JP2005150390A - 加熱ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のセラミックヒータに代えて、ウエハ等の被加熱物を高温に加熱することができると共に、加熱中に不純物の発生による被加熱物の汚染を防止することを可能にした加熱ステージを提供することにある。
【解決手段】加熱ステージ１として、被加熱物１２を支持する領域を有する表面を備えるとともに、減圧または不活性ガスで充填された内部空間を有するガラス製のステージ部２と、上記内部空間に配置された加熱手段としてのランプ３と、上記ランプ３に給電するとともに、上記内部空間と外部とを遮断する、上記ステージ部２と一体に形成されるコネクタ部１０とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱ステージに係わり、より詳しくは、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理装置のチャンバにおける加熱部を構成する加熱ステージに関する。

図１２は、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理装置の概要を示す図である。
化学気相堆積（ＣＶＤ）処理は、基板上に酸化膜や窒化膜といった様々な種類の膜を堆積するために用いられる処理であり、例えば、半導体ウエハをチャンバ内に配置して加熱し、反応ガスをチャンバ内に導入して、加熱面で分解して反応させ、半導体ウエハ上に薄膜を形成するものである。

ＣＶＤ処理装置は、同図に示すように、チャンバ上方に、被加熱物としてのウエハに膜を形成するためのガスを導入するガス導入口が設けられ、下方には排気口が設けられている。チャンバの外周囲にはＲＦ電極が取り付けられ、ＲＦ電極とサセプタ間には、ＲＦ発振器、高周波インピーダンス可変機構（ＲＦ−Ｃ）を介して高周波電圧が印加される。更にチャンバ内部にはウエハを加熱するためのヒータを備えるステージが設けられており、ステージの表面にはサセプタが取り付けられ、その上にウエハが載置するように構成されている。

例えば、ウエハ上に窒化珪素の薄膜を形成する場合は、ウエハをステージ表面のサセプタの上に置き、ヒータによりウエハを４００℃程度に加熱する。ガス導入口からシラン（ＳｉＨ_４）や窒素（Ｎ_２）ガスを導入する。ＲＦ電極とサセプタ間に高周波電圧を印加すると、チャンバ内に導入された気体が放電プラズマを発生し、加熱されているウエハ上に堆積する。このとき、高周波インピーダンス可変機構（ＲＦ−Ｃ）のインピーダンスを変化させることにより、ウエハ表面に入射するイオンのエネルギーを制御することができる。また、処理時間を制御することにより、ウエハ上に所定の膜厚の窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜を形成することができる。

特開２００２−１２４４７９号公報 特開２００３−５９８４８号公報

上記で説明したようなＣＶＤ処理装置においては、ウエハを載置して加熱するためにステージが用いられるが、通常、このステージに設けられる加熱手段は、抵抗加熱を利用したものが多く、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）ヒータのようなセラミックヒータが用いられる。また、近年では、ウエハを従来より高い温度、例えば、７００℃〜８００℃に加熱して成膜することが行われている。

しかし、セラミックヒータは、半導体プロセスのように高いクリーン度が要求される工程においては、次のような問題がある。即ち、セラミックヒータは、７００℃〜８００℃のような高温に加熱した状態で、プラズマ中に置かれると、セラミックの微小な凹凸や間隙に吸着されていた不純物が放出し、それがウエハに吸着されて汚染や不良の原因となる。このようなウエハの汚染は、通称コンタミと呼ばれる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、従来のセラミックヒータに代えて、ウエハ等の被加熱物を高温に加熱することができると共に、加熱中に不純物の発生による被加熱物の汚染を防止することを可能にした加熱ステージを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、加熱ステージとして、被加熱物を支持する領域を有する表面を備えるとともに、減圧または不活性ガスで充填された内部空間を有するガラス製のステージ部と、上記内部空間に配置された加熱手段としてのランプと、上記ランプに給電するとともに、上記内部空間と外部とを遮断する、上記ステージ部と一体に形成されるコネクタ部とを備えることを特徴とする。

第２の手段は、第１の手段において、上記ランプは、両端に封止部を有するとともに管型封体の内部にフィラメントを有し、該ランプの封止部は、上記被加熱物を支持する領域を有する表面とは反対方向に屈曲していることを特徴とする。

第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、上記ランプと上記コネクタ部との電気的接続は、上記ランプの封止部と上記コネクタ部からの配線をコイル状の接合部材に差し込むことによって行われることを特徴とする。

第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、上記ステージ部の被加熱物を支持する領域を有する表面に、高周波電圧を印加するための電極を備え、該電極の配線は、上記ステージ部に設けられた貫通孔を通り、該配線の外径とほぼ等しい内径を有するコイル状の給電線に差し込まれることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ステージ部がガラス製であるので、不純物が吸着されず、高温に加熱されても、不純物の発生がなく、ウエハ等の被加熱物への汚染の問題が無くなる。また、ランプが配置されるステージ部の内部空間は、外部と遮断されているので、ランプやランプの配線からの汚染も無くなる。

請求項２に記載の発明によれば、ランプの非発光部がステージ部の上面に対面する割合が少なくなり、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。また、隣合うランプの発光部を接近して配置することができ、非発光部がステージ部表面に対面する割合を少なくして、被加熱物を均一に加熱することができる。更に、ステージ部の上面とは反対側に設けられたコネクタ部の方向にランプからの配線を揃えやすくなり、束線や接続等の処理作業が容易となる。

請求項３に記載の発明によれば、コイルの中に、ランプの封止部と上記コネクタ部からの配線を挿入すると、コイルの伸縮により、両配線が確実に接触して保持され、両配線はコイルの弾性によって外れることなく接続が保持される。また、接続部材を適正な長さに設定することにより、十分な接触面積を確保することができ、接触不良等の問題がなくなり、ランプに安定して電力を供給することができる。

請求項４に記載の発明によれば、ステージ部の貫通孔に配線を通すことにより、サセプタを簡便に取り付けることが可能となる。また貫通孔を通った配線が加熱ステージの裏面側から外に出て、配線と給電線との接続は、ガラスからなる接続部において、配線の外径とほぼ等しい内径を有する給電線のコイル中に差し込んで電気的に接続することができる。またサセプタは、ＲＦプラズマ処理を繰り返すつれて消耗するので、交換する必要があるが、配線はコイルに差し込まれているだけであるので、着脱自在であり、交換が容易である。

本発明の一実施形態を図１乃至図１２を用いて説明する。
図１は、図１２に示されるようなＣＶＤ処理装置に用いられる本発明に係る加熱ステージの概要を示す正面断面図である。
同図において、１は加熱ステージ、２は材質が石英ガラス等で構成され、上部にウエハ等の被加熱物を載置する平らな表面を有すると共に、真空または不活性ガスが封入された密閉された内部空間を有するステージ本体、３はステージ本体２の内部空間に設けられ、効率良く赤外線を放射する複数のハロゲンランプ等からなる加熱手段としてのランプ、４はステージ本体２内部の上部とランプ３間に設けられるカーボンプレート等からなる均熱板、５はランプ３の下部に設けられる、ランプ３から放射される光を均熱板４側に反射する光反射板、６はランプリード線、７はリード線、８はランプリード線６とリード線７を接続する接続部材、９は外部電源に接続される外部給電線、１０はリード線７と外部給電線９とを接続するコネクタ部、１１は高周波電圧を印加するＲＦ電極であるサセプタ、１２はウエハ等の被加熱物、１３は光反射板５に設けられたランプ封止部３１を貫通する貫通孔である。

ステージ本体２の内部空間は、本実施例においては窒素により１３．３ｋＰａの圧力でパージされており、これによって、加熱中にランプ３の温度が上昇しても、後述するランプ３のランプ封止部３１に用いられているシール箔３２の酸化が防止される。
また、ステージ本体２がガラス製であるので、不純物が吸着されず、高温に加熱されても、不純物の発生がなく、ウエハへの汚染の問題が無くなる。また、ランプ３が配置されるステージ本体２の内部空間は、外部と遮断されているので、ランプやランプの配線からの汚染も無くなる。

図２は、ランプ３の構造を示す斜視図である。
同図において、３１はシール箔３２を介してフィラメント３４とランプリード線６とを接続すると共に、管型封体の伸びる方向に対して直角方向に屈曲し、ステージ本体２の上部表面とは反対側に伸びる方向に配置されるランプ封止部、３２はモリブデン箔等からなるシール箔、３３はガラス製の筒からなるバルブまたは封体、３４はバルブ３３内に挿入されたフィラメント、３５はサポーターである。
なお、バルブ３３内にはハロゲンガスが封入されており、また、このような管型封体の両端にシール部を有するランプをダブルエンドタイプという。

ランプ３両端のランプリード線６に通電すると、フィラメント３４が赤熱して赤外線を放射する。フィラメント３４から放射された赤外線は、ステージ本体２の上部表面に設けられた均熱板４に照射され、さらに均熱板４からウエハ等の被加熱物１２を均一に加熱する。

図３はランプ３のランプ封止部３１を屈曲する利点を説明する図である。
図３（ａ）は、本発明に係るランプ３の構成を示す図、図３（ｂ）は、本発明に係るランプ３と対比するためのランプの構成を示す図である。

ここで、ランプ３の赤外線を放射する部分を発光部、実質的に光を放射しないランプ封止部３１を非発光部と呼ぶと、仮に、図３（ｂ）に示すようなランプの非発光部が、ステージ本体２の表面と対面していると、被加熱物１２の非発光部に対応する部分が加熱しにくくなり、均一に加熱されにくくなる。それに対して、図３（ａ）に示すように、ランプ封止部３１をステージ本体２の上面とは反対側に曲げると、非発光部がステージ本体２の上面に対面する割合が少なくなり、被加熱物１２を均一に加熱することが可能となる。また、ランプ封止部３１が屈曲していると、隣合うランプ３の発光部を接近して配置することができ、上記と同様に、非発光部がステージ本体２表面に対面する割合を少なくして、被加熱物１２を均一に加熱することができる。更に、ステージ本体２の上面とは反対側に設けられたコネクタ部１０の方向にランプ３からのランプリード線６の配線を揃えやすくなり、束線や接続等の処理作業が容易となる。

図４は、図１の加熱ステージ１を上部表面側からみたランプ３の配置を示す図である。
同図に示すように、内側に複数の封体が直管状のランプ３を並べ、その外側に複数の円環状のランプ３を同心円状に配置したものである。
通常、被加熱物１２であるウエハは、オリフラまたはノッチ部を除けば円形であるので、円形の領域を加熱できるようにランプ３を配置する。

円環状のランプ３は、円を２分割した半円形、あるいは４分割した形状のものを組み合わせ、円環状になるように配置している。１つのランプで円を形成してもよいが、径が大きくなると、封体の長さが長くなり、製造が難しくなるので、分割して短くしている。勿論４分割以上に分割したランプを用いてもよい。更に、同図において、直管状ランプ３を配置した部分をその外側と同じように、円環状ランプ３を同心円状に配置してもよい。また、径の小さい小面積のウエハであれば、１本のランプの封体を渦巻状に形成し、１本のランプのみで構成するようにしてもよい。

また、被加熱物１２は、加熱中側面から熱が放射されるので、中央部に比べて周辺部の温度が低くなりやすい。そのため、加熱手段に用いる複数のランプ３は、図示されていない電力制御手段により複数のゾーンに分けて電力制御するとよい。例えば、図４のようにランプ３が配置されている場合、内側の直管状のランプ群と、外側の円環状のランプ群とで、別々に電力制御する。ウエハのような被加熱物１２は、周辺部の温度が低くなりやすいので、中央部に対して周辺部がどの程度温度が下がるかを予め実験して測定しておき、その結果に基づいて、外側の円環状ランプ群を内側の直管状ランプ群に比べて出力が大きくなるように入力電力を制御する。各ランプ３は直列に接続されており、複数のランプを１つのゾーンとして電力制御が可能である。

次に、光反射板５の詳細について図１を用いて説明する。
同図に示すように、光反射板５は、ランプ３のステージ本体２の上面とは反対側に設けられ、その材質は赤外領域の光を効率良く反射すると共に、７００℃以上の耐熱性を有し、ランプリード線６に近接して設けられることから、ショートの問題がないことを考慮した高純度アルミナ製のセラミック板が用いられる。なお、光反射板５はセラミック板でなく、例えば、石英等のガラス板の表面に高純度アルミナを塗布等によって形成したものを用いてもよい。

光反射板５には、屈曲したランプ封止部３１が通る貫通孔１３が設けられている。ランプ封止部３１をこの貫通孔１３に通すことにより、ランプ３からの光がランプ封止部３１に照射されるのを防ぎ、ランプ封止部３１の温度上昇を抑えることができる。
セラミック板を光反射板とすることにより、ランプ３からステージ本体２の上面とは反対方向に放射される光をステージ本体２の上面方向に反射し、被加熱物１２の加熱の効率を上げることができる。

次に、均熱板４の詳細について図１を用いて説明する。
同図に示すように、被加熱物１２を均一に加熱したい場合は、ランプ３とステージ本体２上面との間に均熱板４を設けるとよい。ランプ３からの光は均熱板４に照射され、ステージ本体２上面に載置された被加熱物１２は、この均熱板４からの輻射によって加熱される。均熱板４に用いられるカーボンプレートは熱伝導性が高く、ランプ３の発光部がない部分にも熱を伝え、全体的に均一に温度上昇させることができる。そのため、被加熱物１２を均一に加熱することができる。

次に、コネクタ部１０の詳細を図５を用いて説明する。
同図に示すように、コネクタ部１０には、通す配線の数分の貫通孔１０１が開けられている。外部給電線９とリード線７とはシール箔１０２を介してシールされ、端子１０３が形成される。端子１０３の基本的な構造はランプ３のシール部と同様であり、また端子１０３の材質はステージ本体２と同様にガラスから構成される。端子１０３のリード線７は貫通孔１０１に挿入され、端子１０３とステージ本体２の底部とが溶着１０４され、コネクタ部１０は密閉される。

次に、ランプリード線６とリード線７との接続方法について図６乃至図８を用いて説明する。
図６に示すように、ステージ本体２は、ステージ部２１とコネクタ部１０に分けて作成される。同図に示すように、ステージ部２１からはランプ３に接続されたランプリード線６が外に出ており、コネクタ部１０からはリード線７が外に出ている。ランプリード線６とリード線７との接続は、接続部材８を間に挟んで、ステージ部２１とコネクタ部１０を近づけ、ランプリード線６とリード線７を接続部材８の両側に差し込み接続部材８のコイル８１において接続し、図８に示すように、ステージ部２１の端部とコネクタ部１０の端部とを溶着し密閉する。

図７（ａ）は、接続部材８の１部の構成を示す図、図７（ｂ）はランプリード線６とリード線７とを接続部材８において接続した状態を示す図である。
接続部材８は、図７（ａ）に示すように、１ヶ所の接続に対して、１個の中空のガラス管８２とその中に挿入されたコイル８１とから構成される。コイル８１の内径は、ランプリード線６とリード線７が同時に挿入できる大きさとし、ガラス管８２の内径はコイル８１を挿入したとき、コイル８１が抜け落ちない程度の大きさとする。図７（ｂ）に示すように、コイル８１の中に、ランプリード線６とリード線７を挿入すると、コイル８１の伸縮により、ランプリード線６とリード線７とが確実に接触して保持され、ガラス管８２は他の配線と接触しないように働く。このように、ランプリード線６とリード線７とはコイル８１の弾性によって外れることなく接続が保持され、また、接続部材８の長さは、例えば、１５０ｍｍあるので、十分な接触面積を確保することができる。そのため、接触不良等の問題を発生することなくランプ３に電力を供給できる。

このような接続手段をとる理由は、加熱手段に用いるランプ３は大きな電流を流せるように、容量の大きな太い配線が使われ、その分絶縁のための被覆も厚く硬くなる。そのため、ランプリード線６とリード線７を接続し、配線を巻きながらステージ部２１内に収納することが困難である。従って、２つの配線を曲げることなく接続し、内部に収納可能な接続部材８を用いたものである。

次に、被加熱物１２を加熱ステージ１に載置する機構を図９を用いて説明する。
ＣＶＤ処理装置のような装置においては、ウエハのような被加熱物１２を加熱ステージ１に効率よく取り付けたり、取り外すことが必要であり、本発明の加熱ステージ１では、被加熱物１２を加熱ステージ１に取り付けたり、取り外すための搬送機構が設けられている。

被加熱物１２を加熱ステージ１に取り付けるために、まず、図９（ａ）に示すように、搬送フィンガー１４によって、被加熱物１２を加熱ステージ１上面に搬送する。次に、図９（ｂ）に示すように、加熱ステージ１にはピン１６が貫通して昇降することが可能な貫通孔が設けられており、ピン１６が駆動機構１５により貫通孔内を上昇して、搬送フィンガー１４から被加熱物１２を受け取る。次に、ピン１６が下降して加熱ステージ１表面に被加熱物１２が載置される。被加熱物１２を加熱ステージ１から取りだす場合は、上記の動作の逆動作の手順となる。

次に、サセプタ１１（ＲＦ電極）の詳細を図１０を用いて説明する。
同図に示すように、サセプタ１１の形状は被加熱物１２の形状に応じた形状で構成され、サセプタ１１の裏面側には高周波を印加するＲＦ電極配線１１１が取り付けられている。加熱ステージ１には、サセプタ１１のＲＦ電極配線１１１が通る貫通孔１１２が設けられており、この貫通孔１１２にＲＦ電極配線１１１を通すことにより、サセプタ１１を簡便に取り付けることが可能となる。貫通孔１１２を通ったＲＦ電極配線１１１が加熱ステージ１の裏面側から外に出てきて、給電線１１３に接続される。ＲＦ電極配線１１１と給電線１１３との接続は、ガラスからなる接続部１１４において、ＲＦ電極配線１１１の外径とほぼ等しい内径を有する給電線１１３のコイル１１５中に差し込んで電気的に接続する。サセプタ１１は、ＲＦプラズマ処理を繰り返すつれて消耗するので、交換する必要がある。ここでサセプタ１１のＲＦ電極配線１１１は、コイル１１５に差し込まれているだけであるので、着脱自在であり、交換が容易である。

次に、本発明に係る加熱ステージでウエハを加熱した時の実験結果を図１１を用いて説明する。
なお、加熱ステージ１の構造は、基本的には図１に示すものと同じであるが、ランプ３の本数は３３本、反射板５を使用したが、均熱板４は使用していない。被加熱物１２として、φ２００ｍｍのウエハを使用し、設定温度７６０℃で加熱した時の表面９点の温度を熱電対で測定したものである。９点の平均温度は７６７℃で、温度分布の幅は＋１３．５℃〜−２０．４℃、面内ばらつきは±２．２％であった。

図１２に示すようなＣＶＤ処理装置に用いられる本発明に係る加熱ステージの概要を示す正面断面図である。 ランプ３の構造を示す斜視図である。 ランプ３の構成を示す図および本発明のランプ３と対比するためのランプの構成を示す図である。 図１の加熱ステージ１を上表面側からみたランプ３の配置を示す図である。 コネクタ部１０の詳細な構成を示す図である。 ランプリード線６とリード線７との接続方法を説明する図である。 ランプリード線６とリード線７との接続方法を説明する図である。 ランプリード線６とリード線７との接続方法を説明する図である。 被加熱物１２を加熱ステージ１に載置する機構を説明する図である。 サセプタ１１（ＲＦ電極）の詳細を説明する図である。 本発明の加熱ステージでウエハを加熱した時の実験結果を説明する図である。 化学気相堆積（ＣＶＤ）処理装置の概要を示す図である。

符号の説明

１ 加熱ステージ
２ ステージ本体
２１ ステージ部
３ ランプ
３１ ランプ封止部
３２ シール箔
３３ バルブ（封体）
３４ フィラメント
３５ サポーター
４ 均熱板
５ 光反射板
６ ランプリード線
７ リード線
８ 接続部材
８１ コイル
８２ ガラス管
９ 外部給電線
１０ コネクタ部
１０１ 貫通孔
１０２ シール箔
１０３ 端子
１０４ 溶着
１１ サセプタ
１１１ ＲＦ電極配線
１１２ 貫通孔
１１３ 給電線
１１４ 接続部
１１５ コイル
１２ 被加熱物
１３ 貫通孔
１４ 搬送フィンガー
１５ 駆動機構
１６ ピン

Claims (4)

1. 被加熱物を支持する領域を有する表面を備えるとともに、減圧または不活性ガスで充填された内部空間を有するガラス製のステージ部と、上記内部空間に配置された加熱手段としてのランプと、上記ランプに給電するとともに、上記内部空間と外部とを遮断する、上記ステージ部と一体に形成されるコネクタ部とを備えることを特徴とする加熱ステージ。
2. 上記ランプは、両端に封止部を有するとともに管型封体の内部にフィラメントを有し、該ランプの封止部は、上記被加熱物を支持する領域を有する表面とは反対方向に屈曲していることを特徴とする請求項１に記載の加熱ステージ。
3. 上記ランプと上記コネクタ部との電気的接続は、上記ランプの封止部と上記コネクタ部からの配線をコイル状の接合部材に差し込むことによって行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱ステージ。
4. 上記ステージ部の被加熱物を支持する領域を有する表面に、高周波電圧を印加するための電極を備え、該電極の配線は、上記ステージ部に設けられた貫通孔を通り、該配線の外径とほぼ等しい内径を有するコイル状の給電線に差し込まれることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つの請求項に記載の加熱ステージ。

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