WO2005064254A1

WO2005064254A1 - 縦型熱処理装置及びその制御方法

Info

Publication number: WO2005064254A1
Application number: PCT/JP2004/019251
Authority: WO
Inventors: Makoto Nakajima; Takanori Saito; Tsuyoshi Takizawa; Manabu Honma
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2005-07-14
Also published as: TWI364786B; KR100907598B1; JP4642349B2; US20070148606A1; TW200527492A; JP2005188869A; KR20060107740A; US7432475B2

Abstract

　縦型熱処理装置は、処理領域（Ａ１）を有する処理容器（５）を含む。処理領域（Ａ１）は上下方向に間隔をおいて保持された複数枚の被処理基板（Ｗ）を収容するように設定される。装置はまた、処理容器（５）を包囲するように配設された電気ヒータ（１５）を有する加熱炉（８）と、加熱炉（８）内に冷却ガスを送風する電気送風機（１６）と、を含む。制御部（２２）は、処理領域（Ａ１）を目標温度に収束させるため、ヒータ（１５）に給電して目標温度の直下の所定温度まで処理領域を加熱する。所定温度になった時点で、ヒータ（１５）への給電を低下させると共に、送風機（１６）により供給される冷却ガスにより処理領域（Ａ１）を強制的に冷却する。

Description

明細書

縦型熱処理装置及びその制御方法

技術分野

[0001] 本発明は、縦型熱処理装置及びその制御方法に関し、特に半導体処理技術に関する。ここで、半導体処理とは、半導体ウェハや LCD(Liquid crystal display)や FPD ( Flat Panel Display)用のガラス基板などの被処理基板上に半導体層、絶縁層、導電層などを所定のパターンで形成することにより、該被処理基板上に半導体デバイスや、半導体デバイスに接続される配線、電極などを含む構造物を製造するために実施される種々の処理を意味する。

背景技術

[0002] 半導体デバイスの製造にお!、ては、被処理基板、例えば半導体ウェハに、 CVD ( Chemical Vapor Deposition),酸化、拡散、改質、ァニール、エッチングなどの処理を施すため、各種の処理装置が用いられる。この種の処理装置として、多数枚のウェハを一度に熱処理する縦型熱処理装置が知られている。通常、縦型熱処理装置は、ゥェハを収納するための気密な縦型の処理容器を有する。処理容器の底部にはロードポートが形成され、これはエレベータによって昇降される蓋体によって選択的に開放及び閉鎖される。処理容器内おいてウェハはウェハボートと呼ばれる保持具により、互いに間隔をあけて積み重ねた状態で保持される。処理容器を包囲するように加熱炉が配設される。

[0003] また、縦型熱処理装置として、加熱炉内に空気を送風して処理容器を強制的に空冷するための送風機を備えたものもある（例えば、特開 2002— 305189号公報参照）。送風機は、熱処理終了後にウェハ及び処理容器を迅速に冷却するために用いられる。

[0004] ところで、熱処理として、例えばウェハに低誘電率の膜を形成する場合のように低温域例えば 100— 500°Cでの熱処理がある。この低温域での熱処理の場合、如何に迅速に所定の熱処理温度に昇温 ·収束させるかが課題となる。低温用熱処理装置として、熱応答性を良くするため、石英製の処理容器を使わずに金属製の処理室を有する熱処理装置を使用することが提案されている。一方、熱処理時にャニ状の付着物が発生する場合は、クリーニングや交換が容易な石英製の処理容器を使用することが望ましい。

[0005] しカゝしながら、石英製の処理容器のような熱容量が大き!/ヽ処理容器の場合、低温域での昇温リカノリーにおける目標温度への収束時間が長くかかる。この場合、 TAT( Turn Around Time)の短縮やスループットの向上に影響が出る。

発明の開示

[0006] 本発明の目的は、低温域での昇温リカノリーにおける目標温度への収束時間を短縮することができ、 TATの短縮及びスループットの向上を図ることができる縦型熱処理装置及びその制御方法を提供することにある。

[0007] 本発明の第 1の視点は、縦型熱処理装置であって、

処理領域を有する処理容器と、前記処理領域は上下方向に間隔をお!ヽて保持された複数枚の被処理基板を収容するように設定されることと、

前記処理容器を包囲するように配設された加熱炉と、前記加熱炉は前記処理領域を前記処理容器の外側から加熱する電気ヒータを有することと、

前記加熱炉内に冷却ガスを送風する電気送風機と、前記冷却ガスは前記処理領域を前記処理容器の外側から冷却することと、

前記処理領域内の温度を検知する温度センサと、

前記温度センサの検出データに基づ、て、前記ヒータ及び前記送風機を制御する制御部と、

を具備し、前記制御部は、前記処理領域を、初期温度から、前記初期温度よりも高く且つ 100— 500°Cの範囲内の目標温度に変更する温度制御を行う際、前記処理領域を前記目標温度に収束させるため、

前記ヒータに第 1供給量以上で給電することにより、前記目標温度の直下の所定温度まで前記処理領域を加熱する工程と、

前記所定温度になつた時点で、前記ヒータへの給電を前記第 1供給量未満に低下させる工程と、

続いて、前記ヒータへの給電を前記第 1供給量未満とした状態で、前記送風機により供給される前記冷却ガスにより前記処理領域を強制的に冷却する工程と、を実行する。

[0008] 本発明の第 2の視点は、縦型熱処理装置の制御方法であって、

前記装置は、

を具備し、

前記方法は、前記処理領域を、初期温度から、前記初期温度よりも高く且つ 100— 500°Cの範囲内の目標温度に変更する温度制御を行う際、前記処理領域を前記目標温度に収束させるため、

続いて、前記ヒータへの給電を前記第 1供給量未満とした状態で、前記送風機により供給される前記冷却ガスにより前記処理領域を強制的に冷却する工程と、を具備する。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は、本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。

[図 2]図 2は、ガスを循環使用する場合の図 1に示す装置の温度制御系を概略的に示すブロック図である。

[図 3]図 3は、ヒータの制御の一例を説明するための図である。

[図 4]図 4は、ヒータ及び送風機を共通の制御量により制御する一例を説明するための図である。

[図 5A]図 5Aは、低温域昇温リカノリーを実施するための制御方法の一例における時間温度特性を示す図である。

[図 5B]図 5Bは、図 5Aの例における時間給電特性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

[0011] 図 1は、本発明の実施形態に係る縦型熱処理装置を概略的に示す縦断面図である。図 1に示すように、縦型熱処理装置 1は、下端が開放された円筒体状になされた縦型の処理容器 5を有する。処理容器 5の下端にはフランジ 9が形成され、このフランジ 9がベースプレート 10に支持部材 (図示せず)を介して支持される。

[0012] 処理容器 5は耐熱性の高い石英から一体的に形成される。処理容器 5は、上下方向に間隔をお!ヽて保持された複数枚の半導体ウェハ Wを収容するように設定された処理領域 A1を内部に有する。処理領域 A1に対応する処理容器 5の胴部 5bは、その上下の上部 5a及び下部 5cよりも薄くなるように形成される。具体的には、胴部 5b の肉厚 tは 2— 6mm、望ましくは 2— 4mmで、胴部 5bと上部 5a及び下部 5cとの肉厚の差は 4mm以下である。例えば、胴部 5bの肉厚 tは 4mm程度、上部 5a及び下部 5 cの肉厚は 6mm程度に設定される。これにより、従来に比べて胴部 5bの熱容量が小さくなり、処理領域 A1の高速加熱及び冷却が可能となる。

[0013] 処理容器 5の天井部には、開口された排気口 4が形成される。排気口 4〖こは、例えば直角に横方向へ屈曲された排気ノズルが形成され、ここに、圧力制御弁や真空ポンプ等を有する排気系 GEが接続される。排気部 GEにより、処理容器 5内の雰囲気を真空排気すると共に所定の真空度に設定することができる。

[0014] 処理容器 5の下端のフランジ 9を貫通して、処理容器 5内へガスを導入するための複数のガスノズル 3が配設される。ガスノズル 3は、処理ガスや不活性ガス（例えば N

2 ガス）のガス源を有するガス供給部 GSに接続される。

[0015] 処理容器 5の下端には、蓋体 6によって開閉されるロードポート 2が形成される。口ードポート 2を通して、処理容器 5内にウェハ保持具（ウェハボート） 7がロード及びァンロードされる。保持具 7は石英製で、半導体ウェハ Wを多段に所定のピッチで載置することができる。本実施形態の場合において、保持具 7には、例えば 25枚程度の直径が 300mmのウェハ Wを略等ピッチで多段に支持可能となる。

[0016] 保持具 7は、下部中央に 1本の脚部 11を有する。脚部 11の下端部は、蓋体 6の中央に配設された回転機構 12に接続される。回転機構 12により、ウエノ、 Wの処理中、保持具 7が回転される。蓋体 6上には、ロードポート 2からの放熱を抑制するため、脚部 11を包囲するように面状の下部ヒータ 13が配設される。

[0017] 蓋体 6は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム（図示せず)の先端に取り付けられる。昇降機構により、処理容器 5内と、その下方の作業空間であるローデイングエリア（図示せず)との間で、保持具 7及び蓋体 6等が一体的に昇降される。ローデイングエリア内には、保持具 7にウェハ Wを移載するための移載機構 (図示せず)が配設される。

[0018] 処理容器 5は、処理容器 5を加熱するための加熱炉 8によって包囲及びカバーされる。加熱炉 8は、円筒状のカバー 14とその内部に配設された電気ヒータ 15とを含む。カバー 14は、処理容器 5の形状に合わせて上下に開口部を有するが、これらは望ましくは実質的に閉塞される。

[0019] ヒータ 15は、例えば、抵抗発熱体からなり、カバー 14の内壁面に沿って周方向に配設される。即ち、ヒータ 15は、処理領域 A1を処理容器 5の外側から加熱する。ヒータ 15は、処理領域 A1を上下に分割した複数のゾーン毎に別個の加熱制御ができるように、ゾーン毎に分割して配設される。ヒータ 15は、例えば石英管にカーボンワイヤを通してなるものとすることができる。

[0020] カバー 14は、内部に冷却水が循環される水冷ジャケットとして構成される。代りに、カバー 14は、円筒状の断熱材カバーとすることができる。但し、熱応答性の点では水冷ジャケット型の方が望まし、。

[0021] 加熱炉 8には、加熱炉 8内に冷却ガス、例えば空気を送風する送風機 (ブロワ） 16 が接続される。即ち、冷却ガスは、処理領域 A1を処理容器 5の外側から冷却する。加熱炉 8の下部には送風機 16から導かれた送風管 17が接続される。加熱炉 8の上部には加熱炉 8内のガスを排出する排気管 18が接続される。

[0022] 加熱炉 8内のガスは、排気管 18から熱交を介して工場排気系に排出することができる。代りに、加熱炉 8内のガスは、工場排気系に排出せずに、循環使用することができる。

[0023] 図 2は、ガスを循環使用する場合の図 1に示す装置の温度制御系を概略的に示すブロック図である。図 2に示すように、加熱炉 8内のガスは、熱交換器 19での熱交換後に送風機 16の吸引側に戻され、循環使用される。この場合、エアフィルタ 20を介して循環させることが望ましい。エアフィルタ 20は、送風機 16の吹き出し側に配設されることが望ましいが、送風機 16の吸い込み側にだけ配設してもよい。熱交翻 19 は加熱炉 8からの廃熱を利用のために配設される。

[0024] 処理容器 5の処理領域 A1内には、処理温度を検出するための温度センサ 21が配設される。温度センサ 21による検出信号或いは検出データは温度コントローラ 22にフィードバックされる。温度コントローラ 22には、設定温度（目標温度）に対して効率よく低温域昇温リカノリーを実行するため、ヒータ 15及び送風機 16を制御するためのプログラム（シーケンス）が組み込まれる。電気ヒータ 15は、温度コントローラ 22からの信号により、電力コントローラ、例えばサイリスタ 23を介して制御される。電気送風機 1 6は、温度コントローラ 22からの信号により、電力コントローラ例えばインバータ 24を介して制御される。

[0025] ここで、処理容器 5の処理領域 A1を、初期温度から、初期温度よりも高く且つ低温域（100— 500°Cの範囲内）の目標温度に変更する温度制御を行う場合を想定する。この場合、温度コントローラ 22は、温度センサ 21の検出データに基づいて、ヒータ 1 5及び送風機 16を制御し、処理領域 A1を目標温度に短時間で収束させる。これにより、低温域昇温リカバリーにおいて目標温度に収束させる収束時間の短縮ィ匕ないし制御性の改善を図ることができる。

[0026] このため、より具体的には、温度コントローラ 22は、次のような工程を実行することができる。即ち、先ず、ヒータ 15に第 1供給量以上で給電することにより、目標温度の直下の所定温度まで処理領域 A1を加熱する。この所定温度になった時点で、ヒータ 1 5への給電を第 1供給量未満に低下させる。続いて、ヒータ 15への給電を第 1供給量未満とした状態で、送風機 16により供給される冷却ガスにより処理領域 A1を強制的に冷却する。その後、ヒータ 15への給電を増加させることにより、処理領域 A1を目標温度に維持することができ、この際、必要に応じて、送風機 16への給電を低下させる

[0027] このような低温域昇温リカバリーを実現するための第 1の制御方法として、温度コントローラ 22は、所定温度まで処理領域 A1を加熱する工程から処理領域 A1を強制的に冷却する工程に亘つて、送風機 16への給電を一定に維持することができる。従つて、温度コントローラ 22は、この間は、ヒータ 15への給電を増減する調整のみを行う。

[0028] 図 3は、この第 1の制御方法における、ヒータの制御の一例を説明するための図である。この場合、送風機 16への給電からは独立して、ヒータ 15への給電力温度コントローラ 22から出力される制御量に従って制御される。

[0029] 具体的には、低温域昇温リカノリーにおいて、送風機 16の風量を一定 (例えば lm 3Z分）にした状態で、ヒータ 15に目標温度の直前 (処理領域 A1が目標温度の直下の所定温度になる時点）まで給電した後、ヒータ 15への給電を低下させてウェハ W の温度を目標温度に収束させる。所定温度は目標温度よりも、望ましくは 20— 80°C 低くなるように設定される。なお、送風機 16の風量は、急速降温時には、例えば 7m³ Z分に設定することができる。

[0030] 上述の低温域昇温リカバリーを実現するための第 2の制御方法として、温度コント口ーラ 22は、所定温度まで処理領域 A1を加熱する工程よりも、処理領域 A1を強制的に冷却する工程において、送風機 16への給電を増加させることができる。従って、温度コントローラ 22は、この間に、ヒータ 15及び送風機 16の両者への給電を増減する調整を行う。

[0031] 図 4は、この第 2の制御方法における、ヒータ及び送風機を共通の制御量により制御する一例を説明するための図である。この場合、温度コントローラ 22は、 1つの制御量によりヒータ 15及び送風機 16への給電を制御する。この制御量は、正方向の絶対値の増加によりヒータ 15への給電を増加させ、負方向の絶対値の増加により送風機 16への給電を増加させる。

[0032] 図 5Aは、低温域昇温リカノリーを実施するための第 2の制御方法の一例における時間温度特性を示す図である。図 5Bは、図 5Aの例における時間給電特性を示す図である。図 5A及び図 5Bに示すように、ヒータ 15に目標温度の直前（処理領域 A 1が目標温度の直下の所定温度になる時点）まで給電した後、ヒータ 15への給電を低下させると共に、送風機 16への給電を増加させて処理容器 5を強制的に冷却し、ウェハ Wの温度を目標温度に収束させる。この場合も、所定温度は目標温度よりも、望ましくは 20— 80°C低くなるように設定される。

[0033] 図 5A及び図 5Bに示す例では、設定温度（目標温度）の直下の所定温度まで処理領域 A1を加熱する工程において、ヒータ 15へ給電する一方、送風機 16への給電は 0 (停止）とする。処理領域 A1が所定温度になった時点で、ヒータ 15への給電を 0に落とす (停止）と共に送風機 16へ給電し、加熱炉 8内及び処理容器 5を強制空冷することにより昇温にブレーキをかける。そして、目標温度のごく近傍 (前後）になったら、送風機 16への給電を 0に落とす (停止）と共に、処理領域 A1を目標温度に維持するためにヒータ 15への給電を再開する。

[0034] 上述のように、上記実施形態に係る縦型熱処理装置 1によれば、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を短縮することができ、 TATの短縮及びスループットの向上を図ることができる。また、処理容器 5の胴部 5bの肉厚が他の部分の肉厚よりも薄く形成されるため、処理容器 5の大きさを変えずに熱容量を減少させることができ、収束時間の更なる短縮を図力ることができる。更に、処理容器 5の胴部 5bを薄肉にしたことにより自然降温による降温性能の向上及び強制空冷による降温性能の更なる向上が図れ、この点も TAT、スループットの向上に効果をもたらす。

[0035] また、低温域昇温リカバリーを実現するための上述の第 1及び第 2の制御方法によれば、低温域での昇温リカノリーにおける収束時間を短縮することができ、 TATの短縮及びスループットの向上を図ることができる。特に、低温域昇温リカバリーを実現するための上述の第 2の制御方法では、温度コントローラ 22は、所定温度まで処理領域 A1を加熱する工程よりも、処理領域 A1を強制的に冷却する工程において、送風機 16への給電を増カロさせる。このため、昇温リカノリーにおける制御性力第 1の制御方法よりも更に改善される。これにより、図 5Aに示すように、低温域での昇温リカバリーにおける収束時間を更に短縮することが可能となり、 TATの短縮及びスループットの向上を図ることができる。

[0036] <第 1の制御方法に関する実験 >

低温域昇温リカバリーを実現するための上述の第 1の制御方法を使用して実験を行った。実験 1において、昇温レート 30°CZ分で室温（25°C程度）から 150°Cへ処理領域 A1の温度を変化させた。第 1の制御方法に係る実施例 1では、薄肉チューブ t =4mm、強制空冷 ON :風量 lm³Z分の条件を使用した。また、比較例 1として、従来チューブ t=6mm、強制空冷 OFFの条件を使用した以外は、実施例 1と同じ条件で実験を行った。その結果、実施例 1は比較例 1と比較して、収束時間を 20% (5. 5 分)短縮することができた。

[0037] また、実験 2において、昇温レート 30°CZ分で 200°C力も 400°Cへ処理領域 A1の温度を変化させた。第 1の制御方法に係る実施例 2では、薄肉チューブ t=4mm、強制空冷 ON :風量 lm³Z分の条件を使用した。また、比較例 2として、従来チューブ t = 6mm、強制空冷 OFFの条件を使用した以外は、実施例 2と同じ条件で実験を行つた。その結果、実施例 2は比較例 2と比較して、収束時間を 23. 6% (1. 5分)短縮することができた。

産業上の利用可能性

[0038] 本発明に係る縦型熱処理装置及びその制御方法によれば、低温域での昇温リカノ《リーにおける目標温度への収束時間を短縮し、 TATの短縮及びスループットの向上を図ることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 縦型熱処理装置であって、

処理領域を有する処理容器と、前記処理領域は上下方向に間隔をお!/ヽて保持された複数枚の被処理基板を収容するように設定されることと、

前記処理領域内の温度を検知する温度センサと、

[2] 請求の範囲 1に記載の装置において、

前記制御部は、前記温度制御において、前記処理領域を強制的に冷却する工程の後、前記送風機への給電を低下させる一方、前記ヒータへの給電を増加させることにより、前記処理領域を前記目標温度に維持する工程を更に実行する。

[3] 請求の範囲 1に記載の装置において、

前記制御部は、前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程から前記処理領域を強制的に冷却する工程に亘つて、前記送風機への給電を一定に維持する。

[4] 請求の範囲 1に記載の装置において、

前記制御部は、前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程よりも、前記処理領域を強制的に冷却する工程において、前記送風機への給電を増加させる。

[5] 請求の範囲 4に記載の装置において、

前記制御部は、 1つの制御量により前記ヒータ及び前記送風機への給電を制御し、前記制御量は、正方向の絶対値の増加により前記ヒータへの給電を増加させ、負方向の絶対値の増加により前記送風機への給電を増加させる。

[6] 請求の範囲 5に記載の装置において、

前記制御部は、前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程において、前記送風機への給電を停止する。

[7] 請求の範囲 5に記載の装置において、

前記制御部は、前記処理領域を強制的に冷却する工程において、前記ヒータへの給電を停止する。

[8] 請求の範囲 7に記載の装置において、

前記制御部は、前記温度制御において、前記処理領域を強制的に冷却する工程の後、前記送風機への給電を停止する一方、前記ヒータへの給電を再開すること〖こより、前記処理領域を前記目標温度に維持する工程を更に実行する。

[9] 請求の範囲 1に記載の装置において、

前記所定温度は前記目標温度よりも 20— 80°C低!、。

[10] 請求の範囲 1に記載の装置において、

前記処理容器は、前記処理領域に対応する石英製の胴部と、その上下の石英製の上部及び下部とを具備し、前記胴部は前記上部及び前記下部よりも肉厚が小さい

[11] 請求の範囲 10に記載の装置において、

前記胴部と前記上部及び前記下部との肉厚の差は 4mm以下である。

[12] 縦型熱処理装置の制御方法であって、

前記装置は、

を具備し、

[13] 請求の範囲 12に記載の方法において、

前記処理領域を強制的に冷却する工程の後、前記送風機への給電を低下させる一方、前記ヒータへの給電を増加させることにより、前記処理領域を前記目標温度に維持する工程を更に具備する。

[14] 請求の範囲 12に記載の方法において、

前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程力前記処理領域を強制的に冷却する工程に亘つて、前記送風機への給電を一定に維持する。

[15] 請求の範囲 12に記載の方法において、

前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程よりも、前記処理領域を強制的に冷却する工程にぉ、て、前記送風機への給電を増カロさせる。

[16] 請求の範囲 15に記載の方法において、

1つの制御量により前記ヒータ及び前記送風機への給電を制御し、前記制御量は、正方向の絶対値の増加により前記ヒータへの給電を増加させ、負方向の絶対値の増加により前記送風機への給電を増加させる。

[17] 請求の範囲 16に記載の方法において、

前記所定温度まで前記処理領域を加熱する工程にお!ヽて、前記送風機への給電を停止する。

[18] 請求の範囲 16に記載の方法において、

前記処理領域を強制的に冷却する工程にぉ、て、前記ヒータへの給電を停止する

[19] 請求の範囲 18に記載の方法において、

前記処理領域を強制的に冷却する工程の後、前記送風機への給電を停止する一方、前記ヒータへの給電を再開することにより、前記処理領域を前記目標温度に維持する工程を更に具備する。

[20] 請求の範囲 12に記載の方法において、

前記所定温度は前記目標温度よりも 20— 80°C低!、。