JP2011187768A

JP2011187768A - 熱処理装置

Info

Publication number: JP2011187768A
Application number: JP2010052599A
Authority: JP
Inventors: Iwao Nakamura; 巌中村; Manabu Izumi; 学泉
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】基板の異物付着を低減し、生産性を向上させることができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、第１の温度検出部よりも基板の近傍に位置し、基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、基板が入炉されてから所定時間内の加熱部の加熱制御を第１の温度検出部の検出温度に基づいて行う制御部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板の温度を制御する熱処理装置に関する。

従来の熱処理装置は、基板の搬入により低下した炉内温度を短時間で熱処理温度に戻すため、種々の手段を備えている。例えば、成膜されていない基板でＰＩＤ調整を行い、基板近傍の温度設定値とヒータ近傍の温度設定値から両者の関係式を作成し、この関係式から得られた予測炉内温度と実測炉内温度とを比較して炉内温度を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−８５１９７号公報

しかし、従来の熱処理装置は、基板の搬入後短時間で炉内温度を熱処理温度に到達させようとするため、急激にヒータの出力を増加させる。このため、炉内温度が急激に上昇するとともに搬入直後の常温の基板も急激に温度上昇し、基板が変形してしまう。従って、基板の変形により基板とボートが擦れてしまい、これらの削りカスが直下の基板に落下して歩留まり低下を招く問題があった。

一方、基板の急激な温度上昇を避けるため、基板を低温で入炉させることにより基板と炉内温度との温度差を低減させる手段が講じられていた。しかし、基板の入炉から熱処理温度までの昇温時間を短縮するために、より高温での入炉が必要となり、生産性の向上が課題となっていた。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、基板の異物付着を低減し、生産性を向上させることができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の熱処理装置は、処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、前記加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、前記第１の温度検出部よりも前記基板の近傍に位置し、前記基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、前記基板が入炉されてから所定時間内の前記加熱部の加熱制御を前記第１の温度検出部の検出温度に基づいて行う制御部とを備える。

以上に詳述したように本発明によれば、基板の異物付着を低減し、生産性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る熱処理装置の概略図である。本発明の実施の形態に係る熱処理装置の温度制御部の動作を示すフロ−チャートである。本発明の実施の形態に係る熱処理装置の斜透視図である。本発明の実施の形態に係る熱処理装置の反応炉の側面図である。実施例１、実施例４及び比較例３に係る炉内温度と処理時間との関係を示す図である。実施例１〜４及び比較例１〜４に係る異物数及び生産性を示す表である。

以下、本実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の概略図である。熱処理装置１は、反応炉４０、設定部９、温度制御部１０及び電力供給部１１を有する。反応炉４０については、後述する。各構成について詳述する。

反応炉４０は、ヒータ２、反応管３、均熱管４、ヒータ近傍熱電対（第１の温度検出部）５、炉内近傍熱電対（第２の温度検出部）６、基板７を支持するボート８を有する。

ヒータ近傍熱電対５はヒータ２近傍に配置されており、ヒータ近傍の温度を検出する。図１に示すように、ヒータ近傍熱電対５は、反応管３とヒータ近傍熱電対５との間に配置されている均熱管４により基板７と隔離されている。このため、ヒータ近傍熱電対５は炉内温度に対する反応が鈍く、ヒータ近傍の温度を精度よく検出することができる。反応炉４０を構成するその他の構成については後述する。炉内近傍熱電対６は基板７の近傍に配置されており、基板７近傍の温度を検出する。

設定部９はキーボード及びモニタ等を有し、熱処理装置１を運用するための操作や各種設定の入力等、作業者とのインターフェースとして機能する。温度制御部１０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：不図示）、ＲＡＭ等のメモリ（不図示）及びＲＯＭ等の不揮発性メモリ（不図示）を有する。温度制御部１０は、ヒータ近傍熱電対５、炉内近傍熱電対６、設定部９及び電力供給部１１と接続されている。温度制御部１０の動作については後述する。電力供給部１１はヒータ２と接続されており、温度制御部１０で算出されたヒータ出力値に基づいてヒータ２へ電力を供給する。

次に、温度制御部１０の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の温度制御部１０の動作を示すフロ−チャートである。

まず、温度制御部１０は、熱処理条件に関する初期設定情報を取得する（Ｓ１０１）。熱電対を切り替える場合には熱電対切り替え時間も取得する。ここで、熱電対切り替え時間とは、基板７が反応管３に入炉し反応管３が密閉してから、熱電対をヒータ近傍熱電対５から炉内近傍熱電対６に切り替えるまでの時間を表す。熱電対切り替え時間は、反応管３が密閉されてから２０分以上に設定することが好ましい。２０分以上に設定すると、炉内温度が十分に高く、炉内温度を熱処理温度に急激に戻す必要がないため、基板７の変形を抑制することができる。

次に、熱処理を開始し炉内温度が安定した後、温度制御部１０は、ヒータ近傍熱電対５で検出されたヒータ近傍温度（Ｙ１［℃］）及び炉内近傍熱電対６で検出された炉内近傍温度（Ｘ１［℃］）を取得する（Ｓ１０２）。

次に、温度制御部１０は補正値を演算し（Ｓ１０３）、演算結果をメモリ（不図示）に保存する。ここで、補正値とは、ヒータ近傍温度と炉内近傍温度との差（Ｚ１［℃］＝Ｙ１［℃］−Ｘ１［℃］）を表す。

そして、温度制御部１０は、基板７を反応管３に搬入する前に炉内近傍熱電対６との接続を中断し、補正値をメモリから読み出した後にヒータ近傍熱電対５で検出されたヒータ近傍温度に基づいてＰＩＤ制御を行う（Ｓ１０４）。すなわち、本実施の形態に係る熱処理装置１では、ヒータ近傍熱電対５と炉内近傍熱電対６との温度差が常にＺ１［℃］であるとみなして炉内温度を制御する。例えば、ヒータ近傍温度がＹ２［℃］である場合、炉内近傍温度をＸ２［℃］＝Ｙ２［℃］−Ｚ１［℃］と仮定して炉内温度を制御することになる。

その後、温度制御部１０は、ボート８に支持された基板７が反応管３に入炉し反応管３が密閉された（入炉時）後、熱電対切り替え指示があるか否か判断する（Ｓ１０５）。熱電対切り替え指示がある場合には（Ｓ１０５、ｙｅｓ）、熱電対切り替え時間に基づいて、熱電対を炉内近傍熱電対６に切り替えて引き続きＰＩＤ制御を行う（Ｓ１０６）。一方、熱電対切り替え指示がない場合には（Ｓ１０５、ｎｏ）、ヒータ近傍熱電対５により引き続きＰＩＤ制御を行う。

以上のように、本発明によれば、ヒータ近傍熱電対５が均熱管４により基板７と隔離されているため、炉の開口や雰囲気ガスの導入における急激な炉内温度の低下に対する反応が鈍い。このため、炉内温度を保持するためにヒータ出力を急激に増加させることがない。従って、基板７を急激に温度上昇させることがなく、基板７の変形を抑制し、異物（削りカス）数を低減することができる。また、ヒータ近傍熱電対５を用いると炉内温度を徐々に上昇させることができるため、基板７の入炉温度を高温に設定しても基板７の変形を抑制することができる。従って、熱処理温度に到達するまでの処理時間を低減することができるために生産性が向上する。

次に本発明の実施の形態に係る熱処理炉の機構について説明する。なお、ここでは、均熱管４、ヒータ近傍熱電対５及び炉内近傍熱電対６については省略する。

図３は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の斜透視図である。この熱処理装置１は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。この筺体１２の正面側には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚の被処理基板としてのウエハが収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。

筺体１２内の正面側であって、ポッドステージ１４に対向する位置には、ポッド搬送装置１８が配置されている。また、このポッド搬送装置１８の近傍には、ポッド棚２０、ポッドオープナ２２及び基板枚数検知器２４が配置されている。

ポッド棚２０はポッドオープナ２２の上方に配置され、基板枚数検知器２４はポッドオープナ２２に隣接して配置される。ポッド搬送装置１８は、ポッドステージ１４とポッド棚２０とポッドオープナ２２との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２２は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、この蓋が開けられたポッド１６内の基板の枚数が基板枚数検知器２４により検知される。

さらに、筺体１２内には、基板移載機２６、ノッチアライナ２８及び基板支持具（ボート）３０が配置されている。基板移載機２６は、例えば５枚の基板を取り出すことができるアーム（ツイーザ）３２を有し、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２２の位置に置かれたポッド、ノッチアライナ２８及び基板支持具８間で基板を搬送する。ノッチアライナ２８は、基板に形成されたノッチまたはオリフラを検出して基板のノッチまたはオリフラを一定の位置に揃えるものである。

さらに、筺体１２内の背面側上部には反応炉４０が配置されている。この反応炉４０内に、複数枚の基板を装填した基板支持具８が搬入され熱処理が行われる。

反応炉４０について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の反応炉４０の側面図である。反応炉４０は、炭化珪素（ＳｉＣ）製の反応管３を有する。この反応管３は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしており、開放された下端部はフランジ状に形成されている。この反応管３の下方には反応管３を支持するよう石英製のアダプタ４４が配置される。このアダプタ４４は上端部と下端部が開放された円筒形状をしており、開放された上端部と下端部はフランジ状に形成されている。

アダプタ４４の上端部フランジの上面に反応管３の下端部フランジの下面が当接している。この反応管３とアダプタ４４により反応容器４３が形成されている。また、反応容器４３のうち、アダプタ４４を除いた反応管３の周囲にのみ、ヒータ２が配置されている。

反応管３とアダプタ４４により形成される反応容器４３の下部は、基板支持具８を挿入するために開放され、この開放部分（炉口部）は炉口シールキャップ４８がＯリングを挟んでアダプタ４４の下端部フランジの下面に当接することにより密閉されるようにしてある。炉口シールキャップ４８は基板支持具８を支持し、基板支持具８と共に昇降可能に設けられている。

炉口シールキャップ４８と基板支持具８との間には、石英製の第１の断熱部材５２と、この第１の断熱部材５２の上部に配置された炭化珪素（ＳｉＣ）製の第２の断熱部材５０とが設けられている。基板支持具８は、多数枚、例えば２５〜１００枚の基板７を略水平状態で隙間をもって多段に支持し、反応管３内に装填される。

１２００℃以上の高温での処理を可能とするため、反応管３は炭化珪素（ＳｉＣ）製としてある。このＳｉＣ製の反応管３を炉口部まで延ばし、この炉口部をＯリングを介して炉口シールキャップでシールする構造とすると、ＳｉＣ製の反応管を介して伝達された熱によりシール部まで高温となり、シール材料であるＯリングを溶かしてしまうおそれがある。一方、Ｏリングを溶かさないようＳｉＣ製の反応管３のシール部を冷却すると、ＳｉＣ製の反応管３が温度差による熱膨張差により破損してしまう。そこで、反応容器４３のうちヒータ２による加熱領域をＳｉＣ製の反応管３で構成し、ヒータ２による加熱領域から外れた部分を石英製のアダプタ４４で構成する。このように構成することで、ＳｉＣ製の反応管３からの熱の伝達を和らげ、Ｏリングを溶かすことなく、また反応管３を破損することなく炉口部をシールすることが可能となる。

また、ＳｉＣ製の反応管３と石英製のアダプタ４４とのシールは、双方の面精度を良くすれば、ＳｉＣ製の反応管３はヒータ２の加熱領域に配置されているため温度差が発生せず、等方的に熱膨張する。よって、ＳｉＣ製の反応管３下端部のフランジ部分は平面を保つことができ、アダプタ４４との間に隙間ができないので、ＳｉＣ製の反応管３を石英製のアダプタ４４に載せるだけでシール性を確保することができる。

アダプタ４４には、アダプタ４４と一体にガス供給口５６とガス排気口５９とが設けられている。ガス供給口５６にはガス導入管６０が、ガス排気口５９には排気管６２がそれぞれ接続されている。

アダプタ４４の内壁は反応管３の内壁よりも内側に突出している。アダプタ４４の側壁部（肉厚部）には、ガス供給口５６と連通し、垂直方向に向かうガス導入経路６４が設けられ、その上部にはノズル取付孔が上方に開口するように設けられている。このノズル取付孔は、反応管３の内部におけるアダプタ４４の上端部フランジ側の上面に開口しており、ガス供給口５６およびガス導入経路６４と連通している。このノズル取付孔にはノズル６６が挿入され固定されている。すなわち、反応管３内部におけるアダプタ４４の反応管３の内壁よりも内側に突出した部分の上面にノズル６６が接続され、このアダプタ４４の上面によりノズル６６が支持されることとなる。この構成により、ノズル接続部は熱で変形しにくく、また破損しにくい。また、ノズル６６とアダプタ４４の組立て、解体が容易になるというメリットもある。ガス導入管６０からガス供給口５６に導入された処理ガスは、アダプタ４４の側壁部に設けられたガス導入経路６４、ノズル６６を介して反応管３内に供給される。なお、ノズル６６は、反応管３の内壁に沿って基板配列領域の上端よりも上方、すなわち基板支持具８の上端よりも上方まで延びるように構成される。

次に上述したように構成された熱処理装置１の機構の動作について説明する。なお、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ７０により制御される。

まず、ポッドステージ１４に複数枚の基板７を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されている基板７の枚数を検知する。

次に、基板移載機２６により、ポッドオープナ２２の位置にあるポッド１６から基板７を取り出し、ノッチアライナ２８に移載する。このノッチアライナ２８においては、基板７を回転させながら、ノッチを検出し、検出した情報に基づいて複数枚の基板７のノッチを同じ位置に整列させる。次に、基板移載機２６により、ノッチアライナ２８から基板７を取り出し、基板支持具８に移載する。

このようにして、１バッチ分の基板７を基板支持具８に移載すると、例えば７００℃程度の温度に設定された反応炉４０（反応容器４３）内に複数枚の基板７を装填した基板支持具８を装入し、炉口シールキャップ４８により反応炉４０内を密閉する。次に、炉内温度を熱処理温度まで昇温させて、ガス導入管６０からガス供給口５６、アダプタ４４側壁部に設けられたガス導入経路６４、及びノズル６６を介して反応管３内に処理ガスを導入する。処理ガスには、窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ₂）、酸素（Ｏ₂）等が含まれる。基板７を熱処理する際、基板７は例えば１２００℃程度以上の温度に加熱される。

基板７の熱処理が終了すると、例えば炉内温度を６００℃程度の温度に降温した後、熱処理後の基板７を支持した基板支持具８を反応炉４０からアンロードし、基板支持具８に支持された全ての基板７が冷えるまで、基板支持具８を所定位置で待機させる。次に、待機させた基板支持具８の基板７が所定温度まで冷却されると、基板移載機２６により、基板支持具８から基板７を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する。次に、ポッド搬送装置１８により、基板７が収容されたポッド１６をポッド棚２０、またはポッドステージ１４に搬送して一連の処理が完了する。

なお、上記実施の形態の説明においては、一度に複数枚の基板を熱処理するバッチ式の熱処理装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、枚葉式のものであってもよい。

熱処理装置１は、基板の製造工程にも適用することができる。ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハの一種であるＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）ウエハの製造工程の一工程に熱処理装置１を適用する例について説明する。

まずイオン注入装置等により単結晶シリコンウエハ内へ酸素イオンをイオン注入する。その後、酸素イオンが注入されたウエハを熱処理装置１を用いて、例えばＡｒ、Ｏ₂雰囲気のもと、１３００℃〜１４００℃、例えば１３５０℃以上の高温でアニールする。これらの処理により、ウエハ内部にＳｉＯ₂層が形成された（ＳｉＯ₂層が埋め込まれた）ＳＩＭＯＸウエハが作製される。

また、ＳＩＭＯＸウエハの他、水素アニールウエハやＡｒアニールウエハの製造工程の一工程に熱処理装置１を適用することも可能である。この場合、ウエハを熱処理装置１を用いて、水素雰囲気中もしくはＡｒ雰囲気中で１２００℃程度以上の高温でアニールすることとなる。これによりＩＣ（集積回路）が作られるウエハ表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。また、この他、エピタキシャルウエハの製造工程の一工程に熱処理装置１を適用することも可能である。

以上のような基板の製造工程の一工程として行う高温アニール処理を行う場合であっても、熱処理装置１を適用することができる。

また、熱処理装置１は、半導体装置（デバイス）の製造工程に適用することも可能である。特に、比較的高い温度で行う熱処理工程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。

このような半導体デバイスの製造工程の一工程としての熱処理工程を行う場合においても、熱処理装置１を適用することができる。

なお、この発明は、半導体製造装置における熱処理装置に限らず、例えばＬＣＤ装置等のガラス基板を熱処理する装置にも適用することができる。また、炉内における処理としては、ＣＶＤ処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理等、各種の処理が適用される。また、本実施の形態によれば、これら熱処理装置による被熱処理体の製造方法が開示されている。

本実施の形態における熱処理装置１を種々の条件で動作させた結果を以下に示す。なお、以下に示す実施例及び比較例では、各々ボート８のＴｏｐ、Ｃｅｎｔｅｒ及びＢｏｔｔｏｍの３箇所に配置した基板について評価を行った。

（実施例１及び２）
基板の入炉時から３０分間、ヒータ近傍熱電対５で検出されたヒータ近傍温度のみに基づいて炉内温度を制御した。基板の入炉温度を７００℃とした。

（実施例３、４、比較例１及び２）
入炉時にはヒータ近傍熱電対５で検出された炉内近傍温度に基づいて炉内温度を制御した。その後、各々の熱電対切り替え時間に応じて熱電対をヒータ近傍熱電対５から炉内近傍熱電対６に切り替えて、炉内近傍熱電対６で検出された炉内近傍温度に基づいて炉内温度を制御した。基板の入炉温度を７００℃とした。

（比較例３）
入炉時から３０分間、炉内近傍熱電対６で検出された炉内近傍温度に基づいて炉内温度を制御した。基板の入炉温度を７００℃とした。

（比較例４）
入炉時から３０分間、炉内近傍熱電対６で検出された炉内近傍温度に基づいて炉内温度を制御した。基板の入炉温度を６００℃とした。

このように制御された炉内温度の変化について説明する。図５は、実施例１、実施例４及び比較例３に係る炉内温度と処理時間との関係を示す図である。

図５に示すように、実施例１では、入炉時にヒータ近傍熱電対５で検出された炉内近傍温度に基づいて炉内温度を制御しているため、炉内温度が徐々に上昇していることがわかる。また、実施例４では、入炉してから２０分経過した後に、熱電対をヒータ近傍熱電対５から炉内近傍熱電対６に切り替えて炉内温度を制御しているため、炉内温度が緩やかに上昇していることがわかる。一方、比較例３では、炉内近傍熱電対６のみを用いて炉内温度を制御しているため、炉内温度が急激に上昇している。

次に、前述のように炉内温度を制御して得られた基板の評価結果について、図６を用いて説明する。図６は、実施例１〜４及び比較例１〜４に係る異物数及び生産性を示す表である。異物数の評価は、熱処理後の基板を光学顕微鏡にて観察し、異物の外接円相当径が０．１μｍ以上の異物の数により行った。異物数が１０個以下で正常とし、１０個を超えたときに不良とした。

生産性の評価は、基板が入炉した後熱処理温度に達するまでの時間で評価した。入炉後熱処理温度に到達するまでの時間が３０分以内であれば○とし、３０分より長ければ×とした。

図６に示すように、反応管３を密閉してから２０分以上経過した後に熱電対を炉内近傍熱電対６に切り替えた実施例１〜４では、ボート８のいずれの位置においても異物数が１０個未満となり、生産性にも優れる結果が得られた。これは、入炉後２０分程度で、基板を含めた炉内温度が十分に本来の設定温度付近まで温められ、炉内近傍熱電対６に切り替えても急激なヒータ出力の増加がないためである。

一方、反応管３を密閉してから２０分未満に熱電対を切り替えた比較例１〜３では、異物がＴｏｐ又はＣｅｎｔｅｒで多数発生した。また、入炉時の温度を６００℃に設定した比較例４では異物数が少ない。これは、入炉時の温度を低く設定しているため、入炉時の基板の温度と炉内温度との温度差が少なく、基板の変形が抑制されて異物数が低減したと推察される。しかし、比較例４では、入炉温度が低いために反応管３の開口時や雰囲気ガスの導入時に炉内温度が低くなるため、炉内温度を熱処理温度に上昇させるまでに多くの時間を費やしてしまい、生産性に劣る結果となった。

１熱処理装置、２ヒータ、３反応管、５ヒータ近傍熱電対（第１の温度検出部）、６炉内近傍熱電対（第２の温度検出部）、７基板、４０反応炉。

Claims

処理室内に収納された基板を加熱する加熱部と、
前記加熱部近傍の温度を検出する第１の温度検出部と、
前記第１の温度検出部よりも前記基板の近傍に位置し、前記基板近傍の温度を検出する第２の温度検出部と、
前記基板が入炉されてから所定時間内の前記加熱部の加熱制御を前記第１の温度検出部の検出温度に基づいて行う制御部と
を備えることを特徴とする熱処理装置。