JP3664193B2

JP3664193B2 - 熱処理装置及び熱処理方法

Info

Publication number: JP3664193B2
Application number: JP4795296A
Authority: JP
Inventors: 聡一菅野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: JPH09219435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱処理装置及び熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理体である半導体ウエハに酸化、拡散、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、アニールなどの処理を行うために、各種の熱処理装置が使用されている。この種の熱処理装置の一つとして、被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する枚葉式の熱処理装置が提案されている。
【０００３】
上記熱処理装置によれば、処理室内が予め加熱されているので、ウエハを迅速に昇温させて熱処理することが可能となり、スループットの向上が図れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記熱処理装置においては、予め加熱された処理室内にウエハを挿入する際に、挿入方向の先端側と後端側とに生じる挿入時差により、ウエハには挿入方向に温度分布、すなわち面内温度差が発生する。この面内温度差が大きい場合には、ウエハにスリップ（結晶のズレ）が発生し、品質の低下や半導体デバイスの歩留りの低下を招く問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入する際の挿入時差による被処理体の面内温度差を可及的に低減し得る熱処理装置及び熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のうち請求項１に係る発明は、被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理装置において、上記支持部の熱容量または吸熱特性を、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく挿入方向に変化させてなることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の熱処理装置における上記支持部が肉厚を挿入方向に漸増させて形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の熱処理装置における上記支持部が上記被処理体とほぼ同じ平面形状に形成され、上面を上記被処理体の載置面とし、下面側の肉厚を挿入方向に漸増させて形成されていることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理方法において、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく上記支持部の熱容量が挿入方向に漸増するように支持部の肉厚を挿入方向後端から先端に向って漸次増大させて形成することにより、被処理体の挿入方向先端側の温度上昇を抑えて被処理体後端部の挿入時点での面内温度差を低減することを特徴とする。
【０００９】
【実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１０】
先ず、本発明が適用される熱処理装置を含む複数の処理室を備えたマルチチャンバ型処理装置の概略的平面構成を示す図３において、１はローダ室を構成する第１の移載室であり、この移載室１の両側にはゲートバルブＧ１，Ｇ２を介して第１のカセット室２Ａおよび第２のカセット室２Ｂが接続されている。これらカセット室２Ａ，２Ｂは、複数枚（例えば２５枚）の被処理体（被処理基板）例えば半導体ウエハＷを所定の間隔（例えば５ｍｍ間隔）で収容する容器たるカセット３を収容するチャンバとして形成されている。
【００１１】
上記カセット室２Ａ，２Ｂには、外部との間を開閉するゲートバルブＧ３，Ｇ４が設けられ、カセット室２Ａ，２Ｂ内には上記カセット３をウエハＷが水平な状態で支持するアームを有してカセット３を外部との間で上記ゲートバルブＧ３，Ｇ４を介して搬入搬出するカセット搬入搬出機構と、搬入されたカセット３を上記アームから受け取って高さ調整可能に支持する昇降可能なカセットステージとを備えている（図示省略）。第１の移載室１およびカセット室２Ａ，２Ｂは、不活性ガス例えば窒素（Ｎ₂）ガスの供給により、大気圧（常圧）以上、例えば大気圧の不活性ガス雰囲気に維持されていることが好ましい。
【００１２】
上記第１の移載室１内には、第１の移載機構４と、ウエハＷの中心およびオリエンテーションフラット（オリフラともいう）の位置合せを行うための回転ステージ５とが配設されている。この回転ステージ５は、ウエハＷの周縁位置を検知する図示しない光センサおよび上記第１の移載機構４とともにウエハＷの位置合せ機構を構成している。例えばウエハＷの中心が回転ステージ５の中心からずれていることが検出された場合には、第１の移載機構４によりウエハＷの位置を修正する。
【００１３】
上記第１の移載機構４は、水平に回動および伸縮可能なアーム、例えば多関節アームからなり、先端（ウエハ支持部）には支持したウエハＷを真空吸着する吸引孔６を有していることが好ましい。上記第１ないし第２のカセット室２Ａ，２Ｂ内のカセット３と、上記回転ステージ５と、後述の真空予備室１１Ａ，１１Ｂとの間でウエハＷの移載を行うように構成されている。
【００１４】
上記第１の移載室１の後方には、ゲートバルブＧ５，Ｇ６を介して第１の真空予備室７Ａおよび第２の真空予備室７Ｂが接続されている。これら真空予備室７Ａ，７Ｂは、室内を所定の圧力１０^-3〜１０^-4Ｔｏｒｒに減圧する減圧ポンプおよび室内を不活性ガス例えば窒素ガスで常圧復帰させるためのガス源が接続されている。また、真空予備室７Ａ，７Ｂには、処理前のウエハを予め加熱（予熱）する加熱手段および処理後のウエハを冷却する冷却手段を備えていることが好ましい。
【００１５】
上記第１および第２の真空予備室７Ａ，７Ｂの後方には、ゲートバルブＧ７，Ｇ８を介して第２の移載室８が接続されている。この第２の移載室８内には、上記真空予備室７Ａ，７Ｂと、後述の処理室１０Ａ〜１０Ｃとの間でウエハＷの移載を行うための例えば多関節アームからなる第２の移載機構９が配置されている。この第２の移載機構９の詳細については後述する。
【００１６】
上記第２の移載室８には、ゲートバルブＧ９〜Ｇ１１を介して左右および後方の三方に第１〜第３の処理室１０Ａ〜１０Ｃが接続され、これら移載室８および処理室１０Ａ〜１０Ｃは減圧ポンプにより所定の圧力例えば１０^-3〜１０^-6Ｔｏｒｒに減圧されるようになっている。上記処理室１０Ａ〜１０Ｃは、同一の処理を行なうように構成されていてもよく、あるいは異なる処理を行なうように構成されていてもよい。
【００１７】
上記処理室１０Ａ〜１０Ｃの少なくとも一つは、熱処理装置、例えば枚葉式減圧ＣＶＤ装置の処理室１０として構成されている。この熱処理装置の処理室１０は、例えば図４に示すように偏平な円形容器状の石英製チャンバからなっている。この処理室１０の外側の上部と下部には、例えばカンタル線等の発熱抵抗体からなる面状の加熱部（ヒータ）１１ａ，１１ｂが設けられ、処理室１０内を所定の熱処理温度、例えば１，０００℃に加熱し得るように構成されている。
【００１８】
上記処理室１０は、例えばアルミニウム合金製のケーシング１２の内部に断熱空間、あるいはグラスウール等の断熱材１３を介して収容されている。上記ケーシング１２は、外部への熱的影響を防止するために、冷却構造例えば冷却水通路を有する水冷構造とされていることが好ましい。
【００１９】
上記処理室１０の側部には、ウエハＷを搬入搬出する出入口１４が設けられ、この出入口１４にはこれを開閉するゲートバルブＧ（Ｇ９〜Ｇ１１）が設けられている。また、処理室１０の側部には、処理室１０内を減圧排気する減圧ポンプ等に通じる排気口１５と、処理室１０内に処理ガス、不活性ガス例えば窒素ガス、クリーニングガス等を供給するこれらのガス源に通じるガス供給口１６とが設けられている。
【００２０】
また、処理室１０内には、搬入されたウエハＷを保持する保持手段として、図示例ではウエハＷの下面を保持すべく複数例えば３本の石英製保持ピン（ウエハ保持ピンともいう）１７が設けられている。なお、上記保持手段としては、ウエハＷの被処理面とは反対側の面（下面または上面）全体を保持する面状のもの、あるいはウエハＷの周縁部を保持する環状のもの等であってもよい。また、上記保持手段は、移載機構（上記第２の移載機構）９との間でウエハＷの受取り受渡しを行なう上下動機構を有していてもよい。
【００２１】
上記移載機構９は、図１ないし図２に示すように基台１８の上部に水平に回動および伸縮可能な多関節アームからなる移載アーム１９を設け、この移載アーム１９の先端にウエハＷを支持する支持部（ウエハ支持部ともいう）２０を有している。上記移載アーム１９は、基台１８の上部に一端が水平に回動可能に設けられた基部アーム部１９ａと、この基部アーム部１９ａの他端に一端が水平に回動可能に設けられた中間アーム部１９ｂと、この中間アーム部１９ｂの他端に一端が水平に回動可能に設けられた先端アーム部１９ｃとから主に構成されており、この先端アーム部１９ｃに上記ウエハ支持部２０が設けられている。なお、上記処理室１０内のウエハ保持ピン１７側がウエハ支持部２０との間でウエハＷの受取り受渡しを行なうための上下動機構を有しない場合には、上記移載アーム１９側が上下動可能に構成されていることが好ましい。
【００２２】
上記移載機構９は、ウエハＷの熱処理を行なう場合、予め加熱された上記処理室１０内に移載アーム１９の伸張動作でウエハ支持部２０上のウエハＷを水平方向から挿入（搬入）してウエハ保持ピン１７上に移載した後、移載アーム１９を移載室（第２の移載室）８側に収縮させる。また、熱処理が終了した場合には、上記とは逆の動作で熱処理後のウエハＷを処理室１０外に搬出する。
【００２３】
上記ウエハＷを予め加熱された処理室１０内に水平方向から挿入する場合、その挿入過程で先ずウエハＷの挿入方向先端が最初に加熱され、次いでウエハＷの後端が遅れて加熱される。このようにウエハ面内の挿入時差に起因して生じる温度差を低減するために、上記移載機構９のウエハ支持部２０がその熱容量を挿入方向に変化させて形成されている。図示例のウエハ支持部２０においては、ウエハＷとほぼ同じ平面形状、例えばウエハＷの直径と同じ直径Ｄの円板状に形成され、その上面がウエハＷを載置する平坦な載置面２１とされ、下面側の肉厚ｔが挿入方向Ｘの後端から先端に向って漸増して形成されている。
【００２４】
上記ウエハ支持部２０の材質としては、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、石英等であってもよい。また、処理室１０内に図４に示すようなウエハ保持ピン１７を有する場合には、上記ウエハ支持部２０には図５に示すようにウエハ保持ピン１７との干渉を避けるための切欠部２２が設けられていることが好ましい。
【００２５】
次に、以上のように構成された熱処理装置の作用について述べる。熱処理装置の処理室１０内は、加熱部１１ａ，１１ｂによって予め所定の熱処理温度に加熱されている。この加熱状態の処理室１０内にウエハＷが移載機構９によって水平方向から挿入される。この場合、上記ウエハＷは、カセット室２Ａもしくは２Ｂのカセット３から真空予備室７Ａもしくは７Ｂ内に移送されており、この真空予備室７Ａもしくは７Ｂ内から移載機構９における移載アーム１９のウエハ支持部２０上に支持されて移載室８内を経由し、上記処理室１０内に開状態のゲートバルブＧを介して水平方向から挿入され、ウエハ保持ピン１７上に移載される。移載後、移載機構９の移載アーム１９は収縮して移載室８内に戻され、処理室１０のゲートバルブＧが閉じられる。
【００２６】
上記処理室１０内は、排気口１５からの減圧排気により所定の減圧状態に維持され、この状態でガス供給口１６から処理ガスを上記加熱状態のウエハＷの被処理面に供給することにより、ウエハＷの被処理面にはＣＶＤ法による成膜処理が面内均一に施される。所定の処理が終了したなら、処理室１０内を不活性ガスでパージした後、ゲートバルブＧを開けて移載機構９により処理済みのウエハＷが処理室１０内から搬出され、真空予備室７Ａもしくは７Ｂ等を介してカセット室２Ａもしくは２Ｂのカセット３に収容される。このようにして順次連続的にウエハＷの熱処理を含む処理が行なわれる。
【００２７】
ところで、上記ウエハＷを予め加熱された処理室１０内に水平方向から挿入する場合、先ずウエハＷの挿入方向Ｘの先端が最初に挿入され、次いでウエハＷの後端が遅れて挿入されため、この挿入時差に起因してウエハＷの面内には挿入方向Ｘに温度分布ないし温度差が生じる。上記移載機構９のウエハ支持部１０の肉厚ｔが挿入方向Ｘに一定であった従来の熱処理装置においては、ウエハＷを処理室１０内に挿入した際に、ウエハＷの挿入方向先端部Ａは図６の昇温曲線Ｌ１で示すように昇温し、ウエハＷの後端部Ｂは挿入時点Ｐから昇温曲線Ｌ２で示すように昇温し、その挿入時点Ｐでの面内温度差がＴｆであった。
【００２８】
一方、本実施の形態の熱処理装置においては、上記面内温度差を低減すべく上記移載機構９のウエハ支持部２０の熱容量が挿入方向Ｘに漸増するように肉厚ｔを挿入方向後端から先端に向って漸次増大させて形成されている。このため、上記ウエハＷの下面に接しているウエハ支持部２０の挿入方向先端側の熱容量が大きい分、ウエハＷの挿入方向先端側の温度上昇が抑えられる。これにより、ウエハＷの挿入方向先端部Ａは図６の昇温曲線Ｌ３で示すように昇温するため、ウエハ後端部Ｂの挿入時点Ｐでの面内温度差が上記Ｔｆよりも小さいＴｓに低減する。
【００２９】
このように上記熱処理装置によれば、ウエハＷを支持するウエハ支持部２０を有する移載機構９により、上記ウエハＷを予め加熱された処理室１０内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理装置において、上記ウエハ支持部２０の熱容量を、挿入時差による上記ウエハＷの面内温度差を低減すべく挿入方向に変化させてなるため、挿入時差により生じる上記ウエハＷの面内温度差を可及的に低減することが可能となり、上記ウエハＷの品質およびスループットの向上が図れる。
【００３０】
この場合、上記ウエハ支持部２０の肉厚ｔを挿入方向に漸増させて熱容量を漸増させているため、比較的簡単な構造で挿入時差による上記ウエハＷの面内温度差を容易に低減することが可能となる。また、上記ウエハ支持部２０が上記ウエハＷとほぼ同じ平面形状に形成され、上面を上記ウエハＷの載置面２１とし、下面側の肉厚ｔを挿入方向Ｘに漸増させて形成されているため、比較的簡単な構造で挿入時差による上記ウエハＷの面内温度差を効率よく低減することが可能となる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更等が可能である。例えば、移載機構９のウエハ支持部２０としては、その熱容量を挿入方向に比例的に変化させるために、図７に示すように下面側の肉厚ｔを挿入方向後端から先端に放物曲線状に漸増させて形成されていてもよい。
【００３２】
ウエハＷの面内温度差は、予め加熱された処理室１０内へのウエハＷの挿入時だけでなく、搬出時にも生じる。この場合、高温の処理室１０から常温の移載室８にウエハＷが搬出されるので、上記とは逆に、搬出方向先端側の降温を抑えるべくウエハ支持部２０の肉厚を搬出方向後端から先端に漸増させて形成することが好ましい。このようにウエハ挿入時とウエハ搬出時では逆の構造のウエハ支持部２０が要求されるため、例えば図８に示すように移載機構９の先端アーム部１９ｃを中央で回転可能に支持された構造にし、この先端アーム部１９ｃの一端に挿入用のウエハ支持部２０Ａを設け、先端アーム１９ｃの他端に搬出用のウエハ支持部２０Ｂを設けるようにするとよい。
【００３３】
上記実施の形態では、挿入時差によるウエハＷの面内温度差を低減するために、ウエハ支持部２０の熱容量を挿入方向に変化させたが、ウエハ支持部２０の吸熱特性例えば熱吸収率を挿入方向に変化させてもよい。この場合、例えばウエハ支持部２０の密度、材質等を挿入方向に変化させて形成すればよく、必ずしも肉厚ｔを変化させる必要はない。本発明が適用される熱処理装置としては、ＣＶＤ処理以外に例えば酸化、拡散、アニール等の処理を行なうものであってもよい。また、被処理体としては、半導体ウエハ以外に例えばＬＣＤ基板等も適用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００３５】
（１）請求項１に係る発明によれば、被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理装置において、上記支持部の熱容量または吸熱特性を、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく挿入方向に変化させてなるため、挿入時差により生じる上記被処理体の面内温度差を可及的に低減することが可能となり、上記被処理体の品質およびスループットの向上が図れる。
【００３６】
（２）請求項２に係る発明によれば、上記支持部が肉厚を挿入方向に漸増させて形成されているため、比較的簡単な構造で挿入時差による上記被処理体の面内温度差を容易に低減することが可能となる。
【００３７】
（３）請求項３に係る発明によれば、上記支持部が上記被処理体とほぼ同じ平面形状に形成され、上面を上記被処理体の載置面とし、下面側の肉厚を挿入方向に漸増させて形成されているため、比較的簡単な構造で挿入時差による上記被処理体の面内温度差を効率よく低減することが可能となる。
（４）請求項４に係る発明によれば、被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理方法において、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく上記支持部の熱容量が挿入方向に漸増するように支持部の肉厚を挿入方向後端から先端に向って漸次増大させて形成することにより、被処理体の挿入方向先端側の温度上昇を抑えて被処理体後端部の挿入時点での面内温度差を低減するため、上記被処理体の品質およびスループットの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す熱処理装置における移載機構の側面図である。
【図２】図１の移載機構の平面図である。
【図３】図１の熱処理装置を備えたマルチチャンバ型処理装置の概略的構成を示す平面図である。
【図４】図１の熱処理装置の一例を示す断面図である。
【図５】移載機構の支持部の平面図である。
【図６】ウエハ挿入後のウエハ温度の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す移載機構の支持部の側面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態を示す移載機構の斜視図である。
【符号の説明】
Ｗ半導体ウエハ（被処理体）
１０処理室
１９移載機構
２０ウエハ支持部（支持部）
２１載置面

Claims

被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理装置において、上記支持部の熱容量または吸熱特性を、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく挿入方向に変化させてなることを特徴とする熱処理装置。
上記支持部が、肉厚を挿入方向に漸増させて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
上記支持部が、上記被処理体とほぼ同じ平面形状に形成され、上面を上記被処理体の載置面とし、下面側の肉厚を挿入方向に漸増させて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
被処理体を支持する支持部を有する移載機構により、上記被処理体を予め加熱された処理室内に水平方向から挿入移載して熱処理する熱処理方法において、挿入時差による上記被処理体の面内温度差を低減すべく上記支持部の熱容量が挿入方向に漸増するように支持部の肉厚を挿入方向後端から先端に向って漸次増大させて形成することにより、被処理体の挿入方向先端側の温度上昇を抑えて被処理体後端部の挿入時点での面内温度差を低減することを特徴とする熱処理方法。