KR100634326B1 - 반도체 처리용 샤워 헤드 구조 - Google Patents

반도체 처리용 샤워 헤드 구조 Download PDF

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Abstract

가열된 피처리 기판(W)을 수용하는 처리 공간(S)에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치(2) 내에 샤워 헤드 구조가 배치된다. 샤워 헤드 구조는 상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍(20B)을 갖는 샤워 헤드(12)와, 상기 가스 분사 구멍(20B)의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계(66)의 광 도입 로드(68)를 포함한다.

Description

반도체 처리용 샤워 헤드 구조{SHOWER HEAD STRUCTURE FOR PROCESSING SEMICONDUCTOR}
본 발명은 금속 산화막의 성막과 에칭 등의 처리를 실행하기 위한 반도체 처리용 샤워 헤드 구조, 및 반도체 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 여기서 반도체 처리란 반도체 웨이퍼와 LCD 기판 등의 피처리 기판상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 해당 피처리 기판상에 반도체 장치와, 반도체 장치에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해서 실시되는 여러 가지의 처리를 의미한다.
반도체 장치를 제조할 때, 반도체 웨이퍼에 대하여 성막 처리와 패턴 에칭 처리가 반복하여 실시된다. 성막 처리는 반도체 장치가 고밀도화 및 고집적화함에 따라 그 사양이 매년 엄격하게 되고 왔다. 예컨대 캐패시터의 절연막과 게이트 절연막과 같이 매우 얇은 산화막 등에 대해서도 한층 더 박막화와, 높은 절연성이 요구되고 있다.
이들의 절연막으로서, 종래부터 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 등이 이용되 고 있다. 그러나, 최근에 보다 절연 특성이 양호한 재료로서, 금속 산화막, 예컨대 탄탈산화(Ta2O5)막 등이 이용되는 경향이 있다(예컨대 일본국 특허 공개 공보 제 1990-283022호) . 이러한 금속 산화막은 얇더라도 신뢰성이 높은 절연성을 발휘한다. 특성이 양호한 금속 산화막을 형성하기 위해서는, 성막중의 반도체 웨이퍼의 온도를 정밀도 양호하게 제어하는 것이 요망된다.
이러한 금속 산화막은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)에 의해, 즉 유기 금속 화합물을 가스화하여 사용함으로써 퇴적할 수 있다. 탄탈 산화막을 MOCVD에 의해 형성하는 경우, 원료액으로서 탄탈의 금속 알콕시드, 예컨대 Ta(OC2H5)5 (펜타에톡시탄탈: PET)이 사용된다. 원료액은 질소 가스 등에 의해 버블링 또는 기화 온도로 유지된 기화기에 의해 기화됨으로써, 가스 상태에서 진공 분위기로 설정된 처리실내에 공급된다. 이와 함께, 산소 등의 산화 가스가 처리실내에 공급된다. 공급된 원료는 예컨대 450℃ 정도의 프로세스 온도로 가열된 반도체 웨이퍼의 표면상에서 분해에 의해 성막 재료를 제공한다. 이 성막 재료에 의해, 웨이퍼의 표면상에 탄탈산화(Ta2O5)막이 퇴적에 의해 형성된다.
종래의 반도체 처리용 낱장식 열 처리 장치에 있어서는, 처리 온도의 관리를 실행하기 위해서, 웨이퍼를 탑재하는 탑재대(susceptor)에 온도 검출 수단으로서 열전대가 배치된다. 이 열전대에 의해, 웨이퍼의 온도가 간접적으로 검출되고, 이 검출값에 근거하여 가열 램프와 히터 등의 가열 수단의 출력이 제어되며, 따라서 웨이퍼 온도가 제어된다. 즉, 이러한 종류의 열전대는 전술한 바와 같이 직접적으 로는 탑재대의 온도를 검출하고, 이 위에 탑재되어 있는 웨이퍼 온도를 간접적으로 구한다. 이로 인해, 실제 웨이퍼 온도와 검출 온도 사이에 어느 정도의 온도 차가 생기는 것은 피할 수 없다.
열전대 대신에, 측정 대상의 특정 파장 대역의 방사 휘도로부터 측정 대상의 온도를 측정하는 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼 온도를 측정하는 것이 제안되어 있다[예컨대 일본국 특허 공개 공보 제 1996-264472호(제 4 내지 5 페이지, 도 1 및 도 2), 일본국 특허 공개 공보 제 1999-45859호(제 4 페이지, 도 1)]. 이 방사 온도계에 의하면, 접촉하지 않고 웨이퍼 온도를 직접적으로 정확하게 측정하여 검출할 수 있다.
방사 온도계를 이용하는 경우, 웨이퍼로부터의 광을 취입하기 위한 광 검출자의 입사면에 여분의 박막이 부착되면, 이 박막에 의해 광이 흡수되어 정확하게 웨이퍼 온도를 측정할 수 없게 된다. 이 때문에, 웨이퍼에 대한 성막 처리중에는 처리 공간에 노출되는 광 검출자의 입사면 또는 입사면과 처리 공간을 구획하는 투명 유리 기판 등에 대하여 박막을 부착시키지 않도록 해야 한다.
그러나, 예컨대 여분의 박막의 부착을 방지하는 것만의 목적으로 입사면 또는 입사면과 처리 공간을 구획하는 투명 유리 기판 등에 어떠한 가스를 공급하면, 이 여분의 가스 때문에 금속 산화막을 형성하는 데 필요한 소스 가스(예컨대 펜타에톡시탄탈)의 분압이 저하된다. 그 결과, 가스를 공급한 부분의 막두께가 변화하고, 웨이퍼면내에 있어서의 막두께의 균일성이 열화된다.
또한 가열 램프를 이용한 처리 장치에 있어서는, 가열 램프로부터 방사된 열 선의 일부가 처리실내에서 난 반사하고, 이 열선이 최종적으로 방사 온도계에 입사하는 경우가 있다. 이 경우에는 웨이퍼 온도를 정확하게 측정할 수 없다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 방사 온도계를 이용한 경우라 하더라도 반도체 처리의 면내 균일성을 높이는 것이 가능한 샤워 헤드 구조, 및 반도체 처리 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 가열 램프로부터의 열선의 난 반사에 의한 영향을 제외하고, 피처리 기판의 온도를 정밀도 양호하게 측정할 수 있는 반도체 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서의 샤워 헤드 구조에 있어서, 상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 샤워 헤드와, 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계의 광 도입 로드를 구비한다.
본 발명의 제 2 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 반도체 처리 장치에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 샤워 헤드와, 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계의 광 도입 로드와, 상기 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 온도 제어부를 구비한다.
본 발명의 제 3 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 하는 장치에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 히터와, 상기 탑재대에 마련된 온도 측정기와, 상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 샤워 헤드와, 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계의 광 도입 로드와, 상기 온도 측정기의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 온도 제어부와, 온도 교정용 더미 기판을 이용하여 더미 처리를 실행했을 때의 상기 방사 온도계의 검출값과 상기 기판의 목표 온도값에 근거하여 상기 온도 제어부에 있어서의 상기 탑재대의 설정 온도값을 교정하는 온도 교정 제어부를 구비한다.
본 발명의 제 4 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대의 하방에 배치된 상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 가열 램프를 구비하는 히터와, 상기 탑재대의 주위와 접촉하여 이것을 유지하는 링형상의 유지부재와, 상기 유지부재는 열전도성이 낮고 또한 상기 가열 램프로부터의 열선을 차단하도록 착색되는 것과, 상기 처리실의 천장에 배치된 상기 처리 가스를 공급하는 샤워 헤드와, 상기 샤워 헤드의 상부에 부착된 방사 온도계와, 상 기 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 온도 제어부를 구비한다.
본 발명의 제 5 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과, 상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 히터와, 상기 처리실의 천장에 배치된 상기 처리 가스를 공급하는 샤워 헤드와, 상기 샤워 헤드를 상하 방향으로 관통하도록 형성된 열선 도출 통로와, 상기 열선 도출 통로의 상단 개구부에 측정 창을 거쳐서 대향하는 방사 온도계와, 상기 열선 도출 통로에 불활성 가스를 도입하기 위한 불활성 가스 도입 통로를 구비한다.
제 5 시점의 장치에 있어서, 상기 열선 도출 통로의 하단 개구부로부터 유출되어 상기 탑재대의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 상기 불활성 가스의 주 가스류가, 상기 탑재대의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치가 상기 탑재대 위의 상기 기판의 외주보다도 외측으로 되도록, 상기 열선 도출 통로가 상기 샤워 헤드의 중심으로부터 이격되어 배치되도록 할 수 있다.
본 발명의 제 6 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 방법에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실내에서 상기 기판을 히터에 의해 가열하는 공정과, 상기 히터에 의해 가열된 상기 기판에 대하여 샤워 헤드의 복수의 가스 분사 구멍으로부터 상기 처리 가스를 공급하여 상기 반도체 처리를 실행하는 공정 과, 상기 반도체 처리중, 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 광 도입 로드를 갖는 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 공정을 구비한다.
본 발명의 제 7 시점은, 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 방법에 있어서, 상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실내에 배치된 탑재대 위에서 상기 기판을 히터에 의해 가열하는 공정과, 상기 히터에 의해 가열된 상기 기판에 대하여 샤워 헤드의 복수의 가스 분사 구멍으로부터 상기 처리 가스를 공급하여 상기 반도체 처리를 실행하는 공정과, 상기 반도체 처리중, 상기 탑재대에 설치된 온도 측정기의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 공정과, 상기 탑재대 위에서 온도 교정용 더미 기판을 상기 히터에 의해 가열하여 더미 처리를 실행하는 공정과, 상기 더미 처리중, 상기 더미 기판의 온도를 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 광 도입 로드를 갖는 방사 온도계에 의해 모니터하는 공정과, 상기 방사 온도계의 검출값과 상기 기판의 목표 온도값에 근거하여 상기 탑재대의 설정 온도값을 교정하는 공정을 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 샤워 헤드 구조를 갖는 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 샤워 헤드 구조의 가스 분사면을 도시한 모식도,
도 3은 도 2에 도시된 가스 분사면의 일부를 도시한 확대도,
도 4는 도 1에 도시된 샤워 헤드 구조의 일부를 도시한 확대 단면도,
도 5는 성막 처리를 실행하기 전의 열전대(웨이퍼에 장착)의 계측 온도와 방사 온도계의 계측 온도와의 차(방사 온도계값 - 열전대값)를 나타내는 그래프,
도 6은 성막 처리를 실행하는 전후의 열전대(웨이퍼 장착)의 계측 온도와 방사 온도계의 계측 온도와의 차(방사 온도계값 - 열전대값)의 변화를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관한 샤워 헤드 구조로서, 탑재대를 내주와 외주의 2개의 가열 영역으로 분할했을 때의 가스 분사면에 대한 광 도입 로드의 배치 상태를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 샤워 헤드 구조로서, 탑재대를 내주, 중주, 외주의 3개의 가열 영역으로 분할했을 때의 가스 분사면에 대한 광 도입 로드의 배치 상태를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 10는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 11a 및 도 11b는 도 10에 도시된 장치에 있어서의 광 도입 로드의 동작을 도시한 부분 확대도,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치에 있어서의 광 도입 로드의 동작을 도시한 부분 확대도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 15는 도 14에 도시된 장치에 있어서의 방사 온도계의 검출값과 열전대의 검출값을 비교하는 표를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 17은 도 16에 도시된 장치의 탑재대의 주변부를 도시한 확대 단면도,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 19는 도 18에 도시된 장치를 이용하여 성막했을 때의 반도체 웨이퍼의 표면을 모식적으로 도시한 도면,
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도,
도 21은 도 20에 도시된 장치를 이용하여 성막했을 때의 반도체 웨이퍼의 표면을 모식적으로 도시한 도면.
본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 필요한 경우에만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 샤워 헤드 구조를 갖는 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 여기서는 반도체 처리로서 금속 산화막인 탄탈 산화막을 CVD에 의해 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리 장치(2)는 예컨대 알루미늄에 의해 원통형상으로 성형된 처리실(4)을 갖는다. 처리실(4)의 바닥부(6)에는 배기구(8)가 배치되고, 처리실(4)내가 진공 배기 가능하게 된다. 처리실(4)의 천장에는 O 링 등의 밀봉 부재(10)를 거쳐서 샤워 헤드(12)가 배치된다. 샤워 헤드(12)의 하면의 가스 분사면(18)에는 다수의 가스 분사 구멍(20A, 20B)이 형성된다. 가스 분사 구멍(20A, 20B)으로부터 처리 공간(S)을 향하여 각종의 처리 가스가 분사된다.
처리실(4)내에는 샤워 헤드(12)에 대향하여 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)를 탑재하기 위한 탑재대(26)가 배치된다. 탑재대(26)는 처리실(4)의 바닥부(6)로부터 세워진 원통형상의 리플렉터(22)상에, 예컨대 L자형상의 3개의 유지부재(24)(도 1에서는 2개만 기록)를 거쳐서 지지된다.
탑재대(26)의 하방에는 복수개, 예컨대 3개의 L자형상의 리프터 핀(28)(도시예에서는 2개만 기록)이 상방으로 세워져서 배치된다. 리프터 핀(28)의 베이스부는 리플렉터(22)에 형성한 세로로 긴 삽입 통과 구멍(도시하지 않음)을 삽입 통과 하여, 링부재(30)에 공통으로 접속된다. 링부재(30)에는 처리실(4)의 바닥부(6)를 관통하여 설치된 가압 상승 바(presser bar lifter)(32)가 부착된다. 가압 상승 바(32)의 처리실 바닥부(6)의 관통부에는 처리실(4) 내부의 기밀 상태를 유지하기 위해서 신축 가능한 벨로우즈(36)가 개재되어 설치된다. 가압 상승 바(32)의 하단부는 액츄에이터(38)에 접속된다. 액츄에이터(38)에 의해 가압 상승 바(32)가 상하 이동됨에 의해, 리프터 핀(28)이 탑재대(26)의 관통 구멍(34)을 통하여 선택적으로 탑재대(26)로부터 돌출되어, 웨이퍼(W)를 승강시킨다.
처리실(4)의 바닥부의 주변 부분에는 배기 통로(40)를 거쳐서 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속된 배기구(8)가 형성된다. 이 진공 펌프에 의해 처리실(4)내를 소정의 진공도까지 진공 배기할 수 있다. 또한, 처리실(4)의 측벽에는 웨이퍼를 반입 및 반출할 때 개폐되는 게이트 밸브(42)가 배치된다.
탑재대(26) 바로 아래의 처리실 바닥부(6)에는 대구경의 바닥부 개구부(44)가 배치된다. 바닥부 개구부(44)에는 석영 등의 열선 투과재료로 이루어지는 투과 창(46)이 O 링 등의 밀봉 부재(48)를 거쳐서 기밀하게 배치된다. 투과 창(46)의 하방에는 투과 창(46)을 둘러싸도록 상자형상의 가열실(50)이 배치된다. 가열실(50)내에는 가열 수단으로서 예컨대 복수의 가열 램프(52)가 반사경을 겸하는 회전대(54)에 부착된다. 회전대(54)는 회전축을 거쳐서 가열실(50)의 바닥부에 배치된 회전 모터(56)에 의해 회전된다. 가열 램프(52)로부터 방출된 열선은 투과 창(46)을 투과하여 얇은 탑재대(26)의 하면을 조사하여 이것을 가열하고, 또한 탑재대(26)상의 웨이퍼(W)를 간접적으로 가열한다. 이 때, 가열 램프(52) 대신에 저항 가열원을 이용할 수도 있다.
한편, 처리실(4)의 천장에 배치된 샤워 헤드(12)는 예컨대 일본국 특허 공개 공보 제 1998-79377호(USP 6,143,081)에 개시된 구조와 동일한 구조를 갖는다. 도 2는 샤워 헤드(12)의 가스 분사면을 도시한 모식도이다. 도 3은 도 2에 도시된 가스 분사면의 일부를 도시한 확대도이다. 도 4는 샤워 헤드(12)를 포함하는 구조의 일부를 도시한 확대 단면도이다.
샤워 헤드(12)는 탑재대(26)의 상면의 대략 전면을 덮도록 대향하여 배치된다. 샤워 헤드(12)와 탑재대(26) 사이에 처리 공간(S)이 형성된다. 샤워 헤드(12)는 처리실(4)내에 처리 가스로서 성막용 원료 가스와 산소 등을 샤워형상으로 도입한다. 샤워 헤드(12)의 하면의 가스 분사면(18)에는 전술한 바와 같이 가스를 분출하기 위한 다수의 분사 구멍(20A, 20B)이 형성된다.
샤워 헤드(12)내는 원료 가스용 헤드 공간(60A)과 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)으로 2개로 구획된다. 원료 가스용 헤드 공간(60A)에는 원료 가스로서 예컨대 헬륨 등의 불활성 가스로 이루어지는 캐리어 가스에 의해 기화된 기화 상태의 금속 산화막 원료, 예컨대 금속 알콕시드[Ta(OC2H5)5 : 펜타에톡시탄탈]가 유량 제어 가능하게 도입된다. 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)에는 성막 반응을 실행하는 어시스트 가스로서 여기서는 산화 가스인 산소가 유량 제어 가능하게 도입된다.
가스 분사 구멍(20A, 20B)은 원료 가스용 헤드 공간(60A)에 연통되는 원료 가스 분사 구멍(20A)과, 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)에 연통되는 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 2개의 군으로 나누어진다. 성막시에는 양 가스 분사 구멍 (20A, 20B)으로부터 분출된 원료 가스와 어시스트 가스인 산소가 처리 공간(S)에서 혼합되고, 이른바 포스트 믹스 상태로 공급된다. 도 2 및 도 3에서는 양 가스 분사 구멍을 구분하기 위해서, 편의상 원료 가스 분사 구멍(20A)을 사선을 그은 동그라미로 표시하고, 어시스트 가스 분사 구멍(20B)을 공백 구멍으로 표시한다.
샤워 헤드(12)의 측벽에는 측면을 가열하기 위해서 히터(62)가 배치된다. 또한, 처리실(4)의 측벽에도 내면을 가열하기 위해서 히터(64)가 배치된다. 히터(62, 64)에 의해, 샤워 헤드(12)의 측면 및 처리실(4)의 내면이, 원료 가스가 액화하지 않고 또한 열분해하지 않는 온도, 예컨대 140 내지 180℃의 범위내의 온도로 유지된다.
샤워 헤드(12)에는 방사 온도계(66)가 배치된다. 구체적으로는, 방사 온도계(66)는 반도체 웨이퍼(W)로부터의 광을 포집하기 위한 광 도입 로드(68)와, 광 도입 로드(68)에 의해 취입한 광(휘도)에 근거하여 웨이퍼(W)의 온도를 구하는 온도 검출부(70)를 갖는다. 광 도입 로드(68)는 예컨대 석영과 사파이어 등으로 이루어지는 가는 막대 형상체로서 형성되고, 샤워 헤드(12)의 천장을 관통하여 아래방향으로 직선형상으로 연장된다. 광 도입 로드(68)의 천장에 대한 관통부에는 기밀성을 유지하기 위한 O 링 등의 밀봉 부재(72)가 배치된다.
광 도입 로드(68)의 하부는, 도 1 및 도 4에도 도시하는 바와 같이, 가스 분사면(18)에 다수 형성된 어시스트 가스 분사 구멍(20B) 중에, 실질적으로 중심부에 위치하는 어시스트 가스 분사 구멍(20B′) 내에 삽입 통과된다. 로드 선단부는 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 개구단과 거의 동일한 수평 레벨이 되도록 설정된 다. 성막시에 어시스트 가스의 분사 구멍(20B′) 으로부터는 O2 가스가 분사되기 때문에, 광 도입 로드(68)의 선단부인 광 도입면(68A)에 여분의 박막이 부착되는 것이 방지된다.
또한, 광 도입 로드(68)가 광을 포집하는 범위는 광 도입 로드(68)의 선단부로부터 대략 45°로 확대되는 각도의 범위로 한다. 이러한 각도의 범위가 있기 때문에, 온도 검출부(70) 및 광 도입 로드(68)의 설치 위치에 자유도를 갖게 할 수 있다.
또한, 광 도입 로드(68)는 광 화이버와 같이 구부릴 수 있는 재료로 형성할 수 있다. 이에 의해, 광 도입 로드(68)를 샤워 헤드(12)내에서 자유롭게 이동시킬 수 있어, 온도 검출부(70)의 설치 위치에 자유도를 갖게 할 수 있다.
원료 가스 분사 구멍(20A)과 어시스트 가스 분사 구멍(20B)[(20B')도 포함함]은 웨이퍼(W)의 표면에 박막이 높은 면내 균일성의 막두께로 퇴적되도록 가스 분사면(18)에 적정하게 분산된다. 광 도입 로드(68)는 그 중 하나의 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)에 삽입 통과된다. 이에 의해, 광 도입 로드(68)에의 막 부착을 방지할 수 있다.
이 경우, 광 도입 로드(68)를 삽입 통과한 어시스트 가스 분사 구멍(20B′) 바로 아래의 가스 유량의 난류와 가스 분압의 난류 등이 발생하면, 어시스트 가스 분사 구멍(20B′) 바로 아래 근방의 웨이퍼 표면의 막두께에 영향을 미쳐서 막두께의 면내 균일성을 열화시킨다. 이 때문에, 광 도입 로드(68)가 삽입 통과된 어시 스트 가스 분사 구멍(20B′)의 개구 면적(S)은 다른 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 개구 면적(S1)보다 광 도입 로드(68)의 단면적에 상당하는 면적(S2)만큼 크게 설정하는 것이 바람직하다.
바꾸어 말하면, 광 도입 로드(68)가 삽입 통과된 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)의 가스 분사 면적은 개구 면적(S)에서 광 도입 로드(68)의 단면적(S2)을 뺀 값으로 된다. 따라서, 이 값이 다른 일반 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 개구 면적(S1), 즉 가스 분사 면적과 대략 동일하게 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 광 도입 로드(68)를 어시스트 가스 분사 구멍(20B′) 내에 설치하여도, 어시스트 가스의 분사량의 분포가 악영향을 받는 것을 극력(極力) 억제하는 것이 가능해진다.
구체적으로는, 가스종 등에 따라 다르지만, 원료 가스 분사 구멍(20A)의 직경(D1)은 예컨대 2.5mm 정도이다. 일반적인 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 직경(D2)은 예컨대 1mm 정도이다. 광 도입 로드(68)의 직경(D3)은 예컨대 1.2mm 정도이다. 따라서, 광 도입 로드(68)를 삽입 통과한 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)의 직경(D)은 1.56mm 정도이다. 즉, 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 드릴에 의한 천공 형성시에, 광 도입 로드(68)를 삽입 통과하는 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)의 직경이 약간 커지도록 가공을 실행한다.
도 1로 되돌아가서, 온도 검출부(70)의 출력은 예컨대 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 온도 제어부(74)에 입력된다. 온도 제어부(74)는 온도 검출부(70)의 검출값에 근거하여, 가열 수단인 가열 램프(52)의 출력을 제어하여, 웨이퍼 온 도를 제어한다.
다음에, 도 1에 도시된 장치를 이용하여 실행되는 반도체 처리 방법의 일례에 대하여 설명한다.
우선, 진공 상태로 유지된 처리실(4)내에 트랜스퍼 챔버와 로드록실(도시하지 않음) 측으로부터, 개방된 게이트 밸브(42)를 거쳐서 미처리된 반도체 웨이퍼(W)가 반입된다. 다음에, 리프터 핀(28)을 상하 이동시킴으로써 웨이퍼(W)가 탑재대(26)상에 탑재된다.
다음에, 처리실(4)내가 진공 배기되어 소정의 프로세스 압력으로 유지됨과 동시에, 가열 램프(52)에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 가열되어 유지된다. 이 상태에서, 샤워 헤드(12)로부터 원료 가스와 O2 가스가 처리 공간(S)에 공급되고, 이에 의해 금속 산화막의 성막 처리가 실행된다.
액체 원료인 Ta(OC2H5)5는 기화기에서 He 가스에 의해 기화되고, 원료 가스로서 공급된다. 또한, 이 공급계는 원료 가스의 재액화 방지를 위해서 소정의 온도, 예컨대 160℃ 정도로 예열된다. 샤워 헤드(12)의 원료 가스용 헤드 공간(60A)에 유입된 원료 가스는 가스 분사면(18)에 배치된 원료 가스 분사 구멍(20A)으로부터 처리 공간(S)에 공급된다. 한편, 샤워 헤드(12)의 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)에 도달한 O2 가스는 가스 분사면(18)에 배치된 어시스트 가스 분사 구멍(20B, 20B′)으로부터 처리 공간(S)에 공급된다.
이와 같이 처리 공간(S)에 분출된 원료 가스와 O2 가스는 처리 공간(S)에서 혼합되어 반응하고, 성막재료를 제공한다. 이 성막재료가 웨이퍼 표면상에 퇴적되어, 예컨대 산화탄탈(Ta2O5)막이 성막된다. 이 때, 웨이퍼 온도는 400 내지 500℃의 범위내, 예컨대 480℃ 정도이고, 샤워 헤드(12)의 표면 온도는 예컨대 150℃ 정도이다.
웨이퍼(W)의 표면으로부터의 광은 가스 분사면(18)의 대략 중앙부의 어시스트 가스 분사 구멍(20B′) 내에 배치된 방사 온도계(66)의 광 도입 로드(68)에 의해 포집된다. 이 포집된 광에 근거하여, 웨이퍼(W)의 표면의 온도가 온도 검출부(70)에 의해 구해진다. 방사 온도계(66)에 의해 검출된 웨이퍼 온도는 온도 제어부(74)에 입력되고, 이 입력된 웨이퍼 온도에 근거하여, 온도 제어부(74)는 가열 램프(52)의 출력을 제어하여, 웨이퍼 온도가 소정의 값을 유지하도록 제어한다.
광 도입 로드(68)의 선단부의 광 도입면(68A)에 불필요한 박막이 부착되면, 이 박막에 의해 광 도입 로드(68)에 도입되는 광의 일부가 흡수되어, 웨이퍼 온도의 검출값이 부정확해 질 우려가 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 광 도입 로드(68)를 삽입 통과한 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)으로부터 어시스트 가스로서 O2 가스가 분사되기 때문에, 광 도입면(68A)에 불필요한 박막이 부착되는 것이 방지된다. 광 도입면(68A)에 불필요한 박막이 거의 부착되는 일은 없기 때문에, 웨이퍼 온도를 항상 거의 정확하게 검출할 수 있으며, 따라서 웨이퍼 온도를 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 광 도입 로드(68)를 위해 특별히 부착 구멍을 형성할 필요도 없고, 박 막의 부착 방지를 위해 여분의 가스를 이용할 필요도 없다. 즉, 성막 반응에 필요한 어시스트 가스를 공급하는 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)에 광 도입 로드(68)를 삽입 통과하고, 이 어시스트 가스에 의해 여분의 박막이 부착되는 것을 방지한다. 이 때문에, 광 도입 로드(68)가 배치된 부분의 바로 아래 근방의 원료 가스의 분압에 악영향을 미치지 않고, 처리의 면내 균일성, 즉 여기서는 막두께의 면내 균일성을 열화시키지 않는다.
또한, 광 도입 로드(68)가 삽입 통과된 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)의 가스 분사 면적[=개구 면적(S) - 광 도입 로드(68)의 단면적(S2)]은 다른 어시스트 가스 분사 구멍(20B)의 개구 면적(S1)(=가스 분사 면적)과 대략 동일하게 되도록 설정된다. 이로 인해, 어시스트 가스인 O2 가스의 분사량의 분포가 악영향을 받지 않고, 이 점으로부터 막두께의 면내 균일성을 보다 더 높게 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 광 도입 로드(68)를 어시스트 가스 분사 구멍(20B′)이 아니라, 원료 가스 분사 구멍(20A)내에 삽입 통과시키는 것도 고려된다. 그러나, 이 경우에는, 원료 가스중의 성분이 광 도입 로드(68)의 광 도입면(68A)을 포함하는 표면에 부착되어 박막을 형성하기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 광 도입 로드(68)가 삽입 통과된 분사 구멍은 막두께의 면내 균일성을 열화시키지 않도록 불활성 가스를 분사하도록 하여도 무방하다.
다음에, 샤워 헤드(12)에 부착된 방사 온도계(66)가 적정하고 또한 정밀도 양호하게 웨이퍼(W)의 온도를 측정하여 검출할 수 있는지의 여부에 대하여 평가 실험을 하였으므로, 그 평가 결과에 대하여 설명한다. 도 5는 성막 처리를 실행하기 전의 열전대(웨이퍼에 장착)의 계측 온도와 방사 온도계의 계측 온도와의 차(방사 온도계값 - 열전대값)를 나타내는 그래프이다. 도 6은 성막 처리를 실행하기 전후의 열전대(웨이퍼 장착)의 계측 온도와 방사 온도계의 계측 온도와의 차(방사 온도계값 - 열전대값)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5에 결과를 나타내는 실험에 있어서, 프로세스 온도는 440℃, 460℃, 480℃의 3가지로 했다. 각 프로세스 온도에 있어서, 프로세스 압력을 0.3Torr(40Pa), 1.2Torr(160Pa) 및 2.5Torr(333Pa)의 3가지로 변화시켰다. 어시스트 가스로서 N2 가스를 1000sccm으로 공급했다. 또한, 웨이퍼의 실제 온도는 이 웨이퍼에 열전대를 직접적으로 부착하여 측정하였다.
도 5에 도시하는 바와 같이 방사 온도계의 계측값과 열전대의 계측값과의 차인 온도차는 440 내지 480℃의 각 온도에 있어서 -0.4 내지 +0.4℃의 범위내로 ±0.5℃의 범위내로 되는 양호한 결과를 나타내었다. 따라서, 방사 온도계로 정확하게 웨이퍼 온도를 계측할 수 있는 것이 판명되었다.
도 6에 결과를 나타내는 실험에 있어서, 성막 처리가 방사 온도계에 미치는 영향을 조사하기 위해서, 실제로 성막 처리를 실행하기 전의 온도차와, 성막 처리를 실행한 후의 상기 온도차가 어떻게 변화하는지에 대한 평가를 했다. 여기서는, 전체적으로 두께 2μm인 Ta2O5(탄탈 산화막)을 성막 처리했다. 또한, 프로세스 온 도는 440℃, 460℃ 및 480℃의 3가지로 했다. 각 프로세스 온도에 있어서, 프로세스 압력을 0.3Torr(40Pa), 1.0Torr(133Pa), 2.5Torr(333Pa) 및 5.0Torr(665Pa)의 4가지로 변화시켰다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 방사 온도계의 측정 정밀도는 각 프로세스 온도에 공통으로, 0.3Torr일 때에는 온도차가 대략 -1.0℃까지 도달하여 약간 뒤떨어지지만, 이것은 사용에 견딜 수 있는 범위내였다. 또한, "2㎛ 성막 후"의 경우, 프로세스 압력이 1.0 내지 5.0Torr의 범위내에서는 온도차는 모두 ±0.5℃의 범위내로 되고, 또한 양호한 측정 정밀도를 나타내는 것으로 판명되었다.
또한, 상기 실시예에 있어서는 샤워 헤드(12)의 가스 분사면(18)의 대략 중앙부에 하나의 광 도입 로드(68)가 배치된 경우에 대하여 설명했다. 그러나, 처리 장치에 따라서는 탑재대(26)를 복수의 가열 영역으로 분할하여, 가열 영역마다 독립적으로 온도 제어를 하는 경우도 있다. 이러한 장치의 경우에는, 가열 영역마다 방사 온도계의 광 도입 로드(68)를 배치하도록 하여도 무방하다.
도 7 및 도 8은 각각 이러한 관점에 근거한 본 발명의 다른 실시예에 관한 샤워 헤드 구조의 가스 분사면을 도시한 모식도이다.
도 7은 탑재대를 내주와 외주의 2개의 가열 영역으로 분할한 실시예에 있어서의 가스 분사면에 대한 광 도입 로드의 배치 상태를 도시한다. 즉, 이 경우, 탑재대(26)(도 1 참조)의 가열 영역이 내주 영역과 외주 영역으로 동심원형상으로 분리된다. 방사 온도계의 광 도입 로드(68)는 샤워 헤드 구조의 가스 분사면(18)의 내주 영역과 외주 영역에 대응하여 각각 배치된다. 각각의 방사 온도계의 검출값 에 근거하여 각 영역마다 탑재대의 온도 제어가 실행된다.
도 8은 탑재대를 내주, 중주, 외주의 3개의 가열 영역으로 분할한 실시예에 있어서의 가스 분사면에 대한 광 도입 로드의 배치 상태를 도시한다. 즉, 이 경우, 탑재대(26)(도 1 참조)의 가열 영역이 내주 영역과 중주 영역과 외주 영역으로 동심원형상으로 분리된다. 방사 온도계의 광 도입 로드(68)는 샤워 헤드 구조의 가스 분사면(18)의 내주 영역과 중주 영역 및 외주 영역에 대응하여 각각 배치된다. 각각의 방사 온도계의 검출값에 근거하여, 각 영역마다 탑재대의 온도 제어가 실행된다.
또한, 가열 영역의 분할 형태는 전술한 바와 같이 동심원형상의 분할형태에 한정되지 않고, 어떠한 분할형태를 취하더라도 무방하다.
이상의 실시예에 있어서는, 웨이퍼(W)의 열 처리시에는 이 온도를 방사 온도계(66)에 의해 항상 계측하고, 이 계측값을 온도 제어부(74)에 입력하여 가열 램프(52)를 피드백 제어하여 웨이퍼 온도를 제어한다. 대신에, 탑재대(26)에 열전대를 설치하여 이 열전대의 계측값에 의해 가열 램프를 피드백 제어하고, 그리고 정기적 또는 비정기적으로 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼 온도를 구하여 설정 온도값을 교정(보정)할 수 있다.
도 9는 이러한 관점에 근거한 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 탑재대(26)에 온도 측정 수단으로서 예컨대 열전대(80)가 배치된다. 열전대(80)에 의해 측정된 검출값은 온도 제어부(82)에 입 력되고, 이 검출값에 근거하여 가열 램프(52)에의 전력이 제어되며, 탑재대(26)가 소정의 설정 온도값으로 유지된다.
한편, 샤워 헤드(12)에 배치된 방사 온도계(66)에 의해 측정된 검출값은 온도 교정 제어부(84)에 입력된다. 온도 교정 제어부(84)에서는, 필요에 따라서, 방사온도계(66)의 검출값과 목표 온도값에 근거하여, 온도 제어부(82)에 있어서의 설정 온도값이 교정된다.
다음에, 도 9에 도시된 장치의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 전술한 바와 같이 설정 온도값을 교정하는 이유는 이하와 같다.
일반적으로 탑재대(26)와 웨이퍼(W)의 접촉면은 미시적으로 보았을 때에 균일하지 않고, 근소한 불균일한 간극이 존재한다. 이와 같은 간극은 열 전달 저항으로 되기 때문에, 웨이퍼(W)의 실제 온도는 탑재대(26)의 실제 온도보다 수도(數度), 예컨대 5℃ 정도 낮아진다. 따라서, 열 처리시에 탑재대(26)의 온도를 제어하는 경우에는, 상기 온도차를 고려하여 탑재대의 설정 온도값을 정한다. 예컨대 웨이퍼 온도를 460℃로 하여 열 처리를 하고자 하는 경우에는, 상기 온도차, 예컨대 5℃를 고려하여 탑재대(26)의 설정 온도값을 465℃로 설정한다.
성막 처리가 진행하여 어느 정도의 개수의 웨이퍼를 성막 처리하면, 처리실의 내벽 등에도 박막이 부착되어 이것이 내부의 열 반사율 등을 변화, 예컨대 저하시킨다. 열 반사율이 저하되면, 열 반사에 의해 웨이퍼(W)에 부여되는 에너지량도 저하되고, 따라서 웨이퍼(W)의 온도도 그 만큼 저하된다. 이러한 경우, 열 반사에 의한 에너지량의 변화분만큼, 탑재대(26)의 설정 온도값을 교정한다.
예컨대, 다수의 웨이퍼를 성막 처리했기 때문에, 탑재대(26)의 온도를 465℃로 유지함에도 불구하고, 웨이퍼(W)가 목표 온도인 460℃까지 충분히 가열되지 않고서, 3℃ 낮은 457℃를 유지하게 되었다고 하자. 이러한 때에, 상기 온도가 낮아진 3℃분만큼, 탑재대(26)의 설정 온도값을 교정하고, 여기서는 468℃(=465℃+3℃)로 재설정한다. 이에 의해 웨이퍼 온도를 다시 460℃로 유지하는 것이 가능해진다.
실제 열 처리시에는, 우선 소정의 개수, 예컨대 1로트 25개만큼의 웨이퍼(W)를 연속하여 열 처리(성막)한다(이것을 연속 처리 공정이라고 칭함) . 이 연속 처리 공정 동안에는 방사 온도계(66)로부터의 검출값은 이용하지 않고서, 탑재대(26)에 배치된 열전대(80)에 의해 측정한 검출값을 항상 이용하여 온도 제어부(82)가 가열 램프(52)를 피드백 제어한다. 예컨대, 그 동안의 탑재대(26)의 설정 온도값은 전술한 바와 같이 웨이퍼(W)의 온도를 460℃로 하기 위해서, 초기의 탑재대(26)와 웨이퍼(W) 사이의 온도차를 5℃로 가정하여 465℃로 한다.
이와 같이 하여 소정의 개수의 웨이퍼 처리가 실행되었으면, 다음 온도 교정용 처리 공정으로 이행한다. 여기서는, 처리실(4)내에 제품용 웨이퍼(W)가 아니라 온도 교정용 기판인 더미 웨이퍼를 반입하고, 프로세스 압력, 프로세스 온도, 처리 가스 등의 조건을 제품용 웨이퍼와 마찬가지로 하여 처리를 실행한다. 또한, 이 때, 성막용 처리 가스의 공급은 실행하지 않도록 하여도 무방하다. 온도 교정용 더미 웨이퍼를 열 처리할 때, 샤워 헤드(12)에 배치된 방사 온도계(66)도 동작시켜, 상기 더미 웨이퍼의 온도를 검출하여 모니터한다. 이 검출값은 온도 교정 제어부(84)에 입력된다. 이와 동시에, 열전대(80)에 의해 측정된 검출값도 온도 제어부(82)에 입력된다.
이와 같이 온도 교정용 처리 공정을 종료했으면, 다음에 온도 교정 공정으로 이행한다. 즉, 상기 모니터한 방사 온도계(66)의 검출값과 웨이퍼(W)의 목표 온도값에 근거하여 온도 제어부(82)의 탑재대(26)에 대한 설정 온도값을 교정한다. 또한, 이 목표 온도값은 미리 기억시켜 놓아도 무방하고, 온도 제어부(82)측으로부터 정보로서 얻도록 하여도 무방하다.
예컨대 전술한 바와 같이, 웨이퍼 온도가 목표 온도값인 460℃보다 3℃ 낮은 457℃(방사 온도계의 검출값)였다고 하자. 이 경우, 온도 제어부(82)에 대하여, 탑재대(26)의 설정 온도값에 3℃ 플러스하여 새로운 설정 온도값으로서 468℃로 교정한다. 이와 같이 하여 설정 온도값이 468℃로 변경되고, 다음의 웨이퍼 처리부터는 이 재설정된 설정 온도값인 468℃로 되도록 탑재대(26)의 온도가 제어된다. 이에 의해 웨이퍼 온도가 목표 온도값인 460℃로 유지된다.
상기 연속 처리 공정, 온도 교정용 처리 공정 및 온도 교정 공정은 이 순서로 소정 회수 반복하여 실행된다. 이와 같이 하여 탑재대의 설정 온도값을 항상 적정한 값으로 교정할 수 있고, 웨이퍼(W)의 처리 온도를 항상 대략 목표 온도값을 유지하면서 소정의 열 처리를 하는 것이 가능해진다.
전술한 바와 같이, 상기 각 공정을 소정 회수 반복하여 실행했으면, 처리실(4)내에 이물질의 원인이 되는 불필요한 막이 다량으로 부착된다. 이 때문에, 예 컨대 ClF3, NF3, C2F6, CF4 등의 클리닝 가스를 처리실(4)내로 흐르게 함으로써 상기 불필요한 막을 제거하는 클리닝 처리를 실행한다.
클리닝 처리 후, 처리실(4)내의 열적 컨디션을 조절하기 위해서, 처리실(4)의 내벽 및 이 안의 구조물의 표면에 박막을 부착시키는 프리코팅 처리를 실행한다. 프리코팅 처리는 웨이퍼(W)를 처리실(4)내에 넣지 않은 상태로, 상기 성막 처리와 동일한 프로세스 조건으로 처리실(4)중에 처리 가스 등을 흐르게 함으로써 실행한다.
프리코팅 처리에 의해 처리실(4)내의 벽면 등의 반사율도 변화하기 때문에, 제품 웨이퍼를 투입 하기 전에, 상기의 온도 교정용 처리 공정 및 온도 교정 공정을 실행한다. 이에 의해, 클리닝 처리 후의 상태에 따라서, 탑재대의 설정 온도값을 적정한 값으로 교정할 수 있다.
또한, 상기 연속 처리공정에서의 웨이퍼(W)의 처리 개수는 25개로 한정되지 않고, 웨이퍼 1개당의 성막량 등에 근거하여 임의로 설정할 수 있다.
상기 각 실시예에 있어서는, 방사 온도계(66)의 광 도입 로드(68)가 고정적으로 배치된다. 대신에, 광 도입 로드(68)를 상하 방향으로 승강 가능하게 설치하고, 필요시에는 광 도입 로드(68)를 처리 공간(S)으로부터 퇴각시키는 구조로 하여도 무방하다.
도 10은 이러한 관점에 근거한 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 11a 및 도 11b는 도 10에 도시된 장치에 있어서 의 광 도입 로드의 동작을 도시한 부분 확대도이다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는 샤워 헤드(12)의 천장 판(12A)에 관통 구멍(90)이 형성되고, 여기에 상하 이동 가능하게 간극을 가진 상태로 끼워맞춤된 광 도입 로드(68)가 삽입 통과된다. 광 도입 로드(68)의 상단부와 천장 판(12A) 사이에는 예컨대 금속제 벨로우즈(92)가 배치된다. 벨로우즈(92)에 의해, 어시스트 가스용 헤드 공간(60B) 내의 기밀성을 유지하면서 광 도입 로드(68)의 승강 이동이 허용된다. 광 도입 로드(68)의 상단부 또는 벨로우즈(92)의 상단부는 예컨대 액츄에이터로 이루어지는 로드 승강 기구(94)의 아암(94A)에 접속된다. 필요에 따라서, 로드 승강 기구(94)에 의해 광 도입 로드(68)가 승강된다.
본 실시예에 있어서는, 예컨대 온도 교정용 처리 공정을 실행하는 경우, 도 11a에 도시하는 바와 같이 광 도입 로드(68)를 최하단부까지 강하시켜, 그 광 도입면(68A)을 처리 공간(S)을 향하게 한다. 한편, 통상의 처리시(예컨대 성막시) 또는 연속 처리시(예컨대 연속 성막 처리시), 또한 클리닝 공정시에는, 도 11b에 도시하는 바와 같이 광 도입 로드(68)를 상승시킨다. 이 경우, 광 도입 로드(68)는 선단부의 광 도입면(68A)에 막이 부착되지 않는 위치 또는 광 도입면(68A)이 클리닝 가스에 의해 깍이지 않는 위치에 유지된다[도 11b에서는 어시스트 가스용 헤드 공간(60B) 내까지 상승된다].
이에 의해, 광 도입면(68A)에는 불필요한 막이 부착되거나, 또는 이 부분이 클리닝 가스에 의해 깍여서 표면 거칠게 되거나 하지 않는다. 이로 인해, 광 도입면(68A)으로부터 입사하는 광의 입사광율이 변동하지 않아, 온도 교정의 재현성을 높게 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 성막시에 광 도입 로드(68)를 사용하는 경우에는, 광 도입 로드(68)를 도 11a에 도시하는 바와 같이 강하시킨다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치에 있어서의 광 도입 로드의 동작을 도시한 부분 확대도이다. 도 10에 도시된 장치에 있어서는, 벨로우즈(92)내에 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)으로부터 어느 정도의 양의 어시스트 가스가 침입할 우려가 있다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 장치는 이 문제를 해소하기 위한 구성을 갖는다.
즉, 도 12a 및 도 12b에 도시하는 바와 같이 광 도입 로드(68)를 삽입 통과하는 관통 구멍(90)의 상단부에는 게이트 밸브와 같은 소형의 이격 밸브(96)가 배치된다. 이격 밸브(96)는 광 도입 로드(68)도 삽입 통과할 수 있는 치수를 갖는다. 도 12b에 도시하는 바와 같이 광 도입 로드(68)를 상방으로 완전히 잡아당겨 뽑았을 때에 이격 밸브(96)를 폐쇄함으로써, 벨로우즈(92)내를 처리 공간(S)으로부터 완전히 이격한다. 이에 의해, 광 도입 로드(68)를 사용하지 않을 때에, 광 도입면(68A)에 불필요한 막이 부착되는 문제, 또는 클리닝 가스에 의해 표면 거칠게 되는 등의 문제를 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 신장 상태의 벨로우즈(92)내에 어시스트 가스가 유입되는 것도 방지할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는, 가열 수단으로서 가열 램프(52)를 채용한다. 대신에, 수단으로서 탑재대에 매설한 저항 히터를 이용할 수 있다. 또한, 처리로서는 성막 처리에 한정하지 않고, 광 도입 로드에 박막이 부착될 우려가 있는 처리, 예컨대 플라즈마 에칭 처리를 실행하는 에칭 처리 장치에도 상기 각 실시예를 적용할 수 있다. 이 경우에는, 샤워 헤드 구조에 있어서, 에칭 가스를 분사하는 분사 구멍에 상기 광 도입 로드를 배치하도록 구성하면 된다.
상기 각 실시예에 있어서는, 탑재대(26)는 예컨대 석영제의 L자형상으로 이루어진 로드형상의 3개의 유지부재(24)에 의해 지지된다. 이 경우, 가열 램프(52)로부터 방사된 열선이 탑재대(26)의 하방에서 난 반사한 후에, 리플렉터(22)의 상단부와 탑재대(26)의 외주 사이의 간극을 통과하여 처리 공간(S)측에 인입되고, 또한 이 열선이 처리 공간(S)내에서 난 반사하여 광 도입 로드(68)에 침입할 수 있다. 이로 인해, 방사 온도계(66)로 측정한 웨이퍼 온도가 실제의 웨이퍼 온도보다 상당히 높은 검출값으로 되어, 검출 정밀도가 저하될 가능성이 있다.
또한, 유지부재(24)를 대신하여, 탑재대(26)를 링형상의 투명한 석영에 의해 구성하는 종래 장치도 알려져 있다. 이 경우에는, 상기 난 반사하는 열선은 투명한 석영을 통과하여 마찬가지로 처리 공간(S)측에 침입하기 때문에, 상기와 동일한 문제가 발생한다.
도 13은 이러한 관점에 근거한 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 즉, 도 13에 도시된 장치는 상기의 열선의 난 반사에 의한 악영향을 억제하기 위한 구성을 갖는다.
도 13에 도시된 장치에 있어서는, 상기 각 실시예에 관한 장치와는 탑재대(26)의 지지 구조가 크게 다르다. 즉, 탑재대(26)의 하방에는 내면이 예컨대 경면 형상으로 이루어진 원통체형상의 리플렉터(22)가 세워져서 배치된다. 하방의 가열 램프(52)로부터 방사되는 열선은 리플렉터(22)에 의해 상방의 탑재대(26)측에 반사된다. 리플렉터(22)의 외주측에는 마찬가지로 원통체형상으로 성형된 예컨대 알루미늄제의 지지통(100)이 리플렉터(22)와 동심원형상으로 배치된다.
지지통(100)의 상단부에는 예컨대 알루미늄제의 원형 링형상의 어태치먼트(102)가 부착되어 고정된다. 또한, 어태치먼트(102)의 내주측에는 이것보다 반경이 작은 원형 링형상의 유지부재(104)가 배치된다. 유지부재(104)는 열전도성이 낮고 또한 가열 램프(52)로부터 방사된 열선을 효과적으로 차단하도록 착색된 재료에 의해 형성된다. 유지부재(104)의 내측 주변부는 예컨대 SiC제의 탑재대(26)의 주변부와 직접 접촉하여 탑재대(26)를 지지한다.
유지부재(104)의 재료로서는 전술한 바와 같이 탑재대(26)의 온도를 저하시키지 않기 위하여 열전도성이 낮은 재료가 좋고, 또한 열선을 투과하지 않는 재료가 좋다. 구체적으로는, 유지부재(104)의 재료로서는 산화니오브(niobium oxide) 등의 흑색 금속산화물을 포함한 석영, 흑색 SiC를 포함한 석영, 카본을 포함한 석영, 카본을 포함한 흑색 AlN 등의 흑색 세라믹 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
도 13에 도시된 장치에 있어서는, 가열 램프(52)로부터 방사된 열선 중에서, 탑재대(26)의 이면 이외의 곳으로 조사된 열선이 탑재대(26) 하방의 공간에서 난 반사하더라도, 이 난 반사광은 최종적으로 탑재대(26)의 이면 또는 예컨대 흑색으로 착색된 유지부재(104)에 흡수된다. 따라서, 이 난 반사광이 탑재대(26)의 상방의 처리 공간(S)측에 누출되어 방사 온도계(66)의 광 도입 로드(68)에 취입되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 방사 온도계(66)에 의해 웨이퍼 온도를 보다 정확 하게 측정할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 여기서는, 탄탈 산화막이 아니라, 복합 금속재료 박막인 PZT막(Pb, Zr, Ti의 산화물막)을 퇴적하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 14에 도시된 장치에 있어서는, 도 13에 도시된 장치와 마찬가지로 탑재대(26)는 열전도율이 낮고 또한 열선을 투과하지 않는 예컨대 흑색의 원형 링형상의 유지부재(104)의 내측 주변부상에 지지된다. 유지부재(104)는 지지통(100)상에 고정된 링형상의 어태치먼트(102)상에 지지된다.
샤워 헤드(12)에 부착하는 방사 온도계로서, 여기서는 광 도입 로드(68)(도 9 및 도 13 참조)를 갖지 않는 형식의 방사 온도계(110)가 사용된다. 즉, 샤워 헤드(12)의 대략 중심부 근방에는 이것을 상하 방향으로 관통하도록 예컨대 직경이 13mm 정도의 열선 도출 통로(112)가 형성된다. 열선 도출 통로(112)는 당연히 원료 가스용 헤드 공간(60A)과 어시스트 가스용 헤드 공간(60B)에 대하여 분리 구획된다.
열선 도출 통로(112)의 상단 개구부에는 예컨대 O 링 등의 밀봉 부재(114)를 거쳐서 예컨대 석영 유리로 이루어지는 측정 창(116)이 기밀하게 부착되어 고정된다. 측정 창(116)의 외측에는 방사 온도계(110)가 부착된다. 처리실(4) 외부로부터의 광을 차단하기 위해, 측정 창(116)과 방사 온도계(110)의 일부가 불투명한 재료, 예컨대 폴리이미드(내열성)로 이루어지는 커버(117)에 의해 피복된다. 방사 온도계(110)는 웨이퍼(W)의 표면으로부터 열선 도출 통로(112)를 거쳐서 방사되어 오는 열선을 감지하여 온도 측정을 실행한다. 또한, 열선 도출 통로(112)가 광을 포집하는 범위는 열선 도출 통로(112)의 선단부로부터 대략 45°로 확대되는 각도의 범위로 한다.
측정 창(116) 바로 아래 근방에서, 열선 도출 통로(112)로부터 불활성 가스 도입 통로(118)가 분기된다. 불활성 가스 도입 통로(118)로부터 근소한 양의 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스가 항상 흐른다. 이에 의해, 측정 창(116)의 내측면에 온도 측정의 장해가 되는 불필요한 막이 부착되는 것이 방지된다.
또한, 도 14에 도시된 장치에 있어서는, 샤워 헤드(12)내의 상측의 공간에 PZT 가스가 도입되고, 하측의 공간에 산화성 가스로서 예컨대 NO2 가스가 도입된다. 이로 인해, 전술한 실시예와는 반대로, 상측의 공간이 원료 가스용 헤드 공간(60A)으로 되고, 하측의 공간이 어시스트 가스용 공간(60B)으로 된다. 따라서, 도 14에서는, 가스 분사 구멍(20A, 20B)의 부호도 앞의 실시예와는 반대로 붙여진다.
도 14에 도시된 장치에 있어서는, 샤워 헤드(12)의 원료 가스용 헤드 공간(60A)에는 원료 액체를 기화기에 의해 기화시킴으로써 발생시킨 PZT 가스가 도입된다. 이 때, 기화기에서의 캐리어 가스는 불활성 가스로서 예컨대 Ar 가스가 이용된다. 또한, 어시스트 가스용 공간(60B)에는 산화성 가스로서 예컨대 NO2 가스가 공급된다. 상기 양 가스가 처리 공간(S) 안에서 혼합되어 반응하고, 이에 의해 웨이퍼(W)상에 PZT막이 퇴적된다.
성막 처리중, 웨이퍼(W)의 온도는 샤워 헤드(12)에 형성된 열선 도출 통로 (112)를 거쳐서 진행하는 열선을 방사 온도계(110)가 검출함으로써 측정된다. 열선 도출 통로(112)에는 불활성 가스 도입 통로(118)를 거쳐서 항상 근소한 양의 Ar 가스가 공급되기 때문에, 측정 창(116)의 내측면에 불필요한 막이 부착되는 것을 방지할 수 있다. 이 때의 퍼지용 Ar 가스의 유량은 예컨대 PZT 가스의 캐리어 가스가 300sccm 정도일 때에는 이것보다 훨씬 적으며, 예컨대 2 내지 3sccm 정도이다.
또한, 도 13에 도시된 장치와 마찬가지로, 가열 램프(52)로부터 방사된 열선 중에서, 탑재대(26)의 이면 이외의 곳에 조사된 열선이 탑재대(26) 하방의 공간에서 난 반사하더라도, 이 난 반사광은 최종적으로 탑재대(26)의 이면 또는 예컨대 흑색으로 착색된 유지부재(104)에 흡수된다. 따라서, 이 난 반사광이 탑재대(26)의 상방의 처리 공간(S)측에 누출되어 방사 온도계(110)에 취입되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 방사 온도계(110)에 의해 웨이퍼 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 상기 퍼지 가스용 및 캐리어 가스용 불활성 가스로서 Ar 가스 대신에 다른 불활성 가스, 예컨대 He 가스, Ne 가스, N2 가스 등을 이용할 수 있다. 또한, 열선 도출 통로(112)에는 도입 통로를 거쳐서 성막의 원료로 되는 가스를 도입하여도 무방하다. 이 때의 원료 가스는 측정 창에 온도 측정의 장해가 되는 불필요한 막이 부착되지 않는 가스로 한다. 또한, PZT막 대신에 다른 복합 금속재료막, 예컨대 BST막(Ba, Sr, Ti의 산화물막) 등을 성막할 때에도 본 실시예를 적용할 수 있 다.
다음에, 도 14에 도시된 장치에 관하여, 방사 온도계(110)의 측정값의 평가를 실제로 실행하였으므로, 그 평가 결과에 대하여 설명한다. 도 15는 도 14에 도시된 장치에 있어서의 방사 온도계의 검출값과 열전대의 검출값을 비교하는 표를 나타내는 도면이다.
이 평가함에 있어서는, 웨이퍼 표면에도 실제로 열전대를 부착하여 그 온도를 측정했다. 어떤 경우에도, 열전대에 의한 웨이퍼 온도의 측정값은 433℃ 정도였다. 탑재대(26)를 유지하는 유지부재(104)를 종래 구조와 같이 투명한 석영 유리에 의해 성형한 경우, 방사 온도계(110)에 의한 측정값은 열전대에 의한 측정값 약 433℃보다 40℃ 정도나 높고, 또한 안정적이지 않았다. 이에 대하여, 유지부재(104)를 흑색 석영 유리로 한 경우에는, 도 15에 도시하는 바와 같이 8회 측정한 결과, 방사 온도계(110)에 의한 측정값은 열전대에 의한 측정값 약 433℃보다 최대로 +2℃ 정도 높을 뿐이었다. 즉, 유지부재(104)를 흑색의 석영 유리로 하여, 웨이퍼 온도의 측정 정밀도를 대폭으로 향상할 수 있는 것이 판명되었다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 17은 도 16에 도시된 장치의 탑재대 주변부를 도시한 확대 단면도이다.
도 16에 도시된 장치에 있어서는, 원통체형상의 리플렉터(22)의 상부와 지지통(100)의 상부 사이에 어태치먼트(102)가 놓여져 있다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 리플렉터(22)의 상부에 형성한 돌기부(22A)에 유지부재(104)를 거쳐서 탑재 대(26)가 유지된다. 유지부재(104)의 상면에 열선을 차단하는 차단 링(120)이 배치된다.
구체적으로는, 도 17에 도시하는 바와 같이 탑재대(26)의 주변부의 상면에는 웨이퍼(W)의 주변부로부터의 방열을 억제하기 위해서 웨이퍼(W) 주위를 둘러싸도록 환상의 돌기부(122)가 형성된다. 또한, 탑재대(26)의 주변부에는 유지부재(104)에 의해 유지되어지는 플랜지(124)가 형성된다. 유지부재(104)는 하측 부품(104A)과 이 위에 접합되는 상측 부품(104B)으로 이루어진다. 상측 및 하측 부품(104A, 104 B) 사이에서 플랜지(124)가 상하로부터 끼워진 상태로 유지된다.
하측 부품(베이스 링이라고도 함)(104A)은 탑재대(26)의 높이 방향의 위치 결정을 하는 베이스로서의 기능을 갖는다. 상측 부품(아이솔레이션 링이라고도 함)(104B)은 탑재대(26)의 수평 방향의 위치 결정을 하는 기능과, 처리실(4)내를 감압할 때의 초기의 거친 배기시 등에, 탑재대(26)가 날리거나, 이동하는 것을 방지하도록 상방으로부터 누르는 기능을 갖는다.
상측 및 하측 부품(104B, 104A)은 내열성이고 또한 웨이퍼(W)에 대하여 비오염성 및 저열전도성을 갖는 재료, 예컨대 알루미나(A12O3)에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 상측 및 하측 부품(104B, 104A)의 재료로서는 알루미나 이외에, 예컨대 탄화규소, 산화규소(SiO2), 석영 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상측 및 하측 부품(104B, 104A)의 재료로서는, 도 13에 도시된 유지부재(104)와 마찬가지로, 열선을 투과하지 않는 재료, 예컨대 산화니오브 등의 흑색 금속산화물을 포함 한 석영, 흑색 SiC를 포함한 석영, 카본을 포함한 석영, 카본을 포함한 흑색 AlN 등의 흑색 세라믹 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
상측 부품(104B)의 상면 전체 및 탑재대(26)의 돌기부(122)의 상면을 대략 전역에 걸쳐서 피복하도록 차단 링(120)이 설치된다. 차단 링(120)에 의해, 유지부재(104)를 거쳐서 탑재대(26)의 하방으로부터 상방으로 투과하는 열선이 가능한 한 차단된다.
차단 링(120)의 두께는 예컨대 1.5mm 정도로 설정된다. 차단 링(120)의 하면의 일부에는 상측 부품(104B)의 상면에 형성되는 계단부에 끼워 넣어져서 위치 결정을 실행하는 돌기부(126)가 링형상으로 형성된다. 차단 링(120)은 적어도 상측 부품(104B)의 상면 전면을 덮도록 배치된다. 또한, 차단 링(120)의 내주단은 될 수 있는 한 웨이퍼(W)의 외주단에 접근하는 것이 열선의 차단 효과에 있어서 바람직하다.
차단 링(120)의 재료로서는 예컨대 산화니오브 등의 흑색 금속산화물을 포함한 석영, 흑색 SiC를 포함한 석영, 카본을 포함한 석영, 카본을 포함한 흑색 AlN 등의 흑색 세라믹 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 차단 링(120)의 재료로서 AlN을 이용한 경우, 1060ppm 정도 이상의 카본을 함유시킨다.
도 16에 도시된 장치에 있어서도, 탑재대(26)의 하방에서 발생한 난 반사광(열선을 포함함)이 탑재대(26)의 상방의 처리 공간(S)측에 누출되어 방사 온도계(110)에 취입되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 방사 온도계(110)에 의해 웨이퍼 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 특히, 하측 부품(104A) 및 상측 부품 (104B)의 적어도 한쪽을 상술한 바와 같은 열선을 투과하지 않는 재료에 의해 형성한 경우에는, 상기의 열선 차단 효과를 한층 더 향상시킬 수 있다.
또, 도 13 내지 도 16에 도시된 장치에 있어서, 열선을 차단하는 재료로 이루어지는 유지부재(104)와 차단 링(120)은 가시 광선까지도 당연히 차단한다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 19는 도 18에 도시된 장치를 이용하여 성막했을 때의 반도체 웨이퍼의 표면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 반도체 처리 장치를 도시한 구성도이다. 도 21은 도 20에 도시된 장치를 이용하여 성막했을 때의 반도체 웨이퍼의 표면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 18 및 도 20의 장치는 모두 도 16에 도시된 장치를 기초로 하여 구성되어 있기 때문에, 세부적인 사항에 대해서는 도시가 생략되어 있다.
도 13, 도 14 및 도 16에 도시한 각 장치에 있어서는, 샤워 헤드(12)의 대략 중심부에 이것을 상하 방향으로 관통하도록 열선 도출 통로(112)가 형성된다. 열선 도출 통로(112)상에 방사 온도계(110)가 배치되어, 웨이퍼(W)의 대략 중심부의 온도가 측정된다.
웨이퍼(W)의 중심부는 웨이퍼(W)의 가열 방법에 의존하지만, 열적인 특이점이 되는 경우가 많다. 즉, 웨이퍼(W)의 중심부와 다른 부분과의 사이에는, 어느 정도의 온도차가 생길 가능성이 높다. 이 때문에, 웨이퍼(W)의 중심부의 온도를 측정하여, 웨이퍼(W)의 온도 기준으로 하는 것은 그다지 바람직하지 못하다.
도 18에 도시된 장치에 있어서는, 샤워 헤드(12)의 중심을 나타내는 중심선 (C1)[웨이퍼(W)의 중심선과도 일치함]보다 소정의 거리(L1)만큼 주변부에 편심시킨 위치에 열선 도출 통로(112) 및 방사 온도계(110)가 배치된다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 특이점의 온도 검출을 회피할 수 있다.
측정 창(116)의 내측 표면에 막이 부착되는 것을 방지하는 것을 목적으로 하여 불활성 가스 도입 통로(118)로부터 도입한 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스는 열선 도출 통로(112)의 하단 개구부(112A)로부터 하방을 향하여 유출된다. 탑재대(26)의 외측 주변부에서 균등하게 진공 배기되기 때문에, 이 점으로부터 이 Ar 가스는 탑재대(26)의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산된다. 전술한 바와 같이 편심의 거리(L1)가 단순히 수cm 정도로 설정된 경우에는, 도 19에도 도시하는 바와 같이, Ar 가스의 주 가스류(130)가 웨이퍼(W) 표면의 일부 에리어(132)에 직접적으로 충돌한다. 이로 인해, 이 웨이퍼 표면의 직경 수cm 정도의 원형 에리어(132)에 있어서의 퇴적막의 두께가 다른 부분과 비교하여 얇아진다고 하는 현상이 발견되었다. 또한, 도 19에는 열선 도출 통로(112)의 하단 개구부(112A)의 투영 위치도 참고를 위해 도시된다.
Ar 가스의 유량과 샤워 헤드(12)의 하면과 탑재대(26)의 상면과의 사이의 갭의 크기에 따라서도 다르지만, 8인치 사이즈의 웨이퍼로 편심의 거리(L1)가 4.2cm 정도인 경우, 웨이퍼 중심으로부터 에리어(132)의 중심까지의 거리(M1)는 6.0cm 정도로 된다. 이 때의 열선 도출 통로(112)의 직경은 1.3cm 정도이고, 에리어(132)의 직경은 3.0cm 정도이다.
이에 대하여, 도 20 및 도 21에 도시된 장치에 있어서는, 열선 도출 통로 (112)의 하단 개구부(112A)는, 여기에서 유출되어 탑재대(26)의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 Ar 가스(불활성 가스)의 주 가스류(130)가 탑재대(26)상의 웨이퍼(W) 표면과 너무 직접적으로 접촉하지 않도록 배치된다. 즉, 샤워 헤드(12)의 중심선(C1)과 열선 도출 통로(112)의 하단 개구부(112A)의 중심과의 사이의 편심의 거리(L2)는 전술한 거리(L1)보다 크게 설정된다. 여기서, 거리(L2)는 주 가스류(130)가 탑재대(26)의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치에 있어서, 주 가스류(130)의 대략 중심이 탑재대(26)상에 탑재되는 반도체 웨이퍼(W)의 외주단보다 외측으로 되도록 설정된다.
도 21에 있어서는, 전술한 바와 같이 웨이퍼(W)의 외주 부분에 파선으로 도시한 에리어(134)에 주 가스류(130)가 충돌하는 상태를 도시한다. 여기서는, 에리어(134)는 웨이퍼(W)상의 반도체 장치(소자 형성 에리어)와 접촉하지 않으면 무방하기 때문에, 이 점으로부터 에리어(134)의 대략 중심이 웨이퍼(W)의 외주단에 위치하는 경우를 나타낸다. 이 때, 웨이퍼(W)의 중심과 에리어(134)의 중심 사이의 거리(M2)는 웨이퍼의 반경, 즉 여기서는 10.0cm이다. 방사 온도계(110)가 웨이퍼 표면을 향하고 있지 않으면 그 온도를 측정할 수 없기 때문에, 편심의 거리(L2)의 최대값은 웨이퍼 반경의 크기로 된다.
도 20에 도시된 장치에 의하면, 웨이퍼(W)의 표면에 불활성 가스(Ar 가스)의 주 가스류(130)가 직접적으로 충돌하지 않기 때문에, 웨이퍼 표면에 국부적으로 박막 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 덧붙여서 말하면, 편심의 거리(L2)를 8.0cm 정도로 설정하면, 막두께가 국부적으로 얇은 에리어(132)의 흔적이 없는 양 호한 결과를 얻을 수 있다. 웨이퍼(W)의 반경이 10cm(8인치 사이즈의 경우)이면, 편심의 거리(L2)는 바람직하게는 웨이퍼(W) 반경의 70% 내지 100%의 범위내로 설정된다. 이 점을 관계식으로 나타내면 M1/L1=M2/L2이므로, 이로부터 6.0/4.2=10/L2로 되고, L2=7.0cm로 된다. 즉, L2의 길이는 7.0 내지 10.0cm의 범위가 바람직하다.
이 때의 프로세스 조건은 이하와 같다. 즉, 퍼지용 불활성 가스(Ar 가스)의 유량은 3sccm 내지 100sccm의 범위내이며 예컨대 9sccm이다. 샤워 헤드(12)의 하면과 탑재대(26)의 상면 사이의 거리는 20mm 내지 30mm의 범위내이며 예컨대 25mm이다. 처리 용기(4)내의 압력은 133Pa 정도, 원료 가스의 총유량은 500sccm 정도이다.
본 실시예는 8인치 사이즈의 웨이퍼뿐만 아니라, 12인치 사이즈(직경 300mm)의 웨이퍼에도 적용할 수 있다. 또한, 도 18 내지 도 21에 도시된 실시예는 가열 수단으로서 가열 램프를 이용한 것에 한정되지 않고, 탑재대(26)에 저항 가열 히터를 내장한 형식의 처리 장치에도 적용할 수 있다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는 처리로서 탄탈 산화막과 PZT막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명했지만, 다른 막종류를 퇴적하는 경우에 관해서도 본 발명을 적용할 수 있다. 예컨대, 다른 막종류로서는 WFe 가스와 H2 가스를 이용하여 텅스텐막을 열 CVD에 의해 성막하는 경우, TiCl4 가스와 NH3 가스를 이용하여 TiN막을 열 CVD에 의해 성막하는 경우, TiCl4 가스와 H2 가스를 이용하여 Ti막을 플라즈마 CVD에 의해 성막하는 경우 등에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우에는 어시스트 가스인 환원 가스, 즉 H2 가스, NH3 가스의 가스 분사 구멍에 방사 온도계의 광 도입 로드를 배치한다.
또한, 본 발명은 불활성 가스로서 Ar 가스 대신에 다른 불활성 가스, 예컨대 He 가스, Ne 가스, N2 가스 등을 이용하는 경우에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 복수의 가스에 의해 피처리 기판에 패턴을 형성하기 위한 에칭 처리에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼 대신에 다른 피처리 기판, 예컨대 LCD 기판, 유리 기판 등까지 이용하는 경우에도 적용할 수 있다.

Claims (33)

  1. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서의 샤워 헤드 구조에 있어서,
    상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 샤워 헤드와,
    상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계의 광 도입 로드를 구비하는
    샤워 헤드 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 가스 분사 구멍이 형성된 가스 분사면을 구비하고, 상기 광 도입 로드는 상기 가스 분사면의 중심부에 위치하는 가스 분사 구멍에 삽입 통과되는 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 가스 분사 구멍이 형성된 가스 분사면을 구비하고, 상기 광 도입 로드는 상기 가스 분사면의 중심부 및 상기 가스 분사면의 반경 방향을 따라 위치하는 복수의 가스 분사 구멍의 각각에 삽입 통과되는 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍은 그 하단 개구부로부터 유출되어 처리 공간내의 탑재대의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 가스의 주 가스류가 상기 탑재대의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치를 상기 탑재대 위의 상기 기판의 외주보다 외측이 되도록 상기 샤워 헤드의 중심으로부터 이격되어 배치되는 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍의 개구 면적은 상기 가스 분사 구멍으로부터 분사되는 가스와 동종의 가스가 분사되는 다른 가스 분사 구멍의 개구 면적보다 상기 광 도입 로드의 단면적에 상당하는 면적만큼 크게 설정되는 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 도입 로드를 승강하는 승강기구를 더 구비하고, 상기 승강기구는 상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍으로부터 상기 광 도입 로드를 선택적으로 퇴각시키는 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍을 선택적으로 폐쇄하는 이격기구를 더 구비하는 구조.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 처리 가스로서의 어시스트 가스를 공급하는 상기 가스 분사 구멍에 부가하여, 원료 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 더 구비하고, 상기 샤워 헤드는 그 내부에서 상기 어시스트 가스와 상기 원료 가스가 혼합되지 않도록 구성되는 구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 온도계의 상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍에는 불활성 가스를 도입하는 구조.
  10. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 반도체 처리 장치에 있어서,
    상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과,
    상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 히터와,
    상기 처리 가스를 공급하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 샤워 헤드와,
    상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 방사 온도계의 광 도입 로드와,
    상기 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 온도 제어부를 구비하는
    반도체 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탑재대 주위와 접촉하여 상기 탑재대를 유지함과 동시에, 열전도성이 낮고 또한 상기 히터로부터의 열선을 차단하는 링형상의 유지부재를 더 구비하는 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 탑재대 주위의 상측에 배치된 열선을 차단하는 차단 링을 더 구비하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍은 그 하단 개구부로부터 유출되어 상기 탑재대의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 가스의 주 가스류가 상기 탑재대의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치를 상기 탑재대 위의 상기 기판의 외주보다 외측이 되도록 상기 샤워 헤드의 중심으로부터 이격되어 배치되는 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 방사 온도계의 상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍에는 불활성 가스를 도입하는 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 탑재대에 설치된 온도 측정기와, 온도 교정용 더미 기판을 이용하여 더미 처리를 실행했을 때의 상기 방사 온도계의 검출값과 상기 기판의 목표 온도값에 근거하여 상기 온도 제어부에 있어서의 상기 탑재대의 설정 온도값을 교정하는 온도 교정 제어부를 더 구비하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 온도 측정기는 열전대인 장치.
  17. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서,
    상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과,
    상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대의 하방에 배치된 상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 가열 램프를 구비하는 히터와,
    상기 탑재대 주위와 접촉하여 상기 탑재대를 유지하는 링형상의 유지부재와, 상기 유지부재는 상기 가열 램프로부터의 열선을 차단하도록 착색되는 것과,
    상기 처리실의 천장에 배치된 상기 처리 가스를 공급하는 샤워 헤드와,
    상기 샤워 헤드의 상부에 부착된 방사 온도계와,
    상기 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 온도 제어부를 구비하는
    반도체 처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유지부재의 상측에 배치된 열선을 차단하는 차단 링을 더 구비하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유지부재 및 상기 차단 링은 산화니오브로 이루어지는 흑색 금속산화물을 포함한 석영, 흑색 SiC를 포함한 석영, 카본을 포함한 석영 또는 카본을 포함한 흑색 AlN의 흑색 세라믹으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료로 이루어지는 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 방사 온도계는 상기 샤워 헤드에 형성되고 또한 가스가 유출하는 구멍을 향하여 형성되며, 상기 구멍은 그 하단 개구부로부터 유출되어 상기 탑재대의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 가스의 주 가스류가 상기 탑재대의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치를 상기 탑재대 위의 상기 기판의 외주보다 외측이 되도록 상기 샤워 헤드의 중심으로부터 이격되어 배치되는 장치.
  21. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 장치에 있어서,
    상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실과,
    상기 처리실내에서 상기 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대 위의 상기 기판을 가열하는 히터와,
    상기 처리실의 천장에 배치된 상기 처리 가스를 공급하는 샤워 헤드와,
    상기 샤워 헤드를 상하 방향으로 관통하도록 형성된 열선 도출 통로와,
    상기 열선 도출 통로의 상단 개구부에 측정 창을 거쳐서 대향하는 방사 온도계와,
    상기 열선 도출 통로에 불활성 가스를 도입하기 위한 불활성 가스 도입 통로를 구비하는
    반도체 처리 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 열선 도출 통로의 하단 개구부로부터 유출되어 상기 탑재대의 외측을 향하여 흘러내리면서 확산되어 가는 상기 불활성 가스의 주 가스류가 상기 탑재대의 상면과 동일한 수평 레벨까지 흘러내리는 위치를 상기 탑재대 위의 상기 기판의 외주보다 외측이 되도록 상기 열선 도출 통로가 상기 샤워 헤드의 중심으로부터 이격되어 배치되는 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드의 중심과 상기 열선 도출 통로의 상기 상단 개구부의 중심 사이의 거리는 상기 기판의 반경의 70% 내지 100%로 설정되는 장치.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 샤워 헤드의 하면과 상기 탑재대의 상면 사이의 거리는 20mm 내지 30mm의 범위내이고, 상기 불활성 가스의 유량은 3sccm 내지 100sccm의 범위내인 장치.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 탑재대 주위와 접촉하여 상기 탑재대를 유지함과 동시에, 열전도성이 낮고 또한 상기 히터부터의 열선을 차단하는 링형상의 유지부재를 더 구비하는 장치.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 탑재대 주위의 상측에 배치된 열선을 차단하는 차단 링을 더 구비하는 장치.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 불활성 가스 도입 통로에는 상기 처리 가스를 도입하는 장치.
  28. 삭제
  29. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 방법에 있어서,
    상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실내에서 상기 기판을 히터에 의해 가열하는 공정과,
    상기 히터에 의해 가열된 상기 기판에 대하여, 샤워 헤드의 복수의 가스 분사 구멍으로부터 상기 처리 가스를 공급하여 상기 반도체 처리를 실행하는 공정과,
    상기 반도체 처리중, 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 광 도입 로드를 갖는 방사 온도계의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 공정을 구비하는
    반도체 처리 방법.
  30. 가열된 피처리 기판을 수용하는 처리 공간에 대하여 처리 가스를 공급하면서 반도체 처리를 실행하는 방법에 있어서,
    상기 처리 공간을 형성함과 동시에 진공 배기 가능한 처리실내에 배치된 탑재대 위에서 상기 기판을 히터에 의해 가열하는 공정과,
    상기 히터에 의해 가열된 상기 기판에 대하여, 샤워 헤드의 복수의 가스 분사 구멍으로부터 상기 처리 가스를 공급하여 상기 반도체 처리를 실행하는 공정과,
    상기 반도체 처리중, 상기 탑재대에 설치된 온도 측정기의 검출값에 근거하여 상기 히터를 제어하는 공정과,
    상기 탑재대 위에서 온도 교정용 더미 기판을 상기 히터에 의해 가열하여 더미 처리를 실행하는 공정과,
    상기 더미 처리중, 상기 더미 기판의 온도를 상기 가스 분사 구멍의 적어도 하나에 삽입 통과된 광 도입 로드를 갖는 방사 온도계에 의해 모니터하는 공정과,
    상기 방사 온도계의 검출값과 상기 기판의 목표 온도값에 근거하여 상기 탑재대의 설정 온도값을 교정하는 공정을 구비하는
    반도체 처리 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 반도체 처리를 복수의 피처리 기판에 대하여 실행한 후, 상기 처리실내를 클리닝하는 공정을 더 구비하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 처리실내를 클리닝한 후, 상기 처리실내에 피처리 기판을 넣지 않고서 상기 처리 가스를 공급하고, 상기 처리실의 내면에 상기 처리 가스에 연유되는 프리코팅 박막을 형성하는 공정을 더 구비하는 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 처리실내를 클리닝하는 공정에 있어서, 상기 광 도입 로드가 삽입 통과된 가스 분사 구멍으로부터 상기 광 도입 로드를 승강기구가 퇴각시키는 방법.
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