JP3493880B2 - 輻射加熱装置および加熱方法 - Google Patents
輻射加熱装置および加熱方法Info
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Description
処理体を加熱処理する場合において、特には半導体、石
英ガラス等の大直径あるいは大型の基板に種々の熱処
理、CVD膜成長、エピタキシャル成長等を行う場合に
おいて、被処理体、特には基板状の被処理体を均一に加
熱することができる輻射加熱装置および加熱方法に関す
る。
ており、これに伴い1デバイスチップの面積が大きくな
ることに起因して、素材となる半導体基板もますます大
直径化している。そして、これら半導体基板にデバイス
を作製する場合に、フォトマスクとして用いられる石英
基板、あるいは半導体基板に種々の熱処理を加える加熱
装置等も、これらに伴い必然的に大型化している。
加熱装置等の周辺部材の大型化は、被処理体に種々の熱
処理を加える場合に必然的に温度分布を生じさせ易くな
っており、被処理体を均一に加熱処理することを困難に
ならしめている。この場合、被処理体が不均一に加熱さ
れると、例えば半導体基板であれば、スリップが発生し
たり、成長させる膜厚が不均一になったり、あるいは種
々の電気特性の悪化を引き起こしたりして、1枚の半導
体基板から取れるデバイスチップ歩留を著しく悪化させ
てしまう。
は、その主流は直径150mmから200mmへと移り
つつあるが、今後さらに直径300mm、あるいはそれ
以上へと進行することが確実視されており、このような
大直径の基板の熱処理においては、基板面内の温度分布
がさらに悪化することが予想され、被処理体たる半導体
基板を均一に加熱することができる加熱装置、加熱方法
が望まれている。
問題点に鑑みなされたもので、より大きな被処理体、特
には半導体、石英ガラス等の大直径あるいは大型基板に
加熱装置で加熱処理を加える場合において、被処理体、
特には基板状の被処理体を均一に加熱することができる
輻射加熱装置、および加熱方法を提供することを目的と
する。
め、本発明に記載した発明は、複数の輻射加熱ユニット
により被処理体を加熱処理する輻射加熱装置において、
輻射光を分離して被処理体が加熱される領域を限定する
隔壁を有することを特徴とする。
射加熱装置であって、前記隔壁は輻射加熱ユニット間に
配設され、被処理体方向に延在し、該被処理体への輻射
光を分離することを特徴とする。
輻射加熱装置であって、前記隔壁は被処理体との間に所
定の間隔を有し、該被処理体に均一な温度分布が形成さ
れることを特徴とする。そして、本発明の隔壁の表面は
鏡面加工することが好ましく、さらにその表面を金で被
覆してもよい。また、本発明に記載した発明は、前記の
輻射加熱装置であって、前記隔壁は、被処理体の主面側
および/または背面側に配置されることを特徴とする。
ユニットによる加熱方法において、外側輻射加熱ユニッ
トにより被処理体周辺部を主に輻射加熱し、内側輻射加
熱ユニットにより被処理体中心部を主に輻射加熱し、隔
壁により各輻射加熱ユニットからの輻射光を分離反射し
て被処理体が加熱される領域を限定することを特徴とす
る。前記複数の輻射加熱ユニットは、相互に独立して輻
射強度を制御することが好ましい。
法であって、被処理体の主面側に配置された内側輻射加
熱ユニットと外側輻射加熱ユニットにより被処理体を主
面側から加熱し、被処理体の背面側に配置された下側輻
射加熱ユニットにより被処理体を背面側から加熱するこ
とを特徴とする。
であって、被処理体の主面側に配置された外側輻射加熱
ユニットにより被処理体を主面側から加熱し、被処理体
の背面側に配置された下側輻射加熱ユニットにより被処
理体を背面側から加熱することを特徴とする。また、本
発明に記載した発明は、前記の加熱方法であって、前記
被処理体はシリコン単結晶基板であり、該基板の裏面の
一部および/または側面部を保持することにより輻射装
置内に載置されることを特徴とする。
発明はこれらに限定されるものではない。従来、被処理
体に種々の熱処理、CVD膜成長、エピタキシャル成長
等を行う輻射加熱装置としては、例えば特公平7−99
737号に記載されたような装置が知られている。この
装置はドーム型の反応容器内に被処理体たる半導体基板
を保持し、ガスを導入しながら、反応容器外に設置され
た複数の輻射加熱ユニットで被処理体を加熱することに
よって、被処理体に所望の処理を施すことができるよう
になっている。
被処理体の上部と下部に設けられると共に、それぞれ二
重あるいはそれ以上に円形配列され、外部配列と内部配
列の放射強度を独立して調整、制御することによって、
被処理体の半径方向の温度の均一化を図ることができる
とするものである。
の結果、このような装置では被処理体の面内温度分布を
均一化することは困難で、特に300mm以上といった
大型基板を被処理体として熱処理する場合、被処理体の
中心部の温度が高くなり、周辺部は低くなるという温度
分布となる傾向があることがわかった。
が、輻射加熱の場合熱源は輻射光の放射によるものであ
り、被処理体は反応容器という囲まれた雰囲気中に配置
されているもの故、輻射光は反射等により散乱し、反応
容器の中心部に集まりやすい。その上、輻射ランプを円
形配列とすると、ますますその中心部に輻射光は集中す
ることとなり、例え輻射加熱ユニットを、外部配列と内
部配列に分けたとしても、各輻射加熱ユニット単独によ
る温度分布はみな被処理体の中心部を高温化するもの
で、したがってこれらの各輻射加熱ユニットを独立に放
射強度を調整制御したとしても、被処理体の面内温度分
布を均一化させることはできない。すなわち、より具体
的に言えば、被処理体の周辺部に輻射光が余り当たらな
いため、周辺部が低温化し、中心部が高温化してしまう
のである。
トの位置を変えたり、その数をいたずらに増やし、装置
を複雑化あるいは大型化させていたが、実際には被処理
体の周辺部を十分高温とし、温度の均一化を図ることが
でき難いものであった。そこで、本発明者らは、簡単か
つ装置を大型化させることなく、実際に被処理体の周辺
部を高温とすることができる輻射加熱装置の開発に着手
し、これを完成させたものである。
て、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図1
は、本発明にかかる輻射加熱装置の1実施形態を示した
概略断面図である。
できた反応容器2のほぼ中央部に半導体基板等の被処理
体3を配置し、該反応容器外に配置された輻射加熱ユニ
ット4,5,6から被処理体に輻射光によるエネルギー
を照射することによって熱処理ができるようになってい
る。
ており、その形状は目的に応じ円筒状、チューブ状等種
々の形状のものとすることができるが、本実施形態では
中空の円盤形状としている。そして、この反応容器2
は、図示しないフランジ部で鉛直方向に、図示しない駆
動部によって分割できるようになっており、被処理体3
を出し入れできるようになっている。
々のものが用いられるが、例えば半導体シリコン基板,
GaAs,GaP,InP等の化合物半導体基板,ある
いは合成石英基板等が挙げられる。これらは一般に薄板
形状をしており、反応容器2のほぼ中央部に例えば石英
製ピン7で保持されている。被処理体3の保持方法は、
前記石英製ピンによるものには限られず、いわゆる石英
製サセプター、炭化珪素製サセプター、さらには当該被
処理体と同質のサセプターあるいは熱処理で不純物とな
らないセラミックス等のサセプターを用いて保持しても
よい。そして、背面からの加熱効率を上げるため、前記
被処理体たる基板の裏面の一部および/または側面部を
保持することにより輻射装置内に載置されるのが好まし
い。
ずつ処理される、いわゆる枚葉式を採用しているが、一
度に複数枚を処理してもよい。この場合、本発明の特許
請求の範囲に言う「被処理体」とは、一度に処理される
被処理体の集合全体を指している。
配置され、それぞれ円形に個々の輻射ランプが配列され
ている。用いられる輻射ランプとしては、一般に赤外線
ランプ、ハロゲンランプ等が挙げられるが、本実施形態
では赤外線ランプを採用した。被処理体3の主面(上側
面)側は、内外二重円形配列されており、被処理体の中
心部を主に高温とするための内側輻射加熱ユニット4と
被処理体の周辺部を主に高温とするための外側輻射加熱
ユニット5が配置され、それぞれ独立して輻射強度を制
御可能に構成されている。そして、この内側輻射加熱ユ
ニット4と外側輻射加熱ユニット5との間には、これら
を分離遮蔽する円筒状の隔壁10が設置されている。
体周辺部を主に高温とする外側輻射加熱ユニット5を他
の輻射加熱ユニットから分離遮蔽するものであればよ
く、輻射加熱ユニットの配置あるいは形状に応じて種々
の形状を採用することができる。また、隔壁10の材質
としては、用いられる輻射ランプの光に対し不透明で、
高温による劣化等を起こさないものであれば特に限定さ
れないが、例えば銅、ニッケル、鉄等の金属を用いるこ
とができる。そして、この隔壁の表面は、例えば金メッ
キ等を施すことによって鏡面とするのが好ましい。熱源
が輻射加熱である以上、表面を鏡面とし、光を反射させ
ることによって、より輻射光の方向性を高め、所望の温
度分布を得るためである。なお、ハウジング8の輻射加
熱ユニット4,5,6近傍の内側面も、鏡面処理が施さ
れ、被処理体方向への光の方向性が強化されている。そ
して、各輻射ランプは強制空冷され、ハウジング8はラ
ンプ側表面を空冷すると共に、冷却水により水冷されて
いる。
は、被処理体の全体を高温とするための下側輻射加熱ユ
ニット6が配置されており、内側輻射加熱ユニット4と
外側輻射加熱ユニット5とは、独立して輻射強度を制御
可能に構成されている。この場合、本実施形態では被処
理体の下側に配置された輻射加熱ユニットは、下側輻射
加熱ユニット6のみであり、従って、下側には必ずしも
隔壁を設ける必要はないが、被処理体の下側において
も、上側と同様に輻射加熱ユニットを二重円形配列と
し、隔壁を設けて外側輻射加熱ユニットを、被処理体3
の周辺部を高温とするものとしても良い。
配列に限られず、被処理体の形状、反応容器の形状に従
って、適当に選択すれば良い。例えば、全面に均等配列
としてもよいし、角型に配列してもよい。さらには、円
形配列とする場合でも、三重あるいはそれ以上に配列し
てもよい。
て、被処理体を均一加熱できる作用について、被処理体
3として直径300mmの半導体単結晶シリコンウエー
ハを用い、これにエピタキシャル層を成長させる場合を
例として説明する。
直径300mmのシリコンウエーハを石英製ピン上に保
持し、これに反応ガスとして、クロロシランを水素をキ
ャリアガスとして導入しながら、輻射加熱ユニット4,
5,6でシリコンウエーハを約800〜1200℃に加
熱することによって、ウエーハ上に単結晶シリコンのエ
ピタキシャル層を成長せることができる。
輻射加熱ユニット5とは、銅に金メッキを施し、表面を
鏡面化させた円筒状の隔壁10により、それぞれ分離遮
蔽されている。したがって、内側輻射加熱ユニット4か
ら放射された輻射光は、300mmシリコンウエーハの
中心部を直接加熱するか、金メッキされた隔壁10の内
側面で反射して、そのほとんどがやはり300mmシリ
コンウエーハの中心部を照射して、これを加熱すること
になる。すなわち、内側輻射加熱ユニット4による加熱
は、被処理体たるウエーハの中心部の温度が高く、周辺
部の温度が低いという、被処理体中心部を主に高温とす
る温度勾配、温度分布を有するものとなる。
れた輻射光は、300mmシリコンウエーハの周辺部を
直接加熱するか、金メッキされた隔壁10の外側面およ
びハウジング8の内壁で反射して、そのほとんどが30
0mmシリコンウエーハの周辺部を照射して、ウエーハ
中心部への輻射光の散乱が防止されることになる。すな
わち、外側輻射加熱ユニット5による加熱は、被処理体
たるウエーハの周辺部の温度が高く、中心部の温度が低
いという、被処理体周辺部を主に高温とする温度勾配、
温度分布を有するものとなる。
能に構成された内側輻射加熱ユニット4と外側輻射加熱
ユニット5を組み合わせ、光の照射強度をウエーハ中心
部と周辺部とで調整制御することによって、直径300
mm以上といった大直径シリコンウエーハの均一加熱が
可能となる。すなわち、単独の輻射加熱ユニットでは、
積極的に、かつ局部的に温度勾配をもつものとし、これ
らを組み合わせて、それぞれを独立してパワーを調整制
御することによって、被処理体を均一に加熱することを
可能とするものである。
内側及び外側からの輻射光が加熱される領域を限定する
ことにある。しかし、例えば内側からの輻射光と外側か
らの輻射光を隔壁10で完全に分離遮蔽してしまい、内
側からの輻射光が被処理体3の周辺部に全く照射されな
いようにすると同時に、外側からの輻射光が被処理体3
の中心部に全く照射されないようにすると、隔壁10付
近で被処理体3上の温度分布が不均一になってしまう。
そこで、隔壁10と被処理体3との間に所定の間隔を形
成して、内側からの輻射光が被処理体3の周辺部も少し
加熱でき、外側からの輻射光が被処理体3の中心部も少
し加熱できるようにすると、被処理体3上の温度分布が
均一になる。本実施形態の場合、隔壁10の下端と30
0mmのシリコンウエーハ3との間隔が30〜40mm
の時に、シリコンウエーハ3上の温度分布が均一になる
ことが確認された。
は隔壁が設けられていないため、これによる加熱は、光
が反射散乱するものであるから、シリコンウエーハ全体
を加熱するものとなるが、前述のように光が被処理体中
心部に集まりやすいので、被処理体の中心部の温度が高
いものとなる。しかし、隔壁による光の照射範囲の限定
がなされていないので、その温度勾配は内側輻射加熱ユ
ニット4によるものよりゆるやかなものとなる。従っ
て、下側輻射加熱ユニット6による加熱は、被処理体た
るシリコンウエーハを均一に加熱するという意味では、
必ずしも必要ではないことになるが、被処理体を素早く
所望温度に昇温し、かつ安定した加熱処理とするのに寄
与する他、高温の熱処理をする場合に特に必要とされる
ものである。
一に加熱できる組み合わせは、内側輻射加熱ユニット4
と外側輻射加熱ユニット5による場合のみならず、外側
輻射加熱ユニット5と下側輻射加熱ユニット6、内側輻
射加熱ユニット4と外側輻射加熱ユニット5および下側
輻射加熱ユニット6、の組み合わせによっても均一加熱
を達成することができる。
0mmの半導体シリコン単結晶ウエーハを加熱し、その
温度分布を測定してみた。
に配置された内側輻射加熱ユニット4と外側輻射加熱ユ
ニット5との間に、表面を鏡面加工し金で被覆した、直
径190mm,長さ135mmの円筒状隔壁10を配設
した。この時、隔壁10の下端とシリコンウエーハとの
間隔は、35mmであった。
独による加熱を行い、シリコンウエーハ上の温度分布を
測定してみた。その結果を図2に示した。図2(A)は
内側輻射加熱ユニット4単独による温度分布であり、
(B)は外側輻射加熱ユニット5単独による温度分布で
あり、(C)は下側輻射加熱ユニット6単独による温度
分布を示している。
射加熱ユニット4単独による加熱は、ウエーハ中心部を
主に高温とすることができるものであり、かつ中心部と
周辺部とで温度差が大きくなっており、ウエーハの中心
部を集中して加熱することができるものとなっている
(図2(A))。一方、外側輻射加熱ユニット5単独に
よる加熱では、逆にウエーハ周辺部の方が高温となって
おり、隔壁によって輻射光が中心部に散乱するのを有効
に防止できていることがわかる(図2(B))。下側輻
射加熱ユニット6単独による加熱は、隔壁がないためウ
エーハ全体を加熱するものとなっており、温度分布は
(A)に比しなだらかになっているが、ウエーハ中心部
を高温とするものとなっていることがわかる(図2
(C))。したがって、(B)と(A)または(C)、
あるいはこれらすべてを組み合わせて加熱すれば、被処
理体を均一に加熱することができることがわかる。
5と下側輻射加熱ユニット6を組み合わせた加熱を行っ
た。目標ウエーハ温度を510℃とし、外側輻射加熱ユ
ニット5と下側輻射加熱ユニット6への供給電力をそれ
ぞれ調整することで輻射強度を制御し、ウエーハ面内の
温度分布を均一化できるかを試みた。その結果を図3に
示した。図3から明らかなように、この装置を用いれ
ば、ウエーハ中心部と周辺部との温度差をなくし、均一
な面内温度分布で加熱することができることがわかる。
壁10を取り除いた上で、外側輻射加熱ユニット5単独
による加熱を行い、直径300mmシリコンウエーハ上
の温度分布を測定してみた。結果を図4に示した。この
図から明らかなように、隔壁がない場合の外側輻射加熱
ユニット5単独による加熱は、隔壁がないため光がウエ
ーハ中心部に散乱し、ウエーハ中心部を高温とするもの
となっていることがわかる。すなわち、これは前記図2
(C)の下側輻射加熱ユニット6単独による加熱に類似
したものであり、このような単独加熱による温度分布を
有する外側輻射加熱ユニット5では、内側輻射加熱ユニ
ット4や下側輻射加熱ユニット6と組み合わせても被処
理体を均一な温度分布で加熱することはできない。
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
00mmのシリコン単結晶ウエーハにエピタキシャル層
を成長させる場合につき例を挙げて説明したが、本発明
はこれには限定されず、同様の作用効果は、直径200
mm以上あるいは400mm以上といった大直径のシリ
コンウエーハに熱処理を加える場合にもあてはまるし、
逆に150mm以下といったウエーハに適用しても効果
があることは言うまでもない。
る被処理体としても特に限定されるものではなく、本発
明の装置が適用可能なものであれば、半導体シリコン、
種々の化合物半導体、合成石英の他、酸化物単結晶、種
々の磁性材料等の熱処理をすることもできる。
に加えられる熱処理についても特に限定されるものでは
ない。例えば、エピタキシャル膜成長、CVD膜成長の
他、いわゆるアニール、水素熱処理、酸素熱処理、窒素
熱処理、ドーパント拡散等のデバイス工程等種々の熱処
理で用いることができる。
装置および加熱方法では、輻射光を分離して被処理体が
加熱される領域を限定する隔壁を有し、外側輻射加熱ユ
ニットにより被処理体周辺部を主に輻射加熱し、内側輻
射加熱ユニットにより被処理体中心部を主に輻射加熱
し、隔壁により各輻射加熱ユニットからの輻射光を分離
反射して被処理体が加熱される領域を限定する。したが
って、これらの輻射加熱ユニットを組み合わせて、それ
ぞれ独立して輻射強度を調整制御することにより、簡単
にかつ装置を大型化させることなく、被処理体を均一に
加熱処理することができる。したがって、特に、今後ま
すます大直径化が進み、その均一加熱による熱処理が課
題となる、半導体基板の種々の熱処理、CVD膜成長、
あるいはエピタキシャル膜成長等において、本発明の装
置は利用価値が高い。
した概略断面図である。
による加熱を行い、シリコンウエーハ上の温度分布を測
定してみた結果を示した図である。 (A)内側輻射加熱ユニット4単独による温度分布、
(B)外側輻射加熱ユニット5単独による温度分布、
(C)下側輻射加熱ユニット6単独による温度分布。
ト6を組み合わせて加熱を行い、ウエーハ面内の温度分
布を測定した結果を示した図である。
いた上で、外側輻射加熱ユニット5単独による加熱を行
い、シリコンウエーハ上の温度分布を測定した結果を示
した図である。
3…被処理体、 4…内側輻射加
熱ユニット、5…外側輻射加熱ユニット、 6
…下側輻射加熱ユニット、7…石英製ピン、
8…ハウジング、9…石英ガラス板、
10…隔壁。
Claims (10)
- 【請求項1】 内外二重円形配列された輻射加熱ユニッ
トにより被処理体を加熱処理する輻射加熱装置におい
て、被処理体周辺部を主に加熱する外側輻射加熱ユニッ
トと、被処理体の中心部を主に加熱する内側輻射加熱ユ
ニットと、前記外側輻射加熱ユニットと前記内側輻射加
熱ユニットとの間に設置されるとともに前記被処理体方
向に延在し、前記外側輻射加熱ユニットを前記内側輻射
加熱ユニットから分離する円筒状の隔壁を有する、こと
を特徴とする輻射加熱装置。 - 【請求項2】 前記隔壁は被処理体との間に所定の間隔
を有し、該被処理体に均一な温度分布が形成される、こ
とを特徴とする請求項1に記載の輻射加熱装置。 - 【請求項3】 前記隔壁の表面を鏡面加工した、ことを
特徴とする請求項1または請求項2に記載の輻射加熱装
置。 - 【請求項4】 前記隔壁の表面は、金で被覆されてい
る、ことを特徴とする請求項3に記載の輻射加熱装置。 - 【請求項5】 前記隔壁は、被処理体の主面側および/
または背面側に配置される、ことを特徴とする請求項1
ないし請求項4のいずれか1項に記載の輻射加熱装置。 - 【請求項6】 内外二重円形配列された輻射加熱ユニッ
トによる加熱方法において、外側輻射加熱ユニットによ
り被処理体周辺部を主に輻射加熱し、内側輻射加熱ユニ
ットにより被処理体中心部を主に輻射加熱し、前記外側
輻射加熱ユニットと前記内側輻射加熱ユニットとの間に
設置されるとともに被処理体方向に延在する円筒状の隔
壁により、前記外側輻射加熱ユニットを前記内側輻射加
熱ユニットから分離する、ことを特徴とする加熱方法。 - 【請求項7】 前記内外の輻射加熱ユニットは、相互に
独立して輻射強度を制御する、ことを特徴とする請求項
6に記載の加熱方法。 - 【請求項8】 被処理体の主面側に配置された内側輻射
加熱ユニットと外側輻射加熱ユニットにより被処理体を
主面側から加熱し、被処理体の背面側に配置された下側
輻射加熱ユニットにより被処理体を背面側から加熱す
る、ことを特徴とする請求項6または請求項7に記載の
加熱方法。 - 【請求項9】 被処理体の主面側に配置された外側輻射
加熱ユニットにより被処理体を主面側から加熱し、被処
理体の背面側に配置された下側輻射加熱ユニットにより
被処理体を背面側から加熱する、ことを特徴とする請求
項6または請求項7に記載の加熱方法。 - 【請求項10】 前記被処理体はシリコン単結晶基板で
あり、該基板の裏面の一部および/または側面部を保持
することにより輻射装置内に載置される、ことを特徴と
する請求項6ないし請求項9のいずれか1項に記載の加
熱方法。
Priority Applications (3)
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EP97301178A EP0792956A3 (en) | 1996-02-28 | 1997-02-24 | Radiant heating apparatus and method |
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