JP6333128B2 - 磁気アニール装置 - Google Patents

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Description

本発明は、磁気アニール装置に関する。
近年、次世代の半導体メモリデバイスとして、不揮発性メモリの１つであるＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が注目されている。ＭＲＡＭは、例えば半導体ウエハ（以後、ウエハ）である被処理体上に形成された磁性体膜を強磁場中で熱処理（磁気アニール）し、その磁気特性を発現させることによって製造される。
例えば特許文献１では、磁気アニールするための磁場発生手段として、ソレノイド型磁石を使用した設置面積が比較的小さい磁気アニール装置が開示されている。
特開２００４−２６３２０６号公報
しかしながら、特許文献１などの磁気アニール装置は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）向け又はＭＲＡＭの研究開発向けの小規模な装置であり、量産化を意図したものではない。今後予想されるＭＲＡＭの市場規模を鑑みると、多数枚、例えば１００枚のウエハを（半）連続的に処理することが可能な磁気アニール装置の開発が求められているが、磁気アニール装置が大規模になると、多数枚あるウエハ間の均熱性を保つのが困難になるという問題が発生する。
そこで、本発明は、均熱性を保ちつつ、多数枚の基板の磁気アニール処理が可能な磁気アニール装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の実施形態に係る磁気アニール装置は、磁界中で複数の基板をアニールするための磁気アニール装置であって、
前記複数の基板を収容した状態で磁気アニール処理するための横長筒状の処理容器と、
該処理容器の長手方向に延びる面の少なくとも上部及び下部を外部から覆うように設けられた加熱手段と、
該加熱手段を更に外部から覆うように設けられた磁石と、
前記処理容器内で前記複数の基板を保持可能な基板保持具と、
該基板保持具の少なくとも上面及び下面を囲むように設けられ、前記加熱手段からの熱を反射する遮熱板と、を有する。
本発明によれば、アニールの均熱性を高めることができる。
磁気アニール装置の全体構成を示した断面図である。 ボートローダの一例の構成を示した図である。図２（ａ）は、ボートローダの全体構成を示した斜視図である。図２（ｂ）は、遮熱板の構成を示した拡大図である。 遮熱板の一例の構成を示した図である。図３（ａ）は、ルーバーを有する遮蔽板の正面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ｃ）は、ルーバーを有しない遮蔽板を上面視したときの側面図である。図３（ｄ）は、遮蔽板を複数枚で構成する利点を説明するための図である。 少数のウエハを処理する試験研究用の磁気アニール装置と、１００枚のウエハの処理が可能な本発明の実施形態に係る磁気アニール装置とのヒータ長の相違を説明するための図である。図４（ａ）は、試験研究用の磁気アニール装置の一例を示した図である。図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係る磁気アニール装置の一例を示した図である。 本発明の実施形態に係る磁気アニール装置のヒータと遮熱板との関係を示した図である。図５（ａ）は、本実施形態に係る磁気アニール装置のヒータより内側の正面図である。図５（ｂ）は、本実施形態に係る磁気アニール装置のヒータの側面図である。図５（ｃ）は、本実施形態に係る磁気アニール装置のヒータより内側の斜視図である。 遮熱板を増加させた本発明の実施形態に係る磁気アニール装置の一例を示した図である。図６（ａ）は、遮熱板を２枚設けた実施形態の一例を示した図である。図６（ｂ）は、２枚の遮熱板の外側に、更に２枚ずつ遮熱板を設けた実施形態の一例を示した図である。 図６（ａ）、（ｂ）のシミュレーション結果を示した図である。図７（ａ）は、図６（ａ）に係る実施形態のシミュレーション結果である。図７（ｂ）は、図６（ｂ）に係る実施形態のシミュレーション結果である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
まず、ウエハボートを含む磁気アニール装置２００の構成について説明する。
図１は、磁気アニール装置２００の全体構成を示した断面図である。磁気アニール装置２００は、アニール炉１８０と、磁石１９０とを備える。磁石１９０は、例えば図１に示すように、アニール炉１８０の長手方向に延びる面の外周を覆うように設けられる。磁石１９０は、アニール炉１８０のウエハＷが保持される領域に所定方向（例えば、前後方向）の均一な磁界を発生させることができれば、種々の磁石１９０を用いることができるが、上述のように、例えば、ソレノイド型磁石を用いてもよい。
アニール炉１８０は、処理容器１００と、ヒータ１００と、ヒータ支持金属板１２０と、断熱材１３０と、水冷ジャケット１４０と、フランジ部１５０と、Ｏ−リング１６０と、熱電対１７０と、石英パイプ１７５とを備える。また、アニール炉１８０は、キャップ６０と、ウエハボート支持部６１と、ウエハボート７０とを処理容器１００内に収容可能に構成されている。なお、ウエハボート７０は、ウエハＷを保持可能に構成される。
処理容器１００は、ウエハボート７０を収容し、磁気アニール処理を行うための容器である。処理容器１００は、横長筒状の形状を有する。処理容器１００は、横長筒状でウエハボート７０を収容できれば筒の形状は問わないが、例えば円筒形に構成されてもよい。処理容器１００は、例えば石英からなる石英管として構成されてもよい。
ヒータ１００は、ウエハＷを加熱する手段であり、処理容器１００の外側に設けられ、ウエハボート７０を処理容器１００の長手方向においてカバーするように、ウエハボート７０よりも長い長さを有する。ヒータ１００は、処理容器１００の長手方向に延びる面を覆うように、長手方向に沿って設けられる。なお、ヒータ１００は、円筒形の処理容器１００の両端側面を覆う箇所には、ウエハボート７０の搬出入路と真空排気路を確保する観点から設けられていない。
ヒータ支持金属板１２０は、ヒータ１００を支持するための金属板であり、ヒータ１００が取り付けられる。断熱材１３０は、ヒータ１００が放射する熱を内部に閉じ込め、磁石１９０のある外側に放出されることを防ぐための部材であり、ヒータ支持金属板１２０の外周面を覆うように設けられる。水冷ジャケット１４０は、アニール炉１８０の温度が上昇し過ぎるのを防ぐために設けられ、断熱材１３０の外周面を覆うように設けられる。水冷ジャケット１４０は、内側二重管１４１と、外側二重管１４３とを備え、内側二重管１４１と外側二重管１４３との間に冷媒１４２が通流される。冷媒１４２は、例えば冷水であってもよいし、他の種類の冷媒１４２であってもよい。かかる構成により、磁石１９０側に大量の熱が放射されることを防ぐことができる。
フランジ部１５０は、処理容器１００を適切に固定するために設けられた構造であり、Ｏ−リング１６０を介して処理容器１００を保持する。Ｏ−リング１６０は、その他の箇所を密閉固定するため、他の箇所にも必要に応じて設けられる。熱電対１７０は、処理容器１００内のウエハＷ周辺の温度を測定するための温度検出手段であり、温度制御を行うため、必要に応じて設けられる。なお、熱電対１７０は、例えば石英パイプ１７５内に配置されてもよい。
なお、ウエハボート７０の先端側（キャップ６０の反対側）の処理容器１００の奥が開口しているが、開口を通じて真空排気がなされる。磁気アニール処理は、高真空下で行われるため、処理容器１００内は、ターボ分子ポンプ等により真空排気され、例えば５×１０−７Ｔｏｒｒ程度の高真空に保たれる。
図２は、本発明の実施形態に係る磁気アニール装置２００のボートローダの一例の構成を示した図である。図２（ａ）は、ボートローダ９０の全体構成を示した斜視図であり、図２（ｂ）は、遮熱板８０の構成を示した拡大図である。
図２（ａ）において、ボートローダ９０は、キャップ６０と、ボート支持部６１と、ウエハボート７０と、遮熱板８０〜８３とを備える。遮熱板８０〜８３は、磁気アニール装置２００で磁気アニール処理を行う際、ヒータ１１０からの熱の放熱防止と、所定箇所に集中した放射による温度のムラの発生を防止し、ウエハＷに放射される熱の均一化を図るための手段である。遮熱板８０〜８３は、ウエハボート７０の周囲を覆うように設けられる。具体的には、遮熱板８０、８１は、ウエハボート７０の長手方向の両端面を覆うように設けられており、遮熱板８２、８３は、ウエハボート７０の上面と下面を各々覆うように設けられている。
図１で説明したように、ヒータ１１０は、処理容器１００の長手方向に延在する面を覆うように設けられており、処理容器１００の両端側面には設けられていないので、ウエハボード７０の長手方向の両端側面に設けられている遮熱板８０、８１は、放熱を防止する役割を果たす。一方、図２において、ウエハＷは水平に配置され、鉛直方向に積載されているため、積載体の最上面にあるウエハＷ及び最下面にあるウエハＷは、ヒータ１００からの放熱を直接的に受けてしまい、積載体の中段にあるウエハＷとの温度差が大きくなってしまう。そこで、ウエハＷを水平状態に保持し、鉛直方向に積載する場合には、ウエハボート７０の上下面にてウエハＷを覆うように遮熱板８２、８３を設け、ヒータ１００からの熱を反射するように構成している。これにより、積載されたウエハＷの均熱化を図ることができ、ウエハＷを均一に加熱することができる。
なお、ウエハＷが垂直に立った状態で、横方向に所定間隔を有して本棚の上の本のような状態でウエハボート７０に保持される場合には、ヒータ１００からの熱は、総てのウエハＷについて外周側全体から中心に向かう方向で入射する。よって、ウエハＷを水平に保持した場合のような熱の所定箇所（上面及び下面）への集中のおそれは少ない。よって、そのような場合には、ウエハボート７０の上面及び下面の遮熱板８２、８３は必ずしも設ける必要が無く、ウエハボート７０の両端側面にのみ保温用の遮蔽板８０、８１を設ければ十分である。
このように、ウエハＷの配置方法に応じて遮熱板８０〜８３の設置場所を適切に設定することにより、ウエハＷの均熱化を適切に行うことができる。
遮熱板８０〜８３は、非磁性体であって、遮熱効果が高い材料であれば、種々の材料を用いることができるが、例えば、非磁性体の金属材料を用いるようにしてもよい。例えば、ステンレス、チタン等は、遮熱板８０〜８３に好適に用いることができる。
図２（ｂ）に示すように、遮熱板８０は、複数枚の薄い板が積層されて構成されてもよい。また、遮熱板８２は、必要に応じて、ウエハボート７０の突起等と係合するように係合穴等が形成されてもよい。
図３は、遮熱板８０の種々の構成例を示した図である。図３（ａ）は、ルーバー８４を有する遮蔽板８０の正面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）において、遮蔽板８０の面に、ルーバー８４が形成された例が示されている。図３（ｂ）に示す通り、遮蔽板８０の面内にルーバー８４を形成したことにより、遮蔽板８０の面内に開口８４ａが形成される。これにより、ウエハＷの周囲についても、十分に真空排気を行うことができる。よって、必要に応じて遮蔽板８０にルーバー８４を形成することにより、熱を遮蔽して放熱を防止する効果を保ちつつ、十分な真空排気を行うことができる。
なお、例えば、ルーバー８４は、切り曲げ加工により形成するようにしてもよい。ルーバー８４を設けることなく、遮蔽板８０を完全にくり抜いて開口８４ａを形成すると、開口８４ａでは熱を反射するものが一切無くなってしまい、放熱防止の効果が薄れるおそれがある。切り曲げ加工でルーバー８４を形成すれば、ルーバー８４の面で熱を反射することができるので、放熱防止効果を大きく低下させること無く排気用の開口８４ａを形成することができる。
図３（ｃ）は、ルーバー８４を有しない遮蔽板８０を上面視したときの側面図である。図３（ｃ）に示すように、遮蔽板８０は、複数枚の薄い非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄをスペーサ８０ｓにより間隔を空けた状態で積層させ、１枚の遮蔽板８０として構成したものであってもよい。図３（ｃ）においては、４枚の非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄがスペーサ８０ｓを介して積層され、１枚の遮蔽板８０を構成した例が示されているが、１枚の遮蔽板８０を構成する非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄは、用途に応じて任意の枚数とすることができる。１枚の非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄは、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の厚さを有してもよく、例えば、０．３ｍｍ前後の厚さの非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄを用いてもよい。また、材料としては、磁界に影響を与えない非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄであれば種々のものを利用できるが、例えば、ステンレス、チタン等の金属材料を用いることができる。なお、ルーバー８４を有しない遮蔽板８０は、図２（ａ）、（ｂ）に示したような平板状の形状を有する。
また、図３（ｃ）には、ルーバー８４を有しない複数の遮蔽板８０を積層構造とした例を挙げて説明しているが、各々の非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄにルーバー８４を形成し、ルーバー８４を有する非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄを図３（ｃ）に示す構造とし、遮蔽板８０を構成することも当然に可能である。図３（ｃ）の構造は、ルーバー８４の有無に関わらず採用することができる。
図３（ｄ）は、遮蔽板８０を複数枚で構成する利点を説明するための図である。図３（ｄ）に示すように、複数枚の薄い非磁性体金属板８０ａ〜８０ｄを、所定間隔を有して積層配置することにより、放射熱を多層で反射することができ、反射効率を高めて放熱防止効果を高めることができる。この点、ルーバー８４を有する遮蔽板８０に構成した場合も、全く同様である。
図３においては、遮蔽板８０を例に挙げて説明したが、遮蔽板８１についても、同様の構成とすることができる。なお、遮蔽板８１に、ボート支持部６１を貫通させる穴を設ける場合には、それ以外の部分を遮蔽板８０と同様の構成とすることができる。
図４は、少数のウエハを処理する試験研究用の磁気アニール装置と、１００枚のウエハの処理が可能な本発明の実施形態に係る磁気アニール装置とのヒータ長の相違を説明するための図である。図４（ａ）は、試験研究用の磁気アニール装置の一例を示した図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に係る磁気アニール装置の一例を示した図である。
図４（ａ）に示す試験研究用の磁気アニール装置は、１回で１０枚だけウエハ処理が可能である。この試験研究用の磁気アニール装置のウエハボート１０７０は、幅が約３００ｍｍ、高さが約４００ｍｍである。ヒータ１１１０の長さについては、中央部が約３００ｍｍ、両端部が各々８０ｍｍで合計約４６０ｍｍである。よって、ヒータ１１１０の長さは、ウエハボート１０７０の長さの４６０／３００≒１．５倍の長さとなる。
一方、図４（ｂ）に示す本実施形態に係る磁気アニール装置２００は、１回で１００枚のウエハ処理が可能であり、ウエハボート７０の幅Ｗは約６００ｍｍ、高さＨも約６００ｍｍである。ヒータ１１０の長さは、中央部Ｍが約９００ｍｍ、両端部Ｅが各々１００ｍｍで合計約１１００ｍｍである。まず、中央部同士を比較すると、３００ｍｍから９００ｍｍとなり、３倍程ヒータ長が長くなっている。更に、ヒータ１１０の長さは、ウエハボート７０の長さの１０００／６００≒１．７倍となっており、ヒータ長がウエハボートの長さの１．７倍以上となるようにヒータ長を設定している。
つまり、本実施形態に係る磁気アニール装置２００では、ヒータ１１０のウエハボート７０に対する長さの割合を増加させ、より均一にウエハＷに熱を供給できる構成としている。このように、ウエハＷの処理枚数が増加すると、均熱性を保つのがより困難になるため、本実施形態に係る磁気アニール装置２００では、遮蔽版８０〜８３の設置のみならず、ヒータ長を拡大することによっても、ウエハＷの均熱を確保している。
図５は、本発明の実施形態に係る磁気アニール装置２００のヒータと遮熱板との関係を示した図である。図５（ａ）は、本実施形態に係るアニール装置のヒータより内側の正面図であり、図５（ｂ）は、本実施形態に係るアニール装置のヒータの側面図である。図５（ｃ）は、本実施形態に係るアニール装置のヒータより内側の斜視図である。なお、詳細には、図５（ａ）は、図５（ｂ）のＡ−Ａ断面から矢印の方向を見た正面図である。
図５（ｂ）、（ｃ）に示されるように、本実施形態に係るアニール装置のヒータ１１０は、長手方向に沿って、４つの領域をカバーする４個のヒータ１１１、１１２、１１３、１１４を有する。また、前側のヒータ１１１と後側のヒータ１１４は、各々１つのヒータ１１１、１１４で処理容器１００の全周を覆っているが、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、中央領域のヒータ１１２、１１３は、処理容器１００の全周を、上面、下面、右側面、左側面の各領域において分割された４個のヒータ１１２ａ〜１１２ｄ、１１３ａ〜１１３ｄでカバーするように構成されている。いずれにせよ、各々のヒータ１１１〜１１４は、処理容器１００の長手方向に延びる円筒曲面のうち、ウエハＷの周辺領域をほぼ連続的にカバーするように配置されている。
よって、ウエハＷがウエハボート７０上で垂直に立った状態で配置されている場合には、各ウエハＷの外側から中心に向かって均一に熱が供給される。一方、ウエハＷがウエハビボート７０上に水平な状態で積載された場合には、積載体の上部及び下部付近にあるウエハＷ、特に最上面と最下面にあるウエハＷは、上側にあるヒータ１１２ａ、１１３ａと、下側にあるヒータ１１２ｂ、１１３ｂとから直接的な熱の放射を受けてしまう。よって、図５（ａ）に示されるように、ウエハＷを水平置きする場合には、上下方向の遮蔽板８２、８３を設け、上部及び下部に積載されたウエハＷへの熱の直接照射を防ぐ構成となっている。
一方、直接的に熱を照射するヒータ１１１〜１１４が存在しない前側と後側の端面には、遮蔽板８０、８１を設け、ウエハボート７０から熱が放射されて逃げるのを防止する。このように、本実施形態に係る磁気アニール装置２００は、ヒータ１１１〜１１４の配置とウエハＷの保持方向を考慮しつつ、適切に遮蔽板８０〜８３を配置している。
図６は、遮熱板を増加させた本発明の実施形態に係る磁気アニール装置の一例を示した図である。図６（ａ）は、遮熱板を２枚設けた実施形態の一例を示した図である。図６（ａ）においては、今まで説明した実施形態と同様に、ウエハボート７０の長手方向の両端に１枚ずつ、合計２枚の遮熱板８０、８１を配置した例を示した図である。また、遮熱板８０、８１は、各々４枚の非磁性体金属板からなる構成としている。この例において、両端のヒータ１１１、１１４をヒータ温度４４０℃、中央領域のヒータ１１２、１１３のヒータ温度を３６０℃としたとき、所望の温度条件が得られた。
一方、図６（ｂ）は、２枚の遮熱板８０、８１の外側に、更に２枚ずつ遮熱板８５〜８８を設けた実施形態の一例を示した図である。この例においては、２枚の遮熱板８５、８６を遮熱板８０の外側、２枚の遮熱板８７、８８を遮熱板８１の外側に各々設けている。また、遮熱板８５〜８８は、４枚の非磁性体金属板で１枚の遮熱板８５〜８８を構成しており、遮熱板８０、８１と同様の構成とした。この場合、中央領域のヒータ１１２、１１３については、図６（ａ）に係る実施形態と同様にヒータ温度３６０℃であるが、両端のヒータ１１１、１１４については、ヒータ温度３８０℃で図６（ａ）と同様の温度条件を実現することができた。つまり、図６（ｂ）に係る実施形態においては、両端に遮熱板８５〜８８を追加して設けることにより、保温効果を高め、図６（ａ）よりも低いヒータ温度設定で図６（ａ）と同様の温度条件を実現することができた。
このように、遮熱板８０〜８８の枚数を増加させることにより、両端のヒータ１１１、１１４の設定温度を低くすることができ、ヒータパワーを削減して節電を図ることができる。
図７は、図６（ａ）、（ｂ）のシミュレーション結果を示した図である。図７（ａ）は、図６（ａ）に係る実施形態のシミュレーション結果であり、図７（ｂ）は、図６（ｂ）に係る実施形態のシミュレーション結果である。
図７（ａ）、（ｂ）を比較すると、温度範囲、温度差の両方とも近似しており、ほぼ同様の温度分布が得られていることが分かる。このように、遮熱板８０〜８８の枚数を増加させることにより、処理容器１００内の保温効果を高め、ヒータの設定温度を低下させても、同様の温度条件を得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
６０ キャップ
６１ ボート支持部
７０ ウエハボート
８０〜８８ 遮熱板
９０ ボートローダ
１００ 処理容器
１１０〜１１４ ヒータ
１８０ アニール炉
１９０ 磁石
２００ 磁気アニール装置

Claims (14)

  1. 磁界中で複数の基板をアニールするための磁気アニール装置であって、
    前記複数の基板を収容した状態で磁気アニール処理するための横長筒状の処理容器と、
    該処理容器の長手方向に延びる面の少なくとも上部及び下部を外部から覆うように設けられた加熱手段と、
    該加熱手段を更に外部から覆うように設けられた磁石と、
    前記処理容器内で前記複数の基板を保持可能な基板保持具と、
    該基板保持具の少なくとも上面及び下面を囲むように設けられ、前記加熱手段からの熱を反射する遮熱板と、を有する磁気アニール装置。
  2. 前記遮熱板は、前記加熱手段と対向しない位置に更に設けられた請求項１に記載の磁気アニール装置。
  3. 前記加熱手段と対向しない位置は、前記長手方向と略垂直な方向に面を有する端面である請求項２に記載の磁気アニール装置。
  4. 前記基板保持具は、前記複数の基板を略垂直に立てた状態で、前記長手方向に沿って所定間隔を有して保持可能である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気アニール装置。
  5. 前記基板保持具は、前記複数の基板を略水平に載置した状態で、鉛直方向に所定間隔を有して積載体をなすように保持可能である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気アニール装置。
  6. 前記基板保持具は、前記積載体を前記長手方向に沿って複数個並列して保持可能である請求項５に記載の磁気アニール装置。
  7. 前記加熱手段は、前記処理容器の長手方向に延びる面の略全面を覆う請求項５又は６に記載の磁気アニール装置。
  8. 前記遮熱板は、前記複数の基板の最上面及び最下面を、前記基板保持具を介して覆うように設けられた請求項７に記載の磁気アニール装置。
  9. 前記遮熱板は、非磁性体の金属板から構成される請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気アニール装置。
  10. 前記非磁性体の金属板が、複数枚からなる請求項９に記載の磁気アニール装置。
  11. 複数枚からなる前記非磁性体の金属板は、スペーサを介して所定間隔を有して配置された請求項１０に記載の磁気アニール装置。
  12. 前記遮熱板は、切り曲げ加工によるルーバー状の複数のスリットを有する請求項２又は３に記載の磁気アニール装置。
  13. 前記加熱手段の前記長手方向の長さは、前記基板保持具の前記長手方向の長さの１．７倍以上である請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の磁気アニール装置。
  14. 前記処理容器は、円筒形状を有する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気アニール装置。
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