JP5443228B2 - 半導体熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体熱処理装置に係り、特に大径のウエハ等の基板を処理する場合に好適な半導体熱処理装置に関する。

半導体基板の熱処理は従来、ホットウォール型の恒温炉にて行われていた。このような装置では、抵抗加熱などにより、炉壁も含めて全体を加熱していたこともあり、昇降温速度が遅いという問題があった。また、このような熱処理装置を成膜用途に用いた場合には、壁面温度も高温となることより、炉壁も成膜されることを考慮しなければならなかった。
このような問題を鑑み、昇降温速度の急速化を望むことができ、かつコールドウォール化にも対応した誘導加熱を利用した半導体熱処理方法が注目されてきた。

誘導加熱を利用して半導体ウエハ等の基板を熱処理する装置としては、特許文献１や特許文献２に開示されているようなものが知られている。特許文献１に開示されている熱処理装置は図７に示すように、バッチ型の熱処理装置であり、多段積みされたウエハ２を石英のプロセスチューブ３に入れ、このプロセスチューブ３の外周にグラファイト等の導電性部材で形成した加熱塔４を配置し、その外周にソレノイド状の誘導加熱コイル５を配置するというものである。このような構成の熱処理装置１によれば、誘導加熱コイル５によって生じた磁束の影響により加熱塔４が加熱され、加熱塔４からの輻射熱によりプロセスチューブ３内に配置されたウエハ２が加熱される。

また、特許文献２に開示されている熱処理装置は図８に示すように、枚葉型の熱処理装置であり、同心円上に多分割されたサセプタ７をグラファイト等で形成し、このサセプタ７の上面側にウエハ８を載置、下面側に複数の円環状の誘導加熱コイル９を同心円上に配置しこれら複数の誘導加熱コイル９に対する個別電力制御を可能としたものである。このような構成の熱処理装置６によれば、各誘導加熱コイル９による加熱範囲に位置するサセプタ７と、他のサセプタ７との間の伝熱が抑制されるため、誘導加熱コイル９に対する電力制御によるウエハ８の温度分布制御性が向上する。

また、特許文献２においては、ウエハ８を載置するサセプタ７を分割する事で発熱分布を良好に制御する旨記載されているが、特許文献３には、サセプタの断面形状を工夫することで、発熱分布を改善することが開示されている。特許文献３に開示されている熱処理装置は、円環状に形成される誘導加熱コイルの径が小さい内側において発熱量が小さくなる事に注目し、サセプタにおける内側部分の厚みを厚くすることで、外側部分よりも内側部分の方が誘導加熱コイルからの距離が近くなるようにし、発熱量の増大と熱容量の増大を図ったものである。

特開２００４−７１５９６号公報 特開２００９−８７７０３号公報 特開２００６−１０００６７号公報

しかし、上記のような構成の熱処理装置ではいずれも、サセプタに対して磁束が垂直に作用することとなる。このため、被加熱物としてのウエハ表面に金属膜等を形成していた場合にはウエハが直接加熱されてしまう場合があり、温度分布制御が乱れることが生じ得る。

これに対し、サセプタに対して水平方向の磁束を与えることで加熱を促せば、ウエハの直接加熱を抑制することができるとも考えられるが、この場合には水平面における温度分布を制御することが困難となる。

そこで本発明では、上記問題点を解消し、サセプタに対して水平磁束を与える場合であってもサセプタ水平面の温度分布制御を可能とし、かつバッチ処理による熱処理を可能とする半導体熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る半導体熱処理装置は、水平配置されたサセプタ上に載置された被加熱物を前記サセプタを誘導加熱することで間接加熱する半導体熱処理装置であって、前記サセプタの外周側に、前記サセプタの中心を基点として１つの方向に偏らせて配置され、前記サセプタにおける前記被加熱物載置面と平行な方向に交流磁束を形成する誘導加熱コイルと、前記サセプタを水平回転させる回転テーブルと、を備え、前記サセプタは、中心側に位置する薄肉部と、外縁側に位置する厚肉部とより構成することを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する半導体熱処理装置において前記厚肉部は、前記被加熱物載置面と反対側に位置する主面に、外縁側ほど厚みを薄くする傾斜面を備え、前記厚肉部の最外周における厚みを前記薄肉部の厚みより厚くすると共に、前記誘導加熱コイルに接続される電源部は、前記誘導加熱コイルを介して生ずる磁束による加熱効率が前記厚肉部における内周側において最も高くなる低周波電流と、前記誘導加熱コイルを介して生ずる磁束による加熱効率が前記厚肉部における外周側において最も高くなる高周波電流とを切替可能な構成とすると良い。

このような構成とすることにより、厚肉部の加熱と放熱とのバランスを調整することが可能となり、熱伝導による薄肉部の温度制御を高精度に行うことが可能となる。

また、上記のような特徴を有する半導体熱処理装置は、前記被加熱物および前記サセプタの平面形状を共に円形とし、前記薄肉部の直径を前記被加熱物の直径と同一または前記被加熱物の直径よりも大きくすることが望ましい。
このような構成とすることにより、被加熱物を載置する部位が薄肉部となるため、被加熱物載置部の熱伝導性を良好に保つことができる。

上記のような特徴を有する半導体熱処理装置によれば、サセプタに対して水平磁束を与える場合であってもサセプタ水平面の温度分布制御を可能とすることができる。また、バッチ処理による熱処理における垂直方向温度分布の制御も可能となる。

第１の実施形態に係る熱処理装置の側面構成を示すブロック図である。 サセプタの断面形態と、使用周波数帯による温度分布傾向の違いを示す図である。 第２の実施形態に係る熱処理装置の平面構成を示すブロック図である。 サセプタの変形形態のうち、第１の変形形態を示す図である。 サセプタの変形形態のうち、第２の変形形態を示す図である。 サセプタの変形形態のうち、第３の変形形態を示す図である。 従来のバッチ式誘導加熱装置の構成を示す図である。 従来の枚葉式誘導加熱装置の構成を示す図である。

以下、本発明の半導体熱処理装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る半導体熱処理装置（以下、単に熱処理装置と称す）の概要構成について説明する。なお、図１は熱処理装置の側面構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る熱処理装置１０は、被加熱物としてのウエハ３０と発熱体としてのサセプタ１４を多段に重ねて熱処理を行うバッチ式のものとする。
熱処理装置１０は、ウエハ３０とサセプタ１４を多段に重ねたボート１２と、サセプタ１４を加熱する誘導加熱コイル２０、および誘導加熱コイル２０に電力を供給する電源部２４とを基本として構成される。

サセプタ１４は、導電性部材で構成されれば良く、例えばグラファイト、ＳｉＣ、ＳｉＣコートグラファイト、および耐熱金属等により構成すれば良い。本実施形態におけるサセプタ１４は、平面形状を円形とし、断面形状は薄肉部１４ａと厚肉部１４ｂとより構成される形態としている。具体的には図２に断面形状を示すように、ウエハ３０を載置する面は平坦としつつ、サセプタ１４の中心側に薄肉部１４ａ、外縁側に厚肉部１４ｂを配している。本実施形態においてサセプタ１４は、多段積みされた形態を採ることとなる。このため、中心部では熱がこもり、外縁側に比べて温度低下が生じ難くなる傾向がある。一方、外縁側は外部に晒されるため、放熱による温度低下が生じやすい。サセプタ１４を図２に示すような形態とすることによれば、加熱対象とされる外縁部の熱容量が大きくなると共に、中心部には熱伝導により熱が伝わるため、均一な温度分布となり易くなる。

また、本実施形態に係るサセプタ１４は、厚肉部１４ｂの中にも厚みの違いを持たせている。具体的には、厚肉部１４ｂに、厚肉部１４ｂの外縁側ほど厚みを薄くする傾斜面１４ｃを持たせることで、厚みの違いを実現させている。ここで、厚肉部１４ｂの最外周におけるサセプタ１４の厚みＴ_１は、薄肉部１４ａの厚みｔよりも厚くすることが望ましい。所定周波数での加熱への適格性を持たせるためである。例えば本実施形態の場合、詳細を後述するように、２０ｋＨｚと５０ｋＨｚといった２種類の周波数の電流を用いて誘導加熱を行う。この場合、厚肉部１４ｂの内周側（厚みが厚い側）が２０ｋＨｚによる主加熱部位となり２０ｋＨｚによる加熱効率が高い部位となる。一方、厚肉部１４ｂの外縁側（厚みが薄い側）は、５０ｋＨｚによる主加熱部位となり、５０ｋＨｚによる加熱効率が高い部位となる。

これは、厚肉部１４ｂの外縁側では、周波数の低い２０ｋＨｚの電流により生じた磁束により誘起された起電流は、その浸透深さが深いため、サセプタ１４の表裏面において打ち消し合うこととなる。このため、当該部分における発熱効率（加熱効率）が悪くなる一方、内周側では浸透深さの影響による打消し合いが生じ得ないため、発熱効率が良好となる。

また、５０ｋＨｚとした場合には逆に、厚肉部１４ｂの内周側では浸透深さが浅く、発熱部位の割合が少なくなってしまう傾向にある。一方外縁側では発熱部位の割合が多く、かつ起電流の打ち消し合いも生じないため、外縁部での発熱効率が良好となる。なお、薄肉部１４ａにおいては、いずれの周波数においても起電流の打ち消し合いが生じ、加熱効率が悪くなる。

図２は、サセプタの断面形状と発熱分布を示す図であり、図２（Ａ）は５０ｋＨｚの電流を用いた誘導加熱による発熱分布の傾向を示す図、図２（Ｂ）は２０ｋＨｚの電流を用いた誘導加熱による発熱分布の傾向を示す図、図２（Ｃ）はサセプタの中心線を通る部分における断面形状を示す図である。なお、図２において、図２（Ａ）、（Ｂ）における縦軸、横軸はそれぞれ独立であり、縦軸は温度を示し、横軸は、サセプタ端部からの距離を示す。図２（Ａ）、（Ｂ）によれば、サセプタにおけるウエハ載置領域においては、略均一な温度分布となっていることを読み取ることができる。

ここで、図２（Ａ）に示す温度分布傾向では、サセプタ１４の外縁部の温度が高くなる傾向にある。このため、放熱により外縁部の温度が低下した場合には、５０ｋＨｚ（高周波）の電流による加熱を行い、外縁部の温度を上昇させることで、内部、すなわち薄肉部１４ａの温度低下を防ぐことができる。また、図２（Ｂ）に示す温度分布傾向では、サセプタ１４の外縁部の温度が低く、厚肉部１４ｂの内周側の温度が高くなる傾向にある。このため、外縁部の温度が過剰に上昇した場合には、２０ｋＨｚ（低周波）の電流による加熱を行うことで、内部、すなわち薄肉部１４ａの温度も過度に上昇してしまうという事態を防ぐことができる。このような対極な温度分布傾向を示す電流制御を時分割、あるいは検出温度に基づいて繰り返すことにより、薄肉部１４ｂの温度分布高精度に均一化することが可能となる。

ここで、一例としてサセプタ１４の構成の具体例を示すと、薄肉部１４ａの厚みｔを５ｍｍ、厚肉部１４ｂの内周側厚みＴ_２を１３．５ｍｍ、外縁側厚みＴ_１を１０ｍｍ、薄肉部１４ａの直径φ_１を２００ｍｍ、厚肉部１４ｂの直径φ_２を３１０ｍｍとすることができる。

なお、サセプタ１４の積層には、上下に配置されるサセプタ１４間に支持部材１６を配置することで対応すれば良い。ここで、支持部材１６には、電磁誘導による加熱の影響を受けない石英などで構成したものを採用することが望ましい。

また、本実施形態におけるボート１２は、図示しないモータを備えた回転テーブル１８に載置されており、熱処理工程中のサセプタ１４及びウエハ３０を回転させることができる。このような構成とすることにより、サセプタ１４を加熱する際の発熱分布の偏りを抑制することができる。また、誘導加熱コイル２０をサセプタ１４の外周側に１つだけ置いた場合であっても、発熱分布の偏りを抑制することができるため、サセプタ１４の均一加熱を実現することが可能となる。

誘導加熱コイル２０は、ボート１２の外周側に配置されたコア２２に銅線を巻回されて構成される。コア２２は、フェライト系セラミックなどにより構成すると良く、粘土状の原料を形状形成した上で焼成して成るようにすれば良い。このような部材により構成すれば、形状形成を自由に行うことが可能となるからである。また、コア２２を用いることにより、誘導加熱コイル２０単体の場合に比べて磁束の拡散を防止することができ、磁束を集中させた高効率な誘導加熱を実現することができる。

また、誘導加熱コイル２０の巻回方向の中心軸とウエハ３０又はサセプタ１４の載置状態における中心軸とは直行する方向を向くように構成することで、サセプタ１４に対向するコア２２の先端面が磁極面となる。このような構成から、誘導加熱コイル２０が巻回された磁極面からは、サセプタ１４のウエハ載置面に平行な方向に交流磁束が生ずることとなる。

また、各誘導加熱コイル２０は、内部を中空とした管状部材（例えば銅管）とすることが望ましい。熱処理中に銅管内部に冷却部材（例えば冷却水）を挿通させることにより、誘導加熱コイル２０自体の加熱を抑制することが可能となるからである。

誘導加熱コイル２０は、電源部２４に接続される。電源部２４には図示しないインバータと図示しない交流電源が設けられ、電源部２４には図示しない電力制御部が接続されており、誘導加熱コイル２０に供給する電流や電圧、および周波数等を調整することができるように構成されている。ここでインバータとして共振型のものを採用する場合には、周波数の切り替えを簡易に行うことができるように、各制御周波数に合わせた共振回路を並列接続し、これを図示しない電力制御部からの信号に応じて切り替えることができるように構成することが望ましい。例えば本実施形態の場合、電流の使用周波数帯域として、２０ｋＨｚ（低周波数）と５０ｋＨｚ（高周波数）といった２つの周波数帯域の電流を使用する。この場合、２０ｋＨｚ用の共振回路と、５０ｋＨｚ用の共振回路の２つを備えておき、切替スイッチなどにより、切り替え使用する構成とすれば良い。

また、インバータとして非共振型のものを採用する場合には、例えばＰＷＭ型のインバータを採用することで、電力制御部からの信号に応じた周波数での運転ができるようになる。このような構成とすることにより、運転中の周波数切り替えを容易に実現することができると共に、インバータの小型化を図ることができる。ＰＷＭインバータでの電流周波数の切り替えは、電流制御時におけるデューティー比を切り替えることで、電流値を同一としつつ周波数を切り替えることが可能となる。

出力電力の制御は、電力制御部に設けられた図示しない記憶手段（メモリ）に記憶された制御マップや、図示しない温度検出センサにより検出される信号に基づいて行うようにすれば良い。例えば制御マップに基づいて電力制御を行う場合には、熱処理開始からの経過時間単位に、電流周波数の切り替えや電流値を変化させる信号を電源部２４に出力すれば良い。なお、制御マップは、熱処理開始から熱処理終了に至るまでの積層配置されたサセプタ１４の温度変化を補正し、任意の温度分布（例えば均一な温度分布）を得るために誘導加熱コイルに与える電力値や電流の周波数切り替えタイミングを、熱処理開始からの経過時間と共に記録したものであれば良い。なお、制御マップを得るためには、予めサセプタの径時的な温度変化や、周波数切り替えによる影響を計測しておく必要がある。
また、温度検出センサによって検出された信号に基づく制御の場合、検出信号に基づいて、周波数切り替えや、出力電流を変化させるようにすれば良い。

電源部２４では、電力制御部からの信号に基づいて誘導加熱コイル２０に投入する電流の周波数の切り替えを行うと共に、誘導加熱コイル２０に供給する電流値の調整を行うことで、積層されたサセプタ１４（ウエハ３０）の温度分布を任意の温度分布または均一な温度分布に制御する。

また、磁極面を構成するコア２２の先端側には、図示しない断熱材を配置し、コア２２や誘導加熱コイル２０が加熱されることを抑制するようにしても良い。なおこのような構成とする場合、断熱材としては、セラミック板などであれば良く、例えば多孔質アルミナにより構成された板部材などが好ましい。

上記のような構成の熱処理装置１０によれば、ウエハ３０の表面に金属膜等の導電性部材が形成されていた場合であっても、金属膜内では電流の打ち消しが生ずるため、発熱はサセプタ１４のみに生じ、ウエハ３０の温度分布が乱れる虞が無い。

次に、本発明の熱処理装置に係る第２の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、図３に示す熱処理装置は、熱処理装置の平面構成を示すブロック図である。また、本実施形態に係る熱処理装置の殆どの構成は、上述した第１の実施形態に係る熱処理装置１０と同じである。よって、その構成を同一とする箇所には同一符号を付して、その詳細な説明は省略することとする。

本実施形態に係る熱処理装置１０ａでは、１つのコアに対して３つの磁極面を形成していることを特徴とする。このため、本実施形態に係るコアは、弓状に形成したコア本体２３から、ボート１２側に向けて突設された３つの凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより構成され、各凸部２２ａ〜２２ｃに対してそれぞれ誘導加熱コイルが巻回される構成としている。

磁極面はサセプタ１４の中心を向くように形成され、当該サセプタ１４の中心を基点として１８０度未満の角度内に配置されるようにすると良く、本実施形態ではそれぞれ６０度の間隔をあけて、３つの誘導加熱コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが１２０度の範囲に配置されるように構成されている。このような角度関係とすることにより、サセプタ１４の加熱範囲を広くしつつ、コアの配置形態の小型化を図ることが可能となる。

複数の誘導加熱コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、それぞれ巻回方向を同一とし、電源部２４に対して並列に接続されることにより、１系統の誘導加熱コイルとして扱うことが可能となる。これにより、各誘導加熱コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが隣接配置されることとなっていても、電磁誘導の影響を受けることが無い。
その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る熱処理装置１０と同様である。

また、上記実施形態では、サセプタの形態を１つのみ示した。しかしながら、サセプタの形態としては次のような形態のものを採用しても良い。まず、第１の変形形態としては、図４に示すような形態を挙げることができる。本形態に係るサセプタ１４Ａは、上述した実施形態に示すサセプタ１４に比べ、薄肉部１４ａの占める領域を増やし、ウエハ３０と薄肉部１４ａとを略同サイズとした場合の例を示す形態である。

本形態の場合、外形寸法は上述した実施形態にて挙げたサセプタ１４と同一としているため、厚肉部１４ｂの占有領域が狭くなる。このため、本形態におけるサセプタ１４Ａは、厚肉部１４ｂに傾斜面を持たず、単一の周波数の電流による加熱を行う熱処理装置とすることが望ましい。

次に、第２の変形形態としては、図５に示すような形態を挙げることができる。本形態に係るサセプタ１４Ｂは、サセプタ１４の外形形状を一回り大きくし、図４に示す形態のサセプタ１４Ａにおける厚肉部１４ｂの占有領域を増やした形態である。このような形態とすることにより、薄肉部１４ａの加熱が容易となり、温度分布の均等化を図りやすくすることができる。

また、第３の変形形態として、図６に示すような形態を挙げることもできる。本形態として示すサセプタ１４Ｃは、第２の変形形態として示したサセプタ１４Ｂにおける厚肉部１４ｂに傾斜面１４ｃを持たせ、厚みの厚い内周部と、厚みの薄い外縁部を持たせたことを特徴とする。このような構成とすることにより、上記実施形態と同様に、２つの周波数の電流を用いて誘導加熱を行うことで、温度分布の均一化を図るに際してより高い効果を挙げることが可能となる。

１０………半導体熱処理装置（熱処理装置）、１２………ボート、１４………サセプタ、１４ａ………薄肉部、１４ｂ………厚肉部、１４ｃ………傾斜面、１６………支持部材、１８………回転テーブル、２０………誘導加熱コイル、２２………コア、２４………電源部。

Claims (3)

1. 水平配置されたサセプタ上に載置された被加熱物を前記サセプタを誘導加熱することで間接加熱する半導体熱処理装置であって、
   前記サセプタの外周側に、前記サセプタの中心を基点として１つの方向に偏らせて配置され、前記サセプタにおける前記被加熱物載置面と平行な方向に交流磁束を形成する誘導加熱コイルと、
   前記サセプタを水平回転させる回転テーブルと、を備え、
   前記サセプタは、中心側に位置する薄肉部と、外縁側に位置する厚肉部とより構成することを特徴とする半導体熱処理装置。
2. 前記厚肉部は、前記被加熱物載置面と反対側に位置する主面に、外縁側ほど厚みを薄くする傾斜面を備え、前記厚肉部の最外周における厚みを前記薄肉部の厚みより厚くすると共に、
   前記誘導加熱コイルに接続される電源部は、前記誘導加熱コイルを介して生ずる磁束による加熱効率が前記厚肉部における内周側において最も高くなる低周波電流と、前記誘導加熱コイルを介して生ずる磁束による加熱効率が前記厚肉部における外周側において最も高くなる高周波電流とを切替可能な構成としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体熱処理装置。
3. 前記被加熱物および前記サセプタの平面形状を共に円形とし、
   前記薄肉部の直径を前記被加熱物の直径と同一または前記被加熱物の直径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体熱処理装置。

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