JP2003037073A

JP2003037073A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003037073A
Application number: JP2001224998A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Takano; 高野　　智
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: KR100613925B1; TW558752B; JP3639546B2; US6863734B2; US20030022402A1; KR20030010516A

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の反り量を間接的に監視することで、基
板面内温度が不均一な状態で成膜等の基板処理が行わ
れ、膜厚均一性等の基板特性不良が発生した時の、原因
追及を容易に行うことを可能にする。【解決手段】基板１を処理する基板処理装置におい
て、基板１を表面に保持する基板保持体２と、基板保持
体２を介して基板１を加熱する抵抗加熱ヒータ３とを設
ける。抵抗加熱ヒータ３に、基板反り量と相関のある基
板保持体２の温度を裏面側から測定する放射温度計Ｓ１
〜Ｓ３を設ける。放射温度計に対して基板保持体２を回
転自在に設けて、基板保持体２の周方向の温度情報が得
られるように構成する。放射温度計の測定値に基づい
て、基板保持体２の温度と相関のある基板１の反り量を
監視する監視手段としての演算手段２５を設ける。必要
に応じて、演算手段２５で求めた反り量に基づいて制御
手段２６に反り量を是正する指令を出して抵抗加熱ヒー
タ３を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板処理装置及び半
導体装置の製造方法に係り、特に基板の反り量を監視又
は制御するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、枚葉型の基板処理装置において
は、基板保持板に基板を強制吸着した状態で基板を処理
している。この場合、基板保持板に対する基板の密着度
が未管理のままだと、後の成膜工程へ移行した場合、密
着度の悪い基板は基板特性が著しく劣化するという問題
がある。

【０００３】枚葉型の基板処理装置は、具体的には、図
１４に示すように、抵抗加熱ヒータ３で加熱した基板保
持板２上に基板１を吸着保持した状態で、基板１の上方
に配置したガス分散板５からガスをシャワー状に吹きつ
けて、その結果として基板に成膜等の処理を行うように
なっている。抵抗加熱ヒータ３の表面は常に一定の温度
に保たれている。

【０００４】ここで、密着度を示す基板保持板２に対す
る基板１の空間距離である反り量ｄ ₁、ｄ₂が変化する
と、抵抗加熱ヒータ３によって常に同じ状態で均一加熱
された基板保持板２の熱が基板１に均等に伝わらなくな
り、前記基板反り量ｄ（ｄ₁、ｄ₂の総称）に依存した温
度分布不均一に起因する下記に述べるような不具合が基
板面内に発生する。

【０００５】ここで基板の反り量とは、基板保持板２の
表面上に基板１を保持した状態で、基板１が変形して、
その結果として基板１に基板保持板２と密着しない部分
が生ずることによって、基板保持板２表面と基板１裏面
との間にできる隙間の最大値をいう。

【０００６】基板１と基板保持板２との距離ｄが大きい
ほど基板保持板２からの熱伝達率が悪くなり、基板面内
温度は距離ｄに依存した温度バラツキが発生する。した
がって、ｄ₁＞ｄ₂の場合、ｄ₂付近の基板温度がｄ₁付近
の基板温度に比較して高くなる。

【０００７】前記した基板を基板保持板に強制吸着する
手法においては、必ずしも基板全面を均等に基板保持板
に吸着できるとは限らない。処理基板は通常、複数の成
膜工程を含む熱処理過程を経由して目的の半導体基板に
加工されるため、後の処理工程ほど基板の成膜積層数と
熱履歴は多くなり、その結果、これらの基板は図１４で
説明した基板反り量ｄが１００μｍ以上の塑性変形量を
容易に持つ場合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記基板端部の密着度
の未管理、換言すれば処理中の基板反り量の未管理は当
然ながら処理後の基板特性に悪影響を与える。これは、
例えば薄膜形成処理における膜厚均一性の劣化として現
れる。現状では、この基板反り量（即ち、温度不均一
量）を管理する手法がなく、基板特性に不良が発生した
時の原因追及の障害となっており、これらを定量的に管
理、監視する手法が望まれている。

【０００９】なお、基板（ウェハ）におけるスリップの
発生を抑制するための測温位置及び加熱方法を明らかに
したものとして、特開平６−２６０４２６号公報に記載
された基板加熱技術が知られている。これは、基板と基
板保持体（ホルダ）間の接触面積を管理することは不可
能であるとしながらも、昇温中、基板が変形し、基板と
基板保持体との接触面積が変化するので、基板の最外周
温度に影響され、その結果として、基板に面内温度差が
ついてスリップが発生してしまう。そこで、基板の中心
から半径の７０％以上離れた外周部分の複数点を測温
し、各測温点間の温度差が５℃以内になるようにヒータ
を加熱制御する。これによりヒータの発熱密度の均一性
や基板と基板保持体間の接触面積に依存せずに、スリッ
プ発生の無い加熱処理を実現している。

【００１０】また、真空吸着による基板の反り抑制につ
いては、差圧をより大きくして吸着率を上げれば、基板
の反り量を抑制することは可能であるが、機構が複雑化
するため技術的には難しい。現状では３００〜５００Ｐ
ａの大きな差圧をかけて吸着しても反りが発生してい
る。

【００１１】本発明は、基板と基板保持体との接触状態
により基板温度が変るという点をさらに一歩進め、接触
状態により基板保持体の温度も変り、その基板保持体温
度が基板の反り量に相関があるという点に着目してなさ
れたものである。

【００１２】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解消して、基板の反り量を間接的に監視すること
で、反り量に起因する不良原因の追及を容易に行うこと
が可能な基板処理方法及び半導体装置の製造方法を提供
することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、基板を処
理する基板処理装置において、前記基板を保持する基板
保持体と、前記基板保持体を介して前記基板を加熱する
加熱手段と、前記基板保持体の温度を前記基板の保持さ
れている表面側とは反対の基板保持体の裏面側から測定
する温度測定手段と、前記温度測定手段の測定値に基づ
いて、前記基板保持体の温度と相関のある前記基板の反
り量を監視する監視手段とを備えた基板処理装置であ
る。

【００１４】基板保持体温度と基板の反り量とは相関が
ある。基板保持体温度が低いと基板の反り量が小さく、
反対に基板保持体温度が高いと基板の反り量が大きくな
る。したがって、基板保持体温度を温度測定手段で測定
し、その測定値に基づいて基板の反り量を監視手段で監
視すると、基板の反り量と基板処理不良との相関を把握
でき、不良原因を追及できる。

【００１５】また、温度測定手段で基板保持体の温度を
基板保持体の裏面側から測定するので、温度測定手段の
センサ部が基板保持体で覆われて、処理空間に露出する
のを避けることができる。このため温度測定手段のセン
サ部に膜が付かず、その結果、装置としての長期的な信
頼性を高めることができる。

【００１６】監視手段としては、基板保持体温度を基板
の反り量と関連づけて表示出力させたり、基板保持体温
度の測定値から、予め作成した相関式を使って演算によ
り基板反り量を求めたり、あるいは予め作成した基板保
持体の温度に対する基板反り量を決定するルックアップ
テーブルを用いて基板反り量を割り出したりする演算手
段で構成することができる。

【００１７】第２の発明は、第１の発明において、前記
温度測定手段に対して前記基板保持体を相対的に回転さ
せる回転手段を備え、前記温度測定手段は、前記回転手
段により相対回転する前記基板保持体の裏面の円周方向
の温度を測定し、前記監視手段は、前記温度測定手段の
測定値に基づいて前記基板の円周方向の反り量を監視す
るものである基板処理装置である。

【００１８】回転手段を備えて相対回転する基板保持体
裏面の円周方向の温度を測定して、基板の円周方向の反
り量を監視するので、基板の円周方向に対しても、基板
の反り量と基板処理不良との相関を把握できる。

【００１９】第３の発明は、第１の発明において、前記
監視手段が、前記温度測定手段で測定した基板保持体の
温度から所定のアルゴリズムに従って前記基板の反り量
を求める演算手段で構成されている基板処理装置であ
る。

【００２０】基板の反り量を求める演算手段は、所定の
式に基づき演算して求める他に、事前に取得した基板保
持体の裏面温度に対する基板の反り量を示すルックアッ
プテーブルで求めるものも含む。

【００２１】演算手段を用いて基板の反り量を求めるの
で、基板の反り量と基板処理不良との相関をデータとし
て把握できる。また、演算手段を用いるので、基板保持
体温度から容易に基板の反り量を求めることができる。
特にルックアップテーブルで求める場合には、式で求め
るものと比べて演算しなくとも良いので、即応的な制御
が可能になる。

【００２２】第４の発明は、基板を処理する基板処理装
置において、前記基板を保持する基板保持体と、前記基
板保持体を介して前記基板を加熱する加熱手段と、前記
基板又は基板保持体の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段の測定値に基づいて前記測定した温度
と相関のある前記基板の反り量を求める演算手段と、前
記演算手段で求めた反り量に応じて前記加熱手段を制御
することにより、前記基板の反り状態を制御する反り制
御手段とを備えた基板処理装置である。

【００２３】反り制御手段で加熱手段を制御して基板保
持体の加熱具合を調整することにより、基板の反り状態
を制御して処理を行うので、処理に必要な最適な基板の
反り状態を実現できる。

【００２４】第５の発明は、第４の発明において、前記
基板を、前記反り制御手段によって制御された所定の反
り状態を維持したまま前記基板を処理する基板処理装置
である。

【００２５】意図的に所定の反り状態を維持したまま基
板を処理するので、基板処理が終わり、基板が常温に戻
った際、基板に生じていた応力が相殺されて、不要な応
力が基板に生じないようにすることができる。特に処理
が成膜処理の場合、不要な応力が膜に生じず、膜剥がれ
を防止できる。

【００２６】第６の発明は、基板保持体の表面に保持し
た基板に成膜を行って半導体装置を製造する方法におい
て、前記基板保持体を介して前記基板を加熱し、前記基
板保持体の温度を裏面側から測定し、測定値に基づいて
前記基板保持体の温度と相関のある前記基板の反り量を
監視する半導体装置の製造方法である。

【００２７】基板保持体の裏面温度と基板の反り量とは
相関がある。したがって、基板保持体温度測定値に基づ
いて基板の反り量を監視すると、基板の反り量と成膜不
良との相関を把握できる。また、基板保持体の裏面側か
ら基板保持体の温度を測定するので、温度センサ部を処
理空間に露出させなくとも良く、センサ部に膜が付か
ず、長期的に高い信頼性が得られる。

【００２８】第７の発明は、基板に成膜を行って半導体
装置を製造する方法において、前記基板を基板保持体の
表面に保持し、前記基板保持体を介して前記基板を加熱
し、前記基板又は基板保持体の温度を測定し、測定値に
基づいて該測定値と相関のある前記基板の反り量を求
め、前記求めた反り量に応じて前記基板の加熱量を調整
することにより前記基板の反り状態を制御し、制御した
反り状態の基板に成膜を行う半導体装置の製造方法であ
る。

【００２９】反り量に応じて基板の加熱量を調整するこ
とにより基板の反り状態を制御するので、処理に必要な
最適な基板の反り状態を実現できる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を枚葉
式基板処理装置に適用した場合について説明する。な
お、枚葉式はここでは単一基板毎の処理を行う単葉式に
ついて説明するが、単葉式に限らず、２〜５枚程度、も
しくはそれ以上の枚数のものにも適用可能である。

【００３１】図１２、図１３は、本実施の形態の前提と
なる薄膜形成及び熱処理を行う枚葉式基板処理装置の概
略断面図である。

【００３２】装置は、密閉構造の処理容器４０を有す
る。処理容器４０は、シリコンウェハなどの半導体基板
１を搬送室（図示せず）から処理容器４０内の処理室３
１に搬入するための基板挿入口８と、搬送室と処理室３
１の雰囲気隔離を行う開閉弁９とを有する。また、処理
室３１に所望のガス種、ガス流量、ガス比率を供給可能
なガス供給口６と、供給ガスを排気するための排気口７
とが設けられる。ガス供給口６が設けられる処理室３１
の上部には、基板処理面に供給量の偏りを押さえるため
のガス分散板５が設けられる。

【００３３】処理室３１内に、基板１を保持する基板保
持体としての基板保持板２と、基板保持板２を介して基
板１を加熱するヒータユニット２０とが設けられる。基
板保持板２は、その表面に基板１を吸着保持するととも
に、吸着保持した状態で加熱手段としての抵抗加熱ヒー
タ３からの熱を均一化する。

【００３４】ヒータユニット２０は、中空体から構成さ
れ、上部に基板保持体２を装着する基板保持板用装着部
を有し、下部に真空容器４０の底部中央に設けた開口か
ら進退する筒状の支持軸２１を有する。ヒータユニット
２０は、その基板保持板用装着部に基板保持板２が装着
されることにより密閉構造となる。中空体の内部に基板
保持板２を介して基板１を所望の温度に加熱可能な抵抗
加熱ヒータ３が設けられる。また、密閉構造となる中空
体に真空排気ライン１１が設けられ、ヒータユニット２
０を真空排気することで、基板１を基板保持板２の表面
に強制吸着するようになっている。基板保持板２には、
真空吸着のために複数の孔または溝が設けられている。

【００３５】ヒータユニット２０は、その支持軸２１を
昇降機構１０に連結することにより、処理室３１内に昇
降自在に設けられる。支持軸２１はベローズ１４でシー
ルされる。昇降機構１０は、基板搬送時、基板処理時な
どの各ステップで、ヒータユニット２０を処理室３１内
の上下方向の異なる位置に多段階調整可能となってい
る。基板保持板２には、搬入された基板１を一旦支持す
るための基板支持ピン４が、ヒータユニット２０の昇降
に応じて出没自在に設けられる。

【００３６】上述したような構成においては、基板保持
板２上に基板１を吸着保持しているが、吸着保持しても
基板全面を均等に基板保持板２に吸着できるとは限ら
ず、また基板の反り量を管理することはできない。そこ
で、第１の実施の形態では、基板反り量を管理できるよ
うに、図１２及び図１３の構成の一部を変更して図３に
示すように構成している。なお、図３において、図１２
及び図１３と対応する部分には同一符号を付して説明を
省略する。

【００３７】図３に示す実施の形態では、図１２及び図
１３において回転できなかったヒータユニット２０を回
転可能にし、かつ基板保持板２の温度を測定可能にして
いる。すなわち、前述した筒状の支持軸２１を筒状の回
転軸２３に変更して、回転軸２３を中心にヒータユニッ
ト２０を回転自在に設け、基板１を保持した状態で基板
保持板２を任意の速度で回転できるようになっている。
一方、ヒータユニット２０内に設ける抵抗加熱ヒータ３
は固定とし、筒状の回転軸２３内に挿通した支持軸２２
で支持する。このように基板保持板２を回転自在とし、
抵抗加熱ヒータ３を固定とすることによって、抵抗加熱
ヒータ３に対して基板保持板２を相対回転させるように
なっている。また、ヒータユニット２０を回転自在にす
ることで、ヒータユニット２０は昇降可能でかつ回転自
在となるが、そのような昇降及び回転機能を有する複合
機構には、図示しないが、公知の手段を採用することが
できる。また、図３には示していないが、抵抗加熱ヒー
タ３には、基板保持体２の温度を測定する温度測定手段
を設ける。この温度測定手段を図１を用いて説明する。

【００３８】図１は、図３の基板半径距離に相当するＥ
部拡大図である。図１に示すように、基板保持板２の温
度測定手段として、例えば放射温度計Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３
が抵抗加熱ヒータ３に設置される。放射温度計Ｓ１、Ｓ
２、Ｓ３は、それらのセンサ部が基板保持板２の裏面を
臨むように設けられ、基板保持板２の温度を裏面側から
測定し、その測定値から基板保持板２の裏面温度を監視
することができるようになっている。設置個所は少なく
とも基板中心部と基板端部付近との２点とする。更に前
記２点の中間部に１点配置すると、後述する基板反り量
をより厳密に管理する上で好ましい形態となる。なお、
温度計は放射温度計に限定されない。例えば熱電対など
でもよい。

【００３９】放射温度計Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３は、前
述したように基板保持板２のほぼ中心部、端部、および
中心部と端部の中間部の各温度を基板保持板２の裏面側
から測定する。それらの各測定値は演算手段２５に加え
られる。演算手段２５は、各測定値に基づいて反り量を
演算し、そのあとで反り量を是正する指令値を演算によ
り求めて、その指令値を制御手段２６に与える。制御手
段２６は演算手段２５から与えられた指令値に基づいて
抵抗加熱ヒータ３を制御して、その結果として基板の反
り状態を制御する。

【００４０】ここで、放射温度計Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３
の測定値に基づいて、基板保持体２の温度を、その温度
と相関のある基板１の反り量として単に監視するだけで
も良い。また、上述したように監視から更に一歩進め
て、反り量を制御するところまで行ってもよい。前者の
場合、演算手段２５が監視手段を構成し、その出力が反
り量となる。後者の場合、制御手段２６が反り制御手段
を構成する。

【００４１】抵抗加熱ヒータ３は図示のように１体型で
もよいが、複数のヒータ部から構成される分割型ヒータ
としても良い。分割型ヒータとした場合には、複数のヒ
ータ部に対応させた指令値に応じて、複数のヒータ部を
個別に制御するとよい。

【００４２】図２は、基板保持板２を回転させたときの
放射温度計Ｓ１、Ｓ３の軌跡を、基板保持板２の裏面に
投影した投影図である。この投影図には、参考のため
に、基板１の保持領域を斜線で示している。基板１及び
基板保持板２が回転すると、基板中心部にある放射温度
計Ｓ１は基板保持板２の中心部の温度を裏面側から定点
観測する。基板端部付近にある放射温度計Ｓ３は、円形
の測定軌跡を描くことによって、基板保持板２の周端部
の温度を裏面側から観測する。同図において、基板回転
速度＝１０ｒｐｍの場合、放射温度計Ｓ３は、６ｓｅｃ
周期で、円形の測定軌跡上の同一地点の温度を繰り返し
測定する。

【００４３】以下、上述した構成による基板処理装置の
処理工程について述べる。

【００４４】まず、搬送室と処理室３１の圧力をそれぞ
れ所定の圧力に調整する。圧力の調整についてはＮ₂、
Ａｒ等基板表面と反応しない不活性ガスをそれぞれの室
に所定流量供給し、排気口７のコンダクタンスを調整
（図示せず）することで行う。例えば、ここでは各室の
圧力を１３３００Ｐａ（１００Torr）程度とするが、好
ましくは基板１の薄膜形成及び熱処理圧力等に依存して
決定して、基板処理条件毎の最適値を導くようにするこ
とが好ましい。

【００４５】次に開閉弁９を開けて、基板１を基板挿入
口８を介して搬送室から処理室３１に挿入後、基板１を
基板支持ピン４にて一旦支持する（図１２参照）。な
お、開閉弁９を開ける際の搬送室と処理室３１の圧力差
は、圧力変動によってパーティクル発生の要因とならな
いように監視することが望ましい。基板１を挿入後は開
閉弁９を開め、処理室３１と搬送室の雰囲気隔離を行
う。

【００４６】そして図３に示すように、昇降機構１０に
よりヒータユニット２０を上昇させることで基板１を基
板支持ピン４から基板保持板２に移載し、基板１を基板
保持板２で吸着保持する。更にヒータユニット２０を上
昇させ、基板１をガス分散板５近傍の薄膜形成位置に配
置する。

【００４７】その後、真空排気ライン１１に接続された
バルブ（図示せず）を開いた後、ヒータユニット２０の
内部を処理室３１よりも減圧にする。基板保持板２に設
けられた複数の孔または溝より基板裏面を吸引すること
で基板１を基板保持板２に強制吸着する。ここでヒータ
ユニット２０を回転することにより、基板保持板２及び
基板１を回転させる。ヒータユニット２０の回転速度
は、ここでは１０ｒｐｍに制御している。

【００４８】基板１を加熱するための抵抗加熱ヒータ３
の温度は、図３の状態で基板１が目標の処理温度になる
ように予め基板搬送前から設定されており、この状態で
基板１は目標の処理温度になるまで安定化が図られる。
基板温度が安定になったら、所望の膜形成を行うための
反応ガスをガス供給口６よりガス分散板５を介して処理
室３１に導入することにより、基板１の表面に薄膜を形
成する。

【００４９】薄膜形成に必要な時間が経過したら、ただ
ちに反応ガスの供給を停止し、反応ガスの残ガス成分を
排気口７から排気する。その後、前述したのとは逆の手
順で基板１を処理室３１から搬送室に払い出し、以降所
定の基板枚数の処理を終えるまで上記操作を繰り返し実
行する。

【００５０】ところで、上記成膜処理中の基板保持板２
の回転動作は、基板吸着後から実施しているので、基板
吸着以降、基板保持板２の周方向の温度データを取得で
きる。実際に取得した温度データを用いて、基板保持板
２の温度と基板反り量との相関関係について説明する。
なお、温度データは回転動作実施後、基板温度がほぼ目
標の温度に達した時点で取得したものである。また、図
４〜図６に示す反りデータは、基板の半分だけが反って
いる場合の例である。

【００５１】［基板保持板温度と基板反り量との相関関
係］まず、基板反り量は小さいが、その量が不明の第１
サンプルを用いて基板保持板２の温度を裏面側から取得
した。図４は、放射温度計Ｓ１で測定した基板中心部付
近の基板保持部２の温度Ｓ１と、放射温度計Ｓ３で測定
した基板端部付近の基板保持部２の温度Ｓ３の時間推移
を示したものである。なお、この時の処理室３１の状態
は、圧力が１３３００Ｐａに設定され、抵抗加熱ヒータ
３の制御温度は、基板１が７００℃に加熱されるように
設定されている。同図において、基板中心部付近の基板
保持部２の温度Ｓ１と基板端部付近の基板保持部２の温
度Ｓ３との時間推移は、７００℃付近でほぼ同じ温度バ
ラツキを有している。このサンプルの基板反り量を、成
膜処理後冷却してから、公知の手段で測定した結果、基
板反り量は３０μｍ以下であった。また、この第１サン
プルについては、成膜特性においても特に膜剥がれなど
の問題もなく、良好な結果が得られた。

【００５２】次に、予め処理前に基板１の反り量を公知
の手段で測定し、反り量が１００μｍ以上の第２サンプ
ルを用いて同様に基板保持板２の温度を裏面側から取得
した。その結果を図５に示す。図５において、基板中心
部付近の温度Ｓ１の時間推移は、図４と同等の傾向を示
すが、基板端部付近の温度Ｓ３の時間推移はほぼ７００
℃を極小値として約２℃の幅で、基板回転数に依存した
周期性でバラツキが観察された。

【００５３】また、この時の基板保持板２の面内温度分
布は、図６に示すような基板１の面内温度分布の不均一
に依存した傾向が観察された。ここで、図６（Ａ）は基
板面内温度分布、図６（Ｂ）は基板保持板面内温度分布
をそれぞれ示す。なお、図６（Ａ）の温度分布は、基板
に形成された膜厚の分布に基づき、基板温度を想定して
分布化したものである。基板１上のＰ点が、基板保持板
２上のＰ’点に対応しており、基板保持板２の高温部で
は基板が低温部になる傾向を示している。この温度分布
のバラツキは基板１の反り量に起因しているものと推定
され、基板保持板２の温度は基板１の反り量に依存し、
基板反り量と基板保持板２の温度との間に相関関係があ
ることがわかった。

【００５４】［基板保持板温度と基板反り量との相関に
ついての考察］本実施の形態の場合、抵抗加熱ヒータ３
は基板１を所定の温度に加熱するために予め最適化され
たヒータ温度を常に維持するように制御される。すなわ
ち、基板１を含む基板保持板２には、常に一定の熱源Ｑ
が抵抗加熱ヒータ３から供給されることになる。ここ
で、基板１と基板保持板間２との距離ｄ（図１参照）が
０（ｄ＝０）の場合、前記した熱源Ｑは、既知の物理、
熱力学定数にしたがって、基板１及び基板保持板２の加
熱に寄与する。しかし、ｄ≠０の場合、極端な例で基板
が存在しない場合を考えると、熱源Ｑは基板保持板２の
加熱のみに寄与することになり、基板保持板２の温度
は、ｄ＝０の場合よりも高温状態を維持する。また、ｄ
≠０の場合の基板温度は距離ｄが大きいほど、空間媒体
による熱損失が大きく、基板温度の低下を招くことは図
６の面内分布の傾向からも説明できる。したがって、基
板反り量と基板保持板温度との間に相関関係があり、そ
の関係はおよそ図７に示すようになると思われる。

【００５５】上述したように、基板反り量と基板保持板
温度との間に相関関係があるので、放射温度計Ｓ１〜Ｓ
３で成膜中の基板保持板２の温度を直接監視することに
より、処理中の基板反り量を間接的に監視することが可
能となる。基板反り量は、相関式を使って演算により求
めたり、あるいはルックアップテーブルを用いて割り出
したりすることにより求める。これにより、従来例では
管理できなかった基板と基板保持板との接触面積の管理
が可能となり、処理中の基板反り量の管理データを定量
的に得ることができる。その結果、反り量に起因する不
良が発生したときの原因追及が容易になる。

【００５６】また、放射温度計Ｓ１〜Ｓ３に対して基板
保持板２を回転させているので、基板保持板２の同一周
上に一つの放射温度計を設ければ、基板保持板２の周方
向の全ての箇所の温度を連続的に測定できる。また、回
転始点と回転時間（周期）から基板保持板の周方向のど
の部分で、どのように反っているかを把握することもで
きる。その結果、反り量に起因する不良が発生したとき
の原因追及が一層容易になる。

【００５７】また、管理データにより不良の原因追及が
でき、反り量と不良との関係が解析できれば、さらに一
歩進めて、処理中に基板保持板２の温度を制御すること
により、不良が発生しないように基板反り量を制御する
こともできる。基板保持板２の温度制御は、演算手段２
５及び制御手段２６によって抵抗加熱ヒータ３の通電を
制御することで容易に実現できる。これにより良品処理
に必要な最適な基板の反り状態を実現できる。その結
果、薄膜形成処理における膜厚均一性を向上できる。

【００５８】また、放射温度計Ｓ１〜Ｓ３で基板保持板
２の温度を基板保持板２の裏面側から測定するので、放
射温度計のセンサ部が基板保持体２で覆われて、処理空
間に露出するのを避けることができる。このため温度計
が処理空間に露出して基板表面温度を測定するものと異
なり、放射温度計のセンサ部に膜が付かず、その結果、
装置としての長期的な信頼性を高めることができる。

【００５９】なお、上記実施の形態においては、処理前
の基板反り量１００μｍ、基板保持板温度バラツキ約２
℃となるサンプル例を取り上げたが、処理中の基板には
少なからず熱による基板収縮、膨張が発生するため、処
理中の基板反り量は必ずしも処理前の状態ではないかも
しれない。また、基板反り量と基板保持板温度のバラツ
キの相関値は、必ずしも一定ではなく、処理容器及び基
板保持板の材質、構造等の違いによって種々の値を示す
かもしれない。しかしながら、多種多様な材質、構成に
おいても、基板保持板温度に関する基板反り量の依存度
を最適化することにより、基板の不良予知条件を明らか
にすることは可能である。

【００６０】上述した実施の形態では、基板を反らせな
いで処理するためにはどうしたらよいかという観点から
本発明を説明した。ここでは観点を変えて、基板を意図
的に反らせて処理する他の実施の形態について説明す
る。

【００６１】図８に示すように、昇温処理中に、基板保
持板２上に載置される基板１及び基板１上に生成される
膜１３が熱の影響を受けて反る（Ａ）。処理後、基板１
を処理容器から取り出し、常温に戻すと、基板１及び生
成された既存膜１３の反りが元に戻る（Ｂ）。この常温
に戻す時に、膜剥がれが生じる。剥離した膜がパーティ
クルとなって処理装置を汚染する２次災害の懸念も挙げ
られる。この傾向は複数の薄膜形成工程を得た積層構造
膜で顕著になり、複数の薄膜形成工程を余儀なくされる
半導体製造プロセスにおいては、各薄膜形成工程で残留
応力を可能な限り小さくすることが望ましい。なお、残
留応力を低減することにより、リーク電流が抑えられ、
また、絶縁耐圧が上がるといったデバイスの電気特性的
観点からの効果も得られる。

【００６２】残留応力を小さくすることにより膜剥れを
防止するために、既存膜によっては、昇温処理中に基板
を意図的に反らせるか、または処理中に、監視している
反り量を利用して、それにより所定の反り状態を維持し
たまま処理するとよい場合がある。図９に示すように、
基板１は常温に戻った際、―＞で示す成膜中にかかる応
力（伸び量）と、…＞で示す常温となった際の応力（伸
び量）を相殺すると、不要な応力が膜に生じず、膜剥れ
が防止できることになる。すなわち、膜中の残留応力を
相殺するには、基板を意図的に反らす必要がある。

【００６３】以下、図１５及び図１６の実験データを用
いて基板の弾性変形（処理前の基板の反りではなく、処
理中の一時的な反り）について説明する。図１５及び図
１６は図５のデータを基準に抵抗加熱ヒータ外周部の設
定温度を変更したときの基板保持板温度の時間推移を示
したものである。図１５が抵抗加熱ヒータ外周部の設定
温度を基準値より高く設定した場合、図１６が設定温度
を基準値より低く設定した場合である。図１５におい
て、基板端部付近のＳ３温度のバラツキは図５のそれに
対して小さくなり、その値は７０８℃を極大値として約
１℃の幅で基板回転数に依存した周期性でバラツいてい
る。この図１５とは対照的に、抵抗加熱ヒータ外周部の
設定温度を低くした図１６のものでは、基板端部付近の
Ｓ３温度のバラツキは大きくなり、その値は６８８℃を
極小値として約３℃の幅でバラツいている。前述した考
察によりＳ３温度のバラツキは、温度値に応じて、基板
１と基板保持板２との密着度ｄ（図１参照）が周方向に
反って変化していることを意味しており、基板には抵抗
加熱ヒータ外周部温度の変化に応じた弾性変形（反り）
が生じているものと考えられる。

【００６４】基板に弾性変形が発生するメカニズムにつ
いて考察する。処理中の半導体基板は加熱温度と基板材
質に応じて熱膨張量を持ち、一般的に熱処理前の状態よ
りも体積が増加する。基板外周部の温度が基板中心部の
温度よりも高い場合、基板外周部は中心部より基板膨張
量が大きくなり、基板保持板２と反対の方向に基板全体
を凸状に変形させる応力が発生する（図１０）。対照的
に基板外周部の温度を中心部より小さくした場合は、基
板中心部の熱膨張量が大きいことから、基板は基板保持
板２と反対方向に凹状に変化する（図１１）。このよう
に基板中心部と外周部の温度に一定の温度勾配を設定す
ることにより、熱処理中の基板１に一時的な弾性変形、
すなわち反りを生じさせることが可能であり、また、温
度勾配の変化量に応じて基板１の弾性変形量、すなわち
基板反り量を制御することが可能である。

【００６５】他の実施の形態による膜中の残留応力を相
殺するための手段として、前述した実施の形態と同じ構
成の装置を用いることができる。ただし、抵抗加熱ヒー
タ３には分割型ヒータを採用し、基板保持板２の内周部
と外周部に対応するヒータ内周部と外周部とにそれぞれ
個別に設定温度を設定できるようにする。

【００６６】この制御は、前述した図１に示す基板の反
り量を求める演算手段２５と、演算手段２５で求めた反
り量に応じて抵抗加熱ヒータ３を制御することにより、
基板１の反り状態を制御する制御手段２６とを備えた基
板処理装置で実現できる。この場合、演算手段２５から
制御手段２６に与える指令値を、基板反り量を是正する
指令値とするのではなく、基板中心部と外周部の温度に
一定の温度勾配を設定したり、温度勾配の変化量に応じ
て基板反り量を意図的に生じさせたりする指令値とす
る。これにより、制御手段２６によって制御された所定
の反り状態を維持したまま基板１を処理することができ
るようになる。

【００６７】具体的には、薄膜形成後、膜中に収縮応力
が発生し、基板全体が基板保持板と反対側に凹状になる
薄膜形成工程においては、熱処理中の基板に基板保持板
と反対側に凸状の弾性変形（反り）を発生させつつ処理
することで処理後の膜中残留応力を相殺させるようにす
る。また、逆の応力が発生する薄膜形成工程において
は、基板を基板保持板と反対側に凹状に弾性変形させつ
つつ処理することで同様に処理後の応力を相殺すること
が可能となる。

【００６８】なお、上記した他の実施の形態では形成膜
中の残留応力を相殺するように基板の反り量を制御する
例を説明したが、形成膜中に残留応力を意図して発生さ
せるように制御することも可能であることはいうまでも
ない。

【００６９】以上の各実施例から把握される請求項以外
の技術的思想について、その効果とともに以下に記載す
る。

【００７０】（１）半導体製造装置として、基板保持板
の温度情報をもとに基板半径方向に温度勾配を設けるこ
とにより基板と基板保持板の密着度ないし基板の反り量
を制御することが好ましい。この構成によれば、熱処理
中の基板に一時的な弾性変形、すなわち反りを生じさせ
ることが可能であり、また、温度勾配の変化量に応じて
基板の弾性変形量、すなわち基板反り量を制御すること
が可能となる。

【００７１】（２）半導体装置の製造方法として、基板
上に薄膜を形成の際、薄膜形成後の膜中応力に応じた弾
性変形を意図的に基板に生じさせて処理を行うことで、
薄膜形成後の膜中応力を緩和することが好ましい。この
構成によれば、基板を常温に戻す時に、膜剥がれが生じ
ず、剥離した膜がパーティクルとなって処理装置を汚染
することも有効に防止できる。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、基板の反り量を間接的
に監視することで、処理中の基板反り量を管理でき、反
り量に起因する不良原因の追及を容易かつ定量的に行う
ことができる。また、反り状態を制御する場合には、基
板反り量を抑えて基板処理することができる。

【００７３】また、基板保持板温度の情報をもとに基板
温度を変化させ、基板に意図した弾性変形を生じさせつ
つ薄膜処理を行うことで、薄膜形成時の膜中応力を制御
することが可能となり、半導体装置の歩留まり向上に寄
与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態による処理室の部分拡大図である。

【図２】実施の形態による基板保持板回転による温度計
の温度測定軌跡の説明図である。

【図３】実施の形態による枚葉式基板処理装置の概略断
面図である。

【図４】基板保持板温度分布の基板反り量依存を示す説
明図である。

【図５】基板保持板温度分布の基板反り量依存を示す説
明図である。

【図６】基板と基板保持板との面内温度分布の基板反り
量依存を示す説明図である。

【図７】基板保持板温度に対する基板反り量の相関特性
図である。

【図８】昇温処理中と常温時との基板及び成膜の様子を
示す説明図である。

【図９】膜剥がれを防止する原理を示す説明図である。

【図１０】基板が凸状に反った場合を示す説明図であ
る。

【図１１】基板が凹状に反った場合を示す説明図であ
る。

【図１２】実施の形態の前提となる枚葉式基板処理装置
の概略断面図である。

【図１３】実施の形態の前提となる枚葉式基板処理装置
の概略断面図である。

【図１４】基板面内温度の不均一発生モデルを示す説明
図である。

【図１５】基板保持板温度分布の基板弾性変形依存を示
す説明図である。

【図１６】基板保持板温度分布の基板弾性変形依存を示
す説明図である。

【符号の説明】

１基板２基板保持板（基板保持体）３抵抗加熱ヒータ（加熱手段）５ガス分散板６ガス供給ロ２５演算手段（監視手段）２６制御手段（反り制御手段）ｄ密着度（反り量）Ｓ１〜Ｓ３放射温度計（温度測定手段）

───────────────────────────────────────────────────── 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 ＮＨ０５Ｂ 3/00 ３１０Ｈ０５Ｂ 3/00 ３１０Ｃ３１０ＥＦターム(参考） 3K058 AA86 BA19 CA12 CA23 CA31 CA70 4D075 AC64 AC96 BB23X BB93X CA47 DA08 DC27 4F042 AA02 AA08 BA19 DA09 EB08 EB30 5F031 CA02 CA05 CA20 HA37 JA45 JA46 JA51 PA13 5F045 BB02 BB15 DP03 EB02 EK07 GB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を処理する基板処理装置において、前記基板を保持する基板保持体と、前記基板保持体を介して前記基板を加熱する加熱手段
と、前記基板保持体の温度を、前記基板の保持されている表
面側とは反対の基板保持体の裏面側から測定する温度測
定手段と、前記温度測定手段の測定値に基づいて、前記基板保持体
の温度と相関のある前記基板の反り量を監視する監視手
段とを備えた基板処理装置。
【請求項２】前記温度測定手段に対して前記基板保持体
を相対的に回転させる回転手段を備え、前記温度測定手段は、前記回転手段により相対回転する
前記基板保持体の裏面の円周方向の温度を測定し、前記監視手段は、前記温度測定手段の測定値に基づいて
前記基板の円周方向の反り量を監視するものである請求
項１に記載の基板処理装置。
【請求項３】前記監視手段が、前記温度測定手段で測定
した基板保持体の温度から所定のアルゴリズムに従って
前記基板の反り量を求める演算手段で構成されている請
求項１に記載の基板処理装置。
【請求項４】基板を処理する基板処理装置において、前記基板を保持する基板保持体と、前記基板保持体を介して前記基板を加熱する加熱手段
と、前記基板又は基板保持体の温度を測定する温度測定手段
と、前記温度測定手段の測定値に基づいて、前記測定した温
度と相関のある前記基板の反り量を求める演算手段と、前記演算手段で求めた反り量に応じて前記加熱手段を制
御することにより、前記基板の反り状態を制御する反り
制御手段とを備えたことを特徴とする基板処理装置。
【請求項５】前記基板を、前記反り制御手段によって制
御された所定の反り状態を維持したまま前記基板を処理
する請求項４に記載の基板処理装置。
【請求項６】基板保持体の表面に保持した基板に成膜を
行って半導体装置を製造する方法において、前記基板保持体を介して前記基板を加熱し、前記基板保持体の温度を裏面側から測定し、測定値に基づいて前記保持体の温度と相関のある前記基
板の反り量を監視する半導体装置の製造方法。
【請求項７】基板に成膜を行って半導体装置を製造する
方法において、前記基板を基板保持体の表面に保持し、前記基板保持体を介して前記基板を加熱し、前記基板又は基板保持体の温度を測定し、測定値に基づいて該測定値と相関のある前記基板の反り
量を求め、前記求めた反り量に応じて前記基板の加熱量を調整する
ことにより前記基板の反り状態を制御し、制御した反り状態の基板に成膜を行う半導体装置の製造
方法。