JP4912463B2 - 炉のためのマルチゾーンヒータ - Google Patents

Description

発明の背景

発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、半導体処理チャンバを加熱するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、半導体処理チャンバを加熱するためのマルチゾーンヒータを有する炉に関する。

関連技術の説明
[0002]半導体処理中における幾つかの処理は、１つ以上の基板が高温で処理されるような炉で行われる。特に、バッチ処理、即ち、１つの領域において２つ以上の基板を同時に処理できるような通常使用される処理ステップにおいては、基板自体又は複数の基板に亘って均一に加熱することが必須である。バッチ処理は、デバイス歩留りを増大させ、実施コストを減少させる上で効果があることが実証されている。バッチ処理チャンバは、一般的に、チャンバ空間内で垂直に積み重ねられた基板のバッチを処理する。原子層堆積（ＡＬＤ）及び化学気相堆積（ＣＶＤ）のようなバッチ処理チャンバにおいて行われる処理ステップは、一般的に、複数の基板を均一に加熱することを必要としている。従って、バッチ処理チャンバは、一般的に、基板のバッチを加熱するように構成された加熱システムを備える。しかしながら、基板のバッチを均一に加熱する努力がなされてきており、このような加熱システムは、複雑となり、保守が難しく、また、修繕に費用の掛かるものとなる。

[0003]図１及び図２は、当業分野において知られている加熱バッチ処理チャンバを例示している。図１は、ある処理状態におけるバッチ処理チャンバ１００を例示している。この状態において、基板ボート１０１に支持された基板１０２のバッチは、上部１０４、側壁部１０５及び底部１０６により画成された処理空間１０３において処理されている。底部１０６に形成された開口１２２は、基板ボートを処理空間１０３内へ挿入したり、基板ボートを処理空間１０３から取り出したりするための手段を与えている。シールプレート１０７が、処理中にその開口１２２を密閉するのに設けられている。

[0004]一般的に、加熱構造体１１０が、側壁部１０５の各々の外部表面に取り付けられる。加熱構造体１１０の各々は、側壁部１０５に取り付けられた石英ウインドウ１０９を通して処理空間１０３における基板１０２へエネルギーを与えるのに使用される複数のハロゲンランプ１１９を含む。側壁部１０５の内側表面に取り付けられる熱シールドプレート１０８が処理空間１０３に付加され、この熱シールドプレート１０８は、加熱構造体１１０から放射されたエネルギーを拡散して、熱エネルギーを基板１０２に対して均一に分布させる。

[0005]側壁部１０５及び上部１０４は、一般的に、望まれない堆積を避けるため、また、安全の理由のため、側壁部１０５に形成されたミルドチャネル１１６（図２に示されている）により温度制御される。石英ウインドウ１０９が熱く、処理空間１０３が真空下にあるとき、もし、その石英ウインドウ１０９が温度制御された側壁部１０５に直接に接触したとすると、過度のストレスにより内破が生じてしまうことがあろう。従って、石英ウインドウ１０９が側壁部１０５に直接接触しないようにするため、石英ウインドウ１０９と側壁部１０５との間に、（例えば、バイトン、シリコンゴム、又はカルレツグラファイトファイバのような適当な材料で構成される）Ｏリング型ガスケット１２４及び同様の適当な材料のストリップガスケット１２３が設けられる。熱シールドプレート１０８は、一般的に、絶縁ストリップ１２５及び保持クランプ１２６により側壁部１０５に取り付けられる。熱シールドプレート１０８及び絶縁ストリップ１２５は、例えば、黒鉛又は炭化ケイ素のような適当な高温材料で形成される。保持クランプ１２６は、チタンのような適当な高温材料で形成される。側壁部１０５に形成されたミルドチャネル１１６は、このミルドチャネル１１６を通して連続的に流される熱交換流体を使用して温度制御される。

[0006]加熱構造体１１０については、１９９７年８月１１日に出願された「Mini-batch Process Chamber」と題する特許出願第６，３５２，５９３号明細書及び２００２年８月９日に出願された「High Rate Deposition At Low Pressure in A Small Batch Reactor」と題する米国特許出願第１０／２１６，０７９号明細書に更に記載されており、これら明細書の記載はここに援用される。

[0007]図２を参照するに、基板１０２に層を堆積させるのに使用される処理ガスは、ガス注入アセンブリ１１４を通して与えられる。ガス注入アセンブリ１１４は、Ｏリング１２７により側壁部１０５に対して真空封止されている。排気アセンブリ１１５が、ガス注入アセンブリ１１４の対向側に配設されている。側壁部１０５、上部１０４及び底部１０６は、典型的には、アルミニウムのような金属で形成されている。

[0008]バッチ処理チャンバ１００は、加熱、真空シール及び熱絶縁のための複雑なシステムを含んでいる。加熱構造体１１０は、取り外したり交換したりするため特殊な取付け具を必要としているので、組み立てたり、保守管理するのが難しいものである。更に又、この加熱構造体１１０を使用して均一加熱を制御するのは難しい。

[0009]従って、半導体処理チャンバにおいて基板のバッチを均一に加熱するための簡単化された加熱システムが要望されている。

[0010]本発明は、一般的には、バッチ処理チャンバを加熱するための方法及び装置を提供する。

[0011]本発明の一実施形態は、半導体処理チャンバを加熱するための炉を提供する。この炉は、独立して制御される少なくとも２つのゾーンに接続された複数の加熱素子を備え、上記半導体処理チャンバを取り囲むヒータと、上記ヒータを取り囲み上記ヒータを固定するシェルと、を備える。

[0012]本発明の別の実施形態は、半導体処理システムを提供する。このシステムは、基板を処理するためのチャンバと、上記チャンバを取り囲み、独立して制御される複数のゾーンを有するヒータと、上記ヒータをカバーするシェルと、上記ヒータと上記シェルとの間に配設され、上記ヒータ及び上記シェルと一緒に固定される第１のリフレクタ素子と、を備える。

[0013]本発明の更に別の実施形態は、半導体処理チャンバのための炉を提供する。この炉は、上記半導体処理チャンバを加熱するように構成された独立して制御される複数のゾーンを有した印刷回路ヒータと、上記印刷回路ヒータの外側に配設されたリフレクタと、上記リフレクタの外側に配設され、上記印刷回路ヒータ及び上記リフレクタと一緒に固定されるシェルと、を備える。

[0014]本発明の前述したような特徴を詳細に理解できるように、概要について簡単に前述したような本発明について、幾つかを添付図面に例示している実施形態に関して、以下より特定して説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示しているのであって、従って、本発明の範囲をそれに限定しようとするものではなく、本発明は、均等の効果を発揮できる他の実施形態を含み得るものであることに、注意されたい。

従来技術による処理システムの断面上面図を例示している。 図１の処理システムの断面側面図を例示している。 本発明による典型的な処理システムの断面上面図である。 図３の典型的な基板処理システムの断面側面図である。 本発明による加熱素子の概略断面図である。 図５Ａの加熱素子の概略背面図である。 本発明による典型的な処理システムの上面図である。 図６の処理システムの斜視図である。

詳細な説明

[0023]本発明は、一般的に、マルチゾーンヒータを有する半導体処理システムを提供する。本発明のヒータは、処理温度に従って種々な制御及び電力要求に応えることができ、且つバッチ処理チャンバにおいて異なるゾーンに対して異なる加熱電力を与えることができる。以下に、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手できるFLEXSTAR（商標名）システムの変更に関して、本発明を例示的に説明する。

[0024]図３及び図４は、本発明の半導体処理システム２００の一実施形態を例示している。この半導体処理システム２００は、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）又は化学気相堆積（ＣＶＤ）を行うため、高温で基板のバッチを処理するように構成することができる。

[0025]この半導体処理システム２００は、内側空間２１２に入れられた１つ以上の基板を処理するように構成された処理チャンバ２０５を備える。一実施形態では、処理チャンバ２０５は、円筒状石英チャンバであってよい。処理チャンバ２０５は、一方の側に配置された排気ポート２１１と、この排気ポート２１１の反対側に配置された入口ポート２０６とを有する。入口ポート２０６は、処理チャンバ２０５の内側空間２１２へ１つ以上の処理ガスを供給するように構成されている。排気ポート２１１は、一般的に、真空源に対して適応され、内側空間２１２から処理ガスを排気するように構成されている。処理すべき基板は、基板ボートに垂直に積み重ねられた状態で配設されて、一般的に、熱及び処理ガスに対して均一に露出させられるように処理中に回転させられる。この処理チャンバ２０５の詳細については、２００５年１０月１３日に出願された「Reaction Chamber with Opposing Pockets for Injection and Exhaust」と題する出願中の米国特許出願第１１／２４９，５５５号明細書に記載されており、この明細書の記載はここに援用される。

[0026]ヒータ２０２が、処理チャンバ２０５の外側に配設され、処理中に処理チャンバ２０５を加熱するように構成されている。このヒータ２０２は、抵抗ヒータでよい。一実施形態では、ヒータ２０２は、処理チャンバ２０５の周辺に均一な加熱効果を与えるように、処理チャンバ２０５と実質的に同じ形状を有する。ヒータ２０２は、希望の加熱プロフィール、例えば、垂直レベルに沿って均一な加熱を達成するように、独立して制御される複数のゾーンを備える。一実施形態では、ヒータ２０２は、図４に示されるように、垂直に積み重ねられた複数の、独立して制御されるゾーン２０２_ｉ（ここで、ｉ＝１、２、…ｎ）を備える。バッチ処理中に、基板ボートの上部及び底部の近くに位置する基板は、通常、基板ボートの中央の近くに位置する基板よりもあまり加熱されず、その結果、基板のバッチの間で異なる処理効果が生じる。このような垂直積み重ね構成は、処理チャンバ２０５における内側空間２１２の内側での異なる垂直レベルでの不均一加熱を減少又は排除するのに特に有効である。本発明では、垂直ゾーン、垂直ゾーンと水平ゾーンとの組合せ及び処理チャンバ２０５の熱プロフィールに対応するゾーンのような複数のゾーンの他の構成もまた考えられる。

[0027]一実施形態では、ヒータ２０２は、複数の抵抗加熱素子により形成される。図５Ａは、図３及び図４のヒータ２０２を形成するのに使用される加熱素子２２０の概略断面図を例示している。図５Ｂは、加熱素子２２０の背面（通常、加熱ターゲットから遠くに位置する面）図を例示している。一実施形態では、加熱素子２２０は、グラファイトディスク又はその他の形状のグラファイト材料で形成される。このグラファイトディスクは、先ず、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）の層で被覆される。この被覆されたグラファイトディスクは、次に、背面から望むパターンに加工される。熱分解窒化ホウ素の別の被覆を施すことができる。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、加熱素子２２０の抵抗素子２２１を画成するチャネル２２４がグラファイトディスクに加工される。熱分解窒化ホウ素被覆２２３の層は、加熱素子２２０の絶縁物質として作用する。熱分解窒化ホウ素は、高い電気抵抗及び良好な熱伝導性を有する異方性高温セラミックである。この加熱素子２２０は、グラファイト柱体２２２を介して電源に接続することができる。この加熱素子２２０は、超高速応答を有しており、大抵のガス及び液体に対して化学的に不活性であり、機械的且つ熱的に均一な耐衝撃性を有している。抵抗素子２２１を異なる設計とすることにより、加熱素子２２０に対して異なる加熱効果を与えることができる。従って、１つ以上の加熱素子２２０で形成されるヒータ２０２も又、異なる加熱効果を発揮する１つ以上のゾーンを形成する上で融通性のあるものとすることができる。他のセラミックヒータのような他の適当なタイプの加熱素子を使用してヒータ２０２を形成することもできることに注意されたい。

[0028]図４を参照するに、独立して制御されるゾーン２０２の各々は、図５の加熱素子２２０のような少なくとも１つの加熱素子を備えることができる。独立して制御されるゾーン２２０の各々は、１対のグラファイト柱体２０７を介して独立して制御される電源に接続することができる。

[0029]図３を参照するに、半導体処理システム２００は、更に、ヒータ２０２を包囲するように構成された外側シェル２０１を備える。この外側シェル２０１は、金属シェルであってよい。一実施形態では、この外側シェル２０１は、ステンレス鋼で形成され、約１．５ｍｍの厚さを有する。一実施形態では、半導体処理システム２００は、この半導体処理システム２００をベース又はロードロックへ固定するように構成された幾つかの脚部２１０を有する。ヒータ２０２は、外側シェル２０１に固定することができる。一実施形態では、ヒータ２０２は、複数のボルト及びナット２０８により外側シェル２０１に留められる。別の実施形態では、ヒータ２０２は、この半導体処理システム２００が取り付けられるベースに直接に固定される。

[0030]リフレクタ２０３を、ヒータ２０２と外側シェル２０１との間に配設することができる。このリフレクタ２０３は、放射熱をヒータ２０２へと反射させ、外側シェル２０１が熱くならないようにするように構成されている。このリフレクタ２０３は、ハステロイ又はステンレス鋼のような金属で形成することができる。一実施形態では、第２のリフレクタ２０４を、排気ポート２１１の近くに配置することができる。

[0031]一実施形態では、ヒータ２０２は、処理チャンバ２０５を取り囲むが、排気ポート及び入口ポートをカバーしないようにする２つの弧状部分を備える。一実施形態では、これら２つの弧状部分は、同じゾーン構成を有し、対応する部分のゾーンは、互いに接続されて、一緒に制御されるゾーンを形成する。

[0032]図６及び図７は、本発明による半導体処理システム３００の別の実施形態を概略的に例示している。この半導体処理システム３００は、そこに配置された１つ以上の基板３１０を処理するように構成された内側空間３１２を画成する処理チャンバ３０５を備える。処理チャンバ３０５は、一方の側に配置された排気ポート３１１及びこの排気ポート３１１の反対側に配置された注入ポート３０６を有する。この半導体処理システム３００は、更に、処理チャンバ３０５を取り囲む外側シェル３０１を備える。注入ポート３０６は、外側シェル３０１に形成された開口３１４に対して封止される。

[0033]ヒータ３０２が、外側シェル３０１の内側で且つ処理チャンバ３０５の外側に配設される。このヒータ３０２は、処理チャンバ３０５を加熱するように構成されている。一実施形態では、ヒータ３２０は、処理チャンバ３０５と実質的に同様の形状を有していて、その処理チャンバ３０５を包囲している。一実施形態では、ヒータ３０２は、排気ポート３１１及び注入ポート３０６をカバーしないようにしている２つのヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂを備える。

[0034]図７は、外側シェル３０１を外した状態で半導体処理システム３００を例示している。２つのヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂは、１つ以上のブラケット３０４により接続される。１つ以上のグラファイト柱体３１３が、ブラケット３０４に配置されていて、これらヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂを電気的に接続するように構成されている。これらヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂの各々は、更に、１つ以上の個々に制御されるゾーン３０２_ｉを備えることができる。一実施形態では、これら個々に制御されるゾーン３０２_ｉは、垂直に積み重ねられる。これらヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂは、同一構成を有し、処理チャンバ３０５に亘って異なる垂直レベルで個々に制御されるゾーンを形成することができる。

[0035]これら１つ以上の個々に制御されるゾーン３０２の各々は、図５に示した加熱素子２２０のような１つ以上の加熱素子を有することができる。

[0036]１つ以上のブラケット３０４は、柱体３１５により一緒に接続される。１つ以上の柱体３０８も、ヒータ部分３０２ａ及び３０２ｂに取り付けられる。これら柱体３１５及び３０８は、ベースに固定され、ヒータ３０２を固定することができる。

[0037]本発明の種々な実施形態について前述してきたのであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、本発明の他の更なる実施形態が考えられるものであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって決定されるものである。

１００…バッチ処理チャンバ、１０１…基板ボート、１０２…基板、１０３…処理空間、１０４…上部、１０５…側壁部、１０６…底部、１０７…シールプレート、１０８…熱シールドプレート、１０９…石英ウインドウ、１１０…加熱構造体、１１４…ガス注入アセンブリ、１１５…排気アセンブリ、１１６…ミルドチャネル、１１９…ハロゲンランプ、１２２…開口、１２３…ストリップガスケット、１２４…Ｏリング型ガスケット、１２５…絶縁ストリップ、１２６…保持クランプ、１２７…Ｏリング、２００…半導体処理システム、２０１…外側シェル、２０２…ヒータ、２０２_１、２０２_２、２０２_３、２０２_４、２０２_５…ゾーン、２０３…第１のリフレクタ、２０４…第２のリフレクタ、２０５…処理チャンバ、２０６…入口ポート、２０７…グラファイト柱体、２０８…ボルト及びナット、２１０…脚部、２１１…排気ポート、２１２…内側空間、２２０…加熱素子、２２１…抵抗素子、２２２…グラファイト柱体、２２３…熱分解窒化ホウ素被覆、２２４…チャネル、３００…半導体処理システム、３０１…外側シェル、３０２…ヒータ、３０２ａ…ヒータ部分、３０２ｂ…ヒータ部分、３０２_ｉ…ゾーン、３０４…ブラケット、３０５…処理チャンバ、３０６…注入ポート、３０８…柱体、３１０…基板、３１１…排気ポート、３１２…内側空間、３１３…グラファイト柱体、３１４…開口、３１５…柱体

Claims (13)

1. 半導体処理チャンバを加熱するためのファーネスであって、
   上記半導体処理チャンバの側壁部の外部に配置されたヒータと、
   上記ヒータは、処理に際して上記半導体処理チャンバを加熱するように構成されること、
   上記ヒータは、独立して制御される少なくとも２つのゾーンに接続された複数の加熱素子を備えること、
   上記複数の加熱素子は印刷回路ヒータであること、
   上記印刷回路ヒータは絶縁基板として熱分解窒化ホウ素を含み、抵抗素子としてグラファイトを含むこと、
   上記ヒータを取り囲み上記ヒータが固定されるシェルと、
   を備える、ファーネス。
2. 上記複数の加熱素子の各々は、熱分解窒化ホウ素で被覆されたグラファイト柱体を介して個々の電源に接続される、請求項１に記載のファーネス。
3. 上記独立して制御される少なくとも２つのゾーンは、垂直に積み重ねられている、請求項１に記載のファーネス。
4. 上記独立して制御される少なくとも２つのゾーンの各々は、上記複数の加熱素子のうちの少なくとも２つを備える、請求項１に記載のファーネス。
5. 上記ヒータは、上記半導体処理チャンバを加熱するように構成された円筒形状を有する、請求項１に記載のファーネス。
6. 上記半導体処理チャンバは排気ポートと、その反対側に入口ポートを有し、
   上記ヒータは上記半導体処理チャンバを囲む２つの弧状部分を備えるが、当該２つの弧状部分は上記排気ポートと上記入口ポートをカバーしない、請求項５に記載のファーネス。
7. 半導体処理システムであって、
   内部で基板を処理するためのチャンバと、
   上記チャンバの側壁部の外部に配置されたヒータと、
   上記ヒータは、処理に際して上記チャンバを加熱するように構成されること、
   上記ヒータは、独立して制御される複数のゾーンに接続された複数の加熱素子を備えること、
   上記複数の加熱素子は印刷回路ヒータであること、
   上記印刷回路ヒータは絶縁基板として熱分解窒化ホウ素を含み、抵抗素子としてグラファイトを含むこと、
   上記ヒータをカバーするシェルと、
   上記ヒータと上記シェルとの間に配設され、上記ヒータ及び上記シェルと一緒に固定される第１のリフレクタ素子と、
   を備える、半導体処理システム。
8. 上記独立して制御される複数のゾーンは、垂直に積み重ねられている、請求項７に記載の半導体処理システム。
9. 上記チャンバは、上記ヒータにより露出される排気ポートを有する円筒状石英チャンバである、請求項７に記載の半導体処理システム。
10. 上記排気ポートの近くに配設され、上記ヒータと上記シェルとの間に固定される第２のリフレクタ素子を更に備える、請求項９に記載の半導体処理システム。
11. 半導体処理チャンバのためのファーネスであって、
    上記半導体処理チャンバを加熱するように構成された独立して制御される複数のゾーンを有した印刷回路ヒータと、
    上記印刷回路ヒータは上記チャンバの側壁部の外部に配置されること、
    上記印刷回路ヒータは絶縁基板として熱分解窒化ホウ素を含み、抵抗素子としてグラファイトを含むこと、
    上記印刷回路ヒータの外側に配設されたリフレクタと、
    上記リフレクタの外側に配設され、上記印刷回路ヒータ及び上記リフレクタと一緒に固定されるシェルと、
    を備える、ファーネス。
12. 上記独立して制御される複数のゾーンは、垂直に積み重ねられている、請求項１１に記載のファーネス。
13. 上記複数の加熱素子の各々は、熱分解窒化ホウ素で被覆された１つ以上のグラファイトポストを介して個々の電源に接続される、請求項１１に記載のファーネス。

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