【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に半導体デバイス等の薄膜製造装置において半導体基板の取付部である基板ホルダーの温度制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜製造装置は一般に、薄膜を形成する半導体基板を取りつけてこれを保持する部分である基板ホルダーに加熱機構を内蔵して、半導体基板が最も適切な温度となるように温度制御しながら薄膜を形成できるようにしている。
【０００３】
ＣＶＤでは薄膜の原料となるガスを流しながらこれに高周波電圧を印加することにより、薄膜製造装置内部にプラズマを生じさせて化学反応を起こし、薄膜となる物質を形成するので、このプラズマのエネルギーに曝されることにより成膜開始とともに半導体基板の温度が上昇する場合がある。
【０００４】
またスパッタリング法などの物理蒸着では、薄膜の材料となるターゲットを基板と相対して配置し、このターゲット構成物質を物理的に飛ばしたり気化させることにより半導体基板に付着させるので、ターゲットから飛んできた粒子が持つエネルギーが半導体基板に与えられることにより、半導体基板の温度が成膜開始とともに上昇する。
【０００５】
このような温度上昇はプラズマを用いて処理を行うプラズマエッチング装置などでも同様に生じる。
【０００６】
半導体基板の温度は形成した薄膜の特性やエッチング特性に大きな影響を与えるため、このような原因による温度不安定性を抑制し、できる限り処理中の半導体基板の温度を一定に保つことが重要である。さらに、低温で成膜する場合、プラズマのエネルギーだけで必要な温度を大きく超えてしまう場合がある。従って半導体基板の温度を安定するためには加熱機能と冷却機能の両方を持たせる必要がある。
【０００７】
また、異なる材質の薄膜を連続して形成できる装置やプラズマエッチングと組み合わせて行う装置においては、通常それぞれの薄膜の形成上または処理上の適切な温度が異なるため、速やかに次の工程の適切な温度にすることが必要になる場合があるため、やはり加熱機能と冷却機能の両方を持たせる必要がある。
【０００８】
このような装置の例として、基板ホルダーに加熱機構と冷却機構を内蔵させたスパッタリング装置が知られており、それは、昇温時には冷却機構の冷却作用を停止して加熱機構の加熱作用のみにより速やかに半導体基板の温度を上昇させ、降温時には加熱機構の加熱作用を停止して冷却機構の冷却作用により温度を低下させることができる。
【０００９】
しかし、基板ホルダーの熱容量に比べて加熱機構の加熱能力や冷却機構の冷却能力が大きすぎると基板ホルダーの温度が不安定になりやすいため、別途加熱・冷却補助ブロックを設けるとともに、基板ホルダーを可動式にして、急速加熱・急速冷却が必要な場合には加熱・冷却補助ブロックに基板ホルダーを接触させ、加熱・冷却補助ブロックにより昇温・降温速度を急速にするという方式が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１０】
しかしながら上記に例示する薄膜製造装置では、基板ホルダーや加熱・冷却ブロックにかなり複雑で大掛りな移動機構が必要であり薄膜製造装置が複雑になってしまう。
【００１１】
しかも、かかる薄膜製造装置であっても低温での成膜を行おうとすると、プラズマのエネルギーだけで半導体基板の温度が上がりすぎてしまうため、冷却しながらの温度上昇制御が必要になるため、温度制御機能として好ましいものとは云えない。
【００１２】
また、プラズマエッチング装置では、半導体基板からガスを除くデガス工程の温度以上でエッチングすると半導体基板より再び水分が出てきて悪影響を及ぼすので、エッチング工程ではデガス工程の温度以下にするため、冷却機構を組み込んで、その冷却作用によりプラズマのエネルギーによって半導体基板の温度が上昇しないようにする薄膜製造装置が提案されている（例えば特許文献２参照）が、これだけでは基板表面の温度が正確に制御できない。
【００１３】
また、別の課題として、ある種の薄膜形成においては半導体基板の電位によって薄膜特性が影響を受けるものもあり、半導体基板の電位を冷媒の循環によりできるだけ変動させないことが重要であるが、一般にこの点に関して冷却機構による冷却作用の与える影響は考慮されていない。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１０−８３９６０号公報
【特許文献２】
特開平７−１８８９１５号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の薄膜製造装置の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、基板ホルダーや加熱・冷却機構などの複雑な移動機構をなくし、かつ成膜中の温度安定性を図り速やかな温度制御を可能にしたものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項１記載の発明は、基板ホルダーに内蔵された出力が可変の加熱手段と、前記基板ホルダーに内蔵された冷媒流路と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却能力が可変の冷却装置とを具備し、加熱手段の加熱能力と冷却装置の冷却能力とを共に同時に制御することができる制御部を備えているものであり、この構成によればプラズマに曝されても、プラズマに曝されることによる温度の冷却を行うことができるなど、基板ホルダーの温度を安定し、かつ速やかな温度制御をすることができる。
【００１７】
さらに、請求項２記載に係る発明は、前記請求項１記載の発明において、冷却手段は冷凍サイクルとして、前記冷凍サイクルの冷却能力制御としてインバータによる圧縮機の回転数制御を用いないこととし、圧縮機を流れる冷媒量のみを変化させる開閉弁または流量制御弁を有する冷媒バイパス流路を前記冷凍サイクル中に設けたものであり、これにより冷却手段の冷却能力を制御する際にノイズを発生することなく、安定した成膜を行うことができる。
【００１８】
さらに、請求項３記載に係る発明は、前記請求項１または前記請求項２記載の発明において、加熱手段をヒータとして、前記ヒータは前記基板ホルダー中の冷媒流路の位置よりも半導体基板の取り付け面の近くに設置することとしたものであり、この構成によれば基板ホルダーの半導体基板の取り付け部の温度をより精密に制御することができる。
【００１９】
また請求項４記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、薄膜形成中に前記ヒータの通電量と前記冷却装置の冷媒流量の両方を制御させながら所望の温度にするものである。これにより基板ホルダーがプラズマに曝されることによる急激な温度上昇に速やかに対応し基板ホルダー温度を安定に保つことができる。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明に加えて、冷却手段が冷凍サイクルと、２次冷媒流路と、冷凍サイクルを循環する１次冷媒と２次冷媒との熱交換を行う熱交換手段とを備えていて、前記２次冷媒としては水を用い、２次冷媒流路内にイオン除去手段を設けたものである。この構成によれば水の導電率を安定させることができ、半導体基板の電位も安定するため、薄膜特性に影響を与えることなく成膜することができる。
【００２１】
さらに請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、イオン除去手段は、前記熱交換手段と２次冷媒タンクの間または２次冷媒タンクと被冷却部の間に設けたものである。この構成によれば高温の水が流れることによるイオン除去手段の性能低下や劣化を防止することができ、長期間安定した成膜を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１において、１は半導体基板２を保持する基板ホルダー、３はヒータ電源４に接続されているヒータで基板ホルダー１に内蔵されている。５は冷却装置６に接続された冷媒流路で、基板ホルダー１を冷却するように基板ホルダー１に内蔵されている。７はチャンバで、半導体基板２に成膜する物質を放出するターゲット８を収納している。９は基板ホルダー１に取り付けた温度センサであり、この温度センサ９が検出する温度によって制御部１０はヒータ３の加熱出力と冷却装置６の冷却能力を制御するものである。
【００２４】
上記形態の薄膜製造装置において、若し冷却能力が可変ではない比較例の基板ホルダーの温度は図２に示すようになる。すなわち、ヒータの加熱出力と冷却装置の冷却能力とがバランスした状態で基板ホルダーが設定温度に到達した後に、半導体基板に成膜を開始すると、プラズマのエネルギーにより基板ホルダーの温度が上昇しようとするため、ヒータの加熱出力を低下させるように働き、ヒータの放熱量は増加させられないため、プラズマのエネルギーにより基板ホルダーの温度は図２のＡに示すように設定温度より高くなり、ヒータの加熱出力が図２のＢに示すように十分小さくなった後、時間差をもって設定温度にもどる。
【００２５】
冷却装置の冷却動作がオフの状態で基板ホルダーの温度が設定温度になる場合は、成膜開始後時間をおいてから冷却装置がオンになるため、基板ホルダーの温度上昇に間に合わず、いったん基板ホルダーの温度が設定温度より高くなり、その後温度は冷却装置の冷却作用により低下するが、場合によってはその後設定温度よりも低い温度まで下がりすぎてしまう恐れもある。
【００２６】
このように冷却装置の冷却能力が可変でない場合は、ヒータだけで大きな変動にも対応しなければならないため、温度変動に十分追従できず温度制御の精度は不十分になることが多い。
【００２７】
しかし本実施の形態１のように冷却装置６の冷却能力が可変であれば、成膜開始後のプラズマエネルギーによる温度上昇はヒータ３の加熱出力低下だけでなく冷却装置６の冷却能力を増加することにより、対応できるため、基板ホルダー１のプラズマエネルギーによる温度上昇を防止することができる。
【００２８】
冷却装置６の冷却能力を可変とする手段としては、冷媒として水を用いて冷媒流路５に流す水流量を温度センサ９によって検出された基板ホルダー１の温度に応じて変化させれば良いし、ペルチェ素子を用いて強制冷却が可能にしても良い。また冷凍サイクルを用いたものであっても良い。
【００２９】
（実施の形態２）
図３において、３１は半導体基板３２を保持する基板ホルダー、３３はヒータ電源３４に接続しているヒータで基板ホルダー３１に内蔵されている。３５は冷却装置３６に接続された冷媒流路で、基板ホルダー３１を冷却するように基板ホルダー３１に内蔵されている。３７はチャンバで、半導体基板３２に成膜する物質を放出するターゲット３８を収納している。３９は圧縮機、４０は凝縮器、４１は蒸発器でそれぞれ接続されて前記冷却装置３６の冷凍サイクルを構成しており、開閉弁４２を備えたバイパス流路４３が圧縮機３９をバイパスして、前記冷凍サイクルに設けられている。４４は凝縮器４０の冷却ファンを、４５は基板ホルダー３１に取付けた温度センサを示すものであり、この温度センサ４５が検出する温度によって制御部４６はヒータ３３の加熱出力と冷却装置３６の冷却能力を制御するものである。
【００３０】
家庭用ルームエアコンなどでは、冷凍サイクルの冷却能力制御はインバーターを用いて圧縮機の回転数を制御していることが多いが、インバータはノイズを発生するために、薄膜製造装置に用いると、温度制御回路や高周波出力などに好ましくない影響を与え、安定した成膜ができなくなる恐れがある。
【００３１】
そこで本発明の実施の形態２では冷凍サイクルにバイパス流路４３を設け、冷却能力が過剰の場合には、そのバイパス流路４３の開閉弁４２を開いて、圧縮機３９を流れる流路の冷媒循環量を減少させることができる。このことにより冷却装置３６の冷却能力を低下させることができる。
【００３２】
なお本実施の形態２では、一つのバイパス流路４３を開閉弁４２で開閉することとしたが、複数のバイパス流路を設けて多段階の冷却能力の制御を行っても、あるいは開閉弁の代わりに流量制御弁を用いて連続的にバイパス流路を流れる冷媒量を制御しても同様の効果が得られる。
【００３３】
（実施の形態３）
図４において、５１は半導体基板５２を保持する基板ホルダーで、ヒータ５３ならびに冷却装置からの冷媒流路５４を内蔵しており、５５は基板ホルダー５１に設けた温度センサである。ヒータ５２は基板ホルダー５１内において冷媒流路５４の位置よりも半導体基板の取り付け面近くの位置に設置されている。
【００３４】
冷凍サイクルは大きな冷却能力を少ない消費エネルギーで出すことはできるが、急激な冷却能力変化や微妙な能力調整は困難である。そこで本実施の形態３の薄膜製造装置においてもっとも重要な温度は薄膜を形成する半導体基板５２であり、基板ホルダー５１の半導体基板の取り付け面の温度制御精度を高くすることが重要である。
【００３５】
冷媒流路が基板ホルダー内で半導体基板の取り付け面に近く位置し、冷媒流路の位置よりもヒータが遠くに位置した場合はプラズマからのエネルギーによる半導体基板の温度変化を温度センサでとらえて制御しようとすると、冷凍サイクルは即座に応答できないため、レスポンスの遅れが生じたり、冷却能力を過剰に増加させてそれにヒータの追随が遅れたりする恐れがある。
【００３６】
ヒータ５３は入力の電圧・電流を変化させることで、迅速な制御ができるので、ヒータ５３を基板ホルダー５１の半導体基板の取り付け面近くに設置することにより、半導体基板５２の温度をより精密に調節することが可能になる。
【００３７】
（実施の形態４）
高温で薄膜を形成する場合について図５を用いて以下に説明する。ヒータの加熱出力で基板ホルダーを加熱し、薄膜を形成する半導体基板を所定温度にした後、成膜を開始するが、設定温度が低い場合、この時点ではヒータの加熱出力制御だけで温度調節をする状態になり、高周波出力の入力によって半導体基板の温度が上昇するのに対して、冷却する方はヒータの加熱出力を低下またはオフにすることによる自然放熱だけになってしまうがチャンバー内はほぼ真空状態なので温度はなかなか下がらない。さらに、ヒータがオフになっても温度上昇する場合、その状態になってから冷却を開始したのでは、実際に冷却効果があがるまで時間差があるため、一時的に半導体基板の温度が所定の温度より高くなってしまい、薄膜特性が低下する恐れがある。
【００３８】
ヒータと冷凍サイクルの両方を動作状態にし、ある程度冷却能力を出した状態でのバランスで所定温度に保っておれば、温度上昇に速やかに対応した冷却が可能になる。成膜中も同様に完全にヒータの加熱出力を零にしないようにすれば良い。
【００３９】
このような状態にするには、たとえばヒータの加熱出力が零になる前にある値以下になった時点で、冷凍サイクルを始動し、冷却能力が上がってくるのに従ってヒータの加熱出力をアップしていくという制御にしておけば良い。
【００４０】
成膜終了後は冷却装置が稼動状態でヒータをオフにするので、基板ホルダーは速やかに冷却される。
【００４１】
また低温での成膜の場合は図６に示すような制御になる。基板ホルダーの温度調節を開始するとまず、ヒータがオンになり、半導体基板の温度が上昇する。設定温度に近づくと、ヒータの加熱出力が低下しオーバーシュートが起こらないように温度上昇速度を落としていく。
【００４２】
基板ホルダーの温度が設定温度に到達したあと、その安定性を確認した後成膜が開始される。その後プラズマに曝されることなどにより、基板ホルダーの温度が上昇しようとするため、ヒータの加熱出力が低下し、基板ホルダーの温度が一定に保たれる。
【００４３】
ヒータの加熱出力が所定の値より小さくなった時点で冷却装置が起動し、これとバランスするようにヒータの加熱出力が再び上昇し、基板ホルダーの温度を一定に保つ。設定温度が低い場合、プラズマのエネルギーにより設定温度以上になろうとするので、ヒータの加熱出力は低下しほとんどオフの状態で冷却能力とプラズマエネルギーがバランスする。ヒータは温度を一定に保つように出力が細かく制御され、温度精度を保つ。
【００４４】
成膜終了とともにヒータがオフとなるが、図５に示す制御と同様、冷却装置はすでに安定動作しており、急速に基板ホルダーの温度を下げることができる。
【００４５】
（実施の形態５）
図７、図８において、６１は半導体基板６２を保持する基板ホルダーで、ヒータ電源６３に接続したヒータ６４及び冷却装置６５に接続した２次冷媒流路６６を内蔵している。６７はチャンバで半導体基板６２に成膜する物質を放出するターゲット６８を収納している。６９は圧縮機７０、凝縮器７１、蒸発器７２ならびに熱交換器７３を順次接続し１次冷媒が循環する冷凍サイクルである。そして、イオン除去手段７４が２次冷媒流路６６内において、タンク７５と熱交換器７３との間に設置されている。熱交換器７３は冷凍サイクル６９を循環する１次冷媒と２次冷媒流路６６を循環する２次冷媒との熱交換を行うものであり、２次冷媒流路６６にはポンプ７６が設置されていて２次冷媒流路６６内の２次冷媒を循環させている。７７は凝縮器７１のファンを示し、冷却装置６５は冷凍サイクル６９と２次冷媒流路６６により構成されていて、その冷却能力は基板ホルダー６１の温度を検出する温度センサ７８に接続した制御部７９により制御される。
【００４６】
高周波スパッタリング装置などの、高周波電圧印加によりプラズマを発生する装置では一般に、半導体基板の電位はプラズマ中の電価密度分布、基板ホルダーがアースされているか否か、チャンバーの電位などに影響される。半導体基板の電位が薄膜特性に影響を与えない場合もあるが、成膜時に自発分極することにより高い性能が得られる誘電体薄膜などでは性能低下の原因になる場合がある。このような薄膜では、基板ホルダー内の流路を流れる水の導電率が不安定だとアースと基板ホルダー間の電位差が一定にならないため、特性が低下したり安定しない恐れがある。
【００４７】
したがって薄膜の性能安定性を確保するためには、２次冷媒である水の導電率を安定させることが必要である。しかし２次冷媒流路内にイオン交換した水を用いただけでは、流路を形成する材料からイオンが常に冷媒水中に溶出するため導電率が上昇してしまうので、流路にイオン除去手段を設けることが必要である。図７に示すように２次冷媒を水とし、これが循環する２次冷媒流路６６にイオン除去手段７４が設置されていれば、常に水中イオンが除去され、冷却水の導電率を低く保つことができる。
【００４８】
また、イオン除去手段としてはイオン交換樹脂や電気透析などがあるが、いずれも高温になると除去性能の低下や材質そのものの劣化を招くため、低温で使用することが必要である。したがってイオン除去手段７４を被冷却部である基板ホルダ６１と熱交換器７３との間、すなわち図７のＣ−Ｄの間に設置すると、この部分は２次冷媒流路６６中で最も温度の高い部分であるから、イオン除去の性能低下や材質の劣化の恐れがあって好ましくない。
【００４９】
そこで、図７に示すようにイオン除去手段７４を熱交換器７３の下流側に設けておけば、水温は低く、性能低下や材質劣化を招く恐れはない。なお、イオン除去手段７４は熱交換器７３とタンク７５の間やタンク７５とポンプ７６の間に設置しても同様の効果が得られる。
【００５０】
また図８に示すように、２次冷媒流路６６中で熱交換器７３の下流にあるタンク７５より基板ホルダ６１側にバイパスしたメインの冷却流路とは別のバイパス流路８０を設けてそこにイオン除去手段７４を設置しても同様の効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明の請求項１記載の発明は、基板ホルダーに内蔵された加熱出力が可変の加熱手段と、前記基板ホルダーに内蔵された冷媒流路と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却能力が可変の冷却装置とを具備し、基板ホルダーの温度を検出して加熱出力と冷却能力の制御とを同時に行って基板ホルダーを所望の温度にすることができる制御部を備えている。この構成によればプラズマに曝されても、その分の冷却を行うことができ、基板ホルダーの温度を安定させることができる。
【００５２】
さらに、請求項２記載の発明は、冷却手段が冷凍サイクルであって、前記冷凍サイクルの冷却能力制御としてインバータによる圧縮機の回転数制御を用いないこととし、圧縮機を流れる冷媒量のみを変化させる開閉弁または流量制御弁を有する冷媒バイパス流路を前記冷凍サイクル中に設けたものであり、これにより冷却手段の冷却能力を制御する際にノイズを発生することなく、安定した成膜を行うことができる。
【００５３】
さらに、請求項３記載の発明は、前記加熱手段をヒータとして、前記ヒータは前記基板ホルダー中の冷媒流路の位置よりも半導体基板の取り付け面の近くに設置することを特徴とするものであり、この構成によれば基板ホルダーの半導体基板の取り付け部の温度をより精密に制御することができる。
【００５４】
また請求項４記載の発明は、薄膜形成中にヒータの通電量と冷却装置の冷媒流量の両方を制御させながら所望の温度にするもので、これにより基板ホルダーがプラズマに曝されることによる急激な温度上昇に速やかに対応し基板ホルダー温度を安定に保つことができる。
【００５５】
また請求項５記載の発明は、冷却手段が冷凍サイクルと、２次冷媒流路と、冷凍サイクルを循環する１次冷媒と２次冷媒の熱交換を行う熱交換手段とを備えていて、前記２次冷媒としては水を用いる薄膜製造装置において、２次冷媒流路内にイオン除去手段を設けるもので、この構成によれば水の導電率を安定させることができ、半導体基板の電位も安定するため、薄膜特性に影響を与えることなく成膜することができる。
【００５６】
さらに請求項６記載の発明は、イオン除去手段は、熱交換手段と２次冷媒タンクの間または２次冷媒タンクと被冷却部の間に設けたもので、この構成によれば高温の水が流れることによるイオン交換手段の性能低下や劣化を防止することができ、長期間安定した成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における薄膜製造装置の概略図
【図２】冷却能力が可変でない比較例の基板ホルダーの温度変化の説明図
【図３】本発明の実施の形態２におけるインバータを用いない冷却能力が可変な薄膜製造装置の概略図
【図４】本発明の実施の形態３における基板ホルダーの概略図
【図５】本発明の実施の形態４における高温成膜時の基板ホルダーの温度制御説明図
【図６】本発明の実施の形態４における低温成膜時の基板ホルダーの温度制御説明図
【図７】本発明の実施の形態５におけるイオン除去手段を有する薄膜製造装置の概略図
【図８】本発明の実施の形態５におけるイオン除去手段を有する他の実施形態の薄膜製造装置の概略図
【符号の説明】
１、３１、５１、６１ 基板ホルダー
２、３２、５２、６２ 半導体基板
３、３３、５３、６４ ヒータ
５、３５、５４ 冷媒流路
６、３６、６５ 冷却装置
８、３８、６８ ターゲット
９、４５、５５、７８ 温度センサ
１０、４６、７９ 制御部
３９、７０ 圧縮機
４２ 開閉弁
４３、８０ バイパス流路
６６ ２次冷媒流路
６９ 冷凍サイクル
７３ 熱交換器
７４ イオン除去手段
７５ タンク
７６ ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to temperature control of a substrate holder, which is a mounting portion of a semiconductor substrate, in a thin film manufacturing apparatus such as a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Thin-film manufacturing equipment generally incorporates a heating mechanism in the substrate holder, which is the part that holds and holds the semiconductor substrate on which the thin film is to be formed, and forms the thin film while controlling the temperature of the semiconductor substrate to the most appropriate temperature. I can do it.
[0003]
In CVD, a high-frequency voltage is applied to a gas as a raw material for a thin film while flowing the gas, thereby generating a plasma inside the thin film manufacturing apparatus and causing a chemical reaction to form a substance that becomes a thin film. Due to the exposure, the temperature of the semiconductor substrate may increase with the start of film formation.
[0004]
In a physical vapor deposition such as a sputtering method, a target to be a thin film material is disposed relative to a substrate, and the target constituent material is attached to the semiconductor substrate by physically flying or vaporizing the target constituent material, so that the target material flies away from the target. When the energy of the particles is applied to the semiconductor substrate, the temperature of the semiconductor substrate increases with the start of film formation.
[0005]
Such a temperature rise also occurs in a plasma etching apparatus or the like that performs processing using plasma.
[0006]
Since the temperature of the semiconductor substrate greatly affects the characteristics of the formed thin film and the etching characteristics, it is important to suppress the temperature instability due to such causes and keep the temperature of the semiconductor substrate during processing as constant as possible. . In addition, when a film is formed at a low temperature, the required temperature may greatly exceed the required temperature only by the energy of the plasma. Therefore, in order to stabilize the temperature of the semiconductor substrate, it is necessary to have both a heating function and a cooling function.
[0007]
Further, in an apparatus capable of continuously forming thin films of different materials or an apparatus in which plasma processing is performed in combination with plasma etching, an appropriate temperature for forming or processing each thin film is usually different, so that an appropriate temperature for the next step is promptly determined. Since it may be necessary to raise the temperature, it is necessary to have both a heating function and a cooling function.
[0008]
As an example of such an apparatus, a sputtering apparatus in which a heating mechanism and a cooling mechanism are built in a substrate holder is known. When a temperature rises, the cooling function of the cooling mechanism is stopped and the heating action of the heating mechanism is quickly performed only. Then, the temperature of the semiconductor substrate is increased, and when the temperature is decreased, the heating function of the heating mechanism is stopped, and the temperature can be reduced by the cooling action of the cooling mechanism.
[0009]
However, if the heating capacity of the heating mechanism or the cooling capacity of the cooling mechanism is too large compared to the heat capacity of the substrate holder, the temperature of the substrate holder tends to become unstable. When rapid heating and rapid cooling are required, a method has been proposed in which a substrate holder is brought into contact with a heating / cooling auxiliary block, and the heating / cooling rate is rapidly increased by the heating / cooling auxiliary block ( See, for example, Patent Document 1.
[0010]
However, in the thin film manufacturing apparatus exemplified above, the substrate holder and the heating / cooling block require a considerably complicated and large moving mechanism, and the thin film manufacturing apparatus becomes complicated.
[0011]
Moreover, even with such a thin film manufacturing apparatus, if film formation is performed at a low temperature, the temperature of the semiconductor substrate is excessively increased only by the energy of the plasma. It is not preferable as a control function.
[0012]
Further, in a plasma etching apparatus, when etching is performed at a temperature higher than the temperature of a degassing step for removing gas from a semiconductor substrate, moisture comes out from the semiconductor substrate again and adversely affects the temperature. A thin film manufacturing apparatus has been proposed that incorporates the cooling function to prevent the temperature of the semiconductor substrate from rising due to the energy of the plasma (for example, see Patent Document 2). However, this alone cannot accurately control the temperature of the substrate surface.
[0013]
Another problem is that in the formation of a certain type of thin film, the thin film characteristics are affected by the potential of the semiconductor substrate, and it is important that the potential of the semiconductor substrate is not changed as much as possible by the circulation of the refrigerant. Regarding the point, the effect of the cooling action by the cooling mechanism is not considered.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-10-83960 [Patent Document 2]
JP-A-7-188915
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-described problems of the conventional thin film manufacturing apparatus, the problem to be solved by the present invention is to eliminate complicated moving mechanisms such as a substrate holder and a heating / cooling mechanism, and to improve the temperature stability during film formation to quickly Temperature control.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 of the present invention is directed to a heating means having a variable output, which is built in a substrate holder, a refrigerant flow path built in the substrate holder, and a refrigerant flowing in the refrigerant flow path. And a cooling unit having a variable cooling capacity, and a control unit capable of simultaneously controlling both the heating capacity of the heating means and the cooling capacity of the cooling apparatus. Even when the substrate is exposed to the plasma, the temperature of the substrate holder can be stabilized and the temperature can be quickly controlled, for example, the temperature can be cooled by the exposure to the plasma.
[0017]
Further, in the invention according to claim 2, in the invention according to claim 1, the cooling means does not use a rotational speed control of a compressor by an inverter as a cooling capacity control of the refrigeration cycle as a refrigeration cycle. A refrigerant bypass passage having an on-off valve or a flow control valve for changing only the amount of refrigerant flowing through the cooling machine is provided in the refrigeration cycle, thereby generating noise when controlling the cooling capacity of the cooling means. And a stable film formation can be performed.
[0018]
Further, according to a third aspect of the present invention, in the first or the second aspect of the present invention, the heating means is a heater, and the heater attaches the semiconductor substrate more than a position of a coolant flow path in the substrate holder. The temperature of the mounting portion of the substrate holder on the semiconductor substrate can be controlled more precisely.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a desired temperature is obtained while controlling both the amount of current supplied to the heater and the flow rate of the refrigerant in the cooling device during the formation of the thin film. Accordingly, the temperature of the substrate holder can be stably maintained in response to a rapid temperature rise caused by the substrate holder being exposed to the plasma.
[0020]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to any one of the first to fourth aspects, the cooling means includes a refrigeration cycle, a secondary refrigerant flow path, and a primary refrigerant circulating through the refrigeration cycle. Heat exchange means for exchanging heat with the secondary refrigerant, wherein water is used as the secondary refrigerant, and ion removing means is provided in the secondary refrigerant flow path. According to this configuration, the conductivity of water can be stabilized, and the potential of the semiconductor substrate can be stabilized, so that the film can be formed without affecting the thin film characteristics.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the invention, the ion removing means is provided between the heat exchange means and the secondary refrigerant tank or between the secondary refrigerant tank and the portion to be cooled. . According to this configuration, it is possible to prevent the performance of the ion removing means from deteriorating or deteriorating due to the flow of high-temperature water, and to perform stable film formation for a long period of time.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
(Embodiment 1)
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a substrate holder for holding a semiconductor substrate 2, and reference numeral 3 denotes a heater connected to a heater power supply 4, which is built in the substrate holder 1. Reference numeral 5 denotes a coolant passage connected to the cooling device 6 and is built in the substrate holder 1 so as to cool the substrate holder 1. Reference numeral 7 denotes a chamber in which a target 8 for releasing a substance to be formed on the semiconductor substrate 2 is housed. Reference numeral 9 denotes a temperature sensor attached to the substrate holder 1, and the control unit 10 controls the heating output of the heater 3 and the cooling capacity of the cooling device 6 based on the temperature detected by the temperature sensor 9.
[0024]
In the thin film manufacturing apparatus of the above embodiment, if the cooling capacity is not variable, the temperature of the substrate holder of the comparative example is as shown in FIG. That is, when film formation is started on the semiconductor substrate after the substrate holder reaches the set temperature in a state where the heating output of the heater and the cooling capacity of the cooling device are balanced, the temperature of the substrate holder tends to rise due to the energy of the plasma. Therefore, the heating power of the heater is reduced, and the heat radiation amount of the heater cannot be increased. Therefore, the temperature of the substrate holder becomes higher than the set temperature due to the energy of the plasma as shown in FIG. After the output becomes sufficiently small as shown in FIG. 2B, it returns to the set temperature with a time lag.
[0025]
If the temperature of the substrate holder reaches the set temperature while the cooling operation of the cooling device is off, the cooling device is turned on after a certain time after the start of film formation. The temperature of the holder becomes higher than the set temperature, and thereafter, the temperature is lowered by the cooling action of the cooling device. However, in some cases, the temperature may be lowered to a temperature lower than the set temperature.
[0026]
When the cooling capacity of the cooling device is not variable as described above, it is necessary to cope with a large fluctuation only by the heater, and thus the temperature fluctuation cannot be sufficiently followed, and the accuracy of the temperature control is often insufficient.
[0027]
However, if the cooling capacity of the cooling device 6 is variable as in the first embodiment, the temperature rise due to the plasma energy after the start of film formation not only decreases the heating output of the heater 3 but also increases the cooling capability of the cooling device 6. Accordingly, the temperature rise due to the plasma energy of the substrate holder 1 can be prevented.
[0028]
As means for making the cooling capacity of the cooling device 6 variable, it is only necessary to change the flow rate of water flowing through the coolant flow path 5 using water as the coolant in accordance with the temperature of the substrate holder 1 detected by the temperature sensor 9. Alternatively, forced cooling may be enabled by using a Peltier element. Further, a refrigerating cycle may be used.
[0029]
(Embodiment 2)
In FIG. 3, reference numeral 31 denotes a substrate holder for holding a semiconductor substrate 32, and reference numeral 33 denotes a heater connected to a heater power supply 34, which is built in the substrate holder 31. Reference numeral 35 denotes a coolant passage connected to the cooling device 36, which is built in the substrate holder 31 so as to cool the substrate holder 31. Reference numeral 37 denotes a chamber in which a target 38 for releasing a substance to be formed on the semiconductor substrate 32 is housed. Reference numeral 39 denotes a compressor, 40 denotes a condenser, and 41 denotes an evaporator, which constitutes a refrigeration cycle of the cooling device 36. A bypass passage 43 having an on-off valve 42 bypasses the compressor 39. , Provided in the refrigeration cycle. Reference numeral 44 denotes a cooling fan for the condenser 40, and reference numeral 45 denotes a temperature sensor attached to the substrate holder 31. The controller 46 controls the heating output of the heater 33 and the cooling of the cooling device 36 according to the temperature detected by the temperature sensor 45. It controls the ability.
[0030]
In home room air conditioners and the like, the cooling capacity of the refrigeration cycle is often controlled by using an inverter to control the number of revolutions of the compressor.However, the inverter generates noise. This may undesirably affect the control circuit and the high-frequency output, and may make stable film formation impossible.
[0031]
Therefore, in the second embodiment of the present invention, a bypass channel 43 is provided in the refrigeration cycle, and when the cooling capacity is excessive, the on-off valve 42 of the bypass channel 43 is opened, and the refrigerant in the channel flowing through the compressor 39 is opened. The amount of circulation can be reduced. As a result, the cooling capacity of the cooling device 36 can be reduced.
[0032]
In the second embodiment, one bypass passage 43 is opened and closed by the on-off valve 42. However, a plurality of bypass passages may be provided to control the cooling capacity in multiple stages, or the on-off valve Alternatively, the same effect can be obtained by continuously controlling the amount of refrigerant flowing through the bypass flow passage by using a flow control valve.
[0033]
(Embodiment 3)
In FIG. 4, reference numeral 51 denotes a substrate holder for holding a semiconductor substrate 52, which incorporates a heater 53 and a coolant channel 54 from a cooling device. Reference numeral 55 denotes a temperature sensor provided in the substrate holder 51. The heater 52 is installed in the substrate holder 51 at a position closer to the mounting surface of the semiconductor substrate than the position of the coolant channel 54.
[0034]
The refrigeration cycle can provide a large cooling capacity with little energy consumption, but it is difficult to rapidly change the cooling capacity or finely adjust the capacity. Therefore, the most important temperature in the thin film manufacturing apparatus of the third embodiment is the semiconductor substrate 52 on which the thin film is formed, and it is important to increase the temperature control accuracy of the mounting surface of the substrate holder 51 on the semiconductor substrate.
[0035]
If the coolant channel is located close to the mounting surface of the semiconductor substrate in the substrate holder and the heater is located farther than the coolant channel, the temperature sensor controls the temperature change of the semiconductor substrate due to the energy from the plasma. If this is attempted, since the refrigeration cycle cannot respond immediately, there is a risk that the response will be delayed, or the cooling capacity will be excessively increased, and the following of the heater will be delayed.
[0036]
Since the heater 53 can be quickly controlled by changing the input voltage and current, the temperature of the semiconductor substrate 52 can be more precisely adjusted by installing the heater 53 near the mounting surface of the substrate holder 51 on the semiconductor substrate. It is possible to do.
[0037]
(Embodiment 4)
The case of forming a thin film at a high temperature will be described below with reference to FIG. The substrate holder is heated with the heating output of the heater, and the semiconductor substrate on which the thin film is formed is heated to a predetermined temperature, and then the film formation is started. If the set temperature is low, at this point, the temperature adjustment is performed only by controlling the heating output of the heater. While the temperature of the semiconductor substrate rises due to the input of the high-frequency output, the cooling method involves only natural heat radiation by lowering or turning off the heating output of the heater, but the inside of the chamber is almost The temperature does not drop easily because it is in a vacuum. Further, when the temperature rises even when the heater is turned off, if the cooling is started after the state is reached, there is a time lag until the cooling effect actually increases. It may be higher and the thin film properties may be degraded.
[0038]
If both the heater and the refrigeration cycle are operated and the predetermined temperature is maintained at a balance in a state where a certain cooling capacity is provided, cooling corresponding to a temperature rise can be performed quickly. Similarly, during the film formation, the heating output of the heater may not be completely reduced to zero.
[0039]
To achieve such a state, for example, when the heating output of the heater falls below a certain value before becoming zero, the refrigeration cycle is started and the heating output of the heater is increased as the cooling capacity increases. It is good to control to go.
[0040]
After the film formation, the heater is turned off while the cooling device is operating, so that the substrate holder is quickly cooled.
[0041]
In the case of film formation at a low temperature, the control is performed as shown in FIG. When the temperature adjustment of the substrate holder is started, first, the heater is turned on, and the temperature of the semiconductor substrate rises. As the temperature approaches the set temperature, the heating output of the heater is reduced and the temperature rising speed is reduced so that overshoot does not occur.
[0042]
After the temperature of the substrate holder reaches the set temperature, the film formation is started after confirming the stability. Thereafter, the temperature of the substrate holder tends to increase due to exposure to plasma or the like, so that the heating output of the heater decreases and the temperature of the substrate holder is kept constant.
[0043]
When the heating output of the heater becomes smaller than a predetermined value, the cooling device is started, and the heating output of the heater is increased again so as to balance the cooling device, and the temperature of the substrate holder is kept constant. When the set temperature is low, the temperature of the heater tends to be higher than the set temperature due to the energy of the plasma, so that the heating output of the heater is reduced, and the cooling capacity and the plasma energy are balanced when the heater is almost off. The output of the heater is finely controlled so as to keep the temperature constant, and the temperature accuracy is maintained.
[0044]
Although the heater is turned off upon completion of the film formation, the cooling device is already in a stable operation as in the control shown in FIG. 5, and the temperature of the substrate holder can be rapidly lowered.
[0045]
(Embodiment 5)
7 and 8, reference numeral 61 denotes a substrate holder for holding a semiconductor substrate 62. The substrate holder 61 has a built-in heater 64 connected to a heater power supply 63 and a secondary refrigerant passage 66 connected to a cooling device 65. Reference numeral 67 denotes a chamber in which a target 68 for releasing a substance to be formed on the semiconductor substrate 62 is housed. Reference numeral 69 denotes a refrigeration cycle in which a compressor 70, a condenser 71, an evaporator 72, and a heat exchanger 73 are sequentially connected and a primary refrigerant circulates. Further, an ion removing means 74 is provided between the tank 75 and the heat exchanger 73 in the secondary refrigerant channel 66. The heat exchanger 73 exchanges heat between the primary refrigerant circulating in the refrigeration cycle 69 and the secondary refrigerant circulating in the secondary refrigerant channel 66, and a pump 76 is provided in the secondary refrigerant channel 66. The secondary refrigerant in the secondary refrigerant flow path 66 is circulated. Reference numeral 77 denotes a fan of the condenser 71, and a cooling device 65 includes a refrigeration cycle 69 and a secondary refrigerant flow path 66. The cooling capacity of the cooling unit 65 is connected to a temperature sensor 78 for detecting the temperature of the substrate holder 61. 79.
[0046]
In a device that generates plasma by applying a high-frequency voltage, such as a high-frequency sputtering device, the potential of the semiconductor substrate is generally affected by the distribution of valence in the plasma, whether or not the substrate holder is grounded, the potential of the chamber, and the like. In some cases, the potential of the semiconductor substrate does not affect the characteristics of the thin film. However, in the case of a dielectric thin film or the like, which has high performance due to spontaneous polarization during film formation, it may cause a decrease in performance. In such a thin film, if the conductivity of the water flowing in the flow path in the substrate holder is unstable, the potential difference between the ground and the substrate holder is not constant, so that the characteristics may be deteriorated or unstable.
[0047]
Therefore, in order to ensure the performance stability of the thin film, it is necessary to stabilize the conductivity of water as the secondary refrigerant. However, if only ion-exchanged water is used in the secondary refrigerant flow channel, ions are always eluted from the material forming the flow channel into the refrigerant water, so that the conductivity increases. Therefore, an ion removing means is provided in the flow channel. It is necessary. If the secondary refrigerant is water as shown in FIG. 7 and the ion removing means 74 is provided in the secondary refrigerant flow path 66 in which the water is circulated, ions in the water are always removed and the conductivity of the cooling water is kept low. Can be.
[0048]
As the ion removing means, there are ion exchange resin, electrodialysis, and the like. However, if the temperature becomes high, the removal performance is deteriorated and the material itself is deteriorated. Therefore, when the ion removing means 74 is installed between the substrate holder 61, which is the part to be cooled, and the heat exchanger 73, that is, between CD in FIG. Since it is a high portion, there is a possibility that the performance of ion removal may deteriorate or the material may deteriorate, which is not preferable.
[0049]
Therefore, if the ion removing means 74 is provided downstream of the heat exchanger 73 as shown in FIG. 7, the water temperature is low, and there is no possibility that performance degradation or material degradation will occur. The same effect can be obtained by installing the ion removing means 74 between the heat exchanger 73 and the tank 75 or between the tank 75 and the pump 76.
[0050]
As shown in FIG. 8, a bypass flow path 80 different from the main cooling flow path that bypasses the tank 75 downstream of the heat exchanger 73 to the substrate holder 61 side in the secondary refrigerant flow path 66 is provided. The same effect can be obtained by providing the ion removing means 74 there.
[0051]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, the invention according to claim 1 of the present invention is characterized in that the heating means built in the substrate holder has a variable heating output, the refrigerant flow path built in the substrate holder, and the refrigerant flow path. A control unit that has a cooling device with a variable cooling capacity for supplying a refrigerant, detects the temperature of the substrate holder, and simultaneously controls the heating output and the cooling capacity to set the substrate holder to a desired temperature. Have. According to this configuration, even if the substrate is exposed to the plasma, it is possible to perform cooling corresponding to the exposure, and the temperature of the substrate holder can be stabilized.
[0052]
Furthermore, the invention according to claim 2 is characterized in that the cooling means is a refrigeration cycle, and that the cooling speed control of the refrigeration cycle does not use the control of the rotation speed of the compressor by the inverter, and only the amount of refrigerant flowing through the compressor is changed. A refrigerant bypass passage having an on-off valve or a flow control valve for causing the cooling cycle to be provided in the refrigeration cycle, thereby performing stable film formation without generating noise when controlling the cooling capacity of the cooling means. be able to.
[0053]
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that the heating means is a heater, and the heater is installed closer to the mounting surface of the semiconductor substrate than the position of the coolant flow path in the substrate holder. According to this configuration, the temperature of the mounting portion of the substrate holder on the semiconductor substrate can be more precisely controlled.
[0054]
Further, the invention according to claim 4 achieves a desired temperature while controlling both the amount of current supplied to the heater and the flow rate of the cooling medium in the cooling device during the formation of the thin film, whereby the substrate holder is exposed to the plasma. The substrate holder temperature can be stably maintained by quickly responding to an excessive temperature rise.
[0055]
The cooling means may include a refrigeration cycle, a secondary refrigerant flow path, and a heat exchange means for exchanging heat between the primary refrigerant and the secondary refrigerant circulating in the refrigeration cycle. In a thin film manufacturing apparatus using water as the secondary refrigerant, an ion removing means is provided in the secondary refrigerant flow path. According to this configuration, the conductivity of water can be stabilized, and the potential of the semiconductor substrate can be stabilized. Therefore, a film can be formed without affecting the thin film characteristics.
[0056]
Further, in the invention according to claim 6, the ion removing means is provided between the heat exchange means and the secondary refrigerant tank or between the secondary refrigerant tank and the portion to be cooled. It is possible to prevent the performance of the ion exchange means from deteriorating or deteriorating due to the flow, and to perform stable film formation for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a thin film manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of a temperature change of a substrate holder of a comparative example in which a cooling capacity is not variable. FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of a thin film manufacturing apparatus having a variable cooling capacity without using an inverter. FIG. 4 is a schematic diagram of a substrate holder according to a third embodiment of the present invention. FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram of the temperature control of the holder. FIG. 6 is an explanatory diagram of the temperature control of the substrate holder at the time of low-temperature film formation according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic view of a thin film manufacturing apparatus according to another embodiment having ion removing means according to the fifth embodiment of the present invention.
1, 31, 51, 61 Substrate holders 2, 32, 52, 62 Semiconductor substrates 3, 33, 53, 64 Heaters 5, 35, 54 Refrigerant channels 6, 36, 65 Cooling devices 8, 38, 68 Targets 9, 45 , 55, 78 Temperature sensors 10, 46, 79 Controllers 39, 70 Compressor 42 Open / close valve 43, 80 Bypass passage 66 Secondary refrigerant passage 69 Refrigeration cycle 73 Heat exchanger 74 Ion removal means 75 Tank 76 Pump
