JP2605589B2 - 減圧室の半導体基板加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタ装置および減
圧ＣＶＤ装置等における半導体基板が収納され表面処理
される減圧室の半導体基板加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、半導体基板（以下単にウェーハと
呼ぶ）に薄膜を形成する場合、ウェーハの温度が成膜さ
れる膜質を左右することが知られている。このため、ス
パッタ装置や減圧ＣＶＤ装置等の減圧室にはウェーハの
温度を制御する加熱装置が設けられている。また、これ
ら加熱装置は、生産性の観点からウェーハの温度の早い
立ち上げ立ち下げや膜質の改良として温度分布精度等の
種々の改良が提案されてきた。

【０００３】図２は従来のウェーハ加熱装置の一例を示
す模式横断面図である。この種の加熱装置の中で、短時
間で複数段に温度を変える加熱装置が特開昭６２ー３５
５１７号公報に開示されている。この加熱装置はスパッ
タ装置に適用されたものであって、図２に示すように、
ゲートバルブ２３を介してロードロック室と連結する減
圧室２４の一側面に取付けれウェーハ２０を加熱する加
熱ランプ２６と、公転機構２１の内側にあつて先端に冷
却部材をもち矢印の方向に移動して該冷却部材とウェー
ハ２０の裏面とを接触させ熱を吸収する基板冷却機構２
２とを有している。

【０００４】この加熱機構は、温度差のあるウェーハの
表面処理が短い時間で処理できることを目的としてなさ
れたものであって、ウェーハ２０をより短い時間でウェ
一ハ２０を高い温度から低い温度にするために基板冷却
機構２２を設けている。

【０００５】この加熱装置をもつスパッタ装置の動作
は、まず、減圧室２４に搬送された室温と変らない温度
のウェーハ２０を公転機構２１によりＡの位置からＢの
位置に回転移動させ、加熱ランプ２６でウェーハ２０
を、例えば、４００°Ｃに加熱する。次に、Ｃの位置に
ウェーハ２０は移動し、カソード２７に対向しながら第
１の膜付け処理を行なう。そして、この第１の膜付け処
理が終ると、公転機構２１の回転によりＤの位置にウェ
ーハ２０は位置決めされ、基板冷却機構２２の冷却部材
が矢印の方向に移動しウェーハの裏面と接触する。この
ことよりウェーハ２０は冷却され、４００°Ｃから第２
の膜付け処理に必要な温度、例えば、１００°Ｃという
低い温度まで冷却される。そして、カソード２８に対向
しながら第２の膜付け処理を行なう。

【０００６】このように、この加熱装置は高い温度に設
定されたウェーハをより早く冷却する冷却手段を設け、
スパッタ装置のスループットを向上させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の加熱装置では、加熱ランプと基板冷却機構との
配置する場所が別々であるので、温度差が二段階で高温
から低温に移行するプロセスに適用できるものの、温度
差が二段階以上で、高温から低温、低温から高温といっ
た三段階に移行するプロセスには適用が困難である。ま
た、同じ二段階でも、低温から高温に移行するプロセス
では公転機構の割出し方法を変えることによって可能で
あるが、スパッタ装置のスループットが悪くなる欠点が
ある。さらに、低温に設定するのに、水冷された冷却部
材を高温のウェーハに接触させウェーハの熱を吸収して
温度を下げているものの、ウェーハの置かれる周囲の部
材の余熱や残留分子からの熱によりウェーハに伝達され
温度変化を起しウェーハを安定して設定温度を維持する
ことが困難である。

【０００８】従って、本発明の目的は、ウェーハの温度
を多段階に温度設定できるとともに設定された温度に安
定して維持できる減圧室のウェーハ加熱装置を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、減圧室
内にあって半導体基板の周縁部を載置する平坦な載置面
と該半導体基板の裏面とでなる閉鎖空間を有するととも
にこの閉鎖空間に不活性ガスを供給する吹出し穴が形成
される基板ホルダと、載置された前記半導体基板を押え
該基板ホルダに固定する係止手段と、前記基板ホルダの
裏面に冷却部材を接触したり離したりして該基板ホルダ
の熱を吸収する冷却機構と、不活性ガス源から供給され
る前記不活性ガスの温度が異なるように制御を行なう少
なくとも二つの温調器と、これら温調器のいずれかと前
記吹出し穴を通じさせる切換え手段とを備える半導体基
板加熱装置である。

【００１０】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１１】図１は本発明の一実施例を示す減圧室のウ
ェーハ加熱装置の断面図である。このウェーハ加熱装置
は、図１に示すように、減圧室２４ａ内にあってウェー
ハ２０の周縁部を載置する平坦な載置面とウェーハ２０
の裏面側に閉鎖空間１ｂとを有するとともにこの閉鎖空
間１ｂに不活性ガスを供給する複数の吹出し穴１ａが形
成される基板ホルダ１と、載置されたウェーハ２０を押
え基板ホルダ１に固定するリング状押え板１２およびこ
の押え板１２を上下動させるエアシリンダ１３ａ，１３
ｂと、基板ホルダ１の裏面に対向し離間して配置され基
板ホルダ１を加熱する加熱ランプ７と、基板ホルダ１の
裏面に冷却されたブロック３を接触したり離したりして
基板ホルダ１の熱を吸収する基板ホルダ冷却機構と、こ
のブロック３を上下動するエアシリンダ１４ａ，１４ｂ
と、ガス供給源１０より供給される不活性ガスの温度を
所定温度範囲内でそれぞれ可変し得る高温および低温の
二つの温調器１６ａ，１６ｂと、これら温調器１６ａ，
１６ｂのいずれかと配管２とを通じさせる切換弁９と、
基板ホルダ１に埋設される熱電対６からの温度信号を入
力し冷却機構の動作および加熱ランプ７の入切を制御す
るとともに温調器１６ａ，１６ｂのガス流量および温度
の設定並びに切換弁の動作を制御する制御部５を備えて
いる。

【００１２】基板ホルダ冷却機構は、冷却水を貯えるジ
ャケット４と、このジャケット４上に取付けられ伸縮自
在のベロー配管１１ａ，１１ｂと、ベロー配管１１ａ，
１１ｂの一端に水密に取付けられるリング状のブロック
３と、ブロック３にピストンロッドを介して連結される
エアシリンダ１４ａ，１４ｂとで構成されている。そし
てエアシリンダ１４ａ，１４ｂの作動によってブロック
３は矢印Ａ，Ｂの方向に移動し基板ホルダ１と接触した
り離間したりする。ここで、ジャケット４内の一定温度
の冷却水は循環できるように装置外に恒温漕と循環ポン
プを備えることが望ましい。

【００１３】本発明では、ランプ加熱機構と基板ホルダ
冷却機構の他に伝熱媒体に不活性ガスを使用するガス温
度切換え機構を新たに設けている。このガス温度切換え
機構は高温部と低温部との２系統をもつ温調器１６ａ，
１６ｂであって、そして、温調器１６ａ，１６ｂは、図
面には示さないが、ガス供給源１０から供給されるガス
を蓄える高温用および低温用のリザーバーと、それぞれ
のリザーバー内のガスの温度を変えるヒータおよびチラ
ーユニットと、ガス流量を調節する流量調節弁を備えて
いる。さらに、これらの温調器１６ａ，１６ｂは制御部
５の信号により制御されガスの温度調節および流量調節
が設定される。

【００１４】この温調器１６ａ，１６ｂのいずれかから
供給される不活性ガスは所望の設定温度にされ吹出し穴
１ａを通しウェーハ２０と基板ホルダ１との間の閉鎖空
間１ｂを充たし、閉鎖空間１ｂのガス分子の濃度を上げ
て伝熱度を高めよりウェーハ２０を設定温度にする。こ
のガス分子の濃度を高めるために流量調節弁を調節して
圧力を望ましくは７０Ｔｏｒｒ程度の圧力に設定する。
そして、必要以上の圧力上昇にてウェーハ２０を変形し
ないように圧力を制限するために配管２の経路途中に臨
界圧力に設定されたリリーフ弁１６を設ける必要があ
る。

【００１５】ここで、この閉鎖空間１ｂからのガスのリ
ークについて考察してみた。通常、減圧室２４ａの圧力
は、装置によって差があるが、１Ｔｏｒｒ乃至８ｍＴｏ
ｒｒ程度であり、しかも、減圧室のガス導入口から不活
性ガスを導入しながら常に上記圧力を維持するように比
較的排気容量の大きい真空ポンプで排気を行なっている
ので、ウェーハ２０と基板ホルダ１の平坦に仕上げられ
た載置面との隙間からのリーク量は殆ど無視できるとい
う結論を得た。

【００１６】次に、二段階にウェーハ温度を設定するプ
ロセスを想定して、このウェーハ加熱装置の動作を説明
する。最初に高温である４００°Ｃに設定し、次に１０
０°Ｃに設定する場合について再び図１を参照して説明
する。

【００１７】まず、基板ホルダ１の載置面にウェーハ２
０を乗せ、エアシリンダ１３ａ，１３ｂを作動させ押え
板１２で略気密に近い程度にウェーハ２０を固定する。
次に、減圧室２４ａを真空排気しガス導入口からＡｒガ
スを導入し減圧室２４ａの圧力を０．１Ｔｏｒｒ程度に
維持する。次に、加熱ランプ７を点灯すると同時に高温
用の温調器１６ａを作動させ穴１ａから４００°Ｃに昇
温されたＡｒガスを吹き出す。所定時間後、熱電対６で
計測された温度が４００°Ｃになるように、加熱ランプ
７は自動的に点灯または消灯を繰返す。しかし、４００
°ＣのＡｒガスは供給し続ける。そして、４００°Ｃに
保たれたウェーハ２０に第１の膜付け処理を行なう。

【００１８】次に、第１の膜付け処理が完了すると、開
閉弁８が閉じ、Ａｒガスの供給を停止し、エアシリンダ
１４ａ，１４ｂが作動しブロック３を基板ホルダ１の裏
面に接触する。これと同時に切換弁９が作動して低温側
の温調器１６ｂに切換えられ開閉弁８が開く、このこと
により予じめ１００°Ｃに設定されたＡｒガスが吹出し
穴１ａより供給される。そして、熱電対６が１００°Ｃ
になるように、加熱ランプ７は自動的に点灯または消灯
を繰返す。一方、１００°Ｃの温度のＡｒガスは供給継
続しウェーハ２０の温度を１００°Ｃに維持する。そし
て、第２の膜付け処理を完了する。

【００１９】また、逆に低温から高温にウェーハの温度
を設定する場合は、まず、エアシリンダ１４ａ，１４ｂ
が作動しブロック３を基板ホルダ１の裏面に接触し、加
熱ランプ７を点灯すると同時に低温側の温調器１６ｂよ
り１００°ＣのＡｒガスを供給し、熱電対７が１００°
Ｃになるように加熱ランプ７を自動的に点灯または消灯
し、温調器１６ｂからのＡｒガスだけでウェーハ２０を
加熱する。そして、第２の膜付け処理を完了する。次
に、加熱ランプ７を点灯すると同時に高温側の温調器１
６ａに切換え、予じめ４００°Ｃに温められたＡｒガス
を供給する。そして、熱電対６が４００°Ｃになるよう
に、加熱ランプ７が自動的に点灯または消灯し、４００
°ＣのＡｒガスの供給によりウェーハ２０は安定して４
００°Ｃの温度で維持される。そして、第１の膜付け処
理を行なう。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、低温側か
ら所望の設定温度に立ち上げる加熱手段と、高温側から
低温側に引き下げる冷却手段と、設定温度に不活性ガス
を調節する温調器とを設け、ウェーハを略気密に載置す
る基板ホルダを加熱あるいは冷却し略前記設定温度に
し、さらにウェーハと基板ホルダとで形成される閉鎖空
間に前記設定温度にされた不活性ガスを充たすことによ
って、ウェーハを安定した設定温度に維持できるという
効果がある。

【００２１】また、設定温度の異なる複数の温調器を設
け、温度差のある多段階の設定温度があるプロセスでも
あるいは高温から低温および低温から高温でも任意に温
調器を切換えてウェーハの温度を種々設定できるという
効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す減圧室のウェーハ加熱
装置の断面図である。

【図２】従来のウェーハ加熱装置の一例を示す模式横断
面図である。

【符号の説明】

１ 基板ホルダ １ａ 吹出し穴 １ｂ 閉鎖空間 ２ 配管 ３ ブロック ４ ジャケット ５ 制御部 ６ 熱電対 ７，２６ 加熱ランプ ８ 開閉弁 ９ 切換弁 １０ ガス供給源 １１ａ，１１ｂ ベロー配管 １２ 押え板 １３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ エアシリンダ １５ リリーフ弁 １６ａ，１６ｂ 温調器 ２０ ウェーハ ２１ 公転機構 ２２ 基板冷却機構 ２３ ゲートバルブ ２４，２４ａ 減圧室 ２７，２８ カソード

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧室内にあって半導体基板の周縁部を
   載置する平坦な載置面と該半導体基板の裏面とでなる閉
   鎖空間を有するとともにこの閉鎖空間に不活性ガスを供
   給する吹出し穴が形成される基板ホルダと、載置された
   前記半導体基板を押え該基板ホルダに固定する係止手段
   と、前記基板ホルダの裏面に冷却部材を接触したり離し
   たりして該基板ホルダの熱を吸収する冷却機構と、不活
   性ガス源から供給される前記不活性ガスの温度が異なる
   ように制御を行なう少なくとも二つの温調器と、これら
   温調器のいずれかと前記吹出し穴を通じさせる切換え手
   段とを備えることを特徴とする半導体基板加熱装置。