JPH0280567A - 基板加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （概　要〕 スパッタ装置などに用いる基板加熱装置に係り、特にヒ
ートステージとの間のガスの熱伝導を利用して基板を加
熱する基板加熱装置に関し、基板の種類によらず、かつ
基板に流入する熱流が変化する場合でも、基板温度を敏
速に制御できる基板加熱装置を提供することを目的とし
、成膜装置に用いる基板加熱装置であって、その周辺部
で基板を載置しその他の領域では隙間を介して基板と対
向するヒートステージと、該隙間に熱伝導度の異なる二
種類以上のガスからなる混合ガスを導入するガス供給手
段と、基板温度検出手段と、該検出結果に基づいてヒー
トステージから基板への流入熱量を変化させて基板温度
を制御するように前記混合ガスの混合比を制御する制御
手段とを有する構成である。

〔産業上の利用分野〕

本発明はスパッタ装置などに用いる基板加熱装置に係り
、特にヒートステージとの間のガスの熱伝導を利用して
基板を加熱する基板加熱装置に関する。

真空蒸着やスパッタを用いて基板上に薄膜を成長させる
場合、成長した薄膜の性質は成長時の基板温度に著しく
依存することが知られている。従ってこれらの薄膜成長
装置では、真空中に保持された基板を均一にかつ再現性
よく加熱できること望まれる。

〔従来の技術〕

半導体装置用ウェハの製造プロセスにおいて、ＡＩＪＰ
ＡＩ合金などの配線材料を基板に成膜する際、基板温度
を高くすると良好な膜が得られる。

そこで基板を加熱しつつ成膜を行うが、蒸着やスパッタ
が行われる真空容器内では気体分子による熱伝導が小さ
いこと、また基板を熱源に均一に接触させることが困難
であることなどから、赤外線ランプ等を用いた輻射によ
る加熱方法が従来−船釣である。しかし半導体装置の製
造過程で用いられるシリコン等の半導体基板の場合には
、輻射による基板加熱に有効な波長領域での基板の透過
率が大きく、かつ基板の比抵抗や基板の表裏に存在する
膜等によって透過率が変化するため、再現性よく基板を
加熱することが困難であるという欠点がある。

この欠点を解消するため、第４図に示す加熱方法が提案
されている。（米国特許　４６８００６１号）これは真
空容器５内に、ヒータ１２により加熱される金属のヒー
トステージ１を配設し、基板２の周辺をクランプ用チャ
ック１４で熱源たるヒートステージ１に当接させ、ヒー
トステージ１と基Ｆｉ２との隙間にガス導入口４から、
Ａｒなどの稀ガスＧを一定圧力で導入することよって、
ガスの熱伝導を利用して基板を加熱するものである。

この方法では熱源からの輻射の寄与が小さいため、基板
の昇温特性が基板の種類によって変化するといった問題
は低減される。しかし、ヒートステージの熱容量が大き
くなるため、ヒートステージの温度を秒単位の短い時間
で変化させることが困難である。従って薄膜成長時には
、ヒートステージの温度が一定となるように制御するの
が普通であり、このため基板温度はヒートステージの設
定温度と基板クランプ時間の二つの因子で調節すること
しかできない。従って、ヒートステージ以外から基板に
時間変動を伴って流入する熱流が存在する場合には、た
とえ基板温度がモニターできたとしても、ヒートステー
ジ側から基板に流入する熱流を急速に可変できないため
基板温度を一定に保つことが困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体基板に膜形成するスパッタ装置等では、成膜時に
ターゲツト面から熱輻射、二次電子、およびターゲット
原子等が基板表面に流入することによって〜２００°Ｃ
程度の温度上昇が起こる。

このような成膜装置の基板加熱用に上記従来の基板加熱
装置を用いると、スパッタ開始後に時間とともに基板温
度が上昇し一定に制御できないという問題点があった。

また成膜プロセスの前後や装置のトラブル発生時などに
は基板温度を敏速に昇温・降温できると装置の稼働時間
を短縮できてスループットが向上するが、ヒートステー
ジの火熱容量で温度制御応答が遅く、基板への熱伝導係
数が一定な上記従来の基板加熱装置でこれを行うのは困
難であるという問題点もあった。

本発明は上記問題点に鑑み創出されたもので、基板の種
類によらず、かつ基板に流入する熱流が変化する場合で
も、基板温度を敏速に制御できる基板加熱装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点は、 成膜装置に用いる基板加熱装置であって、その周辺部で
基板を載置しその他の領域では隙間を介して基板と対向
するヒートステージと、該隙間に熱伝導度の異なる二種
類以上のガスからなる混合ガスを導入するガス供給手段
と、基板温度検出手段と、 該検出結果に基づいてヒートステージから基板への流入
熱量を変化させて基板温度を制御するように前記混合ガ
スの混合比を制御する制御手段とを有することを特徴と
する本発明の基板加熱装置により解決される。

第１図は本発明の原理説明図である。

図において、１はヒートステージであり埋め込まれた熱
電対温度計１１とヒータ１２及び図示しない温度調節器
により一定温度に保持されている。

２は加熱さるべき基板で、機械的にヒートステージ１に
クランプされている。ヒートステージ１は基板２の周辺
に接しており、基板２の周辺以外の大部分は隙間ｄを介
してヒートステージ１と対向している。そして熱伝導度
の異なる二つのガスＡ、Ｂが流量調節器３ａ、３ｂを経
て混合され、導入口４を介して前記隙間ｄに流される。

基Ｆｉ２の周辺とヒートステージｌとの接触は真空的に
はシールされていないため、隙間ｄに流入した混合ガス
は、接触部を通って真空容器５内に流れ込み、真空ポン
プ６で排気される。従ってガスＡ、　Ｂの全流量はヒー
トステージ１と基板２との隙間ｄの混合ガスの圧力が所
定の値に保たれる程度に連続して流す必要がある。基板
温度は放射温度計７により測定され、その測定値と予め
設定されている基板温度との偏差およびその時間的変化
量に基づいて、制御手段１３が流量調節器３ａ、３ｂを
制御してガスＡ、Ｈの混合比を変化させる。

〔作用〕

ヒートステージと基板との間隙ｄが０．５〜１鶴程度で
、混合ガスの圧力Ｐが１〜５　Ｔｏｒｒであればこの間
隙を介して基板に流入する熱伝導は粘性流の熱伝導と見
なすことができる。そしてヒートステージの温度が５０
０℃以下の場合は輻射による基板の加熱は無視できるた
め、ヒートステージと基板間の熱伝導係数りはに／ｄ　
（ただしにはガスの熱伝導度）に比例する。

そこで、例えば二種類のガスとして稀ガスの計とＨｅを
用いたとすると、この両ガス間では熱伝導度が約１０倍
異なるため、流量比［Ｈｅ／（Ｈｅ　＋Ａｒ））を０〜
ｌの範囲で変えることによって、ヒートステージと基板
間の熱伝導係数りを約１０倍の範囲で変化させることが
可能である。従って基板温度と設定温度との偏差に対応
してガスの流量比を変化させることにより、ヒートステ
ージの温度を一定に保ったまま基板に流入する熱流を速
やかに変化させることができ、基板温度を一定に保った
り、急激に昇・降温させる温度制御が可能となる。

〔実施例〕

以下添付図により本発明の詳細な説明する。

第２図は本発明の一実施構成図であり、スパッタ装置に
組み込んだものである。

図においてｌはヒートステージで金属ブロックの一体品
よりなり、温度測定用熱電対１１と温度コントローラｌ
Ｏとで制御されるヒータ１２により予め設定された所定
温度に制御されている。２は加熱すべき半導体基板でク
ランプ用チャック１４によりその周辺がヒートステージ
１にクランプされる。

８はスパッタターゲットで、絶縁材８ａを介して真空容
器５に取り付けられ、そのターゲ・ノド面を基板２に対
向させており、真空容器５内にはＡｒ等のスパッタガス
がガス導入口９から導入される。

そして基板表面の大部分はヒートステージｌと０．５〜
１ｍ程度の間隙を介してヒートステージ１と対向するよ
うになっている。４はヒートステージ１と基板２との隙
間ｄにガスを供給するガス導入口で、独立に制御可能な
流量調節器３ａ、３ｂを経て混合されたＡｒガスとＨｅ
ガスが供給されるようになっている。基板周辺とヒート
ステージとの当接面は気密シールでないため、当接部の
ギャップによるコンダクタンスで決まるガスが真空容器
５内に流れ込み、ゲートバルブ６ａを介して接続された
真空ポンプ６で排気される。従って混合ガスの全流量は
ヒートステージと基板の間のガス圧が所定の値に保たれ
る程度に流す必要がある。　基板の温度は放射温度計７
により測定されて、制御手段１３に送られる。

基板温度を一定に保つ制御の場合には、制御手段１３は
、この測定地と予め設定された温度との偏差と偏差の時
間的変化量に応じて流量調節器３ａ、３ｂを制御し、Ｈ
ｅガスとＡｒガスの混合ガスの全流量が一定でかつ混合
ガスの熱伝導度が変化させて基板温度を設定温度に維持
する。

ヒートステージの温度は一定に保たれているので、この
制御は放射温度計７の読みと設定温度の偏差及び変化量
に基づいて流量調節器をＰＩＤ（比例・積分・微分）制
御して行われる。

第３図は、上記構成を有する基板加熱装置を用いてスパ
ッタを行った実施例で、室温の基板をヒートステージに
クランプして設定温度の４００℃まで昇温させた後、ア
ルミターゲットを用いて７に−のスパッタ電力を印加し
、ｌμｌ厚さのＡＩ膜を成長させる場合の、基板温度と
ガスＨｅ、Ａｒの流量の変化を示したタイムチャートで
ある。基板温度が４００℃に近づくに伴って、熱伝導度
の大きいＨｅガスの流量が減少し、ヒートステージから
基板への熱流が減少して、基板温度のオーバーシュート
が防がれていることがわかる。そして基板温度が４００
℃で安定した時点でスパッタが始まると、基板に流入す
る熱流が増加するため、Ｈｅガスの流量がさらに減少し
て基板温度を一定に保つように制御していることがわか
る。

また急速に基板温度の昇温・降温を行う制御の場合には
、ヒートステージの昇温・降温を行うと同時に、混合ガ
スの流量比を基板への熱伝導係数が最大・最小になるよ
うに制御することにより基板温度を敏速に変化させるこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明の基板加熱装置によれば、基板
の種類によらず再現性良く基板を加熱することや基板温
度の急速な制御が可能となり、半導体装置製造用のスパ
ッタ装置等の成膜装置に用いて薄膜の膜質の安定化や装
置のスループットの向上に顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は本発明の実施例の図、 第３図は基板温度とガス流量変化のタイムチャート、 第４図は従来の基板加熱装置の模式図、である。 図において、 １−ヒートステージ、　　２・一基板、３ａ、３ｂ　−
流量調節器、　　４・・・ガス導入口、５−真空容器　
　　　　　６−真空ポンプ、７−放射温度計、　　　　
　８−スパッタターゲット、　　　　　　　　　　　９
・−スパッタガスの投入口、　　　　　　　　　１０−
温度調節器、１１−・−熱電対、　　　　　　１２−・
−ヒータ、１３−流量の制御手段、　　ｄ・−ヒートス
テージと基板との隙間、 である。 ■ 本発明の所、哩言乞明口 第　１図 岑発吐の芙方己イ列の図 基砧９翫ｙと７］７．ソしｔ□隻＾しめタイム千Ｖ蔓 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 成膜装置に用いる基板加熱装置であって、 その周辺部で基板（２）を載置しその他の領域では隙間
   （ｄ）を介して該基板（２）と対向するヒートステージ
   （１）と、 該隙間（ｄ）に熱伝導度の異なる二種類以上のガスから
   なる混合ガスを導入するガス供給手段（３ａ、３ｂ）と
   、 基板温度検出手段（７）と、 該検出結果に基づいて前記ヒートステージ（１）から前
   記基板（２）への流入熱量を変化させて基板温度を制御
   するように前記混合ガスの混合比を制御する制御手段（
   １３）とを有することを特徴とする基板加熱装置。