JP5568387B2

JP5568387B2 - 加熱装置及び基板処理方法並びに基板処理装置

Info

Publication number: JP5568387B2
Application number: JP2010141420A
Authority: JP
Inventors: 晃林田; 公男北村; 純塚田; 淳一西原
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Teitokusha Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Teitokusha Co Ltd
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-06-22
Also published as: JP2012009484A

Description

本発明は、加熱装置、特に、半導体製造における被処理基板を処理室に収容して発熱体により加熱した状態で処理を施す熱処理用の加熱装置及び基板処理方法に関する。さらに詳しくは、筒状の側壁内に基板を処理する処理室を設け、この側壁に支持されると共に前記基板を加熱する発熱体を備えた加熱装置及び基板処理方法に関する。

従来、上述の如き加熱装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この加熱装置は、インナシェル、アウタシェル及び化粧パネルからなる３層の金属製の側壁が配置されている。しかし、この加熱装置には、断熱材が設けられていないため、断熱効果が低く、熱効率に問題があった。

また、特許文献２には、図７に示すように、アウタ断熱材５０１及びインナ断熱材５０２を備えた加熱装置５００が記載されている。しかし、発熱体５０３は、インナ断熱材５０２に隣接して設けられる。よって、インナ断熱材５０２からの熱輻射によりオーバーシュートが発生し、昇温時、早めのパワーオフでは昇温に時間がかかりすぎていた。

しかも、インナ断熱材５０２の熱容量が大きく、稼働時には加熱されている。空間５０６を通る冷気媒体はこのインナ断熱材５０２によって加熱され、熱風としてガス吹出口５０７を通り、熱風として反応管５０５を内蔵する均熱管５０４に吹き付ける。このように熱風を用いざるを得ず、冷却時間のかかる場合があった。

特開２００９−０３３１１７号公報特開２００５−２１７３３５号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、加熱装置全体としての断熱性を維持しながら、昇温時、温度安定時間の短縮と急冷時間の短縮を図る加熱装置及び基板処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加熱装置の特徴は、筒状の側壁内に基板を処理する処理室を設け、この側壁に支持されると共に前記基板を加熱する発熱体を備えた構造において、側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、前記発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されていることにある。

上記本発明に係る加熱装置の特徴によれば、加熱装置全体としての断熱性を維持しながら、昇温時、温度安定時間の短縮と急冷時間の短縮を図ることができる。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明における加熱装置の概略を示す縦断面図である。図１の天井部近傍における横断面図である。図１におけるＡ部拡大図である。図２におけるＢ部拡大図である。図１におけるＣ部拡大図である。本発明の第二実施形態における図３相当図である。従来の加熱装置を用いた処理炉の概略断面図である。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１〜５に示すように、基板処理装置１は、大略、処理室３０８を形成する反応容器３０９と、この反応容器の外周に配置された加熱装置３と、主制御装置４とを備えている。

加熱装置３は、大略、天井部１０、円筒状の中間部１１、下部１２及び端子ケース１３を有し、中間部１１には発熱体２０が支持されている。天井部１０には下面と側面に開口するエルボ状の排気導路８１が形成され、さらにその下部に反射装置９０を有している。中間部１１は、発熱体２０を支持するインナシェル５０を絶縁状態でアウタシェル６０により包囲し、さらに外周を化粧パネル７０で包囲している。インナシェル５０、アウタシェル６０及び化粧パネル７０は導電性の材料から構成されており、例えば、ステンレス材等の金属薄板から構成されている。

中間部１１の上部と吸気アタッチメント７ｘとの間には冷却ガス導入ダクト７ｙが取り付けられる。吸気アタッチメント７ｘの開口には開閉バルブ７ａとして例えばバタフライバルブが装着され、流路が開閉できるようになっている。吸気アタッチメント７ｘは冷却ガス供給ライン７に接続される。インナシェル５０及びアウタシェル６０の間に円筒状の第一の空間Ｓ１としての冷却媒体流通通路１４が形成される。冷却ガス導入ダクト７ｙは環状に略均等に配置された複数のパイプ６１により気道１４と連通している。一方、排気導路８１には強制排気を行う排気ブロア８ａを備えた強制排気ライン８が接続され、加熱装置３の内部空間である加熱空間の強制排気が行われる。そして、冷却ガス供給ライン７から導入された空気若しくは不活性ガス等のガスは気道１４及び後述の複数の碍子孔から加熱空間１８に冷却ガスとして供給され、強制排気ライン８から排気される。

反応容器３０９は、加熱空間１８に順次同心に配置される均熱管３１５及び反応管３１０を備え、この反応管３１０内に処理室３０８が形成される。この処理室３０８にはウェーハ３０５を水平多段に保持するボート３００が収納される。このボート３００は図示しないボートエレベータにより、処理室内３０８へ装入、引出し可能である。

反応管３１０内には反応ガス導入管５ｘ及び排気管６ｘが連通される。反応ガス導入管５ｘには流量制御器５ａが設けられ、排気管６ｘには圧力制御器６ａが設けられる。反応ガスが所定流量で導入されると共に前記反応管３１０内が所定圧力に維持される様に、排出口６ｙから内部ガスが排気され、排気管６ｘを通じて処理室外に排出される。

他の冷却ガス供給ライン５ｙは、均熱管３１５と反応管３１０との間に形成される均熱管内空間３１７に連通される。前記冷却ガス供給ライン５ｙには流量制御器５ｂが設けられる。また、吸気アタッチメント７ｘには開閉バルブ７ａが設けられる。強制排気ライン８には排気装置としての排気ブロア８ａが設けられる。すなわち、均熱管内空間３１７と加熱空間１８の双方に対して冷却ガスを適宜導入・調整することが可能である。

発熱体２０は中間部１１の円筒の軸心方向に対し、所要のゾーンＺ１〜Ｚ５に複数段に区分けされ、ゾーン制御が可能となっている。各ゾーンには各ゾーンの加熱温度を検出する温度検出器が設けられている。なお、発熱体２０は各ゾーンそれぞれの成形パターンを同じにすることにより、発熱量を各ゾーンとも均一にする様にしてもよい。

基板処理装置１の各部は主制御装置４によって制御され、例えば、反応管３１０内で処理されるウェーハ３０５の処理状態は、主制御装置４によって制御される。この主制御装置４は、温度モニタ部４ａ、加熱制御部（加熱制御装置）４ｂ、反射制御部４ｃ、第一流量制御部４ｄ、反応管３１０内の圧力を制御する圧力制御部４ｅ、第二流量制御部４ｆ、排気制御部４ｇ及び前記ボートエレベータ等の機構部を制御する駆動制御部４ｈを備えている。

温度モニタ部４ａは第一〜第三温度検出器ＴＣ１〜ＴＣ３の温度を検出する。ここで、第一温度検出器ＴＣ１は発熱体２０近傍で各ゾーンＺ１〜Ｚ５毎に設けられる。第二温度検出器ＴＣ２は反応管３１０内の周部における前記各ゾーンＺ１〜Ｚ５毎に設けられる。さらに、第３温度検出器ＴＣ３は反応管３１０より上方若しくは反応管３１０の上部中央を含む範囲に設けられている。

加熱制御部４ｂは、温度モニタ部４ａの検出結果に基づき各ゾーンＺ１〜Ｚ５の発熱体２０の発熱量を制御する。また、反射制御部４ｃは、温度モニタ部４ａの検出結果に基づき反射装置９０の駆動装置としてのアクチュエータ９９を制御する。そして、下面が鏡面仕上げされた反射体（リフレクタ）９１を適宜傾斜させて発熱体２０から反応管３１０の上部中央に対する集光度を変更し、同部分の温度制御を行う。

第一流量制御部４ｄは流量制御器５ａを制御し、圧力制御部４ｅは圧力制御器６ａを制御し、反応ガスの導入と圧力を制御する。また、第二流量制御部４ｆは流量制御器５ｂを制御し、排気制御部４ｇは開閉バルブ７ａ及び排気ブロア８ａを制御し、冷却ガスの導入と排出とを制御する。

図３に図１中のＡ部の拡大図を示す。電気抵抗発熱体（ヒータ）２０は、アルミナ等の絶縁素材としての吊り碍子３０により側壁内層であるインナシェル５０に固定されている。前記発熱体２０には急速加熱が可能である発熱材料、例えばＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金が用いられ、発熱表面積が大きくなる様に、断面は平板形状等の形状が採用され、面状発熱体として構成されている。発熱体２０は上下に蛇行状の折返部２１，２２を有しており、中間部は上折返部２１と下折返部２２とをそれぞれ半ピッチずらして接続する素線部２３と、各素線部２３間に位置する隙間２４から構成されている。また、発熱体２０の上部は吊り碍子３０に保持される折曲部２０ａとして折り曲げ加工がなされている。インナシェル５０内面は鏡面仕上げされており、発熱体の素線部２３裏面から輻射される熱線を前記内面で反射させ、隙間２４から加熱空間１８に向かって放射する。

絶縁材料としての吊り碍子３０はアルミナ等の耐熱絶縁材料よりなる上碍子３１及び下碍子３２からなり、上金具３３と下金具３４で発熱体２０の上部における折曲部２０ａを挟んで、ピン３５で溶着固定されている。下金具３４は二カ所の折曲部においてボルト３６によりインナシェル５０に取り付けられる。

インナシェル５０には中央に貫通孔４０ａを有し気道１４内の冷却ガスをインナシェル５０内部に供給する複数の急冷パイプ４０がインナシェル５０の内壁から加熱空間１８側に向かって突出するように設けられている。急冷パイプ４０はアルミナ等の絶縁耐熱材料により形成されている。この急冷パイプ４０は、隙間２４において発熱体２０を貫通する貫通部４０ｄと、この貫通部４０ｄが発熱体２０を貫通する貫通方向Ｖに交差する方向にこの貫通部４０ｄよりも突出する突出部としての略円形の鍔４０ｂ、４０ｃにより発熱体２０の中腹の動きを制限する。すなわち、一対の鍔４０ｂ、４０ｃ間の貫通部４０ｄに溝を形成する。さらに発熱体２０の下端を下段の吊り碍子３０の上端位置に重なる位置に設け、発熱体２０の下端の急冷パイプ４０の貫通方向に対する動きを制限する。

インナシェル５０の裏面には水冷管５９が設けられている。この水冷管５９は、インナシェル５０の外面に軸心方向に螺旋状に巻き付けられて溶着される。例えば給・排水経路５９ａ，５９ｂを介して冷却水等の冷却媒体を流すことによりインナシェル５０の温度上昇を防ぎ、ほぼ一定に保つ。

インナシェル５０の外側には複数の接続碍子５１を介して絶縁状態でアウタシェル６０が取り付けられる。接続碍子５１は絶縁性と耐熱性を有するアルミナ材で製作されているため、不測に発熱体２０とインナシェル５０とが接触し、インナシェル５０に電流が伝わる等により例えば短絡しても、接続碍子５１により電流がアウタシェル６０に伝わることはない。

接続碍子５１の内側はインナシェル５０に対し第一のボルト５２で固定される。一方、接続碍子５１の外側はアウタシェル６０に対し絶縁耐熱材料としての環状中空状のカラー５３を介して第二のボルト５４で固定される。カラー５３はアウタシェルの取付孔を貫通して設けられ、アウタシェル６０の肉厚よりも厚く形成され、第二のボルト５４の頭部下面と接続碍子５１外面との間にクリアランス（隙間）を設けている。インナシェル５０が熱膨張によって膨らんでも、その変形分をこのクリアランスにより吸収し、アウタシェル６０に熱応力が作用することを防ぎ、アウタシェル６０の変形を防止している。

側壁中層としてのアウタシェル６０のさらに外側には第二の空間Ｓ２を介して最外殻である側壁外層としての化粧パネル７０が設けられている。この第二の空間Ｓ２には、フランジを有する柱６２を介してアウタシェル６０と、例えば金属製のリべット６２ａにより固定アウタシェル６０の上部には円筒状の前記気道１４に連通する開口６１ａが設けられ、この開口６１ａにパイプ６１の一端が溶接される。パイプ６１は化粧パネル７０を貫通し、その他端が冷却ガス導入ダクト７ｙに連通している。

さらに、この第二の空間Ｓ２には断熱材６３が封入されている。断熱材６３として、例えば、断熱ブランケットが用いられる。これにより、加熱装置３全体としての断熱性が、特許文献１の場合よりも向上し熱効率が上昇する。しかも、処理室３０８に近いインナシェル５０は断熱材を有していないため、加熱装置３全体としての断熱性も向上する。また、断熱材６３は、気道１４及び／又は水冷管５９を隔てて位置しているので、発熱体２０の発熱でも加熱され難い。よって、第二の空間Ｓ２に封入された断熱材６３からの熱輻射も少なく、オーバーシュートが少なくて済むため、昇温安定時間の短縮に繋がる。なお、フランジを有する柱６２とアウタシェル６０とで囲まれる部分の隙間６４には、断熱材を封入していない。しかし、アウタシェル６０の全周に断熱材を封入しなくても上記効果を奏する。

図３に示すように、インナシェル５０は上下に複数分割されている。分割された上側のシェルとこれに隣接する下側のシェルとの間には隙間５０ｓが設けられている。そして、インナシェル５０のうち上側のシェルである上側シェルに設けられた第一フランジ５０ｔと下側シェルの水冷管５９との間にセラミックファイバー等の断熱部材よりなる断熱ブランケット５０ａを介在させ、隙間５０ｓからの熱逃げを防ぎ、熱的に上下のシェルを分断している。

次に、上記基板処理装置１の動作について説明する。
ウェーハ３０５の処理は、このウェーハ３０５が装填された前記ボート３００がボートエレベータにより前記反応管３１０に装入され、前記加熱装置３の加熱により所定温度迄急速加熱される。この加熱装置３により前記ウェーハ３０５を所定温度に加熱した状態で前記反応ガス導入管５ｘより反応ガスが導入され、前記排気管６ｘを介して排気ガスが排出され、前記ウェーハ３０５に所要の熱処理がなされる。

通常、前記ボート３００の装入前は所要の温度、例えば５５０℃に保温しておき、このボート３００が装入された後はウェーハ処理温度、例えば８５０℃迄昇温保持される。尚、装入前の温度、処理温度は基板処理装置での処理内容に応じて適切な温度が選択される。

前記発熱体２０の各段の発熱体２０は温度モニタ部４ａによって独立したゾーン毎に測定され、発熱体２０及び反射装置９０により温度制御される。各ゾーンの発熱体２０は連続した１つの発熱体であるので、この発熱体２０に異常があった場合、例えば断線があった場合も直ちに発見でき、各段の発熱体の劣化状態も容易に把握することができる。

処理が完了すると、ウェーハ出炉温度、例えば５５０℃迄急速冷却される。このウェーハ３０５処理後の冷却は、前記流量制御器５ａ及びエアバルブ７ａが開かれ、空気或は窒素ガス等不活性ガスが冷却ガスとして前記冷却ガス供給ライン５ｙ、７より供給される。前記冷却ガス供給ラインから供給された冷却ガスは急冷パイプ４０の貫通孔４０ａを通じて加熱空間１８に流入し、発熱体２０を外面、内面の両側から急速に冷却する。

円筒状の気道１４に導入される冷却ガスは、容積の大きな冷却ガス導入ダクト７ｙを経て分散されることで、気道１４に均一に冷却ガスが流入し、冷却むらの発生が防止される。その後、冷却ガスは、複数のパイプ６１、気道１４、複数の急冷パイプ４０を介して加熱空間１８に吹き込まれ、加熱空間１８を上昇して排気導路８１より排気される。インナシェル５０内面は加熱空間１８を上昇する冷却ガスにより冷却され、均熱管３１５及び反応管３１０は加熱空間１８及び均熱管内空間３１７を上昇する冷却ガスにより急速に冷却される。この冷却エアは、アウタシェル６０及び断熱材６３からの熱輻射を受ける影響が少ない。したがって、冷却エアは反応容器３０９に移動するまでに加熱されにくく、反応管３１０内のウェーハ３０５は急速冷却される。結果として、急冷時間を短縮することができる。発熱体２０にＦｅ−Ｃｒ−Ａｌやカーボン、ＳｉＣ等の発熱体を採用することで、急速加熱、高温加熱が可能となり、更に冷却ガスによる加熱装置３の冷却により急速冷却が可能となっている。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
上記実施形態において、インナシェル５０の裏面には、図３に示すように、水冷管５９が螺旋状に巻き付けられて溶着される。しかし、図６に示すように、水冷管５９を用いずに、断熱ブランケット５０ａを挟むように第一フランジ５０ｔを一対対向して設けてもよい。
また、本発明に係る基板処理装置として、基板を処理する処理室と、前記処理室を取囲む筒状の側壁に支持されると共に前記基板を加熱する発熱体と、を有し、側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、前記発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されている。
本発明に係る基板処理方法として、筒状の側壁内に基板を処理する処理室に基板が装填されたボートを挿入する工程と、側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されている、前記処理室の外周に配置された加熱装置で前記基板を加熱して熱処理する工程と、を有する。

上記熱処理は酸化処理や拡散処理及び拡散だけでなくイオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローおよびアニール処理等に限らず、成膜処理等の熱処理であってもよい。基板はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。バッチ式熱処理装置および枚葉式熱処理装置に限らず、ヒータユニットを備えた半導体製造装置全般に適用することができる。上記インナシェル５０及び反射体９１の鏡面仕上げ部は、ステンレス鋼の研磨により鏡面とする他、金、白金等の貴金属によるメッキを施しても構わない。

本発明は、例えば、半導体集積回路装置(半導体デバイス)が作り込まれる半導体ウエハに酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理などに使用される基板処理装置に利用することができる。本発明は、このような基板処理装置のうち、特に低温領域でプロセスに対して有効なものである。

1：基板処理装置，3：加熱装置，4：主制御装置，4a：温度モニタ部，4b：加熱制御部，4c：反射制御部，4d：第一流量制御部，4e：圧力制御部，4f：第二流量制御部，4g：排気制御部，4h：駆動制御部，5a：流量制御器，5b：流量制御器，5x：反応ガス導入管，5y：冷却ガス供給ライン，6a：圧力制御器，6x：反応ガス排気管，7：冷却ガス供給ライン，7a：開閉バルブ，7ｂ：急冷パイプ，７x：吸気アタッチメント，７y：冷却ガス導入ダクト，8：強制排気ライン，8a：排気ブロア，10：天井部，11：中間部，12：下部，13：端子ケース，14：気道（冷却媒体流通通路），18：加熱空間，20：発熱体，20a：折曲部，21：上折返部，22：下折返部，23：素線部，24：隙間，30：吊り碍子，31：上碍子，32：下碍子，33：上金具，34：下金具，34a：隙間，35：ピン，36：ボルト，40：急冷パイプ，40a：貫通孔，40b：鍔，40c：鍔，40d：貫通部，42：急冷パイプ，50：インナシェル（側壁内層），50s：隙間，51：シェルユニット，52：封止部材，53：固定部材，54：カラー，55a：開口（第一の開口），55b：箱（隔壁体），55c：鍔，55x：ねじ，58ａ：接続碍子，58b：第一のボルト，58c：カラー，58d：第二のボルト，60：アウタシェル（側壁中層），60x：第三フランジ，60y：断熱ブランケット，61：パイプ，61a：開口，62：柱，62a：リベット，63：断熱材，64：隙間，65：開口（第二の開口），65a：隙間，70：化粧パネル（側壁外層），71：ネジ，72a：底蓋，72b：コイルウケ，81：排気導路，81a：排気口，82：第一の開口，83：第二の開口，90：反射装置，91：反射体，91a：隙間，92：移動機構，93：シャフト，94：中央板，95：ボルト，99：アクチュエーター，100：取付構造，101：温度センサ（温度検出器），102：熱電対接点（温度検出体），103：保護管，103x：隙間，103y：隙間，104：碍子管，105：内鍔，106：外鍔，107：碍子，108：端子，109a：金属管，109b：止めねじ，111：第一パッキン，111a：孔，112：第二パッキン，112a：孔，120a〜c：ねじ，121：温度センサ（温度検出器），125：内鍔，126：外鍔，127：内箱，128：外箱，129：パッキン，131：温度センサ（温度検出器），132：温度センサ（温度検出器），133：保護管，135a〜ｃ：鍔，300：ボート，305：ウエハ，308：処理室，309：反応容器，310：反応管，315：均熱管，317：均熱管内空間，320：L型温度センサ（温度検出器），321：接点（温度検出体），322：接点（温度検出体），330：温度センサ（温度検出器），Z1〜Z5：ゾーン，Ｈ１〜Ｈ３：貫通孔，Ｒ：円弧方向，Ｓ１：第一の空間，Ｓ２：第二の空間，Ｖ：貫通方向

Claims

筒状の側壁内に基板を処理する処理室を設け、この側壁に支持されると共に前記基板を加熱する発熱体を備えた加熱装置であって、
側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、前記発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されている加熱装置。
筒状の側壁内に基板を処理する処理室に基板が装填されたボートを挿入する工程と、
側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されている、前記処理室の外周に配置された加熱装置で前記基板を加熱して熱処理する工程と、
を有する基板処理方法。
基板を処理する処理室と、
前記処理室を取囲む筒状の側壁に支持されると共に前記基板を加熱する発熱体と、を有し、
側壁内層、側壁中層及び側壁外層で区切られた二つの空間が形成され、前記発熱体を取り付ける前記側壁内層と前記側壁中層との間の第一の空間には冷却媒体流通通路が形成され、前記側壁中層と前記側壁外層との間の第二の空間には断熱材が封入されている基板処理装置。