專利名稱：熱處理裝置的制作方法
技術領域：
本發明是關于熱處理裝置，特別是有關提高半導體晶片等被處理體的溫度測定精度的技術。
背景技術：
在半導體設備的制造工藝中，使用各種各樣的熱處理裝置以對半導體晶片進行氧化、擴散以及成膜等處理。眾所周知，批量式的立式熱處理裝置就是其中一例，它可一次對若干被處理體進行熱處理。
批量式的立式熱處理裝置中，在晶片載置部件上沿上下方向有間隔地設置著多個半導體晶片，然后，晶片載置部件被裝在處理容器內部。通過設在處理容器周圍的筒形加熱器，半導體晶片被加熱至規定溫度，并對半導體晶片進行規定的處理。溫度控制裝置，根據設置在處理容器內的溫度檢測器檢測出的溫度值，來控制加熱器的發熱量，從而使處理容器內即半導體晶片保持在規定的溫度。
為得到特性優良且膜質均勻的膜，不但要求各個半導體晶片表面內的溫度均勻性好，還要求設置在高度互不相同的位置上的半導體晶片之間的溫度均勻性也要高。因此，把處理容器內部按上下方向劃分成多個加熱區域(分區)，對與各個加熱區域一一對應的加熱器的發熱量進行控制。
這種熱處理裝置中所使用的溫度檢測器，由在處理容器內沿上下方向延伸的直管形石英玻璃制的保護管、以及在此保護管內與處理容器的各個加熱區域相對應的位置上配置的熱電偶構成的。通過各個熱電偶檢測出與處理容器內的各個加熱區域對應位置的溫度，并根據檢測出的溫度值，對加熱器的發熱量進行調節。
圖6表示現有的典型溫度檢測器的構造。熱電偶60是用鉑制造的金屬絲61A和鉑銠合金制造的金屬絲61B連接而構成的。金屬絲61A、61B上分別包覆著氧化鋁陶瓷制造的筒形絕緣體構件62A、62B。金屬絲61A、61B在石英制造的保護管65內延伸，從保護管65的端部被引向保護管65的外部，并與控制裝置連接。
但是，上述溫度檢測器的問題在于，與晶片相比，它在溫度快速升高時的過渡響應遲緩。在半導體晶片的升溫過程中，如果熱電偶比半導體晶片升溫慢，就無法準確地進行溫度控制，而且需要很長時間才能使半導體晶片穩定到規定的處理溫度。因此，會使處理所需的全部時間變長，甚至導致生產率降低。
發明內容
本發明的目的是提供一種熱處理裝置，它可以改善熱處理裝置的溫度檢測器的過渡響應能力，并可以迅速對被處理體的溫度進行控制。
本發明人對于溫度檢測器的過渡響應遲緩的原因進行了研究。研究結果發現，原因在于，熱電偶的金屬絲(鉑金屬絲以及鉑銠合金屬絲)其表面有金屬光澤，對來自被處理體的放射光的反射率很高，從而導致放射率小。此外，因筒形絕緣構件使整個熱電偶的熱容量變大也是其原因所在。本發明人因此得出結論，通過改善熱電偶的放射率來改善對被處理體的放射光的響應能力，從而完成了本發明。
即，本發明提供一種熱處理裝置，它具有處理容器、對裝在所述處理容器內的被處理體進行加熱的加熱器、設置在所述處理容器內的溫度檢測器、根據所述溫度檢測器檢測出的溫度值，控制所述加熱器的輸出功率的控制器，所述溫度檢測器具有保護管、設置在保護管內并在結合部分結合在一起的一對金屬絲構成的熱電偶。在所述金屬絲的至少所述結合部分的表面上形成具有防反射功能的膜。
在熱電偶的表面上形成膜的部分，對0.5～5μm波長區域的所有波長的光線的反射率，優選在80％以下，更優選在50％以下。
具有防反射功能的膜，具有電氣絕緣性較好。
具有防反射功能的膜由多層組成較好。這種情況下，優選在膜的厚度方向，位于最上端的一層具有絕緣性，此外，與金屬絲接觸的一層，優選是用對金屬絲呈惰性的材料形成。
本發明的典型實施方式中，構成熱電偶的金屬絲，可以用鉑和鉑銠合金制造，具有防反射功能的膜，可以通過在金屬絲上順次疊加氮化硅層、硅層及氮化硅層來構成。硅層也可以是摻有磷的物質。
根據本發明，可以減少熱電偶的受熱部對被處理體的放射光的反射率(增加放射率)。
另外，在膜上設置具有絕緣性的一層時，也無需用絕緣管包覆每個熱電偶的金屬絲，就可以減少整個熱電偶的熱容量。
根據本發明，可以提高熱電偶的過渡響應能力，并高度準確地檢測出被處理體的溫度。因此，就可以精確地控制加熱器。
圖1是表示本發明的立式熱處理裝置的一實施例的圖，是其大致結構的剖面圖。
圖2是圖1所示的溫度檢測器結構的剖面圖。
圖3是圖2所示溫度檢測器的熱電偶結構的剖面圖。
圖4是圖3所示熱電偶的金屬絲及在其結合部分的表面形成的膜結構的概略剖面圖。
圖5是表示溫度升高時熱電偶的過渡響應能力的圖。
圖6是概略地表示現有一種熱電偶結構的剖面圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，對本發明的一實施方式，即用CVD法對半導體晶片進行成膜處理的立式熱處理裝置進行說明。圖1是本發明的立式熱處理裝置結構的略圖剖面圖。
立式熱處理裝置具有，雙管構造的處理容器(PROCESS TUBE)11，它是由沿上下方向延伸的直管形內管11A、以及在內管11A的周圍按規定間隔呈同心狀設置的外管11B構成的。內管11A的上端呈開放狀態，外管11B的上端被封閉。處理容器11的下方空間，相對于晶片載置部件17即被處理體保持器具，被作為用來移動半導體晶片的裝載區域L。內管11A及外管11B都是用具有優良耐熱性及抗腐蝕性材料形成的，如高純度的石英玻璃。
處理容器11具有與外管11B的下端部相連的短圓筒形的歧管12。歧管12的上端具有凸緣12A。凸緣111被設置在外管11B的下端部。凸緣12A、111借助夾在其間的O形環等密封部件(圖中未示)通過凸緣擠壓構件13而結合在一起。
內管11A從外管11B的下端面向下方延伸、插入歧管12內，并被設在歧管12內側面的圓形內管支承部14支承。
供氣配管15貫穿歧管12的側壁一側，以把處理氣體或惰性氣體導入處理容器11內。供氣配管15在內管11A內向上方延伸。歧管12的側壁和供氣配管15之間被氣密密封。供氣配管15與氣體供給源連接，圖中未示。
歧管12的側壁的另一側上，設置著排氣通道16用來排出處理容器11內的氣體。排氣通道16與具有真空泵及壓力控制裝置的排氣裝置(圖中未示)連接，這樣，處理容器11內的壓力就被控制。
可升降的升降機21被設置在處理容器11的下方，用來把晶片載置部件17載入和移出處理容器11。升降機21具有圓板形的蓋20，用來封閉處理容器11的下端開口11C。晶片載置部件17由高純度的石英玻璃制造。晶片載置部件17上，沿上下方向按規定的間隔，如按5.2～20.8mm的間隔，裝有多個半導體晶片，如100～150片左右。
蓋20上安裝有柱狀支承構件22，它與處理容器11的軸線方向平行并向上方延伸。支承構件22貫穿蓋20。在支承構件22的上端，裝載晶片載置部件17的圓板形支持件22A與支承構件22設置成一整體。支承構件22的下端，與設置在蓋20下部的旋轉驅動裝置23連接。蓋20上設置著石英制的保溫筒24，支承構件22貫穿保溫筒24。
處理容器11的外側設置有筒形加熱器30，用來把裝在處理容器11內的半導體晶片加熱至規定的處理溫度。筒形加熱器30圍繞在處理容器11的周圍。筒形加熱器30具有圓筒形的絕熱構件(圖中未示)，它的里面配設有線狀的抗發熱元件，并在里面呈螺旋狀或蛇行蜿蜒狀。抗發熱元件與控制器31連接，控制器根據后述的溫度檢測器40檢測出的半導體晶片的溫度值，控制應供的電力以使半導體達到預設的溫度。
處理容器11內，沿高度方向被分成多個區域，在圖示例子中被分成4個加熱區域Z1～Z4。筒形加熱器30能夠進行所謂的區域控制，換言之，能夠獨立地對各個加熱區域進行溫度控制。根據各個加熱區域而設置不同的抗發熱元件，控制器31可以獨立地控制供給各個抗發熱元件的電力。
處理容器11的上方設有平面加熱器32，它與處理容器11內的晶片載置部件17相對，并與筒形加熱器30的上端面平行。這樣，就能有效地防止從處理容器11的上方散發熱量，從而能以較高的面內均勻性對半導體晶片進行加熱處理。平面加熱器32，是通過把線狀的抗發熱元件配置在板狀的基材上構成的。此抗發熱元件也與控制器31連接。
處理容器11內設置有溫度檢測器40，根據該溫度檢測器40檢測出的溫度值，控制筒形加熱器30以及平面加熱器32的發熱量。
溫度檢測器40處在排氣通道16的下方，并貫穿歧管12的側壁。歧管12的側壁與溫度檢測器40之間被氣密密封著。溫度檢測器40在晶片載置部件17與內管11A之間形成的環形空間內，沿與內管11A的內壁平行的方向向上方延伸。溫度檢測器40的頂端部分在內管11A上端的上方處彎曲，直至處理容器11的中心位置，并沿著與固定在晶片載置部件17上的半導體晶片的面平行的方向延伸。
如圖2所示，溫度檢測器40具有由透明石英玻璃制造的保護管41、裝在保護管41內的多個熱電偶42(圖示的實施方式中有5個)。這些熱電偶42被設置在與通過平面加熱器32加熱的加熱區域相對應的位置(例如平面加熱器32中心的垂直下方)、以及與通過筒形加熱器30加熱的各個加熱區域Z1～Z4分別對應的位置上。
保護管41具有沿上下方向延伸的直管形第1部分41A、與第1部分41A的上端相連并沿著與第1部分41A的管軸垂直相交的水平方向(圖2的向右方向)延伸的第2部分41B、與第1部分41A的下端相連并沿水平方向(與第2部分41B相反的方向)延伸的基端部分41C。
保護管41的頂端，即第2部分41B的頂端被密閉著。另外，保護管41的基端，即基端一側部分41C的基端，用粘合劑等密封構件45密封著。通過密封構件45各熱電偶42的金屬絲43被拉至保護管41外部。各熱電偶42的金屬絲43通過輔助導線與控制器31的輸入端子相連。
也可以用密封構件45氣密密封保護管41的基端一側部分41C。這種情況下，也可以向保護管41內填充用來防止熱電偶42氧化的氮氣(N2氣體)等惰性氣體。
也可以使保護管41的內部處于減壓狀態。如果處理容器11內處于減壓狀態時，萬一保護管41發生破裂，仍可以防止其破裂殘片在處理容器內四處飛散。
另外，也可以在保護管41的基端部分的整個周圍形成環形槽(圖中未示)，此環形槽恰好可以使歧管12的側壁嵌入。這樣，當處理容器11內處于減壓狀態時，可以防止溫度檢測器40被拉入處理容器11內。
熱電偶42的金屬絲43的直徑為0.5mm左右。構成各個熱電偶的一對金屬絲43，是由鉑(Pt)絲43A和鉑銠合金(Pt/Rh)絲43B制成的。如圖3及圖4所示，各個金屬絲43A、43B以及金屬絲43A、43B的結合部分44，即溫度檢測器的表面上形成膜50。
膜50具有對特定波長區域的光線的防反射功能。在金屬絲43A、43B及結合部分44上形成具有防反射功能的膜50，這樣，形成膜50的部分對0.5～5μm波段內的所有波段的光線的反射率，比沒有膜50時的金屬絲43A、43B本身以及結合部分44本身的表面的反射率小。
可以通過把無機物質制成的多層沿膜厚度方向層疊而構成膜50。膜50上，最頂層50A優選是由具有絕緣性的物質構成，與金屬絲43A、43B以及結合部分44接觸的最底層50C，優選是由相對于金屬絲43A、43B以及結合部分44呈惰性的材料形成。此外，“惰性”的意思是，至少在半導體晶片的處理溫度范圍內，最底層50C和金屬絲43A、43B以及結合部分44實際上不發生反應。
考慮構成膜50的各層50A～50C的材料、疊加層數以及厚度等條件，適當選擇折射率互不相同的物質并使其層層疊加，這樣就可以得到具有期望功能的膜50。
熱電偶42表面上形成膜50的部分，對0.5～5μm波長區域內的所有波長的光線的反射率，優選是80％以下，更優選的則是50％以下。這樣，就可以大大提高熱電偶42的響應能力。此外，如反射率超過80％，則熱電偶42的升溫比半導體晶片的升溫遲緩，因此并不理想。另外，0.5～5μm波長區域是在半導體晶片的處理溫度范圍(100℃～1200℃)內，可以最有效地對半導體晶片進行加熱的波長。
更為理想的是，膜50用與作為被處理體的半導體晶片相同或類似的材料構成。這樣，膜50本身的各種特性與半導體晶片接近，就可以使半導體晶片的升溫特性與熱電偶42的升溫特性更接近。
基于這種觀點，例如，膜50在膜的厚度方向上，由氮化硅層和硅層交互層疊而構成較好。圖4所示的實施例中，膜50是通過層疊氮化硅層50A、硅層50B以及氮化硅層50C三層而構成。氮化硅層50A、50C的厚度被設為0.1～0.3μm、硅層50B的厚度為1～3μm、膜50整個厚度為1.2～3.6μm。即，從使膜整體的放射率接近半導體晶片的放射率這種觀點看，用與半導體晶片相同的材料制成的硅層50B的厚度，要比氮化硅層50A、50C厚得多。構成層50A、50C的材料氮化硅，如前面所述，是著眼于電氣絕緣性和相對于金屬絲具有惰性的特性而被選定的。氮化硅與半導體晶片的放射率不同，因此，氮化硅層50A、50C要達到所需的最薄厚度。但是，層50A、50C并非是用與硅層50B完全不同的材料構成，而是由作為含有硅的材料的氮化硅構成的。硅層50B優選由例如摻有磷(P)的硅構成。這樣，與未摻有磷(P)的硅層的膜50相比，可以使0.5～5μm波長區域內的所有波長的光線的反射率降低20％左右，從而發揮優良的防反射效果。
另外，構成膜50的層數，也可以在2層以下或4層以上。各層的厚度并不局限于上述范圍。
作為構成膜50的材料，除上述的材料之外，可以使用導熱性好的材料，如碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)等。此外，從提高反射率減低效果這一觀點看，作為這樣的材料，優選使用黑色材料。
接下來，對立式熱處理裝置中實施的被處理體(半導體晶片)的熱處理進行說明。首先，在裝載區域L內，裝載半導體晶片。半導體晶片的晶片載置部件17，當蓋20處于最下端時被裝載在舟支持構件22A上。然后，蓋20通過升降機21上升，這樣晶舟17從下端開口11C被裝入處理容器11內，處理容器11的下端開口11C通過蓋20被氣密密閉。晶片載置部件17的最上段以及最下段上設置仿真晶片。
通過排氣裝置，處理容器11內的壓力被減至規定的壓力，如13Pa左右。通過筒形加熱器30和平面加熱器32，使處理容器11內的溫度達到規定的溫度值。通過旋轉驅動裝置23，晶片載置部件17處于旋轉的狀態，處理氣體通過供氣配管15被導入處理容器11內，就可對半導體晶片進行成膜處理。
根據本實施方式，在構成熱電偶42的金屬絲43A、43B及兩者的結合部分44的表面上形成膜50，因此受熱部(結合部分44)對半導體晶片的輻射光的反射率就會變小(放射率變大)。
因此，熱電偶42通過接受來自半導體晶片的輻射光而迅速升溫。即，可以更準確地檢測半導體晶片的過渡溫度變化。這樣，特別是升溫時，可使用筒形加熱器30和平面加熱器32更準確地進行溫度控制，并可以更迅速地使處理容器11內和半導體晶片達到規定的溫度。因此，既可以縮短工藝所需的總時間，又可以提高生產率。
此外，因設置了具有電氣絕緣性的氮化硅層50A，所以，無需設置氧化鋁陶瓷等材料制成的絕緣構件62A、62B(參照圖6)來絕緣相鄰的金屬絲。因此，整個熱電偶42的熱容量變小。這樣就可以更準確地檢測半導體晶片的過渡溫度變化。
另外，在所有的熱電偶42上，半導體晶片的溫度被很準確地檢測出，因此可以更準確地進行區域溫度控制。所以，不僅各個半導體晶片的面內，即便是安裝在互不相同高度位置上的半導體晶片之間，實際上都可以在均勻的溫度條件下進行熱處理。
此外，與金屬絲43A、43B以及兩者的結合部分44接觸的一層50C，是由相對于金屬絲43A、43B以及結合部分44呈惰性的材料制成的，因此，在金屬絲43A、43B以及結合部分44和膜構成物質之間形成合金，就可以防止膜50或熱電偶的金屬絲43A、43B以及結合部分44發生損壞等。
以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明并不局限于上述的方式，還可以進行多種多樣的改變。即，根據本發明的熱處理裝置，并不限于進行成膜處理，也可以進行如氧化處理、擴散處理、退火處理等的熱處理裝置。此外，根據本發明的熱處理裝置，并不局限于所說的立式熱處理裝置，也可以是其它形式的熱處理裝置。
實施例對于使用圖1所示結構的熱處理裝置所進行試驗的結果進行說明，并準備了下面所示規格的熱電偶A～D。
使用絲直徑為0.3mm的鉑絲(43A)和鉑銠合金絲(43B)制成熱電偶。金屬絲(43A、43B)和這些金屬絲的結合部分(44)的表面上，形成膜(50)，如圖4所示形態，它由氮化硅層50A、硅層50B以及氮化硅層50C組成。第1層(最下層)的氮化硅層(50C)的厚度為0.2μm、第2層的硅層(50B)的厚度為2μm、第3層(最下層)的氮化硅層(50C)的厚度為0.2μm。熱電偶(42)上形成膜(50)的部分中，對0.5～5μm波長區域的光線的反射率為80％以下。稱此為“熱電偶A”。
如圖6所示，將構成上述熱電偶A的各個金屬絲(43A、43B)插入氧化鋁陶瓷制造的筒形絕緣構件(62A、62B)而形成熱電偶。膜(50)的規格與熱電偶A相同。稱此為“熱電偶B”。
作為比較的例子，除了在各個金屬絲以及它們的結合部分的表面上未形成膜之外，制成與熱電偶A結構相同的熱電偶。稱此為“熱電偶C”。
作為第2個比較例子，除了在各個金屬絲以及它們的結合部分的表面上未形成膜之外，制成與熱電偶B結構相同的熱電偶。稱此為“熱電偶D”。
在沒有裝載被處理體的空狀態下的晶片載置部件(17)的高度方向上，在中央位置分別設置了上述4個熱電偶A～D。把此晶片載置部件(17)裝載在處理容器(11)內。然后，使筒形加熱器(30)和平面加熱器(32)按一定輸出功率工作幾分鐘，對于升溫時的各個熱電偶的升溫特性進行調查。圖5的圖表表示其結果。
如圖5的圖表所示，本發明實施例的熱電偶A和熱電偶B的升溫，比作為比較例子的熱電偶C和熱電偶D的升溫快。即，通過在各個金屬絲以及它們的結合部分的表面上形成防反射膜，就可以確保提高熱電偶的響應能力。
權利要求
1.一種熱處理裝置，其特征在于，該裝置具有處理容器；對裝在所述處理容器內的被處理體進行加熱的加熱器；設置在所述處理容器內的溫度檢測器；根據所述溫度檢測器檢測出的溫度值，控制所述加熱器的輸出功率的控制部，所述溫度檢測器具有保護管以及設置在所述保護管內并由在結合部分被結合在一起的一對金屬絲構成的熱電偶，在所述金屬絲的至少所述結合部分的表面上形成具有防反射功能的膜。
2.如權利要求1所述的熱處理裝置，其特征在于，所述具有防反射功能的膜由多層組成，所述多層中，在所述膜的厚度方向上位于最上端的層具有電氣絕緣性。
3.如權利要求2所述的熱處理裝置，其特征在于，所述多層中，與所述熱電偶的金屬絲直接接觸的層由對于所述金屬絲呈惰性的材料構成。
4.如權利要求3所述的熱處理裝置，其特征在于，所述多層包括作為位于所述最上面的層和與所述熱電偶的金屬絲直接接觸的層、由氮化硅構成的層，以及配置在由所述氮化硅構成的層之間的由硅構成的層。
5.如權利要求4所述的熱處理裝置，其特征在于，所述由硅構成的層中摻有磷。
6.如權利要求1所述的熱處理裝置，其特征在于，所述熱電偶的表面上形成膜的部分中，對于0.5～5μm的波長區域中所有波長的光線的反射率在80％以下。
7.如權利要求1所述的熱處理裝置，其特征在于，所述被處理體為硅晶片，所述膜由多層構成，在這些層中包含由硅構成的層，該由硅構成的層的厚度，比構成所述多層的由硅構成的層以外的任何一層都厚。
8.如權利要求7所述的熱處理裝置，其特征在于，所述由硅構成的層中摻有磷。
9.如權利要求7所述的熱處理裝置，其特征在于，所述多層還包含在所述膜的厚度方向上，位于最上部的具有電氣絕緣性的層，以及與所述熱電偶的金屬絲直接接觸，并由對于所述金屬絲呈惰性的材料形成的層，所述由硅構成的層，被夾持在所述具有電氣絕緣性的層，和由對于所述金屬絲呈惰性的材料形成的層之間。
10.如權利要求1所述的熱處理裝置，其特征在于，所述處理容器可填裝被處理體保持器具，其將多個被處理體沿高度方向以規定間隔而載置，所述加熱器可對沿上下方向把所述處理容器進行劃分的多個加熱區域的每個區域進行溫度控制，所述保護管在處理容器內沿上下方向延伸，所述熱電偶設有多個，這些多個熱電偶被設置在與所述保護管內的所述加熱區域分別對應的位置上。
11.如權利要求1所述的熱處理裝置，其特征在于，在一個保護管內設置有多個所述熱電偶，所述具有防反射功能的膜，被設置在存在于所述保護管內的、構成所述熱電偶的所有金屬絲上，并且，構成所述多個熱電偶的金屬絲具有互相電氣絕緣的功能。
全文摘要
在配置在熱處理裝置的處理容器1內的熱電偶42的表面，設有防反射膜50，以改善熱電偶42的過渡響應能力。在典型的實施方式中，熱電偶42是通過將結合鉑絲43A和鉑銠合金絲43B結合而形成，防反射膜50是由氮化硅層50C、硅層50B以及氮化硅層50A依次層疊而構成的。
文檔編號G01K7/02GK1494738SQ02805768
公開日2004年5月5日 申請日期2002年3月20日 優先權日2001年3月30日
發明者牧谷敏幸, 齋藤孝規, 愛庫曼香留樹, S·卡夏盧, A·迪普, D·L·奧邁拉, 奧邁拉, 穆, 規, 香留樹 申請人:東京毅力科創株式會社