JP2016076529A - 温度測定用支持部材及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源を熱源とする熱処理において、被処理体を下面側から加熱する場合であっても、熱処理の均一性を損なうことなく、しかも被処理体の温度を正確に測定する温度測定用支持部材及び熱処理装置を提供する。
【解決手段】発光素子からの光をウェハＷに照射して熱処理する際に用いられる測定用支持ピン６１は、ウェハＷの支持面に接触する、加熱光に対して透明な熱伝導部材６３と、熱伝導部材６３内に検出部６４ａが位置して、熱伝導部材６３と検出部６４ａが接触する温度センサ６４とを有している。熱伝導部材６３は、加熱光に対して透明な支持体６２によって支持されている。加熱光は、透明支持板５０の下面側からウェハＷに対して照射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度測定用支持部材及び光源を熱源とする熱処理装置に関する。

例えば半導体デバイスの製造工程では、例えば基板としての半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）上に成膜を行う成膜処理や熱処理などの各種処理が順次行われる。イオン注入後の熱処理においては、拡散を最小限に抑えるためにより高速での昇降温が要求されるが、近年、半導体デバイスの微細化、高集積化に伴い、その要求は特に顕著である。

そこで近年、より高速での昇降温を行なう熱処理装置の熱源として、例えば特許文献１に開示されるように、ＬＥＤ光が用いられる場合がある。ＬＥＤ光を熱源として用いるにあたっては、高速昇温に対応するためにＬＥＤが高密度で配置される。また半導体ウェハを加熱するにあたっては、半導体ウェハの上面のみならず、半導体ウェハの下面側からも加熱することが提案されている。

特開２０１０−１５３７３４号公報

ところで、このように加熱対象である半導体ウェハの温度を測定する場合、従来からシース熱電対などの温度センサを用いて測定されている。この点に関し、特許文献１には、半導体ウェハの端部に温度センサの測定部を接触させるようにしている。

しかしながら特許文献１に記載された技術では、熱処理室内への半導体ウェハの搬入出の際に温度センサが邪魔になるので、別途温度センサ専用の進出、退避機構を設ける必要がある。また温度センサの測定位置への移動にあたっては、温度センサの三次元移動が必要となり、前記進出、退避機構には高い精度が要求される。

この点に関し、たとえば熱処理の際に半導体ウェハを下面側から支持する支持部材に温度センサを設ければ、前記した問題は解決される。
しかしながら上面側から加熱する際には問題はないが、下面側、すなわち半導体ウェハの支持面側から光源によって加熱する場合には、支持部材の影が投影されたり、加熱光が支持部材で遮られてしまい、熱処理の均一性に影響が出てしまう。また従来の一般的なこの種の支持部材はＰＴＦＥ、金属、セラミック等で構成されているため、加熱光からの光を吸収し、その際の熱を温度センサが検出して、半導体ウェハの正確な温度を測定できないおそれがあった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤなどの光源を熱源とする熱処理において、半導体ウェハなどの基板、被処理体を下面側から加熱する場合であっても、熱処理の均一性を損なうことなく、しかも被処理体の温度を正確に測定することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、発光素子からの光を被処理体に照射して当該被処理体を熱処理する際に用いられ、前記被処理体の温度を測定しつつ前記被処理体の支持面を支持する支持部材であって、前記支持面に接触する熱伝導部材と、前記熱伝導部材内に検出部が位置して、前記熱伝導部材と前記検出部が接触する温度センサと、前記熱伝導部材を支持する透明な支持体と、を有することを特徴としている。

本発明にかかる温度測定用支持部材は、たとえば被処理体をそのまま支持するようにして使用され、被処理体の温度は温度センサで測定される。このとき被処理体の支持面には熱伝導部材が接触し、当該熱伝導部材には温度センサの検出部が接触しているから、被処理体の熱は直ちに熱伝導部材を介して温度センサの検出部に伝熱される。そして熱伝導部材は前記発光素子からの光に対して透明な支持体によって支持されるので、たとえば光源からの光を支持体が吸収することはないから、被処理体の温度を正確に測定することができる。しかも、被処理体に対する入射方向に沿って、すなわち被処理体と直交する方向にこの温度測定用支持部材を配置することで、前記光による温度センサの影の面積は最小限に抑えられる。したがって、被処理体に対する熱処理の均一性に与える影響を極めて少なくすることができる。

前記熱伝導部材は透明であってもよい。

さらにまた前記熱伝導部材における被処理体との接触面には、前記熱伝導部材よりも熱伝導率が高い材質が設けられていてもよい。

前記熱伝導部材はサファイアからなるものであってもよい。

前記支持体は、石英からなっていてもよい。

本発明の別な観点によれば、被処理体に光を照射して熱処理する熱処理装置であって、前記被処理体を支持する支持部材と、前記支持部材に支持された被処理体の支持面側に設けられ、前記被処理体に光を照射する発光素子とを有し、前記支持部材には、前記した本発明にかかる温度測定用支持部材が用いられていることを特徴とする。

本発明によれば、被処理体に対する熱処理の均一性に影響を与えることなく、被処理体の温度を正確に測定できる。

本実施の形態にかかる熱処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 発光素子ユニットの構成の概略を示す平面図である。 熱源の構成の概略を示す平面図である。 測定用支持部材の縦断面図である。 制御部の構成の概略を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態の一例について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る熱処理装置１の概略の構成を示す縦断面図である。

熱処理装置１は、容器内の下方に、後述の発光素子ユニット３０からウェハＷに向けて照射された光を透過する平板状の光透過部材１０を有している。光透過部材１０は発光素子ユニット３０からの光に対して透明な材質、たとえば石英からなる。この光透過部材１０により処理容器１１内の空間は上下に仕切られ、処理容器１１内は、熱処理部１２と、発光素子ユニット３０を収容する熱源収容部１３とに区画されている。

熱源収容部１３には、熱源２１として、複数の発光素子ユニット３０が収容されている。各発光素子ユニット３０は、後述の透明支持板５０に載置されたウェハＷに対して、下面側から光を照射するように設けられている。各発光素子ユニット３０は、電極３１を介して支持板３１ａに支持され、支持板３１ａは処理容器の底板１１ａに支持されている。底板１１ａの内部には図示しない冷媒管が設けられ、その内部に冷却水を通水することで、各発光素子ユニット３０の冷却が行なわれる。

発光素子ユニット３０は、図２に示すように六角状に形成された支持板３２を有し、当該支持板３２の表面に発光素子３３が多数配置されている。発光素子３３としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。各発光素子３３の間には反射層３４が形成されており、発光素子３３からの光を反射させることで、光透過部材１０に向けて有効に光を取り出すことができる。発光素子３３及び反射層３４は支持板３２により支持されている。なお、反射層３４の反射率は例えば０．８以上である。

各発光素子３３は、半球状に形成されたレンズ層（図示せず）で覆われている。レンズ層は屈折率の高いＬＥＤと屈折率が１の空気との中間の屈折率を有し、ＬＥＤから空気中に光が直接射出されることによる全反射を緩和するために設けられる。レンズ層を設けることで各発光素子３３の側面からも光を取り出すことができる。また、側面から取り出された光は反射層３４により反射されて光透過部材１０に向けて照射される。そして、熱源２１は、例えば図３に示すように、一つの発光素子ユニット３０の六角状の支持板３２の辺が互いに隣接するように配置されて構成されている。このような配置構成とすることで、全ての発光素子ユニット３０が隙間無く配置される。

一つの発光素子ユニット３０には、１０００〜２０００個程度の発光素子３３が搭載されている。発光素子３３として用いられるＬＥＤとしては、光の波長が紫外〜近赤外の範囲、好ましくは３６０〜１０００ｎｍの範囲の、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などの化合物半導体が用いられる。なお、加熱対象がシリコン製のウェハである場合、シリコンウェハによる吸収率の高い８００〜９７０ｎｍ付近の波長を有するＧａＡｓ系の材料からなるＬＥＤを用いることが好ましい。

底板１１ａの処理容器１１外側には、各発光素子ユニット３０に電流を供給する電源４０が複数配置されている。電源４０は、後述する制御部１５０に接続されており、各発光素子ユニット３０へ供給する電流は制御部１５０によって個別に制御される。

本実施の形態では、複数の電源４０が設けられている。これは、複数の発光素子ユニット３０を、複数の発光素子ユニット群に分割し、各発光素子ユニット群に個別に電力を供給するためである。これによって、発光素子ユニット群ごとに供給電力の制御が可能である。

処理容器１１の天板１１ｂには、当該処理容器１１内に、処理ガス供給源４１から、流量調整機構４２を介して所定の処理ガスを導入する処理ガス供給管４３が接続されている。処理ガス供給管４３には、バッフル板、シャワープレートなどのガス拡散部材４４が接続されている。

前記した光透過部材１０、及び処理容器１１の底板１１ａには、図示しない排気装置に接続された排気管４５が貫通接続されており、この排気管４５を通じて処理容器１１内を排気することができる。

光透過部材１０の上方には、ウェハＷを支持する円盤形状の透明支持板５０が配置されている。この透明支持板５０は、例えば石英からなっている。透明支持板５０の上面、すなわちウェハＷの支持面には、支持ピン５１、測定用支持部材としての測定用支持ピン６１が設けられている。支持ピン５１は、円柱形状を有し、透明な材質、たとえば石英によって構成されている。

測定用支持ピン６１は、図４に示した構成を有している。すなわち、測定用支持ピン６１は、透明支持板５０の上面に設けられた筒状の支持体６２と、この支持体６２によって支持された熱伝導部材６３と、この熱伝導部材６３内に検出部６４ａが位置して、熱伝導部材６３と検出部６４ａとが接触している温度センサ６４とを有している。

本実施の形態では、支持体６２は石英が使われ、熱伝導部材６３としてはサファイアが使用されている。いずれも透明で発光素子ユニット３０からの光を透過させる材質が使用されている。もちろんこれらの材質には限られないが、熱源２１としての光源からの照射光に対して透過率が８０％以上の透明度があれば好ましい。

また熱伝導率については、熱伝導部材６３については、２０Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導率を有する材質で構成することが好ましい。一方、支持体６２については、熱伝導率が低いものが好ましく、たとえば２Ｗ／ｍｋ以下の低い熱伝導率を有する材質で構成することが好ましい。

また本実施の形態で用いられた温度センサ６４は、熱電対である。もちろん本発明で使用できる温度センサは、熱電対に限られない。温度センサ６４から導出される素線などの信号用リード６４ｂは、たとえば透明支持板５０の下面側に沿って処理容器１１外に通じており、処理容器１１外に設置されている測定装置６６へと接続されている。そして測定装置６６からの温度信号は、制御部１５０へと出力される。

制御部１５０は、例えばコンピュータである。制御部１５０は、測定装置６６からの信号が入力される入力部１５１、入力部１５１から入力されたデータを演算する演算部１５２と、所定のデータを記憶する記憶部１５３、各電源４０やその他機器の動作を制御するための信号を出力する出力部１５４を有している。

演算部１５２の機能について詳述する。図５に示すように演算部１５２では、入力部１５１に入力された測定装置６６からの温度と、記憶部１５３に予め記憶されていた、所望のウェハＷの設定温度とを、各発光素子ユニット群ごとに比較演算する。そして測定温度と設定温度とを比較し、測定温度が設定温度となるように、出力部１５４から各電源４０に対して、相応の電流指令値を出力する。これによって、発光素子ユニット３０に供給する電力が制御され、ウェハＷの温度が所定の温度となるように制御される。

前記したように、本実施の形態では、透明支持板５０の上面には、支持ピン５１と測定用支持ピン６１が設けられているが、全て測定用支持ピン６１としてもよい。またその場合、発光素子ユニット群に対応して測定用支持ピン６１を設置してもよい。かかる場合、各測定用支持ピン６１からの温度信号に基づいて、発光素子ユニット群ごとに対応して設置される電源４０を個別に制御することができ、ウェハＷ全体に対して、より均一性の高い熱処理を実行することが可能である。

なお、記憶部１５３には、各電源４０やその他機器などを制御して、熱処理装置１を動作させるためのプログラムも格納されている。なお、上記のプログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、その記憶媒体から制御部１５０にインストールされたものであってもよい。

図１に示したように、透明支持板５０は、下面側で支持して側方に延出するアーム部材７１によって支持されている。このアーム部材７１はアングル形状をなし、たとえば処理容器１１の側壁１１ｃに気密に設けられたケース７２の上面７２ａから処理容器１１外に垂直に延びている。ケース７２の上面７２ａとアーム部材７１との間の気密性は、シール部材７３によって確保されている。そしてアーム部材７１の先端は、ブラケット７４を介して、昇降シリンダ７５に接続されている。かかる構成により、処理容器１１内の気密性を維持したまま、昇降シリンダ７５の上下動によって、透明支持板５０は処理容器１１内で上下動することができる。

本実施の形態にかかる熱処理装置１は以上のように構成されており、熱処理中のウェハＷの温度は、透明支持板５０上の測定用支持ピン６１によって測定される。すなわち、ウェハＷの温度は、熱伝導部材６３を介して、温度センサ６４の検出部６４ａに伝えられ、信号用リード６４ｂから処理容器１１外に設置されている測定装置６６へと出力される。

このときウェハＷに対する加熱は、ウェハＷの下面側に位置している発光素子ユニット３０からの光によって行われるが、熱伝導部材６３、支持体６２はいずれも加熱光に対して透明な材質からなっているので、熱伝導部材６３、支持体６２が直接、加熱光を吸収して昇温することはない。また本実施の形態で使用されている熱伝導部材６３はサファイアによって構成されているので、熱伝導率が高く、加熱されたウェハＷの温度は直ちに温度センサ６４の検出部６４ａに伝達される。一方、熱伝導部材６３を支持している支持体６２は、熱伝導部材６３よりも熱伝導率が低いので、支持体６２を介してウェハＷの温度が外部に伝わることを抑えることができる。したがって、ウェハＷの正確な温度を検出することが可能である。また測定用支持ピン６１を伝わる熱を抑えることができるから、測定用支持ピン６１とウェハＷとの接触部の温度が低下は殆どない。それゆえ熱処理の均一性は確保される。

しかも熱伝導部材６３、支持体６２はいずれも加熱光に対して透明な材質からなっているので、発光素子ユニット３０からの光を遮ることはなく、上記のような温度測定によって、熱処理の均一性が損なわれることはない。また温度センサ６４の検出部６４ａは微小な大きさであり、さらに信号用リード６４ｂは、透明支持板５０の下面側に位置して、ウェハＷからは離れて位置しているので、これらの影がウェハＷの裏面側に投影されることは、殆ど無視できる。したがってかかる点からも熱処理の均一性は確保される。

なお前記実施の形態では、熱伝導部材６３としてサファイアを使用したが、熱伝導部材６３全てにサファイアを使用せず、ウェハＷの下面との微小な接触部分のみに、例えばさらに熱伝導が良好な材質、金属を用いてもよい。かかる場合でも、加熱光を遮る面積が小さいので、その影響は殆ど問題にならないものである。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 熱処理装置
１０ 光透過部材
１１ 処理容器
１１ａ 底板
１１ｂ 天板
１１ｃ 側壁
１２ 熱処理部
１３ 熱源収容部
２１ 熱源
３０ 発光素子ユニット
３１ 電極
３１ａ 支持板
３２ 支持板
３３ 発光素子
３４ 反射層
４０ 電源
４１ 処理ガス供給源
４２ 流量調整機構
４３ 処理ガス供給管
４４ ガス拡散部材
４５ 排気管
５０ 透明支持板
５１ 支持ピン
６１ 測定用支持ピン
６２ 支持体
６３ 熱伝導部材
６４ 温度センサ
６４ａ 検出部
６４ｂ 信号用リード
６６ 測定装置
７１ アーム部材
７２ ケース
７２ａ 上面
７３ シール部材
７４ ブラケット
７５ 昇降シリンダ
１５０ 制御部
１５１ 入力部
１５２ 演算部
１５３ 記憶部
１５４ 出力部
Ｗ ウェハ

Claims (6)

1. 発光素子からの光を被処理体に照射して当該被処理体を熱処理する際に用いられ、前記被処理体の温度を測定しつつ前記被処理体の支持面を支持する支持部材であって、
   前記支持面に接触する熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材内に検出部が位置して、前記熱伝導部材と前記検出部が接触する温度センサと、
   前記熱伝導部材を支持する、前記発光素子からの光に対して透明な支持体と、
   を有することを特徴とする、温度測定用支持部材。
2. 前記熱伝導部材は、前記発光素子からの光に対して透明であることを特徴とする、請求項1に記載の温度測定用支持部材。
3. 前記熱伝導部材における被処理体との接触面には、前記熱伝導部材よりも熱伝導率が高い材質が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の温度測定用支持部材。
4. 前記熱伝導部材はサファイアからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度測定用支持部材。
5. 前記支持体は、石英からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度測定用支持部材。
6. 被処理体に光を照射して熱処理する熱処理装置であって、
   前記被処理体を支持する支持部材と、
   前記支持部材に支持された被処理体の支持面側に設けられ、前記被処理体に光を照射する発光素子とを有し、
   前記支持部材には、請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度測定用支持部材が用いられていることを特徴とする、熱処理装置。
   

Images