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JP7101599B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

熱処理装置及び熱処理方法 Download PDF

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Description

本開示は、熱処理装置及び熱処理方法に関する。
多数枚の基板に対して一括で熱処理を行う縦型熱処理装置において、処理容器の周囲に設けられた加熱手段と、処理容器とヒータとの間に冷却ガスを吹き出す冷却手段とを備える構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００２－７５８９０号公報 特開平７－２６３３６９号公報
本開示は、低温から高温にわたり温度制御性が向上する技術を提供する。
本開示の一態様による熱処理装置は、基板を収容する処理容器と、前記処理容器の周囲に設けられた加熱手段と、前記処理容器と前記加熱手段との間の空間に冷却流体を吹き出す複数の吹出手段と、前記複数の吹出手段の少なくとも２つ以上を同時に開閉するシャッタであって、各々の前記吹出手段に対応してスリットが形成されたシャッタと、を備え、前記吹出手段は、前記シャッタにより覆われる入口を有し、前記シャッタは、前記入口の面と直交する方向に移動することにより前記入口を開閉するように構成される。
本開示によれば、低温から高温にわたり温度制御性が向上する。
熱処理装置の構成例を示す概略図（１） 熱処理装置の構成例を示す概略図（２） 図１の熱処理装置における支流部の入口の説明図 図１の熱処理装置におけるシャッタ機構の説明図 支流部の入口をシャッタで覆った状態を示す図 ブロアの回転数と風量との関係を示す図 熱処理装置の動作の一例を示す図 実験例１の温度特性及びヒータ出力特性を示す図 実験例２の温度特性及びヒータ出力特性を示す図 実験例３の温度特性及びヒータ出力特性を示す図 実験例４の温度特性及びヒータ出力特性を示す図 実験例５の温度特性及びヒータ出力特性を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔熱処理装置〕
熱処理装置の構成例について説明する。図１及び図２は、熱処理装置の構成例を示す概略図である。
図１に示されるように、熱処理装置１は、処理容器１０と、加熱手段２０と、吹出手段３０と、流体流路４０と、シャッタ機構５０と、排熱部６０と、温度検出手段７０と、制御部８０と、を備える。
処理容器１０は、縦長であり、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という。）を収容する。ウエハは、例えば高さ方向に所定間隔を有した状態でウエハボートに保持された状態で、処理容器１０内に収容される。処理容器１０は、例えば下端部が開放された有天井の円筒形状の内管と、下端部が開放されて内管の外側を覆う有天井の円筒形状の外管とが同軸状に配置された二重管構造を有する。ただし、処理容器１０は、一重管構造であってもよい。処理容器１０は、石英等の耐熱性材料により形成されている。処理容器１０は、圧力調整弁、真空ポンプ等を含む排気手段により、その内部が所定圧力に減圧される。また、処理容器１０内には、ガス導入配管、開閉バルブ、流量制御器等を含むガス供給部により、成膜ガス、エッチングガス等の処理ガスや、不活性ガス等のパージガスが導入される。
加熱手段２０は、処理容器１０の周囲に設けられており、処理容器１０内のウエハを加熱する。加熱手段２０は、断熱材２１と、発熱体２２と、を有する。
断熱材２１は、円筒形状を有し、シリカ及びアルミナを主成分として形成されている。ただし、断熱材２１の形状及び材料については限定されない。
発熱体２２は、線状を有し、断熱材２１の内側壁に螺旋状又は蛇行状に設けられている。発熱体２２は、処理容器１０の高さ方向において、複数のゾーンに分割されて設けられていることが好ましい。これにより、複数のゾーンごとに温度を制御できる。また、断熱材２１の形状を保持すると共に断熱材２１を補強するために、断熱材２１の外周はステンレス鋼等の金属製の外皮で覆われていてもよい。また、加熱手段２０の外部への熱影響を抑制するために、外皮の外周が水冷ジャケットで覆われていてもよい。
吹出手段３０は、処理容器１０と加熱手段２０との間の空間Ａに冷却流体（例えば空気）を吹き出す。吹出手段３０は、処理容器１０の長手方向に沿って複数（図示の例では６つ）設けられている。吹出手段３０の個数は限定されないが、発熱体２２が複数のゾーンに分割されている場合、吹出手段３０は複数のゾーンに対応して形成されていることが好ましい。例えば、発熱体２２が６つのゾーンに分割されている場合、支流部３１は発熱体２２のゾーンの数に対応して６つ設けられていることが好ましい。吹出手段３０は、支流部３１と、吹出孔３２と、バタフライ弁３３と、を有する。
支流部３１は、後述する流体流路４０と連通するダクトである。支流部３１の入口３１ａの周囲には、図３に示されるように、ゴム等により形成されたシール部材３１ｂが設けられている。なお、図３は、図１の熱処理装置１における支流部３１の入口３１ａの説明図であり、シャッタ機構５０が設けられる側から支流部３１を見たときの図である。
吹出孔３２は、加熱手段２０の断熱材２１を貫通し、一端が支流部３１と連通し、他端が空間Ａと連通する。吹出孔３２は、処理容器１０に向けて略水平方向に冷却流体を吹き出す。吹出孔３２は、１つの支流部３１に対して１つ形成されている。ただし、吹出孔３２は、１つの支流部３１に対して２つ以上形成されていてもよい。
バタフライ弁３３は、複数の支流部３１の各々に設けられている。バタフライ弁３３は、支流部３１内の冷却流体の流れの方向に対する弁体の角度を変えることにより、支流部３１内を流れる冷却流体の流量を制御する。バタフライ弁３３は、例えば弁体を回転させるレバーやハンドルを有する手動式である。
流体流路４０は、複数の吹出手段３０に冷却流体を供給する。流体流路４０は、上流側が後述する排熱部６０と連通し、下流側が複数の吹出手段３０と連通する。流体流路４０には、上流側から開閉弁４１、熱交換器４２、ブロア４３、バッファ空間４４がこの順序で設けられている。
開閉弁４１は、流体流路４０を開閉する。熱交換器４２は、排熱部６０により排出された冷却流体を冷却する。ブロア４３は、熱交換器４２により冷却された冷却流体をバッファ空間４４に送り込む。バッファ空間４４は、複数の吹出手段３０と連通し、ブロア４３によって送り込まれた冷却流体を複数の吹出手段３０に分流する。
シャッタ機構５０は、複数の吹出手段３０を同時に開閉する。シャッタ機構５０は、複数のシャッタ５１と、連結部５２と、駆動部５３と、を有する。
シャッタ５１は、流体流路４０のバッファ空間４４に設けられている。各シャッタ５１は、複数の支流部３１の各々と対応して設けられている。各シャッタ５１は、支流部３１の入口３１ａを覆うことができる大きさの板状部材により形成されている。各シャッタ５１には、図４に示されるように、矩形状のスリット５１ａが形成されている。なお、図４は、図１の熱処理装置１におけるシャッタ機構５０の説明図であり、吹出手段３０の側からシャッタ機構５０を見たときの図である。
連結部５２は、複数のシャッタ５１を連結して支持する。
駆動部５３は、連結部５２に連結されている。駆動部５３は、連結部５２を移動させることにより、シャッタ５１を、複数の支流部３１の入口３１ａを覆う閉位置（図１参照）と、複数の支流部３１の入口３１ａから離間した開位置（図２参照）との間で移動させる。閉位置では、図５に示されるように、シャッタ５１の外周部がシール部材３１ｂに密着し、スリット５１ａが支流部３１の入口３１ａと重なる。これにより、冷却流体は、スリット５１ａを介して支流部３１に流れ込む。なお、図５は、支流部３１の入口３１ａをシャッタ５１で覆った状態を示す図であり、駆動部５３の側からシャッタ５１及び支流部３１を見たときの図である。駆動部５３は、例えばソレノイドである。
このようにシャッタ機構５０を有することにより、空間Ａに供給する冷却流体のレンジを２種類設けることができる。なお、シャッタ機構５０は、複数の吹出手段３０の少なくとも２つ以上を同時に開閉できればよく、図１に示されるように、６つの吹出手段３０の全てを同時に開閉できる形態に限定されない。例えば、シャッタ機構５０は、上側の３つの吹出手段３０を同時に開閉可能な第１のシャッタ機構と、下側の３つの吹出手段３０を同時に開閉可能な第２のシャッタ機構とを有し、第１のシャッタ機構と第２のシャッタ機構とが独立して駆動可能であってもよい。
排熱部６０は、一端が複数の吹出孔３２よりも上方において空間Ａと連通し、他端が流体流路４０と連通する排気口である。排熱部６０は、空間Ａ内の冷却流体を熱処理装置１の外部に排出する。排熱部６０により熱処理装置１の外部に排出された冷却流体は、流体流路４０に設けられた熱交換器４２により冷却されて再び吹出手段３０から空間Ａに供給される。ただし、熱処理装置１の外部に排出された冷却流体は、再利用されることなく排出されてもよい。
温度検出手段７０は、処理容器１０内の温度を検出する。温度検出手段７０は、例えば熱電対であり、熱電対の測温部７１がそれぞれ複数のゾーンに対応して設けられている。ただし、温度検出手段７０は、空間Ａの温度を検出する形態であってもよい。
制御部８０は、熱処理装置１の各部の動作を制御する。例えば、制御部８０は、熱処理装置１において実行される処理に応じて、小流量モードと大流量モードとの間で切り替える。小流量モードは、駆動部５３を動作させてシャッタ５１を閉位置に移動させた状態で、温度検出手段７０により検出された温度に基づいて加熱手段２０を制御するモードである。小流量モードでは、シャッタ５１が支流部３１の入口３１ａを覆うため、支流部３１にはシャッタ５１のスリット５１ａを通過する流量が小さい冷却流体が流れ込む。そのため、空間Ａには流量が小さい冷却流体が供給される。大流量モードは、駆動部５３を動作させてシャッタ５１を開位置に移動させた状態で、温度検出手段７０により検出された温度に基づいて加熱手段２０を制御するモードである。大流量モードでは、シャッタ５１が支流部３１の入口３１ａから離間するため、支流部３１には流量が大きい冷却流体が流れ込む。そのため、空間Ａには流量が大きい冷却流体が供給される。
また、制御部８０は、例えば図６に示されるように、小流量モード及び大流量モードのそれぞれにおいて、ブロア４３の回転数を制御する。例えば、オーバーシュートを抑制したい場合には、制御部８０は、小流量モードに切り替えた状態で、ブロア４３の回転数を制御する。また、例えば、高速で冷却させたい場合や低温での高精度制御を行いたい場合には、制御部８０は、大流量モードに切り替えた状態で、ブロア４３の回転数を制御する。なお、図６は、ブロアの回転数と風量との関係を示す図であり、ブロアの回転数を横軸、風量を縦軸に示す。
制御部８０は、例えばコンピュータであってよい。熱処理装置１の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
〔熱処理装置の動作〕
熱処理装置の動作（熱処理方法）の一例について説明する。以下の熱処理方法は、制御部８０が熱処理装置１の各部の動作を制御することにより実行される。図７は、熱処理装置１の動作の一例を示す図である。図７では、低温処理、昇温リカバリ処理及び制御冷却処理をこの順序で行ったときの制御温度、温度検出手段７０により検出される温度、ブロア４３の回転数及びシャッタ５１の位置を示す。
低温処理では、制御部８０は、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ機構５０を開位置に移動させた状態で、温度検出手段７０により検出される温度が１００℃になるように加熱手段２０を制御する。これにより、流量が大きい冷却流体による冷却と加熱手段２０による発熱とを利用できるので、図７に示されるように、温度検出手段７０により検出される温度を設定温度と略同一の温度に制御できる。
昇温リカバリ処理では、まず、制御部８０は、ブロア４３の回転数を０％に設定し、シャッタ機構５０を閉位置に移動させた状態で、温度検出手段７０により検出される温度が１００℃から６００℃まで上昇するように加熱手段２０をランピング制御する。続いて、温度検出手段７０により検出される温度が６００℃に到達した後、制御部８０は、シャッタ機構５０を閉位置に維持した状態で、ブロア４３の回転数を０％～数十％の範囲で調整する。これにより、温度検出手段７０により検出される温度が設定温度に到達した後、処理容器１０は流量が小さい冷却流体により冷却されるので、オーバーシュートを抑制できる。
制御冷却処理では、まず、制御部８０は、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ機構５０を開位置に移動させた状態で、温度検出手段７０により検出される温度が６００℃から４００℃まで下降するように加熱手段２０をランピング制御する。続いて、温度検出手段７０により検出される温度が４００℃に近づいた後、制御部８０は、シャッタ機構５０を開位置に維持した状態で、ブロア４３の回転数を１００％から０％まで小さくする。
以上に説明したように、熱処理装置１によれば、処理容器１０と加熱手段２０との間の空間Ａに冷却流体を吹き出す複数の吹出手段３０の少なくとも２つ以上を同時に開閉する、スリット５１ａが形成されたシャッタ５１を備える。これにより、シャッタ５１を開いて流量が大きい冷却流体を処理容器１０に向けて供給しながら加熱手段２０を制御することで、流量が大きい冷却流体による冷却と加熱手段２０による加熱とにより処理容器１０内の温度を制御できる。そのため、低温（例えば、３０～１００℃）での温度制御性が向上する。また、シャッタ５１を閉じて流量が小さい冷却流体を処理容器１０に向けて供給しながら加熱手段２０を制御することで、流量が小さい冷却流体による冷却と加熱手段２０による加熱とにより処理容器１０内の温度を制御できる。そのため、高温（例えば、６００～１０００℃）での温度制御性が向上する。すなわち、低温から高温にわたり温度制御性が向上する。
〔評価結果〕
（実験例１～３）
実験例１～３では、制御温度を低温（５０℃）に設定したときの、温度検出手段７０が検出する温度の時間変化及びヒータ出力の時間変化を測定することにより、低温での温度制御性を評価した。
実験例１では、前述の熱処理装置１において、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ５１を開位置に移動させた状態で温度検出手段７０により検出される温度に基づいて加熱手段２０を制御したときの温度及びヒータ出力の時間変化を評価した。
実験例２では、前述の熱処理装置１において、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ５１を閉位置に移動させた状態で温度検出手段７０により検出される温度に基づいて加熱手段２０を制御したときの温度及びヒータ出力の時間変化を評価した。
実験例３では、前述の熱処理装置１において、ブロア４３の回転数を０％に設定し、シャッタ５１を閉位置に移動させた状態で温度検出手段７０により検出される温度に基づいて加熱手段２０を制御したときの温度及びヒータ出力の時間変化を評価した。
図８、図９及び図１０は、それぞれ実験例１、実験例２及び実験例３の温度特性及びヒータ出力特性を示す図である。図８～１０における（ａ）図は温度検出手段７０が検出する温度の時間変化を示し、（ｂ）図はヒータ出力の時間変化を示す。また、図８（ａ）、図９（ａ）及び図１０（ａ）中、時間［分］を横軸、温度［℃］を縦軸に示し、図８（ｂ）、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）中、時間［分］を横軸、ヒータ出力［％］を縦軸に示す。また、各図において、処理容器１０内のボトム領域（ＢＴＭ）における結果を実線、センター領域（ＣＴＲ）における結果を破線、トップ領域（ＴＯＰ）における結果を点線で示す。なお、ボトム領域とは、処理容器１０内における処理対象のウエハが配置される処理領域の下方の領域を意味し、センター領域とは処理領域の中央の領域を意味し、トップ領域とは処理領域の上方の領域を意味する。
図８（ａ）に示されるように、実験例１では、ボトム領域、センター領域及びトップ領域における温度は、４９．９～５０．２℃の範囲内に収まっており、温度制御性が高い。これは、図８（ｂ）に示されるように、実験例１では、ヒータ出力が２～１０％の範囲で推移しており、加熱手段２０による制御が機能しているためであると考えられる。
また、図９（ａ）に示されるように、実験例２では、ボトム領域及びトップ領域における温度は６０分経過後４９．８～５０．２℃の範囲内に収まっているが、センター領域における温度は５０℃よりも高い温度で推移していることが分かる。これは、図９（ｂ）に示されるように、実験例２では、センター領域におけるヒータ出力が０％である時間が長く、加熱手段２０による制御が機能していないためであると考えられる。
また、図１０（ａ）に示されるように、実験例３では、ボトム領域、センター領域及びトップ領域の全ての領域における温度が５０℃よりも高い温度で推移していることが分かる。これは、図１０（ｂ）に示されるように、実験例３では、全ての領域におけるヒータ出力が０％である時間が長く、加熱手段２０による制御が機能していないためであると考えられる。
以上の結果から、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、吹出手段３０から処理容器１０に向けて冷却流体を供給した状態で、加熱手段２０により温度を制御することで、低温における温度制御性が向上すると言える。また、シャッタ５１を開位置に移動させた状態で加熱手段２０により温度を制御することにより、処理容器１０の高さ方向における全ての領域において温度制御性が向上すると言える。
（実験例４～５）
実験例４～５では、７５０℃に温度が調整された処理容器１０を冷却するときの、温度検出手段７０が検出する温度の時間変化及びヒータ出力の時間変化を測定することにより、冷却時の温度制御性を評価した。
実験例４では、前述の熱処理装置１において、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ５１を開位置に移動させた状態で温度検出手段７０により検出される温度に基づいて加熱手段２０を制御したときの温度及びヒータ出力の時間変化を評価した。
実験例５では、前述の熱処理装置１において、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ５１を開位置に移動させた状態で加熱手段２０を用いることなく冷却したときの温度及びヒータ出力の時間変化を評価した。
図１１及び図１２は、それぞれ実験例４及び実験例５の温度特性及びヒータ出力特性を示す図である。図１１及び図１２における（ａ）図は温度検出手段７０が検出する温度の時間変化を示し、（ｂ）図はヒータ出力の時間変化を示す。また、図１１（ａ）及び図１２（ａ）中、時間［分］を横軸、温度［℃］を縦軸に示し、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）中、時間［分］を横軸、ヒータ出力［％］を左側の縦軸（第１軸）、ブロア４３の回転数を右側の縦軸（第２軸）に示す。また、各図において、処理容器１０内のボトム領域（ＢＴＭ）における結果を実線、センター領域（ＣＴＲ）における結果を破線、トップ領域（ＴＯＰ）における結果を点線で示す。また、図１１（ａ）において、設定温度を太実線で示し、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）において、ブロア４３の回転数を太実線で示す。
図１１（ａ）に示されるように、実験例４ではボトム領域、センター領域及びトップ領域の全ての領域における冷却速度が略同等である。これは、図１１（ｂ）に示されるように、ボトム領域、センター領域及びトップ領域における冷却流体による冷却性能に違いが生じた場合であっても、領域ごとに加熱手段２０のヒータ出力を調整できるためであると考えられる。
これに対し、図１２（ａ）に示されるように、実験例５ではボトム領域、センター領域及びトップ領域における冷却速度が異なる。これは、図１２（ｂ）に示されるように、ボトム領域、センター領域及びトップ領域における冷却流体による冷却性能に違いが生じているためであると考えられる。
以上の結果から、ブロア４３の回転数を１００％に設定し、シャッタ５１が開位置の状態で温度検出手段７０が検出する温度に基づいて加熱手段２０を制御することにより、冷却時の処理容器１０の高さ方向における冷却速度のばらつきを低減できることが分かる。その結果、高温で熱処理したウエハを冷却するときの温度履歴の面間ばらつきを低減できる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１ 熱処理装置
１０ 処理容器
２０ 加熱手段
３０ 吹出手段
３１ 支流部
３２ 吹出孔
３３ バタフライ弁
４０ 流体流路
４２ 熱交換器
４３ ブロア
５０ シャッタ機構
５１ シャッタ
５１ａ スリット
５３ 駆動部
６０ 排熱部
７０ 温度検出手段
８０ 制御部
Ａ 空間

Claims (10)

  1. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器の周囲に設けられた加熱手段と、
    前記処理容器と前記加熱手段との間の空間に冷却流体を吹き出す複数の吹出手段と、
    前記複数の吹出手段の少なくとも２つ以上を同時に開閉するシャッタであって、各々の前記吹出手段に対応してスリットが形成されたシャッタと、
    を備え、
    前記吹出手段は、前記シャッタにより覆われる入口を有し、
    前記シャッタは、前記入口の面と直交する方向に移動することにより前記入口を開閉するように構成される、
    熱処理装置。
  2. 前記複数の吹出手段に冷却流体を供給する流体流路を備え、
    前記シャッタは、前記流体流路に設けられている、
    請求項１に記載の熱処理装置。
  3. 前記吹出手段は、
    前記流体流路と連通する支流部と、
    前記加熱手段を貫通し、一端が前記支流部と連通し、他端が前記空間と連通する吹出孔と、
    を有し、
    前記支流部には、バタフライ弁が設けられている、
    請求項２に記載の熱処理装置。
  4. 前記流体流路に設けられ、前記複数の吹出手段に前記冷却流体を送り込むブロアを備える、
    請求項２又は３に記載の熱処理装置。
  5. 一端が前記複数の吹出手段よりも上方において前記空間と連通し、他端が前記流体流路と連通し、前記空間内の冷却流体を排出する排熱部と、
    前記流体流路に設けられ、前記排熱部により排出された冷却流体を冷却する熱交換器と、
    を備える、
    請求項２乃至４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  6. 前記シャッタを、前記複数の吹出手段を覆う閉位置と、前記複数の吹出手段から離間した開位置との間で移動させる駆動部を備える、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  7. 前記処理容器内又は前記空間の温度を検出する温度検出手段と、
    前記シャッタを閉位置に移動させた状態で前記温度に基づいて前記加熱手段を制御する小流量モードと、前記シャッタを開位置に移動させた状態で前記温度に基づいて前記加熱手段を制御する大流量モードと、を切り替える制御部と、
    を備える、
    請求項６に記載の熱処理装置。
  8. 前記制御部は、前記処理容器内において低温で基板を処理する場合、及び前記処理容器内を高速で冷却する場合の少なくともいずれかの場合に前記大流量モードに切り替える、
    請求項７に記載の熱処理装置。
  9. 前記処理容器は縦長であり、前記複数の吹出手段は前記処理容器の長手方向に沿って設けられている、
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載の熱処理装置。
  10. 基板を収容する処理容器の周囲に設けられた加熱手段と、前記処理容器と前記加熱手段との間の空間に冷却流体を吹き出す複数の吹出手段と、前記複数の吹出手段の少なくとも２つ以上を同時に開閉するシャッタであって、各々の前記吹出手段に対応してスリットが形成されたシャッタと、を備える熱処理装置における熱処理方法であって、
    前記吹出手段は、前記シャッタにより覆われる入口を有し、
    前記シャッタは、前記入口の面と直交する方向に移動することにより前記入口を開閉するように構成され、
    前記熱処理装置において実行される処理に応じて、前記シャッタを閉位置に移動させた状態で前記処理容器内又は前記空間の温度に基づいて前記加熱手段を制御する小流量モードと、前記シャッタを開位置に移動させた状態で前記処理容器内又は前記空間の温度に基づいて前記加熱手段を制御する大流量モードと、を切り替える、
    熱処理方法。
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