JPH03232968A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents
成膜方法及び成膜装置Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【産業上の利用分野１
本発明は、真空内で基体に様々な処理を施す真空処理装
置及びそれを用いた成膜装置と成膜方法に関するもので
あって、特に半導体装置の製造工程に用いるに好適な真
空処理装置及びそれを用いた成膜装置と成膜方法に関す
るものである。 【従来の技術】 半導体装置の製造に用いるプロセス装置では、良く制御
された反応等を実現するためプロセス温度の正確な制御
が重要である。温度が最も重要な設定条件になっている
プロセス装置の代表は、酸他炉等の所謂炉体である。こ
の種の炉体の中は、大気と置換した酸化性雰囲気である
。この場合の置換雰囲気は大気圧またはそれ以上であり
、炉体中の例えばシリコンウェハは石英のチューブの回
りに設置されたヒータからの輻射と石英チューブ中の大
気圧雰囲気による熱伝導によって加熱される。即ち、熱
を伝導させる媒体が存在するので、温度の測定はその熱
伝導雰囲気に設置した熱電対などの測定子を使って比較
的正確に行なうことができる。 また、熱伝導の媒体を用いない例としては、例えば蝕刻
工程でのマスクに用いるホトレジストを塗布する工程で
用いるホトレジストのベーク装置を挙げることができる
。この装置では、ベーキングを大気圧雰囲気で行うが、
所定のベーク温度に加熱したシリコンウェハよりも大き
な熱容量を持つヒートブロック上にシリコンウェハを置
載し、更にシリコンウェハをヒートブロック側に設けら
れた真空チャックによって、シリコンウェハ全面を大気
圧によってヒートブロックに押し付ける。 １ このためにウェハの温度がヒートブロックの温度に平衡
するので、ヒートブロックに取付けた熱電対等の温度測
定子によって正確にウェハの温度を制御、管理すること
ができる。半導体製造プロセスの多くは、純度の高い材
料や、塵埃の無い環境での良く制御された反応を利用す
るものであるため、しばしば真空中での処理が必要とな
る。 従来、半導体製造装置において真空中でのウェハの正確
な温度制御は、以下に述べるような理由から本質的に困
難であった。 即ち、ランプヒータでの加熱では熱を伝える媒体が存在
しないために輻射のみによってウェハは加熱されるため
に、良く知られるように金属鎖面では小さな吸収しかお
こらず、また黒体では大きな吸収が起こり、結果として
加熱されるウェハの表面状態によって加熱される度合が
大きく異なることになる。 熱電対をウェハに取り付けることによってプロセス中の
ウェハ温度を正確に測定することも試みられてきたが、
熱電対をウェハに点接触させた状１．２− 態でウェハの温度を測定するため熱電対の接触状態を一
定に安定させることが困難で、測定温度に再現性が乏し
い欠点がある。 また、赤外線の輻射によってウェハを加熱する場合、赤
外領域の広い範囲でウェハが殆ど透明であるため、熱電
対にウェハからの伝導によってのみ熱が伝わるのではな
く、熱電対自身がランプヒタによって加熱されてしまう
場合もあり正確なウェハの測温は困難である。 また、真空中に強制的に伝導媒体を持ち込む方法もある
。例えば、特開昭５６−４８１３２号または特開昭５８
−２１３４３４号に述べられているように、シリコンウ
ェハを真空雰囲気中に設置されたヒートブロックにクラ
ンプし、シリコンウェハの裏面とヒートブロックとの間
に１ト一ル前後の圧力でガスを充填することによって、
ヒートブロックの温度にウェハの温度を平衡させるとい
うものである。この場合もヒートブロックに取付けた熱
電対等の温度測定子によってウェハの温度ができる。 しかしながらこの例では、大気圧下での真空チャックの
使用に比較して小さな力によってウェハをヒートブロッ
クにクランプするものであるため温度の均一性、再現性
が十分でない。最大の欠点は、熱伝導媒体の密度が低い
ためにヒートブロックからウェハへの熱伝導に時間が掛
ることである。 最終的にはヒートブロックとウェハとが熱的に平衡に達
するとしても、上記の例にも述べられているように数秒
から数十秒の時間が掛り、更にこの熱伝導時間の再現性
については様々な要因が影響を与えると考えられる。 以上述べるように、いずれの加熱手段をとるにしても、
真空中で非接触でウェハの温度を測定する必要がある。 その方法の一つとして赤外線温度計を用いて赤外領域の
ウェハからの輻射強度を測定する方法が提案されている
。 即ち、この方法はスパッタリング装置においてウェハを
ヒートステージに置載して加熱しながら、ウェハに対向
して設置されたターゲットにあけた貫通孔を通じて赤外
線温度計によってウェハの温度を測定するものである。 つまり、予め校正用試料によって特定の温度でのウェハ
の赤外線輻射率を測定しておき、その値によってスパッ
タ中のウェハ温度を制御するものである。 なお、この種の技術に関連するものとしては、例えば特
開平１−１２９９６６号公報を挙げることができる。
置及びそれを用いた成膜装置と成膜方法に関するもので
あって、特に半導体装置の製造工程に用いるに好適な真
空処理装置及びそれを用いた成膜装置と成膜方法に関す
るものである。 【従来の技術】 半導体装置の製造に用いるプロセス装置では、良く制御
された反応等を実現するためプロセス温度の正確な制御
が重要である。温度が最も重要な設定条件になっている
プロセス装置の代表は、酸他炉等の所謂炉体である。こ
の種の炉体の中は、大気と置換した酸化性雰囲気である
。この場合の置換雰囲気は大気圧またはそれ以上であり
、炉体中の例えばシリコンウェハは石英のチューブの回
りに設置されたヒータからの輻射と石英チューブ中の大
気圧雰囲気による熱伝導によって加熱される。即ち、熱
を伝導させる媒体が存在するので、温度の測定はその熱
伝導雰囲気に設置した熱電対などの測定子を使って比較
的正確に行なうことができる。 また、熱伝導の媒体を用いない例としては、例えば蝕刻
工程でのマスクに用いるホトレジストを塗布する工程で
用いるホトレジストのベーク装置を挙げることができる
。この装置では、ベーキングを大気圧雰囲気で行うが、
所定のベーク温度に加熱したシリコンウェハよりも大き
な熱容量を持つヒートブロック上にシリコンウェハを置
載し、更にシリコンウェハをヒートブロック側に設けら
れた真空チャックによって、シリコンウェハ全面を大気
圧によってヒートブロックに押し付ける。 １ このためにウェハの温度がヒートブロックの温度に平衡
するので、ヒートブロックに取付けた熱電対等の温度測
定子によって正確にウェハの温度を制御、管理すること
ができる。半導体製造プロセスの多くは、純度の高い材
料や、塵埃の無い環境での良く制御された反応を利用す
るものであるため、しばしば真空中での処理が必要とな
る。 従来、半導体製造装置において真空中でのウェハの正確
な温度制御は、以下に述べるような理由から本質的に困
難であった。 即ち、ランプヒータでの加熱では熱を伝える媒体が存在
しないために輻射のみによってウェハは加熱されるため
に、良く知られるように金属鎖面では小さな吸収しかお
こらず、また黒体では大きな吸収が起こり、結果として
加熱されるウェハの表面状態によって加熱される度合が
大きく異なることになる。 熱電対をウェハに取り付けることによってプロセス中の
ウェハ温度を正確に測定することも試みられてきたが、
熱電対をウェハに点接触させた状１．２− 態でウェハの温度を測定するため熱電対の接触状態を一
定に安定させることが困難で、測定温度に再現性が乏し
い欠点がある。 また、赤外線の輻射によってウェハを加熱する場合、赤
外領域の広い範囲でウェハが殆ど透明であるため、熱電
対にウェハからの伝導によってのみ熱が伝わるのではな
く、熱電対自身がランプヒタによって加熱されてしまう
場合もあり正確なウェハの測温は困難である。 また、真空中に強制的に伝導媒体を持ち込む方法もある
。例えば、特開昭５６−４８１３２号または特開昭５８
−２１３４３４号に述べられているように、シリコンウ
ェハを真空雰囲気中に設置されたヒートブロックにクラ
ンプし、シリコンウェハの裏面とヒートブロックとの間
に１ト一ル前後の圧力でガスを充填することによって、
ヒートブロックの温度にウェハの温度を平衡させるとい
うものである。この場合もヒートブロックに取付けた熱
電対等の温度測定子によってウェハの温度ができる。 しかしながらこの例では、大気圧下での真空チャックの
使用に比較して小さな力によってウェハをヒートブロッ
クにクランプするものであるため温度の均一性、再現性
が十分でない。最大の欠点は、熱伝導媒体の密度が低い
ためにヒートブロックからウェハへの熱伝導に時間が掛
ることである。 最終的にはヒートブロックとウェハとが熱的に平衡に達
するとしても、上記の例にも述べられているように数秒
から数十秒の時間が掛り、更にこの熱伝導時間の再現性
については様々な要因が影響を与えると考えられる。 以上述べるように、いずれの加熱手段をとるにしても、
真空中で非接触でウェハの温度を測定する必要がある。 その方法の一つとして赤外線温度計を用いて赤外領域の
ウェハからの輻射強度を測定する方法が提案されている
。 即ち、この方法はスパッタリング装置においてウェハを
ヒートステージに置載して加熱しながら、ウェハに対向
して設置されたターゲットにあけた貫通孔を通じて赤外
線温度計によってウェハの温度を測定するものである。 つまり、予め校正用試料によって特定の温度でのウェハ
の赤外線輻射率を測定しておき、その値によってスパッ
タ中のウェハ温度を制御するものである。 なお、この種の技術に関連するものとしては、例えば特
開平１−１２９９６６号公報を挙げることができる。
真空処理チャンバにて基体に所定の処理を行う前に、温
度校正チャンバ内においては、基体を既知の温度に加熱
または冷却し第１の赤外線輻射温度計と熱電対によって
基体の温度を測定し、その測定結果に基づいて赤外線輻
射温度計の補正値、つまり輻射率を演算する。この演算
結果に基づいてその後の真空処理チャンバ内の基体の温
度を第２、第３の温度計で正確に測定する。そしてその
測定結果に基づいて温度制御系を作動させて真空処理チ
ャンバ内の基体の温度を所定値に設定して成膜処理等の
真空処理を正確に温度管理された状態で行う。 また、温度校正チャンバにおいては、第１の赤外線輻射
温度計と熱電対による校正湿度の測定を異なる複数の温
度にて行うことによって、以後の真空処理チャンバ内で
の基体の温度制御を行うに際に、広い温度範囲でのプロ
セス温度の制御が可能になる。 更に、」二連した第１の赤外線輻射温度計と熱電対によ
る校正温度の測定のための加熱手段または冷却手段とし
て複数の手段を設けることによって、異なる複数の温度
による校正をより短時間で行うことができる。 基体を加熱または冷却中に基体を赤外線輻射温度計にて
観察するために加熱または冷却用ステージに貫通孔（開
口窓）を設ける必要があるが、この貫通孔のために基体
の温度分布に不均一性が生じることがある。そこでこの
対策としては、基体表裏両面を加熱するようにしても可
能であるが、ステージを２分割し、一方の基板加熱また
は冷却用ステージには開口窓を設けず温度制御専用のス
テージとし、他方の温度測定用ステージに開口窓を設け
、温度測定に当たってはこの一方のステージから他方の
ステージへ基板を移動して温度測定を行うようにしても
良い。 本発明において基体の温度測定時に基体に近接してシャ
ッタを配設することは、基板の正確な温度測定をする上
で極めて重要な役割を果たす。 その第１の役割は、金属膜をスパッタ或いはＣＶＤ等に
より成膜する装置の場合には、金属膜の有無にかかわら
ず、このシャッタにより金属膜が成膜しているのと同じ
赤外線輻射率を得ることができるため、成膜前後での見
掛けの赤外線輻射率５− の違いを補正することができ、正確な温度測定に基づく
基板の正しい温度制御を可能とすることにあり、第２の
役割は、基体を貫通して赤外線輻射温度計に入射する迷
光を遮断し、迷光による測定誤差を防止することにある
。 このシャッタ機構は、特に、成膜前の基体の温度計側に
は必ず必要となる。 なお、ここで説明できなかったその他の作用については
、実施例の項で具体的に説明する。 〔実施例〕 以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説明する。 実施例１゜ 第１図は、本発明真空処理装置をスパッタ成膜装置に適
用した一実施例を示した概略構成図である。この実施例
では、成膜対象である基体をシリコンウェハとし、この
上にＡｆｌ薄膜をスパッタリングにより成膜する一例を
代表例として説明する。 本発明の真空処理装置１は、基体温度校正ステージ５を
もつ基体温度校正チャンバ２と、基体の６ 加熱及び冷却を行う基体温度調整ステージ６をもつ基体
温度調整チャンバ３と、スパッタ成膜ステージ７とＭタ
ーゲット８とスパッタ電極９とをもつスパッタ成膜チャ
ンバ４との三つのチャンバから構成されている。そして
これらのチャンバはそれぞれゲートバルブＧＶＩ及びＧ
Ｖ２により接続され独立している。また、基体温度校正
チャンバ２とスパッタ成膜チャンバ４とには、排気系が
接続され、一方では所定の真空状態に保持できると共に
、他方ではガス導入口から所定のガスを導入し基体温度
校正チャンバ２においては空気や窒素ガスを導入して大
気圧にまで設定でき、スパッタ成膜チャンバ４において
はスパッタガスを導入して所定の放電によりプラズマが
生じる環境に設定できるように構成されている。更にま
た、各ステージには後述するように加熱及び冷却手段が
設けられていると共に、基体１０からの輻射赤外線を観
測するための貫通口から成る開口窓１９が配設されてお
り、この開口窓１９を通して光学的に結合されて第１、
第２及び第３の赤外線輻射温度計１１．１４及び１５が
接続されている。基体温度校正ステージ５には、基体温
度校正ステージ５の温度を正確に測定するための熱電対
１２が設けられている。そして各赤外線輻射温度計から
の出力及び熱電対１２の出力を入力して、第１の赤外線
輻射温度計１１の輻射率を演算したり、この演算結果に
基づいて第２、第３の赤外線輻射温度計１４及び１５の
補正をし、それぞれのステージ上の基体１０の正しい温
度を計測したり、最終的にはこれらの計測データに基づ
き所定のステージ温度に設定する指令を各ステージの加
熱及び冷却手段にフィードバックしてステージの温度を
所定値に設定コントロールする、所謂真空処理装置全体
の温度を管理するための基体温度制御器１３を備えてい
る。 そして各チャンバの機能について説明すると、基体温度
校正チャンバは、通常、成膜開始温度よりも高い既知の
温度に設定された基体１０からの赤外線輻射を第１の赤
外線輻射温度計１１で測定し、輻射率を算出してこの赤
外線輻射温度計の校正を行う。基体温度調整チャンバ３
は、次のスパッタ成膜チャンバ４に基体を搬送する前の
温度調整機能をもち、スパッタ成膜チャンバ４は、基体
にスパッタにより成膜を行う機能を持つ。 以下に各ステージの温度を制御して基体１０を所定温度
に保持して熊ターゲット８からシリコンウェハ基体１０
上にＡ誌薄膜をスパッタ成膜する具体例につき説明する
。 まず、大気圧下におかれた基体温度校正チャンバ２内に
おいて、ウェハ１０は校正ステージ５上で２００℃、３
００℃、４００℃の３温度点に段階的に加熱される。な
お、これらステージ５．６．７での加熱、冷却法につい
ては、とりまとめて後述する。 この校正ステージ５上で加熱された基体１０の裏面を、
第１の赤外線輻射温度計１１と熱電対１２で観察及び測
定し、基体温度制御器１３の演算処理部で各温度段階の
温度の指示値を得る。つまり、熱電対１２で基体温度と
平行になっている校正ステージの温度を実測し、その温
度を基体温度としてその時の輻射率を赤外線輻射温度計
１１で観察して、基体温度制御器１３の演算処理部でこ
の輻射率に基づ９ く温度の指示値を得る。 ウェハ１０は、予め既知温度に加熱設定されているので
、この第１の赤外線輻射温度計１１から得られた輻射率
を逆算して求めることができるので、以後の真空中での
基体温度調整チャンバ３とスパッタ成膜チャンバ４の処
理温度は、この輻射率を使用して、第２、第３の赤外線
輻射温度計１４．１５から輻射率を補正して読み取る。 第１の赤外線輻射温度計１１による輻射率の校正が終了
した時点で、基体温度校正チャンバ２内を排気して真空
状態とした後、ウェハ１０は、ゲートバルブＧＶＩを開
いて校正チャンバ２から真空下の基体温度調整チャンバ
３に搬送され、第２の赤外線輻射温度計１４により温度
測定される。その測定結果から基体度制御器１３により
ステージ６の温度調整を行い、ウェハ１０の温度を任意
の温度に調整する。この例では、 １００℃にセットし
た。その後ウェハ１０は、 ゲートバルブＧＶ２を開い
て真空状態のスパッタ成膜チャンバ４のステージ７に搬
送され、第３の赤外線輻射温度計１５により温度測定さ
４０− れ、その結果をもとにステージ７の温度を任意の温度に
調整し、基体１０の温度を任意の温度に制御してスパッ
タ成膜を行う。 この例では、２５０℃にセットしてＡ
ｎのスパッタ成膜を行なった。スパッタ成膜後、ウェハ
１０を再度校正チャンバ２に搬送し、輻射率の再校正を
行い、この輻射率を以後のスパッタ成膜時の温度測定時
の補正に用いた。 なお、各チャンバ間を搬送するための簡易手段としては
、例えばシリコーンゴム等の耐熱性ベルトを用いた搬送
機構等が用いられる。 次に、第２図により基体を載置するステージの構造の概
略、加熱、冷却方法及びウェハの輻射率の測定方法につ
いて、スパッタステージ７の例を用いて説明する。 （１）基板ステージの構造と加熱、冷却方法ニスバッタ
ステージ７はステージを加熱するための電熱ヒータ１８
を内臓し、真空中でウェハに熱を伝達する例えば、空気
や窒素ガス等の伝熱ガスが流れる構造となっており、ウ
ェハに伝熱ガスを均一に接触させるためのクランプ１７
が設置されている。また、ウェハの温度を赤外線輻射温
度計１５により測定するため輻射線観測用空洞を構成す
る開口窓１９が設けである。ウェハを冷却する場合には
、図示していないが、ヒータ１８の替りにフレオン等の
冷却媒体を循環させステージを冷却し、上記と同様に伝
熱ガスによりウェハを冷却する。 また、校正ステージ５ではチャンバ内が大気圧であるた
め伝熱ガスは用いず真空排気を行い、真空チャックによ
りステージとの密着性を保ち熱伝導により熱伝達を行う
ようになっている。 （２）輻射率の測定： 次に赤外線輻射温度計によるウェハ基体の温度計測方法
について説明する。本実施例では、赤外線輻射温度計１
１．１４．１５を各ステージの下部に設置し、ウェハの
裏側の温度を測定するようになっており、各チャンバ内
からの迷光が赤外線温度計に入射しないように迷光遮断
用円筒１６を各ステージと赤外線輻射温度計の間に設け
である。 本実施例では、真空中での処理はスパッタリングによる
基体への荊の成膜である。基体がＡｆｌ金属の成膜を受
けると、 Ａｎ膜からの反射される分だけ輻射率が大幅
に高くなる。したがって基体温度校正チャンバで成膜処
理前に測定して求めた輻射率は、その後の成膜処理によ
り使用できなくなる。 本発明では成膜処理が終了したウェハを再び校正チャン
バにて予め設定された既知の温度に加熱し、再び新しい
表面に対して輻射率を測定し、再校正をする。これによ
って例えば成膜終了直後のウェハを赤外線輻射温度計で
測定しておき、成膜後の（２回目の）輻射率測定によっ
て正しい輻射率を算出することで、成膜直後のウェハ温
度を正しく知ることが可能である。 例えば成膜直後のウェハの温度が高すぎる場合には、成
膜中乃至は成膜前に行う基板加熱量を減少させるように
、加熱条件の設定を変える。 成膜開始時の設定温度を変更することなしに、成膜終了
直後の温度だけ低下させたい場合には、基体ステージで
のガス冷却を行い、基体裏面のガス圧力を調整すること
で、成膜中の基体冷却の設定を成膜中に変化させること
ができる。 ４３− 上記実施例では、シリコンウェハを基体として、その表
面に荊薄膜をスパッタリングにより成膜する例を示した
が、ステージを介して基体の温度制御が高精度に行える
ためウェハ内で再現性が良い結晶性が得られ高品質の成
膜を達成することができた。 実施例２゜ 赤外線輻射温度計によって観察される基体１０の反対側
に金属膜を成膜する場合、膜の有無によって見掛けの赤
外線輻射率の値が大きく異なる場合がある。第３図では
このような目的のスパッタ装置において、成膜後の基体
の赤外線輻射率を校正するために第２の温度校正チャン
バ３２を、第１図のスパッタ成膜チャンバ４に付加して
増設した例を示したものである。 スパッタによって成膜中に赤外線輻射温度計１５によっ
て基体の温度を測定する。しかしながらこの場合には基
体１０の表面には既に金属膜が形成されているために基
体温度校正ステージ２において得られた赤外線輻射率の
補正値は使用することが４ できない。このためにスパッタ成膜後、スパッタ成膜チ
ャンバ４から基体１０を第２の温度校正チャンバ３２に
搬送し、温度校正チャンバ２と同様に加熱または冷却ス
テージ３３によって所定の温度に加熱または冷却し、赤
外線輻射温度計３４および熱電対３５によって温度を測
定し両者の指示値から所定の温度における成膜後の基体
１０の赤外線輻射率を算出する。そうして成膜中に知り
得た温度データをこの値で補正することで成膜中の基体
の温度を正確に知ることができる。もし、こうして知り
得た成膜中の基体１０の温度が所定の値よりも高過ぎた
場合には、基体の温度を適正に調整するために基体温度
調整チェンバ３の加熱手段または冷却手段に適宜フィー
ドバックをかけることで、次の基体に対する成膜処理を
適正に行うことができる。 なお、成膜後の基体の赤外線輻射率を校正するための温
度校正チャンバは、必ずしもこの例のように成膜前の基
体の赤外線輻射率を校正するための温度校正チャンバ２
とは別個に用意する必要はない。即ち、スパッタ成膜チ
ャンバ４にて成膜を行った後、基体を再び、基体温度調
整チャンバ３を経て温度校正チャンバ２へ搬送し、ここ
で上記第２の温度校正チャンバ３２と同様の赤外線輻射
率の校正を行ってもよい。 実施例３゜ 先の実施例１及び２では、基体が成膜を受けると基体の
輻射率が変化するため輻射率の校正を再度やり直すとい
う必要があったが、本実施例ではその点を改良し、−度
の輻射率の校正でその後の成膜処理においてもこの輻射
率を基準として赤外線輻射温度計の補正ができるという
ものである。 この実施例も実施例１と同様にシリコンウェハ基体にア
ルミＡｆｌをスパッタリングにより成膜する装置例につ
いて説明するものである。 第４図はスパッタ装置の概略構成図を示したもので、基
本的には第１図と同様であるが、この例では後で詳述す
るように各ステージに載置された基体１０に近接してシ
ャッタ２０．２１．２２がそれぞれ配設されていること
である。 基体１０は先ず温度校正チャンバ２中で加熱またば冷却
ステージＳによって所定の温度に加熱または冷却され、
第１の赤外線輻射温度計１１および熱電対］２によって
温度を測定し、両者の指示値から所定の温度における基
体１０の赤外線輻射率を算出する。基体の赤外線温度計
によって観察される側とは反対側に金属膜をスパッタ成
膜する場合、膜の有無によって見掛けの赤外線輻射率の
値が大きく異なる場合があるが、このシャッタの設置に
よって膜の有無による見掛けの赤外線輻射率の差を低減
することができる。 なお、赤外線輻射温度計１１による計測に当たっては、
シャッタ２０を閉ざした状態で測定する。 次に基体１０は温度校正チャンバ２から基体温度調整チ
ャンバ３に搬送され、加熱または冷却ステシロにて加熱
または冷却しながら第２の赤外線輻射温度計１４によっ
て基体１０の温度を測定し、校正チャンバ２にて求めた
所定の温度での基体１０の輻射率の値との補正により基
体温度制御器１３を通じて加熱または冷却ステージ６の
温度を所定の温度に調節し基体】Ｏの温度を所定の温度
に制御する。 ７− なお、この基体温度調整チャンバ３での温度計側も温度
校正チャンバ２の時と同様にシャッタ２１を閉ざした状
態で測定する。 その後基体１０はスパッタ成膜チャンバ４に搬送されス
パッタステージ７にて加熱または冷却する。 この時シャッタ２２を基体上に閉ざし、第３の赤外線輻
射温度計１５によって基体１０の温度を測定し。 校正チャンバ２にて求めた基体１０の輻射率の値との補
正により正しい温度を知ることができる。更にこのよう
にして正しい温度を知ることによって、基体温度制御器
１３を通じて加熱または冷却ステージ７の温度を所定の
温度に調節し、基体１０の温度を所定の温度に制御して
スパッタ成膜を開〜始する。 成膜終了後、基体１０は基体温度調整チャンバ３に戻さ
れ、ステージ６にて加熱もしくは冷却されながら第２の
赤外線輻射温度計１４によって温度測定される。この時
、校正チャンバ２にて求めた所定の温度での基体の放射
率の値との補正により、基体温度制御器１３を通じてス
テージ６の温度を所定温度に調節して基体温度を所定値
に設定する。そ８ の後基体は温度校正チャンバ２を経て真空処理装置１か
ら搬出され次ぎの工程に進む。 なお、基体温度校正ステージ２における第１の赤外線温
度計１１と熱電対１２による基体１０の温度測定を複数
の温度において行い、なおかつ第２および第３の赤外線
輻射温度計１４．１５を用いることによって、より正確
なプロセス温度の制御が可能になる。また図示していな
いが、基体温度校正のため第１の赤外線輻射温度計１１
で測定するための、基体を加熱または冷却する手段を複
数個設けることによって、同様な複数の温度における基
体の温度の校正をより短時間で行うことが可能になる。 第５図にステージの代表例として第４図のスパッタステ
ージ７の概略椅成図を示す。ステージの構成は、基本的
には第２図の例と同一であるが、本実施例では基体１０
の上部に近接してシャッタ２２の設けられている点が異
なる。 つまり、基体の赤外線温度計によって観察される側とは
反対側に金属膜をスパッタ成膜する場合、膜の有無によ
って見掛けの赤外線輻射率の値が大きく異なる場合があ
るが、このシャッタの設置によって膜の有無による見掛
けの赤外線輻射率の差を低減できるため、第３図のよう
に温度校正のための赤外線温度計による測定を、第２の
温度構成チャンバ３２を配設するなどして成膜前後で２
回行う必要が無くなり１回で済むようになる。 このシャッタは、温度測定時に基体表面を閉ざし、成膜
中は開放される開閉自在な機構を有しており、例えばス
テンレス製の円板が回転可能の駆動軸に支持され、この
駆動軸を回動することにより開閉する構成となっている
。 また、シリコンウェハ基体１０は赤外線に対してほとん
ど透明であることから、基体を貫通して赤外線輻射温度
計に迷光が入射し、基板の温度測定精度が低下する場合
がある。その対策としてこの例では、赤外線温度計によ
って観察される側の反対側に基体に近接して、赤外線輻
射温度計の測定波長に対して充分鏡面である部材によっ
てその主面が構成されたシャッタ２２を備え、赤外線輻
射温度計１５による基体１０の温度測定中に、この迷光
が入射しないよう遮断する構成となっている。 このようにシャッタ機構の役割は、第１には金属膜をウ
ェハ基体に成膜する際に金属膜により反射されるウェハ
からの輻射光による見掛けの放射率の増加分を補正する
ことであり、第２には迷光の遮断である。 なお、第６図は第４図のステージ６の概略構成図を示し
たもので、基本的には第５図のステージ７と同様の構成
である。ステージ６にはヒータ１８を内蔵し、真空中で
はステージ６と基体１０との間の空間に伝熱ガスが流れ
る構造になっており、基体に伝熱ガスを均一に接触させ
るためのクランプ１７が設置されている。基体１０の温
度を赤外線輻射温度計１４で測定するための開口窓１９
と迷光遮断用円筒１６が接続されており、円筒１６の両
端には赤外線を透過する材質の窓板２３．２４が装着さ
れている。 また、円筒１６自身が加熱され迷光の発生源にならない
ように水冷する構造となっている。迷光の影響をさらに
低減する場合には、円筒１６の内壁を黒体処理ことで可
能となる。また、この例も第５図５１− の場合と同様に基体１０に近接して第５図と同様にシャ
ッタ２１が配設されている。 なお、上記シャッタは、（１）成膜金属膜と同じ赤外線
反射率を有する鏡面状態のもの、（２）迷光の遮断機能
を有するものであれば何れの構造でも良く、例えば基体
の温度測定タイミングに同期して開閉自在に駆動する構
成、或いは、チャンバの一領域に固定シャッタを設け、
測定時に基板をシャッタ下部に移動する機構とするなど
種々の構成を採用することができる。 第７図はシャッタの有無によるシリコンウェハ基体の赤
外線輻射率の違いを示した特性曲線である。第７図（ａ
）は、シャッタ無しの比較例、第７図（ｂ）は、シャッ
タを設けた本実施例の測定結果を示している。これから
明らかなように、第７図（ａ）のアルミＡｎ成膜前（Ｍ
膜無し）のウェハの見掛けの赤外線輻射率はＡｆｌ成膜
後（Ａｌｌ膜有り）のウェハの見掛けの赤外線輻射率よ
り小さく両者にかなりの差が生じているが、荊成膜前の
ウェハにシャッタを設置することによって、第７図（ｂ
）に示すよ２ うに見掛けの赤外線輻射率がＡｌｌ成膜後のウェハとほ
ぼ同等になることが分かった。これによりシャッタを用
いて基体温度を計測することにより一定の放射率で計測
可能と成ることが分かる。 実施例４゜ 加熱または冷却ステージに基体の赤外線温度測定のため
の開口窓１９により基体の温度分布が不均一になる場合
には、第８図に示すように貫通孔（開口窓）１９より離
れた場所に分離して設けた加熱または冷却専用のステー
ジ２５にて基体１０を加熱または冷却した後、基体１０
を開口窓１９のあるステージに搬送し赤外線輻射温度計
２７にて温度測定を行う構成とすることによって基体１
０の温度分布がより均一な状態で測定することができる
。 実施例５゜ 基体の加熱または冷却を表面または裏面の何れか一方側
からのみ行った場合、基体の表面側と裏面側とには温度
差が生じる。そこで、第９図に示すように基体の表面と
裏面との両側がら温度制御できるように、それぞれの側
に加熱または冷却手段２８．２９を設けることにより両
面の温度差を低減することができる。また、これにより
開口窓１９による基体上の温度分布の不均一性をも低減
することができる。 実施例６゜ 第４図のスパッタ装置１を用いて、シリコンウェハ基体
ｌＯ上にアルミＡｎ膜をスパッタリングにより成膜する
他の実施例を説明する。 シリコンウェハ基体１０は、温度校正チャンバ２で５０
０℃まで加熱されて吸着水分等が除去され、熱電対１２
で測温されると共にこれをベースとして赤外線輻射温度
計１１の放射率の校正を行い、次いでウェハは基体温度
調整チャンバ３に搬送される。 基体温度調整チャンバ３に搬送されたウェハ基体１０は
、赤外線輻射温度計１４で測温され、ステージ６の温度
制御により所定の２００℃まで冷却され、スパッタ成膜
チャンバ４に搬送される。このスパッタ成膜チャンバ４
内で基体１０は、第１０図に示すような温度プロファイ
ルによってスパッタされる。 ターゲット８は１％５ｉ−３％Ｃｕ−ＡＱの組成のもの
を用いた。先ず始めに、基体１０の温度を２３０℃に制
御し、膜厚数１００人程度までの第１のスパッタ成膜を
行い、そこで一旦スバッタを停止し、基体は基体温度調
整チャンバ３に搬送される。基体温度調整チャンバ３で
は、基体１０の温度を３００℃に加熱制御し、第１のス
パッタ成膜で得たＡＱ膜の結晶粒を成長させ配向性等を
向上させる。次ぎに、基体は再びスパッタ成膜チャンバ
４に搬送され、基体温度を４００℃程度に設定した後、
第２のスパッタ成膜を再開させ、膜厚１μｍ程度まで成
膜を行う。これにより結晶粒が大きく、配向性のよいＡ
ｆｌスパッタ膜が得られる。スパッタ終了後基体は直ち
に基体温度調整チャンバ３に搬送され、５０℃程度まで
急冷される。これにより、Ａｆｌスパッタ膜中のＳｉ及
びＣｕの析出を抑制することができた。 上記実施例では、シリコンウェハを基体として、その表
面にＡｎ薄膜をスパッタリングにより成膜する例を示し
たが、ステージを介して基体の温度制御が高精度に行え
るためウェハ内で再現性が良い一５５＝ 結晶性が得られ、品質の優れた成膜を達成することがで
きた。例えば、数１００人の薄い膜を加熱する際にその
加熱温度が３５０℃以上では結晶性の向上が得られなか
った。従って、正確な温度を知ることがきる本発明なく
しては工業的にこのような成膜方法を実現させることは
できない。 なお、本発明の真空処理装置は、上記のスパッタ装置の
ほかＣＶ Ｄ （Ｃｈｅｍｉｃａｉ Ｖ ａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜装置等にも適応可能
であることは言うまでもない。 例えば、シリコンウェハ基板を基体として、この基板上
にＣＶＤにより既知の方法でタングステン膜を成膜する
場合などに有効である。 この種の成膜装置においては、いずれも基体の温度制御
の精度が、形成される膜質を左右することから、本発明
の成膜装置は、それに十分応え得るものである。 なお、上記実施例のように真空処理チャンバを成膜処理
チャンバとすれば成膜装置が実現されるが、この真空処
理チャンバを成膜チャンバ以外に＝５６− も例えばプラズマエツチング等のドライエツチング処理
のチャンバとすることも可能であり、エツチングする基
板の温度制御については上記実施例と同様に容易に実現
できる。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、真空中での基体の
正確な温度制御を可能とするものであり、基板の正確な
温度管理のできる真空処理装置を実現すると共に、それ
を成膜装置に応用することにより正確な温度制御を必要
とする成膜前後、及び成膜中の温度の管理が容易にでき
るので、高品質な膜の形成を可能とする。
度校正チャンバ内においては、基体を既知の温度に加熱
または冷却し第１の赤外線輻射温度計と熱電対によって
基体の温度を測定し、その測定結果に基づいて赤外線輻
射温度計の補正値、つまり輻射率を演算する。この演算
結果に基づいてその後の真空処理チャンバ内の基体の温
度を第２、第３の温度計で正確に測定する。そしてその
測定結果に基づいて温度制御系を作動させて真空処理チ
ャンバ内の基体の温度を所定値に設定して成膜処理等の
真空処理を正確に温度管理された状態で行う。 また、温度校正チャンバにおいては、第１の赤外線輻射
温度計と熱電対による校正湿度の測定を異なる複数の温
度にて行うことによって、以後の真空処理チャンバ内で
の基体の温度制御を行うに際に、広い温度範囲でのプロ
セス温度の制御が可能になる。 更に、」二連した第１の赤外線輻射温度計と熱電対によ
る校正温度の測定のための加熱手段または冷却手段とし
て複数の手段を設けることによって、異なる複数の温度
による校正をより短時間で行うことができる。 基体を加熱または冷却中に基体を赤外線輻射温度計にて
観察するために加熱または冷却用ステージに貫通孔（開
口窓）を設ける必要があるが、この貫通孔のために基体
の温度分布に不均一性が生じることがある。そこでこの
対策としては、基体表裏両面を加熱するようにしても可
能であるが、ステージを２分割し、一方の基板加熱また
は冷却用ステージには開口窓を設けず温度制御専用のス
テージとし、他方の温度測定用ステージに開口窓を設け
、温度測定に当たってはこの一方のステージから他方の
ステージへ基板を移動して温度測定を行うようにしても
良い。 本発明において基体の温度測定時に基体に近接してシャ
ッタを配設することは、基板の正確な温度測定をする上
で極めて重要な役割を果たす。 その第１の役割は、金属膜をスパッタ或いはＣＶＤ等に
より成膜する装置の場合には、金属膜の有無にかかわら
ず、このシャッタにより金属膜が成膜しているのと同じ
赤外線輻射率を得ることができるため、成膜前後での見
掛けの赤外線輻射率５− の違いを補正することができ、正確な温度測定に基づく
基板の正しい温度制御を可能とすることにあり、第２の
役割は、基体を貫通して赤外線輻射温度計に入射する迷
光を遮断し、迷光による測定誤差を防止することにある
。 このシャッタ機構は、特に、成膜前の基体の温度計側に
は必ず必要となる。 なお、ここで説明できなかったその他の作用については
、実施例の項で具体的に説明する。 〔実施例〕 以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説明する。 実施例１゜ 第１図は、本発明真空処理装置をスパッタ成膜装置に適
用した一実施例を示した概略構成図である。この実施例
では、成膜対象である基体をシリコンウェハとし、この
上にＡｆｌ薄膜をスパッタリングにより成膜する一例を
代表例として説明する。 本発明の真空処理装置１は、基体温度校正ステージ５を
もつ基体温度校正チャンバ２と、基体の６ 加熱及び冷却を行う基体温度調整ステージ６をもつ基体
温度調整チャンバ３と、スパッタ成膜ステージ７とＭタ
ーゲット８とスパッタ電極９とをもつスパッタ成膜チャ
ンバ４との三つのチャンバから構成されている。そして
これらのチャンバはそれぞれゲートバルブＧＶＩ及びＧ
Ｖ２により接続され独立している。また、基体温度校正
チャンバ２とスパッタ成膜チャンバ４とには、排気系が
接続され、一方では所定の真空状態に保持できると共に
、他方ではガス導入口から所定のガスを導入し基体温度
校正チャンバ２においては空気や窒素ガスを導入して大
気圧にまで設定でき、スパッタ成膜チャンバ４において
はスパッタガスを導入して所定の放電によりプラズマが
生じる環境に設定できるように構成されている。更にま
た、各ステージには後述するように加熱及び冷却手段が
設けられていると共に、基体１０からの輻射赤外線を観
測するための貫通口から成る開口窓１９が配設されてお
り、この開口窓１９を通して光学的に結合されて第１、
第２及び第３の赤外線輻射温度計１１．１４及び１５が
接続されている。基体温度校正ステージ５には、基体温
度校正ステージ５の温度を正確に測定するための熱電対
１２が設けられている。そして各赤外線輻射温度計から
の出力及び熱電対１２の出力を入力して、第１の赤外線
輻射温度計１１の輻射率を演算したり、この演算結果に
基づいて第２、第３の赤外線輻射温度計１４及び１５の
補正をし、それぞれのステージ上の基体１０の正しい温
度を計測したり、最終的にはこれらの計測データに基づ
き所定のステージ温度に設定する指令を各ステージの加
熱及び冷却手段にフィードバックしてステージの温度を
所定値に設定コントロールする、所謂真空処理装置全体
の温度を管理するための基体温度制御器１３を備えてい
る。 そして各チャンバの機能について説明すると、基体温度
校正チャンバは、通常、成膜開始温度よりも高い既知の
温度に設定された基体１０からの赤外線輻射を第１の赤
外線輻射温度計１１で測定し、輻射率を算出してこの赤
外線輻射温度計の校正を行う。基体温度調整チャンバ３
は、次のスパッタ成膜チャンバ４に基体を搬送する前の
温度調整機能をもち、スパッタ成膜チャンバ４は、基体
にスパッタにより成膜を行う機能を持つ。 以下に各ステージの温度を制御して基体１０を所定温度
に保持して熊ターゲット８からシリコンウェハ基体１０
上にＡ誌薄膜をスパッタ成膜する具体例につき説明する
。 まず、大気圧下におかれた基体温度校正チャンバ２内に
おいて、ウェハ１０は校正ステージ５上で２００℃、３
００℃、４００℃の３温度点に段階的に加熱される。な
お、これらステージ５．６．７での加熱、冷却法につい
ては、とりまとめて後述する。 この校正ステージ５上で加熱された基体１０の裏面を、
第１の赤外線輻射温度計１１と熱電対１２で観察及び測
定し、基体温度制御器１３の演算処理部で各温度段階の
温度の指示値を得る。つまり、熱電対１２で基体温度と
平行になっている校正ステージの温度を実測し、その温
度を基体温度としてその時の輻射率を赤外線輻射温度計
１１で観察して、基体温度制御器１３の演算処理部でこ
の輻射率に基づ９ く温度の指示値を得る。 ウェハ１０は、予め既知温度に加熱設定されているので
、この第１の赤外線輻射温度計１１から得られた輻射率
を逆算して求めることができるので、以後の真空中での
基体温度調整チャンバ３とスパッタ成膜チャンバ４の処
理温度は、この輻射率を使用して、第２、第３の赤外線
輻射温度計１４．１５から輻射率を補正して読み取る。 第１の赤外線輻射温度計１１による輻射率の校正が終了
した時点で、基体温度校正チャンバ２内を排気して真空
状態とした後、ウェハ１０は、ゲートバルブＧＶＩを開
いて校正チャンバ２から真空下の基体温度調整チャンバ
３に搬送され、第２の赤外線輻射温度計１４により温度
測定される。その測定結果から基体度制御器１３により
ステージ６の温度調整を行い、ウェハ１０の温度を任意
の温度に調整する。この例では、 １００℃にセットし
た。その後ウェハ１０は、 ゲートバルブＧＶ２を開い
て真空状態のスパッタ成膜チャンバ４のステージ７に搬
送され、第３の赤外線輻射温度計１５により温度測定さ
４０− れ、その結果をもとにステージ７の温度を任意の温度に
調整し、基体１０の温度を任意の温度に制御してスパッ
タ成膜を行う。 この例では、２５０℃にセットしてＡ
ｎのスパッタ成膜を行なった。スパッタ成膜後、ウェハ
１０を再度校正チャンバ２に搬送し、輻射率の再校正を
行い、この輻射率を以後のスパッタ成膜時の温度測定時
の補正に用いた。 なお、各チャンバ間を搬送するための簡易手段としては
、例えばシリコーンゴム等の耐熱性ベルトを用いた搬送
機構等が用いられる。 次に、第２図により基体を載置するステージの構造の概
略、加熱、冷却方法及びウェハの輻射率の測定方法につ
いて、スパッタステージ７の例を用いて説明する。 （１）基板ステージの構造と加熱、冷却方法ニスバッタ
ステージ７はステージを加熱するための電熱ヒータ１８
を内臓し、真空中でウェハに熱を伝達する例えば、空気
や窒素ガス等の伝熱ガスが流れる構造となっており、ウ
ェハに伝熱ガスを均一に接触させるためのクランプ１７
が設置されている。また、ウェハの温度を赤外線輻射温
度計１５により測定するため輻射線観測用空洞を構成す
る開口窓１９が設けである。ウェハを冷却する場合には
、図示していないが、ヒータ１８の替りにフレオン等の
冷却媒体を循環させステージを冷却し、上記と同様に伝
熱ガスによりウェハを冷却する。 また、校正ステージ５ではチャンバ内が大気圧であるた
め伝熱ガスは用いず真空排気を行い、真空チャックによ
りステージとの密着性を保ち熱伝導により熱伝達を行う
ようになっている。 （２）輻射率の測定： 次に赤外線輻射温度計によるウェハ基体の温度計測方法
について説明する。本実施例では、赤外線輻射温度計１
１．１４．１５を各ステージの下部に設置し、ウェハの
裏側の温度を測定するようになっており、各チャンバ内
からの迷光が赤外線温度計に入射しないように迷光遮断
用円筒１６を各ステージと赤外線輻射温度計の間に設け
である。 本実施例では、真空中での処理はスパッタリングによる
基体への荊の成膜である。基体がＡｆｌ金属の成膜を受
けると、 Ａｎ膜からの反射される分だけ輻射率が大幅
に高くなる。したがって基体温度校正チャンバで成膜処
理前に測定して求めた輻射率は、その後の成膜処理によ
り使用できなくなる。 本発明では成膜処理が終了したウェハを再び校正チャン
バにて予め設定された既知の温度に加熱し、再び新しい
表面に対して輻射率を測定し、再校正をする。これによ
って例えば成膜終了直後のウェハを赤外線輻射温度計で
測定しておき、成膜後の（２回目の）輻射率測定によっ
て正しい輻射率を算出することで、成膜直後のウェハ温
度を正しく知ることが可能である。 例えば成膜直後のウェハの温度が高すぎる場合には、成
膜中乃至は成膜前に行う基板加熱量を減少させるように
、加熱条件の設定を変える。 成膜開始時の設定温度を変更することなしに、成膜終了
直後の温度だけ低下させたい場合には、基体ステージで
のガス冷却を行い、基体裏面のガス圧力を調整すること
で、成膜中の基体冷却の設定を成膜中に変化させること
ができる。 ４３− 上記実施例では、シリコンウェハを基体として、その表
面に荊薄膜をスパッタリングにより成膜する例を示した
が、ステージを介して基体の温度制御が高精度に行える
ためウェハ内で再現性が良い結晶性が得られ高品質の成
膜を達成することができた。 実施例２゜ 赤外線輻射温度計によって観察される基体１０の反対側
に金属膜を成膜する場合、膜の有無によって見掛けの赤
外線輻射率の値が大きく異なる場合がある。第３図では
このような目的のスパッタ装置において、成膜後の基体
の赤外線輻射率を校正するために第２の温度校正チャン
バ３２を、第１図のスパッタ成膜チャンバ４に付加して
増設した例を示したものである。 スパッタによって成膜中に赤外線輻射温度計１５によっ
て基体の温度を測定する。しかしながらこの場合には基
体１０の表面には既に金属膜が形成されているために基
体温度校正ステージ２において得られた赤外線輻射率の
補正値は使用することが４ できない。このためにスパッタ成膜後、スパッタ成膜チ
ャンバ４から基体１０を第２の温度校正チャンバ３２に
搬送し、温度校正チャンバ２と同様に加熱または冷却ス
テージ３３によって所定の温度に加熱または冷却し、赤
外線輻射温度計３４および熱電対３５によって温度を測
定し両者の指示値から所定の温度における成膜後の基体
１０の赤外線輻射率を算出する。そうして成膜中に知り
得た温度データをこの値で補正することで成膜中の基体
の温度を正確に知ることができる。もし、こうして知り
得た成膜中の基体１０の温度が所定の値よりも高過ぎた
場合には、基体の温度を適正に調整するために基体温度
調整チェンバ３の加熱手段または冷却手段に適宜フィー
ドバックをかけることで、次の基体に対する成膜処理を
適正に行うことができる。 なお、成膜後の基体の赤外線輻射率を校正するための温
度校正チャンバは、必ずしもこの例のように成膜前の基
体の赤外線輻射率を校正するための温度校正チャンバ２
とは別個に用意する必要はない。即ち、スパッタ成膜チ
ャンバ４にて成膜を行った後、基体を再び、基体温度調
整チャンバ３を経て温度校正チャンバ２へ搬送し、ここ
で上記第２の温度校正チャンバ３２と同様の赤外線輻射
率の校正を行ってもよい。 実施例３゜ 先の実施例１及び２では、基体が成膜を受けると基体の
輻射率が変化するため輻射率の校正を再度やり直すとい
う必要があったが、本実施例ではその点を改良し、−度
の輻射率の校正でその後の成膜処理においてもこの輻射
率を基準として赤外線輻射温度計の補正ができるという
ものである。 この実施例も実施例１と同様にシリコンウェハ基体にア
ルミＡｆｌをスパッタリングにより成膜する装置例につ
いて説明するものである。 第４図はスパッタ装置の概略構成図を示したもので、基
本的には第１図と同様であるが、この例では後で詳述す
るように各ステージに載置された基体１０に近接してシ
ャッタ２０．２１．２２がそれぞれ配設されていること
である。 基体１０は先ず温度校正チャンバ２中で加熱またば冷却
ステージＳによって所定の温度に加熱または冷却され、
第１の赤外線輻射温度計１１および熱電対］２によって
温度を測定し、両者の指示値から所定の温度における基
体１０の赤外線輻射率を算出する。基体の赤外線温度計
によって観察される側とは反対側に金属膜をスパッタ成
膜する場合、膜の有無によって見掛けの赤外線輻射率の
値が大きく異なる場合があるが、このシャッタの設置に
よって膜の有無による見掛けの赤外線輻射率の差を低減
することができる。 なお、赤外線輻射温度計１１による計測に当たっては、
シャッタ２０を閉ざした状態で測定する。 次に基体１０は温度校正チャンバ２から基体温度調整チ
ャンバ３に搬送され、加熱または冷却ステシロにて加熱
または冷却しながら第２の赤外線輻射温度計１４によっ
て基体１０の温度を測定し、校正チャンバ２にて求めた
所定の温度での基体１０の輻射率の値との補正により基
体温度制御器１３を通じて加熱または冷却ステージ６の
温度を所定の温度に調節し基体】Ｏの温度を所定の温度
に制御する。 ７− なお、この基体温度調整チャンバ３での温度計側も温度
校正チャンバ２の時と同様にシャッタ２１を閉ざした状
態で測定する。 その後基体１０はスパッタ成膜チャンバ４に搬送されス
パッタステージ７にて加熱または冷却する。 この時シャッタ２２を基体上に閉ざし、第３の赤外線輻
射温度計１５によって基体１０の温度を測定し。 校正チャンバ２にて求めた基体１０の輻射率の値との補
正により正しい温度を知ることができる。更にこのよう
にして正しい温度を知ることによって、基体温度制御器
１３を通じて加熱または冷却ステージ７の温度を所定の
温度に調節し、基体１０の温度を所定の温度に制御して
スパッタ成膜を開〜始する。 成膜終了後、基体１０は基体温度調整チャンバ３に戻さ
れ、ステージ６にて加熱もしくは冷却されながら第２の
赤外線輻射温度計１４によって温度測定される。この時
、校正チャンバ２にて求めた所定の温度での基体の放射
率の値との補正により、基体温度制御器１３を通じてス
テージ６の温度を所定温度に調節して基体温度を所定値
に設定する。そ８ の後基体は温度校正チャンバ２を経て真空処理装置１か
ら搬出され次ぎの工程に進む。 なお、基体温度校正ステージ２における第１の赤外線温
度計１１と熱電対１２による基体１０の温度測定を複数
の温度において行い、なおかつ第２および第３の赤外線
輻射温度計１４．１５を用いることによって、より正確
なプロセス温度の制御が可能になる。また図示していな
いが、基体温度校正のため第１の赤外線輻射温度計１１
で測定するための、基体を加熱または冷却する手段を複
数個設けることによって、同様な複数の温度における基
体の温度の校正をより短時間で行うことが可能になる。 第５図にステージの代表例として第４図のスパッタステ
ージ７の概略椅成図を示す。ステージの構成は、基本的
には第２図の例と同一であるが、本実施例では基体１０
の上部に近接してシャッタ２２の設けられている点が異
なる。 つまり、基体の赤外線温度計によって観察される側とは
反対側に金属膜をスパッタ成膜する場合、膜の有無によ
って見掛けの赤外線輻射率の値が大きく異なる場合があ
るが、このシャッタの設置によって膜の有無による見掛
けの赤外線輻射率の差を低減できるため、第３図のよう
に温度校正のための赤外線温度計による測定を、第２の
温度構成チャンバ３２を配設するなどして成膜前後で２
回行う必要が無くなり１回で済むようになる。 このシャッタは、温度測定時に基体表面を閉ざし、成膜
中は開放される開閉自在な機構を有しており、例えばス
テンレス製の円板が回転可能の駆動軸に支持され、この
駆動軸を回動することにより開閉する構成となっている
。 また、シリコンウェハ基体１０は赤外線に対してほとん
ど透明であることから、基体を貫通して赤外線輻射温度
計に迷光が入射し、基板の温度測定精度が低下する場合
がある。その対策としてこの例では、赤外線温度計によ
って観察される側の反対側に基体に近接して、赤外線輻
射温度計の測定波長に対して充分鏡面である部材によっ
てその主面が構成されたシャッタ２２を備え、赤外線輻
射温度計１５による基体１０の温度測定中に、この迷光
が入射しないよう遮断する構成となっている。 このようにシャッタ機構の役割は、第１には金属膜をウ
ェハ基体に成膜する際に金属膜により反射されるウェハ
からの輻射光による見掛けの放射率の増加分を補正する
ことであり、第２には迷光の遮断である。 なお、第６図は第４図のステージ６の概略構成図を示し
たもので、基本的には第５図のステージ７と同様の構成
である。ステージ６にはヒータ１８を内蔵し、真空中で
はステージ６と基体１０との間の空間に伝熱ガスが流れ
る構造になっており、基体に伝熱ガスを均一に接触させ
るためのクランプ１７が設置されている。基体１０の温
度を赤外線輻射温度計１４で測定するための開口窓１９
と迷光遮断用円筒１６が接続されており、円筒１６の両
端には赤外線を透過する材質の窓板２３．２４が装着さ
れている。 また、円筒１６自身が加熱され迷光の発生源にならない
ように水冷する構造となっている。迷光の影響をさらに
低減する場合には、円筒１６の内壁を黒体処理ことで可
能となる。また、この例も第５図５１− の場合と同様に基体１０に近接して第５図と同様にシャ
ッタ２１が配設されている。 なお、上記シャッタは、（１）成膜金属膜と同じ赤外線
反射率を有する鏡面状態のもの、（２）迷光の遮断機能
を有するものであれば何れの構造でも良く、例えば基体
の温度測定タイミングに同期して開閉自在に駆動する構
成、或いは、チャンバの一領域に固定シャッタを設け、
測定時に基板をシャッタ下部に移動する機構とするなど
種々の構成を採用することができる。 第７図はシャッタの有無によるシリコンウェハ基体の赤
外線輻射率の違いを示した特性曲線である。第７図（ａ
）は、シャッタ無しの比較例、第７図（ｂ）は、シャッ
タを設けた本実施例の測定結果を示している。これから
明らかなように、第７図（ａ）のアルミＡｎ成膜前（Ｍ
膜無し）のウェハの見掛けの赤外線輻射率はＡｆｌ成膜
後（Ａｌｌ膜有り）のウェハの見掛けの赤外線輻射率よ
り小さく両者にかなりの差が生じているが、荊成膜前の
ウェハにシャッタを設置することによって、第７図（ｂ
）に示すよ２ うに見掛けの赤外線輻射率がＡｌｌ成膜後のウェハとほ
ぼ同等になることが分かった。これによりシャッタを用
いて基体温度を計測することにより一定の放射率で計測
可能と成ることが分かる。 実施例４゜ 加熱または冷却ステージに基体の赤外線温度測定のため
の開口窓１９により基体の温度分布が不均一になる場合
には、第８図に示すように貫通孔（開口窓）１９より離
れた場所に分離して設けた加熱または冷却専用のステー
ジ２５にて基体１０を加熱または冷却した後、基体１０
を開口窓１９のあるステージに搬送し赤外線輻射温度計
２７にて温度測定を行う構成とすることによって基体１
０の温度分布がより均一な状態で測定することができる
。 実施例５゜ 基体の加熱または冷却を表面または裏面の何れか一方側
からのみ行った場合、基体の表面側と裏面側とには温度
差が生じる。そこで、第９図に示すように基体の表面と
裏面との両側がら温度制御できるように、それぞれの側
に加熱または冷却手段２８．２９を設けることにより両
面の温度差を低減することができる。また、これにより
開口窓１９による基体上の温度分布の不均一性をも低減
することができる。 実施例６゜ 第４図のスパッタ装置１を用いて、シリコンウェハ基体
ｌＯ上にアルミＡｎ膜をスパッタリングにより成膜する
他の実施例を説明する。 シリコンウェハ基体１０は、温度校正チャンバ２で５０
０℃まで加熱されて吸着水分等が除去され、熱電対１２
で測温されると共にこれをベースとして赤外線輻射温度
計１１の放射率の校正を行い、次いでウェハは基体温度
調整チャンバ３に搬送される。 基体温度調整チャンバ３に搬送されたウェハ基体１０は
、赤外線輻射温度計１４で測温され、ステージ６の温度
制御により所定の２００℃まで冷却され、スパッタ成膜
チャンバ４に搬送される。このスパッタ成膜チャンバ４
内で基体１０は、第１０図に示すような温度プロファイ
ルによってスパッタされる。 ターゲット８は１％５ｉ−３％Ｃｕ−ＡＱの組成のもの
を用いた。先ず始めに、基体１０の温度を２３０℃に制
御し、膜厚数１００人程度までの第１のスパッタ成膜を
行い、そこで一旦スバッタを停止し、基体は基体温度調
整チャンバ３に搬送される。基体温度調整チャンバ３で
は、基体１０の温度を３００℃に加熱制御し、第１のス
パッタ成膜で得たＡＱ膜の結晶粒を成長させ配向性等を
向上させる。次ぎに、基体は再びスパッタ成膜チャンバ
４に搬送され、基体温度を４００℃程度に設定した後、
第２のスパッタ成膜を再開させ、膜厚１μｍ程度まで成
膜を行う。これにより結晶粒が大きく、配向性のよいＡ
ｆｌスパッタ膜が得られる。スパッタ終了後基体は直ち
に基体温度調整チャンバ３に搬送され、５０℃程度まで
急冷される。これにより、Ａｆｌスパッタ膜中のＳｉ及
びＣｕの析出を抑制することができた。 上記実施例では、シリコンウェハを基体として、その表
面にＡｎ薄膜をスパッタリングにより成膜する例を示し
たが、ステージを介して基体の温度制御が高精度に行え
るためウェハ内で再現性が良い一５５＝ 結晶性が得られ、品質の優れた成膜を達成することがで
きた。例えば、数１００人の薄い膜を加熱する際にその
加熱温度が３５０℃以上では結晶性の向上が得られなか
った。従って、正確な温度を知ることがきる本発明なく
しては工業的にこのような成膜方法を実現させることは
できない。 なお、本発明の真空処理装置は、上記のスパッタ装置の
ほかＣＶ Ｄ （Ｃｈｅｍｉｃａｉ Ｖ ａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜装置等にも適応可能
であることは言うまでもない。 例えば、シリコンウェハ基板を基体として、この基板上
にＣＶＤにより既知の方法でタングステン膜を成膜する
場合などに有効である。 この種の成膜装置においては、いずれも基体の温度制御
の精度が、形成される膜質を左右することから、本発明
の成膜装置は、それに十分応え得るものである。 なお、上記実施例のように真空処理チャンバを成膜処理
チャンバとすれば成膜装置が実現されるが、この真空処
理チャンバを成膜チャンバ以外に＝５６− も例えばプラズマエツチング等のドライエツチング処理
のチャンバとすることも可能であり、エツチングする基
板の温度制御については上記実施例と同様に容易に実現
できる。 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、真空中での基体の
正確な温度制御を可能とするものであり、基板の正確な
温度管理のできる真空処理装置を実現すると共に、それ
を成膜装置に応用することにより正確な温度制御を必要
とする成膜前後、及び成膜中の温度の管理が容易にでき
るので、高品質な膜の形成を可能とする。
第１図は、本発明の一実施例を示す真空処理装置の概略
説明用一部断面ブロック構成図、第２図は、スパッタス
テージの一例を示す概略断面構成図、第３図は、本発明
の他の一実施例を示す真空処理装置の概略説明用一部断
面ブロック構成図、第４図は、本発明の更に異なる他の
一実施例を示す真空処理装置の概略説明用一部断面ブロ
ック構成図、第５図及び第６図は、それぞれシャッタ機
構を配設したスパッタステージ及び基体温度調整ステー
ジの一例を示す概略断面構成図、第７図は、シャッタの
有無による温度計測結果を示した特性曲線図、第８図は
、同一チャンバ内でステージを２分割した本発明の他の
実施例となるステージの断面図、第９図は、温度制御手
段を基体の両面に配設したステージの断面図、そして第
１０図は、成膜時の一温度プロファイルを示した説明図
である。 符号の説明 １・・・真空処理装置 ２・・・基体温度校正チャンバ ３・・・基体温度調整チャンバ ４・・・スパッタ成膜チャンバ ５・・・基体温度校正ステージ ６・・・基体温度調整ステージ ７・・・スパッタステージ ８・・・ターゲット ９・・・スパッタ電極 １０・・・基体 １１．１４．１５・・・赤外線輻射温度計１３・・・基
体温度制御器 １６・・・迷光遮断用円筒 １９・・・開口窓 ２０〜２２・・・シャッタ ＧＶｌ、 ＧＶ２−ゲートバルブ
説明用一部断面ブロック構成図、第２図は、スパッタス
テージの一例を示す概略断面構成図、第３図は、本発明
の他の一実施例を示す真空処理装置の概略説明用一部断
面ブロック構成図、第４図は、本発明の更に異なる他の
一実施例を示す真空処理装置の概略説明用一部断面ブロ
ック構成図、第５図及び第６図は、それぞれシャッタ機
構を配設したスパッタステージ及び基体温度調整ステー
ジの一例を示す概略断面構成図、第７図は、シャッタの
有無による温度計測結果を示した特性曲線図、第８図は
、同一チャンバ内でステージを２分割した本発明の他の
実施例となるステージの断面図、第９図は、温度制御手
段を基体の両面に配設したステージの断面図、そして第
１０図は、成膜時の一温度プロファイルを示した説明図
である。 符号の説明 １・・・真空処理装置 ２・・・基体温度校正チャンバ ３・・・基体温度調整チャンバ ４・・・スパッタ成膜チャンバ ５・・・基体温度校正ステージ ６・・・基体温度調整ステージ ７・・・スパッタステージ ８・・・ターゲット ９・・・スパッタ電極 １０・・・基体 １１．１４．１５・・・赤外線輻射温度計１３・・・基
体温度制御器 １６・・・迷光遮断用円筒 １９・・・開口窓 ２０〜２２・・・シャッタ ＧＶｌ、 ＧＶ２−ゲートバルブ
Claims (20)
- １．ステージに載置された基体を既知の設定温度に加熱
または冷却する手段を備えた温度校正チャンバと；この
温度校正チャンバ内のステージに設けられた開口窓を通
して基体の輻射熱を測定する第１の赤外線輻射温度計と
；前記第１の赤外線輻射温度計の出力から前記基体の既
知の温度に基づいて輻射率を求め、前記第１の赤外線輻
射温度計により前記基体の温度を正しく表示せしめるた
めの赤外線感度補正値を演算する手段と；温度校正チャ
ンバを出た基体が載置されるステージと、この基体を所
定の設定温度に加熱または冷却する手段と、前記基体に
真空処理する手段とを備えた真空処理チャンバと；この
真空処理チャンバ内のステージに設けられた開口窓を通
して前記基体の輻射熱を測定する第２の赤外線輻射温度
計と；前記第２の赤外線輻射温度計の出力から前記温度
校正チャンバで求めた赤外線感度補正値に基づき真空処
理チャンバ内に置かれた基体の真の温度を算出する手段
と；この第２の赤外線輻射温度計の出力から求めた基体
の温度が、真空処理チャンバ内の前記所定の設定温度か
らずれた分量の温度を調整する温度制御手段とを備えて
成る真空処理装置。 - ２．ステージに載置された基体を既知の設定温度に加熱
または冷却する手段を備えた温度校正チャンバと；この
温度校正チャンバ内のステージに設けられた開口窓を通
して基体の輻射熱を測定する第１の赤外線輻射温度計と
；前記第１の赤外線輻射温度計の出力から前記基体の既
知の温度に基づいて輻射率を求め、前記第１の赤外線輻
射温度計により前記基体の温度を正しく表示せしめるた
めの赤外線感度補正値を演算する手段と；温度校正チャ
ンバを出た基体が載置されるステージと、この基体を所
定の設定温度に加熱または冷却する手段と、前記基体に
真空処理する手段とを備えた真空処理チャンバと；この
真空処理チャンバ内のステージに設けられた開口窓を通
して前記基体の輻射熱を測定する第２の赤外線輻射温度
計と；前記第２の赤外線輻射温度計の出力から前記温度
校正チャンバで求めた赤外線感度補正値に基づき真空処
理チャンバ内に置かれた基体の真の温度を算出する手段
と；この第２の赤外線輻射温度計の出力から求めた基体
の温度が、真空処理チャンバ内の前記所定の設定温度か
らずれた分量の温度を調整する温度制御手段と；上記各
々のチャンバ内の基体上に近接して配設され、赤外線温
度計の測定波長に対して充分に鏡面である部材でその主
面が構成されたシャッタ機構とを具備して成る真空処理
装置。 - ３．上記第１及び第２の赤外線輻射温度計は、それぞれ
同一の赤外領域の波長にて測定を行うようにして成る請
求項１もしくは２記載の真空処理装置。 - ４．上記温度校正チャンバ内の基体を既知の所定温度に
加熱または冷却する手段を、上記真空処理チャンバ外に
配設して成る請求項１もしくは２記載の真空処理装置。 - ５．上記温度校正チャンバ内の基体を既知の所定温度に
加熱または冷却する手段は、大気との置換雰囲気内に存
在するようにして成る請求項１乃至４何れか記載の真空
処理装置。 - ６．上記温度校正チャンバ内の基体の温度を既知の所定
温度に加熱または冷却する手段は、基体よりも熱容量の
大きな部材に前記基体を熱的に接触させる手段をもって
構成して成る請求項１乃至５何れか記載の真空処理装置
。 - ７．上記基体を基体よりも熱容量の大きな部材に熱的に
接触させる手段は、基体と部材とが接触する空間を真空
に排気する手段を持って構成して成る請求項６記載の真
空処理装置。 - ８．上記温度校正チャンバ内の基体の温度を既知の所定
温度に加熱または冷却する手段は真空処理チャンバ内に
あり、基体を基体よりも熱容量の大きな部材に熱的に接
触させる手段と、この基体と部材とが接触する空間には
５パスカル以上の圧力の気体を封入する手段とを配設し
て成る請求項１乃至３何れか記載の真空処理装置。 - ９．基体温度校正チャンバと、真空処理チャンバとの間
に基体温度調整チャンバを配設し、前記チャンバ内には
、基体の温度制御用ステージとこのステージの開口窓を
通して光学的に接続された第１、第２及び第３の赤外線
輻射温度計とを備えて成る請求項１もしくは２記載の真
空処理装置。 - １０．少なくとも上記真空処理チャンバ内の基体が載置
されるステージを、基体を所定温度に加熱もしくは冷却
する手段の配設された第１のステージと、温度測定用の
開口窓が配設された第２のステージとに分割し、第１の
ステージで基体の温度設定を行い、次いで第２のステー
ジに基体を移動して温度測定する手段を具備して成る請
求項１乃至９何れか記載の真空処理装置。 - １１．少なくとも上記真空処理チャンバ内の基体を加熱
する手段の一つが、ランプ加熱手段から成る請求項１乃
至９何れか記載の真空処理装置。 - １２．少なくとも上記温度校正チャンバ内の基体を加熱
もしくは冷却する手段の一方を上記ステージに備えると
共に、前記基体上面に近接して第２の加熱もしくは冷却
する手段を配設し、前記基板を両面から温度制御するよ
うに成した請求項１乃至９何れか記載の真空処理装置。 - １３．ステージに載置された基体を既知の設定温度に加
熱または冷却する手段を備えた温度校正チャンバと；こ
の温度校正チャンバ内のステージに設けられた開口窓を
通して基体の輻射熱を測定する第１の赤外線輻射温度計
と；前記第１の赤外線輻射温度計の出力から前記基体の
既知の温度に基づいて輻射率を求め、前記第１の赤外線
輻射温度計により前記基体の温度を正しく表示せしめる
ための赤外線感度補正値を演算する手段と；温度校正チ
ャンバを出た基体が載置されるステージと、この基体を
所定の設定温度に加熱または冷却する手段と、前記基体
に真空成膜処理する手段とを備えた真空成膜処理チャン
バと；この真空成膜処理チャンバ内のステージに設けら
れた開口窓を通して前記基体の輻射熱を測定する第２の
赤外線輻射温度計と；前記第２の赤外線輻射温度計の出
力から前記温度校正チャンバで求めた赤外線感度補正値
に基づき真空成膜処理チャンバ内に置かれた基体の真の
温度を算出する手段と；この第２の赤外線輻射温度計の
出力から求めた基体の温度が、真空成膜処理チャンバ内
の前記所定の設定温度からずれた分量の温度を調整する
温度制御手段と；上記各々のチャンバ内の基体上に近接
して配設され、赤外線温度計の測定波長に対して充分に
鏡面である部材でその主面が構成されたシャッタ機構と
を具備して成る成膜装置。 - １４．上記真空成膜処理チャンバをスパッタリング法に
よって所定条件で薄膜を形成することのできる真空成膜
処理チャンバで構成して成る請求項１３記載のスパッタ
リング成膜装置。 - １５．上記真空成膜処理チャンバをＣＶＤ法によって所
定条件で薄膜を形成することのできる真空成膜処理チャ
ンバで構成して成る請求項１３記載のＣＶＤ成膜装置。 - １６．上記基体温度校正チャンバと、真空成膜処理チャ
ンバとの間に基体温度調整チャンバを配設し、前記チャ
ンバ内には、基体の温度制御用ステージとこのステージ
の開口窓を通して光学的に接続された赤外線輻射温度計
とを備えて成る請求項１３記載の成膜装置。 - １７．上記基体温度調整チャンバの設定温度を、基体温
度校正チャンバ及び基体への真空成膜処理チャンバより
も低温もしくは高温の異なる温度に保持して成る請求項
１６記載の成膜装置。 - １８．上記真空成膜処理チャンバがスパッタリング成膜
チャンバから成る請求項１６もしくは１７記載の成膜装
置。 - １９．成膜処理をするための所定の基体を基体温度校正
チャンバ内のステージに載置し、基体を所定温度に加熱
する工程と、次いで真空下で所定温度に冷却し、基体を
真空成膜処理チャンバ内のステージに搬送して所定の第
１の成膜設定温度に制御して成膜を開始する工程と、次
いで基体温度を前記第１の成膜設定温度よりも高い第２
の設定温度に制御して所定厚みになるまで成膜する工程
と、成膜終了後、前記第１の成膜設定温度以下に急冷す
る工程とを有して成る請求項１３記載の成膜装置による
成膜方法。 - ２０．成膜処理をするための所定の基体を基体温度校正
チャンバ内のステージに載置し、基体を所定温度に加熱
する工程と、次いで基体を基体温度調整チャンバ内のス
テージに搬送して所定温度に冷却する工程と、次いで基
体を真空成膜処理チャンバ内のステージに搬送して基体
の温度を前記基体温度調整チャンバ内の設定温度よりも
高い第１の成膜温度に制御し、第１の成膜を開始する工
程と、一旦成膜を停止しこの基体を前記基体温度調整チ
ャンバ内もしくは他の温度調整チャンバ中のステージに
移し、前記第１の成膜温度よりも高い第２の設定温度に
一定時間保持して成膜の結晶粒を増大する工程と、次い
でこの基体を前記真空成膜処理チャンバ内のステージに
戻し、基体の温度を前記基体温度調整チャンバ内の第２
の設定温度よりも高い第３の成膜温度に制御して所定膜
厚まで成膜を行う第２の成膜工程と、この基体を再度前
記基体温度調整チャンバ内に戻し、急冷する工程とを有
して成る請求項１６記載の成膜装置による成膜方法。
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