KR102384004B1 - 기판 처리 장치, 천장 히터 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
복수 매의 기판을 종방향(縱方向)으로 나열하여 내부에 수용하는 반응관; 및 중심부와 외주부의 2분할로 구성되는 발열체에 의해 상기 반응관의 상방(上方)으로부터 상기 반응관 내를 가열하는 제2 히터;를 구비하고, 상기 제2 히터는, 상기 외주부의 접속 단부와 상기 중심부의 최외곽(最外郭)의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부를 사이에 두고 배치되고, 상기 발열체의 각각의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부로부터 상기 중심부의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성되고, 상기 반응관 내의 상방에 수용된 상기 기판의 저온부에 대응하는 영역에서의 상기 제2 히터의 발열량을, 상기 기판의 고온부에 대응하는 영역에서의 발열량보다 크게 하도록 구성된다.
Description
본 발명은 기판 처리 장치, 천장 히터 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정에서의 기판 처리에서는 예컨대 복수 매의 기판을 일괄 처리하는 종형(縱型) 기판 처리 장치가 사용되고 있다. 종형 기판 처리 장치에서는 복수 매의 기판을 상하에 배열시킨 상태에서 처리 용기 내에 수용하고, 처리 용기를 둘러싸도록 배치된 가열부로 처리 용기 내부를 가열하면서 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 것에 의해 기판 상에 막을 형성하는 처리가 수행된다(예컨대 특허문헌 1). 종형 기판 처리 장치에서는 상하(上下)의 웨이퍼의 승온에 편차가 발생할 수도 있다. 웨이퍼 온도 안정 시간이 길어지는 경우가 있다.
상하의 웨이퍼의 승온에 편차가 발생하면 웨이퍼 온도 안정 시간이 길어지는 경우가 있다. 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 온도 안정 시간을 단축시킬 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 복수 매의 기판을 종방향(縱方向)으로 나열하여 내부에 수용하는 반응관; 및 중심부와 외주부의 2분할로 구성되는 발열체에 의해 상기 반응관의 상방(上方)으로부터 상기 반응관 내를 가열하는 제2 히터;를 구비하고, 상기 제2 히터는, 상기 외주부의 접속 단부와 상기 중심부의 최외곽(最外郭)의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부를 사이에 두고 배치되고, 상기 발열체의 각각의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부로부터 상기 중심부의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성되고, 상기 반응관 내의 상방에 수용된 상기 기판의 저온부에 대응하는 영역에서의 상기 제2 히터의 발열량을, 상기 기판의 고온부에 대응하는 영역에서의 발열량보다 크게 하도록 구성되는 기술이 제공된다.
본 발명에 따르면, 온도 안정 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 제어 장치의 구성과, 제어 장치와 반도체 제조 장치의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 제어용 컴퓨터의 하드웨어 구성을 도시하는 도면.
도 4는 천장 히터 단면 온도 분포와 상부 웨이퍼 단면 온도 분포의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 비교예에서의 천장 히터에 의한 반응관 내 상부의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터에 의한 반응관 내 상부의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 설치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 상면도.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 변형예에 따른 천장 히터의 상면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 제어 장치의 구성과, 제어 장치와 반도체 제조 장치의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 제어용 컴퓨터의 하드웨어 구성을 도시하는 도면.
도 4는 천장 히터 단면 온도 분포와 상부 웨이퍼 단면 온도 분포의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 비교예에서의 천장 히터에 의한 반응관 내 상부의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터에 의한 반응관 내 상부의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 설치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 상면도.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 천장 히터의 온도 분포를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 변형예에 따른 천장 히터의 상면도.
본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(10)에 대해서 도 1을 참조하여 설명한다. 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치(10)는 도 1에 도시하는 바와 같이 원통 형상의 가열 장치(12)와, 가열 장치(12)의 내부에 노 내 공간(14)을 가지고 수용된 원통 형상의 반응관(16)과, 반응관(16) 내에 처리 대상 기판(18)을 보지(保持)하는 기판 보지구로서의 보트(20)를 구비한다. 보트(20)는 기판(18)을 수평 상태에서 극간을 가지고 다단으로 장전(裝塡)할 수 있고, 이 상태에서 복수 매의 기판(18)을 반응관(16) 내에서 보지한다. 보트(20)는 캡(22)을 개재하여 도면 외의 엘리베이터 상에 재치되고, 이 엘리베이터에 의해 승강 가능하도록 이루어진다. 따라서 기판(18)의 반응관(16) 내로의 장전 및 반응관(16)으로부터의 취출(取出)은 엘리베이터의 작동에 의해 수행된다.
또한 반응관(16)은 기판(18)을 수용하는 처리실(24)을 형성하고, 반응관(16) 내에는 가스 도입관(26)이 연통되고, 가스 도입관(26)에는 처리 가스 공급원이 접속되어, 상류에서 순서대로 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(62), 개폐 밸브로서의 밸브(64)가 설치된다. 또한 반응관(16) 내에는 가스 배기관(56)이 연통되고, 처리실(24) 내의 배기를 수행한다. 가스 배기관(56)에는 상류측부터 순서대로 압력 센서(68), 압력 조정 장치로서의 APC 밸브(66)가 설치된다.
가열 장치(12)는 원통 형상이며, 복수의 단열체가 적층된 구조의 단열 구조체의 내측에 측방으로부터 노(爐) 내 공간(14)을 가열하는 측방 가열부로서의 측방 발열부(측부 히터)(30)와, 상방으로부터 노 내 공간(14)을 가열하는 상방 가열부로서의 상방 발열부(천장 히터)(31)를 더 포함하는 구성으로 이루어진다. 천장 히터(31)는 단열 구조체의 상벽부(33) 하방(下方)이며, 반응관(16) 상방에 배치된다. 측부 히터(30)는 웨이퍼 장전 방향에 복수로 분할되고, 예컨대 위부터 4개의 존(30-1 내지 30-4)으로 분할된다. 측부 히터(30)는 분할된 각 존에서 개별로 가열 온도를 제어 가능하도록 구성된다. 천장 히터(31)의 상세에 대해서는 후술한다.
단열 구조체는 원통 형상으로 형성된 단열부로서의 측벽부(32)와, 측벽부(32)의 상단을 피복하도록 형성된 단열부로서의 상벽부(33)를 포함한다. 측벽부(32)는 복수층 구조로 형성되고, 측벽부(32)의 복수층 중 외측에 형성된 측벽 외층(32a)과, 복수층 중 내측에 형성된 측벽 내층(32b)으로 구성된다. 측벽 외층(32a)과 측벽 내층(32b) 사이에는 냉각 가스 통로로서의 원통 공간(34)이 형성된다. 그리고 측벽 내층(32b)의 내측에 측부 히터(30)가 설치되고, 측부 히터(30)의 내측이 발열 영역으로 이루어진다. 또한 측벽부(32)는 복수의 단열체가 적층된 구조지만, 이러한 구조에 한정되지 않는다는 것은 말할 필요도 없다.
측벽 외층(32a)의 상부에는 냉각 가스 공급구(36)가 형성된다. 또한 측벽 외층(32a)의 하부에는 냉각 가스 배출구(43)가 형성된다. 급냉 가스 배출구(42) 및 냉각 가스 배출구(43)는 배기관(45a, 45b)에 각각 접속되어 덕트(50)에서 합류된다. 덕트(50)에는 상류측부터 라디에이터(52) 및 배기 팬(54)이 접속되고, 이들 덕트(50), 라디에이터(52) 및 배기 팬(54)을 개재하여 가열 장치(12) 내의 가열된 냉각 가스가 장치 외로 배출된다.
여기서 냉각 가스 공급구(36) 및 덕트(38a)의 근방에는 개폐 가능한 밸브(39a)가 설치된다. 또한 급냉 가스 배출구(42) 및 덕트(50)의 근방에는 개폐 가능한 밸브(39b)가 설치된다. 또한 냉각 가스 배출구(43) 및 덕트(38b)의 근방에는 개폐 가능한 밸브(39c)가 설치된다. 그리고 밸브(39b, 39c)를 덕트(50) 또는 덕트(38b) 근방에 배치하는 것에 의해 미사용 시의 배출구에서의 덕트로부터의 대류 영향을 적게 하고, 덕트 주변에서의 기판 내 온도 균일성을 양호하게 할 수 있다.
또한 밸브(39a)의 개폐 및 배기 팬(54)의 ON/OFF에 의해 냉각 가스의 공급이 조작되어, 밸브(39b) 또는 밸브(39c)의 개폐 및 배기 팬(54)의 ON/OFF에 의해 냉각 가스 통로(34)를 폐쇄 및 개방하여, 급냉 가스 배출구(42) 또는 냉각 가스 배출구(43)로부터 각각 냉각 가스를 배출한다.
도 2에 도시하는 바와 같이 측부 히터(30)의 각 존에는 온도 검출기로서의 제1 온도 센서(27-1, 27-2, 27-3, 27-4)가 설치된다. 또한 천장 히터(31)에는 제2 온도 센서(28)가 설치된다. 또한 제3 온도 센서(29-1, 29-2, 29-3, 29-4)가 처리실(24) 내에 설치된다. 제3 온도 센서는 장치 시동[立上] 시의 프로파일 취득 시만 설치되고, 성막 처리 시에는 처리실(24) 내로부터 제거되어도 좋다.
다음으로 제어 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 2에 도시하는 바와 같이 제어 장치(60)는 제1 온도 센서(27-1, 27-2, 27-3, 27-4), 제2 온도 센서(28), 제3 온도 센서(29-1, 29-2, 29-3, 29-4), MFC(62), 밸브(64, 39a, 39b, 39c), APC 밸브(66) 등의 구성 부분에 의해, 제어용 컴퓨터(82)로부터 설정된 온도 및 압력·유량의 설정값에 기초하여 기판 처리 장치(10)로서의 반도체 제조 장치의 각 구성 부분을 제어한다.
온도 제어 장치(74)는 제1 온도 센서(27-1, 27-2, 27-3, 27-4) 각각에 의해 측정되는 온도가 제어용 컴퓨터(82)에 의해 설정된 온도가 되도록, 히터 구동(驅動) 장치(76-1, 76-2, 76-3, 76-4) 각각이 측부 히터(30)의 각 존(30-1 내지 30-4) 각각에 공급하는 전력을 제어한다. 또한 제1 온도 센서(27-1) 및 제2 온도 센서(28)에 의해 측정되는 온도가 제어용 컴퓨터(82)에 의해 설정된 온도, 구체적으로는 상부 웨이퍼의 온도가 원하는 온도가 되도록 히터 구동 장치(76-1, 76-5) 각각이 존(30-1)과 천장 히터(31)에 공급하는 전력을 제어한다.
유량 제어 장치(78)는 유량 센서(64)가 측정하는 가스의 유량의 값이 제어용 컴퓨터(82)에 의해 설정되는 가스 유량의 값과 같아지도록 MFC(가스 유량 조정기)(62)를 제어하여 처리실(24)의 반응관(16) 내에 도입되는 가스의 유량을 제어한다. 압력 제어 장치(80)는 압력 센서(68)가 측정하는 반응관(16) 내부의 압력이 제어용 컴퓨터(82)에 의해 설정되는 압력의 값과 같아지도록 APC 밸브(66)를 제어하여 처리실(24)의 압력을 제어한다.
[하드웨어 구성]
도 3은 제어용 컴퓨터(82)의 구성을 도시하는 도면이다. 제어용 컴퓨터(82)는 CPU(84) 및 메모리(86) 등을 포함하는 컴퓨터 본체(88)와, 통신 IF(Interface)(90)와 기억 장치(92), 표시·입력 장치(94)를 포함한다. 즉 제어용 컴퓨터(82)는 일반적인 컴퓨터로서의 구성 부분을 포함한다.
CPU(Central Precessing Unit)는 조작부의 중추를 구성하고, 기록 장치(92)에 기억된 제어 프로그램을 실행하여 표시·입력 장치(94)로부터의 지시에 따라 기록 장치(92)에 기록된 레시피(예컨대 프로세스용 레시피)를 실행한다.
또한 CPU의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체(96)로서 ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 등이 이용된다. 여기서 RAM(Random Access Memory)은 CPU의 work area 등으로서 기능한다.
본 발명의 실시 형태에서 제어용 컴퓨터(82)를 예로 들어 설명했지만 이에 한정되지 않고, 통상의 컴퓨터 시스템을 이용해도 실현 가능하다. 예컨대 범용 컴퓨터에 전술한 처리를 실행하기 위한 프로그램을 격납한 플렉시블 디스크, CD-ROM, USB 등의 기록 매체(96)로부터 상기 프로그램을 인스톨하는 것에 의해 전술한 처리를 실행할 수 있다.
또한 통신 회선, 통신 네트워크, 통신 시스템 등의 통신 IF(90)를 이용해도 좋다. 이 경우, 예컨대 통신 네트워크의 게시판에 상기 프로그램을 게시하고, 네트워크를 개재하여 반송파에 중첩해서 제공해도 좋다. 그리고 이렇게 제공된 프로그램을 기동하여 OS(Operating System) 제어 하에서 다른 어플리케이션 프로그램과 마찬가지로 실행하는 것에 의해 전술한 처리를 실행할 수 있다.
다음으로 열처리 장치[기판 처리 장치(10)]를 이용하여 기판 상에 막을 형성하는 처리(성막 처리)의 일례에 대해서 설명한다. 여기서는 웨이퍼(18)에 대하여 원료 가스로서 DCS(SiH2Cl2: 디클로로실란) 가스와, 반응 가스로서 NH3(암모니아) 가스를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(18) 상에 실리콘질화(SiN)막을 형성하는 예에 대해서 설명한다.
(웨이퍼 차지 및 보트 로드)
복수 매의 웨이퍼(18)가 보트(20)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 보트(20)는 보트 엘리베이터에 의해 처리실(24) 내에 반입(보트 로드)되고, 반응관(16)의 하부 개구는 덮개부(22)에 의해 기밀하게 폐색된 상태가 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(24) 내가 소정의 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프에 의해 진공 배기(감압배기)된다. 처리실(24) 내의 압력은 압력 센서로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초해 APC 밸브(66)가 피드백 제어된다.
(온도 조정)
또한 처리실(24) 내의 웨이퍼(18)가 소정의 온도가 되도록 측부 히터(30) 및 천장 히터(31)에 의해 처리실(24) 내가 가열되어, 온도 유지된다. 이 때 처리실(24)이 소정의 온도 분포가 되도록 온도 검출부(27, 28)가 검출한 온도 정보에 기초해 측부 히터(30) 및 천장 히터(32)에의 통전 상태가 피드백 제어된다. 처리실(24) 내의 상부의 웨이퍼의 온도에 대하여는 존(30-1)과 천장 히터(31)에의 통전 상태의 피드백 제어에 의해 제어된다. 또한 회전 기구에 의한 보트(20) 및 웨이퍼(18)의 회전을 시작한다. 측부 히터(30) 및 천장 히터(31)에 의한 처리실(24) 내 가열은 적어도 성막 처리가 종료될 때까지 계속된다. 천장 히터(31)의 성막 처리 중의 가열량이 온도 조정 시의 가열량보다 작아지도록, 천장 히터(31)에 대한 인가 전력을 제어해도 좋다.
(성막 처리)
[원료 가스 공급 공정]
처리실(24) 내의 온도가 미리 설정된 처리 온도로 안정되면, 처리실(24) 내의 웨이퍼(18)에 대하여 DCS 가스를 공급한다. DCS 가스는 MFC(60)에서 원하는 유량이 되도록 제어되고, 가스 도입관(26)을 개재하여 처리실(24) 내에 공급된다.
[원료 가스 배기 공정]
다음으로 DCS 가스의 공급을 정지하고, 진공 펌프에 의해 처리실(24) 내를 진공 배기한다. 이때 불활성 가스로서 N2 가스를 처리실(24) 내에 공급해도 좋다(불활성 가스 퍼지).
[반응 가스 공급 공정]
다음으로 처리실(24) 내의 웨이퍼(18)에 대하여 NH3 가스를 공급한다. NH3 가스는 원료 가스 공급 공정과 마찬가지의 순서로 처리실(24) 내에 공급된다.
[반응 가스 배기 공정]
다음으로 NH3 가스의 공급을 정지하고, 진공 펌프에 의해 처리실(24) 내를 진공 배기한다. 이때 N2 가스를 처리실(14) 내에 공급해도 좋다(불활성 가스 퍼지).
전술한 4개의 공정을 수행하는 사이클을 소정 횟수(1회 이상) 수행하는 것에 의해 웨이퍼(18) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiN막을 형성할 수 있다.
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
소정 막 두께의 막을 형성한 후, 처리실(24) 내에 N2 가스가 공급되어 처리실(24) 내가 N2 가스로 치환되는 것과 함께 처리실(24)의 압력이 상압으로 복귀된다. 그 후, 보트 엘리베이터에 의해 캡(22)이 강하되어 보트(20)가 반응관(16)으로부터 반출(보트 언로드)된다. 그 후 처리 완료된 웨이퍼(18)는 보트(20)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
웨이퍼(18)에 SiN막을 형성할 때의 처리 조건은 예컨대 다음과 같다.
처리 온도(웨이퍼 온도): 300℃ 내지 700℃,
처리 압력(처리실 내 압력) 1Pa 내지 4,000Pa,
DCS 가스: 100sccm 내지 10,000sccm,
NH3 가스: 100sccm 내지 10,000sccm,
N2 가스: 100sccm 내지 10,000sccm,
각각의 처리 조건을 각각의 범위 내의 값으로 설정하는 것에 의해 성막 처리를 적절하게 진행시키는 것이 가능해진다.
다음으로 처리실(24) 내의 상부 웨이퍼의 면내(面內) 온도 분포에 대해서 설명한다. 도 4에 도시하는 바와 같이 상부 웨이퍼는 측부 히터로만 가열되는 경우(천장 히터 OFF의 경우), 웨이퍼의 주변부가 적극적으로 가열되고, 또한 웨이퍼 중앙부의 열 노출의 영향에 의해 특히 중앙부에서의 가열이 부족해진다. 이에 의해 면내 온도 분포에 편차가 발생하여 면내 온도 균일성이 악화되는 경우가 있었다. 즉 측부 히터로만 상부 웨이퍼를 가열한 경우, 상부 웨이퍼의 면내 온도 분포는 중앙부의 온도가 낮은 요(凹) 분포가 되는 경우가 있었다.
발명자들은 연구 결과, 천장 히터의 외경을 상부 웨이퍼의 외경보다 크게 형성하고, 상부 웨이퍼의 온도 분포를 평탄하게 보완하도록, 천장 히터의 가열 분포를 변화시키는 것에 의해 상부 웨이퍼의 면내 온도 균일성 및 면간 온도 균일성을 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다.
예컨대 도 4에 도시하는 바와 같이 측부 히터로만 가열했을 때의 상부 웨이퍼의 면내 온도 분포가 요 분포인 경우, 천장 히터 자체의 가열 분포를 철(凸) 분포로 하는 것에 의해 상부 웨이퍼의 온도가 낮은 부분(저온 부분)을 적극적으로 가열하여 상부 웨이퍼의 온도가 높은 부분(고온 부분)에 온도를 맞출 수 있고, 상부 웨이퍼의 면내 온도 분포를 대략 평탄하게 할 수 있다. 즉 상부 웨이퍼를 철 분포로 가열할 수 있다.
비교예로서 천장 히터의 외경을 웨이퍼의 외경보다 작게 한 경우를 도 5에 도시한다. 이 경우, 천장 히터에 의한 가열의 영향(도 5 중의 흰색 내지 농색 부분)은 상부부터 약 5장 정도인 것을 알았다. 즉 천장 히터의 외경이 웨이퍼의 외경보다 작은 경우, 발열량이 부족해지기 때문에 온도 안정 시의 보조 가열밖에 사용할 수 없다.
본 발명의 예로서 천장 히터의 외경을 상부 웨이퍼의 외경보다 크게 한 경우를 도 6에 도시한다. 이 경우 천장 히터에 의한 가열의 영향(도 6 중의 흰색 내지 농색 부분)을 상부부터 약 15장까지 넓힐 수 있다는 것을 알았다. 즉 발열량을 충분히 확보할 수 있기 때문에 온도 안정 시의 보조 가열뿐만 아니라 승온 시의 가열에도 효과적으로 이용할 수 있다.
웨이퍼 승온 중은 측부 히터에 의한 웨이퍼 주변 방향으로부터의 가열량이 증가한다. 상부 웨이퍼의 온도 분포는 온도 안정 시보다 승온 시가 웨이퍼 중심부 온도가 낮아지는 요 분포가 강해지기 때문에, 웨이퍼 승온 단계부터 천장 히터를 ON으로 하는 것에 의해 상부 웨이퍼의 온도 제어성을 보다 향상시킬 수 있다. 천장 히터의 가열량, 바꿔 말하면 발열체의 발열량은 표면 부하 밀도[W/cm2] 및 전류 밀도[A/mm2] 등에 의해 결정된다. 따라서 이 표면 부하 밀도와 전류 밀도를 조정하는 것에 의해 천장 히터에서 임의의 가열 분포를 형성할 수 있다.
표면 부하 밀도는 단위 면적당 인가되는 전력으로 표시되고, 표면 부하 밀도가 클수록, 천장 히터 표면 온도가 높아진다. 표면 부하 밀도는 발열체 자체로의 인가 전력을 늘리거나, 발열체의 권입(卷入) 밀도를 높이는 것에 의해 크게 할 수 있다.
전류 밀도는 단위 면적당 흐르는 전류로 표시되고, 전류 밀도가 클수록 천장 히터의 표면 온도가 높아진다. 전류 밀도는 발열체의 단면적을 크게 하는 것에 의해 크게 할 수 있다.
(제1 실시 형태)
다음으로 천장 히터(31)의 구성에 대해서 도 7, 도 8을 이용하여 설명한다. 도 7에 도시하는 바와 같이 천장 히터(31)는 원형의 석영판(98)과, 발열 소선인 발열체(100)에 의해 구성된다. 발열체(100)는 원형의 석영판(98)에 설치되고, 천장 히터(31)는 석영판(98)을 반응관(16) 상방에 배치하는 것에 의해 설치된다. 천장 히터(31) 및 발열체(100)의 외경은 웨이퍼의 외경보다 크거나 같게 형성된다.
도 8에 도시하는 바와 같이 발열체(100)는 중심으로부터 외방(外方)을 향하여 동심원 형상으로 선회해서 소용돌이 형상(스파이럴 형상)으로 형성된다. 천장 히터(31)의 중심에 위치하는 발열체(100)의 단부(102)는 급전선을 접속하는 급전 단부다. 발열체(100)는 단부(102)의 일방(一方)을 시점으로 하여 반원을 그린 후에 지름 방향 외향으로 반환하고, 반환 전의 반원보다 지름을 크게 한 반원을 그린 후에 다시 반환하는 것을 반복하면서 지름 방향 외향으로 사행(蛇行)하면서 동심원 형상으로 형성된다. 발열체(100)가 최외곽(最外殼)의 원에 당도하게 반환되면, 발열체(100)는 상기 반환 개소(箇所) 근방까지 최외곽의 원을 형성하고, 상기 반환 개소 근방에서 지름 방향 내향으로 반환한다. 내향으로 반환한 후에는 외측의 원과 평행하게 동심원 형상의 반환 개소 근방까지 반원을 그린 후에 다시 내경 방향으로 반환하는 것을 반복하면서 지름 방향 내향으로 사행하면서 동심원 형상으로 형성되고, 단부(102)의 타방(他方)의 종점이 된다.
이와 같이 발열체(100)는 1개의 발열체를 복수 개소에서 반환하면서 사행하여 동심원 형상으로 권회(卷回)하도록 구성된다. 이때 발열체(100)의 각각의 반환 개소가 지름 방향에서 서로 인접하지 않도록 반환 개소가 주방향(周方向)에서 서로 다르도록 구성된다. 즉 발열체(100)의 각각의 반환 개소는 중심부(C1)의 단부(102)로부터 중심부(C1)의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성된다. 즉 발열체(100)는 복수의 동심원을 따라서 연장하는 복수의 원호부(arc portion) 및 연장 방향이 전환되는 복수의 반환부(turnaround portion)를 포함하고, 발열체(100)의 단부(102)의 일단과 타단은 복수의 원호부 및 복수의 반환부에 의해서 연결된다.
발열체(100)의 폭(선폭)은 중심부(C1) 내보다 외주부(C2) 내가 더 넓어지도록 설정된다. 즉 외주부(C2) 내의 발열체(100)의 폭을 A, 중심부(C1) 내의 발열체(100)의 폭을 B로 하면, A>B가 되도록 설정된다. 여기서 중심부(C1)란 상부 웨이퍼의 저온부분에 대응하는 영역을 말한다. 또한 외주부(C2)란 중심부(C1)보다 외측의 영역이며, 상부 웨이퍼의 고온 부분에 대응하는 영역을 말한다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해 중심부(C1)의 전류 밀도를 외주부(C2)의 전류 밀도보다 크게 할 수 있고, 외주부(C2)보다 중심부(C1)의 발열량을 증대시킬 수 있고, 중심부(C1)의 온도를 외주부(C2)의 온도보다 높일 수 있다.
또한 발열체(100)의 간격은 중심부(C1)보다 외주부(C2)가 더 넓어지도록 설정된다. 즉 외주부(C2)의 발열체(100)의 간격을 C, 중심부(C1)의 발열체(100)의 간격을 D로 하면, C>D가 되도록 설정된다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해 중심부(C1)의 표면 부하 밀도를 외주부(C2)의 표면 부하 밀도보다 높일 수 있고, 중심부(C1)의 온도를 외주부(C2)보다 높일 수 있고, 중심부(C1)의 온도를 외주부(C2)의 온도보다 높일 수 있다.
도 9에 천장 히터 가열 시의 온도 분포를 도시한다. 천장 히터의 중심부의 온도는 외주부의 온도에 비해 약 100℃ 높은 철 형상 분포임을 알 수 있다. 승온 시에서의 웨이퍼의 면내 온도 편차는 승온 레이트의 약 2배이며, 본 발명과 같이 철 형상으로 가열 가능한 천장 히터에 의해 승온 시의 웨이퍼의 면내 온도 편차를 흡수 가능하다.
중심부(C1)와 외주부(C2)의 면적비는 중심부(C1)의 면적/외주부(C2)의 면적으로 하면, 0.5 이상 1.5 이하로 하는 것이 바람직하다. 면적비가 0.5보다 작으면 상부 웨이퍼의 저온 부분에 대한 가열이 부족해지는 경우가 있다. 면적비가 1.5보다 크면 상부 웨이퍼의 고온 부분이 필요 이상으로 가열되는 경우가 있다. 면적비를 0.5 이상 1.5 이하로 하는 것에 의해 상부 웨이퍼의 면내 온도 분포에 맞춰서 천장 히터의 가열 분포를 조정할 수 있고, 상부 웨이퍼의 면내 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
<본 실시 형태(제1 실시 형태)에 따른 효과>
본 실시 형태(제1 실시 형태)에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 천장 히터의 외경을 웨이퍼 외경보다 크거나 같게 형성하는 것에 의해 상부 웨이퍼를 가열하기 위한 충분한 발열량을 확보할 수 있다. 이에 의해 상부 웨이퍼의 면간 온도 균일성을 향상시킬 수 있기 때문에 웨이퍼의 온도 안정 시간을 단축시킬 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
(2) 천장 히터의 발열체의 폭을 임의의 개소에서 바꾸는 것에 의해 임의의 개소에서 천장 히터의 전류 밀도를 변화시킬 수 있다. 즉 적극적으로 가열시키고자 하는 영역의 발열체의 폭을 좁히는 것에 의해 전류 밀도를 높일 수 있고, 발열량을 증가시킬 수 있다. 이에 의해 상부 웨이퍼의 저온 부분을 적극적으로 가열할 수 있고, 상부 웨이퍼의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
(3) 천장 히터의 발열체끼리의 간격(피치)을 임의의 개소에서 바꾸는 것에 의해 임의의 개소에서 천장 히터의 표면 부하 밀도를 변화시킬 수 있다. 즉 적극적으로 가열시키고자 하는 영역의 발열체의 피치를 좁히는 것에 의해 표면 부하 밀도를 높일 수 있고, 발열량을 증가시킬 수 있다. 이에 의해 상부 웨이퍼의 저온부를 적극적으로 가열할 수 있고, 상부 웨이퍼의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
(4) 천장 히터의 발열체의 반환 위치를 주방향에서 서로 다르게 하여 인접하지 않도록 하는 것에 의해 천장 히터의 주방향의 가열 균일성을 향상시킬 수 있다. 천장 히터의 반환 위치 근방은 공간이 발생하기 때문에 반환 위치가 인접하면 그 부분의 표면 부하 밀도가 저하된다. 반환 위치가 인접하지 않도록 하는 것에 의해 반환 위치 근방의 공간을 대략 둘러싸도록 발열체가 배치되기 때문에 상기 공간의 표면 부하 밀도의 저하를 보완할 수 있고, 천장 히터의 가열 성능을 향상시킬 수 있다.
(5) 급전선에 접속하는 발열체의 단부를 중심으로 배치하는 것에 의해 발열체의 위치 어긋남이나 열화를 억제할 수 있다. 발열체를 가열하면, 발열체가 팽창하는 경우가 있다. 이때 발열체의 단부를 중심으로 배치하면, 발열체의 팽창이 지름 방향의 외향으로 발생하기 때문에 천장 히터의 중심 위치의 위치 어긋남이 발생하지 않는다. 또한 팽창율도 고려해서 발열체의 피치를 설정하는 것에 의해 접촉을 억제할 수 있고, 발열체의 수명을 연장할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 10에 도시하는 바와 같이 발열체(100)를 중심부(100-1)와 외주부(100-2)로 2분할로 하는 구성으로 해도 좋다. 이때 외주부(100-2)의 발열체의 단자(단부)(102A)의 위치는 중심부의 최외곽의 반환하는 개소(반환부)와 인접하지 않는 위치이며, 바람직하게는 최내주에 배치한다.
이때 제2 온도 센서(28)는 중심부(100-1)와 외주부(100-2)의 양방(兩方)의 온도를 측정할 수 있도록 구성된다. 온도 센서(28)는 중심부(100-1)의 온도와 외주부(100-2)의 온도를 독립 측정하고, 히터 구동 장치(76-5)는 중심부(100-1) 및 외주부(100-2)를 독립 제어할 수 있도록 구성된다.
이러한 구성에 의해 중심부(100-1)와 외주부(100-2)의 인가 전력을 다르게 할 수 있기 때문에 중심부(100-1)와 외주부(100-2)의 발열량을 다르게 할 수 있다. 이에 의해 천장 히터의 온도 분포를 철 형상 분포로 하거나 요 형상 분포로 할 수 있다. 예컨대 외주부(100-2)에 인가하는 전력량을 적어도 중심부(100-1)에 인가하는 전력량보다 크게 하는 것에 의해 천장 히터의 온도 분포를 요 형상 분포로 할 수 있다.
또한 제1 실시 형태와 마찬가지로 2분할된 천장 히터의 발열체의 폭이나 발열체끼리의 간격(피치)을 중심부(100-1)와 외주부(100-2) 각각에서 개별로 바꿀 수 있다. 발열체(100)의 단부(102) (102A)의 일단과 타단은 복수의 원호부 및 복수의 반환부에 의해서 연결된다.
<본 실시 형태(제2 실시 형태)에 따른 효과>
제1 실시 형태와 마찬가지로 전술한 (1) 내지 (5)에 기재된 효과 중 적어도 하나 또는 복수의 효과를 갖는다. 특히 상부 웨이퍼의 면내 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한 중심부(100-1)와 외주부(100-2)의 인가 전력을 다르게 할 수 있기 때문에 온도 승온 시의 천장 히터의 온도 분포를 철 형상 분포로 할 수 있다. 이에 의해 웨이퍼 승온 단계부터 천장 히터를 ON으로 하는 것에 의해 상부 웨이퍼의 온도 제어성을 보다 향상시킬 수 있고, 상부 웨이퍼의 면간 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해 웨이퍼의 온도 안정 시간을 단축시킬 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명했다. 하지만 본 발명은 전술한 제1 및 제2 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
(변형예)
전술한 제1 및 제2 실시 형태에서는 발열체의 피치 및 폭을 중심부와 외주부의 2군데에서 변경하는 경우에 대해서 설명했지만, 3군데 이상에서 변경해도 좋다. 예컨대 천장 히터의 가열 분포가 중심으로부터 순서대로 동심원 형상으로 저온-고온-저온이 되도록 발열체의 피치나 폭을 변경해도 좋다. 또한 동심원 형상이 아니라 부채 형상으로 가열 분포를 다르게 하거나, 부채 형상의 일부분만 가열 분포를 다르게 하도록 발열 외 피치나 폭을 변경해도 좋다. 저온으로 하려는 부분보다 고온으로 하려는 부분의 표면 부하 밀도를 크게 하거나 전류 밀도를 크게 하는 것에 의해 이러한 변형예를 실시할 수 있다. 즉 발열체의 피치나 폭을 변경하여 표면 부하 밀도의 소밀과 전류 밀도의 대소를 적절하게 조합하는 것에 의해 임의의 가열 분포를 형성할 수 있다.
본 출원은 2016년 12월 1일에 출원된 일본 출원 특원 2016-234166을 기초로 하여 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 개시를 모두 인용하여 여기에 취입한다.
복수 매의 피처리체를 일괄 처리하는 종형의 처리 장치에 적용된다.
10: 기판 처리 장치 16: 반응관
18: 기판(웨이퍼) 20: 보트
30: 측부 히터 31: 천장 히터
18: 기판(웨이퍼) 20: 보트
30: 측부 히터 31: 천장 히터
Claims (13)
- 복수 매의 기판을 종방향(縱方向)으로 나열하여 내부에 수용하는 반응관; 및
중심부와 외주부의 2분할로 구성되는 발열체에 의해 상기 반응관의 상방(上方)으로부터 상기 반응관 내를 가열하는 제2 히터;
를 구비하고,
상기 제2 히터는, 상기 외주부의 접속 단부와 상기 중심부의 최외곽(最外郭)의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부를 사이에 두고 배치되고, 상기 발열체의 각각의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부로부터 상기 중심부의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성되고, 상기 반응관 내의 상방에 수용된 상기 기판의 저온부에 대응하는 영역에서의 상기 제2 히터의 발열량을, 상기 기판의 고온부에 대응하는 영역에서의 발열량보다 크게 하도록 구성되는 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 상기 저온부에 대응하는 영역의 상기 제2 히터의 전류 밀도를 상기 기판의 상기 고온부에 대응하는 영역의 전류 밀도보다 높게 하도록 구성되는 기판 처리 장치. - 제2항에 있어서,
상기 기판의 상기 저온부에 대응하는 영역은 상기 제2 히터의 중심부이며,
상기 기판의 상기 고온부에 대응하는 영역은 상기 제2 히터의 외주부인 기판 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제2 히터의 발열체의 선폭은 상기 중심부보다 상기 외주부가 더 넓게 형성되는 기판 처리 장치. - 제4항에 있어서,
상기 중심부의 상기 발열체 간의 거리보다 상기 외주부의 상기 발열체 간의 간격이 더 넓게 형성되는 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발열체의 접속 단부는 상기 제2 히터의 중심부에 형성되는 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발열체는 복수의 동심원을 따라서 연장하는 복수의 원호부(arc portion) 및 연장 방향이 전환되는 복수의 반환부(turnaround portion)를 포함하고, 상기 발열체의 단부의 일단과 타단은 상기 복수의 원호부 및 상기 복수의 반환부에 의해서 연결되는 것인 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 히터의 지름은 상기 기판의 지름보다 크거나 같은 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 히터의 상기 외주부의 접속 단부가 상기 제2 히터의 외주부의 최내주의 위치에 배치되는 기판 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 히터는 상기 중심부와 상기 외주부에서 독립 제어 가능하도록 구성되는 기판 처리 장치. - 제10항에 있어서,
상기 반응관의 측방(側方)으로부터 상기 반응관 내를 가열하는 제1 히터를 더 구비하고,
상기 제1 히터의 온도를 검출하는 제1 검출부;
상기 제2 히터의 온도를 검출하는 제2 검출부; 및
상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 검출값에 기초하여 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터를 제어하도록 구성되는 제어부;
를 더 포함하는 기판 처리 장치. - 중심부와 외주부의 2분할로 구성되는 발열체를 포함하고, 복수 매의 기판을 종방향으로 나열하여 내부에 수용하는 반응관의 상방에 설치되는 천장 히터로서,
상기 외주부의 접속 단부와 상기 중심부의 최외곽의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부를 사이에 두고 배치되고, 상기 발열체의 각각의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부로부터 상기 중심부의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성되고,
상기 반응관 내의 상방에 수용된 상기 기판의 저온부에 대응하는 영역에서의 발열량을 상기 기판의 고온부에 대응하는 영역에서의 발열량보다 크게 하도록 구성되는 천장 히터. - 반응관의 측방에 설치된 제1 히터와, 중심부와 외주부의 2분할로 구성되는 발열체를 포함하고 상기 반응관의 상방에 설치된 제2 히터에 의해 상기 반응관 내에 배치된 기판을 가열하면서 상기 기판을 처리하는 반도체 장치의 제조 방법으로서,
상기 제2 히터는, 상기 외주부의 접속 단부와 상기 중심부의 최외곽의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부를 사이에 두고 배치되고, 상기 발열체의 각각의 반환 개소가 상기 중심부의 접속 단부로부터 상기 중심부의 외주를 향하는 직선 상에 1개의 반환 개소만이 배치되도록 구성되고, 상기 반응관 내의 상방에 수용된 상기 기판의 저온부에 대응하는 영역에서의 상기 제2 히터의 발열량을, 상기 기판의 고온부에 대응하는 영역에서의 발열량보다 크게 하도록 구성되는 반도체 장치의 제조 방법.
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