JPH06177141A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体ウェーハと加熱ステージとを非接触で互
いに対向して配設し、ウェーハのべーキング等を行なう
枚葉式熱処理装置では、 3個の支持点で保持されるウェ
ーハと加熱ステージとの距離及びそのばらつきが、ウェ
ーハの温度及び面内温度の均一性に大きく影響すること
を考慮し、ウェーハの温度を設定値に近づけ、ウェーハ
面内温度の均一性を向上する。 【構成】本発明の装置は、ウェーハを保持する 3個の支
持点の高さをそれぞれ独立に調整できる支持手段（例え
ば逆圧電効果を利用する圧電素子ユニットを支持ピンと
ベース間に介在）と、ウェーハと加熱ステージとの距離
検出手段またはウェ４ハ主面の温度分布検出手段と、距
離または温度検出信号を受け、支持点の高さを調整する
制御信号を前記支持手段にフィードバックするコントロ
ーラとを、具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置に関
し、特に半導体ウェーハの枚葉式のベーキングやアニー
ル等の熱処理装置に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェーハの枚葉式熱処理のうち、
例えばウェーハにホトレジストを塗布した後に行なうベ
ーキングや、現像されたホトレジストパターンの焼き固
め等のため行なう熱処理においては、一般には、加熱ス
テージへ半導体ウェーハを密着させる方法が採られてい
る。

【０００３】しかし近年、半導体ウェーハの裏面汚染を
防止するために、図７及び図８に示すように半導体ウェ
ーハ１を保持ピン３等のように接触面積の小さなもので
保持し、加熱ステージ２に対し半導体ウェーハ１を非接
触で熱処理する試み（以下非接触ベークと呼ぶ）がなさ
れている。なお図７及び図８において、符号４は断熱
材、５は支え、６はベース（基体）である。

【０００４】前述のホトリソグラフィー（光蝕刻、phot
o-lithography ）工程におけるホトレジストの熱処理で
は、ウェーハの温度は、例えばレジスト塗布後の溶剤乾
燥には数十度（℃）程度、また現像後のレジストパター
ンの焼き固めには百数十度程度に設定され、そのばらつ
きも±0.数度が要求される。

【０００５】しかしながら、このような非接触ベークで
は、ウェーハの温度やウェーハの面内温度の均一性が、
加熱ステージ２とウェーハ１との間の距離及びウェーハ
面内での前記距離のばらつきに大きく影響される。図７
の従来例で、ウェーハ１と加熱ステージ２との間の距離
は数百μm であり、距離による温度変化の割合は、 1℃
／10μm 程度である。なおウェーハの設定温度やそのば
らつきは、前記距離のほか、加熱ステージ表面の温度分
布やウェーハ周辺の空気の流れによっても影響される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】半導体ウェーハの枚葉
式の非接触ベークや非接触アニール等の熱処理におい
て、被処理ウェーハの熱処理温度及びウェーハ面内の温
度の均一性は、デバイスの特性及び特性のばらつきに大
きな影響を与える。しかしながら従来の技術では、ウェ
ーハの温度やウェーハ面内温度の均一性は、被処理ウェ
ーハと加熱源との間の距離及びウェーハ面内でのこの距
離のばらつき等に大きく影響され、満足な結果が得られ
ないという問題があった。この問題は、ウェーハの大口
径化（ 125〜200mmφ）に伴い、より顕著になってい
る。

【０００７】本発明は、前記の問題に鑑みなされたもの
で、半導体ウェーハに非接触ベークや非接触アニール等
の熱処理を行なう枚葉式熱処理装置において、半導体ウ
ェーハの温度を設定値に近付け、かつ半導体ウェーハの
面内温度の均一性を向上させることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
熱処理装置は、半導体ウェーハ主面と対向し非接触で該
ウェーハを加熱する加熱ステージと、前記ウェーハまた
は加熱ステージを 3個の支持点で支持すると共に各支持
点の高さをそれぞれ独立に調整できる支持手段と、対向
する前記ウェーハと加熱ステージとの間の距離を検出す
る手段、或いは前記ウェーハの主面の温度分布を検出す
る手段、或いは前記距離及び温度分布を検出する 2つの
手段と、この検出手段よりの検出信号を受け、前記支持
手段に支持点の高さを調整する制御信号を送るコントロ
ーラとを、具備することを特徴とするものである。

【０００９】また本発明の請求項２に係る熱処理装置
は、半導体ウェーハ主面にランプまたはマイクロ波電子
管により電磁波（光を含む）を照射し該ウェーハを加熱
する手段と、前記ウェーハを 3個の支持点で支持すると
共に各支持点の高さをそれぞれ独立に調整できる支持手
段と、前記ウェーハ主面の温度分布を検出する手段と、
この検出手段よりの検出信号を受け、前記支持手段に支
持点の高さを調整する制御信号を送るコントローラと
を、具備することを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１に係る熱処理装置は、半導体ウェーハ
を加熱ステージに対し、非接触かつ近接した位置で熱処
理する装置であり、ウェーハの温度及び温度のばらつき
は、主としてウェーハと加熱ステージとの間の距離及び
距離のばらつきにより決定される。

【００１１】ウェーハ及び加熱ステージのうち、いすれ
か一方の高さを固定し、他方の高さを上、下することに
より、ウェーハと加熱ステージとの間の距離を調整す
る。例えば加熱ステージの高さが固定されている場合、
ウェーハは 3個の支持点で支持され、かつ 3個の支持点
の高さは互いに独立に昇降できるように構成される。こ
れによりウェーハ主面と加熱ステージ主面との間の距離
は、対向する全面にわたって確実に等しくすることが可
能である。また、かりに加熱ステージ主面の温度が不均
一であっても、ウェーハ主面を、加熱ステージに対し、
任意の方向及び角度で傾斜させ、その影響を大幅に緩和
できる。

【００１２】ウェーハと加熱ステージとの間の距離を検
出する 3個以上の距離センサ及びウェーハ主面の温度分
布を検出する温度センサのうち距離情報または温度情
報、或いは距離及び温度情報はコントローラに入力され
る。

【００１３】コントローラは、マイクロコンピューター
を内蔵すると共に前記入力された距離または温度情報を
処理し、ウェーハの平均温度を設定値に近づけ、ウェー
ハ面内温度ができるだけ均一になるように、前記支持点
の高さを調整するフィードバック制御信号を前記支持手
段に送る。すなわち自動制御が行なわれる。

【００１４】なお支持点の高さを調整する手段として
は、圧電素子ユニットを使用することが望ましい実施態
様である。

【００１５】請求項２に係る熱処理装置は、加熱方法と
してランプ加熱またはマイクロ波加熱によること、及び
ウェーハ主面の温度分布を検出する手段を有し、ウェー
ハと加熱源との間の距離を検出する手段を要件としない
ことが請求項１に係る熱処理装置と異なる。各構成要素
の作用は、請求項１に準ずる。

【００１６】なお請求項２に係る 3個の支持点の高さを
互いに独立に調整する手段としては、ステッピングモー
タによる送り機構を備えたアクチュエータを各支持点ご
とに設けることが望ましい実施態様である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００１８】図１及び図２は、本発明の請求項１に係る
熱処理装置の第１実施例の構成の概要を示す模式的な断
面図及び平面図である。半導体ウェーハ１１（口径 125
〜 200mmφ）の主面に対向して加熱ステージ１２が設け
られる。加熱ステージ１２は、絶縁された加熱ヒーター
と伝熱部材を積層したもので、断熱材１４で外周を囲
み、保温される。加熱ステージの露出面の温度は、本実
施例では、数十度ないし数百度（℃）で、ステージ面の
温度分布は均一につくられ、対向するウェーハ１１を非
接触で加熱する。

【００１９】ウェーハ支持手段は、保持ピン１３及び保
持ピン１３とベース１６との間に挿入した圧電素子ユニ
ット１７を組とする 3組の支持体２０から構成される。
ウェーハ１１は、 3個の保持ピン１３の支持点１３ａで
支持されると共に、各支持点の高さは、対応する圧電素
子ユニット１７により、それぞれ独立に調整できる。

【００２０】周知のように、圧電素子は、圧電体に外部
から電界を加えると、これに比例した機械的歪を生じる
性質（逆圧電効果という）を持ち、圧電素子ユニット
は、このような圧電素子を前記機械的歪が加算される方
向に複数素子積層したもので、外部から電界を加えるこ
とにより、歪方向の長さが変化する。この長さの変化を
利用して前記支持点の高さを調整する。本実施例では、
加熱ステージ１２とウェーハ１１との間の距離は数百μ
m で、例えばウェーハ温度百数十度のとき、距離10μm
につき温度変化の割合は約 1℃である。圧電素子ユニッ
トによる支持点の高さの調整は電気的であり、構造簡単
で多くの利点を持っている。

【００２１】互いに対向するウェーハ１１と加熱ステー
ジ１２との間の距離を検出する手段１８は、市販の静電
容量距離センサ１８を使用した。距離センサは、光の干
渉を利用する等その他の方式のものでも差し支えない。
本実施例では、上記距離センサを 3個使用し、ウェーハ
１１の中心Ｐと支持点１３ａを結ぶ半径の外周端近傍に
設けた。なお距離センサの設置数は、 3個以上設けても
差し支えないが少なくとも 3個は必要である。

【００２２】コントローラ１９は、マイクロコンピュー
タを内蔵し、またウェーハ・加熱ステージ間の距離とウ
ェーハ温度分布との相関を、あらかじめ試行により求
め、このデータをコンピュータにストア（記録）してお
く。コントローラ１９は、距離センサ１８からの距離情
報を受け、ストアされている距離と温度との相関データ
及びウェーハの設定温度等から、支持点の高さを調整す
る制御信号を発生し、圧電素子ユニット１７にフィード
バックし、これを繰り返し、自動制御する。

【００２３】上記第１実施例の装置では、ウェーハ１１
と加熱ステージ１２との間の距離を、ウェーハ１１の面
内で均一に設定距離にすることができ、上記距離の違い
から生ずるウェーハ１１の温度と設定温度との誤差を少
なく、かつ面内温度均一性を向上することができる。ま
たこの装置では、ウェーハと加熱ステージ間の距離によ
り、間接的にウェーハ温度の制御をするもので、構造や
コントロールが簡単で実用的な方法である。

【００２４】図３は、本発明の請求項１に係る熱処理装
置の第２実施例の構成の概要を示す模式的な断面図であ
る。図１及び図２と同じ符号は、同じ部分または対応す
る部分をあらわす。

【００２５】図３に示す第２実施例は、第１実施例にさ
らに放射温度計３０をウェーハ１１上方に設けた熱処理
装置である。放射温度計３０は、市販の赤外線放射温度
計（温度分布像が得られるもの）を使用し、所望の複数
箇所の温度をほぼ同時に検出できる。

【００２６】この第２実施例では放射温度計３０によ
り、ウェーハ１１の温度分布を測定し、この温度情報と
距離センサ１８の距離情報とはコントローラ１９に入力
され、あらかじめ入力されている設定温度データ等を参
照して処理され、 3個の圧電素子ユニット１７のそれぞ
れに制御信号を送り、個々の保持ピン１３の高さを制御
する。

【００２７】ここで温度情報は、主としてウェーハ１１
の温度を設定値に近づけ、かつウェーハ１１の面内温度
均一性を向上することに使われる。また距離情報は温度
情報によって保持ピン１３の高さを制御する際、ウェー
ハ１１と加熱ステージ１２とが接触することを防ぐこと
に使われる。この実施例は、第１実施例に比べ、ウェー
ハ１１の周辺のガスの流れや、加熱ステージ面内温度分
布の不均一による影響を打ち消し、ウェーハ１１面内の
温度のばらつきを少なくすることができる特徴を持つ。

【００２８】上記の通り、得られる効果は、第１実施例
より第２実施例の方が、制御対象に対し、直接的制御
で、正確である。しかし第１実施例は構造やコントロー
ルが簡単で実施しやすい。

【００２９】図４は、本発明の請求項１に係る熱処理装
置の第３実施例の構成の概要を示す模式的な断面図であ
る。本実施例は、第２実施例で設けた距離センサを省略
し、加熱ステージ１２を、断熱材１４を介して、 3個の
支え２５の支持点２５ａで支持したものである。支え２
５とベース１６との間には圧電素子ユニット２７を挿入
し、圧電素子ユニット２７に印加される制御電圧によっ
て、支持点２５ａの高さをそれぞれ独立に調整すること
ができる。ウェーハ１１は、保持ピン２３上に載置さ
れ、一定の高さに保持される。

【００３０】本実施例では、放射温度計３０により、ウ
ェーハ１１上の温度分布が検出され、この検出データは
コントローラ１９に送られる。コントローラ１９は、こ
の温度情報データ及びあらかじめストアされている参照
データとから、ウェーハ温度が、設定温度に、また温度
のばらつきが少なくなるように、支持点２５ａの高さを
調整する制御信号を、圧電素子２７にフィードバックす
る。

【００３１】第１ないし第３実施例は、ホットプレート
方式の熱処理装置について述べてきたが、半導体ウェー
ハを 3点で支持し、支持点の高さを調整してウェーハの
温度を制御する上記方法は、ウェーハのランプ加熱やマ
イクロ波加熱にも応用できる。 図５は、本発明をラン
プ加熱に応用した第４の実施例を示す断面図である。半
導体ウェーハ１１の上方に、ランプ（タングステンハロ
ゲンランプ）３１及びリフレクタ３２が設けられ、ウェ
ーハ１１の主面に光（電磁波）を照射し、ウェーハ１１
を加熱する。符号３３はランプ３１の給電器（Power su
pply）である。加熱手段は、ランプ３１、リフレクタ３
２及び給電器３３等から成る。

【００３２】ウェーハ１１は、 3本の保持ピン１３の支
持点で、ほぼ水平に支持される。また保持ピン１３とベ
ース１６との間に挿入されたアクチュエータ３４によ
り、支持点の高さをそれぞれ独立に昇降し、ウェーハ１
１の保持位置は、調整される。アクチュエータ３４は、
ステッピングモータ及びボールねじ等の送り機構からな
り、コントローラ２９からの制御信号によりモータを駆
動し、保持ピン１３の高さを調整する。 またウェーハ
上方には、ウェーハ主面の温度分布を検出する赤外線放
射温度計３０が設けられ、検出された温度分布情報は、
コントローラ２９に送られる。 コントローラ２９は、
赤外線放射温度計３０からの温度分布情報を入力し、ア
クチュエータ３４及びランプ給電器３３に、それぞれ制
御信号を出力し、ウェーハ１１の温度が設定温度に、ま
た温度分布が均一になるように自動制御を行なう。 図
６は、本発明をマイクロ波加熱に応用した第５の実施例
を示す断面図である。本実施例では、ウェーハ１１を加
熱する手段は、ウェーハ１１の上方に位置するマグネト
ロン４４、アンテナ４６及びシールド板４７等から成
る。符号４５は、パッキンである。半導体ウェーハ１１
は、 3本の保持ピン１３により、ほぼ水平に保たれ、マ
グネトロンから照射されるマイクロ波（電磁波）により
加熱される。赤外線放射温度計３０により、ウェーハ１
１の主面の温度分布を、窓２８を通して検出する。コン
トローラ３９は、赤外線放射温度計３０からの温度分布
情報を入力し、保持ピン１３に連なるアクチュエータ２
３を動かす制御信号及びマグネトロン３３のマイクロ波
出力を調整する制御信号をそれぞれ出力し、ウェーハ１
１の温度が設定温度に、また温度分布が均一になるよう
に自動制御を行なう。

【００３３】

【発明の効果】半導体ウェーハを被接触でべーキングし
たりアニーリングしたりする本発明の枚葉式熱処理装置
においては、これまで述べたように、半導体ウェーハの
温度を設定値に近づけ、かつ半導体ウェーハの面内温度
の均一性を向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理装置の第１実施例の構成を示す
断面図である。

【図２】図１に示す熱処理装置の概要を示す平面図であ
る。

【図３】本発明の熱処理装置の第２実施例の構成を示す
断面図である。

【図４】本発明の熱処理装置の第３実施例の構成を示す
断面図である。

【図５】本発明の熱処理装置の第４実施例の構成を示す
断面図である。

【図６】本発明の熱処理装置の第５実施例の構成を示す
断面図である。

【図７】従来の熱処理装置の構成の一例を示す断面図で
ある。

【図８】図７に示す熱処理装置の概要を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１，１１ 半導体ウェーハ ２，１２ 加熱ステージ ３．１３．２３ 保持ピン ４，１４ 断熱材 ５．１５．２５ 支え ６，１６ ベース基体 １３ａ，２５ａ 支持点 １７，２７ 圧電素子ユニット １８ 距離センサ １９，２９，３９ コントローラ ２０ 支持手段 ３０ 放射温度計 ３１ ランプ ３２ リフレクタ ３３ 給電器 ３４ アクチュエータ ４４ マグネトロン ４６ アンテナ ４７ シールド板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェーハ主面と対向し非接触で該ウ
   ェーハを加熱する加熱ステージと、前記ウェーハまたは
   加熱ステージを 3個の支持点で支持すると共に各支持点
   の高さをそれぞれ独立に調整できる支持手段と、対向す
   る前記ウェーハと加熱ステージとの間の距離を検出する
   手段及び前記ウェーハの主面の温度分布を検出する手段
   のうち少なくともいずれか一方の検出手段と、この検出
   手段よりの検出信号を受け、前記支持手段に支持点の高
   さを調整する制御信号を送るコントローラとを具備する
   ことを、特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】半導体ウェーハ主面にランプまたはマイク
   ロ波電子管により電磁波を照射し該ウェーハを加熱する
   手段と、前記ウェーハを 3個の支持点で支持すると共に
   各支持点の高さをそれぞれ独立に調整できる支持手段
   と、前記ウェーハ主面の温度分布を検出する手段と、こ
   の検出手段よりの検出信号を受け、前記支持手段に支持
   点の高さを調整する制御信号を送るコントローラとを、
   具備することを特徴とする熱処理装置。