JP3837046B2

JP3837046B2 - 基板加熱装置および半導体製造装置

Info

Publication number: JP3837046B2
Application number: JP2001232081A
Authority: JP
Inventors: 真徳小野
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003059788A

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、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。例えば基板加熱装置は、冷却水が通るための冷却通路が形成されたステージを有し、このステージの上部には、絶縁プレートを介して加熱プレートが設けられ、この加熱プレート上にウェハが保持される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、加熱プレート及び被加熱物であるウェハの温度分布（温度均一性）を改善する場合には、加熱プレートに設けられたヒーターのパターン等を変えることで対処していた。このため、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あった。
【０００４】
本発明の目的は、低コストで加熱プレートの温度均一性を向上させ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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、加熱プレートの側面から放出される熱（ヒートロス）によって、加熱プレートの中央部の温度に比べて加熱プレートの周縁部の温度が低くなる傾向にあることを見い出し、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
即ち、本発明は、ステージと、ステージの上部に設けられ、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、加熱プレートの周囲には、加熱プレートの側面からの放射熱を反射させる反射リングが配置されていることを特徴とするものである。
【０００７】
このように加熱プレートの周囲に反射リングを設けることにより、加熱プレートの側面から放射される熱（赤外線）が反射リングで反射され、加熱プレートに戻り、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、加熱プレートの周縁部の温度低下が抑えられ、加熱プレートの周縁部の温度が加熱プレートの中央部の温度に近づくようになる。従って、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ことなく、加熱プレートの温度均一性を向上させることができる。
【０００８】
好ましくは、反射リングには、加熱プレートの上方で加熱プレートの内側に向かって延びるリング状の突出部が設けられている。これにより、加熱プレートの周縁部上面から放射される熱が反射リングの突出部で反射され、加熱プレートの周縁部に戻ることになる。これにより、加熱プレートの周縁部の温度低下がより抑えられ、加熱プレートの温度均一性を更に向上させることができる。
【０００９】
また、好ましくは、反射リングはステージ上に置かれている。反射リングをステージに固定した場合には、反射リングが加熱プレートの側面からの放射熱を吸収して温度上昇した時に、反射リングに片持ちのストレスがかかって、反射リングが変形しやすくなる。これに対し、反射リングをステージ上に置いただけの場合には、反射リングには片持ちのストレスがかからないので、反射リングの変形を抑えることができる。
【００１０】
さらに、好ましくは、ステージと加熱プレートとの間には、複数の絶縁プレートが積層状態で配置されている。これにより、各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、加熱プレートの下面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ようになるので、ステージに与えられる熱エネルギーが低減され、その結果ステージの温度上昇が抑制される。
【００１１】
この場合、好ましくは、各絶縁プレート間には、加熱プレートの下面からの放射熱を反射させる反射板が介在されている。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が反射板で反射されるため、反射板よりも下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、反射板で反射した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。
【００１２】
また、例えば、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。
【００１３】
また、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。
【００１４】
このような半導体製造装置においては、基板加熱装置の加熱プレートの周囲に反射リングを設けることにより、加熱プレートの側面から放射される熱（赤外線）が反射リングで反射され、加熱プレートに戻り、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、加熱プレートの周縁部の温度低下が抑えられ、加熱プレートの周縁部の温度が加熱プレートの中央部の温度に近づくようになる。従って、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ことなく、加熱プレートの温度均一性を向上させることができる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、本発明に係る基板加熱装置の一実施形態を備えたスパッタリング装置を示した概略構成図である。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。このような処理チャンバ２の内部には、基板加熱装置５が配置されている。
【００１７】
基板加熱装置５は、陽極を形成するステージ６を有している。このステージ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ている。ステージ６内には、冷却用冷媒（例えば冷却水）が通るための冷却通路７が設けられている。また、ステージ６には、電気リード線８を介して電源９が接続されており、この電源９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。
【００１８】
ステージ６の上部には、円形状の絶縁プレート１０Ａ，１０Ｂを介して円形状の加熱プレート１１が配置されている。なお、これらステージ６、絶縁プレート１０Ａ，１０Ｂ、加熱プレート１１は、複数のボルト（図示せず）で固定されている。
【００１９】
加熱プレート１１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１１には、電気リード線１２を介して電源１３が接続されており、この電源１３により加熱プレート１１を通電すると、加熱プレート１１と加熱プレート１１上に置かれたウェハ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１１に吸着される。
【００２０】
絶縁プレート１０Ａ，１０Ｂ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。これらの絶縁プレート１０ａ，１０ｂ間には、加熱プレート１１の下面から放射される熱（赤外線）を反射させる反射板１４が介在されている。この反射板１４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、反射板１４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。
【００２１】
加熱プレート１１の周囲には、加熱プレート１１の側面から放射される熱（赤外線）を反射させる反射リング１５が配置されている。ここで、反射リング１５で反射した熱を効果的に加熱プレート１１に戻すべく、加熱プレート１１と反射リング１５との間の距離は、好ましくは１〜１．５ｍｍとなっている。また、反射リング１５としては、ステンレス等の金属の表面を鏡面加工したものや金メッキを施したものが用いられる。
【００２２】
反射リング１５の下部には、リング状の支持用切欠部１５ａが形成されている。そして、反射リング１５は、その支持用切欠部１５ａにステージ６の上端エッジ部が嵌り込んだ状態で、ステージ６上に置かれている。これにより、反射リング１５をステージ６にボルト等で固定しなくても、反射リング１５はステージ６の径方向にずれること無くステージ６に支持されることになる。このように反射リング１５をステージ６上に載せただけの場合には、加熱プレート１１の側面からの放射熱を吸収して反射リング１５の温度が上がっても、反射リング１５には片持ちのストレスがかからず、反射リング１５はフリーに動ける状態となるので、反射リング１５自体の変形を抑えることができる。
【００２３】
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、まず図示しないウェハ搬送ロボットにより、ウェハＷを処理チャンバ２内に導入して加熱プレート１１上に置く。そして、電源１３を投入して加熱プレート１１（静電チャック）を通電し、ウェハＷを加熱プレート１１上に固定する。このとき、ウェハＷは、加熱プレート１１に内蔵されたセラミックヒータによって加熱される。
【００２４】
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Ａｒガスを導入すると共に、電源９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、Ａｒ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。
【００２５】
このような成膜処理において、加熱プレート１１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１０Ｂは、加熱プレート１１の下面から放射される熱により高温になる。
【００２６】
しかし、加熱プレート１１からの放射熱は、絶縁プレート１０Ｂを透過して反射板１４で反射されるため、下側の絶縁プレート１０Ａを透過する熱はほとんど無くなる。このため、絶縁プレート１０Ａ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。これにより、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。従って、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。
【００２７】
また、反射板１４で反射した熱は、絶縁プレート１０Ｂを透過して加熱プレート１１に戻って吸収されることになる。このため、加熱プレート１１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。
【００２８】
ここで、比較例として、加熱プレート１１の周囲に反射リングが配置されていない基板加熱装置を図２に示す。この場合には、加熱プレート１１の側面から熱（赤外線）が放出され、ヒートロスが生じるため、加熱プレート１１の中央部の温度に比べて加熱プレート１１の周縁部の温度が低くなり、加熱プレート１１の温度均一性が悪化する。また、加熱プレート１１上に置かれるウェハＷについても、加熱プレート１１とほぼ同等の温度分布となる。この場合、加熱プレート及びウェハＷの温度分布（温度均一性）を改善する場合には、加熱プレートに設けられたヒーターのパターン等を変えることで対処していた。このため、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あった。
【００２９】
これに対し本実施形態では、加熱プレート１１の周囲に反射リング１５が配置されているので、加熱プレート１１の側面からの放射熱が反射リング１５で反射して、加熱プレート１１の側面に戻るようになる。このため、その反射熱が加熱プレート１１の周縁部に吸収されるので、加熱プレート１１の周縁部の温度低下が抑えられ、加熱プレート１１の周縁部と中央部とで温度分布がほぼ均一になる。これに伴い、ウェハＷの温度分布についても、ウェハＷの周縁部と中央部とでほぼ均一になる。従って、加熱プレート１１及びウェハＷの温度均一性を良好にすべく、加熱プレートを複数種類作って試験したり、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、安価な費用で加熱プレート１１及びウェハＷの温度均一性を向上させることができる。
【００３０】
図３は、本発明に係る基板加熱装置の他の実施形態を備えたスパッタリング装置を示した概略構成図である。図中、上述した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。
【００３１】
同図において、本実施形態の基板加熱装置２１は、加熱プレート１１の周囲に配置された反射リング１５を有し、この反射リング１５の上部には、リング状の突出部２２が設けられている。この突出部２２は、加熱プレート１１の上方位置で、加熱プレート１１の内側に向かってウェハ支持領域の手前まで延びるように反射リング１５に接合されている。なお、そのようなリング状突出部を有する反射リングは、一体形成された一つの部材で構成してもよい。
【００３２】
このような基板加熱装置２１においては、加熱プレート１１の側面からの放射熱が、反射リング１５で反射して加熱プレート１１に戻ることに加え、加熱プレート１１の周縁部上面からの放射熱が、突出部２２で反射して加熱プレート１１に戻る。これにより、加熱プレート１１の周縁部の温度低下がより抑えられるため、加熱プレート１１の周縁部と中央部とで温度分布が更に均一になる。従って、加熱プレート１１及びウェハＷの温度均一性が更に向上する。
【００３３】
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、上記実施形態は、ステージ６と加熱プレート１１との間に２枚の絶縁プレート１０ａ，１０ｂを配置し、絶縁プレート１０ａ，１０ｂ間に反射板１４を介在させたものであるが、絶縁プレートの数を３枚以上とし、各絶縁プレート間に反射板１４を介在させてもよい。
【００３４】
また、各絶縁プレート間には、必ずしも反射板１４を介在させなくてもよい。この場合には、各絶縁プレート間に生じる多少の隙間によって絶縁プレート間の伝熱効率が低下するため、絶縁プレート同士の接触による熱伝達が低減される。このため、加熱プレート１１の下面からの放射熱エネルギーが各絶縁プレートにおいて段階的に低減されることになり、これによりステージ６の温度上昇を抑えることができる。
【００３５】
さらに、上記実施形態は、スパッタリング装置の処理チャンバ内に基板加熱装置を備えたものであるが、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。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱プレートの周囲に、加熱プレートの側面からの放射熱を反射させる反射リングを配置したので、低コストで加熱プレートの温度均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板加熱装置の一実施形態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に示す反射リングが配置されていない基板加熱装置を示す図である。
【図３】本発明に係る基板加熱装置の他の実施形態を備えたスパッタリング装置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、７…冷却通路、１０Ａ，１０Ｂ…絶縁プレート、１１…加熱プレート、１４…反射板、１５…反射リング、２１…基板加熱装置、２２…リング状の突出部、Ｗ…ウェハ（基板）。

Claims

冷却用冷媒が通るための冷却通路を有するステージと、
前記ステージの上部に設けられ、基板を上面に保持した状態で加熱する加熱プレートと、
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た複数の絶縁プレートと、
前記加熱プレートとの間に所定の距離をもって前記加熱プレートを囲うように前記加熱プレートの周囲に配置され、前記加熱プレートの側面からの放射熱を反射させる反射リングとを備え、
前記反射リングは、前記ステージに固定されずに前記ステージ上に載置されている基板加熱装置。
前記反射リングには、前記加熱プレートの上方で前記加熱プレートの内側に向かって延びるリング状の突出部が設けられている請求項１記載の基板加熱装置。
前記複数の絶縁プレートにおける各絶縁プレートの間には、前記加熱プレートの下面からの放射熱を反射させる反射板が介在されている請求項１または２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１〜３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。