JP7416554B1 - 半導体処理装置に用いる加熱源保持機構、加熱源保持方法及び半導体処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】シール劣化を防止できる半導体処理装置に用いる加熱源保持機構、加熱源保持方法及び半導体処理装置を提供する。【解決手段】半導体処理装置１０に用いられ、加熱源２２が気密部材３６を介して支持部で支持される加熱源保持機構であって、加熱源２２の気密部材３６との接触部位に、輻射熱を遮断する輻射熱遮断部が位置するものであり、例えば石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面に輻射熱遮断部としての金属膜Ｘ１が塗布されていることにより、石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａで生じた加熱エネルギーが金属膜Ｘ１で遮断され、気密部材３６に熱伝導しない。【選択図】 図７
Description
本発明は、半導体処理装置に用いられる加熱源保持機構、加熱源保持方法及びこれらを備えた半導体処理装置に関する。
従来の半導体処理装置では、シリコン基板に対する熱処理工程が行われる。熱処理工程では、シリコン基板を摂氏３００～１２００度に加熱し、アニール処理、酸化処理及び不純物の拡散処理等が数十工程ほど繰り返される。
ここで、熱処理工程では、一度に複数枚（例えば、２５～２００枚程度）のシリコン基板を一度に熱処理するバッチ処理装置、又は１～４枚のシリコン基板を一度に熱処理する枚葉処理装置がある。
枚葉処理装置として、アルゴンガス又はハロゲンガスを添加及び封入した石英管式のヒータを用いてシリコン基板を急速に加熱するＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）装置及びアニール装置等が用いられる。
熱処理工程で用いる熱源は、所謂シングルエンド構造のヒータと、棒状の石英管内にタングステン線を単線又はコイル状に形成した発熱部を連続して配置した石英管の両端から電源を導入する所謂ダブルエンド構造のヒータが代表的である。
ここで、例えば、ダブルエンド構造のヒータでは、シリコン基板が円盤であることから円形かつ環状が均熱の観点から好ましい。このヒータを熱処理室で気密状態を保ちながら保持する方法として、エラストマー材料（例えば、バインドゴム又はフッ素ゴム）のＯリングが用いられている。Ｏリングによってヒータが保持されることにより、熱処理室内部での気密状態が維持されている。
しかしながら、熱がヒータの石英管内部を伝わり光学的に伝搬する。熱処理室の内部で用いる熱量はかなり大きいものであるから、ヒータと接触しているＯリングには直接的な輻射により加熱され、溶融状態又は炭化状態に至ることがある。このため、Ｏリングが劣化して機能せず、シール劣化による熱漏れのほか、ヒータの保持力がなくなりヒータが落下する等の問題が生じるおそれがある。
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、シール劣化を防止できる半導体処理装置に用いる加熱源保持機構、加熱源保持方法及び半導体処理装置を提供する。
第１の発明は、半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持機構であって、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に、輻射熱を遮断する輻射熱遮断部が位置する。
前記輻射熱遮断部は、金属膜であり、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に、前記金属膜を介在させてもよい。
前記輻射熱遮断部は、光学フィルター膜であり、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に、前記光学フィルター膜を介在させてもよい。
前記輻射熱遮断部は、不透明石英であり、前記加熱源の前記気密部材との接触部位が前記不透明石英で構成されていてもよい。
前記加熱源の端部を折り曲げて非発熱部が形成され、前記非発熱部に前記輻射熱遮断部が施されることが好ましい。
前記気密部材は、例えば、Ｏリングで構成されてもよい。
前記Ｏリングは、エラストマー材料で構成されてもよい。
第２の発明は、上記加熱源保持機構を備えた半導体処理装置である。
第３の発明は、半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持方法であって、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に、輻射熱を遮断する金属膜が塗布される。
第４の発明は、半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持方法であって、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に、輻射熱を遮断する光学フィルター膜が塗布される。
第５の発明は、半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持方法であって、前記加熱源が透明石英と、不透明石英と、で構成され、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に前記不透明石英が位置するように前記透明石英と前記不透明石とが接続される。
本発明によれば、半導体処理装置に用いられる加熱源保持機構のシール劣化を防止できる。
本発明の一実施形態に係る半導体処理装置に用いる加熱源保持機構、加熱源保持方法及び半導体処理装置について、図面を参照して説明する。
［半導体処理装置の全体構成］
図１に示すように、半導体処理装置１０は、シリコン基板（例えば半導体ウエハ、シリコンウエハともいう。図示省略）を装置内部に形成された空間部１２に収容し、シリコン基板に対して加熱して熱処理を実行するための装置である。半導体処理装置１０は、シリコン基板を載せる土台部１４と、土台部１４を上方から覆う蓋部１６と、土台部１４と蓋部１６の周囲を囲む周壁部１８と、で構成されている。土台部１４と蓋部１６と周壁部１８とで囲まれた空間部１２が、熱処理時においてシリコン基板を大気から遮断可能となる気密空間になる。換言すれば、半導体処理装置１０は、熱処理室ともいわれる。
図１に示すように、半導体処理装置１０は、シリコン基板（例えば半導体ウエハ、シリコンウエハともいう。図示省略）を装置内部に形成された空間部１２に収容し、シリコン基板に対して加熱して熱処理を実行するための装置である。半導体処理装置１０は、シリコン基板を載せる土台部１４と、土台部１４を上方から覆う蓋部１６と、土台部１４と蓋部１６の周囲を囲む周壁部１８と、で構成されている。土台部１４と蓋部１６と周壁部１８とで囲まれた空間部１２が、熱処理時においてシリコン基板を大気から遮断可能となる気密空間になる。換言すれば、半導体処理装置１０は、熱処理室ともいわれる。
図２に示すように、蓋部１６は、蓋部本体２０と、蓋部本体２０の内面側に配置された加熱源２２と、を有している。加熱源２２は、光を透過する部材、例えばハロゲンヒータで構成され、具体的には石英ヒータが使用される。光が透過する部材であれば、石英のほか、ガラス系、サファイアのセラミック材料、アクリル樹脂、プラスチック樹脂、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムなどの結晶材で構成されてもよい。以下、加熱源２２として、石英ヒータ２２Ｈを例にあげて説明する。この場合、半導体処理装置１０は、ハロゲンヒータ容器と称する。
図３及び図４に示すように、石英ヒータ２２Ｈは、シリコン基板が平面視において円盤状に形成されていることから、平面視で円形かつ環状に形成されていることが好ましい。
ここで、石英ヒータ２２Ｈは、平面視において円周方向に沿って部分的に非連続になる空隙部２４が形成されている。この空隙部２４は非発光部２４Ｎである。例えば、図４に示す石英ヒータでは、円周上に沿って４カ所の非発光部２４Ｎが形成されているが、個数が４個に限定されるものではない。
ここで、石英ヒータ２２Ｈは、径方向に沿って径の異なる複数の円形かつ環状の石英ヒータが配置されている。この配置構造の石英ヒータ２２Ｈは、径方向に沿った直線上に複数の非発光部２４Ｎが存在しているが、径方向に沿って隣接する非発光部２４Ｎと非発光部２４Ｎとの間には、石英ヒータ２２Ｈの発光部２５Ｂ（図４参照）が介在している。なお、発光部２５Ｂとは、石英ヒータ２２Ｈの石英管が存在している部位をいう。
図１に示すように、蓋部本体２０の内面側には、反射処理板２６が設けられている。反射処理板２６により、石英ヒータ２２Ｈから放出される輻射熱が反射され、蓋部本体２０の内部への伝熱を回避している。これにより、蓋部本体２０への固定伝導熱による熱ダメージを防止できる。反射処理板２６に限定されるものではなく、蓋部本体２０の内面に反射処理膜を塗布して形成してもよい。
蓋部本体２０の内部には、冷却液を流すための冷却液流路２８が形成されている。冷却液流路２８に冷却液を流通させることにより、蓋部１６の全体を冷却している。
［加熱源保持機構］
次に、半導体処理装置に用いる加熱源保持機構について説明する。
次に、半導体処理装置に用いる加熱源保持機構について説明する。
図１及び図２に示すように、石英ヒータ２２Ｈは、蓋部１６に保持されている。蓋部１６には、鉛直方向（重力方向）に延びる取付フランジ３０が形成されている。このため、蓋部１６には、蓋部１６の内面と取付フランジ３０で囲まれた凹部３２が形成されている。石英ヒータ２２Ｈは、この凹部３２に位置している。なお、反射処理板２６は、蓋部１６の内面から取付フランジ３０にわたって設けられており、輻射熱を反射する。
図５に示すように、石英ヒータ２２Ｈは、水平方向に延びる第１ヒータ部２３Ａと、第１ヒータ部２３Ａと接続するとともに鉛直方向（重力方向）に延びる第２ヒータ部２３Ｂと、で構成されている。蓋部本体２０には厚み方向に貫通した貫通孔３４が形成されており、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂが貫通孔３４に挿通されている。なお、例えば、第２ヒータ部２３Ｂは、第１ヒータ部２３Ａに対して垂直に折り曲げて形成されるが、両者を別部材で形成して相互に接続してもよい。
このため、円周方向に隣接する石英ヒータ２２Ｈは、図３及び図４に示すように、第２ヒータ部２３Ｂの部位において非連続になり、非発光部２４Ｎが形成される。また円周方向に隣接する石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａ同士の離間距離を最小距離Ｔ（図５参照）に設定することができ、非発光部２４Ｎを最小化にして半導体処理装置１０の大型化を回避している。
石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂは、例えば、非発熱部として形成される。
図５に示すように、蓋部本体２０には厚み方向に貫通した貫通孔３４の内周面には、気密部材３６が配置されている。気密部材３６は、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂと押圧することにより、石英ヒータ２２Ｈを保持している。気密部材３６は、例えば、弾性部材であり、Ｏリングで構成される。Ｏリングは、エラストマー材料で形成されている。エラストマー材料として、例えば、バインドゴム又はフッ素ゴムなどが使用される。
貫通孔３４の内周面には、気密部材３６に対して押圧するための圧縮リング３８と、圧縮リング３８を蓋部本体２０に固定するための抑えフランジ４０が設けられている。これにより、気密部材３６は、貫通孔３４の内周面に固定される。
蓋部１６の上方側（大気側）には、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂに接続する電流導入部４２が突出している。電流導入部４２に電圧が印加されて、石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａが発熱し、シリコン基板が加熱される。電流導入部４２は大気側に露出しているため、電流導入部４２への伝熱がなく、発熱による技術的な問題は生じない。
［加熱源保持機構の輻射熱遮断処理］
次に、半導体処理装置１０に用いる加熱源保持機構に対する輻射熱遮断処理について説明する。
次に、半導体処理装置１０に用いる加熱源保持機構に対する輻射熱遮断処理について説明する。
図７に示すように、石英ヒータ２２Ｈの近傍、すなわち石英ヒータ２２Ｈからの光が気密部材３６に対して照射可能な光路上の位置に、輻射熱を遮断する輻射熱遮断部が施されている。例えば、石英ヒータ２２Ｈの外表面であって気密部材３６との接触部位に、輻射熱を遮断する輻射熱遮断部が施されている。換言すれば、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面には、輻射熱遮断部としての金属膜（金属反射膜）Ｘ１が塗布されている。金属膜Ｘ１は、熱反射率が高くて熱を吸収し難い、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、金、ニッケルなどを単体で又は任意の材質を混合して構成されている。金属膜Ｘ１により石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａからの輻射熱が反射し、第２ヒータ部２３Ｂの内部への伝熱を防止できる。このため、第２ヒータ部２３Ｂは、非発熱部としての機能が維持される。
なお、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面に金属膜（金属反射膜）Ｘ１を塗布する構成以外のものとして、例えば、金属膜Ｘ１を別部材で形成し、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面に被せ、又は巻回することも可能である。
別の実施形態として、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面には、輻射熱遮断部としての光学膜（光学フィルター膜、赤外線フィルター膜、図示省略）が塗布されている。光学膜により石英ヒータ２２Ｈからの輻射熱が反射し、第２ヒータ部２３Ｂの内部への伝熱を防止できる。このため、第２ヒータ部２３Ｂは、非発熱部としての機能が維持される。光学膜として、例えば、曇りガラス、石英に乱反射する材料、発泡させて光散乱、屈折率を変えて光を透過させない金属を使用してもよい。
なお、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの表面には、赤外線フィルター膜（光学フィルター膜）を塗布する構成以外のものとして、例えば、赤外線フィルター膜を別部材で形成し、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの表面に被せ、又は巻回することも可能である。
別の実施形態として、図８に示すように、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの材質を不透明石英Ｘ２で構成し、第１ヒータ部２３Ａの材質を透明石英で構成し、不透明石英Ｘ２の端部と透明石英の端部とで融着させて接続してもよい。不透明石英Ｘ２の端部と透明石英の端部との接続部は透明石英になるものの、第２ヒータ部２３Ｂに輻射熱遮断部を形成することができる。これにより、第２ヒータ部２３Ｂは、非発熱部としての機能が維持される。
なお、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの材質を不透明石英Ｘ２で構成する以外のものとして、例えば、別部材として不透明石英Ｘ２で形成した輻射熱反射部材を作り、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面に輻射熱反射部材を被せ、又は巻回することも可能である。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図５乃至図８に示すように、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂを蓋部本体２０の貫通孔３４に挿通し、気密部材３６が第２ヒータ部２３Ｂと接触して保持する構成では、石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａで発生した加熱エネルギー（図６の矢印参照）が第２ヒータ部２３Ｂに向かって熱伝搬していき、第２ヒータ部２３Ｂの温度が高温になる。このとき、第２ヒータ部２３Ｂと接触している気密部材３６にも加熱エネルギーが熱伝搬し、気密部材３６の温度が高温になる。
詳細には、一般に石英では、熱エネルギーを可視光４００ｎｍから赤外光２７００ｎｍの範囲で投下することができるが、熱源を中心とした石英管の放射方向（配管断面方向）に透過するとともに、石英管の軸方向にも透過する性質がある。このため、石英ヒータ２２Ｈを気密部材３６で鉛直方向（重力方向）に支持する構成では、気密部材３６は石英管の壁を伝達した可視光～赤外線の熱の影響を受けることになる。この理由により、第２ヒータ部２３Ｂと接触している気密部材３６にも加熱エネルギーが熱伝搬して高温になり、この温度が気密部材３６の耐熱温度以上に至る場合には、気密部材３６が溶融又は焼損するのである。
これらの理由から、半導体処理装置１０での熱処理では、気密部材３６が異常な程の高温状態になるため、気密部材３６が溶融又は炭化、さらには弾性劣化する。このため、石英ヒータ２２Ｈと蓋部本体２０の貫通孔３４との間に隙間が形成され、隙間から外部に熱が逃げる技術的問題が生じるおそれがある。外部への熱漏れが生じると、シリコン基板に対する熱処理が不十分になり、不良の原因になる。また、気密部材３６が溶けると、石英ヒータ２２Ｈを保持する保持力が弱くなり、石英ヒータ２２Ｈが落下する不具合が生じるおそれもある。
そこで、本実施形態では、図７に示すように、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面には、輻射熱遮断部としての金属膜（金属反射膜）Ｘ１が塗布されている。このため、石英ヒータ２２Ｈの第１ヒータ部２３Ａで生じた加熱エネルギーは、金属膜Ｘ１で遮断されるため、第２ヒータ部２３Ｂに熱が伝導しない。これにより、第２ヒータ部２３Ｂの温度が高温になることを阻止できる。この結果、第２ヒータ部２３Ｂと接触する気密部材３６の温度が高温になることも回避でき、気密部材３６の劣化を防止できる。
気密部材３６の劣化を防止できるため、気密部材３６による第２ヒータ部２３Ｂの保持力を確保できる。このため、外部への熱漏れや石英ヒータ２２Ｈの落下を防止できる。
また、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの外表面には、金属や誘電材料等を用いて、輻射熱遮断部としての赤外線フィルター膜（光学フィルター膜）が塗布されている構成でも、同様の作用が得られる。
図８に示すように、石英ヒータ２２Ｈの第２ヒータ部２３Ｂの材質を不透明石英Ｘ２で構成しても、同様の作用が得られる。
なお、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具現した一例に過ぎないものである。本発明は、当然ながらこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を利用した全ての態様を含むものである。
１０ 半導体処理装置
１２ 空間部
１４ 土台部
１６ 蓋部（支持部）
１８ 周壁部
２０ 蓋部本体
２２ 加熱源
２２Ｈ 石英ヒータ
２３Ａ 第１ヒータ部
２３Ｂ 第２ヒータ部
２４ 空隙部
２４Ｎ 非発光部
２５Ｂ 発光部
２６ 反射処理板
２８ 冷却液流路
３０ 取付フランジ
３２ 凹部
３４ 貫通孔
３６ 気密部材
３８ 圧縮リング
４０ 抑えフランジ
４２ 電流導入部
Ｘ１ 金属膜
Ｘ２ 不透明石英
１２ 空間部
１４ 土台部
１６ 蓋部（支持部）
１８ 周壁部
２０ 蓋部本体
２２ 加熱源
２２Ｈ 石英ヒータ
２３Ａ 第１ヒータ部
２３Ｂ 第２ヒータ部
２４ 空隙部
２４Ｎ 非発光部
２５Ｂ 発光部
２６ 反射処理板
２８ 冷却液流路
３０ 取付フランジ
３２ 凹部
３４ 貫通孔
３６ 気密部材
３８ 圧縮リング
４０ 抑えフランジ
４２ 電流導入部
Ｘ１ 金属膜
Ｘ２ 不透明石英
Claims (8)
- 半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持機構であって、
前記加熱源は、光を透過する部材で構成され、
前記気密部材に対して光が照射する光路上に、輻射熱を遮断する輻射熱遮断部が位置し、
前記輻射熱遮断部は、光を遮断する光学膜である、加熱源保持機構。 - 前記輻射熱遮断部は、前記加熱源の前記気密部材との接触部位に設けられる、請求項１に記載の加熱源保持機構。
- 前記加熱源の端部を折り曲げて非発熱部が形成され、
前記非発熱部に前記輻射熱遮断部が施される、請求項１又は２に記載の加熱源保持機構。 - 前記気密部材は、Ｏリングで構成される、請求項１又は２に記載の加熱源保持機構。
- 前記Ｏリングは、エラストマー材料で構成される、請求項４に記載の加熱源保持機構。
- 請求項１又は２に記載の加熱源保持機構を備えた、半導体処理装置。
- 半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持方法であって、
前記加熱源は、光を透過する部材で構成され、
前記気密部材に対して光が照射可能な光路上に、光を遮断する金属膜を塗布して形成される、加熱源保持方法。 - 半導体処理装置に用いられ、加熱源が気密部材を介して支持部で支持される加熱源保持方法であって、
前記加熱源は、光を透過する部材で構成され、
前記気密部材に対して光が照射可能な光路上に、光を遮断する光学膜が塗布して形成される、加熱源保持方法。
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