JP6088659B2 - 基板処理装置及びヒータの温度調節方法 - Google Patents

Description

本発明は，基板処理装置に関するものであり，より詳しくは，ヒータの局部的温度を制御することで均一な温度に基板を過熱して工程を行うことができる基板処理装置及びヒータの温度調節方法に関するものである。

半導体素子製造工程は，高温における基板の均一な熱処理を要求する。このような工程の例としては，物質層が気体状態から反応器内のサセプタに置かれている半導体基板の上に蒸着される化学気相蒸着，シリコーンエピタクシャル成長などがある。サセプタは抵抗加熱，高周波加熱，赤外線加熱によって大よそ４００〜１２５０℃範囲の高温に加熱され，ガスが反応器を通過して化学反応によって気体状態で，蒸着工程が基板表面に非常に近接されて発生する。この反応によって基板の上に所望の生成物が蒸着される。

半導体装置は，シリコーン基板の上に多くの層（layers）を有しており，かような層は蒸着工程を介して基板の上に蒸着される。このような蒸着工程はいくつかの重要な課題を有しており，このような課題は蒸着された膜を評価し蒸着方法を選択するのに重要である。

第一に，蒸着された膜の「質」（quality）である。これは組成（composition），汚染度（contamination levels），欠陥密度（defect density），そして機械的・電気的特性（mechanical and electrical properties）を意味する。膜の組成は蒸着条件に応じて異なり，これは特定の組成（specific composition）を得るために非常に重要である。

第二に，ウェハを横切る均一な厚さ（uniform thickness）である。特に段差（step）が形成された非平面（nonplanar）形状のパターンの上部に蒸着された膜の厚さが非常に重要である。蒸着された膜の厚さが均一であるのか否かは，段差がある部分に蒸着された最小の厚さをパターンの上部面に蒸着された厚さで除した値に定義されるステップカバレッジ（step coverage）により判断する。

蒸着に関する他の課題は空間を埋めること（filling space）である。これは金属ラインの間を，酸化膜を含む絶縁膜で詰めるギャップフィリング（gap filling）を含む。ギャップはメタル配線（metal line)を物理的及び電気的に絶縁するために提供される。このような課題のうち，均一度は蒸着工程に関する重要な課題のうちの一つであり，不均一な膜は，メタル配線の上で高い電気抵抗（electrical resistance）をもたらし，機械的な破損の可能性を増加する。

本発明の目的は，基板を加熱するヒータの周縁に沿って冷却リングを設置してヒータの温度勾配（temperature gradient）を改善することにある。

本発明の他の目的は，後述する詳細な説明と図面からより明確になるはずである。

本発明の一実施形態によると，基板処理装置は基板に対する工程が行われる工程空間を有するメインチャンバーと，前記工程空間に設置されて前記基板が上部に置かれ，前記基板を加熱するヒータと，該ヒータの周縁に沿って配置され，複数個のガス流路が形成されて外部から供給された冷媒が選択的に流れる冷却リングと，前記工程空間に設置され，外部から供給された冷媒を前記流路に向かってそれぞれ供給するガス供給管を有するガイド部材，及び，前記ガス供給管にそれぞれ連結され，前記ガス供給管を開閉するバルブを含み，
前記冷却リングは，前記ガス流路に連結されて前記冷却リングの外側に向かって開放された流出口を有する。

前記ガイド部材は，前記メインチャンバーの底面に沿って連結される底板と，該底板の側部に沿って連結される側板と，前記ヒータに向かって突出して前記側板に連結され，前記冷却リングを支持する支持部材と，を更に含む。

前記ガイド部材は，前記側板の上部に起立設置される突出部を有し，前記基板処理装置が，前記突出部の上部に連結されてシャワーヘッドを介して供給された工程ガスを，外部に排出可能な工程ガス排出孔及び前記流出口に対応する位置に形成されて前記冷媒を外部に排出可能な冷媒排出孔を有する排気リングを更に有する。

前記冷却リングは前記ガス流路の上部に配置され，シャワーヘッドを介して供給された工程ガスを外部に排出可能な上部排出孔を有する。

前記ガス流路は前記ヒータを中心に等角を成して配置される。
前記冷却リングは前記ヒータから離隔配置される。

本発明の一実施形態によると，ヒータの温度調節方法は，上部に基板が置かれたヒータの周りに冷却リングを配置し，該冷却リングは，前記ヒータの周縁に沿って離隔形成された複数のガス流路を有する配置ステップと，前記ヒータの温度分布に応じて予め設定された温度より高い温度を有する前記ヒータの高温領域を決定し，前記ガス流路のうち前記高温領域の外側に配置されたガス流路にのみ冷媒を供給して前記ヒータの温度分布を調節する調節ステップと，を含む。該調節ステップは複数のガス供給管をそれぞれの前記ガス流路に連結し複数のバルブをそれぞれの前記ガス供給管に設置して，前記高温領域の外側に配置された前記ガス流路上の前記バルブは開放し，残りのバルブは閉鎖する。

前記調節ステップは，前記冷却リングの内側又は外側に形成されてそれぞれの前記ガス流路に連結された複数の流出口のうち，前記高温領域の外側に配置された前記ガス流路に連結された流出口を介して，前記冷媒を排出するステップを更に含む。

本発明の一実施形態によると，ヒータの周縁に沿って冷却リングを設置して基板を加熱するヒータの温度勾配を改善することで基板の品質を向上することができる。

本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。 図１に示す冷却リングを介して冷媒の流動の流れによるヒータの熱交換状態を示す図である。 図１に示す冷却リングに形成されたガス流路の配置状態を示す図である。 図２に示す冷却リングの他の実施形態を示す図である。 図１に示すガス流路とガス供給管の連結状態を示す図である。 本発明の他の実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。 本発明のさらに他の実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を添付した図１乃至図５を参照して，より詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変形されてもよく，本発明の範囲が後述する実施形態に限定されると解釈してはならない。本実施形態は，当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明を，より詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。

図１は，本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。図１に示すように，基板処理装置１は，メインチャンバー１０とチャンバー蓋２０を含む。メインチャンバー１０は上部が開放された形状であり，一側に基板Ｗが出入可能な通路（図示せず）を有する。基板Ｗはメインチャンバー１０の一側に形成された通路を介してメインチャンバー１０の内部に出入する。ゲートバルブ（図示せず）は通路の外部に設置され，通路はゲートバルブによって開放されるか閉鎖される。

チャンバー蓋２０は，メインチャンバー１０の開放された上部に連結され，外部から遮断されて工程空間３を有する。メインチャンバー１０とチャンバー蓋２０との間にはシーリング部材（図示せず）が設置され，工程空間３を完全に密閉する。ガス供給孔７５はチャンバー蓋２０の天井壁を貫通するように形成され，工程ガス供給管７７を介して工程ガスがメインチャンバー１０の内部に供給される。工程ガス供給管７７は工程ガス貯蔵タンク７０に連結され，バルブ７９を開閉して工程ガス投入量を調節する。

チャンバー蓋２０の下端面には，複数個の拡散孔６５を具備するシャワーヘッド６０が設置される。シャワーヘッド６０は，同じ高さに形成された複数個の拡散孔６５を介して，工程ガスを基板Ｗの上に普く供給する。工程ガスは水素（Ｈ₂）又は窒素（Ｎ₂）又は所定の他の不活性ガスを含み，シラン（ＳｉＨ₄）又はジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）のようなプリカーサーガス（precursor gas）を含む。また，ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）又はホスフィン（ＰＨ₃）のようなドーパントソースガスを含んでもよい。シャワーヘッド６０は，ガス供給孔７５を介して供給された工程ガスを，基板Ｗに向かって拡散し流動する。シャワーヘッド６０を介して供給されたガスは，所定の工程を終えた後，後述する排気空間に移動してから排気空間と連通するようにメインチャンバー１０の他側に形成された排気通路１３を介して排気される。

基板処理装置１の工程空間３にはヒータ３０が設置される。ヒータ３０は外部電源（図示せず）から電流を供給されて発熱し，ヒータ３０の上部面には基板Ｗがローディングされて装着される装着溝（図示せず）が形成される。ヒータ３０は，基板Ｗを均一に加熱するために基板Ｗの形状と対応する円形のディスク状を有し，基板Ｗの面積より広い。ヒータの中央部下側には貫通孔３１が形成され，支持軸３５はヒータ３０の下部に連結されてヒータ３０を支持する。支持軸３５は駆動部（図示せず）と連結され，ヒータ３０と共に回転する。

また，基板処理装置１の内部空間３は，基板Ｗを処理するに当たって，内部の雰囲気を真空状態にし基板処理装置１外部の雰囲気を遮断するためにベローズ３８を更に含む。ベローズ３８は，メインチャンバー１０の貫通孔３１に設置された上部固定部材３３の下部一側と連結される。ベローズ３８は圧縮及び伸張可能であり，環状に形成されることが好ましい。また，ベローズ３８は，支持軸３５を囲む状態で上部固定部材３３と下部固定部材（図示せず）との間に配置される。

ガイド部材８０は，メインチャンバー１０の底面と側面に沿って設置される。ガイド部材８０はメインチャンバー１０の底面に設置される底板８２，メインチャンバーの側面に沿って設置される円筒状の側板８４及び側板８４の内周面に沿って連結されてヒータ３０に向かって突出される支持部材８６を含む。ガイド部材８０の内面には複数のガス供給管９７を有し，ガス供給管９７はそれぞれ連結管９５と連結される。連結管９５は，上部固定部材３３を貫通して挿入設置される。連結管９５は上部固定部材を貫通して貫通孔３１の側壁に沿って底板８２に形成されたガス供給管９７にそれぞれ連結される。すなわち，冷媒は，冷媒貯蔵タンク９０から連結された連結管９５及びガス供給管９７を介して後述する冷却リング４０のガス流路４５を通過してから排出される。

最近，基板Ｗのサイズが大型化するにつれ，ヒータ３０のサイズも共に増加する傾向にある。それによって，基板Ｗ上の均一な温度分布を生成することが困難である。すなわち，基板Ｗを予め設定された工程温度に加熱する過程でヒータの故障又は性能低下，そしてヒータＷの輻射熱が局部的に不均衡になる問題を改善するために，ヒータＷの周縁に沿って冷却リング４０を設置し，ヒータＷの局部的温度変化によって発生する基板Ｗの温度変化を最小化することができる。支持部材８６の上端部には冷却リング４０が設置される。冷却リング４０はヒータＷの周縁に予め設定された間隔に離隔配置され，好ましくは１０mm以下の間隔に設置される。また，冷却リング４０はヒータＷの高温によく耐える耐火物材料で設置され，熱膨張係数が小さく，熱伝導係数を上げるためにＡｌ₂Ｏ₃とＹ₂Ｏ₃などをコーティングする。

冷却リング４０は複数個のガス流路４５を有し，ガス流路４５はそれぞれ対応するガス供給管９７と連結される。流入口（図２の４３）を介してガス供給管９７と連通されて，冷媒がガス流路４５に向かって流入され，冷媒は流出口（図２の４７）を介して排出される。連結部材８８は側板８４の上部に起立設置され，排気リング５０は連結部材８８の上端部に連結される。好ましくは，シャワーヘッド６０の側下端部と連結部材８８の上端部に連結されてメインチャンバー１０の側壁から離隔され，外側に位置した排気空間と内側に位置した工程空間３を区画する。

排気リング５０は，上下部にそれぞれ工程ガス排出孔５３及び冷媒排出孔５７が予め設定された間隔に形成される。シャワーヘッド６０を介して分散された工程ガスは基板Ｗとの所定工程の後，工程ガス排出孔５３を介して排気ポート１５に排出され，冷却リング４０のガス流路４５に供給された冷媒は流出口（図２の４７）と対応する位置に形成される冷媒排出孔５７を介して，排気ポート１５に排出される。排気ライン１７は排気ポート１５に連結され，工程ガス排出孔５３を介して排出される未反応ガス又は反応生成物，そして冷媒排出孔５７を介して排出される冷媒ガスは排気ライン１７を介して排出される。このガスは排出ライン１７に連結された排気ポンプ１９を介して外部に強制排出される。

図２は，図１に示した冷却リングを介して冷媒の流動の流れによるヒータの熱交換状態を示す図である。上述したように，冷却リング４０は複数個のガス流路４５を有する。図２に示すように，ガス流路４５はそれぞれ対応するガス供給管９７に連通して冷媒を供給される。ガス流路４５は流入口４３と流出口４７を有し，流入口４３を介して供給された冷媒は，ガス流路４５を通過し，流出口４７に排出されることで冷媒が供給される予め設定されたヒータ３０領域の温度が減少される。すなわち，ヒータ３０の局部的な温度偏差はガス流路４５を介して冷媒を供給することでヒータ３０全体の均一な温度勾配をもたらす。

図３は，図１に示す冷却リングに形成されたガス流路４５の配置状態を示す図である。図３に示すように，冷却リング４０は複数個のガス流路４５を有する。ガス流路４５はヒータ３０の中心Ｃで等角を成して配置され，ガス流路４５の直径は０．５〜５mmが好ましい。本実施形態では２４個のガス流路４５を有する冷却リング４０を例に挙げて説明するが，ガス流路４５の個数は予め設定された間隔に追加するか減らしてもよい。

例えば，２４個のガス流路４５を有する冷却リング４０が設置される場合，ヒータ３０も同じく２４個の区域（zone）に区画される。そのうち，相対的に高い温度を有する区域Ｈに当たるガス流路４５に連結されたバルブ（図示せず）を開放して冷媒が流動する場合，冷却リング４０のうち区域Ｈに当たる部分が冷媒によって冷却され，それを介して区域Ｈを間接冷却することで区域別温度を均一に調節することができる。

一方，本実施形態ではガス流路４５の内部を流れる冷媒が流出口４７を介して冷却リング４０の外側に排出されることを説明しているが，図４に示すように，冷媒は，冷却リング４０の内側に排出されてヒータ３０に直接噴射されてもよく，流出口４７は，冷却リング４０の内側に向かって開放されてもよい。ヒータ３０は，冷却リング４０から噴射された冷媒を介して直接冷却されてもよい。

図５は，図１に示したガス流路４５とガス供給管９７の連結状態を示す図である。上述したように，ガス流路４５はそれぞれに対応するガス供給管９７と連結される。第１ガス流路は第１ガス供給管と連結され，第２ガス流路は第２ガス供給管と連結される。それぞれのガス供給管９７には冷媒の供給を制御するバルブが設置され，バルブはガス供給管９７を開閉，又は流量を調節してそれぞれのガス流路４５への冷媒供給を制御する。よって，ガス流路４５に冷媒を供給することでヒータ３０の局部的温度差を最小化して基板Ｗを加熱することで基板Ｗの工程均一度を向上することができる。複数のバルブ及び流量調節器ＭＦＣはそれぞれ制御器に連結され，制御器はヒータ３０に設置された熱電対（thermocouple）を介してヒータ３０の温度分布を測定した後，複数のバルブ及び流量調節器ＭＦＣを介して前述のようにフィードバック制御することでヒータ３０の温度偏差を最小化することができる。

本発明を好ましい実施形態を介して詳細に説明したが，それらとは異なる実施形態ないし実施例も可能である。よって，後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。

発明を実施するための形態
以下，本発明の好ましい実施形態を添付した図６及び図７を参照してより詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変形してもよく，本発明の範囲が後述する実施形態に限られると解釈してはならない。本実施形態は，当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。

図６は，本発明の他の実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。これまで図１乃至図５を介して説明した内容と後述する構成要素と実質的に同じ構成要素を示す符号は，図１乃至図５のものと同じく付与し，その部位に対する詳細な説明は前述の説明内容に代替される。図５では，説明の便宜上図１の基板処理装置１との差を中心に説明する。

図６に示すように，支持部材８６とシャワーヘッド６０との間には冷却リング４０が設置されて工程空間３を隔離する。冷却リング４０の下部面には複数個のガス流路４５が予め設定された間隔に形成され，上部面には複数個の上部排出孔４８が形成される。冷却リング４０に形成されるガス流路４５はそれぞれの冷媒供給管９７と連通して冷媒を供給される。ガス流路４５を介して冷媒を供給することでヒータ３０の局部的温度偏差を制御することができるし，冷却リング４０の上部面に形成された上部排出孔４８を介して工程後の反応生成物又は未反応ガスを排気ポート１５を介して外部に排出する。すなわち，図１に示す内容とは異なり，別途に排気リングを具備せずに冷却リング４０自体だけでもヒータ３０の温度均一化及び工程ガスの排出が可能である。よって，ガス流路４５に供給される冷媒を介してヒータ３０の局部的温度差を最小化して基板Ｗを加熱することで，基板Ｗの品質を向上することができる。

図７は，本発明のさらに他の実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。図７に示すように，連結管９５はシャワーヘッド６０のフランジ部及びチャンバー蓋２０を貫通して設置され，連結管９５は冷媒貯蔵タンク９０に連結される。

上述した形態によると，冷却リング４０をヒータ３０の周縁に設置し，冷却リング４０に冷媒を位置によって選択的に供給することで冷却リング４０の一部領域を冷却することができ，それを介してヒータ３０の一部領域を冷却することでヒータ３０の温度不均一を調節することができる。特に，冷媒は不活性ガスであってもよく，不活性ガスは工程に直接的な影響を及ぼさないため，工程進行中にもヒータ３０の温度不均一を調節し，工程の均一度を改善することができる。

好ましい実施形態を介して本発明を詳細に説明したが，それとは異なる実施形態ないし実施例も可能である。よって，後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。

本発明は，多様な形態の半導体製造設備及びその製造方法に応用される。

Claims (8)

1. 基板に対する工程が行われる工程空間を有するメインチャンバーと，
   前記工程空間に設置され，前記基板が上部に置かれ，前記基板を加熱するヒータと，
   前記ヒータの周縁に沿って配置され，複数個のガス流路が前記ヒータの周縁に沿って離隔形成され，外部から供給された冷媒が流れる冷却リングと，
   前記工程空間に設置され，外部から供給された冷媒を前記ガス流路に向かってそれぞれ供給するガス供給管を有するガイド部材，及び，
   前記ガス供給管にそれぞれ連結され，前記ガス供給管を開閉するバルブを含み，
   前記冷却リングは，前記ガス流路に連結され，前記冷却リングの内側又は外側に向かって開放された流出口を有することを特徴とする基板処理装置。
2. 前記ガイド部材は，
   前記メインチャンバーの底面に沿って連結される底板と，
   前記底板の側部に沿って連結される側板と，
   前記ヒータに向かって突出され，前記側板に連結され，前記冷却リングを支持する支持部材と，を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記ガイド部材は，前記側板の上部に起立設置される突出部を有し，
   前記基板処理装置は，
   前記突出部の上部に連結され，シャワーヘッドを介して供給された工程ガスを外部に排出可能な工程ガス排出孔及び前記流出口に対応する位置に形成されて前記冷媒を外部に排出可能な冷媒排出孔を有する排気リングを更に有することを特徴とする請求項２記載の基板処理装置。
4. 前記冷却リングは前記ガス流路の上部に配置され，シャワーヘッドを介して供給された工程ガスを外部に排出可能な上部排出孔を有することを特徴とする請求項２記載の基板処理装置。
5. 前記ガス流路は前記ヒータを中心に等角を成して配置されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
6. 前記冷却リングは，前記ヒータから離隔配置されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
7. 上部に基板が置かれたヒータの周りに冷却リングを配置し，前記冷却リングは前記ヒータの周縁に沿って離隔形成された複数のガス流路を有する配置ステップと，
   前記ヒータの温度分布に応じて予め設定された温度より高い温度を有する前記ヒータの高温領域を決定し，前記ガス流路のうち前記高温領域の外側に配置されたガス流路にのみ冷媒を供給して前記ヒータの温度分布を調節する調節ステップと，を含み，
   前記調節ステップは複数のガス供給管をそれぞれの前記ガス流路に連結し複数のバルブをそれぞれの前記ガス供給管に設置して，前記高温領域の外側に配置された前記ガス流路上の前記バルブは開放し，残りのバルブは閉鎖するヒータの温度調節方法。
8. 前記調節ステップは，前記冷却リングの内側又は外側に形成されてそれぞれの前記ガス流路に連結された複数の流出口のうち，前記高温領域の外側に配置された前記ガス流路に連結された流出口を介して，前記冷媒を排出するステップを更に含む請求項７記載のヒータの温度調節方法。

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