JP5998925B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板の加熱処理を行う半導体製造工程に使用される加熱装置に関する。

太陽電池などの半導体装置の製造工程では、処理工程前の予備加熱或いは処理工程時のアニール処理などにおいて基板が加熱される。また、時間当たりの基板処理枚数が重要な性能であるため、複数の基板を同時に処理するバッチ式の加熱処理方法が採用される。

バッチ式では複数の基板を搭載するサンプルホルダが使用される。このサンプルホルダには、水平な板に基板を水平に配列して配置するカートタイプや、基板を垂直に複数並べるボートタイプなどがある。

カートタイプのサンプルホルダでは、基板が配置されるサンプルホルダの搭載面に対向してサンプルホルダの上方又は上下方向に配置されたヒータによって、基板が加熱される。しかし、カートタイプのサンプルホルダを使用した場合は、加熱装置の設置面積（フットプリント）が大きいという問題がある。一方、ボートタイプのサンプルホルダを使用すれば、装置の設置面積を抑制できる（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−７５８８４号公報

しかし、ボートタイプのサンプルホルダに搭載された基板を加熱するためにサンプルホルダの周囲にヒータを配置する構成では、ヒータからの距離が均等でないために加熱の均一性が低下し、加熱時間も長くなるという問題があった。

上記問題点に鑑み、ボートタイプのサンプルホルダに搭載された基板を均一に加熱し、且つ加熱時間を抑制できる加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、搭載面をそれぞれ有する複数の基板プレートを並行に搭載面の面法線方向に配列した構成のボートタイプのサンプルホルダの搭載面に垂直に搭載された基板を加熱する加熱装置であって、サンプルホルダが格納されるチャンバーと、チャンバー内においてサンプルホルダの周囲及び基板プレート間に配置されたヒータとを備え、ヒータが基板を透過してサンプルホルダで吸収される波長を放射し、ヒータによって加熱されたサンプルホルダを伝導した熱によって、基板温度をオーバーシュートさせることなく基板を所定の温度に加熱する加熱装置が提供される。

本発明によれば、ボートタイプのサンプルホルダに搭載された基板を均一に加熱し、且つ加熱時間を抑制できる加熱装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る加熱装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る加熱装置に格納されるサンプルホルダの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る加熱装置のヒータの配置例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る加熱装置のヒータの特性を説明するためのグラフである。 比較例の加熱装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る加熱装置と比較例の加熱装置の加熱処理による基板温度の変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る加熱装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る加熱装置の他の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る加熱装置の加熱処理によるサンプルホルダ及び基板の温度変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る半導体製造装置をインライン式成膜装置の一部に使用した例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る加熱装置により加熱処理された基板に形成された薄膜のキャリアライフタイムを示す表である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る加熱装置１は、図１に示すように、複数の基板プレート１１を有するボートタイプのサンプルホルダ１０に搭載された複数の基板１００を加熱する加熱装置であって、サンプルホルダ１０が格納されるチャンバー２０と、チャンバー２０内においてサンプルホルダ１０の周囲及び基板プレート１１間に配置されたヒータと３０とを備える。

サンプルホルダ１０は、図２に示すように、搭載面１１０をそれぞれ有する複数の基板プレート１１が搭載面１１０の面法線方向に並行に配列されたボートタイプである。基板プレート１１のそれぞれの底部は底板１２によって固定されている。搭載面１１０を複数有するボートタイプのサンプルホルダ１０を使用することにより、加熱装置１の設置面積を小さくできる。そして、１回の成膜処理工程で処理できる基板１００の枚数を増やすことができ、全体の処理時間を短縮することができる。なお、１つの搭載面１１０に搭載される基板の枚数は任意に設定できる。

図３に、搭載面１１０の面法線方向から見た場合の、加熱装置１内の搭載面１１０上に配置されたヒータ３０の形態例を示す。図３に示した例では、搭載面１１０上を底板１２の主面と並行に延伸する管形状のヒータが配設されている。ヒータ３０には、例えばランプヒータなどを採用可能である。図３では図面を分かりやすくするため、１つの搭載面１１０に配置されたヒータ３０のみを図示した。図１は、図３のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。

なお、基板１００を透過する波長を放射する赤外線ヒータをヒータ３０に使用することが、基板温度のオーバーシュートを考慮する点で好ましい。赤外波長のエネルギー分布を持つ赤外線ヒータを採用した場合、カーボン板の加熱を効率的に行うことができる。一方、シリコン基板の吸収スペクトルは１０００ｎｍ以下である。本発明者らは、赤外線ヒータからの直接加熱よりも、カーボン材のサンプルホルダ１０からの輻射によって、基板温度がオーバーシュートすることなく基板１００を加熱できることを確認した。

図４に、シリコン基板の吸収率Ａと透過率Ｂ、及びランプヒータの放射強度Ｃの波長依存性を示す。図４に示したように、太陽電池などに使用されるシリコン基板は、波長１０００ｎｍ以上では吸収率Ａが低下し、透過率Ｂが増加する。したがって、図４に示すように放射強度Ｃの高い１３００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度の放射波長を有する赤外線ヒータをヒータ３０に採用することにより、基板１００を透過してサンプルホルダ１０を加熱することができる。これにより、基板１００が過加熱状態になって特性が劣化することを防止できる。図４に示したように、波長１５００ｎｍ付近で放射強度Ｃが最大になるため、好ましくは放射波長が１５００ｎｍの赤外線ヒータをヒータ３０に使用する。

図１に示した加熱装置１によれば、基板１００間にヒータ３０を配置することにより、サンプルホルダ１０に搭載された基板１００が均一に加熱される。更に、サンプルホルダ１０の周囲のみにヒータ３０を配置する場合に比べて、基板１００とヒータ３０間の距離が短いために加熱時間を短縮できる。基板１００とヒータ３０間の距離は、例えば１０ｍｍ程度に設定される。また、サンプルホルダ１０の周囲にヒータ３０を配置することにより、サンプルホルダ１０からの放熱が抑制され、加熱効率を向上できる。

以下に、サンプルホルダ１０の周囲のみにヒータ３０Ａが配置された図５に示す比較例の加熱装置１Ａによる加熱処理と、図１に示した加熱装置１による加熱処理との比較を示す。比較例１Ａのヒータ３０Ａには電磁誘導の原理を利用した誘導加熱（ＩＨ）ヒータを使用した。なお、以下の比較は、加熱装置１及び加熱装置１Ａを成膜処理の予備加熱用に使用する場合について行った。

加熱装置１と加熱装置１Ａによる加熱処理の結果を図６に示す。図６の横軸は処理時間であり、縦軸は処理対象の基板１００の基板温度である。なお、チャンバー２０内を５Ｐａ以下程度の真空状態にして、基板１００の加熱処理を行った。図６において、加熱装置１の加熱処理による基板温度Ｔ１を実線で示し、加熱装置１Ａの加熱処理による基板温度Ｔ２を破線で示した。

プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）成膜装置などの処理装置の予備加熱装置として加熱装置１が使用される場合などでは、加熱装置１及び処理装置を用いた一連の工程に要する処理時間が予め「仕様」として設定されることが多い。例えば、基板温度を２００℃から４５０℃まで上昇するのに要する時間の仕様が５３秒に設定される。これに対して、図６に示すように、加熱装置１による加熱処理の場合に基板温度を２００℃から４５０℃まで上昇させるのに要した時間ｔは４１秒であり、仕様を十分に満足する。この間の加熱装置１による昇温レートは６．１℃／秒であり、５．０℃／秒以上という仕様を満たす。また、プラズマＣＶＤ成膜装置における成膜処理開始時ｔ１０における基板１００の基板温度の面内分布は４９０℃〜５０５℃であり、温度差は１５℃である。これは、仕様を５％以内とした場合の温度差２２．５℃以下という条件を満足する。

これに対し、ＩＨヒータを使用した比較例の加熱装置１Ａによる加熱処理では、加熱時間の仕様の５３秒では基板温度が２５０℃までしか上昇しなかった。また、基板温度が４５０℃のタイミングで成膜処理を開始する場合に、成膜処理開始時ｔ２０における基板温度の面内分布は３１０℃〜４４０℃であり、温度差は１３０℃と大きかった。

上記のように、比較例の加熱装置１Ａと比較して、図１に示した加熱装置１は加熱時間が短く、基板温度の面内分布が小さいことが確認された。更に、図６に示したように加熱装置１による加熱処理では基板温度のオーバーシュートが抑制されており、温度分布の向上と合わせて、リーク電流の小さい良質な薄膜が成膜されることが確認された。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る加熱装置１によれば、基板１００間にヒータ３０を配置することにより、ボートタイプのサンプルホルダ１０に搭載された基板１００を均一に加熱し、且つ加熱時間を抑制できる。

（第２の実施形態）
図１に示した加熱装置１については、チャンバー２０内を真空状態にして基板１００を加熱する方法を説明した。本発明の第２の実施形態に係る加熱装置１では、一定の圧力になるようにチャンバー２０内に気体を導入した状態で、基板１００を加熱する。チャンバー２０内に導入する気体は、例えば窒素（Ｎ₂）ガスや空気などである。また、チャンバー２０内の圧力は１００００Ｐａ以上に設定される。チャンバー２０内を大気圧にしてもよい。

例えば、図７に示すように、第２の実施形態に係る加熱装置１は、ガス導入機構４０及びガス排出機構５０を備える。図７に示した矢印は、チャンバー２０に導入され、その後に排気される気体の流れを示す。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態と同様である。

具体的には、基板１００を搭載したサンプルホルダ１０がチャンバー２０内に搬入された後、ガス排出機構５０によってチャンバー２０の内部を真空状態にする。その後、ガス導入機構４０によって、所定の圧力になるまで所定のガス、例えば窒素ガスがチャンバー２０の内部に導入される。そして、チャンバー２０内において、ヒータ３０によって窒素雰囲気中で基板１００が加熱される。基板１００が所望の温度に達するまで一定時間加熱した後、基板１００の加熱を終了する。その後、ガス排出機構によりチャンバー２０内の窒素ガスが排気され、基板１００の加熱工程は完了する。

なお、チャンバー２０内に空気を導入して大気圧にした状態で、基板１００を加熱してもよい。この場合には、加熱装置１にガス導入機構４０及びガス排出機構５０を設置しなくてもよい。

チャンバー２０内に気体を充填することにより、真空中よりもヒータ３０の放射する熱が基板１００に効率よく伝導され、基板１００の加熱時間を短縮することができる。また、ヒータ３０を基板１００の直近に配置しているため、チャンバー２０内の気体の対流による熱移動により、真空状態で加熱するよりも早く、均一に基板１００を加熱することができる。

なお、サンプルホルダ１０に搭載されたすべての基板１００の温度均一性を向上するために、サンプルホルダ１０の周囲を断熱材で覆うことが好ましい。図８に、チャンバー２０の内壁に配置した断熱材６０で、サンプルホルダ１０の周囲を覆った例を示す。断熱材６０には、例えば石膏材やカーボンフェルトなどを採用可能である。

図９に、加熱装置１によって加熱された、サンプルホルダ１０の基板プレート１１とその基板プレート１１上に配置した基板１００の温度の変化を示す。図９において、符号Ｐ１〜Ｐ３は基板プレート１１の上部、中央部、下部における温度である。また、符号Ｓ１〜Ｓ４は基板１００の裏面中央部、裏面下部、表面中央部、表面上部における温度である。なお、ヒータ３０に対向する面を基板１００の表面とした。ヒータ３０には、基板１００を透過する波長を放射する赤外線ヒータを使用した。また、チャンバー２０内に空気を導入して、基板１００を加熱した。

図９に示したように、加熱開始から１０分経過した時点でも、基板プレート１１の各位置と基板１００の各位置の温度差は小さい。つまり、基板１００は過加熱状態になっていない。また、基板１００の各位置における温度差は約２０℃以内に収まっている。したがって、加熱装置１による加熱処理時間が少なくとも１０分を経過するまで、基板１００の温度分布は均一であり、過加熱状態にならないことが確認された。

加熱装置１は、例えばインライン式成膜装置の予備加熱用の加熱装置としても使用可能である。例えば太陽電池反射防止膜の成膜処理などでは、処理対象の基板１００の温度を予め決められた設定温度にした状態で、基板１００に膜を形成する。このため、インライン式成膜装置で成膜処理する場合には、成膜装置の成膜用チャンバーに搬入される前に、基板１００は予備加熱される。そして、設定温度に達した基板１００が成膜用チャンバーに搬入され、成膜処理が行われる。

図１０に、加熱装置１と成膜装置２の２室からなるインライン式成膜装置の例を示す。加熱装置１に格納されたサンプルホルダ１０に搭載された基板１００が、ヒータ３０によって所定の温度まで予備加熱される。その後、搬送装置３によってサンプルホルダ１０が成膜装置２に搬送されて、成膜装置２において基板１００に薄膜が形成される。

複数のサンプルホルダ１０を用いてインライン式成膜装置により成膜処理を行う場合、成膜装置２内で基板１００の成膜処理を行っている間に、次に成膜処理する基板１００を加熱装置１で予備加熱することができる。つまり、成膜処理の待ち時間の間に基板１００を予備加熱することにより、インライン式成膜装置のスループットが向上する。

また、加熱装置１によって例えば大気圧で基板１００が既に加熱された状態で成膜装置２に格納される場合には、成膜装置２において成膜前に真空状態で基板１００を加熱する際の加熱開始時の基板温度が高い。このため、昇温しにくい真空状態での加熱時間を短縮することができる。実験により、予備加熱することによって、成膜装置２内において５０秒で１５０℃から２５０℃まで基板温度が上昇することが確認された。

図１１に、加熱装置１を予備加熱装置に用いたインライン式成膜装置によって基板１００上に成膜した膜に関して、キャリアライフタイムを測定した結果を示す。キャリアライフタイムは、予備加熱を行わなかった場合と大気圧で３００℃の予備加熱を行った場合それぞれについて測定した。なお、図１１の「アニール無し」は、成膜装置２内で基板１００を加熱せず、成膜のみ行った場合であり、「アニール有り」は、成膜前に成膜装置２内で基板１００を７００℃に加熱した場合である。キャリアライフタイムは、レーザが照射されたサンプルに発生するキャリアの量を測定するμ−ＰＣＤ法により測定した。

図１１に示すように、成膜装置２内でのアニールの有無に関わらず、少なくとも３００℃までは、予備加熱によりキャリアライブタイムが向上することが確認された。なお、基板１００が過加熱状態になるとキャリアライフタイムが短くなると考えられる。

加熱装置１と成膜装置２との間のサンプルホルダ１０の移動は、例えば、加熱装置１のチャンバー２０や成膜装置２の成膜用チャンバーを上昇させ、或いはサンプルホルダ１０を降下させて、サンプルホルダ１０をチャンバーから取り出した状態にして行う。或いは、加熱装置１と成膜装置２間に開閉式のゲートを設置し、このゲートを介してサンプルホルダ１０を移動させてもよい。

図１０では加熱装置１と成膜装置２からなるインライン式成膜装置の例を示したが、成膜装置以外の、例えばエッチング装置やアッシング装置と加熱装置１を組み合わせてインライン式装置を構成してもよい。また、上記では２室からなるインライン式装置の例を示したが、３室以上で構成されるインライン式装置に加熱装置１を使用してもよい。

以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る加熱装置１によれば、短時間で、且つ均一に基板１００を加熱することができる。更に、インライン式処理装置の予備加熱装置として加熱装置１を使用することにより、予備加熱後の処理装置内での基板１００の加熱時間を短縮することができる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…加熱装置
２…成膜装置
３…搬送装置
１０…サンプルホルダ
１１…基板プレート
１２…底板
２０…チャンバー
３０…ヒータ
４０…ガス導入機構
５０…ガス排出機構
６０…断熱材
１００…基板
１１０…搭載面

Claims (6)

1. 搭載面をそれぞれ有する複数の基板プレートを並行に前記搭載面の面法線方向に配列した構成のボートタイプのサンプルホルダの前記搭載面に垂直に搭載された基板を加熱する加熱装置であって、
   前記サンプルホルダが格納されるチャンバーと、
   前記チャンバー内において前記サンプルホルダの周囲及び前記基板プレート間に配置されたヒータと
   を備え、
   前記ヒータが前記基板を透過して前記サンプルホルダで吸収される波長を放射し、前記ヒータによって加熱された前記サンプルホルダを伝導した熱によって、基板温度をオーバーシュートさせることなく前記基板を所定の温度に加熱することを特徴とする加熱装置。
2. 前記基板がシリコン基板であり、
   前記ヒータの放射波長が１３００ｎｍ〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記ヒータの放射する前記波長が、前記基板で吸収されない波長であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記チャンバー内が１００００Ｐａ以上の圧力に設定されて前記基板が加熱されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加熱装置。
5. 前記チャンバー内に空気が導入され、大気圧に設定されることを特徴とする請求項４に記載の加熱装置。
6. 前記チャンバーに窒素ガスを導入するガス導入機構と、
   前記チャンバーから前記窒素ガスを排出することにより、前記チャンバー内の圧力を設定するガス排出機構と
   を更に備え、窒素雰囲気中で前記基板を加熱することを特徴とする請求項４に記載の加熱装置。
   

Images