JPH06224135A - エネルギー線加熱装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体の均一な加熱温度制御が可能な加熱
ランプ式加熱装置を提供する。 【構成】 本発明によれば、複数の組に組分けされた複
数の加熱ランプを回転することにより、処理体に対して
複数の照射軌跡、すなわち加熱照射領域を形成し、しか
も各照射領域毎に加熱照射エネルギーを個別に調節する
ことが可能である。その結果、被処理体の迅速かつ均一
な加熱及び均一な温度保持を達成することができる。ま
た、各組の加熱ランプの照射出力割合を予め複数パター
ン設定し、温度センサからの信号と照射出力割合のパタ
ーンとを関連づけることにより、より少ない入力によっ
ても、処理条件に応じた正確かつ細やかな温度制御を行
うことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギー線加熱装置
に関し、特に加熱ランプを用いて半導体ウェハを加熱す
るためのランプ加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、シリコン等の半導
体ウェハの上に集積回路を形成する目的で、被処理体で
ある半導体ウェハ上に薄膜を形成する工程がスパッタ装
置やＣＶＤ装置を用いて行われている。

【０００３】かかる成膜処理工程においては、薄膜を被
処理体である半導体ウェハ上に均一に成長させるため
に、半導体ウェハの全面を均一かつ所定の温度に加熱維
持することが重要な技術的要求である。

【０００４】半導体ウェハの加熱方法としては、大別し
てヒータによる加熱方法とエネルギー線、例えばランプ
の光による加熱方法とが、従来より知られている。この
ランプ加熱方法は、熱エネルギーが輻射により真空中を
良好に伝播することから、被加熱体が真空雰囲気中に載
置されることの多い半導体製造装置においては、広く採
用されている。

【０００５】従来のランプ加熱式真空処理装置の例を図
７に示す。真空容器１００には、被処理体、例えば半導
体ウェハ１０１が載置手段、例えば載置台１０２の上に
載置され、図示しない処理ガス供給手段により、処理ガ
スを処理ガス供給口１０３より上記半導体ウェハ１０１
の上に供給することが可能なように構成されている。ま
た、上記真空容器１００は、図示しない排気手段により
排気口１０４より、所定の真空雰囲気になるように排気
することが可能である。

【０００６】さらに、上記真空容器１００の下方に固定
されたエネルギー線発生源、例えば加熱ランプ１０５か
らの照射光がエネルギー線透過窓、例えば石英ガラスの
窓１０６を介して、上記載置台１０２を加熱することに
より、上記半導体ウェハ１０１を裏面より全面にわたり
加熱することができるように構成されている。

【０００７】しかしながら、上記のような装置ではエネ
ルギー線発生源が固定されているため、被処理体である
半導体ウェハの均一な加熱を行い、かつ処理中の被処理
体の温度を均一に保持することが困難であった。そのた
め、製品の歩留まりを向上させ、成膜の質を向上させる
ためにも、より均一な加熱を迅速に行い、かつ被処理体
の温度を一定に保持することが可能な技術の開発が望ま
れていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のエ
ネルギー線加熱装置の有する問題点に鑑み、本発明の目
的とするところは、被処理体である半導体ウェハの均一
な加熱を迅速に行うことが可能であり、かつ被処理体の
温度を一定に保持することが可能な新規かつ改良された
エネルギー線加熱装置を提供することである。

【０００９】さらに、本発明の別な目的は、従来のもの
よりも少ない温度センサ入力によっても、より細やかに
被処理体の温度制御を行うことが可能な新規かつ改良さ
れたエネルギー線加熱装置の制御方法を提供することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の一つの観点によれば、被処理体を所定位置
に位置決め可能な処理室と、その処理室の壁部の少なく
とも一部を構成する透過窓と、その透過窓を介して前記
被処理体に対してエネルギー線を照射するように構成さ
れたエネルギー線発生源とを備えたエネルギー線加熱装
置において、前記エネルギー線発生源が回転テーブルに
固定された複数の加熱手段から成り、それらの複数の加
熱手段は複数の組に組み分けされ、前記回転テーブルを
回動することにより前記加熱手段の各組がその組ごとに
前記処理体の別個の照射領域に対してエネルギー線を照
射するように構成され、前記加熱手段の各組毎にその照
射出力を調節することが可能であることを特徴とする、
エネルギー線加熱装置が提供される。

【００１１】前記加熱手段としては、例えば加熱ランプ
を使用することが可能であり、その加熱ランプの光軸を
前記加熱手段の各組毎に所定の方向に調整することによ
り、その組の照射領域を決定するように構成することが
できる。

【００１２】また、前記加熱手段が反射鏡を備えている
場合には、前記加熱手段の各組に属する加熱手段の反射
鏡によるエネルギー線反射方向を所定の方向に調整する
ことにより、その組の照射領域を決定するように構成す
ることも可能である。

【００１３】さらに本発明の別の観点によれば、被処理
体を所定位置に位置決め可能な処理室と、その処理室の
壁部の少なくとも一部を構成する透過窓と、その透過窓
を介して前記被処理体に対してエネルギー線を照射する
ように構成されたエネルギー線発生源と、上記処理室内
に配置された少なくとも１つの温度センサとを備え、前
記エネルギー線発生源が回転テーブルに固定された複数
の加熱手段から成り、それらの複数の加熱手段は複数の
組に組み分けされ、前記回転テーブルを回動することに
より前記加熱手段の各組がその組ごとに前記処理体の別
個の照射領域に対してエネルギー線を照射するように構
成され、前記加熱手段の各組毎にその照射出力を調節す
ることが可能に構成されたエネルギー線加熱装置のエネ
ルギー線照射出力の制御方法であって、前記温度センサ
からの出力に応じて前記加熱手段の各組の照射出力を制
御するための制御信号に対して前記加熱手段の各組毎に
異なる重み付けを行い、その際に、その重み付けのため
の重み係数の組を予め複数パターン設定しておき、処理
条件に応じて最適な前記重み付けのための重み係数の組
が選択されることを特徴とする、エネルギー線加熱装置
の制御方法が提供される。

【００１４】なお、本発明によれば、前記重み付けのた
めの重み係数は、処理工程、被処理体の種類又は処理雰
囲気のいずれか１つ又は任意の組合わせに応じて選択す
ることが可能である。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、複数の組に組
分けされた複数の加熱手段を回転することにより、前記
処理体に対して複数の照射軌跡、すなわち加熱照射領域
を形成し、しかも各照射領域毎に加熱照射エネルギーを
個別に調節することが可能である。その結果、被処理体
の迅速かつ均一な加熱及び均一な温度保持を達成するこ
とができる。

【００１６】請求項２に記載の発明によれば、加熱手段
として加熱ランプを使用しているので、各組の加熱ラン
プの光軸方向を調整することにより容易に照射領域を選
定することが可能であり、加熱ランプの出力調整は容易
に行うことができる。

【００１７】請求項３に記載の発明によれば、反射鏡の
反射方向の調節だけで容易にエネルギー線の照射領域を
選定することができる。また、加熱ランプと反射鏡とを
合わせて用いることにより、より効率的に温度制御を達
成することができる。

【００１８】請求項４に記載の発明によれば、各組の加
熱ランプの照射出力割合を、予め複数パターン設定され
た重み付け係数の組を適宜選択することにより調整し、
温度センサからの信号と照射出力割合を処理条件に応じ
て最適に関連づけることが可能なので、より少ない入力
によっても、従来の方法よりも正確かつ細やかな温度制
御を行うことが可能である。

【００１９】請求項５に記載の発明によれば、重み付け
係数の組のパターンを変更するだけで、すなわち、温度
センサからの信号と照射出力割合のパターンとの関連付
けを変更するだけて、処理工程、被処理体の種類、処理
雰囲気などの各種処理条件に応じた細やかな温度制御を
行うことが可能である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明のエネルギー線加熱装置をラン
プ加熱式ＣＶＤ装置に適用した実施例を、図１〜図６を
参照しながら説明する。なお、これらの図において同一
の機能を有する構成部材には同一の番号を付して繰り返
しを省略する。

【００２１】このＣＶＤ装置は、処理室１、例えばアル
ミニウム製の円筒状真空チャンバと、エネルギー線発生
室２とを備えており、適当な載置手段４により、被処理
体、例えば半導体ウェハ３を上記処理室１内の所定の位
置に載置固定することができるように構成されている。

【００２２】上記処理室１の底部には、エネルギー線透
過材料、例えばサファイヤあるいは石英ガラスから成る
透過窓５が設けられており、後述するエネルギー線発生
源からの熱エネルギーを透過して上記被処理体３を加熱
することが可能なように構成されている。

【００２３】さらに上記処理室１の下方外部には、上記
透過窓５を介して、上記エネルギー線発生室２が取り付
けられており、そのエネルギー線発生室２内には、複数
の加熱手段６が上下２層構造の回転テーブル７Ａ及び７
Ｂ上の所定の位置に固定されている。その加熱手段６
は、加熱ランプ８、例えばプッチンランプ、タングステ
ンランプ、あるいはハロゲンランプなどと、反射鏡９と
から構成され、後述するように、それぞれ所定の方向
（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ）に、上記透過窓５を介して、エネ
ルギー線を照射するように構成されている。

【００２４】さらに上記加熱手段６が取り付けられた回
転テーブル７Ａ及び７Ｂは、モータ１０を駆動源とする
回転機構１１、例えばプーリとベルトの組により、シャ
フト１２を中心にして回動することが可能である。

【００２５】上記加熱手段６は、図１の装置のＡ−Ａ線
における断面図である図２に示すように、８つの外側円
周配列の加熱ランプ６Ａと、４つの内側円周配列６Ｂ及
び６Ｃの２列配列の加熱ランプ群から構成されている。
ただし、上記加熱ランプの数及び配列は例示であって、
本発明は上記例に限定されない。

【００２６】本発明によれば、それぞれの加熱ランプ８
の光軸及び反射鏡９のエネルギー線反射方向は、上記回
転テーブル７を回転させることにより、図３及び図４に
示すように、図１の装置のＢ−Ｂ断面において、３つの
照射軌跡又は照射領域、Ｉ（Ｉ’）、ＩＩ、ＩＩＩを形
成するように調整されており、その照射領域ごとに照射
出力を調整することが可能である。

【００２７】すなわち、図１の例では、内側配列の加熱
ランプ６Ｂ及び６Ｃは異なる方向に傾斜されており、結
果として、４つの加熱ランプが一対づつ２組に組み合わ
されて（すなわち、外側方向を向く加熱ランプ対６Ｂ及
び回転軸方向を向く加熱ランプ対６Ａ）、それぞれ図３
又は図４において、軌跡又は温度分布ＩＩ（加熱ランプ
対６Ｂによるもの）又はＩＩＩ（加熱ランプ対６Ｃによ
るもの）として示すような、２つのエネルギー線照射領
域を形成している。これに対して外側配列の加熱ランプ
は全て外側方向、すなわちＩ又はＩ’方向に傾斜してお
り、結果として、図３又は図４において、軌跡又は温度
分布Ｉ（Ｉ’）として示すような１つのエネルギー線照
射領域を形成している。

【００２８】以上のように、本発明に基づく構成によれ
ば、上記回転テーブル７を回動させると、適当に組み合
わされた上記加熱ランプ群６により、例えば図１の装置
のＢ−Ｂ断面において測定した場合に、図４に示すよう
な３つのほぼ同心円状に配置される照射領域が形成さ
れ、その照射領域単位で照射出力を調整することが可能
である。ただし、図示の例では、上記加熱ランプ群６を
３つの照射領域が形成されるように組み合わせて配列し
ているが、本発明は上記例に限定されず、より少数の照
射領域、あるいはより多数の照射領域が形成されるよう
に上記加熱ランプ群を組み合わせることも可能である。

【００２９】さらに、上記処理室１の頂部には、図示し
ない処理ガス供給手段により、被処理体３の表面に成膜
処理を行うための処理ガス、例えばタングステン膜を成
膜する場合には六フッ化タングステンが処理ガスを導入
するための処理ガス供給口１３より供給される。その処
理ガス供給口１３には多孔板１４が設置されており、処
理ガスがその多孔板１４を介してシャワー状に均一に被
処理体の処理面に注がれるように構成されている。

【００３０】上記処理室１の側部には、図示しない真空
排気手段により、所定の真空雰囲気、例えば数１０Ｔｏ
ｒｒから１０^-6Ｔｏｒｒの所定の値に、排気口１５より
真空引きが可能なように構成されている。

【００３１】上記被処理体３の裏面には、ウェハ温度を
測定するための温度センサ１９として熱電対が接触して
いる。図示の例では、熱電対は１つだけ設置されている
が、必要な場合には複数の熱電対を設けることも可能で
ある。この熱電対１９は、図示しない遮蔽板により上記
加熱ランプ６の光が照射しないように構成されている。
上記熱電対１９の分解能は、例えば１℃であり、その出
力電圧は適当なバス手段により制御器２０に送られ、本
発明に基づく制御のために使用される。

【００３２】また、上記石英ガラス製の透過窓５と上記
被処理体３とで囲まれた空間には、不活性ガス供給系１
６、例えばアルゴンガス又は窒素ガス源より、マスフロ
ーコントローラ１７により流量調整された不活性ガスが
不活性ガス供給口１８より供給されるように構成されて
いる。上記空間に導入された不活性ガスについても、処
理ガスと同様に、上記排気口１５より図示しない排気ガ
ス系により排気されるように構成されている。

【００３３】上記のように不活性ガスを、半導体ウェハ
３の処理中に、上記石英ガラス製透過窓４に供給するこ
とで、上記透過窓４に対する成膜を防止することができ
ると共に、上記半導体ウェハ３の裏面周縁部においてそ
のウェハの温度を測定する上記熱電対１９が、上記処理
ガスに触れて劣化するのを防止することができる。

【００３４】さらに、上記エネルギー線発生室２内には
冷却エア導入口２１から冷却エアが導入され、室内及び
上記透過窓４の過熱が防止される。さらに必要な場合に
は、上記エネルギー線発生室２の周囲壁部内に冷媒を流
通させることにより、上記透過窓４の過熱を防止して、
上記透過窓４の劣化及びその処理室側表面への成膜を防
止することが可能である。

【００３５】次に、以上のように構成されたエネルギー
線加熱装置、すなわちランプ加熱式ＣＶＤ装置の動作に
ついて簡単に説明する。まず、図示しないゲートバルブ
を開放し、図示しない搬送アームにより、被処理体、例
えば半導体ウェハ３が、排気手段により予め所定の真空
雰囲気に減圧されている処理室１内に搬入され、載置手
段４の所定の位置に載置固定される。その際に、上記半
導体ウェハ３の裏面に温度センサ、例えば熱電対１９が
接触するように位置決めされる。

【００３６】次いで、本発明に基づいて加熱ランプ６か
らエネルギー線が透過窓５を介して半導体ウェハ３に照
射され、半導体ウェハ３は短時間で、例えば３０秒ほど
で、常温から成膜処理温度、例えば５００℃まで急加熱
される。所定の温度に到達した後、処理ガス供給口１３
から処理ガスが上記処理室１内に導入され、成膜処理が
行われる。

【００３７】上記のように所定時間、成膜処理を行った
後、処理ガスの供給が停止され、加熱ランプ６の電源が
落とされる処理室内の処理ガスが排気手段により排気口
１５より排気された後、再びゲートバルブが開放され、
搬送アームにより成膜処理が終了した半導体ウェハ３が
外部に搬出される。

【００３８】次に、以上のように動作するランプ加熱式
ＣＶＤ装置のランプ加熱の制御方法について説明する。
図１及び図２に示す装置によれば、加熱ランプ６により
照射領域は、図３及び図４に示すように、３つのゾーン
に分かれており、各照射領域ごとにその出力を調整する
ことが可能である。例えば、各照射領域に対する照射出
力を均等にした場合には、図３に示すように、ゾーン
Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩにおけるピーク値がほぼ一定の値とな
り、そのピーク値対応しての各照射領域部分にある半導
体ウェハ部分ほぼ均一に加熱されることになる。

【００３９】しかしながら、半導体ウェハの吸熱及び放
熱条件は、周囲の処理条件、被処理体の種類、あるいは
処理工程によって大きく変化するため、均一な照射出力
により半導体ウェハの均一な加熱が達成できるものとは
限らない。例えば、条件によっては、周囲の照射出力を
中心の照射出力より高く、あるいは逆に低く設定するこ
とにより、結果的に半導体ウェハの均一な加熱が達成で
きる場合がある。

【００４０】そこで、本発明によれば、サンプルウェハ
を用いて、周囲の処理条件、被処理体の種類及び処理工
程に応じて、結果的に半導体ウェハの均一な加熱が達成
できる照射出力をゾーン単位のパワー比として複数パタ
ーン予め設定しておく。さらに、予め設定されたパワー
比のパターンを、図５に示すように、各照射ゾーンに対
するパワーを制御するための制御器からの出力信号と、
それぞれの照射ゾーンに対応する所定の重み係数（Ｋ
１、Ｋ２、Ｋ３…）の組とにより予め関連付けておく。
このような関連付けを予め行うことにより、本発明に基
づく好適な実施例によれば、単一の温度センサを設置す
るのみで、その制御器からの出力に対して、適当に選択
された重み係数の組に基づいて重み付けを行うだけで、
処理工程、被処理体の種類又は処理雰囲気に応じた最適
な半導体ウェハの加熱制御を行うことが可能である。

【００４１】例えば、図６に示すように、処理準備工程
（０〜Ｓ）においては、被処理体を急速にかつオーバー
シュートを最小限に抑えながら、所定の成膜温度にまで
到達させることが好ましい。これに対して、成膜処理工
程（Ｓ〜Ｅ）においては、被処理体の温度を精度よく均
一に保持するような温度制御が要求される。このよう
に、同じ処理工程においても、要求される制御要求が異
なり、しかもその工程に応じて処理雰囲気（例えば、処
理ガスの有無、圧力の相違）も大きく異なる場合があ
る。かかる場合には、温度センサからの出力は同じであ
っても、異なる温度制御が要求されるため、従来の制御
方法では精度の高い温度制御を達成することができなか
った。

【００４２】しかしながら、このような異なる条件下に
おいても、本発明によれば、処理工程に応じて重み付け
係数（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３…）を変更することにより、同
一の温度センサからの同一の出力に基づいて、処理工
程、被処理体の種類又は処理雰囲気に応じた、最適な温
度制御を達成することが可能である。

【００４３】例えば、図６に示すように５００℃を最適
な成膜温度条件とする場合には、本発明によれば、準備
加熱モード（０〜Ｓ）においては、例えば、外側照射領
域（Ｉ）を内側照射領域（ＩＩ、ＩＩＩ）よりも高いパ
ワー比とすることにより、オーバーシュートの少ない急
速加熱を達成することができる。これに対して、成膜時
加熱モード（Ｓ〜Ｅ）においては、例えば、外側照射領
域（Ｉ）を内側照射領域（ＩＩ、ＩＩＩ）よりも小さな
パワー比とすることにより、精度よく温度の均一性を保
持することが可能となる。

【００４４】以上、実施例としてＣＶＤ装置について述
べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、スパ
ッタ装置、レーザアニール装置、エッチング装置、アッ
シング装置等に適用することができる。

【００４５】また、上記実施例においては被処理体とし
て半導体ウェハについて説明したが、本発明はこの他に
も液晶基板の製造工程において、ガラス基板等について
も適用することが可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明に基づくエネルギ
ー線加熱装置によれば、複数の組に組分けされた複数の
加熱手段を回転することにより、前記処理体に対して複
数の照射軌跡、すなわち加熱照射領域を形成し、しかも
各照射領域毎に加熱照射エネルギーを個別に調節するこ
とができるので、被処理体である半導体ウェハの均一な
加熱を迅速に行うことが可能であり、かつ被処理体の温
度を一定に保持することが可能である。そのため、製品
の歩留まり及びスループットの向上を図ることができ
る。

【００４７】さらに、本発明に基づくエネルギー線加熱
装置の制御方法によれば、重み付け係数を変更すること
により、従来のものよりも少ない温度センサ入力によっ
ても、より細やかに被処理体の温度制御を行うことが可
能であり、従って、加熱装置の部品点数を減らし、その
製造コストを軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくエネルギー線加熱装置の一実施
例の縦断面図である。

【図２】図１の装置のＡ−Ａ線における横断面図であ
る。

【図３】図１の装置のＢ−Ｂ断面における温度分布を示
す説明図である。

【図４】図１の装置のＢ−Ｂ断面における照射領域を示
す説明図である。

【図５】本発明に基づく重み付け制御を示すブロック図
である。

【図６】成膜処理時の半導体ウェハ温度の経時変化を示
すグラフである。

【図７】従来のエネルギー線加熱装置の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 処理室 ２ エネルギー線発生室 ３ 被処理体 ５ エネルギー線透過窓 ６ 加熱手段 ７ 回転テーブル １１ 回転機構 １２ シャフト Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ エネルギー線照射領域

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理体を所定位置に位置決め可能な処理
   室と、その処理室の壁部の少なくとも一部を構成する透
   過窓と、その透過窓を介して前記被処理体に対してエネ
   ルギー線を照射するように構成されたエネルギー線発生
   源とを備えたエネルギー線加熱装置において、 前記エネルギー線発生源が回転テーブルに設けられた複
   数の加熱手段から成り、それらの複数の加熱手段は複数
   の組に組み分けされ、前記回転テーブルを回動すること
   により前記加熱手段の各組がその組ごとに前記被処理体
   の別個の照射領域に対してエネルギー線を照射するよう
   に構成され、前記加熱手段の各組毎にその照射出力を調
   節することが可能であることを特徴とする、エネルギー
   線加熱装置。
2. 【請求項２】前記加熱手段が加熱ランプから成り、前記
   加熱手段の各組に属する加熱ランプの光軸を所定の方向
   に調整することにより、その組の照射領域が決定される
   ことを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー線加熱
   装置。
3. 【請求項３】前記加熱手段が反射鏡を備え、前記加熱手
   段の各組に属する加熱手段の反射鏡によるエネルギー線
   反射方向を所定の方向に調整することにより、その組の
   照射領域が決定されることを特徴とする、請求項１又は
   ２に記載のエネルギー線加熱装置。
4. 【請求項４】被処理体を所定位置に位置決め可能な処理
   室と、その処理室の壁部の少なくとも一部を構成する透
   過窓と、その透過窓を介して前記被処理体に対してエネ
   ルギー線を照射するように構成されたエネルギー線発生
   源と、上記処理室内に配置された少なくとも１つの温度
   センサとを備え、前記エネルギー線発生源が回転テーブ
   ルに固定された複数の加熱手段から成り、それらの複数
   の加熱手段は複数の組に組み分けされ、前記回転テーブ
   ルを回動することにより前記加熱手段の各組がその組ご
   とに前記被処理体の別個の照射領域に対してエネルギー
   線を照射するように構成され、前記加熱手段の各組毎に
   その照射出力を調節することが可能に構成されたエネル
   ギー線加熱装置のエネルギー線照射出力の制御方法であ
   って、 前記温度センサからの出力に応じて前記加熱手段の各組
   の照射出力を制御するための制御信号に対して前記加熱
   手段の各組毎に異なる重み付けを行い、その際に、その
   重み付けのための重み係数の組を予め複数パターン設定
   しておき、処理条件に応じて最適な前記重み付けのため
   の重み係数の組が選択されることを特徴とする、エネル
   ギー線加熱装置の制御方法。
5. 【請求項５】前記重み付けのための重み係数の組が、処
   理工程、被処理体の種類又は処理雰囲気のいずれか１つ
   又は任意の組合わせに応じて選択されることを特徴とす
   る、請求項４に記載のエネルギー線加熱装置の制御方
   法。