JP2011187637A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第２のヒータと、前記第1のヒータと第２のヒータを加熱制御する制御部であって、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する制御部とから半導体製造装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＶＤ処理装置等の半導体製造装置に係り、特に半導体ウエハ（以下、ウエハという。）等の基板を載置する基板載置部（サセプタ）内のヒータの加熱制御方式を改善した半導体製造装置に関する。

例えば、特許文献１に開示されている枚葉式のＣＶＤ処理装置では、反応室内にウェハを載置するための基板載置部を備え、該基板載置部内にヒータユニットを備えており、基板載置部の載置面にウェハを載置し、その状態で、反応室内に反応ガスを流して、ヒータユニットによりウェハを加熱することにより、ウェハに成膜を施すようになっている。

特開２００１−１２７１４２号公報

従来の枚葉式処理装置で用いられているヒータの昇温方式では、目標温度と一定の昇温レート（℃／ｍｉｎ）を登録し、ヒータの測定温度（検出温度）と目標温度の差に応じたヒータ出力を行うよう、フィードバック制御を行っていた。そのため、ヒータ温度を測定する熱電対と温度調節器間の信号ラインにノイズ信号が乗ることによるヒータ温度誤検知などの外乱等により、温度検出値が低くなるよう変動した場合は、ヒータが目標温度になるよう、急激にヒータ出力を増加するようなフィードバック制御が行われる。この場合、基板載置部やヒータ本体が熱応力を吸収できれば問題ないが、セラミックス部材で覆われたヒータなどの場合は、熱応力を吸収しきれずに破損することがある。また、２ゾーン以上のマルチゾーンのヒータエレメントを備えたヒータの場合は、外乱による温度検出値の変動により、ゾーン毎のヒータ出力値の差が大きくなるため、基板載置部やヒータが破損する可能性が大きくなる。
本発明の目的は、従来技術のヒータ昇温方式において、セラミックス部材や石英部材で構成されるヒータや基板載置部などが破損しやすいという課題を解決し、ヒータ昇温時に、熱応力に起因するヒータや基板載置部の破損を防止することのできるヒータ昇温方式、及び該ヒータ昇温方式を用いた半導体製造装置を提供することにある。

本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第２のヒータと、
前記第1のヒータと第２のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。

このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータを加熱制御するので、基板を均一に加熱することができ、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。

本発明の実施例に係る枚葉式処理装置の垂直断面図である。 本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの温度制御方式を示す図である。 本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの出力比率を示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
本実施例のプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界を形成し、マグネトロン放電を起こす。放電用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ので高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。

図１に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。図１は、本発明の実施例に係る枚葉式処理装置であるＭＭＴ装置の垂直断面図である。ＭＭＴ装置は、処理容器２０３を有し、この処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と第２の容器である碗型の下側容器２１１により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。また後述するヒータ一体型の基板載置部（基板保持手段）であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。

シャワーヘッド２３６は、処理室２０１の上部に設けられ、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。

ガス導入口２３４には、ガスを供給するガス供給管２３２が接続されており、ガス供給管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、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２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁にガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。

供給される反応ガス２３０を励起させる放電機構（放電手段）として、筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力を印加する高周波電源２７３が接続されている。

また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１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２１６、２１６の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、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２１５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。

処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板載置部（基板保持手段）としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（加熱手段）としてのヒータ２１７ｂ、及び温度検出器２５（図２参照）が一体的に埋め込まれており、ウエハ２００を加熱できるようになっている。ヒータ２１７ｂは電力が印加されてウエハ２００を９００℃程度にまで加熱できるようになっている。サセプタ２１７は、シャフト２６８により支持されており、温度検出器２５からの信号線は、シャフト２６８内を通って制御部１２１に接続されている。

また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、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、上記電極及びサセプタ２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。

ウエハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。

筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。

サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）でもあるシャフト２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるためのウエハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウエハ突上げピン２６６が配置される。

また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いている時には図中省略の搬送機構（搬送手段）により処理室２０１に対してウエハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。

また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は、信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータ２１７ｂやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。このように、コントローラ１２１は、ＭＭＴ装置の各構成部の制御を行うものである。

次に上記のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ２００表面に対し、又はウエハ２００上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は制御部１２１により制御される。

ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１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２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウエハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ２００をウエハ突上げピン２６６の先端に載置する。搬送機構が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置することができ、更にウエハ２００を処理する位置まで上昇する。

次に、真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。また、サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ２１７ｂにより、搬入されたウエハ２００を室温〜９００℃の範囲の内、所定のウエハ処理温度に昇温するよう加熱する。本実施例では、サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ２１７ｂは、複数のゾーンヒータから構成されるマルチゾーンヒータである。

マルチゾーンヒータの昇温方式を、図２、図３を用いて説明する。図２は、本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの温度制御方式を示す図である。図３は、本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの出力比率を示す図である。図２において、２１は、温度調節器であり、制御部１２１の一部を構成する。２２は、サセプタ２１７の中央部に配置されたセンタゾーンヒータである。２３は、サセプタ２１７の周辺部に配置されたアウトゾーンヒータ（１）である。２４は、サセプタ２１７の周辺部に配置されたアウトゾーンヒータ（Ｎ）である。２５は、センタゾーンヒータ２２の近傍に配置された熱電対等の温度検出器である。２６は、センタゾーンヒータ２２のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器２１から、後述するサイリスタ３０へ出力される。２７は、アウトゾーンヒータ（１）２３のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器２１から、後述するサイリスタ３１へ出力される。２８は、アウトゾーンヒータ（Ｎ）２４のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器２１から、後述するサイリスタ３２へ出力される。３０は、温度調節器２１からの温度制御信号２６に基づいて、センタゾーンヒータ２２へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。３１は、温度調節器２１からの温度制御信号２７に基づいて、アウトゾーンヒータ（１）２３へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。３２は、温度調節器２１からの温度制御信号２８に基づいて、アウトゾーンヒータ（Ｎ）２４へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。

本発明では、ヒータ昇温時において、ヒータが目標温度になるようフィードバック制御を行うのではなく、図３に示すように、測定温度帯（検出温度帯）毎にヒータ出力を固定するようにする。本実施例では、測定温度は、センタゾーンヒータ２２の近傍に配置された温度検出器２５により求められる。図３では、センタゾーンヒータ２２へのヒータ制御電力（加熱制御値）を、測定温度が０〜３００℃においては１２％、測定温度が３００〜５００℃においては１３％、測定温度が５００〜７００℃においては１５％、測定温度が７００〜９００℃においては１７％としている。ここで、ヒータ制御電力の％表示は、ヒータ位相制御に使用しているサイリスタユニットによる出力電圧の制御％を意味している。温度制御信号２６は、各温度帯に対応した、センタゾーンヒータ２２への加熱制御値を、サイリスタ３０へ伝える。このように、ヒータ昇温時において、測定温度によりヒータ制御電力が変動するフィードバック制御を行うのではなく、測定温度帯毎にヒータ制御電力を固定しているので、外乱等により測定温度が変動しても、異常に大きいヒータ制御電力が出力されることを防止できる。

また、ヒータ昇温時において、図３に示すように、アウトゾーンヒータへのヒータ出力を、アウトゾーンヒータ毎に、センタゾーンヒータ２２へのヒータ出力に対する比率で設定する。図３では、アウトゾーンヒータ（１）２３へのヒータ出力の、センタゾーンヒータ２２へのヒータ出力に対する比率を、比率１により設定、すなわち、測定温度が０〜３００℃においては１．０、測定温度が３００〜５００℃においては１．２５、測定温度が５００〜７００℃においては1．４３、測定温度が７００〜９００℃においては２．０としている。したがって、温度制御信号２７は、各温度帯において、アウトゾーンヒータ（１）２３への加熱制御値を、サイリスタ３１へ伝える。その結果、アウトゾーンヒータ（１）２３へのヒータ出力は、測定温度が０〜３００℃においては１２％、測定温度が３００〜５００℃においては１６．３％、測定温度が５００〜７００℃においては２1．５％、測定温度が７００〜９００℃においては３４．０％となる。

同様に、図３では、アウトゾーンヒータ（Ｎ）２４へのヒータ出力の、センタゾーンヒータ２２へのヒータ出力に対する比率を、比率Ｎにより設定する。すなわち、測定温度が０〜３００℃においてはＮ＝１．０、測定温度が３００〜５００℃においてはＮ＝１．３０、測定温度が５００〜７００℃においてはＮ＝1．５０、測定温度が７００〜９００℃においてはＮ＝２．０としている。したがって、温度制御信号２８は、各温度帯において、アウトゾーンヒータ（Ｎ）２４への加熱制御値を、サイリスタ３２へ伝える。その結果、アウトゾーンヒータ（Ｎ）２４へのヒータ制御電力は、測定温度が０〜３００℃においては１２％、測定温度が３００〜５００℃においては１７％、測定温度が５００〜７００℃においては２２．５％、測定温度が７００〜９００℃においては３４．０％となる。

なお、上述したアウトゾーンヒータへのヒータ制御電力の、センタゾーンヒータ２２へのヒータ制御電力に対する比率は、熱電対付きウエハ等を使用した評価結果に基づき、最適値を使用するのがよい。
また、上述の例では、アウトゾーンヒータを１〜Ｎの複数としたが、１つであってもよい。また、アウトゾーンヒータを用いず、センタゾーンヒータのみの場合であっても、測定温度帯毎に、センタゾーンヒータ２２へのヒータ制御電力を固定して設定することにより、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。

ウエハ２００の温度が目標の処理温度に達し、安定化したら、上記のヒータ昇温時の温度制御方式から、温度検出値と目標温度の差に基づきヒータ出力を行うフィードバック制御に切り換える。また、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス噴出孔２３９を介して、反応ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００の上面（処理面）に向けて、所定の流量導入する。同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０〜２００Ｗの範囲の内、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２７４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２１６、２１６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２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウエハ２００の表面にプラズマ処理が施される。プラズマ処理が終わったウエハ２００は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。

なお、本発明は、前記実施例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。
前記実施形態においては、枚葉装置について説明したが、本発明は、バッチ式縦型装置にも適用することができる。
前記実施例では、ウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

以上の、本明細書の記載に基づき、次の発明を把握することができる。すなわち、第１の発明は、
基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第２のヒータと、
前記第1のヒータと第２のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータを加熱制御するので、第1のヒータと第２のヒータの温度差が大きくなりすぎることを抑制し、基板を均一に加熱することができ、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。

第２の発明は、前記第１の発明における半導体製造装置であって、
前記基板載置部は、前記基板処理室を貫通するシャフトにより支持されるとともに、前記基板載置部に、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部が設けられ、該温度検出部に接続される信号線は、前記シャフト内に配線されるようにした半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、熱電対等により構成される温度検出部の配線を、シャフト内に通すことができるため、基板載置部を垂直断面がＴ字型とすることができる。その結果、基板載置部からの熱の逃げを少なくし、効率よく加熱することができる。

第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明における半導体製造装置であって、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、予め決められた検出温度帯毎に、前記第1のヒータの加熱制御値を決定し、前記第２のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータの加熱制御値に対して予め決められた比率に基づいて、前記第２のヒータの加熱制御値を決定する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値と第２のヒータの加熱制御値を、予め決められた比率とすることができるので、基板載置部の一部を異常加熱することが防止でき、その結果、基板載置部の破損を防止することができる。

第４の発明は、前記第３の発明における半導体製造装置であって、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部の温度検出値に応じて、前記第1のヒータの加熱制御値を決定する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値と第２のヒータの加熱制御値を、第1のヒータ近傍の温度検出値に応じて設定することができるので、基板載置部の一部を異常加熱することが防止でき、その結果、基板載置部の破損を防止することができる。

２１…温度調節器、２２…センタゾーンヒータ、２３…アウトゾーンヒータ（１）、２４…アウトゾーンヒータ（Ｎ）、２５…温度検出器、２６…温度制御信号、２７…温度制御信号、２８…温度制御信号、３０…サイリスタ、３１…サイリスタ、３２…サイリスタ、１２１…コントローラ、２００…ウエハ、２０１…処理室、２０２…処理炉、２０３…処理容器、２１０…上側容器、２１１…下側容器、２１５…筒状電極、２１６…筒状磁石、２１７…サセプタ、２１７ａ…貫通孔、２２３…遮蔽板、２２４…プラズマ生成領域、２３０…反応ガス、２３１…ガス排気管、２３２…ガス供給管、２３３…キャップ状の蓋体、２３４…ガス導入口、２３５…排気口、２３５…ガス排気口、２３６…シャワーヘッド、２３７…バッファ室、２３８…開口、２３９…ガス噴出孔、２４０…遮蔽板、２４１…マスフローコントローラ、２４２…ＡＰＣ、２４３ａ…バルブ、２４３ｂ…バルブ、２４４…ゲートバルブ、２４６…真空ポンプ、２６６…ウエハ突き上げピン、２６８…シャフト、２７２…整合器、２７３…高周波電源、２７４…インピーダンス可変機構。

Claims (3)

1. 基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
   前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
   前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
   前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第２のヒータと、
   前記第1のヒータと第２のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第２のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。
2. 前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、予め決められた検出温度帯毎に、前記第1のヒータの加熱制御値を決定し、前記第２のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータの加熱制御値に対して予め決められた比率に基づいて、前記第２のヒータの加熱制御値を決定する請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部の温度検出値に応じて、前記第1のヒータの加熱制御値を決定する請求項２に記載の半導体製造装置。

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