JP3878321B2 - 基板ウェハの加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板ウェハの加工装置及びその操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの半導体の製造工程において、加工すべき基板ウェハの温度を１％以下の精度で測定及び／又は制御することは重要である。この技術上の問題は半導体の製造工程以外でも例えばガラス又はプラスチック製の基板ウェハ上の薄層の熱処理及び／又は薄層の被着ような他の基板ウェハの加工中にも発生する。
【０００３】
更に半導体の製造中しばしば優に１０００℃を越える温度が生じることがある。この問題は、５０℃／秒までの迅速な温度変化が行われるいわゆるＲＴＰ反応器の場合にもまた基板ウェハが周囲の環境と熱的平衡状態にあるようにごく緩慢な温度変化が起こる反応器内でも発生する。
【０００４】
加工すべき基板ウェハの温度の測定には種々の方法が提案されてきている（例えば「固体テクノロジー（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」１９９６年１２月、第３４乃至３６頁参照）。光学的方法では基板ウェハから又は基板ウェハを通して放射強度が測定される。この方法の精度は放射された又は透過された放射強度が基板ウェハの光学特性により影響されることから制限される。この方法は個々の基板ウェハで著しく異なるので、経費を要する校正法が必要となる。更に光学特性は例えば層の析出のような加工によって変化することも有り得る。
【０００５】
更に反応器内にサセプタを備えることが提案されている。サセプタは基板ウェハに隣接して配設されるものである。サセプタの質量は使用される熱の要件に順応する。温度を迅速に変化させることが要求されるＲＴＰ反応器ではサセプタは小さな質量を有し、従って一般に厚みも僅かである。均一な温度であることが要求されるエピタキシャル反応器又は層析出用の反応器ではサセプタは一般に大きな質量を有し、従って厚くなる。上述の文献ではサセプタには熱シールド、ホットプレート、ホットライナー及びホットシールドとして使用されている。基板ウェハの温度を測定するためにサセプタの温度が基板ウェハの温度とほぼ同じであるものと仮定してサセプタの温度を測定する。サセプタの温度測定は光学的方法又は精度の大きい熱電対を使用して行われる。しかし基板ウェハの温度とサセプタの温度が等しいとの仮定はしばしば確実なことではない。
【０００６】
また音響的方法も提案されているが、しかしこの方法はこれまでその精度に関しても再現可能性に関しても満足のいくものではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、基板ウェハの温度を高精度で測定することのできる手段を備えている基板ウェハの加工装置を提供することにある。更にこのような装置の操作方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明の請求項１に記載の装置により解決される。本発明の他の実施態様並びにこの装置の操作方法は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明による基板ウェハを加工する装置は半導体の製造の際にも、ガラス又はプラスチックから成る基板上に薄層を析出する際にも使用することができる。半導体製造の際に基板ウェハを加工する装置は特にＲＴＰ反応器、エピタキシャル反応器、ＣＶＤ反応器、乾式エッチング反応器又はプラズマ補助されたＣＶＤ反応器として構成可能である。
【００１０】
本発明による基板ウェハの加工装置は基板ウェハを載せるためのウェハホルダ及びサセプタが備えられている反応室を含んでいる。更にサセプタの部位の温度とサセプタとウェハホルダとの間の部位の温度との温度差を測定するのに適している温度センサが備えられている。そのためこの温度センサは少なくとも２つのセンサ素子を有しており、その一方のセンサ素子はサセプタに、また他方のセンサ素子はサセプタとウェハホルダとの間の部位に配置されている。
【００１１】
基板ウェハの温度を求めるために、この装置内でサセプタとサセプタ及び基板ウェハの間の部位の温度差を測定することは本発明の枠内にある。これとは別個に高精度で測定可能のサセプタの温度が測定される。引続き校正曲線を使用してサセプタの温度と温度差から基板ウェハの温度が求められる。
【００１２】
温度センサでは温度差のみが測定され、この温度差がサセプタの温度よりも明らかに低いことから、基板ウェハの温度に関して高い精度が達成される。サセプタの温度が１０００℃であり、温度差が２、３℃であるならば、温度センサの測定誤差が１０％の範囲でも基板ウェハの温度は１％以下の精度が達成される。
【００１３】
サセプタとしては黒鉛、半導体、ガラス、セラミックス又は金属から成り、例えば（１ｃｍ）²〜（１ｍ）²の間の基板ウェハの面積と対比し得る面積及び０．１ｍｍ〜数ｃｍの厚さを有するものが適している。
【００１４】
温度センサとしては２箇所に接点を有する熱電対を使用すると有利であり、この場合接点とはセンサ素子を意味する。一方の接点はサセプタの表面に、また他方の接点はサセプタと基板ウェハとの間に配置される。この熱電対で測定された温度差に比例する電圧が取出される。
【００１５】
サセプタの表面に熱電対を支えるために例えばガラス又はセラミックスのような断熱材から成る支持部を配設すると有利である。一方の接点は例えば支持部の底部に配置され、他方の接点はそれと対向する側に固定される。このようにして配置は確定される。同時に支持部はサセプタとサセプタ及び基板ウェハの間に配置される接点との熱的接触を防止する。このような支持部は例えばセラミックスから成る中空シリンダにより実現される。
【００１６】
サセプタをウェハホルダと接合することは本発明の枠内にある。この場合サセプタと基板ウェハとの間隔は極めて僅かである。この実施形態ではサセプタはウェハホルダに面する側にセンサ素子が配置される凹所を有している。その際凹所の大きさはサセプタ内の温度分布の均一性を得るためにできるだけ小さくすると有利である。
【００１７】
本発明の装置は互いに独立して操作可能である第１及び第２の加熱装置を有していると有利である。加熱装置としては例えばランプ型加熱器又は抵抗加熱器が適している。その際第１の加熱装置は基板ウェハを加熱するために、また第２の加熱装置はサセプタを加熱するために備えられている。更に装置は第１の加熱装置を温度センサにより測定された温度差に応じて制御可能である制御ユニットを有している。第１の加熱装置を温度差がゼロになるように調整すると有利である。このようにして基板ウェハの温度はサセプタの温度と同じになる。従って基板ウェハの温度はサセプタの温度の測定を介して精確に求めることができる。
【００１８】
本発明の別の実施形態ではウェハホルダと熱的に接続されている冷却装置が設けられる。冷却装置には例えばサセプタと基板ウェハとの間のヘリウム・フラッシング又はサセプタの冷却装置又は機械的又は電気的な力により（基板ウェハを）押圧すると有利である。また冷却装置を制御できる制御ユニットを備える。本発明の装置は特に基板ウェハが加工により加熱されるような反応器に適している。この例としてはプラズマ補助されたプロセスの場合がある。この装置では温度差の測定により冷却装置を基板ウェハの温度に合わせて制御できるように基板ウェハの温度が監視される。
【００１９】
【実施例】
本発明を実施例に基づき以下に詳述する。図面は実物大ではない。
【００２０】
反応室１１内に黒鉛又はＳｉＣ又はＳｉから成るサセプタ１２及びウェハホルダ１３が配設されている（図１参照）。サセプタ１２は例えば円盤形をしており、厚さ１ｍｍ、直径数１０ｃｍを有する。ウェハホルダ１３は例えば石英ガラスからなり、サセプタ１２と機械的に接合されている。
【００２１】
ウェハホルダ１３上には基板ウェハ１４がある。基板ウェハ１４は例えば数１０ｃｍの直径及び例えば１ｍｍの厚さを有する。この基板ウェハ１４は例えば単結晶シリコンウェハ、ＳＯＩウェハ、ガラスウェハ又はプラスチックウェハである。基板ウェハ１４とサセプタ１２との間隔は例えば１０ｍｍである。
【００２２】
サセプタ１２の表面に断熱材から成る支持部１５が配設されている。支持部１５は例えばセラミックスシリンダであり、例えば８ｍｍの高さと例えば１ｍｍの直径及び０．２ｍｍの壁厚を有する。
【００２３】
反応室１１内に第１の接点１６１、第２の接点１６２並びに金属線１６３を含んでいる熱電対１６が配設されている。第１の接点１６１はサセプタ１２の表面の支持部１５の底部に配設されている。第２の接点１６２は支持部１５の底部に対向する側に例えばシリンダの狭部に固定されている。熱電対の接続端子を形成する金属線１６３はブッシングを介して反応室１１から導出される（詳細には図示せず）。金属線１６３の直径は例えば０．１ｍｍである。熱電対１６は例えば白金／ロジウムから成る。
【００２４】
反応室１１内には第１の加熱装置１７１及び第２の加熱装置１７２が配設されている。第１の加熱装置１７１及び第２の加熱装置１７２は互いに独立して制御可能である。例えばランプ型加熱器が使用される。第１の加熱装置１７１は基板ウェハ１４の加熱に使用される。第２の加熱装置１７２はサセプタ１２の加熱に使用される。」
【００２５】
熱電対１６の接続端子を形成する金属線１６３は測定装置１８と接続されている。測定装置１８に第１の接点１６１と第２の接点１６２の温度差に応じる電圧信号が生じる。この電圧信号は制御ユニット１９の入力に与えられる。制御ユニット１９は第１の加熱装置１７１と接続されている。制御ユニット１９は熱電対１６により測定される温度差に比例する電圧信号がゼロとなるように第１の加熱装置を制御する。その際サセプタ１２及び基板ウェハ１４が同じ温度であれば、サセプタ１２と基板ウェハ１４との間にある任意のどの点も同様にこの温度が支配しているという認識が利用される。その結果第２の接点１６２はサセプタ１２と基板ウェハ１４のどの点にでも配置することが可能となる。
【００２６】
基板ウェハ１４の絶対温度を求めるにはサセプタ１２の温度を公知方法で測定する。上記の制御法により基板ウェハ１４の温度がサセプタ１２の温度に等しいことが保証される。
【００２７】
もう１つの実施例では基板ウェハの加工装置はサセプタ２２及びウェハホルダ２３が配設されている反応室２１を含んでいる（図２参照）。ウェハホルダ２３はサセプタ２２と固く接合されている。ウェハホルダ２３は基板ウェハ２４がほぼサセプタ２２上に載っているようなサセプタ２２のエッジに平縁を形成する。サセプタ２２はＳｉＣで被覆された黒鉛から形成されており、例えば数１０ｃｍの直径及び例えば数ｃｍの厚さのほぼシリンダ型をしている。
【００２８】
サセプタ２２の基面には凹所２２１が配置されている。凹所２２１は基板ウェハ２４が載っているサセプタ２２の基面に隣接している。凹所２２１は例えば１．８ｍｍの半径及び例えば４．５ｍｍの深さを有する。
【００２９】
凹所２２１内にはそれぞれ支持部２５が備えられている。この支持部２５は例えばセラミックスシリンダであり、例えば１ｍｍの直径、例えば０．２ｍｍの壁厚及び例えば４．３ｍｍの高さを有する。
【００３０】
セラミックスシリンダはそれぞれ熱電対２６の支持部である。各熱電対２６は第１の接点２６１、第２の接点２６２及び金属線２６３を含んでいる。金属線２６３の直径は例えば０．１ｍｍである。熱電対２６は例えば白金／ロジウムから成る。その際第１の接点２６１はサセプタ２２の表面にある凹所２２１の底部に配置されている。第２の接点２６２は支持部２５の対向する側に固定されている。２本の金属線２６３は熱電対の接続端子に使用され、ブッシング（図示ぜす）を介して測定装置２８と接続されている。測定装置２８に第１の接点２６１及び第２の接点２６２の部位の温度差に比例する電圧信号がつくられる。
【００３１】
更に反応室２１内には冷却装置２７が配設されている。冷却装置２７はサセプタ２２と熱的に接続されている。従って冷却装置はウェハホルダ２３内でサセプタ２２の表面上に載っている基板ウェハ２４とも熱的に接続されている。冷却装置２７は例えばそれ自体冷却するプレートから成っている。或は冷却装置はサセプタ２２と基板ウェハ２４との間のヘリウム・フラシングにより又は機械的又は電気的な力により基板ウェハを押付けることにより実現される。
【００３２】
測定装置２８により測定された温度差に応じて冷却装置２７を制御する制御ユニット２９が備えられる。多くのプロセスでは温度差が如何なる部位でも所定の値を越えないように制御が行われると有利である。特にプラズマ補助されたプロセスではこのようにしてイオン衝撃により基板ウェハ２４が許容し得ない程加熱されることが回避される。
【００３３】
本発明は上記の２つの実施例に限定されるものではない。特に図１に基づき記載した実施例で図２に類似して形成されているサセプタを使用することができる。更に互いに独立して制御することのできない加熱装置を使用することもできる。その場合制御装置は省かれる。更に測定装置１８で温度差を測定し、この温度差からサセプタの温度と共に校正曲線を使用して基板ウェハ１４の温度を求めることもできる。更に図１に基づき説明した実施例で加熱装置の代わりに冷却装置を備えることも可能でる。
【００３４】
図２に記載した実施例でも、特に図１に記載したものに類似する互いに独立して制御可能の加熱装置及び制御ユニットの使用又は図１に記載したものに類似するサセプタの使用又は基板ウェハ２４の表面の温度の不均一性が問題と成らない場合は１つだけの凹所を備えているような構成も可能である。更に制御ユニットを省いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による互いに独立して制御可能の２つの加熱装置及び１つの制御ユニットで基板ウェハを加工する装置の断面を示す。
【図２】基板ウェハを冷却装置で加工する装置の断面を示す。
【符号の説明】
１１、２１ 反応室
１２、２２ サセプタ
２２１ 凹所
１３、２３ ウェハホルダ
１４、２４ 基板ウェハ
１５、２５ 支持部
１６、２６ 熱電対
１６１、２６１ 第１の接点
１６２、２６２ 第２の接点
１６３、２６３ 金属線
１７１ 第１の加熱装置
１７２ 第２の加熱装置
２７ 冷却装置
１８、２８ 測定装置
１９、２９ 制御ユニット

Claims (8)

1. 反応室（１１）内に基板ウェハ（１４）を固定させるためのウェハホルダ（１３）及びサセプタ（１２）と、
   サセプタ（１２）の部位とサセプタ（１２）及び基板ウェハ（１４）の間の部位との温度差を測定する２つのセンサ素子（１６１、１６２）を有する温度センサ（１６）と、
   サセプタ（１２）の温度を測定するための手段とを備え、
   前記一方のセンサ素子（１６１）はサセプタ（１２）に、また他方のセンサ素子（１６２）はサセプタ（１２）と基板ウェハ（１４）との間の部位に配設されており、
   サセプタ（１２）の部位とサセプタ（１２）及び基板ウェハ（１４）の間の部位との温度差と、前記サセプタ（１２）の温度との和により基板ウェハ（１４）の温度を求めることを特徴とする基板ウェハの加工装置。
2. 温度センサ（１６）として２つの接点（１６１、１６２）を有する熱電対を使用し、その際接点（１６１、１６２）はセンサ素子であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. サセプタ（１２）の表面に熱電対（１６）を固定させるために断熱材から成る支持部（１５）が配設されていることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. サセプタ（２２）がウェハホルダ（２３）と接合されており、サセプタ（２２）内のウェハホルダに面する側にセンサ素子（２６１、２６２）を配設する凹所（２２１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置。
5. 基板ウェハ（１４）を加熱するために第１の加熱装置（１７１）及びサセプタ（１２）を加熱するために第２の加熱装置（１７２）が備えられており、その際第１の加熱装置（１７１）と第２の加熱装置（１７２）が互いに独立して制御可能であり、第１の加熱装置（１７１）に温度センサ（１６）により測定される温度差に応じて制御可能の制御ユニット（１９）が備えられていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. ウェハホルダ（２３）と熱的に接続されている冷却装置（２７）が備えられており、冷却装置（２７）を制御することのできる制御ユニット（２９）が備えられていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
7. 複数の温度センサ（２６）にそれぞれ２つのセンサ素子（２６１、２６２）が備えられており、その際一方のセンサ素子（２６１）はそれぞれサセプタ（２２）の異なる部位に配設され、他方のセンサ（２６２）はサセプタ（２２）と基板ウェハ（２４）との間に配設されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置。
8. 前記制御ユニット（１９）は、第１の加熱装置（１７１）を測定された温度差がほぼゼロになるように制御することを特徴とする請求項５記載の装置。

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