KR101103169B1 - 피처리체의 열처리 장치, 피처리체의 열처리 방법 및컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체 - Google Patents
피처리체의 열처리 장치, 피처리체의 열처리 방법 및컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 과제는 피처리체의 온도를 정밀도 좋게 정확하게 검출할 수 있어, 정밀도가 높은 온도 제어를 행하는 것이 가능한 피처리체의 열처리 장치를 제공하는 것이다. 열처리 장치(2)는 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 갖는 온도 측정용 피처리체(58a 내지 58e)를 포함하는 복수의 피처리체(W)를 수용 가능한 처리 용기(8)와, 피처리체(W)를 가열하는 가열 수단(10)과, 피처리체(W)를 보유 지지하는 보유 지지 수단(22)을 구비하고 있다. 처리 용기(8)에, 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 향해 측정용 전파를 송신하는 송신용 안테나(52)와, 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터 발생되는 온도에 따른 주파수로 이루어지는 전파를 받는 수신용 안테나(52)가 설치되어 있다. 수신용 안테나(52)에 온도 측정용 피처리체(W)의 온도를 구하는 온도 분석부(66)가 접속되고, 온도 분석부(66)에 가열 수단(10)을 제어하는 온도 제어부(64)가 접속되어 있다.
피처리체, 온도 제어부, 가열 수단, 탄성파 소자, 열처리 장치
Description
본 특허 출원은 2007년 2월 27일에 제출된 일본 출원인 일본 특허 출원 제2007-048125호 및 2008년 2월 14일에 제출된 일본 출원인 일본 특허 출원 제2008-033519호의 이익을 누린다. 이들 선출원에 있어서의 전체 개시 내용은, 인용함으로써 본 명세서의 일부가 된다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 열처리를 실시하기 위한 피처리체의 열처리 장치, 피처리체의 열처리 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체에 관한 것이다.
일반적으로, IC 등의 반도체 집적 회로를 형성할 때, 실리콘 기판 등으로 이루어지는 반도체 웨이퍼에 대해, 성막 처리, 에칭 처리, 산화 확산 처리, 어닐 처리 등의 각종 처리를 반복하여 행하고 있다. 이 중 성막 처리로 대표되는 열처리를 반도체에 대해 실시할 때, 웨이퍼에 대한 온도 관리가 중요한 요소 중 하나로 되어 있다. 즉, 웨이퍼 표면에 형성되는 박막의 성막 속도나, 이 막 두께의 면간 균일성 및 면내 균일성을 높게 유지하기 위해서는 높은 정밀도로 웨이퍼의 온도를 관리하는 것이 요구된다.
예를 들어, 열처리 장치로서 한 번에 복수매의 웨이퍼에 대해 처리를 실시할 수 있는 종형 열처리 장치를 예로 들어 설명한다. 우선 종형 처리 용기 내에 다단으로 지지된 반도체 웨이퍼를 로드(반입)하고, 이 처리 용기의 외주에 설치한 가열 수단에 의해 웨이퍼를 가열하여 승온한다. 그 후, 온도를 안정화하여 성막 가스를 흘림으로써 성막을 실시한다. 이 경우, 열처리 용기 내부나 처리 용기의 외측에 열전대가 형성되어 있고, 이 열전대로부터 얻어진 온도를 기초로 하여 상기 가열 수단의 전력을 제어함으로써, 웨이퍼를 소정의 온도로 유지하도록 되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1, 2).
또한, 처리 용기는 예를 들어 50 내지 150매 정도의 웨이퍼를 수용할 수 있을 정도의 충분한 길이를 갖고 있다. 이로 인해, 처리 용기 내의 온도 제어를 행할 때에는, 섬세하고 정밀도가 높은 온도 제어를 행하기 위해 처리 용기 내를 상하 방향으로 복수의 가열 존으로 분할하고, 이 가열 존마다 개별로 온도 제어를 행하고 있다. 이 경우, 실험용 더미 웨이퍼 자체에 열전대를 형성하고, 이 열전대에 의한 더미 웨이퍼의 실제 온도와 처리 용기의 내외에 형성한 열전대의 상관 관계를 미리 실험적으로 조사해 둔다. 그리고, 제품 웨이퍼에 대한 열처리시에는 상기 상관 관계를 참조하면서 온도 제어를 행한다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 평10-25577호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 출원 공개 제2000-77346호 공보
그런데, 상술한 바와 같은 열처리 장치에 있어서의 온도 제어 방법에 있어서는, 온도 측정 대상물인 웨이퍼와 열전대는 직접적으로 접촉하고 있지 않다. 이로 인해, 제품 웨이퍼의 실제 온도와 열전대에 의한 측정치의 상관 관계는 항시 일정한 것은 아니다. 특히 성막 처리가 반복하여 행해져 처리 용기의 내벽면 등에 불필요한 부착물이 부착되거나, 혹은 가스 유량이나 프로세스 압력 등을 변경하거나, 또는 전압 변동 등이 생기면, 상술한 상관 관계로부터의 차이가 지나치게 커져 웨이퍼 온도를 적정하게 제어할 수 없게 될 우려가 생긴다.
또한, 웨이퍼의 온도를 승강하는 동안에도 웨이퍼의 온도 제어를 행하고자 하는 요구도 있다. 그러나, 이러한 경우에 상술한 열전대를 이용하면, 실제 웨이퍼 온도와 열전대에 의한 측정치의 차가 한층 커지기 때문에, 이러한 요구에 응하는 것은 곤란하다. 이 문제점을 해결하기 위해 웨이퍼 자체에 열전대를 형성하는 것도 고려된다. 그러나, 열전대는 유선이므로, 웨이퍼의 회전, 이동 탑재에 추종할 수 없고, 또한 열전대에 기인하는 금속 오염 등의 문제도 있으므로, 채용할 수는 없다.
또한, 매엽식 처리 장치에 관하여, 일본 특허 출원 공개 제2004-140167호 공보 등에 개시되어 있는 바와 같이, 수정 진동자를 이용하여 온도에 따른 전자파를 수신하여 웨이퍼 온도를 구하는 것도 고려된다. 그러나, 수정의 내열성은 고작 300 ℃ 정도이며, 이 온도 이상이 되는 열처리 장치에서는 이용할 수 없다.
본 발명은 이러한 점을 고려하여 이루어진 것으로, 예를 들어 랑가사이트(Langasite) 기판 소자 또는 LTGA(란탄 탄탈산 갈륨 알루미늄) 등으로 이루어지는 탄성파 소자로부터 발신된 전파를 기초로 하여 온도를 구하도록 하고, 이에 의해 금속 오염 등을 발생시키지 않고 무선으로 또한 실시간으로 피처리체의 온도를 정밀도 좋게 정확하게 검출할 수 있어, 정밀도가 높은 온도 제어를 행하는 것이 가능한 피처리체의 열처리 장치, 피처리체의 열처리 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 반도체 웨이퍼의 온도 측정에 대해 예의 연구하였다. 이 결과, 랑가사이트 또는 LTGA 등을 이용한 탄성파 소자는, 전기적 자극에 의해 발생한 탄성파의 음파를 기초로 하여 발신이 생겨 전파가 발생하고, 이 전파를 수신함으로써, 웨이퍼 온도를 무선으로 직접적으로 측정할 수 있다고 하는 지견을 얻음으로써 본 발명에 이른 것이다.
본 발명은, 피처리체의 열처리 장치에 있어서, 탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 수용 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기의 외주에 마련되고 상기 복수의 피처리체를 가열하는 가열 수단과, 상기 복수의 피처리체를 보유 지지하는 동시에 상기 복수의 피처리체를 상기 처리 용기 내에 로드 및 언로드하는 보유 지지 수단과, 상기 처리 용기에 설치되고 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 측정용 전파를 송신하는 송신용 안테나와, 상기 처리 용기에 설치되고 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자로부터 발신되고 상기 온도 측정용 피처리체의 온도에 따른 주파수로 이루어지는 전파를 받는 수신용 안테나와, 상기 수신용 안테나에 접속되고 상기 수신용 안테나에서 받은 전파를 기초로 하여 상기 온도 측정용 피처리체의 온도를 구하는 온도 분석부와, 상기 온도 분석부에 접속되고 상기 온도 분석부의 출력을 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치이다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 처리 용기에 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 설치하고, 예를 들어 랑가사이트 기판 소자 또는 LTGA 등으로 이루어지는 탄성파 소자로부터 발신한 전파를 수신하고, 이것을 기초로 하여 피처리체의 온도를 구한다. 이에 의해, 금속 오염 등을 발생시키지 않고 무선으로 또한 실시간으로 피처리체의 온도를 정밀도 좋게 정확하게 검출할 수 있으므로, 정밀도가 높은 온도 제어를 행할 수 있다. 또한, 피처리체의 온도를 승강하는 동안에도, 이 온도를 직접적으로 측정할 수 있으므로, 예를 들어 승온 속도나 강온 속도를 정확하게 제어할 수 있고, 이에 의해 승강온 제어를 적정하게 행할 수 있다. 또한, 무선으로 피처리체의 온도를 구할 수 있으므로, 처리 용기의 내벽면에 막이 부착되어도, 정확한 피처리체의 온도를 구할 수 있다.
이 경우, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 피처리체의 주위를 둘러싸도록 루프 형상으로 형성되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 설치되고, 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는, 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 설치된다. 또한, 예를 들어 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은, 상기 가열 존마다 서로 다르게 설정되어 있다.
또한, 예를 들어 상기 온도 측정용 피처리체는, 복수의 탄성파 소자를 갖고, 상기 복수의 탄성파 소자의 주파수 대역은 서로 다르게 설정되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 탄성파 소자는, 적어도 각 온도 측정용 피처리체의 중심부와 주변부에 설치된다. 또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 길이 방향을 따라 로드 형상으로 형성되어 있다.
또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 피처리체의 주위 방향을 따라 소정의 간격을 두고 복수 설치되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은 상기 가열 존마다 서로 다르게 설정되어 있다.
또한, 예를 들어 상기 온도 측정용 피처리체는, 복수의 탄성파 소자를 갖고, 상기 복수의 탄성파 소자의 주파수 대역은 서로 다르게 설정되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 탄성파 소자는, 적어도 각 온도 측정용 피처리체의 중심부와 주변부에 설치된다. 또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는 상기 처리 용기의 내측에 설치된다.
또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 외측에 설치된다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기의 외측에, 상기 처리 용기로부터 언로드된 상기 보유 지지 수단이 대기하는 로딩 영역이 마련되고, 상기 로딩 영역에, 각각 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나와 동일한 구조를 갖는 추가의 송신용 안테나 및 추가의 수신용 안테나가 설치되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 각각 보호관 내에 수용되어 있다.
또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나로부터, 상기 주파수 대역이 다른 탄성파 소자에 대응한 서로 다른 주파수 대역의 측정용 전파를, 소정의 시간마다 순차 스위핑(sweeping)하여 송신한다. 또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나로부터, 상기 주파수 대역이 다른 탄성파 소자에 대응한 서로 다른 주파수 대역의 측정용 전파를, 동시에 송신한다.
또한, 예를 들어 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 송수신용 안테나로서 일체화되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기 내 및/또는 상기 가열 수단에 온도 측정용 열전대가 형성되고, 상기 온도 제어부는 상기 열전대로부터의 측정치도 참조하여 상기 가열 수단의 제어를 행한다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기에, 상기 피처리체의 열처리를 보조하기 위해 고주파 전력에 의해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단이 마련되고, 상기 측정용 전파의 주파수 대역은, 상기 고주파 전력의 주파수 대역과 다르게 설정되어 있다. 또한 예를 들어, 상기 탄성파 소자는 표면 탄성파 소자로 이루어진다. 또한 예를 들어, 상기 탄성파 소자는 벌크 탄성파 소자로 이루어진다. 또한 예를 들어, 상기 탄성파 소자는, 란탄 탄탈산 갈륨 알루미늄(LTGA), 수정(SiO2), 산화아연(ZnO), 로쉘염(주석산 칼륨-나트륨 : KNaC4H4O6), 티탄산 지르콘산 납(PZT : Pb(Zr,Ti)O3), 니오븀산리튬(LiNbO3), 탄탈산리튬(LiTaO3), 리튬테트라보레이트(Li2B4O7), 랑가사이트(La3Ga5SiO14), 질화 알루미늄, 전기석(토르말린), 폴리불화비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 재료의 기판 소자로 이루어진다.
본 발명은, 탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단을, 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 설치된 처리 용기 내에 도입하고, 상기 피처리체를 상기 처리 용기의 외주에 설치된 가열 수단으로 가열함으로써 열처리를 실시하도록 한 피처리체의 열처리 방법에 있어서, 상기 송신용 안테나로부터 측정용 전파를 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 송신하는 송신 공정과, 상기 측정용 전파를 받은 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자가 발하는 전파를 상기 수신용 안테나에서 받는 수신 공정과, 상기 수신용 안테나에서 받은 전파를 기초하여 상기 온도 측정용 피처리체의 온도를 구하는 온도 분석 공정과, 상기 온도 분석 공정에서 구한 온도를 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법이다.
이 경우, 예를 들어 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 복수 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은, 상기 가열 존마다 서로 다르게 설 정되어 있다. 또한, 예를 들어 상기 처리 용기 내 및/또는 상기 가열 수단에 온도 측정용 열전대가 마련되고, 상기 온도 제어 공정에 있어서, 상기 열전대로부터의 측정치도 참조하여 상기 가열 수단의 제어를 행한다. 또한, 예를 들어 예비 온도 측정용 피처리체가 미리 준비되고, 필요에 따라서, 혹은 정기적으로, 자동적으로 상기 온도 측정용 피처리체와 상기 예비 온도 측정용 피처리체가 교환된다. 또한 예를 들어, 상기 피처리체의 열처리는, 고주파 전력에 의해 발생된 플라즈마에 의해 보조되고, 상기 측정용 전파의 주파수는 상기 고주파 전력의 주파수와 다르게 설정되어 있다. 또한 예를 들어, 상기 탄성파 소자는 표면 탄성파 소자 또는 벌크 탄성파 소자로 이루어진다.
본 발명은, 컴퓨터에, 피처리체의 열처리 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체에 있어서, 상기 피처리체의 열처리 방법은, 탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단을, 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 설치된 처리 용기 내에 도입하고, 상기 피처리체를 상기 처리 용기의 외주에 마련된 가열 수단으로 가열함으로써 열처리를 실시하도록 한 피처리체의 열처리 방법에 있어서, 상기 송신용 안테나로부터 측정용 전파를 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 송신하는 송신 공정과, 상기 측정용 전파를 받은 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자가 발하는 전파를 상기 수신용 안테나에서 받는 수신 공정과, 상기 수신용 안테나에서 받은 전파를 기초로 하여 상기 온도 측정용 피처리체의 온도를 구하는 온도 분석 공정과, 상기 온도 분석 공정에서 구한 온도를 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체이다.
본 발명에 따르면, 다음과 같이 우수한 작용 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 처리 용기에 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 설치하고, 예를 들어 랑가사이트 기판 소자 또는 LTGA 등으로 이루어지는 탄성파 소자로부터 발신한 전파를 수신하여 이것을 기초로 하여 피처리체의 온도를 구한다. 이에 의해, 금속 오염 등을 발생시키지 않고 무선으로 또한 실시간으로 피처리체의 온도를 정밀도 좋게 정확하게 검출할 수 있으므로, 정밀도가 높은 온도 제어를 행할 수 있다. 또한 피처리체의 온도를 승강하는 동안에도, 이 온도를 직접적으로 측정할 수 있으므로, 예를 들어 승온 속도나 강온 속도를 정확하게 제어할 수 있고, 이에 의해 승강온 제어를 적정하게 행할 수 있다. 또한, 처리 용기의 내벽면에 막이 부착되어도, 정확한 피처리체의 온도를 구할 수 있다.
이하에, 본 발명의 일 실시 형태를 첨부 도면을 기초로 하여 상세하게 서술한다. 도1은 본 발명에 관한 열처리 장치를 도시하는 단면 구성도, 도2a 및 도2b는 처리 용기와 루프 형상의 송수신용 안테나의 위치 관계를 도시하는 도면, 도3a, 도3b, 도3c는 탄성파 소자를 설치한 온도 측정용 피처리체를 도시하는 도면, 도4는 열처리 장치의 온도 제어계를 도시하는 계통도, 도5는 본 발명의 열처리 방법의 일예를 나타내는 흐름도, 도6a 및 도6b는 탄성파 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 동작 원리도이다.
여기서는 송신용 안테나와 수신용 안테나를 일체화하여 겸용한 송수신용 안테나를 이용한 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 여기서는 종형 열처리 장치를 예로 들어 설명한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 열처리 장치(2)는 2중관 구조의 처리 용기(8)를 갖고 있다. 이 처리 용기(8)는 통체 형상의 석영제 내통(4)과, 내통(4)의 외측에 동심원 형상으로 배치된, 천장이 있는 통체 형상의 석영제 외통(6)으로 이루어져 있다. 이 처리 용기(8)의 외주에, 가열 히터 등으로 이루어지는 가열 수단(10)과 단열재(12)를 갖는 가열로(14)가 배치되어 있다. 가열 수단(10)은, 후술하는 복수의 피처리체[반도체 웨이퍼(W)]를 가열하는 것으로, 단열재(12)의 내측면에 전체면에 걸쳐 설치되어 있다. 처리 용기(8)의 가열 영역은, 높이 방향에 있어서 온도 제어용으로 복수, 여기서는 5개의 가열 존(16a, 16b, 16c, 16d, 16e)으로 구획되어 있다. 각 가열 수단(10)은, 이 각 가열 존(16a 내지 16e)에 대응하거나, 혹은 대응하지 않는 5개의 가열 히터(10a, 10b, 10c, 10d, 10e)로 구성되고, 각각 개별로 제어 가능하게 되어 있다. 또한, 이 가열 존 개수는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 이 각 가열 히터(10a 내지 10e)에는, 이것의 온도를 측정하기 위한 히터용 열전대(17a 내지 17e)가 각각 마련되어 있다.
처리 용기(8)의 하단은, 예를 들어 스테인리스 스틸제인 통체 형상의 매니폴드(18)에 의해 지지되어 있다. 또한 내통(4)의 하단부는, 매니폴드(18)의 내벽에 장착된 지지 링(20) 상에 지지되어 있다. 또한, 이 매니폴드(18)를 석영 등에 의 해 형성하고, 이것을 처리 용기(8)와 일체로 성형하도록 해도 좋다. 또한, 이 매니폴드(18)의 하방에는, 복수매의 반도체 웨이퍼(W)(피처리체)를 적재하여 보유 지지하는 석영제 웨이퍼 보트(22)(보유 지지 수단)가 설치되어 있다. 이 웨이퍼 보트(22)(보유 지지 수단)는, 반도체 웨이퍼(W)(피처리체)를 처리 용기(8) 내에 로드 및 언로드하기 위해 승강 가능하게 되어 있다. 반도체 웨이퍼(W)는, 예를 들어 그 직경이 300 ㎜인 사이즈의 것이 이용되지만, 이 치수는 특별히 한정되지 않는다.
웨이퍼 보트(22)는 석영제 보온통(24)을 통해 회전 테이블(26) 상에 적재되어 있다. 회전 테이블(26)은 매니폴드(18)의 하단 개구부를 개폐하는 덮개부(28)를 관통하는 회전축(30) 상에 지지된다. 그리고, 이 회전축(30)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 밀봉부(32)가 개재 설치되고, 자성 유체 밀봉부(32)는 이 회전축(30)을 기밀하게 밀봉하면서 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 덮개부(28)의 주변부와 매니폴드(18)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(34)가 개재 설치되어 있어, 처리 용기(8) 내의 밀봉성을 유지하고 있다.
상술한 회전축(30)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(36)에 지지된 아암(38)의 선단에 장착되어 있고, 웨이퍼 보트(22) 및 덮개부(28) 등을 일체적으로 승강할 수 있도록 구성되어 있다.
한편, 매니폴드(18)의 측부에는, 가스 도입 수단(40)이 설치되어 있다. 구체적으로는, 이 가스 도입 수단(40)은 매니폴드(18)를 관통하는 가스 노즐(42)을 갖고, 필요한 가스를 유량 제어하면서 처리 용기(8) 내에 공급할 수 있도록 되어 있다. 여기서는, 가스 노즐(42)은 대표로서 1개밖에 기재하고 있지 않지만, 실제 로는 사용 가스 종류에 따라서 복수개 설치된다. 또한, 가스 노즐(42)로서는, 처리 용기(8) 내의 상방으로 연장되는 동시에 복수의 가스 분사 구멍을 갖는, 이른바 분산 노즐이 이용되어도 좋다. 또한, 이 매니폴드(18)의 측벽에는, 내통(4)과 외통(6) 사이로부터 처리 용기(8) 내의 분위기를 배출하는 배기구(44)가 마련되어 있다. 이 배기구(44)에는, 예를 들어 진공 펌프나 압력 조정 밸브 등을 개재 설치한 진공 배기계(도시하지 않음)가 접속되어 있다.
또한, 내통(4)과 웨이퍼 보트(22) 사이에는, 각 가열 히터(10a 내지 10e)에 대응시켜 5개의 내부 열전대(46a 내지 46e)가 마련되어 있다. 각 내부 열전대(46a 내지 46e)는, 1개의 석영제 보호관(48) 내에 수용된 상태로 되어 있다. 그리고, 이 보호관(48)의 하단은, 굴곡되어 매니폴드(18) 측부를 기밀하게 관통하고 있다. 각 열전대(17a 내지 17d, 46a 내지 46e)의 검출치는, 예를 들어 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 온도 제어부(50)에 입력된다. 이 검출치는, 후술하는 바와 같이 프로세스시에 각 가열 히터(10a 내지 10e)에의 공급 전력을 개별적으로 제어할 때, 보조적으로 이용된다.
그리고, 이 처리 용기(8)에는 본 발명의 특징으로 하는 송수신용 안테나(52)가 설치되어 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 송수신용 안테나(52)는 송신용 안테나와 수신용 안테나를 일체화하여 겸용한 것이지만 이에 한정하지 않고, 이 송수신용 안테나(52)를 송신용 안테나와 수신용 안테나로 분리하여 설치해도 좋다.
구체적으로는, 송수신용 안테나(52)는 도2a에 도시하는 바와 같이 처리 용기(8)의 외측에, 이것의 주위를 둘러싸도록 하여 루프 형상으로 형성하여 설치되어 있다. 송수신용 안테나(52)는, 후술하는 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)에 대응시켜 5개의 송수신용 안테나(52a, 52b, 52c, 52d, 52e)로 구성되어 있다. 즉, 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)는, 웨이퍼(W)의 주위를 둘러싸도록 하여 설치되어 있다. 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)는, 도2b에 도시하는 바와 같이 보호관(54) 내에 도선으로 이루어지는 안테나선(56)을 삽입 관통하여 형성되어 있다. 이 보호관(54)은, 예를 들어 전파에 대해 투과성이 있고, 또한 내열성 및 내부식성이 있는 재료, 예를 들어 석영이나 알루미나 등의 세라믹재 등으로 이루어져 있다. 또한, 안테나선(56)으로서는, 백금 등을 이용할 수 있다.
그런데, 도1에 도시하는 바와 같이 웨이퍼 보트(22)에는 제품 웨이퍼가 되는 반도체 웨이퍼(W) 외에, 더미 웨이퍼나 본 발명의 특징으로 되는 탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체인 온도 측정용 웨이퍼가 보유 지지되어 있다. 여기서, 탄성파 소자로서는 표면 탄성파 소자와 벌크 탄성파 소자 중 어떠한 탄성파 소자를 이용할 수도 있다. 구체적으로는, 여기서는 각 가열 히터(10a 내지 10e)에 대응시켜 5개의 온도 측정용 웨이퍼(58a, 58b, 58c, 58d, 58e)가 보유 지지되어 있다. 이 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)는, 각 가열 히터(10a 내지 10e)를 제어할 수 있는 최적의 위치에 보유 지지되어 있고, 대응하는 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)에 각각 접근시켜, 미약한 전파라도 용이하게 도달하도록 설정되어 있다.
그리고, 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)는, 각각 탄성파 소자(60a, 60b, 60c, 60d, 60e)(도3a, 도3b, 도3c 참조)를 갖고 있다. 송수신용 안테나(52a 내지 52e)로부터 이 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)에 대해 전파가 발생된다. 또 한, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)는, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터 발생한 전파를 수신할 수 있다.
또한, 도3a 및 도3b에 도시하는 바와 같이, 탄성파 소자(60a 내지 60e)가 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 상면에 설치되어 있어도 좋지만 이에 한정하지 않고, 도3c에 도시하는 바와 같이, 탄성파 소자(60a 내지 60e)가 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e) 내에 매립되어 있어도 좋다. 이 매립 방법은 특별히 상관없으며, 2매의 매우 얇은 웨이퍼 부재 사이에 상기 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 끼워 넣도록 하여 매립해도 좋다. 혹은, 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 표면으로부터 매립 구멍을 형성하고, 이 속에 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 수용하여 매립하도록 해도 좋다.
또한, 상기 탄성파 소자(60a 내지 60e)로서는, 예를 들어 표면 탄성자 소자로서는 랑가사이트(La3Ga5SiO14)를 이용한 랑가사이트 기판 소자가 이용된다. 한편, 벌크 탄성파 소자로서는 LTGA(란탄 탄탈산 갈륨 알루미늄 : La3Ta0 .5Ga5 .5- xAl3O14)가 이용된다. 이 경우, 탄성파 소자(60a 내지 60e)의 주파수 대역은, 상호의 혼신(混信)을 방지하는 면에서 각 가열 존마다 다르게 설정하는 것이 바람직하다.
여기서 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e) 등을 이용한 온도 제어계에 대해, 도4도 참조하여 설명한다. 도4에 도시하는 바와 같이 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)는, 라인(62a 내지 62e)을 통해 송수신기(64)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)는 측정용 전파를 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 향해 송신하는 동시에, 각각 대응하는 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파를 개별로 수신할 수 있도록 되어 있다. 또한, 각 라인(62a 내지 62e)은, 예를 들어 석영제 보호관 내에 삽입 관통하여 보호하도록 해도 좋고, 혹은 각 라인(62a 내지 62e)을 통합하여 1개로 하도록 해도 좋다. 또한, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)가 각각 송신용과 수신용으로 분리되어 있는 경우에는, 송수신기(64)도 송신기와 수신기로 분리된다.
여기서, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)가 서로 다른 주파수 대역에 대응하도록 조정된 경우에는, 상기 송수신기(64)의 송신기로부터는, 그것들에 대응한 다른 주파수 대역의 측정용 전파를 송신하게 된다. 이 경우, 이들 다른 주파수 대역의 측정용 전파를 동시에 송신하도록 해도 좋고, 또는 소정의 시간 내, 예를 들어 1초간 이내에 상기 주파수 대역이 다른 측정용 전파를 순차 스위핑하여 송신하도록 해도 좋다.
또한, 처리 장치로서 웨이퍼(W)에 대한 열처리를 보조하기 위해 고주파 전력에 의해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단(15)을 처리 용기(8)에 마련해도 좋다. 이 경우, 노이즈의 발생을 방지하기 위해 상기 측정용 전파의 각 주파수 대역을, 상기 고주파 전력의 주파수, 예를 들어 13.56 ㎒ 또는 400 ㎑와 다른 주파수로 설정한다.
송수신기(64)는 온도 분석부(66)에 접속되고, 온도 분석부(66)는 온도 제어부(50)에 접속되어 있다. 온도 분석부(66)는, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)에서 받은 각 전파를 기초로 하여 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 온도를, 즉 가열 존마다의 온도를 각각 구한다. 그리고, 이 온도 분석부(66)에서 구한 각 가열 존의 온도에 관한 출력을 기초로 하여, 온도 제어부(50)는 히터 구동부(68)를 통해 각 가열 히터(10a 내지 10e)를 개별로 독립하여 제어하도록 되어 있다.
또한, 각 열전대(17a 내지 17e, 46a 내지 46e)에 의한 온도의 측정치도 온도 제어부(50)에 입력되도록 되어 있어, 상술한 가열 수단(10)에 의한 온도 제어를 보조하도록 되어 있다. 또한, 이들 내부 열전대(46a 내지 46e) 및/또는 히터용 열전대(17a 내지 17e)를 생략하도록 해도 좋다.
여기서 도1로 되돌아가, 이상과 같이 형성된 열처리 장치(2)의 전체 동작은, 예를 들어 컴퓨터 등으로 이루어지는 제어 수단(70)에 의해 제어된다. 제어 수단(70)은, 온도 제어부(50)를 지배하에 두고 온도 제어부(50)를 제어한다. 이 열처리 장치(2) 전체 동작을 행하는 컴퓨터 프로그램은 플로피나 CD(Compact Disc)나 하드디스크나 플래시 메모리 등의 기억 매체(72)에 기억되어 있다. 구체적으로는, 이 제어 수단(70)으로부터의 지령에 의해, 각 가스의 공급 개시, 정지나 유량 제어, 프로세스 온도나 프로세스 압력의 제어 등이 행해진다.
다음에, 이상과 같이 구성된 열처리 장치를 이용하여 행하는 열처리 방법에 대해 도5도 참조하여 설명한다. 도5는 본 발명의 열처리 방법의 일예를 나타내는 흐름도이다. 우선, 실제 성막 등의 열처리 프로세스를 행하는 데 앞서, 각 가열 존에 대응하는 탄성파 소자(60a 내지 60e)가 발생하는 주파수의 전파로부터 검출되는 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 온도와, 각 가열 히터(10a 내지 10e)에 공급하는 전력의 상관 관계를 미리 구하고, 이 상관 관계를 온도 제어부(50)에 기억 시켜 둔다. 또한, 각 열전대(17a 내지 17e, 46a 내지 46e)도 이용하는 경우에는, 이들의 온도 검출치와 탄성파 소자(60a 내지 60e)의 전파로부터 얻어지는 온도와의 상관 관계도 미리 구해 둔다.
다음에, 반도체 웨이퍼(W)에 대해 실제 성막 처리 등의 열처리를 행할 때의 프로세스에 대해 설명한다. 우선, 반도체 웨이퍼(W)가 언로드 상태에서 열처리 장치(2)가 하방의 로딩 영역 내에서 대기 상태로 되어 있을 때에는, 처리 용기(8)는 프로세스 온도, 혹은 그보다도 낮은 온도로 유지되어 있다. 그 후, 상온의 다수매의 웨이퍼(W)를 웨이퍼 보트(22)에 적재한 상태에서, 웨이퍼 보트(22)를 처리 용기(8) 내에 그 하방으로부터 상승시켜 로드하고, 덮개부(28)로 매니폴드(18)의 하단 개구부를 폐쇄함으로써 처리 용기(8) 내를 밀폐한다. 또한 웨이퍼 보트(22)에는, 제품 웨이퍼(W) 외에, 각 가열 존(16a 내지 16e)에 대응시킨 위치에 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)가 지지되어 있다.
다음에, 처리 용기(8) 내를 소정의 프로세스압으로 유지하는 동시에, 각 열전대(17a 내지 17e, 46a 내지 46e)로부터 각각 웨이퍼 온도가 검출되고, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파에 의해 웨이퍼 온도가 검출된다. 또한, 도4에 도시하는 온도 제어계의 동작에 의해 각 가열 히터(10a 내지 10e)에의 투입 전력이 증대하여 웨이퍼 온도가 상승하여, 소정의 프로세스 온도에서 안정적으로 유지된다. 그 후, 소정의 성막용 처리 가스를 가스 도입 수단(40)의 가스 노즐(42)로부터 처리 용기(8) 내로 도입한다.
처리 가스는, 상술한 바와 같이 가스 노즐(42)로부터 내통(4) 내의 저부(底 部)로 도입된 후, 이 내부에서 회전되고 있는 웨이퍼(W)와 접촉하면서 성막 반응하여 상승한다. 그 후 천장부로부터 내통(4)과 외통(6) 사이의 간극을 흘러 내려와, 배기구(44)로부터 용기 밖으로 배출된다. 프로세스 중에 있어서의 웨이퍼(W)의 온도 제어는, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터 발생하는 전파에 의해 각 가열 존마다의 웨이퍼 온도가 구해지고, 이 웨이퍼 온도가 미리 정해진 목표 온도가 되도록, 예를 들어 PID 제어에 의해 각 가열 히터(10a 내지 10e)에의 공급 전력을 제어함으로써 행해진다.
여기서 도6a 및 도6b도 참조하여 탄성파 소자(60a 내지 60e)의 동작 원리에 대해 설명한다. 또한, 도6a는 표면 탄성파 소자로 이루어지는 탄성파 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 동작 원리도이고, 도6b는 벌크 탄성파 소자로 이루어지는 탄성파 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 동작 원리도이다. 도6a에 도시하는 바와 같이, 이 탄성파 소자(60A)는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2000-114920호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2003-298383호 공보, 또는 일본 특허 출원 공개 제2004-140167호 공보 등에 개시되어 있는 랑가사이트 기판 소자로 이루어져 있다. 이 랑가사이트 기판 소자는, 압전 기능을 갖는 사각 형상의 랑가사이트 기판(76)을 갖고 있다. 이 랑가사이트 기판(76)의 크기는, 예를 들어 10 ㎜ × 15 ㎜ × 0.5 ㎜ 정도의 크기이다. 이 랑가사이트 기판(76)의 표면에는 한 쌍의 빗살 형상 전극(78a, 78b)이 형성되고, 각 전극(78a, 78b)에는 안테나(80a, 80b)가 장착되어 있다.
그리고, 송수신기(64)로부터, 랑가사이트 기판(76)의 고유 진동수에 상당하 는 소정의 고주파 전파를 송신 신호로서 보내, 빗살 형상 전극(78a, 78b)에 고주파 전압이 인가되면, 랑가사이트 기판(76)의 압전 효과에 의해 표면 탄성파가 여진된다. 이때, 랑가사이트 기판(76)의 온도에 따라서 음속이 변화하므로, 상기 표면 탄성파가 상기 음속에 의존하여 공진하고, 이것이 이번에는 반대로 안테나(80a, 80b)로부터 전파로 되어 출력되게 된다.
따라서, 상기 출력된 전파를 송수신기(64)로부터 수신하여 이 수신 신호와 이전의 송신 신호의 시간차(Δt)를 분석함으로써, 랑가사이트 기판(76)의 온도를 검출할 수 있다. 즉, 무선 온도 검출 소자로서 이용할 수 있다. 이러한 원리를, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)에 적용하고 있다.
또한, 도6b에 도시하는 바와 같이, LTGA로 대표되는 벌크 탄성파 소자(60B)의 경우에도, 코일(84)에 접속된 한 쌍의 전극(85a, 85b)에 벌크 탄성파 소자(60B)를 끼워 넣어 형성한다.
이 경우에도, 송수신기(82)로부터 벌크 탄성파 소자(60B)의 고유 진동수에 상당하는 소정의 고주파 전파를 송신 신호로서 보내고, 벌크 탄성파 소자(60B)측으로부터 출력되는 신호를 수신한다. 그리고, 이 송신 신호와 수신 신호의 시간차(Δt)를 분석함으로써 벌크 탄성파 소자(60B)의 온도를 검출할 수 있다. 이러한 원리를 상기 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)에 적용하고 있다.
여기서, 각 전극(78a, 78b)의 피치나 단결정으로부터의 잘라냄 각도 또는 잘라냄 두께 등을 바꿈으로써, 소자의 주파수 대역을 변화시킬 수 있다. 여기서는 전술한 바와 같이, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)는 서로 다른 주파수 대역으로 각 각 설정되어 있고, 소자(60a)는 f1, 예를 들어 10 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역에, 소자(60b)는 f2, 예를 들어 20 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역으로, 소자(60c)는 f3, 예를 들어 30 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역으로, 소자(60d)는 f4, 예를 들어 40 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역으로, 소자(60e)는 f5, 예를 들어 50 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역으로 각각 설정되어 있어, 서로 혼신이 발생하지 않도록 되어 있다.
도5에 도시하는 바와 같이, 실제 온도 제어에 있어서는, 우선 송수신기(64)로부터 각 가열 존(16a 내지 16e)에 대응하는 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)에 대해 송신 전력을 공급하여, 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)로부터 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 향해, 랑가사이트 기판(표면 탄성파 소자의 경우), 혹은 LTGA 기판(벌크 탄성파 소자의 경우)의 고유 진동수에 상당하는 측정용 전파를 송신한다(S1 : 송신 공정). 이때, 각 송수신용 안테나(52a 내지 52e)로부터의 측정용 전파를 수신한 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 탄성파 소자(60a 내지 60e)는, 그때의 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 온도에 따른 공진이 발생하여, 이 공진 신호를 방사한다(S2). 이때의 전파의 발생 원리는, 앞서 도6a 및 도6b를 참조하여 설명한 바와 같다.
다음에, 이때 발생한 전파는, 각 가열 존마다 대응하는 송수신용 안테나(52a 내지 52e)에서 수신되어 송수신기(64)측으로 전반(傳搬)된다(S3 : 수신 공정). 이어서, 이 수신된 각 가열 존마다의 전파는 온도 분석부(66)에서 분석되어, 각 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 온도, 즉 각 가열 존(16a 내지 16e)의 웨이퍼(W)의 온도가 직접적으로 구해진다(S4 : 온도 분석 공정).
그 후, 온도 제어부(50)는 온도 분석 공정에서 구해진 온도를 기초로 하여, 히터 구동부(68)를 통해 가열 수단(10)의 각 가열 히터(10a 내지 10e)를 개별로 독립하여 목표 온도로 되도록 제어한다(S5 : 온도 제어 공정). 이에 의해, 웨이퍼 온도(온도 측정용 웨이퍼 온도)를 직접적으로 측정하여 검출할 수 있고, 따라서 정밀도가 높은 온도 제어를 행할 수 있다.
이러한 일련의 제어 동작은, 미리 정해진 프로세스 시간이 경과할 때까지(S6의 "예"), 반복하여 행해지게 된다(S6의 "아니오"). 이와 같이, 처리 용기(8)에 송수신용 안테나(52a 내지 52e)를 설치하여, 예를 들어 랑가사이트 기판 소자 또는 LTGA 소자 등으로 이루어지는 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터 발신된 전파를 수신하여 이것을 기초로 하여 온도를 구하도록 하고, 이에 의해 금속 오염 등을 발생시키지 않고 무선으로 또한 실시간으로 피처리체(반도체 웨이퍼)(W), 즉 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 온도를 정밀도 좋게 정확하게 검출할 수 있으므로, 정밀도가 높은 온도 제어를 행할 수 있다.
또한 피처리체(W)를 승강온하는 경우에도, 이 온도를 직접적으로 측정할 수 있으므로, 예를 들어 승온 속도나 강온 속도를 정확하게 제어할 수 있고, 이에 의해 승강온 제어를 적정하게 행할 수 있다. 또한, 무선으로 피처리체(W)의 온도를 구할 수 있으므로, 처리 용기(8)의 내벽면에 막이 부착되어도, 정확한 피처리체(W)의 온도를 구할 수 있다.
또한, 실제 온도 제어에서는, 보다 정밀도가 높은 제어를 행하기 위해, 온도 분석부(66)에서 구한 온도에 더하여, 히터용 열전대(17a 내지 17e) 및/또는 내부 열전대(46a 내지 46e)에서의 각 측정치도 각각 참조하여 온도 제어를 행하는 것이 바람직하다.
여기서, 측정용 전파 및 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파가 충분히 강한 경우에는, 송수신용 안테나(52)를 5개보다 적은 수만큼 설치하면 좋다. 이 경우, 일반적으로는 측정용 전파는 어느 정도 강하게 할 수 있지만, 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파는 미약하다. 따라서, 송수신용 안테나(52)를 5개보다 적은 수만큼 설치하고, 수신용 안테나는 송수신용 안테나(52)를 설치한 가열 존 이외의 다른 가열 존에 대응시켜 설치하도록 해도 좋다.
또한, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파가, 대응하는 가열 존의 안테나까지는 도달하지만, 인접하는 가열 존에 위치하는 안테나까지 도달하지 않는 미약한 전파인 경우에는, 혼신의 우려는 없다. 따라서, 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)의 주파수 대역은 서로 바꿀 필요는 없고, 모두 동일한 주파수 대역이 되도록 설정해도 좋다. 또한, 열전대(17a 내지 17e) 및/또는 내부 열전대(46a 내지 46e)를 설치해 두면, 웨이퍼(W)가 언로드되어 처리 용기(8) 내부가 빈 아이들링시라도 처리 용기(8)의 온도를 적정한 온도로 예비 가열할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)를 처리 용기(8)의 외측에 설치하였지만 이에 한정되지 않으며, 도7에 도시하는 본 발명의 열처리 장치의 제1 변형예에 나타내는 바와 같이 처리 용기(8) 내에 설치하도록 해도 좋다. 여기서는, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)를 각각 처리 용기(8)의 내통(4) 과 웨이퍼 보트(22) 사이에 설치하고 있다. 또한 도7에서는, 도1 중의 구성과 동일한 구성 부분에는 동일한 부호가 부여되어 있다.
또한, 도1 및 도7에 도시하는 실시 형태에서는, 송수신용 안테나(52a 내지 52e)로서 루프 형상의 안테나를 이용하였지만 이에 한정되지 않으며, 로드(rod) 형상의 송수신용 안테나(로드 형상의 송신용 안테나 및 로드 형상의 수신용 안테나를 포함함)를 이용해도 좋다. 도8은 이러한 본 발명의 열처리 장치의 제2 변형예를 도시하고, 도9는 도8에 도시하는 열처리 장치에 있어서의 로드(rod) 형상의 송수신용 안테나의 배치예를 도시하는 평면도이다. 또한, 도1 중의 구성과 동일 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
도8에 있어서, 처리 용기(8)의 외측에, 처리 용기(8)의 길이 방향을 따라 로드 형상으로 형성된 송수신용 안테나(90)가 설치되어 있다. 도9에서는, 복수개, 예를 들어 4개의 로드 형상의 송수신용 안테나(90a, 90b, 90c, 90d)를, 용기 주위 방향을 따라 등간격으로 배치하고 있다. 또한, 이 안테나의 개수는 1개라도 좋고, 전파의 강도에 따라서 증감해도 좋다. 또한, 이 로드 형상의 송수신용 안테나(90a 내지 90d)를 처리 용기(8) 내에 설치해도 좋다.
이 로드 형상의 송수신용 안테나(90a 내지 90d)를 이용한 경우에는, 각 송수신용 안테나(90a 내지 90d)가 모든 가열 존(16a 내지 16e)에 있어서의 탄성파 소자(60a 내지 60e)로부터의 전파를 수신한다. 따라서, 혼신을 방지하기 위해 각 탄성파 소자(60a 내지 60e)의 주파수 대역을 서로 다르게 설정해 둔다. 이 경우에도, 도1에 도시하는 열처리 장치와 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는 처리 용기(8)측에만 송수신용 안테나(52a 내지 52d, 90a 내지 90d)를 설치한 경우에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도10에 도시하는 본 발명의 열처리 장치의 제3 변형예에 도시하는 바와 같이 처리 용기(8)의 하방에, 처리 용기(8)로부터 언로드된 웨이퍼 보트(22)가 대기하는 동시에 웨이퍼(W)의 이동 적재가 행해지는 로딩 영역(94)이 마련되고, 이 로딩 영역(94)에, 추가 송수신용 안테나(90x, 90y)(추가 송신용 안테나 및 추가 수신용 안테나)를 설치해도 좋다. 이 로딩 영역(94) 내에서는, 상술한 바와 같이 웨이퍼(W)의 이동 적재가 행해지고, 또한 웨이퍼 보트(22) 자체도 수평 방향으로 이동하는 경우가 있다. 이로 인해, 루프 형상이 아닌 로드 형상의 송수신용 안테나(90x, 90y)를 설치하거나, 또는 송수신용 안테나(90x, 90y)는 웨이퍼 보트(22)의 수평 방향으로의 이동 경로를 따라 설치하는 것이 좋다.
이에 따르면, 프로세스 후에 있어서도 웨이퍼 보트(22)에 유지되어 있는 웨이퍼 온도를 실시간으로 구할 수 있다. 이로 인해, 예를 들어 웨이퍼 온도가 핸들링 가능한 온도까지 저하된 것을 정확하게 인식할 수 있으므로, 불필요한 대기 시간 없이 웨이퍼(W)의 이동 적재를 개시할 수 있어, 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 각 실시 형태에서는, 탄성파 소자를 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)의 표면에 설치하였지만, 이에 한정하지 않고 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e) 내에 매립하도록 해도 좋다.
또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e)에 각각 1개의 탄성파 소자(60a 내지 60e)를 설치한 경우에 대해 설명하였지만 이에 한 정되지 않으며, 1매의 온도 측정용 웨이퍼에 복수의 탄성파 소자를 설치하도록 해도 좋다. 도11a는 온도 측정용 웨이퍼의 제1 변형예를 도시하는 단면도이고, 도11b는 온도 측정용 웨이퍼의 제2 변형예를 도시하는 평면도이다. 도11a에서는, 온도 측정용 웨이퍼(58x)를 상하 2개로 분할하고, 그 중심부와 주변부에 2개의 탄성파 소자(60x, 60y)를 매립하고, 또한 분할된 웨이퍼를 접합하고 있다.
이에 의해, 2개의 탄성파 소자(60x, 60y)는, 온도 측정용 웨이퍼(58x) 내에 매립된 상태로 되어, 이 탄성파 소자(60x, 60y)에 기인하는 오염의 발생을 방지할 수 있다.
이와 같이, 2개의 탄성파 소자(60x, 60y)를 1매의 온도 측정용 웨이퍼(58x) 내에 매립한 경우에는, 혼신을 방지하기 위해 양 탄성파 소자(60x, 60y)의 주파수 대역이 서로 다르게 설정된다.
또한, 도11b에 도시하는 온도 측정용 웨이퍼의 제2 변형예의 경우는, 온도 측정용 웨이퍼(58x)의 표면의 중심과 주변부에 복수, 구체적으로는 5개의 탄성파 소자(60f, 60g, 60h, 60i, 60j)를 설치한 경우를 나타내고 있다. 또한, 이들 탄성파 소자(60f, 60g, 60h, 60i, 60j)를 온도 측정용 웨이퍼(58x) 내에 매립해도 좋다. 이 경우에는, 웨이퍼의 면내 온도의 분포를 측정할 수 있다. 이 경우에는, 혼신을 방지하기 위해 각 탄성파 소자(60f, 60g, 60h, 60i, 60j)의 주파수 대역을 서로 다르게 설정하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 성막 프로세스에 따라서는, 이 프로세스시, 혹은 승강온시에, 웨이퍼면내에서 온도 구배를 형성한 쪽이 바람직한 경우도 있다. 이러한 경우에 는, 상술한 바와 같이 온도 측정용 웨이퍼(58x)의 중앙부와 주변부에 탄성파 소자(60x, 60y)를 설정해 두면, 웨이퍼면내에 있어서 적정하고 또한 정확한 온도 구배를 형성할 수 있다.
또한, 장치 내에, 상술한 바와 같은 온도 측정용 웨이퍼(58a 내지 58e, 58x)와 동일한 구성으로 이루어지는 예비 온도 측정용 피처리체를 미리 준비해 두고, 열화되었을 때 등, 필요에 따라서, 혹은 정기적으로, 자동적으로 온도 측정용 피처리체(58a 내지 58e, 58x)와 예비 온도 측정용 피처리체를 교환해도 좋다.
또한 본 실시 형태에서는, 내통(4)과 외통(6)으로 이루어지는 2중관식 처리 용기(8)를 예로 들어 설명하였지만 이에 한정되지 않으며, 단관식 처리 용기에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한 처리 용기(8)에 관해서도, 종형 처리 용기에 한정되지 않고, 횡형 처리 용기에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 여기서는 열처리로서, 성막 처리를 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되지 않으며, 산화 확산 처리, 어닐 처리, 에칭 처리, 개질 처리, 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리 등에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 플라즈마를 이용한 경우에는 상술한 바와 같이, 노이즈의 발생을 방지하기 위해 플라즈마 발생용 고주파 전력의 주파수와 측정용 전파의 주파수 대역은 서로 다르게 하는 것이 바람직하다.
또한, 탄성파 소자로서는, 란탄 탄탈산 갈륨 알루미늄(LTGA), 수정(SiO2), 산화아연(ZnO), 로쉘염(주석산(酒石酸) 칼륨-나트륨 : KNaC4H4O6), 티탄산 지르콘산 납(PZT : Pb(Zr,Ti)O3), 니오븀산리튬(LiNbO3), 탄탈산리튬(LiTaO3), 리튬테트라보레이트(Li2B4O7), 랑가사이트(La3Ga5SiO14), 질화 알루미늄, 전기석(토르말린), 폴리불화비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 재료의 기판 소자를 이용할 수 있다. 또한, 여기서는 피처리체로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명하였지만 이에 한정되지 않으며, 글래스 기판, LCD 기판, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
도1은 본 발명에 관한 열처리 장치를 도시하는 단면 구성도.
도2a는 처리 용기와 루프 형상의 송수신용 안테나의 위치 관계를 도시하는 평면도, 도2b는 도2a의 A-A선 단면도.
도3a는 탄성파 소자를 설치한 온도 측정용 피처리체를 도시하는 측면도, 도3b는 탄성파 소자를 설치한 온도 측정용 피처리체를 도시하는 사시도, 도3c는 탄성파 소자를 매립한 온도 측정용 피처리체를 도시하는 사시도.
도4는 열처리 장치의 온도 제어계를 도시하는 계통도.
도5는 본 발명의 열처리 방법의 일예를 나타내는 흐름도.
도6a는 표면 탄성파 소자로 이루어지는 탄성파 소자의 동작 원리를 설명하는 동작 원리도, 도6b는 벌크 탄성파 소자로 이루어지는 탄성파 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 동작 원리도.
도7은 본 발명의 열처리 장치의 제1 변형예를 도시하는 도면.
도8은 본 발명의 열처리 장치의 제2 변형예를 도시하는 도면.
도9는 도8에 도시하는 열처리 장치에 있어서의 로드 형상의 송수신용 안테나의 배치예를 도시하는 평면도.
도10은 본 발명의 열처리 장치의 제3 변형예를 도시하는 도면.
도11a는 온도 측정용 웨이퍼의 제1 변형예를 도시하는 단면도, 도11b는 온도 측정용 웨이퍼의 제2 변형예를 도시하는 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 열처리 장치
8 : 처리 용기
10, 10a 내지 10e : 가열 히터
16a 내지 16d : 가열 존
17a 내지 17d : 히터용 열전대
22 : 웨이퍼 보트(보유 지지 수단)
40 : 가스 도입 수단
42 : 가스 노즐
46a 내지 46e : 내부 열전대
50 : 온도 제어부
52, 52a 내지 52e : 송수신용 안테나
54 : 보호관
58a 내지 58e, 58x : 온도 측정용 웨이퍼
60a 내지 60e, 60x, 60y : 탄성파 소자
64 : 송수신기
66 : 온도 분석부
68 : 히터 구동부
70 : 제어 수단
72 : 기억 매체
90a 내지 90d, 90x, 90y : 로드 형상의 송수신용 안테나
94 : 로딩 영역
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)
Claims (30)
- 피처리체의 열처리 장치에 있어서,탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 수용 가능한 처리 용기와,상기 처리 용기의 외주에 설치되고, 상기 복수의 피처리체를 가열하는 가열 수단과,상기 복수의 피처리체를 보유 지지하는 동시에, 상기 복수의 피처리체를 상기 처리 용기 내에 로드 및 언로드하는 보유 지지 수단과,상기 처리 용기에 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 측정용 전파를 송신하는 송신용 안테나와,상기 처리 용기에 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자로부터 발신되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 온도에 따른 주파수로 이루어지는 전파를 받는 수신용 안테나와,상기 수신용 안테나에 접속되고, 상기 수신용 안테나로 받은 전파를 기초로 하여 상기 온도 측정용 피처리체의 온도를 구하는 온도 분석부와,상기 온도 분석부에 접속되고, 상기 온도 분석부의 출력을 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 피처리체의 주위를 둘러싸도록 루프 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 마련되고, 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 마련되는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은, 상기 가열 존마다 서로 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 온도 측정용 피처리체는 복수의 탄성파 소자를 갖고, 상기 복수의 탄성파 소자의 주파수 대역은 서로 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 탄성파 소자는, 적어도 각 온도 측정용 피처리체의 중심부와 주변부에 설치되는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 내부에 복수의 피처리체가 상하 방향으로 수용되고, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 상하 방향을 따라 로드 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 피처리체의 주위 방향을 따라 소정의 간격을 두고 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 배치되도록 복수 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은, 상기 가열 존마다 서로 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 온도 측정용 피처리체는 복수의 탄성파 소자를 갖고, 상기 복수의 탄성파 소자의 주파수 대역은 서로 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 탄성파 소자는, 적어도 각 온도 측정용 피처리체의 중심부와 주변부에 설치되는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 상기 처리 용기의 외측에 설치되는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 처리 용기의 외측에, 상기 처리 용기로부터 언로드된 상기 보유 지지 수단이 대기하는 로딩 영역이 마련되고,상기 로딩 영역에, 각각 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나와 동일한 구조를 갖는 추가의 송신용 안테나 및 추가의 수신용 안테나가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 각각 보호관 내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 송신용 안테나로부터, 상기 주파수 대역이 다른 탄성파 소자에 대응한 서로 다른 주파수 대역의 측정용 전파를, 소정의 시간마다 순차 스위핑하여 송신하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 송신용 안테나로부터, 상기 주파수 대역이 다른 탄성 파 소자에 대응한 서로 다른 주파수 대역의 측정용 전파를, 동시에 송신하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 상기 수신용 안테나는, 송수신용 안테나로서 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 처리 용기 내와 상기 가열 수단 중 하나 이상에 온도 측정용 열전대가 마련되고,상기 온도 제어부는, 상기 열전대로부터의 측정치도 참조하여 상기 가열 수단의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 처리 용기에, 상기 피처리체의 열처리를 보조하기 위해 고주파 전력에 의해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단이 마련되고, 상기 측정용 전파의 주파수 대역은, 상기 고주파 전력의 주파수 대역과 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 탄성파 소자는 표면 탄성파 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 탄성파 소자는 벌크 탄성파 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 탄성파 소자는, 란탄 탄탈산 갈륨 알루미늄(LTGA), 수정(SiO2), 산화아연(ZnO), 로쉘염(주석산 칼륨-나트륨 : KNaC4H4O6), 티탄산지르콘산 납(PZT : Pb(Zr,Ti)O3), 니오븀산리튬(LiNbO3), 탄탈산리튬(LiTaO3), 리튬테트라보레이트(Li2B4O7), 랑가사이트(La3Ga5SiO14), 질화 알루미늄, 전기석(토르말린), 폴리불화비닐리덴(PVDF)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나의 재료의 기판 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 장치.
- 탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단을, 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 설치된 처리 용기 내에 도입하고, 상기 피처리체를 상기 처리 용기의 외주에 설치된 가열 수단으로 가열함으로써 열처리를 실시하도록 한 피처리체의 열처리 방법에 있어서,상기 송신용 안테나로부터 측정용 전파를 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 송신하는 송신 공정과,상기 측정용 전파를 받은 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자가 발하는 전파를 상기 수신용 안테나에서 받는 수신 공정과,상기 수신용 안테나에서 받은 전파를 기초로 하여 상기 온도 측정용 피처리 체의 온도를 구하는 온도 분석 공정과,상기 온도 분석 공정에서 구한 온도를 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 처리 용기 내에 복수의 가열 존이 마련되고, 상기 온도 측정용 피처리체는 상기 가열 존마다 대응하여 복수 설치되고, 상기 온도 측정용 피처리체의 탄성파 소자의 주파수 대역은, 상기 가열 존마다 서로 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 처리 용기 내와 상기 가열 수단 중 하나 이상에 온도 측정용 열전대가 마련되고,상기 온도 제어 공정에 있어서, 상기 열전대로부터의 측정치도 참조하여 상기 가열 수단의 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 제24항에 있어서, 예비 온도 측정용 피처리체가 미리 준비되어, 상기 온도 측정용 피처리체와 상기 예비 온도 측정용 피처리체가 교환될 수 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 피처리체의 열처리는, 고주파 전력에 의해 발생된 플라즈마에 의해 보조되고, 상기 측정용 전파의 주파수는, 상기 고주파 전력의 주파 수와 다르도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 탄성파 소자는 표면 탄성파 소자 또는 벌크 탄성파 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피처리체의 열처리 방법.
- 컴퓨터에, 피처리체의 열처리 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체에 있어서,상기 피처리체의 열처리 방법은,탄성파 소자를 갖는 온도 측정용 피처리체를 포함하는 복수의 피처리체를 보유 지지하는 보유 지지 수단을, 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 설치된 처리 용기 내에 도입하고, 상기 피처리체를 상기 처리 용기의 외주에 설치된 가열 수단으로 가열함으로써 열처리를 실시하도록 한 피처리체의 열처리 방법에 있어서,상기 송신용 안테나로부터 측정용 전파를 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자를 향해 송신하는 송신 공정과,상기 측정용 전파를 받은 상기 온도 측정용 피처리체의 상기 탄성파 소자가 발하는 전파를 상기 수신용 안테나에서 받는 수신 공정과,상기 수신용 안테나에서 받은 전파를 기초로 하여 상기 온도 측정용 피처리체의 온도를 구하는 온도 분석 공정과,상기 온도 분석 공정에서 구한 온도를 기초로 하여 상기 가열 수단을 제어하는 온도 제어 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기억한 기억 매체.
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