JP2002009064A

JP2002009064A - 試料の処理装置及び試料の処理方法

Info

Publication number: JP2002009064A
Application number: JP2000186547A
Authority: JP
Inventors: Koji Ishiguro; 浩二石黒; Hidetsugu Setoyama; 英嗣瀬戸山; Takeshi Miya; 豪宮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術では、ヒータ加熱時またはフ゜ラス゛マ入熱
時、時間とともに変化する入熱分を応答性良く、抜熱し
ウエハー温度を一定に保つ事は出来ない。高温でウエハー等を
処理する場合に、ウエハー面内での温度分布は著しく劣化す
る。また、ウエハーの昇温温度を十分高くできないので、良
質なフ゜ラス゛マ処理が不可である。【解決手段】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、前記吸着装置は、試料を保持する為の保持部材と冷
却を行う冷却部材とを有し、前記冷却部材に該冷却部材
と前記保持部材との間に第１の伝熱カ゛ス室部を形成する
ための凹部を設け、前記試料が保持された状態における
前記保持部材と前記試料との間に第２の伝熱カ゛ス室部を
形成するための凹部を前記保持部材に設け、前記第１、
第２の伝熱カ゛ス室部のいずれか一方を、独立して圧力制
御可能な複数個の伝熱カ゛ス室で構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウエハー等の試料の処理
装置及び試料の処理方法に係り、特に、ＣＶＤ装置など
の半導体製造装置に用いられる高温型吸着装置とこの高
温型吸着装置による試料の処理方法およびこれを搭載す
るＣＶＤ装置などの半導体製造装置に関する。本発明
は、もちろん、液晶フ゜ラス゛マ処理装置、スハ゜ッタ装置等にも
適用可能である。

【０００２】

【従来の技術】半導体処理装置に関し、近年の微細化、
高アスヘ゜クト比の層間絶縁膜埋め込みにおいては、従来の方
法（TEOS-O３ＣＶＤ等）と比較して処理後の膜劣化、フ
゜ロセス数の少ない、ＨＤＰ-ＣＶＤ（高密度フ゜ラス゛マＣＶ
Ｄ）が注目されているが、このＨＤＰ-ＣＶＤではこの
層間絶縁膜の膜質としては、熱酸化膜と同等レヘ゛ルをユー
ザから要求されている。

【０００３】図１６に、基板温度と膜質（熱酸化膜のエ
ッチング速度比）との関係を示す。この図より、熱酸化
膜と同様な膜質を得る為には、基板温度は６００℃近傍
の高温まで上昇させなければならない事が判る。又、ウエ
ハー面内で温度分布は膜質分布より必要とされる温度分布
範囲内とする必要がある。

【０００４】上記要求に対して、従来実際行われている
方法は、静電チャックとウエハー間のＨｅ圧力を高真空近傍と
し、熱絶縁して昇温するものである。しかし、この方法
では、周囲への熱輻射による熱逃げ、他の部材との接触
部で熱伝導による熱逃げ等が有り、十分に温度を上げる
事は出来ないし、高温の昇温時に温度分布が、著しく劣
化するという問題点がある。

【０００５】ここで、ウエハー表面温度を制御するための従
来技術の概略構造と問題点を述べる。

【０００６】まず、特開平９-１７８４９号公報には、
窒化物セラミックス基材にヒータを埋め込んだ半導体ウエハー保持部
材と金属製の冷却装置との間に耐熱材料製の繊維の結合
体または発泡材の介在層を有する構造が記載されてい
る。

【０００７】また、特開平１０-６４９８５号公報に
は、高温型吸着装置にウエハーステーシ゛にヒータと冷却配管を有す
るものが開示されている。すなわち、保持部材にヒータを
持ち、これにて保持部材を昇温させると、同時にフ゜ラス゛マ
からの入熱分を抜熱する冷却部とを一体化する構造が記
載されている。

【０００８】上記特開平９-１７８４９号公報に記載の
ものは、下記の問題点があり、フ゜ラス゛マ入熱時に一定温度
範囲内に温度制御する事は出来ないと考えられる。（１）時間で変化するフ゜ラス゛マから入熱分の抜熱に上記
介在層に圧力を加え、保持部材と冷却装置との間の熱伝
達量を調整する構造であるが、実際、時々刻々変化する
フ゜ラス゛マ入熱量に対応し、介在物の圧力を変化させる事は
かなり難しい。（２）ＨＤＰ-ＣＶＤのようなウエハー面上でのハ゜ワー密度
が１０W/Cm²におよぶような高ハ゜ワー密度となると、上記
のような介在層に圧力を加え抜熱するような構造では抜
熱を十分行う事は実際かなり難しい。

【０００９】次に、特開平１０-６４９８５号公報に記
載のものも、同様に下記問題点により、フ゜ラス゛マ入熱時、
ウエハー表面温度を一定温度範囲内に制御する事は出来ない
と考えられる。

【００１０】(1) ウエハー処理温度を数百℃とする場合、
冷却配管の壁面は金属製ジャッケットで大きな温度勾配
を持たせる場合であっても、例えば２００℃程度を超え
てしまう。このような高温でも、気化せず安価で安全に
半導体製造装置に使用できる冷却媒体種はかなり数が制
限される。 (2) 上記冷却媒体でウエハーへの入熱ハ゜ワー密度がＨＤＰ-Ｃ
ＶＤのように１０W/Cm ²程度の大きなハ゜ワー密度に達する
場合、十分に抜熱するには壁面での熱伝達係数を十分大
きくとれない為、伝熱面積を十分大きくする必要が有る
が、現実的には冷却シ゛ャケットの面積の制限から十分冷却効
果が取れない問題がある。 (3) 静電チャックを高温加熱する場合、静電チャック自身の熱
変形を許容値以内に抑える為には、金属製シ゛ャケットに十分
剛性をもたせる必要が有り、厚みを十分大きく製作する
必要がある。この為、静電チャック自体が重くなりメンテ性
が悪くなる等問題点がある。 (4) 入熱量が時々刻々に変化するフ゜ラス゛マ処理中におい
て、入熱増加、減少分に応じて加熱または冷却する場
合、静電吸着装置の熱容量が大きい為、応答性良く、温
度をある一定範囲内にする為には、かなり大きな加熱能
力を有するヒータまたは冷却能力を有する冷却ユニットが必要
で現実的ではない。

【００１１】一方、特開平２-１３５７５３号公報の第
７図には、試料と電極との間にガスを導入するための空
間が形成されるとともに、電極と試料台との間にもガス
を導入するための空間が設けられたものが記載されてい
る。

【００１２】この公報に記載のものも、上記と同様の問
題点があり、フ゜ラス゛マ入熱時に一定温度範囲内に温度制御
する事は出来ないと考えられる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題点は上
記した通りであるが、要点を下記する。 (1) ヒータ加熱時、及びフ゜ラス゛マ入熱時、時々刻々変化する
入熱量に対応して、保持部材と冷却装置間での十分に応
答性良く熱伝達量を変化させる事が出来ず、ウエハーの表面
温度分布の均一性が劣化する。 (2) ウエハー保持部材の加熱温度が例えば３００℃程度を
超える場合には、保持部材と冷却部材とに、十分大きな
温度勾配をつけれないので、冷却部材の壁面が２００℃
を超える。このような条件で安全、安価で十分な冷却性
能を得られる冷却媒体種はかなり少ない。 (3) ウエハー処理温度が３００℃程度を超える場合で、Ｈ
ＤＰ-ＣＶＤのようなハ゜ワー密度が１０W/Cm²程度となる大
きな入熱がある場合、使用できる冷却媒体で十分な冷却
能力を持てず、ウエハーの表面温度分布の均一性が劣化す
る。 (4) 静電チャックの熱変形を許容値内に抑える為、冷却部
を十分剛性を大きくする必要があるが、これにより冷却
板が重くなり、メンテ性が著しく劣化する問題が有る。 (5) 静電吸着装置の熱容量が大きい為、時々刻々変化
するフ゜ラス゛マ入熱に対応して応答性良く、ある温度範囲に
静電吸着装置の温度を制御するにはかなり大きなヒータま
たは冷却能力を有する冷却ユニットが必要であり、装置の大
型化、コストアッフ゜となる。

【００１４】本発明は、上記各事項を考慮し、膜質の均
一性劣化を生ずる試料表面の温度不均一性を解消し、膜
質の良好な均一性の高い処理済試料を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決する為、吸着装置に保持された試料の温度を制御しつ
つ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置において、
前記吸着装置は、前記試料の中心部と外周部に対応して
区分された複数の伝熱カ゛ス室を備えており、前記試料の
温度に応じて各伝熱カ゛ス室の圧力を独立に制御する手段
を備えたことを特徴とする。

【００１６】本発明の他の特徴は、吸着装置に保持され
た試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試
料の処理装置において、フ゜ラス゛マ処理時に、前記試料の中
心部および外周部の温度を５００±５０℃から７００±
５０℃に維持して処理する手段を備えたことにある。

【００１７】本発明の他の特徴は、吸着装置に保持され
た試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試
料の処理装置において、前記吸着装置は、試料を保持す
る為の保持部材と該保持部材を介して試料の冷却を行う
冷却部材とを有し、前記保持部材と前記冷却部材との間
に独立して圧力制御可能な伝熱カ゛ス室を複数個形成した
ことにある。

【００１８】本発明の他の特徴は、吸着装置に保持され
た試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試
料の処理装置において、前記吸着装置は、試料を保持す
る為の保持部材と冷却を行う冷却部材とを有し、前記試
料が保持された状態で前記保持部材と前記試料との間に
独立して圧力制御可能な伝熱カ゛ス室を複数個形成するた
めの凹部を前記保持部材に設けたことにある。

【００１９】本発明の他の特徴は、吸着装置に保持され
た試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試
料の処理装置において、前記吸着装置は、試料を保持す
る為の保持部材と冷却を行う冷却部材とを有し、前記冷
却部材に該冷却部材と前記保持部材との間に第１の伝熱
カ゛ス室部を形成するための凹部を設け、前記試料が保持
された状態における前記保持部材と前記試料との間に第
２の伝熱カ゛ス室部を形成するための凹部を前記保持部材
に設け、前記第１、第２の伝熱カ゛ス室部のいずれか一方
を、独立して圧力制御可能な複数個の伝熱カ゛ス室で構成
したことにある。

【００２０】本発明の他の特徴は、前記複数個の伝熱カ゛
ス室は、前記試料の中心部と外周部に対応して設けられ
た少なくとも２つの室を有しており、前記保持部の熱変
形ハ゜ターンに応じて、該熱変形を押さえるように前記半径
方向内側と外側の各室の圧力制御を行うことにある。

【００２１】本発明の他の特徴は、吸着装置に保持され
た試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試
料の処理方法において、前記吸着装置は、前記試料の中
心部と外周部に対応して区分された複数の伝熱カ゛ス室を
備えており、前記試料の温度に応じて前記複数の伝熱カ゛
ス室の圧力を独立に制御して、前記試料をフ゜ラス゛マ処理す
ることにある。

【００２２】本発明によれば、試料を高温で温度分布の
均一性を保ち、フ゜ラス゛マ処理する事が可能となり、高品質
な処理済試料を提供できる。

【００２３】本発明のより具体的な特徴を列挙すると次
の通りである。 (1) 保持部材とウエハー裏面間、保持部材と冷却部材間に
伝熱カ゛ス室を設けた。またカ゛ス室を２個所以上の部位に分
離した。例えば、ウエハー中心部、外周部というように２個
所に分離した。 (2) 上記カ゛ス室分離の為、保持部材と冷却部材との間に
耐熱性を有する弾性体（例えば、ハ゛イトンＯリンク゛等）を使
用した。また、ヒータを内蔵した静電チャックを含む保持部材
の加熱時の熱変形量を考慮し、シールを保持できるシール材の
太さを考慮し、熱変形後もＨｅカ゛ス圧を保てるようにＯリ
ンク゛の溝深さ、及び、Ｏリンク゛保持構造とした。 (3) 各部位毎にウエハー裏面の温度を測定する為の温度計
を配置し、ウエハー温度測定値と目標値との差異を検知し、
制御因子を制御するコントローラを用い、独立に制御した。 (4) 上記制御因子として、ウエハー裏面と保持部材表面
間、および保持部材と冷却部材間のＨｅカ゛ス圧力、ヒータ加
熱量、冷却媒体の温度、流量を変化させた。 (5) 熱逃げを抑制する為、保持部材と冷却部材との接
触面に熱絶縁物を配置した。 (6) 上記、熱絶縁物の接触面積を小さくする為、軽量
で強度のあるハニカム構造等を用いた。

【００２４】(1) 本発明によれば、上記特徴（１）を
採用する事によって、保持部材と冷却部材との間の熱伝
達係数を伝熱カ゛スの圧力によって自由に応答性良く変化
させれるので、完全断熱状態から強制水冷の約数分の１
程度の熱伝達効果を得る事が可能になる。 (2) 上記特徴（１）を採用する事によって、ウエハー面上
の温度均一性を劣化させている各部位毎に伝熱カ゛ス室を
分離できるので、独立して各部位毎に温度制御が可能と
なり、ウエハーの温度均一性を向上させる事が可能となる。 (3) 上記特徴（２）を採用する事によって、伝熱カ゛ス室
の分離に耐熱性の弾性体を使用する事で、ウエハー保持部の
熱変形による伝熱カ゛ス室間でのカ゛スリークを防止でき、伝熱カ
゛ス室を分離できるので、独立して各部位毎に温度制御が
可能となり、ウエハーの温度均一性を向上させる事が可能と
なる。 (4) 上記特徴（３）を採用する事によって、各部位毎
の測温し、目標値になるようフィート゛ハ゛ックできるので各部
位毎にウエハー表面温度分布を均一化できる。 (5) 上記特徴（４）を採用する事によって、ウエハー裏面
と保持部材表面間、および保持部材と冷却部材間のＨｅ
カ゛ス圧力、ヒータ加熱量、冷却媒体の温度、流量の少なくと
も１つの制御因子を制御する事で、ウエハーの温度均一性を
向上させる事が可能となる。 (6) 上記特徴（５）を採用する事によって、保持部材
と冷却部材間の接触面で生じる熱逃げを防止しウエハーの温
度均一性を向上させる事が可能となる。 (7) 上記特徴（６）を採用する事によって、保持部材
と冷却部材間の接触面での熱逃げを防止しウエハーの温度均
一性を向上させる事が可能となる。

【００２５】なお、本発明は、半導体等のウエハーのみでな
く液晶製造装置、フ゜ラス゛マエッチンク゛装置、スハ゜ッタ装置等に
も適用可能である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の第１の実施例を示すフ゜ラス゛マ処理装置
の概略図であり、図２は、図１の実施例における保持部
材と冷却部材の各平面図である。以下、フ゜ラス゛マＣＶＤ装
置を例にして説明する。フ゜ラス゛マＣＶＤ装置は、反応室２
６と、この反応室２６内にμ波２９を導入するμ波導波
管２７と、μ波透過窓２８の回りに配置した永久磁石３
０と、反応室２６内に処理カ゛スを供給するノス゛ル３３を備
えている。また、保持部材２と冷却部材３で形成される
高温型静電チャック４を備えている。試料即ちウエハー１等の処
理対象物は、処理時、高温型静電チャック４によって静電吸
着される。

【００２７】静電チャック部材５は、ウエハー面側の表面を凹凸
に高さ数十μmから数百μmの凹凸の加工されている。図
２に示すように、静電チャック部材５の外周縁には環状の土
手部２Ｄが形成され外周辺からのＨｅカ゛スリーク量を制限し
ている。また、内側の２つの土手部により静電チャック表面
は３個所（２Ａ〜２Ｃ）に分離され、各土手部に小さな
幅のスリットが設けられている。

【００２８】保持部材２の内部には正、負用の２ケの吸
着電極７を含んでいる。吸着電極７は図示しない直流ハ゛
イアス電源で正負の電圧を印加されている。静電チャック部支
持板６はヒータ８を内蔵しており、静電チャック部材５を一定
時間内に一定温度まで昇温する。静電チャック部材５と静電
チャック部支持板６とはIn等のろう付け又は金属接合等で接
合されている。静電チャック部材５と静電チャック部支持板６は
加熱時の熱変形を抑制する為、熱膨張係数をある範囲内
で合わせるとか、間に傾斜材料を挟む等の手法がとられ
る場合がある。

【００２９】冷却部材３の内部には、冷却媒体１０用の
冷却流路１１とＨｅカ゛ス用流路１２が有る。

【００３０】冷却部材３の上面すなわち、保持部材２側
の面には、図２に示すように２つの伝熱カ゛ス室用空間１
３Ａ、１３Ｂが設けられており、各伝熱カ゛ス室用空間１
３Ａ、１３Ｂの仕切りには耐熱性が高い弾性体（例え
ば、ハ゛イトンＯリンク゛）１４が使用される。又、冷却部材３
の外周部にＯリンク゛１５を配置し、保持部材２と冷却部材
３との隙間を伝わり、リークするＨｅ量を無くし、ウエハー温
度の均一性を向上させる。図１、図２の例では冷却部材
３の上面が半径方向の内外２個所に区切られているのみ
であるが、数個所に伝熱カ゛ス室用空間を分離、形成する
事も可能である。これらの伝熱カ゛ス室用空間と保持部材
２の下面とにより、カ゛ス室１３が形成される。温度分布
の均一性をより向上させる為には、伝熱カ゛ス室１３を複
数個に分離形成した方が有利である。また、試料の径が
大きいものでは、半径方向を３個所に区切る、あるいは
半径方向に加えて、円周方向にも複数に区切って、圧力
制御可能な複数の伝熱カ゛ス室を設けても良い。

【００３１】保持部材２と冷却部材３との熱絶縁の為、
絶縁物１７a，bを挟んでネジ等で、固定する。高温型静
電チャック４と高温型静電チャック用支持板２０との絶縁の為、
絶縁物１８を挟んでいる。これは、高温型静電チャック４に
高周波が印加される場合、又静電チャック部材に図示してな
いＲＦ電極に高周波が印加される場合の高周波絶縁に使
用されるもので、テフロン（登録商標）、アルミナ等の材料
が使用される。

【００３２】１６は光ファイハ゛ー温度計フ゜ローフ゛であり、ウエハー
ウエハー裏面の温度を測定するものである。このフ゜ローフ゛部分
の穴を利用してウエハーウエハー裏面の空間２Ａ〜２Ｃの空間に
供給される伝熱カ゛スの通路を形成しても良い。また、ウエハ
ー昇降ヒ゜ンの通路を形成しても良い。高温型静電チャック４の
金属面には、スハ゜ッタによる金属汚染を発生しないようにカ
ハ゛ー２５が配置される。

【００３３】本発明で上記伝熱カ゛ス室１３を２ケ以上の
部位に分離した理由を下記する。カ゛ス室内のＨｅカ゛ス圧と
熱伝達係数αの関係は平行平板の場合、図３に示すよ
うになる。ウエハーを約２００℃〜約７００℃（保持部材で
の温度勾配も含む）で処理する場合、ＨＤＰ-ＣＶＤの
ような高ハ゜ワー密度（例えば１０W/Cm²）を考えた場合、
αとして最大１０００W/Cm²・Ｋ以上程度必要であり、
静電チャックの最大吸着力が通常２０Torr程度である事を考
慮すると、必要なＨｅのカ゛ス層の厚みは約５０μm程度と
大変小さい幅となる事が判る。

【００３４】ヒータによる加熱時、フ゜ラス゛マ入熱がある場合
は、入熱ハ゜ターンで保持部は時間とともに凹凸の形状に複
雑に変化する。保持部のヒータ加熱時、フ゜ラス゛マ入熱時等の
熱変形のハ゜ターンを図４に示す、凸型、凹型がある。この
熱変形量はフ゜ラス゛マ入熱量、保持部材の形状、材質、固定
方法等の影響を受けるが、最大数十μm程度に達する。
これは上記Ｈｅカ゛ス室高さ５０μmと比較して無視できる
もので無いことがわかる。

【００３５】これを図５を用いて説明する。例えば、Ｈ
ｅ圧が２０Torrとする。最初、Ｈｅガス室高さＨが５０
μmであったが、保持部材の熱変形により、図４に示す
凸型に変形し中心部の高さが小さくなり、２０μmとな
ったとする。この時のαは、 α=約１１００w/Cm²・Ｋ（Ｈ=５０μm） α=約１３５０w/Cm²・Ｋ（Ｈ=３０μm）と大きく変化する。

【００３６】フ゜ラス゛マ入熱ハ゜ワー密度を１０W/Cm²とする
と、上記αでの温度上昇値は各々、 ΔT＝９１deg（Ｈ=５０μm） ΔT＝７４deg（Ｈ=３０μm）となり、中心部とＨｅカ゛ス室の高さが変化しない外周部
と中心部で温度差は９１-７４=１７degになる。つま
り、カ゛ス室を一つで形成すると、保持部材の無視できな
い熱変形により冷却効果に大きな差異を生じ、ウエハー表面
の温度分布を著しく劣化させる。

【００３７】各保持部の変形ハ゜ターンでの温度上昇値の形
状を各々図６に示す。熱変形ハ゜ターンが凹となるか凸にな
るかで、温度上昇値の分布は他の要因を無視すると正反
対になる事が判る。

【００３８】ウエハー表面の温度分布は主に下記の影響を受
けている。（１）加熱源であるフ゜ラス゛マ密度分布（２）加熱源であるヒータの発熱量の分布（３）保持部材表面とウエハー裏面間のＨｅカ゛ス圧力分布（４）保持部材と冷却部での接触による熱逃げ（５）保持部材と冷却室間の冷却カ゛ス圧分布（６）冷却室と冷却室固定板間の熱逃げ（７）周囲チャンハ゛ー内壁面への熱輻射（８）保持部材中の静電チャックカハ゛ーへの熱逃げ（９）冷却路での抜熱量分布等、非常に多くの影響因子が有り、高温になると、特に
温度分布を均一化する事は非常に難しくなる。また、温
度制御応答性の点から、制御対象となるウエハー裏面にでき
るだけ近い位置での制御因子を使用するのが望ましい。

【００３９】以下に本発明の実施例の説明を続ける。図
１において、反応室２６壁面からμ波導波管２７で導入
する。このμ波２９をμ波透過窓２８より導入し、μ波
透過窓２８の回りに配置した永久磁石３０によるＥＣＲ
共鳴を利用し、高エネルギー電子を発生させ、ノス゛ルリンク゛
３２のノス゛ル３３から供給される処理カ゛スを解離、電離しフ
゜ラス゛マ３４が生成される。反応室２６の天板、側壁に配
置した永久磁石３０によりカスフ゜磁場３５を形成し、フ゜ラス
゛マ３４を閉じ込める。

【００４０】保持部と冷却部の接触部での熱絶縁の為、
アルミナ等の断熱材を鋏み、またＨｅカ゛ス圧の分布を均一化
する為、Oリンク゛を絶縁物１７ａ、１７ｂを介し固定す
る。これにより熱逃げ量を最低限に抑えることが出来
る。

【００４１】又は、保持部材と冷却部材との接触面積を
減らす為に、熱絶縁材を図７に示すようなハニカム構造体と
することも可能である。

【００４２】光ファイハ゛ー温度計フ゜ローフ゛１６は導入端子フランシ
゛４０を介し、コントローラ４１Ａ、４１Ｂに接続される。こ
の温度読み値はＨｅカ゛ス圧と熱伝達係数αとの関係テ゛ータ
が入力されたフィート゛ハ゛ック回路４２に入る。次に、上記入
力テ゛ータよりＨｅカ゛ス圧の増減分ΔP１,ΔP２がＨｅカ゛ス圧
力コントローラ４３に入力され設定Ｈｅカ゛ス圧力を変更する。
Ｈｅカ゛ス圧力コントローラ４３はマスフロー４４と圧力計４５で構成
される。Ｈｅカ゛スはカ゛スホ゛ンヘ゛４７から図示しないレキ゛ュレー
タ、手動ハ゛ルフ゛４６を介して供給される。温度制御方法に
ついて下記により詳しく説明する。

【００４３】例えば、あるフ゜ロセスにおいて、熱変形によ
り保持部が凸の形状に変形した場合について考える。こ
の時のフ゜ラス゛マ入熱、Ｈｅカ゛ス室高さＨの変化（中心
部）、ウエハー温度変化（中心部）、Ｈｅ圧力の変化を図８
に示す。フ゜ラス゛マ入熱による熱変形は、図８に示すように
より大きくなる。

【００４４】図９に示すように、Ｈｅカ゛ス室高さＨが変
化する事で熱伝達係数αは小さくなる為（α１→α
２）、ウエハー温度は上昇し、ついには許容範囲外に上昇す
る。

【００４５】光ファイハ゛ー温度計からの測定値と制御したい
温度値との比較を図１０のステップ１０２に示すフィート゛ハ
゛ック制御で比較演算し、ステップ１０４の比較において
測定値が仕様値でない場合、ステップ１０６で図９に示
す関係よりＨｅカ゛ス圧をP１からP２へ変化させ、マスフローコン
トローラに制御したいＨｅカ゛ス圧設定値を入力する。

【００４６】これにより、ウエハー温度は図８に示すように
変化する。上記構成によりウエハ−中心部温度は、ある許
容範囲内に温度制御する事が可能になる。ウエハー外周部で
も同様に温度を独立して制御する。

【００４７】図１１に、上記実施例に示す半導体処理装
置によりウエハー１にフ゜ラス゛マＣＶＤによる成膜処理をする場
合の、処理手順の一例を示す。図１１は、ヒータ出力Q１、
保持部材〜冷却部材間のカ゛ス圧力（中心部）P１、保持部
材〜冷却部材間のカ゛ス圧力（外周部）P２、ウエハー〜保持部
材間のカ゛ス圧力P３、フ゜ラス゛マ入熱Q２、保持部材の表面温
度T１、ウエハー温度T２の時間変化を示す。各々のク゛ラフの横
軸は、時間を示している。横軸で同じ位置に有れば同じ
時間を示している。

【００４８】（ａ）ウエハー１枚目のフ゜ラス゛マ処理前 t０〜t１間でP１、P２を０近傍の圧力値にする。ｔ１で
保持部材２のヒータ８に通電する事で、Ｑ１の発熱を生
じ、保持部材が加熱される。この時、P１、P２は、各々
０近傍の為、熱絶縁になっており、冷却部材に熱が逃げ
ないため、ヒータにより効率的に、所望の温度まで、最短
時間で昇温できる。ｔ２でウエハーを真空ロホ゛ット等で保持部
材２の直上に移動させ、図示していないウエハー昇降ヒ゜ンに
よって、ウエハー１を保持部材２の上に載せる。次に吸着電
極７にフ゜ラス、またはマイナスの電圧を印可し、ウエハー１を吸着
する。ｔ３でウエハー〜保持部材間のカ゛ス室にカ゛スをある圧力
を保ち、導入する。ｔ２〜ｔ３では、ウエハーは、加熱され
た保持部材と接触熱伝達で昇温し、t３でカ゛ス熱伝達で、
昇温する。カ゛ス熱伝達の場合、接触熱伝達と比較して、
伝熱効果が著しく増加する為、ウエハー温度変化は大きく、
短い時間で昇温する。ｔ４にてヒータの出力を小さくし、
０にする。これにつれて保持部材の表面温度T１、ウエハー
温度T２は、図１１に示すように低くなる。

【００４９】（ｂ）ウエハー１枚目のフ゜ラス゛マ処理ｔ５にフ゜ラス゛マ点火する。図１１には、ウエハー１への入熱量
が中心部で外周部と比較して大きい場合を示している。
ウエハーの表面の各部位での温度を一定に保つ為、各伝熱カ゛
ス室において、図８に示すようにカ゛ス圧力を変化させる。
この場合、ウエハーの中心部に比較し、外周部のカ゛ス圧力を
低くし、カ゛スによる熱伝達係数を低下させ、ウエハー１の温
度を外周部で、中心部と比較して、温度上昇値を大きく
し、ウエハー面上での温度を高くし、フ゜ラス゛マ入熱時のウエハー面
内の温度分布の均一性を向上させる。逆に、外周部が中
心部と比較して入熱量が大きい場合には、カ゛ス圧力の関
係を逆にする。フ゜ラス゛マ点火後、成膜カ゛スを処理室内に導
入し、化学反応により、ウエハー１面上に酸化石英の薄膜を
形成させる。ｔ６にフ゜ラス゛マを消滅させる。これは、μ波
ハ゜ワー、ＲＦハ゜ワー、成膜カ゛スの導入を停止させる事で行
う。これにより、フ゜ラス゛マ入熱Ｑ2は、図１１に示すよう
に減少し、これにつれて、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を減少さ
せ、０とする。ｔ７にウエハーを図示しないウエハー昇降ヒ゜ンに
より、ウエハーを持ち上げ、真空ロホ゛ットにより、処理室からウ
エハー１を搬出する。

【００５０】（Ｃ）ウエハー２枚目のフ゜ラス゛マ処理前ｔ７〜ｔ１'間に上記と同じ方法でウエハー１を搬入する。ウ
エハー一枚目の処理と異なり、ヒータ出力Ｑ１'は既にある一
定温度まで昇温されているので、Ｑ１より小さな値で十
分である。

【００５１】（ｄ）ウエハー２枚目のフ゜ラス゛マ処理一枚目と同様であるので説明を省略する。

【００５２】上記は、ウエハー１〜保持部材２間のカ゛ス圧力
をウエハー１によって形成される２ヶ所以上の各カ゛ス室を同
じ圧力で制御しているが、保持部材〜冷却部材間のカ゛ス
圧力を各カ゛ス室毎に一定（中心部、外周部でカ゛ス圧力を一
定とする。）にし、ウエハー〜保持部材間のカ゛ス圧力を各カ゛
ス室毎に変化させても同じ効果が得られる。また、図１
１に示すカ゛ス圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ではなく、中心部、
外周部のヒータ８の発熱量を、各部位からのウエハー温度をフィー
ト゛ハ゛ックして、発熱量を変化させても同じ効果を得られ
る。また、上記と同じ効果は、冷却媒体１０の温度、流
量を変化させても得られる。

【００５３】冷却媒体１０の温度で、冷却部材３の温度
分布を直接コントロールでき、又、冷却流量で冷却効果を変化
でき、冷却流路での膜温度を変化させれるので、同じく
冷却部材での温度分布を同じく変化させ事が可能にな
る。

【００５４】結局、カ゛ス圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が一定で
も、上記と同じくウエハー温度分布をある一定値内に制御す
る事が可能になる。但し、制御の応答性から考えると、
ウエハー１と保持部材２のカ゛ス圧力を各部位毎に変化させた
場合が一番制御速度が早く、制御性が良い。

【００５５】図１１に示すＱ１、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｑ
２等は図１１では、ある一定時間後に、おいて一定値と
なっているが、各時間毎に変化させても良い。特に、Ｐ
１、Ｐ２は、フ゜ラス゛マ入熱が時々刻々変化する一般的な入
熱ハ゜ターンにおいては、変化させるのが、良い。

【００５６】また、図１１では、カ゛ス圧力Ｐ１、Ｐ２の
昇圧開始をヒータ出力が０になってからとなっているが、ヒ
ータがＯＮ時から行っても良い。カ゛ス圧力P３をヒータ出力がO
FFとなってから行っても良い。

【００５７】図１１は、一例を示すものであり、ここで
は一々、記載しないが、種々の変形がある。

【００５８】図１２に本発明の別の実施例を示す。図１
との差異は保持部材２とウエハー１間のＨｅカ゛ス圧を中心
部、外周部またはそれ以上の独立した部位（複数の伝熱
カ゛ス室）に分け、図示していない伝熱カ゛スの経路を保持部
材２の内部に形成して各伝熱カ゛ス室に連通させ、ウエハ−裏
面の中心部と外周部におけるＨｅカ゛ス圧を変化させるも
のである。カ゛ス室の部位の分離は静電チャック表面の凹、凸
（溝）で形成する。

【００５９】この構造図を図１３に示す。図１３に示す
ように、保持部材２の中間部に土手部２００を形成し、
吸着電極７bを土手部２００の下に配置し、他の吸着電
極７aとは独立させ、他の吸着電極より大きなハ゛イアス電圧
を印加し、ウエハーを吸着し、各部位間のＨｅカ゛スリーク量を低
減させている。図１３では土手部２００により静電チャック
表面の室を２個所のみに分離したが、これは何個所あっ
ても良い。又、土手部に小さな幅のスリットを設けても良
い。但し、スリット幅はウエハー等の処理物を載せて形成される
各部位（伝熱カ゛ス室）毎に圧力を独立に制御できる程度
の小さなものとする。

【００６０】ここで、上記、ウエハー１と保持部材２の表面
の空間に伝熱カ゛ス室を２ヶ所以上、設けるハ゜ターンをＡと
し、保持部材２と冷却部材３との空間に伝熱カ゛ス室を２
ヶ所以上、設けるハ゜ターンをＢとする。

【００６１】温度均一性を向上させてウエハー１を処理する
為には、少なくとも上記、ハ゜ターンＡ、Ｂのいずれか一方
を採用すれば良い。ハ゜ターンＡ，Ｂの両方を採用した場合
には、制御対象となる検出温度が多くなる為、制御が難
しい等の問題が発生する場合があり、ハ゜ターンＡまたはＢ
のみ採用する事が望ましい。

【００６２】図１４に本発明の別の実施例を示す。図１
との相違はウエハーの温度制御にヒータの発熱量を部位毎に変
化させるものである。例えば、図１４では中心部ヒータ８
b、外周部のヒータ８aで形成する。切り替えスイッチ５７によ
り高周波印加時にヒータ８a、８bを切るものである。ウエハー裏
面を測温する測温コントローラ４１の指示値と目標値との差異
をフィート゛ハ゛ック回路４２で検知しヒータの電力調整器５６A，
５６Bの設定値を変更する。

【００６３】図１５に本発明の別の実施例を示す。図１
との相違はウエハーの温度制御に冷却水の温度、流量を部位
毎に変化させるものである。図１５では中心部、外周部
の冷却水路で形成するものである。測温コントローラ４１の指
示値と目標値との差異をフィート゛ハ゛ック回路４２で検知し、
冷却と加熱機能を有するチラー５８の冷却水の温度設定
値、流量を変更する。流量を変化させ、冷却流路の壁面
での熱伝達係数αを変化させ、壁面での温度差を制御す
るものである。但し、チラー内の冷却媒体の熱容量が大き
いため、ヒータを使用したものに比べて応答性は悪い。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、試料を高温で温度分布
の均一性を保ち、フ゜ラス゛マ処理する事が可能となり、高品
質な処理済試料を提供できる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す半導体処理装置の側
断面図である。

【図２】図１の実施例における保持部材と冷却部材の各
平面図である。

【図３】Ｈｅカ゛ス圧力と熱伝達係数との関係を示す図で
ある。

【図４】フ゜ラス゛マ入熱時の保持部材の変形を示す図であ
る。

【図５】Ｈｅカ゛ス層の厚みが変化した場合のＨｅカ゛ス圧力
と熱伝達係数との関係を示す図である。

【図６】保持部材の熱変形によるウエハー温度上昇分布を示
す図である。

【図７】保持部材と冷却部材との間に挟む絶縁物の構造
を示す図である。

【図８】フ゜ラス゛マ処理時の保持部材の変形と温度変化を示
す図である。

【図９】Ｈｅカ゛ス層の厚みが変化した場合のＨｅカ゛ス圧力
と熱伝達係数との関係を示す図である

【図１０】温度制御フローを示す図である。

【図１１】本発明の第１の実施例に示す半導体処理装置
の、処理フローの例を示すチャート図である。

【図１２】本発明の第２実施例を示す半導体処理装置の
側断面図である。

【図１３】静電チャック部の側断面を示す図である。

【図１４】本発明の第３実施例を示す半導体処理装置の
側断面図である。

【図１５】本発明の第４実施例を示す半導体処理装置の
側断面図である。

【図１６】ウエハー温度と膜質との関係を示す図である。

【符号の説明】

１…ウエハー、２…保持部材、３…冷却部材、４…高温用
吸着装置、５…静電チャック部材、６…静電チャック部材支持
板、７a,７b…吸着電極、８a…外周ヒータ、８b…中心部ヒー
タ、１０…冷却媒体、１１…冷却流路、１２…Ｈｅカ゛ス流
路、１３…Ｈｅカ゛ス室、１４…Oリンク゛、１０〜１５…Oリンク
゛、１６…光ファイハ゛ー温度計フ゜ローフ゛、１７ａ、ｂ…絶縁
物、１８…絶縁物、２０…高温用静電吸着装置支持板、
２１…絶縁物、２６…反応室、２７…μ波導波管、２８
…μ波透過窓、２９…μ波、永久磁石、３２…ノス゛ルリンク
゛、３３…ノス゛ル、３４…フ゜ラス゛マ、３５…カスフ゜磁場、３６
…磁力線、３７…フランシ゛、３８…排気穴、４０…端子導
入フランシ゛、４１…測温コントローラ、４２…フィート゛ハ゛ック回路、４
３…圧力コントローラ、４４…マスフロー、４５…圧力計、４６…
手動ハ゛ルフ゛、４７…冷却用カ゛ス、５０…メインハ゛ルフ゛、５１…
ターホ゛分子ホ゜ンフ゜、５２…ト゛ライホ゜ンフ゜、５５…フ゜ラス゛マ入熱
、５６…電力調整器、５７…スイッチ、５８…チラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｒ (72)発明者宮豪茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 4K029 CA05 DA08 DC27 JA01 JA05 4K030 CA04 FA01 GA02 JA10 KA23 KA26 KA30 KA39 KA41 LA15 5F031 CA02 CA05 HA16 HA37 HA38 HA39 HA40 JA08 JA46 MA28 MA29 MA32 NA04 5F045 AA08 AC17 AD06 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 BB02 EJ10 EM05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、前記吸着装置は、前記試料の中心部と外周部に対応して
区分された複数の伝熱カ゛ス室を備えており、前記試料の温度に応じて各伝熱カ゛ス室の圧力を独立に制
御する手段を備えたことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項２】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、フ゜ラス゛マ処理時に、前記試料の中心部および外周部の温度
を５００±５０℃から７００±５０℃に維持して処理す
る手段を備えたことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項３】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、前記吸着装置は、試料を保持する為の保持部材と該保持
部材を介して試料の冷却を行う冷却部材とを有し、前記
保持部材と前記冷却部材との間に独立して圧力制御可能
な伝熱カ゛ス室を複数個形成したことを特徴とする試料の
処理装置。
【請求項４】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、前記吸着装置は、試料を保持する為の保持部材と冷却を
行う冷却部材とを有し、前記試料が保持された状態で前
記保持部材と前記試料との間に独立して圧力制御可能な
伝熱カ゛ス室を複数個形成するための凹部を前記保持部材
に設けたことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項５】吸着装置に保持された試料の温度を制御し
つつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理装置におい
て、前記吸着装置は、試料を保持する為の保持部材と冷却を
行う冷却部材とを有し、前記冷却部材に該冷却部材と前
記保持部材との間に第１の伝熱カ゛ス室部を形成するため
の凹部を設け、前記試料が保持された状態における前記保持部材と前記
試料との間に第２の伝熱カ゛ス室部を形成するための凹部
を前記保持部材に設け、前記第１、第２の伝熱カ゛ス室部のいずれか一方を、独立
して圧力制御可能な複数個の伝熱カ゛ス室で構成したこと
を特徴とする試料の処理装置。
【請求項６】請求項３ないし５のいずれかにおいて、前
記複数個の伝熱カ゛ス室は、前記試料の中心部と外周部に
対応して設けられた少なくとも２つの室を有しており、
前記保持部の熱変形ハ゜ターンに応じて、該熱変形を押さえ
るように前記半径方向内側と外側の各室の圧力制御を行
うことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項７】請求項１、３ないし６のいずれかにおい
て、前記複数個の伝熱カ゛ス室に対応した複数の位置で前
記試料裏面の温度を計測する為の温度計を有し、該温度
値をフィート゛ハ゛ックして前記試料温度の制御因子を制御する
ことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項８】請求項１ないし６のいずれかにおいて、前
記試料の処理装置が試料を高温で処理するものであり、
前記保持部材内にヒータを有し、前記冷却部材に冷却媒体
の流路を有し、前記複数のカ゛ス室相互間の分離に耐熱性の弾性体を使用
したことを特徴とする試料の処理装置。
【請求項９】請求項８において、前記制御因子として、
試料と前記保持部材間の伝熱カ゛スの圧力、前記保持部材
と前記冷却部材間の伝熱カ゛ス圧力、ヒータ加熱量、冷却媒体
の温度、流量を各部位毎に制御する事を特徴とする試料
の処理装置。
【請求項１０】請求項８において、前記保持部材と前記
冷却部材とを間に絶縁物を介し固定することを特徴とす
る試料の処理装置。
【請求項１１】請求項７において、処理時の温度を前記
試料の中心部および外周部で５００±５０℃から７００
±５０℃に維持して処理することを特徴とする試料の処
理装置。
【請求項１２】吸着装置に保持された試料の温度を制御
しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理方法におい
て、前記吸着装置は、前記試料の中心部と外周部に対応して
区分された複数の伝熱カ゛ス室を備えており、前記試料の温度に応じて前記複数の伝熱カ゛ス室の圧力を
独立に制御して、前記試料をフ゜ラス゛マ処理することを特徴
とする試料の処理方法。
【請求項１３】吸着装置に保持された試料の温度を制御
しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処理する試料の処理方法におい
て、フ゜ラス゛マ処理時に、前記試料の中心部および外周部の温度
を５００±５０℃から７００±５０℃に維持して処理す
ることを特徴とする試料の処理方法。
【請求項１４】保持部材と冷却部材を有する吸着装置に
保持された試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処
理する試料の処理方法において、前記冷却部材と前記保持部材との間に第１の伝熱カ゛ス室
部を有し、前記保持部材と前記試料との間に第２の伝熱
カ゛ス室部を有し、前記第１の伝熱カ゛ス室部及び前記第２の
伝熱カ゛ス室部の少なくとも１つは、試料の中心部と外周
部に区分された複数の伝熱カ゛ス室で構成されており、前記複数の伝熱カ゛ス室の圧力を独立に制御して、処理時
の温度を前記試料の中心部および外周部で５００±５０
℃から７００±５０℃に維持して処理することを特徴と
する試料の処理装置。
【請求項１５】処理室に試料を真空ロホ゛ット等の搬送系に
より搬入する工程と、前記試料を前記処理室内のヒータと
吸着電極とを含んだ保持部材に搭載する工程と、前記試
料を前記保持部材に吸着する工程と、前記保持部材内の
ヒータにより加熱する工程と、前記試料と前記保持部材間
に圧力をコントロールしてカ゛スを供給する工程と、冷却流路を
有する冷却部材と前記保持部材間に圧力をコントロールしてカ゛
スを供給する工程と、前記冷却部材に温度、流量をコントロー
ルして冷却媒体を供給する工程と、前記処理室内にフ゜ラス゛
マを発生させる工程と、前記試料を前記保持部材から脱
着する工程と、前記試料を前記処理室より搬出する工程
を含むことを特徴とする試料の処理方法。
【請求項１６】保持部材と冷却部材を有する吸着装置に
保持された試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処
理する試料の処理方法において、前記冷却部材と前記保持部材との間に第１の伝熱カ゛ス室
部を有し、前記保持部材と前記試料との間に第２の伝熱
カ゛ス室部を有し、前記第１の伝熱カ゛ス室部及び前記第２の
伝熱カ゛ス室部の少なくとも１つは複数の伝熱カ゛ス室で構成
されており、前記試料の裏面の温度を中心部、外周部等の２ヶ所以上
において実測する工程と、該温度の実測値と設定値との
差異を検出する工程と、前記第１の伝熱カ゛ス室、前記第
２の伝熱カ゛ス室のカ゛ス室毎のカ゛ス圧力、ヒータの加熱量、冷却
媒体の流量、温度の少なくとも１つを制御する工程とを
含むことを特徴とする試料の処理方法。
【請求項１７】保持部材と冷却部材を有する吸着装置に
保持された試料の温度を制御しつつ、該試料をフ゜ラス゛マ処
理する試料の処理方法において、前記冷却部材と前記保持部材との間に第１の伝熱カ゛ス室
部を有し、前記保持部材と前記試料との間に第２の伝熱
カ゛ス室部を有し、前記第１の伝熱カ゛ス室部及び前記第２の
伝熱カ゛ス室部の少なくとも１つは複数の伝熱カ゛ス室で構成
されており、前記複数個の伝熱カ゛ス室は、前記試料の中心部と外周部
に対応して設けられた少なくとも２つの室を有してお
り、前記保持部の熱変形ハ゜ターンに応じて、該熱変形を押
さえるように前記中心部と外周部の各室の圧力制御を行
うことを特徴とする試料の処理方法。