TWI759650B - 熱處理裝置及熱處理方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種可提高從低溫到高溫的溫度控制性之技術。
本揭示一樣態之熱處理裝置具有：處理容器，係收納基板；加熱
機構，係設置於該處理容器的周圍；複數噴出機構，係將冷卻流體噴出至該處理容器與該加熱機構之間的空間；以及擋門，係同時開閉該複數噴出機構的至少2個以上，且對應於各該噴出機構而形成有槽縫。

Description

熱處理裝置及熱處理方法
本揭示係關於一種熱處理裝置及熱處理方法。
已知有一種在對複數片基板總括地進行熱處理之縱型熱處理裝置中具備有設置於處理容器周圍的加熱機構以及會將冷卻氣體噴出至處理容器與加熱器間的冷卻機構之構成(參見例如專利文獻1、2)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2002-75890號公報
專利文獻2：日本特開平7-263369號公報
本揭示係提供一種可提高從低溫到高溫的溫度控制性之技術。
本揭示一樣態之熱處理裝置具有：處理容器，係收納基板；加熱機構，係設置於該處理容器的周圍；複數噴出機構，係將冷卻流體噴出至該處理容器與該加熱機構之間的空間；以及擋門，係同時開閉該複數噴出機構的至少2個以上，且對應於各該噴出機構而形成有槽縫。
依據本揭示，便可提高從低溫到高溫的溫度控制性。
1:熱處理裝置
10:處理容器
20:加熱機構
30:噴出機構
31:支流部
31a:入口
32:噴出孔
33:蝶閥
40:流體流道
42:熱交換器
43:送風機
44:緩衝空間
50:擋門機構
51:擋門
51a:槽縫
52:連結部
53:驅動部
60:排熱部
70:溫度檢測機構
80:控制部
A:空間
圖1係顯示熱處理裝置的構成例之概略圖(1)。
圖2係顯示熱處理裝置的構成例之概略圖(2)。
圖3為圖1之熱處理裝置中之支流部的入口之說明圖。
圖4為圖1之熱處理裝置中的擋門機構之說明圖。
圖5係顯示以擋門來覆蓋支流部的入口之狀態之圖式。
圖6係顯示送風機的旋轉數與風量之關係之圖式。
圖7係顯示熱處理裝置的一動作例之圖式。
圖8係顯示實驗例1的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。
圖9係顯示實驗例2之溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。
圖10係顯示實驗例3的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。
圖11係顯示實驗例4的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。
圖12係顯示實驗例5的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。
以下，參閱添附圖式來針對本揭示之非限定性例示實施型態加以說明。所添附之所有圖式中，針對相同或相對應的組件或零件則賦予相同或相對應的參考符號而省略重複說明。
〔熱處理裝置〕
針對熱處理裝置的構成例來加以說明。圖1及圖2係顯示熱處理裝置的構成例之概略圖。
如圖1所示，熱處理裝置1係具有處理容器10、加熱機構20、噴出機構30、流體流道40、擋門機構50、排熱部60、溫度檢測機構70及控制部80。
處理容器10為縱長形，會收納基板(即半導體晶圓，以下稱作「晶圓」。)。晶圓係以例如於高度方向具有特定間隔之狀態而被保持在晶舟之狀態來被收納在處理容器10內。處理容器10係具有同軸狀地配置有例如下端部為開放之有頂的圓筒狀內管與下端部為開放且覆蓋內管的外側之有頂的圓筒狀外管之雙重管構造，但處理容器10亦可為單管構造。處理容器10係由石英等耐熱性材料所形成。處理容器10係藉由包含有壓力調整閥、真空幫浦等之排氣機構來將其內部減壓至特定壓力。又，處理容器10內係藉由包含有氣體導入配管、開閉閥、流量控制器等之氣體供應部，而導入有成膜氣體、蝕刻氣體等處理氣體，或非活性氣體等吹淨氣體。
加熱機構20係設置於處理容器10的周圍，會加熱處理容器10內的晶圓。加熱機構20係具有絕熱材21與發熱體22。
絕熱材21為圓筒狀，係以氧化矽及氧化鋁作為主成分所形成。但絕熱材21的形狀及材料並未限制。
發熱體22為線狀，係螺旋狀或蛇行狀地設置於絕熱材21的內側壁。發熱體22較佳宜在處理容器10的高度方向上被分割為複數區域來加以設置。藉此，便可針對每個複數區域來控制溫度。又，為了保持絕熱材21的形狀並補強絕熱材21，絕熱材21的外周亦可藉由不鏽鋼等金屬製的外皮來加以覆蓋。又，為了抑制加熱機構20對外部的熱影響，外皮的外周亦可藉由水冷罩來加以覆蓋。
噴出機構30會將冷卻流體(例如空氣)噴出至處理容器10與加熱機構20之間的空間A。噴出機構30係沿著處理容器10的長邊方向而設置為複數個(圖式之範例中為6個)。噴出機構30的個數雖未限定，當發熱體22被分割為複數區域的情況，則噴出機構30較佳宜對應於複數區域來加以形成。例如，當發熱體22被分割為6個區域的情況，則支流部31較佳宜對應於發熱體22的區域數量而設置為6個。噴出機構30係具有支流部31、噴出孔32及蝶閥33。
支流部31為一種與後述流體流道40連通之導管。支流部31之入口31a的周圍如圖3所示，係設置有橡膠等所形成的密封組件31b。此外，圖3為圖1之熱處理裝置1中之支流部31的入口31a之說明圖，且為從設置有擋門機構50一側來觀看支流部31時之圖式。
噴出孔32係貫穿加熱機構20的絕熱材21，且一端與支流部31連通，另一端則與空間A連通。噴出孔32會朝處理容器10而略水平方向地噴出冷卻流體。噴出孔32係相對於1個支流部31而形成為1個。但噴出孔32亦可相對於1個支流部31而形成為2個以上。
蝶閥33係設置於各複數支流部31。蝶閥33係藉由改變支流部31內之閥體相對於冷卻流體的流動方向之角度，來控制在支流部31內流動之冷卻流體的流量。蝶閥33為手動式，係具有例如會讓閥體旋轉的桿體或把手。
流體流道40會將冷卻流體供應至複數噴出機構30。流體流道40中，上游側係與後述排熱部60連通，下游側則與複數噴出機構30連通。流體流道40係從上游側而依序設置有開閉閥41、熱交換器42、送風機43及緩衝空間44。
開閉閥41會開閉流體流道40。熱交換器42會冷卻排熱部60所排出的冷卻流體。送風機43係藉由熱交換器42來將冷卻後的冷卻流體送入緩衝空間44。緩衝空間44係與複數噴出機構30連通，且會將藉由送風機43而被送入的冷卻流體分流至複數噴出機構30。
擋門機構50會同時開閉複數噴出機構30。擋門機構50係具有複數擋門51、連結部52及驅動部53。
擋門51係設置於流體流道40的緩衝空間44。各擋門51係對應於各複數支流部31所設置。各擋門51係由可覆蓋支流部31的入口31a之大小的板狀組件所形成。各擋門51如圖4所示，係形成有矩形的槽縫51a。此外，圖4為圖1的熱處理裝置1中之擋門機構50的說明圖，且為從噴出機構30一側來觀看擋門機構50時之圖式。
連結部52會連結並支撐複數擋門51。
驅動部53係連結於連結部52。驅動部53係藉由讓連結部52移動，來使擋門51在覆蓋複數支流部31的入口31a之關閉位置(參見圖1)與遠離複數支流部31的入口31a之打開位置(參見圖2)之間移動。關閉位置如圖5所示，擋門51的外周部係密著於密封組件31b，且槽縫51a係與支流部31的入口31a重疊。藉此，冷卻流體便會透過槽縫51a而流入至支流部31。此外，圖5係顯示以擋門51來覆蓋支流部31的入口31a之狀態的圖式，且為從驅動部53一側來觀看擋門51及支流部31時之圖式。驅動部53為例如螺旋管。
藉由如此般地具有擋門機構50，便可提供2種被供應至空間A之冷卻流體的範圍。此外，擋門機構50只要是可同時開閉複數噴出機構30的至少2個以上即可，而並未限定於圖1所示般地可同時開閉所有6個噴出機構30之型態。例如，擋門機構50亦可具有可同時開閉上側的3個噴出機構30 之第1擋門機構與可同時開閉下側的3個噴出機構30之第2擋門機構，並獨立地驅動第1擋門機構與第2擋門機構。
排熱部60為一端在較複數噴出孔32要上方處而與空間A連通，另一端則與流體流道40連通之排氣口。排熱部60會將空間A內的冷卻流體排出至熱處理裝置1的外部。藉由排熱部60而被排出至熱處理裝置1的外部之冷卻流體會因流體流道40所設置的熱交換器42而被冷卻，且再次從噴出機構30被供應至空間A。此外，被排出至熱處理裝置1的外部之冷卻流體亦可未被再利用而是被排出。
溫度檢測機構70會檢測處理容器10內的溫度。溫度檢測機構70為例如熱電耦，係分別對應於複數區域而設置有熱電耦的測溫部71。此外，溫度檢測機構70亦可為會檢測空間A的溫度之型態。
控制部80會控制熱處理裝置1之各部的動作。例如，控制部80會對應於熱處理裝置1中所實施之處理，而在小流量模式與大流量模式間做切換。小流量模式為使驅動部53作動來讓擋門51移動至關閉位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測的溫度來控制加熱機構20之模式。小流量模式中，由於擋門51係覆蓋支流部31的入口31a，故支流部31會流入有通過擋門51的槽縫51a之流量較小的冷卻流體。於是，空間A便會被供應有流量較小的冷卻流體。大流量模式為使驅動部53作動來讓擋門51移動至打開位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測的溫度來控制加熱機構20之模式。大流量模式中，由於擋門51係遠離支流部31的入口31a，故支流部31會流入有流量較大的冷卻流體。於是，空間A便會被供應有流量較大的冷卻流體。
又，控制部80例如圖6所示，會分別在小流量模式及大流量模式中控制送風機43的旋轉數。例如，欲抑制流量過大的情況，則控制部80會在切換為小流量模式之狀態下來控制送風機43的旋轉數。又，例如，欲以高速來冷卻的情況或欲在低溫來進行高精確度控制的情況，則控制部80會在切換為大流量模式之狀態下來控制送風機43的旋轉數。此外，圖6係顯示送風機的旋轉數與風量之關係之圖式，橫軸表示送風機的旋轉數，縱軸表示風量。
控制部80可為例如電腦。會進行熱處理裝置1之各部的動作之電腦的程式係被記憶在記憶媒體。記憶媒體可為例如軟碟、光碟、硬碟、快閃記憶體、DVD等。
〔熱處理裝置的動作〕
針對熱處理裝置的一動作(熱處理方法)例來加以說明。以下的熱處理方法係藉由控制部80會控制熱處理裝置1之各部的動作而被實施。圖7係顯示熱處理裝置1的一動作例之圖式。圖7中係顯示依序進行低溫處理、升溫復原處理及控制冷卻處理時之控制溫度、溫度檢測機構70所檢測之溫度、以及送風機43的旋轉數及擋門51的位置。
在低溫處理中，控制部80會將送風機43的旋轉數設定為100%，並在使擋門機構50移動至打開位置之狀態下，控制加熱機構20來使溫度檢測機構70所檢測之溫度成為100℃。藉此，由於可利用流量較大的冷卻流體所致之冷卻與加熱機構20所致之發熱，故可如圖7所示般地將溫度檢測機構70所檢測之溫度控制為與設定溫度大致相同的溫度。
在升溫復原處理中，首先，控制部80會將送風機43的旋轉數設定為0%，並在使擋門機構50移動至關閉位置之狀態下，漸層控制(Ramping Control)加熱機構20來使溫度檢測機構70所檢測之溫度從100℃上升至600℃。接著，當溫度檢測機構70所檢測之溫度到達600℃後，控制部80會在將擋門機構50維持於關閉位置之狀態下，將送風機43的旋轉數調整為0%~數十%的範圍。藉此，當溫度檢測機構70所檢測之溫度到達設定溫度後，由於處理容器10會因流量較小的冷卻流體而被冷卻，故可抑制流量過大。
在控制冷卻處理中，首先，控制部80會將送風機43的旋轉數設定為100%，並在使擋門機構50移動至打開位置之狀態下，漸層控制加熱機構20來使溫度檢測機構70所檢測之溫度從600℃下降至400℃。接著，當溫度檢測機構70所檢測之溫度接近400℃後，控制部80會在將擋門機構50維持於打開位置之狀態下，使送風機43的旋轉數從100%降低至0%。
如以上的說明，依據熱處理裝置1，係具有會同時開閉用以將冷卻流體噴出至處理容器10與加熱機構20間的空間A之複數噴出機構30的至少2個以上，且形成有槽縫51a之擋門51。藉此，藉由打開擋門51而一邊朝處 理容器10供應流量較大的冷卻流體一邊控制加熱機構20，便可藉由流量較大的冷卻流體所致之冷卻與加熱機構20所致之加熱來控制處理容器10內的溫度。於是，便可提高低溫(例如30~100℃)下的溫度控制性。又，藉由關閉擋門51而一邊朝處理容器10供應流量較小的冷卻流體一邊控制加熱機構20，便可藉由流量較小的冷卻流體所致之冷卻與加熱機構20所致之加熱來控制處理容器10內的溫度。於是，便可提高高溫(例如600~1000℃)下的溫度控制性。亦即，可提高從低溫到高溫的溫度控制性。
〔評估結果〕
(實驗例1~3)
實驗例1~3中，係藉由測量將控制溫度設定為低溫(50℃)時溫度檢測機構70所檢測之溫度的時間變化及加熱器輸出的時間變化，來評估低溫下的溫度控制性。
實驗例1中，係評估將前述熱處理裝置1中之送風機43的旋轉數設定為100%，且在使擋門51移動至打開位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測之溫度來控制加熱機構20時的溫度及加熱器輸出的時間變化。
實驗例2中，係評估將前述熱處理裝置1中之送風機43的旋轉數設定為100%，且在使擋門51移動至關閉位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測之溫度來控制加熱機構20時的溫度及加熱器輸出的時間變化。
實驗例3中，係評估將前述熱處理裝置1中之送風機43的旋轉數設定為0%，且在使擋門51移動至關閉位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測之溫度來控制加熱機構20時的溫度及加熱器輸出的時間變化。
圖8、圖9及圖10係分別顯示實驗例1、實驗例2及實驗例3的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。圖8~10中的(a)圖係顯示溫度檢測機構70所檢測之溫度的時間變化，(b)圖係顯示加熱器輸出的時間變化。又，圖8(a)、圖9(a)及圖10(a)中，橫軸表示時間[分鐘]，縱軸表示溫度[℃]，圖8(b)、圖9(b)及圖10(b)中，橫軸表示時間[分鐘]，縱軸表示加熱器輸出[%]。又，各圖中係以實線來表示處理容器10內之底部區域(BTM)處的結果，以虛線來表示中央區域(CTR)處的結果，且以點線來表示頂部區域(TOP)處的結果。此外，底部區域係指處理容器10內配置有處理對象的晶圓之處理區域下方 的區域，中央區域係指處理區域中央的區域，頂部區域係指處理區域上方的區域。
如圖8(a)所示，實驗例1中，底部區域、中央區域及頂部區域中的溫度係收斂在49.9~50.2℃的範圍內，溫度控制性很高。此被認為是因為如圖8(b)所示般地，實驗例1中，加熱器輸出係在2~10%的範圍發生變化，有發揮加熱機構20的控制功能之緣故。
又，如圖9(a)所示，實驗例2中，底部區域及頂部區域中的溫度在經過60分鐘後，雖仍是收斂在49.8~50.2℃的範圍內，但中央區域中的溫度係以高於50℃之溫度來發生變化。此被認為是因為如圖9(b)所示般地，實驗例2中，中央區域中的加熱器輸出為0%之時間較長，而未發揮加熱機構20的控制功能之緣故。
又，如圖10(a)所示，可得知實驗例3中，底部區域、中央區域及頂部區域之所有區域中的溫度係以高於50℃之溫度來發生變化。此被認為是因為如圖10(b)所示般地，實驗例3中，所有區域中之加熱器輸出為0%之時間較長，而均未發揮加熱機構20的控制功能之緣故。
由以上結果可謂言在將送風機43的旋轉數設定為100%且從噴出機構30朝處理容器10供應冷卻流體之狀態下藉由加熱機構20來控制溫度，藉此便可提高低溫下的溫度控制性。又，可謂言在使擋門51移動至打開位置之狀態下藉由加熱機構20來控制溫度，藉此便可提高處理容器10的高度方向上之所有區域中的溫度控制性。
(實驗例4~5)
實驗例4~5中，係藉由測量將溫度已被調整為750℃的處理容器10予以冷卻時溫度檢測機構70所檢測之溫度的時間變化及加熱器輸出的時間變化，來評估冷卻時的溫度控制性。
實驗例4中，係評估將前述熱處理裝置1中之送風機43的旋轉數設定為100%，且使擋門51移動至打開位置之狀態下，依據溫度檢測機構70所檢測之溫度來控制加熱機構20時的溫度及加熱器輸出的時間變化。
實驗例5中，係評估將前述熱處理裝置1中之送風機43的旋轉數設定為100%，且使擋門51移動至打開位置之狀態下，不使用加熱機構20來進行冷卻時的溫度及加熱器輸出的時間變化。
圖11及圖12係分別顯示實驗例4及實驗例5的溫度特性及加熱器輸出特性之圖式。圖11及圖12中的(a)圖係顯示溫度檢測機構70所檢測之溫度的時間變化，(b)圖係顯示加熱器輸出的時間變化。又，圖11(a)及圖12(a)中，橫軸表示時間[分鐘]，縱軸表示溫度[℃]，圖11(b)及圖12(b)中，橫軸表示時間[分鐘]，左側的縱軸(第1軸)表示加熱器輸出[%]，右側的縱軸(第2軸)表示送風機43的旋轉數。又，各圖中，係以實線來表示處理容器10內之底部區域(BTM)處的結果，以虛線來表示中央區域(CTR)處的結果，以點線來表示頂部區域(TOP)處的結果。又，圖11(a)中係以粗實線來表示設定溫度，圖11(b)及圖12(b)中係以粗實線來表示送風機43的旋轉數。
如圖11(a)所示，實驗例4中，底部區域、中央區域及頂部區域所有區域中的冷卻速度係大致相等。此被認為如圖11(b)所示，是因為即便是底部區域、中央區域及頂部區域中的冷卻流體所致之冷卻性能發生差異的情況，而仍可針對每個區域來調整加熱機構20的加熱器輸出之緣故。
相對於此，如圖12(a)所示，實驗例5中，底部區域、中央區域及頂部區域中的冷卻速度係相異。此被認為如圖12(b)所示，是因為底部區域、中央區域及頂部區域中的冷卻流體所致之冷卻性能發生差異的緣故。
由以上結果可得知藉由將送風機43的旋轉數設定為100%，並在擋門51為打開位置之狀態下依據溫度檢測機構70所檢測之溫度來控制加熱機構20，便可降低冷卻時處理容器10之高度方向上的冷卻速度差異。其結果，便可降低將高溫熱處理後的晶圓予以冷卻時之溫度歷程的面間差異。
本說明書所揭示之實施型態應被認為所有要點僅為例示而非用以限制本發明之內容。上述實施型態可在未背離添附的申請專利範圍及其要旨之範圍內，而以各種型態來做省略、置換或變更。
1:熱處理裝置
10:處理容器
20:加熱機構
30:噴出機構
31:支流部
31a:入口
32:噴出孔
33:蝶閥
40:流體流道
42:熱交換器
43:送風機
44:緩衝空間
50:擋門機構
51:擋門
51a:槽縫
52:連結部
53:驅動部
60:排熱部
70:溫度檢測機構
80:控制部
A:空間

Claims (10)

  1. 一種熱處理裝置，具有：處理容器，係收納基板；加熱機構，係設置於該處理容器的周圍；複數噴出機構，係將冷卻流體噴出至該處理容器與該加熱機構之間的空間；以及擋門，係同時開閉該複數噴出機構的至少2個以上，且對應於各該噴出機構而形成有槽縫。
  2. 如申請專利範圍第1項之熱處理裝置，其係具有會將冷卻流體供應至該複數噴出機構之流體流道；該擋門係設置於該流體流道。
  3. 如申請專利範圍第2項之熱處理裝置，其中該噴出機構具有：支流部，係與該流體流道連通；以及噴出孔，係貫穿該加熱機構，且一端與該支流部連通，另一端則與該空間連通；該支流部係設置有蝶閥。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之熱處理裝置，其係具有設置於該流體流道，且會將該冷卻流體送入該複數噴出機構之送風機。
  5. 如申請專利範圍第2或3項之熱處理裝置，其具有：排熱部，係一端在較該複數噴出機構要上方處會與該空間連通，另一端則與該流體流道連通，且會排出該空間內的冷卻流體；以及熱交換器，係設置於該流體流道，且會冷卻該排熱部所排出的冷卻流體。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之熱處理裝置，其具有驅動部，係會使該擋門在覆蓋該複數噴出機構之關閉位置與遠離該複數噴出機構之打開位置之間移動。
  7. 如申請專利範圍第6項之熱處理裝置，其具有：溫度檢測機構，係檢測該處理容器內或該空間的溫度；以及 控制部，係會切換在使該擋門移動至關閉位置之狀態下，依據該溫度來控制該加熱機構之小流量模式，與在使該擋門移動至打開位置之狀態下，依據該溫度來控制該加熱機構之大流量模式。
  8. 如申請專利範圍第7項之熱處理裝置，其中該控制部當於該處理容器內以低溫來處理基板之情況，以及以高速來讓該處理容器內冷卻之情況的至少任一情況中，會切換為該大流量模式。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之熱處理裝置，其中該處理容器為縱長形，該複數噴出機構係沿著該處理容器的長邊方向所設置。
  10. 一種熱處理方法，係熱處理裝置中之熱處理方法，該熱處理裝置具有：加熱機構，係設置於會收納基板之處理容器的周圍；複數噴出機構，係將冷卻流體噴出至該處理容器與該加熱機構之間的空間；以及擋門，係同時開閉該複數噴出機構的至少2個以上之擋門，且對應於各該噴出機構而形成有槽縫；對應於該熱處理裝置中所實施之處理而會切換在使該擋門移動至關閉位置之狀態下，依據該處理容器內或該空間的溫度來控制該加熱機構之小流量模式，與在使該擋門移動至打開位置之狀態下，依據該處理容器內或該空間的溫度來控制該加熱機構之大流量模式。
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