JP2008053489A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハの温度をヒータの出力に見合うように上昇させる。
【解決手段】下側容器１２と上側容器１３とで処理室１４を形成した処理容器１１と、処理室１４内に設置されてウエハ１を保持するサセプタ２１と、サセプタ２１上のウエハ１を加熱するヒータ４１と、反応ガスをウエハ１に向けて供給するシャワーヘッド２６と、反応ガスを励起させる筒状電極１５と、磁界を形成する筒状磁石１９とを備えているＭＭＴ装置において、上側容器１３の外側に反射板４２をシャワーヘッド２６のキャップ状の蓋体２７と同心円状に設置するとともに、シャワーヘッド２６の遮蔽プレート３１の下面に反射鏡面を形成する。ヒータおよびウエハから入射して来る赤外線や遠赤外線等の熱線をサセプタ上のウエハに向けて反射させることができるので、ヒータの発熱を全て活用して、ウエハの温度をヒータの出力に見合うように上昇させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置に関し、例えば、半導体素子を含む半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化や窒化等の拡散処理を施したり薄膜を形成したりエッチングしたりする等の各種のプラズマ処理を施すＭＭＴ（Modified Magnetron Typed）装置に利用して有効な技術に関する。

ＩＣの製造方法において、ウエハに酸化や窒化等の拡散処理を施したり薄膜を形成したりエッチングしたりするのに、電界と磁界とによって高密度プラズマを生成可能な変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハをプラズマ処理するＭＭＴ装置が使用される場合がある。

従来のこの種のＭＭＴ装置は、石英等によって形成された処理容器と、処理容器内に設置されてウエハを保持するサセプタと、サセプタに内蔵されてウエハを５００℃程度にまで加熱するヒータと、反応ガスをウエハに向けてシャワー状に供給するシャワーヘッドと、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極と、磁界形成手段としての筒状磁石とを備えている。
そして、サセプタの上に載置したウエハをヒータによって５００℃程度にまで加熱するとともに、処理容器内を所定の圧力に維持しつつ、反応ガスをウエハにシャワーヘッドによってシャワー状に供給し、筒状電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに、筒状磁石によって磁界をかけてマグネトロン放電を起こすことにより、ウエハに所望のプラズマ処理が施される。
この際に、筒状電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより、長寿命となって電離生成率を高めるために、高密度プラズマを生成することができる。

しかし、従来のＭＭＴ装置においては、ウエハを高温度に加熱するためにヒータの出力を最大限に高めた場合に、ウエハの温度が所期の値に上昇しないという問題点があることが本発明者によって究明された。

本発明の目的は、基板の温度をヒータの出力に見合うように上昇させることができる基板処理装置を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）熱を透過する処理容器と、
前記処理容器内に設けた基板を載置するサセプタと、
前記サセプタに設けられ、基板を加熱するヒータと、
前記処理容器の外部に設けられ、前記ヒータの熱を前記基板へ反射する反射板と、を備える基板処理装置。
（２）熱を透過する材料によって形成された処理容器と、この処理容器内に設置されて基板を保持するサセプタと、前記基板を加熱するヒータと、反応ガスを前記基板に向けて供給するシャワーヘッドと、反応ガスを励起させる放電手段と、磁界を形成する磁界形成手段と、前記ヒータの熱を前記基板へ反射する反射板とを備えている基板処理装置。
（３）前記シャワーヘッドに前記ヒータの熱を前記基板に反射する反射鏡面が形成されている前記（２）に記載の基板処理装置。

前記（１）によれば、ヒータの熱を反射板によって基板に反射させて活用することができるので、基板の温度をヒータの出力に見合うように上昇させることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置は、図１に示されているように、ＭＭＴ装置として構成されている。
図１に示されたＭＭＴ装置１０は処理容器１１を備えている。処理容器１１は下側容器１２と上側容器１３とによって形成されており、処理室１４を形成している。
下側容器１２はアルミニウムが使用されて碗形状に形成されており、上側容器１３は石英や酸化アルミニウム等の熱を透過する非金属材料が使用されてドーム形状に形成されている。上側容器１３は下側容器１２の上に被せられている。

処理容器１１の上側容器１３の外周には、反応ガスを励起させる放電手段としての筒状電極１５が設置されており、筒状電極１５は処理室１４内のプラズマ生成領域１６を囲んでいる。筒状電極１５は筒状、例えば円筒状に形成されている。
筒状電極１５には高周波電力を印加する高周波電源１７が、インピーダンスの整合を行う整合器１８を介して接続されている。

筒状電極１５の外側表面には磁界形成手段としての筒状磁石１９が上下で一対、筒状電極１５の上端部および下端部の近傍にそれぞれ設置されている。
筒状磁石１９は筒状、例えば円筒状の永久磁石によって構成されている。
上下の筒状磁石１９、１９は、処理室１４の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石１９、１９の磁極の向きが逆向きに設定されている。
したがって、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

筒状電極１５および筒状磁石１９の周囲には、筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界を遮蔽する遮蔽板２０が設けられている。
遮蔽板２０は筒状電極１５および筒状磁石１９によって形成された電界や磁界が外部環境や他の基板処理装置等の装置に悪影響を及ぼさないようになっている。

処理室１４の底側中央には、基板であるウエハ１を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてのサセプタ２１が配置されており、サセプタ２１の内部には加熱機構（加熱手段）としてのヒータ４１が埋め込まれている。すなわち、サセプタ２１はウエハ１を保持するとともに、加熱することができるように構成されている。
ヒータ４１は電力が印加されることにより、ウエハ１を５００℃程度にまで加熱することができるように構成されている。
サセプタ２１は例えば石英や窒化アルミニウムやセラミックス等の非金属材料によって形成されている。このような非金属材料によってサセプタ２１を形成することにより、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減することができる。

さらに、サセプタ２１の内部には、インピーダンスを変化させるためのインピーダンス用電極（図示せず）が装備されており、インピーダンス用電極がインピーダンス可変機構２２を介して接地されている。
インピーダンス可変機構２２はコイルや可変コンデンサから構成されており、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、インピーダンス用電極およびサセプタ２１を介してウエハ１の電位を制御することができるようになっている。

サセプタ２１は下側容器１２と絶縁されており、サセプタ２１を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２３が設けられている。
サセプタ２１には貫通孔２１ａが設けられており、下側容器１２の底面上にはウエハ１を突上げるためのウエハ突上げピン２４が少なくとも３箇所に設けられている。
そして、貫通孔２１ａおよびウエハ突上げピン２４は、サセプタ昇降機構２３によってサセプタ２１が下降させられた時には、ウエハ突上げピン２４がサセプタ２１と非接触な状態で貫通孔２１ａを突き抜けるような位置関係となるように配置されている。

下側容器１２の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２５が設けられている。
ゲートバルブ２５が開いている時には、図示しない搬送機構（搬送手段）により処理室１４に対してウエハ１を搬入または搬出することができ、また、ゲートバルブ２５が閉まっている時には、処理室１４を気密に閉じることができる。

処理室１４の上部にはシャワーヘッド２６が設けられている。シャワーヘッド２６はキャップ状の蓋体２７とガス導入口２８とバッファ室２９と開口３０と遮蔽プレート３１とガス吹出口３２とを備えている。バッファ室２９はガス導入口２８より導入されたガスを分散するための分散空間を構成している。
便宜上、図示は省略するが、シャワーヘッド２６のウエハ１に対向する面には金メッキが施されており、反射鏡面を構成するようになっている。すなわち、遮蔽プレート３１の下面は金メッキ被膜をコーティングされることにより、反射鏡面を構成している。

ガス導入口２８にはガスを供給するガス供給管３３が接続されており、ガス供給管３３は開閉弁であるバルブ３４および流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ３５を介して反応ガスのガスボンベ（図示せず）に接続されている。

下側容器１２の側壁にはガスを排気するガス排気口３６が設けられており、ガス排気口３６にはガスを排気するガス排気管３７が接続されている。ガス排気管３７は圧力調整器であるＡＰＣ３８、開閉弁であるバルブ３９を介して排気装置である真空ポンプ４０に接続されている。
ガス排気口３６は、シャワーヘッド２６から処理室１４に供給された反応ガスが基板処理後にサセプタ２１の周囲から処理室１４の底方向へ流れるように、設定されている。

処理容器１１の上側容器１３の外側には、ヒータ４１の熱（赤外線や遠赤外線等の熱線）をウエハ１へ反射する反射板４２がシャワーヘッド２６のキャップ状の蓋体２７と同心円状に設置されている。
また、処理容器１１の上側容器１３の外側には、さらに反射板４３が設けられている。この反射板４３はリング電極１５の下部に設けられている。
反射板４２、４３は上側容器１３または蓋体２７または遮蔽板２０と同質の材料が使用されて、ヒータ４１およびウエハ１から上側容器１３を透過して入射して来る赤外線や遠赤外線等の熱線をサセプタ２１上のウエハ１に向けて反射するように形成されており、その反射面の表面には反射効率を高めるために、金メッキ被膜（図示せず）がコーティングされている。
ここでは、反射板４２を蓋体２７と同心円状に設置し、また、反射板４３は電極１５の下部に設けたことを説明したが、それに限るものではなく、熱が透過される箇所であればよい。

ＭＭＴ装置１０は制御部（制御手段）としてのコントローラ５０を備えている。
コントローラ５０はＡＰＣ３８、バルブ３９、真空ポンプ４０を信号線Ａを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はサセプタ昇降機構２３を信号線Ｂを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０はゲートバルブ２５を信号線Ｃを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は整合器１８、高周波電源１７を信号線Ｄを通じて制御するように構成されている。
コントローラ５０は、バルブ３４、マスフローコントローラ３５を信号線Ｅを通じて制御するように構成されている。
さらに、コントローラ５０はサセプタに埋め込まれたヒータ４１やインピーダンス可変機構２２を、図示しない信号線を通じて制御するよう構成されている。

次に、前記構成に係るＭＭＴ装置１０の作用を説明する。

ウエハ１は処理室１４の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室１４に搬入され、サセプタ２１の上に移載される。
この搬送動作の詳細は、次の通りである。
サセプタ２１がウエハ搬送位置まで下降すると、ウエハ突上げピン２４の先端がサセプタ２１の貫通孔２１ａを通過する。これにより、サセプタ２１の表面よりも所定の高さ分だけ、突き上げピン２４が突き出された状態となる。
次に、下側容器１２に設けられたゲートバルブ２５が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ１をウエハ突上げピン２４の先端に移載する。
搬送機構が処理室１４の外へ退避すると、ゲートバルブ２５が閉じられる。
サセプタ２１がサセプタ昇降機構２３によって上昇されると、サセプタ２１の上面にウエハ１が移載される。
その後に、サセプタ２１はサセプタ昇降機構２３によって、ウエハ１を処理する位置まで上昇される。

サセプタ２１に内蔵されたヒータ４１は予め加熱されており、サセプタ２１に移載されたウエハ１を室温〜７００℃の範囲内の所定の温度に加熱する。
処理室１４内の圧力は０．１〜１００Ｐａの範囲内の所定の圧力に、真空ポンプ４０およびＡＰＣ３８によって維持される。

ウエハ１の温度が所定の処理温度（例えば、４００℃）に達し、安定すると、所定の反応ガスＧがガス導入口２８から遮蔽プレート３１のガス吹出口３２を介して処理室１４に配置されたウエハ１の上面（処理面）に向けて導入される。

他方、高周波電力が筒状電極１５に高周波電源１７から整合器１８を介して印加される。印加する電力は１５０〜２００Ｗの範囲内の所定の出力値を投入する。このとき、インピーダンス可変機構２２は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。
筒状磁石１９、１９の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ１の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域１６に高密度プラズマが生成される。
処理室１４内へ導入された反応ガスＧはプラズマ生成領域１６において乖離し、活性化粒子を生成し、ウエハ１に所定のプラズマ処理を施す。

予め設定された処理時間が経過すると、バルブ３４が閉じられてガス吹出口３２からの水素ガスおよび酸素ガスの供給が停止されるとともに、筒状電極１５への高周波電力の印加が停止される。

次いで、処理室１４内の圧力が搬送機構の設置室である真空搬送室（図示せず）と同圧化された後に、処理済みのウエハ１は前述したウエハ搬入時と逆の手順で処理室１４外へ搬送される。

ところで、ウエハ１を輻射および熱伝導によって加熱したヒータ４１の熱（熱線）の一部は、処理容器１１の上側容器１３の壁を透過して処理室１４の外部に逃げるために、ウエハ１の温度がヒータ４１の出力に見合うように上昇しないことが本発明者によって究明された。

そこで、本実施の形態においては、上側容器１３の外側に反射板４２をシャワーヘッド２６のキャップ状の蓋体２７と同心円状に設置するとともに、シャワーヘッド２６の遮蔽プレート３１の下面に反射鏡面を形成し、ヒータ４１およびウエハ１から入射して来る赤外線や遠赤外線等の熱線をサセプタ２１上のウエハ１に向けて反射することにより、ヒータ４１の発熱を全て活用することができるようにして、ウエハ１の温度がヒータ４１の出力に見合うように上昇させるものとした。

図２は反射板の有無によるウエハの温度相違を示すグラフである。
図２において、縦軸にはウエハ温度（℃）が取られ、横軸にはＩＮ／ＯＵＴヒータパワー比率が取られている。
図２において、実線折れ線は反射板が有る場合を（本発明に相当）を示しており、破線折れ線は反射板が無い場合（従来例に相当）を示している。
図２によれば、いずれのヒータパワー比率においても、反射板によってウエハの温度が上昇されていることが判る。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
1) 上側容器１３の外側に反射板４２をシャワーヘッド２６のキャップ状の蓋体２７と同心円状に設置するとともに、シャワーヘッド２６の遮蔽プレート３１の下面に反射鏡面を形成することにより、ヒータ４１およびウエハ１から入射して来る赤外線や遠赤外線等の熱線をサセプタ２１上のウエハ１に向けて反射させることができるので、ヒータ４１の発熱を全て活用して、ウエハ１の温度がヒータ４１の出力に見合うように上昇させることができる。

2) ヒータの発熱を全て活用することにより、ヒータの最大出力の仕様を増加させずにウエハの温度を所期の通りに上昇させることができるので、ヒータやサセプタの仕様を変更せずに済み、ヒータやサセプタひいてはＭＭＴ装置の製造コストの増加を回避することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

反射鏡面は金メッキ被膜のコーティング処理によって構成するに限らず、他の表面処理を使用して構成してもよい。

本発明の一実施の形態であるＭＭＴ装置を示す概略構成図である。 反射板の有無によるウエハ温度の相違を示すグラフである。

符号の説明

１…ウエハ、１０…ＭＭＴ装置（基板処理装置）、１１…処理容器、１２…下側容器、１３…上側容器、１４…処理室、１５…筒状電極（放電手段）、１６…プラズマ生成領域、１７…高周波電源、１８…整合器、１９…筒状磁石（磁界形成手段）、２０…遮蔽板、２１…サセプタ、２１ａ…貫通孔、２２…インピーダンス可変機構、２３…サセプタ昇降機構、２４…ウエハ突き上げピン、２５…ゲートバルブ、２６…シャワーヘッド、２７…キャップ状の蓋体、２８…ガス導入口、２９…バッファ室、３０…開口、３１…遮蔽プレート、３２…ガス吹出口、３３…ガス供給管、３４…バルブ、３５…マスフローコントローラ、３６…ガス排気口、３７…ガス排気管、３８…ＡＰＣ、３９…バルブ、４０…真空ポンプ、４１…ヒータ、４２、４３…反射板、５０…コントローラ。

Claims (1)

1. 熱を透過する処理容器と、
   前記処理容器内に設けた基板を載置するサセプタと、
   前記サセプタに設けられ、基板を加熱するヒータと、
   前記処理容器の外部に設けられ、前記ヒータの熱を前記基板へ反射する反射板と、を備える基板処理装置。

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