JP2016178184A

JP2016178184A - 基板加熱装置及び基板加熱方法

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Publication number: JP2016178184A
Application number: JP2015056359A
Authority: JP
Inventors: 光利芦田; Mitsutoshi Ashida; 良二山崎; Ryoji Yamazaki
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: JP6511309B2

Abstract

【課題】コストの上昇を抑制することができる基板加熱装置を提供する。【解決手段】基板加熱装置１０は、ウエハＷを収容する処理室１１と、該処理室１１の内部に配置されるステージ１２と、処理室１１の内部へ向けてマイクロ波を放射するマイクロ波アンテナ１３と備え、処理室１１は略円筒状の本体部１５と、該本体部１５の上方を覆う、伏された半球状のドーム部１６とを有し、マイクロ波アンテナ１３からマイクロ波が放射される際、ウエハＷが処理室１１の内部において上下方向に移動する。【選択図】図８

Description

本発明は、マイクロ波を用いる基板加熱装置及び基板加熱方法に関する。

従来、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）を加熱するためにランプヒータを用いる基板加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この基板加熱装置では、複数のランプヒータをウエハの裏面へ赤外線を照射するように配置する一方、赤外線がウエハの中心部に集中して照射されるのを防止するためにウエハの裏面の中心部へ対向するように赤外線遮蔽板を設置する。

特開２００８−２８８４５１公報

しかしながら、ランプヒータは高価であるため、複数のランプヒータを必要とする特許文献１の基板加熱装置はコストが上昇する。特に、ランプヒータをプラズマが生成される空間に晒すと、当該ランプヒータから異常放電が生じることがあるため、特許文献１の基板加熱装置はプラズマ処理をウエハに施す装置と一体化することができず、結果として、基板処理システムのコストを上昇させる。

本発明の目的は、コストの上昇を抑制することができる基板加熱装置及び基板処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の基板加熱装置は、基板を収容する処理室と、該処理室の内部へマイクロ波を放射するアンテナとを備える基板加熱装置において、前記処理室の内部において前記基板を移動させる移動機構を備え、前記処理室の断面において前記処理室の壁部が非直線部を含むことを特徴とする。

本発明によれば、内部へマイクロ波が放射される処理室の断面において処理室の壁部が非直線部を含むために壁部から反射した各マイクロ波によって生じる電界の向きが一様となることがなく、処理室の内部の各所において複数の定在波が発生するため、当該処理室の内部を基板が移動する際、基板の全面を満遍なく各定在波に晒すことができる。すなわち、マイクロ波を放射するアンテナを用いて基板を均一に加熱することができ、もって、基板の加熱にランプヒータを用いる必要を無くすことができる。その結果、コストの上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る基板加熱装置の構成を概略的に示す断面図である。シミュレーションに用いた半球状のドーム形状の処理室のモデルを説明するための図である。半球状のドーム形状の処理室のモデルにおける電界の分布のシミュレーションの結果を示す図である。図３のシミュレーションの結果における定在波の位置を示す図であり、図４（Ａ）は図２の高さｈ_１における定在波の位置を示し、図４（Ｂ）は図２の高さｈ_２における定在波の位置を示し、図４（Ｃ）は図２の高さｈ_３における定在波の位置を示す。シミュレーションに用いた円錐状の処理室のモデルを説明するための図である。円錐状の処理室のモデルにおける電界の分布のシミュレーションの結果を示す図である。図６のシミュレーションの結果における定在波の位置を示す図であり、図７（Ａ）は図５の高さｈ_１における定在波の位置を示し、図７（Ｂ）は図５の高さｈ_２における定在波の位置を示し、図７（Ｃ）は図５の高さｈ_３における定在波の位置を示す。本実施の形態に係る基板加熱方法を示す工程図である。シリコンの反射電力及び吸収電力の温度依存性を示すグラフである。図１の基板加熱装置の変形例の構成を概略的に示す断面図であり、図１０（Ａ）は第１の変形例を示し、図１０（Ｂ）は第２の変形例を示す。本実施の形態に係る基板加熱方法の変形例を示す工程図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る基板加熱装置の構成を概略的に示す断面図である。

図１において、基板加熱装置１０は、ウエハＷを収容する処理室１１と、該処理室１１の内部に配置されるステージ１２（載置台）と、処理室１１の内部へ向けてマイクロ波を放射するマイクロ波アンテナ１３と、処理室１１の内部を排気する排気機構１４とを備える。

処理室１１は略円筒状の本体部１５と、該本体部１５の上方を覆う、伏された半球状のドーム部１６とを有する。本体部１５の中心軸及びドーム部１６の中心軸は略一致し、中心軸を含む平面で切断されたドーム部１６の断面においてドーム部１６の壁部は曲線部からなる。本体部１５の側面にはウエハＷを搬出入するための搬出入口１７が配され、該搬出入口１７はゲートバルブ機構１８によって覆われる。また、処理室１１の内壁面、特に、ドーム部１６の内壁面はマイクロ波を反射しやすいように表面が処理される。

ゲートバルブ機構１８は、本体部１５の外側面において搬出入口１７を囲むように配置されるベース１９と、該ベース１９から脱着自在であり且つ搬出入口１７を塞ぐ弁体（バルブ）２０とを有し、ベース１９とバルブ２０の間はＯリング２１で封止される。また、バルブ２０はベース１９と構成する隙間に対向するように開口するバルブチョーク溝２２を有する。バルブチョーク溝２２の深さは、例えば、マイクロ波アンテナ１３から放射されるマイクロ波の波長の１／４である。Ｏリング２１及びバルブチョーク溝２２はいずれも、バルブ２０がベース１９へ取り付けられたときに搬出入口１７を囲むように配置される。

ステージ１２は略円柱状を呈して上面１２ａにウエハＷを載置する。ステージ１２の中心軸も本体部１５やドーム部１６の中心軸と略一致する。上面１２ａからは複数のリフトピン２３が上方へ突出し、各リフトピン２３はウエハＷを支持する。本実施の形態では、各リフトピン２３は上面１２ａから突出自在に構成される。ステージ１２の側面には中心軸と直交するように円環状のステージチョーク溝２４が形成される。ステージチョーク溝２４の深さは、例えば、マイクロ波アンテナ１３から放射されるマイクロ波の波長の１／４である。ステージ１２は中心軸に沿うように下方へ延伸するロッド２５を有し、該ロッド２５は不図示のステージ上下機構に接続される。ステージ上下機構はステージ１２を中心軸に沿い、すなわち、処理室１１の内部において図中上下方向に移動させる。また、各リフトピン２３は中心軸に沿って突出してウエハＷを図中上下方向に移動させる。

マイクロ波アンテナ１３はドーム部１６の頂部に配置され、導波管２６を介してマグネトロン（図示しない）等を内蔵するマイクロ波発生源２７へ接続される。マイクロ波アンテナ１３はマイクロ波発生源２７から導波管２６を介して伝播されたマイクロ波をドーム部１６の内部へ放射する。

排気機構１４は、処理室１１の内部と連通する排気管２８と、該排気管２８に接続された排気ポンプ２９とを有し、処理室１１の内部を排気して当該内部の圧力を所望の圧力に維持する。

ゲートバルブ機構１８は、ベース１９及びバルブ２０の間の隙間に配置されるバルブマイクロ波吸収体３０を有する。バルブマイクロ波吸収体３０は搬出入口１７から見てバルブチョーク溝２２よりも外側において搬出入口１７を囲むように配置される。さらに、処理室１１の内部には、ウエハＷを載置するステージ１２を介してマイクロ波アンテナ１３と反対側、すなわち、処理室１１の底部に内部マイクロ波吸収体３１が配置される。バルブマイクロ波吸収体３０及び内部マイクロ波吸収体３１は誘電体からなり、特に、誘電正接（タンデル）値が大きい材料である窒化アルミニウムや純度がやや低い（例えば、純度が９９．５％程度の）アルミナが好適に用いられる。

基板加熱装置１０では、後述するようにマイクロ波アンテナ１３から放射したマイクロ波をウエハＷに消費させることによって該ウエハＷを加熱する際、プラズマが生成されないため、マイクロ波アンテナ１３から放射されたマイクロ波の一部がステージ１２の側面を伝播して処理室１１の内部から搬出入口１７を介して外部へ漏洩することが考えられるが、まず、ステージチョーク溝２４がステージ１２の側面を伝播するマイクロ波を減衰する。さらに、ステージチョーク溝２４を乗り越えたマイクロ波のうち、本体部１５の下部へ漏洩するマイクロ波は内部マイクロ波吸収体３１によって消費されて消滅し、搬出入口１７を介してベース１９及びバルブ２０の間の隙間に漏洩するマイクロ波は、まず、バルブチョーク溝２２によって減衰された後、バルブマイクロ波吸収体３０によって消費される。したがって、基板加熱装置１０ではマイクロ波の処理室１１の外部への漏洩を防止することができる。特に、本体部１５の下部は空間的に余裕があるため、比較的大きい内部マイクロ波吸収体３１を配置することができ、これにより、確実にマイクロ波を消費して外部への漏洩を防止することができる。

なお、基板加熱装置１０は装置コントローラ３２をさらに備え、該装置コントローラ３２は所定のプログラムに従って各構成要素の動作を制御する。

ところで、本発明者は、本発明に先だってマイクロ波プラズマ装置においてウエハを処理する際、プラズマを生成すること無くマイクロ波を照射したところ、マイクロ波の大半をウエハが吸収して該ウエハが加熱したのを確認した。

そこで、マイクロ波によってウエハを均一に加熱すべく、種々の処理室の形状を検討した。具体的には、処理室の形状の検討に際し、伏された半球状のドーム形状の処理室のモデル３３（図２参照）と、伏された円錐状の処理室のモデル３４（図５参照）とを作成し、モデル３３，３４のそれぞれにおいて頂部のマイクロ波アンテナ１３からマイクロ波を放射させたときのマイクロ波の分布、特に、各マイクロ波によって生じる電界（電流密度）の分布のシミュレーションを行った。当該シミュレーションには、COMSOL AB社のCOMSOL Multiphysics（登録商標）を用いた。

図３は、半球状のドーム形状の処理室のモデルにおける電界の分布のシミュレーションの結果を示す図である。

図３に示すように、半球状のドーム形状の処理室のモデルでは、処理室の壁部から反射した各マイクロ波によって生じる電界（図中において矢印で示す。）の向きが乱れた。また、当該モデルにおいて各マイクロ波の干渉によって生じる定在波の位置を確認したところ、図４に示すように、処理室の高さに応じて定在波の位置が変化していることが確認された。なお、図４（Ａ）は図２のモデルにおける高さｈ_１の水平面内における定在波の分布を示し、図４（Ｂ）は図２のモデルにおける高さｈ_２の水平面内における定在波の分布を示し、図４（Ｃ）は図２のモデルにおける高さｈ_３の水平面内における定在波の分布を示す。各図において色の濃い部分が定在波を示し、色の濃淡は定在波の強度の大小を示す。各図の外側の濃色部は電界が存在しない部分である。処理室の形状は中心軸に関して対称であるため、定在波も中心軸に関して対称、すなわち、水平面内において円環状に分布する。

図６は、円錐状の処理室のモデルにおける電界の分布のシミュレーションの結果を示す図である。

図６に示すように、円錐状の処理室のモデルでは、処理室の壁部から反射した各マイクロ波によって生じる電界（図中において矢印で示す。）の向きが揃った。また、当該モデルにおいて各マイクロ波の干渉によって生じる定在波の位置を確認したところ、図７に示すように、処理室の高さが変化しても定在波の位置が殆ど変化してないことが確認された。なお、図７（Ａ）は図５のモデルにおける高さｈ_１の水平面内における定在波の分布を示し、図７（Ｂ）は図５のモデルにおける高さｈ_２の水平面内における定在波の分布を示し、図７（Ｃ）は図５のモデルにおける高さｈ_３の水平面内における定在波の分布を示す。各図の色の濃淡は図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）の色の濃淡と同義である。

本発明者は、半球状のドーム形状の処理室では処理室の高さに応じて定在波の位置が変化する一方、円錐状の処理室では処理室の高さに応じて定在波の位置が変化しない理由として以下のメカニズムを推察した。すなわち、半球状のドーム形状の処理室では処理室の壁部が曲線部からなり、直線部を有さないことから、処理室の壁部から反射した各マイクロ波の向きが一様とならずに各マイクロ波によって生じる電界の向きが乱れ、結果として各マイクロ波の干渉が処理室の各所において生じる一方、円錐状の処理室では処理室の壁部が直線部からなることから、処理室の壁部から反射した各マイクロ波の向きが一様となって各マイクロ波によって生じる電界の向きが揃い、結果として各マイクロ波の干渉が処理室の特定の場所にのみ生じたためと推察した。

また、本発明者は、ウエハにおいて定在波に晒される部分が加熱されることを考慮に入れ、上記シミュレーションの結果から、円錐状の処理室では処理室の高さに応じて各定在波の位置が変化しないため、ウエハを処理室内で上下に移動させても当該ウエハの特定の部分しか定在波に晒されず、ウエハを均一に加熱することができない一方、半球状のドーム形状の処理室では処理室の高さに応じて各定在波の位置が変化するため、ウエハを処理室内で上下に移動させると当該ウエハの全面を満遍なく各定在波に晒すことができ、結果としてウエハを均一に加熱することができるとの知見を得た。本発明はこの知見に基づくものである。

図８は、本実施の形態に係る基板加熱方法を示す工程図である。

図８において、まず、搬出入口１７から搬入されるウエハＷが上面１２ａに載置可能な位置までステージ１２を降下させ、搬入されたウエハＷを各リフトピン２３によって略水平に支持する（図８（Ａ））。

次いで、ステージチョーク溝２４が搬出入口１７よりもマイクロ波アンテナ１３に近づくように、すなわち、ステージチョーク溝２４が搬出入口１７よりも上方に位置するようにステージ１２を上方へ移動させる（図８（Ｂ））。

次いで、マイクロ波アンテナ１３からマイクロ波を処理室１１の内部へ放射するとともに、各リフトピン２３を上面１２ａから突出させてウエハＷを略水平に保ったまま、ドーム部１６の中心軸に沿って上下に移動させる（図８（Ｃ）、図８（Ｄ））。このとき、ドーム部１６の壁部から反射したマイクロ波の干渉に起因する各定在波の位置が高さに応じて変化するため、ウエハＷの各部はドーム部１６の内部を上下に移動する際に各定在波に晒され、結果としてウエハの全面が満遍なく各定在波に晒され、ウエハＷが均一に加熱される。

次いで、ウエハＷの温度が所望の温度に達した後、本方法を終了する。

本実施の形態に係る基板加熱方法によれば、マイクロ波アンテナ１３から内部へマイクロ波が放射される処理室１１のドーム部１６の断面においてドーム部１６の壁部が曲線部からなるので、壁部から反射した各マイクロ波によって生じる電界の向きが乱れ、ドーム部１６の内部の各所において複数の定在波が発生するため、当該ドーム部１６の内部をウエハＷが移動する際、ウエハＷの各部が複数の定在波のそれぞれに晒され、結果として、ウエハＷの全面を満遍なく各定在波に晒してウエハＷの全体を加熱することができる。また、ウエハＷの全体の加熱に際してマイクロ波アンテナ１３を用いるため、ウエハＷの加熱にランプヒータを用いる必要を無くすことができ、その結果、コストの上昇を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る基板加熱方法では、ドーム部１６の形状は中心軸に関して対称であるため、各定在波も中心軸に関して対称、すなわち、水平面内において円環状に分布するが、高さに応じて各定在波の位置が変化するため、各定在波の直径は中心軸に沿って変化する。したがって、ウエハＷをドーム部１６の中心軸に沿って略水平に保ったまま上下に移動させることにより、ウエハＷの各部を必ず定在波に晒すことができ、もって、ウエハＷを確実に均一に加熱することができる。

さらに、本実施の形態に係る基板加熱方法では、マイクロ波アンテナ１３がマイクロ波を放射する際、ステージ１２はステージチョーク溝２４を搬出入口１７よりもマイクロ波アンテナ１３に近づけるので、マイクロ波が搬出入口１７に到達する前にステージチョーク溝２４によって消滅されて当該マイクロ波が搬出入口１７から漏洩するのを防止することができる。

また、図９に示すように、ウエハＷを構成するシリコンが反射する電力（以下、「反射電力」という。）は所定の温度、例えば、３００℃を越えた辺りを境にして急激に増加し、シリコンが吸収する電力（以下、「吸収電力」という。）は所定の温度を超えた辺りを境にして急激に減少する。すなわち、シリコンは所定の温度を超えると急激にマイクロ波を吸収しなくなる。このことから３００℃近辺が所望の温度であれば、ウエハＷの面内において高温領域（例えば、温度が３００℃を越える領域）のマイクロ波吸収量に比べて低温領域（例えば、温度が３００℃を越えない領域）のマイクロ波吸収量がより増加する。すなわち、低温領域が高温領域よりも積極的に加熱されるため、ウエハＷのより均一な加熱を期待することができる。

さらに、本実施の形態に係る基板加熱方法では、各定在波から受ける熱量（マイクロ波の吸収量）がウエハＷの各部に関して同等となるように、ドーム部１６の内部におけるウエハＷの移動距離や移動時間が調整される。

また、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）に示すように、いずれの高さにおいても中心軸近傍には定在波が生じないため、ウエハＷにおける中心軸と交差する部分、例えば、ウエハＷの中心部が加熱されないおそれがある。本実施の形態では、これに対応して、ステージ１２の上面１２ａの中心軸近傍にヒータ（図示しない）を埋設して該ヒータによってウエハＷの中心部を加熱してもよく、若しくは、ステージ１２の上面１２ａの中心軸近傍を伝熱性の良好な伝熱部材で構成し、各定在波に晒されて加熱されたウエハＷの中心部以外の部分から当該伝熱部材を介して熱がウエハＷの中心部へ伝わるようにしてもよい。

以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

上述した基板加熱装置１０では、処理室１１の上部を半球状のドーム部１６で構成したが、処理室１１の上部の形状は半球状に限られない。処理室１１の壁部から反射した各マイクロ波の向きが一様とならずに各マイクロ波によって生じる電界の向きが乱れれば、結果として各マイクロ波の干渉が処理室１１の各所において生じて処理室１１の高さに応じて定在波の位置が変化することから、処理室１１の上部の断面において処理室１１の壁部が非直線部を含めばよく、例えば、処理室１１の中心軸を含む平面で切断された断面形状が半楕円形状を呈してもよく（図１０（Ａ））、同断面において壁部が互いに傾斜角が異なる複数の直線部から構成されてもよい（図１０（Ｂ））。

また、上述した本実施の形態に係る基板加熱方法では、各定在波から受ける熱量がウエハＷの各部に関して同等となるように、ドーム部１６の内部におけるウエハＷの移動距離や移動時間が調整されるが、ウエハＷにおいて特定の部分のみを加熱したい場合は、当該特定の部分が定在波に長く晒されるようにウエハＷの移動距離や移動時間を調整するのが好ましい。

さらに、上述した本実施の形態に係る基板加熱方法では、各リフトピン２３がウエハＷを上下に移動させたが、各リフトピン２３の上面１２ａからの突出量を変化させることなく、図１１（Ａ）乃至図１１（Ｄ）に示すように、ステージ１２を上下に移動させることにより、ウエハＷを上下に移動させてもよい。この場合、ウエハＷを上下に移動させるためにステージ１２を上下に移動させるとき、ステージチョーク溝２４が常時、搬出入口１７よりも上方に位置するにするのが好ましい（図１１（Ｂ）乃至図１１（Ｄ）参照。）。これにより、ステージチョーク溝２４によって減衰されていないマイクロ波が搬出入口１７から漏洩するのを防止することができる。また、この場合、各リフトピン２３を上面１２ａから突出させるための上下機構を配置する必要を無くすことができ、もって、基板加熱装置１０の構成をより簡素化してコストをさらに低減することができる。

また、本発明の目的は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、装置コントローラ３２に供給し、装置コントローラ３２のＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることにより装置コントローラ３２に供給されてもよい。

また、装置コントローラ３２が読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、装置コントローラ３２に挿入された機能拡張ボードや装置コントローラ３２に接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。

１０基板加熱装置
１１処理室
１３マイクロ波アンテナ
１６ドーム部
１７搬出入口
１８ゲートバルブ機構
２２バルブチョーク溝
２４ステージチョーク溝
３０バルブマイクロ波吸収体
３１内部マイクロ波吸収体

Claims

基板を収容する処理室と、該処理室の内部へマイクロ波を放射するアンテナとを備える基板加熱装置において、
前記処理室の内部において前記基板を移動させる移動機構を備え、
前記処理室の断面において前記処理室の壁部が非直線部を含むことを特徴とする基板加熱装置。
前記処理室の断面において前記処理室の壁部は曲線部からなることを特徴とする請求項１記載の基板加熱装置。
前記処理室は伏された半球状のドーム形状を呈し、前記アンテナは前記処理室の頂部に配置され、前記移動機構は前記基板を前記処理室の中心軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１又は２記載の基板加熱装置。
前記処理室の内部に配置され、且つ前記基板を載置する柱状の載置台をさらに備え、
前記載置台の側面には溝が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
前記処理室の側壁部に形成されたゲートバルブをさらに備え、
前記アンテナがマイクロ波を放射する際、前記載置台は前記アンテナへ向けて移動して前記溝を前記ゲートバルブよりも前記アンテナに近づけることを特徴とする請求項４記載の基板加熱装置。
前記載置台は前記基板を載置したまま移動して前記移動機構として機能することを特徴とする請求項４又は５記載の基板加熱装置。
前記処理室の内部において、前記基板に関して前記アンテナと反対側に配置される誘電体をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
前記誘電体は窒化アルミニウム又はアルミナからなることを特徴とする請求項７記載の基板加熱装置。