JP3860404B2

JP3860404B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP3860404B2
Application number: JP2000296430A
Authority: JP
Inventors: 英夫西原; 俊幸小林; 康裕芝
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2002110583A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の薄板状精密基板（以下、単に「基板」という。）に熱処理を施す熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱光源が基板の上面に対向するように配置された片面加熱のランプアニール等の熱処理装置が知られている。かかる熱処理装置においては基板の全面を均一に加熱するために、基板の外周部に厚みが１ｍｍ程度のセラミックス製のリング部材を設けている。また、熱処理を行うための加熱手段として、基板のみならず、リング部材をも加熱することができるように加熱光源が配置されている。
【０００３】
そして、基板に対する加熱処理を行う際には、主として基板を加熱するために設けられた加熱光源は複数ゾーンに分割され、それぞれのゾーンごとに制御を行うことで基板に対する熱処理の均一性を向上させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の熱処理装置では、主としてリング部材を加熱するために設けられた加熱光源が全体的に統一されて制御されること、及びリング部材の外側には水冷されたチャンバ壁が存在すること等が要因となって、基板外周部に設けられたリング部材の内周側と外周側とで温度勾配が発生していた。すなわち、リング部材の外周側の温度が内周側の温度よりも低くなるという現象が生じていたのである。
【０００５】
このようなリング部材における内周側と外周側との温度差は、熱処理過程を通して最大で約２４３℃にも達し、内周側に圧縮応力を、外周側に引っ張り応力を発生させて最終的にリング部材を破損させる結果を招くことになる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、熱処理におけるリング部材の温度均一性を図り、リング部材を破損することのない熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板を処理室に収容して熱処理を施す熱処理装置であって、基板の外周部に配置され、基板の温度均一性を向上させる温度補償部材と、主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、前記温度補償部材の内周側と外周側とを別のゾーンに分割したときの前記内周側のゾーンとして、主として前記温度補償部材における基板近傍領域を加熱する第１の温度補償部材加熱手段と、主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、前記外周側のゾーンとして、主として前記温度補償部材における基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段と、基板に対して熱処理を施す際に、主として基板を加熱するために設けられた基板加熱手段を制御するとともに、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段とを個別に制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１の温度補償部材加熱手段への電力供給量よりも、前記第２の温度補償部材加熱手段への電力供給量を大きくして、前記温度補償部材の前記基板近傍領域と前記基板遠隔領域との温度差を低減する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理装置において、前記温度補償部材が、基板の周縁部を支持する支持手段としても機能することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の熱処理装置において、前記温度補償部材がリング状部材であることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置において、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段との双方が、少なくとも一部が鉛直方向において前記温度補償部材と重なることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置において、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段との双方が、前記温度補償部材の外形サイズに対応して設けられていることを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理装置において、前記制御手段が、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段とを含む主として前記温度補償部材を加熱するための加熱手段を、３ゾーン以上に分割してそれぞれのゾーンを個別に制御することを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】
＜１．熱処理装置＞
図１は、本実施形態にかかる熱処理装置１を示す断面図である。図１に示すように、熱処理装置１はチャンバ壁２と開閉扉３と石英窓４とリング部材５とリフタ６と加熱手段７と制御部８とを備えて構成される。
【００１２】
チャンバ壁２は水冷機構を備え、チャンバ壁２と開閉扉３と石英窓４とで基板Ｗを熱処理する際の処理室９を形成する。開閉扉３は基板Ｗの搬送時に搬送口９ａを開放し、外部に設けられる搬送ロボット等が処理室９内にアクセス可能な状態とする。
【００１３】
処理室９内に基板Ｗを搬送する際には、図１に２点鎖線で示すように処理室９の下部から昇降自在に設けられたリフタ６が上昇し、搬送ロボット等との基板Ｗの受け渡しを行う。その後、リフタ６は下降し、図１に実線で示すように基板Ｗをリング部材５に載置して処理室９内から退避する。
【００１４】
リング部材５は、基板Ｗに対する熱処理する際に、基板Ｗの全面において温度の均一性を向上させるために設けられたものであり、リング形状の内縁部５ａで基板Ｗを支持することによって基板Ｗの外形サイズを擬似的に大型化し、その大型化された加熱領域に対して熱処理を施すことで加熱領域の中央部分に存在する基板Ｗの均一性を高めるものである。このことから、リング部材５は基板Ｗの外周部に配置されて基板Ｗの温度均一性を向上させる温度補償部材として機能するとともに、基板Ｗを支持する支持手段としても機能することになる。
【００１５】
このリング部材５は、焼結ＳｉＣ等のセラミックス材料で形成され、チャンバ壁２に設けられる支持部９ｂによって処理室９内に配置され、熱処理を行う際に内縁部５ａで支持する基板Ｗが処理室９内の最適な処理位置に配置されるようになっている。なお、リング部材５を処理室９内に設ける構造は他の構造であってもよい。
【００１６】
加熱手段７は石英窓４の上方側に配置されており、複数の直管状加熱光源１０が上下２段で井桁状に配列されて構成される。この直管状加熱光源１０として例えばハロゲンランプ等が使用できる。各直管状加熱光源１０は制御部８から電力供給を受けることにより、放射エネルギーを放出するように構成される。そして各直管状加熱光源１０から放射される放射エネルギーは石英窓４を介して処理室９に導かれ、処理室９内の基板Ｗ及びリング部材５を加熱させる。
【００１７】
図２は加熱手段７と基板Ｗとリング部材５との位置関係を示す概念図であり、熱処理装置１の上方側からみた図である。図２に示すように、本実施形態においては加熱手段７として直管状加熱光源１０が合計３２本設けられており、１６本ずつの上下２段構成で井桁状に配列されている。
【００１８】
複数の直管状加熱光源１０のうちの下段中央の１０本及び上段中央の１０本は基板Ｗの外形サイズをカバーするように設けられており、直下に位置する基板Ｗを主として加熱するための基板加熱手段７１として機能する。一方、複数の直管状加熱光源１０のうちの下段両外側の６本及び上段両外側の６本はリング部材５の外形サイズに対応して設けられており、直下に位置するリング部材５を主として加熱するためのリング部材加熱手段（温度補償部材加熱手段）７２として機能する。
【００１９】
ただし、各直管状加熱光源１０からの放射エネルギーは直下方向にのみ放射されるものではないため、基板加熱手段７１として機能する直管状加熱光源１０からの放射エネルギーの一部がリング部材５を加熱するように作用し、リング部材加熱手段７２として機能する直管状加熱光源１０からの放射エネルギーの一部が基板Ｗを加熱するように作用することは勿論である。
【００２０】
図３は、制御部８による制御形態を示すブロック図である。制御部８はリング加熱制御部８１と基板加熱制御部８２とを備えており、リング加熱制御部８１はリング部材加熱手段７２を構成する下段両外側の６本及び上段両外側の６本の直管状加熱光源１０を制御し、基板加熱制御部８２は基板加熱手段７１を構成する下段中央の１０本及び上段中央の１０本の直管状加熱光源１０を制御する。
【００２１】
基板加熱制御部８２は、基板加熱手段７１を構成する上下段それぞれの１０本の直管状加熱光源１０うちの中央２本（上下段合わせて４本）を中央部、その両外側２本を合わせた４本（上下段合わせて８本）を中間部、さらにその両外側２本を合わせた４本（上下段合わせて８本）を外周部として３ゾーンに分割し、ゾーン毎に個別に加熱制御を行う。すなわち、基板加熱制御部８２は中央部加熱制御部８２ａと中間部加熱制御部８２ｂと外周部加熱制御部８２ｃとを備えており、中央部加熱制御部８２ａが中央部に配置されている直管状加熱光源１０を制御し、中間部加熱制御部８２ｂが中間部に配置されている直管状加熱光源１０を制御し、外周部加熱制御部８２ｃが外周部に配置されている直管状加熱光源１０を制御する。各制御部８２ａ〜８２ｃは基板Ｗに対する熱処理過程において基板Ｗの全面が均一な状態で昇温・保温・降温されるように、直管状加熱光源１０に対して供給する電力を調整する。
【００２２】
なお、基板加熱制御部８２は、基板Ｗの全面に対して均一な温度状態での熱処理を実現するために、処理室９には図示しない温度計測手段が設けられ、その温度計測手段からの計測温度に基づいて昇温・保温・降温の各段階で各制御部８２ａ〜８２ｃが個別にフィードバック制御を行うように構成されている。
【００２３】
また、リング加熱制御部８１は、リング部材加熱手段７２を構成する上下段それぞれの６本のうちのリング部材５における基板Ｗの近傍領域を加熱する内側２本（上下段合わせて４本）をリング部材５の内周側加熱手段（第１の温度補償部材加熱手段）とし、リング部材５における基板Ｗの遠隔領域を加熱する外側４本（上下段合わせて８本）をリング部材５の外周側加熱手段（第２の温度補償部材加熱手段）として、リング部材５の内周側と外周側との２ゾーンに分割し、ゾーン毎に個別に加熱制御を行うように構成されている。
【００２４】
すなわち、リング加熱制御部８１は内周側加熱制御部８１ａと外周側加熱制御部８１ｂとを備えており、内周側加熱制御部８１ａが主としてリング部材５の内周側を加熱するための直管状加熱光源１０を制御し、外周側加熱制御部８１ｂが主としてリング部材５の外周側を加熱するための直管状加熱光源１０を制御する。各制御部８１ａ，８１ｂは、基板Ｗに対して熱処理を行う際に、リング部材５が均一な状態で昇温・保温・降温されるように制御する。
【００２５】
具体的には、昇温段階・保温段階・降温段階の各段階ごとに予め内周側と外周側との電力供給比を設定しておき、実際の基板Ｗに対する熱処理の際には各制御部８１ａ，８１ｂが予め設定された比率で直管状加熱光源１０に電力供給を行うことにより、熱処理中におけるリング部材５の温度均一性を向上させている。例えば、内周側よりも外周側の電力供給量が大きくなるように各段階についての電力供給比を予め設定しておくことで、熱処理中に外周部の温度が内周部よりも著しく低くなることを防止することができる。
【００２６】
なお、図３では上段と下段とのそれぞれにリング加熱制御部８１及び基板加熱制御部８２を設ける構成例を示しているが、これに限定されるものではなく、上段と下段とで１個のリング加熱制御部８１及び１個の基板加熱制御部８２を共有するように構成してもよい。むしろ、そのように構成する方が装置構成を簡単化できるので好ましい。
【００２７】
本実施形態における熱処理装置１は上記のように構成されており、リング部材５の上方位置に配置され、直管状加熱光源１０によって構成されるリング部材加熱手段７２を内周側と外周側とに分割し、内周側と外周側とを個別に制御して各直管状加熱光源１０からの放射エネルギーの出力調整を行うことができるように構成されているため、熱処理の際にリング部材５の内周側と外周側とに発生する温度勾配を低減することが可能になる。
【００２８】
＜２．実験例＞
次に、上記のような構成の場合と従来の構成の場合との比較を行った実験例について説明する。
【００２９】
本実験例において、加熱光源は定格２ＫＷで発光長３００ｍｍの直管状ハロゲンランプを使用し、リング部材５は幅４３ｍｍの焼結ＳｉＣで形成されたものを使用する。
【００３０】
また、基板Ｗの加熱手順は次のように実施する。加熱当初は基板温度を測定しているパイロメータの測定下限よりも基板温度が高くなるまで適当な大きさの定電力を加熱光源に与え、基板Ｗとリング部材５とを加熱していく。そして、基板Ｗの温度がパイロメータによって測定可能な状態となってから、基板Ｗの温度をフィードバック信号としてフィードバック制御に切り換え、目標温度に到達して所定時間が経過すれば、加熱光源による加熱を終了する。
【００３１】
本実験では、目標温度を１１００℃、昇温過程における昇温レートを１２０℃／ｓとした加熱条件において基板Ｗに対する加熱処理を行うこととし、その熱処理過程でのリング部材５の各部での温度を測定する。
【００３２】
図４は、本実験でのリング部材５の温度計測点を示す図である。図４に示すように、本実験ではリング部材５の外周端部から約２ｍｍ内側の点Ｐ１と、基板Ｗをリング部材５に載置した状態での基板Ｗの端部から約２ｍｍ外側の点Ｐ５と、点Ｐ１と点Ｐ５との間に等間隔で設けられた３点（Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）との合計５点に熱電対を設置し、リング部材５の温度を測定した。
【００３３】
なお、この熱電対は実験のためのものであり、熱処理装置１として必須のものではない。
【００３４】
従来の構成で本実験を行うと、上述のように、リング部材５を加熱するための加熱光源が１ゾーンとされているとともに、リング部材５の外側に水冷されるチャンバ壁２の影響を受けるため、リング部材５の内側と外側との温度差は昇温過程から目標温度保持状態に移り変わる時点で最大の約２４３℃に達する。
【００３５】
一般に、内周側の温度をＴ１、外周側の温度をＴ２、内周側半径をａ、外周側半径ｂ、ヤング率をＥ、リング部材を形成する材料の線膨張係数をα、とすると、任意の半径ｒにおける円周方向の応力 θは、次式
【００３６】
【数１】

【００３７】
で求めることができる。ただし、Ｋは外周側半径ｂと内周側半径ａとの比であり、Ｋ＝ｂ／ａである。数１より、内径側と外径側との温度差が直接応力に結びつくことが分かる。
【００３８】
したがって、従来の構成において約２４３℃の温度差が生じている状態では、数１の計算から内部応力が約４５７Ｍｐａとなり、焼結ＳｉＣの応力破壊限界の約５１０Ｍｐａに近い値となっている。この数値は上記の数値条件のみを考慮したものであり、実際の装置においては他の詳細部分において条件が異なってくることから、従来の構成では応力破壊限界に対して余裕のない装置構成となっている。
【００３９】
これに対し、上述した本実施形態の熱処理装置１の構成では、予め設定される内周側と外周側との電力供給比に基づいてリング部材５の内周側と外周側との出力調整を行いつつ加熱処理を行うことで、リング部材５の内周側と外周側との温度差は最大でも約１８０℃に低減することができた。そして、この熱処理装置１のリング部材５に発生する円周方向の応力は数１の計算から約３７０Ｍｐａとなり、応力破壊限界に対して充分な余裕を含ませることができるので、リング部材５の破壊を防止することができる。
【００４０】
＜３．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の内容に限定されるものではない。
【００４１】
例えば、上記において加熱手段７が直管状加熱光源である場合について説明したがこれに限定されるものではなく、シングルエンド型の加熱光源等のように任意の加熱光源であってもよい。また、ランプ等のような光源である必要もない。さらに、上記説明においては、加熱手段７が基板Ｗ及びリング部材５の上方側に配置される例について示したがこれに限定されるものでもなく、また、加熱手段７の配置形態も井桁状であることに限定されない。
【００４２】
また、上記において基板Ｗの外周部に配置され、基板Ｗの温度均一性を向上させる温度補償部材の一例として一体化されたリング部材５を例示したが、温度補償部材はリング部材５が複数の分離された部材によって形成されて、処理室９内に設置されたときに複数の部材が組み合わされて全体として略リング形状をなすようにしてもよい。
【００４３】
また、上記説明では基板Ｗとして半導体ウエハを想定しているため、温度補償部材はリング形状である例を示しているが、基板Ｗが半導体ウエハでない場合には他の形状の方が好ましい場合もある。また、温度補償部材を形成する材料も任意である。
【００４４】
また、上記においてリング部材５は熱処理時に基板Ｗを支持する支持手段としても機能する例について示したが、熱処理時において基板Ｗを支持するために、リング部材５とは別個独立した支持手段を設けてもよい。この場合、リング部材５は温度補償部材としてのみ機能することになる。
【００４５】
さらに、上記においては主としてリング部材５を加熱するための加熱手段を内周側と外周側との２ゾーンに分割し、その２ゾーンを加熱過程において個別に制御する構成例について示したが、３ゾーン以上に分割してそれぞれのゾーンを個別に制御するように構成してもよい。この場合であっても、リング部材５における基板近傍領域を加熱する第１の温度補償部材加熱手段と、基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段とは少なくとも存在することになる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項６に記載の発明によれば、基板に対して熱処理を施す際に、温度補償部材における基板近傍領域を加熱する第１の温度補償部材加熱手段と、温度補償部材における基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段とを個別に制御するように構成されているため、熱処理過程での温度補償部材の基板近傍領域側と基板遠隔領域側との温度差を低減することができ、温度補償部材の温度均一性が向上する。
【００４７】
請求項２に記載の発明によれば、温度補償部材が基板の周縁部を支持する支持手段としても機能するため、別途支持手段を設ける必要がない。
【００４８】
請求項３に記載の発明によれば、温度補償部材がリング状部材であるため、基板が特に半導体ウエハである場合に、基板の温度均一性を良好に向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理装置を示す断面図である。
【図２】加熱手段と基板とリング部材との位置関係を示す概念図である。
【図３】制御部による制御形態を示すブロック図である。
【図４】実験例でのリング部材の温度計測点を示す図である。
【符号の説明】
１熱処理装置
５リング部材（温度補償部材）
７加熱手段
８制御部（制御手段）
１０直管状加熱光源
７１基板加熱手段
７２リング部材加熱手段（第１及び第２の温度補償部材加熱手段）
８１リング加熱制御部
８１ａ内周側加熱制御部
８１ｂ外周側加熱制御部
８２基板加熱制御部
８２ａ中央部加熱制御部
８２ｂ中間部加熱制御部
８２ｃ外周部加熱制御部
Ｗ基板

Claims

基板を処理室に収容して熱処理を施す熱処理装置であって、
基板の外周部に配置され、基板の温度均一性を向上させる温度補償部材と、
主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、前記温度補償部材の内周側と外周側とを別のゾーンに分割したときの前記内周側のゾーンとして、主として前記温度補償部材における基板近傍領域を加熱する第１の温度補償部材加熱手段と、
主として前記温度補償部材を加熱するために設けられ、前記外周側のゾーンとして、主として前記温度補償部材における基板遠隔領域を加熱する第２の温度補償部材加熱手段と、
基板に対して熱処理を施す際に、主として基板を加熱するために設けられた基板加熱手段を制御するとともに、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段とを個別に制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の温度補償部材加熱手段への電力供給量よりも、前記第２の温度補償部材加熱手段への電力供給量を大きくして、前記温度補償部材の前記基板近傍領域と前記基板遠隔領域との温度差を低減することを特徴とする熱処理装置。
請求項１に記載の熱処理装置において、
前記温度補償部材は、基板の周縁部を支持する支持手段としても機能することを特徴とする熱処理装置。
請求項１又は２に記載の熱処理装置において、
前記温度補償部材はリング状部材であることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段との双方は、少なくとも一部が鉛直方向において前記温度補償部材と重なることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段との双方は、前記温度補償部材の外形サイズに対応して設けられていることを特徴とする熱処理装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記制御手段は、前記第１の温度補償部材加熱手段と前記第２の温度補償部材加熱手段とを含む主として前記温度補償部材を加熱するための加熱手段を、３ゾーン以上に分割してそれぞれのゾーンを個別に制御することを特徴とする熱処理装置。