JP3617860B2 - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の基板の表面に薄膜を形成したり、基板の表面に形成されている薄膜に対してエッチング処理を施したりするのに好適な基板処理方法およびその方法を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体ウェハ等の基板の表面に薄膜を形成する方法には幾つかある。気相成長法もその１つである。気相成長法は、高温下での原料ガスの化学反応を利用したもので、各種の膜を強い付着強度で得られること、膜厚制御が比較的容易であることなどの利点を備えている。そして、実際に基板の表面に薄膜を形成する基板処理装置としては、複数の基板の表面に同時に成膜するバッチ式の装置が広く使用されている。
【０００３】
しかし、近年では基板である半導体ウェハが大口径化しているため、バッチ式の装置ではウェハ面内やウェハ間の成膜の均一性を確保することが困難になっている。このようなことから、半導体素子製造の分野では、半導体ウェハに対して１枚毎に成膜する枚葉式の装置が使用される傾向にある。
【０００４】
枚葉式の装置では、スループットを向上させるために、成膜速度を高速化させる必要がある。成膜速度を高速化する手段としては、成膜温度を高くするとともに基板を回転させながら成膜する方法が考えられている。すなわち、基板を回転させることによって基板表面近傍のガスを遠心力で送り出すことができ、この送り出しで境界層の厚みを薄くできる。この結果、高温の基板に対して原料ガスの拡散を容易化でき、その結果として成膜速度を増加させることができる。このような作用は、基板の表面に形成されている薄膜に対してエッチング処理を行う場合においても有効である。すなわち、高温の基板に対するエッチングガスの拡散速度を速めることができるので、エッチングに要する時間を短縮することができる。
【０００５】
ところで、上記のように成膜処理時やエッチング処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置では、処理容器内に配置された基板ホルダを何等かの手段で回転自在に支持し、これに回転駆動力を与える必要がある。これを実現する最も一般的な方法として、基板ホルダに回転軸を直結し、この回転軸をたとえばボールベアリング等の軸受で支持するとともにモータで回転軸に回転力を与えることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置では、上述の如く、処理時に基板を３００ ℃〜１２００℃といった高温に保持する必要がある。このため、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受やモータに熱が伝わり、これらが高温になる。
【０００７】
軸受に熱が伝わると、内輪の温度が外輪の温度より高くなり、温度差に伴う熱膨張差で内輪と外輪との間にあるボールが両輪によって強く押さえつけられる。この結果、回転軸の回転が不安定になり、成膜結果にばらつきが生じたり、甚だしい場合には基板ホルダによる基板の保持が困難となって、基板ホルダから基板が脱落するなどの現象を招く。また、軸受やモータには、潤滑油や樹脂材等が用いられており、これらは通常、温度が２００ ℃を越えると分解を始める。たとえば、潤滑油として蒸気圧の低いフォンブリン系のものを用いた場合でも、温度が２００ ℃を越えると蒸気圧が大幅に高くなる。これらの分解生成物は、処理基板に対する汚染度を高め、たとえば成膜処理時には膜質を悪化させる。
【０００８】
また、温度の上昇に伴って潤滑油や樹脂材等が分解すると、潤滑油不足や電気絶縁不良等を招き、このような面からも軸受を含めた回転駆動機構に大きなダメージを与えることになる。
【０００９】
そこで、上述した不具合を解消するために、通常は回転軸における基板ホルダから軸受までの部分の長さを十分に長くし、熱が軸受を含めた回転駆動機構に伝わり難くしている。しかし、このようにすると回転軸を片持支持に近い状態で支持することになるので、安定した回転を得るのが困難で、メンテナンス回数が多くなり、スループットを上げることが困難であった。また、回転軸の剛性が低下するために固有振動数も低下し、回転数の設定に制約が加わるので装置全体が大型化し、装置コストの増加を招く問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置にあっては、処理時に被処理基板を３００ ℃〜１２００℃といった高温に保持する必要があるため、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受を含めた回転駆動機構に熱が伝わり、この熱によって回転駆動機構の動作不良を招いたり、また回転駆動機構から発生したガスによって処理膜が汚染されるなどの問題があった。また、この問題を解消するために、回転軸における基板ホルダから軸受までの部分の長さを十分に長くすると、安定した回転を得るのが困難で、メンテナンス回数が多くなり、スループットを上げることが困難であった。
【００１１】
そこで本発明は、回転軸の軸方向長さを増すことなく、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受を含めた回転駆動機構に熱が伝わるのを抑制でき、もって上述した不具合の発生を防止できる基板処理方法および基板処理装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えている回転軸を回転させて前記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記中空構造部を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程とを具備している。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、請求項２に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記基板ホルダに連結されている中空の回転軸を回転させて上記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、前記中空の回転軸の内部に配置された加熱手段により前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、前記中空の回転軸の近傍に該回転軸との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記回転軸を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程とを具備し、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ（Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ ＞１３ｍ−１の関係を満している。
【００１４】
なお、前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン、酸素の中から選ばれたガスを流すことが好ましい。特に、水素，ヘリウム，ネオンは熱伝導が大きく、回転軸に対する冷却効果が大きい。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、請求項４に記載の基板処理装置では、処理容器と、この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えた回転軸と、この回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、前記回転軸に回転動力を与える駆動手段と、前記基板ホルダを介して前記被処理基板を加熱する加熱手段と、前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置されて上記中空構造部を冷却する冷却手段とを備えている。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、請求項５に記載の基板処理装置では、処理容器と、この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、この基板ホルダに連結された中空の回転軸と、この中空の回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、前記中空の回転軸に回転動力を与える駆動手段と、前記中空の回転軸の内部に配置されて前記被処理基板を加熱する加熱手段と、前記中空の回転軸の近傍に上記回転軸との間に微小ギャップを介して配置されて上記回転軸を冷却する冷却手段とを備え、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ（Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ ＞１３ｍ−１の関係を満している。
【００１７】
なお、前記微小ギャップは、０．１ｍｍ 以上で５ｍｍ 未満であることが好ましい。
また、前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン，酸素の中から選ばれたガスを流す手段をさらに備えていることが好ましい。このガスを流す手段は、前記微小ギャップを経由して流れるガス流路の流動抵抗を増加させる手段を備えていてもよい。また、このガスを流す手段は、前記軸受手段および駆動手段の配置されている領域にパージガスを流す手段を兼ねていてもよい。
【００１８】
さらに、前記受手段および前記駆動手段の少なくとも固定要素を強制冷却する手段をさらに備えていてもよい。
さらにまた、前記回転軸の内部に基板突き上げ手段、測温手段のいずれかが配置されていてもよい。
また、上記目的を達成するために、請求項１２に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に前記基板ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、前記中空部が円筒形表面、第１の端部表面、および第２の端部表面をもち、前記中空部の前記第１の端部表面および前記第２の端部表面が前記回転軸に接続され、前記円筒形表面、前記第１の端部表面、および前記第２の端部表面が前記中空部を規定している基板処理装置を用い、前記基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記回転軸を回転させて前記被処理基板を回転させる工程と、前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を加熱する工程と、前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りに配置された冷却手段によりギャップを介して前記中空部を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、を具備する。
また、上記目的を達成するために、請求項１３に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理装置を配置する工程と、前記基板ホルダに連結されている中空部を有する回転軸を回転させて、被処理基板を回転させる工程と、前記基板ホルダを加熱して、前記被処理基板を加熱する工程と、前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りにギャップを介して配置された冷却手段により前記回転軸を冷却する工程と、前記処理容器内に第１のガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、前記回転軸の前記中空部の肉厚をｔ（ｍ）、前記回転軸の前記中空部の熱伝導度をλｗ(Ｗ／ｍＫ)、ギャップの距離をδ（ｍ）、ギャップに存在する前記第２のガスの熱伝導度をλｇ(Ｗ／ｍＫ)としたときに、前記回転軸とギャップが｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝0.5 ＞１３ｍ-1を満たすように、前記ギャップに第２のガスを導入する工程と、を具備する。
また、上記目的を達成するために、請求項１４に記載の基板処理方法では、処理容器内のホルダに回転軸の一方の端部が連結され、かつ当該回転軸方向の中間部分に前記ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、前記中空部が第１の端部表面と第２の端部表面とをもち、前記中空部の前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記回転軸の回転軸に接続され、前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記中空部を規定している基板処理装置を用い、前記ホルダ上に基板を配置する工程と、前記回転軸の他方の端部を回転させる工程と、前記ホルダを加熱して、前記基板を加熱する工程と、前記中空部の周りにギャップを介して配置された冷却手段を使用することによって前記中空部を冷却する工程と、処理ガスを前記処理容器に導入して、前記基板を処理する工程と、を具備する。
【００１９】
上述の如く、本発明に係る基板処理方法および基板処理装置では、基板ホルダに連結される回転軸として、中空の回転軸を用いたり、また途中に大径の中空構造部を有した回転軸を用いたりしている。そして、上記回転軸の中空部分の近傍に、この中空部分との間に微小ギャップを介して冷却手段を設け、この冷却手段で微小ギャップを介して回転軸の中空部分から吸熱するようにしている。
【００２０】
したがって、回転軸の中空部分の肉厚および径を選択することによって、軸方向の長さを増すことなく、しかも軸方向の伝熱面積を減少させた状態で、中空部分の放熱面積を大きくすることが可能となる。そして、放熱面積の大きい中空部分に微小ギャップを介して冷却手段を対向配置しているので、上記中空部分から効率よく吸熱できる。
【００２１】
この冷却機構は以下のようにモデル化することができる。
すなわち、肉厚ｔ（ｍ）、長さＬ（ｍ）で幅が無限に長い、熱伝導度λｗ（Ｗ／ｍＫ）の板が、温度Ｔｗ（℃）の面と距離δ（ｍ）だけ離れて置かれているものとする。板と温度Ｔｗの面との間には熱伝導度λｇ（Ｗ／ｍＫ）のガスが存在するものとする。板からの放熱がガスを通して温度Ｔｗの面へ伝熱すると仮定する。この場合、板の一端（１＝０） の温度がＴ０ であるときに、もう一端（１＝Ｌ） の温度Ｔは、もう一端での伝熱条件が断熱であるとした場合、
Ｔ＝２（Ｔ０ −Ｔｗ）／｛ｅｘｐ （ＣＬ）＋ｅｘｐ （−ＣＬ）｝＋Ｔｗ
となる。ここで、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ である。
【００２２】
実際の中空回転軸の形状でも同様のモデル化が可能であるが、Ｃの表式が多少異なる程度で得られる結論は平板の冷却モデルとほぼ同様である。
軸受部の温度は、それが磁気軸受の場合であっても２００ ℃以下であることが望ましい。冷却部の長さＬを長くすれば冷却し易くなるが、装置が大きくなり、回転軸の固有振動数も低下し、望ましくはない。そのため、Ｌの長さは実際的に１００ｍｍ （０．１ ｍ）以下になると考えられる。冷却面の温度Ｔｗを２５℃とした場合、Ｌ＝１００ｍｍ で回転軸の温度を１０００℃から２００ ℃以下まで下げようとすると、Ｃ＞１３ｍ−１としなければならない。
【００２３】
Ｃの式から判るように、ガスの熱伝導度は大きく、回転軸の熱伝導度は小さく、回転軸の肉厚は薄く、微小ギャップは小さいほどよい。
微小ギャップは、回転軸の中空部と冷却面が接触しない範囲で可能な限り狭くすることが望ましい。そのために、１ｍｍ（０．００１ ｍ）程度のギャップが好ましい。ギャップが５ｍｍ （０．００５ ｍ）以上では、冷却の効果が著しく低下するので好ましくはない。
【００２４】
微小ギャップに存在するガスとしては、熱をよく伝える水素，ヘリウム，ネオンなどのガスが好ましい。他のガスは熱伝導率がこれらのガスより劣るため冷却効率が悪くなる。
【００２５】
回転軸はアルミニウム合金、ステンレス鋼、モリブデン、タングステン等の金属で構成する場合が多く、金属は熱伝導が良いため、中空部の肉厚を薄くし、熱伝導度のよいガスで冷却を行う。中空部の肉厚は可能な限り薄い方が軸受部の冷却の観点から好ましいが、回転部の固有振動数や、冷却部の構造物の強度としての観点より、数ｍｍ程度とする。回転軸を、石英、アルミナ、窒化珪素、カーボン等のセラミックで構成してもよい。これらの材料を用いる場合には、それぞれの材料の性質に応じた回転軸強度、回転系固有振動、中空部の設計を行う。
【００２６】
たとえば、肉厚２ｍｍ のステンレス鋼で形成された中空の回転軸を水素ガスを媒体として１ｍｍ の微小ギャップで冷却を行う場合のＣの値は９６ｍ−１となり、Ｔ０ ＝１０００ ℃、Ｌ＝２５ｍｍ でも軸受部を十分に２００ ℃以下に冷却できる。
【００２７】
このように、回転駆動機構の温度上昇を抑制することができ、しかも回転軸の軸方向長さを増す必要がないので、安定した回転特性が得られ、メンテナンス回数を減らすことができるので、スループットを向上させることができる。
【００２８】
なお、回転軸が中空であると、回転軸内に熱電対や放射温度計等の温度測定手段や、ヒータやランプ等の加熱手段およびその電極や、回転軸を冷却する手段等を配置することができる。また、回転軸の径を大きくすると、回転軸の剛性を上げることができ、回転系の固有振動数を大きくできる。回転軸を中空にすると、回転軸の剛性をそれ程損なうことなく、回転軸の重量を軽減でき、軸受の負担を軽減できる。また、回転軸を中空にして回転軸の肉厚を薄くすると、回転軸を伝わって軸受や回転駆動機構へ移動する熱量を低減できる。
【００２９】
また、基板処理装置では、プロセスガスとして、腐食性の高いガスやパーティクルの発生し易いガスを用いることがあるが、軸受および回転駆動機構の配置されている領域にパージガスを供給することによって、これらのプロセスガスが上記領域に侵入するのを防止でき、長期間に亘って安定に動作させることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る基板処理装置、ここには本発明を枚葉式の基板処理装置に適用した例の概略縦断面図が示されている。
【００３１】
図中１は処理容器を示している。この処理容器１は実際には幾つかのパーツの組合せによって構成されているが、ここでは図の簡単化を図るために一体に形成されているように示されている。
【００３２】
処理容器１内の上方には処理室２が形成されており、下方には後述する磁気軸受３４および回転駆動機構としてのモータ３５を収容する収容空間３が形成されている。
【００３３】
処理室２の上壁１１は石英板等の透明部材で形成されている。そして、上壁１１の上方には図示しない放射温度計等が配置される。処理室２内で上壁１１に対向する位置には、石英等の耐熱性透明部材で形成された整流板１２が配置されている。整流板１２の上面周縁部には環状の仕切板１３が配置されており、この仕切板１３によって整流板１２と上壁１１との間が原料ガス供給室１４とパージガス供給室１５とに区画されている。原料ガス供給室１４は原料ガス導入口１６を介して図示しない原料ガス供給源に選択的に接続され、またパージガス供給室１５はパージガス導入口１７を介して図示しないパージガス供給源に選択的に接続される。
【００３４】
処理室２の側壁で上部位置には、後述する被処理基板Ｓを処理室２へ出し入れするための搬入口１８が設けられている。この搬入口１８は被処理基板Ｓを出し入れする期間以外は図示しないバルブによって閉じられている。処理室２の側壁で下部位置には、処理室２内を通過した原料ガスおよびパージガスを排出するための排気口１９が周方向の複数箇所に亘って形成されている。
【００３５】
処理室２内で中央部上方位置には被処理基板Ｓを保持するための基板ホルダ２０が配置されている。この基板ホルダ２０は、ガス発生量を抑え、かつ高温雰囲気や腐食雰囲気に耐えさせるためにカーボン系の材料によって形成されている。なお、この例において、基板ホルダ２０は、基板ホルダ本体２１と、この本体２１の下面中央部から下方に向けて所定長さ筒状に延びた軸部２２と、この軸部２２の下端に一体に形成されたフランジ部２３とで形成されている。そして、フランジ部２３がネジ２４を介して回転軸２５の上端部に連結されている。この構造から判るように、軸部２２およびフランジ部２３は、回転軸２５の一部を構成している。
【００３６】
回転軸２５は、ステンレス鋼などで形成されており、実際には幾つかのパーツの組合せによって構成されているが、ここでは図の簡単化を図るために一体に形成されているように示されている。回転軸２５は中空に形成されており、フランジ部２３との連結部分に、軸部２２より大径な、たとえば軸方向の長さが２５ｍｍ，内径が２８ｍｍ、周壁の厚みが２ｍｍ の中空大径部２６が形成されている。そして、この回転軸２５の下端側は収容空間３まで延びている。
【００３７】
基板ホルダ２０の周囲には、遮熱筒２７が配置されており、この遮熱筒２７は支持材２８を介して処理室２の側壁に固定されている。基板ホルダ２０の下方位置には、基板ホルダ２０に近接させて加熱源としての電気ヒータ２９が配置されている。この電気ヒータ２９は給電路を兼ねた支持材３０によって処理室２の側壁に固定されている。電気ヒータ２９への給電線は絶縁状態で処理室２の外に導かれている。電気ヒータ２９とフランジ部２３との間には遮熱板３１が配置されている。
【００３８】
回転軸２５に形成された中空大径部２６の周囲には、中空大径部２６との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００３９】
処理室２のいわゆる底壁には、中空大径部２６と冷却液流路３２との間に形成された微小ギャップＡにパージガスを流すためのパージガス導入口５５が設けられ、このパージガス導入口５５を通して水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン、酸素などの熱伝導率の大きなガスが供給される。
【００４０】
一方、収容空間３には、回転軸２５に設けられた要素との間で回転軸２５の非接触支承を実現する磁気軸受３４と回転軸２５に対して非接触に回転力を与えるモータ３５とが配置されている。
【００４１】
磁気軸受３４は、ラジアル軸受３６，３７とスラスト軸受３８とからなる５軸制御型に構成されている。ラジアル軸受３６，３７は、回転軸２５の外周に装着された磁性リング３９と、この磁性リング３９の周囲に固定されるとともに周方向に等間隔に４つの磁極４０を設けてなる固定継鉄４１と、各磁極４０に装着された制御コイル４２とで構成されている。
【００４２】
スラスト軸受３８は、回転軸２５に設けられた鍔部４３と、この鍔部４３の上下面に固定された環状の磁性板４４，４５と、これら磁性板４４，４５に対向するように固定された断面Ｕ字状の固定継鉄４６，４７と、この固定継鉄４６，４７に装着された制御コイル４８，４９とで構成されている。
【００４３】
これらラジアル軸受３６，３７およびスラスト軸受３８は、図示しないセンサで検出された変位信号を入力とする図示しない制御装置によって各制御コイル４２，４８，４９の電流が制御され、これによってラジアル方向、スラスト方向ともに完全な非接触支承を実現している。なお、制御方法については公知であるから、詳しい説明は省略する。
【００４４】
収容空間３の下部壁には、収容空間３に侵入しようとするプロセスガスを押し出す形に水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン，酸素などパージガスを収容空間３に流すためのパージガス導入口５０が形成されている。
【００４５】
なお、図１中、５１は回転軸２５内および基板ホルダ２０の軸部２２内に、これらとは非接触に軸部２２の基端近くまで差込まれて基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）の温度計測に供される熱電対を示し、５２，５３は磁気軸受３４を動作させていない期間に回転部を仮に支持するタッチダウン軸受を示している。
【００４６】
この例では、中空大径部２６と冷却液流路３２との間の微小ギャップＡに十分な量のパージガスを流すためにパージガス導入口５５を設けている。
このように構成された基板処理装置の使用例、ここでは被処理基板Ｓとして半導体ウェハを用い、この半導体ウェハ上にシリコンの薄膜を気相成長させる場合について説明する。
【００４７】
まず、冷却液流路３２に図中実線矢印で示すように冷却水を連続的に流す。また、磁気軸受３４を動作させて回転部を完全非接触に支承させる。
次に、ガス供給口１６，１７を介して処理室２へ水素ガスを連続的に流し、またパージガス導入口５０，５５を介して図中破線矢印で示すようにパージガスとしての水素を連続的に供給し、処理室２内の圧力が所定値となるようにする。
【００４８】
次に、モータ３５を駆動して基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）を所定の回転数で回転させ、続いて電気ヒータ２９を付勢して基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）を所定の温度に制御する。なお、温度の計測は熱電対５１や図示しない放射温度計によって行われる。
【００４９】
この状態でガス供給口１６にシランガスおよび水素ガスを供給して膜成長を開始させる。
このとき、電気ヒータ２９で発生した熱の一部が基板ホルダ２０の軸部２２および回転軸２５の中空大径部２６を介して収容空間３の方へ伝わろうとするが、中空大径部２６の周囲には微小ギャップＡを介して冷却液流路３２が近接していているので、微小ギャップＡを流れるパージガスによる対流効果および輻射効果によって中空大径部２６を移動する熱が冷却液流路３２を流れる冷却水によって奪われる。
【００５０】
したがって、被処理基板Ｓの温度が１０００℃であっても、回転軸２５の収容空間３内に位置している部分は常に２００ ℃以下に保たれる。このため、磁気軸受３４やモータ３５に熱的な影響を与えることはなく、これらを常に安定に動作させることができる。なお、被処理基板Ｓの温度が３００ ℃前後の場合には、微小ギャップＡにパージガスとして、窒素もしくはアルゴン等のガスを流しても回転軸２５の収容空間３内に位置している部分を２００ ℃以下に冷却できる。
【００５１】
図２には、回転軸２５の軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する本発明の冷却方式と、単に回転軸の長さ長くして熱が伝わり難くした従来の方式との軸温度と冷却部長さとを比較した結果が示されている。
【００５２】
この図から判るように、熱入力端の温度が１０００℃の場合、従来の方式では熱入力端から１００ ｍｍ離れていても６００ ℃以上であるが、本発明の構造では熱入力端から５０ｍｍ離れた位置で２００ ℃程度まで温度低下させることができる。したがって、本発明の構造を採用することによって、回転軸２５の軸方向長さを増すことなく、磁気軸受３４やモータ３５が高温に晒されるのを防止することができる。
【００５３】
このように軸受やモータが高温に晒されるのを防止できるので、これらからの汚染物質の発生を防止でき、高品質の膜を作ることができる。すなわち、図１に示す装置を用い、被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を７００ ℃に保ち、原料ガスとしてＳｉＨ４ を供給してシリコンウェハの表面にポリシリコンの成膜を行ったところ、カーボン汚染のない高品質の膜を得ることができた。また、被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を１１００℃に保ち、原料ガスとしてＳｉＨ２ Ｃｌ２ を供給してシリコンのエピタキシャル成長を行った場合においても、ウェハに対する金属汚染や有機物汚染は認められなかった。さらに被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を１１００℃に保ち、エッチングガスとしてＨＣｌを供給し、シリコンに対するエッチングを行った場合においてもウェハに対する汚染は認められなかった。一方、基板ホルダ２０の回転数を６０ｒｐｍ から２４００ｒｐｍ にしてエピタキシャル成長やエッチングをない、６インチウェハの面内均一性を調べたところ、図３に示すように１２００ｒｐｍ 以上の回転数では良好な均一性が得られ、しかも回転数を上げることによって成膜速度およびエッチング速度が速くなることが確認された。
【００５４】
このように、本発明の構造を採用することによって、成膜の再現性が良くなり、回転部のメンテナンスもほぼ不要となり、スループットを向上させることができる。
【００５５】
なお、図１に示す装置のように、軸受として磁気軸受３４を用いると、回転部を完全非接触に支承できるので、パーティクルやオイルミストの発生がなく、より好ましい結果が得られる。図４には軸受部分から発生する０．２ μｍ以上のパーティクルの発生量を測定した結果が示されている。機械軸受を用いた場合には定期的に軸受の交換や注油を行う必要があるが、磁気軸受の場合には２ 年間以上メンテナンスを必要としない。また、機械軸受の場合には、回転数がたとえば１００００ｒｐｍ以上の場合や、回転軸径が４０ｍｍ以上の場合には、回転軸の周速が大きくなるので、潤滑油の選定に十分な配慮が必要であるが、磁気軸受の場合には、そのような場合でも安定に回転させることができる。
【００５６】
なお、図１に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００５７】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：ステンレス鋼 λｗ＝２１Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００２ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０２５ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝９６ｍ−１
Ｔ０＝〜８００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図５には本発明の別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００５８】
図５に示される基板処理装置では、軸受として球軸受５６，５７を用いている。 この基板処理装置においても、回転軸２５ａの軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０の温度が１０００℃程度の場合でも球軸受５６，５７が位置している部分の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００５９】
なお、図５に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００６０】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：アルミニウム合金 λｗ＝２１０Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００３ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０６０ｍ
冷却ガス ：ヘリウム λｇ＝０．２３Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．０００５ｍ
Ｃ＝２７ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１７０℃
したがって、図１に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
【００６１】
図６には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１および図５とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００６２】
図６に示される基板処理装置では、回転軸２５ｂの下端側を処理容器１ｂの外に突出させ、この外に突出している部分をカップリング５８を介してモータ５９の回転軸に連結している。そして、中空大径部２６と球軸受５６との間で、回転軸２５ｂの外周と収容空間３ｂの構成壁との間に磁性流体シール６０を設けている。
【００６３】
すなわち、この基板処理装置では、回転軸２５ｂに回転駆動力を与えるモータ５９を処理容器１ｂの外部に配置し、外部に配置したことによって必要となるシールを磁性流体シール６０で行わせている。
【００６４】
この基板処理装置においても、回転軸２５ｂの軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０の温度が１０００℃程度であっても磁性流体シール６０が設けられている位置の軸温度を７０℃程度に抑えることが容易である。このため、磁性流体の蒸発による汚染を防止できるとともに磁性流体シール６０の寿命低下を防止できる。
【００６５】
したがって、図１および図５に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。そして、この例の場合にはモータ５９を外部に設置できるので、モータ５９のメンテナンスの容易化も図ることができる。
【００６６】
なお、図６に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００６７】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：石英 λｗ＝１．４Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００５ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０３ｍ
冷却ガス ：窒素 λｇ＝０．０２６Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝６１ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図７には本発明のさらに異なる実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００６８】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図１の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図１に示される基板処理装置と異なる点は、回転軸２５ｃ内に加熱源である電気ヒータ２９や温度計測用の熱電対５１ａ，５１ｂを配置し、かつこれらに対する保守の容易化を図れるようにしたことにある。回転軸２５ｃ内に加熱源を配置すると、回転軸２５ｃを伝わって逃げる熱の影響を小さくできるので、被処理基板Ｓの均熱化を実現し易い。しかし、反面、回転軸２５ｃ内に加熱源を配置したことによって、組立や保守の面倒化を招いたり、回転部の回転特性の低下を招いたりし易い。
【００６９】
この問題を解決して回転軸２５ｃ内に加熱源を配置できるようにしたのが、この例に係る基板処理装置である。
この基板処理装置では、回転軸２５ｃが基板ホルダ２０ａの径以上の中空に形成されている。すなわち、回転軸２５ｃは、一端側が基板ホルダ２０ａに接続されるとともに他端側が基板ホルダ２０ａと同径で下方に向けて延びた軸要素６１と、この軸要素６１よりさらに大径に形成されて一端側が軸要素６１の下端に接続されるとともに他端側が処理容器１ｃの収容空間３ｃに差込まれた軸要素６２とで構成されている。
【００７０】
軸要素６１における下部の周囲には、この下部との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００７１】
ここで、収容空間３ｃは環状に形成されている。すなわち、回転軸２５ｃを上記構成にすることによって収容空間３ｃの環状化を可能にし、これによって処理容器１ｃの下部中央部に基板ホルダ２０ａより大径な上下方向に延びる空洞６３を存在させるようにしている。そして、空洞６３と処理室２とを着脱自在なベース板６４で区画し、このベース板６４に加熱源である電気ヒータ２９，均熱板６５，遮熱板６６，熱電対５１ａ，５１ｂ，被処理基板Ｓの出し入れ時に被処理基板Ｓを突上げるためのピン６７を取付けるようにしている。
【００７２】
なお、図７中、７１は運転時に冷却水を流して磁気軸受３４ａおよびモータ３５の固定要素を直接強制冷却するための冷却液流路を示し、７２は微小ギャップＢを介して軸要素６２を間接冷却すための冷却液流路を示している。７３，７４は、冷却液流路７１，７２に冷却水を導くための導入口を示している。また、この図ではタッチダウン軸受は省略されている。
【００７３】
上記構成であると、回転軸２５ｃ内に加熱源である電気ヒータ２９を配置しているので、熱効率を向上させることができ、被処理基板Ｓの均熱化を図ることができる。また、ベース板６４を取外すだけで電気ヒータ２９，均熱板６５，遮熱板６６，熱電対５１ａ，５１ｂ，ピン６７を一体に取外すことができるので、保守の容易化を図ることができる。勿論、組立ての容易化も図れる。
【００７４】
なお、ベース板６４に石英窓６７を取付けることにより、基板裏面もしくは均熱板もしくはヒータもしくは遮熱板の温度を放射温度計６８により測温できる。基板表面は様々な処理を受けるため、放射率が変化し、放射温度計による測温値に誤差を生じさせる場合が多い。しかし、上記部分の放射率はほぼ一定のため、測温および基板温度制御の精度を向上させることができる。窓材は石英に限らず、測定波長が透過する材質であればよい。
【００７５】
そして、この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｃの軸要素６１の下部周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって軸要素６１の下部から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても磁気軸受３４ａが設けられている位置の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００７６】
したがって、図１に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
また、この例では先の例に比べて回転軸２５ｃの径を大きくしているので、回転軸２５ｃの剛性を向上させることができ、回転部の固有振動数を高くできるため、高回転数領域でも安定に回転させることができる。
【００７７】
なお、回転軸の径が大きくなると、回転軸の周速が大きくなるため、回転数が高くなると、機械軸受では安定に回転させることが困難となるが、この例においても磁気軸受３４ａを用いているので、安定に回転させることができる。
【００７８】
また、軸径が大きくなり、かつ回転数が高くなると、回転軸、軸受部材、モータ構成要素の遠心破壊が問題となるが、回転数をω、材料の許容応力をσ、密度をρ、回転軸径をｒとしたとき、ω＜ ０．５（σ／ρｒ２ ）０．５ の範囲で運転する限り、遠心破壊を起こすことはない。また、軸受構成要素やモータ構成要素のうち、材料的に強度の弱い要素を回転軸内部に配置することも有効である。
【００７９】
なお、図７に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００８０】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．２６ｍ
冷却部回転軸材質：カーボン λｗ＝９３Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００４ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝３２ｍ−１
Ｔ０＝〜９００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図８には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図７とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８１】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図７の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図７に示される基板処理装置と異なる点は、軸受として機械軸受を用いている点にある。
【００８２】
この基板処理装置では、回転軸２５ｄが中空で、かつ下方に向かうにしたがって段階的に小径に形成されている。すなわち、回転軸２５ｄは、一端側が基板ホルダ２０ａに接続されるとともに他端側が基板ホルダ２０ａと同径で下方に向けて延びた軸要素７５と、この軸要素７５より小径に形成されて一端側が軸要素７５の下端に接続された軸要素７６と、この軸要素７６より小径に形成されて一端側が軸要素７６の下端に接続された軸要素７７とで構成されている。
【００８３】
軸要素７６の周囲には、この軸要素７６との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００８４】
軸要素７７の外周面と収容空間３ｄの構成壁内周面との間には回転軸２５ｄを回転自在に支持するための球軸受７８，７９が設けてあり、これら球軸受７８，と球軸受７９の間に回転軸２５ｄに回転動力を与えるためのモータ８０が設けられている。
【００８５】
処理容器１ｄの底部壁には開口８１が形成されており、この開口８１を通して回転軸２５ｄ内に回転軸２５ｄとは非接触に保護筒８２が差込まれている。そして、突き上げピン６７を操作するためロッド８３、電気ヒータ２９に給電するためのリード線８４，８５、測温用の熱電対８６が保護筒８２内を案内され、保護筒８２の下端開口部に装着された閉塞板８７を機密に貫通して外部に導かれている。
【００８６】
この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｄの軸要素７６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって軸要素７６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても球軸受７８が設けられている位置やモータ８０が設けられたいる軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００８７】
したがって、図７に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
なお、図８に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００８８】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．１０ｍ
冷却部回転軸材質：モリブデン λｗ＝１３８Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００２ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．０００５ｍ
Ｃ＝５３ｍ−１
Ｔ０＝〜７００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜４４℃
図９には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図８とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８９】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図８の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図８に示される基板処理装置と異なる点は、軸要素７６の内径と軸要素７７の内径とが等しくなるように両者を接続している。そして、軸要素７６，軸要素７７の内周面との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて近接するように保護筒８２ａを設け、この保護筒８２ａの周壁内に冷却液流路８９を設けている。この冷却液流路８９には導入口９０から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００９０】
この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｅの軸要素７６，７７の内側に微小ギャップＡを介して冷却液流路８９を設け、この冷却液流路８９を流れる冷却水によって軸要素７６，７７から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても球軸受７８が設けられている位置やモータ８０が設けられている位置の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００９１】
したがって、図８に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
なお、図９に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００９２】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０９ｍ
冷却部回転軸材質：タングステン λｗ＝１６３Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００３ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝２８ｍ−１
Ｔ０＝〜５００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１３０℃
図１０には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図７とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００９３】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図７の装置と同じ方法を採用している。この例に係る基板処理装置では、図７に示した例におけるベース板６４に代えて石英板９１を取付け、その下方に加熱源としてのランプ９２を配置している。なお、図中、９３は反射板を示し、９４は反射板９３の背面を冷却するためのブロアを示している。
【００９４】
このような構成であると、図７に示す実施形態と同様の効果が得られることは勿論のこと、加熱源の取付けおよび保守を図７に示す実施形態よりさらに容易化できる。また、この実施形態では軸受構成要素やモータ構成要素のうち、材料的に強度の弱い要素を回転軸２５ｆの内側に配置しているので、これらの遠心破壊を防止することができる。
【００９５】
なお、図１０に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００９６】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．３０ｍ
冷却部回転軸材質：アルミナ λｗ＝２１Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００５ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０３ｍ
冷却ガス ：ヘリウム λｇ＝０．２３Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝４７ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜２００℃
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形できる。すなわち、図１、図７および図１０に示した実施形態では、５軸制御の磁気軸受を設けているが、３軸制御あるいは１軸制御の磁気軸受を組込むようにしてもよい。また、磁気力供給源として永久磁石を組込むこともできる。さらに、回転軸の各部をその場所に適合した材料で形成することもできる。また、微小ギャップＡを流れる性ガスの流速を遅くするために、微小ギャップ流路の流動抵抗を大きくしてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置の大型化を招くことなく、軸受を含めた回転駆動機構を高温から確実に保護することができ、これらのメンテナンス回数を減らしてスループットの向上に寄与できるとともに、品質の高い成膜およびエッチングの実行に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図２】同装置における軸温度と冷却部長さとの関係を従来装置のそれと比較して示す図
【図３】同装置を用いて基板処理を行ったときの面内均一性の測定例を示す図
【図４】同装置に組込まれた磁気軸受のパーティクル発生量実測値を示す図
【図５】本発明の別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図８】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図９】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図１０】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【符号の説明】
Ａ…微小ギャップ
Ｓ…被処理基板
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…処理容器
２…処理室
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３，３ｅ，３ｆ…収容空間
１２…整流板
１４…原料ガス供給室
１５…パージガス供給室
１６…原料ガス導入口
１７…パージガス導入口
１８…被処理基板出入用の搬入口
１９…排気口
２０，２０ａ，２０ｂ…基板ホルダ
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ…回転軸
２６…中空大径部
２７…遮熱筒
２９…電気ヒータ
３１，６６…遮熱板
３２，７１，７２，８９…冷却液流路
３３，７３，７４，９０…冷却液導入口
３４，３４ａ，３４ｂ…磁気軸受
３５，３５ａ，５９，８０…モータ
３６，３７…ラジアル軸受
３８…スラスト軸受
５０，５５…パージガス導入口
５１，５１ａ，５１ｂ…熱電対
５６，５７…球軸受
６１，６２，７５，７６，７７…軸要素
６３…空洞
６４…ベース板
６５…均熱板
９１…石英板
９２…加熱源としてのランプ
９３…反射板
９４…ブロア
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ等の基板の表面に薄膜を形成したり、基板の表面に形成されている薄膜に対してエッチング処理を施したりするのに好適な基板処理方法およびその方法を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体ウェハ等の基板の表面に薄膜を形成する方法には幾つかある。気相成長法もその１つである。気相成長法は、高温下での原料ガスの化学反応を利用したもので、各種の膜を強い付着強度で得られること、膜厚制御が比較的容易であることなどの利点を備えている。そして、実際に基板の表面に薄膜を形成する基板処理装置としては、複数の基板の表面に同時に成膜するバッチ式の装置が広く使用されている。
【０００３】
しかし、近年では基板である半導体ウェハが大口径化しているため、バッチ式の装置ではウェハ面内やウェハ間の成膜の均一性を確保することが困難になっている。このようなことから、半導体素子製造の分野では、半導体ウェハに対して１枚毎に成膜する枚葉式の装置が使用される傾向にある。
【０００４】
枚葉式の装置では、スループットを向上させるために、成膜速度を高速化させる必要がある。成膜速度を高速化する手段としては、成膜温度を高くするとともに基板を回転させながら成膜する方法が考えられている。すなわち、基板を回転させることによって基板表面近傍のガスを遠心力で送り出すことができ、この送り出しで境界層の厚みを薄くできる。この結果、高温の基板に対して原料ガスの拡散を容易化でき、その結果として成膜速度を増加させることができる。このような作用は、基板の表面に形成されている薄膜に対してエッチング処理を行う場合においても有効である。すなわち、高温の基板に対するエッチングガスの拡散速度を速めることができるので、エッチングに要する時間を短縮することができる。
【０００５】
ところで、上記のように成膜処理時やエッチング処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置では、処理容器内に配置された基板ホルダを何等かの手段で回転自在に支持し、これに回転駆動力を与える必要がある。これを実現する最も一般的な方法として、基板ホルダに回転軸を直結し、この回転軸をたとえばボールベアリング等の軸受で支持するとともにモータで回転軸に回転力を与えることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置では、上述の如く、処理時に基板を３００ ℃〜１２００℃といった高温に保持する必要がある。このため、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受やモータに熱が伝わり、これらが高温になる。
【０００７】
軸受に熱が伝わると、内輪の温度が外輪の温度より高くなり、温度差に伴う熱膨張差で内輪と外輪との間にあるボールが両輪によって強く押さえつけられる。この結果、回転軸の回転が不安定になり、成膜結果にばらつきが生じたり、甚だしい場合には基板ホルダによる基板の保持が困難となって、基板ホルダから基板が脱落するなどの現象を招く。また、軸受やモータには、潤滑油や樹脂材等が用いられており、これらは通常、温度が２００ ℃を越えると分解を始める。たとえば、潤滑油として蒸気圧の低いフォンブリン系のものを用いた場合でも、温度が２００ ℃を越えると蒸気圧が大幅に高くなる。これらの分解生成物は、処理基板に対する汚染度を高め、たとえば成膜処理時には膜質を悪化させる。
【０００８】
また、温度の上昇に伴って潤滑油や樹脂材等が分解すると、潤滑油不足や電気絶縁不良等を招き、このような面からも軸受を含めた回転駆動機構に大きなダメージを与えることになる。
【０００９】
そこで、上述した不具合を解消するために、通常は回転軸における基板ホルダから軸受までの部分の長さを十分に長くし、熱が軸受を含めた回転駆動機構に伝わり難くしている。しかし、このようにすると回転軸を片持支持に近い状態で支持することになるので、安定した回転を得るのが困難で、メンテナンス回数が多くなり、スループットを上げることが困難であった。また、回転軸の剛性が低下するために固有振動数も低下し、回転数の設定に制約が加わるので装置全体が大型化し、装置コストの増加を招く問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、処理時に基板を回転させるようにした基板処理装置にあっては、処理時に被処理基板を３００ ℃〜１２００℃といった高温に保持する必要があるため、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受を含めた回転駆動機構に熱が伝わり、この熱によって回転駆動機構の動作不良を招いたり、また回転駆動機構から発生したガスによって処理膜が汚染されるなどの問題があった。また、この問題を解消するために、回転軸における基板ホルダから軸受までの部分の長さを十分に長くすると、安定した回転を得るのが困難で、メンテナンス回数が多くなり、スループットを上げることが困難であった。
【００１１】
そこで本発明は、回転軸の軸方向長さを増すことなく、基板ホルダ側から回転軸を介して軸受を含めた回転駆動機構に熱が伝わるのを抑制でき、もって上述した不具合の発生を防止できる基板処理方法および基板処理装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えている回転軸を回転させて前記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記中空構造部を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程とを具備している。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、請求項２に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記基板ホルダに連結されている中空の回転軸を回転させて上記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、前記中空の回転軸の内部に配置された加熱手段により前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、前記中空の回転軸の近傍に該回転軸との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記回転軸を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程とを具備し、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ（Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ ＞１３ｍ−１の関係を満している。
【００１４】
なお、前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン、酸素の中から選ばれたガスを流すことが好ましい。特に、水素，ヘリウム，ネオンは熱伝導が大きく、回転軸に対する冷却効果が大きい。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、請求項４に記載の基板処理装置では、処理容器と、この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えた回転軸と、この回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、前記回転軸に回転動力を与える駆動手段と、前記基板ホルダを介して前記被処理基板を加熱する加熱手段と、前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置されて上記中空構造部を冷却する冷却手段とを備えている。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、請求項５に記載の基板処理装置では、処理容器と、この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、この基板ホルダに連結された中空の回転軸と、この中空の回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、前記中空の回転軸に回転動力を与える駆動手段と、前記中空の回転軸の内部に配置されて前記被処理基板を加熱する加熱手段と、前記中空の回転軸の近傍に上記回転軸との間に微小ギャップを介して配置されて上記回転軸を冷却する冷却手段とを備え、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ（Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ ＞１３ｍ−１の関係を満している。
【００１７】
なお、前記微小ギャップは、０．１ｍｍ 以上で５ｍｍ 未満であることが好ましい。
また、前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン，酸素の中から選ばれたガスを流す手段をさらに備えていることが好ましい。このガスを流す手段は、前記微小ギャップを経由して流れるガス流路の流動抵抗を増加させる手段を備えていてもよい。また、このガスを流す手段は、前記軸受手段および駆動手段の配置されている領域にパージガスを流す手段を兼ねていてもよい。
【００１８】
さらに、前記受手段および前記駆動手段の少なくとも固定要素を強制冷却する手段をさらに備えていてもよい。
さらにまた、前記回転軸の内部に基板突き上げ手段、測温手段のいずれかが配置されていてもよい。
また、上記目的を達成するために、請求項１２に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に前記基板ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、前記中空部が円筒形表面、第１の端部表面、および第２の端部表面をもち、前記中空部の前記第１の端部表面および前記第２の端部表面が前記回転軸に接続され、前記円筒形表面、前記第１の端部表面、および前記第２の端部表面が前記中空部を規定している基板処理装置を用い、前記基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、前記回転軸を回転させて前記被処理基板を回転させる工程と、前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を加熱する工程と、前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りに配置された冷却手段によりギャップを介して前記中空部を冷却する工程と、前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、を具備する。
また、上記目的を達成するために、請求項１３に記載の基板処理方法では、処理容器内の基板ホルダに被処理装置を配置する工程と、前記基板ホルダに連結されている中空部を有する回転軸を回転させて、被処理基板を回転させる工程と、前記基板ホルダを加熱して、前記被処理基板を加熱する工程と、前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りにギャップを介して配置された冷却手段により前記回転軸を冷却する工程と、前記処理容器内に第１のガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、前記回転軸の前記中空部の肉厚をｔ（ｍ）、前記回転軸の前記中空部の熱伝導度をλｗ(Ｗ／ｍＫ)、ギャップの距離をδ（ｍ）、ギャップに存在する前記第２のガスの熱伝導度をλｇ(Ｗ／ｍＫ)としたときに、前記回転軸とギャップが｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝0.5 ＞１３ｍ-1を満たすように、前記ギャップに第２のガスを導入する工程と、を具備する。
また、上記目的を達成するために、請求項１４に記載の基板処理方法では、処理容器内のホルダに回転軸の一方の端部が連結され、かつ当該回転軸方向の中間部分に前記ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、前記中空部が第１の端部表面と第２の端部表面とをもち、前記中空部の前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記回転軸の回転軸に接続され、前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記中空部を規定している基板処理装置を用い、前記ホルダ上に基板を配置する工程と、前記回転軸の他方の端部を回転させる工程と、前記ホルダを加熱して、前記基板を加熱する工程と、前記中空部の周りにギャップを介して配置された冷却手段を使用することによって前記中空部を冷却する工程と、処理ガスを前記処理容器に導入して、前記基板を処理する工程と、を具備する。
【００１９】
上述の如く、本発明に係る基板処理方法および基板処理装置では、基板ホルダに連結される回転軸として、中空の回転軸を用いたり、また途中に大径の中空構造部を有した回転軸を用いたりしている。そして、上記回転軸の中空部分の近傍に、この中空部分との間に微小ギャップを介して冷却手段を設け、この冷却手段で微小ギャップを介して回転軸の中空部分から吸熱するようにしている。
【００２０】
したがって、回転軸の中空部分の肉厚および径を選択することによって、軸方向の長さを増すことなく、しかも軸方向の伝熱面積を減少させた状態で、中空部分の放熱面積を大きくすることが可能となる。そして、放熱面積の大きい中空部分に微小ギャップを介して冷却手段を対向配置しているので、上記中空部分から効率よく吸熱できる。
【００２１】
この冷却機構は以下のようにモデル化することができる。
すなわち、肉厚ｔ（ｍ）、長さＬ（ｍ）で幅が無限に長い、熱伝導度λｗ（Ｗ／ｍＫ）の板が、温度Ｔｗ（℃）の面と距離δ（ｍ）だけ離れて置かれているものとする。板と温度Ｔｗの面との間には熱伝導度λｇ（Ｗ／ｍＫ）のガスが存在するものとする。板からの放熱がガスを通して温度Ｔｗの面へ伝熱すると仮定する。この場合、板の一端（１＝０） の温度がＴ０ であるときに、もう一端（１＝Ｌ） の温度Ｔは、もう一端での伝熱条件が断熱であるとした場合、
Ｔ＝２（Ｔ０ −Ｔｗ）／｛ｅｘｐ （ＣＬ）＋ｅｘｐ （−ＣＬ）｝＋Ｔｗ
となる。ここで、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ である。
【００２２】
実際の中空回転軸の形状でも同様のモデル化が可能であるが、Ｃの表式が多少異なる程度で得られる結論は平板の冷却モデルとほぼ同様である。
軸受部の温度は、それが磁気軸受の場合であっても２００ ℃以下であることが望ましい。冷却部の長さＬを長くすれば冷却し易くなるが、装置が大きくなり、回転軸の固有振動数も低下し、望ましくはない。そのため、Ｌの長さは実際的に１００ｍｍ （０．１ ｍ）以下になると考えられる。冷却面の温度Ｔｗを２５℃とした場合、Ｌ＝１００ｍｍ で回転軸の温度を１０００℃から２００ ℃以下まで下げようとすると、Ｃ＞１３ｍ−１としなければならない。
【００２３】
Ｃの式から判るように、ガスの熱伝導度は大きく、回転軸の熱伝導度は小さく、回転軸の肉厚は薄く、微小ギャップは小さいほどよい。
微小ギャップは、回転軸の中空部と冷却面が接触しない範囲で可能な限り狭くすることが望ましい。そのために、１ｍｍ（０．００１ ｍ）程度のギャップが好ましい。ギャップが５ｍｍ （０．００５ ｍ）以上では、冷却の効果が著しく低下するので好ましくはない。
【００２４】
微小ギャップに存在するガスとしては、熱をよく伝える水素，ヘリウム，ネオンなどのガスが好ましい。他のガスは熱伝導率がこれらのガスより劣るため冷却効率が悪くなる。
【００２５】
回転軸はアルミニウム合金、ステンレス鋼、モリブデン、タングステン等の金属で構成する場合が多く、金属は熱伝導が良いため、中空部の肉厚を薄くし、熱伝導度のよいガスで冷却を行う。中空部の肉厚は可能な限り薄い方が軸受部の冷却の観点から好ましいが、回転部の固有振動数や、冷却部の構造物の強度としての観点より、数ｍｍ程度とする。回転軸を、石英、アルミナ、窒化珪素、カーボン等のセラミックで構成してもよい。これらの材料を用いる場合には、それぞれの材料の性質に応じた回転軸強度、回転系固有振動、中空部の設計を行う。
【００２６】
たとえば、肉厚２ｍｍ のステンレス鋼で形成された中空の回転軸を水素ガスを媒体として１ｍｍ の微小ギャップで冷却を行う場合のＣの値は９６ｍ−１となり、Ｔ０ ＝１０００ ℃、Ｌ＝２５ｍｍ でも軸受部を十分に２００ ℃以下に冷却できる。
【００２７】
このように、回転駆動機構の温度上昇を抑制することができ、しかも回転軸の軸方向長さを増す必要がないので、安定した回転特性が得られ、メンテナンス回数を減らすことができるので、スループットを向上させることができる。
【００２８】
なお、回転軸が中空であると、回転軸内に熱電対や放射温度計等の温度測定手段や、ヒータやランプ等の加熱手段およびその電極や、回転軸を冷却する手段等を配置することができる。また、回転軸の径を大きくすると、回転軸の剛性を上げることができ、回転系の固有振動数を大きくできる。回転軸を中空にすると、回転軸の剛性をそれ程損なうことなく、回転軸の重量を軽減でき、軸受の負担を軽減できる。また、回転軸を中空にして回転軸の肉厚を薄くすると、回転軸を伝わって軸受や回転駆動機構へ移動する熱量を低減できる。
【００２９】
また、基板処理装置では、プロセスガスとして、腐食性の高いガスやパーティクルの発生し易いガスを用いることがあるが、軸受および回転駆動機構の配置されている領域にパージガスを供給することによって、これらのプロセスガスが上記領域に侵入するのを防止でき、長期間に亘って安定に動作させることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
図１には本発明の一実施形態に係る基板処理装置、ここには本発明を枚葉式の基板処理装置に適用した例の概略縦断面図が示されている。
【００３１】
図中１は処理容器を示している。この処理容器１は実際には幾つかのパーツの組合せによって構成されているが、ここでは図の簡単化を図るために一体に形成されているように示されている。
【００３２】
処理容器１内の上方には処理室２が形成されており、下方には後述する磁気軸受３４および回転駆動機構としてのモータ３５を収容する収容空間３が形成されている。
【００３３】
処理室２の上壁１１は石英板等の透明部材で形成されている。そして、上壁１１の上方には図示しない放射温度計等が配置される。処理室２内で上壁１１に対向する位置には、石英等の耐熱性透明部材で形成された整流板１２が配置されている。整流板１２の上面周縁部には環状の仕切板１３が配置されており、この仕切板１３によって整流板１２と上壁１１との間が原料ガス供給室１４とパージガス供給室１５とに区画されている。原料ガス供給室１４は原料ガス導入口１６を介して図示しない原料ガス供給源に選択的に接続され、またパージガス供給室１５はパージガス導入口１７を介して図示しないパージガス供給源に選択的に接続される。
【００３４】
処理室２の側壁で上部位置には、後述する被処理基板Ｓを処理室２へ出し入れするための搬入口１８が設けられている。この搬入口１８は被処理基板Ｓを出し入れする期間以外は図示しないバルブによって閉じられている。処理室２の側壁で下部位置には、処理室２内を通過した原料ガスおよびパージガスを排出するための排気口１９が周方向の複数箇所に亘って形成されている。
【００３５】
処理室２内で中央部上方位置には被処理基板Ｓを保持するための基板ホルダ２０が配置されている。この基板ホルダ２０は、ガス発生量を抑え、かつ高温雰囲気や腐食雰囲気に耐えさせるためにカーボン系の材料によって形成されている。なお、この例において、基板ホルダ２０は、基板ホルダ本体２１と、この本体２１の下面中央部から下方に向けて所定長さ筒状に延びた軸部２２と、この軸部２２の下端に一体に形成されたフランジ部２３とで形成されている。そして、フランジ部２３がネジ２４を介して回転軸２５の上端部に連結されている。この構造から判るように、軸部２２およびフランジ部２３は、回転軸２５の一部を構成している。
【００３６】
回転軸２５は、ステンレス鋼などで形成されており、実際には幾つかのパーツの組合せによって構成されているが、ここでは図の簡単化を図るために一体に形成されているように示されている。回転軸２５は中空に形成されており、フランジ部２３との連結部分に、軸部２２より大径な、たとえば軸方向の長さが２５ｍｍ，内径が２８ｍｍ、周壁の厚みが２ｍｍ の中空大径部２６が形成されている。そして、この回転軸２５の下端側は収容空間３まで延びている。
【００３７】
基板ホルダ２０の周囲には、遮熱筒２７が配置されており、この遮熱筒２７は支持材２８を介して処理室２の側壁に固定されている。基板ホルダ２０の下方位置には、基板ホルダ２０に近接させて加熱源としての電気ヒータ２９が配置されている。この電気ヒータ２９は給電路を兼ねた支持材３０によって処理室２の側壁に固定されている。電気ヒータ２９への給電線は絶縁状態で処理室２の外に導かれている。電気ヒータ２９とフランジ部２３との間には遮熱板３１が配置されている。
【００３８】
回転軸２５に形成された中空大径部２６の周囲には、中空大径部２６との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００３９】
処理室２のいわゆる底壁には、中空大径部２６と冷却液流路３２との間に形成された微小ギャップＡにパージガスを流すためのパージガス導入口５５が設けられ、このパージガス導入口５５を通して水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン、酸素などの熱伝導率の大きなガスが供給される。
【００４０】
一方、収容空間３には、回転軸２５に設けられた要素との間で回転軸２５の非接触支承を実現する磁気軸受３４と回転軸２５に対して非接触に回転力を与えるモータ３５とが配置されている。
【００４１】
磁気軸受３４は、ラジアル軸受３６，３７とスラスト軸受３８とからなる５軸制御型に構成されている。ラジアル軸受３６，３７は、回転軸２５の外周に装着された磁性リング３９と、この磁性リング３９の周囲に固定されるとともに周方向に等間隔に４つの磁極４０を設けてなる固定継鉄４１と、各磁極４０に装着された制御コイル４２とで構成されている。
【００４２】
スラスト軸受３８は、回転軸２５に設けられた鍔部４３と、この鍔部４３の上下面に固定された環状の磁性板４４，４５と、これら磁性板４４，４５に対向するように固定された断面Ｕ字状の固定継鉄４６，４７と、この固定継鉄４６，４７に装着された制御コイル４８，４９とで構成されている。
【００４３】
これらラジアル軸受３６，３７およびスラスト軸受３８は、図示しないセンサで検出された変位信号を入力とする図示しない制御装置によって各制御コイル４２，４８，４９の電流が制御され、これによってラジアル方向、スラスト方向ともに完全な非接触支承を実現している。なお、制御方法については公知であるから、詳しい説明は省略する。
【００４４】
収容空間３の下部壁には、収容空間３に侵入しようとするプロセスガスを押し出す形に水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン，酸素などパージガスを収容空間３に流すためのパージガス導入口５０が形成されている。
【００４５】
なお、図１中、５１は回転軸２５内および基板ホルダ２０の軸部２２内に、これらとは非接触に軸部２２の基端近くまで差込まれて基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）の温度計測に供される熱電対を示し、５２，５３は磁気軸受３４を動作させていない期間に回転部を仮に支持するタッチダウン軸受を示している。
【００４６】
この例では、中空大径部２６と冷却液流路３２との間の微小ギャップＡに十分な量のパージガスを流すためにパージガス導入口５５を設けている。
このように構成された基板処理装置の使用例、ここでは被処理基板Ｓとして半導体ウェハを用い、この半導体ウェハ上にシリコンの薄膜を気相成長させる場合について説明する。
【００４７】
まず、冷却液流路３２に図中実線矢印で示すように冷却水を連続的に流す。また、磁気軸受３４を動作させて回転部を完全非接触に支承させる。
次に、ガス供給口１６，１７を介して処理室２へ水素ガスを連続的に流し、またパージガス導入口５０，５５を介して図中破線矢印で示すようにパージガスとしての水素を連続的に供給し、処理室２内の圧力が所定値となるようにする。
【００４８】
次に、モータ３５を駆動して基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）を所定の回転数で回転させ、続いて電気ヒータ２９を付勢して基板ホルダ２０（被処理基板Ｓ）を所定の温度に制御する。なお、温度の計測は熱電対５１や図示しない放射温度計によって行われる。
【００４９】
この状態でガス供給口１６にシランガスおよび水素ガスを供給して膜成長を開始させる。
このとき、電気ヒータ２９で発生した熱の一部が基板ホルダ２０の軸部２２および回転軸２５の中空大径部２６を介して収容空間３の方へ伝わろうとするが、中空大径部２６の周囲には微小ギャップＡを介して冷却液流路３２が近接していているので、微小ギャップＡを流れるパージガスによる対流効果および輻射効果によって中空大径部２６を移動する熱が冷却液流路３２を流れる冷却水によって奪われる。
【００５０】
したがって、被処理基板Ｓの温度が１０００℃であっても、回転軸２５の収容空間３内に位置している部分は常に２００ ℃以下に保たれる。このため、磁気軸受３４やモータ３５に熱的な影響を与えることはなく、これらを常に安定に動作させることができる。なお、被処理基板Ｓの温度が３００ ℃前後の場合には、微小ギャップＡにパージガスとして、窒素もしくはアルゴン等のガスを流しても回転軸２５の収容空間３内に位置している部分を２００ ℃以下に冷却できる。
【００５１】
図２には、回転軸２５の軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する本発明の冷却方式と、単に回転軸の長さ長くして熱が伝わり難くした従来の方式との軸温度と冷却部長さとを比較した結果が示されている。
【００５２】
この図から判るように、熱入力端の温度が１０００℃の場合、従来の方式では熱入力端から１００ ｍｍ離れていても６００ ℃以上であるが、本発明の構造では熱入力端から５０ｍｍ離れた位置で２００ ℃程度まで温度低下させることができる。したがって、本発明の構造を採用することによって、回転軸２５の軸方向長さを増すことなく、磁気軸受３４やモータ３５が高温に晒されるのを防止することができる。
【００５３】
このように軸受やモータが高温に晒されるのを防止できるので、これらからの汚染物質の発生を防止でき、高品質の膜を作ることができる。すなわち、図１に示す装置を用い、被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を７００ ℃に保ち、原料ガスとしてＳｉＨ４ を供給してシリコンウェハの表面にポリシリコンの成膜を行ったところ、カーボン汚染のない高品質の膜を得ることができた。また、被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を１１００℃に保ち、原料ガスとしてＳｉＨ２ Ｃｌ２ を供給してシリコンのエピタキシャル成長を行った場合においても、ウェハに対する金属汚染や有機物汚染は認められなかった。さらに被処理基板Ｓとしてのシリコンウェハの温度を１１００℃に保ち、エッチングガスとしてＨＣｌを供給し、シリコンに対するエッチングを行った場合においてもウェハに対する汚染は認められなかった。一方、基板ホルダ２０の回転数を６０ｒｐｍ から２４００ｒｐｍ にしてエピタキシャル成長やエッチングをない、６インチウェハの面内均一性を調べたところ、図３に示すように１２００ｒｐｍ 以上の回転数では良好な均一性が得られ、しかも回転数を上げることによって成膜速度およびエッチング速度が速くなることが確認された。
【００５４】
このように、本発明の構造を採用することによって、成膜の再現性が良くなり、回転部のメンテナンスもほぼ不要となり、スループットを向上させることができる。
【００５５】
なお、図１に示す装置のように、軸受として磁気軸受３４を用いると、回転部を完全非接触に支承できるので、パーティクルやオイルミストの発生がなく、より好ましい結果が得られる。図４には軸受部分から発生する０．２ μｍ以上のパーティクルの発生量を測定した結果が示されている。機械軸受を用いた場合には定期的に軸受の交換や注油を行う必要があるが、磁気軸受の場合には２ 年間以上メンテナンスを必要としない。また、機械軸受の場合には、回転数がたとえば１００００ｒｐｍ以上の場合や、回転軸径が４０ｍｍ以上の場合には、回転軸の周速が大きくなるので、潤滑油の選定に十分な配慮が必要であるが、磁気軸受の場合には、そのような場合でも安定に回転させることができる。
【００５６】
なお、図１に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００５７】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：ステンレス鋼 λｗ＝２１Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００２ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０２５ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝９６ｍ−１
Ｔ０＝〜８００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図５には本発明の別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００５８】
図５に示される基板処理装置では、軸受として球軸受５６，５７を用いている。 この基板処理装置においても、回転軸２５ａの軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０の温度が１０００℃程度の場合でも球軸受５６，５７が位置している部分の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００５９】
なお、図５に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００６０】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：アルミニウム合金 λｗ＝２１０Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００３ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０６０ｍ
冷却ガス ：ヘリウム λｇ＝０．２３Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．０００５ｍ
Ｃ＝２７ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１７０℃
したがって、図１に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
【００６１】
図６には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１および図５とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００６２】
図６に示される基板処理装置では、回転軸２５ｂの下端側を処理容器１ｂの外に突出させ、この外に突出している部分をカップリング５８を介してモータ５９の回転軸に連結している。そして、中空大径部２６と球軸受５６との間で、回転軸２５ｂの外周と収容空間３ｂの構成壁との間に磁性流体シール６０を設けている。
【００６３】
すなわち、この基板処理装置では、回転軸２５ｂに回転駆動力を与えるモータ５９を処理容器１ｂの外部に配置し、外部に配置したことによって必要となるシールを磁性流体シール６０で行わせている。
【００６４】
この基板処理装置においても、回転軸２５ｂの軸方向途中位置に中空大径部２６を設け、この中空大径部２６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって中空大径部２６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０の温度が１０００℃程度であっても磁性流体シール６０が設けられている位置の軸温度を７０℃程度に抑えることが容易である。このため、磁性流体の蒸発による汚染を防止できるとともに磁性流体シール６０の寿命低下を防止できる。
【００６５】
したがって、図１および図５に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。そして、この例の場合にはモータ５９を外部に設置できるので、モータ５９のメンテナンスの容易化も図ることができる。
【００６６】
なお、図６に示す実施形態は、本発明の第１原理および第２原理の双方が適用されている。第１原理は中空大径部２６により実現されている。また、第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００６７】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０２８ｍ
冷却部回転軸材質：石英 λｗ＝１．４Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００５ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０３ｍ
冷却ガス ：窒素 λｇ＝０．０２６Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝６１ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図７には本発明のさらに異なる実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図１とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００６８】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図１の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図１に示される基板処理装置と異なる点は、回転軸２５ｃ内に加熱源である電気ヒータ２９や温度計測用の熱電対５１ａ，５１ｂを配置し、かつこれらに対する保守の容易化を図れるようにしたことにある。回転軸２５ｃ内に加熱源を配置すると、回転軸２５ｃを伝わって逃げる熱の影響を小さくできるので、被処理基板Ｓの均熱化を実現し易い。しかし、反面、回転軸２５ｃ内に加熱源を配置したことによって、組立や保守の面倒化を招いたり、回転部の回転特性の低下を招いたりし易い。
【００６９】
この問題を解決して回転軸２５ｃ内に加熱源を配置できるようにしたのが、この例に係る基板処理装置である。
この基板処理装置では、回転軸２５ｃが基板ホルダ２０ａの径以上の中空に形成されている。すなわち、回転軸２５ｃは、一端側が基板ホルダ２０ａに接続されるとともに他端側が基板ホルダ２０ａと同径で下方に向けて延びた軸要素６１と、この軸要素６１よりさらに大径に形成されて一端側が軸要素６１の下端に接続されるとともに他端側が処理容器１ｃの収容空間３ｃに差込まれた軸要素６２とで構成されている。
【００７０】
軸要素６１における下部の周囲には、この下部との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００７１】
ここで、収容空間３ｃは環状に形成されている。すなわち、回転軸２５ｃを上記構成にすることによって収容空間３ｃの環状化を可能にし、これによって処理容器１ｃの下部中央部に基板ホルダ２０ａより大径な上下方向に延びる空洞６３を存在させるようにしている。そして、空洞６３と処理室２とを着脱自在なベース板６４で区画し、このベース板６４に加熱源である電気ヒータ２９，均熱板６５，遮熱板６６，熱電対５１ａ，５１ｂ，被処理基板Ｓの出し入れ時に被処理基板Ｓを突上げるためのピン６７を取付けるようにしている。
【００７２】
なお、図７中、７１は運転時に冷却水を流して磁気軸受３４ａおよびモータ３５の固定要素を直接強制冷却するための冷却液流路を示し、７２は微小ギャップＢを介して軸要素６２を間接冷却すための冷却液流路を示している。７３，７４は、冷却液流路７１，７２に冷却水を導くための導入口を示している。また、この図ではタッチダウン軸受は省略されている。
【００７３】
上記構成であると、回転軸２５ｃ内に加熱源である電気ヒータ２９を配置しているので、熱効率を向上させることができ、被処理基板Ｓの均熱化を図ることができる。また、ベース板６４を取外すだけで電気ヒータ２９，均熱板６５，遮熱板６６，熱電対５１ａ，５１ｂ，ピン６７を一体に取外すことができるので、保守の容易化を図ることができる。勿論、組立ての容易化も図れる。
【００７４】
なお、ベース板６４に石英窓６７を取付けることにより、基板裏面もしくは均熱板もしくはヒータもしくは遮熱板の温度を放射温度計６８により測温できる。基板表面は様々な処理を受けるため、放射率が変化し、放射温度計による測温値に誤差を生じさせる場合が多い。しかし、上記部分の放射率はほぼ一定のため、測温および基板温度制御の精度を向上させることができる。窓材は石英に限らず、測定波長が透過する材質であればよい。
【００７５】
そして、この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｃの軸要素６１の下部周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって軸要素６１の下部から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても磁気軸受３４ａが設けられている位置の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００７６】
したがって、図１に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
また、この例では先の例に比べて回転軸２５ｃの径を大きくしているので、回転軸２５ｃの剛性を向上させることができ、回転部の固有振動数を高くできるため、高回転数領域でも安定に回転させることができる。
【００７７】
なお、回転軸の径が大きくなると、回転軸の周速が大きくなるため、回転数が高くなると、機械軸受では安定に回転させることが困難となるが、この例においても磁気軸受３４ａを用いているので、安定に回転させることができる。
【００７８】
また、軸径が大きくなり、かつ回転数が高くなると、回転軸、軸受部材、モータ構成要素の遠心破壊が問題となるが、回転数をω、材料の許容応力をσ、密度をρ、回転軸径をｒとしたとき、ω＜ ０．５（σ／ρｒ２ ）０．５ の範囲で運転する限り、遠心破壊を起こすことはない。また、軸受構成要素やモータ構成要素のうち、材料的に強度の弱い要素を回転軸内部に配置することも有効である。
【００７９】
なお、図７に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００８０】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．２６ｍ
冷却部回転軸材質：カーボン λｗ＝９３Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００４ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝３２ｍ−１
Ｔ０＝〜９００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１６０℃
図８には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図７とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８１】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図７の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図７に示される基板処理装置と異なる点は、軸受として機械軸受を用いている点にある。
【００８２】
この基板処理装置では、回転軸２５ｄが中空で、かつ下方に向かうにしたがって段階的に小径に形成されている。すなわち、回転軸２５ｄは、一端側が基板ホルダ２０ａに接続されるとともに他端側が基板ホルダ２０ａと同径で下方に向けて延びた軸要素７５と、この軸要素７５より小径に形成されて一端側が軸要素７５の下端に接続された軸要素７６と、この軸要素７６より小径に形成されて一端側が軸要素７６の下端に接続された軸要素７７とで構成されている。
【００８３】
軸要素７６の周囲には、この軸要素７６との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。この冷却液流路３２には導入口３３から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００８４】
軸要素７７の外周面と収容空間３ｄの構成壁内周面との間には回転軸２５ｄを回転自在に支持するための球軸受７８，７９が設けてあり、これら球軸受７８，と球軸受７９の間に回転軸２５ｄに回転動力を与えるためのモータ８０が設けられている。
【００８５】
処理容器１ｄの底部壁には開口８１が形成されており、この開口８１を通して回転軸２５ｄ内に回転軸２５ｄとは非接触に保護筒８２が差込まれている。そして、突き上げピン６７を操作するためロッド８３、電気ヒータ２９に給電するためのリード線８４，８５、測温用の熱電対８６が保護筒８２内を案内され、保護筒８２の下端開口部に装着された閉塞板８７を機密に貫通して外部に導かれている。
【００８６】
この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｄの軸要素７６の周囲に微小ギャップＡを介して冷却液流路３２を設け、この冷却液流路３２を流れる冷却水によって軸要素７６から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても球軸受７８が設けられている位置やモータ８０が設けられたいる軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００８７】
したがって、図７に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
なお、図８に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００８８】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．１０ｍ
冷却部回転軸材質：モリブデン λｗ＝１３８Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００２ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．０００５ｍ
Ｃ＝５３ｍ−１
Ｔ０＝〜７００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜４４℃
図９には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図８とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００８９】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図８の装置と同じ方法を採用している。この基板処理装置が図８に示される基板処理装置と異なる点は、軸要素７６の内径と軸要素７７の内径とが等しくなるように両者を接続している。そして、軸要素７６，軸要素７７の内周面との間に１ｍｍ 程度の微小ギャップＡを設けて近接するように保護筒８２ａを設け、この保護筒８２ａの周壁内に冷却液流路８９を設けている。この冷却液流路８９には導入口９０から２５℃程度の冷却水が導入され、図示しない排出口から排出される。
【００９０】
この例に係る基板処理装置においても、回転軸２５ｅの軸要素７６，７７の内側に微小ギャップＡを介して冷却液流路８９を設け、この冷却液流路８９を流れる冷却水によって軸要素７６，７７から吸熱する冷却方式を採用しているので、基板ホルダ２０ａの温度が１０００℃程度であっても球軸受７８が設けられている位置やモータ８０が設けられている位置の軸温度を２００ ℃以下に抑えることが容易である。
【００９１】
したがって、図８に示した装置と同様に、回転部のメンテナンス回数を大幅に減らすことが可能となり、スループットを向上させることができる。
なお、図９に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００９２】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．０９ｍ
冷却部回転軸材質：タングステン λｗ＝１６３Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００３ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０８ｍ
冷却ガス ：水素 λｇ＝０．３９Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝２８ｍ−１
Ｔ０＝〜５００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜１３０℃
図１０には本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図が示されている。なお、この図では図７とほぼ同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００９３】
この基板処理装置においても回転軸を冷却する方法は、図７の装置と同じ方法を採用している。この例に係る基板処理装置では、図７に示した例におけるベース板６４に代えて石英板９１を取付け、その下方に加熱源としてのランプ９２を配置している。なお、図中、９３は反射板を示し、９４は反射板９３の背面を冷却するためのブロアを示している。
【００９４】
このような構成であると、図７に示す実施形態と同様の効果が得られることは勿論のこと、加熱源の取付けおよび保守を図７に示す実施形態よりさらに容易化できる。また、この実施形態では軸受構成要素やモータ構成要素のうち、材料的に強度の弱い要素を回転軸２５ｆの内側に配置しているので、これらの遠心破壊を防止することができる。
【００９５】
なお、図１０に示す実施形態は、本発明の第２原理だけが適用されている。第２原理におけるＴ０ 、Ｔｗ、Ｌ、Ｃ＝｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝０．５ 、λｇ、λｗ、ｔ、δは、次のような例を上げることができる。
【００９６】
冷却部回転軸内径：Ｒ＝０．３０ｍ
冷却部回転軸材質：アルミナ λｗ＝２１Ｗ／ｍＫ
冷却部回転軸肉厚：ｔ＝０．００５ｍ
冷却部回転軸長さ：Ｌ＝０．０３ｍ
冷却ガス ：ヘリウム λｇ＝０．２３Ｗ／ｍＫ
微小ギャップ ：δ＝０．００１ｍ
Ｃ＝４７ｍ−１
Ｔ０＝〜４００℃、Ｔｗ＝〜２５℃のとき、微小ギャップＡ部端温度Ｔ＝〜２００℃
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形できる。すなわち、図１、図７および図１０に示した実施形態では、５軸制御の磁気軸受を設けているが、３軸制御あるいは１軸制御の磁気軸受を組込むようにしてもよい。また、磁気力供給源として永久磁石を組込むこともできる。さらに、回転軸の各部をその場所に適合した材料で形成することもできる。また、微小ギャップＡを流れる性ガスの流速を遅くするために、微小ギャップ流路の流動抵抗を大きくしてもよい。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置の大型化を招くことなく、軸受を含めた回転駆動機構を高温から確実に保護することができ、これらのメンテナンス回数を減らしてスループットの向上に寄与できるとともに、品質の高い成膜およびエッチングの実行に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図２】同装置における軸温度と冷却部長さとの関係を従来装置のそれと比較して示す図
【図３】同装置を用いて基板処理を行ったときの面内均一性の測定例を示す図
【図４】同装置に組込まれた磁気軸受のパーティクル発生量実測値を示す図
【図５】本発明の別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図６】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図７】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図８】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図９】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【図１０】本発明のさらに別の実施形態に係る基板処理装置の概略縦断面図
【符号の説明】
Ａ…微小ギャップ
Ｓ…被処理基板
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…処理容器
２…処理室
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３，３ｅ，３ｆ…収容空間
１２…整流板
１４…原料ガス供給室
１５…パージガス供給室
１６…原料ガス導入口
１７…パージガス導入口
１８…被処理基板出入用の搬入口
１９…排気口
２０，２０ａ，２０ｂ…基板ホルダ
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ…回転軸
２６…中空大径部
２７…遮熱筒
２９…電気ヒータ
３１，６６…遮熱板
３２，７１，７２，８９…冷却液流路
３３，７３，７４，９０…冷却液導入口
３４，３４ａ，３４ｂ…磁気軸受
３５，３５ａ，５９，８０…モータ
３６，３７…ラジアル軸受
３８…スラスト軸受
５０，５５…パージガス導入口
５１，５１ａ，５１ｂ…熱電対
５６，５７…球軸受
６１，６２，７５，７６，７７…軸要素
６３…空洞
６４…ベース板
６５…均熱板
９１…石英板
９２…加熱源としてのランプ
９３…反射板
９４…ブロア
Claims (14)
- 処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、
前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えている回転軸を回転させて前記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、
前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、
前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記中空構造部を冷却する工程と、
前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程と
を具備してなることを特徴とする基板処理方法。 - 処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、
前記基板ホルダに連結されている中空の回転軸を回転させて上記被処理基板を所定回転数の範囲に保持する工程と、
前記中空の回転軸の内部に配置された加熱手段により前記被処理基板を所定温度範囲に保持する工程と、
前記中空の回転軸の近傍に該回転軸との間に微小ギャップを介して配置された冷却手段により上記回転軸を冷却する工程と、
前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に所定の処理を行う工程と
を具備し、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ（Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝0.5 ＞１３ｍ-1の関係を満していることを特徴とする基板処理方法。 - 前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン，酸素の中から選ばれたガスを流すことを特徴とする請求項１または２に記載の基板処理方法。
- 処理容器と、
この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に上記基板ホルダとの連結部より大径の中空構造部を備えた回転軸と、
この回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、
前記回転軸に回転動力を与える駆動手段と、
前記基板ホルダを介して前記被処理基板を加熱する加熱手段と、
前記回転軸における前記中空構造部の近傍に上記中空構造部との間に微小ギャップを介して配置されて上記中空構造部を冷却する冷却手段と
を具備してなることを特徴とする基板処理装置。 - 処理容器と、
この処理容器内に配置されて被処理基板を保持する基板ホルダと、
この基板ホルダに連結された中空の回転軸と、
この中空の回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、
前記中空の回転軸に回転動力を与える駆動手段と、
前記中空の回転軸の内部に配置されて前記被処理基板を加熱する加熱手段と、
前記中空の回転軸の近傍に上記回転軸との間に微小ギャップを介して配置されて上記回転軸を冷却する冷却手段と
を備え、前記中空の回転軸の中空部材質の肉厚をｔ（ｍ）、熱伝導度をλｗ （Ｗ／ｍＫ）とし、前記微小ギャップの距離をδ（ｍ）、微小ギャップに存在するガスの熱伝導度をλｇ（Ｗ／ｍＫ）としたときに、｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝0.5 ＞１３ｍ-1の関係を満していることを特徴とする基板処理装置。 - 前記微小ギャップは、0.1mm 以上で5mm 未満であることを特徴とする請求項４または５に記載の基板処理装置。
- 前記微小ギャップに、水素，ヘリウム，窒素，アルゴン，ネオン、酸素の中から選ばれたガスを流す手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４または５に記載の基板処理装置。
- 前記ガスを流す手段は、前記微小ギャップを経由して流れるガス流路の流動抵抗を増加させる手段を備えていることを特徴とする請求項７に記載の基板処理装置。
- 前記ガスを流す手段は、前記軸受手段および駆動手段の配置されている領域にパージガスを流す手段を兼ねていることを特徴とする請求項７に記載の基板処理装置。
- 前記軸受手段および前記駆動手段の少なくとも固定要素を強制冷却する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４または５に記載の基板処理装置。
- 前記回転軸の内部に、基板突き上げ手段、測温手段のいずれかが配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の基板処理装置。
- 処理容器内の基板ホルダに連結され、かつ軸方向の途中に前記基板ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、
前記中空部が円筒形表面、第１の端部表面、および第２の端部表面をもち、前記中空部の前記第１の端部表面および前記第２の端部表面が前記回転軸に接続され、前記円筒形表面、前記第１の端部表面、および前記第２の端部表面が前記中空部を規定している基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
前記基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、
前記回転軸を回転させて前記被処理基板を回転させる工程と、
前記基板ホルダを加熱して前記被処理基板を加熱する工程と、
前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りに配置された冷却手段によりギャップを介して前記中空部を冷却する工程と、
前記処理容器内にガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、
を具備する基板処理方法。 - 処理容器内の基板ホルダに被処理基板を配置する工程と、
前記基板ホルダに連結されている中空部を有する回転軸を回転させて、前記被処理基板を回転させる工程と、
前記基板ホルダを加熱して、前記被処理基板を加熱する工程と、
前記回転軸の前記中空部の外側表面の周りにギャップを介して配置された冷却手段により前記回転軸を冷却する工程と、
前記処理容器内に第１のガスを導入して前記被処理基板の表面に処理を行う工程と、
前記回転軸の前記中空部の肉厚をｔ（ｍ）、前記回転軸の前記中空部の熱伝導度をλｗ(Ｗ／ｍＫ)、ギャップの距離をδ（ｍ）、ギャップに存在する前記第２のガスの熱伝導度をλｇ(Ｗ／ｍＫ)としたときに、前記回転軸とギャップが｛λｇ／（λｗ・ｔ・δ）｝0.5 ＞１３ｍ-1を満たすように、前記ギャップに第２のガスを導入する工程と、
を具備する基板処理方法。 - 処理容器内のホルダに回転軸の一方の端部が連結され、かつ当該回転軸方向の中間部分に前記ホルダとの連結部より大径の中空部を有する回転軸を備え、
前記中空部が第１の端部表面と第２の端部表面とをもち、前記中空部の前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記回転軸の回転軸に接続され、前記第１の端部表面と前記第２の端部表面とが前記中空部を規定している基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
前記ホルダ上に基板を配置する工程と、
前記回転軸の他方の端部を回転させる工程と、
前記ホルダを加熱して、前記基板を加熱する工程と、
前記中空部の周りにギャップを介して配置された冷却手段を使用することによって前記中空部を冷却する工程と、
処理ガスを前記処理容器に導入して、前記基板を処理する工程と、
を具備する基板処理方法。
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