KR20080014612A - 기판처리 장치 및 기판처리 방법 - Google Patents

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KR20080014612A
KR20080014612A KR1020070074988A KR20070074988A KR20080014612A KR 20080014612 A KR20080014612 A KR 20080014612A KR 1020070074988 A KR1020070074988 A KR 1020070074988A KR 20070074988 A KR20070074988 A KR 20070074988A KR 20080014612 A KR20080014612 A KR 20080014612A
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야스아키 오리하라
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

복수의 기판을 연속적으로 처리한 경우이어도, 각 기판에 대하여 극히 균일한 기판처리를 행할 수 있는 기판처리 장치 및 기판처리 방법을 제공한다.
내부에 기판(13)이 배치되는 챔버(3)를 구비한다. 챔버(3) 내에 배치된 기판(13)과 대향하는 위치에는 챔버(3) 내에 배치된 기판(13)을 가열하는 램프 유닛(2)이 설치된다. 챔버(3)와 램프 유닛(2) 사이에는, 챔버(3)의 상부 벽면을 구성함과 아울러, 램프 유닛(2)으로부터의 방사광을 투과시키는 투과창(7)이 설치되어 있다. 투과창(7)의 램프 유닛(2)측에는, 투과창(7)을 벽면으로 하는 윈도우 어셈블리(4)가 설치되어 있다. 윈도우 어셈블리(4)에는, 감압 수단이 접속되고 있고, 압력제어 수단(18)이 당해 감압 수단을 제어함으로써, 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력이 임의의 압력으로 유지된다.
램프 유닛, 투과창, 감압실, 압력제어 수단, 기판처리 장치, 기판처리 방법.

Description

기판처리 장치 및 기판처리 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING A SUBSTRATE}
본 발명은 램프에 의해 가열된 상황하에서 기판처리를 행하는 기판처리 장치 및 기판처리 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치를 구성하는 소자 패턴의 미세화에 따라, 얇은 게이트 절연막이나 얕은 불순물 확산 영역 등을, 처리량을 저하시키지 않고, 균일하게, 또한 안정하게 형성하는 것이 필요하게 되었다. 이 때문에, 반도체 장치의 제조공정에서는, 단시간의 열처리를 낱장식으로 행하는 RTP(rapid thermal process)형의 기판처리 장치가 사용되게 되었다. 이 종류의 기판처리 장치로서, 기판 가열용 램프가 방사하는 에너지에 의해 반도체 기판을 가열한 상태에서 기판처리를 행하는 램프식 RTP 장치가 개발되어, 일반적으로 보급되고 있다.
도 5는 상기 램프식 RTP 장치(100)(이하, 기판처리 장치(100)라고 한다.)를 도시하는 단면도이다. 당해 기판처리 장치(100)는 기판처리가 행해지는 원통 모양의 챔버(3)의 상부에, 윈도우 어셈블리(4)를 통하여 복수의 텅스텐 할로겐 램프가 배열 설치된 램프 유닛(2)을 구비하고 있다.
챔버(3)의 측벽에는, 챔버(3) 내에 프로세스 가스를 도입하기 위한 가스 도입로(11)가 연통되고, 가스 도입로(11)와 대향하는 위치의 측벽에는, 챔버(3) 내의 가스를 배출하는 가스 도출로(12)가 연통되어 있다. 예를 들면, 기판(13) 상에 산화막이나 질화막 등의 특정한 재료막을 형성하기 위해서, 온도를 상승시켜 성막처리를 행하는 경우에는, 당해 재료막에 맞는 재료 가스가 가스 도입로(11)로부터 도입된다. 또한 이온주입에 의해 불순물이 주입된 기판(13)의 활성화 어닐링 처리를 행하는 경우에는, N2 가스나 Ar 가스 등의 불활성 가스가 가스 도입로(11)로부터 도입된다.
챔버(3)의 내부에는 처리 대상이 되는 기판(13)의 직경보다도 약간 작은 내경을 갖는 실리콘 카바이드 등의 내열 재료로 이루어지는 지지 링(9)이 수평면 내에 배치되어 있다. 지지 링(9)은 챔버(3)의 하면으로부터 연직 상방으로 돌출하는 원통 모양의 회전 실린더(10)에 지지되어 있고, 지지 링(9)의 내측 가장자리부에 기판(13)의 에지부가 재치된다. 또, 회전 실린더(10)는 수평면 내에서 회전가능한 축받이(도시 생략)를 통하여, 챔버(3)의 바닥면에 지지되어 있고, 기판처리는 기판(13)을 회전시키면서 실시된다. 또한, 기판(13)은, 예를 들면 챔버(3)의 측벽에 개폐 자유롭게 설치된, 도시하지 않은 기판 입출구로부터 반입출 된다.
챔버(3) 바닥면에는, 회전 실린더(10)의 내측의 영역에 기판(13)의 반경방향으로 적당한 간격을 두고 배치된 광파이버 프로브로 이루어지는 복수의 방사온도 센서(14)의 일단이 노출되어 있다. 이 광파이버 프로브의 타단에는, 도시하지 않 은 파이로미터 등의 온도계측기가 접속되고 있고, 기판(13)의 하면으로부터 방사되는 광(복사열)에 의해, 기판처리 중의 기판면의 온도가 기판의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 계측된다. 이 계측 결과에 기초하여, 온도제어 수단(15)에 의해, 기판(13)의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 온도가 균일하게 되도록 램프 유닛(2)의 각 램프의 출력이 제어되게 되어 있다.
또, 윈도우 어셈블리(4)는 상방 석영 플레이트(6)와 하방 석영 플레이트(7) 사이에 광 파이프(5)가 복수 배치된 구조를 갖고 있다. 광 파이프(5)는 램프 유닛(2)의 각각의 램프에 위치 맞추어진 상태에서 상방 석영 플레이트(6)와 하방 석영 플레이트(7) 사이에 고정되어 있다. 광 파이프(5)는 각각의 램프로부터 방사된 광을 확산시키지 않고 챔버(3)로 전송한다. 또, 상방 석영 플레이트(6)와 하방 석영 플레이트(7)의 윈도우 어셈블리(4) 내부측에는 각 광 파이프(5) 사이를 연결하는 미소한 홈(또는 오목부)이 형성되어 있다. 이 때문에, 광 파이프(5) 중 1개에 연통된 배기관(8)을 통하여 배기를 행함으로써, 모든 광 파이프(5)의 내부를 감압할 수 있다.
이상의 구성에 의하면, 기판 처리를 행할 때에, 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 챔버(3)의 내부 압력과 동등하거나 그 이하의 압력까지 감압할 수 있다. 이 때문에, 챔버(3) 내부를 감압한 상태에서 기판처리가 행해질 경우, 윈도우 어셈블리(4) 내부가 챔버(3) 내부보다도 압력이 높은 경우에 하방 석영 플레이트(7)가 챔버(3)로 끌려 들어가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 챔버(3)보다도 윈도우 어셈블리(4) 내부의 압력이 낮은 경우에는, 복수 배치된 광 파이프(5)가 하방 석영 플레이트(7)를 지지하기 때문에, 석영 플레이트(7)가 윈도우 어셈블리(4) 내로 끌려 들어가서 파손되는 일은 없다.
또, 이상의 구성에 의하면, 챔버(3)의 상부 벽면을 실질적으로 실링하는 하방 석영 플레이트(7)를 대단히 얇게 할 수 있다. 이 결과, 하방 석영 플레이트(7)를 통과할 때의 광의 감쇠를 억제한 상태에서, 램프로부터 조사된 광을 기판(13)에 도달시키는 것이 가능하게 된다.
상기한 바와 같은 장치 구성을 사용한, 게이트 산화막이나 보호 산화막을 형성하는 기술로서, 챔버(3) 내에 산화성 가스를 도입한 상태에서 램프 가열을 행하는 RTO(rapid themal oxidation)나, 챔버(3) 내에 산화성 가스와 수소 가스를 도입한 상태에서 램프 가열을 행하는 ISSG(in situ steam generation) 산화가 있다(예를 들면 특허문헌 1 등 참조). 특히 ISSG 산화는 양질의 게이트 산화막을 형성할 수 있기 때문에 많이 사용되고 있다.
ISSG 산화에서는, 챔버(3) 내를 저압(예를 들면, 1∼50Torr)으로 유지한 상태에서 산화성 가스와 수소 가스가 가스 도입로(11)로부터 챔버(3) 내로 도입된다. 당해 상태에서, 램프 가열에 의해 기판(13)이 가열된다. 이때, 기판(13) 표면에서 산화성 가스와 수소 가스가 직접 반응을 일으켜, 기판(13) 표면에 산소 라디칼이나 H2O가 발생한다. 이것들에 의해 기판(13)의 표면이 산화된다.
그렇지만, 램프 가열에 의해 연속적으로 기판처리를 행하는 경우, 1장째에 처리한 기판의 산화막 두께와 2장째 이후에 처리한 기판의 산화막 두께가 달라져 버린다고 하는 문제가 발생한다. 이것은, 1장째의 기판을 처리할 때의 챔버(3) 내의 온도 분포와, 2장째 이후의 기판을 처리할 때의 챔버(3) 내의 온도 분포가 다른 것에 기인하고 있다. 이 대책으로서, 챔버(3) 내부의 예비 가열을 행한 후에, 산화처리를 개시하는 수법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 등 참조).
특허문헌 1 일본 특표 2001-527279호 공보
특허문헌 2 일본 특개 2005-175192호 공보
상기한 바와 같이 산화처리 개시 전에 챔버 내부를 예비가열하는 기술을 채용함으로써, 1장째와 2장째 이후의 막 두께 차를 저감할 수는 있다. 그렇지만, 당해 기술을 적용한 경우이어도, 예를 들면, 25장 등의 비교적 많은 매수의 기판(13)을 연속적으로 처리하는 경우에는, 1장째에 처리한 기판의 산화막 두께와 25장째에 처리한 기판의 산화막 두께가 약간 상이하다(예를 들면 0.2nm 정도). 약간의 두께 차이지만, 특히 극히 얇은 게이트 산화막을 형성하는 경우에는, 이 약간의 막 두께 차가 반도체 장치의 전기적 특성을 크게 변동시켜버린다.
본원 발명자는, 이상과 같은 기판처리 회수에 따라서 산화막 두께가 증대하는 현상을 상세하게 검토했다. 그 결과, 당해 현상의 원인이 저압하에서 램프 가열을 행하는 경우에는, 대기압(760 Torr)하에서 램프 가열을 행하는 경우보다, 챔버(3)를 구성하는 부재(특히, 하방 석영)의 방열이 생기기 어렵게 된 것라는 식견을 얻었다. 저압(진공)하에서는, 대기압하보다도 기체 분자의 대류에 의한 방열이 발생하기 어려워, 기체 분자를 통한 열전도가 지배적이 된다. 이 때문에, 저압하에서는 대기압하에 비해 방열 효율이 나빠진다. 즉, 챔버(3)의 구성 부재의 방열 효율이 내려가고, 처리 회수에 따라 서서히 열이 축적된 챔버(3)의 구성 부재가 챔버(3) 내부의 분위기 온도를 상승시킨다. 이 결과, 산화 레이트가 처리 매수에 따라 서서히 증대하는 것이다.
특히, 도 5에 도시한 바와 같은 윈도우 어셈블리(4)를 구비하는 기판처리 장 치(100)에서는, 윈도우 어셈블리(4)의 내부가 계속 감압되어, 그 내부 압력은, 예를 들면, 2 Torr 이하의 압력으로 유지되어 있다. 이 때문에, 램프 유닛(2)에 의해 가열된 하방 석영 플레이트(7)의 표면에서는, 대기압하보다도 기체 분자의 대류에 의한 방열이 발생하기 어려워 열이 축적된다. 또, 챔버(3) 내에 산화성 가스를 흘린 상태에서 기판처리마다 램프를 소정의 온도까지 상승시키는 연속처리에서는, 램프에 의해 가열된 챔버(3) 내의 구성 부재(주로 기판(13)이나 지지 링(9))의 복사열에 의해서도 하방 석영 플레이트(7)에 열이 축적된다. 그 열이 기판(13) 표면의 분위기 온도를 상승시키고, 그 결과, 산화 레이트도 상승시켜버리는 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 종래의 기판처리 장치(100)에서는, 기판(13)의 온도는 방사온도 센서(14)에 의해 측량된 기판(13)의 이면 온도에 기초하여, 소정 온도로 제어되어 있다. 이 때문에, 종래의 기판처리 장치(100)에서는, 기판(13) 표면측에 접하고 있거나, 또는 그 근방에 존재하는 분위기의 온도의 계측이나, 당해 분위기 온도의 제어를 행할 수 없어, 챔버를 구성하는 부재에 기인하는 분위기 온도의 상승을 피할 수 없다.
본 발명은 상기 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 복수의 기판을 연속적으로 처리한 경우이어도, 각 기판에 대하여 극히 균일한 기판처리를 행할 수 있는 기판처리 장치 및 기판처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 채용하고 있다. 즉, 본 발명에 따른 기판처리 장치는, 내부에 기판이 배치되는 챔버를 구비한 다. 챔버 내에 배치된 기판과 대향하는 위치에는, 챔버 내에 배치된 기판을 가열하는 램프 유닛이 설치된다. 챔버와 램프 유닛 사이에는, 챔버의 벽면을 구성함과 아울러, 램프 유닛으로부터의 방사광을 투과시키는 투과창이 설치되어 있다. 투과창의 램프 유닛측에는 투과창을 벽면으로 하는 감압실이 설치되어 있다. 감압실에는, 감압 수단이 접속되어 있고, 압력제어 수단이 당해 감압 수단을 제어함으로써, 감압실 내부의 압력은 임의의 압력으로 유지된다.
본 구성에 의하면, 감압실의 내부 압력을 챔버의 내부 압력과 독립하여 임의의 압력으로 유지할 수 있고, 투과창의 방열 효율을 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 연속처리에서의 투과창으로의 열축적을 경감할 수 있고, 연속처리되는 각 기판의 처리에서 각 기판 표면의 분위기 온도를 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 각 기판 사이에서 균일한 기판처리를 행할 수 있다.
또, 상기 구성에서 감압실은 상기 투과창과 대향하는 위치에, 상기 램프 유닛으로부터의 방사광을 투과시키는 벽면을 구비하고, 당해 벽면의 외면에 상기 램프 유닛이 설치되는 구성을 채용할 수 있다. 또는, 감압실은 상기 램프 유닛의 내부에 배치해도 된다. 또한, 기판처리를 연속적으로 복수회 행하는 경우, 상기 압력제어 수단은 시행된 기판처리 회수에 따라 상기 감압실의 내부 압력을 증가시키는 것이 바람직하다.
한편, 다른 관점에서는, 본 발명은 챔버의 벽면을 구성하는 투과창을 통하여, 챔버 외부에 설치된 램프 유닛으로부터의 방사광을 도입함으로써, 챔버 내에 설치된 기판을 가열하는 기판처리를 연속적으로 행하기에 적합한 기판처리 방법을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 기판처리 방법은, 우선, 투과창의 램프 유닛측에 설치된 상기 투과창을 벽면으로 하는 감압실의 내부 압력을 시행된 기판처리 회수에 따라 설정된 소정 압력으로 한다. 그리고, 당해 상태에서, 챔버 내에 설치된 기판을 방사광에 의해 가열하여, 기판처리를 행한다.
이것에 의해, 연속처리에서의 투과창으로의 축열을 경감할 수 있고, 연속처리되는 각 기판의 처리에서 각 기판 표면의 분위기 온도를 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 각 기판 사이에서 균일한 기판처리를 행할 수 있다.
본 구성에서, 기판처리는 챔버 내부가 압력을 감압된 상태에서 행할 수 있다. 또한 감압실 내부의 압력은 챔버 내부의 압력 이하의 압력으로 할 수 있다. 또한, 감압실의 내부 압력을 시행된 기판처리 회수에 따라 증가시켜도 된다.
예를 들면, 상기 기판처리는 챔버 내에 산화성 가스와 수소 가스를 포함하는 가스를 도입하여 기판에 산화물을 형성하는 처리로 할 수 있다. 이 경우, 챔버 내에서의 산화성 가스의 분압과 수소 가스의 분압의 합계는 1 Torr에서 50 Torr의 범위인 것이 바람직하다. 특히, 상기 산화성 가스가 산소 가스이고, 챔버 내부에 수증기 및 산소 라디칼을 발생시켜 산화처리를 행하는 경우에 바람직하다.
본 발명에 의하면, 감압실 내부의 압력을 임의인 압력으로 유지할 수 있기 때문에, 투과창의 방열 효율을 제어할 수 있다. 이 때문에, 연속처리에서의 투과창으로의 축열을 경감할 수 있고, 연속처리되는 각 기판의 처리에서 각 기판 표면의 분위기 온도를 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 각 기판 사이에서 균일한 기판 처리를 행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하의 실시형태에서는, ISSG 산화에 의해 실리콘 기판의 표면에 산화막을 형성하는 사례로서 본 발명을 구체화하고 있다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에서의 기판처리 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 또한, 도 1에서, 도 5에 도시한 종래의 기판처리 장치와 동일한 부위에는 동일한 부호를 붙이고, 이하에서의 상세한 설명을 생략한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 기판처리 장치(1)는 종래의 기판처리 장치(100)와 마찬가지로, 기판처리가 행해지는 원통 형상의 챔버(3)의 상부에 윈도우 어셈블리(4)를 통하여, 텅스텐 할로겐 램프 등의 램프가 동일한 면 내에 복수 배열 설치된 램프 유닛(2)을 구비한다.
챔버(3)의 측벽에는 가스 도입로(11)가 연통되고, 가스 도입로(11)와 대향하는 위치의 측벽에는 가스 도출로(12)가 연통되어 있다. 챔버(3)의 내부에는, 처리대상이 되는 기판(13)의 직경보다도 약간 작은 내경을 갖는 실리콘 카바이드 등의 내열 재료로 이루어지는 지지 링(9)이 수평면 내에 배치되어 있다. 지지 링(9)은 원통 모양의 회전 실린더(10)에 지지되어 있고, 지지 링(9)의 내측 가장자리부에 기판(13)의 에지부가 재치된다. 회전 실린더(10)는 수평면 내에서 회전가능한 축받이(도시 생략)를 통하여, 챔버(3)의 바닥면에 지지되어 있고, 기판처리는 기판(13)을 회전시킨 상태에서 실시된다.
챔버(3)의 바닥면에는 회전 실린더(10)의 내측의 영역에 기판(13)의 반경방향으로 적당한 간격을 두고 배치된 광파이버 프로브로 이루어지는 복수의 방사온도 센서(14)가 배치되어 있다. 이 방사온도 센서(14)의 타단에는 도시하지 않은 파이로 미터 등의 온도계측기가 접속되어 있고, 기판(13)의 하면으로부터 방사되는 광(복사열)에 의해, 기판처리 중의 기판면의 온도가 기판의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 계측된다. 이 계측결과에 기초하여 온도제어 수단(15)에 의해, 기판의 중심부에서 외주부에 걸쳐서 온도가 균일하게 되도록 램프 유닛(2)의 각 램프의 출력이 제어된다.
윈도우 어셈블리(4)는 상방 석영 플레이트(6)와 하방 석영 플레이트(7)(투과창) 사이에 복수의 광 파이프(5)가 고정된 구조를 갖고 있다. 광 파이프(5)는 램프 유닛(2)의 각각의 램프에 위치 맞추어져 있고, 광 파이프(5)는 각각의 램프로부터 방사된 광을 확산시키지 않고 챔버(3)로 전송한다. 또, 상방 석영 플레이트(6)와 하방 석영 플레이트(7)의 윈도우 어셈블리(4) 내부측에는 각 광 파이프(5) 사이를 연결하는 미소한 홈(또는 오목부)이 형성되어 있다. 이 홈의 작용에 의해, 광 파이프(5) 중 1개에 연통된 배기관(8)을 통하여 배기를 행함으로써, 모든 광 파이프(5)의 내부를 감압할 수 있다. 또한, 이하에서는, 각 광 파이프(5)의 내부를 포함하는, 상방 석영 플레이트(6), 하방 석영 플레이트(7) 및 윈도우 어셈블리(4)의 측벽에 둘러싸인 공간을 간다히 윈도우 어셈블리(4)의 내부(감압실)라고 한다.
한편, 본 실시형태의 기판처리 장치(1)는 도 1에 도시하는 바와 같이 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 임의의 압력으로 유지하는 압력제어 수단(18)을 구비하 고 있다. 압력제어 수단(18)은, 예를 들면, 전용의 연산회로나, 프로세서와 RAM이나 ROM 등의 메모리를 구비한 하드웨어, 및 당해 메모리에 저장되고, 프로세서 상에서 동작하는 소프트웨어 등으로서 실현할 수 있다.
또, 기판처리 장치(1)는 배기관(8)에 개재된 컨덕턴스 가변 밸브(17)를 구비함과 아울러, 컨덕턴스 가변 밸브(17)와 윈도우 어셈블리(4) 사이의 배기관(8)에 배기관(8) 내의 압력을 측량하는 압력계측기(16)를 구비한다. 압력계측기(16)의 출력은 압력제어 수단(18)에 입력되어 있고, 압력제어 수단(18)은 압력계측기(16)의 계측결과에 기초하여 컨덕턴스 가변 밸브(17)의 개구도를 변경함으로써, 윈도우 어셈블리(4) 내부의 압력을 이하에서 상세히 설명하는 임의 압력으로 조정한다. 또한, 배기관(8)의 타단은 도시하지 않은 진공펌프에 접속되어 있는 것은 말할 필요도 없다. 또한 배기관(8)의 배기계는 챔버(3) 내를 감압하는 진공계와는 다른 계통으로서 구성되어 있다.
도 2는, 상기 구성을 갖는 기판처리 장치(1)에서, 연속적으로 복수회의 기판처리가 행해지는 경우의 수순을 도시하는 흐름도이다. 또한, 전술한 바와 같이, 본 실시형태의 기판처리 장치(1)는 기판(13)이 1매씩 처리되는 낱장식의 장치이기 때문에, 본 실시형태에서는 처리 회수와 처리 매수가 일치한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 연속적으로 복수회의 기판처리가 행해지는 경우, 우선, 챔버(3)의 내부가 기판처리가 행해질 때의 압력과 동등한 압력으로 감압된다. 이때, 윈도우 어셈블리(4)의 내부도 챔버(3)의 내부와 동일한 압력으로 감압된다.(도 2 스텝 S1). 이어서, 챔버(3) 내에 처리 대상의 기판(13)이 반입되고, 지지 링(9) 상에 재치된다(도 2 스텝 S2). 또한, 기판(13)의 반출입이 행해지는 기판 입출구의 외부에는, 로도 로킹 챔버가 설치되어 있고, 챔버(3)가 감압된 상태에서 기판(13)의 반출입을 할 수 있게 되어 있다.
계속해서, 가스 도입관(11)을 통하여, 챔버(3) 내에 산화성 가스와 수소 가스를 포함하는 프로세스 가스가 도입된다(도 2 스텝 S3). 이때, 챔버(3) 내부는 기판처리가 실시되는 소정 압력으로 유지된다. 본 실시형태에서는, 프로세스 가스로서, 산소 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 사용하고, 챔버(3)의 내부 압력을 1 Torr∼50 Torr 정도의 압력으로 유지하고 있다.
챔버(3) 내부의 압력이 안정되면, 램프 유닛(2)의 램프를 점등함으로써, 지지 링(9) 상의 기판(13)이 가열된다(도 2 스텝 S4). 이때, 기판(13)의 표면에서는, 산소 라디칼이나 H2O(수증기)가 발생한다. 이것들에 의해 기판(13)의 표면이 산화된다. 본 실시형태에서는, 램프 점등 시간은 목적으로 하는 산화막 두께에 따라 다르지만 10초∼200초 정도이다. 램프가 소등된 후, 챔버(3) 내부가 아르곤 가스 등의 불활성 가스에 의해 퍼지되고(도 2 스텝 S5), 처리가 완료된 기판(13)이 챔버(3)로부터 반출된다(도 2스텝 S6). 처리완료된 기판(13)이 반출되었을 때, 다음 처리 기판이 존재하는 경우에는, 다음 처리 기판이 챔버(3) 내에 반입되고, 상기의 기판처리가 실시된다(도 2 스텝 S7 Yes→스텝 S2). 이때, 압력제어 수단(18)은 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 그 시점에서 연속적으로 처리가 행해진 회수에 따라, 소정 압력으로 증대시킨다(도 2 스텝 S8). 또한, 본 실시형태에서는, 압 력제어 수단(18)에는, 연속적인 기판처리에서, 이미 실시된 기판처리 회수에 따른 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력이 기억되어 있다. 예를 들면, 연속적으로 실시되는 기판처리에서, 이미 실시된 기판처리 회수가 5회일 경우, 압력제어 수단(18)은 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 시행된 처리회수가 5회에 대응하는 압력으로 설정한다. 또, 본 실시형태에서는, 압력제어 수단(18)에는 기판처리 회수에 따라서 일정한 비율로 상승하는 압력이 시행된 처리회수마다 설정되어 있다.
한편, 기판처리가 완료되었을 때, 다음 처리기판이 존재하지 않는 경우에는 기판처리가 완료된다(도 2스텝 S7No).
도 3은 이상과 같은 연속적으로 기판처리를 행한 경우에, 각 처리에서 기판(13) 상에 형성된 산화막 두께와 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력(압력계측기(16)의 출력값)을 도시하는 모식도이다. 도 3에서, 횡축은 처리 매수(처리 회수)에 대응하고, 좌측 종축은 각 기판 상에 형성된 산화막 두께에 대응하고 있다. 또, 우측 종축은 각 기판처리 시의 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력에 대응하고 있다. 또한, 도 3에서는, 본 실시형태에서의 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 1점 쇄선(21)으로 나타내고, 산화막 두께를 실선(22)으로 나타내고 있다. 또, 도 3에는, 비교예로서, 종래법에서의 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력을 파선(31)으로 나타내고, 산화막 두께를 점선(32)으로 나타내고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 종래의 기판처리 장치(100)에서는 압력제어가 행해져 있지 않기 때문에, 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력(31)은 배기계가 구비하는 진공펌프의 능력 한계(예를 들면 2 Torr 이하)에서 거의 일정하게 되어 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 하방 석영 플레이트(7)의 방열 효율이 낮고, 연속처리의 과정에서, 챔버(3) 내의 구성 부재(주로 기판(13)이나 지지 링(9))의 복사열에 의해, 하방 석영 플레이트(7)는 처리 매수(처리 회수)에 따라서 서서히 축열된다. 그 열이 기판(13) 표면의 분위기 온도를 상승시키고, 그 결과, 각 기판 상에 형성된 산화막의 막 두께(32)는 처리 매수(처리 회수)에 따라서 증가하고 있다.
한편, 본 실시형태에서는, 각 기판을 처리할 때에, 압력제어 수단(18)이 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력(21)을 처리 매수(처리 회수)마다 상승시키고 있다. 이러한 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력 조정은 도 1에 도시하는 압력계측기(16)에서 검지된 압력을 압력제어 수단(18)이 시행된 처리 매수와 비교하여, 최적의 압력이 되도록, 컨덕턴스 가변 밸브(17)의 개폐 정도를 제어함으로써 행해진다. 이것에 의해, 연속적으로 기판처리가 행해질 때에, 하방 석영 플레이트(7)의 방열 효율을 높일 수 있어, 챔버(3) 내의 구성 부재(주로 기판(13)이나 지지 링(9))로부터의 복사열에 의한 하방 석영 플레이트(7) 축열을 막을 수 있다. 이것은 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력을 상승시킴으로써 기체 분자의 대류에 의한 방열 효과가 서서히 커져, 챔버(3) 내부의 구성 부재로의 축열을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이 결과, 챔버(3) 내의 분위기 온도의 상승이 억제되어, 각 기판 상에 형성된 산화막의 막 두께(22)는 처리 매수(처리 회수)에 상관없이, 안정된 값으로 할 수 있다.
이상과 같이 하여 형성한 산화막은 막 두께가 1∼50nm 정도이어도, 연속처리된 각 기판 간의 막 두께 차를 현저하게 작게 할 수 있다. 이 때문에, 게이트 절연막이나 STI(Shallow Trench Isolation) 소자 분리의 측벽 보호 산화막 등으로서, 극히 유용하다.
또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력(21)은 기판을 처리할 때마다, 임의의 경사를 가지게 하여 상승시키는 것이 바람직하다. ISSG 산화에서는, 연속처리 중에, 어느 정도의 경사를 가지게 하여 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력(21)을 변화시켜 갈지는, 형성하는 산화막의 목표막 두께에 따라 다르지만, 이 경사는 예비적인 실험에 의해 구할 수 있다. 또한, 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력의 조정을 기판처리마다 행하는 것은 필수가 아니라, 예를 들면, 2회마다 등, 복수회의 기판처리마다, 윈도우 어셈블리(4)의 내부 압력의 조정을 행하는 구성이어도 된다.
또, 윈도우 어셈블리(4) 내의 압력은 배기관(8)에 접속된 펌프의 능력 하한(예를 들면 0.01 Torr)부터, 기판처리가 실시될 때의 챔버(3) 내의 압력(예를 들면 1∼50 Torr)까지의 사이에서 변화시키는 것이 바람직하다. 이것은 상승시키는 압력의 상한이 챔버(3) 내의 처리 압력을 초과하면, 그 차압에 의해 하방 석영 플레이트(7)가 챔버(3) 내로 끌려 들어가 파손되는 우려가 있기 때문이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 윈도우 어셈블리(감압실) 내부의 압력을 임의의 압력으로 유지할 수 있기 때문에, 투과창의 방열 효율을 독립하여 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 연속처리에서의 투과창으로의 축열을 경감할 수 있어, 연속처리되는 각 기판의 처리에서, 각 기판 표면의 분위기 온도를 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 각 기판 사이에서 균일한 기판처리를 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 이상에서 설명한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 범위에서, 여러 변형 및 응용이 가능하다. 예를 들면, 상기에서는 윈도우 어셈블리(4) 내부의 압력을 연속처리 중의 시행된 처리 회수에 따라 소정의 압력으로 조정했지만, 램프 유닛으로부터의 방사광을 챔버(3) 내에 도입하는 챔버 벽면(투과창)의 챔버 외방측의 압력을 조정할 수 있으면, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
예를 들면, 윈도우 어셈블리(4)가 없는 경우에는, 도 4에 도시하는 구성을 채용할 수 있다. 도 4에서는, 램프 유닛(2) 내부의 램프와, 챔버(3) 내부에 당해 램프로부터의 방사광을 도입하는 투과창(47)과의 사이에, 투과창(47)을 벽면으로 하는 감압실(48)이 설치되어 있다. 즉, 감압실(48)은 램프 유닛(2)에 내장되어 있다. 감압실(48)에는, 도 1에 예시한 기판처리 장치(1)와 마찬가지로, 복수의 광 파이프(5)가 램프 유닛(2)에 배치된 램프와 위치 맞추어진 상태로 고정되어 있다. 투과창(47) 광 파이프(5)가 접촉하는 면에는 미소한 홈이 형성되어 있고, 광 파이프(5) 중 1개 연통된 배기관(8)을 통하여, 모든 광 파이프(5)의 내부가 감압 가능하게 되어 있다. 다른 구성은 도 1에 예시한 기판처리 장치(1)와 동일하다.
당해 장치에서도, 감압실(48) 내부의 압력을 압력조정 수단(18)에 의해 연속처리 중의 시행된 처리 회수에 따라, 상기한 압력조정을 행함으로써, 연속처리에서의 투과창으로의 축열을 경감할 수 있고, 연속처리되는 각 기판의 처리에서, 각 기판 표면의 분위기 온도를 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 각 기판 사이에서 균일한 기판처리를 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 산화처리를 행하는 기판처리 장치에 한하지 않고, 램프의 방사광에 의해 기판을 가열한 상태에서 기판처리를 행하는 어떠한 기판처리 장치에도 적용 가능하다. 본 발명을 적용함으로써, 연속처리되는 각 기판 사이에서, 균일한 기판처리를 실시할 수 있다.
본 발명은 연속적으로 기판처리를 행하는 경우에, 기판처리 회수에 따라서 투과창에 축적된 열에 기인하는 분위기 온도의 상승을 방지할 수 있어, 특히 극히 얇은 게이트 산화막 등을 연속적으로 형성하는 기판처리 장치 및 기판처리 방법으로서 유용하다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에서의 기판처리 장치를 도시하는 개략 단면도,
도 2는 본 발명의 1실시형태에서의 기판처리를 도시하는 흐름도,
도 3은 본 발명의 1실시형태에서의 산화막 두께 및 윈도우 어셈블리 내부 압력의 처리 매수에 대한 관계를 도시하는 모식도,
도 4는 본 발명의 1실시형태에서의 기판처리 장치의 변형예를 도시하는 개략 단면도,
도 5는 종래의 기판처리 장치를 도시하는 개략 단면도이다.
(부호의 설명)
1, 100 기판처리 장치 2 램프 유닛
3 챔버 4 윈도우 어셈블리(감압실)
5 광 파이프 6 상방 석영 플레이트
7 하방 석영 플레이트(투과창) 8 배기관
11 가스 도입로 12 가스 도출로
13 기판 14 방사온도 센서
15 온도제어 수단 16 압력계측기
17 컨덕턴스 가변 밸브 18 압력제어 수단
21 윈도우 어셈블리의 내부 압력 22 산화막 두께
47 투과창 48 감압실

Claims (11)

  1. 내부에 기판이 배치되는 챔버와,
    상기 챔버 내에 배치된 기판과 대향하는 위치에 설치되어, 상기 기판을 가열하는 램프 유닛과,
    상기 챔버와 상기 램프 유닛과의 사이에 설치되어, 상기 챔버의 벽면을 구성하는 동시에, 상기 램프 유닛으로부터의 방사광을 투과시키는 투과창과,
    상기 투과창의 상기 램프 유닛측에 마련되어진, 상기 투과창을 벽면으로 하는 감압실과,
    상기 감압실 내부를 감압하는 수단과,
    상기 감압 수단을 제어해서 상기 감압실 내부의 압력을 임의의 압력으로 유지하는 압력제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기판처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감압실이, 상기 투과창과 대향하는 위치에, 상기 램프 유닛으로부터의 방사광을 투과시키는 벽면을 구비하고, 당해 벽면의 외면에 상기 램프 유닛이 설치되는 것을 특징으로 하는 기판처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 감압실이, 상기 램프 유닛의 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 기판처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 기판처리를 연속적으로 여러번 행할 경우, 상기 압력제어 수단은, 기(旣)기판처리회수 에 따라 상기 감압실의 내부 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 기판처리 장치.
  5. 챔버의 벽면을 구성하는 투과창을 통해서, 챔버 외부에 설치된 램프 유닛으로부터의 방사광을 도입하는 것에 의해, 챔버 내에 설치된 기판을 가열하는 기판처리를, 연속적으로 여러번 행하는 기판처리 방법에 있어서,
    상기 투과창의 상기 램프 유닛측에 마련되어진, 상기 투과창을 벽면으로 하는 감압실 내부의 압력을, 기(旣)기판처리회수 에 따라 설정된 소정압력으로 하는 스텝과,
    상기 챔버 내에 설치된 기판을 상기 방사광에 의해 가열하고, 기판처리를 행하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 기판처리는, 상기 챔버의 내부가 감압된 상태에서 행하여지는 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 감압실의 내부 압력이, 상기 챔버의 내부 압력 이하의 압력인 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감압실의 내부 압력을, 기(旣)기판처리회수에 따라 증가시키는 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 기판처리가, 상기 챔버 내에 산화성 가스와 수소 가스를 포함하는 가스를 도입해서 기판에 산화물을 형성하는 처리인 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 챔버 내에 있어서의 상기 산화성 가스의 분압과 수소 가스의 분압의 합계가 1 Torr로부터 50 Torr의 범위인 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 산화성 가스가 산소 가스이며, 상기 챔버 내부에, 수증기 및 산소 라디칼을 발생시키는 것을 특징으로 하는 기판처리 방법.
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