JP5830905B2

JP5830905B2 - 熱処理装置

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Publication number: JP5830905B2
Application number: JP2011084173A
Authority: JP
Inventors: 谷口　真司; 真司谷口
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012222056A

Description

この発明は、ヒータランプを用いた熱処理装置に関し、特に、ワーク（半導体ウエハ）に対して複数のヒータランプを並列配置させた熱処理装置に係わる。

一般にヒータランプを使った熱処理装置は、半導体基板やガラス基板などの表面を短時間、かつ均一に熱処理することが求められる。たとえば、シリコン結晶にＰ型やＮ型の不純物をドーピングするイオン注入においては、注入に際し、もとの結晶が壊れてしまうという問題があり、この壊れた結晶を元に戻すために、高温アニールという方法が存在する。これは乱れたシリコン原子を加熱することで元の状態に戻すものであるが、あまり長く高温にさらすと、イオン注入で打ち込んだ分布が崩れて表面から深く拡散してしまうため、反応開始温度に到達後は瞬時に加熱を停止させる必要がある。
このようなヒータランプを用いた熱処理装置では、従来から、複数の棒状ヒータランプをワークに対して近接対向して並列に配置させている。しかしながら、単純にランプを並べて点灯させるだけでは、ワーク周辺領域はワーク中央領域に比べて加熱性が劣るため、ワーク表面において温度ムラが生じるという問題があった。

このような問題を解決するために、従来、ワーク周辺を照射する周辺ランプのパワーをワーク中央に照射する中央ランプのパワーよりも大きくして、ワーク周辺をワーク中央に対して強く加熱することで、結果として、ワーク表面全域を均一に加熱するという方法が用いられていた。また、別の方法として、例えば、特開２０００−５８４７０号公報（特許文献１）などのように、ワーク周辺に、例えばガードリングなど特別な保温部材を設けて、ワーク周辺から熱が逃げないようにして温度が低下することを防止する方法も存在していた。
しかしながら、前者の方法では、ワーク周辺とワーク中央の微妙な温度コントロールが容易ではなく、制御機構や制御プロセスが複雑になるという問題があった。また、後者の方法では余計な部材が必要になるなど、装置のコスト高、装置の大型化という問題があった。

特開２０００−５８４７０号公報

この発明が解決しようとする課題は、複数の同一構造の棒状ヒータランプが並列配置されるとともに、該ヒータランプを同一の定格電力で点灯制御する制御部を備えた熱処理装置において、余計な部材を使うことなく、簡単な制御によって、ワーク表面を均一加熱できるようにすることである。

上記課題を解決するために、この発明に係る熱処理装置は、前記複数のヒータランプを、中央ランプ群と、その両側に配置された端部ランプ群とに区分けし、前記制御部は、前記中央ランプ群を構成するヒータランプの点灯時間を、前記端部ランプ群を構成するヒータランプの点灯時間よりも短くするとともに、前記端部ランプ群を点灯した後に、前記中央ランプ群を点灯して、前記端部ランプ群に対応した照射領域と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の、反応開始温度以上の温度領域にいる反応時間帯の差が、前記端部ランプ群と前記中央ランプ群を同時点灯し、かつ同一点灯時間としたときの差よりも小さくなるように、制御することを特徴とする。
また、前記端部ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔｂ）と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔａ）が、同じタイミングで反応開始温度（Ｔｓ）に到達するように制御されていることを特徴とする。
また、前記端部ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔｂ）と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔａ）が、反応開始温度（Ｔｓ）以上の所定の最高温度（Ｔｈ）に、同じタイミングで到達するように制御されていることを特徴とする。
また、前記ヒータランプは、並列配置された第１のヒータランプ群と、該第１のヒータランプ群と直交する方向に並列配置された第２のヒータランプ群が、井桁状に重ねて配置されていることを特徴とする。

この発明の熱処理装置によれば、まず、端部ランプ群を構成するヒータランプを先に点灯させて、その後に中央ランプ群を点灯させることにより、昇温速度の遅いワーク周辺に対応したヒータランプを先に点灯させ、昇温速度の速いワーク中央に対応したヒータランプを後に点灯させることになるので、目的とするワークの熱処理が始まる所定の反応開始温度以上の温度領域にある反応時間帯をワーク表面全領域でほぼ一致させることができて、その処理が均一になされるという効果を奏する。

本発明の熱処理装置の上面図図１の横断面図本発明の熱処理装置おける第１の点灯パターンの制御説明図第２の点灯パターンの制御説明図従来例の点灯パターンの制御説明図本発明の他の実施例の説明図

図１は本発明の熱処理装置１の全体上面図で、複数の棒状のヒータランプ２、２が、ワークＷの上方でこれと対向するように並列配置されている。各ヒータランプ２は、石英ガラスなどの光透過性材料からなる発光管３内部にフィラメント４を有するフィラメントランプである。
この発光管３内部には、臭素などのハロゲンガスが封入されており、いわゆるハロゲンサイクルを行っている。このヒータランプ２の数値例をあげると、長さ３００ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、定格電力２０００Ｗである。
これら複数のヒータランプ２、２は、ワークＷの中央部に対応する中央ランプ群Ａと、該中央ランプ群Ａの両側に配置されて、ワークＷの両端部に対応する端部ランプ群Ｂとに区分される。
この実施例では、複数のヒータランプ２、２のうち、中央部に位置する５本が中央ランプ群Ａを構成し、その両側に位置する２本ずつが端部ランプ群Ｂを構成しているが、これに限られず、ワークＷの大きさとヒータランプ２の本数によって、その区分けは適宜な本数ずつに区分けされる。

図２に示されるように、ヒータランプ２、２の上方には反射鏡５が設けられ、前記ヒータランプ２、２は制御部６によって点灯制御される。そして、ヒータランプ２の下方にはステージ７上に載置された例えば、半導体ウエハなどのワークＷが対向して配置されていて、該ステージ７には温度センサーが取り付けられており、制御部６にフィードバックされる。

上記ランプ群Ａ、Ｂに属する各ヒータランプ２、２は制御部６によって図３、４に示すように、点灯を制御される。図３は、本発明の第１の点灯パターンを示し、図４は、第２の点灯パターンを示し、図３、４の縦軸はワークＷの表面温度（℃）を表し、横軸は時間（秒）を表す。
また、図５は従来例の点灯パターンであって、まず当該従来例の点灯パターンを説明する。すべてのランプが同時に点灯を開始し、温度が上昇していくが、ワークの端部領域では、その昇温速度（Ｔｂ）は、中央部領域の昇温速度（Ｔａ）よりも遅いため、ワークが熱反応する反応開始温度（Ｔｓ）に到達する時間（Ｔ１）、（Ｔ２）に差ができる。
そして、その後所定の時間経過後にランプを同時に消灯すると、ワークの温度は降下していくが、反応開始温度（Ｔｓ）まで降下する時間にも大きな開きができ、その結果、ワークの中央部領域と端部領域が反応開始温度（Ｔｓ）以上の温度領域にある反応時間帯（Δｔａ）、反応開始温度（Δｔｂ）に大きな差ができてしまう。
上記反応開始温度や反応時間は、ワークの材質や求める処理によって決定されるものであるが、端部領域側の時間（Δｔｂ）に合わせて点灯パターンを設定すると、中央部領域の時間（Δｔａ）が長すぎて、中央部領域の反応に前述のような不具合が生じるし、中央部領域側の反応時間（Δｔａ）に合わせて設定すると、端部領域の反応時間（Δｔｂ）の時間が短すぎて反応が十分に行われず、その結果、ワークの全表面での反応にむらが生じるという不具合が生じる。

これに対して本発明では、図３、図４に示すように、点灯開始時間を調整して、ワーク中央部領域と端部領域が反応開始温度以上の温度領域にいる反応時間帯をほぼ一致させるようにしている。
図３は、ワークの中央部領域が反応開始温度（Ｔｓ）に到達する時間（ｔ３）と、端部領域が到達する時間（ｔ５）とが一致するように点灯を制御するものである。すなわち、先ず、端部ランプ群Ｂが時間（ｔ１）に点灯され、それより、時間（Δｔ１）経過後に、中央ランプ群Ａが点灯される。
これらランプ群Ａ、Ｂの点灯により、ワークの中央領域と端部領域はそれぞれ昇温していくが、その昇温速度（Ｔａ）（Ｔｂ）には差があり、それぞれ時間（ｔ３）と時間（ｔ５）に反応開始温度（Ｔｓ）に到達する。そして、これらの時間（ｔ３）と（ｔ５）とが一致するように、前記点灯開始時間（ｔ１）、（ｔ２）が調整制御される。

そして、中央ランプ群Ａと端部ランプ群Ｂは、それぞれ所定の時間（数秒）経過後に消灯される。
この間、ワークの中央部領域および端部領域の温度は所定の最高温度（Ｔｈ）に到達した後に、ランプが消灯されて下降して、それぞれ、時間（ｔ４）および時間（ｔ６）において反応開始温度（Ｔｓ）に至る。
この反応開始温度（Ｔｓ）以上の温度領域にある時間帯（Δｔａ）、（Δｔｂ）が反応時間である。

また、図４は、ワークの中央部領域と端部領域の温度が、反応開始温度（Ｔｓ）以上の所定の最高温度（Ｔｈ）に同時に到達するように制御するものである。
先ず、端部ランプ群Ｂが時間（ｔ１）に点灯され、それより、時間（Δｔ１）経過後に、中央ランプ群Ａが点灯される。
これらランプ群Ａ、Ｂの点灯により、ワークの中央部領域と端部領域はそれぞれ昇温していくが、その昇温速度（Ｔａ）（Ｔｂ）には差があり、それぞれ時間（ｔ３）と時間（ｔ５）に反応開始温度（Ｔｓ）に到達する。この時点では両領域の反応開始温度（Ｔｓ）への到達時間には若干の差があるが、両領域は更に昇温していき、最高温度（Ｔｈ）にほぼ同じタイミングで到達する。この最高温度到達時間（ｔ７）が一致するように、前記点灯開始時間（ｔ１）、（ｔ２）が調整制御される。
その時点で、ランプは消灯されてワーク温度は下降していき、それぞれ反応開始温度（Ｔｓ）まで降温するが、この反応開始温度（Ｔｓ）以上の温度領域にある時間帯（Δｔａ）、（Δｔｂ）が反応時間である。

上記いずれの点灯パターンにおいても、中央ランプ群Ａと端部ランプ群Ｂの点灯開始時間をずらせ、昇温速度の遅いワークの端部領域に対応する端部ランプ群Ｂを先に点灯させ、所定時間経過後にワークの中央部領域に対応する中央ランプ群を点灯させるので、両領域が反応開始温度以上の温度領域にある時間帯をほぼ一致させることができて、従来例との比較において、ワーク表面での温度均一性を格段に向上させることができる。
なお、熱反応時間帯を一致させるという表記は、厳密な意味で一致させることを意味するものではなく、ワークの全表面での熱処理に実用上むらが生じないように、従来例との比較においてワークの中央部領域と端部領域が反応開始温度以上の温度領域にいる時間帯がほぼ一致していればよいものである。

このように、本発明は、同一のヒータランプを並列配置した熱処理装置において、ワークのうち昇温速度の遅い端部領域に対応する端部ランプ群を先に点灯して、その後に昇温速度の速い中央部領域に対応する中央ランプ群を点灯するとともに、ワークのうち昇温速度の速い中央部領域に対応する中央ランプ群の点灯時間を、昇温速度の遅い端部領域に対応する端部ランプ群の点灯時間よりも短くするとともに、端部ランプ群を先に点灯して、その後に、中央ランプ群を点灯することによって、端部領域と、中央部領域の、反応開始温度以上の温度領域にいる反応時間帯の差を、前記端部ランプ群と前記中央ランプ群を同時点灯し、かつ同一点灯時間とした、図５に示す従来例における差よりも小さくすることができて、両者をほぼ一致させることで、ワークの全表面領域で反応開始温度以上の温度領域にいる熱反応時間帯をほぼ同じにすることができるので、その表面での熱反応処理が全領域で均一になされるものである。

図６は本発明の他の実施例を示す。
この実施例では、図６（Ａ）に示されるように、ワークＷの上方に、第１のヒータランプ群Ｘと第２のヒータランプ群Ｙとが配置されている。
そして、図６（Ｂ）に示されるように、第１ヒータランプ群Ｘは、ワークＷの上方に複数のヒータランプ２、２が並列配置されており、第２ヒータランプ群Ｙのヒータランプ２、２は、前記第１ヒータランプ群Ｘの上方に、その管軸方向がこれと直交するように井桁状に並列配置されている。
そして、これらの第１ヒータランプ群Ｘおよび第２ヒータランプ群Ｙは、それぞれ、中央ランプ群Ａと、その両側の端部ランプ群Ｂとに区分されている。
上記構成において、図６には不図示の制御部によって、第１ヒータランプ群Ｘと第２ヒータランプ群Ｙのそれぞれの端部ランプ群Ｂ、Ｂを先ず点灯させ、その後、所定時間経過後に中央ランプ群Ａ、Ａを点灯させるものである。

前記図１、２に示す実施例では、ワークＷ表面でのヒータランプの管軸方向の温度均一性は、ランプ２の長さをワークＷより所定長だけ長くすることによって達成されるものであるが、図６に示す他の実施例においては、第１ヒータランプ群Ｘにおけるランプ管軸方向でのワークの温度均一性は、これと直交配置された第２ヒータランプ群Ｙによって達成されるものである。これによってワークＷの全表面においてより精度の高い温度均一性が得られて、より精緻な加熱処理が達成できる。

１熱処理装置
２ヒータランプ
３発光管
４フィラメント
５反射鏡
６制御部
７ステージ
Ａ中央ランプ群
Ｂ端部ランプ群
Ｘ第１ヒータランプ群
Ｙ第２ヒータランプ群
Ｗワーク

Claims

複数の同一構造の棒状ヒータランプが並列配置されるとともに、該ヒータランプを同一の定格電力で点灯制御する制御部を備えた熱処理装置において、
前記ヒータランプは、中央ランプ群と、その両側に配置された端部ランプ群とに区分けされ、
前記制御部は、前記中央ランプ群を構成するヒータランプの点灯時間を、前記端部ランプ群を構成するヒータランプの点灯時間よりも短くするとともに、
前記端部ランプ群を点灯した後に、前記中央ランプ群を点灯して、
前記端部ランプ群に対応した照射領域と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の、反応開始温度以上の温度領域にいる反応時間帯の差が、前記端部ランプ群と前記中央ランプ群を同時点灯し、かつ同一点灯時間としたときの差よりも小さくなるように、制御する
ことを特徴とする熱処理装置。
前記端部ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔｂ）と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔａ）が、同じタイミングで反応開始温度（Ｔｓ）に到達するように制御されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記端部ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔｂ）と、前記中央ランプ群に対応した照射領域の加熱温度（Ｔａ）が、反応開始温度（Ｔｓ）以上の所定の最高温度（Ｔｈ）に、同じタイミングで到達するように制御されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記ヒータランプは、並列配置された第１のヒータランプ群と、該第１のヒータランプ群と直交する方向に並列配置された第２のヒータランプ群が、井桁状に重ねて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。