JPH0997764A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間に基板の温度を均一に保持でき、基板
としての諸性能を満足した処理が行える基板処理装置を
提供する。 【解決手段】 処理容器１内に配置された基板ホルダ２
０上に基板Ｓを載置すると共に、処理容器１内にガスを
導入しながら基板Ｓを所定温度に保持して所定の処理を
施す基板処理装置において、基板Ｓの周縁部を基板ホル
ダ２０に熱的にほぼ均一に接触させる保持機構５３を設
け、基板Ｓの温度を短時間で均一化させることが可能な
基板処理装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、基板ホルダに搭載された基板を回
転させながら、基板ホルダの基板搭載面と反対側に配置
された加熱用ヒータにより、基板表面温度を例えば６０
０〜９００℃程度に均一に保持する必要がある。この基
板温度の均一性は、製造される半導体素子の性能を考慮
すると６００〜９００℃にもなる基板表面温度を±０．
１〜３℃程度の範囲で均一に保持しなければならない。
もし基板表面の温度が不均一になると基板表面を処理し
て形成される成長薄膜の厚さがばらついたりし、基板と
しての諸性能が出なくなるからである。

【０００７】基板の加熱は、基板ホルダ下部に配置され
た加熱用ヒータの輻射熱によるものと、基板と基板ホル
ダと加熱用ヒータとの間に存在するガスを介しての熱伝
導によって行われる。このようにガスの熱伝導により行
われるのは、基板と基板ホルダと加熱用ヒータとのそれ
ぞれの間隔が極微小であることから自然対流が起こり難
いからである。

【０００８】しかしながら、搬送装置により常温の予備
室から基板が処理容器内に搬送され、基板ホルダ上に搭
載されるが、基板ホルダの温度は上記通り６００〜９０
０℃程度に制御されるため、基板の搬送中や基板ホルダ
に搭載された後に、基板には極端な温度変化に起因した
変形が発生する。基板が変形した状態で基板ホルダに搭
載されている場合、基板ホルダに接触している基板面の
温度が先に上がり、非接触の部分は温度が低くなってし
まう。このように変形した基板の温度を一定に制御する
までには例えば３〜１０分以上を要し、生産性（スルー
プット）が悪くなる。

【０００９】もし、生産性を上げるため基板に温度分布
が付いたままで処理を行った場合には、例えば成膜処理
の場合には薄膜の厚さが不均一になり基板としての諸性
能が得られなくなるといった問題点を有していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
基板処理装置にあっては、基板を高温で均一な温度分布
に保持する必要があるが、基板には極端な温度変化に起
因した変形が発生し、この変形に起因して、基板の温度
が不均一となり、このような基板の温度を一定に制御す
るのに時間を要し、スループットが悪くなっていた。

【００１１】また、スループットを優先して基板に温度
分布が付いたままで処理を行った場合には基板としての
諸性能が得られなくなるといった問題点を有していた。
本発明は、短時間に基板の温度を均一に保持でき、基板
としての諸性能を満足した処理が行える基板処理装置を
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】本発明は、処理容器内に
配置された基板ホルダ上に基板を載置すると共に、前記
処理容器内にガスを導入しながら前記基板を所定温度に
保持して該基板に所定の処理を施す基板処理装置におい
て、前記基板の周縁部を前記基板ホルダに押付け、前記
基板の周縁部を前記基板ホルダに熱的にほぼ均一に接触
させる保持機構を設けたことを特徴としている。

【００１３】また、前記保持機構は、前記基板ホルダに
対して移動可能に取付けられ前記基板の周縁部を保持お
よび解放が可能な保持板から成ることを特徴としてい
る。また、本発明の基板処理装置は、処理容器と、この
処理容器内に配置されて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
駆動力を与える駆動手段と、前記基板ホルダを介して前
記基板を加熱する加熱手段と、前記回転軸との間に微小
ギャップを介して配置され前記回転軸を冷却する冷却手
段と、前記基板の周縁部を前記基板ホルダに熱的に略均
一に接触させる保持機構とを備えたことを特徴としてい
る。

【００１４】このように構成された基板処理装置は、基
板が処理室内に搬送され、基板ホルダ載置された後に基
板ホルダ外周に設けられた保持機構によって、基板の周
縁部が基板ホルダ熱的にほぼ均一に接触固定されるた
め、温度変化による変形が起こりにくく、接触面が一定
になる。したがって、基板の周縁部（外周部）の温度条
件が一定になり、基板の温度を短時間で均一化させるこ
とができる。よって基板の生産性を上げることができる
と共に、所望の性能を満足する基板処理を行うことがで
きるようになる。

【００１５】

【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断面図が示されている。

【００１６】図１を用いて、概略の全体構成について説
明する。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。

【００１７】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。

【００１８】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。整理板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。

【００１９】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１
８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
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。

【００２０】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２
１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。

【００２１】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。

【００２２】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
の第１の電気ヒータ２９ａが配置されている。この第１
の電気ヒータ２９ａ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。第１の電気ヒータ
２９ａへの給電線は絶縁状態で処理室２の外に導かれて
いる。第１の電気ヒータ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。

【００２３】また回転軸２５の一部を成す軸部２２の周
囲には軸部２２を加熱するための第２の電気ヒータ２９
ｂが配置されている。この第２の電気ヒータ２９ｂも給
電路を兼ねた支持材３０によって処理室２の側壁に固定
される（第１の電気ヒータ２９ａと位相をずらして支持
材３０に支持されているので図１では現れていない）と
共に、第２の電気ヒータ２９ｂへの給電線は絶縁状態で
処理室２の外に導かれている。

【００２４】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。

【００２５】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、ネオンなどの熱伝導率の大きなガスが供給され
る。

【００２６】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。

【００２７】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４
０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。

【００２８】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４６，４
７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。

【００２９】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
号を入力すると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。

【００３０】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、ネオンなどの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。

【００３１】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。

【００３２】またこの例では、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。そ
して、本発明の特徴たる被処理基板Ｓの周縁部（外周
部）を基板ホルダ２０に熱的に均一に接触させるための
保持機構は次のように構成されている。

【００３３】すなわち、被処理基板Ｓの周縁部の複数箇
所に対応するように、複数の保持板５３が基板ホルダ２
０の外周部に保持板５３の上部からリング部材５６によ
り被処理基板Ｓの半径方向にスライド可能に取付けられ
ている。これら保持板５３の下部には、スライドピン５
４が設けられ、このスライドピン５４は保持板５３形成
された孔に係合可能なように上下に移動可能であると共
に、保持板５３の孔に係合した状態で、保持板５３を被
処理基板ｓの半径方向にスライド移動させるように移動
可能に構成されている。

【００３４】このような被処理基板Ｓの保持機構を用い
て、被処理基板Ｓの保持を行う工程について図２を参照
して次に説明する。被処理基板Ｓは不図示の搬送装置に
より基板搬入口１８から所定位置まで搬入され、所定位
置において、下部から突上げピン５２が上昇して被処理
基板Ｓを支持する。この支持した状態で下降すること
で、被処理基板Ｓはゆっくり基板ホルダ２０上に降ろさ
れて基板ホルダ２０上に載置される。なお、被処理基板
Ｓを搬入して基板ホルダ２０上に載置するまでは、保持
板５３は退避している。

【００３５】次に、スライドピン５４が上昇して保持板
５３の孔に係合する。この係合した状態で、スライドピ
ン５４が被処理基板Ｓの中心に向かう方向へスライド
し、保持板５３を被処理基板Ｓの周縁部の上部に接触さ
せて被処理基板Ｓの周縁部を保持する。その後、スライ
ドピン５４を下降させて保持板５３との係合を解除する
ようにする。このように保持板５３により被処理基板Ｓ
の周縁部を基板ホルダ２０に強制的に接触させ、被処理
基板Ｓの周縁部と基板ホルダ２０とを熱的に均一となる
ように良好に接触・保持させる。

【００３６】なお、被処理基板Ｓの処理が終了した場合
には、被処理基板Ｓの周縁部の保持を上記と逆の工程を
たどりなが解除し、突上げピン５２を上昇させて被処理
基板Ｓを持上げ、搬送装置により基板搬入口１８から被
処理基板Ｓを搬出するようにする。

【００３７】また、次のような工程により被処理基板Ｓ
に所定の処理を施す。まず冷却液流路３２に図１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。

【００３８】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。

【００３９】次に、モータ３５を駆動して基板ホルダ２
０（被処理基板Ｓ）を所定の回転数（数百〜数万ｒｐ
ｍ）で回転させ、続いて第１および第２の電気ヒータ２
９ａ，２９ｂ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。

【００４０】この状態で例えばガス供給口１６にシラン
ガスおよび水素ガスを供給して被処理基板Ｓの表面に薄
膜成長を開始させる。なお、図１に示す装置を用い、被
処理基板Ｓとしてシリコンウェハを用意し、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時のシリコンウェハの温度分布を
図３に示す。

【００４１】図３（ａ）には比較例として、本発明の保
持機構を用いない従来の装置で成膜を行った場合のシリ
コンウェハの温度分布を示し、図３（ｂ）には本発明の
保持機構を用いて、シリコンウェハの周縁部を保持した
場合の温度分布を示す。

【００４２】いずれの場合も温度分布は、成膜開始１分
後の結果を示してある（定常温度達成時間はヒータの入
力方法による）。図３（ａ）の比較例に示す通り、本発
明の基板保持機構が無ければ被処理基板Ｓ上に複雑な温
度分布が生じていることがわかる。特に、被処理基板Ｓ
の外周部（周縁部）で基板ホルダ２０に接触している部
分は温度が高く接触していない部分が低くなっている。

【００４３】一方、図３（ｂ）に示した本発明の保持機
構を設けた場合の温度分布は、保持機構によって被処理
基板Ｓの周縁部を基板ホルダ２０に押付け、基板ホルダ
２０と被処理基板Ｓとを熱的に均一となるように良好に
接触させているため、被処理基板Ｓと基板ホルダ２０と
の熱的接触条件が一定になり、基板温度が極めて均一化
されていることが理解できる。

【００４４】図３に示す結果からも明らかなように、こ
のような基板温度分布は基板処理の生産性に大きく影響
し、本発明の保持機構が無ければ被処理基板Ｓの温度が
定常に達するまでの時間が掛かり、かつ温度分布が不均
一となり易いことから成長薄膜の膜厚に大きく影響す
る。しかし本発明の保持機構を設けることにより、被処
理基板Ｓの温度が定常に達するまでの時間を極めて短く
することができるので、生産性が大きく向上すると共
に、さらに被処理基板Ｓの温度をより均一化することも
できる。

【００４５】次に、図４は本発明の保持機構の他の例を
説明するための図である。この保持機構は、被処理基板
Ｓの周縁部の複数箇所に対応するように、複数の保持板
５３が基板ホルダ２０の外周部に保持板５３形成したス
タッドピン５５を捩じ込むことにより基板ホルダ２０に
対して回動可能に取付けられている。なお、スタッドピ
ン５５を捩じ込むことにより保持板５３で被処理基板Ｓ
の周縁部を押付けて保持可能となっている。

【００４６】これら保持板５３の下部にはピン５４が設
けられ、ピン５４を上昇させて保持板５３の孔に係合さ
せ、基板ホルダ２０を数度回転させることにより、保持
板５３をスタッドピン５５を中心として回動させること
ができ、この回動により被処理基板Ｓの保持・解除が可
能となっている。このように保持板５３を回動させて被
処理基板Ｓの保持・解除を行うようにしても、先の保持
板５３のスライドタイプと同様の作用・効果を得ること
ができる。

【００４７】なお、本発明は上記の実施形態に限定され
ること無く実施することができる。例えば、磁気軸受３
４の制御軸数は、五軸に限らず、三軸や一軸でも良く、
また軸受として磁気軸受以外の、通常のボールベアリン
グ等により回転軸にと接触して支持するタイプの軸受を
用いた装置にも適用することができる。

【００４８】また、本発明は回転軸２５を冷却する冷却
手段を設けていない型式の基板処理装置にも適用可能で
ある。さらに、上記説明では基板ホルダを回転させる装
置について説明したが、本発明は基板ホルダを回転させ
ること無く被処理基板Ｓに所定の処理を行う基板処理装
置にも適用が可能である。また基板処理装置として、被
処理基板Ｓの表面に成膜を行う例を示したが、先に記載
した通りにエッチング処理を行う装置にも本発明は適用
できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、短時間に基板の温度を
均一に保持でき、基板としての諸性能を満足した処理が
行える基板処理装置を提供できる。

【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
略断面図。

【図２】 本発明に係る基板処理装置の要部を拡大して
示す図。

【図３】 本発明に係る基板処理装置と比較例とのそれ
ぞれの基板温度分布データを示す分布図。

【図４】 本発明に係る他の基板処理装置の要部を拡大
して示す図。

【符号の説明】 Ｓ 被処理基板（基板） １ 処理容器 ２ 処理室 ３ 収容容器 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 基板ホルダ ２５ 回転軸 ２６ 中空大径部 ２９ａ 第１の電気ヒータ ２９ｂ 第２の電気ヒータ ３２ 冷却液流路 ３３ 冷却液導入口 ３４ 磁気軸受 ３５ モータ ３６，３７ ラジアル軸受 ５３ 保持板（保持機構） ５４ スライドピン ５５ スタッドピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理容器内に配置された基板ホルダ上に基
   板を載置すると共に、前記処理容器内にガスを導入しな
   がら前記基板を所定温度に保持して該基板に所定の処理
   を施す基板処理装置において、 前記基板の周縁部を前記基板ホルダに押付け、前記基板
   の周縁部を前記基板ホルダに熱的にほぼ均一に接触させ
   る保持機構を設けたことを特徴とする基板処理装置。
2. 【請求項２】前記保持機構は、前記基板ホルダに対して
   移動可能に取付けられ前記基板の周縁部を保持および解
   放が可能な保持板から成ることを特徴とする請求項１に
   記載の基板処理装置。
3. 【請求項３】処理容器と、 この処理容器内に配置されて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、 前記回転軸に回転駆動力を与える駆動手段と、 前記基板ホルダを介して前記基板を加熱する加熱手段
   と、 前記回転軸との間に微小ギャップを介して配置され前記
   回転軸を冷却する冷却手段と、 前記基板の周縁部を前記基板ホルダに熱的に略均一に接
   触させる保持機構とを備えたことを特徴とする基板処理
   装置。