JP2017228597A

JP2017228597A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2017228597A
Application number: JP2016122031A
Authority: JP
Inventors: 石川　道夫; Michio Ishikawa; 道夫石川; 菊池　正志; Masashi Kikuchi; 正志菊池; 高橋　直樹; Naoki Takahashi; 直樹高橋; 富沢　和之; Kazuyuki Tomizawa; 和之富沢
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-28

Abstract

【課題】超高温の成膜プロセスに対応可能な成膜装置を提供する。【解決手段】チャンバ１０１内のウェハＷに対して成膜処理を行う成膜装置１００であって、ウェハＷが載置される載置面２ａを有して、周方向に回転駆動される回転ステージ２と、回転ステージ２に設けられて、載置面２ａ上に載置されたウェハＷを加熱するヒータ３と、ヒータ３に電力を供給する電力供給部５とを備え、回転ステージ２は、チャンバ１０１を貫通した状態で回転自在に支持された回転シャフト１２を有し、電力供給部５は、ヒータ３と電気的に接続されると共に、回転シャフト１２を軸線方向に貫通する貫通孔を通してチャンバ１０１の外側へと引き延ばされた配線２４ａを有し、ヒータ３は、回転ステージ２の載置面２ａ上に載置されたウェハＷを６００〜２０００℃の温度で加熱し、回転シャフト１２は、前記温度に対して耐熱性を有するセラミックス又はガラスからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置に関する。

例えば、半導体ウェハ（以下、単にウェハという。）に対して成膜処理を行う成膜装置では、化学気相成長（ＣＶＤ）法やエピタキシャル成長法などを用いて、減圧可能なチャンバ（成膜室）内に設置されたウェハを加熱しながら、ウェハの面上に薄膜を形成する。

また、成膜装置では、成膜時にチャンバの外側に設置された赤外線ランプから、石英など赤外線の透過率のよいガラス製の窓部を通して、チャンバ内のウェハに赤外線を照射する。これにより、ウェハを間接的に加熱することが行われている。

しかしながら、このような間接的なウェハの加熱方法では、チャンバ内で生成された反応生成物などが窓部に堆積することによって、赤外線の透過率が変化してしまい、ウェハの加熱温度に変動が生じることになる。また、ウェハの面内における温度分布が不均一となることによって、安定して均一な成膜を行うことが困難となる。このため、ウェハを間接的に加熱するヒータをチャンバ内に配置する形式への移行が進みつつある。

また、ＣＶＤ法による成膜装置では、成膜速度や成膜された薄膜の特性がガスの流れに依存する場合が多く、薄膜の厚みやその物理的特性及び化学的特性の均一性を向上させるために、ウェハを面内で回転させながら成膜を行っている。このため、成膜装置では、ウェハが載置される載置面を有して、周方向に回転駆動される回転ステージと、回転ステージに設けられて、載置面上に載置されたウェハを加熱するヒータと、載置面上に載置されたウェハを吸着する静電チャックとを備えたサセプタと呼ばれる機構（ウェハ載置機構）が用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。

しかしながら、一般にウェハとして使用されるシリコン(Ｓｉ)基板は、軽量なために、回転時の衝撃やガスの流れなどによって、載置面上で動いてしまうことがある。このような載置面上におけるウェハの位置ずれは、パーティクルが発生する原因となったり、ひどいときにはウェハの搬送エラーの原因ともなる。このため、サセプタでは、スパッタ装置やエッチング装置などで使用されている静電チャックを設けて、載置面上に載置されたウェハを吸着しながら、成膜時に回転するウェハを安定して保持することが行われている。

一方、サセプタでは、ヒータによる輻射でウェハを間接的に加熱するため、ヒータによる加熱温度をウェハの所望とする加熱温度よりも高く設定する必要がある。しかしながら、ＣＶＤ法による成膜装置では、ガスの熱分解で成膜を行うため、ウェハよりも高温となるヒータにより多くの膜（分解生成物）が付着することになる。この場合も、パーティクルが発生する原因となるため、こまめなガスクリーニングが必要となり、生産性の低下を招くことになる。

さらに、サセプタでは、載置面上に載置されたウェハがステージからの輻射で加熱されるため、ヒータ、ステージ、ウェハの順で加熱温度が高くなる。したがって、成膜時に必要な温度までウェハを加熱するためには、ヒータの加熱温度を更に高く設定しておく必要がある。

このような問題を解決するために、ステージの内側に複数のヒータコイル（発熱抵抗体）を配置し、ウェハにより近い位置で加熱することが行われている。しかしながら、一般にＣＶＤ法による成膜プロセスでは、ウェハを６００℃以上に加熱する必要がある。この場合、ヒータや静電チャックなどと電気的に接続される配線が高温に晒されることになり、ヒータや静電チャックを正常に動作させることが非常に困難となる。

なお、上記特許文献１に記載の技術では、成膜時のプロセス温度が６００℃程度であり、成膜時に使用されるガスの腐食性が低いために、回転シャフトや回転機構にアルミニウムやステンレスなどの金属が使用されている。このため、耐熱性及び耐腐蝕性が低く、腐食性ガスを用いた超高温の成膜プロセスなどに耐え得ることは不可能である。

特開２０１１−２３３９２９号公報

本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、超高温の成膜プロセスに対応可能な成膜装置を提供することを目的の一つとする。

〔１〕本発明の一つの態様に係る成膜装置は、チャンバ内のウェハに対して成膜処理を行う成膜装置であって、前記ウェハが載置される載置面を有して、周方向に回転駆動される回転ステージと、前記回転ステージに設けられて、前記載置面上に載置されたウェハを加熱するヒータと、前記ヒータに電力を供給する電力供給部とを備え、前記回転ステージは、前記チャンバを貫通した状態で回転自在に支持された回転シャフトを有し、前記電力供給部は、前記ヒータと電気的に接続されると共に、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた配線を有し、前記ヒータは、前記回転ステージの載置面上に載置されたウェハを６００〜２０００℃の温度で加熱し、前記回転シャフトは、前記温度に対して耐熱性及び耐腐蝕性を有するセラミックス又はガラスからなることを特徴とする。

〔２〕前記〔１〕に記載の成膜装置において、前記セラミックスは、窒化ケイ素を含むことを特徴とする。

〔３〕前記〔１〕に記載の成膜装置において、前記ガラスは、石英ガラスを含むことを特徴とする。

〔４〕前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の成膜装置において、前記チャンバの外側に設けられて、前記回転シャフトを冷却する冷却機構を備えることを特徴とする。

〔５〕前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の成膜装置において、前記回転ステージに設けられて、前記載置面上に載置されたウェハを吸着する静電チャックを備え、前記電力供給部は、前記静電チャックと電気的に接続された配線を有し、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた前記配線を介して前記静電チャックに電力を供給することを特徴とする。

〔６〕前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の成膜装置において、前記回転ステージに設けられて、前記回転ステージの載置面上に載置されたウェハの温度を測定する温度測定部を備え、前記温度測定部は、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた配線と電気的に接続された熱電対を有することを特徴とする。

以上のように、本発明の一つの態様によれば、超高温の成膜プロセスに対応可能な成膜装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す断面図である。図１中に示す線分Ｘ−Ｘ’による回転シャフトの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の数や寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。

本発明の一実施形態として、例えば図１及び図２に示すサセプタ１を備えた成膜装置１００について説明する。なお、図１は、サセプタ１を備えた成膜装置１００の概略構成を示す断面図である。図２は、図１中に示す線分Ｘ−Ｘ’による回転シャフト１２の断面図である。

本実施形態の成膜装置１００は、例えば学気相成長法（ＣＶＤ）やエピタキシャル成長法などを用いて、半導体ウェハ（以下、単にウェハという。）Ｗに対して成膜処理を行い、ウェハＷの面上に薄膜を形成するものである。

具体的に、この成膜装置１００は、減圧可能なチャンバ１０１内に、サセプタ（ウェハ載置機構）１を備えている。サセプタ１は、ウェハＷが載置される回転ステージ２と、回転ステージ２の載置面２ａ上に載置されたウェハＷを加熱するヒータ３と、回転ステージ２の載置面２ａ上に載置されたウェハＷを吸着する静電チャック４と、ヒータ３及び静電チャック４に電力を供給する電力供給部５と、回転ステージ２の載置面２ａ上に載置されたウェハＷの温度を測定する温度測定部６と、温度測定部６が測定した温度に基づいて、電力供給部５からヒータ３に供給される電力を制御する電力制御部７とを概略備えている。

回転ステージ２は、載置面２ａを形成する円板状のトッププレート８と、トッププレート８の周囲から載置面２ａとは反対側（下方）に向けて延長された円筒状のサイドスカート９と、サイドスカート９のトッププレート２とは反対側（下面）を閉塞する円板状のボトムプレート１０とを有している。

トッププレート８、サイドスカート９及びボトムプレート１０には、例えば、アルミナセラミックス、窒化アルミセラミックス、カーボン系セラミックス、石英などの耐熱性及び耐腐蝕性に優れた絶縁部材が用いられている。具体的に、本実施形態では、一体に形成されたトッププレート８及びサイドスカート９にカーボン系セラミックスであるグラファイトが用いられ、ボトムプレート１０に石英が用いられている。また、ボトムプレート１０の上面には、例えば石英などからなる円板状の断熱材１１が配置されている。

なお、サイドスカート９及びボトムプレート１０については、一体に形成されたものに限らず、別体に形成されたものであってもよい。また、サイドスカート９の形状については、上述した円筒状に限らず、下方に向けて漸次拡径されたテーパー形状を有していてもよい。

回転ステージ２は、軸線方向に貫通する複数の貫通孔１２ａ〜１２ｃが形成された中空円筒状の回転シャフト１２を有している。回転シャフト１２は、ボトムプレート１０の下面中央から下方に突出されると共に、チャンバ１０１を貫通した状態で、チャンバ１０１の下面に配置された回転真空シール１３を介して回転自在に支持されている。回転真空シール１３には、磁性流体シールが用いられている。また、回転シャフト１２は、その下端部に取り付けられた真空フランジ１４を介して駆動モータ１５と接続されている。真空フランジ１４には、セラミックスなどの絶縁材が用いられている。これにより、回転ステージ２は、成膜時に駆動モータ１５が回転シャフト１２を回転駆動することによって、周方向に回転可能となっている。

回転ステージ２の載置面２ａ上に載置されたウェハＷは、成膜時にヒータ３により６００〜２０００℃の温度で加熱される。回転シャフト１２には、このような高温に耐え得るように、且つ、Ｈ_２、ＨＣｌ、Ｃｌ_２などの反応性ガスに腐蝕されないように、例えばセラミックスやガラスなどの耐熱性及び耐腐蝕性に優れた絶縁部材が用いられている。

具体的に、ガラスとしては、例えば、石英(ＳｉＯ_２)ガラスやサファイア(Ａｌ_２Ｏ_３)ガラスなどを用いることができる。一方、セラミックスとしては、例えば、アルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)やジルコニア(ＺｒＯ_２)などの酸化物系セラミックスや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素(Ｓｉ_３Ｎ_４)、炭化ケイ素(ＳｉＣ)、窒化ホウ素(ＢＮ)、カーボンセラミックスなどの非酸化物系セラミックス等を用いることができる。

回転シャフト１２には、その中でも石英又は窒化ケイ素を主剤として含むものを用いることが好ましい。なお、本実施形態では、回転シャフト１２に窒化ケイ素が用いられている。

さらに、チャンバ１０１の外側には、回転シャフト１２を冷却する冷却機構１６が設けられている。冷却機構１６には、チャンバ１０１の下方に配置されて、成膜時に回転シャフト１２に向けて送風を行う冷却ファンが用いられている。なお、冷却機構１６については、上述した冷却ファンのような空冷式の冷却機構に限らず、水冷式の冷却機構を用いてもよい。また、ピエゾ（ペルチェ）素子などの冷却機構を用いることも可能である。

ヒータ３は、トッププレート８の下面（内面）に配置された複数のヒータコイル１７と、サイドスカート９の内周面に沿って並んで配置された複数の電極部１９とを有している。

複数のヒータコイル１７は、同心円状又は螺旋状の発熱抵抗体であり、トッププレート８の径方向に所定の間隔で並んで配置されている。ヒータコイル１７を形成する発熱抵抗体には、例えば、ＣＶＤ法により窒化ホウ素(ＰＢＮ)又は熱分解グラファイト(ＰＧ)の薄膜が表面に成膜された炭素材(Ｃ)などの耐熱性に優れた導電部材が用いられている。また、発熱抵抗体には、体積抵抗率が４．８〜１１μΩｍである低抵抗率の炭素材(Ｃ)が用いられている。

複数の電極部１９は、複数のヒータコイル１７と電気的に接続された状態で、サイドスカート９の周方向に所定の間隔で並んで配置されている。また、各電極部１９は、回転シャフト１２側へと引き延ばされている。

ヒータ３では、成膜時に複数の電極部１９を介して複数のヒータコイル１７に電力が供給される。これにより、これらのヒータコイル１７，１８を発熱させながら、載置面２ａの載置されたウェハＷを加熱する。

静電チャック４は、トッププレート８の上面（載置面２ａ）にある誘電体層に埋設された一対の内部電極２０ａ，２０ｂと、一対の内部電極２０ａ，２０ｂと電気的に接続された状態で、回転シャフト１２側へと引き延ばされた一対の電極部２１ａ，２１ｂとを有している。

静電チャック４では、成膜時に一対の電極部２１ａ，２１ｂを介して一対の内部電極２０ａ，２０ｂの間に電圧が印加される。これにより、ウェハＷの表面に逆電圧を誘導し、両者の間に働くクーロン力やジョンソン・ラーベック力、グラジエント力などによってウェハＷを吸着する。

電力供給部５は、ヒータ３に電力を供給するヒータ用電源２２と、静電チャック４に電力を供給する静電チャック用電源２３とを有している。ヒータ用電源２２は、回転シャフト１２の貫通孔１２ａを通してチャンバ１０１の外側へと引き延ばされた複数の第１の配線２４ａを介してヒータ３（具体的には複数の電極部１９）と電気的に接続されている。静電チャック用電源２３は、回転シャフト１２の貫通孔１２ｂを通してチャンバ１０１の外側へと引き延ばされた一対の第２の配線２４ｂを介して静電チャック４（具体的には一対の電極部２１ａ，２１ｂ）と電気的に接続されている。

温度測定部６は、回転シャフト１２の貫通孔１２ｃを通してチャンバ１０１の外側へと引き延ばされた一対の第３の配線２４ｃと電気的に接続された熱電対２５を有している。熱電対２５は、回転シャフト１２の貫通孔１２ｃを通してトッププレート８と接する位置まで延長して設けられている。温度測定部６は、熱電対２５により載置面２ａ上に載置されたウェハＷの温度（微小信号）を測定し、その測定結果を電力制御部７へと供給する。

電力制御部７は、温度測定部６が測定した温度に基づいて、ウェハＷが所望の温度となるように、ヒータ用電源２２からヒータ３に供給される電力を制御する。

以上のように、本実施形態の成膜装置１００では、上述した回転シャフト１２に耐熱性及び耐腐蝕性に優れた絶縁部材を用いることで、成膜時にヒータ３により６００〜２０００℃の高温で加熱される場合でも、回転シャフト１２の各貫通孔１２ａ〜１２ｃを通して配置される各配線２４ａ〜２４ｃを熱的に保護することが可能である。また、各配線２４ａ〜２４ｃと回転シャフト１２との電気的な絶縁も可能である。さらに、成膜時に使用されるガスによる各配線２４ａ〜２４ｃの腐食を防止することが可能である。

したがって、本実施形態の成膜装置１００では、ヒータ３、静電チャック４及び熱電対２５と電気的に接続される各配線２４ａ〜２４ｃが高温に晒されることなく、これらヒータ３、静電チャック４及び熱電対２５を正常に動作させることが可能なことから、超高温の成膜プロセスに対応することが可能である。

１…サセプタ（ウェハ載置機構）２…ステージ２ａ…載置面３…ヒータ４…静電チャック５…電力供給部６…温度測定部７…電力制御部８…トッププレート９…サイドプレート１０…ボトムプレート１１…断熱材１２…回転シャフト１２ａ〜１２ｃ…貫通孔１３…回転真空シール１４…真空フランジ１５…駆動モータ１６…冷却ファン１７…ヒータコイル１９…電極部２０ａ，２０ｂ…内部電極２１ａ，２１ｂ…電極部２２…ヒータ用電源２３…静電チャック用電源２４ａ…第１の配線２４ｂ…第２の配線２４ｃ…第３の配線２５…熱電対２６…開口部１００…成膜装置１０１…チャンバＷ…ウェハ

Claims

チャンバ内のウェハに対して成膜処理を行う成膜装置であって、
前記ウェハが載置される載置面を有して、周方向に回転駆動される回転ステージと、
前記回転ステージに設けられて、前記載置面上に載置されたウェハを加熱するヒータと、
前記ヒータに電力を供給する電力供給部とを備え、
前記回転ステージは、前記チャンバを貫通した状態で回転自在に支持された回転シャフトを有し、
前記電力供給部は、前記ヒータと電気的に接続されると共に、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた配線を有し、
前記ヒータは、前記回転ステージの載置面上に載置されたウェハを６００〜２０００℃の温度で加熱し、
前記回転シャフトは、前記温度に対して耐熱性及び耐腐蝕性を有するセラミックス又はガラスからなることを特徴とする成膜装置。
前記セラミックスは、窒化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記ガラスは、石英ガラスを含むことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記チャンバの外側に設けられて、前記回転シャフトを冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の成膜装置。
前記回転ステージに設けられて、前記載置面上に載置されたウェハを吸着する静電チャックを備え、
前記電力供給部は、前記静電チャックと電気的に接続された配線を有し、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた前記配線を介して前記静電チャックに電力を供給することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の成膜装置。
前記回転ステージに設けられて、前記回転ステージの載置面上に載置されたウェハの温度を測定する温度測定部を備え、
前記温度測定部は、前記回転シャフトを軸線方向に貫通する貫通孔を通して前記チャンバの外側へと引き延ばされた配線と電気的に接続された熱電対を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の成膜装置。