JP2003257933A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板に対して熱処理を行うにあたり、処理容
器側壁の昇温を抑えること。前記側壁の昇温を抑えるこ
とで製品間の品質の均一性を向上させること。 【解決手段】 内部に基板載置部を備える真空チャンバ
内に処理ガスを供給し、この処理ガスをプラズマ化する
ことで前記基板に所定の処理を施すプラズマ処理装置に
おいて、真空チャンバの内壁面に当該内壁面をプラズマ
から保護するための透明石英からなる保護板を設ける。
保護板は真空チャンバ内壁面との間に隙間を形成するよ
うに設けられ、この隙間内には不透明石英からなる遮熱
板が設けられる。遮熱板は前記隙間より薄く形成されて
おり、隙間内において保護板との間に一定幅の空洞部が
形成されるように設けられる。処理時において空洞部内
に真空層を形成することで、保護板からの輻射熱は真空
層及び遮熱板により低減し、真空チャンバの側壁の昇温
が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばプラズマに
より基板に対してエッチングなどの熱処理を施す熱処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造装置の中には、半
導体基板であるシリコンウエハに対して加熱しながらプ
ラズマによりエッチングを行う熱処理装置があり、この
ような装置の一つとして平行平板型プラズマ処理装置が
知られている。

【０００３】平行平板型プラズマ処理装置の一例につい
て、図４を参照しながら説明すると、図中１は処理容器
をなす真空チャンバであり、その底面には図示しない真
空ポンプと連通する排気口１１が形成されている。真空
チャンバ１の内部には、昇降機構１２により下方側を支
持される載置台を兼用する下部電極１３が設けられてい
る。下部電極１３はバイアス用の高周波電源１４と接続
されている。またチャンバ１の外側にはプラズマの発生
を促すための永久磁石１５がリング状に設けられてい
る。真空チャンバ１の天井部には、ガス供給部であるガ
スシャワーヘッドを兼用した上部電極１６が設けられて
おり、この上部電極１６は高周波電源１７と接続されて
いる。

【０００４】プロセスを行う場合には、処理ガス供給を
行いながら高周波電源１７により下部電極１３及び上部
電極１６の間に高周波電圧を印加して処理ガスをプラズ
マ化すると共に下部電極１３に高周波バイアスを印加
し、例えばシリコン表面をエッチングする。

【０００５】ここで真空チャンバ１における下部電極１
３の側方部位を側壁１８と呼ぶものとすると、側壁１８
の内壁面は、図５にも示すようにプラズマ発生の影響に
より当該内壁面が損傷することを防ぐため、例えば透明
石英よりなる保護板（デポシールド）１９により覆われ
ており、この保護板１９と側壁１８との間には微小な隙
間Ａが形成されている。この隙間Ａは、真空チャンバ１
内の真空引きを行うと真空領域となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで保護板１９に
は、デバイスに悪影響を与える不純物が実質含まれてい
ないことから透明石英が用いられているが、透明石英は
透過性が高いことに加えて加熱されることで自らも放熱
する性質を有する。このため、プロセス時にはプラズマ
からの輻射熱と透明石英自身から放射される輻射熱との
両方が、隙間Ａに形成される真空層を介して側壁１８へ
と伝播し、真空チャンバ１が大きく昇温してしまうとい
う問題がある。

【０００７】真空チャンバ１は、通常安全面等の観点か
ら温度が一定値例えば８０℃以上となるとインターロッ
クが作動し、装置全体が停止するように構成されてお
り、一旦停止してしまうと再起動に手間が掛かる等の理
由から側壁１８の昇温はなるべく抑えられることが好ま
しい。また側壁１８の温度変化が大きければ、真空チャ
ンバ１内の温度が安定せず、製品のロット間のばらつき
が大きくなってしまうという問題もある。このため、側
壁１８の昇温対策として保護板１９の厚みを増すことも
検討されたが、熱透過性の高い透明石英では厚みの大小
に拘わらず透過率の変化は小さく、厚みを増すことで保
護板１９自らの放熱量が増加するおそれもあるため、効
果的な手法とは言えなかった。

【０００８】本発明はこのような事情に基づいてなされ
たものであり、その目的は、基板に対して熱処理を行う
にあたり、処理容器側壁の昇温を抑えることができる技
術を提供することにある。また他の目的は、前記側壁の
昇温を抑えることで製品間の品質の均一性を向上させる
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱処理装置
は、処理容器内の載置部に基板を載置し、処理容器内に
処理ガスを供給すると共に前記基板を加熱して当該基板
に対して熱処理を行う熱処理装置において、前記処理容
器の内壁面を覆う保護板と、この保護板と前記内壁面と
の間に介設される不透明または半透明な材質からなる遮
熱板と、この遮熱板と前記保護板との間に形成され、真
空雰囲気とされる空洞部と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】このような構成によれば、熱処理を行うこ
とで処理容器内に生じ、保護板を貫通して当該処理容器
の内壁面へと向かう輻射熱を抑えることができるため、
例えば処理容器がインターロックが作動するほどに昇温
してしまうことを抑えることができる。また遮熱板と保
護板との間に空洞部を設けているため、前記輻射熱によ
って保護板自らが放熱するときにも、当該熱量がそのま
ま遮熱板に伝わることを防いでおり、前記効果を高めて
いる。

【００１１】具体的には、保護板は透明石英、遮熱板は
不透明石英、半透明石英、炭化ケイ素、アルミナまたは
窒化ケイ素のいずれかの部材により夫々構成されること
が好ましく、また空洞部の厚さは０．４ｍｍ以上である
ことが好ましい。また本発明に係る熱処理装置は、例え
ば基板表面のシリコン層をエッチングする際に用いられ
るプラズマ処理装置に適用することが好ましく、処理容
器内部で発生する熱が外部に影響を及ぼすおそれが少な
いことから、例えば半導体デバイスの製造工程において
製品のロット間での均一性を向上する効果もある。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係るプラズマ処理装置の
実施の形態について、図１から図３を参照しながら説明
を行う。図１は本実施の形態を示す縦断面図であり、大
きく分けて処理容器をなす真空チャンバ２と、この真空
チャンバ２の内部に設けられる下部電極３と、この下部
電極３と対向するように真空チャンバ２の天井部に設け
られる上部電極４との３つの部位にて構成される。真空
チャンバ２の側壁は下方側よりも上部側の方が径が小さ
くなるように段状に形成されており、この側壁のうち段
部２１よりも上方側の側壁を上部側壁５、下方側の側壁
を下部側壁２２と呼ぶものとすると、上部側壁５におけ
る中央よりやや上方位置には図示しない発光手段から真
空チャンバ２の内側に光線を照射し、後述するプラズマ
処理の状況を確認できるように検査窓５１が形成されて
いる。また詳細は後述するが上部側壁５の内壁面は保護
板（デポシールド）６などで覆われている。

【００１３】上部側壁５の外方には、例えば真空チャン
バ２内におけるプラズマ発生を助け、当該プラズマを真
空チャンバ２内に閉じこめるための永久磁石２３が下方
側を段部２１により支持されて周方向に配置されてい
る。下部側壁２２には基板をなすウエハＷの搬入出口２
４が形成されており、図示しないウエハ搬送アームが進
入できるように構成されている。なお保護板６の周辺部
位は本実施の形態の要部をなす部位であるため、その細
部については全体構成を説明した後に改めて説明する。

【００１４】次いで下部電極３及びその関連部位につい
て説明する。下部電極３は基板載置部を兼用するもので
あり、その形状は例えば円柱状とされている。この下部
電極３の上面部には例えば石英からなるフォーカスリン
グ３１と、静電チャック３２とが設けられており、ウエ
ハＷは静電チャック３２の上面に載置されるように構成
されている。静電チャック３２は導電性を有しシート状
をなす電極板３２ａと、この電極板３２ａの表裏を挟む
ように設けられるセラミック層３２ｂとを備え、図示し
ない直流電源から電極板３２ａに直流電圧を印加するこ
とでウエハＷを仮保持できるようになっている。電極板
３２ａはバイアス用高周波を印加するための電極板を兼
ねるものであり、後述する上部電極４に印可される高周
波成分の進入を阻止するためのハイパスフィルタ３３を
介し、例えば周波数２ＭＨｚのバイアス用の電圧を供給
する高周波電源３４に接続されている。

【００１５】また下部電極３は、下方側を例えば油圧シ
リンダーまたはボールネジ機構等よりなる昇降機構３５
により支持されており、例えば真空チャンバ２の外部に
設けられる駆動機構３６の働きにより、例えばウエハＷ
に対する処理を行う位置（図示の高さ）とウエハＷの搬
入出口を行う位置（搬入出口２４の高さ）との間で昇降
できるようになっている。昇降機構３５の周囲には、下
部電極３の底面と真空チャンバ２の底面（図示せず）と
の間で上下に挟まれるようにベローズ３７が設けられて
おり、処理時に下部電極３の下方側にプラズマが入り込
むことを防ぐ構成とされている。なお作図の便宜上図示
を省略するが、真空チャンバ２の底面には「従来の技
術」にて説明した図４の装置と同様に排気口が形成され
ており、この排気口を介して図示しない真空ポンプから
吸引を行い、真空チャンバ２内を所定の真空度に維持で
きるようになっている。

【００１６】上部電極４は、例えば下部電極４に印加さ
れる高周波成分の進入を防ぐためのローパスフィルタ４
１を介して高周波電源４２と接続されている。高周波電
源４２は既述の高周波電源３４よりも高い周波数例えば
６０ＭＨｚの高周波電圧を印加できるようになってい
る。また上部電極４は処理ガス供給用のガスシャワーヘ
ッドを兼用するものであり、処理ガス供給源４３から処
理ガス供給管４４を介して供給される処理ガス例えばＨ
Ｂｒガスは、上部電極４内に形成される処理ガス流路４
５を通ってウエハＷ表面に供給されるようになってい
る。この例では、処理ガス供給源４３、処理ガス供給管
４４及び処理ガス流路４５はガス供給手段に相当するも
のであり、上部電極３、下部電極４及び高周波電源４２
はプラズマ発生手段に相当するものである。

【００１７】次いで図１及び図２を参照しながら、本実
施の形態の要部をなす上部側壁５及びその周辺部位の細
部について説明を行う。なお保護板６近傍については細
かな部材が組み合わされているため、作用説明図である
図３も参照すると分かり易い。先の説明では省略した
が、上部側壁５の内壁面を覆うようにして設けられる保
護板６は、上部部材６１及び下部部材６２に分割されて
おり、各部材は例えば「従来の技術」の項において挙げ
た保護板と同様の透明石英により構成される。また一方
の上部部材６１は下端部のみ屈曲（下側屈曲部６１ａ）
し、上部電力供給線４、上部側壁５と共に筒状の隙間Ｐ
１を形成するように設けられている。他方の下部部材６
２は上下端共に屈曲（上側屈曲部６２ａ，下側屈曲部６
２ｂ）して断面コ字状をなすものであり、上部側壁５と
の間に筒状の隙間Ｐ２が形成されるように設けられてい
る。また上部部材６１の下側屈曲部６１ａと下部部材６
２の上側屈曲部６２ａとは密着し、当該密着部位は例え
ば図示しないボルトにて固定されている。

【００１８】隙間Ｐ１及びＰ２の内部には、例えば図２
に示すように夫々が筒状に形成される遮熱板６３、６４
が設けられている。遮熱板６４については断面コ字型に
形成される下部部材６２に嵌め込むことができるよう
に、複数例えば２つに分割して構成されるが、ここでは
便宜上一体のものとして図示している。遮熱板６３は隙
間Ｐ１よりも、遮熱板６４は隙間Ｐ２よりも夫々厚みが
薄くなるように形成されており、いずれの場合において
も内面と保護板６との間に一定幅の空洞部Ｑ１が形成さ
れるように設けられる。具体例を挙げると、例えば８イ
ンチウエハを対象としたプラズマ処理装置であれば、遮
熱板６３については例えば外面は上部部材５と、上端面
は上部電極４と、下端面は下端屈曲部６１ａ（上部部材
６１）と夫々密着し、内面と上部部材６１との間に１．
０ｍｍ〜１０ｍｍ程度の隙間が形成されるように設けら
れる。遮熱板６４については例えば外面は上部側壁５
と、下端面は下側屈曲部６２ｂ（下部部材６２）と夫々
密着し、上端面と上側屈曲部６２ａ（下部部材６２）と
の間には０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度の隙間が形成され、内
面と上部部材６２との間には１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の隙
間が形成されるように設けられる。遮熱板６４と下部部
材６２との間に形成される２つの隙間は連通し、例えば
断面Ｌ字型の空洞部Ｑ２を形成する（図３参照）。

【００１９】また詳細は後述するが、遮熱板６３及び６
４はその内側に設けられる保護板６から上部部材５への
伝熱を抑えるために設けられるものであるため、熱遮断
性を有する不透明または半透明な材質にて構成される。
具体的には不透明石英、半透明石英、炭化ケイ素、アル
ミナまたは窒化ケイ素等を用いることができるが、中で
も高純度な不透明石英が好ましい。本実施の形態への適
応に適した高純度不透明石英としては例えば例えばGene
ral Electric社製の不透明石英ＧＥ１２４ＨＤＯを挙げ
ることができる。このＧＥ１２４ＨＤＯは、ＧＥ社製の
透明石英ＧＥ１２４のインゴットの製造に用いられるも
のと同様の原料に対して、半導体グレード９９．９％、
粒径２〜５μｍのＨｆＯ2を添加して製造されるもので
あり、優れた熱遮断性を有する。

【００２０】次いで本実施の形態の作用について説明す
る。先ず下部電極３を下降させた状態で図示しないゲー
トバルブを開くと、搬入出口２４から図示しないウエハ
搬送アームが真空チャンバ２内に進入し、下部電極３内
に設けた図示しない昇降ピンとの協働作業により、静電
チャック３２上にウエハＷが受け渡される。そしてウエ
ハ搬送アームが退出し、ゲートバルブを閉じた後、真空
チャンバ２内の真空引きを行って例えば気圧を１０^-2〜
１０^-3Ｐａに維持すると共に処理ガス供給源４３から処
理ガスの供給を開始し、これによりウエハＷに向けてエ
ッチング用の処理ガス例えばＨＢｒガスの供給が行われ
る。このとき上部電極４と下部電極３との間に高周波電
源４２から例えば６０ＭＨｚの高周波電圧を印加する
と、両電極により形成される電界と永久磁石２３による
磁力との相互作用によりプラズマが発生する。発生した
プラズマは永久磁石２３の形成する磁場によってウエハ
Ｗの上方空間に閉じこめられるため当該領域のプラズマ
密度が高まる。こうしてウエハＷ表面のシリコンのエッ
チングが進行し、所定時間経過後、処理ガスの供給及び
高周波電源３４，４２による高周波電圧の印加を停止
し、搬入時とは逆順で真空チャンバ２からウエハＷを搬
出する。なお高周波電源３４では、プラズマ発生後所定
時間例えば１秒経過後に、下部電極４に例えば２ＭＨｚ
のバイアス用の高周波電圧の印加が行われている。

【００２１】ここでプラズマ処理に伴う真空チャンバ２
内の温度変化に着目してみると、真空チャンバ２内では
プラズマの発生に先立ち、下部電極３において図示しな
いヒータによる温度調節が行われており、例えばウエハ
Ｗは８０℃程度に保たれている。係る状況下でプラズマ
が発生すると、当該プラズマから生じる輻射熱が加わる
ためウエハＷの温度は例えば１８０℃程度まで上昇し、
真空チャンバ２内の雰囲気が加熱されることで、保護板
６の温度も上昇する。

【００２２】既述のように石英よりなる保護板６はプラ
ズマ発生領域からの輻射熱を上部側壁５側へと透過する
と共に、昇温に伴い自らも四方に向けて放熱するように
なるが、図３中の黒矢印にて示すように、これら双方の
輻射熱は遮熱板６３及び６４にて遮られるため、上部側
壁５への伝熱は一部分にすぎない。ここで遮熱板６３を
例に取り、遮熱板６３（６４）と保護板６との間に真空
層Ｑ１（Ｑ２）を設けることの意義を説明すると、真空
層Ｑ１はプラズマによって上部部材６１が昇温したとき
に、当該保護板６の温度変化の影響がそのまま遮熱板６
３側に及ぶことを防ぐ役割を果たしている。

【００２３】即ち、仮に上部部材６１と遮熱板６３との
間に真空層Ｑ１が形成されず、両者が密着して設けられ
ていたとすれば、上部部材６１を透過する熱量に変化は
ないものの、上部部材６１が自ら放熱する分の熱量は密
着面全体から遮熱板６３へと直接的に伝播することとな
り、遮熱板６３が受ける総熱量が増加してしまう。しか
し本実施の形態では、上部部材６１から発せられる熱の
大部分は真空層Ｑ１を介して遮熱板６３に間接的に伝わ
っており、これに加えて上部部材６１から遮熱板６３へ
と向かう熱は、真空層Ｑ１を伝播する間に幾分軽減す
る。従って遮熱板６３の内壁面が受ける熱量は、上部部
材６１表面近傍の熱量よりも少なく、遮熱板６３はその
特性（遮熱性）から内側で受けた熱が外方に向かうこと
を抑えるため、結果として上部側壁５の温度が受ける熱
量は「従来の技術」で述べた構成に係る装置の場合より
大幅に軽減されることとなる。

【００２４】このように本実施の形態によれば、真空チ
ャンバ２内で行ったプラズマ処理により生じた熱をウエ
ハＷ上方から上部側壁５に至るまでの間に大幅に軽減す
ることができる。このため上部側壁５の異常昇温を抑え
ることができ、「発明が解決しようとする課題」にて述
べたようにインターロックが作動して装置全体が停止す
るおそれも減少する。また、上部側壁５の昇温を抑える
ことで、真空チャンバ２内の熱が外方例えばクリーンル
ーム側の雰囲気にまで及ぶことを抑えることもできる。
このため、真空チャンバ２内の雰囲気は外部の影響に左
右されにくくなり、例えば製品のロット間での品質が均
一化する。

【００２５】ここで本実施の形態の具体的な効果を示し
ておくと、本発明者が本実施の形態と同様の装置を用意
して、遮熱板６３及び６４を設けない場合と設けた場合
との最高温度の比較を行ったところ、前者では８０℃以
上であったのが後者では６０〜７０℃程度に抑えられる
ことが確認されており、本実施の形態が有効であること
が分かる。

【００２６】なお、本実施の形態における熱処理はプラ
ズマ処理に限られるものではなく、またプラズマ処理で
ある場合であっても、その内容はシリコン層のエッチン
グに限定されない。

【００２７】また遮熱板６３，６４については、上述し
たような一体的な筒状体に限られるものでなく、例えば
上記の例で述べた遮熱板６４と同様に遮熱板６３につい
ても複数部材にて構成されるようにしてもよい。この場
合において、上述実施の形態と同様の効果を生じる限
り、各構成部材間に隙間が生じるように設けるようにし
てもよいし、例えば遮熱板６３については言えば隙間Ｐ
１（遮熱板６４については言えば隙間Ｐ２）の一部分に
設けられるものであってもよいが、いずれの場合におい
ても、遮熱板６３（６４）と保護板６との間には一定の
厚さを有する空洞部が形成されることが必要である。更
に言えば、遮熱板６３（６４）と保護板６との間に空洞
部が形成される限り、遮熱板６３（６４）と上部側壁５
との間に第２の空洞部が介在しても構わない。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板に対
して熱処理を行うにあたり、処理容器側壁の昇温を抑え
ることができる。また前記側壁の昇温を抑えることで製
品間の品質の均一性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理装置の実施の形態を示す縦
断面図である。

【図２】本実施の形態の要部をなす上部側壁周辺につい
て、その構造を示す分解斜視図である。

【図３】前記上部側壁近傍部位の構成、及びプラズマ処
理時における熱伝導の様子を示す部分縦断面図である。

【図４】従来技術に係る熱処理装置の全体構成を示す概
略縦断面図である。

【図５】従来技術における課題を説明するための前記熱
処理装置における部分縦断面図である。

【符号の説明】

Ｗ 半導体ウエハ ２ 真空チャンバ ２３ 永久磁石 ３ 下部電極 ３２ 静電チャック ３４ 高周波電源部 ４ 上部電極 ４２ 高周波電源 ４３ 処理ガス供給源 ５ 上部側壁 ６ 保護板 ６１ 上部部材 ６２ 下部部材 ６３ 遮熱板 ６４ 遮熱板 Ｐ１，Ｐ２ 隙間 Ｑ１，Ｑ２ 真空層（空洞部）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理容器内の載置部に基板を載置し、処
   理容器内に処理ガスを供給すると共に前記基板を加熱し
   て当該基板に対して熱処理を行う熱処理装置において、 前記処理容器の内壁面を覆う保護板と、 この保護板と前記内壁面との間に介設される不透明また
   は半透明な材質からなる遮熱板と、 この遮熱板と前記保護板との間に形成され、真空雰囲気
   とされる空洞部と、を備えたことを特徴とする熱処理装
   置。
2. 【請求項２】 保護板は透明石英にて構成されることを
   特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】 遮熱板は不透明石英、半透明石英、炭化
   ケイ素、アルミナまたは窒化ケイ素のいずれかの部材に
   より構成されるものであることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 空洞部の厚さは、０．４ｍｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１、２または３のいずれかに記
   載の熱処理装置。
5. 【請求項５】 処理容器内に供給された処理ガスをプラ
   ズマ化するためのプラズマ発生手段を備えたことを特徴
   とする請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理装
   置。