KR100336167B1

KR100336167B1 - 열처리장치

Info

Publication number: KR100336167B1
Application number: KR1019940018629A
Authority: KR
Inventors: 기타야마히로후미; 시바다토시미쓰; 미야주토시아키; 미야기카쓰신
Original assignee: 동경 엘렉트론 주식회사
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 2002-09-12
Also published as: KR950004380A; US5622639A

Abstract

보온통상에 얹어놓인 피처리체 보우트(웨이퍼 보우트)에 피처리체를 얹어놓고, 이 피처리체 보우트를 처리용기내로 로드하여 열처리를 행하는 열처리장치에 있어서, 처리용기의 내관과 외관의 간극부로서 그들의 아래쪽의 열용량이 비교적 큰 막형성 영역에 온도검출센서를 설치하여 그 부분에 위치하는 피처리체의 온도를 검출하고 히터부의 온도를 제어한다. 이것에 의하여 열응답성을 향상시키고, 또한, 정확한 피처리체의 온도검출을 행하는 것이 가능하게 한다.

Description

열처리장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}

본 발명은, 반도체 웨이퍼등의 피처리체를 열처리하는 열처리장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 웨이퍼와 같은 피처리체를 균일한 온도로 가열한 상태에서 소정의 열처리를 하여, 이 표면에 박막을 형성하거나 열확산을 행하는 장치로서 열처리장치가 사용되고 있다.

이러한 종류의 종래의 열처리장치를 제 7 도에 의거 설명한다.

이 열처리장치(2)는, 석영제의 내관(4)과 여기에 동심형상으로 배치되므로서 지름이 큰 외관(6)으로 이루어지는 처리용기(8)를 가지고 있다. 이 처리용기(8)중에 석영제 웨이퍼 보우트(10)에 여러개 적층해서 수평으로 얹어놓은 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)가 엘리베이터(12)에 의해서 승강되어, 끼우고 떼는 것이 자유롭게 수용되어 있다.

이 처리용기(8) 하부에는, 처리가스 공급관(14) 및 가스배기관(16)을 가지는 스테인레스강제의 매니폴드(18)가 접속되고, 이 하단 개구부에는, 스테인레스강제의 캡부(20)가 기밀하게 이 개구부를 밀폐할 수 있도록 설치되어 있다. 이 캡부(20)상에, 단열기능을 가지는 석영제의 보온통(21)을 통해서 웨이퍼 보우트(10)가 얹어놓인다.

처리용기(8) 바깥둘레에는, 이 처리용기(8)를 가열하기 위한 히리부(22)가 그 높이방향을 따라서 감겨져 있다. 이 히터부(22) 바깥측은, 단열재(24)를 통해서 스테인레스강제의 아우터 쉘(26)로 덮히고, 전체적으로 가열로(28)를 구성하고 있다.

여기에서, 웨이퍼(W)를 열처리하는 경우의 온도관리는, 대단히 중요한 요소이다. 이 때문에 정밀한 온도제어를 행하기 위하여, 가열존은 처리용기(8)의 높이방향으로 여러개, 즉, 그 상방으로부터 하방으로 향해서 제 1 ∼ 제 5 의 가열존(30A∼30E)으로 5분할 되어 있다. 각 가열존(30A∼30E)에 대응시켜서 히터부(22)에 온도센서, 즉 외부 열전쌍(32A∼32E)가 설치되고, 이 검출치에 의거해서 대응하는 각 가열존(30A∼30E)의 히터부(22)의 전력을 개별적으로 제어할 수 있도록 되어 있다.

또, 웨이퍼(W)와 히터부(22)와의 사이는, 어느정도 거리가 있으므로, 히터부의 외부 열전쌍(32A∼32E)에는 웨이퍼(W)의 정확한 온도가 반영되기 어렵다. 이 때문에 이것을 어느정도 보상하기 위하여, 내관(4)과 외관(6)과의 사이에는 L자형상으로 형성된 석영제의 열전쌍관(34)이 매니폴드(18)로 부터 탈착이 가능하게 배치되어 있으며, 이 속에 가열존(30A∼30E)에 대응시켜서 여러개의 내부열전쌍(36A∼36E)이 수용되어 있다.

그런데, 이와같은 열처리장치에서 웨이퍼(W)의 열처리를 행하는 경우, 예로서 사전에 400℃온도로 가열된 처리용기(8)내에 상온의 웨이퍼 보우트(10) 및 여러개의 웨이퍼(W)를 로드한 때에 노 내 온도가 내려간다. 그러나, 그후, 히터부(22)의 파워를 올려서 노 온도를 프로세스온도, 즉 850℃정도로 승온한다. 이때, 웨이퍼보우트(10)의 꼭대기영역으로부터 바닥영역 근방, 구체적으로는, 최상부의 가열존(30A)으로부터 최하부의 하나 위의 가열존(30D)까지는, 열용량이 비교적 작기 때문에, 승온 및 온도안정에 필요한 시간은 비교적 짧고, 제어하기가 쉽다.

그러나, 다른영역과 비교하여 바닥영역, 상세하게는 최하부의 가열영역(30E)은 단열재로서 사용하고 있는 보온통(21)의 열용량이 크고 노 입구로부터의 방열이 크기 때문에, 승온 및 온도안정에 필요한 시간은 비교적 길어진다.

그래서, 온도안정에 필요한 시간을 짧게 하기 위해서는, 가열영역의 승온율을 가급적 크게 함과 동시에 오버슈트등을 발생시키지 않고 온도를 안정시키는 온도제어가 필요하게 된다. 이 때문에, 실제의 온도제어는, 히터부(22)에 설치한 외부 열전쌍(32A∼32E)에 있어서의 온도를 모니터할 뿐 아니라, 노 내에 설치한 내부 열전쌍(36A∼36E)의 온도도 모니터하고, 외부 열전쌍(32A∼32E) 또는내부열전쌍(36A∼36E)의 검출치로 히터부의 온도를 제어하면서, 내부열전쌍(36A∼36E)이 설정온도로 되도록 제어하는 것이 행하여지고 있다.

그러나, 상기와 같은 열처리장치에 있어서는, 웨이퍼 온도를 측정하기 위하여 내부 열전쌍(36A∼36E)을 내관(4)과 외관(6)과의 사이에 설치하여 온도보상을 하도록 되어 있다. 그러나, 이 경우에는, 내부 열전쌍(36A∼36E)과 웨이퍼(W) 사이의 거리가 충분히 접근하고 있다고는 할 수가 없으며, 이 때문에 온도의 응답성이 충분하지는 않다. 특히, 보온통(21)을 배치하여 열용량이 큰 바닥영역에서는 온도 응답성이 떨어지고, 전체의 웨이퍼 온도 안정화까지 많은 시간을 요한다는 문제점이 있었다.

또, 열처리, 예컨대 막형성중에 있어서는, 처리가스 공급관(14)으로부터 도입된 처리가스는 내관(4)내를 상승하여 반응생성물이 웨이퍼(W)면에 퇴적하고, 처리가 끝난 가스가 내관(4)과 외관(6)과의 사이를 흘러 내려서 가스배기관(6)으로부터 배출된다. 그러나, 내부 열전쌍(36A∼36E)을 수용하는 열전쌍관(34)이 처리가스류의 하류측에 배치되어 있으므로, 반응후의 잉여물질, 즉 디클로로실란과 암모니아를 사용하여 질화실리콘을 형성하고 있는 경우에는, 부생성물로서의 염화암모늄이, 또, 실란을 사용하여 실리콘막을 형성하고 있는 경우에는, 막질이 떨어지는 실리콘막이, 또한, TEOS를 사용하여 실리콘 산화막을 형성하고 있는 경우에는, 막 질이 떨어지는 실리콘 산화막이 열전쌍관(34)의 주위나 매니폴드에 대한 열전쌍관 장착부에 각각 부착한다. 이 때문에 내부 열전쌍 보수유지시의 열전쌍관의 분리 장해를 야기하여, 분리시에 열전쌍관이 파손되거나 혹은 관 벽에 부착한 퇴적물을 세정제거하는 것도 큰 작업이었다. 그리고, 이와같이 열전쌍관 벽에 퇴적물이 부착하므로서, 이것이 열장해가 되어 웨이퍼의 정확한 온도를 한층 더 측정하기 어렵게 하고 있었다.

나아가서는, 내부 열전쌍으로서 여러개, 즉, 5개씩이나 사용하지 않으면 안되어, 여기에 접속되는 연결선도 길어져서, 코스트의 상승을 피할 수 없다는 문제점도 있었다.

본 발명은, 이상과 같은 문제점에 착안하여, 이것을 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 온도검출센서를 피처리체에 가깝게, 또한 응답을 가장 신속하게 파악하는 장소에만 설치하고, 더우기, 그 장착부를 막형성 영역의 아래쪽의 막형성 영역에 위치시켜서 열응답성을 향상시킴과 동시에 메인티넌스성도 향상시킨 열처리장치를 제공하는데 있다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 처리용기내에, 보온통상에 얹어놓은 히터부 포트에 수용된 히터부를 도입해서 열처리를 하는 열처리장치에 있어서, 처리용기내의 하부의 열용량이 비교적 큰 장소로서, 열처리시의 형성막이 부착하는 막형성 영역에 온도 제어용의 온도검출센서를 설치하도록 구성한 것이다.

본 발명은, 이상과 같이 구성하였으므로, 온도검출센서 즉 보온통과 내관과의 사이에 형성되는 막형성영역에 배치되어 있으므로, 열제어 대상영역으로 되어 있는 부분의 온도를 열응답성이 양호하며, 또한 한층 더 정확하고 신속하게 측정할 수가 있다. 따라서, 피처리체 전체를 보다 신속하게 프로세스온도까지 조기에 열안정화시킬 수가 있다. 또한, 수율을 한층 더 향상시키는 것이 가능하게 된다.

(제 1 실시예)

이하에, 본 발명에 관한 열처리장치의 제 1 실시예를 첨부도면에 의거 상세히 설명한다.

제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 열처리장치를 도시하는 종단면도이다. 그리고, 제 7 도에 도시하는 종래장치와 동일부분에 대해서는, 동일부호를 붙인다.

제 1 도에 도시된 바와 같이, 이 열처리장치(38)는, 예로서 석영에 의하여 원통형상으로 성형되어서, 상단부는 폐쇄되고 하단부가 개방된 처리용기(처리실)(8)를 가지고 있다. 이 처리용기(8)내는, 상단부가 밀폐된 천장을 가지는 석영제의 외관(6)과, 이보다 지름이 작고, 이 내측에 동심형상으로 배치되어서, 상단이 개방된 원통형상의 석영제의 내관(4)으로 구성된다.

그리고, 이 내관(4)내에, 예로서 석영으로 된 피처리체 보우트(웨이퍼 보우트)(10)에 상하방향으로 소정 피치로 여러개가 수평으로 적층 재치된 피처리체, 즉 반도체 웨이퍼(W)가 끼우고 떼는것이 자유롭게 수용되어 있다. 여기에서, 외관(6)과 내관(4)의 반경방향의 간격 및 내관(4)과 웨이퍼 보우트(10)의 간격은, 각각 20mm정도로 설정되어 있다.

이 처리용기(8)의 바깥 둘레에는, 이것을 덮고 동축적으로 가령 나선형상으로 감긴 히터부(22)가 설치됨과 동시에, 이 히터부(22)의 바깥둘레에는 단열재(24)를 통해서 예로서 스테인레스강으로 이루어지는 통체 형상의 아우터 쉘(26)이 설치되어, 전체적으로 가열로(28)를 구성하고 있다.

이 가열로(28)의 가열영역은, 정밀한 온도제어를 하기 위하여 처리용기(8)의 높이방향으로 여러개, 즉 그 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 제 1 ∼ 제 5의 가열존(30A∼30E)으로 5분할 되어 있다.

각 가열존(30A∼30E)에 대응시켜서 히터(22)에 온도센서, 즉 외부열전쌍(32A∼32E)이 설치되고, 이 온도검출치에 의거해서 대응하는 각 가열존의 히터부(22) 전력을 개별적으로 제어할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 히터부(22)도 가열존에 대응시켜서 5분할(22A∼22E)되어 있다.

또한, 처리용기(8)의 하단부에는, 예로서 스테인레스강으로서 이루어지는 통체형상의 매니폴드(18)가 접속되어 있다. 이 매니폴드(18)의 상단부에는 고리 형상의 플랜지부(18A)가 형성됨과 동시에 이 플랜지부(l8A)에는 외관(6)의 하단 플랜지부(6A)가 예를 들면 0 링(40)을 통해서 기밀하게 지지되어 있다.

매니폴드(18)는, 그 내측 돌출부(18B)에 의하여 내관(4)의 하단부를 지지한다. 한편, 이 매니폴드(18)에는, 처리가스를 도입하기 위한 처리가스공급관(14)이 그 앞끝단을 내관(4)의 내측까지 뻗게하여 연결됨과 동시에 도시하지 않은 진공펌프에 접속되는 가스배기관(16)이 외관(6)과 내관(4)과의 사이에 연이어 통하도록 연결되어 있다.

상기 웨이퍼 보우트(10)는, 단열기능을 발휘하는, 즉 석영으로 이루어진 보온통(21)상에 얹어놓임과 동시에 이 보온통(21)은, 매니폴드(10)의 하단 개구부를, 0 링(42)을 통해서 기밀가능하게 봉하는, 예를 들면 스테인레스강으로서 이루어지는 캡부(20)에 회전가능하게 지지되어 있다. 이 캡부(20)는 승강기구, 즉 엘리베이터(12)에 의하여 유지되어서 승강하며, 웨이퍼 보우트(10)를 내관(4)내에 로드 혹은 언로드할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고, 처리용기(8)내의 하부의 열용량이 다른 부분과 비교해서 비교적 큰 부분이고, 열처리시의 목적으로 하는 성막이 부착하는 막형성 영역(44)에 온도제어용의 온도검출센서(46)가 설치된다. 이 온도검출센서(46)는, 직경이 약 9mm 정도의 L자 형상으로 성형된 센서용 유리관(50)과, 그 중에 수용된 1개의 바닥용 열전쌍(52)으로서 이루어진다. 이 열전쌍(52)을 목적으로 하는 성막이 부착하는 막형성영역(44)내에 위치시킴과 동시에, 이 유리관(50)을 내관(4)의 내벽과 보온통(21)의 외벽과의 사이에 형성되는 간극부(54)내에 설치하고, 그 기초단부인 장착부(51)를 매니폴드(10)의 관통구멍(56)에 가령 0 링(58)을 통해서 기밀하게 관통지지시켜두고 있다.

이 관통구멍(56)은, 막형성영역(44)의 아래쪽이며, 반응부 생성물등이 부착하지 않는 막 불형성영역(59)에 위치된다.

이 경우, 바닥용 열전쌍(52)은, 바닥영역 중에서도 최하단의 가열존(30E)의 외부 열전쌍(32E)에 대략 수평방향으로 대향시켜서 위치되고 있다. 이 위치가 최적 위치이다. 반응용기(8)내의 하부에서 반응 부생성물등이 형성되지 않는 막 불형성영역(59)은, 막형성공정의 종류가 다름으로써 또는 같은 막형성공정에서도 처리온도가 상이함에 따라, 혹은 보온통(21)의 형상이 상이함에 의해서도 변동하며, 예로서 일반적으로는 보온통(21) 높이의 약 2/3의 위치보다도 하방의 간극부가 막 불형성영역(59)이 된다. 즉, 보온통(21) 높이의 약 2/3인 곳에, 반응 부생성물등이 형성되지 않는 막 불형성영역(59)과 목적하는 반응 생성물이 형성되는 막형성 영역(44)의 경계선인 막형성 경계선(61)이 위치하는 경우가 많다.

막 불형성영역(59)과 막형성영역(44)의 경계선인 막형성 경계선(61)은, 상술한 바와같이 일반적으로는 보온통(21) 높이의 약 2/3인곳에 위치하며, 이 막형성 경계선(61)과 최하단의 가열존(30E)의 상부근방, 예로서 웨이퍼 보우트(10) 내의 얹어놓인 웨이퍼 중, 최하단으로부터 몇개, 즉, 3매정도 상방에 위치하는 웨이퍼와 동일 수평레벨(63)과의 사이의 범위, 바람직하게는, 막형성 경계선(61)과 웨이퍼 보우트(10)의 하단부와 동일 수평레벨(65)과의 사이의 범위에 온도검출센서(46)의 바닥용 열전쌍(52)을 위치시킨다. 막형성 경계선(61)은, 전술한 바와같이 처리공정이나 처리온도 혹은 보온통(21)의 형상등에 의하여 상하 변동하므로, 이들 변동조건에 대응시켜서, 바닥용 열전쌍(52)이 항상 막형성영역(44) 내에 위치하도록 센서용 글래스관(50)을 매니폴드(18)에 장착한다.

이 경우, 바닥용 열전쌍(52)을, 수평레벨(63)을 넘어서 그 위쪽으로 위치시키면 열용량이 작은 영역에 위치되게 되어, 열용량이 커서 온도제어가 비교적 곤란한 처리용기내 바닥부의 온도를 정확하게 검출할 수 없게된다.

이 바닥용 열전쌍(52)에서의 온도는, 바닥용 검출부(60)에서 검지되며, 이 출력은, 예로서 마이크로콤퓨터로서 이루어지는 제어부(62)에 입력된다. 또, 히터부(22)에 설치한 각 외부열전쌍(32A∼32E)의 온도는 외부 열전쌍 검출부(64)에서 검지되며, 이 출력은 제어부(62)로 입력된다. 이 제어부(62)에 있어서는, 이들 입력치에 의거해서 각종의 제어방식을 사용하고, 히터구동부(66)를 통해서 분할히터부(22A∼22E)를 개별적으로 제어하도록 되어 있다.

이 경우, 바닥영역 보다도 위쪽에서도, 제 1 도에 도시하는 장치에서 사용되고 있던 내부 열전쌍이 생략된다. 그러나, 이것은 이 부분이 바닥용 열전쌍(52)을 설치한 영역과 비교해서 열용량이 비교적 작고, 그 때문에 열응답성도 양호하여 내부 열전쌍을 사용하지 않아도 정확한 온도 제어가 가능하게 되지 때문이다.

그리고, 처리용기(8)의 외관(6)과 내관(4)과의 간격부에 다른 열전쌍을 설치하여도 좋다.

다음에, 이상과 같이 구성된 제 1 실시예의 열처리장치에 의거하여 행하여지는 온도제어법에 관해서 설명한다.

우선, 제 1 도에 도시하는 바와같이, 최하단의 가열존(30E)을 제시한 그보다 상방의 부분은, 노 입구를 개방하였을 때의 방열이 적고, 피처리체 및 이것을 수용하는 웨이퍼 보우트가 하부 존에서 예열되어서 오기 때문에 온도변화가 적고, 또한 피처리체의 열용량도 작기 때문에 온도안정에 필요한 시간은 짧으므로, 각 외부 열전쌍(32A∼32D)만을 사용한 온도제어를 행한다.

이에 대하여, 최하단의 가열 존(30E)은, 피처리체의 로드시에 보온통(21)이 위치하므로, 열용량이 비교적 커서 열 응답성이 양호하지 못하다. 그 때문에, 외부열전쌍(32E)과 바닥용 열전쌍(52)의 쌍방을 사용한 세밀한 온도제어를 행한다.

여기에서, 노 내의 온도특성을 고려하면, 히터부(22)의 온도와 웨이퍼 근방과의 사이에는, 예로서 5℃정도의 온도차가 반드시 발생하는 것은 불가피하다. 그래서, 실제의 열처리를 하기에 앞서, 제 7 도에 도시되는 내부 열전쌍과 같은 여러개의 테스트 열전쌍을 가지는 열전쌍관을 웨이퍼 보우트(10)와 내관(4) 사이에 그 아래쪽으로부터 삽입하고, 각 테스트 열전쌍과 대응하는 외부 열전쌍과의 온도차를 구하여 온도 프로파일을 사전에 작성하고, 이 온도차를 보정치로서 제어부(62)에 입력하여 둔다.

따라서, 최하단의 가열존(30E) 이외의 가열존(30A∼30D)에서의 웨이퍼 온도는 이하의 식으로 구하여지며, 제 2 도에 도시하는 온도제어 블록도에 의거하여 온도제어된다. 즉,

웨이퍼온도(설정온도) = 외부 열전쌍온도 + 보정치

(테스트 열전쌍 온도 - 외부 열전쌍 온도)

이에 대하여, 최하단의 가열존(30E)에서는, 외부 열전쌍(32E)과 바닥용 열전쌍(52)의 쌍방의 검출치를 사용하여, 가령 제 3 도의 도시와 같은 제어가 행하여진다.

또, 제 1 도에 도시하는 가열로(28)는, 웨이퍼에 대한 자연산화막이 형성되기 어려운 온도범위 내에서 비교적 높은 온도, 예를 들면 400℃정도로 사전에 히터부(22)에 의해서 예열되어 있다. 그리고 다수의 반도체 웨이퍼(W)를 소정 피치로 수용한 웨이퍼 보우트(10)를 엘리베이터(12)로 예열된 처리용기(8)내에 로드하고, 캡부(20)로 매니폴드(18)의 하단 개구부를 닫아서, 처리용기(8)내를 밀폐한다. 그리고, 히터부(22)의 파워를 올려서, 웨이퍼(W)의 온도를 프로세스 온도, 즉 850℃까지 승온하여 온도가 안정되면, 처리가스 공급관(14)으로부터 소정의 처리가스를 공급하고, 도시하지 않은 진공펌프로 처리용기(8)내를 진공흡인하여 소정의 압력,즉 0.5Torr 정도로 유지해서 열처리, 즉 막형성처리를 한다. 이 경우, 처리가스 공급관(14)으로부터 노 내로 도입된 처리가스는, 보온통(21)과, 내관(4)과의 사이의 간극부(54)를 상승해서 균열상태에 있는 웨이퍼 영역으로 흐르고, 여기에서 목적하는 반응생성물이 형성되어서 웨이퍼 면에 성막이 행하여진다. 내관(4)내를 상승한 처리가스는 처리용기(8)의 천장부에서 U턴하여 내관(4)과 외관(6)과의 사이에 흘러 들어가고, 이 사이를 흘러 내려가서 가스 배기관(16)으로부터 밖으로 배출되게 된다.

여기에서 노 내 온도는 이 가열로(28)에 설치한 각 열전쌍에 의하여 항시 검출되고 있으며, 검출된 온도는 바닥용 검출부(60) 및 외부 열전쌍용 검출부(64)를 통해서 제어부(62)에 입력되고, 제어부(62)는 설정온도에 의거해서 히터 구동부(66)를 통해서 히터부(22)의 파워를 제어한다.

이 제어는 5분할된 가열존(30A∼30E)마다 독립해서 행하여지기 때문에 분할히터부(22A∼22E)마다 개별적으로 온도제어하게 된다.

예로서 예열시의 400℃로부터 프로세스 온도인 850℃까지의 승온시를 예로 들면, 최하부의 가열존(30E)보다도 위쪽의 가열존(30A∼30E)에서는 열용량이 비교적 작으므로 열 응답성이 좋고, 제 2 도 도시내용과 같이 제어된다. 즉, 각 가열존(30A∼30D)의 외부열전쌍(32A∼32D)에서 검출된 값에 대하여 사전에 각 존(30A∼30D)에 대응해서 구하여진 보정치, 즉 -5℃(일반적으로 히터부보다도 웨이퍼의 온도가 5℃ 정도 낮은 것으로 한다)를 가하고, 이 보정된 값과 웨이퍼의 설정온도를 비교하여 차이값을 구한다. 그리고, 이 구하여진 차이값에 의거해서 새로운조작량을 구하여 대응하는 분할 히터부를 제어한다. 이 경우, 차이값이 항상 제로를 유지하도록 온도제어가 이루어진다.

이와같이 최하부의 가열존(30E) 이외의 가열존(30A∼30D)은 열용량이 비교적 작고 열응답성이 양호하기 때문에, 외부열전쌍(32A∼32D)만을 사용한 온도 제어에서도 이들 가열존 오버슈트등을 발생시키지 않고 프로세스 온도로 조기에 안정시킬 수가 있다. 따라서 프로세스 온도 까지의 승온 및 온도 안정에 필요한 시간은 짧다.

이에 대하여 최하부의 가열존(30E)에 있어서는 외부열전쌍(32E)뿐만 아니라 바닥용 열전쌍(52)의 검출온도치도 사용해서 정밀한 제어를 한다. 즉, 외부 열전쌍의 검출온도와 바닥용 열전쌍의 검출온도를 일정한 비율로 혼합한 온도에 대해서 설정온도와 일치하도록 노 온도 제어를 하는 것이다. 그 때문에, 외부열전쌍의 이점이 최종 목적 온도에 대한 수속의 양호성과, 내부에 위치하는 바닥용 열전쌍(52)의 이점이 설정치에 대한 추종의 양호성 및 내부 온도의 급격한 변화에 대한 노 온도 제어의 응답의 양호성 쌍방의 이점을 믹스한 것이 되어 웨이퍼 로우딩시의 온도 리커버리를 향상시킬 수가 있다.

제 3 도에 도시하는 바와같이 외부 열전쌍(30E)에서 검출된 온도차에 대해서 사전에 이 가열존(30E)에 대응해서 구하여진 보정치를 가하여, 이 보정후의 값과 바닥용 열전쌍(52)에서 검출된 온도치를 소정 비율에 의해서 믹스해서 믹스치를 구한다. 그리고, 이와같이 하여 구한 믹스치를 설정온도와 비교해서 이들의 차이값을 구하고, 이 차이값에 의거해서 새로운 조작량을 구하여 분할히터부(22E)를 제어한다.

예로서, 상온의 웨이퍼(W)를 처리용기(8)내에 로드한 당초는 급격히 온도가 내려가므로, 이 시점에서는 최하부의 분할히터부(22E)의 파워를 다른 부분에 비하여 약간 크게 하여 승온속도를 올려서 어느 정도까지 승온시키면 오버히트 방지를 위하여 파워를 통상적인 승온속도를 얻을 수 있는 파워로 설정한다.

노 전체의 온도 안정까지의 시간은 열용량이 비교적 작은 바닥측의 온도 안정된 속도로 제어되어 버린다. 그러나, 이와같이 열용량이 비교적 큰 최하부의 가열존(30E)만은 내부에 설치된 바닥용 열전쌍(52)과 외부 열전쌍(32E)만의 내부에 설치된 바닥용 열전쌍(52)과 외부 열전쌍(32E)의 검출치에 의거해서 온도 제어하도록 하였으므로, 이 부분에서의 승온 및 온도 안정에 요하는 시간을 대폭적으로 단축할 수가 있다. 따라서 노 전체의 온도 안정까지에 요하는 시간을 짧게 할 수가 있으며, 수율을 향상시킬 수가 있다.

제 1 도에 도시하는 바와같이 특별히 처리용기 내의 바닥부의 막형성 영역(44) 내에 온도센서(46)의 바닥용 열전쌍(52)을 설치하도록 하였으므로, 열응답성이 좋아지며, 온도를 높여 목적하는 막형성을 위한 화학반응이 생기는 막형성영역의 온도를 확실하게 또한 신속하게 측정하여 성장시킬 수가 있다. 그 결과, 이 부분에서의 승온 및 온도 안정에 요하는 시간을 더욱 대폭적으로 단축시킬 수가 있고, 따라서 노 전체의 온도 안정에 요하는 시간을 한층 더 짧게 하여 열 리커버리를 개선하고, 수율을 한층 더 향상시킬 수가 있다.

또, 바닥용 열전쌍(52)을 수용한 센서용 유리관(50)의 장착부(51)는 처리가스 흐름의 상류측이며, 온도가 낮고 반응생성물이나 반응 부생성물이 거의 생기지 않는 막 불형성 영역(59)의 매니폴드(18)의 하부 측벽에 설치하여 지지시키고 있다. 이 때문에, 이 장착부에 생성물이 부착하기 어려워 탈착이 용이하게 되어서 센서용 글래스관에 부착한 형성막을 제거하는 등의 보수유지 작업이나 세정작업을 신속하게 할 수가 있다. 더욱이 열전쌍용의 연결선 수도 1개에 불과하여 한층 세정조작이 용이하게 된다.

또한, 센서용 글래스관(50)은 내관(4)의 안쪽에 설치되어 있으므로, 종래 장치와 달리, 보수유지시에는 내관(4)을 떼어내지 않고 이 센서용 글래스관(50)을 떼어내는 것이 가능하다. 또한, 사용하는 열전쌍의 수도 대폭으로 삭감하는 것이 가능하므로, 단가의 삭감에도 기여하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는, 최하부의 가열존(30E)에 있어서의 온도제어방식이, 2개의 열전쌍의 비율을 혼합한 제어방식에 대하여 설명하였다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 최초에 설정온도와 내부의 바닥용 열전쌍(52)의 검출온도를 비교하여 차이값을 구하고, 이 차이값에 상기 설정온도를 더하여 새로운 설정치를 구하고, 이 새로운 설정치와 외부 열전쌍(32E)의 온도검출이 일치하도록 제어하는 소위 캐스케이드 제어방식을 이용하여도 좋다.

또한, 상기 실시예로서는, 가열존을 5개로 분할한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한정하는 것이 아니고, 그것 이하 또는 그 이상으로 분할되고 있는 경우에도 적용할 수 있다.

또한, 상기 실시예의 장치는, 웨이퍼 보우트(10)를 회전시키도록 한 구조이나, 본 발명은 웨이퍼 보우트(10)를 회전시키지 않는 구조의 장치에도 적용할 수 있음은 물론이다.

(제 2 실시예)

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 제 2 실시예의 열처리장치를 적용한 반도체웨이퍼의 종형 열처리장치에 대하여 설명한다.

제 4 도는, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 열전쌍 도입튜브(약칭 T/C 튜브)를 장착한 종형열처리장치의 종단면도이다.

제 4 도에 나타낸 바와 같이, 이 제 2 실시예의 열처리장치의 열처리로(124)는 처리용기(126)와 가열부로 구성되어 있다. 이 처리용기(126)는, 매니폴드(132)와, 예를 들면 석영글래스에 의하여 원통형상으로 형성되고 상단부가 폐쇄되며 하단부가 개방된 외관(128)과, 외관(128)내에 동심형상으로 형성되고, 예를 들면 석영으로 구성되는 상하단이 개방된 원통형상의 내관(130)의 2중관구조로 형성되어 있다.

그리고, 이 내관(130)은, 반도체웨이퍼 W 를 여러층 탑재한 웨이퍼 보우트(118)를 수용가능하게 하고 있다. 또한, 웨이퍼 보우트(118)도 석영으로 형성되어 있다.

외관(128)의 바깥둘레에는, 이것을 둘러싸고 동축적으로, 예를 들면 저항 가열히터(144)가 형성됨과 동시에, 이 가열히터(144)의 바깥둘레에는, 단열재(146)를 통하여, 예를 들면 스테인레스강에 의하여 구성되는 통형상의 아우터쉘(136)이 설치되며, 전체로서 열처리로(124)를 구성하고 있다. 또한, 처리용기(126)내는, 가열히터(144)를 제어함으로써 가열처리온도, 예를 들면 300 ∼ 1200℃ 의 범위에서 예정된 처리프로그램에 의하여 적절히 설정가능하도록 되어 있다.

외관(128)의 하단부에는, 예를 들면 스테인레스강에 의하여 이루어진 통행상의 매니폴드(132)가 접속되고, 이 매니폴드(132)의 상단부에는 고리형상의 플랜지부(133)가 형성됨과 동시에, 플랜지부(133)에 형성한 고리형상 홈내에는 시일부재로서 0 링(135)이 끼워져, 외관(128)과 매니폴드(132)의 사이의 간극을 기밀하게 밀봉하고 있다. 또한, 매니폴드(132)는, 내관(130)의 하단부를 지지하는 한편, 한쪽 하부에는 처리가스를 공급하기 위한 가스도입관(137)이 연결되고, 반대측 상부에는 외부의 진공펌프(139)에 접속된 배기관(141)이 접속되어 있으며, 처리용기(126)내를 진공배기한 후에 반응가스를 그 속에 도입하도록 구성되여 있다.

또한, 웨이퍼 보우트(118)는, 예를 들면 석영으로 형성된 보온통(138)의 상부에 얹어놓여지고, 이 보온통(138)은, 예를 들면 스테인레스강에 의하여 이루어지는 뚜껑체(140)에 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 그리고, 뚜껑체(140)는, 0 링(143)을 통하여 매니폴드(132)의 하단개구부를 기밀하게 막도록 구성되어 있다. 또한, 뚜껑체(140)는, 보우트 엘리베이터(120)에 설치되고, 웨이퍼 보우트(118)를 처리용기(126)내로 로드, 언로드가능하도록 구성되어 있다, 또한, 웨이퍼 보우트(118) 및 보온통(138)은 뚜껑체(140)에 장착된 회전구동기구(153)에 의하여 소정속도로 회전하도록 구성되어 있다.

가스도입관(137)은 석영등에 의하여 L 자형상으로 굴곡형성되고,매니폴드(132)의 관통부에 있어서, 예를 들면 스텐레스강으로 이루어진 외부의 가스배관(145)과 접속되어 있다. 그리고, 가스배관(145)은 외부의 가스공급원(147), 예를 들면 CVD 반응가스공급원에 접속되어 있다.

또한, 가열히터(144)에는, 처리용기(126)내의 처리공간(134)을 종방향으로 5 영역으로 나누고, 각각을 바람직한 온도조건에서 가열가능한 5 존방식으로 채용되어 있다.

다음에, 본 발명의 제 2 의 실시예에 관한 열처리장치에 사용되는 T/C 튜브및 그 지지기구에 대하여 여기서 설명한다.

제 5 도에 나타낸 바와 같이, T/C 튜브(150)는 석영으로 형성되고, 그 내부에는 5가열존을 커버하는 5쌍의 열전쌍(151)이 수용되어 있으며, 가열히터(144)의 5존방식에 대응하여 막부착 처리온도를 정확하게 검출하도록 구성되어 있다. 그리고, 각 열전쌍(151)의 도선은 열처리장치의 외부에 배치되어 있는 온도측정기(152)(제 4 도 참조)에 접속되고, 제 1 도에 나타낸 바와 같이 5존의 각 히터를 피드백제어하도록 회로구성되어 있다. 또한, 이 피드백계에는, 도시하지 않은 컴퓨터에 의한 자동제어 시스템이 접속되어 있다.

또한, T/C 튜브(150)의 하단부에는 제 5 도에 나타낸 바와 같이 플랜지(155)가 설치되어 있다. 이 플랜지(155)의 윗면에는 고리형상 홈(156)이 형성되고, 이 고리형상홈(156)내에는 0 링(158)이 장착되어 있다. 한편, 뚜껑체(140)의 아래면에는, 웨이퍼 옮겨싣기시에 옮겨싣는 장치의 이동방향과 간섭하지 않는 위치에 원형의 오목부(160)가 형성되고, 그 속에 관통구멍(162)이 형성되어 있다. 그리고, 이관통구멍(162)을 통하여 T/C 튜브(150)를 끼워 통하고, 플랜지부(154)의 윗면을 오목부(160)의 아래면에 밀착시킴에 의하여, T/C 튜브(150)가 뚜껑체(140)에 대하여 수직으로 위치결정되어 세워설치된다. 그리고, 플랜지(155)에 형성된 복수의 구멍을 통하여 복수의 멈춤나사(164)를 플랜지(140)에 대하여 부착및 이탈이 자유롭게 고정하도록 되어 있다. 이상과 같이 본 제 2 실시예에 있어서의 T/C 튜브(150)의 지지기구(154)가 구성되어 있다.

또한, 멈춤나사(164)는, 로우렛 가공된 그 나사머리부와 플랜지(154)의 아래면과의 사이에 테프론워셔(168)를 끼워서 손으로 돌려 고정하도록 구성되어 있다. 또한, T/C 튜브(150)내에 삽입된 5쌍의 열전쌍의 하단부는 묶여져서 케이블(170)로 되고, 처리용기 외부의 온도측정기(152)에 접속되어 있다.

이와 같이 구성된 T/C 튜브(150)의 지지기구를 이용하면, 플랜지부(154)에 의하여 뚜껑체(140)에 대하여 매우 정확하게 T/C 튜브(150)를 수직으로 부착하여 고정하는 것이 가능하다. 또한, 부착은 복수개의 볼트를 손으로 조임으로써 행하므로, 매우 용이하고, 빼내기도 단시간에 행하는 것이 가능하다.

다음에, 본 발명의 제 2 실시예의 T/C 튜브및 그 지지기구의 변형예에 대하여 설명한다.

제 6 도에 나타낸 바와 같이, 이 변형예는, 뚜껑체(140)에 형성된 관통구멍(162)내에 금속제의 가이드 부재(172)가 용접등에 의하여 고착되고, 가이드부재(172)의 안구멍은 소정길이를 가지고 있다. 안구멍의 상단에 장착된 제 1 의 0 링(174)과, 테프론 워셔(176)를 통하여 소정거리 종방향으로 떨어진 제 2 의 0링(178)에 의하여, 2점지지로 T/C 튜브(150)를 뚜껑체(140)에 대하여 수직으로 지지하도록 되어 있다.

그리고, 제 2 의 0 링(178)은, 누름워셔(180)를 통하여 캡 나사(182)에 의하여 지지고정되어 있다. 이 캡나사(182)를 돌림으로써 누름워셔(180)가 상승하여 가이드부재(172)와 테프론워셔(176)와 누름워셔(180)로 되고, 제 1 및 제 2의 0 링(174),(178)를 밀어 T/C 튜브(150)를 탄성적으로 파지고정하도록 되어 있다. 이상과 같이, 제 2 실시예의 변형예에 있어서의 T/C 튜브(150)의 지지기구(171)가 구성되어 있다. 또한, T/C 튜브(150)내에 삽입된 5쌍의 열전쌍은, 마찬가지로 그 하단부가 묶여 케이블(170)로 되고, 외부의 온도측정기(152)에 접속되어 있다.

이와 같이 구성된 제 2 실시예의 변형예에 관한 T/C 튜브의 지지기구를 사용하면, 2개의 0 링(174),(178)의 밀어누름 파지에 의하여 극히 정확하게 T/C 튜브(150)를 뚜껑체(140)에 대하여 수직으로 부착고정하는 것이 가능하다. 또한, 부착은 캡나사(182)를 손으로 조임으로써 행하므로, 극히 용이하며, 빼내기도 단시간에 행하는 것이 가능하다.

또한, 상기와 같이 T/C 튜브(150)를 뚜껑체(140)에 세워 설치하여 구성하면, 열처리중에 T/C 튜브(150)를 웨이퍼 보우트(118)의 가로에 접근하여 지지하는 것이 가능하므로, 열처리중의 피처리체가 받는 온도에 가장 가까운 온도를 비접촉으로 리얼타임으로 측정하는 것이 가능하다.

다음에, 상기 열처리장치의 제 2 실시예에 있어서의 로내의 CVD 프로세스에 대하여 제 4 도를 참조하면서 설명한다.

먼저, 다수의 반도체웨이퍼 W가 소정피치로 수용된 웨이퍼 보우트(118)를 보우트 엘리베이터(120)에 의하여 처리용기(126)내로 로드하고, 뚜껑체(140)에 의하여 매니폴드(132)의 개구부를 닫고 처리용기(126)내를 밀폐한다. 그리고 가스도입관(137)으로부터 소정량의 처리가스, 예를 들면 TEOS 를 공급하면서 배기관(141)을 통하여 진공펌프(139)에 의하여 진공배기하여 처리용기(126)내를 소정의 압력, 예를 들면 1 Torr 로 설정한다. 또한, 가열히터(144)에 의하여 처리용기(126)내를 소정의 온도, 예를 들면 700℃로 유지하면서, 상기 TEOS 를 예를 들면 약 100 cc/min 공급하고, 소정시간 막형성 처리를 행한다.

이 막형성처리를 행하고 있는 사이, 웨이퍼 보우트(118)를 회전구동기구(153)에 의하여 소정의 속도로 회전함으로써, 반도체웨이퍼 W 를 회전시켜 놓는다. 그리고, 막형성처리시에 있어서, 가스도입관(137)으로부터 도입된 처리가스는, 가스도입관(137)의 앞끝단 방출구로부터 처리용기(126)내로 방출되는 때에 정류되고, 층류로 되어 상승하여 옴과 동시에, 그 일부는 반도체웨이퍼 W 에도 흘러들고, 반도체웨이퍼의 전 표면에 소망하는 균일한 막이 형성된다.

본 발명의 제 2 실시예에서는, 이러한 막형성시에 웨이퍼 보우트(118)의 근방에 T/C 튜브(150)를 수직으로 유지하고, 막형성중의 웨이퍼 W 부근의 온도를 측정하고, 이 측정치에 기초하여 가열히터(144)를 피드백 제어하는 것이 가능하므로, 막형성중의 노내 온도를 균일하게 유지하는 것이 가능하다.

또한, 막형성 프로세스를 반복하면 T/C 튜브의 외면에도 막형성되어 열전도성이 열화하므로, T/C 튜브를 정기적으로 세정할 필요가 있다, 그러나, 그 경우에도 본 발명에서는, T/C 튜브의 뚜껑체에 대한 부착 및 이탈이 매우 용이하므로, 단시간에 분리 또는 교환하여 세정을 행하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명을 반도체웨이퍼용의 CVD 장치에 적용한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 각종의 변형실시가 가능하다. 예를 들면, 본 발명을 산화로, 확산로, 에칭장치, 애싱장치 또는 LCD 기판의 CVD 장치등에도 적용하는 것이 가능하다.

제 1 도는 본 발명의 열처리장치의 제 1 실시예의 종단면도.

제 2 도는 제 1 도에 도시한 열처리장치의 최하단의 가열존의 온도제어 블록도.

제 3 도는 제 1 도에 도시한 열처리장치의 최하단의 가열존의 온도제어 블록도.

제 4 도는 본 발명의 열처리장치의 제 2 실시예의 종단면도.

제 5 도는 제 4 도에 도시한 열처리장치의 열전쌍 튜브의 지지기구(화살표 A방향 부분)의 일부확대 종단면도.

제 6 도는 제 5 도에 도시한 열전쌍 튜브기구의 변형예의 일부확대 종단면도.

제 7 도는 종래의 열처리장치의 종단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 열처리장치 4 : 내관

6 : 외관 8 : 처리용기

10 : 웨이퍼 보우트 12 : 엘리베이터

14 : 처리가스 공급관 16 : 가스배기관

18 : 매니폴드 18A : 플랜지부

18B : 돌출부 20 : 캡부

22 : 히터부 24 : 단열재

26 : 아우터 쉘 28 :가열로

30A 내지 32E : 가열존 34 : 열전쌍관

36A 내지 36E : 내부 열전쌍 40,42 : 0 링

44 : 막형성영역 46 : 온도검출센서

50 : 센서용 글래스관 52 : 바닥용 열전쌍

54 : 간극부 56 : 관통구멍

58 : 0 링 59 : 막 불형성영역

61 : 막형성 경계선 62 : 제어부

63, 65 : 수평레벨 64 : 외부 열전쌍 검출부

66 : 히터 구동부 118 : 웨이퍼 보우트

124 : 열처리로 126 : 처리용기

128 : 외관 130 : 내관

132 : 매니폴드 133 : 플랜지부

136 : 아우터쉘 137 : 가스도입관

138 : 보온통 139 : 진공펌프

140 : 뚜껑체 141 : 배기관

144 : 저항가열히터 146 : 단열재

147 : 가스공급원 150 : T/C 튜브

151 : 열전쌍 152 : 온도 측정기

153 : 회전구동기구 154 : 지지기구

155 : 플랜지 156 : 고리형상 홈

158 : 0 링 160 : 오목부

162 : 관통구멍 168, 176 : 테프론 워셔

170 : 케이블 174 : 제 1 의 0 링

178 : 제 2 의 0 링 180 : 누름워셔

182 : 캡 나사

Claims

상단부는 폐쇄되고 하단부가 개방된 원통형상의 처리용기와, 상기 처리용기내의 보온통상에 얹어놓인 복수매의 피처리체를 탑재하는 피처리체 보우트와, 상기 처리용기의 바깥둘레에 설치되어 여러 영역으로 분할한 가열존에 의해 처리용기내를 가열하는 가열로를 구비하여 피처리체의 열처리를 행하는 열처리장치에 있어서,

상기 처리용기내의 하부의 열용량이 다른부분과 비교하여 비교적 큰 장소이고 열처리시에 막이 부착하는 막형성 영역에 가열온도제어용의 온도검출센서를 설치한 열처리장치.
제 1 항에 있어서, 상기 처리용기가 상기 보온통보다 큰 지름의 내관과 이 내관에 동심으로 배치한 이것보다 큰 지름의 외관으로 이루어지고, 상기 막형성 영역은 상기 보온통과 상기 내관의 사이에 형성된 간극부인 열처리장치.
제 1 항에 있어서, 상기 온도검출센서의 부착부가, 처리가스흐름의 상류측이고, 온도가 낮고 반응 생성물이나 반응 부생성물이 거의 발생하지 않는 막 불형성영역에서 지지되어 있는 열처리장치.
제 1 항에 있어서, 상기 막형성 영역이 상기 보온통의 높이의 약 2/3 의 위치로부터 상기 피처리체중 아래쪽으로부터 3번째 위치까지의 범위내에 있는 열처리장치.
피처리체를 열처리하는 처리용기와, 이 처리용기내에서 피처리체를 지지하는 피처리체 보우트와, 이 피처리체 보우트를 유지함과 동시에 상기 처리용기의 개구부를 밀폐가능한 뚜껑체와, 상기 처리용기내의 온도를 측정하는 온도측정수단을 갖춘 열처리장치에 있어서,

상기 온도측정수단을 수용한 석영튜브를 상기 뚜껑체에 형성한 구멍을 통하여 상기 처리용기내로 거의 수직으로 부착 및 이탈가능하게 지지함과 동시에 상기 처리용기내의 기밀성을 유지하는 지지수단을 상기 뚜껑체에 설치한 열처리장치 .
제 5 항에 있어서, 상기 지지수단이 상기 석영튜브의 기초부에 설치된 플랜지로 이루어지는 열처리장치.
제 5 항에 있어서, 상기 지지수단이 상기 석영튜브의 기초부를 종방향으로 파지하는 2중 0 링으로 이루어지는 열처리장치.
제 5항에 있어서, 상기 피처리체 보우트를 상기 처리용기내에서 회전시키는 회전구동기구를 상기 뚜껑체에 설치한 열처리장치.