JP2010073952A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ面内温度分布均一性を高める。
【解決手段】バッチ式熱処理装置において、プロセスチューブ３６外に電磁波を閉じ込めるシールド５２を同心円状に設置し、シールド５２の中央高さに電磁波導入ポート５３を穿設し、電磁波導入ポート５３に導波管５４の一端を接続し、導波管５４の他端にマイクロ波を供給するマイクロ波源５５を接続する。複数枚のウエハ１を処理室３７に搬入するボート４２の同一段の保持溝４６、４６、４６にシリコンからなるホルダ４７を架設して、ウエハ１をホルダ４７の保持穴４８に収容して保持する。マイクロ波のウエハ周縁部への集中をホルダによって吸収することにより、ウエハ周縁部が極端に加熱されるのを防止できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板処理装置に関する。
例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に熱処理（thermal treatment ）を施すのに利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法においてウエハに熱処理を施すのに、バッチ式縦型ホットウオール型熱処理装置が広く使用されている。
バッチ式縦型ホットウオール型熱処理装置は処理炉を備えており、処理炉は、処理室を形成したプロセスチューブと、処理室を排気する排気管と、処理室へ処理ガスを供給するガス供給管と、プロセスチューブ外に設置されて処理室内を全体にわたって均一に加熱するヒータユニットとから構成されている。
処理炉の真下近傍にはボートエレベータが設置されており、ボートエレベータのアームにはシールキャップが水平に支持されている。シールキャップ上にはボートが垂直に立脚されており、ボートは複数枚のウエハを中心を備えて水平に保持する。
そして、ボートがボートエレベータによって上昇されるのに伴って、複数枚のウエハが処理室に搬入され、処理室内において処理炉による熱処理を施される。

従来のこの種の処理炉のヒータユニットは、抵抗発熱体と断熱筒とによって形成されているのが、一般的である。

ヒータユニットが抵抗発熱体と断熱筒とによって構成されたバッチ式縦形ホットウオール型熱処理装置においては、エネルギ効率が低いという問題点がある。

本発明の目的は、エネルギ効率の良好な基板処理装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
基板を複数処理するバッチ式基板処理装置において、
前記基板を加熱するマイクロ波加熱源と、
前記マイクロ波加熱源の周波数を調整する調整部と、
前記複数の基板をそれぞれ保持する誘電体からなる板状部材と、
を有する基板処理装置。

前記した手段によれば、最適の周波数をマイクロ波加熱源に出力させることにより、エネルギ効率を高めることができる。
マイクロ波の基板周縁部への集中を誘電体からなる板状部材によって吸収することができるので、基板面内の温度分布均一性を高めることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、ウエハに各種の熱処理を施すバッチ式熱処理装置として構成されている。

図１および図２に示されているように、バッチ式熱処理装置１０においては、基板であるウエハ１を収納して搬送するためのウエハキャリアとしては、ＦＯＵＰ（以下、ポッドという。）２が使用されている。
バッチ式熱処理装置１０は筐体１１を備えている。
筐体１１の正面壁１１ａの正面前方部には正面メンテナンス口１２が開設されている。正面メンテナンス口１２はメンテナンス作業を実施するための開口である。正面メンテナンス口１２は正面メンテナンス扉１３、１３によって開閉される。
筐体１１の正面壁１１ａにはポッド搬入搬出口１４が筐体１１の内外を連通するように開設されている。ポッド搬入搬出口１４はフロントシャッタ１５によって開閉される。
ポッド搬入搬出口１４の正面前方側にはロードポート１６が設置されている。ロードポート１６はポッド２を載置されて位置合わせする。
ポッド２はロードポート１６上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、ロードポート１６上から搬出される。

筐体１１内の前後方向の略中央部における上部には、回転式ポッド棚１７が設置されており、回転式ポッド棚１７は複数個のポッド２を保管する。
すなわち、回転式ポッド棚１７は支柱１８および複数枚の棚板１９を備えている。支柱１８は水平面内で間欠回転される。複数枚の棚板１９は支柱１８に上中下段の各位置に配置され、放射状に支持されている。複数枚の棚板１９はポッド２を複数個宛それぞれ載置した状態で保持する。

筐体１１内におけるロードポート１６と回転式ポッド棚１７との間には、ポッド搬送装置２０が設置されている。ポッド搬送装置２０はポッドエレベータ２０ａおよびポッド搬送機構２０ｂを備えている。ポッド搬送装置２０はポッドエレベータ２０ａとポッド搬送機構２０ｂとの連続動作により、ロードポート１６と回転式ポッド棚１７とポッドオープナ２１との間でポッド２を搬送する。

ポッドオープナ２１はポッド２を載置する載置台２２、２２と、ポッド２のキャップを着脱するキャップ着脱機構２３、２３とを備えている。ポッドオープナ２１は載置台２２に載置されたポッド２のキャップをキャップ着脱機構２３によって装着したり外したりする。これにより、ポッド２はウエハ出し入れ口を開いたり閉じたりされる。

筐体１１内には前後方向略中央部下部に、サブ筐体２４が後端まで構築されている。サブ筐体２４の正面壁２４ａには一対のウエハ搬入搬出口２５、２５が垂直方向に上下二段に並べられて開設されている。上下段のウエハ搬入搬出口２５、２５には一対のポッドオープナ２１、２１がそれぞれ設置されている。ウエハ搬入搬出口２５はウエハ１をサブ筐体２４内に搬入したり、ウエハ１をサブ筐体２４内から搬出するための出し入れ口（ゲート）である。

サブ筐体２４はポッド搬送装置２０および回転式ポッド棚１７の設置空間から流体的に隔絶された移載室２６を構成している。移載室２６は前側領域にウエハ移載機構２７を設置されている。
ウエハ移載機構２７はウエハ移載装置２７ａ、ウエハ移載装置エレベータ２７ｂおよびツィーザ２７ｃを備えている。ウエハ移載装置２７ａは水平面内において回転または直動する。ウエハ移載装置エレベータ２７ｂはウエハ移載装置２７ａを昇降させる。ツィーザ２７ｃはウエハ移載装置２７ａに支持されており、ウエハ１を水平に保持する。
ウエハ移載装置エレベータ２７ｂおよびウエハ移載装置２７ａの連続動作により、ツィーザ２７ｃによって保持したウエハ１を後記するボートに搬送して装填（チャージング）したり、ボートに装填されたウエハ１をツィーザ２７ｃによって受け取る。
図１に想像線で示されているように、ウエハ移載装置エレベータ２７ｂは筐体１１の右側端部とサブ筐体２４の移載室２６の前方領域右端部との間に設置されている。

移載室２６の後側領域には待機部２８が構成されている。待機部２８はボートを収容して待機させる予備室である。待機部２８の天井面には炉口シャッタ２９が設けられており、炉口シャッタ２９は後記する処理炉の炉口を開閉する。

図１に想像線で示されているように、筐体１１の右側端部とサブ筐体２４の待機部２８の右端部との間には、ボートエレベータ３０が設置されている。ボートエレベータ３０のアーム３１にはシールキャップ３２が水平に据え付けられている。アーム３１はボートエレベータ３０の昇降台に連結された連結具である。シールキャップ３２は処理炉の炉口を閉塞する蓋体である。

図１に示されているように、ウエハ移載装置エレベータ２７ｂ側およびボートエレベータ３０側と反対側である移載室２６左側端部には、クリーンユニット３３が設置されている。クリーンユニット３３は供給フアンおよび防塵フィルタによって構成されている。クリーンユニット３３は清浄化した雰囲気もしくは不活性ガスであるクリーンエア３４（図１の矢印参照）を供給する。
図示はしないが、ウエハ移載装置２７ａとクリーンユニット３３との間にはノッチ合わせ装置が設置されている。ノッチ合わせ装置はウエハの円周方向の位置を整合させる。
クリーンユニット３３から吹き出されたクリーンエア３４は、ノッチ合わせ装置、ウエハ移載装置２７ａおよびボートを流通する。その後に、クリーンエア３４は図示しないダクトにより吸い込まれる。吸い込まれたクリーンエア３４は筐体１１の外部に排気がなされるか、または、クリーンユニット３３の吸い込み側である一次側（供給側）に戻されて、クリーンユニット３３から移載室２６内に再び吹き出される。

図１および図２に示されているように、筐体１１の後側上部には処理炉３５が垂直に設置されている。
図３に示されているように、処理炉３５はプロセスチューブ３６を備えている。プロセスチューブ３６は石英等の誘電体が使用されて一端開口で他端閉塞の円筒形状に形成されており、プロセスチューブ３６は中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持されている。
プロセスチューブ３６の筒中空部は複数枚のウエハ１が収容される処理室３７を形成しており、プロセスチューブ３６の内径は取り扱うウエハ１の最大外径よりも大きくなるように設定されている。
プロセスチューブ３６の下端部には炉口フランジ３８が設置されている。炉口フランジ３８は処理炉３５の炉口３９を形成している。炉口フランジ３８がサブ筐体２４に支持された状態で、プロセスチューブ３６は垂直に据え付けられた状態になっている。

図３に示されているように、ボートエレベータ３０は処理炉３５の真下近傍に設置されている。ボートエレベータ３０のアーム３１に支持されたシールキャップ３２は炉口３９を閉塞する。すなわち、シールキャップ３２は炉口フランジ３８の外径と略等しい円盤形状に形成されており、ボートエレベータ３０によって上昇されることにより、炉口３９を気密シールする。

プロセスチューブ３６の下端部の側壁には排気管４０の一端が接続されており、排気管４０は他端を排気装置（図示せず）に接続されている。排気装置は排気管４０を介して処理室３７を排気する。
プロセスチューブ３６の排気管４０と異なる位置には、処理室３７へ処理ガスを供給するためのガス供給管４１の一端が接続されている。

シールキャップ３２上にはボート４２が垂直に立脚されて支持されている。ボート４２は複数枚のウエハ１を保持して、処理室３７内に搬入（ボートローディング）したり、処理室３７外へ搬出（ボートアンローディング）したりする。
ボート４２は石英等の誘電体が使用されて形成されている。
ボート４２は上下で一対の端板４３、４４と、３本の保持柱４５、４５、４５とを備えている。３本の保持柱４５、４５、４５は両端板４３、４４間に垂直に架橋されている。３本の保持柱４５、４５、４５には複数の保持溝４６が上下方向に等間隔に配置されてそれぞれ形成されており、同一段の保持溝４６、４６、４６は同一平面を構成している。
図４に示されているように、同一段の保持溝４６、４６、４６には、誘電体としてのシリコンからなる板状部材（以下、ホルダという。）４７がそれぞれ設けられている。ホルダ４７はシリコンが使用されて円板形状に形成されている。ホルダ４７は外径をウエハ１の外径よりも大きく、かつ、厚さをウエハ１よりも厚く形成されている。ホルダ４７は外周縁部を同一段の保持溝４６、４６、４６に挿入することにより、３本の保持柱４５、４５、４５に架橋されて保持されている。
ホルダ４７の上面には円形の保持穴４８が同心円に没設されており、保持穴４８は内径をウエハ１の外径よりも若干大きめに、かつ、深さをウエハ１の厚さと等しく形成されている。したがって、保持穴４８はウエハ１を収容した状態で保持する。
ボート４２の下部には複数枚の断熱板４９が配置されている。断熱板４９は処理室３７からの熱の放射を抑制する。
シールキャップ３２下面の中央にはロータリーアクチュエータ５０が設置されている。ロータリーアクチュエータ５０の回転軸５０ａはボート４２を支持する。すなわち、ロータリーアクチュエータ５０は回転軸５０ａによってボート４２を回転させる。

プロセスチューブ３６の外部にはベース５１が水平に配置されており、ベース５１上にはシールド５２がプロセスチューブ３６と同心円状に設置されている。シールド５２は上端が閉塞した八角形筒形状、もしくは他の多角形筒状に形成されており、プロセスチューブ３６よりも大きい。シールド５２はプロセスチューブ３６の外側を取り囲んで電磁波を閉じ込め、かつまた、反射させる。
シールド５２は電磁波の外部への漏洩を効果的に防止可能な導電性材料によって形成されている。例えば、このような導電性材料としては、銅、アルミニウム、ステンレス、白金、銀等を挙げることができる。
但し、シールド５２は導電性材料のみによって形成するに限らない。シールド５２は多層シールド材料によって形成してもよい。例えば、多層シールド材料は、導電性材料からなる基材のプロセスチューブ３６側表面に、電磁波を反射する反射面および電磁波を吸収する吸収層を形成することにより、構築することができる。

シールド５２の側壁は電磁波導入ポート５３を穿設されている。電磁波導入ポート５３にはシールド５２内に電磁波を供給するための導波管５４の一端が接続されている。
導波管５４の他端には電磁波であるマイクロ波を供給する電磁波源（以下、マイクロ波源という。）５５が接続されている。マイクロ波は波長１ｍ以下の電波で極超短波とも称される。マイクロ波には遠赤外部に接する１ｍｍ以下のサブミリ波まで含まれる。
マイクロ波源５５は０．５〜５０ＧＨｚのマイクロ波を導波管５４に供給する。マイクロ波源５５は基板であるウエハを加熱するマイクロ波加熱源を構成している。
マイクロ波源５５にはコントローラ５６が接続されている。コントローラ５６は供給するマイクロ波の周波数を増減して調整する調整部を構成している。
コントローラ５６には電界強度測定器５７が接続されており、電界強度測定器５７には複数のアンテナ５８が接続されている。複数のアンテナ５８はシールド５２側壁の複数箇所に高さ方向および周方向に間隔をとって配置されている。複数のアンテナ５８はシールド５２側壁にそれぞれ配置された場所の電界強度を検出し、電界強度測定器５７に送信する。電界強度測定器５７は複数のアンテナ５８が検出した各場所の電界強度を測定し、測定結果をコントローラ５６に送信する。すなわち、複数のアンテナ５８および電界強度測定器５７は、電界強度すなわち電場の強さ（Ｖ／ｍ）を検出する電界強度検出部を構成している。
コントローラ５６は電界強度測定器５７からの測定結果に基づいて、後述する最適制御を実施する。

なお、電磁波導入ポート５３はシールド５２の一箇所に配置するに限らず、複数箇所に配置してもよい。
また、導波管５４は電磁波導入ポート５３に直接的に接続するに限らず、電磁的拡散レンズ等の電磁波を拡散する電磁波拡散手段を介在させてもよい。

次に、前記構成に係るバッチ式熱処理装置１０を用いる本発明の一実施形態であるＩＣの製造方法の熱処理工程を説明する。

図１および図２に示されているように、ポッド２がロードポート１６に供給されると、フロントシャッタ１５はポッド搬入搬出口１４を開放する。
ポッド搬入搬出口１４が開放すると、ポッド搬送装置２０はロードポート１６上のポッド２を筐体１１内へポッド搬入搬出口１４から搬入する。ポッド搬送装置２０は搬入したポッド２を回転式ポッド棚１７の指定された棚板１９へ搬送して受け渡す。
ポッド２を棚板１９に一時的に保管した後、ポッド搬送装置２０はポッド２を棚板１９から一方のポッドオープナ２１に搬送し、載置台２２に移載する。
なお、ポッド搬送装置２０はロードポート１６上のポッド２を回転式ポッド棚１７に搬送せずに、ポッドオープナ２１に直接搬送する場合もある。

ポッド２搬送中、キャップ着脱機構２３はポッドオープナ２１のウエハ搬入搬出口２５を閉じている。クリーンユニット３３は移載室２６にクリーンエア３４を流通させて循環させる。
クリーンユニット３３が移載室２６にクリーンエア３４として窒素ガスを循環させることにより、移載室２６内の酸素濃度は筐体１１内（大気雰囲気）の酸素濃度よりも遥かに低く（例えば、２０ｐｐｍ以下）維持される。

ポッドオープナ２１は載置台２２に載置されたポッド２の開口側端面をサブ筐体正面壁２４ａの搬入搬出口２５開口縁辺部に押し付ける。キャップ着脱機構２３はポッド２のキャップを取り外し、ウエハ出し入れ口を開放させる。
ポッド２が開放されると、ウエハ移載装置２７ａはツィーザ２７ｃによってウエハ１をポッド２からウエハ出し入れ口を通じてピックアップしノッチ合わせ装置に搬送する。
ノッチ合わせ装置がウエハ１のノッチを合わせると、ウエハ移載装置２７ａはウエハ１をノッチ合わせ装置からピックアップし、移載室２６の後方にある待機部２８へ搬入し、ボート４２に装填（チャージング）する。
ボート４２にウエハ１を受け渡したウエハ移載装置２７ａはポッド２に戻り、次のウエハ１をピックアップし、再び、ボート４２に搬送し、ボート４２に装填する。

この一方（上段または下段）のポッドオープナ２１からボート４２へのウエハ１の装填作業中に、ポッド搬送装置２０は回転式ポッド棚１７から別のポッド２を他方（下段または上段）のポッドオープナ２１に搬送し移載する。ポッドオープナ２１はポッド２を開放する。すなわち、ウエハ移載装置２７ａによるウエハ装填作業と、ポッド搬送装置２０およびポッドオープナ２１によるポッド開放作業とが、同時進行される。

ボートエレベータ３０は所定枚数のウエハ１が移載されたボート４２を上昇させ、図４に示されているように、処理炉３５の処理室３７に搬入（ボートローディング）する。
ボート４２が上限に達すると、シールキャップ３２が炉口３９をシール状態に閉塞するので、処理室３７は気密に閉じられた状態になる。

気密に閉じられると、排気管４０は処理室３７を排気する。
マイクロ波源５５はウエハ１を所定温度（例えば、２００℃程度）に昇温させる。すなわち、マイクロ波源５５はマイクロ波を導波管５４を経由してシールド５２内に供給する。シールド５２内に供給されたマイクロ波はプロセスチューブ３６およびウエハ１に入射して効率的に吸収されるために、プロセスチューブ３６およびウエハ１をきわめて効果的に昇温させる。
ウエハ１が所定の温度に昇温すると、ロータリーアクチュエータ５０がボート４２を回転させながら、ガス供給管４１が所定処理ガス（図示せず）を所定時間だけ供給する。

予め設定された処理時間が経過すると、ボート４２の回転、処理ガスの供給、マイクロ波の供給および排気管４０の排気が停止する。
その後に、ボートエレベータ３０はシールキャップ３２を下降させることにより、炉口３９を開口するとともに、ボート４２を炉口３９から処理室３７の外部に搬出（ボートアンローディング）する。

ウエハ移載機構２７はボート４２のウエハ１をポッド２内に、前述した作動とは逆の手順により収める。
以上の作動が繰り返されることにより、複数枚のウエハ１がバッチ処理される。

ところで、前述した熱処理工程において、ウエハ１がボート４２の保持溝４６に直接保持されている場合には、ウエハ面内の温度分布は、図５（ａ）に示されているように、周縁辺（エッジ）部において温度が高く中央部において温度が高くなってしまう。
これは、マイクロ波がウエハ周縁部に集中し、周縁部が極端に加熱されるためと、考えられる。

本実施形態においては、図４に示されているように、ボート４２の同一段の保持溝４６、４６、４６にシリコンからなるホルダ４７を架設して、ウエハ１をホルダ４７の保持穴４８に収容して保持するものとしたので、ウエハ面内の温度分布は、図５（ｂ）に示されているように、全体的に略均一になる。
これは、マイクロ波のウエハ１周縁部への集中をシリコンからなるホルダ４７によって吸収することにより、ウエハ１周縁部が極端に加熱されるのを防止することができるためと、考えられる。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

1) マイクロ波によってウエハを加熱することにより、ウエハを直接的に加熱することができるので、ウエハをエネルギ効率よく加熱することができ、また、低温領域での温度を適正かつ精密に制御することができる。

2) ボートの同一段の保持溝にシリコンからなるホルダを架設し、ウエハをホルダの保持穴に収容して保持することにより、ウエハ面内の温度分布を全体的に均一にすることができるので、ウエハ面内の膜厚分布均一性を向上させることができる。

3) 複数枚のウエハをマイクロ波によって一律に加熱することにより、ウエハのボート全長の温度を均一に分布させることができる、すなわち、各ウエハ相互間の温度ばらつきを抑止することができるため、各ウエハ相互間の膜厚ばらつきを抑止することができる。

4) 複数枚のウエハを一括してバッチ処理することにより、ウエハを一枚ずつ枚葉処理する場合に比べて、スループットを大幅に向上させることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、シリコンからなるホルダを石英からなるボートの保持溝に支持させるに限らず、シリコンからなるホルダをシリコンからなるボートに固定（一体成形または溶接）してもよい。

ホルダはシリコンによって形成するに限らず、石英または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の誘電体（誘電性を有する材料）によって形成してもよい。

ホルダの保持穴は省略してもよい。
ホルダはウエハよりも大径に形成するに限らず、等しく形成してもよい。

本発明に係る基板処理装置は、拡散装置や減圧ＣＶＤ装置およびアニール装置等の基板処理装置全般に使用することができる。

また、被処理基板はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

本発明の一実施の形態であるバッチ式熱処理装置を示す一部省略斜視図である。 側面断面図である。 処理炉を通る正面断面図である。 処理ステップにおける処理炉部分を示す正面断面図である。 ウエハ面内温度分布均一化効果を示すグラフであり、（ａ）は比較例の場合を示し、（ｂ）は本実施形態の場合を示している。

符号の説明

１…ウエハ（基板）、２…ポッド、
１０…バッチ式熱処理装置（基板処理装置）、１１…筐体、１１ａ…正面壁、１２…正面メンテナンス口、１３…正面メンテナンス扉、１４…ポッド搬入搬出口、１５…フロントシャッタ、１６…ロードポート、
１７…回転式ポッド棚、１８…支柱、１９…棚板、
２０…ポッド搬送装置、２０ａ…ポッドエレベータ、２０ｂ…ポッド搬送機構、
２１…ポッドオープナ、２２…載置台、２３…キャップ着脱機構、
２４…サブ筐体、２４ａ…正面壁、２５…ウエハ搬入搬出口、２６…移載室、
２７…ウエハ移載機構、２７ａ…ウエハ移載装置、２７ｂ…ウエハ移載装置エレベータ、２７ｃ…ツィーザ、
２８…待機部、２９…炉口シャッタ、
３０…ボートエレベータ、３１…アーム、３２…シールキャップ、
３３…クリーンユニット、３４…クリーンエア、
３５…処理炉、３６…プロセスチューブ、３７…処理室、３８…炉口フランジ、３９…炉口、４０…排気管、４１…ガス供給管、
４２…ボート、４３、４４…端板、４５…保持柱、４６…保持溝、４７…ホルダ（板状部材）、４８…保持穴、
４９…断熱板、
５０…ロータリーアクチュエータ、５０ａ…回転軸、
５１…ベース、５２…シールド、５３…電磁波導入ポート、５４…導波管、５５…マイクロ波源（マイクロ波加熱源）、５６…コントローラ（調整部）、５７…電界強度測定器（電界強度検出部）、５８…アンテナ（電界強度検出部）。

Claims (1)

1. 基板を複数処理するバッチ式基板処理装置において、
   前記基板を加熱するマイクロ波加熱源と、
   前記マイクロ波加熱源の周波数を調整する調整部と、
   前記複数の基板をそれぞれ保持する誘電体からなる板状部材と、
   を有する基板処理装置。

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