KR20050091691A - 열처리 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

열처리 방법 및 열처리 장치 Download PDF

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Abstract

처리 방법은 복수의 피처리체가 높이 방향으로 다단에 적재된 보유 지지구를 처리 용기 내에 수용하는 공정과, 가열 수단에 의해 가열함으로써 소정의 열처리를 행하는 공정을 구비하고 있다. 미리, 피처리체의 열처리가 행해져야 되는 가열 수단의 특정한 목표 발열량이 구해진다. 처리 장치는 처리 용기와, 처리 용기 내에 설치된 제어용 온도 검출기와 보정용 온도 검출기를 갖고 있다. 보정용 온도 검출기는 높이 방향으로 연장되는 보호관 본체부와, 이 보호관 본체부로부터 수평 방향으로 연장되는 복수의 지지관부로 이루어져 있다. 각각의 지지관부에는 열전대가 배치되고, 각각의 지지관부는 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에 삽입되어 있다.

Description

열처리 방법 및 열처리 장치{HEAT TREATMENT METHOD AND HEAT TREATMENT DEVICE}
본 발명은 열처리 방법 및 열처리 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼에 대해, 산화, 확산, 성막 등의 처리를 행하기 위해, 각종의 열처리 장치가 이용되어 있고, 예를 들어 복수의 피처리체의 열처리를 한 번에 행할 수 있는 배치식의 종형 열처리 장치가 알려져 있다.
이러한 종형 열처리 장치에서는, 복수의 피처리체가 높이 방향으로 소정 간격으로 적재된 피처리체 보유 지지구를 처리 용기 내에 수용된다. 또한 처리 용기의 주위에 설치된 통형 히터를 이용하고, 처리 용기 내에 설치된 온도 검출기에 의해 검출된 온도 데이터를 기초로 하여 설정된 발열량으로 가열함으로써, 피처리체에 대해 소정의 열처리가 행해진다.
반도체 웨이퍼에 대해 열처리를 행하는 데 있어서는, 균일한 막질 및 특성이 양호한 성막 등을 달성하기 위해, 각각의 반도체 웨이퍼의 면내의 온도의 균일성이 높은 데다가, 서로 다른 높이 위치에 적재되어 있는 반도체 웨이퍼 사이에서의 온도의 균일성이 높은 것이 요구되어 있다. 이러한 요구에 대해, 처리 용기 내를 상하 방향으로 복수의 가열 영역으로 구분하여 각각의 가열 영역에 따른 발열량으로 가열함으로써, 피처리체의 열처리가 이루어져 있다.
상기한 바와 같은 열처리 장치에 있어서는 온도 검출기는, 예를 들어 석영 유리로 이루어지고, 처리 용기 내를 상방향으로 신장하는 직관형의 보호관과, 이 보호관 내에 있어서 처리 용기 각각의 가열 영역에 대응하는 위치에 배치된 열전대에 의해 구성되어 있다. 이에 의해, 처리 용기 내의 각각의 가열 영역에 대응한 위치의 온도가 검출되고, 검출된 온도 데이터를 기초로 하여 통형 히터의 발열량이 조정된다.
그리하여, 상기의 종형 열처리 장치에 있어서는 반도체 웨이퍼와 분리된 위치에서 온도 검출이 행해지므로, 실제로 온도 검출기에 의해 검출되는 온도와 반도체 웨이퍼의 온도 사이에는 불가피하게 오차가 생기고, 그 결과 통형 히터의 온도 제어를 정확하게 행하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.
도1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 일례에 있어서의 구성의 개략을 도시하는 설명용 단면도이다.
도2는 제어용 온도 검출기의 구성의 일례를 도시하는 설명용 단면도이다.
도3은 보정용 온도 검출기의 구성의 일례를 도시하는 설명용 단면도이다.
도4는 도3에 도시한 보정용 온도 검출기의 밀봉 구조의 일례를 도시하는 설명용 단면도이다.
도5는 온도 안정시에 있어서의 반도체 웨이퍼, 제어용 온도 검출기 및 보정용 온도 검출기의 온도의 시간 경과에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 이상과 같은 사정에 의거하여 이루어진 것으로, 그 목적은 피처리체의 온도를 높은 정밀도로 검출할 수 있어, 피처리체에 대해 원하는 열처리를 안정적으로 행할 수 있는 열처리 방법 및 이러한 방법이 확실하게 실행되는 열처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 복수의 피처리체를 높이 방향으로 소정 간격을 두고 보유 지지하는 피처리체 보유 지지구를 처리 용기 내에 수용하는 공정과, 처리 용기에 마련된 가열 수단이 목표 발열량을 갖도록 작동시켜 피처리체를 가열함으로써, 피처리체에 대해 소정의 열처리를 행하는 열처리 방법에 있어서, 가열 수단은 이하의 공정(1) 내지 (3):
(1) 피처리체의 온도가 목표 가열 온도가 되도록 설정된 기준 발열량으로 가열 수단을 작동시키고, 또한 처리 용기 내에 있어서 높이 방향으로 연장되도록 배치된 온도 제어용의 온도 검출기에 의해, 피처리체의 제어 대상 온도를 검출하는 공정,
(2) 피처리체 사이에 삽입된 상태로 배치된 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 피처리체의 제어 목표 온도를 검출하는 공정,
(3) 온도 제어용의 온도 검출기에 의해 검출되는 피처리체의 제어 대상 온도와, 온도 보정용의 온도 검출기에 의해 검출된 피처리체의 제어 목표 온도를 대비하고, 제어 목표 온도와 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서 기준 발열량을 보정하여 목표 발열량을 결정하는 공정에 의해 구해진 목표 발열량을 기초로 하여 작동되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
여기에,「실질적으로 일치하다」라고 함은, 온도차가 ±0.5 내지 ±1.0 ℃의 범위 내에 있는 상태를 말한다.
본 발명은 목표 발열량을 구할 때 제어 대상 온도는 가열 수단이 기준 발열량으로 작동된 후, 실질적으로 안정된 상태에서 온도 제어용의 온도 검출기에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 상기 피처리체의 중심 위치에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 상기 피처리체의 중심 위치와 에지부에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은 피처리체를 열처리하는 경우, 온도 보정용의 온도 검출기가 피처리체 사이에 존재하지 않은 상태에서 행해지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
본 발명은 처리 용기와, 처리 용기 내에 수납되어 복수의 피처리체를 수평으로 한 상태에서 높이 방향으로 소정 간격을 두고 보유 지지하는 피처리체 보유 지지구와, 처리 용기의 외측에 마련된 가열 수단과, 처리 용기 내에 설치되어 피처리체의 온도가 상기 피처리체의 처리가 행해져야 되는 목표 가열 온도가 되도록 가열 수단의 발열량을 제어하기 위해 참조되는 제어 대상 온도를 검출하는 온도 제어용의 온도 검출기와, 처리 용기에 설치되어 가열 수단의 발열량을 보정하기 위해 참조되고 목표 가열 온도와 실질적으로 일치하는 제어 목표 온도를 검출하는 온도 보정용의 온도 검출기를 구비하고, 온도 보정용의 온도 검출기로 검출된 제어 목표 온도와, 온도 제어용의 온도 검출기로 검출된 제어 대상 온도를 기초로 하여, 제어부에 의해 가열 수단의 발열량을 보정하는 것을 특징으로 하는 처리 장치이다.
본 발명은 온도 보정용의 온도 검출기는 높이 방향으로 연장되는 직관형의 보호관 본체부와, 이 보호관 본체부로부터 서로 높이 방향으로 이격한 상태로, 각각 보호관 본체부의 관축 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 지지관부를 갖고, 각각의 지지관부에는 열전대가 배치되고, 각각의 지지관부가 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에 삽입되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은 온도 보정용의 온도 검출기의 보호관 본체부는 관축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은 온도 보정용의 온도 검출기 중, 보호 본체부의 기단부측 부분에 전체 주위에 걸쳐 환형 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은 온도 보정용의 온도 검출기는 보호관 본체부 및 지지관부 내부가 감압 상태로 되어 있는 동시에, 보호관 본체부의 기단부측 부분이 기밀하게 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
본 발명은 온도 보정용의 온도 검출기에 있어서, 높이 방향으로 연장되는 직관형의 보호관 본체부와, 이 보호관 본체부에서 서로 높이 방향으로 이격한 상태로, 각각 보호관 본체부의 관축 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 지지관부를 갖고, 각각의 지지관부에는 열전대가 배치되고, 각각의 지지관부가 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에 삽입되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 검출기이다.
본 발명에 따르면, 열처리가 행해져야 되는 피처리체에 대해 처리를 행하는 데 있어서 미리 실시되는 목표 발열량을 구할 때, 피처리체 사이에 배치되는 온도 보정용의 온도 검출기에 의해 피처리체의 온도가 높은 정밀도로 검출된다. 다음에 온도 보정용의 온도 검출기에 의한 제어 목표 온도가 피처리체를 열처리해야 할 목표 가열 온도에 실질적으로 일치시키도록, 온도 보정용의 온도 검출기에 의한 제어 목표 온도와, 온도 제어용의 온도 검출기에 의한 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서 가열 수단의 기준 발열량이 보정된다. 이에 의해, 가열 수단의 발열량의 제어를 정확하게 행할 수 있다.
또한, 온도 보정용의 온도 검출기는 보호관 본체부와, 지지관부를 갖고 열전대가 지지관부 내에 배치되어 있기 때문에, 피처리체에 대한 금속 오염이나 파티클 등을 생기게 하는 일 없이, 피처리체의 온도를 검출할 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하면서, CVD법에 의해 피처리체에 대해 성막 처리를 행하기 위한 종형 열처리 장치를 예로 들어 설명한다.
도1은 본 발명의 종형 열처리 장치의 일례에 있어서의 구성의 개략을 도시하는 설명용 단면도이다.
이 종형 열처리 장치는, 높이 방향(도1에 있어서, 상하 방향)으로 연장되도록 배치되고, 상단부가 개방되어 있는 직관형의 내관(11A)과, 그 주위에 소정의 간격을 사이에 두고 동심 형상으로 배치되고 상단부가 폐색되어 있는 외관(11B)으로 이루어지는 2중관 구조를 갖는 처리 용기(프로세스 튜브)(11)를 구비하고 있고, 처리 용기(11)의 하방 공간은 로딩 영역(L)으로 되어 있다. 이 로딩 영역(L)은 후술하는 피처리체 보유 지지구로서의 웨이퍼 보트(17)에 대해, 피처리체인 반도체 웨이퍼의 이동 탑재 등이 행해지는 영역이다.
그리고, 내관(11A) 및 외관(11B)은 모두 내열성 및 내식성이 우수한 재료, 예를 들어 고순도의 석영 유리에 의해 형성되어 있다.
이 처리 용기(11)에 있어서의 외관(11B)의 하단부에는 상단부에 플랜지 부분(12A)을 갖는 짧은 원통형의 매니폴드(12)가 설치되어 있다. 상기 플랜지 부분(12A)에는, 예를 들어 O링 등의 시일 수단(도시하지 않음)을 통해 외관(11B)의 하단부에 설치된 하단부 플랜지 부분(111)이 플랜지 압박부(13)에 의해 접합되고, 처리 용기(11)의 외관(11B)이 고정된 상태로 되어 있다.
처리 용기(11)에 있어서의 내관(11A)은 외관(11B)의 하단부면으로부터 하방으로 연장되고, 매니폴드(12) 내에 삽입된 상태로 이 매니폴드(12)의 내면에 설치된 환형의 내관 지지부(14)에 의해 지지되어 있다.
이 종형 열처리 장치의 처리 용기(11)의 종단부면에 있어서, 매니폴드(12)의 한 쪽의 측벽에는 처리 용기(11) 내에 처리 가스나 불활성 가스를 도입하기 위한 가스 공급 배관(15)이 상기 매니폴드(12)의 측벽을 기밀하게 관통하여, 내관(11A) 내를 상측으로 연장되도록 설치되어 있다. 이 가스 공급 배관(15)에는, 도시하지 않은 가스 공급원이 접속되어 있다.
또한, 매니폴드(12)의 다른 쪽의 측벽에는 처리 용기(11) 내를 배기하는 배기부(16)가 설치되어 있고, 이 배기부(16)에는, 예를 들어 진공 펌프 및 압력 제어 기구를 갖는 배기 기구(도시하지 않음)가 접속되고, 이에 의해 처리 용기(11) 내부가 소정의 압력으로 제어된다.
처리 용기(11)의 하방에는, 상하 방향으로 구동되어 피처리체 보유 지지구인 웨이퍼 보트(17)를 처리 용기(11) 내로 반입 및 반출하는 승강 기구(21)가 설치되어 있다. 이 승강 기구(21)는 처리 용기(11)의 하단부 개구(11C)를 개폐하는 원판형의 덮개(20)를 구비하고 있다.
웨이퍼 보트(17)는, 예를 들어 고순도의 석영 유리로 이루어지고, 웨이퍼 보트(17)에는 복수매 예를 들어 100 내지 150매 정도의 반도체 웨이퍼가 수평으로 한 상태에서 상하로 소정 간격(피치), 예를 들어 5.2 내지 20.8 ㎜로 다단으로 적재된다.
승강 기구(21)의 덮개(20)에는 처리 용기(11)와 평행하게 상측으로 연장되는 기둥형의 지지 부재(22)가 덮개(20)를 관통하는 상태로 설치되어 있다. 이 지지 부재(22)에는 그 상부에 웨이퍼 보트(17)가 적재되는 원판형의 보트 지지체(22A)가 일체로 설치되고, 지지 부재(22)는 덮개(20)의 하부에 설치된 회전 구동 수단(23)에 접속되어 있다.
또한, 덮개(20)의 상부에는, 예를 들어 석영으로 이루어지는 보온통(24)이 지지 부재(22)가 삽입 관통된 상태로 설치되어 있다.
처리 용기(11)의 외측에는, 처리 용기(11) 내에 수용된 반도체 웨이퍼를 소정의 처리 온도로 가열하기 위한 가열 수단으로서의 통형 히터(30)가 처리 용기(11)의 주위를 둘러싸는 상태로 설치되어 있다.
통형 히터(30)는 선형의 저항 발열체가 내면에 나선형 또는 사행 형상으로 배치된 원통형의 단열재(도시하지 않음)를 갖고 있다. 이 저항 발열체는, 후술하는 온도 검출기(40)에 의해 검출된 반도체 웨이퍼의 온도 데이터를 기초로 하여, 상기 반도체 웨이퍼가 미리 설정된 온도 상태가 되도록 공급해야 할 전력의 크기를 제어하는 제어부(31)에 접속되어 있다.
처리 용기(11) 내부는 높이 방향으로 복수, 도시의 예로서는 3개의 가열 영역(Z1 내지 Z3)으로 나뉘어져 있고, 통형 히터(30)는 각각의 가열 영역(Z1 내지 Z3)에 대해 독립하여 온도 제어를 행하는, 즉 영역 제어를 행하도록 되어 있다.
처리 용기(11)의 상측에는, 처리 용기(11) 내에 있어서의 웨이퍼 보트(17)와 대향하는 상태로 통형 히터(30)의 상단부면과 평행하게 배치된 면형 히터(32)가 설치되어 있다. 이 면형 히터(32)에 의해, 처리 용기(11)의 상측으로부터의 방열이 유효하게 방지되고, 반도체 웨이퍼를 그 면내에 있어서 높은 균일성으로 가열 처리할 수 있다.
면형 히터(32)는, 예를 들어 판형의 기재 상에 배선된 선형의 저항 발열체를 갖고, 이 저항 발열체는 제어부(31)에 접속되어 있다.
이 종형 열처리 장치의 처리 용기(11) 내에는 반도체 웨이퍼의 제어 대상 온도를 검출하는 온도 제어용의 온도 검출기(40)(이하, 단순히「제어용 온도 검출기」라 함)가 배치되어 있다. 이 온도 검출기(40)의 검출치는 반도체 웨이퍼가 목표 가열 온도가 되도록 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 발열량을 제어하기 위해 참조된다.
구체적으로는, 제어용 온도 검출기(40)는 매니폴드(12)의 하부벽을 기밀하게 관통하는 동시에, 처리 용기(11) 내에 있어서의 소정의 위치에 수용된 웨이퍼 보트(17)와 내관(11A) 사이에 형성되는 대략 환형의 공간 내부를 내관(11A)과 평행하게 높이 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 제어용 온도 검출기(40) 중 내관(11A)의 상단부면으로부터 연장되는 선단부측 부분은 처리 용기(11)의 중심 위치를 향하여 웨이퍼 보트(17)로 보유 지지된 반도체 웨이퍼와 평행하게 연장되어 있다.
제어용 온도 검출기(40)는 도2에도 도시한 바와 같이, 예를 들어 투명 석영 유리로 이루어지고, 선단부측 부분이 수평 방향(도2에 있어서 우측 방향)으로 신장하도록 굴곡하는 전체가 약 L자형의 보호관(41)과, 이 보호관(41) 내에 있어서 면형 히터(32)에 의한 가열 영역에 대응하는 위치[예를 들어 면형 히터(32)의 중심 위치에 상당하는 위치] 및 통형 히터(30)에 의한 가열 영역(Z1 내지 Z3) 각각에 대응하는 위치에 배치된 복수(본 실시예에 있어서는 합계 4개)의 열전대(42)에 의해 구성되어 있다.
보호관(41)은, 그 선단부 부분이 폐쇄된 상태로 되어 있는 동시에, 그 기단부측 부분이, 예를 들어 접착제 등의 밀봉재(45)에 의해 밀봉되어 있고, 이 밀봉부를 통해 열전대(42)의 금속 소선이 외부로 인출되어 있다. 그리고, 열전대(42)의 금속 소선은 보상 도선을 통해 제어부(31)의 입력 단자에 접속되어 있다.
보호관(41)의 기단부측 부분은 기밀하게 밀봉되어 있어도 좋고, 또한 보호관(41) 내에 열전대(42)의 산화를 방지하기 위해, 예를 들어 질소 가스(N2 가스) 등의 불활성 가스를 충전해도 좋다.
열전대(42) 각각의 금속 소선에는, 예를 들어 알루미나 세라믹스로 이루어지는 절연 부재(44)가 금속 소선이 삽입 관통된 상태로 설치되어 있고, 이 절연 부재(44)는 길이가 예를 들어 3 ㎜ 정도의 슬립형의 복수의 비드(44A)를 갖고, 이러한 비드(44A)는 서로 길이 방향으로 연속되어 있는 상태로 배치되어 있다. 또, 도2에 있어서는 편의상, 각각의 절연 부재를 하나의 절연 부재로서 도시하고 있다.
이 종형 열처리 장치의 처리 용기(11) 내에는, 목표 가열 온도와 실질적으로 일치하는 반도체 웨이퍼의 제어 목표 온도를 검출하는 온도 보정용의 온도 검출기(이하, 단순히「보정용 온도 검출기」라 함)(50)가 설치되어 있다. 반도체 웨이퍼의 제어 목표 온도는 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 기준 발열량을 보정하는 데 있어서 참조된다.
보정용 온도 검출기(50)는, 도3에 도시한 바와 같이 보호관 본체부(52)와, 보호관 본체부(52)의 선단부측 부분에 수평 방향으로 연장되는 제1 지지관부(53A)를 갖고, 보호관 본체부(52)는 지지관부(53A)와 함께 약 L자형을 구성하고 있다. 또 이 보호관 본체부(52)로부터 제1 지지관부(53A)와 서로 높이 방향으로 이격하는 상태로, 각각 보호관 본체부(52)의 관축 방향과 직교하는 수평 방향으로 복수(도시의 예로서는 2개)의 지지관부(53B, 53C)가 연장되어 있다. 각각의 지지관부(53A, 53B, 53C)의 선단부에는 열전대(54)가 배치되어 있다. 또한 보호관 본체부(52)와, 지지관부(53A, 53B, 53C)에 의해 보호관(51)이 구성되어 있다.
열전대(54)의 금속 소선의 각각에는, 예를 들어 알루미나 세라믹스로 이루어지는 절연 부재(56)가 금속 소선이 삽입 관통된 상태로 설치되어 있고, 이 절연 부재(56)는 길이가 예를 들어 3 ㎜ 정도의 슬립형의 복수의 비드(56A)를 갖고, 이러한 비드(56A)는 그 길이 방향으로 연속되어 배치되어 있다.
각각의 지지관부(53A, 53B, 53C)는 그 선단부 부분이 폐쇄된 상태로 되어 있는 동시에, 보호관 본체부(52)의 기단부측 부분이 밀봉되어 있고, 이 밀봉부를 통해 열전대(54)의 금속 소선이 외부로 인출되어 있다. 그리고, 열전대(54)의 금속 소선은 보상 도선을 통해 제어부(31)의 입력 단자에 접속되어 있다.
또한, 보호관 본체부(52)의 기단부측 부분이 기밀하게 밀봉되어 있어도 좋고, 보호관(51) 내에 열전대(42)의 산화를 방지하기 때문에, 예를 들어 질소 가스(N2 가스) 등의 불활성 가스를 충전해도 좋다.
구체적으로는, 도4에 도시한 바와 같이 보호관(51)의 기단부측 부분에 있어서는, 예를 들어 시멘트 등의 밀봉재(57)가 보호관(51) 내에 충전되고, 기밀한 밀봉 구조가 형성되어 있다. 보호관(51)의 단부에 연속되어 외측으로 신장하는 단부 구조체(60)가, 절연 부재(56)가 삽입 관통된 상태로 설치되어 있다. 이 단부 구조체(60)는 내면에 열 수축 튜브(62)가 설치된 예를 들어 석영 유리로 이루어지는 보조관(61)과, 이 보조관(61) 내에 삽입된 예를 들어 테플론으로 이루어지는 슬립형 절연 부재(63)를 갖고 있다.
또한, 보호관(51)의 보호관 본체부(52)의 기단부측 부분, 구체적으로는 처리 용기(11)의 내부에 위치되는 부위와 처리 용기(11)의 외부에 위치되는 부위와의 경계 부분에는 그 전체 주위에 걸쳐 환형 홈(58)이 형성되어 있다. 이 환형 홈(58)에 매니폴드(12)의 하부벽이 끼워 맞추어져 보정용 온도 검출기(50)가 처리 용기(11) 내에 배치된다.
반도체 웨이퍼에 대해 소정의 열처리를 행하는 데 있어서, 미리 통형 히터(32)의 목표 발열량을 구하는 경우에(목표 발열량 취득 조작을 실시하는 경우에), 보정용 온도 검출기(50)가 이용된다.
또한, 보정용 온도 검출기(50)는 상측으로 신장하는 보호관 본체부(52)의 관축을 중심으로서 회전 가능하게 되어 있고, 목표 발열량 취득 조작을 실시하는 경우에는 보호관 본체부(52)를 관축을 중심으로서 회전시킨다. 이에 의해 각각의 지지관축(53A, 53B, 53C)이 웨이퍼 보트(17)에 의해 보유 지지된 대응하는 높이 위치의 반도체 웨이퍼 사이에 삽입된 상태가 된다.
각각의 지지관부(53A, 53B, 53C)가 서로 다른 높이 위치의 반도체 웨이퍼 사이에 삽입되도록 형성되어 있는 것이 바람직하고, 또한 열전대(54)가 배치된 지지관부(53A, 53B, 53C)의 선단부 부분이 반도체 웨이퍼의 중심 위치에 상당하는 위치에 도달하는 상태가 되어 있는 것이 바람직하다.
또한 웨이퍼 중심 위치와 웨이퍼 에지부가 동시에 측정할 수 있게 열전대를 배치하는 것도 가능하다.
도시한 예에서는, 보호관(51)의 상단부에 연속하여 수평 방향(도3에 있어서 좌측 방향)으로 연장되는 제1 지지관부(53A)가 처리되어야 될 반도체 웨이퍼 중 최상부에 위치되지만 상부 공간에 배치되고, 보정용 온도 검출기(50)에 있어서 최하부에 위치되는 제3 지지관부(53C)가 처리되어야 될 반도체 웨이퍼 중 최하부에 위치되는 것이지만 상부 공간에 배치되고, 제1 지지관부(53A)와 제3 지지관부(53C) 사이의 높이 레벨에 위치되는 제2 지지관부(53B)가 처리되어야 될 반도체 웨이퍼 중 중앙부에 위치되는 것이지만 상부 공간에 배치되어 있다.
다음에, 이상의 구성으로 이루어지는 종형 열처리 장치에 있어서 실시되는 반도체 웨이퍼에 대한 열처리에 대해 설명한다.
우선, 로딩 영역(L)에 있어서 반도체 웨이퍼의 이동 탑재가 행해져 반도체 웨이퍼가 보유 지지된 상태의 웨이퍼 보트(17)가 보트 지지체(22A) 상에 적재된다. 이 때 덮개(20)가 최하부 위치에 있다. 다음에 승강 기구(21)에 의해 덮개(20)가 상부 방향으로 구동되고, 웨이퍼 포트(17)가 하단부 개구(11C)로부터 처리 용기(11) 내로 반입된다. 다음에 덮개(20)에 의해 처리 용기(11)의 하단부 개구(11C)가 기밀하게 폐색된 상태가 되고, 배기 수단이 작동되어 처리 용기(11) 내부가 소정의 압력, 예를 들어 6 × 10-4 Pa 정도로 감압된다. 이 경우, 예를 들어 웨이퍼 보트(17)에 있어서의 최상부 및 최하부의 적재부에는 모의적인 반도체 웨이퍼(더미 웨이퍼)가 적재된다.
이어서, 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 목표 발열량을 설정하는 목표 발열량 취득 조작이 실행된다. 즉, 보정용 온도 검출기(50)가 그 보호관 본체부(52)의 관축을 중심으로서 회전되고, 각각의 지지관부(53A, 53B, 53C)가 서로 다른 높이 위치의 반도체 웨이퍼 사이에 삽입된다. 다음에 제어용 온도 검출기(40)에 의해 제어 대상 온도를 검출하면서, 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)가 반도체 웨이퍼가 소정의 목표 가열 온도가 되도록 설정된 기준 발열량으로 작동된다.
그 후, 제어 온도 검출기(40)에 의해 검출되는 제어 대상 온도가 실질적으로 안정된 상태가 된 후, 온도 검출기(40)에 의한 온도 검지가 계속해서 행해진다.
여기에,「실질적으로 안정된 상태」라고 함은, 제어용 온도 검출기(40)에 의해 구한 제어 대상 온도의 변동 폭이 예를 들어 ±0.5 내지 1.0 ℃의 범위 내에 있는 상태를 말하며, 예를 들어 통형 히터 및 면형 히터(32)를 작동시키고 나서 2시간 이상 경과되었을 때에는, 통상 충분히 안정된 상태에 도달한다.
그리고, 제어용 온도 검출기(40) 각각의 열전대(42)에 의해 검출된 각 제어 대상 온도 및 보정용 온도 검출기(50) 각각의 열전대(54)에 의해 검출된 각 제어 목표 온도가 제어부(31)에 입력된다. 보정용 온도 검출기(50)에 의해 검출되는 제어 목표 온도가 반도체 웨이퍼를 처리해야 할 목표 가열 온도와 실질적으로 일치하고 있는 경우, 제어부(31)에 있어서 각각 상기한 높이 레벨에 있어서의 온도 데이터가 대비된다.
한편, 보정용 온도 검출기(50)에 의해 검출되는 제어 목표 온도가 반도체 웨이퍼를 처리해야 할 목표 가열 온도와 실질적으로 일치하지 않은 경우에는, 제어부(31)에 있어서 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 기준 발열량이 재설정되어 상기의 공정이 반복 행해진다.
예를 들어, 제어부(31)에 있어서 가열 영역(Z1)에 대응하는 위치에 적재된 반도체 웨이퍼에 대해, 보정용 온도 검출기(50)에 의한 제어 목표 온도와, 제어용 온도 검출기(40)에 의한 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서, 통형 히터(30)에 의한 가열 영역(Z1)에 대응하는 위치에 적재된 반도체 웨이퍼에 대한 통형 히터(30)의 목표 발열량이 결정된다.
이상과 같은 조작이 다른 가열 영역(Z2, Z3)에 대해서도 행해진다.
다음에 보정용 온도 검출기(50)가 회전되어 반도체 웨이퍼 사이에 지지관부(53A, 53B, 53C)가 존재하지 않은 상태가 된다. 그 후, 회전 구동 수단(23)에 의해 웨이퍼 보트(17)가 회전된 상태로, 가스 공급 배관(15)으로부터 처리 용기(11) 내에 적절한 처리 가스가 도입되어 반도체 웨이퍼에 대해 성막 처리가 행해진다.
그리하여, 상기의 종형 열처리 장치에 따르면, 반도체 웨이퍼에 대해 열처리를 행하는 데 있어서 미리 실시되는 목표 발열량 취득 조작에 있어서, 보정용 온도 검출기(50)에 의해 반도체 웨이퍼의 온도가 높은 정밀도로 검출된다. 이로 인해 보정용 온도 검출기(50)에 의한 제어 목표 온도를 반도체 웨이퍼를 열처리해야 할 목표 가열 온도에 실질적으로 일치시키도록, 보정용 온도 검출기(50)에 의한 제어 목표 온도와 제어용 온도 검출기(40)에 의한 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서, 기준 발열량을 보정할 수 있다. 이에 의해, 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 발열량을 정확하게 제어할 수 있어, 반도체 웨이퍼에 대해 원하는 열처리를 안정적으로 행할 수 있다.
또한, 제어용 온도 검출기(40)에 의한 검지 온도가 안정된 상태에 있어서, 목표 발열량 취득 조작이 실시되기 때문에, 보정용 온도 검출기(50)에 의한 제어 목표 온도와, 제어용 온도 검출기(40)에 의한 제어 대상 온도와의 정확한 온도차를 확실하게 취득할 수 있어, 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)의 발열량의 제어를 정확하게 행할 수 있다.
또한, 보정용 온도 검출기(50)에 있어서의 각각의 지지관부(53A, 53B, 53C)가 서로 다른 높이 위치의 반도체 웨이퍼 사이에 배치되기 때문에, 각각의 높이 위치에 대해 독립하여 온도 제어를 행할 수 있다. 따라서, 실제로 반도체 웨이퍼를 열처리할 때에는 반도체 웨이퍼가 배치되는 높이 위치에 관계 없이, 모든 반도체 웨이퍼에 대해 실질적으로 균일하게, 게다가 소기의 온도 상태로 열처리를 행할 수 있다.
또한, 열전대(54, 54, 54)가 배치된 지지관부(53A, 53B, 53C)의 선단부 부분이 반도체 웨이퍼의 중심 위치에 상당하는 위치에 도달하기 때문에, 실질적으로 반도체 웨이퍼로부터의 방사광만을 검출할 수 있으므로, 확실하게 반도체 웨이퍼의 온도를 높은 정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 보정용 온도 검출기(50)의 열전대(54, 54, 54)는 지지관부(53A, 53B, 53C) 내에 배치되어 있기 때문에, 바꿔 말하면 열전대(54)의 금속 소선 등이 처리 용기(11) 내의 분위기에 노출되어 있지 않기 때문에, 예를 들어 파티클이나 반도체 웨이퍼에 대한 금속 오염 등이 생기는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼에 직접적으로 열전대를 배치하여 반도체 웨이퍼의 온도를 검출하는 경우와 비교하고, 목표 발열량을 설정하는 조작 후의 필요로 되는 석영 지그의 교환 작업이나 세정 처리가 불필요해지고, 반도체 웨이퍼에 대해 원하는 열처리를 유리하게 실시할 수 있다.
또한, 보호관(51)의 기단부측 부분에 그 전체 주위에 걸쳐 환형 홈(58)이 형성되어 있기 때문에, 이 환형 홈(58)을 매니폴드(12)에 끼워 맞추어 스톱퍼로서 기능시킬 수 있다. 이로 인해 처리 용기(11) 내부가 감압 상태로 되었을 때에도, 보정용 온도 검출기(50)가 처리 용기(11) 내에 인입되는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
이상에 있어서는, 보정용 온도 검출기(50)에 있어서의 보호관(51) 내부가 불활성 가스 분위기로 되어 있지만, 보호관(51) 내를 감압 상태로서 보호관(51)의 기단부측 부분을 기밀하게 밀봉하는 구성으로 할 수 있다.
이 경우에는, 처리 용기(11) 내부가 감압 상태로 되었을 때에, 어떠한 원인에 의해 보호관(51)이 파손된 경우라도, 그 파편이 처리 용기(11) 내에 비산하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 제어용 온도 검출기(40)에 대해서도, 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.
<실험예>
이하, 도1에 도시한 구성의 종형 열처리 장치에 의한 실험예에 대해 설명한다.
웨이퍼 직경이 200 ㎜의 반도체 웨이퍼 25매가 15.6 ㎜의 피치로 상하 방향에 다단으로 적재되는 동시에, 최상부 및 최하부에 모의적인 더미 웨이퍼가 적재된 웨이퍼 보트(17)를 처리 용기(11) 내에 수용하였다. 다음에 모든 반도체 웨이퍼가 800 ℃(목표 가열 온도)가 되도록 설정된 기준 발열량으로 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)를 작동시켰다. 그리고, 가열을 개시하고 나서 2시간 경과된 후, 제어용 온도 검출기(40) 및 보정용 온도 검출기(50)에 의한 온도 검지를 행한 바, 제어용 온도 검출기(40)에 의해 검출된 제어 대상 온도는 800 ℃, 보정용 온도 검출기(50)에 의해 검출된 제어 목표 온도는 803 ℃였다.
그리고, 제어 대상 온도가 798 ℃가 되도록, 제어 목표 온도와 제어 대상 온도와의 온도차 3 ℃에 따라서 기준 발열량을 보정하여 목표 발열량을 설정하고, 설정된 목표 발열량으로 통형 히터(30) 및 면형 히터(32)를 작동시켰다. 이 경우, 보정용 온도 검출기(50)에 의해 검출된 제어 목표 온도가 800 ℃가 되고, 모든 반도체 웨이퍼에 대해 소기의 열처리를 행할 수 있었다. 온도 안정시에 있어서의 반도체 웨이퍼, 제어용 온도 검출기(40) 및 보정용 온도 검출기(50)의 온도의 시간 경과에 따른 변화를 나타내는 그래프를 도5에 나타낸다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기의 형태로 한정되는 것이 아니라, 여러 가지의 변경을 가할 수 있다.
예를 들어, 보정용 온도 검출기에 있어서의 지지관부의 수, 지지관부가 삽입되는 위치 및 그 밖의 구성은 특별히 제한되는 것이 아니라, 예를 들어 한 번의 처리에 있어서 처리되어야 될 피처리체의 수, 크기(외경 치수) 등에 따라서 적절하게 변경할 수 있다.
또한, 상기의 실시예에 있어서는, 보정용 온도 검출기의 지지관부가 통형 히터에 의한 가열 영역 각각에 대응한 상태로 배치되는 상태가 되어 있지만, 통형 히터에 의한 가열 영역에 대응한 위치에 배치할 필요는 없다.
보호관 본체부의 선단부측 부분 및 각각의 지지관부에 배치되는 열전대의 수 및 위치에 대해서도, 특별히 제한되는 것이 아니라, 예를 들어 하나의 지지관부에 복수의 열전대가 지지관부 내에 있어서 수평 방향으로 서로 이격하는 상태로 배치되어 있어도 좋다. 구체적으로는 웨이퍼 중심 위치와 웨이퍼 에지부에 열전대 선단부를 배치하도록 한다.
또한, 목표 발열량 취득 조작은 실제로 처리해야 할 피처리체에 대해서는 아니며, 모의적인 피처리체(더미 웨이퍼)에 대해 행해져도 좋다.
또한 본 실시 형태로서는 제어용 온도 검출기(40)를 내관(11A) 내에 설치하였지만, 히터(30, 32)를 관통하여 히터 온도를 검출해도 좋다.
본 발명은 성막 처리에 한정되지 않고, 예를 들어 산화 처리, 확산 처리, 어닐링 처리 등을 행하는 열처리 장치에 적용할 수 있다.
본 발명의 열처리 방법에 따르면, 열처리가 행해져야 될 피처리체에 대해 처리를 행하는 데 있어서 미리 실시되는 목표 발열량 취득 조작에 있어서, 피처리체 사이에 배치되는 온도 보정용의 온도 검출기에 의해 피처리체의 온도가 높은 정밀도로 검출된다. 이로 인해 온도 보정용의 온도 검출기에 의한 제어 목표 온도를 피처리체를 열처리해야 할 목표 가열 온도에 실질적으로 일치시키도록, 온도 보정용의 온도 검출기에 의한 제어 목표 온도와 온도 제어용의 온도 검출기에 의한 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서 가열 수단의 기준 발열량이 보정된다. 이에 의해, 가열 수단의 발열량의 제어를 정확하게 행할 수 있어, 피처리체에 대해 원하는 열처리를 안정적으로 행할 수 있다.
본 발명의 열처리 장치에 따르면, 상기의 방법이 확실하게 실행되기 때문에, 피처리체의 온도를 높은 정밀도로 검출할 수 있고, 그 결과 가열 수단의 발열량의 제어를 정확하게 행할 수 있어, 피처리체에 대해 원하는 열처리를 안정적으로 행할 수 있다.

Claims (12)

  1. 복수의 피처리체를 높이 방향으로 소정 간격을 두고 보유 지지하는 피처리체 보유 지지구를 처리 용기 내에 수용하는 공정과,
    처리 용기에 마련된 가열 수단이 목표 발열량을 갖도록 작동시켜 피처리체를 가열함으로써, 피처리체에 대해 소정의 열처리를 행하는 열처리 방법에 있어서,
    상기 가열 수단은, 이하의 공정 (1) 내지 (3):
    (1) 피처리체의 온도가 목표 가열 온도가 되도록 설정된 기준 발열량으로 가열 수단을 작동시키고, 또한 처리 용기 내에서 높이 방향으로 연장되도록 배치된 온도 제어용의 온도 검출기에 의해, 피처리체의 제어 대상 온도를 검출하는 공정,
    (2) 피처리체 사이에 삽입된 상태로 배치된 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 피처리체의 제어 목표 온도를 검출하는 공정,
    (3) 온도 제어용의 온도 검출기에 의해 검출되는 피처리체의 제어 대상 온도와, 온도 보정용의 온도 검출기에 의해 검출된 피처리체의 제어 목표 온도를 대비하고, 제어 목표 온도와 제어 대상 온도와의 온도차에 따라서 기준 발열량을 보정하여 목표 발열량을 결정하는 공정에 의해 구해진 목표 발열량을 기초로 하여 작동되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 목표 발열량을 구할 때, 제어 대상 온도는 가열 수단이 기준 발열량으로 작동된 후, 실질적으로 안정된 상태에서 온도 제어용의 온도 검출기에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 상기 피처리체의 중심 위치에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 목표 발열량을 구할 때, 피처리체의 온도가 온도 보정용의 온도 검출기에 의해, 상기 피처리체의 중심 위치와 에지부에서 검출되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 피처리체를 열처리하는 경우, 온도 보정용의 온도 검출기가 피처리체 사이에 존재하지 않은 상태에서 행해지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  7. 처리 용기와,
    처리 용기 내에 수납되고, 복수의 피처리체를 수평으로 한 상태에서 높이 방향으로 소정 간격을 두고 보유 지지하는 피처리체 보유 지지구와,
    처리 용기의 외측에 마련된 가열 수단과,
    처리 용기 내에 설치되고, 피처리체의 온도가 상기 피처리체의 처리가 행해져야 되는 목표 가열 온도가 되도록 가열 수단의 발열량을 제어하기 위해 참조되는 제어 대상 온도를 검출하는 온도 제어용의 온도 검출기와,
    처리 용기에 설치되고, 가열 수단의 발열량을 보정하기 위해 참조되고, 목표 가열 온도와 실질적으로 일치하는 제어 목표 온도를 검출하는 온도 보정용의 온도 검출기를 구비하고,
    온도 보정용의 온도 검출기로 검출된 제어 목표 온도와, 온도 제어용의 온도 검출기로 검출된 제어 대상 온도를 기초로 하여, 제어부에 의해 가열 수단의 발열량을 보정하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 온도 보정용의 온도 검출기는 높이 방향으로 연장되는 직관형의 보호관 본체부와,
    이 보호관 본체부로부터 서로 높이 방향으로 이격한 상태로, 각각 보호관 본체부의 관축 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 지지관부를 갖고,
    각각의 지지관부에는 열전대가 배치되고,
    각각의 지지관부가 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에 삽입되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 온도 보정용의 온도 검출기의 보호관 본체부는 관축을 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  10. 제8항에 있어서, 온도 보정용의 온도 검출기 중 보호 본체부의 기단부측 부분에, 전체 주위에 걸쳐 환형 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  11. 제8항에 있어서, 온도 보정용의 온도 검출기는 보호관 본체부 내부 및 지지관부 내부가 감압 상태로 되어 있는 동시에, 보호관 본체부의 기단부측 부분이 기밀하게 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  12. 온도 보정용의 온도 검출기에 있어서,
    높이 방향으로 연장되는 직관형의 보호관 본체부와,
    이 보호관 본체부로부터 서로 높이 방향으로 이격한 상태로, 각각 보호관 본체부의 관축 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 지지관부를 갖고,
    각각의 지지관부에는 열전대가 배치되고,
    각각의 지지관부가 서로 다른 높이 위치의 피처리체 사이에 삽입되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 검출기.
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KR1020057001826A KR20050091691A (ko) 2005-02-01 2002-09-27 열처리 방법 및 열처리 장치

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KR101453959B1 (ko) * 2013-04-29 2014-11-03 주식회사 케이피씨 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법
KR20210083361A (ko) * 2019-01-07 2021-07-06 가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 히터 유닛

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