JP2008182180A - 加熱装置及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】細かい加熱温度制御を容易に行うことができる加熱装置及び半導体製造装置を提供する。
【解決手段】半導体製造装置の反応室内に配置された支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置であって、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えたことを特徴とする加熱装置、及び反応ガスが供給される反応室と、反応室内に配置された支持体と、支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置とを備えた半導体製造装置であって、加熱装置は、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えたことを特徴とする半導体製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱装置及び半導体製造装置に関する。詳しくは、例えばシリコン単結晶半導体基板や酸化膜付き半導体基板を製造するための、加熱装置及び半導体製造装置に係るものである。

半導体集積回路素子の高集積化や高性能化に伴って、素子の出発材料としてエピタキシャル構造のシリコン基板が多く用いられている。エピタキシャルシリコン基板は、シリコンの単結晶基板にシリコン単結晶薄膜をエピタキシャル気相成長させたものであり、その製造方法には、１回のプロセスで処理できるシリコン単結晶基板の枚数が、数枚から数十枚のバッチ方式と、１枚ずつ処理する枚葉方式とがある。

この従来のエピタキシャル気相成長装置は、装置内に外部より反応ガスを導く反応ガス導入口と、シリコン単結晶基板を支持する支持体と、支持体の周囲を囲み、反応室空間を形成する透明石英ガラス板と、支持体を加熱する加熱装置とで構成されている。

エピタキシャル成長装置では、加熱装置により支持体を加熱すると、支持体上のシリコン単結晶基板が加熱される。シリコン単結晶基板が所望の温度に到達したとき、石英ガラス板にて形成された反応室内に外部から反応ガスを導く。反応ガスは反応室内で分解し、シリコン単結晶基板上にシリコン単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる。

ところで、シリコンエピタキシャル成長には、およそ６００〜１２００℃という温度が必要であり、不均一な加熱による温度差が、成長速度や膜特性といった成長の結果に影響を及ぼし、この温度差によってデバイスの特性にバラツキが生じるという問題があった。特に、高温域における不均一な加熱によって、単結晶格子において転位やスリップと呼ばれる結晶欠陥が生じ、デバイス特性が制限されたり、デバイスが機能不全となったりする。

そこで、このような問題点を解決するために、例えば図６に示すような熱処理装置が提案されている。図６は、従来の熱処理装置を説明する図であるが、特許文献１には、熱処理装置１１０は、被処理基板としての複数のウエハ１０１を処理する処理室１１１を形成した筐体１１２を備えており、筐体１１２は下面が開口する円筒形状に形成された上カップ１１３と、上面が開口する円筒形状に形成された下カップ１１４とが組合わされて円筒中空形状に構築され、上カップ１１３と下カップ１１４との間には石英が使用されて、円板形状に形成された透過板１１５が挟持され、下カップ１１４の側壁の一部には排気口１１６が処理室１１１の内外を連通するように開設されており、排気口１１６には処理室１１１を大気圧未満に排気する排気装置が接続され、下カップ１１４の側壁の他の場所にはウエハ搬入搬出口１１７が開設されており、ウエハ搬入搬出口１１７にはこれを開閉するゲートバルブ１１８が設置されており、下カップ１１４の底壁の中心線上には挿通孔１１９が開設されており、挿通孔１１９の中心線上にはガス供給装置１２０に接続されたガス供給管１２１が配管されており、ガス供給管１２１の上端部には複数個のガス吹出口１２２が周方向に間隔を置いて放射状にガスを吹き出すように開設され、ガス供給管１２１の外側には円筒形状に形成された回転軸１２３が同心円に配置されて複数の軸受装置１２４によって回転自在に支承されており、回転軸１２３は回転駆動装置１２５によって回転駆動されるように構成されており、回転軸１２３の上端には処理室１１１よりも若干小径の外径の円形皿形状に形成されたベース１３０が水平に支持されており、ベース１３０は下カップ１１４の底面の上に設置された軸受装置１２９によって回転自在に支承されており、ベース１３０の底壁には四本の回転軸１３１が同心円上における周方向の等間隔の位置において垂直に立脚されて、軸受装置１３５によってそれぞれ回転自在に支承されており、各回転軸１３１の上端部には遊星歯車機構の遊星歯車１３２がそれぞれ固定されており、四個の遊星歯車１３２はガス供給管１２１の中間部に固定された太陽歯車１３３に転動自在に噛合されており、四個の遊星歯車１３２の上端面には被処理基板であるウエハ１０１を静電吸着保持する静電チャック１３４がそれぞれ一体回転するように水平に設置されており、上カップ１１３の内部には透過板１１５を透過して処理室１１１のウエハ１０１を加熱するヒータ１４０が設置され、ヒータ１４０はタングステン‐ハロゲンランプがサークルライン形状に形成された複数本の加熱ランプ１４１と、加熱ランプ１４１の熱を下向きに反射させる反射板１４２とを備える旨記載されている。

特開２００３−３４７２２８号公報

しかしながら、従来の熱処理装置では、サークルライン形状に形成された複数本の加熱ランプを用いているが、更に細かい加熱温度制御が望まれていた。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、細かい加熱温度制御を容易に行うことができる加熱装置及び半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の加熱装置は、半導体製造装置の反応室内に配置された支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置であって、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えたことを特徴とする。

ここで、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプによって、熱源ユニットごとに半導体基板に対する熱源ランプの向きを制御することができ、半導体基板の加熱温度分布を制御できる。

また、本発明の加熱装置において、熱源ユニットの外形は六角形である場合、熱源ユニットが平坦な表面を覆うことができると共に、効率的に円形状の物を加熱することができ、また、大きな電力損失をすることなく、円形の半導体基板や支持体上に複数の熱源ユニットを広げることができ、更に、複数の熱源ユニットを隣接させて配置できるので、好ましい放射束パターンを半導体基板表面や支持体表面に与える六角形加熱素子群を形成できる。

また、本発明の加熱装置において、熱源ユニットは、熱源ランプから発せられる光を反射する反射板を有する場合、反射板を利用した加熱が可能となり、また、熱源ランプは筒状であると共に、反射板に対して略平行に配置された場合、反射板と熱源ランプの距離を調節しやすくなる。

また、本発明の加熱装置において、熱源ランプと反射板との距離が調節可能である場合、反射板による光の反射を調節できる。

また、本発明の加熱装置において、反射板は金膜で覆われた場合、熱源ランプから発せられる赤外領域の波長の光に関し、高い反射率を示す。

また、本発明の加熱装置において、反射板は着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、反射板の外形は六角形である場合、熱源ランプの向きを変えず、反射板の向きだけを変えて半導体基板の加熱温度分布を制御できると共に、熱源ランプの向きを変えないので熱源ランプへの電気供給の構造を変える手間も省くことができる。

また、本発明の加熱装置において、熱源ユニット間に隔壁が配置された場合、光の拡散を抑制でき、光を半導体基板に集中させることができる。

また、上記の目的を達成するために、本発明の半導体製造装置は、反応ガスが供給される反応室と、該反応室内に配置された支持体と、該支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置とを備えた半導体製造装置であって、前記加熱装置は、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えたことを特徴とする。

ここで、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプによって、半導体基板に対する熱源ランプの向きを制御することができるので、半導体基板の加熱温度分布を制御できる。

また、本発明の半導体製造装置において、熱源ユニットの外形は六角形である場合、熱源ユニットが平坦な表面を覆うことができると共に、効率的に円形状の物を加熱することができ、また、大きな電力損失をすることなく、円形の半導体基板や支持体上に複数の熱源ユニットを広げることができ、更に、複数の熱源ユニットを隣接させて配置できるので、好ましい放射束パターンを半導体基板表面や支持体表面に与える六角形加熱素子群を形成できる。

また、本発明の半導体製造装置において、熱源ユニットは、熱源ランプから発せられる光を反射する反射板を有する場合、反射板を利用した加熱が可能となり、また、熱源ランプは筒状であると共に、反射板に対して略平行に配置された場合、反射板と熱源ランプの距離を調節しやすくなる。

また、本発明の半導体製造装置において、反射板は着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、反射板の外形は六角形である場合、熱源ランプの向きを変えず、反射板の向きだけを変えて半導体基板の加熱温度分布を制御できると共に、熱源ランプの向きを変えないので熱源ランプへの電気供給の構造を変える手間も省くことができる。

また、本発明の半導体製造装置において、熱源ランプと反射板との距離が調節可能である場合、反射板による光の反射を調節できる。

また、本発明の半導体製造装置において、反射板は金膜で覆われた場合、熱源ランプから発せられる赤外領域の波長の光に関し、高い反射率を示す。

また、本発明の半導体製造装置において、熱源ユニット間に隔壁が配置された場合、光の拡散を抑制でき、光を半導体基板に集中させることができる。

本発明に係る加熱装置は、細かい加熱温度制御を容易に行うことができる。
本発明に係る半導体製造装置は、細かい加熱温度制御を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は、本発明を適用した加熱装置の熱源ランプを同心円状に配置した態様を説明する概略図である。図１において、加熱装置１は、円形の本体２と、本体２に着脱可能に取付けられると共に周方向に向きを変えて取付け可能な複数の熱源ユニット２Ａとを備え、熱源ユニット２Ａ間には金膜で覆われたアルミニウム製の隔壁４が配置されている。また、複数の熱源ユニットはそれぞれ、赤外領域の光を反射すると共に金膜で覆われたアルミニウム製の外形が六角形の反射板２Ｂと、反射板２Ｂに形成された穴に両端が挿入されて互いに略平行にかつアーチ状に配置された４本の筒状の熱源ランプ（ハロゲンランプ等）３とを備えている。また、熱源ランプ３は、反射板２Ｂに対して略平行に配置されていると共に、反射板２Ｂとの間の距離を近づけたり離したり調節することができる。また、本体２の中心には送風口１Ａが形成されている。
また、各熱源ユニット２Ａ内の熱源ランプ３は、本体２の中心に対して同心円状に配置されているので、図１では半径方向に１１列のランプ列が形成され、それぞれの列の電流を変えることで、支持体の加熱温度分布や半導体基板の加熱温度分布を制御でき、半導体基板の加熱温度分布を均一にすることができる。

ここで、熱源ランプとして、ハロゲンランプを例に挙げているが、半導体基板を加熱できればどのようなものでもよく、例えば赤外線ランプを用いてもよい。また、隔壁や反射板は、熱源ランプから発せられる赤外領域の光を反射することができる素材で構成されていれば、必ずしも金膜で覆われたアルミニウム製でなくてもよい。
また、熱源ユニットが、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプを有していれば、必ずしも反射板の外形即ち熱源ユニットの外形は六角形でなくてもよく、例えば八角形であってもよく、また、必ずしも全ての熱源ユニットの外形が六角形でなくてもよく、六角形の熱源ユニットと他の形状の熱源ユニット例えば四角形や八角形の熱源ユニットとを一緒に用いてもよい。
また、熱源ユニットが、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプを有していれば、必ずしも反射板を用いなくてもよく、例えば反射板を用いずに熱源ユニットの外形を六角形としてもよい。
また、熱源ランプが、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であれば、必ずしも熱源ランプは筒状でなくてもよい。

図２は、本発明を適用した加熱装置における熱源ランプの第２の配置を説明する概略図である。図２において、本体２の中心から左右の半径方向に延びて取付けられた各熱源ユニットには、半導体製造装置の反応室内を観察するＣＣＤカメラを接続するためのＣＣＤカメラ接続口５と、反応室を形成する石英ガラス板の石英温度を測定する温度計を接続するための石英温度測定口６と、支持体の温度を測定する第１の温度計を接続するための第１の支持体温度測定口７と、支持体の温度を測定する第２の温度計を接続するための第２の支持体温度測定口８とが形成されている。
また、本体２の中心から６つの半径方向に延びて取付けられた熱源ユニット２Ａは、その最外側を除いて、熱源ランプ３が半径方向に沿って配置されている。

ここで、熱源ユニットが、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプを有していれば、必ずしもＣＣＤカメラ接続口、石英温度測定口、第１の支持体温度測定口及び第２の支持体温度測定口を形成しなくてもよく、また、このうちの少なくとも１つを形成してもよい。

図３は、本発明を適用した加熱装置における熱源ランプの第３の配置を説明する概略図である。図３において、熱源ユニット２Ａの熱源ランプ３は、全て同じ方向に配置されている。
また、図１〜図３において図示していないが、反射板２Ｂの裏側において、電気制御システムが使用され、この電気制御システムが各熱源ユニットの熱源ランプへ電力を供給する。
また、図１〜図３から明らかなように、熱源ランプ３を取外して周方向へ９０°回転させて向きを変え、そして取付けることで、熱源ユニット２Ａ内において熱源ランプ３を９０°回転させることができるので、細かい加熱温度制御ができ、半導体基板の加熱温度分布を均一にすることができる。

図４は、本発明を適用した加熱装置の熱源ユニットに使用される反射板を説明する概略図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、そして図４（ｃ）は熱源ランプの配置を変えた状態を示す断面図である。
図４（ａ）において、六角形の反射板２Ｂは、加熱装置の本体に留め具２Ｅによって着脱可能に取付けられていると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、熱源ランプ３の両端が挿入される穴２Ｃが形成されている。
また、図４（ｂ）に示すように、反射板２Ｂには互いに略平行に延びる半円弧状の断面を有する溝２Ｄが４つ形成されており、熱源ランプ３が溝２Ｄに沿って配置される。
また、図４（ｃ）に示すように、熱源ランプ３を取外して周方向に向きを変え、熱源ランプ３が半円弧状の断面を有する溝２Ｄを横切って配置される。
ここで、反射板２Ｂに半円弧状の断面を有する溝２Ｄが形成された例を説明しているが、赤外領域の光を反射するのであれば必ずしも溝を反射板に形成しなくてもよく、反射板は平坦であってもよく、また、溝の断面形状は必ずしも半円弧状でなくてもよく例えばＶ字形状であってもよい。

図５は、本発明を適用したエピタキシャル成長装置を説明する概略図である。図５において、エピタキシャル成長装置（半導体製造装置の一例である。）９は、反応室と、反応室内に配置されて複数の半導体基板（シリコン基板）１６を支持する円板状の支持体１５と、反応室の周辺であって支持体の上下両側に配置された加熱装置１とを備える。また、反応室は、上下のドーム型の石英ガラス板１０を、ステンレス製の上部クランプ１１とステンレス製の下部クランプ１２とで押さえつけるようにして、ねじで固定して構成されている。また、上下のドーム型の石英ガラス板１０の間には、反応ガス導入口１３と、反応ガス排出口１４が形成されている。
また、加熱装置１は、図１等に示すような加熱装置であり、支持体１５の中心には回動部材１７が取付けられており、支持体１５を回動させる。

エピタキシャル成長装置９を用いてエピタキシャル成長を行なう場合には、反応室内の円板状の支持体１５上に、複数の半導体基板１６を載置し、反応ガス導入口１３からトリクロロシランガスと水素ガスを含む反応ガスが反応室内に導入される。トリクロロシランガスと水素ガスを含む反応ガスは、半導体基板１６付近に流れ、反応室周辺に配置された加熱装置から光を反応室内に照射し、半導体基板１６が加熱されて、熱と反応ガスとによってエピタキシャル成長が行なわれる。
ここで、複数の半導体基板を載置する例を挙げているが、半導体基板を加熱装置によって加熱できれば、必ずしも半導体基板は複数なくてもよく、単数であってもよい。

また、シリコン基板を用いた例を挙げているが、エピタキシャル成長を行なうことができる基板であればどのようなものでもよく、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板やテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）基板を用いてもよい。また、基板上にエピタキシャル層を成長させることができれば、どのような材料ガスを用いてもよく、例えばガリウムヒ素基板を用いる場合には、Ｇａを含有するガスを用い、テルル化亜鉛基板を用いる場合には、Ｔｅを含有するガスを用いる。

次に、エピタキシャル成長工程について説明する。
先ず、半導体基板１６を支持している支持体１５を回動部材１７により回動させながら、加熱装置１の熱源ユニット２Ａによって６００〜１２００℃まで半導体基板１６を加熱する。
次に、反応ガス導入口１３からトリクロロシランガスと水素ガスを含む反応ガスを反応室内へ導入して、エピタキシャル成長を行なう。
ここで、反応ガス中の材料ガスとしてトリクロロシランガスが反応室内に導入されているが、シリコン原子を含んだ気体であればどのようなものでもよく、例えばモノシランガス、ジクロロシランガス若しくは四塩化珪素ガスを反応室内に導入してもよい。

ここで、半導体製造装置の例としてエピタキシャル成長装置を挙げているが、必ずしもエピタキシャル成長装置でなくてもよく、例えば熱酸化炉、ＣＶＤ（化学気相成長）装置、またはＲＴＰ（急速熱処理）装置であってもよい。

このように、本発明は、複数の熱源ユニットがそれぞれ、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプを有するので、熱源ユニットごとに半導体基板に対する熱源ランプの向きを制御することができ、半導体基板の加熱温度分布を制御できるので、細かい加熱温度制御を容易に行うことができる。それにより、半導体基板や支持体の均一な加熱温度分布を実現できる。

また、熱源ユニットの外形は六角形であるので、熱源ユニットが平坦な表面を覆うことができると共に、効率的に円形状の物を加熱することができ、また、大きな電力損失をすることなく、円形の半導体基板や支持体上に複数の熱源ユニットを広げることができ、更に、複数の熱源ユニットを隣接させて配置できるので、好ましい放射束パターンを半導体基板表面や支持体表面に与える六角形加熱素子群を形成でき、幾つかの半導体基板の領域中でゾーン制御を行なうことができる。それにより、半導体基板や支持体の均一な加熱温度分布実現に寄与できる。

また、熱源ユニットは、熱源ランプから発せられる光を反射する反射板を有するので、反射板を利用した加熱が可能となり、また、熱源ランプは筒状であると共に、反射板に対して略平行に配置されているので、反射板と熱源ランプの距離を調節しやすくなる。それにより、半導体基板や支持体の均一な加熱温度分布実現に寄与できる。

また、熱源ランプと反射板との距離が調節可能である場合、反射板による光の反射を調節できる。
また、断面が半円弧状の溝に沿わせて熱源ランプを配置させたり、溝を横切らせて熱源ランプを配置させたりするので、半導体基板の加熱温度分布を変化させることができる。それにより、半導体基板や支持体の均一な加熱温度分布実現に寄与できる。

また、反射板は金膜で覆われているので、熱源ランプから発せられる赤外領域の波長の光に関し、高い反射率を示す。

また、反射板は着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、反射板の外形は六角形であるので、熱源ランプの向きを変えず、反射板の向きだけを変えて半導体基板の加熱温度分布を制御できると共に、熱源ランプの向きを変えないので熱源ランプへの電気供給の構造を変える手間も省くことができる。

また、熱源ユニット間に隔壁が配置されているので、光の拡散を抑制でき、光を半導体基板に集中させることができる。

本発明を適用した加熱装置の熱源ランプを同心円状に配置した態様を説明する概略図である。 本発明を適用した加熱装置における熱源ランプの第２の配置を説明する概略図である 本発明を適用した加熱装置における熱源ランプの第３の配置を説明する概略図である。 本発明を適用した加熱装置の熱源ユニットに使用される反射板を説明する概略図である。 本発明を適用したエピタキシャル成長装置を説明する概略図である。 従来の熱処理装置を説明する図である。

符号の説明

１ 加熱装置
１Ａ 送風口
２ 本体
２Ａ 熱源ユニット
２Ｂ 反射板
２Ｃ 穴
２Ｄ 溝
２Ｅ 留め具
３ 熱源ランプ
４ 隔壁
５ ＣＣＤカメラ接続口
６ 石英温度測定口
７ 第１の支持体温度測定口
８ 第２の支持体温度測定口
９ エピタキシャル成長装置
１０ 石英ガラス板
１１ 上部クランプ
１２ 下部クランプ
１３ 反応ガス導入口
１４ 反応ガス排出口
１５ 支持体
１６ 半導体基板
１７ 回動部材

Claims (14)

1. 半導体製造装置の反応室内に配置された支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置であって、
   着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えた
   ことを特徴とする加熱装置。
2. 前記熱源ユニットの外形は六角形である
   ことを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記熱源ユニットは、前記熱源ランプから発せられる光を反射する反射板を有し、
   前記熱源ランプは筒状であると共に、前記反射板に対して略平行に配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記熱源ランプと前記反射板との距離が調節可能である
   ことを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記反射板は金膜で覆われた
   ことを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
6. 前記反射板は着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、
   前記反射板の外形は六角形である
   ことを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
7. 前記熱源ユニット間に隔壁が配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
8. 反応ガスが供給される反応室と、該反応室内に配置された支持体と、該支持体上に載置される半導体基板を加熱する加熱装置とを備えた半導体製造装置であって、
   前記加熱装置は、着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能な熱源ランプをそれぞれ有する、複数の熱源ユニットを備えた
   ことを特徴とする半導体製造装置。
9. 前記熱源ユニットの外形は六角形である
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体製造装置。
10. 前記熱源ユニットは、前記熱源ランプから発せられる光を反射する反射板を有し、
    前記熱源ランプは筒状であると共に、前記反射板に対して略平行に配置された
    ことを特徴とする請求項８に記載の半導体製造装置。
11. 前記熱源ランプと前記反射板との距離が調節可能である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造装置。
12. 前記反射板は金膜で覆われた
    ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造装置。
13. 前記反射板は着脱可能であると共に周方向に向きを変えて取付け可能であり、
    前記反射板の外形は六角形である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体製造装置。
14. 前記熱源ユニット間に隔壁が配置された
    ことを特徴とする請求項８に記載の半導体製造装置。

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