JP5560556B2 - 処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン基板等の半導体基板に対してマイクロ波や高周波等の電磁波を照射することにより半導体基板を加熱して所定の処理を行うバッチ式の処理装置に関する。
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体基板に成膜処理、パターンエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化及び高集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、これらの各種の熱処理の半導体基板面内における均一性の向上及び膜質の向上が特に望まれている。例えば半導体デバイスであるトランジスタのチャネル層の処理を例にとって説明すると、このチャネル層に不純物原子のイオン注入後に、不純物原子を活性化させる目的でアニール処理が一般的に行われる。
この場合、上記アニール処理を長時間行うと原子構造は安定化するが、不純物原子が膜厚方向へ奥深くまで拡散してチャネル層の下方へ突き抜けてしまうので、極力短時間で行う必要がある。すなわち、チャネル層などの膜厚を薄くしつつ、且つ突き抜けも生ずることなく原子構造を安定化させるためには、半導体基板を高温まで高速で昇温し、且つアニール処理後にあっては拡散が生じないような低い温度まで高速で降温させることが必要となる。
特に最近のトランジスタ素子にあっては、チャネル層にソース・ドレインエクステンション等の非常に微細な領域を設けた構造も提案されており、これらの微細領域の電気特性を保持するためにも、高速の昇降温により不純物原子を拡散させることなく活性化させることが望まれている。
このようなアニール処理を行うために、従来では加熱ランプを用いてランプアニールを行うランプアニール装置(特許文献1)やLED素子やレーザ素子を用いた熱処理装置(特許文献2〜4)が提案されている。
ところで、周知のように、半導体集積回路の製造過程においては、半導体基板表面に種々の異なる材料が配置されている。例えばトランジスタの製造途中を例に挙げれば、絶縁膜であるSiO 等のシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、配線層であるCu膜やAl膜、バリヤ膜であるTiN膜等の光学的特性が互いに異なる各種の材料が半導体基板表面に点在している。この場合、上記したアニールに用いる光、すなわち可視光や紫外光に対する上記各種の材料の光学特性、例えば反射率、吸収率、透過率等は材料によって異なり、このために材料の種類に依存して吸収されるエネルギーの量が相異してしまう。この結果、上記光学特性の相異に起因してアニール処理がほとんどできなかったり、或いは均一なアニール処理ができない場合があった。そこで、上記可視光や紫外光の波長帯域よりも波長の長いマイクロ波や高周波等の電磁波を用いて半導体基板を加熱するようにした加熱装置も提案されている(特許文献5〜8)。
米国特許第5689614号 特開2004−296245号公報 特開2004−134674号公報 米国特許第6818864号 特開平5−21420号公報 特開2002−280380号公報 特開2005−268624号公報 特開2007−258286号公報
ところで、上述した各処理装置は、半導体基板を1枚ずつ処理する枚葉式の処理装置が主体であり、このため、スループットを十分に向上させることができない、といった問題があった。また、波長が数ミリ〜十数ミリのミリ波の電磁波を印加する場合には、処理室内における吸収可能な負荷容量が小さいと、処理室からの反射波が過大になって電磁波源が損傷を受ける場合があるので、これを防止するために過大な反射波が発生した時に電磁波源の動作を停止するインターロック機能を装置自体に内蔵させなければならず、装置コストが増大する、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、一度に複数枚の被処理体を処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができるので、インターロック機能を設ける必要をなくすことができる処理装置を提供することにある。
請求項1の発明は、被処理体に対して電磁波を用いて熱処理を施すようにした処理装置において、所定の長さを有して垂直方向に沿って設置され、一端に前記電磁波を通す電磁波導入口が形成されると共に他端に搬出入口が形成されて内面が鏡面仕上げされている金属製の処理容器と、前記電磁波導入口に設けられて前記電磁波を透過する材料よりなる透過板と、前記搬出入口に設けられると共に内面が鏡面仕上げされている開閉蓋と、前記搬出入口より前記処理容器内へ搬出入され、複数枚の前記被処理体を所定の間隔を隔てて保持すると共に前記電磁波を透過する材料よりなる保持手段と、前記処理容器内へ電磁波を導入する電磁波供給手段と、前記処理容器内へ必要なガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、前記処理容器の搬出入口側に連結して設けられて前記処理容器内に対して前記保持手段を搬入又は搬出させる搬入・搬出手段を有するローダ室と、を備えたことを特徴とする処理装置である。
このように、一度に複数枚の被処理体を処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができるので、インターロック機能を設ける必要をなくすことができる。
請求項2の発明は、前記処理容器の上部側壁と下部側壁とに前記ガス導入手段に接続されるガス導入口が設けられ、前記処理容器の高さ方向の中央部に前記排気手段に接続される排気口が設けられることを特徴とする。
請求項3の発明は、前記電磁波供給手段は、前記電磁波を発生する電磁波発生源と、前記透過板に設けられた入射アンテナ部と、前記電磁波発生源と前記入射アンテナ部とを連絡する導波路と、を有することを特徴とする。
請求項4の発明は、前記電磁波発生源が発生する電磁波の周波数は、10MHz〜10THzの範囲内であることを特徴とする。
請求項5の発明は、前記ローダ室は、大気圧雰囲気になされていることを特徴とする。
請求項6の発明は、前記ローダ室は、真空雰囲気と大気圧雰囲気とを選択的に実現できるようになされていることを特徴とする。
請求項7の発明は、被処理体に対して電磁波を用いて熱処理を施すようにした処理装置において、所定の長さを有して垂直方向に沿って設置され、一端に前記電磁波を通す電磁波導入口が形成されると共に他端に搬出入口が形成されて内面が鏡面仕上げされている金属製の処理容器と、前記電磁波導入口に設けられて前記電磁波を透過する材料よりなる透過板と、前記搬出入口に設けられると共に内面が鏡面仕上げされている開閉蓋と前記処理容器内に全体が収容された状態で支持され、前記電磁波を透過する材料により有天井の円筒体状に成形されると共に下端が開口されて内部に前記被処理体を収容する内側処理容器と、前記搬出入口及び前記内側処理容器の開口を介して前記内側処理容器内へ搬出入され、複数枚の前記被処理体を所定の間隔を隔てて保持すると共に前記電磁波を透過する材料よりなる保持手段と、前記処理容器内及び前記内側処理容器内へ電磁波を導入する電磁波供給手段と、前記開閉蓋に一体的に形成されており、前記保持手段を前記内側処理容器内へ収容した際に前記内側処理容器の前記開口を閉じる内側開閉蓋と、を備えたことを特徴とする処理装置である。
このように、一度に複数枚の被処理体を処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができるので、インターロック機能を設ける必要をなくすことができる。
更に、保持手段を電磁波に対して透明な内側処理容器内に収容して全体を覆うことにより、特に対流と輻射による放熱をそれぞれ抑制できるのみならず、外部からの金属汚染を抑制することができる。
本発明の処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項1及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、所定の長さの金属製の処理容器内へ、保持手段により保持された複数枚の被処理体を収容してこれらを電磁波により加熱して処理するようにしたので、一度に複数枚の被処理体を処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができる。従って、インターロック機能を設ける必要をなくすことができる。
請求項7及びこれを引用する請求項に係る発明によれば、一度に複数枚の被処理体を処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができるので、インターロック機能を設ける必要をなくすことができる。更に、保持手段を電磁波に対して透明な内側処理容器内に収容して全体を覆うことにより、特に対流と輻射による放熱をそれぞれ抑制できるのみならず、外部からの金属汚染を抑制することができる。
以下に、本発明に係る処理装置の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
<第1実施形態>
図1は本発明に係る処理装置の第1実施形態を示す断面構成図、図2は保持手段である基板ボートを示す断面図である。
図1に示すように、この第1実施形態の処理装置2は、所定の長さに設定された金属製の処理容器4を有している。この処理容器4は、円筒体状、或いは断面四角形の筒体状に成形されており、ここではその長さ方向が重力方向に沿うように配置されて、いわゆる縦長の処理容器4として構成されている。この処理容器4を構成する金属としては、例えばステンレススチール、アルミニウム、アルミニウム合金等が用いられ、その内面は鏡面仕上げされており、導入される電磁波を多重反射させて効率的に被処理体を加熱し得るようになっている。
この処理容器4を区画する区画壁の一端である下端は開口されて搬出入口6が設けられており、また、処理容器4を区画する区画壁の他端である上端(天井部)も開口されて電磁波導入口8が形成されている。
そして、この電磁波導入口8には、Oリング等のシール部材10を介して透過板12が設けられている。この透過板12は、電磁波を透過する材料よりなり、ここでは例えば石英や窒化アルミニウム等のセラミック材により形成されている。この透過板12の厚さは、熱処理時の処理容器4内の圧力に耐え得るような厚さに設定されており、例えば処理容器4内の雰囲気が真空引きされる場合には透過板12の厚さは10mm程度に設定される。
そして、この透過板12の外側に、上記処理容器4内へ電磁波を導入するための電磁波供給手段14が設けられる。具体的には、この電磁波供給手段14は、電磁波を発生する電磁波発生源16と、上記透過板12の外側である上面側に設けられた入射アンテナ部18と、上記電磁波発生源16と入射アンテナ部18とを連絡して上記入射アンテナ部18に向けて電磁波を案内する導波路20とを有している。
上記電磁波発生源16で発生する電磁波の周波数としては例えば10MHz〜10THzの範囲内の電磁波を用いることができる。そして、被処理体を効率的に加熱するために好ましくは100MHz以上の周波数、より好ましくは1GHz以上の周波数の電磁波を用いる。
この電磁波発生源16としては、マグネトロン、クライストロン、進行波管、ジャイロトロン等を用いることができる。ここでは電磁波発生源16としては、ジャイロトロンが設けられており、その電磁波の周波数は28GHzである。また、このジャイロトロンでは、その他に82.9GHz、110GHz、168GHz、874GHz等の周波数の電磁波を発生することができる。
また上記導波路20は、例えば矩形導波管やコルゲート導波管等により形成されている。そして、上記入射アンテナ部18には、図示しない複数の鏡面反射レンズや反射ミラーが設けられており、電磁波を処理容器4内に向けて導入できるようになっている。また、この処理容器4には、この中へ必要なガスを導入するガス導入手段22が設けられている。具体的には、ここでは処理容器4の上部側壁と下部側壁とにそれぞれガス導入口24が設けられており、このガス導入口24にはガス通路26が分岐させて接続されている。
そして、このガス通路26の途中には開閉弁28及びマスフローコントローラのような流量制御器30が介設されており、熱処理に必要なガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。ここで処理に必要なガスは一種類、或いは複数種類用いる場合があり、また、パージガスとして不活性ガス、例えばN ガスやAr等の希ガスも導入できるようになっている。また上記ガス導入口24の数は2個に限定されないのみならず、このガス導入口24に代えて、石英等よりなるガスノズルを用いてもよいのは勿論である。
またこの処理容器4には、この内部の雰囲気を排気する排気手段32が設けられている。具体的には、上記ガス導入口24に対向する容器側壁の高さ方向の中央部には、排気口34が設けられており、この排気口34に、上記排気手段32の一部を構成する排気通路36が接続されている。そして、この排気通路36の途中には、例えばバタフライバルブよりなる圧力制御弁38及び排気ポンプ40が下流側に向けて順次介設されており、処理容器4内の雰囲気を排気できるようになっている。この場合、処理容器4内での処理を真空雰囲気で行う場合もあり、或いは大気圧雰囲気(この近傍も含む)で行う場合もあり、処理を真空雰囲気で行う場合には、上記排気ポンプ40として高い真空度が得られるターボ分子ポンプとドライポンプとの組み合わせを用いることもできる。
またこの処理容器4内には、被処理体としての半導体基板Wを互いに所定の間隔を隔てて複数枚保持する保持手段42が挿脱可能に設けられている。この保持手段42の全体は、上記電磁波を透過する材料として例えば石英により形成されている。具体的には、この保持手段42は、上下に設けられた石英製の天板44と底板46との間に、図2に示すように例えば4本の石英製の支柱48A、48B、48C、48Dを掛け渡すようにして設け、そして、上記各支柱48A〜48Dに所定のピッチで段部状に係合溝50を設けて、この係合溝50に上記半導体基板Wの周辺部を載置させて半導体基板Wを所定のピッチで支持できるようになっている。
この場合、図示しない搬送アームを用いて保持手段42に対して水平方向から半導体基板Wを出し入れできるように、上記4本の各支柱48A〜48Dは、半導体基板Wの略半円弧の領域に所定の間隔で配置されている。ここで半導体基板Wとしては、薄板円板状に形成され、その直径は例えば300mm程度に設定され、10〜150枚程度の半導体基板Wを所定のピッチで支持できるようになっている。尚、半導体基板Wの直径は300mmに限定されず、例えば直径が200mm、450mm等の半導体基板も用いることができるのは勿論である。
そして、上記処理容器4の下端の搬出入口6には、上記処理容器4の構成材料と同じ金属よりなる開閉蓋52がOリング等のシール部材54を介して着脱可能に取り付けられると共に、この開閉蓋52の内面は導入された電磁波を反射させるために鏡面仕上げされている。
上記開閉蓋52の中心部には、磁性流体シール56を介在させて回転軸58が気密に貫通させて設けられており、この回転軸58の上端部に載置台60を設け、この載置台60の上面に上記保持手段42を載置させて、これを支持するようになっている。上記処理容器4の下方には、上記保持手段42を処理容器4に対して搬入又は搬出させる搬入・搬出手段62が設けられる。
ここでは、上記搬入・搬出手段62としてボールネジ64Aを用いた昇降エレベータ64が設けられており、このボールネジ64Aの昇降ナット64Bに設けた昇降アーム64Cの先端で上記回転軸58の下端部を回転自在に支持する共に、ここに回転モータ66を取り付けており、処理中に上記回転軸58を回すことによって載置台60上に支持した保持手段42を所定の速度で回転し得るようになっている。従って、この昇降エレベータ64を駆動して上記昇降アーム64Cを昇降させることによって上記開閉蓋52と保持手段42とを一体的に上下方向へ移動させて、処理容器4に対して半導体基板Wをロード及びアンロードできるようになっている。尚、上記保持手段42を回転させないで半導体基板Wに対して処理を施すこともでき、この場合には、上記回転モータ66や磁性流体シールを設ける必要はなく、これらを不要にできる。
そして、上記処理容器4の搬出入口6側、すなわち、ここでは処理容器4の下方側には、上記処理容器4内に対して搬入又は搬出された半導体基板Wを一時的に待機させるローダ室68が連結して設けられている。このローダ室68の全体は、例えばステンレススチールやアルミニウムやアルミニウム合金よりなる区画壁70により箱状に区画形成されている。そして、このローダ室68内に上述した昇降エレベータ64が設置されている。すなわち、このローダ室68を区画する天井板70Aにより上記処理容器4の全体が支持されるようになっており、この天井板70Aと底板70Bとの間で上記昇降エレベータ64のボールネジ64Aの上下端部が支持されている。
またローダ室68を区画する側板70Cには、上記保持手段42の長さと略同じような長さに設定された移載口72が形成されており、この移載口72には、これを気密に開閉するための開閉ドア74がOリング等のシール部材76を介して開閉可能に設けられている。そして、上記開閉ドア74を開いた状態でこのローダ室68の外側に設けた図示しない搬送アームにより上記保持手段42に対して半導体基板Wの移載を行うようになっている。
またこの区画壁70には、ガス入口78が設けられ、このガス入口78には開閉弁80を介設したガス通路82が接続されており、必要に応じてこのローダ室68内に不活性ガス又は清浄空気を導入できるようになっている。上記不活性ガスとしてはAr等の希ガスやN ガスを用いることができる。
また更に、上記区画壁70にはガス出口84が設けられ、このガス出口には排気通路86が接続されている。そして、この排気通路86の途中には開閉弁88及び排気ユニット90が順次介設されており、上記ローダ室68内の雰囲気を排気できるようになっている。この場合、上記ローダ室68内を常時大気圧雰囲気程度で使用する場合には、上記排気ユニット90として排気ファンを用いればよい。また、上記ローダ室68をロードロック室として用いるために大気圧雰囲気と真空雰囲気とを選択的に実現できるようにする場合には、上記排気ユニット90としてドライポンプ等の真空ポンプを用いるようにする。
以上のように構成された処理装置2の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部92により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムは、フレキシブルディスク、CD(Compact Disc)、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはDVD等の記憶媒体94に記憶されている。具体的には、この装置制御部92からの指令により、ガスの供給の開始、停止や流量制御、電磁波の電力制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。
次に、以上のように構成された処理装置2の動作について説明する。まず、ローダ室68内に設けた搬入・搬出手段62である昇降エレベータ64を駆動して、昇降アーム64Cを降下させることによって処理容器4内より保持手段42をアンロードし、この保持手段42を図1中の一点鎖線で示すようにローダ室68内に位置させる。このローダ室68内は、Arガス等の希ガスやN ガスの不活性ガスや清浄空気で予め例えば大気圧雰囲気になされている。
そして、上述のように保持手段42をアンロードしたならば、ローダ室68の移載口72を閉じる開閉ドア74を開状態とし、この移載口72の外側に設けた図示しない搬送アームを用いて、これを屈伸及び上下方向へ移動させることによって未処理の半導体基板Wを上記アンロードされた保持手段42の各支柱48A〜48Dの支持溝50に支持させて移載し(図2参照)、所定の枚数の半導体基板Wを支持させる。この半導体基板Wとしては、例えば円板状のシリコン基板を用いることができる。このようにして、半導体基板Wの移載が完了したならば、上記開閉ドア74を閉じてローダ室68内を密閉する。
次に、昇降エレベータ64を駆動することによって昇降アーム64Cを徐々に上昇させ、これによって半導体基板Wを保持している保持手段42を処理容器4の下端の搬出入口6より処理容器4内へ導入することによって半導体基板Wをロードする。この保持手段42が処理容器4内へ完全に搬入された時、処理容器4の下端の搬出入口6は、開閉蓋52により気密に閉じられることになる。
このようにして、半導体基板Wの処理容器4内へのロードが完了したならば、次に、半導体基板Wに対して所定の処理を施すことになる。ここでは、例えば所定の処理としてアニール処理を真空雰囲気で行う場合を例にとって説明する。まず、処理容器4に設けた排気手段32により処理容器4内を真空引きして減圧雰囲気にすると共に、この処理容器4内にガス導入手段22よりArガス等の希ガスやN ガスの不活性ガスを流量制御しつつ導入し、圧力制御弁38により処理容器4内を所定のプロセス圧力に維持する。そして、半導体基板Wを保持している保持手段42を回転させる。尚、保持手段42を回転させないで固定したまま処理を行うようにしてもよい。
このようにして、処理容器4内が真空雰囲気の所定のプロセス圧力に維持された状態で電磁波供給手段14を動作させることによって電磁波発生源16から例えば28GHzの電磁波を発生する。この発生した電磁波は、導波路20内を案内されて処理容器4の上端部に設けた入射アンテナ部18に至り、これより放射された電磁波は、石英製の透過板12を透過して処理容器4内にその天井側から導入されることになる。この電磁波は、保持手段42によって多段に設置されている半導体基板W間を多重反射しつつ、半導体基板Wに吸収されて各半導体基板Wの表面の温度を電磁波加熱によって急激に加熱することになる。
また、金属よりなる処理容器4の内面や開閉蓋52の内面は、鏡面仕上げされているので、導入された電磁波を効率的に反射することができ、この結果、処理容器4の天井部から電磁波を導入したにもかかわらず、半導体基板W間の多重反射と相まって処理容器4内の全域に亘って電磁波を均一に伝播させることができる。そのため、各半導体基板Wの表面を、面内及び面間に亘って共に均一に高速昇温させて半導体基板のアニール処理を行うことができる。従って、半導体基板Wの処理のスループットを大幅に向上させることができる。
この場合、上記半導体基板Wの昇温速度は、半導体基板Wとして直径が300mmの半導体ウエハを例えば12枚収容している状態において例えば100℃/sec程度である。ここで、上記電磁波発生源16の出力は例えば100kW程度であるが、この出力は特に限定されるものではない。また、処理容器4内には、複数枚の半導体基板Wが収容されているので、その分、処理容器4内の電磁波に対する吸収可能な負荷容量が大きくなって電磁波の過大な反射波が発生することを抑制することができる。この結果、電磁波供給手段14に過大な反射波に対するインターロック機能を設ける必要がなく、その分、装置コストを削減することができる。
更に、上述のように処理容器4の内面では電磁波が反射されて処理容器4自体の温度はほとんど上昇せずに、半導体基板Wのみに電磁波のエネルギーを投入することができるので、その分、エネルギー効率も高くすることができる。更には、半導体基板Wを支持する保持手段42は、電磁波を透過する部材として例えば石英により形成されているので、この部分でのエネルギーの吸収もないため、更にエネルギー効率を高くすることができる。
このようにして、所定の時間のアニール処理が完了したならば、電磁波供給手段14の駆動を停止して電磁波の発生を断ち、処理容器4内に不活性ガスを導入することによって処理容器4内の雰囲気を大気圧に復帰させる。そして、処理容器4内の圧力が大気圧程度に復帰したならば、ローダ室68内の搬入・搬出手段62を駆動して昇降エレベータ64の昇降アーム64Cを下方へ移動させることによって、処理容器4内から保持手段42を降下させ、この処理済みの半導体基板Wを大気圧雰囲気に維持されているローダ室68内へアンロードさせる。そして、半導体基板Wのアンロードが完了したならば、開閉ドア74を開き、図示しない搬送アームを用いて複数枚の処理済みの半導体基板Wを保持手段42から搬出して移載する。そして、次に空いた保持手段42に複数枚の未処理の半導体基板Wを移載し、上述したような一連の動作を再度行うことになる。
このように、本発明によれば、一度に複数枚の被処理体、すなわち半導体基板Wを処理することができ、これによりスループットを向上させることができると共に、処理容器4内の吸収可能な負荷容量を増大させて過大な反射波の発生を抑制することができるので、反射波に対するインターロック機能を設ける必要をなくすことができる。
尚、上述のように真空雰囲気中でアニール処理を行う場合において、ローダ室68内を真空雰囲気と大気圧雰囲気とに選択的に設定するようにして、これにロードロック機能を持たせるようにしてもよい。この場合には、処理容器4の下端部に気密に開閉できるようにしたゲートバルブを取り付け固定し、このゲートバルブの下面側に上記開閉蓋52を気密に接合、離脱させるようにする。
そして、ローダ室68内にて開閉ドア74を開いて保持手段42に対して半導体基板Wを移載するためにローダ室68内を大気圧にする時には、上記ゲートバルブを閉状態として処理容器4内の真空雰囲気を維持し、半導体基板Wを処理容器4内へロードする時には、上記ゲートバルブを開く前にローダ室68内の雰囲気を真空引きして真空雰囲気とし、上記ゲートバルブを開いて半導体基板Wが載置された保持手段42を上昇させてロードした後に、処理容器4の下端の搬出入口6を開閉蓋52で気密に閉じる。そして、上記ゲートバルブは開状態に維持したままアニール処理が行われることになる。
この後、処理済みの半導体基板Wをアンロードする場合には、予めローダ室68内を真空雰囲気にしておき、この状態で半導体基板Wが載置された保持手段42を降下させて処理容器4内からアンロードさせ、アンロードが完了したならば、上記ゲートバルブを閉じて処理容器4内の真空状態を維持する。そして、ローダ室68内を大気圧復帰させた後に、上記開閉ドア74を開いて前述のように保持手段42に対して半導体基板Wの移載を行うことになる。この場合には、前述したように、ローダ室68内の雰囲気を排気する排気ユニット60としては真空ポンプを用いることになる。
また、上記実施形態では、アニール処理を真空雰囲気中で行うようにしたが、これに限定されず、大気圧雰囲気(大気圧に近い雰囲気も含む)で行うようにしてもよい。この場合には、ローダ室68内は常時大気圧雰囲気に維持され、また、上記排気ユニット90としては排気ファンを用いることになる。
<電磁波加熱における吸収エネルギー密度指数の周波数特性>
次に、半導体基板に対してどのような周波数の電磁波が有効であるかという点について検討を行ったので、その検討結果について評価する。図3は電磁波加熱における吸収エネルギー密度指数の周波数特性を示すグラフであり、横軸に周波数をとり、縦軸に吸収エネルギー密度指数(f・ε・tanδ)をとっている。ここでは”f”は電磁波の周波数、”ε”は半導体基板の比誘電率、”tanδ”は半導体基板の誘電正接である。実験では、半導体基板としてシリコン基板を用い、不純物のドープ量を変えて、2種類の抵抗率のシリコン基板について調べた。グラフ中の”Si ”は0.1〜100Ωcmの抵抗率を示し、”Si ”は1×10 〜6×10 Ωcmの抵抗率を示している。
図3によれば、Si の場合には、周波数が10MHz程度の時より吸収エネルギー密度指数が急激に上がり始めており、1GHzの時に略飽和状態になっている。従って、この時の電磁波の周波数は10MHz以上に設定するのがよく、好ましくは100MHz以上、より好ましくは飽和状態になる1GHz以上である。また、この周波数の上限は10THz程度であり、より好ましくは100GHz程度である。電磁波の周波数が10THzを越えて大きくなると、電磁波の浸透深さが、ウエハの厚みに比べてかなり浅くなって電磁波の反射が始まるため、加熱効率が落ちてしまって好ましくない。
また、Si の場合には、Si の場合とは異なって吸収エネルギー密度指数に急激な変化は見られないが、周波数が10MHz程度の時に吸収エネルギー密度指数はある程度(100M)まで高くなって一時的に略飽和しており、そして、10GHz以上になると、ここで急激に上昇を開始している。従って、この時の電磁波の周波数は10MHz以上に設定するのがよく、好ましくは10GHz以上である。また、この周波数の上限は、Si の場合と同様に10THz程度であり、好ましくは100GHz程度である。この場合にも、電磁波の周波数が10THzを越えて大きくなると、電磁波の浸透深さが、ウエハの厚みに比べてかなり浅くなって電磁波の反射が始まるため、加熱効率が落ちてしまって好ましくない。
<第2実施形態>
図1に示す第1実施形態の場合には、縦型に設置した処理容器4の上端部(天井部)に、電磁波導入口8及び透過板12を設けたが、これに限定されず、図4に示すように構成してもよい。図4は本発明に係る処理装置の第2実施形態の一部を示す断面構成図である。尚、図1及び図2に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。
図4に示すように、ここでは処理容器4の側壁の高さ方向の略中央部に、電磁波導入口8及び透過板12をそれぞれ設けている。そして、この透過板12の外側に、入射アンテナ部18等を有する電磁波供給手段14を設けるようにしている。この場合にも、先に説明した第1実施形態の場合と同様な作用効果を発揮することができる。
<面内温度の均一性と面間温度の均一性の評価>
ここで上記第1及び第2実施形態における半導体基板の熱処理の面内温度の均一性と面間温度の均一性について実験を行ったので、その評価結果について説明する。図5は半導体基板の面内温度の均一性を示すグラフであり、図6は半導体基板の面間温度の均一性を示すグラフである。半導体基板の温度の測定には、熱電対(TC)を用いており、測定箇所について各図中にそれぞれ模式的に示している。図5の場合には半導体基板の周辺部の4点と中心の1点とにそれぞれ熱電対を設けており、図6の場合は5枚の半導体基板(ウエハ)を上下に複数段状に載置し、その内の内側の3枚のウエハの各中心部に熱電対をそれぞれ設けている。各熱電対の測定温度はTCチャネル(ch)として記載されている。
ここで用いた半導体基板Wは直径が200mmのシリコン基板であり、28GHzの電磁波を投入した。また投入電力は、図5に示す場合は2kW、図6に示す場合は2kWである。図5に示す場合には、全体で2枚の半導体基板を加熱し、図6に示す場合には、全体で5枚の半導体基板を加熱している。また、図5に示す場合には処理容器4内のプロセス圧力を大気圧に設定した。図6に示す場合にも処理容器4内のプロセス圧力を大気圧に設定した。
まず、面内温度の均一性に関しては、図5に示すうに上記電磁波を略700secの間、印加してその時の半導体基板の各部の温度を測定した。この結果、電磁波の印加開始から200sec程度経過した時に各部分の温度は略500度程度に達し、その後、400sec程度の間は電磁波を印加し続けても各部分の温度はそれ程上がらずに525〜550℃程度の範囲内に入っている。従って、半導体基板の面内温度は525〜550℃程度の範囲内に入っているので、面内温度の均一性を比較的高く維持できることを確認することができた。
次に、面間温度の均一性に関しては、図6に示すように、上記電磁波を略600secの間、印加してその時の3枚の各半導体基板の中心部の温度を測定した。この結果、各半導体基板の温度は、それ程温度差を生ずることなく略同じ温度で650℃前後まで加熱されており、温度が600℃よりも高いところで半導体基板間の温度差は最大でも僅か20℃程度である。従って、半導体基板の面間温度の均一性を比較的高く維持できることを確認することができた。
<第3実施形態>
次に本発明の第3実施形態について説明する。先の第1及び第2実施形態においては、処理容器4を重力方向に沿うように設置したが、これに限定されず、その長さ方向を水平方向に沿って設置して横型の処理装置としてもよい。図7はこのような本発明に係る処理装置の第3実施形態を示す構成図、図8は保持手段を示す断面図である。尚、図1乃至図4に示す構成部分と同一構成部分については、同一参照符号を付して、その説明を省略する。
図7に示すように、ここでは金属製の処理容器4は、その長さ方向を水平方向に沿って設置することにより横置型に設定されている。そして、この処理容器4の天井部側の側面の長さ方向の略中央部に、電磁波導入口8及び透過板12を気密に設けている。そして、この透過板12の外側に入射アンテナ部18等を有する電磁波供給手段14を設けている。
またこの処理容器4の天井部側の壁面に、その長さ方向の両端側にガス導入口24をそれぞれ設け、このガス導入口24にガス導入手段22のガス通路26を接続して必要なガスを処理容器4内へ供給できるようになっている。また処理容器4の長さ方向の一端に排気口34を設け、この排気口34に排気手段32の排気通路36を接続している。この場合にも、処理時のプロセス圧力に応じて処理容器4内を真空雰囲気、或いは大気圧雰囲気に設定できるようになっている。
また被処理体である半導体基板Wを保持する石英製の保持手段42は、処理容器4内に水平方向に沿って収容されており、図1中の天板44と底板46とがそれぞれ端板44A、46Aとなって、両端板44A、46A間に図8にも示すように4本の支柱48A〜48Dが掛け渡されている。そして、上記各支柱48A〜48Dに所定のピッチで形成した段部状の支持溝50によって半導体基板Wを立てた状態でこの周辺部を支持するようになっている。この保持手段42の構造は単に一例を示したに過ぎず、この構造に限定されないのは勿論である。
また、この保持手段42の全体は基台100上に設置されており、この基台100には、搬入・搬出手段62としてスライダー106が設けられて、後述するように処理容器4の底部に沿ってこの基台100を例えばスライド移動できるようになっている。また、上記処理容器4の長さ方向の他端に搬出入口6を設けており、この搬出入口6に開閉蓋52としてゲートバルブ102を取り付けて、気密に開閉できるようになっている。
そして、このゲートバルブ102に連結させてローダ室68を区画する筒体状の区画壁70が設けられており、このローダ室68の他端部には、開閉ドアとして大気側に開放される外側のゲートバルブ104が設けられている。そして、上記スライダー106を有する基台100は、図示しない駆動機構により上記処理容器4内とローダ室68内を往復移動できるようになっているのみならず、上記外側のゲートバルブ104を開いた状態でローダ室68の外側へもスライド移動できるようになっている。
また、このローダ室68を区画する区画壁70の天井部にはガス入口78が設けられ、このガス入口78に、途中に開閉弁80が介設されたガス通路82を接続して、ローダ室68内へ不活性ガス等を供給できるようになっている。またこの区画壁70の底部にはガス出口84が設けられ、このガス出口84には、途中に開閉弁88及び排気ユニット90を介設した排気通路86が接続されて、ローダ室68内の雰囲気を排気できるようになっている。この場合にも、ローダ室68内を常に大気圧程度に維持する場合には、上記排気ユニット90として送風ファンを用いればよく、また、ローダ室68内を真空雰囲気と大気圧雰囲気とに選択的に設定できるようにしてロードロック機能を持たせる場合には、上記排気ユニット90として真空ポンプを用いればよい。
このように構成された第3実施形態の動作は、基本的には先の第1及び第2実施形態と同じであり、第1及び第2実施形態の場合と同様な作用効果を発揮することができる。具体的には、保持手段42に対して未処理の半導体基板Wを移載したり、逆に処理済みの半導体基板Wを保持手段42から移載する場合には、ローダ室68を密閉する外側のゲートバルブ104を開状態にして、保持手段42を載置している基台100を、この開状態のゲートバルブ104を通過させてローダ室68の外側(図4中の右側方向)へスライド移動させた状態で、図示しない搬送アームを用いて上記各移載を行う。
そして、未処理の半導体基板Wを処理する場合には、この未処理の半導体基Wが支持されている保持手段42を載せた基台100を、まずローダ室68内へスライド移動させて外側のゲートバルブ104を閉じることにより、ローダ室68内を密閉する。ここで処理容器4内での処理時のプロセス圧力が略大気圧雰囲気の場合には、圧力調整することなく、ローダ室68と処理容器4との間を遮断しているゲートバルブ102(開閉蓋52)を更に開状態にして上記基台100を更に処理容器4内へスライド移動させる。そして、このゲートバルブ102を閉じて処理容器4内を密閉状態にした後に、先に説明したように電磁波を用いたアニール処理等を大気圧雰囲気中で行う。
これに対して、処理容器4内での処理時のプロセス圧力が真空雰囲気の場合には、ローダ室68内の圧力を大気圧雰囲気から真空雰囲気に減圧し、予め真空雰囲気になされている処理容器4内と略同じ圧力に設定する。そして、ローダ室68内と処理容器4内の圧力が略同じになったならば、両者を遮断するゲートバルブ102を開状態にしてローダ室68内の上記基台100を更に処理容器4内へスライド移動させる。そして、このゲートバルブ102を閉じて処理容器4内を密閉状態にした後に、先に説明したように電磁波を用いたアニール処理等を真空雰囲気中で行う。
そして、処理が完了したならば、前述した場合とは逆の手順を経て、処理済みの半導体基板Wを保持している基台100を真空状態に維持されているローダ室68側へスライド移動し、ゲートバルブ102を閉じる。そして、このローダ室68内を大気圧復帰させた後に、前述したように外側のゲートバルブ104を開いて移載のために基台100をローダ室68の外側へ更にスライド移動させることになる。
以上のように、この第3実施形態の場合にも、先の第1及び第2実施形態と同様な作用効果を発揮することができる。また、この第3実施形態では、プロセス圧力が真空雰囲気の場合には、処理容器4内の圧力を常に真空雰囲気に維持し、ローダ室68内を真空雰囲気と大気圧雰囲気とに交互に設定するようにしてロードロック機能を持たせた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ローダ室68内を常に大気圧に維持し、半導体基板Wを処理容器4に対してロード及びアンロードする時に処理容器4内を大気圧雰囲気に復帰させ、プロセス時に処理容器4内を真空引きして真空雰囲気中で処理を行うようにしてもよい。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態について説明する。先の第1〜第3実施形態においては、処理容器4内には直接的に半導体基板が晒された状態で収容されるように構成したが、これに限定されず、処理容器4からの金属汚染等を防止するためにこの処理容器4内に、上記半導体基板を更に収容して囲むための内側処理容器を設けるようにし、いわば2重管構造としてもよい。
図9はこのような本発明に係る処理装置の第4実施形態の一部を示す構成図、図10は第4実施形態の内側開閉蓋の部分を示す部分拡大断面図である。尚、図9中において、図1、図4及び図5に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して、その説明を省略する。上述したように、この第4実施形態では、処理容器4内に、更に内側処理容器110を設けて両者が同心円状に配置された2重管構造になされている。
具体的には、この内側処理容器110は、有天井の円筒体状に成形されており、その一端、すなわちここでは下端が開口されている。この内側処理容器110の全体は、電磁波を透過する材料、例えば石英等の透過板12と同じ材料により形成されている。そして、上記処理容器4の下部側壁には、例えば円形リング状に形成された支持台112が取り付け固定されており、この支持台112上に、上記円筒体状の内側処理容器110の下端部を当接させて内側処理容器110の全体を支持するようになっている。この支持台112は、処理容器4と同じ金属よりなり、処理容器4の内壁に溶接等により固定されている。
また、この円形リング状の支持台112には、これを上下方向へ貫通する複数の通気孔114が形成されており、この支持台112の下方側の空間と、上記処理容器4と内側処理容器110との間の空間とを連通するようになっている。そして、上記保持手段42が上昇された際に、この保持手段42を上記内側処理容器110内へ収容して、これを囲むことができるようになっている。
そして、ここでは上記内側処理容器110の下端の開口を閉じるための内側開閉蓋116が上記開閉蓋52と一体的に取り付けられている。具体的には、上記開閉蓋52の中心部には、中空円筒状の連結軸118が取り付け固定されており、この連結軸118の上端部に円板状の上記内側開閉蓋116が取り付け固定されている。
そして、保持手段42が上昇した時に、上記円板状の内側開閉蓋116の周辺部の上面が上記リング状の支持台112の内側の下面と接触して、上記内側処理容器110内を密閉するようになっている。この場合、内側処理容器110内にガスを迅速に供給するためには、処理容器4の側壁に2つあるガス導入口24の内の下側に位置するガス導入口24の取り付け位置を、上記支持台112の下方に位置させるのが好ましい。
そして、上記中空円筒状の連結軸118内へ上記回転軸58が挿通されると共に、この回転軸58は、磁性流体シール56により上記連結軸118に回転自在に支持されており、上記処理容器4内の気密性を維持しつつ上記回転軸58の回転を許容するようになっている。
このように構成された第4実施形態では、保持手段42を上昇させてシリコン基板よりなる半導体基板Wを内側処理容器110内へロードすると、この内側処理容器110の下端の開口は、上記内側開閉蓋116により閉じられた状態となる。すなわち半導体基板Wの全体は、内側処理容器110によって密閉状態で覆われた状態となる。そして、この状態で電磁波を印加すると、この電磁波は透過板12及び内側処理容器110を透過して内部の半導体基板Wに至って前述したと同様にこの半導体基板Wを加熱して熱処理が行われることになり、第1〜第3実施形態と同様な作用効果を生ずることになる。
更に、この第4実施形態にあっては、半導体基板Wが石英等よりなる内側処理容器110により覆われているので、その外側に位置する金属製の処理容器4から金属汚染が生ずる危惧があっても、この金属汚染が発生することを確実に防止することができ、更には、輻射による伝熱を抑制することができる。
また、上記内側処理容器110内は非常に狭くなされているので、内部で気体の対流が生じ難くなり、対流による伝熱も抑制することができ、従って、上記輻射による伝熱の抑制と相まって、加熱効率を大幅に向上させることが可能となる。特に、上記熱処理を大気圧、或いはそれに近い圧力下で行う場合には、上記対流による伝熱の抑制効果を非常に大きくすることができる。また、ここでは第4実施形態の内側処理容器110を先の第1実施形態に適用した場合を例にとって説明したが、この第4実施形態は第2及び第3実施形態にも適用することができる。
尚、以上の各実施形態では半導体基板としてシリコン基板を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、化合物半導体基板を用いることができる。この化合物半導体基板としては、GaAs、InGaAs、Al 、SiC、GaN、AlN、ZnOよりなる群より選択される1の基板を用いる。また、ここでは半導体基板に対する処理としてアニール処理を行う場合について説明したが、これに限定されず、成膜処理、熱拡散処理等を行うことができる。
本発明に係る処理装置の第1実施形態を示す断面構成図である。 保持手段である基板ボートを示す断面図である。 電磁波加熱における吸収エネルギー密度指数の周波数特性を示すグラフである。 本発明に係る処理装置の第2実施形態の一部を示す断面構成図である。 半導体基板の面内温度の均一性を示すグラフである。 半導体基板の面間温度の均一性を示すグラフである。 本発明に係る処理装置の第3実施形態を示す構成図である。 保持手段を示す断面図である。 本発明に係る処理装置の第4実施形態の一部を示す構成図である。 第4実施形態の内側開閉蓋の部分を示す部分拡大断面図である。
符号の説明
2 処理装置
4 処理容器
6 搬出入口
8 電磁波導入口
12 透過板
14 電磁波供給手段
16 電磁波発生源
18 入射アンテナ部
20 導波路
22 ガス導入手段
24 ガス導入口
30 流量制御器
32 排気手段
38 圧力制御部
40 真空ポンプ
42 保持手段
52 開閉蓋
62 搬入・搬出手段
64 昇降エレベータ
68 ローダ室
110 内側処理容器
116 内側開閉蓋
W 半導体基板(被処理体)

Claims (12)

  1. 被処理体に対して電磁波を用いて熱処理を施すようにした処理装置において、
    所定の長さを有して垂直方向に沿って設置され、一端に前記電磁波を通す電磁波導入口が形成されると共に他端に搬出入口が形成されて内面が鏡面仕上げされている金属製の処理容器と、
    前記電磁波導入口に設けられて前記電磁波を透過する材料よりなる透過板と、
    前記搬出入口に設けられると共に内面が鏡面仕上げされている開閉蓋と、
    前記搬出入口より前記処理容器内へ搬出入され、複数枚の前記被処理体を所定の間隔を隔てて保持すると共に前記電磁波を透過する材料よりなる保持手段と、
    前記処理容器内へ電磁波を導入する電磁波供給手段と、
    前記処理容器内へ必要なガスを導入するガス導入手段と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気する排気手段と、
    前記処理容器の搬出入口側に連結して設けられて前記処理容器内に対して前記保持手段を搬入又は搬出させる搬入・搬出手段を有するローダ室と、
    を備えたことを特徴とする処理装置。
  2. 前記処理容器の上部側壁と下部側壁とに前記ガス導入手段に接続されるガス導入口が設けられ、前記処理容器の高さ方向の中央部に前記排気手段に接続される排気口が設けられることを特徴とする請求項1記載の処理装置。
  3. 前記電磁波供給手段は、
    前記電磁波を発生する電磁波発生源と、
    前記透過板に設けられた入射アンテナ部と、
    前記電磁波発生源と前記入射アンテナ部とを連絡する導波路と、
    を有することを特徴とする請求項1又は2記載の処理装置。
  4. 前記電磁波発生源が発生する電磁波の周波数は、10MHz〜10THzの範囲内であることを特徴とする請求項3記載の処理装置。
  5. 前記ローダ室は、大気圧雰囲気になされていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載の処理装置。
  6. 前記ローダ室は、真空雰囲気と大気圧雰囲気とを選択的に実現できるようになされていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載の処理装置。
  7. 被処理体に対して電磁波を用いて熱処理を施すようにした処理装置において、
    所定の長さを有して垂直方向に沿って設置され、一端に前記電磁波を通す電磁波導入口が形成されると共に他端に搬出入口が形成されて内面が鏡面仕上げされている金属製の処理容器と、
    前記電磁波導入口に設けられて前記電磁波を透過する材料よりなる透過板と、
    前記搬出入口に設けられると共に内面が鏡面仕上げされている開閉蓋と、
    前記処理容器内に全体が収容された状態で支持され、前記電磁波を透過する材料により有天井の円筒体状に成形されると共に下端が開口されて内部に前記被処理体を収容する内側処理容器と、
    前記搬出入口及び前記内側処理容器の開口を介して前記内側処理容器内へ搬出入され、複数枚の前記被処理体を所定の間隔を隔てて保持すると共に前記電磁波を透過する材料よりなる保持手段と、
    前記処理容器内及び前記内側処理容器内へ電磁波を導入する電磁波供給手段と、
    前記開閉蓋に一体的に形成されており、前記保持手段を前記内側処理容器内へ収容した際に前記内側処理容器の前記開口を閉じる内側開閉蓋と、
    を備えたことを特徴とする処理装置。
  8. 前記電磁波供給手段は、
    前記電磁波を発生する電磁波発生源と、
    前記透過板に設けられた入射アンテナ部と、
    前記電磁波発生源と前記入射アンテナ部とを連絡する導波路と、
    を有することを特徴とする請求項7記載の処理装置。
  9. 前記電磁波発生源が発生する電磁波の周波数は、10MHz〜10THzの範囲内であることを特徴とする請求項8記載の処理装置。
  10. 前記処理容器の搬出入口側には、前記内側処理容器内に対して前記保持手段を搬入又は搬出させる搬入・搬出手段を有するローダ室が連結して設けられていることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか一項に記載の処理装置。
  11. 前記ローダ室は、大気圧雰囲気になされていることを特徴とする請求項10記載の処理装置。
  12. 前記ローダ室は、真空雰囲気と大気圧雰囲気とを選択的に実現できるようになされていることを特徴とする請求項10記載の処理装置。
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