KR101102740B1 - 열 처리 장치 - Google Patents

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도미히로 요네나가
유미코 가와노
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

복수의 서셉터에 각각 탑재된 기판을 한번에 가열할 때, 각 기판의 면내 온도의 균일성을 제어할 수 있도록 한다. 웨이퍼를 탑재하는 도전성 부재로서 그 중심부(126)와 둘레가장자리부(124)로 전기적으로 분할해서 이루어지는 유도 발열체(122)를 갖는 복수의 서셉터(120)와, 각 서셉터를 1열로 배열하도록 지지하는 석영 보트(112)와, 각 서셉터의 주위를 둘러싸도록 처리실(102)내에 배치되고, 온도 조절 자유롭게 구성된 유도 코일(130)과, 고주파 전류 회로(200)로부터 유도 코일에 인가하는 2개의 주파수의 고주파 전류를 제어함으로써, 유도 발열체의 중심부의 발열량과 둘레가장자리부의 발열량의 비율을 변화시켜 온도 제어를 실행하는 제어부(300)를 마련하였다.

Description

열 처리 장치 {HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 기판, 예를 들면, 반도체 웨이퍼나 유리 기판 등에 소정의 열 처리를 실시하는 열 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 집적 회로를 제조하는 경우에는 기판 표면에 실리콘막이나 실리콘 산화막 등의 각종 성막 처리, 산화 처리 등 각종 열 처리가 실시된다. 이들 열 처리를 실행하는 경우, 복수개의 반도체 웨이퍼(이하, 단지 웨이퍼라고도 함)를 배치해서 한번에 열 처리할 수 있는 소위 일괄(batch)식의 열 처리 장치가 이용되는 경우가 많다.
일괄식의 열 처리 장치로서는 다수의 웨이퍼를 수납한 반응관을 전기로에서 가열하는 전기로 방식(핫 월(Hot-wall) 방식)이 주로 이용되고 있다. 그런데, 전기로 방식에서는 로 전체의 열 용량이 크기 때문에 웨이퍼의 온도를 승강하는데 많은 시간을 필요로 하며, 생산성이 크게 낮아지는 문제가 있다.
그 밖에, 고주파 유도 가열 방식을 이용하여 웨이퍼를 가열하는 타입도 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조). 이 타입의 열 처리 장치는 일반적으로 반응관의 외측에 두루 감은 유도 코일을 구비하고, 이 유도 코일에 고주파 전류를 공급하여, 반응관 내에 배치한 도전성의 서셉터를 유도 가열하고, 서셉터에 실은 웨이퍼를 열전도에 의해 간접적으로 가열한다. 이것에 의하면, 반응관을 직접 가열할 필요가 없기 때문에, 서셉터의 열 용량을 작게 함으로써 전기로 방식에 비해 웨이퍼 온도를 고속으로 승강시킬 수 있게 된다. 웨이퍼 온도와는 독립적으로 반응관의 벽의 온도를 제어할 수 있으므로, 소위 콜드 월 (cold-wall) 방식의 열 처리 장치를 구성하는 것도 가능하게 된다.
일본 특허공개 소화56-6428호 공보 일본 특허공개 소화61-91920호 공보 일본 특허공개 제2003-17426호 공보 일본 특허공개 제2003-68658호 공보
그러나, 상술한 콜드 월 방식에 의한 열 처리 장치 등에서 열 용량이 작은 서셉터를 복수로 배치하여 고주파 유도 가열을 실행하면, 서셉터와 그 주위(반응관의 내벽 등)의 온도차에 의해 서셉터 면내나 복수의 서셉터간의 온도 균일성이 무너지고, 복수의 웨이퍼간의 온도의 균일성뿐만 아니라, 각 웨이퍼의 면내 온도의 균일성도 악화된다고 하는 콜드 월 방식의 본질적인 문제가 현재화되어 버린다.
이들 중, 복수의 웨이퍼간의 온도 균일성을 개선하는 방법으로서는 예를 들면, 특허문헌 3에는 복수의 유도 코일을 반응관의 길이방향에 배치하고, 유도 코일의 전력을 개별적으로 제어함으로써 웨이퍼간의 온도 균일성을 제어하는 방법이 개시되어 있고, 특허문헌 4에는 웨이퍼 배열의 양단을 유도 가열된 더미의 가열판 사이에 두는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 각 웨이퍼의 면내 온도를 제어하는 방법은 어느 종래 기술에도 개시되어 있지 않으며, 복수개의 웨이퍼를 한번에 처리하는 일괄식의 열 처리 장치에 있어서 웨이퍼면내의 온도의 균일성을 제어하는 방법은 아직 알려져 있지 않다.
그래서, 본 발명은 이와 같은 제를 감안해서 이루어진 것으로, 그 목적은 복수의 서셉터에 각각 탑재된 기판을 한번에 가열할 때, 각 기판의 면내 온도를 제어할 수 있는 열 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 임의의 관점에 따르면, 감압 가능한 처리실내에 가스를 공급해서 복수의 기판에 대해 열 처리를 실시하는 열 처리 장치로서, 상기 기판을 탑재하는 도전성 부재로서 그 중심부와 둘레가장자리부로 분할해서 이루어지는 유도 발열체를 갖는 복수의 서셉터와, 상기 각 서셉터를 소정의 간격을 두면서 1열로 중첩해서 배열하도록 지지하는 서셉터 지지부와, 상기 각 서셉터의 주위를 둘러싸도록 상기 처리실내에 배치되고, 온도 조절 자유롭게 구성된 유도 코일과, 상기 유도 코일에 다른 2개의 주파수의 고주파 전류를 인가 가능하게 구성된 고주파 전류 회로와, 상기 고주파 전류 회로로부터 상기 유도 코일에 인가하는 상기 2개의 주파수의 고주파 전류를 제어함으로써, 상기 유도 발열체의 중심부의 발열량과 둘레가장자리부의 발열량의 비율을 변화시켜 온도 제어를 실행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 처리 장치가 제공된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 유도 코일의 온도를 적절한 온도로 조정하면서, 고주파 전류 회로로부터 소정의 고주파 전류를 인가하여, 각 서셉터의 유도 발열체를 가열함으로써, 각 기판의 온도를 제어하면서 기판에 대한 열 처리를 실행한다. 이것에 의하면, 유도 코일을 처리실의 내측에 마련함으로써, 측벽의 외측에 유도 코일을 마련하는 종래의 경우와 같이 측벽의 재료를 전자 유도에 영향을 미치지 않는 절연성 재료로 제한하지 않고, 예를 들면, 금속과 같은 도전성 재료도 선택할 수 있다.
또한, 유도 코일의 직경은 처리실의 측벽의 크기에 제한되지 않고, 서셉터의 직경에 맞춰 작게 할 수 있으므로, 서셉터를 관통하는 자속을 크게 할 수 있고, 서셉터의 가열 효율을 높일 수 있다. 또한, 처리실의 측벽의 내측에 배치되는 유도 코일의 온도를 서셉터의 온도보다 낮게 하여, 적절한 온도로 조정함으로써, 유도 코일이 서셉터로부터의 열에 의해서 가열되고, 온도가 너무 높아지는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 유도 코일의 파손을 방지할 수 있다. 또한, 처리실내에 성막용의 원료 가스를 도입해서 성막 처리를 실행하는 경우에도 그 성막용의 원료 가스가 유도 코일의 표면에서 열분해하는 것을 억제할 수 있으므로, 유도 코일의 표면에 불필요한 부착물이 퇴적하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 고주파 전류 회로로부터 상기 유도 코일에 인가하는 상기 2개의 주파수의 고주파 전류를 제어함으로써, 상기 유도 발열체의 중심부의 발열량과 둘레가장자리부의 발열량의 비율을 변화시켜 온도 제어를 실행한다. 구체적으로는, 예를 들면, 상기 고주파 전류 회로로부터의 2개의 주파수의 고주파 전류를 중첩해서 또는 시계열로 전환해서 상기 온도 제어를 실행한다. 이것에 의해서, 유도 발열체의 중심부의 발열량과 둘레가장자리부의 발열량을 비율적으로 변경시켜 유도 가열할 수 있으므로, 서셉터보다도 그 주위(예를 들면, 유도 코일이나 처리실의 측벽 등) 쪽이 온도가 낮아져도, 유도 코일에 인가하는 각각의 주파수의 전류의 강도비나 주파수의 전환 시간을 제어함으로써, 열량이 빼앗기기 쉬운 서셉터의 둘레가장자리부에 집중적으로 열량을 보전(補塡)하면서, 중심부도 가열할 수 있다. 따라서, 서셉터의 가열 효율을 높일 수 있는 동시에, 그 면내 온도 분포를 제어할 수 있다.
또한, 상기 처리실의 측벽은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속으로 구성하고, 그 측벽을 상기 서셉터의 온도와는 독립적으로 온도 조절하는 벽부 온도 조절 기구를 마련해도 좋다. 처리실의 측벽이 도전성 재료로 이루어진 경우에는 처리실내에 형성된 고주파 자기장에 의해 측벽도 발열하지만, 서셉터를 구성하는 유도 발열체의 비저항에 비해 측벽의 재료의 비저항이 현격히 낮으면, 측벽에 유기한 유도 전류에 의한 발열량은 무시할 수 있는 정도로 작아진다. 따라서, 처리실의 측벽의 재료를 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 함으로써, 서셉터의 온도와는 독립적으로 벽부 온도 조절 기구에 의해 처리실의 측벽을 온도 제어할 수 있다. 예를 들면, 처리실의 측벽은 적어도 상기 서셉터보다도 낮은 온도로 설정할 수도 있다. 이것에 의하면, 처리실의 측벽 자체의 온도를 서셉터의 온도와는 독립적으로 제어할 수 있으므로, 서셉터가 더욱 고온으로 가열되어도, 처리실의 측벽은 그것보다도 낮은 원하는 온도를 유지하도록 제어할 수 있다. 따라서, 처리실내에 성막용의 원료 가스를 도입해서 성막 처리를 실행하는 경우에도 그 성막용의 원료 가스가 처리실의 측벽의 표면에서 열분해하는 것을 억제할 수 있으므로, 처리실의 측벽에 불필요한 부착물이 퇴적하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 처리실의 측벽을 상술한 바와 같은 금속으로 구성하여, 그 측벽 자체가 고주파 자속이 외부로 누설되는 것을 방지하는 자기 실드의 역할을 할 수 있다. 이것에 의해, 처리실의 측벽의 외측에 유도 코일을 마련하고 있던 종래와 같이 그 외측에 자기 실드를 마련할 필요가 없으므로, 열 처리 장치를 소형화할 수 있다.
또한, 상기 유도 코일은 금속제 파이프로 이루어지고, 그 금속제 파이프내에 온도 조절 매체를 순환시켜 상기 유도 코일의 온도를 조정하는 코일 온도 조절 기구를 마련해도 좋다. 이 경우, 유도 코일의 온도는 상기 처리실의 측벽의 온도와 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 유도 코일의 온도도 서셉터의 온도보다도 낮은 원하는 온도를 유지하도록 제어할 수 있다.
상기 고주파 전류 회로는 상기 2개의 주파수 중, 낮은 쪽의 주파수는 0.5~2의 범위로 설정하고, 높은 쪽의 주파수는 50~200의 범위로 설정할 수 있다. 이 경우, 상기 2개의 주파수 중, 상기 높은 주파수쪽의 전류에 의해서 유도 가열되는 상기 유도 발열체가 그 둘레가장자리부만 가열하도록, 상기 높은 주파수와 상기 유도 발열체의 둘레가장자리부의 폭을 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 유도 전류의 표피 효과에 따라, 높은 주파수의 전류를 인가했을 때에는 유도 발열체의 둘레가장자리부만이 가열되기 때문에, 낮은 주파수의 전류를 인가했을 때의 유도 발열체 전면의 발열량 분포에 대해 유도 발열체의 둘레가장자리부만을 독립적으로 가열할 수 있다. 이 때문에, 2개의 주파수의 전류의 강도비를 각각 제어하여, 유도 발열체의 둘레가장자리부의 발열량과 중심부의 발열량의 비율을 제어할 수 있다.
상기 유도 발열체의 중심부에는 적어도 그 단면에서 중앙을 향하는 홈부를 형성해도 좋다. 이것에 의하면, 낮은 주파수의 전류를 인가함으로써 유도 발열체의 중심부에 유기된 유도 전류는 홈부를 따라 중앙 부근에도 흐르므로, 유도 발열체의 중앙 부근도 가열할 수 있다.
상기 유도 발열체는, 예를 들면, 그래파이트(graphite), 유리상 카본(glassy carbon), SiC에서 선택된 1개 이상의 재료로 구성한다. 상기 처리실의 측벽의 재료의 비저항이 상기 유도 발열체의 재료의 비저항에 비해 현격히 낮으면, 처리실내에 형성된 고주파 자기장에 의한 유도 전류는 처리실의 측벽을 거의 가열하지 않고, 서셉터만을 선택적으로 가열할 수 있다.
본 발명에 따르면, 처리실의 측벽이 가열되는 것을 억제하면서, 서셉터만을 선택적으로 가열할 수 있다. 또한, 그 서셉터와 측벽의 온도차에 의해서 열량이 빼앗기기 쉬운 서셉터의 둘레가장자리부에서 효율적으로 열량을 보전할 수 있는 동시에, 서셉터의 면내 온도 분포도 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 열 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 서셉터와 가스 노즐의 위치 관계를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 제어부의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 실시예에 있어서의 서셉터의 구성예를 나타내는 도면으로서, 서셉터를 위쪽에서 본 평면도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 서셉터의 A-A 단면도이다.
도 6은 일반적인 전류 밀도비, 전력 밀도비와 외주면으로부터의 거리(x/P)의 관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 7은 높은 주파수(100)와 낮은 주파수(1)에 의한 전력 밀도비와 유도 발열체의 외주면으로부터의 거리 x의 관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 관한 서셉터의 다른 구성예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 실시예에 관한 고주파 전류 회로의 구성예를 나타내는 블럭도이다.
도 10은 낮은 주파수(1)와 높은 주파수(100)의 고주파 전류를 중첩한 경우의 전류 파형의 구체예를 나타내는 도면이다.
도 11a는 낮은 주파수와 높은 주파수를 중첩시킨 경우의 작용을 관념적으로 나타내는 도면으로서, 높은 주파수에 대한 낮은 주파수의 고주파 전류의 강도비를 크게 한 경우를 나타내는 도면이다.
도 11b는 낮은 주파수와 높은 주파수를 중첩시킨 경우의 작용을 관념적으로 나타내는 도면으로서, 높은 주파수에 대한 낮은 주파수의 고주파 전류의 강도비를 작게 한 경우를 나타내는 도면이다.
도 12는 낮은 주파수(1)와 높은 주파수(100)의 고주파 전류를 시계열로 교대로 전환한 경우의 전류 파형의 구체예를 나타내는 도면이다.
도 13a는 낮은 주파수의 고주파 전류를 인가시키고 있는 동안의 작용을 관념적으로 나타내는 도면이다.
도 13b는 높은 주파수의 고주파 전류를 인가시키고 있는 동안의 작용을 관념적으로 나타내는 도면이다.
이하에, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다.
(열 처리 장치의 구성예)
우선, 본 발명의 실시예에 관한 열 처리 장치의 구성예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서는 반도체 웨이퍼(이하, 단지 웨이퍼라고도 함) 복수개를 한번에 열 처리할 수 있는 일괄식의 종형 열 처리 장치를 예로 든다. 도 1은 본 실시예에 관한 열 처리 장치의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 열 처리 장치(100)는 하단이 개구된 상하방향으로긴 원통형상으로 형성된 종형의 기밀한 처리실(102)을 구비한다. 처리실(102)의 아래쪽의 개구부로부터는 복수의 웨이퍼 W를 탑재하는 복수의 서셉터(120)가 지지된 서셉터 지지부로서의 석영 보트(112)가 승강 자유롭게 삽입되도록 되어 있다.
처리실(102)은 원통형상의 금속으로 구성되는 반응관(104)과, 반응관(104)의 상부에 마련된 원판형상의 상부 플랜지(105)와, 반응관(104)에 환상의 하부 플랜지(106)를 거쳐서 접속된 원통형상의 매니폴드(107)에 의해 구성된다.
매니폴드(107)의 하단 개구부, 즉, 처리실(102)의 하단 개구부는 덮개(114)에 의해서 폐색되어 밀폐되도록 되어 있다. 이 덮개(114)의 상측에 상기 석영 보트(112)가 마련되고, 덮개(114)의 하측은 보트 엘리베이터(118)에 의해서 지지되어 있다. 이것에 의하면, 보트 엘리베이터(118)에 의해 덮개(114)와 함께 석영 보트(112)를 상하로 구동함으로써, 처리실(102)내, 즉 반응관(104)내에 하단 개구부로부터 석영 보트(112)를 반출 반입시킬 수 있다. 예를 들면, 덮개(114)가 상한위치에 있을 때에는 처리실(102)내에 석영 보트(112)가 세트되는 동시에, 매니폴드(107)의 개구단(端)이 덮개(114)로 폐색된다.
석영 보트(112)에는 웨이퍼 W를 탑재하는 복수의 서셉터(120)가 수평인 상태에서 그 탑재면(상면)에 수직인 방향(여기서는 상하방향)으로 소정의 간격을 두고 선반형상으로 배치되어 있다. 각 서셉터(120)는, 예를 들면, 복수(여기서는 3개)의 지주(113)에 의해서 지지되어 있다. 웨이퍼 W는 각 서셉터(120)의 탑재면에 1개씩 탑재된다. 또한, 본 실시예에 따른 서셉터(120)는 절연판(123)상에 도전성 부재로 구성된 유도 발열체(122)를 접합해서 형성된다. 유도 발열체(122)는, 예를 들면, 그래파이트(graphite), 유리상 카본(glassy carbon), SiC 등의 도전성 재료로 구성된다. 웨이퍼 W는 유도 발열체(122)의 상면에 탑재된다. 이와 같은 서셉터의 상세한 구성에 대해서는 후술한다.
여기서의 석영 보트(112)는 웨이퍼 W를 탑재한 채 서셉터(120)와 함께 회전하도록 되어 있다. 구체적으로는, 석영 보트(112)는 덮개(114)상에 통형상의 단열체(116)를 거쳐서 수직축을 중심으로 회전 자유롭게 유지되어 있다. 이 경우, 예를 들면, 단열체(116)의 아래쪽에 접속한 도시하지 않은 모터에 의해서 석영 보트(112)를 회전시킴으로써, 각 서셉터(120)를 웨이퍼 W를 탑재한 채 수직축을 중심으로 일제히 회전시킬 수 있다.
또한, 미처리의 웨이퍼 W는 도시하지 않은 카세트 용기에 수용되어 있다. 그리고, 웨이퍼 W의 처리를 실행할 때에는 반응관(104)으로부터 석영 보트(112)가 아래쪽으로 반출되어 있는 상태에서, 도시하지 않은 이송 탑재 장치에 의해서 카세트 용기로부터 각 서셉터(120)에 각 웨이퍼 W가 이송 탑재 되도록 되어 있다. 웨이퍼 W가 탑재 이송되면, 석영 보트(112)를 보트 엘리베이터(118)에 의해 반응관(104)내에 반입해서 웨이퍼 W의 열 처리를 실행한다. 그 후, 웨이퍼 W의 처리가 종료하면, 석영 보트(112)를 보트 엘리베이터(118)에 의해 반응관(104)으로부터 반출해서, 서셉터(120)상의 웨이퍼 W를 상기 이송 탑재 장치에 의해서 상기 카세트 용기로 되돌리도록 되어 있다.
석영 보트(112)의 주위에는 각 서셉터(120)의 주위를 둘러싸도록 온도 조절 가능한 유도 코일(130)이 마련되어 있다. 본 실시예에서는 유도 코일(130)을 반응관(104)의 측벽의 내측(처리실(102)의 측벽의 내측)에 마련함으로써, 서셉터(120)에 가까운 위치에 유도 코일(130)을 배치할 수 있다. 이것에 의해, 서셉터(120)의 가열 효율을 높일 수 있는 동시에, 유도 코일(130)을 온도 조절함으로써, 서셉터로부터의 열에 의해 가열되고 파손되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 관한 유도 코일(130)은 그 온도를 조정하기 위한 코일 온도 조절 기구가 마련되어 있다. 코일 온도 조절 기구는, 예를 들면, 다음과 같이 구성된다. 즉, 우선, 유도 코일(130) 자체를, 예를 들면, 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 파이프(132)로 구성하고, 그 파이프내에 물이나 불소계 불활성 액체(예를 들면, 갈덴(Galden)(등록상표), 플로리너트(Fluorinert)(등록상표)) 등의 온도 조절 매체를 통과시킴으로써 유도 코일(130) 자체의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 되어 있다. 구체적으로는, 유도 코일(130)을 구성하는 파이프(132)는 반응관(104)내에 상방으로부터 하방에 걸쳐 나선상으로 배치된다. 유도 코일(130)은, 그 파이프(132)내를 통과하는 온도 조절 매체를 소정의 온도로 조정하는, 코일 온도 조절기(136)에 접속되어 순환 유로(134)가 형성된다.
이것에 의하면, 코일 온도 조절기(136)에 의해서 소정의 온도로 조정된 온도 조절 매체가 파이프(132)내를 순환함으로써, 유도 코일(130)의 온도를 소정의 온도로 제어할 수 있다. 유도 코일(130)의 온도는 서셉터(120)보다도 낮은 온도, 예를 들면, 성막 처리의 경우는, 적어도 성막원료 가스가 열분해하지 않고, 불필요한 부착물이 유도 코일(130)의 표면에 퇴적되지 않는 온도로 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같은 유도 코일(130)에 의하면, 고온으로 가열된 서셉터(120)에 의해서 유도 코일(130) 자체의 온도까지 가열되는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 유도 코일(130)의 표면에 부착물이 퇴적하는 것을 억제할 수 있는 동시에, 유도 코일(130) 자체가 고열에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 유도 코일(130)의 상하 양단은 각각, 급전 라인(138)을 통해 고주파 전류 회로(200)의 출력 단자(202)에 접속되어 있다. 이 고주파 전류 회로(200)로부터 유도 코일(130)에 고주파 전류를 인가함으로써, 반응관(104)내에는 고주파 자기장이 발생한다. 이 고주파 자기장에 수반하는 자속(고주파 자속)이 석영 보트(112)에 지지된 복수의 서셉터(120)를 관통함으로써, 서셉터(120)를 구성하는 유도 발열체(122)에 유도 전류가 유기(誘起)되고, 유도 발열체(122)가 발열함으로써, 서셉터(120)를 가열할 수 있다. 예를 들면, 성막 처리의 경우는 서셉터(120)의 온도는 300~700로 제어된다.
본 실시예에 있어서 고주파 전류 회로(200)는 유도 코일(130)에 2종류의 주파수(높은 주파수와 낮은 주파수)의 고주파 전류를 중첩해서 또는 따로따로 인가 가능하게 구성되어 있다. 이것은 전자 유도에 의해서 유기되는 유도 전류는 서셉터(120)를 구성하는 유도 발열체(122)의 외주면 부근이 가장 크고, 내부를 향할수록 급격히 낮아지고, 그 낮아지는 정도(전류의 침투 깊이)가 주파수에 따라 다르다고 하는 유도 전류의 표피 효과(skin effect)를 이용해서, 서셉터(120)의 면내 온도 분포를 조정하고자 하는 것이다. 이와 같은 고주파 전류 회로(200)의 구성예에 대해서는 후술한다.
본 실시예에서는, 상술한 바와 같이, 유도 코일(130)을 반응관(104)내에 마련하므로, 그 반응관(104)의 측벽의 재료는 유도 코일(130)에 의한 전자 유도에 영향을 미치지 않는 절연성 재료에 제한되지 않는다. 이 때문에, 반응관(104)의 측벽의 재료로서, 예를 들면, 알루미늄과 같은 비저항이 낮은 금속으로 이루어지는 도전성 재료를 선택하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에 의한 유도 코일(130)에 의해서 반응관(104)내에 형성된 고주파 자속은 서셉터(120)를 관통하는 동시에, 이 자속의 일부는 반응관(104)의 측벽에도 도달한다. 이 때문에, 반응관(104)의 측벽을 비저항이 비교적 큰 금속재료(예를 들면, 철, 스테인리스)로 구성하면, 고주파 자속에 의해서 반응관(104)의 측벽까지 발열해 버린다. 반응관(104)의 측벽이 발열하면, 다른 가열 수단을 이용해서 반응관의 벽의 온도를 서셉터의 온도와 독립적으로 온도 제어하는 것이 곤란하게 된다.
도전성 재료의 유도 가열에 의한 발열량은 도전성 재료의 비저항의 제곱근에 비례한다. 이 때문에, 관통하는 자속이 일정해도, 도전성 재료의 비저항이 클수록 유도 가열에 의한 발열량은 커지고, 도전성 재료의 비저항이 작을수록 유도 가열에 의한 발열량도 작아진다. 따라서, 도전성 재료를 적절하게 선택함으로써 유도 가열에 의한 발열량을 조정할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서는 서셉터(120)를 구성하는 유도 발열체(122)의 비저항이 반응관(104)의 측벽의 비저항보다도 충분히 커지도록, 유도 발열체(122)와 반응관(104)의 측벽의 재료를 선택함으로써, 반응관(104)의 측벽을 거의 가열하지 않고 서셉터(120)만을 선택적으로 가열시킬 수 있다. 예를 들면, 서셉터(120)를 구성하는 유도 발열체(122)를 비저항이 큰 도전성 재료(그래파이트, 유리상 카본, SiC 등)로 구성하는 동시에, 반응관(104)의 측벽은 비저항이 현격히 작은 금속 재료(알루미늄 또는 알루미늄 합금 등)로 구성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 반응관내에 형성된 고주파 자속에 의해서 반응관(104)의 측벽까지 가열되는 것을 방지할 수 있으므로, 측벽의 온도 조정을 서셉터 온도와는 독립적으로 실행할 수 있다.
이 점에서, 열 처리 장치(100)는 소위 콜드 월(cold-wall) 방식의 성막 장치로서 구성할 수 있다. 종래와 같이 핫 월(hot-wall) 방식으로 구성한 성막 장치에서는 반응관내에 성막용의 원료 가스를 공급해서 웨이퍼 W에 성막 처리를 실행하면, 반응관의 측벽도 고온으로 되기 때문에, 그 측벽 근방에서 원료 가스가 열분해하여, 대량의 부착물이 그 측벽에 퇴적될 우려가 있다. 이 때문에, 웨이퍼 W에 도달하는 원료 가스의 양이 변동하고 웨이퍼에의 성막이 불안정하게 되거나, 반응관의 벽에 퇴적된 부착물이 박리함으로써 파티클이 발생될 수 있다. 이에 대해, 본 실시예에 관한 열 처리 장치(100)는, 상술한 바와 같이, 콜드 월 방식의 성막 장치로서 구성하여 반응관(104)의 측벽의 온도를 웨이퍼 온도와는 독립적으로 제어할 수 있으므로, 반응관(104)의 측벽 근방에서의 원료 가스의 열분해를 방지할 수 있고, 반응관(104)의 측벽에 퇴적되는 부착물을 대폭 억제할 수 있다.
본 실시예에 있어서 반응관(104)의 측벽을 상술한 바와 같은 금속으로 구성함으로써, 측벽 자체가 고주파 자속이 외부로 누설되는 것을 방지하는 자기 실드의 역할을 할 수 있다. 따라서, 처리실의 측벽의 외측에 유도 코일을 마련하고 있던 종래와 같이 그 외측에 또한 자기 실드를 마련할 필요가 없으므로, 열 처리 장치(100)를 소형화할 수 있다.
반응관(104)의 측벽에는 측벽 자체의 온도를 직접 제어하기 위한 벽부 온도 조절 기구를 마련하고 있다. 벽부 온도 조절 기구는, 예를 들면, 다음과 같이 구성된다. 즉, 반응관(104)의 측벽에 물이나 브라인(brine) 등의 온도 조절 매체를 통과시키는 온도 조절 매체 유로(108)를 형성하고, 온도 조절 매체 유로(108)는 온도 조절 매체를 소정의 온도로 조정하는 벽부 온도 조절기(110)에 접속되어 순환 유로(109)가 형성된다.
이것에 의하면, 벽부 온도 조절기(110)에 의해서 소정의 온도로 조정된 온도 조절 매체가 온도 조절 매체 유로(108)를 순환하는 것에 의해서, 반응관(104)의 측벽의 온도를 소정의 온도로 제어할 수 있다. 반응관(104)의 측벽의 온도로서는 서셉터(120)보다도 낮은 온도, 예를 들면, 성막 처리의 경우는 적어도 성막 원료 가스가 열분해하지 않고, 불필요한 부착물이 측벽에 퇴적하지 않는 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 웨이퍼 W에 도달하는 원료 가스의 양이 변동해서 웨이퍼에의 성막이 불안정하게 되거나, 반응관의 벽에 퇴적된 부착물이 박리함으로써 파티클이 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 같이, 반응관(104)의 측벽 자체의 온도를 서셉터(120)의 온도와는 독립적으로 제어할 수 있으므로, 서셉터(120)가 더욱 고온으로 가열되어도 측벽은 그것보다도 낮은 원하는 온도를 유지하도록 제어할 수 있다. 반응관(104)의 측벽의 온도는 유도 코일(130)과 동일한 온도로 설정하는 것이 바람직하다.
온도 조절 매체 유로(108)는, 예를 들면, 도 1에 도시하는 바와 같이, 반응관(104)의 측벽의 두께부에 그 상부로부터 하부에 걸쳐 나선상으로 형성함으로써, 측벽 전체를 골고루 냉각할 수 있다. 또한, 벽부 온도 조절 기구로서는 도 1에 도시하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 반응관(104)의 측벽을 알루미늄과 같은 열전도율이 높은 금속 재료로 구성하면, 측벽 전체를 골고루 냉각할 필요는 없으며, 벽부 온도 조절 기구를 간략화할 수 있다.
열 처리 장치(100)에는, 예를 들면, 사염화 티탄(TiC14), 디클로로실란(dichloroshilane), 암모니아(NH3), 질소 가스, 산소 가스 등 성막용의 원료 가스를 반응관(104)내에 공급하는 가스 공급부(140)가 마련되어 있다. 구체적으로는, 가스 공급부(140)는, 예를 들면, 도 1에 도시하는 바와 같이 구성된다. 즉, 상부 플랜지(105)에는 가스 도입부(141)가 마련되고, 이 가스 도입부(141)에는 가스 공급원(142)이 가스 공급 배관(143)을 통해 접속되어 있다.
가스 공급 배관(143)에는 가스 유량을 조정하기 위한 매스플로 컨트롤러(MFC)(144) 및 개폐 밸브(145)가 마련되어 있다. 가스 공급부(140)의 구성은 도 1에 도시하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 2개 이상의 가스 공급 배관을 마련하고, 2종류 이상의 가스를 독립적으로 공급할 수 있도록 해도 좋다.
가스 도입부(141)는 서셉터(120)의 외측 근방에 수직으로 연장하도록 마련된 봉형상의 가스 노즐(146)에 접속되어 있다. 가스 노즐(146)은 최상부의 서셉터(120)에서부터 최하부의 서셉터(120)까지의 사이에, 작은 구멍의가스 공급 구멍(147)이 형성되어 있다.
이 가스 공급 구멍(147)은 서셉터(120)의 중심방향을 향하여마련됨과 함께, 각 서셉터(120)의 사이에 가스가 공급되도록 마련되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 서셉터(120)에 탑재된 각 웨이퍼 W상에 처리 가스가 공급되게 된다. 가스 노즐(146)은 모터에 의해 소정의 각도범위로 회전운동 가능하게 구성함으로써, 주기적으로 가스 공급 구멍(147)의 방향을 바꾸도록 해도 좋다.
상기 매니폴드(107)에는 반응관(104)내를 배기하는 배기관(150)을 거쳐서 진공 펌프(154) 등의 배기 기구가 접속되어 있다. 예를 들면, 배기관(150)에는 반응관(104)내의 압력을 조정하는 압력 조정부(152)가 마련되어 있다. 압력 조정부(152)는, 예를 들면, 콤비네이션 밸브, 버터플라이 밸브, 및 밸브 구동부 등으로 구성된다.
배기관(150)에는 처리실(102)내의 압력을 검출해서, 압력 조정부(152)를 피드백 제어하기 위한 압력 센서(151)가 마련되어 있다. 압력 센서(151)로서는 외기압의 변화의 영향을 잘 받지 않는 캐패시턴스 마노미터(Capacitance Manometer)) 등의 절대압형을 이용하는 것이 바람직하다.
열 처리 장치(100)의 각 부는 제어부(300)에 의해서 제어되도록 되어 있다. 제어부(300)는, 예를 들면, 성막해야 할 박막의 종류, 막두께 등에 따라, 설정 압력, 히터 설정 온도, 가스 유량 등의 처리 조건으로 이루어지는 처리 레시피 데이터에 의거하여 각 부를 제어한다. 또한, 제어부(300)는, 예를 들면, 압력 센서(151)로부터 압력 검출 신호를 수신하여, 이들의 검출 신호에 의거하여 각 부를 제어한다.
(제어부의 구성예)
이와 같은 제어부(300)의 구성예를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 3은 제어부(300)의 구성예를 나타내는 블럭도이다. 제어부(300)는, 예를 들면, 도 3에 도시하는 바와 같이 CPU(중앙 처리 장치)(310), CPU(310)가 실행하는 각종 처리를 위해 사용되는 메모리(320), 조작 화면이나 선택 화면 등을 표시하는 액정 디스플레이 등으로 구성되는 표시부(330), 오퍼레이터에 의한 다양한 데이터의 입력 및 소정의 기억 매체에의 각종 데이터의 출력 등 각종 조작을 실행하기 위한 조작 패널이나 키보드 등으로 이루어지는 입출력부(340), 네트워크 등을 통한 데이터의 교환을 실행하기 위한 통신부(350)를 구비한다.
그 밖에, 제어부(300)는 열 처리 장치(100)의 각 부를 제어하기 위한 각종 컨트롤러(360), CPU(310)가 실행하는 각종 프로그램이나 프로그램의 실행에 필요한 데이터를 기억하는 하드 디스크(HDD) 등으로 구성되는 기억부(370) 등을 구비한다. CPU(310)는 이들 프로그램이나 데이터를 필요에 따라 기억부(370)로부터 판독해서 사용한다.
각종 컨트롤러(360)로서는 벽부 온도 조절기(110), 코일 온도 조절기(136), 고주파 전류 회로(200), 가스 공급부(140)의 각 부, 진공 펌프(154) 등을 제어하는 컨트롤러 등이 있다. 기억부(370)에는, 예를 들면, 처리실내의 압력, 서셉터(120)의 온도, 반응관(104)의 측벽 온도, 가스 유량 등의 레시피(처리 조건)의 데이터 등이 기억된다. 제어부(300)는 기억부(370)로부터 필요한 레시피를 판독해서, 소정의 프로그램을 실행함으로써, 웨이퍼 W에 대한 처리를 실행한다.
이와 같은 구성의 열 처리 장치(100)에 있어서, 반응관(104)내의 각 웨이퍼 W에 대해 성막 처리를 실행할 때에는 제어부(300)는 코일 온도 조절기(136)에 의해 유도 코일(130)의 온도를 제어하면서, 고주파 전류 회로(200)에 의해 유도 코일(130)에 고주파 전류를 인가하여 각 서셉터(120)를 일제히 유도 가열함으로써, 각 서셉터(120)상에 탑재된 각 웨이퍼 W를 한번에 가열한다. 이 때, 각 서셉터(120)의 온도는, 예를 들면, 300~700로 가열된다. 반응관(104)내에서 석영 보트(112)에 의해서 각 서셉터(120)와 함께 각 웨이퍼 W를 회전시키면서 가열함으로써, 각 웨이퍼 W를 그 면내의 둘레방향으로 치우침이 없도록 균일하게 가열할 수 있다.
그리고, 반응관(104)내를 진공 펌프(154)에 의해서 배기하여 반응관(104)내를 소정의 진공 압력으로 감압하고, 가스 공급부(140)로부터 반응관(104)내에 성막용의 원료 가스를 도입한다. 이것에 의해, 각 웨이퍼 W상에 원하는 박막이 형성된다. 이 때, 벽부 온도 조절기(110)에 의해서 반응관(104)의 측벽의 온도 조절 매체 유로(108)에 온도 조절 매체를 순환시킴으로써. 소정의 온도로 되도록 제어한다.
이와 같이, 본 실시예에 관한 열 처리 장치(100)에 의하면, 유도 코일(130)을 반응관(104)의 측벽의 내측(처리실(102)의 측벽의 내측)에 마련함으로써, 서셉터(120)에 가까운 위치에 유도 코일(130)을 배치시켜, 유도 코일(130)의 직경을 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 유도 코일(130)에 인가하는 전류를 크게 하지 않아도, 유도 코일(130)의 직경을 작게 한만큼 서셉터(120)를 관통하는 자속을 크게 할 수 있으며, 서셉터(120)의 가열 효율을 높일 수 있다.
또한, 반응관(104)의 측벽의 내측에 배치되는 유도 코일(130)의 온도나 반응관(104)의 측벽의 온도를 서셉터(120)보다 낮아지도록 적절한 온도로 조정할 수 있으므로, 유도 코일(130)의 표면에 불필요한 부착물이 퇴적되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 측벽을 상술한 바와 같은 금속으로 구성함으로써, 그 측벽 자체가 고주파 자속이 외부로 누설되는 것을 방지하는 자기 실드의 역할을 할 수 있다. 따라서, 측벽의 외측에 유도 코일을 마련하고 있던 종래와 같이 그 외측에 또한 자기 실드를 마련할 필요가 없으므로, 열 처리 장치(100)를 소형화할 수 있다.
그런데, 서셉터의 온도는, 예를 들면, 500 이상의 고온인 것에 반해, 반응관(104)의 측벽이나 유도 코일(130)의 온도는, 예를 들면, 150 이하의 저온이기 때문에, 서셉터(120)와 그 주위(예를 들면, 측벽이나 유도 코일(130) 등)의 온도와의 차이는 매우 커진다. 이 때문에, 서셉터(120)의 둘레가장자리부는 그 내측의 중심부에 비해 현격히 방열량이 크고, 열량이 빼앗기기 쉬워진다. 이 때문에, 서셉터(120)의 면내의 온도 균일성이 무너지고, 서셉터(120)에 탑재된 웨이퍼의 면내 온도의 균일성도 또한 악화된다고 하는 콜드 월 방식의 본질적인 문제가 현재화되어 버린다.
그래서, 본 실시예에 따른 열 처리 장치(100)에서는 서셉터(120)의 면내 온도 분포를 제어함으로써, 웨이퍼의 면내 온도 분포를 적확하게 제어할 수 있도록 구성하고 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 도 4, 도 5에 도시하는 바와 같이, 서셉터(120)를 구성하는 유도 발열체(122)를 그 중심부(126)와 둘레가장자리부(124)로 분할하고, 이들을 간극(125)을 두고 절연판(123)상에 분리해서 배치한다. 또한, 유도 코일(130)에는 다른 2개의 주파수(높은 주파수와 낮은 주파수)의 고주파 전류를 중첩해서 또는 시계열로 전환해서 인가하여 유도 발열체의 중심부(126)의 발열량과 둘레가장자리부(124)의 발열량을 비율적으로변화시켜 제어함으로써 유도 가열한다.
따라서, 서셉터(120)보다도 그 주위 쪽이 온도가 낮아져도, 유도 코일(130)에 인가하는 2개의 주파수의 전류의 크기나 주파수의 전환 시간을 제어함으로써, 열량이 빼앗기기 쉬운 서셉터(120)의 둘레가장자리부(124)에 집중적으로 열량을 보전하면서, 중심부(126)도 가열할 수 있다. 이것에 의해, 서셉터(120)의 가열 효율을 높일 수 있는 동시에, 그 면내 온도 분포를 제어할 수 있다. 이것은 이하와 같은 유도 전류의 표피 효과(skin effect)를 이용한 것이다.
(유도 전류의 표피 효과를 이용한 서셉터의 온도 제어)
이하, 유도 전류에 의한 표피 효과를 이용한 서셉터의 온도 제어에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 유도 코일(130)에 고주파 전류를 인가하면, 유도 발열체(122)에는 그 수평면을 수직으로 관통하는 고주파 자속이 형성된다. 이 고주파 자속에 의해서 유도 발열체(122)의 외주면에는 유도 전류가 유기되고, 이것에 의해 유도 발열체(122)가 가열된다.
이와 같은 유도 전류는 도전성 물질의 외주면에 가까울수록 크고, 내부를 향함에 따라 지수 함수적으로 작아지는 특성이 있고, 이것이 유도 전류의 표피 효과이다. 따라서, 이 표피 효과에 의하면, 본 실시예의 유도 발열체(122)와 같은 원판형상의 도전성 물질의 경우에는 둘레가장자리부는 신속하게 가열되는데 반해, 그 내측의 중심부가 가열되기 어려워진다. 이 때문에, 상술한 바와 같이 열이 빼앗기기 쉬운 서셉터(120)의 둘레가장자리부에 열량을 보전할 수 있는 점에서 유리하다.
그래서, 유도 전류의 표피 효과에 의해서, 도전성 물질의 표면, 즉 유도 발열체(122)의 외주면에서 내부에 걸쳐 어느 정도까지 발열시킬 수 있는지에 대해 살펴본다. 이 때에 중요하게 되는 지표가 전류 침투 깊이 P이다. 이 전류 침투 깊이 P에 의해서 유도 발열체(122)의 외주면으로부터의 거리와 발열 정도의 관계가 정해지기 때문이다. 전류 침투 깊이 P는 외주면에서 내부에 걸쳐 감쇠하는 유도 전류 강도(크기)가 외주면에 있어서의 유도 전류 강도의 1/e(0.368)배로 감소한 점까지의 거리로서 정의되고, 하기 (1)식으로 나타난다.
P(㎝)=5.03(ρ/μf)1/2 …… (1)
상기 (1)식에 있어서, ρ는 유도 발열체의 저항율(μΩ㎝), μ는 유도 발열체의 비투자율(비자성체에서는 μ=1), f는 주파수(㎐)이다. 또한, 카본계 재료에서는 μ=1이다. 카본계 재료로는 그래파이트, 유리상 카본 등이 있다.
상기 (1)식에 의하면, 전류 침투 깊이 P는 주파수 f가 높을수록 작아지고, 주파수f가 낮을수록 커지는 것을 알 수 있다. 이 전류 침투 깊이 P를 이용해서 유도 발열체의 외주면에서 내부에 걸친 거리 x에 있어서의 전류밀도 Ix는 하기 (2)식으로 나타난다. 또한, 유도 발열체의 외주면으로부터의 거리 x에 있어서의 전력밀도 Ix 2는 하기 (3)식으로 나타난다..
Ix=IOexp(-x/P) …… (2)
Ix 2=IO 2exp(-2x/P) …… (3)
상기 (2)식에 있어서, IO는 유도 발열체의 외주면의 전류 밀도이다. 또한, 이들 전류밀도 Ix, 전력밀도 Ix 2와 외주면으로부터의 거리 x의 관계는, 예를 들면, 도 6에 나타내게 된다. 도 6은 종축에 전류 밀도비 rI=(Ix/IO)과 전력밀도 rP(Ix 2/IO 2)를 취하고, 횡축에 외주면으로부터의 거리 x를 P로 규격화한 x/P를 취하고 있다.
도 6에 의하면, 전류 밀도비 IP(=Ix/IO)는 유도 발열체의 외주면으로부터의 거리 x가 작을수록 크고, 거리 x가 커지면 급격하게 저하하는 감쇠 곡선을 그리는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 (2)식, (3)식에 의하면, 주파수가 낮을수록 전류 침투 깊이 P가 커지므로, 전류 밀도비 rI의 변화의 정도가 완만하게 되고, 주파수가 높을수록 전류 침투 깊이 P가 작아지므로, 전류 밀도비 rI의 변화의 정도가 급격하게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 주파수가 낮을수록 전류 침투 깊이 P가 커지므로, 가능한 한 고주파 전류의 주파수를 낮게 함으로써, 서셉터(120)의 둘레가장자리부에서 중심부까지 골고루 가열할 수 있다고 고려된다. 그런데, 유도 전류에 의한 서셉터(120)의 발열량은 고주파 전류의 주파수의 평방근에 비례하므로, 그 주파수를 낮게 할수록, 서셉터(120)의 가열 효율이 나빠지고, 둘레가장자리부에 열량을 충분히 보전할 수 없게 되고, 또한 서셉터(120)의 면내 온도 분포를 제어할 수도 없게 된다.
이에 대해, 고주파 전류의 주파수를 높게 하면. 전류 침투 깊이 P가 작아지므로, 서셉터(120)의 둘레가장자리부만 가열할 수 있게 되며, 서셉터(120)의 면내 온도를 균일하게 할 수 없게 된다.
그래서, 본 발명자들은 낮은 주파수뿐만 아니라, 높은 주파수의 양쪽의 고주파 전류를 이용해서 유도 발열체(122)의 중심부(126)와 둘레가장자리부(124)를 따로따로 제어함으로써, 서셉터(120)의 가열 효율을 높이는 동시에, 서셉터(120)의 면내 온도를 제어할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 높은 주파수의 전류에 의해서 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)를 집중적으로 가열하는 동시에, 낮은 주파수의 전류에 의해서 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)의 양쪽을 가열한다. 이것에 의하면, 특히, 서셉터(120)의 둘레가장자리부의 가열 효율을 높일 수 있으므로, 서셉터(120)와 그 주위의 온도차에 의해서 열량이 빼앗기기 쉬운 둘레가장자리부에 열량을 집중적으로 보전하는 동시에, 중심부까지도 가열할 수 있다.
이와 같은 2개의 주파수의 고주파 전류로서는 낮은 주파수로서는, 예를 들면, 0.5~2의 범위부터 설정하고, 높은 주파수로서는, 예를 들면, 50~200의 범위부터 설정하는 것이 바람직하다. 여기서는, 예를 들면, 낮은 주파수를 1로 하고, 높은 주파수를 100로 한다.
이 경우, 높은 주파수 쪽의 전류를 인가한 경우의 전류 침투 깊이 P에 의거하여, 도 5에 도시하는 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)의 폭 d를 결정하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 높은 주파수의 전류를 인가했을 때에, 둘레가장자리부(124)에만 열량을 부여할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)만이 가열되고, 중심부(126)에는 가열되지 않도록 할 수 있다. 유도 발열체(122)에 유기된 유도 전류의 강도는 유도 발열체(122)내의 위치에 따라 변화하고, 그 위치에서의 발열량은 그 위치에서 소비되는 전력 밀도에 비례한다. 따라서, 예를 들면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 높은 주파수(여기서는 100)를 인가해서 유도 가열했을 때의 전력 밀도비 rp가 대략 0이 될 때까지의 외주면으로부터의 거리 x를 둘레가장자리부(124)의 폭 d로 하면 좋다.
이와 같은 둘레가장자리부(124)의 폭 d는 상기 (1)식에 의거하여 산출할 수 있다. 구체적으로는, 상기 (1)식에 있어서, ρ는 유도 발열체(122)의 재질로 정해지므로, 주파수 f와 전류 침투 깊이 P의 관계가 일의적(一義的)으로 정해진다. 유도 발열체(122)의 재질이, 예를 들면, 그래파이트인 경우에는 ρ=900∼1700μΩ㎝이고, 유리상 카본의 경우에는 ρ=4000∼16000μΩ㎝이다. 따라서, 여기서는 고 저항 그래파이트의 ρ=1700μΩ㎝로서 계산하면, 주파수가 100㎑일 때에는 전류 침투 깊이 P는 대략 0.6㎝, 주파수가 1㎑일 때에는 전류 침투 깊이 P는 대략 6㎝로 된다.
또한, 도 6에 의하면, 전력 밀도비 rp는 전류 침투 깊이 P의 대략 2.5배에서 대략 0이 되는 것을 알 수 있다. 이것에 의하면, 예를 들면, 주파수가 100일 때에는 전류 침투 깊이 P가 대략 0.6이기 때문에, 그 2.5배인 1.5에서 발열량이 대략 0이 된다. 또한, 주파수가 1일 때에는 전류 침투 깊이 P가 대략 6이기 때문에, 그 2.5배인 대략 15에서 발열량이 대략 0이 된다. 따라서, 이 경우의 둘레가장자리부(124)의 폭 d를 1.5로 하면, 높은 주파수 100를 인가한 경우에 둘레가장자리부(124)에만 열량을 부여할 수 있고, 중심부(126)를 가열하지 않고, 둘레가장자리부(124)만을 가열할 수 있다. 또한, 낮은 주파수 1를 인가한 경우에는 둘레가장자리부(124)뿐만 아니라, 중심부(126)도 가열할 수 있다. 이 경우, 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)는 분리되어 있으므로, 따로따로 가열된다.
서셉터(120)의 구성은 도 4, 도 5에 도시하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 유도 발열체(122)의 중심부(126)에는 이것에 유기되는 유도 전류의 흐름을 제어하기 위한 홈부(128)를 형성해도 좋다. 홈부(128)는 중심부(126)의 외주면에서 적어도 중앙을 향하도록 형성한다. 예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 홈부(128)는 그 일단이 둘레가장자리에 관통하는 십자형으로 형성된다. 이것에 의하면, 중심부(126)에 유기된 유도 전류는 홈부(128)를 따라, 중심부(126)의 중앙에도 유입되고, 홈부(128)내를 일주해서 둘레가장자리부를 향하는 루프가 가능하다. 이것에 의해, 중심부(126)의 중앙에도 유도 전류가 흐르고, 그 부분도 발열하므로, 중심부(126)의 면내 온도를 더욱 균일하게 할 수 있다. 홈부(128)의 형상은 도 8에 도시하는 것에 한정되는 것은 아니다.
상술한 2개의 주파수의 고주파 전류의 인가 제어로서는 이들을 중첩시켜 인가해도 좋고, 각각을 시계열로 따로따로 인가해도 좋다. 이와 같은 인가 제어를 실현 가능한 고주파 전류 회로(200)의 구체적 구성예를 도 9에 나타낸다. 도 9는 본 실시예에 관한 고주파 전류 회로(200)의 개략 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 9에 도시하는 고주파 전류 회로(200)는 낮은 주파수인 제 1 주파수 f1의 고주파 전류(여기서는 1)를 출력하는 제 1 고주파 전원(210)과, 높은 주파수인 제 2 주파수 f2의 고주파 전류(여기서는 100)를 출력하는 제 2 고주파 전원(220)을 구비한다. 제 1 고주파 전원(210)의 출력은 제 1 정합 회로(212)를 거쳐서 고주파 전류 회로(200)의 출력 단자(202)에 접속되어 있다. 제 1 정합 회로(212)는, 예를 들면, 고주파 전류 회로(200)의 출력과 제 1 정합 회로(212)의 입력의 사이에 마련된 변성기 등으로 이루어진다.
제 2 고주파 전원(220)의 출력은 제 2 정합 회로(222)를 거쳐서 제 1 정합 회로(212)와 한쪽 출력 단자(202) 사이에 접속된다. 제 2 정합 회로(222)는 제 2 고주파 전원(220)의 출력과 제 1 정합 회로(212)의 한쪽 출력 사이에 마련된 변성기 등으로 이루어지고, 제 1 고주파 전원(210)으로부터의 출력에 제 2 고주파 전(220)으로부터의 출력을 중첩시키는 기능을 한다.
제 1 고주파 전원(210)과 제 2 고주파 전원(220)은 제어부(300)에 접속되어 있고, 제어부(300)로부터의 제어 신호에 따라서, 각 고주파 전원의 출력을 온/오프할 수 있도록 되어 있다. 이것에 의해, 제어부(300)로부터의 제어 신호에 따라서, 유도 코일(130)에 낮은 제 1 주파수 f1의 전류와 높은 제 2 주파수 f2의 전류를 중첩해서 또는 시계열로 전환해서 인가함으로써, 둘레가장자리부(124)만을 독립적으로 가열하거나, 둘레가장자리부(124)와 중심부(126) 양쪽 모두를 가열할 수 있다.
예를 들면, 제어부(300)로부터의 제어 신호에 따라서, 제 1 고주파 전원(210)으로부터의 제 1 주파수 f1의 전류 출력과 제 2 고주파 전원(220)로부터의 제 2 주파수 f2의 전류 출력의 양쪽을 온하여, 고주파 전류 회로(200)의 출력 단자(202)에는 제 1 주파수 f1의 전류에 제 2 고주파 f2의 전류가 중첩된 고주파 전류, 예를 들면, 도 10에 도시하는 바와 같은 전류 파형을 출력할 수 있다. 이 경우에는 각 주파수의 고주파 전류의 강도(크기)의 비율을 제어함으로써, 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)의 발열량을 제어할 수 있다. 또한, 제 1 주파수 f1의 전류 출력을 오프로 하면 둘레가장자리부(124)만을 가열할 수도 있다.
상술한 바와 같이 유도 발열체(122)의 발열량은 유도 코일(130)에 인가하는 고주파 전류의 주파수의 제곱근에 비례하고, 주파수가 낮을 때에는 발열량이 적어지므로, 낮은 주파수의 전류를 크게 함으로써, 유도 발열체(122) 전체의 발열량을 증가시킬 수 있다. 반대로, 유도 코일(130)에 인가하는 고주파 전류의 주파수가 높을 때에는 발열량이 커지므로, 높은 주파수의 전류를 상대적으로 작게 함으로써, 유도 발열체(122) 전체의 발열량의 밸런스를 조정할 수 있다. 또한, 높은 주파수와 낮은 주파수의 전류의 강도비(강도비율)를 제어함으로써, 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)의 발열량의 비율을 제어할 수 있다.
예를 들면, 제 1 주파수 f1(1)의 전류에 제 2 주파수 f2(100)의 전류를 중첩시켜 유도 코일(130)에 인가하고, 각 전류의 강도비(제 1 주파수 f1(1)의 전류강도/제 2 주파수 f2(100)의 전류강도)를 제어함으로써, 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)의 발열량의 비율을 제어할 수 있다.
이 경우, 각 전류의 강도비를 크게 할수록, 둘레가장자리부(124)의 발열량을 적어지게 하여, 중심부(126)의 발열량을 많아 지게 할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 도 11A에 도시하는 바와 같이, 둘레가장자리부(124)에 비해 중심부(126) 쪽을 더욱 가열할 수 있다. 또한, 도 11a에서는 알기 쉽도록 둘레가장자리부(124)와 중심부(126) 중의 발열하는 쪽, 즉, 발열량이 큰 쪽을 빗금으로 나타내고 있다(이하에 나타내는 도 11b, 도 13a, 도 13b도 마찬가지임).
이에 대해, 각 전류의 강도비를 작게 할수록, 둘레가장자리부(124)의 발열량을 많아지게 하여, 중심부(126)의 발열량을 작아지게 할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 도 11b에 도시하는 바와 같이, 둘레가장자리부(124)만을 가열할 수 있다. 또한, 각 전류의 강도비를 일정하게 유지한 채 높은 주파수와 낮은 주파수의 양쪽 모두의 전류를 크게 하면, 유도 발열체(122) 전체의 발열량의 밸런스를 유지할 수 있기 때문에, 서셉터(120)의 온도 분포를 일정하게 유지하면서 서셉터(120) 전체의 온도를 올릴 수 있다.
또한, 제어부(300)로부터의 제어 신호에 따라, 제 1 고주파 전원(210)으로부터의 제 1 주파수 f1의 전류 출력을 온하고 제 2 고주파 전원(220)의 제 2 주파수 f2의 전류 출력을 오프함으로써, 고주파 전류 회로(200)의 출력 단자(202)에는 제 1 주파수 f1의 고주파 전류만을 출력할 수 있다. 반대로, 제 1 고주파 전원(210)으로부터의 제 1 주파수 f1의 전류 출력을 오프하고 제 2 고주파 전원(220)으로부터의 제 2 주파수 f2의 전류 출력을 온함으로써, 고주파 전류 회로(200)의 출력 단자(202)에는 제 2 주파수 f2의 고주파 전류만을 출력할 수 있다.
이 때문에, 예를 들면, 제 1 주파수 f1(1)의 전류와 제 2 주파수 f2(100)의 전류를 시계열로 전환해서 이들 고주파 전류를 유도 코일(130)에 인가함으로써, 도 12에 도시하는 바와 같은 전류 파형을 인가할 수 있다. 예를 들면, 도 12에 도시하는 T1 구간의 전류 파형은 제 1 주파수 f1(1)의 전류에 의한 것이며, 도 12의 T2 구간의 전류 파형은 제 2 주파수 f2(100)의 전류에 의한 것이다. 이 경우에는 제 1 주파수 f1(1))의 전류와 제 2 주파수 f2(100)의 전류의 각 인가 시간 T1, T2를 제어함으로써, 유도 발열체(122)의 둘레가장자리부(124)와 중심부(126)의 발열량을 제어할 수 있다.
예를 들면, 제 1 주파수 f1(1)의 전류만을 인가하고 있는 동안(T1)에는, 도 13a에 나타내는 바와 같이, 둘레가장자리부(124)에 비해 중심부(126) 쪽을 더욱 가열할 수 있다. 이에 대해, 제 2 주파수 f2(100)의 전류만을 인가하고 있는 동안(T2)에는 도 13b에 도시하는 바와 같이, 둘레가장자리부(124)만을 가열할 수 있다.
고주파 전류 회로(200)는 도 9에 도시하는 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 2개의 주파수의 고주파 전류를 중첩해서 인가하는 경우에는 제 1 고주파 전원(210)과 제 2 고주파 전원(220)을 직렬로 접속해서 구성해도 좋고, 또 2개의 주파수의 고주파 전류를 시계열로 교대로 인가하는 경우에는 제 1 고주파 전원(210)과 제 2 고주파 전원(220)을 전환 가능하게 구성해도 좋다.
이와 같이, 고주파 전류 회로(200)에 의하면, 유도 코일(130)에 낮은 제 1 주파수 f1의 전류와 높은 제 2 주파수 f2의 전류를 중첩해서 또는 시계열로 전환해서 인가함으로써, 유도 발열체의 둘레가장자리부의 발열량과 중심부의 발열량의 비율을 제어할 수 있다. 이것에 의하면, 둘레가장자리부(124)만을 독립적으로 가열하거나, 둘레가장자리부(124)와 중심부(126) 양쪽 모두를 가열할 수 있다. 이것에 의해, 서셉터(120)의 면내 온도 분포를 제어할 수 있으므로, 더 나아가서는 웨이퍼 W의 면내 온도 분포를 적확하게 제어할 수 있다. 특히, 본 실시예에 관한 열 처리 장치(100)와 같이 반응관(104)의 측벽(처리실(102)의 측벽)을 금속으로 구성해서 낮은 온도로 제어하는 경우에는 서셉터의 둘레가장자리부의 열량이 빼앗기기 쉬우므로, 그 둘레가장자리부에 집중적으로 열량을 보전하면서, 또한 중심부까지 가열할 수 있는 점에서 그 효과는 극히 크다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 범주내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
100 열처리 장치 102 처리실
104 반응관 105 상부 플랜지
106 하부 플랜지 107 매니폴드
108 온도 조절 매체 유로 109 순환 유로
110 벽부 온도 조절기 112 석영보트
113 지주 114 덮개
116 단열체 118 보트 엘리베이터
120 서셉터 122 유도 발열체
123 절연판 124 둘레가장자리부
125 간극 126 중심부
128 홈부 130 유도 코일
132 파이프 134 순환 유로
136 코일 온도 조절기 138 급전 라인
140 가스 공급부 141 가스 도입부
142 가스 공급원 143 가스 공급 배관
144 매스플로 컨트롤러(MFC) 145 개폐 밸브
146 가스 노즐 147 가스 공급 구멍
150 배기관 151 압력 센서
152 압력 조정부 154 진공 펌프
200 고주파 전류 회로 202 출력단자
210 제 1 고주파 전원 212 제 1 정합회로
220 제 2 고주파 전원 222 제 2 정합회로
300 제어부 310 CPU
320 메모리 330 표시부
340 입출력부 350 통신부
360 컨트롤러 370 기억부
W 웨이퍼

Claims (10)

  1. 감압 가능한 처리실내에 가스를 공급해서 복수의 기판에 대해 열 처리를 실시하는 열 처리 장치로서,
    상기 기판을 탑재하는 도전성 부재로서 그 중심부와 둘레가장자리부로 분할해서 이루어지는 유도 발열체를 갖는 복수의 서셉터와,
    상기 각 서셉터를 소정의 간격을 두면서 일열로 중첩해서 배열하도록 지지하는 서셉터 지지부와,
    상기 각 서셉터의 주위를 둘러싸도록 상기 처리실내에 배치되고, 온도 조절 자유롭게 구성된 유도 코일과,
    상기 유도 코일에 다른 2개의 주파수의 고주파 전류를 인가 가능하게 구성된 고주파 전류 회로와,
    상기 고주파 전류 회로로부터 상기 유도 코일에 인가하는 상기 2개의 주파수의 고주파 전류를 제어함으로써, 상기 유도 발열체의 중심부의 발열량과 둘레가장자리부의 발열량의 비율을 변화시켜 온도 제어를 실행하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고주파 전류 회로로부터의 2개의 주파수의 고주파 전류를 중첩해서 또는 시계열로 전환해서 상기 온도 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 처리실의 측벽은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속으로 구성하고, 그 측벽의 온도를 상기 서셉터의 온도와는 독립적으로 온도 조절하는 벽부 온도 조절 기구를 마련한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 처리실의 측벽은 적어도 상기 서셉터보다도 낮은 온도로 설정 하는 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유도 코일은 금속제 파이프로 이루어지고, 그 금속제 파이프내에 온도 조절 매체를 순환시켜 상기 유도 코일의 온도를 조정하는 코일 온도 조절 기구를 마련한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유도 코일의 온도는 상기 처리실의 측벽의 온도와 동일하게 설정한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 전류 회로는 상기 2개의 주파수 중, 낮은 쪽의 주파수는 0.5㎑∼2㎑의 범위에서 설정하고, 높은 쪽의 주파수는 50㎑∼200㎑의 범위에서 설정한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2개의 주파수 중, 상기 높은 주파수 쪽의 전류에 의해서 유도 가열되는 상기 유도 발열체가 그 둘레가장자리부만 가열하도록, 상기 높은 주파수와 상기 유도 발열체의 둘레가장자리부의 폭을 설정한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도 발열체의 중심부에는 적어도 그 단면에서 중앙을 향하는 홈부를 형성한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도 발열체는 그래파이트(graphite), 유리상 카본(glassy carbon), SiC에서 선택된 1개 이상의 재료로 구성한 것을 특징으로 하는 열 처리 장치.
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