JP2682476B2

JP2682476B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP2682476B2
Application number: JP6287742A
Authority: JP
Inventors: 清一獅子口
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JPH08148437A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空処理装置に関し、特
にコールドウォール型の加熱方式を用いた枚葉式の真空
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、加熱機構を具備したこの種の真空
処理装置は、減圧気相成長（ＬＰＣＶＤ）や分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）などの薄膜成長プロセスや減圧下で
アモルファスシリコン表面にＨＳＧ−Ｓｉ（Ｈｅｍｉ−
ｓｐｈｅｒｉｃａｌｇｒａｉ−ｎｅｄＳｉ）と呼ば
れる凹凸を形成するプロセスなどに使用される。真空処
理装置において基板に処理を施す部屋を処理室と呼ぶ
が、加熱方式としては、この処理室全体が高温になるホ
ットウォール型と被処理基板のみが高温になるコールド
ウォール型とに大別される。また、一度に１枚の基板を
処理する方式を枚葉式、多数の基板を一度に処理する方
式をバッチ式と呼んでいる。

【０００３】被処理基板である半導体基板（以下単にウ
ェハと呼ぶ）の膜特性を均一にするためには、プロセス
中の基板温度を均一に保つ必要があり、従来からこの加
熱機構の改善が続けられてきた。例えば、特開平３−３
８０２９号公報もしくは特開昭６１−２７１８１８号公
報に開示されている加熱機構は、加熱器とウェハの間に
熱バッファを設けて基板温度の均一化を図ったものであ
る。前者は、コールドウォール型の枚葉装置の、また、
後者はホットウォール型のバッチ装置の例である。本発
明は、コールドウォール型の枚葉装置に関するものであ
るので、前者のコールドウォール型の従来例について述
べる。

【０００４】図５は従来の真空処理装置の一例における
サセプタの部分を示す断面図である。この真空処理装置
の加熱機構は、図５に示すように、ウェハ２５を載置す
る天井板を有するサセプタ１７の内部にあって抵抗加熱
による加熱ヒータ１８と、サセプタ１７の裏面に熱バッ
ファ層１６を形成し取付けられる熱バッファ板１５とで
構成されている。

【０００５】従来、ウェハの加熱は、ウェハ載置台であ
るサセプタからの熱伝導により加熱されウェハからの熱
量の逃げは基板中央部より周辺部の方が多く基板中央部
の温度が周辺部より高くなり温度均一にすることが困難
となる。そこで、この加熱機構はサセプタに以下の細工
を施して温度均一性を改善している。すなわち、サセプ
タ１７の天井下面に中央部の厚さを薄くした熱バッファ
板１５を密着させている。この厚さの薄い中央部は直接
サセプタ１７に密着しないため、この空間が熱バッファ
層１６となり、中央部での熱伝導が抑制される。この結
果、ウェハ２５の中央部への熱供給が低減され基板温度
分布が改善される。また、この例では、ウェハ２５をサ
セプタ１７とともに基板中心軸の回りに回転シャフト１
９により回転されることによって円周方向の温度分布の
改善を図っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の真空処
理装置では、ウェハを載置するサセプタに直接熱バッフ
ァ板が取り付けられ、しかも設置位置が固定されている
ため、サセプタからの伝熱温度や輻射熱がウェハに複雑
に作用し、熱バッファ板からの輻射熱のみでウェハ面内
の温度を均一に制御することは困難である。

【０００７】また、サセプタに熱バッファ板が機械的な
力で拘束されているので、サセプタと熱バッファ板の材
質が異なると、加熱もしくは冷却時の熱膨張率の差によ
りサセプタやバッファ板の変形や割れが生ずる問題があ
り、熱バッファ板の材質の選択が制限される。

【０００８】さらに、従来例では、基板円周方向の温度
均一性を改善するためにサセプタを基板中心を軸として
回転させているが、回転機構部での気密構造は超高真空
保持することが困難であり、高真空下での気相成長（Ｕ
ＨＶ−ＣＶＤ）や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの
１０^-10Ｔｏｒｒ台の到達真空度を必要とする真空処理
装置には適用できないという問題もある。

【０００９】従って、本発明の目的は、基板温度を制御
し易く基板面内の温度の均一化が図れるとともに高真空
下でも適用できかつ熱バッファ板の材質の選択の自由度
の広い真空処理装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、減圧さ
れた内部空間に被処理基板の表面を露呈し載置する基板
載置台と、前記被処理基板の裏面側に配置される加熱ヒ
ータと、前記被処理基板の表面を処理する処理手段とを
備える真空処理装置において、前記被処理基板と前記加
熱ヒータの間の空間にあって該基板載置台から離間して
配置される熱バッファ板と、前記被処理基板と前記熱バ
ッファ板との間隔距離を調節する間隔距離調整手段とを
備える真空処理装置である。

【００１１】また、前記間隔距離調整手段は前記被処理
基板を三点を載置し支持する棒部材とこの棒部材をそれ
ぞれ独立して移動させる移動機構とを備えることが望ま
しい。さらに、前記熱バッファ板の中心が前記被処理基
板の中心に一致させ配置されるとともに該被処理基板と
前記熱バッファ板との間隔が中心部を含む円内領域より
周辺部領域の方が狭いか、あるいは、前記被処理基板と
該熱バッファ板との間隔が中心から外方に向って徐々に
狭くなることが望ましい。

【００１２】一方、前記加熱ヒータは、前記被処理基板
の中心部を主として加熱する第１の加熱ヒータと前記被
処理基板の周辺部を主として加熱する第２の加熱ヒータ
とで構成されていることが望ましい。

【００１３】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１の
実施例の真空処理装置と熱バッファ板支持部を示す断面
図および斜視図である。この真空処理装置は、図１に示
すように、減圧下で加熱されたウェハ２５に成膜処理を
施す処理室１と、ウェハ２５の表面を露呈し載置する石
英製の載置面を有し側壁が金属製であるサセプタ３と、
ウェハ２５の裏面側にあってサセプタ３内に配置される
加熱ヒータ部５と、ウェハ２５の表面を成膜処理するた
めの反応ガスを導入するガスノズル１１と、ウェハ２５
と加熱ヒータ部５との間の空間にあってサセプタ３から
離間して配置される熱バッファ板４とを備えている。

【００１５】また、被処理基板であるウェハ２５を加熱
するための加熱ヒータ部５を配置したヒータ室２と処理
室１のそれぞれを独立して真空排気する排気装置である
ターボ分子ポンプ１０ａ，１０ｂと、図示されていない
基板搬送室からウェハ２５を真空中で処理室１へ搬送す
るための基板搬送機構と、処理室１および基板搬送室を
大気にさらすことなくウェハを装置に導入するためのロ
ードロック室とが備えられている。なお、図１では、処
理室とヒータ室および排気装置のみを示し基板搬送室、
ロードロック室および基板搬送機構は従来装置でも備え
おり、しかも周知の機構であるのでここでは説明を省略
する。

【００１６】さらに、熱バッファ板４とウェハ２５との
間隔を変える上下駆動機構７が設けられている。この上
下駆動機構７によって上下動する熱バッファ板４の支持
機構は、図１（ｂ）に示すように、熱バッファ板４を三
点で載置する座面６ａと落下防止のための突起部６ｂを
もつ支持棒６で構成している。そして、この突起部６ｂ
と熱バッファ板４との間は適当なクリアランスＣが設け
られており、熱バッファ板４の熱膨張による伸縮差を吸
収し熱バッファ板に機械的拘束力を与えないようにして
ある。

【００１７】一方、上下駆動機構７は、３本の支持棒６
のそれぞれをベロー８を介してヒータ室２に導入し、こ
のベロー８と支持棒６の連結部材を送りねじ機構で上下
に移動させ熱バッファ板４とウェハ２５の間隔を調節し
ている。また、この送りねじ機構は、送りねじ７ｂにナ
ット７ａが噛み合っており、このナット７ａを歯車７
ｃ，７ｄを介してステップモータ９で回転させ送りねじ
７ｂを上下させ支持棒６を精密に移動させている。

【００１８】ウェハ２５は処理面を上にしてサセプタ３
に搭載されヒータ加熱部５の上側に位置され、実質的に
ウェハ２５が収納される処理室１とヒータ加熱部５が収
納されるヒータ室２とに分離されている。処理室１には
ガスノズル１１が設置されており、ここから反応ガスを
供給する。ヒータ室２内の加熱ヒータ部５は、カーボン
を発熱体とする加熱ヒータ５ａと加熱ヒータ５ａの熱輻
射を反射するための熱反射板５ｂとで構成されている。

【００１９】処理室１およびヒータ室２の壁は中空構造
となっており、中に冷却水を循環させることにより、コ
ールドウォールの様態を示している。また、処理室１お
よびヒータ室２は独立した排気装置により減圧すること
ができ、本装置ではいずれの部屋についても到達真空度
を１０^-10Ｔｏｒｒより低い圧力に到達させることがで
きる。

【００２０】本発明の特徴である熱バッファ板４は加熱
ヒータ部５とウェハ２５の間の空間に設置されている。
このため、従来例のようにサセプタ３からのウェハ２５
への伝熱作用は殆んど無視できる。すなわち、熱バッフ
ァ板４の輻射熱のみ制御すれば容易にウェハ２５の温度
を均一にすることができる。言い換えれば、熱バッファ
板４とウェハ２５との間隔距離を変えて輻射熱強度分布
をウェハ２５面内に応じて変えることによりウェハ２５
の面内温度を均一にすることである。

【００２１】なお、熱バッファ板４はカーボン製の円盤
形状の板を用いているが、熱バッファ板４は単に支持棒
６で三点支持されているだけで、従来例のように周縁を
機械的に拘束されていないので、脆い材料や熱膨張率の
高い材料でも使用できる。従って、単結晶シリコン、多
結晶シリコン、石英、ＳｉＣなどを用いても良い。要
は、これらの材料の輻射熱の透過率はその温度によって
変化するので、使用する基板温度に合わせて最適な材質
を選ぶことである。

【００２２】加熱されるウェハ２５の温度は処理室内の
熱環境の非対称性や熱バッファ板の加工誤差に影響され
るので、上述したようにウェハ２５と熱バッファ板４と
の間隔を一定に調節するとともに３本の支持棒６を独立
に上下させウェハ２５の裏面と熱バッファ板４との平行
度をも調節することである。

【００２３】このウェハをある基板温度に加熱するに
は、まず、上下駆動機構７で支持棒６を上昇させ予じめ
加熱された熱バッファ板４をウェハ２５に近付けウェハ
２５の温度を基板温度まで上昇させる。このことにより
従来のようにサセプタからの熱伝導によるウェハ２５の
周辺部の温度上昇が無く熱バッファ板４から放射される
一様の輻射熱および透過熱線によりウェハ２５は加熱さ
れ温度が均一に上昇し基板温度になる。また、基板温度
が一定温度に達したら上下駆動機構７で熱バッファ板４
をウェハ２５から所定の間隔まで引離し、遠ざけること
により照射されるウェハ２５への放射熱の分布をより一
様にし基板温度を一定に維持させる。

【００２４】図２（ａ）および（ｂ）は本発明の第２の
実施例の真空処理装置におけるサセプタ部を示す断面図
である。この真空処理装置のサセプタ３内に配置される
熱バッファ板４ａは、図２（ａ）に示すように、熱バッ
ファ板４ａの中心がウェハ２５の中心と一致させ配置さ
れるとともにウェハ２５と熱バッファ板４ａとの間隔が
中心部を含む円内領域１４ａより周辺部領域１４ｂの方
が狭くなっている。

【００２５】この熱バッファ板４ａを用いた場合のウェ
ハ２５の加熱は、まず、熱バッファ板４ａが加熱ヒータ
５ａおよび熱反射板５ｂからの熱輻射を吸収して発熱
し、次に．発熱した熱バッファ板４ａからの熱輻射によ
りウェハ２５が加熱される。一般に、平板状の加熱板か
らの熱放出は中心部より周辺部のほうが多い傾向がある
ので、ウェハ２５の面に同量の熱輻射を供給した場合は
ウェハ２５の中央ほど温度が高くなる。そこで本発明の
この実施例では、中央の円内領域１４ａほど熱バッファ
板４ａとウェハ２５との距離が長いので、基板中央に供
給される熱輻射強度が減少し、結果としてウェハ２５の
基板面内の温度均一性が平板状の熱バッファ板による温
度均一性に比べより向上させることができるという利点
がある。

【００２６】また、図２（ｂ）に示すように、ウェハ２
５と熱バッファ板４ｂとの間隔が中心から外方に向って
徐々に狭くなるようにし熱放出面を凹面状に形成したこ
とである。この熱バッファ板４ｂはウェハ２５の中央部
から周辺部に行くに従って放熱強度が徐々に大きくなり
より精密な温度制御ができる。この熱バッファ板４ｂは
前述の熱バッファ板４ａに比べ大口径のウェハの処理に
適している。

【００２７】図３（ａ）および（ｂ）は本発明の第３の
実施例の真空処理装置におけるサセプタ部を示す断面図
である。この真空処理装置の熱バッファ板は、前述の実
施例と同様の熱バッファ板４ａを用い、この熱バッファ
板４ａの周辺部領域１４ｂに対応し配置される第１の加
熱ヒータ１２と円内領域１４ａに対応し配置される第２
の加熱ヒータ１３とを設けたことである。すなわち、熱
バッファ板４ａの中央部と周辺部とを独立して加熱制御
することである。

【００２８】この加熱機構は、熱バッファ板４ａの円内
領域１４ａと周辺部領域とを第１の加熱ヒータ１２と第
２の加熱ヒータ１３とを独立に制御し任意の発熱量を得
る。そして、この発熱量によって放射される輻射熱によ
ってウェハ２５の周辺部と中央部の温度をより均一にす
る。この実施例の加熱機構は、加熱ヒータのそれぞれを
独立に制御しない前述の加熱機構に比べさらに制御自由
度が広く高い基板温度でも容易に均一にできるという利
点がある。

【００２９】図３（ｂ）に示すように、図２（ｂ）で示
した熱バッファ板４ｂの周辺部と中央部とを独立して加
熱する第１の加熱ヒータ１２と第２の加熱ヒータ１３と
を設けても同様の効果が得られる。

【００３０】図４（ａ）および（ｂ）はシリコンエピタ
キシャル膜の膜厚分布を示す図である。次に、この図３
（ｂ）の加熱機構を適用した真空処理装置を用いてシリ
コンのエピタキシャル膜を成長した例について述べる。
ＲＣＡ洗浄を施したＮ型、抵抗率０．０１Ω・ｃｍ、面
方位（１００）のシリコン基板を処理室１に搬送し、１
×１０^-10以下の真空下で基板温度を９００℃に加熱し
て基板表面の自然酸化膜を除去した。次に、基板温度を
７００℃とし、ガスノズルからＳｉ₂Ｈ₆ガスを分圧が
１×１０^-4Ｔｏｒｒになるように供給してシリコンエピ
タキシャル膜を６０分間成長した。

【００３１】また、熱バッファ板４ｂを取り除いて同一
のプロセスを行い同様にシリコンエピタキシャル膜を成
長した。成長した各々のシリコンエピタキシャル膜の基
板面内分布を赤外線干渉法により測定したところ、熱バ
ッファ板４ｂのない装置での膜厚分布は、基板周辺部に
向かって膜厚が薄くなっており、均一性は±１０％であ
ったのに対し、熱バッファ板４ｂを用いた場合は、特に
基板周辺部で分布が改善され均一性は±４％であった。
これは、熱バッファ板を用いることにより、基板面内の
温度均一性が改善された結果、膜厚分布が改善されたこ
とを示している。熱バッファ板を用いた場合の膜厚分布
を図４（ａ）に示した。

【００３２】次に、図１の上下駆動機構７により平板状
の熱バッファ板４ｂを移動させウェハ２５との間隔を調
整してシリコンのエピタキシャル膜を成長した例につい
て述べる。そして、エピタキシャル膜の成長プロセスは
前述と同一とした。図４（ａ）は熱バッファ板４ｂとウ
ェハ２５との距離を調節する前の膜厚分布であり、この
図でわかるように、膜厚分布は基板右下が最も厚く、左
上に向かって薄くなっている。すなわち、基板温度分布
は基板右下が最も高く、左上に向かって温度が低下して
いることを示している。

【００３３】この結果から、熱バッファ板４ｂの３本の
支持棒６を用いてウェハ２５である基板右下と熱バッフ
ァ板４ｂの距離を離し、基板左上と熱バッファ板４ｂと
の距離が近づくようにした。熱バッファ板４ｂとウェハ
２５との位置関係をこのように調節した後に、調節前と
同一プロセスでエピタキシャル膜を成長し、基板面内の
膜厚分布を測定した。図４（ｂ）に示すように、調節後
の膜厚分布は、調節前と比較して、等膜厚線間隔が広く
なり、かつ右下から左上に向かっての膜厚傾斜がなくな
っていることがわかる。調節後の膜厚均一性は±１．５
％であった。このことにより前述の熱バッファ板の上下
駆動機構７が効果的に働いていることが確認できた。

【００３４】また、前述のように熱バッファ板４ｂの位
置の調節を行った真空処理装置を用いＨＳＧ−Ｓｉを形
成した例について述べる。ＨＳＧ−Ｓｉは表面に半球状
の微細なグレインからなる多結晶シリコン（Ｈｅｍｉ−
Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ−Ｇｒａｉｎｅｄ−Ｓｉ）膜であ
り、高集積ＤＲＡＭにおいて小さなメモリ−セルにおい
ても充分な電荷蓄積容量が得られる構造としてスタック
ト型メモリセルの電極として使用されるものである。Ｈ
ＳＧ−Ｓｉを利用した例としては、例えばＥｘｔ−ｅｎ
ｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｏｆｔｈｅ２２ｒｄ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎ−ｃｅｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔ
ｅＤｅｖｉｃｅａｎｄＭａｔｅｒｉ−ａｌｓ，１
９９０，ｐｐ．８７３−８７６に詳細に記述されてい
る。

【００３５】まず、表面に１００ｎｍのシリコン酸化膜
を形成した基板上に、通常のＬＳＩ製造ラインで使用さ
れるＬＰＣＶＤ装置を用い、リン濃度１×１０²⁰／ｃｍ
³のアモルファスシリコンを堆積した。次に、この基板
を希ＨＦで処理した。その後、基板温度を６００℃と
し、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスを分圧が１×１０^-4Ｔｏｒｒとなる
ようにガスノズルより２分間供給した後、ガス供給を中
止し１分間同一温度でアニールを施した。この基板表面
を走査型電子顕微鏡で観察したところ、基板面内均一に
ＨＳＧ−Ｓｉが形成されていることが確認され、本装置
の温度均一性が良好であることが示された。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、サセプタ
に載置されるウェハの下方の空間部にサセプタと離間し
て熱バッファ板を配置し、この熱バッファ板とウェハの
各部との間の距離を調整する熱バッファ移動機構やウェ
ハの各部に対応して放射熱放出面の突出寸法を変えた種
々の形状の熱バッファ板あるいは熱バッファ板の各部を
任意の温度に上昇するための複数の加熱ヒータを設け、
加熱されるウェハによってこれら三つの熱放射強度可変
手段を適切に組合わせウェハの各部に輻射熱を与えるこ
とによって、容易にウェハの面内温度を均一にすること
ができるという効果がある。

【００３７】また、熱バッファ板は三点接触で機械的に
拘束受けずに載置されるので、従来起きていた熱バッフ
ァ板の破損やサセプタの割れなどは皆無となる。さら
に、従来のように高真空を維持することが困難な回転シ
ールをもたないことから１０^-10Ｔｏｒｒ台の到達真空
度を必要とする真空処理装置にも利用が可能であるとい
う効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の真空処理装置と熱バッ
ファ板支持部を示す断面図および斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施例の真空処理装置における
サセプタ部を示す断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例の真空処理装置における
サセプタ部を示す断面図である。

【図４】シリコンエピタキシャル膜の膜厚分布を示す図
である。

【図５】従来の真空処理装置の一例におけるサセプタの
部分を示す断面図である。

【符号の説明】

１処理室２ヒータ室３，１７サセプタ４，４ａ，４ｂ，１５熱バッファ板５加熱ヒータ部５ａ，１８加熱ヒータ６支持棒６ａ座面６ｂ突起部７上下駆動機構７ａナット７ｂ送りねじ７ｃ，７ｄ歯車８ベロー９ステップモータ１０ａ，１０ｂターボ分子ポンプ１１ガスノズル１２第１の加熱ヒータ１３第２の加熱ヒータ１４ａ円内領域１４ｂ周辺部領域１６熱バッファ層１９回転シャフト２５ウェハ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧された内部空間に被処理基板の表面
を露呈し載置する基板載置台と、前記被処理基板の裏面
側に配置される加熱ヒータと、前記被処理基板の表面を
処理する処理手段とを備える真空処理装置において、前
記被処理基板と前記加熱ヒータの間の空間にあって該基
板載置台から離間して配置される熱バッファ板と、前記
被処理基板と前記熱バッファ板との間隔距離を調節する
間隔距離調整手段とを備えることを特徴とする真空処理
装置。
【請求項２】前記間隔距離調整手段は前記被処理基板
を三点を載置し支持する棒部材とこの棒部材をそれぞれ
独立して移動させる移動機構とを備えることを特徴とす
る請求項１記載の真空処理装置。
【請求項３】前記熱バッファ板の中心が前記被処理基
板の中心に一致させ配置されるとともに該被処理基板と
前記熱バッファ板との間隔が中心部を含む円内領域より
周辺部領域の方が狭いことを特徴とする請求項１および
請求項２記載の真空処理装置。
【請求項４】前記熱バッファ板の中心が前記被処理基
板の中心に一致させ設置されるとともに該被処理基板と
該熱バッファ板との間隔が中心から外方に向って徐々に
狭くなることを特徴とする請求項１および請求項２記載
の真空処理装置。
【請求項５】前記加熱ヒータは、前記被処理基板の中
心部を主として加熱する第１のヒータと前記被処理基板
の周辺部を主として加熱する第２のヒータとで構成され
ていることを特徴とする請求項１および請求項２記載の
真空処理装置。