KR20150121668A - 마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법 - Google Patents

마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법 Download PDF

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KR20150121668A
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wafer
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heating
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미츠토시 아시다
석형 홍
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

피처리체에 대해 균일하고 또한 효율이 좋은 가열 처리를 행하는 것이 가능한 마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법을 제공한다.
마이크로파 가열 처리 장치(1)는, 상벽(11), 바닥벽(13) 및 측벽부(12)를 갖고, 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(2)와, 웨이퍼(W)를 가열 처리하기 위한 마이크로파를 생성하여 상벽(11)에 형성된 하나 내지 복수의 마이크로파 도입 포트(10)로부터 처리 용기(2)에 도입하는 마이크로파 도입 장치(3)와, 웨이퍼(W)에 당접함으로써 처리 용기(2) 내에서 상벽(11)에 대향하는 위치에 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(15)를 구비하고 있다. 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 유지부(15)에 의해서, 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1가, 마이크로파의 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고, 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가, 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 제 1 높이 위치에 웨이퍼(W)를 유지하여 가열 처리를 행한다.

Description

마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법{MICROWAVE HEATING APPARATUS AND MICROWAVE HEATING METHOD}
본 발명은 마이크로파를 처리 용기에 도입하여 기판에 대해 가열 처리를 행하는 마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 웨이퍼 등의 기판에 대해 가열 처리를 실시하는 장치로서, 마이크로파를 사용하는 장치가 제안되어 있다. 마이크로파에 의한 가열 처리는 내부 가열, 국소 가열, 선택 가열이 가능하다는 점에서, 종래의 램프 가열 방식이나 저항 가열 방식의 어닐링 장치에 비해서 프로세스 메리트가 크다는 점이 알려져 있다. 예컨대, 마이크로파 가열을 이용해서 도핑 원자를 활성화하는 경우, 마이크로파가 도핑 원자에 직접 작용한다는 점에서, 잉여 가열이 일어나지 않아서, 확산층이 넓어지는 것을 억제할 수 있다는 이점이 있다. 나아가, 마이크로파 조사를 이용함으로써, 종래의 램프 가열 방식이나 저항 가열 방식에 비해서, 비교적 저온에서의 가열 처리가 가능해서, 열 예산(Thermal Budget)의 증대를 억제할 수 있다는 이점도 있다.
마이크로파를 이용한 가열 장치로서, 예컨대 특허문헌 1에서는, 피처리물을 균일하게 가열할 목적으로, 도전성의 유도판의 표면에 도전성 돌기를 편재시켜서 입설(立設)한 마이크로파조사 장치가 제안되어 있다.
일본 특허 공개 평 3-233888 호 공보(예컨대, 도 1)
마이크로파는, 파장이 수십 밀리로 길고, 나아가 처리 용기 내에서 정재파를 형성하기 쉽다는 특징을 갖고 있다. 이 때문에, 예컨대 반도체 웨이퍼를 마이크로파로 가열 처리하는 경우, 반도체 웨이퍼의 면 내에서 전자계의 강약에 분포가 발생해서, 가열 온도의 불균일이 생기기 쉽다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안해서 이루어진 것으로, 그 목적은 피처리체에 대해 균일하고 또한 효율이 좋은 가열 처리를 행하는 것이 가능한 마이크로파 가열 처리 장치 및 마이크로파 가열 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치는, 상벽, 상기 상벽에 평행한 바닥벽 및 측벽을 갖고, 피처리체를 수용하는 처리 용기와,
상기 피처리체를 가열 처리하기 위한 마이크로파를 생성하여 상기 상벽에 형성된 하나 내지 복수의 마이크로파 도입 포트로부터 상기 처리 용기로 도입하는 마이크로파 도입 장치와,
상기 피처리체에 당접함으로써, 상기 처리 용기 내에서 상기 상벽에 대향하는 위치에 상기 피처리체를 유지하는 유지부
를 구비하고 있다. 본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치는, 상기 유지부에 의해서,
상기 바닥벽의 상면으로부터 상기 피처리체의 하면까지의 거리 H1가, 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고,
상기 상벽의 하면으로부터 상기 피처리체의 상면까지의 거리 H2가, 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 제 1 높이 위치에 상기 피처리체를 유지하여 가열 처리를 행한다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치는, 상기 유지부가 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를 가변으로 조절하는 높이 위치 조절 장치와,
상기 가열 처리 도중에, 상기 유지부에 의해서 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를, 상기 제 1 높이 위치와는 다른 제 2 높이 위치로부터, 상기 제 1 높이 위치로 전환하도록, 상기 높이 위치 조절 장치를 제어하는 제어부
를 더 구비하고 있어도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치는, 상기 유지부에 유지된 상기 피처리체의 온도를 계측하는 온도 계측부를 더 구비하고 있어도 되고,
상기 제어부는 상기 온도 계측부에 의한 상기 피처리체의 계측 온도에 기초해서, 상기 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는 것이어도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치는 상기 피처리체가 실리콘 기판이어도 되고,
상기 제어부는 상기 가열 처리에 있어서 상기 실리콘 기판의 온도가 400℃ 이상에 도달한 단계에서, 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는 것이어도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 방법은, 상벽, 상기 상벽에 평행한 바닥벽 및 측벽을 갖고, 피처리체를 수용하는 처리 용기 내에, 상기 상벽에 형성된 하나 내지 복수의 마이크로파 도입 포트로부터 마이크로파를 도입하여 상기 피처리체의 가열 처리를 행한다. 그리고, 본 발명의 마이크로파 가열 처리 방법은, 상기 바닥벽의 상면으로부터 상기 피처리체의 하면까지의 거리 H1가 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고,
상기 상벽의 하면으로부터 상기 피처리체의 상면까지의 거리 H2가 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 제 1 높이 위치에 상기 피처리체를 유지하여 가열 처리를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 방법은, 상기 가열 처리 도중에, 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를, 상기 제 1 높이 위치와는 다른 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로 전환해도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 방법은, 상기 피처리체의 계측 온도에 기초해서, 상기 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행해도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 방법은 상기 피처리체가 실리콘 기판이어도 되고, 상기 가열 처리에 있어서, 상기 실리콘 기판의 온도가 400℃ 이상에 도달한 단계에서, 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는 것이어도 된다.
본 발명의 마이크로파 가열 처리 장치 및 처리 방법에서는, 피처리체에 대해 균일하고 또한 효율이 좋은 가열 처리를 행하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 가열 처리 방법에 사용하는 마이크로파 가열 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는, 도 1에 나타낸 처리 용기의 상벽의 하면을 나타내는 평면도,
도 3은, 도 1에 나타낸 마이크로파 가열 처리 장치에 있어서 피처리체를 지지하는 홀더의 사시도,
도 4는, 도 1에 나타낸 처리 용기 내에서의 홀더의 높이 위치를 나타내는 설명도,
도 5는, 도 1에 나타낸 마이크로파 가열 처리 장치의 고전압 전원부의 개략의 구성을 나타내는 설명도,
도 6은 제어부의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 가열 처리 방법의 순서의 일례를 나타내는 흐름도,
도 8은 실리콘 기판의 승온 과정에서의 캐리어 밀도의 변화를 나타내는 그래프,
도 9는, 도 1과 마찬가지 구성의 마이크로파 가열 처리 장치에 있어서, 반도체 웨이퍼를 가열 처리한 경우의 온도 변화와 반사파의 변화를 나타내는 그래프,
도 10은 처리 용기 내에서의 반도체 웨이퍼의 높이 위치를 모식적으로 설명하는 도면,
도 11은 처리 용기 내에서의 반도체 웨이퍼의 높이 위치를 모식적으로 설명하는 다른 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 우선, 도 1을 참조해서, 본 발명의 1의 실시예에 따른 마이크로파 가열 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 마이크로파 가열 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 처리 용기의 상벽의 하면을 나타내는 평면도이다. 도 3은, 도 1에 나타낸 마이크로파 가열 처리 장치의 처리 용기 내에서 피처리체를 지지하는 유지부로서의 홀더의 사시도이다. 도 4는, 도 1에 나타낸 처리 용기 내에서의 홀더의 높이 위치를 나타내는 설명도이다. 마이크로파 가열 처리 장치(1)는 연속하는 복수의 동작을 따라서, 예컨대 반도체 디바이스 제조용 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 '웨이퍼'라고 함)(W)에 대해서, 마이크로파를 조사하여 가열 처리를 실시하는 장치이다. 여기서, 평판 형상을 이루는 웨이퍼(W)에서, 면적이 넓은 상하의 면 중, 상면이 반도체 디바이스의 형성면이고, 이 면이 처리 대상이 된다.
마이크로파 가열 처리 장치(1)는 피처리체인 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(2)와, 처리 용기(2) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 장치(3)와, 처리 용기(2) 내에서 상벽(11)에 대향하는 위치에서 웨이퍼(W)를 지지하는 지지 장치(4)와, 처리 용기(2) 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구(5)와, 처리 용기(2) 내를 감압 배기하는 배기 장치(6)와, 이들 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 구성부를 제어하는 제어부(8)를 구비하고 있다.
<처리 용기>
처리 용기(2)는 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(2)를 형성하는 재료로서는, 예컨대 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 등이 이용된다. 마이크로파 도입 장치(3)는, 처리 용기(2)의 상부에 마련되어서 처리 용기(2) 내에 전자파(마이크로파)를 도입하는 마이크로파 도입 수단으로서 기능한다. 마이크로파 도입 장치(3)의 구성에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
처리 용기(2)는, 판 형상의 상벽(11) 및 바닥벽(13)과, 상벽(11)과 바닥벽(13)을 연결하는 측벽으로서의 4개의 측벽부(12)와, 상벽(11)을 상하로 관통하도록 마련된 복수의 마이크로파 도입 포트(10)와, 측벽부(12)에 마련된 반입반출구(12a)와, 바닥벽(13)에 마련된 배기구(13a)를 갖고 있다. 여기서, 4개의 측벽부(12)는 수평 단면이 직각으로 접속된 각통 형상을 이루고 있다. 따라서, 처리 용기(2)는, 내부가 공동인 정육면체 형상을 이루고 있다. 또한, 각 측벽부(12)의 내면은 모두 평탄하게 되어 있고, 마이크로파를 반사시키는 반사면으로서의 기능을 갖고 있다. 반입반출구(12a)는 처리 용기(2)에 인접하는, 도시 생략한 반송실과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입반출을 행하기 위한 것이다. 처리 용기(2)와 도시 생략한 반송실과의 사이에는 게이트 밸브(GV)가 마련되어 있다. 게이트 밸브(GV)는 반입반출구(12a)를 개폐하는 기능을 갖고, 닫힘 상태에서 처리 용기(2)를 기밀하게 밀봉함과 아울러, 열림 상태에서 처리 용기(2)와 도시하지 않은 반송실의 사이에서 웨이퍼(W)의 이송을 가능하게 한다.
<지지 장치>
지지 장치(4)는 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 처리 용기(2)의 바닥벽(13)의 거의 중앙을 관통해서 처리 용기(2)의 외부까지 연장되는 관 형상의 샤프트(14)와, 샤프트(14)의 상단에 장착된 유지부로서의 홀더(15)를 갖고 있다. 홀더(15)는 샤프트(14)의 상단에 장착된 홀더 베이스부(15a)와, 이 홀더 베이스부(15a)로부터 거의 수평 방향으로 방사상으로 마련된 복수(본 실시예에서는 3개)의 아암부(15b)와, 각 아암부(15b)에 착탈 가능하게 장착된 지지 핀(16)을 갖고 있다. 복수의 지지 핀(16)은, 처리 용기(2) 내에서 웨이퍼(W)의 하면에 당접해서 웨이퍼(W)를 지지한다. 복수의 지지 핀(16)은, 그 상단부가 웨이퍼(W)의 둘레 방향으로 나열되도록 배치되어 있다. 각 지지 핀(16)은, 아암부(15b)에 착탈 가능하게 장착되어 있다. 한편, 아암부(15b), 지지 핀(16)의 수는, 웨이퍼(W)를 안정되게 지지할 수 있으면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 홀더(15)는, 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 이들을 형성하는 유전체 재료로서는, 예컨대, 석영, 세라믹 등을 이용할 수 있다.
나아가, 지지 장치(4)는 샤프트(14)를 회전시키는 회전 구동부(17)와, 샤프트(14)를 상하로 변위시키는 승강 구동부(18)와, 샤프트(14)를 지지함과 아울러, 회전 구동부(17)와 승강 구동부(18)를 연결하는 가동 연결부(19)를 갖고 있다. 회전 구동부(17), 승강 구동부(18) 및 가동 연결부(19)는 처리 용기(2)의 외부에 마련되어 있다. 한편, 처리 용기(2) 내를 진공 상태로 하는 경우에는, 샤프트(14)가 바닥벽(13)을 관통하는 부분 주위에, 예컨대 벨로우즈 등의 밀봉 장치(20)를 마련할 수 있다.
지지 장치(4)에 있어서 샤프트(14), 홀더(15), 회전 구동부(17) 및 가동 연결부(19)는 웨이퍼(W)를 수평 방향으로 회전 운동시키는 회전 장치를 구성하고 있다. 홀더(15)는 회전 구동부(17)를 구동시킴으로써, 샤프트(14)를 회전 중심으로 해서 회전하여, 각 지지 핀(16)을 수평 방향으로 원 운동(공전)시킨다. 회전 구동부(17)는, 샤프트(14)를 회전시킬 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없고, 예컨대 도시 생략한 모터 등을 구비하고 있어도 된다.
또한, 지지 장치(4)에 있어서, 샤프트(14), 홀더(15), 승강 구동부(18) 및 가동 연결부(19)는 웨이퍼(W)의 높이 위치를 조절하는 높이 위치 조절 장치를 구성하고 있다. 홀더(15)는 승강 구동부(18)를 구동시킴으로써, 샤프트(14)와 함께, 상하 방향으로 승강 변위하도록 구성되어 있다. 승강 구동부(18)는 샤프트(14) 및 가동 연결부(19)를 승강 변위시킬 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없고, 예컨대 도시 생략한 볼 나사 등을 구비하고 있어도 된다.
본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에 있어서, 지지 장치(4)의 홀더(15)는 소정의 높이로 웨이퍼(W)를 유지할 수 있다. 홀더(15)에 의해서 웨이퍼(W)를 유지하는 높이 위치는 가변으로 조절할 수 있다. 예컨대, 도 4를 참조하면, 홀더(15)는 마이크로파의 진공 파장(이하, 간단히 '파장'이라고 하는 경우가 있음) λ에 대해 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1가, H1<λ/2가 되고, 또한 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가 3λ/4≤H2<λ가 되는 높이 위치에 웨이퍼(W)를 유지할 수 있다. 이 높이 위치는 본 발명에 있어서의 제 1 높이 위치이다. 한편, 웨이퍼(W)의 두께(약 0.6mm 정도)를 무시하면, 거리 H1와 거리 H2의 합계는, 처리 용기(2)의 전체의 높이 H(즉, 상벽(11)의 하면으로부터 바닥벽(13)의 상면까지의 거리)와 같다.
제 1 높이 위치에서는, 거리 H1를 λ/2 미만으로 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에서, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)(바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 공간)에, 처리 용기(2)의 높이 방향으로 파장을 갖는 정재파(이하, '높이 방향의 정재파'라고 하는 경우가 있음)를 발생시키지 않는다. 한편, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 있어서, 높이 방향의 정재파 이외의 정재파, 예컨대 웨이퍼(W)의 상면이나 하면에 대해 평행한 방향의 정재파는 발생해도 된다. 본 실시예에서는, 거리 H1를 H1<λ/2로 하고, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에서의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지하는 것에 의해 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에서 정재파의 종류를 감소시킴으로써, 정재파의 변동을 극력 회피할 수 있다.
또한, 제 1 높이 위치에서는, 거리 H2를 3λ/4 이상 λ 미만의 범위내로 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에서 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)(상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 공간)에 있어서의 높이 방향의 정재파가 하나 발생하는 것을 허용한다. 이로써, 상벽(11)의 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 도입되는 마이크로파가, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에서 웨이퍼(W)를 향해서 효율 좋게 조사되도록 하고 있다. 또한, 3λ/4≤H2<λ로 함으로써 마이크로파가 웨이퍼(W)의 상면과 평행한 방향으로 진행하기 쉽게 되어, 웨이퍼(W)의 상면에 대해 평행한 방향의 정재파의 파장을 짧게 할 수 있다. 이 때문에, 전계가 강한 배(antinode)의 위치에서 웨이퍼(W)를 균등하게 가열하는 것이 가능해져서, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다.
웨이퍼(W)의 상하의 공간에서의 정재파의 변동은 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성의 장해가 된다. 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 홀더(15)에 의해 웨이퍼(W)를 제 1 높이 위치로 유지함으로써, 웨이퍼(W) 상하의 공간에서의 정재파의 거동을 컨트롤하여, 이들의 변동을 억제해서, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 홀더(15)는 제 1 높이 위치 이외의 임의의 높이 위치를 취할 수 있다. 예컨대, 제 2 높이 위치로서, 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1와, 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가 같아지는 높이 위치(H1=H2)에 웨이퍼(W)를 유지할 수 있다. 이 높이 위치는 처리 용기(2)에 있어서의 상벽(11)과 바닥벽(13)의 중간의 위치이다(이하, '중간 위치'라고 하는 경우가 있음). 중간 위치에서는, 예컨대 실온 이상 400℃ 미만의 범위 내의 온도 대역에서, 처리 용기(2) 내에서의 전계 강도가 강한 정재파의 배(antinode)의 위치에 웨이퍼(W)를 배치할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 가열 효율을 높여서, 승온 레이트를 향상시킬 수 있다.
한편, 웨이퍼(W)를 수평 방향으로 회전시키는 회전 장치 및 웨이퍼(W)의 높이 위치를 조절하는 높이 위치 조절 장치는, 이들의 목적을 실현할 수 있다면, 다른 구성이어도 된다. 또한, 회전 구동부(17)와 승강 구동부(18)는 일체의 기구여도 되고, 가동 연결부(19)를 갖지 않는 구성이어도 된다.
<배기 장치>
배기 장치(6)는 예컨대, 드라이 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있다. 마이크로파 가열 처리 장치(1)는 또한, 배기구(13a)와 배기 장치(6)를 접속하는 배기관(21)과, 배기관(21)의 중간에 마련된 압력 조정 밸브(22)를 구비하고 있다. 배기 장치(6)의 진공 펌프를 작동시킴으로써, 처리 용기(2)의 내부 공간이 감압 배기된다. 한편, 마이크로파 가열 처리 장치(1)는 대기압에서의 처리도 가능하고, 이 경우에는 진공 펌프는 불필요하다. 배기 장치(6)로서 드라이 펌프 등의 진공 펌프를 이용하는 대신, 마이크로파 가열 처리 장치(1)가 설치되는 시설에 마련된 배기설비를 이용하는 것도 가능하다.
<가스 공급 기구>
마이크로파 가열 처리 장치(1)는 또한, 처리 용기(2) 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구(5)를 구비하고 있다. 가스 공급 기구(5)는, 도시 생략한 가스 공급원을 구비한 가스 공급 장치(5a)와, 가스 공급 장치(5a)에 접속되어서 처리 용기(2) 내에 처리 가스를 도입하는 복수의 배관(23)(2개만 도시)을 구비하고 있다. 복수의 배관(23)은 처리 용기(2)의 측벽부(12)에 접속되어 있다.
가스 공급 장치(5a)는 복수의 배관(23)을 통해서, 처리 가스로서 예컨대, N2, Ar, He, Ne, O2, H2 등의 가스를 처리 용기(2) 내로 사이드 플로우 방식으로 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 한편, 처리 용기(2) 내로의 가스의 공급은, 예컨대 웨이퍼(W)에 대향하는 위치(예컨대, 상벽(11))에 가스 공급 수단을 마련해서 행해도 된다. 또한, 가스 공급 장치(5a) 대신, 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 구성에는 포함되지 않는 외부의 가스 공급 장치를 사용해도 된다. 도시하지 않지만, 마이크로파 가열 처리 장치(1)는 또한, 배관(23)의 중간에 마련된 매스 플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브를 구비하고 있다. 처리 용기(2) 내에 공급되는 가스의 종류나, 이들 가스의 유량 등은 매스 플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브에 의해 제어된다.
<온도 계측부>
마이크로파 가열 처리 장치(1)는 또한, 웨이퍼(W)의 표면 온도를 측정하는 복수의 방사 온도계(26)와, 복수의 방사 온도계(26)에 접속된 온도 계측부(27)를 구비하고 있다. 한편, 도 1에서는, 웨이퍼(W)의 중앙부의 표면 온도를 측정하는 방사 온도계(26)를 제외하면, 복수의 방사 온도계(26)의 도시를 생략하고 있다.
<마이크로파 방사 공간>
본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 처리 용기(2) 내에서 상벽(11), 4개의 측벽부(12) 및 바닥벽(13)으로 구획되는 공간이 마이크로파 방사 공간을 형성하고 있다. 이 마이크로파 방사 공간에는 상벽(11)에 마련된 복수의 마이크로파 도입 포트(10)로부터 마이크로파가 방사된다. 처리 용기(2)의 상벽(11), 4개의 측벽부(12) 및 바닥벽(13)은 모두 금속 재료에 의해 형성되어 있기 때문에, 마이크로파를 반사하여 마이크로파 방사 공간 내에 산란시킨다.
<마이크로파 도입 장치>
다음으로 도 1, 도 2 및 도 5를 참조해서 마이크로파 도입 장치(3)의 구성에 대해서 설명한다. 도 5는 마이크로파 도입 장치(3)의 고전압 전원부의 개략 구성을 나타내는 설명도이다. 상술한 바와 같이, 마이크로파 도입 장치(3)는 처리 용기(2)의 상부에 마련되고, 처리 용기(2) 내에 전자파(마이크로파)를 도입하는 마이크로파 도입 수단으로서 기능한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 도입 장치(3)는 마이크로파를 처리 용기(2)에 도입하는 복수의 마이크로파 유닛(30)과, 복수의 마이크로파 유닛(30)에 접속된 고전압 전원부(40)를 구비하고 있다.
(마이크로파 유닛)
본 실시예에서는 복수의 마이크로파 유닛(30)의 구성은 모두 동일하다. 각 마이크로파 유닛(30)은 웨이퍼(W)를 처리하기 위한 마이크로파를 생성하는 마그네트론(31)과, 마그네트론(31)에서 생성된 마이크로파를 처리 용기(2)로 전송하는 전송로로서의 도파관(32)과, 마이크로파 도입 포트(10)을 막도록 상벽(11)에 고정된 투과창(33)을 갖고 있다. 마그네트론(31)은 본 발명에 있어서의 마이크로파원에 대응한다.
도 2에 나타낸 바와 같이 본 실시예에서는, 처리 용기(2)는 상벽(11)에 있어서 둘레 방향으로 등간격으로 배치된 4개의 마이크로파 도입 포트(10)을 갖고 있다. 각 마이크로파 도입 포트(10)는, 긴 변과 짧은 변를 갖는 평면으로 봤을 때 직사각형을 하고 있다. 각 마이크로파 도입 포트(10)의 크기나, 긴 변과 짧은 변의 비는 마이크로파 도입 포트(10)마다 달라도 되지만, 웨이퍼(W)에 대한 가열 처리의 균일성을 높임과 아울러 제어성을 좋게 한다는 관점에서, 4개의 마이크로파 도입 포트(10) 모두가 같은 크기 및 형상인 것이 바람직하다. 한편, 본 실시예에서는, 각 마이크로파 도입 포트(10)에 각각 마이크로파 유닛(30)이 접속되어 있다. 즉, 마이크로파 유닛(30)의 수는 4개이다.
마그네트론(31)은 고전압 전원부(40)에 의해 공급되는 고전압이 인가되는 양극 및 음극(모두 도시 생략)을 갖고 있다. 또한, 마그네트론(31)으로서는, 여러가지 주파수의 마이크로파를 발진할 수 있는 것을 이용할 수 있다. 마그네트론(31)에 의해 생성되는 마이크로파는 피처리체의 처리마다 최적의 주파수를 선택하고, 예컨대 가열 처리에서는 2.45GHz, 5.8GHz 등의 높은 주파수의 마이크로파인 것이 바람직하고, 5.8GHz의 마이크로파인 것이 특히 바람직하다.
도파관(32)은 단면이 직사각형 또한 각통 형상의 형상을 갖고, 처리 용기(2)의 상벽(11)의 상면으로부터 위쪽으로 연장되어 있다. 마그네트론(31)은 도파관(32)의 상단부의 근방에 접속되어 있다. 도파관(32)의 하단부는, 투과창(33)의 상면에 접하고 있다. 마그네트론(31)에서 생성된 마이크로파는, 도파관(32) 및 투과창(33)을 통해서 처리 용기(2) 내로 도입된다.
투과창(33)은 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 투과창(33)의 재료로서는, 예컨대 석영, 세라믹 등을 이용할 수 있다. 투과창(33)과 상벽(11) 사이는, 도시 생략한 밀봉 부재에 의해서 기밀하게 밀봉되어 있다.
마이크로파 유닛(30)은 또한, 도파관(32)의 중간에 마련된 서큘레이터(34), 검출기(35) 및 튜너(36)와, 서큘레이터(34)에 접속된 더미 로드(37)를 갖고 있다. 서큘레이터(34), 검출기(35) 및 튜너(36)는, 도파관(32)의 상단부측으로부터 이 순서로 마련되어 있다. 서큘레이터(34) 및 더미 로드(37)는 처리 용기(2)로부터의 반사파를 분리하는 아이솔레이터를 구성한다. 즉, 서큘레이터(34)는 처리 용기(2)로부터의 반사파를 더미 로드(37)로 유도하고, 더미 로드(37)는 서큘레이터(34)에 의해서 유도된 반사파를 열로 변환한다.
검출기(35)는, 도파관(32)에서의 처리 용기(2)로부터의 반사파를 검출하기 위한 것이다. 검출기(35)는, 예컨대 임피던스 모니터, 구체적으로는 도파관(32)에 있어서의 정재파의 전계를 검출하는 정재파 모니터에 의해 구성되어 있다. 정재파 모니터는, 예컨대 도파관(32)의 내부 공간으로 돌출하는 3개의 핀에 의해 구성할 수 있다. 정재파 모니터에 의해 정재파의 전계의 장소, 위상 및 강도를 검출함으로써 처리 용기(2)로부터의 반사파를 검출할 수 있다. 또한, 검출기(35)는 진행파와 반사파를 검출하는 것이 가능한 방향성 결합기에 의해 구성되어 있어도 된다.
튜너(36)는 마그네트론(31)과 처리 용기(2) 사이의 임피던스의 매칭을 행하는 기능을 갖고 있다. 튜너(36)에 의한 매칭은 검출기(35)에 있어서의 반사파의 검출 결과에 기초해서 행해진다. 튜너(36)는 예컨대, 도파관(32)의 내부 공간에 출납할 수 있도록 마련된 도체판(도시 생략)에 의해 구성할 수 있다. 이 경우, 도체판의, 도파관(32)의 내부 공간으로의 돌출량을 제어함으로써 반사파의 전력량을 조정하여, 마그네트론(31)과 처리 용기(2) 사이의 임피던스를 조정할 수 있다.
(고전압 전원부)
고전압 전원부(40)는 마그네트론(31)에 대해 마이크로파를 생성하기 위한 고전압을 공급한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 고전압 전원부(40)는 상용 전원에 접속된 AC-DC 변환 회로(41)와, AC-DC 변환 회로(41)에 접속된 스위칭 회로(42)와, 스위칭 회로(42)의 동작을 제어하는 스위칭 컨트롤러(43)와, 스위칭 회로(42)에 접속된 승압 트랜스(44)와, 승압 트랜스(44)에 접속된 정류 회로(45)를 갖고 있다. 마그네트론(31)은 정류 회로(45)를 통해서 승압 트랜스(44)에 접속되어 있다.
AC-DC 변환 회로(41)는 상용 전원으로부터의 교류(예컨대, 3상 200V의 교류)를 정류해서 소정의 파형의 직류로 변환하는 회로이다. 스위칭 회로(42)는 AC-DC 변환 회로(41)에 의해 변환된 직류의 온·오프를 제어하는 회로이다. 스위칭 회로(42)에서는, 스위칭 컨트롤러(43)에 의해 페이즈 시프트형의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 또는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어가 행해져서 펄스상의 전압 파형이 생성된다. 승압 트랜스(44)는 스위칭 회로(42)로부터 출력된 전압 파형을 소정의 크기로 승압하는 것이다. 정류 회로(45)는 승압 트랜스(44)에 의해서 승압된 전압을 정류하여 마그네트론(31)에 공급하는 회로이다.
<제어부>
마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 구성부는 각각 제어부(8)에 접속되어, 제어부(8)에 의해 제어된다. 제어부(8)는 전형적으로는 컴퓨터이다. 도 6은, 도 1에 나타낸 제어부(8)의 하드웨어 구성의 일례를 나타내고 있다. 제어부(8)는 주 제어부(101)와, 키보드, 마우스 등의 입력 장치(102)와, 프린터 등의 출력 장치(103)와, 표시 장치(104)와, 기억 장치(105)와, 외부 인터페이스(106)와, 이들을 서로 접속하는 버스(107)를 구비하고 있다. 주 제어부(101)는 CPU(중앙 처리 장치)(111), RAM(랜덤 액세스 메모리)(112) 및 ROM(리드 온리 메모리)(113)를 갖고 있다. 기억 장치(105)는 정보를 기억할 수 있는 것이라면 그 형태는 관계없지만, 예컨대 하드 디스크 장치 또는 광 디스크 장치이다. 또한, 기억 장치(105)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체(115)에 대해 정보를 기록하고, 또한 기록 매체(115)로부터 정보를 판독하게 되어 있다. 기록 매체(115)는, 정보를 기억할 수 있는 것이라면 그 형태는 관계없지만, 예컨대 하드 디스크, 광 디스크, 플래시 메모리 등이다. 기록 매체(115)는 본 실시예에 따른 마이크로파 가열 방법의 레시피를 기록한 기록 매체여도 된다.
제어부(8)에서는 CPU(111)가, RAM(112)를 작업 영역으로서 이용하고, ROM(113) 또는 기억 장치(105)에 저장된 프로그램을 실행함으로써, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에 있어서 웨이퍼(W)에 대한 가열 처리를 실행할 수 있게 되어 있다. 구체적으로는, 제어부(8)는 마이크로파 가열 처리 장치(1)에 있어서, 예컨대 웨이퍼(W)의 온도, 처리 용기(2) 내의 압력, 가스 유량, 마이크로파 출력, 웨이퍼(W)의 회전 속도 등의 프로세스 조건에 관계된 각 구성부(예컨대, 마이크로파 도입 장치(3), 지지 장치(4), 가스 공급 장치(5a), 배기 장치(6) 등)을 제어한다.
이상의 구성을 갖는 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 편차를 억제하여 균일한 가열 처리가 가능하게 된다.
마이크로파 가열 처리 장치(1)는, 예컨대 반도체 디바이스의 제작 공정에서, 확산층으로 주입된 도핑 원자를 활성화하기 위한 가열 처리 등의 목적으로 바람직하게 이용할 수 있다.
[마이크로파 가열 처리 방법]
다음으로 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서 행해지는 마이크로파 가열 처리 방법의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다.
<실시예 1>
우선, 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서 행해지는 본 발명의 실시예 1의 마이크로파 가열 처리 방법에 대해서 설명한다. 본 실시예에서는, 예컨대 제어부(8)의 입력 장치(102)로부터, 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서 가열 처리를 행하도록 지령이 입력된다. 다음으로 주 제어부(101)는 이 지령을 받아서, 기억 장치(105) 또는 ROM(113)에 보존된 레시피를 판독한다. 다음으로 레시피에 기초하는 조건에 의해서 가열 처리가 실행되도록, 주 제어부(101)로부터 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 엔드 디바이스(예컨대, 마이크로파 도입 장치(3), 지지 장치(4), 가스 공급 장치(5a), 배기 장치(6) 등)에 제어 신호가 송출된다.
다음으로 게이트 밸브(GV)가 열림 상태로 되고, 도시 생략한 반송 장치에 의해서, 웨이퍼(W)가 게이트 밸브(GV) 및 반입반출구(12a)를 통해서 처리 용기(2)로 반입되어, 홀더(15)의 복수의 지지 핀(16) 위에 탑재된다.
홀더(15)는 승강 구동부(18)를 구동시킴으로써, 샤프트(14)와 함께 상하 방향으로 승강하고, 웨이퍼(W)가 소정의 높이 위치에 세팅된다. 여기서, 본 실시예에서는, 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1가, 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고, 또한 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 높이 위치에 웨이퍼(W)를 배치한다. 이 높이 위치는, 본 발명에 있어서의 제 1 높이 위치에 상당한다.
제 1 높이 위치에서는, 거리 H1를 H1<λ/2로 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에서, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 있어서의, 처리 용기(2)의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지할 수 있다. 본 실시예에서는, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 있어서의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지함으로써, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에서 정재파의 변동을 극력 회피할 수 있다.
또한, 제 1 높이 위치에서는, 거리 H2를 3λ/4≤H2<λ이 되도록 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에 있어서, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에 있어서의 높이 방향의 정재파가 하나 발생하는 것을 허용한다. 이로써, 상벽(11)의 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 도입되는 마이크로파가, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에 있어서, 웨이퍼(W)를 향해서 효율 좋게 조사되도록 하고 있다. 또한, 거리 H2를 3λ/4≤H2<λ로 함으로써, 웨이퍼(W)의 상면에 대해 평행한 방향의 정재파의 파장을 짧게 하여, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다.
웨이퍼(W)의 상하 공간에 있어서의 정재파의 변동은, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성의 장해가 된다. 제 1 높이 위치에서는 웨이퍼(W)의 상하의 공간에 있어서의 정재파의 거동을 컨트롤하고, 이들의 변동을 작게 함으로써, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 제 1 높이 위치에서, 필요에 따라 회전 구동부(17)를 구동시킴으로써, 웨이퍼(W)를 수평 방향으로 소정의 속도로 회전시키는 것이 바람직하다. 한편, 웨이퍼(W)의 회전은 연속적이지 않고, 비연속적이어도 된다. 다음으로 게이트 밸브(GV)가 닫힘 상태로 되고, 필요한 경우에는 배기 장치(6)에 의해서, 처리 용기(2) 내가 감압 배기된다. 다음으로 가스 공급 장치(5a)에 의해서, 소정의 유량의 처리 가스가 처리 용기(2) 내로 도입된다. 처리 용기(2)의 내부 공간은, 배기량 및 가스 공급량을 조정함으로써 소정의 압력으로 조정된다.
다음으로, 제어부(8)의 제어하에서, 고전압 전원부(40)로부터 마그네트론(31)에 대해 전압을 인가해서 마이크로파를 생성한다. 마그네트론(31)에서 생성된 마이크로파는 도파관(32)을 전파하고, 다음으로 투과창(33)을 투과해서, 처리 용기(2) 내에서 웨이퍼(W)의 위쪽 공간에 도입된다. 예컨대, 복수의 마그네트론(31)에서 차례로 마이크로파를 생성하고, 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 교대로 마이크로파를 처리 용기(2) 내로 도입한다. 한편, 복수의 마그네트론(31)에서 동시에 복수의 마이크로파를 생성시키고, 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 동시에 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입하도록 해도 된다.
처리 용기(2)에 도입된 마이크로파는 웨이퍼(W)에 조사되고, 주울 가열, 자성 가열, 유도 가열 등의 전자파 가열에 의해 웨이퍼(W)가 신속하게 가열된다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 대해 가열 처리가 실시된다. 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1가 H1<λ/2가 되고, 또한 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가 3λ/4≤H2<λ가 되는 높이 위치에 웨이퍼(W)를 배치함으로써, 웨이퍼(W)의 면내에서 균일한 가열 처리가 가능하게 된다. 또한, 가열 처리의 사이에 웨이퍼(W)를 회전시킨 경우에는, 웨이퍼(W)의 둘레 방향에서, 마이크로파의 치우침을 적게 해서, 웨이퍼(W) 면 내의 가열 온도를 보다 균일화할 수 있다. 한편, 웨이퍼(W)의 회전은 연속적이지 않고, 비연속적이어도 된다. 또한, 필요한 경우에는 배기 장치(6)에 의해서, 처리 용기(2) 내를 감압 배기해도 된다. 또한, 필요한 경우에는, 가스 공급 장치(5a)에 의해서 처리 가스를 처리 용기(2) 내로 도입해도 된다. 처리 용기(2)의 내부 공간은 배기량 및 처리 가스의 공급량을 조정함으로써, 소정의 압력으로 조정할 수 있다.
주 제어부(101)로부터 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 엔드 디바이스로 가열 처리를 종료시키는 제어 신호가 송출되면, 마이크로파의 생성이 정지됨과 아울러, 웨이퍼(W)의 회전이 정지되고, 처리 가스의 공급이 정지되며, 웨이퍼(W)에 대한 가열 처리가 종료된다.
소정 시간의 가열 처리 또는 가열 처리 후의 냉각 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(GV)가 열림 상태가 되고, 지지 장치(4)에 의해서 웨이퍼(W)의 높이 위치를 조정한 후, 도시 생략한 반송 장치에 의해서 웨이퍼(W)가 반출된다.
이상과 같이, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 방법에서는, 소정의 높이 위치로 유지한 웨이퍼(W)에 대해, 마이크로파를 조사하여 가열 처리를 행함으로써, 정재파의 변동에 의한 영향을 저감하여, 웨이퍼(W)의 면 내에서 균일한 가열 처리가 가능하게 된다.
<실시예 2>
다음으로, 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서 행해지는 본 발명의 실시예 2의 마이크로파 가열 처리 방법에 대해서 설명한다. 도 7은, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 방법의 순서의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 방법은, 스텝 S11~스텝 S14를 포함하고 있다.
본 실시예에서는, 예컨대 제어부(8)의 입력 장치(102)로부터, 마이크로파 가열 처리 장치(1)에 있어서 가열 처리를 행하도록 지령이 입력된다. 다음으로 주 제어부(101)는, 이 지령을 받아서 기억 장치(105) 또는 ROM(113)에 보존된 레시피를 판독한다. 다음으로 레시피에 기초하는 조건에 따라서 가열 처리가 실행되도록, 주 제어부(101)로부터 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 엔드 디바이스(예컨대, 마이크로파 도입 장치(3), 지지 장치(4), 가스 공급 장치(5a), 배기 장치(6) 등)에 제어 신호가 송출된다. 다음으로 게이트 밸브(GV)가 열림 상태로 되고, 도시 생략한 반송 장치에 의해서, 웨이퍼(W)가 게이트 밸브(GV) 및 반입반출구(12a)를 통해서 처리 용기(2) 내로 반입되어, 홀더(15)의 복수의 지지 핀(16) 위에 탑재된다.
(스텝 S11)
우선, 스텝 S11에서는, 지지 장치(4)의 승강 구동부(18)에 의해서, 웨이퍼(W)를 유지하는 홀더(15)를 상하로 변위시켜서, 웨이퍼(W)를 소정의 높이 위치로 조정한다. 이 높이 위치는, 후술하는 스텝 S13에서의 제 1 높이 위치와는 다른 높이 위치면 된다. 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 방법에서는, 바닥벽(13)의 상면으로부터 웨이퍼(W)의 하면까지의 거리 H1와, 상벽(11)의 하면으로부터 웨이퍼(W)의 상면까지의 거리 H2가 같아지는 중간 위치(H1=H2)에 웨이퍼(W)를 배치할 수 있다. 이 높이 위치는, 본 발명에 있어서의 '제 2 높이 위치'에 상당한다. 제 2 높이 위치에서는, 예컨대 실온~400℃ 미만의 범위 내의 온도 대역에서, 처리 용기(2) 내에서의 전자계 분포에 있어서, 전계 강도가 강한 정재파의 배의 위치에 웨이퍼(W)를 배치할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 유전 가열 효과를 향상시킬 수 있다.
(스텝 S12)
다음으로, 스텝 S12에서는, 웨이퍼(W)를 제 2 높이 위치에 유지한 상태에서, 마이크로파 도입 장치(3)에 의해서 처리 용기(2) 내에 마이크로파를 도입한다. 그리고, 제 2 높이 위치에 유지한 웨이퍼(W)에 대해, 마이크로파를 조사함으로써 가열 처리를 행한다. 구체적으로는, 제어부(8)의 제어 하에서, 고전압 전원부(40)로부터 마그네트론(31)에 대해 전압을 인가하여 마이크로파를 생성한다. 마그네트론(31)에서 생성된 마이크로파는, 도파관(32)을 전파하고, 또한 투과창(33)을 투과하여, 처리 용기(2) 내에서 회전하는 웨이퍼(W)의 위쪽 공간에 도입된다. 본 실시예에서는, 복수의 마그네트론(31)에서 순차적으로 마이크로파를 생성하여, 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 교대로 마이크로파를 처리 용기(2) 내로 도입한다. 한편, 복수의 마그네트론(31)에서 동시에 복수의 마이크로파를 생성시켜서, 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 동시에 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입하도록 해도 된다.
처리 용기(2)에 도입된 마이크로파는, 웨이퍼(W)에 조사되어, 주울 가열, 자성 가열, 유도 가열 등의 전자파 가열에 의해, 웨이퍼(W)가 신속하게 가열된다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 대해 가열 처리가 실시된다.
가열 처리 동안에는, 웨이퍼(W)를 회전시킴으로써, 웨이퍼(W)에 조사되는 마이크로파의 치우짐을 줄여서, 웨이퍼(W)의 면 내의 가열 온도를 균일화할 수 있다. 한편, 웨이퍼(W)의 회전은 연속적이지 않고 비연속적이어도 된다. 또한, 필요한 경우에는 배기 장치(6)에 의해서, 처리 용기(2) 내를 감압 배기해도 된다. 또한, 필요한 경우에는, 가스 공급 장치(5a)에 의해서 처리 가스를 처리 용기(2) 내에 도입해도 된다. 처리 용기(2)의 내부 공간은, 배기량 및 처리 가스의 공급량을 조정함으로써 소정의 압력으로 조정할 수 있다.
(스텝 S13)
스텝 S13에서는, 웨이퍼(W)에 대한 마이크로파의 조사를 계속하면서, 승강 구동부(18)를 구동시킴으로써 홀더(15)를 변위시켜서, 웨이퍼(W)를 제 2 높이 위치로부터 제 1 높이 위치로 전환한다. 제 1 높이 위치에서는, 거리 H1를 H1<λ/2로 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에 있어서, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에서의 처리 용기(2)의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지할 수 있다. 본 실시예에서는, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 있어서의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지함으로써, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에서 정재파의 변동을 극력 회피할 수 있다.
또한, 제 1 높이 위치에서는, 거리 H2를 3λ/4≤H2<λ로 함으로써, 예컨대 400℃ 이상의 온도 대역에 있어서, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에서의 높이 방향의 정재파가 하나 발생하는 것을 허용한다. 이로써, 상벽(11)의 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 도입되는 마이크로파가, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에서 웨이퍼(W)를 향해서 효율 좋게 조사되도록 하고 있다. 또한, 거리 H2를 3λ/4≤H2<λ로 함으로써, 웨이퍼(W)의 상면에 대해 평행한 방향의 정재파의 파장을 짧게 하여, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다.
스텝 S12로부터 스텝 S13로의 이행(즉, 제 2 높이 위치로부터 제 1 높이 위치로의 전환 타이밍)은, 예컨대 온도 계측부(27)에 의해 계측된 웨이퍼(W)의 온도에 기초해서 행할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(8)의 주 제어부(101)에서, 온도 계측부(27)의 계측 온도 정보를 모니터하여, 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 온도 대역에 도달한 시점에 스텝 S12로부터 스텝 S13로의 이행을 행하도록 승강 구동부(18)에 제어 신호를 송출하면 된다. 또한, 스텝 S12로부터 스텝 S13로의 이행은, 예컨대 실험적으로 획득한 웨이퍼(W) 온도의 계측 데이터에 기초해서, 미리 설정한 시간을 기준으로 해서 실시해도 된다. 여기서, 스텝 S12로부터 스텝 S13로의 이행은, 웨이퍼(W)의 온도가, 예컨대 400℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상 600℃ 이하의 범위 내, 보다 바람직하게는 400℃ 이상 500℃ 이하의 범위 내에서 행하는 것이 좋다. 400℃ 이상의 온도 대역에서는, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘이 도체로서 동작하고, 웨이퍼(W)가 반사면이 되기 때문에, 처리 용기(2) 내에서 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)와 아래쪽 공간(S2)에서 마이크로파가 각각의 거동을 나타낸다. 그리고, 제 1 높이 위치에서는, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 있어서의 높이 방향의 정재파의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 정재파의 변동을 극력 발생시키지 않는 것이 가능하게 된다. 또한, 제 1 높이 위치에서는, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에서, 웨이퍼(W)의 상면에 대해 평행한 방향의 정재파의 파장을 짧게 하여, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 이상에서는, 제 1 높이 위치로의 전환에 의해, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다. 한편, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 미만인 경우에는, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘이 거의 도체로서는 동작하지 않기 때문에, 대부분의 마이크로파는 웨이퍼(W)를 투과한다. 이로써 위쪽 공간(S1)과 아래쪽 공간(S2)에 형성되는 정재파 및 그 분포는, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 이상인 경우와 다르게 된다. 따라서, 실리콘이 도체로서 동작하는 온도 영역에서의 웨이퍼(W)의 높이 위치는, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 균일 처리를 행하는 데에 있어서 중요한 요소가 된다.
스텝 S13에 있어서의 처리 조건은, 웨이퍼(W)의 높이 위치를 제 1 높이 위치로 변화시킨 점 외에는 스텝 S12와 마찬가지이다.
(스텝 S14)
다음으로, 스텝 S14에서는 마이크로파의 공급을 정지한다. 예컨대, 주 제어부(101)로부터 마이크로파 가열 처리 장치(1)의 각 엔드 디바이스로, 가열 처리를 종료시키는 제어 신호를 송출함으로써, 마이크로파의 생성이 정지됨과 아울러, 웨이퍼(W)의 회전이 정지되고, 처리 가스의 공급이 정지되어, 웨이퍼(W)에 대한 가열 처리가 종료된다.
소정 시간의 가열 처리 또는 가열 처리 후의 냉각 처리가 종료된 후, 게이트 밸브(GV)가 열림 상태로 되어, 지지 장치(4)에 의해서 웨이퍼(W)의 높이 위치를 조정한 후, 도시 생략한 반송 장치에 의해서 웨이퍼(W)가 반출된다.
이상과 같이, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 방법에서는, 웨이퍼(W)에 마이크로파를 조사해서 가열 처리를 행하는 도중에 웨이퍼(W)의 높이 위치를 전환함으로써, 처리 용기(2) 내에서의 정재파의 거동을 컨트롤해서, 마이크로파의 이용효율이 높은 상태에서 웨이퍼(W)에 대해 가열 처리를 행할 수 있게 된다. 특히, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 미만에서는 제 2 높이 위치에서 가열 처리를 행하고, 400℃ 이상에서는 제 1 높이 위치로 전환해서 가열 처리를 행함으로써, 유전 가열 효과의 향상과 웨이퍼(W)의 면 내에서의 처리의 균일성을 양립시킬 수 있다. 한편, 웨이퍼(W)의 높이 위치는 2단계로 한정되지 않고, 3단계 이상으로 전환해도 된다. 또한, 웨이퍼(W)의 높이 위치를 전환할 때, 마이크로파의 공급을 일단 정지하도록 해도 된다.
<작용>
다음으로, 도 8~도 11을 참조하면서 본 발명의 작용에 대해서 설명한다. 우선, 도 8은 일반적인 농도로 도펀트를 도핑한 실리콘 기판을 가열해 가는 승온 과정에서의 캐리어 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다. 반도체는 통상, 온도가 높아지면 전기 전도성이 증가된다. 도 8의 그래프에서, 실온으로부터 약 127℃ 정도까지는 일정한 도전율을 갖는 포화 영역이다. 127℃를 넘어서 승온시키면, 캐리어의 대폭적인 증가와 함께 전기 전도성이 증가해서 진성 영역이 된다. 따라서, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘은, 400℃ 이상의 온도 대역에서는 도체로서의 성질을 강화시키는 것이라고 생각된다.
도 9는, 도 1과 마찬가지의 구성의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에 있어서, 웨이퍼(W)를 가열 처리한 경우의 온도 변화와 반사파 전력의 변화를 나타내고 있다. 이 실험에서는, 4개의 마그네트론(31)으로, 각각 1000W의 출력으로 5.8GHz의 마이크로파를 생성시켜서, 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입했을 때의 웨이퍼(W)의 온도와 각 마이크로파 도입 포트(10)에의 반사파 전력을 계측했다. 도 9의 상단의 그래프는, 웨이퍼(W)의 중앙부, 주연부 및 중앙부와 주연부 사이의 중간부의 온도 변화를 나타내고 있다. 하단의 그래프는 4개의 마이크로파 도입 포트(10)(도 9에서는, 마이크로파 도입 포트를 10A, 10B, 10C, 10D라고 표기함)로의 반사파 전력을 나타내고 있다. 도 9에서는, 승온 개시(여기서는, 반사파 전력이 발생하는 타이밍을 의미한다)부터, 15~20초 정도 걸쳐서 웨이퍼(W)가 300℃~500℃ 정도까지 온도 상승하는 동안, 부호 t로 나타내는 시점을 경계로, 반사파의 거동이 크게 변화되고 있다는 것을 알 수 있다. 이는 예컨대, 400℃ 이상으로 승온시키면, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘이 도체로서 동작하게 된 것을 나타내고 있다.
처리 용기(2)는 상벽(11), 측벽부(12) 및 바닥벽(13)으로 둘러싸여 있다. 이 때문에, 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파는 처리 용기(2) 내에서, 웨이퍼(W)의 상면 또는 하면에 평행한 방향 및 처리 용기(2)의 높이 방향으로 정재파를 형성한다. 여기서, 처리 용기(2) 내의 높이 방향으로 생성하는 정재파에 착안하면, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 미만에서는, 웨이퍼(W)를 구성하는 실리콘이 반도체로서 동작하기 때문에, 마이크로파는 웨이퍼(W)를 투과하고, 처리 용기(2)의 높이 방향에서는, 그 높이 H와 같은 파장을 갖는 1개의 정재파가 생성된다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 미만에서는, 처리 용기(2)에 있어서의 상벽(11)과 바닥벽(13)의 중간 위치가, 전계 강도가 강한 정재파의 배의 위치가 된다. 따라서, 웨이퍼(W)의 높이 위치를, 예컨대 도 10에 나타낸 바와 같이, 거리 H1와 거리 H2가 같아지는 중간 위치로 설정함으로써, 웨이퍼(W)의 유전 가열 효율을 최대한으로 높일 수 있다.
한편, 웨이퍼(W)의 온도가 400℃ 이상에서는, 예컨대 5.8GHz의 마이크로파에 대해 웨이퍼(W)는 금속과 동등한 거동을 나타내기 때문에, 웨이퍼(W)가 금속 경계면이 되어, 마이크로파의 반사가 생긴다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1) 및 아래쪽 공간(S2)에, 각각 정재파가 생성된다. 여기서, 웨이퍼(W)의 아래쪽 공간(S2)에 높이 방향의 정재파가 생성되면, 웨이퍼(W)의 아래쪽에 배치된 홀더(15)의 아암부(15b)나 샤프트(14)에 의해서, 정재파의 변동이 생기기 쉬워서, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 저하시킬 염려가 있다. 그래서, 본 실시예의 마이크로파 가열 처리 장치(1)에서는, 도 11에 나타낸 바와 같이, H1<λ/2가 되는 제 1 높이 위치에 웨이퍼(W)를 배치함으로써, 아래쪽 공간(S2)에 있어서의 높이 방향의 정재파의 발생을 방지해서, 정재파의 변동을 회피하고 있다. 구체적으로는, 5.8GHz의 마이크로파를 이용하는 경우에는, 진공 파장 λ이 약 51.7mm이므로, 거리 H1를 25.84mm미만으로 하면 된다.
또한, 3λ/4≤H2<λ이 되는 제 1 높이 위치에서는, 웨이퍼(W)의 위쪽 공간(S1)에, 높이 방향의 정재파가 하나 발생하는 것을 허용한다. 이로써, 상벽(11)의 각 마이크로파 도입 포트(10)로부터 도입되는 마이크로파의 전계의 방향이 처리 용기(2)의 높이 방향에 가까워지기 때문에, 마이크로파가 웨이퍼(W)를 향해서 효율 좋게 조사된다. 또한, 3λ/4≤H2<λ로 함으로써, 웨이퍼(W)의 상면에 대해 평행한 방향의 정재파의 파장을 짧게 할 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 가열 온도의 균일성을 높일 수 있다. 구체적으로는, 5.8GHz의 마이크로파를 이용하는 경우에는, 거리 H2를 38.77mm 이상 51.7mm 이하의 범위 내로 하면 된다.
한편, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 여러가지 변경이 가능하다. 예컨대, 마이크로파 가열 처리 장치에 있어서의 마이크로파 유닛(30)의 수(마그네트론(31)의 수)나 마이크로파 도입 포트(10)의 수는, 상기 실시예로 설명한 수로 한정되지 않는다.
1 : 마이크로파 가열 처리 장치 2 : 처리 용기
3 : 마이크로파 도입 장치 4 : 지지 장치
5 : 가스 공급 기구 5a : 가스 공급 장치
6 : 배기 장치 8 : 제어부
10 : 마이크로파 도입 포트 12 : 측벽부
14 : 샤프트 15 : 홀더
15a : 홀더 베이스부 15b : 아암부
16 : 지지 핀 17 : 회전 구동부
18 : 승강 구동부 30 : 마이크로파 유닛
31 : 마그네트론 32 : 도파관
33 : 투과창 34 : 서큘레이터
35 : 검출기 36 : 튜너
37 : 더미 로드 40 : 고전압 전원부
W : 반도체 웨이퍼

Claims (11)

  1. 상벽, 상기 상벽에 평행한 바닥벽 및 측벽을 갖고, 피처리체를 수용하는 처리 용기와,
    상기 피처리체를 가열 처리하기 위한 마이크로파를 생성하여 상기 상벽에 형성된 하나 내지 복수의 마이크로파 도입 포트로부터 상기 처리 용기에 도입하는 마이크로파 도입 장치와,
    상기 처리 용기 내에서 상기 상벽에 대향하는 위치에 상기 피처리체를 유지하는 유지부와,
    제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 유지부를 제어해서, 상기 바닥벽의 상면으로부터 상기 피처리체의 하면까지의 거리 H1가, 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고, 상기 상벽의 하면으로부터 상기 피처리체의 상면까지의 거리 H2가, 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 제 1 높이 위치에 상기 피처리체를 유지하면서, 상기 마이크로파 도입 장치를 제어해서, 상기 피처리체를 가열하는
    마이크로파 가열 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유지부가 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를 가변으로 조절하는 높이 위치 조절 장치를 더 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 피처리체가 상기 마이크로파 도입 장치에 의해 가열되고 있는 도중에, 상기 유지부에 의해서 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를, 상기 제 1 높이 위치와는 다른 제 2 높이 위치로부터, 상기 제 1 높이 위치로 전환하도록, 상기 높이 위치 조절 장치를 제어하는
    마이크로파 가열 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유지부에 유지된 상기 피처리체의 온도를 계측하는 온도 계측부를 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 온도 계측부에 의한 상기 피처리체의 계측 온도에 기초해서, 상기 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는
    마이크로파 가열 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피처리체는 실리콘 기판이고,
    상기 제어부는, 상기 가열에 있어서, 상기 실리콘 기판의 온도가 400℃ 이상에 도달한 단계에서, 상기 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는
    마이크로파 가열 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유지부는 상기 피처리체에 당접함으로써 상기 피처리체를 유지하는 마이크로파 가열 처리 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 높이 위치에서 상기 거리 H1는 상기 거리 H2와 같은 마이크로파 가열 처리 장치.
  7. 상벽 및 상기 상벽에 평행한 바닥벽을 갖는 처리 용기의 피처리체의 가열 처리를 행하는 마이크로파 가열 처리 방법으로서,
    상기 바닥벽의 상면으로부터 상기 피처리체의 하면까지의 거리 H1가 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 H1<λ/2가 되고, 상기 상벽의 하면으로부터 상기 피처리체의 상면까지의 거리 H2가 상기 마이크로파의 파장 λ에 대해 3λ/4≤H2<λ가 되는 제 1 높이 위치로 상기 피처리체를 유지하여 가열 처리를 행하는
    것을 특징으로 하는 마이크로파 가열 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열 처리 도중에, 상기 피처리체를 유지하는 높이 위치를, 상기 제 1 높이 위치와는 다른 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로 전환하는 마이크로파 가열 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피처리체의 온도를 계측하고, 상기 피처리체의 계측 온도에 기초해서, 상기 제 2 높이 위치로부터, 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는 마이크로파 가열 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피처리체는 실리콘 기판이고,
    상기 가열 처리에 있어서, 상기 실리콘 기판의 온도가 400℃ 이상에 도달한 단계에서, 상기 제 2 높이 위치로부터 상기 제 1 높이 위치로의 전환을 행하는
    마이크로파 가열 처리 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 높이 위치에서 상기 거리 H1는 상기 거리 H2와 같은 마이크로파 가열 처리 방법.
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