JPH0997765A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の温度を均一化させてる基板処理装置を
提供する。 【解決手段】 処理容器１内に配置され軸２２により支
持された基板ホルダ２０上に基板Ｓを載置すると共に、
処理容器１内にガスを導入しながら基板Ｓを加熱手段に
より所定温度に保持して該基板Ｓに所定の処理を施す基
板処理装置において、加熱手段は、基板ホルダ２０を介
して基板Ｓを加熱するための第１のヒータ２９ａと、軸
２２を加熱する第２のヒータ２９ｂとから構成され、基
板温度をその中心部から周辺部に亘って均一にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ等の
基板の表面に薄膜を形成したり、基板の表面に形成され
ている薄膜に対してエッチング処理を施したりするのに
好適な基板処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体ウェハ等の基板の
表面に薄膜を形成する方法には幾つかある。気相成長法
もその１つである。気相成長法は、高温下での原料ガス
の化学反応を利用したもので、各種の膜を強い付着強度
で得られること、膜厚制御が比較的容易であることなど
の利点を備えている。そして、実際に基板の表面に薄膜
を形成する基板処理装置としては、複数の基板の表面に
同時に成膜するバッチ式の装置が広く使用されている。

【０００３】しかし、近年では基板である半導体ウェハ
が大口径化しているため、バッチ式の装置ではウェハ面
内やウェハ間の成膜の均一性を確保することが困難にな
っている。このようなことから、半導体素子製造の分野
では、半導体ウェハに対して１枚毎に成膜する枚葉式の
装置が使用される傾向にある。

【０００４】枚葉式の装置では、スループットを向上さ
せるために、成膜速度を高速化させる必要がある。成膜
速度を高速化する手段としては、成膜温度を高くすると
ともに基板を回転させながら成膜する方法が考えられて
いる。すなわち、基板を回転させることによって基板表
面近傍のガスを遠心力で送り出すことができ、この送り
出しで境界層の厚みを薄くできる。この結果、高温の基
板に対して原料ガスの拡散を容易化でき、その結果とし
て成膜速度を増加させることができる。このような作用
は、基板の表面に形成されている薄膜に対してエッチン
グ処理を行う場合においても有効である。すなわち、高
温の基板に対するエッチングガスの拡散速度を速めるこ
とができるので、エッチングに要する時間を短縮するこ
とができる。

【０００５】ところで、上記のように成膜処理時やエッ
チング処理時に基板を回転させるようにした基板処理装
置では、処理容器内に配置された基板ホルダを何等かの
手段で回転自在に支持し、これに回転駆動力を与える必
要がある。これを実現する最も一般的な方法として、基
板ホルダに回転軸を直結し、この回転軸を軸受で支持す
るとともにモータで回転軸に回転力を与えることが考え
られる。

【０００６】しかし、基板ホルダに搭載された基板を回
転させながら、基板ホルダの基板搭載面と反対側に配置
された加熱用ヒータにより、基板表面温度を例えば６０
０〜９００℃程度に均一に保持する必要がある。この基
板温度の均一性は、製造される半導体素子の性能を考慮
すると６００〜９００℃にもなる基板表面温度を±０．
１〜３℃程度の範囲で均一に保持しなければならない。
もし基板表面の温度が不均一になると基板表面を処理し
て形成される成長薄膜の厚さがばらついたりし、基板と
しての諸性能が出なくなるからである。

【０００７】基板の加熱は、基板ホルダ下部に配置され
た加熱用ヒータの輻射熱によるものと、基板と基板ホル
ダと加熱用ヒータとの間に存在するガスを介しての熱伝
導によって行われる。このようにガスの熱伝導により行
われるのは、基板と基板ホルダと加熱用ヒータとのそれ
ぞれの間隔が極微小であることから自然対流が起こり難
いからである。

【０００８】しかしながら、従来の基板処理装置におい
ては、基板ホルダに連結された回転軸を介して熱が逃
げ、基板ホルダの回転軸が連結される中央部分で基板ホ
ルダの温度が低下し易かった。特に、回転軸を支持する
軸受が高温になると安定な回転が確保できないことから
回転軸を強制冷却して１００℃以下程度に冷却し、軸受
部分を保護する構造を採用している場合には、この回転
軸を介して基板ホルダから逃げる熱量は増大する。この
ような影響により、基板の温度は外周部よりも中心部が
低くなり、基板の温度分布を均一化させることが困難と
なっている。

【０００９】そして、基板に温度分布が付いたままで処
理を行った場合には、例えば成膜処理の場合には薄膜の
厚さが不均一になり基板としての諸性能が得られなくな
るといった問題点を有していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の通り、従来の基
板処理装置においては、基板ホルダに連結された回転軸
を介して熱が逃げるため、基板の温度は外周部よりも中
心部が低くなり、基板の温度分布を均一化させることが
困難となっていおり、基板の処理状態を均一できず、基
板としての諸性能を満足できないという問題点を有して
いる。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、基板の温度を均一化させて、基板の処理状
態を均一にし、安定して基板としての諸性能を出せる基
板処理装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、処理容器内に
配置され軸により支持された基板ホルダ上に基板を載置
すると共に、前記処理容器内にガスを導入しながら前記
基板を加熱手段により所定温度に保持して該基板に所定
の処理を施す基板処理装置において、前記加熱手段は、
前記基板ホルダを介して前記基板を加熱するための第１
の加熱手段と、前記基板ホルダと前記軸との連結部近傍
を加熱する第２の加熱手段とから構成したことを特徴と
している。

【００１３】また、前記第２の加熱手段は、前記基板ホ
ルダと前記軸との連結部近傍を加熱するように配置され
ていることを特徴としている。また、前記軸を軸方向に
複数に分割したことを特徴としている。

【００１４】また、本発明の基板処理装置は、処理容器
と、この処理容器内に配置されて基板を保持する基板ホ
ルダと、この基板ホルダに連結された回転軸と、この回
転軸を回転可能に支持する軸受手段と、前記回転軸に回
転駆動力を与える駆動手段と、前記基板ホルダを介して
前記基板を加熱する第１の加熱手段と、前記回転軸と前
記基板ホルダとの連結部近傍を加熱する第２の加熱手段
とを備えたことを特徴としている。

【００１５】つまり、基板ホルダが連結される軸部近傍
に基板ホルダを介して基板を加熱する加熱ヒータとは別
に基板ホルダが連結される軸部を加熱するための軸ヒー
タを設けることにより基板温度をその中心部から周辺部
に亘って均一にするように構成したものである。

【００１６】また基板ホルダが連結される軸部を軸方向
に複数に分割することにより、軸を介して逃げる熱を抑
制し、基板中心部で温度が低下するのを抑制するように
構成している。

【００１７】この様な構成とすることにより、第２の加
熱手段（軸ヒータ）を設けることにより、従来基板ホル
ダの軸部下部には加熱手段が無いがために、基板中心部
の加熱不足や軸を介して熱が逃げることにより、基板周
縁部に対して基板中心部の温度が低下するという問題点
を解決できる。つまり第２の加熱手段（軸ヒータ）によ
り基板中心部の加熱不足や軸を介して熱が逃げることを
補償することにより基板の温度を均一化できる。

【００１８】また可能な限り基板ホルダと軸との連結部
に近い軸周辺に第２の加熱手段（軸ヒータ）を設置する
ことにより、軸を介しての熱の逃げを最小限に止めるこ
とができる（軸受手段は熱に弱いため常温付近まで冷却
する必要があり、できるだけ軸から熱が侵入しないよう
にすることが肝要）。よって加熱手段のロスを小さく
し、なおかつ基板の温度を均一化できる。

【００１９】また基板ホルダに連結される軸をその軸方
向に分割することにより、軸を介して逃げる熱の量を小
さくすることができ、よって加熱手段のロスを小さく
し、なおかつ基板の温度を均一化できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。図１には本発明の一実施形態に係
る基板処理装置、ここには本発明を枚葉式の基板処理装
置に適用した例の概略断面図が示されている。

【００２１】図１を用いて、概略の全体構成について説
明する。図中１は処理容器を示している。この処理容器
１は実際には幾つかのパーツの組合せによって構成され
ているが、ここでは図の簡単化を図るために一体に形成
されているように示されている。

【００２２】処理容器１内の上方には処理室２が形成さ
れており、下方には後述する磁気軸受３４および回転駆
動機構としてのモータ３５を収容する収容空間３が形成
されている。

【００２３】処理室２の上壁１１は石英板等の透明部材
で形成されている。そして、上壁１１の上方には図示し
ない放射温度計等が配置される。処理室２内で上壁１１
に対向する位置には、石英等の耐熱性透明部材で形成さ
れた整流板１２が配置されている。整理板１２の上面周
縁部には環状の仕切板１３が配置されており、この仕切
板１３によって整流板１２と上壁１１との間が原料ガス
供給室１４とパージガス供給室１５とに区画されてい
る。原料ガス供給室１４は原料ガス導入口１６を介して
図示しない原料ガス供給源に選択的に接続され、またパ
ージガス供給室１５はパージガス導入口１７を介して図
示しないパージガス供給源に選択的に接続される。

【００２４】処理室２の側壁で上部位置には、後述する
被処理基板Ｓを処理室２へ出し入れするための搬入口１
８が設けられている。この搬入口１８は被処理基板Ｓを
出し入れする期間以外は図示しないバルブによって閉じ
られている。処理室２の側壁で下部位置には、処理室２
を通過した原料ガスおよびパージガスを排出するための
排気口１９が周方向の複数箇所に亘って形成されてい
る。

【００２５】処理室２内で中央部上方位置には被処理基
板Ｓを保持するための基板ホルダ２０が配置されてい
る。この基板ホルダ２０は、ガス発生量を抑え、かつ高
温雰囲気や腐食雰囲気に耐えさせるためにカーボン系の
材料によって形成されている。なお、この例において、
基板ホルダ２０は、基板ホルダ本体２１と、この本体２
１の下面中央部から下方に向けて所定長さ筒状に延びた
軸部２２と、この軸部２２の下端に一体に形成されたフ
ランジ部２３とで形成されている。そして、フランジ部
２３がネジ２４を介して回転軸２５の上端部に連結され
ている。この構造から判るように、軸部２２およびフラ
ンジ部２３は、回転軸２５の一部を構成している。

【００２６】回転軸２５は、ステンレス鋼などで形成さ
れており、実際には幾つかのパーツの組合せによって構
成されているが、ここでは図の簡単化を図るために一体
に形成されているように示されている。回転軸２５は中
空に形成されており、フランジ部２３との連結部分に、
軸部２２より大径な、たとえば軸方向の長さが25mm，内
径が28mm、周壁の厚みが2mm の中空大径部２６が形成さ
れている。そして、この回転軸２５の下端側は収容空間
３まで延びている。

【００２７】基板ホルダ２０の周囲には、遮熱筒２７が
配置されており、この遮熱筒２７は支持材２８を介して
処理室２の側壁に固定されている。基板ホルダ２０の下
方位置には、基板ホルダ２０に近接させて加熱源として
の第１の電気ヒータ２９ａが配置されている。この第１
の電気ヒータ２９ａは給電路を兼ねた支持材３０によっ
て処理室２の側壁に固定されている。第１の電気ヒータ
２９ａへの給電線は絶縁状態で処理室２の外に導かれて
いる。第１の電気ヒータ２９とフランジ部２３との間に
は遮熱板３１が配置されている。

【００２８】また回転軸２５の一部を成す軸部２２の周
囲には軸部２２を加熱するための第２の電気ヒータ２９
ｂ（軸ヒータ）が配置されている。この第２の電気ヒー
タ２９ｂも給電路を兼ねた支持材３０によって処理室２
の側壁に固定される（第１の電気ヒータ２９ａと位相を
ずらして支持材３０に支持されているので図１では現れ
ていない）と共に、第２の電気ヒータ２９ｂへの給電線
は絶縁状態で処理室２の外に導かれている。なお、この
第２の電気ヒータ２９ｂは望ましくは基板ホルダ２０と
軸部２２との連結部近傍に配置し、基板ホルダ２０と軸
部２２との連結部近傍を加熱すれば、軸部２２を介して
磁気軸受３４へ伝達される熱量をよくせいすることがて
きる。

【００２９】回転軸２５に形成された中空大径部２６の
周囲には、中空大径部２６との間に1mm 程度の微小ギャ
ップＡを設けて冷却液流路３２が対向配置されている。
この冷却液流路３２には導入口３３から25℃程度の冷却
水が導入され、図示しない排出口から排出される。

【００３０】処理室２のいわゆる底壁には、中空大径部
２６と冷却液流路３２との間に形成された微小ギャップ
Ａにパージガスを流すためのパージガス導入口５５が設
けられ、このパージガス導入口５５を通して水素、ヘリ
ウム、ネオンなどの熱伝導率の大きなガスが供給され
る。

【００３１】一方、収容空間３には、回転軸２５に設け
られた要素との間で回転軸２５の非接触支承を実現する
磁気軸受３４と回転軸２５に対して非接触に回転力を与
えるモータ３５とが配置されている。

【００３２】磁気軸受３４は、ラジアル軸受３６、３７
とスラスト軸受３８とからなる５軸制御型に構成されて
いる。ラジアル軸受３６、３７は、回転軸２５の外周に
装着された磁性リング３９と、この磁性リング３９の周
囲に固定されるとともに周方向に等間隔に４つの磁極４
０を設けてなる固定継鉄４１と、各磁極４０に装着され
た制御コイル４２とで構成されている。

【００３３】スラスト軸受３８は、回転軸２５に設けら
れた鍔部４３と、この鍔部４３の上下面に固定された環
状の磁性板４４，４５と、これら磁性板４４，４５に対
向するように固定された断面Ｕ字状の固定継鉄４６，４
７と、この固定継鉄４６，４７に装着された制御コイル
４８，４９とで構成されている。

【００３４】これらラジアル軸受３６，３７およびスラ
スト軸受３８は、図示しないセンサで検出された変位信
号を入力すると図示しない制御装置によって各制御コイ
ル４２，４８，４９の電流が制御され、これによってラ
ジアル方向、スラスト方向ともに完全な非接触支承を実
現している。なお、制御方法については公知であるか
ら、詳しい説明は省略する。

【００３５】収容空間３の下部壁には、収容空間３に侵
入しようとするプロセスガスを押し出す形に水素、ヘリ
ウム、ネオンなどのパージガスを収容空間３に流すため
のパージガス導入口５０が形成されている。

【００３６】なお、図１中、５１は回転軸２５内および
基板ホルダ２０の軸部２２内に、これらとは非接触に軸
部２２の基端近くまで差込まれて基板ホルダ２０（被処
理基板Ｓ）の温度計測に供される熱電対を示し、５２，
５３は磁気軸受３４を動作させていない期間に回転部を
仮に支持するタッチダウン軸受を示している。

【００３７】またこの例では、中空大径部２６と冷却液
流路３２との間の微小ギャップＡに十分な量のパージガ
スを流すためにパージガス導入口５５を設けている。そ
して、このように構成された基板処理装置の使用例、こ
こでは被処理基板Ｓとして半導体ウェハを用い、この半
導体ウェハ上にシリコンの薄膜を気相成長させる場合に
ついて説明する。

【００３８】まず冷却液流路３２に図１中実線矢印で示
すように冷却水を連続的に流す。また磁気軸受３４を動
作させて回転部を完全非接触に支承させる。次に、ガス
供給口１６，１７を介して処理室２へ水素ガスを連続的
に流し、またパージガス導入口５０，５５を介して図中
破線矢印で示すようにパージガスとしての水素を連続的
に供給し、処理室２内の圧力が所定値となるようにす
る。

【００３９】次に、モータ３５を駆動して基板ホルダ２
０（被処理基板Ｓ）を所定の回転数（数百〜数万ｒｐ
ｍ）で回転させ、続いて第１および第２の電気ヒータ２
９ａ，２９ｂを付勢して基板ホルダ２０（被処理基板
Ｓ）を所定の温度に制御する。なお、温度の計測は熱電
対５１や図示しない放射温度計によって行われる。

【００４０】この状態で例えばガス供給口１６にシラン
ガスおよび水素ガスを供給して被処理基板Ｓの表面に薄
膜成長を開始させる。なお、図１に示す装置を用いてシ
リコンウェハの表面にポリシリコンの成膜を行った時の
シリコンウェハの温度分布と比較のために従来の基板処
理装置、すなわち第２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）
を設けずに第１の電気ヒータ２９ａのみを用いた場合の
温度分布をれぞれ図２に示す。

【００４１】すなわち、図２は本発明に係る第２の電気
ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）有無の場合の双方の被処理基
板Ｓの温度の分布データを示している。被処理基板Ｓの
径が200mm で１分後と３分後の温度分布を例として示し
てある（定常温度達成時間はヒータの入力方法によ
る）。被処理基板Ｓが基板ホルダ２０に搭載された後、
ほぼ３分経過した頃から被処理基板Ｓ上で薄膜を成長さ
せた場合、図３の結果から、第２の電気ヒータ２９ｂ
（軸ヒータ）の有無によって被処理基板Ｓの中心部にお
いて約２０℃もの温度差が生じていることが理解でき
る。すなわち、第２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）有
の場合には３分後に、被処理基板Ｓの中心部から周縁部
に亘って基板表面温度が均一化されているのに対して、
第２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）無の場合には３分
後でも、被処理基板Ｓの中心部の温度が周縁部に比較し
て約２０℃程度低く、温度分布が不均一となっているこ
とが理解できる。

【００４２】この結果から明らかなように、本発明の第
２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）の有無が被処理基板
Ｓの生産性に大きく影響し、第２の電気ヒータ２９ｂ
（軸ヒータ）が無ければ被処理基板Ｓの温度が定常に達
するまでの時間が長時間かかり、しかも温度分布が不均
一となるため成長薄膜の膜厚に大きく影響する。しかし
本発明に示した通り第２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒー
タ）を用いることにより被処理基板Ｓの温度を定常にす
るまでの時間を短くすることができ、さらに被処理基板
Ｓの温度分布を中心部から周縁部に亘って全体に均一化
させることが容易と成る。

【００４３】また図示はしないが、可能な限り基板ホル
ダ２０と軸部２２との連結部に近い部分に第２の電気ヒ
ータ２９ｂ（軸ヒータ）を設置することにより、回転軸
２５を介して軸受部３４（回転装置部）への熱の逃げを
最小限に抑制することができる（回転装置部は熱に弱い
ため常温付近まで冷却する必要があり、可能な限り回転
軸から熱が伝達されないようにすることが要求されてい
る）。よって電気ヒータのロスを小さくし、尚且つ回転
装置部の温度を低く保持しながら被処理基板Ｓの温度を
均一にできる。

【００４４】次に、図３に第２の電気ヒータ２９ｂ（軸
ヒータ）の入力を変化させた場合の実験結果を示す。第
１の電気ヒータ２９ａの入力はは一定とし、第２の電気
ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）のみ定格入力および定格入力
のの0.5 倍と1.5 倍の３通りの実験結果を示す。この様
に、第２の電気ヒータ２９ｂ（軸ヒータ）の入力を種々
変化させて制御することにより、被処理基板Ｓ中心部の
温度を自在にコントロールでき、かつ定常に達する時間
を短くできることが理解できる。

【００４５】図４と図５は、基板ホルダ２０に連結され
る回転軸２５の一部である軸部２２を分割にした例を示
すために回転軸の部分を拡大した図である。図４は、軸
部２２を軸方向に２分割として嵌め合いにし、ピン５２
で固定した例である。

【００４６】また図５（ａ）と（ｂ）は、軸部２２を同
じく軸方向に２分割し、分割面を凹凸状に形成し、嵌め
合いで固定した例である。このように基板ホルダ２０に
連結される軸部２２を軸方向へ分割して複数の部材から
構成することにより、軸部２２を介して軸受部（回転装
置部）へ伝わる熱の量を小さくすることができ。したが
って、さらに電気ヒータのロスを小さくし、尚且つ回転
装置部の温度を低く保持しながら被処理基板Ｓの温度を
均一にできる。

【００４７】なお、本発明は上記の実施形態に限定され
ること無く実施することができる。例えば、磁気軸受３
４の制御軸数は、五軸に限らず、三軸や一軸でも良く、
また軸受として磁気軸受以外の、通常のボールベアリン
グ等により回転軸にと接触して支持するタイプの軸受を
用いた装置にも適用することができる。

【００４８】また、本発明は回転軸２５を冷却する冷却
手段を設けていない型式の基板処理装置にも適用可能で
ある。さらに、上記説明では基板ホルダを回転させる装
置について説明したが、本発明は基板ホルダを回転させ
ること無く被処理基板Ｓに所定の処理を行う基板処理装
置にも適用が可能である。また基板処理装置として、被
処理基板Ｓの表面に成膜を行う例を示したが、先に記載
した通りにエッチング処理を行う装置にも本発明は適用
できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、基板の温度を中心部か
ら周縁部に亘って均一に保持でき、基板としての諸性能
を満足した処理が行える基板処理装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概
略断面図。

【図２】 本発明に係る基板処理装置と比較例とのそれ
ぞれの基板温度分布データを示す図。

【図３】 本発明に係るヒータを設けた場合の基板温度
分布データを示す図。

【図４】 本発明に係る軸部を分割した形状例を示す模
式図。

【図５】 本発明に係る軸部を分割した他の形状例を示
す模式図。

【符号の説明】

Ｓ 被処理基板（基板） １ 処理容器 ２ 処理室 ３ 収容容器 １２ 整流板 １４ 原料ガス供給室 １５ パージガス供給室 １６ 原料ガス導入口 １７ パージガス導入口 １８ 被処理基板出入用の搬入口 １９ 排気口 ２０ 基板ホルダ ２５ 回転軸 ２６ 中空大径部 ２９ａ 第１の電気ヒータ ２９ｂ 第２の電気ヒータ ３２ 冷却液流路 ３３ 冷却液導入口 ３４ 磁気軸受 ３５ モータ ３６，３７ ラジアル軸受

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理容器内に配置され軸により支持された
   基板ホルダ上に基板を載置すると共に、前記処理容器内
   にガスを導入しながら前記基板を加熱手段により所定温
   度に保持して該基板に所定の処理を施す基板処理装置に
   おいて、 前記加熱手段は、前記基板ホルダを介して前記基板を加
   熱するための第１の加熱手段と、前記軸を加熱する第２
   の加熱手段とから構成されていることを特徴とする基板
   処理装置。
2. 【請求項２】処理容器と、 この処理容器内に配置されて基板を保持する基板ホルダ
   と、 この基板ホルダに連結された回転軸と、 この回転軸を回転可能に支持する軸受手段と、 前記回転軸に回転駆動力を与える駆動手段と、 前記基板ホルダを介して前記基板を加熱する第１の加熱
   手段と、 前記回転軸と前記基板ホルダとの連結部近傍を加熱する
   第２の加熱手段とを備えたことを特徴とする基板処理装
   置。
3. 【請求項３】前記第２の加熱手段は、前記基板ホルダと
   前記軸との連結部近傍を加熱するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
4. 【請求項４】前記軸を軸方向に複数に分割したことを特
   徴とする請求項１に記載の基板処理装置。