JP4945031B2

JP4945031B2 - 基板加熱装置および半導体製造装置

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Publication number: JP4945031B2
Application number: JP2001135328A
Authority: JP
Inventors: 真徳小野
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: JP2002343693A

Description

【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を加熱する基板加熱装置および半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置の一つであるスパッタリング装置は、例えば真空減圧される処理チャンバを有しており、この処理チャンバ内には、ウェハを加熱するための基板加熱装置が配置されている。このような基板加熱装置の一例を図８に示す。
【０００３】
図８において、基板加熱装置１００はステージ１０１を有し、このステージ１０１の上部には、絶縁プレート１０２を介して加熱プレート１０３が設けられ、この加熱プレート１０３上にウェハＷが保持される。ステージ１０１には、冷却水が通るための冷却通路（図示せず）が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、絶縁プレート１０２は、加熱プレート１０３から放射される熱により高温になるため、ステージ１０１に対して多くの熱量を与えることになる。このようなステージ１０１は、熱に弱い部品等を付加していることが多いが、これらの部品等を保護するためには、大量の冷却水をステージ１０１内に供給する必要がある。この場合には、ステージ１０１の冷却設備が大規模化してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、ステージに与える熱エネルギーを低減することができる基板加熱装置および半導体製造装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ステージと、ステージの上部に絶縁プレートを介して設けられ、基板を保持した状態で加熱する加熱プレートとを備えた基板加熱装置であって、絶縁プレートは複数有し、複数の絶縁プレートがステージと加熱プレートとの間に積層状態で配置されていることを特徴とするものである。
【０００７】
絶縁プレートの表面は、実際には完全な平坦にはなっておらず、微小の凹凸を有している。本発明は、そのような知見に基づいてなされたものである。即ち、上述したように複数の絶縁プレートをステージと加熱プレートとの間に積層状態で配置することにより、絶縁プレート間に形成される僅かな隙間によって、絶縁プレート同士の接触による伝熱が抑えられる。このため、加熱プレートからの放射熱が複数の絶縁プレートにおいて段階的に低減されることになり、上側（加熱プレート側）の絶縁プレートの温度に対して下側（ステージ側）の絶縁プレートの温度が下がるようになる。これにより、ステージに与えられる熱エネルギーが低減されるため、ステージの温度上昇が抑制される。
【０００８】
好ましくは、絶縁プレートの表面には凹部が形成されている。これにより、絶縁プレート間に存在する隙間が更に増大するため、絶縁プレート同士の接触による伝熱がより抑えられる。
【０００９】
また、好ましくは、複数の絶縁プレート間には、加熱プレートからの放射熱を反射させる反射部材が介在されている。これにより、絶縁プレートを透過した加熱プレートからの放射熱（赤外線）が反射部材で反射されるため、反射部材よりも下側（ステージ側）の絶縁プレートの温度上昇が抑えられる。このため、ステージに与えられる熱エネルギーがより低減されるので、ステージの温度上昇が更に抑制される。また、反射部材で反射した放射熱が加熱プレートに向かい、加熱プレートがその反射熱を吸収することになる。このため、加熱プレートの熱エネルギー消費が抑制されるため、消費電力を低減できる。
【００１０】
この場合、反射部材はリング状を有していることが好ましい。加熱プレート上に置かれた基板の面内温度分布としては、基板のエッジ部に比べて基板の中央部の温度が高くなることが多い。そこで、反射部材の形状をリング状とすることにより、加熱プレートの中央部からの放射熱は、反射部材で反射せずに絶縁プレー部を透過し、加熱プレートのエッジ部からの放射熱は、反射部材で反射して加熱プレートに戻ることになる。このため、加熱プレートのエッジ部の温度が上昇し、これに伴って基板のエッジ部の温度が高くなる。これにより、基板の面内温度分布がほぼ均一になる。
【００１１】
また、反射部材は、厚みが０．００１〜３ｍｍの金属箔であることが好ましい。これにより、基板の面内温度均一性を向上させるための形状を有する反射部材を、容易かつ安価に製作することができる。
【００１２】
また、本発明は、ステージと、ステージの上部に絶縁プレートを介して設けられ、基板を保持した状態で加熱する加熱プレートとを備えた基板加熱装置であって、加熱プレートと絶縁プレートとの間には、加熱プレートからの放射熱を反射させる反射部材が介在されていることを特徴とするものである。
【００１３】
以上のように構成した本発明においては、加熱プレートからの放射熱（赤外線）が反射部材で反射されるため、絶縁プレートの温度上昇が抑えられる。このため、ステージに与えられる熱エネルギーが低減されるので、ステージの温度上昇が抑制される。また、反射部材で反射した放射熱が加熱プレートに向かい、加熱プレートがその反射熱を吸収することになる。このため、加熱プレートの熱エネルギー消費が抑制されるため、消費電力を低減できる。
【００１４】
好ましくは、ステージには、冷却用冷媒が通るための冷却通路が設けられている。この場合、上述したように絶縁プレートを積層構造にしたり反射部材を設けることで、ステージの温度上昇が抑制されるため、大量の冷却用冷媒をステージ内に供給しなくても、ステージに付加された部品等を保護することができる。これにより、冷却用冷媒の消費を抑制できるため、ステージの冷却設備の小規模化及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００１５】
さらに、本発明の半導体製造装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内に配置された上記の基板加熱装置とを備えることを特徴とするものである。このような半導体製造装置においては、基板加熱装置のステージに与えられる熱エネルギーを低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板加熱装置および半導体製造装置の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図３により説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による基板加熱装置を備えたスパッタリング装置を示す概略構成図である。
【００１８】
同図において、スパッタリング装置１は処理チャンバ２を有し、この処理チャンバ２の内部は真空ポンプ３により減圧排気される。処理チャンバ２の上部には、陰極を形成する円形状のターゲット４が設けられている。また、処理チャンバ２内には基板加熱装置５が設置されている。
【００１９】
基板加熱装置５は、陽極を形成するステージ６を有し、このステージ６の上部には、複数枚（ここでは２枚）の円形状の絶縁プレート７ａ，７ｂを介して円形状の加熱プレート８が設けられている。この加熱プレート８上には、半導体ウェハ（基板）Ｗが保持される。なお、加熱プレート８は、ターゲット４に対して平行に対向配置されている。これらステージ６、絶縁プレート７ａ，７ｂ、加熱プレート８は、例えば複数のボルト９で固定されている。
【００２０】
ステージ６は、例えばステンレススチールやアルミニウム等で形成され、その内部には、冷却用冷媒（例えば冷却水）が通るための冷却通路１０が形成されている。また、ステージ６には、電気リード線１１を介して直流電源１２が接続されており、この直流電源１２によりステージ６を通電すると、ステージ６（陽極）とターゲット４（陰極）との間にプラズマが発生する。
【００２１】
加熱プレート８は、例えばセラミックヒータを含む静電チャックであり、ウェハＷを吸着して保持する。加熱プレート８には、電気リード線１３を介して直流電源１４が接続されており、この直流電源１４により加熱プレート８を通電すると、加熱プレート８とウェハＷとの間にクーロン力が発生し、ウェハＷが加熱プレート８に吸着される。
【００２２】
このようなステージ６と加熱プレート８との間には、絶縁プレート７ａ，７ｂが積層状態で配置されている。これら絶縁プレート７ａ，７ｂは、熱および電気を絶縁するものであり、石英やセラミック等で形成されている。
【００２３】
ここで、絶縁プレート７ａ，７ｂの表面は、実際には完全な平坦にはなっておらず、微小（例えば数μｍ〜数十μｍ程度）の凹凸を有している。このため、２枚の絶縁プレート７ａ，７ｂを積層構造にすると、絶縁プレート７ａ，７ｂ間に多少の隙間が存在するため、絶縁プレート７ａ，７ｂ間の伝熱効率が低下することになる。このとき、各絶縁プレート７ａ，７ｂの表面に、図２に示すような十字型の溝部１５を形成すると、絶縁プレート７ａ，７ｂ間に生じる隙間が増大するため、絶縁プレート７ａ，７ｂ間の伝熱効率が更に低下する。
【００２４】
なお、各絶縁プレート７ａ，７ｂに形成する溝部は、特に十字型に限らず、絶縁プレート７ａ，７ｂの強度をある程度確保できるような形状であればよく、あるいは複数の穴部を絶縁プレート７ａ，７ｂの表面に形成してもよい。また、絶縁プレート７ａ，７ｂの表面を粗くすることで、絶縁プレート７ａ，７ｂ間の伝熱効率が下がるようにしてもよい。
【００２５】
以上のように構成したスパッタリング装置１において、成膜プロセスを行う場合は、まずウェハＷを処理チャンバ２内に導入して加熱プレート８上に置く。そして、直流電源１４を投入して加熱プレート８（静電チャック）を通電し、ウェハＷを加熱プレート８上に固定する。すると、ウェハＷは、加熱プレート８に内蔵されたセラミックヒータによって加熱される。
【００２６】
次いで、真空ポンプ３を作動させて処理チャンバ２内を所定の真空度になるまで減圧排気する。そして、処理チャンバ２内にアルゴンガスを導入すると共に、直流電源１２を投入して、ステージ６（陽極）とターゲット４（陰極）との間に電力を印加する。すると、これら電極間にプラズマ放電が起こり、アルゴンイオンがターゲット４に衝突し、そこからスパッタされる粒子がウェハＷ上に堆積して薄膜が形成される。
【００２７】
このような成膜処理において、加熱プレート８上のウェハＷは、例えば６００〜７００℃程度まで加熱される。このとき、絶縁プレート７ｂは、加熱プレート８から放射される熱により高温になる。しかし、ステージ６と加熱プレート８との間には、２枚の絶縁プレート７ａ，７ｂが積層状態で配置されており、上述したように絶縁プレート７ａ，７ｂ間に生じる多少の隙間によって絶縁プレート７ｂ，７ａ間の伝熱効率を低下させている。このため、絶縁プレート７ａ，７ｂ同士の接触による熱伝達が抑えられるので、加熱プレート８からの放射熱が絶縁プレート７ｂ，７ａにおいて段階的に低減される。つまり、上側（加熱プレート８側）の絶縁プレート７ｂに対して下側（ステージ６側）の絶縁プレート７ａの温度が下がる。このため、絶縁プレート７ａからステージ６に与えられる放射熱エネルギーが低減され、ステージ６の温度上昇が抑えられる。
【００２８】
図３は、ステージと加熱プレートとの間に配置される絶縁プレートを１枚とした場合と２枚とした場合の比較を示したものである。図３（ａ）は、厚みが３ｍｍの絶縁プレートを１枚使用した時の特性であり、図３（ｂ）は、２枚の絶縁プレートを積層状態にした時の特性であり、２枚の絶縁プレートのうち、下側の絶縁プレートの厚みは２ｍｍであり、上側の絶縁プレートの厚みは１ｍｍである。なお、絶縁プレートの材質は、いずれも石英である。
【００２９】
図３において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。また、実線Ｌは加熱プレートにおける温度特性を示し、点線Ｍはステージ上の第１ポイントにおける温度特性を示し、１点鎖線Ｎはステージ上の第２ポイントにおける温度特性を示している。
【００３０】
絶縁プレートを１枚とした場合においては、図３（ａ）から分かるように、加熱プレートの温度が７００℃の時には、ステージ上の第１ポイントにおける温度は４４２℃程度であり、ステージ上の第２ポイントにおける温度は３４３℃程度である。また、加熱プレートの温度が６００℃の時には、ステージ上の第１ポイントにおける温度は３８２℃程度であり、ステージ上の第２ポイントにおける温度は２８７℃程度である。
【００３１】
一方、絶縁プレートを２枚とした場合においては、図３（ｂ）から分かるように、加熱プレートの温度が７００℃の時には、ステージ上の第１ポイントにおける温度は４１９℃程度であり、ステージ上の第２ポイントにおける温度は３１４℃程度である。また、加熱プレートの温度が６００℃の時には、ステージ上の第１ポイントにおける温度は３５４℃程度であり、ステージ上の第２ポイントにおける温度は２６２℃程度である。
【００３２】
これら図３（ａ），（ｂ）から、絶縁プレートを２枚とした場合には、絶縁プレートを１枚とした場合に比べて、ステージ上における温度が２０〜３０℃下がっているのが分かる。
【００３３】
以上のように本実施形態によれば、絶縁プレート７ａ，７ｂを積層構造とすることで、ステージ６の温度上昇が抑制されるので、大量の冷却水をステージ６内に供給しなくても、ステージ６に付加された部品を保護することができる。これにより、冷却水の消費を抑制できるため、ステージ６の冷却設備の小規模化が図られ、コスト的にも有利となる。
【００３４】
本発明の第２の実施形態を図４〜図６により説明する。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
図４において、本実施形態の基板加熱装置２０は、第１の実施形態と同様のステージ６、絶縁プレート７ａ，７ｂ、加熱プレート８を有し、各絶縁プレート７ａ，７ｂ間には、加熱プレート８からの放射熱（赤外線）を反射させる反射部材２１が介在されている。この反射部材２１は、図５に示すようなリング状の金属箔である。反射部材２１の材質は、例えばニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等である。また、反射部材２１の厚さは、通常のハサミ等で容易に切断できる程度、具体的には０．００１〜３ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３６】
このような基板加熱装置２０においては、加熱プレート８のエッジ部からの放射熱は、上側の絶縁プレート７ｂを透過して反射部材２１で反射されるため、下側の絶縁プレート７ａを透過する熱はほとんど無くなる。また、加熱プレート８の中央部からの放射熱は、絶縁プレート７ｂ，７ａを透過してステージ６に達する。このとき、各絶縁プレート７ａ，７ｂ間には、反射部材２１の厚み分の隙間Ｓが形成されているため、その分だけ絶縁プレート７ｂ，７ａ間の伝熱効率が低下する。従って、第１の実施形態のように各絶縁プレート７ａ，７ｂ間に反射部材２１を介在させない場合よりも、下側の絶縁プレート７ａの温度が下がるようになる。これにより、絶縁プレート７ａからステージ６に与えられる放射熱エネルギーがより低減され、ステージ６の温度上昇が更に抑えられる。
【００３７】
一方、反射部材２１で反射した加熱プレート８からの放射熱（赤外線）は、加熱プレート８のエッジ部に戻り、そのエッジ部が反射熱を吸収することになる。このため、加熱プレート８の熱エネルギー消費が抑制されるため、消費電力を低減できる。
【００３８】
ところで、通常の成膜処理においては、加熱プレート８上に置かれたウェハＷの面内温度分布は、ウェハＷのエッジ部に比べてウェハＷの中央部の温度が高くなることが多い。これに対し本実施形態では、反射部材１２の形状をリング状としたので、上述したように、加熱プレート８のエッジ部からの放射熱は、反射部材２１で反射されて再び加熱プレート８のエッジ部に向かう。これにより、加熱プレート８のエッジ部の温度が上昇し、これに伴ってウェハＷのエッジ部の温度が上昇する。他方、加熱プレート８の中央部からの放射熱は、反射部材２１で反射されることは無いため、加熱プレート８の中央部では温度上昇はない。その結果、ウェハＷのエッジ部と中央部とで温度分布がほぼ均一になる。
【００３９】
ここでは、ウェハＷの中央部の温度がウェハＷのエッジ部の温度に比べて高くなり易いという観点から、反射部材１２の形状をリング状としたが、ウェハＷの面内温度分布は、成膜条件等の違いにより必ずしもそのような特性になるとは限らないため、反射部材の形状は特にリング状には限定されない。
【００４０】
そこで、まずシミュレーションを行って、その時のウェハＷの面内温度分布を取得する。そして、その温度分布特性から、最適な赤外線の反射領域と透過領域を持つように反射部材の形状を決定し、加熱プレートからステージ側に伝達される熱エネルギーの分布状態や強弱を任意に設定することで、ウェハＷの温度均一性を改善する。このとき、反射部材の厚さは、上述したように通常のハサミ等で容易に切断できる程度に薄く形成されているので、優れた面内温度均一性を確保するための反射部材を簡単かつ安価に製作することができる。従って、ウェハＷの温度均一性を改善するために、高価な加熱プレートを複数種類作って試験したり、高価で複雑なシミュレーションを行う必要がなくなる。これにより、開発コストを大幅に削減することができる。
【００４１】
図６は、２枚の絶縁プレート間に反射部材を介在させない場合と反射部材を介在させた場合の比較を示したものである。図６（ａ）は、２枚の絶縁プレート間に反射部材を介在させない時の特性であり、図６（ｂ）は、２枚の絶縁プレート間に、反射部材として厚さ０．１ｍｍのＮｉフィルムを介在させた時の特性である。なお、２枚の絶縁プレートの材質は、いずれも石英である。また、２枚の絶縁プレートのうち、下側の絶縁プレートの厚みは２ｍｍであり、上側の絶縁プレートの厚みは１ｍｍである。
【００４２】
図６において、横軸は時間を示し、縦軸は温度（左側）及び消費電圧（右側）を示している。また、実線Ｐは加熱プレートにおける温度特性を示し、点線Ｑはステージ上の第１ポイントにおける温度特性を示し、１点鎖線Ｒはステージ上の第２ポイントにおける温度特性を示し、実線Ｓは加熱プレートの消費電圧を示している。なお、実線Ｔは、参考として加熱プレートの消費電流を示したものであり、図６（ａ）と図６（ｂ）とでほぼ同じ電流値である。
【００４３】
２枚の絶縁プレート間に反射部材を介在させない場合においては、図６（ａ）から分かるように、加熱プレートの温度が６００℃の時に、ステージ上の第１ポイントにおける最大温度は３６０℃程度であり、ステージ上の第２ポイントにおける最大温度は２８０℃程度である。また、加熱プレートの消費電圧は、平均９５Ｖ程度である。
【００４４】
一方、２枚の絶縁プレート間に反射部材を介在させた場合においては、図６（ｂ）から分かるように、加熱プレートの温度が６００℃の時に、ステージ上の第１ポイントにおける最大温度は２００℃以下であり、ステージ上の第２ポイントにおける最大温度は１００℃程度である。また、加熱プレートの消費電圧は、平均９０Ｖ程度である。
【００４５】
これら図６（ａ），（ｂ）から、絶縁プレート間に反射部材を介在させた場合には、絶縁プレート間に反射部材を介在させない場合に比べて、ステージ上における温度が大幅に下がっているのが分かる。また、絶縁プレート間に反射部材を介在させた場合には、絶縁プレート間に反射部材を介在させない場合に比べて、加熱プレートの消費電圧が５Ｖ程度低減される。
【００４６】
以上のように本実施形態によれば、絶縁プレート７ａ，７ｂ間に反射部材２１を介在させたので、ステージ６の温度上昇がより低減されるようになる。これにより、冷却水の消費を更に抑制できるため、冷却設備の小規模化及び低コスト化を一層図ることが可能となる。
【００４７】
また、反射部材２１で反射された熱が再び加熱プレート８に達するので、加熱プレート８のエネルギー消費が抑制され、これにより消費電力を低減できる。また、ウェハＷの面内温度分布に応じて反射部材２１の形状を適宜変えることで、ウェハＷの面内温度均一性を向上させることができる。
【００４８】
本発明の第３の実施形態を図７により説明する。図中、第１の実施形態および第２の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４９】
図７において、本実施形態の基板加熱装置３０は、第１の実施形態と同様のステージ６及び加熱プレート８を有し、ステージ６と加熱プレート８との間には、円形状の絶縁プレート３１が配置されている。この絶縁プレート３１の材質は、石英やセラミック等である。絶縁プレート３１と加熱プレート８との間には、第２の実施形態と同じ反射部材２１が介在されている。
【００５０】
このような基板加熱装置３０において、加熱プレート８のエッジ部からの放射熱は、反射部材２１で反射されるため、絶縁プレート３１を透過する熱はほとんど無くなる。また、加熱プレート８の中央部からの放射熱は、絶縁プレート３１を透過してステージ６に達するが、絶縁プレート３１と加熱プレート８との間には、反射部材２１の厚み分の隙間Ｓが形成されているため、その分だけ伝熱効率が低下する。従って、絶縁プレート３１からステージ６に与えられる放射熱エネルギーが低減され、ステージ６の温度上昇が抑えられる。
【００５１】
一方、反射部材２１で反射された放射熱は、加熱プレート８のエッジ部に吸収されるため、加熱プレート８の熱エネルギー消費が抑制され、消費電力が低減される。
【００５２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、スパッタリング装置の処理チャンバ内に基板加熱装置が設けられているが、本発明の基板加熱装置は、他の半導体製造装置にも適用できることは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、ステージと加熱プレートとの間に、複数の絶縁プレートを積層状態で配置したので、ステージに与えられる熱エネルギーを低減することができる。
【００５４】
また、本発明によれば、加熱プレートと絶縁プレートとの間に、加熱プレートからの放射熱を反射させる反射部材を介在させたので、ステージに与えられる熱エネルギーを低減することができる。また、加熱プレートの消費電力を低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による基板加熱装置を備えたスパッタリング装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す絶縁プレートの一例を示す断面図である。
【図３】図１に示すステージと加熱プレートとの間に配置される絶縁プレートを１枚とした場合と２枚とした場合の比較を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による基板加熱装置を備えたスパッタリング装置を示す概略構成図である。
【図５】図４に示す反射部材の外観を示す斜視図である。
【図６】図４に示す２枚の絶縁プレート間に反射部材を介在させない場合と反射部材を介在させた場合の比較を示した図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による基板加熱装置を備えたスパッタリング装置を示す概略構成図である。
【図８】従来の基板加熱装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…スパッタリング装置（半導体製造装置）、２…処理チャンバ、５…基板加熱装置、６…ステージ、７ａ，７ｂ…絶縁プレート、８…加熱プレート、１０…冷却通路、１５…溝部（凹部）、２０…基板加熱装置、２１…反射部材、３０…基板加熱装置、３１…絶縁プレート、Ｗ…ウェハ（基板）

Claims

ステージと、前記ステージの上部に単一部材からなる絶縁プレートを介して設けられ、基板を保持した状態で加熱する加熱プレートとを備えた基板加熱装置であって、
前記絶縁プレートは複数重ねて設けられ、前記複数の絶縁プレートが前記ステージと前記加熱プレートとの間に積層状態で配置され、かつ、前記複数の絶縁プレート間には、前記加熱プレートからの放射熱を反射させる反射部材が介在されている基板加熱装置。
前記絶縁プレートの表面には凹部が形成されている請求項１記載の基板加熱装置。
前記反射部材はリング状を有している請求項１記載の基板加熱装置。
前記反射部材は、厚みが０．００１〜３ｍｍの金属箔である請求項１又は２記載の基板加熱装置。
前記ステージには、冷却用冷媒が通るための冷却通路が設けられている請求項１〜４のいずれか一項記載の基板加熱装置。
処理チャンバと、前記処理チャンバ内に配置された請求項１〜５のいずれか一項記載の基板加熱装置とを備える半導体製造装置。