JP3074192B2 - ウェーハ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造装置の１つで
あるウェーハ処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体処理工程の１つに、減圧反応ガス
雰囲気に於いてプラズマを発生させ、蒸着、エッチング
等各種ウェーハの表面処理を行う工程がある。

【０００３】ウェーハはウェーハ支持台に載置された状
態で処理が行われるが、処理に於けるウェーハの温度は
製品質に重大な影響を与える。従って、ウェーハ処理装
置では処理中ウェーハの温度が一定となる様ウェーハの
温度制御を行っている。

【０００４】図７に於いて従来の温度制御装置について
説明する。

【０００５】処理室１内にウェーハ支持台２が設けられ
ており、該ウェーハ支持台２には恒温水装置、又はヒー
タ等の温度保持手段３が設けられており、該ウェーハ支
持台２を設定温度に維持する。又、該ウェーハ支持台２
に載置されたウェーハ４は、クランパ５により周囲を押
圧し、ウェーハ４とウェーハ支持台２とを全面で密着さ
せる様になっている。

【０００６】而して、ウェーハ４はウェーハ支持台２と
の熱受授により一定温度に保持される。

【０００７】ところが、ウェーハ４側の反り、ウェーハ
支持台２の平坦度、更にウェーハクランプにより生じる
微小な歪等により、ウェーハ４とウェーハ支持台２とは
全面で均一密着することは極めて難しい。

【０００８】ウェーハ４とウェーハ支持台２との間に間
隙が存在する場合は、熱伝達が著しく低下し、ウェーハ
４の温度制御が困難となると共にウェーハ４とウェーハ
支持台２との接触部と非接触部とでは熱伝達が異なるこ
とでウェーハ４に不均一温度分布を生じる。

【０００９】この為、従来に於いてもウェーハとウェー
ハ支持台との間に伝達率の高いヘリウム（Ｈｅ）ガス６
を数Ｔｏｒｒ充填し、該Ｈｅガス６を熱媒体とし、ウェ
ーハ４とウェーハ支持台２間で熱伝達を行わせている。

【００１０】又、ウェーハの温度制御（ウェーハ４とウ
ェーハ支持台２間の熱伝達）は、前記Ｈｅガスの圧力と
密接な関係にあり、ウェーハの温度を制御するには、こ
のＨｅガス６の圧力を所定の目標圧力に制御することが
重要となる。

【００１１】従来、Ｈｅガスの供給充填は、Ｈｅガス源
（図示せず）よりフィルタ７を通して導びき、供給量は
供給路８途中に設けたマスフローコントローラ９により
行っている。尚、該マスフローコントローラ９には、Ｈ
ｅガスの供給、遮断を行うエアバルブ１０が設けられ、
又マスフローコントローラ９の下流には充填したＨｅガ
スの圧力を検出する圧力計１１が設けられている。尚、
該圧力計１１はＨｅガスの圧力を表示するだけである。

【００１２】この従来方式は、マスフローコントローラ
９でＨｅガスの流量を常に一定に保ちながら、目標圧力
迄Ｈｅガスを充填させて行く、所謂固定流量制御方式で
ある。

【００１３】又、Ｈｅガス充填後も、図７、図８に示す
様にウェーハ４の周囲よりＨｅガス６が流出してゆくの
でＨｅガスは常時供給しておく。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来の方式では、マスフローコントローラの流量設定のみ
の制御であるので、下記の欠点がある。

【００１５】 応答速度が遅い。充填開始から完了迄
常に一定流量であるので、目標圧力に到達して安定する
迄の時間が長い。

【００１６】応答速度が遅いと、ウェーハ処理装置のス
ループットを下げることになり、装置の稼動率、生産性
を低下させる。又、応答性の遅れから、完全にＨｅガス
圧力が一定とならない状態で、ウェーハの処理を行う
と、処理中のウェーハの温度が変動し、ウェーハ処理品
質に大きな悪影響を与える。

【００１７】 制御性が悪い。目標圧力マスフローコ
ントローラの流量設定値により設定される為、目標圧力
の高精度での任意設定が不可能である。

【００１８】制御性が悪いと、Ｈｅガスの目標圧力を高
精度で任意の圧力に設定することができず、この為ウェ
ーハの温度そのものを高精度で任意の温度に設定するこ
とができない。従って、本来実行したいウェーハの処理
条件の選択自由度を制限し、やはりウェーハ処理に於け
る性能品質を低下させる。

【００１９】 再現性が悪い。Ｈｅガスの目標圧力は
図７、図９で流入するＨｅガス６と、ウェーハ４の周辺
より流出するＨｅガス６の流量の差で決定される。流出
するＨｅガスの量はウェーハ自体の反り具合、クランパ
５がウェーハ４をウェーハ支持台２に固定する力等に依
頼する、この為、異なるウェーハ間では、かなりの差が
あり、又充填されたＨｅガスの圧力によっても流出する
Ｈｅガスの流量が変化する為、同一のウェーハであって
も、充填されたＨｅガスの圧力、流入流出するＨｅガス
流量も微妙に変化する。

【００２０】再現性が悪いことは、即ちウェーハの温度
の再現性、ひいてはウェーハ処理の再現性が悪いことと
なり、ウェーハ品質の低下を招く。

【００２１】本発明は、斯かる実情に鑑み、応答性を速
くして装置の稼動率、生産性を向上させ、制御性を良く
して高精度の温度制御を可能とし、高精度且きめ細なウ
ェーハ処理ができる様にすると共に再現性を良くし、ひ
いてはウェーハ処理の安定性、品質を向上させようとす
るものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、温度保持手段
を有するウェーハ支持台にウェーハを載置し、ウェーハ
とウェーハ支持台との間隙にＨｅガスを充填しウェーハ
の温度制御を行いつつウェーハを処理するウェーハ処理
装置に於いて、Ｈｅガス供給管の途中にウェーハとウェ
ーハ支持台との間隙に充填されたＨｅガスの圧力を検知
する圧力計と、前記充填されたＨｅガスの圧力設定値と
前記圧力計からの検出信号に基づいて流量設定されるマ
スフローコントローラを設け、該マスフローコントロー
ラの上流側に第１エアバルブ、又下流側に第２エアバル
ブを設け、前記マスフローコントローラと第２エアバル
ブとの間に排気系を接続したウェーハ処理装置に係り、
又排気系が可変容量絞弁、及び該可変容量絞弁の上流側
と下流側とを第３エアバルブを介して接続したウェーハ
処理装置に係り、更にウェーハクランプ時にマスフロー
コントローラの流量設定値を基にウェーハクランプの正
常、異常を検出する制御器を有するウェーハ処理装置に
係るものである。

【００２３】

【作用】ウェーハとウェーハ支持台との間に充填された
Ｈｅガスの圧力を検知し、該検知した圧力と設定圧力と
の差に応じ充填するＨｅ流量を決定する。而して、充填
されたＨｅガスの圧力を直接Ｈｅの流量調整を行う方式
であるので、きめ細かな制御が可能であり、応答性が良
いと共に再現性がよい。又、ウェーハとウェーハ支持台
との間に充填したヘリウムガスを迅速に排気でき、圧力
減少の応答性が高められると共にマスフローコントロー
ラより下流側のヘリウムガス供給系内のヘリウムガスを
排気することにより、ウェーハ背面にヘリウムガスを供
給した際の急激な圧力上昇を抑制する。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例を
説明する。

【００２５】尚、図１中、図７中で示したものと同一の
ものには同符号を付し、その説明を省略する。

【００２６】ＰＩＤ制御方式（比例、積分、微分）の制
御器１３を設け、該制御器１３からの流量設定信号で前
記マスフローコントローラ９の流量設定を行う。又、充
填されたＨｅガスの圧力は、圧力計１１によって検出さ
れ、該検出結果は前記制御器１３へフィードバックされ
る。

【００２７】該制御器１３には、Ｈｅガスの圧力設定値
１４が入力されている。

【００２８】以下、作動を説明する。

【００２９】エアバルブ１０を開くとＨｅガスがマスフ
ローコントローラ９を通って、ウェーハ４とウェーハ支
持台２との間に充填される。その際、Ｈｅガスの圧力は
圧力計１１により検知され、検知結果は前記制御器１３
へフィードバックされる。該制御器１３内では、前記圧
力設定値１４とフィードバックされた検知結果との偏差
が求められ、この偏差にＰＩＤ制御をかけて、マスフロ
ーコントローラ９へのガス流量修正値を求め、該修正値
をマスフローコントローラ９へ出力する。

【００３０】該マスフローコントローラ９は、該修正値
によってＨｅガスの流量を制御する。

【００３１】上記説明で分る様に、本実施例ではＨｅガ
スの圧力を検知して、該Ｈｅガスの圧力が目標値となる
様マスフローコントローラの流量設定値を自動的に可変
し、Ｈｅガスの流量を制御する。

【００３２】而して、圧力検出値と目標圧力との差に応
じてマスフローコントローラ９の流量設定値をＰＩＤ制
御により、常に最適状態に自動可変制御するので、応答
速度が早く、Ｈｅガスが目標圧力に達し安定する迄の時
間が短くなる。

【００３３】更に、目標圧力そのものを制御目標値と
し、圧力検出値をフィードバックし、Ｈｅガス圧力を直
接制御する方式であるので、Ｈｅガスの目標圧を任意
に、而も高精度に設定することができる。

【００３４】又、ウェーハ間の処理条件の違い、ウェー
ハとウェーハ支持台間の間隙に変動があって、流出する
Ｈｅガスの流量が変化しても、その影響を打消す方向に
マスフローコントローラ９への修正値が変更される為、
目標圧は常に保たれ、再現性が向上する。

【００３５】次に、図４に於いて他の実施例を説明す
る。

【００３６】本実施例では、図１で示した実施例に、排
気系１５が設けられたものである。

【００３７】該排気系１５は圧力計１１とマスフローコ
ントローラ９との間に設けられた第２エアバルブ１６、
該第２エアバルブ１６とマスフローコントローラ９との
間に接続した排気管１７、該排気管１７に設けた可変容
量絞り弁１８、該可変容量絞り弁１８と並列に設けられ
た第３エアバルブ１９から構成され、前記可変容量絞り
弁１８の上流と下流は前記第３エアバルブ１９を介して
接続される。

【００３８】ウェーハ処理装置はＨｅガスの充填、Ｈｅ
ガスの排気を繰返し、ウェーハの処理を行う。

【００３９】以下、Ｈｅガスの充填、及びＨｅガスの排
気時の作動について図３を参照して説明する。

【００４０】先ず、Ｈｅガスの充填作動を説明する。

【００４１】ウェーハ４がクランパ５によりウェーハ支
持台２に固定されると、第１エアバルブ１０、第２エア
バルブ１６が開、第３エアバルブ１９が閉となる。

【００４２】Ｈｅガスがマスフローコントローラ９を通
って流入し、流入したＨｅガスは、ウェーハ４側に供給
されるＨｅガスと可変容量絞り弁１８を通って排気され
るＨｅガスとに分割される。従って、該可変容量絞り弁
１８を調整することで、ウェーハ４側に供給されるＨｅ
のガス流量を調整することができ、Ｈｅガス圧力制御の
応答性と制御範囲を調整することができる。

【００４３】前記した様にウェーハ４の周囲からはＨｅ
ガスが漏出しており、この漏出量だけＨｅガスは補給充
填される。又、ウェーハ４とウェーハ支持台２間のオリ
フィスは小さく、前記漏出量も非常に少ない。

【００４４】従って、何らかの原因でウェーハ４背面の
Ｈｅガス圧力が高じた場合、圧力低減の手段が前記ウェ
ーハ４とウェーハ支持台２間からの漏出のみであったと
すると、例えマスフローコントローラ９からのＨｅガス
流入が０であったとしても、圧力低下には非常に時間を
要する。

【００４５】而して、Ｈｅガス圧力制御に於いて、Ｈｅ
ガス圧力上昇は短時間で可能であるが、圧力の減少に対
しては長時間を要する特性を有する。

【００４６】前記排気系１５は、圧力減少の応答性を改
善する為に設けられている。即ち、ウェーハ背面のＨｅ
ガス圧力が増大した場合でも、その増大分については可
変容量絞り弁１８を経て系外へ排気される。

【００４７】ここで、ウェーハ背面のＨｅガス圧力が増
大の１例としてＨｅガス充填時が挙げられる。

【００４８】Ｈｅガス充填開始時に、第１エアバルブ１
０、第２エアバルブ１６を開にするが、両バルブ１０，
１６が開になった瞬間、今迄第１エアバルブ１０と第２
エアバルブ１６間に貯っていたＨｅガスがウェーハ背面
に流入する。これは、マスフローコントローラ９で制御
されたＨｅガスとは別に考える必要があり、マスフロー
コントローラ９の流量制御を通さないで、直接ウェーハ
背面に流入するのでウェーハ背面のＨｅガス圧力を急激
に上昇させるのである。

【００４９】又、第１エアバルブ１０と第２エアバルブ
１６とを開にした直後は、Ｈｅガスは未だウェーハ背面
に流入していない。この為、圧力計１１からの検出圧は
略０（正確には処理室内の圧力）となっており、当然マ
スフローコントローラ９は、最大流量を流す様に流量設
定値は最大となっている。

【００５０】又、Ｈｅガスが流入を開始し、ウェーハ背
面にＨｅガスが流入し、圧力が上昇する迄の時間は圧力
フィードバックがかからず、最大流量でＨｅガスが流入
し、急激に圧力を上昇させる。

【００５１】而して、Ｈｅガスの配管内の貯りと圧力フ
ィードバックとの遅れにより、ウェーハ背面の急激な圧
力上昇が引起される。

【００５２】従って、前記排気系１５は圧力制御、特に
圧力低減について、非常に有用である。

【００５３】次に、図４を参照してＨｅガス排気作動に
ついて説明する。

【００５４】排気時には、第１エアバルブ１０が閉、第
２、第３エアバルブ１６，１９が開となる。

【００５５】ウェーハ処理が完了した後、ウェーハ４を
ウェーハ処理室より搬出する為、クランパ５をウェーハ
４より外す。このクランプ解除作業の前にウェーハ背面
のＨｅガスの排気を行う。これは、Ｈｅガス圧力が残置
しているとクランパ５を解除した時点で、ウェーハ４が
Ｈｅガス圧力の為上方へ飛ばされてしまうからである。

【００５６】前記した様に第２エアバルブ１６、第３エ
アバルブ１９を開とするとウェーハ背面のＨｅガスは直
ちに排気される。

【００５７】尚、ウェーハ背面のＨｅガスが排気された
かどうかは前記圧力計１１の検出結果によって判断する
ことができる。

【００５８】斯かる排気系１５の排気作動によって、ウ
ェーハ背面の排気時間が大幅に短縮され、ウェーハの搬
出を迅速に行えスループットを向上させることができ
る。又、この排気作動で第１エアバルブ１０、第２エア
バルブ１６間の残置Ｈｅガスも排されるので、Ｈｅガス
充填時の急激な圧力上昇を防止することもできる。

【００５９】又、本実施例では、マスフローコントロー
ラ９の流量値は前記した様にウェーハ背面圧力の状態に
より変動するので、該流量値を監視することで、ウェー
ハクランプの正常、異常を判断することができる。

【００６０】即ち、ウェーハが正常にクランプされてい
るとウェーハ毎に多少の差はあるもののＨｅガスの漏出
量は略一定である。ところが、図５、図６に示す様にウ
ェーハ正常クランプ時（図５）と、ウェーハ異常クラン
プ時（図６）には前記流量値が変化する。従って、該流
量を監視することでウェーハのクランプの正常、異常を
判断することができる。

【００６１】尚、上記実施例に於けるウェーハ周囲から
のＨｅガス漏出流量と可変絞り弁からの排気流量の比は
略１：１０である。

【００６２】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、下記の
優れた効果を発揮する。

【００６３】 応答速度を向上することができ、応答
速度の向上によってスループットが向上し、装置の稼動
率、生産性が向上する。更に、従来の固定流量制御方式
と比較すると、一回の応答については１０秒〜３０秒、
応答速度が短縮した。

【００６４】 制御性を向上することができ、この制
御性の向上によって、Ｈｅガス圧力を任意に且高精度に
設定することができ、従来の固定流量制御方式では目標
圧力の５〜１０％の精度でしか、実際のＨｅガスを充填
することができなかったのに対し、本発明では０．０１
％〜０．１％の精度で充填することが可能となった。

【００６５】 再現性を向上させることができ、この
再現性の向上により、従来の固定流量方式では充填Ｈｅ
ガス圧力がウェーハ相互間で５％〜１０％ばらついてい
たのが、本発明では０．１％〜０．０１％と大幅に小さ
くなった。

【００６６】 制御性の向上、再現性の向上で、製品
品質を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す説明図である。

【図３】該他の実施例の作動説明図である。

【図４】該他の実施例の作動説明図である。

【図５】ウェーハのクランプ正常時の説明図である。

【図６】ウェーハのクランプ異常時の説明図である。

【図７】従来例の説明図である。

【図８】ウェーハクランプ前の説明図である。

【図９】ウェーハクランプ状態の説明図である。

【符号の説明】 ２ ウェーハ支持台 ３ 温度保持手段 ４ ウェーハ ５ クランパ ６ Ｈｅガス ８ 供給路 ９ マスフローコントローラ １０ 第１エアバルブ １１ 圧力計 １３ 制御器 １５ 排気系 １６ 第２エアバルブ １８ 可変容量絞り弁 １９ 第３エアバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−9120（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−119037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−24017（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/205 H01L 21/285 H01L 21/31

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度保持手段を有するウェーハ支持台に
   ウェーハを載置し、ウェーハとウェーハ支持台との間隙
   にＨｅガスを充填しウェーハの温度制御を行いつつウェ
   ーハを処理するウェーハ処理装置に於いて、Ｈｅガス供
   給管の途中にウェーハとウェーハ支持台との間隙に充填
   されたＨｅガスの圧力を検知する圧力計と、前記充填さ
   れたＨｅガスの圧力設定値と前記圧力計からの検出信号
   に基づいて流量設定されるマスフローコントローラを設
   け、該マスフローコントローラの上流側に第１エアバル
   ブ、又下流側に第２エアバルブを設け、前記マスフロー
   コントローラと第２エアバルブとの間に排気系を接続し
   たことを特徴とするウェーハ処理装置。
2. 【請求項２】 排気系が可変容量絞弁、及び該可変容量
   絞弁の上流側と下流側とを第３エアバルブを介して接続
   した請求項１のウェーハ処理装置。
3. 【請求項３】 ウェーハクランプ時にマスフローコント
   ローラの流量設定値を基にウェーハクランプの正常、異
   常を検出する制御器を有する請求項１のウェーハ処理装
   置。