説明

熱処理装置

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、基板の温度を制御する熱処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−85197号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【発明の効果】
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施の形態に係る熱処理装置の概略図である。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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6】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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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(Central Processing Unit: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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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)。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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(Silicon On Insulator)ウエハの一種であるSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【実施例】
【0048】
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。
【0049】
(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。
【0050】
(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。
【0051】
(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。
【0052】
(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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【符号の説明】
【0059】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2011−187768(P2011−187768A)
【公開日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−52599(P2010−52599)
【出願日】平成22年3月10日(2010.3.10)
【出願人】(000001122)株式会社日立国際電気 (5,007)
【Fターム(参考)】