(57)【要約】【課題】  １以上のウェハの処理に、高速で、安定し、再現性があり、エネルギー効率が良く、制御された、均一な熱サイクルをもたらす改良型ウェハ処理アセンブリを提供する。【解決手段】  ａ）加熱される様々なサイズの対象物を載せるためのプラットフォームと、ｂ）このプラットフォームとほぼ垂直に延びる１以上のシャフトと、ｃ）プラットフォーム上の異なるサイズの対象物を独立に制御加熱するための、１以上のゾーンを画成する複数の回路にパターン化された複数の抵抗加熱素子とを備えるウェハ処理用熱制御装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理チャンバ用の装置であって、
ある初期温度を有する大きさの種々異なる１以上の対象物を、初期温度よりも５０℃以上高い目標温度に加熱するための１以上の抵抗加熱素子を備えるヒータ及びホルダアセンブリと、
アセンブリを支持する１以上の垂直方向に移動可能なシャフトとを備え、
加熱素子が、プラットフォーム上の大きさの種々異なる１以上の対象物を独立に制御加熱するために、１以上のゾーンを画成する複数の回路にパターン化され、加熱素子の表面の少なくとも一部が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上を含む誘電体断熱層で被覆され、
加熱素子が、対象物を初期温度から目標温度に加熱するために、毎秒１℃以上の昇温速度を有する、装置。
【請求項２】
垂直方向に移動可能なシャフトが、加熱素子を降下又は上昇させて加熱素子と対象物との間に約０．５〜１０ｍｍの非接触ギャップを作るように、加熱素子に結合されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
加熱素子上に対象物を支持する支持構造をさらに備え、垂直方向に移動可能なシャフトが、支持構造を降下又は上昇させて加熱素子と対象物との間に約０．５〜１０ｍｍの非接触ギャップを作るように、支持構造に結合されている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
誘電体断熱層が、窒化アルミニウム及び熱分解窒化ホウ素の１以上を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
対象物を、毎秒１０℃以上の速度で室温から３５０℃以上の温度に加熱するための、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
対象物を、毎秒２０℃以上の速度で室温から３５０℃以上の温度に加熱し、対象物がウェハ基板である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
加熱素子の下に配設された熱反射板をさらに備え、熱反射板が、アルミニウム、ニッケル、鋼、タングステン、タンタル、モリブデン及びそれらの組合せからなる群の１以上を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
複数の半導体ウェハ基板を、初期温度から目標処理温度に加熱するためのウェハ処理装置であって、チャンバが、
１以上のウェハ基板をその上に支持するアセンブリ内に、移動可能に配設された複数の抵抗加熱板を備え、
各加熱板が、プラットフォーム上の大きさの種々異なる１以上の対象物を独立に制御加熱するために、１以上のゾーンを画成する複数の回路にパターン化され、
チャンバがさらに、加熱板上にウェハ基板を支持する支持構造を備え、
各加熱板が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上を含む誘電体断熱層で被覆され、
各加熱板が、毎秒５℃以上の速度でウェハ基板の温度を上昇させるように独立に制御される、ウェハ処理装置。
【請求項９】
加熱板又は支持構造が、加熱板とウェハ基板との間に約０．５〜１０ｍｍの非接触ギャップを作るように昇降される、請求項８記載のウェハ処理装置。
【請求項１０】
ウェハ基板を処理する方法であって、
抵抗加熱板上にウェハ基板を配置する段階であって、加熱板が、プラットフォーム上の大きさの種々異なる１以上の対象物を独立に制御加熱するために、１以上のゾーンを画成する複数の回路にパターン化され、加熱板が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上を含む誘電体断熱層で被覆される、段階と、
ウェハ基板を伝導加熱によって初期温度から目標温度に加熱するために、加熱板の温度を毎秒１℃以上の速度で上昇させる段階と、
ウェハ基板と加熱板との間に非接触ギャップを作る段階と、
場合によっては、ウェハ基板温度を目標温度から１５％以内に保持するように、加熱板に入力される電力を制御する段階とを含む方法。
【請求項１１】
ウェハ基板を配置するための、１以上の抵抗加熱素子を有するヒータ及びウェハホルダアセンブリを備えた加熱アセンブリを使用して、１以上のウェハ基板を、毎秒１０℃以上の速度で室温から１００℃を超える温度に加熱する方法であって、
ウェハ基板を、伝導加熱によって毎秒５℃以上の速度で所定の温度に急速加熱する段階と、
所定の温度を、輻射加熱によって１５％の変動範囲内に制御する段階とを含み、
伝導加熱が、プラットフォーム上の大きさの種々異なる１以上の対象物を独立に制御加熱するために、１以上のゾーンを画成する複数の回路にパターン化された１以上の抵抗加熱素子によって行われ、加熱板が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上を含む誘電体断熱層で被覆され、
輻射加熱が、ウェハ基板と加熱板との間に非接触ギャップを作ることによって行われる、方法。
【請求項１２】
非接触ギャップが、ウェハ基板を加熱板から離れる方向に持ち上げることによって作られ、又は加熱板をウェハ基板から離れる方向に移動させることによって作られる、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体製造に使用するウェハ処理アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェハ処理アセンブリは、分子線エピタキシ、宇宙実験、電子顕微鏡用基板ヒータなどの多くのシステム用途及び超伝導膜などの成長に使用されている。ウェハ処理チャンバ又はアセンブリは、半導体ウェハなどの対象物を加熱する装置である。半導体ウェハ処理に際しては、アニーリング、ガス抜きなどの段階で、高速加熱冷却サイクルがしばしば必要である。これらの段階は、一般に、時に即時冷却を必要とする多くの高速加熱プロセス、時にそれに続く正確な温度制御を必要とする恒温プロセス及びその後の高速冷却プロセスからなる。
【０００３】
全時間−温度サイクル中にウェハに入力されるエネルギーは、しばしばサーマルバジェットと呼ばれる。このサーマルバジェットは、ウェハに対する悪影響によって限定される。すなわち、温度が高すぎたり、時間が長すぎたり、或いは前述の時間−温度プロセス手順から逸脱すると、ウェハの欠陥を引き起こし得る。これらの段階は、ウェハがバッチモードで処理される管状炉内で行うことができる。しかし、均一な結果を得るには炉内の状態が定常状態になるのを待つ必要があり、通常、サーマルバジェット又はプロセス手順によって課される制限に反し得る長い処理時間を必要とする。
【０００４】
米国特許出願公開公開第２００４／００３５８４７号は、ウェハが加熱された後にこれを能動的に冷却する装置を有する高速加熱冷却装置を備えた、バッチ式炉に代わる手段を開示している。急速加熱のために、この装置は、放射ランプヒータなどの高温源を使用している。従来技術の高輝度ランプは、その速い熱応答性のために高速加熱を可能にし、瞬時に消すことができるために急速冷却を可能にする。管状炉内での加熱に比べて、放射ランププロセスに必要なサーマルバジェットは低減する。しかし、温度均一性要件のために、急速熱処理は、通常、単一ウェハの処理に限定される。温度均一性を改善するための手法としては、マルチゾーンランプ及び／又はウェハ回転機構を用いる。しかし、これらのシステムは、複雑であり、コスト及び保守要件を増大させる。さらに、多くのランプは、円形ウェハを均一加熱するときには効果的でない直線フィラメントを使用している。ランプシステムはまた、時間とともに劣化しやすく、プロセス再現性の低下をもたらす。
【０００５】
米国特許第６４９７７３４号は、抵抗板ヒータを使用して高速加熱する他の手法を開示している。米国特許第６７６５１７８号は、加熱チャンバに適合するとともにウェハ基板を保持するカセットを囲む、熱反射板及び補助抵抗ヒータを備えたシステムの使用を開示している。抵抗ヒータは、安定した再現性のある熱源を提供する。しかし、ほとんどのヒータは、高速熱サイクルには適さなくする大きな熱質量（ｔｈｅｒｍａｌ  ｍａｓｓ）を有する傾向がある。応答を速くした抵抗ヒータは、焼結セラミックスで製作することができるが、焼結セラミックスは、熱衝撃の影響を受けやすく、高い温度勾配になったときに割れやすい。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００３５８４７号明細書
【特許文献２】米国特許第６４９７７３４号明細書
【特許文献３】米国特許第６７６５１７８号明細書
【特許文献４】米国特許第５３４３０２２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／００７４８９９号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００４／０１７３１６１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、１以上のウェハを処理するための、高速で、安定し、再現性があり、エネルギー効率の良い、制御された、均一な熱サイクルを提供する改良型ウェハ処理アセンブリに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１以上の半導体ウェハ基板を処理するためのウェハ処理アセンブリであって、垂直方向に移動可能なシャフトに結合された１以上の加熱板を有するカセットを備えており、加熱板が、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上からなる誘電体断熱被覆層で被覆された１以上の電熱回路ゾーンを画成する電流経路のパターンに構成された伝熱面を有する基板本体を備え、ウェハ基板が、毎秒１０℃以上の速度で最高８００℃の温度に加熱される、ウェハ処理アセンブリ。本発明の一実施形態では、この加熱速度は毎秒２０〜５０℃の範囲である。
【０００８】
本発明の一実施形態では、ウェハ処理アセンブリは、複数の半導体ウェハ基板を処理するためのものであり、複数の加熱板を有するカセットを備える。
【０００９】
本発明はさらに、１以上の半導体ウェハ基板を処理する方法に関し、この方法では、処理サイクルが、ウェハ基板を短時間で所望の処理温度に加熱する伝導加熱、それに続く残りの処理サイクルのための輻射加熱及び場合によってはそれに続くウェハを所望の処理温度にするための対流冷却を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本明細書では、量を表すに際し、それに関連する基本機能を変えることなく変動し得る量に近似的用語を用いることがある。例えば、「約」又は「実質的」のような用語で修飾した値は、場合によっては、厳密には規定した値に限定されないことがある。
【００１１】
本明細書で用いる「ウェハ基板」又は「基板」は、複数形になっているが、これらの用語は１以上の基板を使用でき、「ウェハ」が「基板」と互換的に使用できることを示すために用いられる。同様に、「加熱板」、「棚」、「反射エレメント」又は「反射板」にも複数形が使用されることがあるが、これらの用語は、１以上の要素が使用できることを示すために用いられる。
【００１２】
本明細書では、「加熱板」という用語は、「ヒータ」又は「加熱素子」と互換的に用いられ、この用語は、１以上の要素が存在し得ることを示すために、単数形又は複数形にすることがある。
【００１３】
本発明のウェハ処理チャンバアセンブリは、半導体産業において、クラスタツールとして知られるシステムで使用することができる。このアセンブリは、基板加熱のほかに、アニーリング、堆積及び／又はエッチングを始めとする他の機能にも使用することができる。
【００１４】
図１に示す一実施形態では、チャンバ１００は、上部セクション１５及び下部セクション１７を備える。この上部セクション及び下部セクションは、ローディングウィンドウ（図示せず）を有する連結体３０を介して封止可能に連結されている。この連結体は、プロセス耐性であり汚染物フリーのガスケット、パテ材、接着剤などの材料を用いて製作されている。他の実施形態では、この連結体は、溶接、ボルト、クランプ、他のタイプの締結具などの機械的手段で製作することができる。
【００１５】
アセンブリはさらに、上部セクション１５の空洞体７内に移動可能に配置されるカセット１０を備える。本明細書では、カセット又はカセットホルダは、１つ又は多数の棚や板などを支持する１以上のフレームを備えたアセンブリを意味する。空洞７は、１以上のウェハ基板をカセット１０で保持するために使用されるので、真空状態にあるチャンバ１００にかかる外部大気圧は相当なものとなり得る。したがって、一実施形態では、空洞７は、図１に示すように半球形状になっている。他の実施形態では、空洞は、外部の大気圧に耐えるのに十分な完全性を有するものである限り、円形、方形又は処理される基板を収容する任意の形状にすることができる。
【００１６】
一実施形態におけるカセット１０は、垂直移動シャフト６６に結合されたプラットフォーム５５上に設置されている。このシャフト及びプラットフォームは、アルミニウム、鋼、タングステン、タンタル、モリブデンなどのプロセス耐性材料からなり、プロセス温度に耐えるようになされており、一般に銅などの夾雑物を含まない。
【００１７】
ウェハ基板は、カセットの別々の棚３６の上に個別に固定せずに配置されている。カセットの棚３６は、フレーム２５によって支持されている。各基板加熱棚３６は、ブラケット１７によってフレーム２５に連結された加熱板４０を備える。ブラケット１７は、フレーム２５に加熱板４０の縁部を連結し、プロセス耐性であり銅などの夾雑物を含まない、粘着剤、セラミックボンディング、グルーなどの接着剤、又はねじ、ボルト、クリップなどの締結具を使用して、フレーム２５と加熱板４０の両方に取り付けることができる。フレーム２５及びブラケット１７は、プロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まないセラミックス、アルミニウム、鋼、ニッケルなどのプロセス耐性材料からなる。フレーム２５及びブラケット１７は、別々の物品でもよく、或いはそれらを一体化して加熱基板支持体の支持部材を形成することもできる。
【００１８】
一実施形態では、加熱板４０は、基板に熱の大部分を加えることによって加熱効率が最大になるように、基板２８と共形であり、且つそれよりわずかに大きくなっている。他の実施形態では、加熱板４０は、所望の基板加熱をもたらすようになされた任意の形状とすることができる。
【００１９】
基板加熱棚３６は、複数の基板加熱空間を画成するように、カセット１０内で垂直方向に平行に離隔されている。各加熱板４０は、１以上の基板２８を加熱するようになされている。ウェハ基板は、複数の支持ピンの形の支持構造４２上に支持されている。一実施形態（図示せず）では、基板２８を保持する支持構造４２は、エッジリングの形、又は基板を支持するための鋸歯状突起部を有する支持リングの形になっている。この支持構造は垂直方向に移動可能なシャフトと結合されて、リフトピン（ｌｉｆｔ  ｐｉｎ）／エッジリングが基板２８の下面を支持するように昇降されて、例えば、基板２８を加熱のために加熱板４０と接触させ、或いは目標温度に達したときに基板２８を加熱板４０から遠ざけることが可能になる。
【００２０】
本明細書では、「結合する」という用語は、直接連結、或いは間接連結、すなわちシャフトに支持構造又は加熱板を連結するブラケットや連結棒などの中間部品を介した連結を意味する。
【００２１】
各基板２８の上下にある加熱棚３６は、基板２８の上面及び下面が熱にさらされるように、基板加熱空間の上下境界を確立する。
【００２２】
一実施形態では、この上下境界は、基板２８の両面の均一加熱を確保するために、基板２８から等距離にある。他の実施形態では、アニーリングや水素除去などの様々なプロセスに対する異なる加熱要件に適合するように、間隔及び基板位置を調節することができる。上下棚の間隔は、加熱速度を上げ下げし、各基板面に加わる熱量を増減するように調整することができる。例えば、加熱空間の上下境界の間隔をより狭くして加熱板４０からのエネルギー伝達を増大させ、それによって温度及び加熱速度を上げることができ、或いはこの間隔をより広くして入射エネルギー伝達を減少させ、それによって基板温度を下げるとともに基板２８の加熱を遅くすることもできる。
【００２３】
他の実施形態では、基板２８を上部境界又は下部境界のより近くに配置して、基板２８の両面に異なる熱量を供給することができる。一態様では、生産効率を高めるために、加熱空間の上下境界の間隔は、カセット１０ができるだけ多くの基板加熱棚３６を保持できるようにしながら、基板２８を所望の速度及び温度で加熱するように調整することができる。一態様では、上下境界の間隔は約３０ｍｍである。他の態様では、上下境界の間隔は約６０ｍｍである。
【００２４】
異なる材料の層が上面上に既に付着されている基板は、不均一な放射率分布を有することがあり、上方から直接加熱されたときに、この表面に不均一な温度分布をもたらす恐れがある。本発明の一実施形態では、加熱反射エレメント（図示せず）が、各加熱板４０の下部に挿入されている。この熱反射エレメントは、基板２８の上面への熱放射の防止又は低減に役立つ。さらに、この熱反射エレメントは、基板２８及び加熱板４０に断熱を提供することによって加熱板の熱効率を高める。
【００２５】
一実施形態では、熱反射エレメントは、鏡面を有する反射板である。別の実施形態では、熱反射エレメントは、プロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まない材料で作られた、加熱板の底面全体を覆う薄膜又は薄板である。第三の実施形態では、熱反射エレメントは、アルミニウム、ニッケル又は金のめっき面、或いは熱を反射するようになされたその他の金属面である。
【００２６】
複数のウェハ基板２８を同時に高速熱処理するため及びウェハ基板２８の均一加熱を実現するために、本発明は、輻射加熱も伝導加熱ももたらすように加熱板４０を利用して、従来技術の焼結セラミック加熱板の熱衝撃の問題を回避している。本発明では、高速の均一な熱処理は、伝導も輻射も用いてウェハを加熱できる熱質量の低いセラミックヒータによって行われる。
【００２７】
一実施形態では、ヒータ又は加熱板４０は、１以上の電熱回路ゾーンを画成する電流経路のパターンで構成された伝熱面を有し、パターン体を封入する誘電体断熱被覆層を有する基板本体を備える。
【００２８】
一実施形態では、加熱板４０の基板本体はグラファイトを含む。他の実施形態では、基板本体は、水晶、窒化ホウ素、焼結窒化アルミニウム、焼結窒化ケイ素、窒化ホウ素の焼結体及び窒化アルミニウムから選択される材料と、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウム及びニオブの群から選択される高融点金属とを含む。加熱板４０の被覆層は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体及び／又は組合せの１以上からなる。
【００２９】
一実施形態では、加熱素子は、電流経路のパターンに構成されたグラファイトと、このパターン化グラファイトを封入する１以上の被覆層とを含み、この被覆層は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、高融点硬質金属、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択される元素の窒化物、炭化物、炭窒化物又はオキシ窒化物、或いはそれらの複合体の１以上を含む。
【００３０】
米国特許第５３４３０２２号に記載されている加熱素子の一例では、加熱素子は、その上に配置され加熱素子を形成するパターン化熱分解グラファイト層を有する基板としての熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）板と、このパターン化板を封入する１以上の被覆層とを備える。
【００３１】
米国特許出願公開第２００４／００７４８９９号に記載されている加熱素子の他の例では、加熱素子は、窒化化合物、炭化化合物、炭窒化化合物、酸窒化化合物又はそれらの混合物の１つを含む１以上の被覆層内に封入された、抵抗ヒータ用電流経路のパターンに構成されたグラファイトを含む。
【００３２】
米国特許出願公開第２００４／０１７３１６１号に記載されている加熱素子の他の例では、加熱素子は、グラファイト基板と、窒化化合物、炭化化合物、炭窒化化合物又は酸窒化化合物の１以上を含む第一の被覆層と、グラファイトをパターン化して抵抗ヒータ用電流経路を形成した第二の被覆層と、このパターン化基板上の表面被覆層とを備え、この表面被覆層も、窒化化合物、炭化化合物、炭窒化化合物又は酸窒化化合物の１以上を含む。
【００３３】
本発明の諸実施形態では、伝導モード中にウェハと接する加熱素子の表面は、誘電体材料を含んでいる。一実施形態では、パターン化抵抗加熱素子は、誘電体被覆によって完全に封入されている。他の実施形態では、パターン化抵抗加熱素子は、露出していてもよい。一例では、パターン化抵抗加熱素子は露出しているが、ウェハが誘電体基板の上面上に載るようにこの基板の下面に配設される。他の例では、露出するパターン化抵抗加熱素子は、これを画成する誘電体層が、パターン化抵抗加熱素子よりも高い所に延びているが、このエレメントには及ばないように、加熱素子の上面上にある。この場合は、ウェハ基板がこの誘電体層上に載っており、パターン化抵抗加熱素子は、ウェハの下で露出しているがこれと接してはいない。
【００３４】
本発明のアセンブリに使用できるヒータ、抵抗加熱素子又は加熱板は、毎秒５℃を超える昇温速度を有するＢＯＲＡＬＥＣＴＲＩＣ（登録商標）ヒータとして、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国オハイオ州ストロングビル）から市販されている。このヒータは、一実施形態では、毎秒１０℃を超える昇温速度を有し、他の実施形態では、毎秒３０℃を超える昇温速度を有している。厳しい条件下で熱衝撃に対して優れた耐性を有し、例えば加熱速度が毎秒５℃を超える速い熱応答速度を有する他のヒータを使用することもできる。
【００３５】
本発明の一実施形態では、このアセンブリは、空洞７内に配設された熱反射板２０をさらに備える。熱反射板は、上部セクション１５の上体５の表面の内側に取り付けられて、空洞７内に反射面を形成する。熱反射板２０は、空洞７とその内面との間に輻射熱の断熱をもたらすことによって、上体５を経由する熱損失が最少になるように構成されている。熱反射板２０は、空洞７内の輻射熱を空洞７の内面からその中央に向かって反射する。一実施形態では、熱反射板２０は単一の層を備える。他の実施形態では、熱反射板２０は、複数の層又は統一体を形成するように組み合わされた幾つかの部分を備える。
【００３６】
一実施形態では、熱反射板２０は、プロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まないアルミニウム、ニッケル、鋼などの熱伝導材料を含んでいる。他の実施形態では、熱反射板２０は、アルミニウム、ニッケル、金、タングステン、タンタル又はモリブデンでめっきされた内側熱反射面、或いは熱を反射するようになされプロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まないその他の面を有する。
【００３７】
追加の断熱材が空洞７とその内面との間にあるのが望ましい一実施形態では、熱反射板２０は、プロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まない金属めっきが施されたセラミックス、ガラスなどの断熱材をさらに備える。熱反射板２０は、感圧性粘着剤、セラミックボンディング、グルーなどを用いた内面３１１へのボンディングなど、幾つかの手法を用いて、又はプロセス耐性であり一般に銅などの夾雑物を含まないねじ、ボルト、クリップなどの締結具によって、空洞７の内面に取り付けることができる。さらに、熱反射板２０は、電気めっき、スパッタリング、陽極酸化処理などの技法を用いて、空洞７の内面に付着させることができる。一実施形態（図示せず）では、熱反射板２０を、絶縁ねじ、絶縁ボルト、絶縁クリップなどの絶縁性締結具を使用して空洞７の内面から離隔し、空洞７の内面と熱反射板２０との間にギャップを形成する。
【００３８】
加熱板４０によってもたらされる高速加熱の後に、対流熱伝達がウェハを冷却するガスの直交流によって促進される。本発明では、ガスの直交流は、加熱チャンバ１００を処理ガスが送出されるプロセスガス供給部に連結するための、空洞中に延びる１以上のガス注入口６０によって供給される。
【００３９】
圧力調節器（図示せず）は、アセンブリに導入できるガス流を制御する。
【００４０】
本発明のアセンブリにより、加熱プロセスも冷却プロセスもアセンブリ内で行うことが可能になる。一実施形態では、アセンブリは、その中に取り付けられた複数のガス噴出し口（図示せず）をさらに備える。他の実施形態では、アセンブリはさらに、水冷側壁、水冷底壁及び強制空冷頂壁を有する外側容器で囲まれている。
【００４１】
本発明の一態様では、ウェハは、低温例えば１００℃未満の処理チャンバに入り、それを低温すなわち同じく１００℃未満で放置し、したがってアセンブリ外部の付加的な冷却段階が不要になる。他の実施形態では、ウェハは、処理アセンブリを５０℃未満の温度で放置する。
【００４２】
一態様では、バタフライ弁を有するウォータトラップ（図示せず）及びポンプ９０が、真空ポート９２を介して空洞７に連結されており、真空排気中にアセンブリから水蒸気及び他の夾雑物を抜き出すことによって空洞内の真空を保持する。図には示してないが、一般にウェハ処理チャンバに使用される圧力制御装置、温度制御装置及び基板カセット位置決め装置も、本発明のアセンブリと共に使用される。一実施形態では、ＰＯＵ（ｐｏｉｎｔ−ｏｆ−ｕｓｅ）ポンプを使用して、真空弁が開く前にアセンブリをポンプダウンすることができる。チャンバアセンブリは、周囲圧力から高真空までの範囲の真空計及び圧力制御用プロセスマノメータを備えることもできる。
【００４３】
温度制御装置は、ウェハ処理チャンバの温度を制御する。カセット１０の加熱板４０は、ヒータへの単一入力又は複数の個別入力によって給電される。これにより、単一の熱電対又は個々の熱電対からの入力に基づいた閉ループ制御が可能になる。各加熱板には熱電対チャネルが設けられる。これらのチャネルは、制御盤で監視され表示される。
【００４４】
本発明の一実施形態では、各加熱板又は加熱素子は、適宜メンテナンスを行うために、高速冷却サイクル時間を可能にするための冷却管（図示せず）をさらに備えることができる。一実施形態では、冷却管にガスが使用される。
【００４５】
一実施形態では、フォトレジストその他の夾雑物を検出するための残留ガス分析（ＲＧＡ）が行われる。ＲＧＡは、ステーションが汚損物質を含んでいるウェハを処理するのを禁止するための、実時間安全モニタインターロックとして機能する。
【００４６】
本明細書では、ヒータという用語は、加熱板又はヒータ板と同義で使用される。本発明のアセンブリによってウェハを処理する操作の一実施形態では、最初に、ウェハ２８は、それぞれが２つの加熱板又はヒータ４０の間に配置された状態で、カセット内に搭載される。支持ピン４２は、ウェハ２８が下部ヒータの上に載るように、最初は引っ込められている。
【００４７】
図１に示すウェハ処理アセンブリは、複数のウェハ基板を処理するためのものである。他の実施形態（図示せず）では、加熱板、ブラケットなどを備えた加熱アセンブリが、（図１に示したように水平ではなく）スロット状に垂直に構成されている。
【００４８】
他の実施形態（図示せず）では、アセンブリは、１以上の加熱板が支持アセンブリの上に載った状態で単一ウェハを処理するウェハ処理チャンバ用のものである。この加熱板は、反射材料及び／又は断熱材料製のエレメントを備える。一実施形態では、アセンブリは、ローディングウィンドウを有するセクションを備える。一実施形態では、熱反射エレメントは、プロセス耐性であり一般に汚染されていない材料でめっきが施された反射面を有する。例としては、アルミニウム、ニッケル、金、又は熱を反射するようになされたその他の反射面がある。一実施形態では、支持アセンブリは、チャンバの底壁に連結され、又は溶接、ボルト、クランプ、ブラケット、その他のタイプの締結具などの機械的手段によってチャンバの底壁に取り付けられる。ウェハ基板は、加熱板上に配置され、固定はされない。ウェハ処理アセンブリはさらに、ウェハ基板の上方に位置する第二の加熱板又は反射エレメントを備えることができる。
【００４９】
他の実施形態では、ウェハを支持する加熱素子が、棚の代わりに又は棚に加えて、リング、プレート、アームなどを備えていてもよい。一実施形態では、これらのエレメントは、支持エレメント又はウェハに垂直移動をもたらす１以上の昇降機構に連結されている。
【００５０】
一実施形態では、ヒータ及び反射器、バッフル、連結エレメントなどの付加的部品が、チャンバに取り付けられている。他の実施形態では、支持エレメントがチャンバに取り付けられ、ヒータ及びそれらの部品が垂直方向に動く。ヒータアセンブリは、ヒータ構造の支持エレメントを制御する移動機構を備える。この移動機構は、チャンバに対して相対的に固定されており、ヒータに垂直移動をもたらす。一実施形態では、この移動機構は、これが最上方位置にあるときに、ヒータがウェハをその支持エレメントからわずかに持ち上げ、それによって完全接触を確保するように設計されている。他の実施形態では、ヒータアセンブリは、ウェハの温度が設計温度に近づいたときに、加熱モードを伝導から輻射に切り替えるために、下方へ移動できるように設計されている。
【００５１】
運転中、ヒータは、約２００〜４００℃の温度に予熱しておくことができ、又は既に前のサイクルから約２００〜４００℃の温度になっている。一実施形態では、電力が、全く又はほとんど供給されない。カセット１０が処理位置に移動したとき、電力がヒータ４０に供給され、ヒータ４０は、（各ウェハの下に位置するヒータからの）伝導及び（各ウェハの上に位置するヒータからの）輻射によってウェハ２８を加熱する。これらの温度で加熱するためには、伝導の方が輻射よりもずっと効率的であり、したがって、ウェハは、下部ヒータの上に載るように配置される。非常に速い熱応答性を有するセラミックヒータ４０を使用すると、一実施形態では１０℃／秒を超える加熱速度、別の実施形態では２０℃／秒の加熱速度、第三の実施形態では５０℃／秒を超える加熱速度で、ウェハの非常に速い加熱がもたらされ、ウェハ２８を約３００〜１０００℃のプロセス温度にする。本発明の一実施形態では、ウェハは、毎秒１５℃以上の速度（「昇温速度」）で室温から５００℃まで加熱される。
【００５２】
ウェハ２８がプロセス温度に近づいたとき、支持構造４２例えばリフトピンが、ウェハ２８をヒータ４０からヒータ相互間の中間位置（ウェハ２８と上部ヒータ／下部ヒータ４０のそれぞれとの間隔が５〜２０ｍｍ）まで持ち上げる。一実施形態では、これは、ウェハ温度が目標ウェハ温度から２００℃以内になったときに起こる。別の実施形態では、これは、１００℃以内である。第三の実施形態では、目標ウェハ温度から５０℃以内である。これは、ウェハの均一加熱を確保するのに役立つ。
【００５３】
一実施形態では、ウェハ温度がプロセス温度を超えるのを防止するために、ヒータに入力される電力を時間の関数として調整することもできる。この入力されるヒータ電力は、一般に温度上昇段階の間により大きく、次いで、行過ぎ防止のために一定時間後に低下するが、行過ぎなしの要件を実現する電力−時間関数を用いることができる。さらに、ウェハ２８を持ち上げた場合、輻射加熱は、ウェハとヒータの間の不完全な熱的接触のせいで、伝導に比べてより均一な加熱をもたらす。接触は高速伝導加熱を可能にするが、ウェハ表面上の熱的均一性が低下するかもしれない。
【００５４】
加熱板との直接的接触による伝導加熱の後に、ウェハ基板２８の温度は、輻射加熱によって制御することができる。図２に示す一実施形態では、加熱板４０を保持するカセット１０がシャフト６６に連結され、したがって、カセット及びそれに連結されている加熱板の垂直方向の移動が可能になる。他の実施形態では、加熱板は、シャフト６６に直接連結することができ、或いは支持ブラケット及びカセットを介してシャフト６６に間接的に連結することができる。ヒータ温度がプロセス目標温度に近づいたとき、加熱を伝導から輻射加熱に切り替えることができる。
【００５５】
一実施形態では、加熱板を、垂直方向に移動可能なシャフトによって降下させて、０．５〜１０ｍｍの範囲のウェハとの非接触ギャップを作り、それによって目標温度を行き過ぎないようにする。一実施形態では、加熱板を降下させて、２ｍｍのギャップを得る。他の実施形態では、５ｍｍの非接触ギャップを作る。
【００５６】
別の実施形態では、０．５〜１０ｍｍの範囲の非接触ギャップが、リフトピン４２の動作によってウェハ２８を加熱板４０から離れる方向に上昇させることによって作られ、或いはウェハ温度が目標温度に近づいたときに、カセット１０の動作によってウェハ２８から離れる方向に加熱板４０を降下させることによって作られる。目標温度を行き過ぎることのない、高ランプを含むウェハの所望の時間−温度プロファイルは、初期ウェハ温度、目標ウェハ温度、初期ヒータ温度、時間の関数としてのヒータ電力、非接触ギャップ形成時間及び非接触ギャップ間隔を含むが、それらに限定されないプロセス変量の関数である。
【００５７】
初期のウェハ温度及びヒータ温度が室温例えば２５℃であり、目標温度が３５０℃である一例では、ウェハの下方及び上方に位置する２つのヒータの入力初期電力密度３０Ｗ／ｃｍ２で、３５０℃の目標温度に対する１５℃／秒のウェハ昇温速度を達成し、続いて、１３秒後に電力密度を１Ｗ／ｃｍ２に低減し、１９秒後に垂直上昇する。ウェハ温度は、冷却前に１００秒間３５０℃から５℃以内に恒温保持される。
【００５８】
前述のように、本発明のアセンブリは、高速加熱に関する伝導の長所と、均一性及び温度制御に関する輻射の利点を併せ有する。ウェハ温度は、ヒータ板４０を利用して、前述のウェハ処理の時間−温度手順に緊密に追従するように、急速昇降され、プロセス温度に制御される。
【００５９】
次いで、ウェハは、ヒータ４０の電源を切り、直ちにピン４２によって支持されているウェハ２８の両面にガスの直交流を吹き付けることによって冷却される。この構成では、冷却ガスは、ウェハ２８の両面を横切って流れることができ、それによって、ウェハがヒータの上に載っている場合よりも冷却にはより効果的なものとなる。ウェハ２８は、低温（１００℃未満）に冷却することができ、ヒータ４０は、その初期温度（２００〜４００℃）まで冷却される。本質的に熱質量の低い本発明の加熱板又はヒータを使用することによって、より急速な冷却が可能になり、これらのヒータは焼結セラミックヒータが受けるような熱衝撃の影響をほとんど受けないので、チャンバアセンブリのより長い運転期間が可能になる。
【００６０】
熱シミュレーションでは、誘電体被覆を有するセラミックヒータは、シリコンウェハに約２０℃／秒及び幾つかの実施形態では約５０℃以上／秒という極めて高い加熱速度をもたらし、ウェハ処理に必要な時間を大幅に短縮する。さらに、熱モデルによれば、ヒータが４００℃未満で開始したとき、伝導が輻射よりもずっと効果的なウェハ加熱方法であることが分かっている。さらに、低温で開始するヒータを使用してウェハを急速加熱する場合の所要電力は、本発明のグラファイトヒータを使用しても、実用には大きすぎる。したがって、本発明のアセンブリを使用するプロセスの一実施形態では、このプロセスは、２００℃以上まで加熱されているヒータで開始し、一実施形態では、ヒータは、２００〜４００℃の温度に予熱しておく。
【００６１】
他の有限要素熱モデルでは、従来技術の単一ヒータ構成を用いた結果を用いて、ウェハを２つの本発明の加熱板の間に配置した、本発明のウェハ処理チャンバの構成が確認される。２つのヒータの間で一時停止しているウェハの急速加熱（輻射加熱）に必要な電力は、ヒータがホットスタートしたとしても、実際の応用にはまだ大きすぎることが示されている。熱モデルは、ウェハが下部ヒータの上に載るように配置されたときに、伝導によって下部ヒータから及び輻射によって上部ヒータから加熱が起こる処理状態をシミュレートするためにも使用される。上部ヒータからの輻射加熱は、熱の大部分が下部ヒータによる伝導によってもたらされるウェハの全体的な加熱に少し寄与することが分かる。さらに、このモデルは、本発明のアセンブリで、ウェハが下部ヒータからリフトオフされたときに、ウェハはガスの直交流を使用して１００℃未満の低温まで急速に冷えることも示している。このため、ガスがウェハの両面に流れ、効果的な熱伝達を得ることができる。
【００６２】
伝導による急速加熱と輻射による均一性を併せて実現するために、ウェハが加熱処理中に加熱板からリフトオフされる、混合伝導／輻射ケースを試験した他の熱モデルでは、ウェハの高速冷却も実現され、ウェハが、本発明のウェハ処理アセンブリを使用する方法の一実施形態での予熱加熱板の開始温度である２００℃〜４００℃未満まで冷却できることが実証されている。
【実施例】
【００６３】
以下の非限定的な実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
【００６４】
実施例１
一連の試験を、ＢＯＲＡＬＥＣＴＲＩＣという商標名で販売されているＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社の２つのヒータの間に配置されるシリコンウェハに関して行う。この構成の略図を図３に示す。ウェハは３つのソレノイドアクチュエータによって支持されており、したがって、ソレノイドアームが完全に引っ込められたときにウェハは下部ヒータの上に載る。ソレノイドアクチュエータは、電力が供給されると同時にソレノイドアームを伸ばし、その結果、ウェハは、下部ヒータから持ち上げられ、２つのヒータ間の中間位置に配置することができる。様々な箇所のウェハ表面上の温度を測定するために、高速応答の細線熱電対を使用する。ヒータに入力される電力は、時間の関数として変動する。ソレノイドに電力を供給する時間（ウェハのリフトオフ時間）を調整することもできる。
【００６５】
各試験では、ウェハを、所望のプロセス温度を得るために、最初に大電力で５秒間から３０秒間伝導モードで加熱する（「遷移時間」）。この遷移時間に、熱的均一性を向上させるためにウェハをヒータから持ち上げる。ウェハが所望のプロセス温度になったら、ヒータ電力を低減して所望のプロセス温度を保持する。次に、ウェハを、例えばアニーリング用のいくらかのホールド時間、輻射によって所望のプロセス温度に加熱し、又は直ちに冷却することもできる。輻射加熱モードでは、ウェハ温度は、所望のプロセス温度から±１０％の変動でほぼ一定のままである。これらの試験では、２つの主要なパラメータである伝導加熱時間（大電力時）及びウェハリフトオフ時間を変える。ホールド時間の最後に、冷却のためにヒータ電源を切る。幾つかの試験では、この冷却を、ガスの直交流を用いた対流冷却によって行う。冷却ガスの例としては、１分間以下で２００℃以上の冷却／降下が得られるＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２などがある。試験の結果によれば、室温から３００℃以上までの高速ウェハ昇温速度が、毎秒５℃を超え毎秒５０℃までの昇温速度を有するヒータを使用して、３０秒以下（電源に応じて５〜３０秒）の間に得ることができる。さらに、ウェハリフトオフ時間を適切に調整することによって、設計温度を行き過ぎるという問題はなくなる。さらに、時間に依存するヒータ電力入力とウェハリフトオフ時間とを適切に組み合わせると、高速熱サイクルプロセスに特有の特定のウェハ温度プロファイル、すなわち１回以上の高速加熱時間、１回の十分な時間又はごく短時間の恒温部分及び１回の高速冷却時間を得ることができる。
【００６６】
実施例２
一連の試験を、３つのソレノイドアクチュエータによって支持されたウェハを含む構成で行う。ソレノイドアームが完全に引っ込んだときにウェハがヒータの上に載るように、ウェハをＧＥ社のＢｏｒａｌｅｃｔｒｉｃヒータの上方に配置する。ソレノイドアクチュエータは、電力が供給されたときにソレノイドアームを伸ばし、その結果、ウェハはヒータの上に持ち上げられる。
【００６７】
実施例３
熱反射板を実施例１の構成と共に使用する。試験の結果は、熱反射板の存在によって加熱速度が効果的に上昇し、プロセスのサーマルバジェットが低減することを示す。
【００６８】
実施例１及び２の試験からの代表的なデータを図４に示す。図のように、時間に依存するヒータ電力入力とウェハリフトオフ時間とを適切に組み合わせると、高速熱サイクルプロセス、すなわち１回以上の高速加熱時間（伝導モード）、１回の恒温部分（輻射モード）及び任意の高速冷却時間からなる特定のウェハ温度プロファイル得ることができる。このグラフは、２つの加熱モード、すなわち、最初の急速加熱（ウェハ加熱速度＞１０℃／秒）用伝導加熱モードとそれに続く恒温プロファイルを保持する輻射加熱段階との適切な時間依存性組合せを示している。幾つかの試験では、ウェハ加熱速度は２０℃／秒を超える。さらに、両加熱モードの適切な時間依存性組合せは、伝導ベースのシステムの場合、これらのシステムの熱慣性が本質的に高いことによる、一般に回避が困難な高速加熱時間の終わりの設計温度の行過ぎを防止するのに非常に効果的である。
【００６９】
実施例４
３００ｍｍ基板を処理するシステムで一連の試験を行う。このシステムは、試験チャンバ内に搭載された３４０ｍｍ径セラミック、垂直移動可能なシャフトに連結されたリフトピンベース及びリフトピン穴の内側のヒータを通って突出できるセラミックリフトピンを備える。被試験基板は、この基板の温度均一性を測定するための９つの埋込み熱電対を備える。この実験における一連の試験は、３００ｍｍ規模で、高速ランプが（目標温度を超えることなく）本発明のシステムで達成可能であることを実証する。さらに、これらの試験は、基板がヒータから（一般に１〜２％以内）持ち上げられると基板の優れた熱均一性が得られることを示す。一実施形態では、ウェハ上で測定される最高温度と最低温度との差異は、５６０℃の平均ウェハ温度で１０℃未満である。
【００７０】
本明細書では、当業者が本発明を使用及び実施できるように本発明を開示するに当たり、最良の形態を始めとする具体例を用いて説明してきた。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明なその他の具体例も包含する。かかる他の具体例が特許請求の範囲の記載と相違しない構成要素を有するか或いは特許請求の範囲の記載と異なるものが本質的なものでない均等な構成要素を有する場合、特許請求の範囲に包含される。本明細書で引用した文献の開示内容は援用によって本明細書の開示内容の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】複数のウェハを処理するために設計された本発明のウェハ処理チャンバの一実施形態の断面図である。
【図２】本発明のウェハ処理チャンバの一部の断面図である。
【図３】実施例１として行われる試験で使用される装置を示す図である。
【図４】半導体ウェハを急速加熱冷却する本発明の方法の一実施形態の段階を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2006196873000001.pdf