JP2008277609A - 被処理体の加熱冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に真空処理装置において、被処理体を破損することなく略均一に被処理体を加熱できるようにした被処理体の加熱冷却方法を提供する
【解決手段】 基板ステージ２に設けた正負一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄ間に所定の電圧を印加して基板Ｗを静電吸着し、基板ステージ２に組み込んだ加熱手段または冷却手段により基板を所定の温度に加熱または冷却する。基板の温度が所定の温度に達するまでの間に、基板の静電吸着を所定の間隔で解除する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、主として真空中でＳｉウェハまたはＳｉＣウェハ表面に成膜等の所定の処理を施す真空処理装置において、ＳｉウェハまたはＳｉＣウェハを所定温度に加熱または冷却するために利用できる被処理体の加熱冷却方法に関する。

従来、真空排気される処理室内に設置した基板ステージ上に処理すべきＳｉウェハまたはＳｉＣウェハ等の基板（被処理体）を載置し、例えばＣＶＤ法で基板表面に所定の薄膜を形成する処理装置が知られている。このような処理装置においては、基板温度が処理速度などに大きな影響を与えることから、基板をその全面に亘って略均一な温度に制御することが必要になる。そこで、基板ステージに加熱手段と、冷媒循環による冷却手段とを組み込み、基板の加熱と冷却による基板の温度制御ができるようにしたものが特許文献１で知られている。

上記のような処理装置において基板の温度制御を行う場合、基板ステージに静電気力を用いた静電チャックを設け、この静電チャックの正負一対の吸着電極に所定の電圧を印加して基板を吸着保持することが一般的である。ここで、例えば吸着電極で基板を吸着保持して基板を加熱する場合、基板のうち吸着電極に吸着されている領域（以下、「吸着領域」という）は、吸着電極を経た加熱冷却体からの直接の熱伝導により加熱され、吸着電極に吸着されていないその他の領域（以下、「周辺領域」という）は、吸着領域からの伝熱及び加熱冷却体からの輻射熱で加熱される（このため、吸着領域の昇温速度は、周辺領域と比較して速くなる）。

但し、上記のように基板を吸着保持した状態、つまり、吸着領域で基板が局所的に拘束された状態で基板を連続して加熱または冷却すると、基板の熱膨張または熱収縮に起因した熱応力で基板が破損する虞がある。そこで、加熱冷却体に設けた正負一対の吸着電極間に所定の電圧を印加して基板を静電吸着し、基板を所定の温度まで加熱または冷却する間、吸着電極に対する印加電圧が段階的に増加させつつ矩形パルス状に電圧を印加する基板の加熱冷却方法が特許文献２で知られている。
特開平５−１３３５０号公報 特開２００１−１５２３３５号公報

上記特許文献２記載のものでは、所定温度への基板の加熱を例に説明すると、その昇温過程において電圧が印加されていない間、吸着力を減衰させることで、蓄積された熱応力がある程度分散されるが、電圧が印加されていない間も吸着領域は加熱冷却体からの直接の熱伝導により直線的に温度上昇していく。このため、吸着領域と周辺領域との間の温度差が大きくなり、基板面内で温度むらが発生し易くなる。そして、大きな温度むらが発生したときには吸着領域と周辺領域との熱膨張の差に起因した熱応力で基板が破損する場合があり、特に、基板がＳｉＣウェハであるときにより顕著になる。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、被処理体を破損することなく略均一に被処理体を加熱できるようにした被処理体の加熱冷却方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、吸着電極に所定の電圧を印加して被処理体を静電吸着する工程と、この静電吸着した被処理体を加熱冷却体により所定の温度に加熱または冷却する工程とを含み、この被処理体の温度が所定の温度に達するまでの間に、被処理体の静電吸着を所定の間隔で解除する工程をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、基板を所定の温度に加熱する場合を例に説明すると、基板の吸着領域は吸着電極を経た加熱冷却体からの直接の熱伝導により加熱され、周辺領域は主として吸着領域からの熱伝導及び加熱冷却体からの輻射熱で昇温していく。その昇温過程において基板の吸着を解除したときには、吸着領域への熱伝導率が急激に低下すると共に、昇温速度が遅く比較的に温度が低い周辺領域に熱が逃げる。

このように、基板の吸着を解除した状態では、吸着領域の温度が一旦低下すると共に、周辺領域の昇温速度が過渡的に速くなり、その結果、基板の加熱時に吸着領域と周辺領域との間の温度差が小さくなる。従って、本発明によれば、上記のように基板を加熱することで、所定温度に達した基板面内で温度むらの発生が抑制され、また、その昇温過程において基板面内での熱膨張の差に起因した熱応力で基板が破損することが効果的に防止でき、基板がＳｉＣウェハであるときに特に有効となる。

また、本発明においては、前記被処理体の吸着を解除する際、前記吸着電極に前記電圧の逆電圧を印加するようにすれば、吸着電極をアース接地しただけでは、残留する電荷により基板の吸着が完全に解除できない場合があるが、逆電圧を印加することで残留電荷が打ち消され、基板の吸着を完全に解除できる。

また、本発明においては、前記吸着電極に三角パルス状の電圧を印加するようにすれば、矩形パルス電圧を印加したときには、ピーク電圧（吸着力が最大となる）が印加された状態で所定時間保持され、この間、吸着領域の温度上昇速度がより速くなって周辺領域との温度差が一層大きくなるが、印加電圧を三角パルス状とすることで、吸着領域の急激な温度上昇を抑制できる。

尚、本発明においては、その昇温過程において基板温度が低く、熱膨張量が少ない間は基板の吸着力を小さくし、熱膨張に起因した熱応力を小さく抑制し、基板温度が所定温度に達したときに基板に蓄積される熱応力の総量を少なくするために、前記吸着電極への印加電圧を段階的に増加するようにしてもよい。

図１は、本発明の基板の加熱冷却方法を実施できる処理装置を示している。この処理装置は、処理室１ａを画成する真空チャンバ１と、処理室１ａ内に設置した基板ステージ２とを備えている。基板ステージ２上面である基板載置面２ａには、ＳｉウェハやＳｉＣウェハ等の基板Ｗが載置され、基板Ｗ表面にＣＶＤ法により薄膜を形成する成膜処理を行う。

処理室１ａは、その底部に接続した真空排気手段３により真空排気される。また、処理室１の天井部には、原料ガスと反応ガスとから成る処理ガスを処理室１ａに供給するガス供給手段４が設けられている。ガス供給手段４は、供給管５ａを介して処理ガスが供給されるガス拡散室５と、ガス拡散室５の下面のシャワープレート６とで構成される。そして、シャワープレート６に形成した多数の孔６ａから基板Ｗに向けて処理ガスが噴出される。

基板ステージ２は、処理室１ａの底部に立設した中空の支柱７により支持されている。基板ステージ２の下方には、シリンダ８で昇降される昇降プレート９が設けられている。昇降プレート９には、基板ステージ２を上下方向に貫通する複数のリフトピン１０が立設されている。また、真空チャンバ１の周壁部にはゲートバルブ付きの搬送口１１が設けられ、この搬送口１１を通して図外の搬送手段が処理室内１ａに進退する。そして、処理済の基板Ｗを昇降プレート９の上昇でリフトピン１０により基板ステージ２から押上げ、この状態で搬送手段に受け渡して処理室１ａから搬出し、また、新たな基板Ｗを搬送手段により処理室１ａに搬入してリフトピン１０に受け渡し、昇降プレート９の下降で基板ステージ２の基板載置面２ａに基板Ｗを載置するようにしている。

また、基板ステージ２には、真空チャンバ１外側に設置された公知のヒータ電源装置１２ａに接続された抵抗加熱式の加熱手段１２が組み込まれていると共に、冷却ガスや冷却水等の冷媒を循環できる冷媒循環路１３が形成されている。これにより、基板Ｗの加熱と冷却による基板Ｗの温度制御ができるようになっている。この場合、加熱手段１２と冷媒循環路１３とを具備する基板ステージ２自体が加熱冷却体を構成する。

図２に示すように、基板ステージ２の基板載置面２ａには、静電気によって基板Ｓを吸着するために静電チャック用の正負一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄが設けられている。正負一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄは、支柱７内を貫通する電源ケーブル１５ａにより真空チャンバ１外側に配置したチャック電源装置１５に接続されている。チャック電源装置１５は、公知の構造を有し、任意の波形で各一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄに直流電圧を印加することを制御する電圧制御回路１５ｂと、各一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄに逆電圧を印加する逆電圧印加回路とを具備する。本実施の形態では、チャック電源装置１５により一対の吸着電極１４ａ及び１４ｄに、一定の周期で極性が変化する三角パルス状の電圧が印加するようにしている（図３参照）。

次に、上記処理装置において基板Ｗを所定温度に加熱する場合を例にその基板Ｗの加熱方法を説明する。新たな基板Ｗを搬送手段により処理室１ａに搬入してリフトピン１０に受け渡し、昇降プレート９の下降で基板ステージ２の基板載置面２ａに基板Ｗを載置した後、チャック電源装置１５により吸着電極１４ａ乃至１４ｄに通電して基板Ｗを吸着保持する。そして、ヒータ電源装置１２ａを作動させて基板Ｗの加熱を開始する。

このとき、基板Ｗの吸着領域Ａ１は吸着電極１４ａ乃至１４ｄを経た基板ステージ２からの直接の熱伝導により加熱され、周辺領域Ａ２は主として吸着領域Ａ１からの熱伝導及び基板ステージ２からの輻射熱で昇温していく。そして、基板Ｗの加熱開始直後から、チャック電源装置１５により一定の周期で極性が変化する三角パルス状の電圧を印加する。

その昇温過程においてチャック電源装置１５により逆電圧が印加されて基板Ｗの吸着が解除されたときには、吸着領域Ａ１への熱伝導量が急激に低下すると共に、昇温速度が遅く比較的に温度が低い周辺領域に熱が逃げる。そして、チャック電源装置１５により正電圧が印加されて基板Ｗが再度吸着されると、吸着領域Ａ１は基板ステージ２からの直接の熱伝導により加熱される（つまり、温度上昇速度が速くなる）。

基板Ｗが設定温度に達すると、各一対の吸着電極１４ａ乃至１４ｄにチャック電源装置１５により一定の正電圧が連続して印加され、基板Ｗが吸着保持された状態となる。その際、加熱手段１２の作動が停止され、必要に応じて冷媒循環路１３に冷媒を循環させて基板Ｗが温度制御される。

このように、本実施の形態では、昇温過程における吸着領域Ａ１及び周辺領域Ａ２の測定点での温度を測定してみると、図３に示すように、基板Ｗの吸着を解除した場合に吸着領域Ａ１の温度が一旦低下すると共に、周辺領域Ａ２の昇温速度が過渡的に速くなり、その結果、基板Ｗの加熱時に吸着領域Ａ１と周辺領域Ａ２との間の温度差が小さくなる。従って、前述する制御を繰り返しながら基板Ｗを加熱することで、所定温度に達した基板Ｗ面内で温度むらの発生が抑制され、また、その昇温過程において基板Ｗ面内での熱膨張の差に起因した熱応力で基板が破損することが効果的に防止できる。

また、本実施の形態においては、基板Ｗの吸着を解除するときに吸着電極１４ａ乃至１４ｄに逆電圧を定期的に印加しているため、吸着電極１４ａ乃至１４ｄをアース接地しただけでは、残留する電荷により基板Ｗの吸着が完全に解除できない場合があるが、逆電圧を印加することで残留電荷が打ち消され、基板Ｗの吸着を完全に解除できる。

また、本実施の形態においては、チャック電源装置１５により吸着電極１４ａ乃至１４ｄに三角パルス状の電圧を印加しているため、矩形パルス電圧を印加したときには、ピーク電圧（吸着力が最大となる）が印加された状態で所定時間保持され、この間、吸着領域Ａ１の温度上昇速度がより速くなって周辺領域Ａ２との温度差が一層大きくなるが、ピーク電圧（吸着力が最大となる）が印加された直後に電圧を下げて吸着力を低下させることで、吸着時における吸着領域Ａ１の温度上昇を抑制できる。

尚、本実施の形態では、ＣＶＤ法による成膜処理に用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、基板温度を制御しつつエッチング、スパッタリング等の他の処理を行う場合にも適用可能である。

また、本実施の形態では、チャック電源装置１５により一定の周期で極性が変化する三角パルス状の電圧を印加し、吸着電極１４ａ乃至１４ｄと基板Ｗとが縁切りされて完全に吸着解除するものについて説明したが、上記周期は任意に設定でき、また、図４に示すように、本発明の吸着の解除には、三角パルス状の電圧を印加することで、印加電圧が低下したときに、堆積する電荷の影響を受けずに、吸着電極１４ａ乃至１４ｄと基板Ｗとが実質的に縁切りされるような場合を含む。

その際、基板Ｗの昇温過程において基板Ｗ温度が低く、熱膨張量が少ない間は基板Ｗの吸着力を小さくし、熱膨張に起因した熱応力を小さく抑制し、基板Ｗ温度が所定温度に達したときに基板Ｗに蓄積される熱応力の総量を少なくするために、吸着電極１４ａ乃至１４ｄへの印加電圧を段階的に増加するようにしてもよい。

本発明の基板の加熱冷却方法を実施できる処理装置の模式的に示す断面図。 図１の処理装置において基板ステージ上での基板の吸着保持を説明する図。 基板の加熱制御を説明するグラフ。 他の形態に係る基板加熱時の吸着電極への電圧制御を説明するグラフ。

符号の説明

１ 真空チャンバ
１ａ 処理室
２ 基板ステージ
２ａ 基板載置面
１２ 加熱手段
１３ 冷媒循環路（冷却手段）
１４ａ乃至１４ｄ 吸着電極
１５ チャック電源装置
Ａ１ 吸着領域
Ａ２ 周辺領域
Ｗ 基板

Claims (4)

1. 吸着電極に所定の電圧を印加して被処理体を静電吸着する工程と、この静電吸着した被処理体を加熱冷却体により所定の温度に加熱または冷却する工程とを含み、この被処理体の温度が所定の温度に達するまでの間に、被処理体の静電吸着を所定の間隔で解除する工程をさらに含むことを特徴とする被処理体の加熱冷却方法。
2. 前記被処理体の吸着を解除する際、前記吸着電極に前記電圧の逆電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の被処理体の加熱冷却方法。
3. 前記吸着電極に三角パルス状の電圧を印加することを特徴とする請求項１または請求項２記載の被処理体の加熱冷却方法。
4. 前記吸着電極への印加電圧を段階的に増加す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項に記載の被処理体の加熱冷却方法。
   
   
   

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