説明

半導体製造装置

【課題】ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第2のヒータと、前記第1のヒータと第2のヒータを加熱制御する制御部であって、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する制御部とから半導体製造装置を構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、CVD処理装置等の半導体製造装置に係り、特に半導体ウエハ(以下、ウエハという。)等の基板を載置する基板載置部(サセプタ)内のヒータの加熱制御方式を改善した半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献1に開示されている枚葉式のCVD処理装置では、反応室内にウェハを載置するための基板載置部を備え、該基板載置部内にヒータユニットを備えており、基板載置部の載置面にウェハを載置し、その状態で、反応室内に反応ガスを流して、ヒータユニットによりウェハを加熱することにより、ウェハに成膜を施すようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2001−127142号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の枚葉式処理装置で用いられているヒータの昇温方式では、目標温度と一定の昇温レート(℃/min)を登録し、ヒータの測定温度(検出温度)と目標温度の差に応じたヒータ出力を行うよう、フィードバック制御を行っていた。そのため、ヒータ温度を測定する熱電対と温度調節器間の信号ラインにノイズ信号が乗ることによるヒータ温度誤検知などの外乱等により、温度検出値が低くなるよう変動した場合は、ヒータが目標温度になるよう、急激にヒータ出力を増加するようなフィードバック制御が行われる。この場合、基板載置部やヒータ本体が熱応力を吸収できれば問題ないが、セラミックス部材で覆われたヒータなどの場合は、熱応力を吸収しきれずに破損することがある。また、2ゾーン以上のマルチゾーンのヒータエレメントを備えたヒータの場合は、外乱による温度検出値の変動により、ゾーン毎のヒータ出力値の差が大きくなるため、基板載置部やヒータが破損する可能性が大きくなる。
本発明の目的は、従来技術のヒータ昇温方式において、セラミックス部材や石英部材で構成されるヒータや基板載置部などが破損しやすいという課題を解決し、ヒータ昇温時に、熱応力に起因するヒータや基板載置部の破損を防止することのできるヒータ昇温方式、及び該ヒータ昇温方式を用いた半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第2のヒータと、
前記第1のヒータと第2のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。
【発明の効果】
【0006】
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータを加熱制御するので、基板を均一に加熱することができ、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の実施例に係る枚葉式処理装置の垂直断面図である。
【図2】本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの温度制御方式を示す図である。
【図3】本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの出力比率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本発明の実施形態を説明する。
本実施例のプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源(Modified Magnetron Typed Plasma Source)を用いてウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉(以下、MMT装置と称する)である。このMMT装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界を形成し、マグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
【0009】
図1に、このようなMMT装置の概略構成図を示す。図1は、本発明の実施例に係る枚葉式処理装置であるMMT装置の垂直断面図である。MMT装置は、処理容器203を有し、この処理容器203は、第1の容器であるドーム型の上側容器210と第2の容器である碗型の下側容器211により形成され、上側容器210は下側容器211の上に被せられている。上側容器210は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、下側容器211はアルミニウムで形成されている。また後述するヒータ一体型の基板載置部(基板保持手段)であるサセプタ217を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。
【0010】
シャワーヘッド236は、処理室201の上部に設けられ、キャップ状の蓋体233と、ガス導入口234と、バッファ室237と、開口238と、遮蔽プレート240と、ガス吹出口239とを備えている。バッファ室237は、ガス導入口234より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。
【0011】
ガス導入口234には、ガスを供給するガス供給管232が接続されており、ガス供給管232は、開閉弁であるバルブ243a、流量制御器(流量制御手段)であるマスフローコントローラ241を介して図中省略の反応ガス230のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド236から反応ガス230が処理室201に供給され、また、サセプタ217の周囲から処理室201の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器211の側壁にガスを排気するガス排気口235が設けられている。ガス排気口235にはガスを排気するガス排気管231が接続されており、ガス排気管231は、圧力調整器であるAPC242、開閉弁であるバルブ243bを介して排気装置である真空ポンプ246に接続されている。
【0012】
供給される反応ガス230を励起させる放電機構(放電手段)として、筒状、例えば円筒状に形成された第1の電極である筒状電極215が設けられる。筒状電極215は処理容器203(上側容器210)の外周に設置されて処理室201内のプラズマ生成領域224を囲んでいる。筒状電極215にはインピーダンスの整合を行う整合器272を介して高周波電力を印加する高周波電源273が接続されている。
【0013】
また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構(磁界形成手段)である筒状磁石216は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石216は、筒状電極215の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石216、216は、処理室201の半径方向に沿った両端(内周端と外周端)に磁極を持ち、上下の筒状磁石216、216の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極215の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【0014】
処理室201の底側中央には、基板であるウエハ200を保持するための基板載置部(基板保持手段)としてサセプタ217が配置されている。サセプタ217は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構(加熱手段)としてのヒータ217b、及び温度検出器25(図2参照)が一体的に埋め込まれており、ウエハ200を加熱できるようになっている。ヒータ217bは電力が印加されてウエハ200を900℃程度にまで加熱できるようになっている。サセプタ217は、シャフト268により支持されており、温度検出器25からの信号線は、シャフト268内を通って制御部121に接続されている。
【0015】
また、サセプタ217の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第2の電極も装備されており、この第2の電極がインピーダンス可変機構274を介して接地されている。インピーダンス可変機構274は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及びサセプタ217を介してウエハ200の電位を制御できるようになっている。
【0016】
ウエハ200をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉202は、少なくとも処理室201、処理容器203、サセプタ217、筒状電極215、筒状磁石216、シャワーヘッド236、及び排気口235から構成されており、処理室201でウエハ200をプラズマ処理することが可能となっている。
【0017】
筒状電極215及び筒状磁石216の周囲には、この筒状電極215及び筒状磁石216で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板223が設けられている。
【0018】
サセプタ217は下側容器211と絶縁され、サセプタ217を昇降させるサセプタ昇降機構(昇降手段)でもあるシャフト268が設けられている。またサセプタ217には貫通孔217aが設けられ、下側容器211底面にはウエハ200を突上げるためのウエハ突上げピン266が少なくとも3箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構268によりサセプタ217が下降させられた時にはウエハ突上げピン266がサセプタ217と非接触な状態で貫通孔217aを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔217a及びウエハ突上げピン266が配置される。
【0019】
また、下側容器211の側壁には仕切弁となるゲートバルブ244が設けられ、開いている時には図中省略の搬送機構(搬送手段)により処理室201に対してウエハ200を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室201を気密に閉じることができる。
【0020】
また、制御部(制御手段)としてのコントローラ121は、信号線Aを通じてAPC242、バルブ243b、真空ポンプ246を、信号線Bを通じてサセプタ昇降機構268を、信号線Cを通じてゲートバルブ244を、信号線Dを通じて整合器272、高周波電源273を、信号線Eを通じてマスフローコントローラ241、バルブ243aを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータ217bやインピーダンス可変機構274をそれぞれ制御するよう構成されている。このように、コントローラ121は、MMT装置の各構成部の制御を行うものである。
【0021】
次に上記のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ200表面に対し、又はウエハ200上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は制御部121により制御される。
【0022】
ウエハ200は処理炉202を構成する処理室201の外部からウエハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室201に搬入され、サセプタ217上に搬送される。この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ217が基板搬送位置まで下降し、ウエハ突上げピン266の先端がサセプタ217の貫通孔217aを通過する。このときサセプタ217表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン266が突き出された状態となる。次に、下側容器211に設けられたゲートバルブ244が開かれ、図中省略の搬送機構によってウエハ200をウエハ突上げピン266の先端に載置する。搬送機構が処理室201外へ退避すると、ゲートバルブ244が閉じられる。サセプタ217がサセプタ昇降機構268により上昇すると、サセプタ217上面にウエハ200を載置することができ、更にウエハ200を処理する位置まで上昇する。
【0023】
次に、真空ポンプ246、及びAPC242を用いて処理室201の圧力を0.1〜100Paの範囲の内、所定の圧力に維持する。また、サセプタ217に埋め込まれたヒータ217bにより、搬入されたウエハ200を室温〜900℃の範囲の内、所定のウエハ処理温度に昇温するよう加熱する。本実施例では、サセプタ217に埋め込まれたヒータ217bは、複数のゾーンヒータから構成されるマルチゾーンヒータである。
【0024】
マルチゾーンヒータの昇温方式を、図2、図3を用いて説明する。図2は、本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの温度制御方式を示す図である。図3は、本発明の実施例に係るマルチゾーンヒータの出力比率を示す図である。図2において、21は、温度調節器であり、制御部121の一部を構成する。22は、サセプタ217の中央部に配置されたセンタゾーンヒータである。23は、サセプタ217の周辺部に配置されたアウトゾーンヒータ(1)である。24は、サセプタ217の周辺部に配置されたアウトゾーンヒータ(N)である。25は、センタゾーンヒータ22の近傍に配置された熱電対等の温度検出器である。26は、センタゾーンヒータ22のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器21から、後述するサイリスタ30へ出力される。27は、アウトゾーンヒータ(1)23のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器21から、後述するサイリスタ31へ出力される。28は、アウトゾーンヒータ(N)24のヒータ出力を制御するための加熱制御値を含む温度制御信号であり、温度調節器21から、後述するサイリスタ32へ出力される。30は、温度調節器21からの温度制御信号26に基づいて、センタゾーンヒータ22へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。31は、温度調節器21からの温度制御信号27に基づいて、アウトゾーンヒータ(1)23へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。32は、温度調節器21からの温度制御信号28に基づいて、アウトゾーンヒータ(N)24へのヒータ制御電力を増減するサイリスタである。
【0025】
本発明では、ヒータ昇温時において、ヒータが目標温度になるようフィードバック制御を行うのではなく、図3に示すように、測定温度帯(検出温度帯)毎にヒータ出力を固定するようにする。本実施例では、測定温度は、センタゾーンヒータ22の近傍に配置された温度検出器25により求められる。図3では、センタゾーンヒータ22へのヒータ制御電力(加熱制御値)を、測定温度が0〜300℃においては12%、測定温度が300〜500℃においては13%、測定温度が500〜700℃においては15%、測定温度が700〜900℃においては17%としている。ここで、ヒータ制御電力の%表示は、ヒータ位相制御に使用しているサイリスタユニットによる出力電圧の制御%を意味している。温度制御信号26は、各温度帯に対応した、センタゾーンヒータ22への加熱制御値を、サイリスタ30へ伝える。このように、ヒータ昇温時において、測定温度によりヒータ制御電力が変動するフィードバック制御を行うのではなく、測定温度帯毎にヒータ制御電力を固定しているので、外乱等により測定温度が変動しても、異常に大きいヒータ制御電力が出力されることを防止できる。
【0026】
また、ヒータ昇温時において、図3に示すように、アウトゾーンヒータへのヒータ出力を、アウトゾーンヒータ毎に、センタゾーンヒータ22へのヒータ出力に対する比率で設定する。図3では、アウトゾーンヒータ(1)23へのヒータ出力の、センタゾーンヒータ22へのヒータ出力に対する比率を、比率1により設定、すなわち、測定温度が0〜300℃においては1.0、測定温度が300〜500℃においては1.25、測定温度が500〜700℃においては1.43、測定温度が700〜900℃においては2.0としている。したがって、温度制御信号27は、各温度帯において、アウトゾーンヒータ(1)23への加熱制御値を、サイリスタ31へ伝える。その結果、アウトゾーンヒータ(1)23へのヒータ出力は、測定温度が0〜300℃においては12%、測定温度が300〜500℃においては16.3%、測定温度が500〜700℃においては21.5%、測定温度が700〜900℃においては34.0%となる。
【0027】
同様に、図3では、アウトゾーンヒータ(N)24へのヒータ出力の、センタゾーンヒータ22へのヒータ出力に対する比率を、比率Nにより設定する。すなわち、測定温度が0〜300℃においてはN=1.0、測定温度が300〜500℃においてはN=1.30、測定温度が500〜700℃においてはN=1.50、測定温度が700〜900℃においてはN=2.0としている。したがって、温度制御信号28は、各温度帯において、アウトゾーンヒータ(N)24への加熱制御値を、サイリスタ32へ伝える。その結果、アウトゾーンヒータ(N)24へのヒータ制御電力は、測定温度が0〜300℃においては12%、測定温度が300〜500℃においては17%、測定温度が500〜700℃においては22.5%、測定温度が700〜900℃においては34.0%となる。
【0028】
なお、上述したアウトゾーンヒータへのヒータ制御電力の、センタゾーンヒータ22へのヒータ制御電力に対する比率は、熱電対付きウエハ等を使用した評価結果に基づき、最適値を使用するのがよい。
また、上述の例では、アウトゾーンヒータを1〜Nの複数としたが、1つであってもよい。また、アウトゾーンヒータを用いず、センタゾーンヒータのみの場合であっても、測定温度帯毎に、センタゾーンヒータ22へのヒータ制御電力を固定して設定することにより、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。
【0029】
ウエハ200の温度が目標の処理温度に達し、安定化したら、上記のヒータ昇温時の温度制御方式から、温度検出値と目標温度の差に基づきヒータ出力を行うフィードバック制御に切り換える。また、ガス導入口234から遮蔽プレート240のガス噴出孔239を介して、反応ガスを処理室201に配置されているウエハ200の上面(処理面)に向けて、所定の流量導入する。同時に筒状電極215に高周波電源273から整合器272を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、150〜200Wの範囲の内、所定の出力値を投入する。このときインピーダンス可変機構274は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。
【0030】
筒状磁石216、216の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ200の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域224に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ217上のウエハ200の表面にプラズマ処理が施される。プラズマ処理が終わったウエハ200は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室201外へ搬送される。
【0031】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
前記実施形態においては、枚葉装置について説明したが、本発明は、バッチ式縦型装置にも適用することができる。
前記実施例では、ウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【0032】
以上の、本明細書の記載に基づき、次の発明を把握することができる。すなわち、第1の発明は、
基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第2のヒータと、
前記第1のヒータと第2のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータを加熱制御するので、第1のヒータと第2のヒータの温度差が大きくなりすぎることを抑制し、基板を均一に加熱することができ、ヒータ昇温時に、熱応力に起因する基板載置部の破損を防止することができる。
【0033】
第2の発明は、前記第1の発明における半導体製造装置であって、
前記基板載置部は、前記基板処理室を貫通するシャフトにより支持されるとともに、前記基板載置部に、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部が設けられ、該温度検出部に接続される信号線は、前記シャフト内に配線されるようにした半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、熱電対等により構成される温度検出部の配線を、シャフト内に通すことができるため、基板載置部を垂直断面がT字型とすることができる。その結果、基板載置部からの熱の逃げを少なくし、効率よく加熱することができる。
【0034】
第3の発明は、前記第1の発明又は第2の発明における半導体製造装置であって、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、予め決められた検出温度帯毎に、前記第1のヒータの加熱制御値を決定し、前記第2のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータの加熱制御値に対して予め決められた比率に基づいて、前記第2のヒータの加熱制御値を決定する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値と第2のヒータの加熱制御値を、予め決められた比率とすることができるので、基板載置部の一部を異常加熱することが防止でき、その結果、基板載置部の破損を防止することができる。
【0035】
第4の発明は、前記第3の発明における半導体製造装置であって、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部の温度検出値に応じて、前記第1のヒータの加熱制御値を決定する半導体製造装置。
このように半導体製造装置を構成すると、第1のヒータの加熱制御値と第2のヒータの加熱制御値を、第1のヒータ近傍の温度検出値に応じて設定することができるので、基板載置部の一部を異常加熱することが防止でき、その結果、基板載置部の破損を防止することができる。
【符号の説明】
【0036】
21…温度調節器、22…センタゾーンヒータ、23…アウトゾーンヒータ(1)、24…アウトゾーンヒータ(N)、25…温度検出器、26…温度制御信号、27…温度制御信号、28…温度制御信号、30…サイリスタ、31…サイリスタ、32…サイリスタ、121…コントローラ、200…ウエハ、201…処理室、202…処理炉、203…処理容器、210…上側容器、211…下側容器、215…筒状電極、216…筒状磁石、217…サセプタ、217a…貫通孔、223…遮蔽板、224…プラズマ生成領域、230…反応ガス、231…ガス排気管、232…ガス供給管、233…キャップ状の蓋体、234…ガス導入口、235…排気口、235…ガス排気口、236…シャワーヘッド、237…バッファ室、238…開口、239…ガス噴出孔、240…遮蔽板、241…マスフローコントローラ、242…APC、243a…バルブ、243b…バルブ、244…ゲートバルブ、246…真空ポンプ、266…ウエハ突き上げピン、268…シャフト、272…整合器、273…高周波電源、274…インピーダンス可変機構。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板を収容し加熱処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室内に設けられ、その表面に基板を載置する基板載置部と、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第1のヒータと、
前記基板載置部内に設けられ、基板を加熱するための第2のヒータと、
前記第1のヒータと第2のヒータを加熱制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御値に基づいて、第2のヒータの加熱制御値を決定するよう制御する半導体製造装置。
【請求項2】
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、予め決められた検出温度帯毎に、前記第1のヒータの加熱制御値を決定し、前記第2のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータの加熱制御値に対して予め決められた比率に基づいて、前記第2のヒータの加熱制御値を決定する請求項1に記載の半導体製造装置。
【請求項3】
前記制御部は、前記第1のヒータの加熱制御においては、前記第1のヒータ近傍の温度を検出する温度検出部の温度検出値に応じて、前記第1のヒータの加熱制御値を決定する請求項2に記載の半導体製造装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−187637(P2011−187637A)
【公開日】平成23年9月22日(2011.9.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−50647(P2010−50647)
【出願日】平成22年3月8日(2010.3.8)
【出願人】(000001122)株式会社日立国際電気 (5,007)
【Fターム(参考)】