JP6376236B2 - 加熱装置、半導体製造装置 - Google Patents

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本発明は、基板処理の実施前に基板温度を所定温度に昇温させる加熱装置と同装置を備えた半導体製造装置に関する。
基板温度を所定温度に加熱した後、同基板に対して成膜やビーム照射等の処理を施す成膜装置やイオン注入装置等の半導体製造装置が知られている。
基板加熱の一例としては、特許文献1に記載されているように、搬送アームの旋回により同アームの一端に支持されている基板を非加熱位置から加熱位置へ移送させ、加熱位置に配置された昇温用のヒーターで同基板を一面側から加熱する手法が知られている。
特開2015−15330
特許文献1の基板加熱方法は、ヒーターが配置されていない側の基板面(非加熱面)から熱が放散されるので、加熱効率が悪い。このために、基板が所定温度に到達するまでに要する時間の長期化や加熱器での消費電力が増加する等の問題がある。
本発明では、これらの問題を一挙に解決することのできる加熱効率の改善された加熱装置と同加熱装置を備える半導体製造装置を提供する。
本発明の加熱装置は、
基板の外周を支持する支持部を有し、加熱位置と非加熱位置との間で基板を移送する移送機構と、
前記加熱位置で、前記基板の一面を加熱する加熱器と、
前記基板の他面と対向して前記移送機構に設けられた熱反射板を有し、
前記熱反射板が、前記他面を覆う加熱装置。
基板の非加熱面を覆う熱反射板を設けたので、非加熱面から放散された熱を非加熱面の全域に反射することが可能となり、基板の加熱効率が向上する。
この加熱効率の向上により、昇温時間の短縮化、加熱器への投入パワーの低消費電力化が可能となる。
基板の加熱効率をさらに向上するには、
前記加熱位置で、前記支持部から前記加熱器に前記基板を移送し、前記基板を前記支持部よりも前記熱反射板側に位置させる第二移送機構を備えていることが望ましい。
上記した第二移送機構があれば、加熱器と熱反射板との距離が近づくことから、基板の加熱効率がさらに向上する。
加熱効率を向上させる別の構成としては、
前記熱反射板が、前記基板側に向けて凹形状をしていることが望ましい。
上記した凹形状の熱反射板であれば、非加熱面から放散された熱を非加熱面側に効果的に反射することができる。
基板面の温度計測や基板面の温度分布調整のために、
前記熱反射板には開口が形成されていることが望ましい。
熱反射板に開口があれば、同開口を通じて放射温度計による基板の温度測定が可能となる。また、開口の大きさ、形状、位置等を工夫することにより、熱反射板側の基板面の温度分布を調整することも可能となる。
加熱器上で基板を固定支持するために、
前記加熱器が、前記基板を前記加熱器上に固定支持する機械式、静電式あるいは真空式の固定支持具を備えていてもよい。
加熱効率が向上された本発明の構成であれば、上記の固定支持具による安定して強固な固定支持の条件を短時間で充足することが可能となる。
上述した加熱装置を備えた装置としては、前記加熱器に固定支持された前記基板に半導体製造処理を施す半導体製造装置が考えられる。
このような半導体製造装置であれば、半導体製造処理の前工程である加熱工程が短時間で済むので、基板処理に要する全体の作業時間を短縮することができる。
基板の非加熱面を覆う熱反射板を設けたので、非加熱面から放散された熱を非加熱面の全域に反射することが可能となり、基板の加熱効率が向上する。
この加熱効率の向上により、昇温時間の短縮化、加熱器への投入パワーの低消費電力化が可能となる。
本発明に係る加熱装置の構成例を示す概略図 図1の加熱装置で加熱位置に移送された基板を側方から視たときの概略図 加熱器を移送する第二移送機構を備えた加熱装置の一例を示す概略図 移送機構の支持部に支持された基板を上方から視たときの概略図 熱反射板の変形例についての説明図(A)はXY平面図、(B)は(A)に記載のV−V線でZ方向に図5(A)に記載の構成例を切断したときの切断面 本発明の加熱装置を備えた半導体製造装置の一例を示す概略図 図6の半導体製造装置で加熱位置に移送された基板を側方から視たときの概略図 基板と静電チャック間の静電容量の時間変化を表す実験結果
本発明に係る加熱装置の構成例を図1、図2を用いて、以下に説明する。
図1に図示されているように、加熱装置20は、加熱位置HPと非加熱位置NHとの間で基板W(例えば、シリコンやシリコンカーバイド等の半導体基板や、無機アルカリガラスや石英ガラス等のガラス基板)を移送する移送機構Mを備えている。
図示される移送機構Mは、旋回により基板Wの移送を行う機構で、
回転軸11周りにモーター等の駆動源12によって一端が回動する搬送アーム10と、
搬送アーム10の他端に設けられていて、基板Wの外周端部を支持する支持部1と、
支持部1に支持された基板Wと対向する熱反射板2を備えている。
熱反射板2は、基板Wの非加熱面を覆っている。このことを換言すれば、熱反射板2の基板Wの非加熱面との対向面積は、非加熱面の面積と同じか、これよりも大きく、熱反射板2側から基板Wをみたときに、基板Wが熱反射板2に隠れて見えない。つまり、基板Wの非加熱面の全面を覆っている。
このような熱反射板2を用いることで、非加熱面から放散された熱を非加熱面側に反射して、非加熱面の全体にわたり、熱反射効果が得られる。
熱反射板2としては、アルミ、銅等の反射効率の高い金属を使用する。一方、金属材料の基板への混入を防止するという目的であれば、反射率は多少落ちるもののこれらの金属材料とは別に非金属材料を使用することが考えられる。
また、金属材料の基板との対向面や表面全体を非金属材料でコーティングすることで、金属材料の基板への混入を防止するようにしてもよい。この場合、非金属材料は熱を透過する材料で、金属材料は熱を反射する材料を用いる。
さらに、加熱装置20は加熱位置HPに加熱器4を備えている。基板Wは、移送機構Mで加熱位置HPに移送された後、加熱器4で加熱される。
図2には、加熱位置HPで基板Wが加熱される様子が描かれている。加熱器4と基板W、基板Wと熱反射板2の間に描かれている矢印は、基板Wと熱反射板2の間での熱の流入出と加熱器4から基板Wへの熱の流入を簡単に表したものである。
本発明の構成では、加熱器4で加熱されている基板面の裏側となる非加熱面と対向して熱反射板2が設けられている。この熱反射板2は、図示の通り、支持部1と搬送アーム10との間に保持されている。
この熱反射板2を設けることで、基板Wの非加熱面側から放散される熱を基板側に反射することが可能となる。その結果、基板Wの加熱効率が向上され、昇温時間の短縮化、加熱器4への投入パワーの低消費電力化が可能となる。
この構成例では、搬送アーム10に対して複数の支持部1がボルトによって固定されているが、搬送アーム10と支持部1は一体化されていてもよい。また、熱反射板2として、上述した実施形態では独立した部材が設けられていたが、本発明の熱反射板2はこのような構成に限られない。例えば、搬送アーム10の一部を大型にして、大型にした部位を熱反射板2として使用してもよい。
ただし、取り扱う基板Wの寸法や基板面内での温度分布特性への影響等に応じて熱反射板2の大きさや形状等を適宜変更することを考慮すれば、搬送アーム10とは別に熱反射板2を設けておく方が望ましい。
図3には、加熱効率のさらなる向上を目的とし、駆動源22で加熱器4に連結された駆動軸13を矢印方向に移動させる第二移送機構M2を備えた構成例が描かれている。
第二移送機構M2で、加熱器4が矢印方向へ移動すると、加熱器4の上面に基板Wが当接する。この状態でさらに加熱器4を熱反射板2側へ移動させることで、支持部1から加熱器4に基板Wが移送される。
基板Wを加熱器4に移送させた後の加熱工程では、図1、図2の構成例と比べて、加熱器4と熱反射板2との距離が近づくことから、加熱効率がさらに向上する。
加熱器で基板Wを加熱するタイミングは、基板Wの加熱器4への移送後に行ってもよい。
また、これとは別に、加熱器4に基板Wを移送する前に基板Wの加熱を行うようにしてもよい。具体的には、基板Wの加熱器4への移送前に、基板Wから加熱器4が離間している状態で、一旦、加熱器4で基板Wを加熱する。その後、基板温度が所定温度となった後で加熱器4へ基板Wを移送させ、基板Wをさらに加熱して目標温度にする2段階での加熱方法を採用してもよい。
このような2段階での加熱方法であれば、基板裏面の支持面積が少ない支持部1に基板Wが支持されているときに、基板Wの熱変形に伴う熱ストレスをある程度開放することができる。よって、基板裏面の支持面積が大きい加熱器4上で全ての熱ストレスを開放する場合に比べて、基板裏面の擦れによる傷つきや基板割れのリスクを低減することができる。
第二移送機構M2の構成としては、図3に描かれる構成例に限らない。例えば、加熱器4を移動させる代わりに、搬送アーム10を移動させるようにしてもよい。さらには、加熱器4と搬送アーム10の両方を移動させるようにしてもよい。
このことを一般的に言えば、第二移送機構M2は、加熱位置HPで、支持部1から加熱器4に基板Wを移送して、基板Wを支持部1よりも熱反射板2側に位置させる機構であればよい。
熱反射板2の構成としては種々の変形例が考えられる。例えば、図4、図5に描かれる構成であってもよい。
図4では、熱反射板2の一部に開口3が形成されている。開口3の数は、複数でも単数でもよい。また、開口3の形状は、円形でなく、矩形あるいは三角形等、様々な形状であってもよく、形成される位置についても図示される位置に限定されるものではない。
このような開口3が形成されていれば、例えば、開口3を通じて基板Wの上方から放射温度計による基板Wの温度測定が可能となる。また、開口3の大きさ、形状、位置等を工夫することにより、熱反射板2側の基板面の温度分布を調整することも可能となる。
図4の構成例で、搬送アーム10が設けられている基板中央部の温度測定を基板上方より放射温度計で行う場合には、測定対象とする基板中央部が露出するように、熱反射板2と搬送アーム10の両方に開口3を形成する。また、放射温度計での温度計測に代えて、熱電対を用いて基板Wの温度を計測するようにしてもよい。その他、温度計測については従来から知られている種々の手法を用いることができる。
図5には、平板状の熱反射板2に代えて、基板側に向けて凹形状をした熱反射板2を用いる構成例が描かれている。
図5(A)は、加熱位置HPにある搬送アーム10を上方からみたときの平面図である。図5(B)は、図5(A)に一点鎖線で記載のV−V線で、Z方向に沿って図5(A)に示す構成例を切断したときの断面図である。
この熱反射板2は、搬送アーム10に沿った平坦面と搬送アーム10側から基板W側に向けて漸次拡開する内壁面を有する部材である。
このような熱反射板2を用いることで、図示される矢印のように、非加熱面から放散された熱をより効果的に基板側に反射することができる。
なお、凹形状の例としては、上記した形状に限られない。例えば、漸次拡開する内壁面が非線形的に変化するものであってもよい。
図6、図7には、これまでに述べた加熱装置20を備えた半導体製造装置の構成例が描かれている。同図に描かれる半導体製造装置は、イオン注入装置IMであって、特許文献1の図1と同様の装置である。
イオン源61が略スポット状のイオンビームIBを射出して、質量分析電磁石62と分析スリット63がイオン源61から射出されたイオンビームIBを質量分析し、加減速器64が同イオンビームIBを加速あるいは減速する。その後、エネルギー分離器65が、所望のエネルギーを含むイオンビームIBの成分のみを下流に通し、走査器66が一方向に沿ってイオンビームIBを走査する。走査されたイオンビームIBは、平行化器67を通過することで、ビーム進行方向が互いに平行なイオンビームIBとなるように偏向されて、処理室68に入射する。
処理室68には、本発明の加熱装置20が設けられている。この加熱装置20は、図示されない駆動源により回転軸11周りに独立旋回可能な2本の搬送アーム10の端部に熱反射板2を備えた移送機構Mを備えている。移送機構Mは、搬送アーム10の支持部1に基板Wを支持し、非加熱位置NHである真空予備室ALと加熱位置HPである注入位置との間で基板Wを移送する。
この加熱装置20は、図3で説明した第二移送機構M2を備えている。また、図7に描かれているように、静電チャックEを備えた加熱器4をX軸周りに任意の角度回転させるツイスト機構Twと加熱器4およびツイスト機構TwをY軸周りに任意の角度回転させるチルト機構Tiを備えている。さらに、処理室68の天井からビューポート74を介して、放射温度計73で基板Wの温度計測ができるように構成されている。
支持部1に基板Wが支持された状態で、基板下方にある加熱器4で基板温度が第一の温度になるまで基板Wの加熱が行われる。次に、第二移送機構M2により、加熱器4上に基板Wが移送された後、基板Wが加熱器4上に載置された状態で基板温度が第二の温度(最終的に目標とする基板温度)になるまで基板Wの加熱が行われる。
加熱器4に基板Wが移送された後、搬送アーム10は非加熱位置NHの方へ旋回して加熱器4の上方から移動する。その後、イオンビームIBが基板Wに任意の角度で照射されるように、チルト機構Tiにて基板WがY軸周りに回転される。図6に図示される加熱器4の姿勢は、チルト機構Tiで図7の状態から90度回転されたときの状態である。この状態で、第二移送機構M2で図7に記載の矢印の方向に沿って加熱器4が往復搬送されることで、基板Wへのイオンビーム照射工程が行われる。
図8は、図6、図7のイオン注入装置IMでの実験結果である。この実験結果は、熱反射板2の有無により、静電チャックEを使って、基板Wを安定して強固に固定支持できる状態になるまでに要する時間の差を示したものである。図8の実験結果において、熱反射板2の有無以外の条件は、構成上の違いはない。
図8に示す縦軸の静電容量は、基板Wと静電チャックEの間の静電容量である。静電容量は公知の静電容量計を使って計測される。
加熱器4による基板Wの非加熱時、常温状態で熱歪みのない基板Wを700Vの吸着電圧で静電チャックEにより加熱器4上に吸着させたときの基板Wと静電チャックEとの間の静電容量の値が、図8に示す80%の静電容量に相当している。静電容量が80%に近いとき、基板Wの熱歪が十分に緩和され、基板Wを加熱器4上に安定して強固に固定支持することが可能な状態になったと判断して、次の工程(静電チャックによる基板の固定支持)に進むことが出来る。
図8に示す横軸の時間0秒の時点は、支持部1に支持された基板Wが加熱器4で30秒間加熱された後、基板Wが第二移送機構M2で加熱器4上に移送された時点を指す。
図8より、熱反射板2を備えた本発明の構成と熱反射板2を備えていない構成との比較から、本発明の構成であれば約240秒も早く静電容量が80%に達していることがわかる。このことから、熱反射板2を備えた本発明の構成であれば、安定して、強固な基板の固定支持の条件を充足するまでの時間が大幅に短縮される。
これまでの実施形態では、移送機構Mとして搬送アーム10が基板Wを旋回移送する構成であったが、旋回に代えて直動により基板Wを移送する構成であってもよい。例えば、搬送アームの中央に基板支持部を設け、搬送アームの両端を直動機構によってスライドさせる構成にしてもよい。
また、本発明の加熱装置20の使用環境は、真空、大気のいずれでもよい。
さらに、本発明の加熱装置20は、図6、図7で示したイオン注入装置以外の半導体製造装置として、成膜装置等の基板の予備加熱処理が必要な他の装置にも使用することができる。
基板Wを加熱器4上に固定支持する手段として、静電チャックEを例に説明したが、静電チャックEに代えて、従来から知られている機械式あるいは真空式の固定支持具を用いてもよい。また、これらの固定支持具を組み合わせたものであってもよい。
前記実施形態では、搬送アーム10は長板状の部材であったが、その形状はこれに限定されるものではなく、円形、三角形等、種々な形状のものを用いてもよい。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
W 基板
1 支持部
2 熱反射板
3 開口
4 加熱器
10 搬送アーム
20 加熱装置
HP 加熱位置
NH 非加熱位置
M 移送機構
M2 第二移送機構

Claims (5)

  1. 基板を支持する支持部を有し、加熱位置と非加熱位置との間で基板を移送する移送機構
    と、
    前記加熱位置で、前記基板の一面を加熱する加熱器と、
    前記基板の他面と対向して前記移送機構に設けられた熱反射板を有し、前記熱反射板には開口が形成されていて、
    前記熱反射板が、前記他面を覆う加熱装置。
  2. 前記加熱位置で、前記支持部から前記加熱器に前記基板を移送し、前記基板を前記支持
    部よりも前記熱反射板側に位置させる第二移送機構を備えた請求項1記載の加熱装置。
  3. 前記熱反射板が、前記基板側に向けて凹形状をしている請求項1または2記載の加熱装
    置。
  4. 前記加熱器が、前記基板を前記加熱器上に固定支持する機械式、静電式あるいは真空式
    の固定支持具を備えている請求項1乃至のいずれか一項に記載の加熱装置。
  5. 請求項に記載の加熱装置を備え、
    前記加熱器に固定支持された前記基板に半導体製造処理を施す半導体製造装置。
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