JPH02101163A - 基板加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 スパッタ装置などに用いる基板加熱装置に係り、特にヒ
ートステージの温度変化に対する応答性が良好な基板加
熱装置に関し、 ヒートステージの基板載置面の温度を短時間で制御する
ことが可能な基板加熱装置を提供することを目的とし、 基板を載置するヒートステージと、該ヒートステージと
隙間を介して対向しており前記ヒートステージより熱容
量の大きい加熱部と、前記隙間にガスを導入するガス導
入口とを有し、前記ガスの圧力を制御して前記加熱部か
らヒートステージへの熱量の流入を調節するように構成
されている。

〔産業上の利用分野〕

本発明はスパッタ装置などに用いる基板加熱装置に係り
、特にヒートステージの温度変化に対する応答性が良好
な基板加熱装置に関する。

真空蒸着やスパッタを用いて基板上に薄膜を成長させる
場合、成長した薄膜の性質は成長時の基板温度に著しく
依存することが知られている。従ってこれらの薄膜成長
装置では、真空中に保持された基板を均一にかつ再現性
よく加熱できること望まれる。

〔従来の技術〕

半導体装置用ウェハの製造プロセスにおいて、ＡＩやＡ
１合金などの配線材料を基板に成膜する際、基板温度を
高くすると良好な膜が得られる。

そこで基板を加熱しつつ成膜を行うが、蒸着やスパッタ
が行われる真空容器内では気体分子による熱伝導が小さ
いこと、また基板を熱源に均一に接触させることが困難
であることなどから、赤外線ランプ等を用いた輻射によ
る加熱方法が従来−船釣である。しかし半導体装置の製
造過程で用いられるシリコン等の半導体基板の場合には
、輻射による基板加熱に有効な波長領域での基板の透過
率が大きく、かつ基板の比抵抗や基板の表裏に存在する
膜等によって透過率が変化するため、再現性よく基板を
加熱することが困難であるという欠点がある。

この欠点を解消するため、第２図に示す加熱方法が提案
されている。

これは真空容器５内に、発熱部１２により加熱されるピ
ー１〜ステージ１１を配設し、基板２を周辺でクランプ
用チャック１４により保持してピー１−ステジ１１に載
置し、ヒートステージ１と基板２との隙間にガス導入口
４から、Ａｒなどの稀ガスを一定圧力で導入することよ
って、ガスの熱伝導を利用して基板２を加熱するもので
ある。

ビー１−ステージ１］は略円筒状で、基板載置面１１ａ
を有し、その下面に発熱部１２が全面で接触して一体化
されている。基板載置面１１ａは基板２の周辺で基板に
接し、他の部分が間隙ａを隔てて基板の大部分と対向す
るように形成されており、また発熱部１２はカートリッ
ジヒータ１２ａなどの発熱素子と熱電対１２ｂなどの温
度測定手段とが埋め込まれたステンレス等の金属ブロッ
クからなる。

そして通常は不連続で配置された複数の発熱素子からの
熱量を分散させて基板載置面全体が均一な温度分布にな
るように、発熱部１２は熱容量の大きい金属ブロックが
用いられる。

この方法では熱源からの輻射の寄与が小さいため、基板
の昇温特性が基板の種類によって変化するといった問題
は低減される。しかし、ヒートステージが熱容量が大き
い発熱部と一体になっているため、ヒートステージの基
板載置面の温度を秒単位の短い時間で変化させることが
困難である。

従って薄膜成長時には、ヒートステージの温度が一定と
なるように制御するのが普通であり、このため基板温度
はヒートステージの設定温度と基板クランプ時間の二つ
の因子で調節することしかできない。従って、ヒートス
テージ以外から基板に時間変動を伴って流入する熱流が
存在する場合には、たとえ基板温度がモニターできたと
しても、ヒートステージ側から基板に流入する熱流を急
速に可変できないため基板温度を一定に保つことが困難
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体基板に膜形成するスパッタ装置等では、成膜時に
クーゲット面から熱輻射、二次電子、およびターゲット
原子等が基板表面に流入することによって〜２０００Ｃ
程度の温度上昇が起こる。

このような成膜装置の基板加熱用に一ト記従来の基板加
熱装置を用いると、スパック開始後に時間とともに基板
温度が」−昇し一定に制御できないという問題点があっ
た。

またスパッタの途中で装置トラブルが発生した場合など
、真空容器内を大気圧に戻す場合があり、その前に基板
表面層の酸化を防くため急速酸化が起きない低温度まで
基板温度を降下させる必要があるが、ヒートステージが
熱容量の大きい加熱部と一体化しているため発熱部の加
熱を停止しても温度降下速度が遅く、また運転再開時に
設定温度まで再加熱するのに時間がかかり、装置の停止
時間が長くなり稼働率が低下するという問題点もあった
。

本発明は上記問題点に鑑み創出されたもので、ヒートス
テージの基板載置面の温度を短時間で制御することが可
能な基板加熱装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記問題点は、 成膜装置に用いる基板加熱装置であって、基板を載置す
るヒートステージと、該ヒートステージと隙間を介して
対向しており前記ヒートステージより熱容量の大きい加
熱部と、前記隙間にガスを導入するガス導入口とを有し
、前記ガスの圧力を制御して前記加熱部からヒートステ
ージ−・の熱量の流入を調節するように構成されてなる
ことを特徴とする本発明の基板加熱装置により解決され
る。

〔作用〕

ヒートステージと加熱部との間に隙間があるため加熱部
からし一トステージへの熱量の伝達は、固体内熱伝導に
よらず、該隙間に導入されたガスを介しての気体内熱伝
導による。

気体の熱伝導度は、その圧力によって大きく変化するの
で、ガスの圧力を制御することによりピー１〜ステージ
と加熱部との間の熱伝導係数を変化させることができる
。そしてヒートステージの熱容量は加熱部のそれに比べ
て小さいので、上記熱伝導係数を変化させることにより
、加熱部の温度を一定に保ったままヒートステージの温
度だけを敏速に制御することができる。

従って基板温度と設定温度との偏差に対応してガスの圧
力を変化させるごとにより、加熱部の温度を一定に保っ
たまま基板に流入する熱流を速やかに変化させることが
でき、基板温度を一定に制御することが容易になるとと
もに、基板の加熱や冷却時間を短縮できる。

〔実施例〕

以下添付図により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施構成図であり、スパッタ装置に
組み込んだものである。

図において、本発明の基板加熱装置は略円筒状のヒート
ステージ６１と厚い円板状の加熱部６２とからなり、ヒ
ートステージ６１の基板載置面６１ａが真空容器５内に
位置するようにスパッタ装置に取り付けられている。

ヒートステージ６１は基板２と路間−外径の薄いＳＵＳ
材料などからなり、」二部の基板載置面６１ａには基板
２を載置する高さ０，５〜１■−の突出部６１ｂやクラ
ンプ用のチャック６１ｃが周設されており、該突出部６
１ｂで囲まれる内側の面は基板２に対して隙間ａをもっ
て対向している。そしてこの隙間ａの中央にはアシスト
ガス導入ロアが開口しており、熱伝導によってヒートス
テージ６１の熱を伝達して基板２を加熱するＡｒなどの
アシストガスが導入されるようになっている。　突出部
６１ｃの下部にはリング状に冷却水流路６１ｄが形成さ
れており、適宜に冷却水を流して、高温の基板載置面６
１の熱が真空容器５への取り付は部６１ｅへ伝導しない
ように遮断している。

発熱部６２は、厚い円板状のＳＵＳなどの金属ブロック
よりなり、中央にアシストガス導入ロアを隙間をもって
貫通させる孔を有し、その上面の大部分がヒートステー
ジ６１の下面と隙間ｄで対向するようにヒートステージ
６１の内側に設けられている。そして発熱素子たるカー
トリッジヒータ６３や、熱電対温度計６４が所定に埋め
込まれ、図示しない温度調節器により一定温度に保たれ
ている。

また下側の隔壁６５とヒートステージ６１とで大気と遮
断された密閉空間が構成されており、隔壁６５を貫通し
たガス導入口６Ｇが発熱部６２の下面中央付近に開口し
、また隔壁６５の周辺部には排気口６７が設けられてい
る。そして流量調節器６８を経てガス導入口６６に供給
されるＡｒやＮ２などの不活性ガスＧがヒートステージ
６１と発熱部６２との隙間ｄを含む密閉空間に充満し、
また排気口６７から排出されるようになっている。この
ように常時高温加熱状態にある加熱部６２が大気に接触
しないので、表面が酸化せず長寿命になるという効果も
ある。

上記の構成を有する基板加熱装置では、その加熱部６２
は質量が大きいため熱容量が大きく、ヒートステージ６
１は質量が小さくいため熱容量が小さい。そして加熱部
６２とヒートステージ６１とが接触しておらず、隙間ｄ
だけ隔たっているので加熱部６２との接触部を通しての
熱伝導が無く、大部分の熱量は隙間ｄに充填されるガス
の熱伝導を介してヒートステージ６１に伝達される。そ
してこの熱伝導係数はガスの圧力によって広範囲に変化
させることができる。例えば、ｄが１１ｍの場合、ガス
内の熱伝導係数はＱ、１Ｔｏｒｒで最低値を示し、はぼ
熱絶縁層となって加熱部からの熱流を遮断し、１０１’
。

ｒｒ以上で最高値を示し短時間でヒートステージを加熱
部の温度まで昇温させる。

したがって、流量調節器６８や排気口６７に連結した真
空ポンプ（図示せず）を適宜制御して、隙間ｄに導入さ
れるガスＧの圧力を真空から大気圧まで変化させること
により、ヒートステージ６１の温度を敏速に変化させる
ことができる。

例えば、６００℃に加熱されていたビー１〜ステジを急
速酸化が起きない２００°Ｃ以下に降下させるための冷
却時間は、従来の加熱部一体式では１時間以上を必要と
したが、本発明によると数分間で済み、１７１０以下に
短縮できた。

またヒートステージの温度応答性が速くなるので、基板
温度の測定値に基づき流量調節器を自動制御することに
より、スパッタ開始後の基板温度を一定に保つことが容
易になる。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明の基板加熱装置によれば、ヒー
トステージと加熱部との間に熱緩衝層となる隙間を設け
、その隙間に導入するガスの圧力を制御することにより
、ヒートステージの温度を敏速に変化させることが可能
となり、スパッタ装置等の成膜装置に用いて薄膜の膜質
の安定化や装置の稼働率の向上に顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基板加熱装置の模式断面図、第２図は
従来の基板加熱装置を示す図、である。 図において、 ２＝一基板、　　　　　　　　５−スパッタ装置の真空
容器、　　　　　　　　６１−　ビー１〜ステージ、６
１ａ−基板ｉｘ置面、　　　６２−加熱部、６３−　カ
ートリッジヒータ、６４−熱電対温度計、６５−隔壁、
　　　　　　　６ロ一ガス導入口、６７−排気口、　　
　　　　６８−流量調節器、ｄ　−ヒートステージと加
熱部との隙間、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 成膜装置に用いる基板加熱装置であって、 基板（２）を載置するヒートステージ（６１）と、該ヒ
   ートステージ（６１）と隙間（ｄ）を介して対向してお
   り前記ヒートステージ（６１）より熱容量の大きい加熱
   部（６２）と、前記隙間（ｄ）にガス（Ｇ）を導入する
   ガス導入口（６６）とを有し、前記ガス（Ｇ）の圧力を
   制御して前記加熱部（６２）からヒートステージ（６１
   ）への熱量の流入を調節するように構成されてなること
   を特徴とする基板加熱装置。