４ｍｍ、抵抗率は０．００４５Ω・ｃｍであり、高周波電力の周波数は４６０ｋＨｚと５ｋＨｚの２種類について示している。グラフ中、曲線Ｉｏ（４６０ｋ）は４６０ｋＨｚの場合を示し、曲線Ｉｏ（５ｋ）は５ｋＨｚの場合を示している。

このグラフから明らかなように、曲線Ｉｏ（４６０ｋ）に示すように、周波数が４６０ｋＨｚの場合には周波数が高過ぎることから重ね合わせ電流は、誘導発熱体の周縁部から中心に向かうに従って急激に落ち込んで低下し、更に、中心部では”ゼロ”になってしまって好ましくない。これに対して、曲線Ｉｏ（５ｋ）に示すように、周波数が５ｋＨｚの場合には周波数が低くなったので上記重ね合わせ電流の落ち込みは１．３から１．０程度までとなって落ち込みの程度を大幅に改善できることが理解できる。この程度の落ち込みならば、誘導発熱体の熱伝導率を最適化することにより面内温度の均一性を高めることができる。

この場合、高周波電力の最適な周波数は、前述したように、０．５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの範囲内、好ましくは１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲内である。この周波数が０．５ｋＨｚよりも小さい場合には、効果的に誘導加熱ができなくなり、また５０ｋＨｚよりも大きい場合には、表皮効果が大きくなり過ぎて誘導発熱体Ｎの周縁部にみが加熱されてウエハＷの面内温度の均一性が大幅に低下してしまう。

また、誘導発熱体Ｎを構成する材料の熱伝導率は大きい方がよく、例えば５Ｗ／ｍｋ以上、好ましくは１００Ｗ／ｍｋ以上である。この熱伝導率が５Ｗ／ｍｋよりも小さい場合には、誘導発熱体Ｎの面内温度の均一性が劣化し、これによりウエハ自体の面内温度の均一性も不十分になるので好ましくない。尚、図６中の下部には、曲線Ｉｏ（５ｋ）の時の誘導発熱体の断面の温度分布の一例が示されており、周縁部が高くて例えば９４０℃程度であり、中心部は５２０℃程度になっている。

図７に示す導電性ＳｉＣの特性に関して、直径は４０ｃｍ、抵抗率は１Ω・ｃｍと０．１Ω・ｃｍの２種類であり、高周波電力の周波数は５ｋＨｚに設定している。グラフ中、曲線Ｉｏ（０．１Ω）は抵抗率が０．１Ω・ｃｍの場合を示し、曲線Ｉｏ（１Ω）は抵抗率が１Ω・ｃｍの場合を示している。

このグラフから明らかなように、曲線Ｉｏ（０．１Ω）に示すように、抵抗率が０．１Ω・ｃｍの場合には電流密度比は略０．９〜１．１５の範囲で変化している。また、この時の電流浸透深さδは２２．４９５ｃｍである。これに対して、曲線Ｉｏ（１Ω）に示すように、抵抗率が１Ω・ｃｍの場合には電流密度比は略１．５〜１．６の範囲で変化しており、この時の電流浸透深さδは７１．１３５ｃｍである。従って、抵抗率が１Ω・ｃｍの方が好ましいことが理解できる。

この場合、抵抗率は０．００１Ω・ｃｍ〜０．５Ω・ｃｍの範囲が好ましく、抵抗率が０．５Ω・ｃｍよりも大きくなると、発熱効率が大幅に低下するので好ましくなく、また０．００１Ω・ｃｍよりも小さくなると電流浸透深さが過度に小さくなるので好ましくない。

尚、上記実施例では、半導体ウエハＷの上面側のガスの流れを阻害させないために、半導体ウエハＷの下面側に誘導発熱体Ｎを接近させるようにしたが（図３（Ｂ）参照）、これに限定されず、図３（Ａ）に示す状態から第１の保持ボート３４を上方へ移動させることにより、半導体ウエハＷの上面側に誘導発熱体Ｎを接近させるようにしてもよい。更には、第１の保持ボート３４に代えて、第２の保持ボート３６を上下方向へ移動可能となるように構成してもよい。

また、上記実施例では、保持手段２４を回転可能としたが、これに限定されず、保持手段２４を固定状態にしてもよい。更には、ここでは第１及び第２のガスノズル９２、９４で処理容器２２内の下部にガスを導入し、天井側から排気するようにしたが、これに限定されず、ガスを処理容器２２内の天井側に導入し、下部より排出するようにしてもよい。また、ガスノズル９２、９４の形状として、これを処理容器２２内の長手方向に沿って設けると共に、これに複数のガス噴出孔を等間隔で設けるようにした、いわゆる分散形ノズルを用いてもよい。

更には、処理容器２２の形態としては、図１に示したような単管構造に限定されず、例えば石英製の内筒と外筒とを同心円状に配置してなる、いわゆる２重管構造の処理容器を用いてもよい。
また上記実施例では、誘導発熱体Ｎの形状は平板状としたが、これに限定されず、図８に示す誘導発熱体Ｎの断面形状に示すように、ウエハＷの温度分布に応じて誘導発熱体Ｎの中央部を凸状に突出させてウエハＷとの間の距離を周辺部と比較して小さくするようにしてもよく（図８（Ａ）参照）、逆に、中央部を凹状に窪ませてウエハＷとの間の距離を周辺部と比較して大きくするようにしてもよい。

また、本実施例では、保持手段２４として第１と第２の２つの保持ボート３４、３６により構成するようにしたが、これに限定されず、図９に示すように、この保持手段２４を１つの保持ボート１３０で構成するようにしてもよい。この保持ボート１３０は、例えば特許文献１に示すように構成され、具体的には、石英製の支柱１３２に、内径の小さな石英製の円形リング状のリング部材１３４と内径の大きな石英製の円形リング状のリング部材１３６とを交互に接合させて設け、各リング部材１３４、１３６の内周部にウエハＷの周辺部を支持するつめ部１３４Ａと、これよりも直径の大きな誘導発熱体Ｎの周辺部を支持するつめ部１３６Ａとをそれぞれ設けるようにする。

この場合には、上記ウエハＷと誘導発熱体Ｎとは互いに接近離間させることができないので、予め可能な限り接近させるように上記リング部材１３４、１３６及びつめ部１３４Ａ、１３６Ａを構成する。

また、本実施例では、熱処理として成膜処理を例にとって説明したが、これに限定されず、他の熱処理、例えば酸化処理、拡散処理、改質処理、エッチング処理等を行う場合にも本発明を適用することができる。

また、本実施例では、誘導発熱体Ｎの材料として、ガラス状炭素や導電性セラミック材（ＳｉＣ）を用いた場合を示したが、これに限定されず、グラファイト等を用いてもよい。尚、導電性セラミック材としては、導電性窒化シリコン等を用いることができる。
また、ここ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、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係る処理装置の一例を示す構成図である。処理容器を示す断面図である。被処理体と誘導発熱体を支持する保持手段の動作を示す動作説明図である。処理容器の下端部の回転機構を示す拡大断面図である。円板状の誘導発熱体の渦電流の分布についのシミュレーション結果を示すグラフである。ガラス状炭素の電流密度比と周波数依存性を示すグラフである。導電性ＳｉＣの電流密度比と周波数依存性を示すグラフである。誘導発熱体の変形例を示す断面図である。保持手段の変形例を示す部分構成図である。従来の処理装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

２０処理装置
２２処理容器
２４保持手段
３０昇降機構
３４第１の保持ボート
３６第２の保持ボート
４２Ａ〜４２Ｃ支柱
４４溝部
５０Ａ〜５０Ｃ支柱
５２溝部
５４回転機構
９０ガス供給手段
９２第１のガスノズル
９４第２のガスノズル
１０２排気系
１０４誘導加熱用コイル部
１０６金属製パイプ
１１０高周波電源
１１６冷却器
Ｎ誘導発熱体
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

被処理体に対して熱処理を施す処理装置において、
排気可能になされて複数の前記被処理体を収容することができる縦長の処理容器と、
前記処理容器の外周に巻回された金属製パイプを有すると共に、前記金属製パイプが前記金属製パイプ内に冷媒を流すための冷却器に接続されているようになされた誘導加熱用コイル部と、
前記誘導加熱用コイル部に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記処理容器内へ必要なガスを導入するガス供給手段と、
複数の支柱を有すると共に前記支柱間に前記被処理体と前記誘導加熱用コイル部からの高周波により誘導加熱される誘導発熱体とを保持するための複数のリング部材を接合させて設け、前記被処理体と前記誘導発熱体とを交互に保持した状態で前記処理容器内へ挿脱される保持手段と、
を備えたことを特徴とする処理装置。
前記保持手段は、回転可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の処理装置。
前記被処理体は、円板状になされており、前記誘導発熱体は前記被処理体よりも直径が大きな円板状になされていることを特徴とする請求項１又は２記載の処理装置。
前記誘導発熱体は、導電性セラミック材、グラファイト、ガラス状炭素、導電性石英、導電性シリコンよりなる群から選択される１以上の材料よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の処理装置。
前記複数のリング部材は、前記被処理体を保持するために内径が小さくなされたリング部材と、該リング部材より内径が大きくなされて前記誘導発熱体を保持するためのリング部材とを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理装置。
被処理体に熱処理を施す処理方法において、
排気が可能になされた縦長の処理容器内に、複数の前記被処理体と高周波により誘導加熱される複数の誘導発熱体とを保持手段に設けたリング部材により互いに交互に保持した状態で挿入し、
前記処理容器内へ必要なガスを導入しつつ前記処理容器の外周に巻回した金属製パイプを有する誘導加熱用コイル部から高周波を加えることにより前記誘導発熱体を誘導加熱し、該加熱された前記誘導発熱体により前記被処理体を加熱して前記熱処理を施すと共に前記処理容器を冷却するために前記金属製パイプに冷媒を流すようにしたことを特徴とする処理方法。