JP4616734B2

JP4616734B2 - 基板処理装置

Info

Publication number: JP4616734B2
Application number: JP2005258200A
Authority: JP
Inventors: 光範石坂; 英博野内
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: JP2007073692A

Description

本発明は、基板の加熱に加えて処理容器を加熱しながら基板を処理する基板処理装置に関するものである。

図２に示すように、従来の基板処理装置は、処理容器１０内にシリコン基板８を保持する基板支持台３を備える。基板加熱ヒータ５５で加熱した基板支持台３からの伝熱によりシリコン基板８を加熱する。また、処理容器１０の壁面１１を一定温度に加熱するために処理容器１０の側面部側及び底面部側に側面加熱ヒータ１２、底面加熱ヒータ１３を取り付けて制御、加熱していた。
このように、従来例の装置では、処理容器１０内のシリコン基板８を加熱する基板加熱ヒータ５５の他に、処理容器１０の側面を加熱する側面加熱ヒータ１２と、処理容器１０の底面を加熱する底面加熱ヒータ１３とを設けて、壁面全面にヒータを取り付けている。なお、この種の装置では、処理容器１０の底壁１５の厚みａは処理容器１０の側壁１４の厚みｂよりも薄くなっているものが通常である。

上述した処理容器の壁面全面にヒータを取り付ける加熱方法では、処理容器側面の形状によってはヒータ形状が複雑になったり、ヒータの数が多くなったり、あるいはヒータ分割の仕方によってはヒータ制御ゾーン数も多くなったり、ヒータ制御が複雑になったりするなどの問題があった。
例えば、処理容器の側面形状が複雑になる例としては、処理容器を上部から見たとき、熱的な対称性から、できるだけ軸対称（円形）に近いことが望ましいが、実際には加工上の問題等から六角形等の多角形をしている。そのため処理容器の側面は複数の面から構成される。また、ウェハの搬送口や排気口、その他調整用のポート等が処理容器側面に取り付けられるので、それだけ形状も複雑となる。
また、ヒータの出力の関係や製作上の問題で分割数が多くなると、ヒータの数が多くなったり、あるいはヒータ分割の仕方によて制御が複雑になったりすることになる。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、少ないヒータ数で処理容器の全体を均一な温度に保つことが可能な基板処理装置を提供することにある。

第１の発明は、基板を処理する処理容器と、前記処理容器内の前記基板を加熱するヒータと、前記処理容器の壁面を加熱するヒータとを有し、前記処理容器の壁面を加熱するヒータは、前記処理容器の底面部側に設けられ、前記処理容器の底面部の厚みが前記処理容器の側面部の厚みよりも厚いことを特徴とする基板処理装置である。
処理容器の底面部の厚みが側面部の厚みよりも厚いと、底面部から側面部への熱伝導によるエネルギーの移動量を大きくできるので、処理容器の底面部側に設けられたヒータで底面部側を加熱してやれば、処理容器の底面のみならず側面も加熱することができる。したがって、少ないヒータ数で処理容器の全体を均一な温度に保つことができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記処理容器の壁面を加熱するヒータは、前記処理容器の底面部側に設けられ、側面部側には設けられないことを特徴とする基板処理装置である。
処理容器の側面部の厚さに対する底面部の厚さの比を、例えば１以上と大きくすれば、底面部から側面部へのエネルギー移動量を充分大きくできるので、側面部側にヒータを設けなくても、処理容器の全体を均一な温度に保つことができる。

本発明によれば、少ないヒータ数で処理容器の全体を均一な温度に保つことができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態における枚葉式の基板処理装置の縦断面図である。

図１に示すように基板処理装置は、例えば１枚のシリコン基板８を内部で略水平姿勢で処理する偏平な処理室１と、処理室１内にシリコン基板８を略水平に保持する保持具としての基板支持台３とを備える。

処理容器１０は、上部が開口した下容器２７と、下容器２７の開口を塞ぐ上容器２６とにより真空引き可能に構成されて、密閉された処理室１内でシリコン基板８を処理するように構成されている。
上容器２６には、シリコン基板８に対してガスを供給する複数の供給口（図示せず）が設けられる。ガス供給口は、例えば、ガスを供給するための２系統のラインがそれぞれ連結され、一方の系統は金属酸化膜、例えばアルミニウム酸化膜の有機液体原料であるＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ₃）₃：トリメチルアルミニウム）を供給するＴＭＡ供給ラインが連結され、他方の系統は例えば原料と反応性の高いガスである水を供給する水供給ラインが連結されている。

下容器２７の一方の側壁１４には排気口（図示せず）が設けられている。この排気口はガス排気ラインに接続されて、処理室１内の雰囲気を排出するようになっている。処理室１内は圧力制御手段（図示せず）によって所定の圧力に制御できるようになっている。

また、下容器２７の一方の側壁１４と対向する他方の側壁１４には、基板搬入出口（図示せず）が設けられている。この基板搬入出口から搬送ロボット（図示せず）によりシリコン基板８を処理室１内外に搬送できるようになっている。

上述した上容器２６と下容器２７とは、例えばアルミニウム、ステンレスなどの金属で構成される。

基板支持台３は、処理室１内に設けられ、例えば円板状をしており、その上にシリコン基板８を保持するように構成されている。基板支持台３は、セラミックスヒータなどの基板加熱ヒータ５５を内蔵して、シリコン基板８を所定温度に加熱するように構成される。基板支持台３は支持軸２９を備えている。支持軸２９は、処理室１の下容器２７の底壁１５の中央に設けられた貫通孔２８より鉛直方向に挿入されて、基板支持台３を上下動させるようになっている。基板支持台３が上方にある成膜位置で成膜処理がなされ、下方の基板搬入出位置でシリコン基板８の搬送が行われる。
基板支持台３は、例えば、石英、カーボン、セラミックス、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで構成される。

また、処理容器１０は、シリコン基板８を加熱する基板加熱ヒータ５５に加え、処理容器１０の壁面１１を加熱する加熱ヒータ１３を有して、ウォームウォール型の反応容器を構成している。
ここで、ウォームウォール型の反応容器とは、反応容器の壁面を反応生成物が付着しない程度の低温（基板温度（処理温度）より低い温度）に加熱した状態で基板を処理するタイプの反応容器のことをいう。コールドウォール型と同様、基板を加熱するための熱の大部分を、反応容器の壁面を加熱することにより得るのではなく、基板は、基板支持台に設けられたヒータで直接加熱したり、ヒータにより加熱した基板支持台からの伝熱により加熱したりする。

ガス供給口から処理室１内に流れ込んだガスは、シリコン基板８上に平行に流れて排出口を経てガス排気ラインから排気される。以上述べたように実施の形態の基板処理装置が構成される。

次に上述した基板処理装置を用いて半導体装置を製造する工程の一工程として基板を処理する方法を説明する。ここでは、シリコン基板８にアルミニウム酸化膜の成膜を行うプロセスを例にとって説明する。成膜方法には、一例として、金属原料と酸素又は窒素を含有するガスとを交互に供給して、膜を堆積させるＡＬＤを用いる。また、金属原料には常温で液体のＴＭＡ（原料Ａ）を用い、酸素又は窒素を含有するガスには水（原料Ｂ）を用いる。

基板処理では先ず、基板支持台３を基板搬入出位置に下降させた上で、搬送ロボットにより、１枚のシリコン基板８を基板搬入出口を介して処理室１内に搬入して、基板支持台３上に移載して保持する。昇降機構により、基板支持台３を所定の成膜位置まで上昇させる。温度制御手段により基板支持台３を加熱して、シリコン基板８を一定時間加熱する。処理室１内を真空引きし、処理室１内を所定の圧力に制御する。シリコン基板８が所定温度に加熱され、圧力が安定した後、シリコン基板８上への成膜を開始する。

ＡＬＤ成膜は次の４つの工程からなり、４つの工程を１サイクルとして、所望厚さの膜が形成されるまで、このサイクルが複数回繰り返される。
ＡＬＤは、原料Ａを基板へ供給して吸着させ（工程１）、吸着後残留原料Ａを排気し（工程２）、排気後原料Ｂを基板へ供給して原料Ａと反応させて成膜し（工程３）、成膜後残留原料Ｂを排気する（工程４）という４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返す方法である。ガス供給タイミングは、原料Ａと原料Ｂとを交互に供給する間に、パージガスによる排気を挟むようになっている。

この４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返して、所望の膜厚を有するアルミニウム酸化膜をシリコン基板８上に成膜する。成膜終了後、基板支持台３は昇降機構により基板搬入出位置まで降下する。成膜処理後のシリコン基板８は、搬送ロボットにより処理室１外に搬出される。

上記処理条件の範囲として、例示すれば、基板温度：１００〜５００℃、処理室内圧力：１３．３〜１３３Ｐａ（０．１〜１Ｔｏｒｒ）、キャリアガスと反応ガスを加えた総流量：０．１〜２ｓｌｍ、膜厚：１〜５０ｎｍが挙げられる。

ところで、上述したは処理容器１０の壁面全面にヒータを取り付ける加熱方法では、処理容器１０の側面の形状によっては形状が複雑になったり、ヒータの数が多くなったり、あるいは分割の仕方によっては制御ゾーン数も多くなったり、制御が複雑になったりするなどの問題があったことは前述した通りである。
そこで、これを解決するために、本実施の形態では、図１に示すように、処理容器１０の底壁１５の外側に底壁面を加熱する底面加熱ヒータ１３を設けるとともに、処理容器１０の底面部である底壁１５の厚さを側面部である側壁１４の厚さよりも厚くして、底壁１５から側壁１４の方向への熱伝導によりエネルギーの移動量をより大きくしている。

具体的には、図１に示すように、基板処理装置は、処理容器１０の壁面１１を加熱する加熱ヒータを有する。処理容器１０の壁面１１を加熱するヒータは、処理容器１０の底壁１５に設けられ、底面加熱ヒータ１３として機能する。また、底面加熱ヒータ１３により加熱される処理容器１０の底壁１５の厚みａは、側壁１４の厚みｂよりも厚くなっている。底面加熱ヒータ１３の具体例としては、例えば、発熱体を埋め込んだ金属のパネル型のヒータやラバーヒータなどが挙げられる。
なお、処理容器１０の内側面の段差３２は、処理容器１０内の流れの問題等に由来するもので、とくに熱伝導には関係ない。

このように処理容器１０の底壁１５の厚みａが側壁１４の厚みｂよりも厚いと（ａ＞ｂ）、底壁１５から側壁１４への熱伝導によるエネルギーの移動量を大きくできる。したがって、処理容器１０の底壁１５の側に設けられた底面加熱ヒータ１３で底壁１５を加熱してやれば、処理容器１０の底壁１５から処理容器１０の側壁１４を間接的に加熱することができる。したがって、少ないヒータの数で処理容器１０の壁面１１全体を均一な温度に保つことができる。このように少ないヒータの数で処理容器１０の壁面１１全体を均一な温度に保つことができるので、曲面あるいは多平面からなる側壁の加熱は簡便で済ませることが可能になる。

この場合において、特に、処理容器１０の壁面１１を加熱するヒータは、処理容器１０の底壁１５側に設けられ、側壁１４側には設けられないようにすることが可能である。処理容器１０の側壁１４の厚さｂに対する底壁１５の厚さａの比（ａ／ｂ）を、例えば１以上と大きくすれば、底壁１５から側壁１４に充分な熱量を移動できるので、従来のように、側壁１４に側面加熱ヒータを設けなくても、側壁面を加熱することができ、処理容器１０の壁面１１の全体を均一な温度に保つことができる。

なお、底壁１５の厚さａと側壁１４の厚さｂとの比（ａ／ｂ）は１以上が好ましい。１未満では逆に側壁１４から底壁１５への熱移動が起こってしまうから、実施の形態の効果が期待できない。なお、ａとｂとの比の値はより大きいほど熱伝導によるエネルギー移動量が大きいくなるため好ましいが、物理的、経済的、装置構成上からの制約から、ａとｂの比の上限は１０程度が好ましい。

これにより処理容器１０の側壁を直接加熱しなくても、処理容器１０の底壁からの熱が充分に移動してくるため、間接的に側壁面を加熱することができ、処理容器１０の壁面１１全体を容易に均一な温度で保つことができるようになる。また、処理容器１０の底壁は、側壁と異なり、ほぼ一般に単一平面を有するので、曲面あるいは多平面からなる側壁を加熱するよりも簡便に加熱することができる。また、側面加熱ヒータを設ける場合には、処理容器の側壁形状によってはヒータ形状が複雑になったり、ヒータの数が多くなったり、あるいはヒータ分割の仕方によってはヒータ制御ゾーン数も多くなったり、ヒータ制御が複雑になったりするなどの問題が大きいが、本実施の形態によれば、そのような問題を解決できる。

本実施の形態によれば次の効果を発揮できる。
（１）処理容器の底壁の厚みを側壁の厚みよりも厚くしたので、少ない壁面加熱ヒータ数で処理容器の全体を均一な温度に保つことができる。
（２）少ないヒータの数、制御ゾーン数で処理容器の壁面全体を均一な温度で保つことができる。ここで、均一な温度の値とは±１０℃程度である。従来例と実施の形態のヒータ数、制御ゾーン数の比較をすると、基本的に1つのヒータ毎に１つの制御系を設けているので、ヒータ数と制御ゾーン数は同じであるが、その数が従来例では８個くらいであるのが、実施の形態では２個くらいに低減できる。
（３）処理容器の底壁の体積が大きくなるため底壁の熱容量が増し、底壁は熱的な外乱に影響されにくくなる。すなわち側壁は曲面あるいは多平面からなることが多いので、外乱を受けやすいが、側壁に対して外乱が入っても、底壁の熱容量を大きくしておくことによって、底壁から側壁へのエネルギーの速やかな供給が可能となり、側壁に対する外乱を吸収し、壁面全体を均一な温度で保つことができる。

なお、上述し実施の形態では成膜方法にＡＬＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なＣＶＤでもよい。また、本発明は、基板処理装置として枚葉式に限定されず、複数の基板を一括処理するバッチ式にも適用可能である。

実施の形態における基板処理装置の処理室の縦断面図である。従来例による基板処理装置の処理室の縦断面図である。

符号の説明

８基板
１０処理容器
１３底面加熱ヒータ
１４処理容器の側壁（側面部）
１５処理容器の底壁（底面部）
５５基板加熱ヒータ

Claims

基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内の前記基板を加熱するヒータと、
前記処理容器の壁面を加熱するヒータとを有し、
前記処理容器の壁面を加熱するヒータは、前記処理容器の底面部側のみに設けられ、前記処理容器の底面部の厚みが側面部の厚みよりも厚いことを特徴とする基板処理装置。