(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板ホルダ（１）に保持された基板（ｓ）を加熱し、冷却する基板加熱冷却装置において、基板ホルダ（１）とこれに装着された基板（ｓ）を加熱するヒータ（５）と、このヒータ（５）から発射される熱を基板ホルダ（１）と基板（ｓ）側に反射する反射鏡（６）とを有し、前記反射鏡（６）に冷却手段を設け、前記基板（ｓ）を装着した基板ホルダ（１）を移動させることにより、同基板ホルダ（１）を前記反射鏡（６）に当接し、離間する移動機構を備えることを特徴とする基板加熱冷却装置。
【請求項２】
基板ホルダ（１）は、その背面の周辺部分が反射鏡（６）に当接されることを特徴とする請求項１に記載の基板加熱冷却装置。
【請求項３】
基板ホルダ（１）が反射鏡（６）に当接するとき、基板ホルダ（１）が弾性部材（１１）を介して押し上げられることを特徴とする請求項１または２に記載の基板加熱冷却装置。
【請求項４】
冷却手段として、基板（ｓ）が配置される真空チャンバ（２４）の外側で冷却される冷媒が流通する冷媒通路（８）が反射鏡（６）の内部に設けられたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の基板加熱冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空蒸着法、スパッタリング法等により、半導体ウエハ等の基板の表面にコーティングしたり、或いは表面をエッチングする等の表面処理を行うに当たり、基板を加熱し、冷却する装置に関する。さらに具体的には基板を加熱した後の冷却を容易且つ高速化することが出来る基板加熱冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング法や真空蒸着法により、半導体ウエハ等の基板の上に薄膜を形成する場合、真空チャンバ内において、分子線源から成膜材料の分子を放出し、これを基板上に被着させて成膜する。このような成膜工程において、基板は基板ホルダに装着され、その成膜面を分子線源に向けた状態で真空チャンバ内の成膜位置に設置される。成膜時に、基板は成膜に必要な温度に加熱され、成膜が終わった後、基板ホルダごと前記成膜位置から取り外され、次の基板が成膜位置に新たに設置される。以下、この動作を繰り返しながら順次基板に成膜が行われる。
【０００３】
成膜時における基板の加熱温度は、成膜する材料や成膜条件等により様々であるが、数百℃に及ぶことが多い。成膜時に加熱した基板と基板ホルダは、その交換時に常温近くまで冷却する必要がある。
従来の成膜装置は、基板を保持したホルダの背後にヒータと冷却器とを設け、熱輻射を介して基板と基板ホルダの加熱と冷却を行う構造となっている。
【０００４】
図６に本件特許出願人がこれまで製造していた基板加熱冷却装置の例を示している。
真空チェンバ２４の上側に向けて開口したポート部にリング板形状のポートフランジ２５が設けられ、このポートフランジ２５にその上から円板状のフランジ２３がガスケット（図示せず）等を介して気密に接合され、このフランジ２３がネジ（図示せず）等の手段でポートフランジ２５に固定されている。
【０００５】
このポートフランジ２５に接合したフランジ２３の下に円板リング状のホルダーサポート２７が配置されている。このホルダーサポート２７の中に基板ホルダ１が着脱自在に取り付けられる。基板ホルダ１のホルダーサポート２７への取り付けと取り外しは、真空チャンバ２４の側壁に設けたロードロック室（図示せず）を通してトランスファーロッド等（図示せず）により行われる。この基板ホルダ１の下面には、Ｉｎ等の金属によりＳｉ等の半導体ウエハ等の基板ｓが装着されている。
【０００６】
基板ホルダ１の背面、すなわち基板ｓが装着されたのと反対側の面の上には、同基板ホルダ１と所望の間隔をおいてヒータ５が取り付けられている。このヒータ５は、真空チャンバ２４の内部の配線１０を介して前記フランジ２０に設けた電流導入端子２１に接続され、さらにこの電流導入端子２１を介して、真空チャンバ２４の外側に配置した電源（図示せず）に接続されている。この電源により、ヒータ５が加熱される。ヒータ５としては、例えばランプヒータが使用される。
【０００７】
このヒータ５の背後及びその周囲は、ヒータ５で発生する熱を基板ホルダ１側に反射するための反射板７が配置されている。さらにこの反射板７及び前記ヒータ５の中心を貫通するようにして冷媒通路２９が配置されている。この冷媒通路２９は外筒３０と内筒３１とを有し、外筒３０の下端に設けた放冷部３２が前記基板ホルダ１の背面、すなわち上面に近接して配置されている。この冷媒通路２９は、フランジ２３に設けた流体ジョイント２２を介して真空チャンバ２４の外側に配置した冷却器（図示せず）に連結されている。この冷却器で冷却した冷却水等の冷媒が冷媒通路２９を流通することで、基板ホルダ１とそれに装着した基板ｓとが冷却される。
【０００８】
基板ホルダ１の下面に取り付けられた基板ｓの下を覆うように、シャッタ２が設けられる。このシャッタ２は、フランジ２３から真空チャンバ２４の中に垂下したシャフト４に連結され、このシャフト４は、フランジ２３の上、すなわち真空チャンバ２４の外側に設けた回転導入機２０により往復回転される。この往復回転されるシャフト４を中心としてシャッタ２が回転することにより、基板ホルダ１の下面に取り付けられた基板ｓの下面、すなわち処理面が開閉される。
【０００９】
図７では図示してないが、前記シャッタ４の下方にクヌードセンセル、衝撃型電子線セル等の分子線源やイオン原が配置され、１つ以上配置されたそれらの分子線源やイオン原から発射された分子やイオン等が、シャッタ２が開いたときのみ、基板ホルダ１の基板ｓの表面に入射する。これによって、基板ｓの表面に薄膜を形成したり、イオンを注入したりする。
【００１０】
しかしながら、このような従来の薄膜成膜装置では、ヒータ５と基板ホルダ１との間に冷媒通路２９の下端に設けた放冷部３２が配置されているため、基板ｓの加熱温度はせいぜい５００〜６００℃であった。また、基板と基板ホルダの加熱と冷却は、真空チャンバ内での熱輻射により行われているため、時間がかかるという課題があった。特に基板の加熱より冷却に時間がかかり、これが基板の交換時間が長くなる要因となっている。
【００１１】
図７は、本発明の一実施例による基板加熱冷却装置において、基板ｓを６００℃に加熱した状態から基板ホルダ１の周辺部を反射鏡６の両側下縁に当接した直後経過した時間と基板温度の関係を示すグラフである。この例では、図７のグラフから明らかな通り、冷却開始から基板ｓの温度が５０℃前後に下降するまでに４２０〜４８０分要しており、温度の下降が鈍い。この結果、基板の１枚当たりの処理時間が長くなり、スループットが低いという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２１４０３号公報
【特許文献２】特開２００６−１９０８０５号公報
【特許文献３】特開２００５−２２０３６９号公報
【特許文献４】特開平１０−８３９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来の薄膜成膜に使用されている前記従来の基板加熱冷却装置における前述した課題に鑑み、簡単な操作により基板と基板ホルダの急速冷却を可能とし、これにより成膜等の基板処理工程において基板と基板ホルダの冷却が占める時間を短縮し、基板処理のスループットの向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記の目的を達成するため、基板ホルダの背後にヒータ５と反射鏡６とを配置し、この反射鏡６に冷却手段、具体的には冷媒が流通する冷媒通路８を設け、基板ホルダ１と基板ｓとの冷却時に、この冷媒通路６を有する反射鏡６に基板ホルダ１を当接し、基板ホルダ１とこれに装着された基板ｓの熱を反射鏡６に吸収させて、急速冷却出来るようにした。
【００１５】
すなわち、本発明による基板加熱冷却装置は、基板ホルダ１とこれに装着された基板ｓを加熱するヒータ５と、このヒータ５から発射される熱を基板ホルダ１と基板ｓ側に反射する反射鏡６とを有し、前記反射鏡６に冷却手段を設け、前記基板ｓを装着した基板ホルダ１を移動させることにより、同基板ホルダ１を前記反射鏡６に当接し、離間する移動機構を備えるものである。
【００１６】
より具体的には、基板ホルダ１は、その背面の周辺部分が反射鏡６に当接される。この基板ホルダ１が反射鏡６に当接するとき、基板ホルダ１は弾性部材１１を介して押し上げられる。反射鏡６の冷却手段としては、基板ｓが配置される真空チャンバ２４の外側で冷却される冷媒を流通させる冷媒通路８を反射鏡６の内部に設けることが挙げられる。
【００１７】
このような本発明による基板加熱冷却装置では、基板ホルダ１を反射鏡６から離間した状態でヒータ５により加熱することで、基板ホルダ１を介してそれに保持された基板ｓを所要の温度に加熱することが出来る。続いて基板ｓの冷却時は、移動機構により基板ホルダ１を移動し、同基板ホルダ１を前記反射鏡６に当接することで、同反射鏡６の冷媒通路８内に流通する冷媒に熱を吸収させ、基板ホルダ１とそれに保持された基板ｓとを急速冷却する。このような基板ホルダ１と基板ｓの冷却手段により、基板ホルダ１と基板ｓとを短時間に加熱、冷却することが出来る。
【００１８】
基板ホルダ１は、その背後の周囲の部分を反射鏡６に当接させる。これにより、基板ホルダ１をその周囲から冷却出来るので、基板ｓにヒートショックを与えることなく急速冷却することが出来る。
さらに本発明による基板加熱冷却装置では、移動機構と基板ホルダ１とを、弾性を付勢した弾性部材１１を介して連結することにより、基板ホルダ１を反射鏡６に弾性的に当接させることが出来る。これにより、基板ｓに衝撃を与えることなく、基板ホルダ１を反射鏡６に確実に密着させることが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明した通り、本発明に基板加熱冷却装置では、基板ホルダ１を前記反射鏡６に当接し、基板ホルダ１とそれに保持された基板ｓとを急速冷却することが出来るので、基板ホルダ１とそれに保持された基板ｓの加熱の後の冷却時間を短縮することが出来る。これにより、基板ｓの交換、加熱、成膜、冷却のサイクル時間を短縮化することが出来、基板ｓの処理工程のスループットの向上を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による基板加熱冷却装置の一実施例を示す縦断正面図である。
【図２】本発明による基板加熱冷却装置の一実施例を含む成膜装置を示す縦断正面図である。
【図３】本発明による基板加熱冷却装置の一実施例において基板ホルダが反射鏡から離れた状態の部分部拡大図である。
【図４】本発明による基板加熱冷却装置の一実施例において基板ホルダが反射鏡に当接した状態の部分部拡大図である。
【図５】本発明による基板加熱冷却装置の一実施例において基板ホルダが反射鏡に当接した直後の基板の温度変化を示すグラフである。
【図６】基板加熱冷却装置の従来例を示す縦断正面図である。
【図７】基板加熱冷却装置の従来例において基板ホルダの冷却を開始した直後の基板の温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明では、前記の目的を達成するため、基板ホルダ１を移動させることで、加熱時に反射鏡６から離れていた基板ホルダ１を冷媒通路８を有する反射鏡６に当接させ、これにより、同反射鏡６の中の冷媒通路８内に流通する冷媒に基板ホルダ１が保有する熱を吸収させ、基板ホルダ１とそれに保持された基板ｓとを急速冷却するようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。
【００２２】
図１に本発明による基板加熱冷却装置の一実施例を示し、図２にこの基板加熱冷却装置の一実施例を使用した薄膜形成装置を示している。図２には一部の符合が省略されて表示されており、以下主に図１の符合を参照しながら説明する。なお、図６に示した従来例と同じ部分は同じ符合で示している。
【００２３】
真空チェンバ２４の上側に向けて開口したポート部にリング板形状のポートフランジ２５が設けられ、このポートフランジ２５にその上から円板状のフランジ２３がガスケット（図示せず）等を介して気密に接合され、このフランジ２３がネジ（図示せず）等の手段でポートフランジ２５に固定されている。
【００２４】
このポートフランジ２５に接合したフランジ２３から真空チャンバ２４内にサポートロッド１７、１７が垂下されている。この真空チャンバ２４の内部であって、前記フランジ２３の直下に第一のフレーム１２が配置され、この第一のフレーム１２に縦に貫通するようにスライドブッシュ１８、１８が設けられ、これらのスライドブッシュ１８、１８に前記サポートロッド１７、１７がスライド自在に嵌め込まれている。従って、前記フランジ２３の直下に配置された前記第一のフレーム１２は、サポートロッド１７、１７にガイドされながらその長手方向、すなわち上下方向にスライド自在である。
【００２５】
前記第一のフレーム１２の中心のボス部分１６には、縦にねじ孔が貫通しており、このボス部分１６のねじ孔に前記フランジ２３から垂下したスクリューシャフト１４がねじ対偶をなすように貫通している。このスクリューシャフト１４は、フランジ２３の上、すなわち真空チャンバ２４の外側に設けた回転導入機１９により回転される。この回転導入機１９によりスクリューシャフト１４が何れかの方向に回転されることにより、第一のフレーム１２は上昇又は下降する。前記サポートロッド１７、１７は、この第一のフレーム１２の上下動をガイドする。
【００２６】
この第一のフレーム１２には、前記スライドブッシュ１８、１８とは別にもう一組のスライドブッシュ１５、１５が同第一のフレーム１２を縦に貫通するよう設けられている。このスライドブッシュ１５、１５には、上下にスライド自在にサポートロッド１３、１３が嵌め込まれている。このサポートロッド１３、１３の頂部とスライドブッシュ１５、１５の上端との間に圧縮バネからなる弾性部材１１、１１が挿入され、この弾性部材１１、１１は、第一のフレーム１２に設けられたスライドブッシュ１５、１５が上昇すると圧縮され、この圧縮歪みに伴う弾力が付勢される。
【００２７】
このサポートロッド１３、１３の下端には、円板リング状の第二のフレーム２８が取り付けられている。さらにこの第二のフレーム２８から支柱２６、２６が垂下され、この支柱２６、２６の下端に円板リング状のホルダーサポート２７が取り付けられている。このホルダーサポート２７の中に基板ホルダ１が着脱自在に取り付けられる。基板ホルダ１のホルダーサポート２７への取り付けと取り外しは、真空チャンバ２４の側壁に設けたロードロック室（図示せず）を通してトランスファーロッド等（図示せず）により行われる。この基板ホルダ１の下面には、Ｉｎ等の金属によりＳｉ等の半導体ウエハ等の基板ｓが装着されている。
【００２８】
基板ホルダ１の背面、すなわち基板ｓが装着されたのと反対側の面の上には、同基板ホルダ１と所望の間隔をおいてヒータ５が取り付けられている。このヒータ５は、真空チャンバ２４の内部の配線１０を介して前記フランジ２０に設けた電流導入端子２１に接続され、さらにこの電流導入端子２１を介して、真空チャンバ２４の外側に配置した電源（図示せず）に接続されている。この電源により、ヒータ５が加熱される。ヒータ５としては、例えばランプヒータが使用される。
【００２９】
このヒータ５の背後及びその周囲は、反射鏡６で囲まれている。この反射鏡６の周囲はさらに反射板７で囲まれている。これら反射鏡６と反射板７とは、ヒータ５で発生する熱を基板ホルダ１側に反射するためのものである。これらヒータ５、反射鏡６及び反射板７は、互いに固定されると共に、その位置が変動しないよう真空チャンバ２４内で固定されている。
また、この基板ホルダ１の上面中心部には、それに設けた基板ｓの温度を測定するための熱電対３の測温接点が接触させられる。
【００３０】
前記反射鏡６の内部には、冷却水等の冷媒を流通させる冷媒通路８が形成され、この冷媒通路８は、真空チャンバ２４内の内部配管９とフランジ２３に設けた流体ジョイント２２を介して真空チャンバ２４の外側に配置した冷却器（図示せず）に連結されている。この冷却器で冷却した冷却水等の冷媒が反射鏡６の内部の冷媒通路８を流通することで、反射鏡６が冷却される。ヒータ５の周囲を囲む反射鏡６は、下方が開口したカップ状となっている。この反射鏡６の周辺部分は円筒形となっていて、その下縁面はヒータ５より下方に位置している。
【００３１】
基板ホルダ１の下面に取り付けられた基板ｓの下を覆うように、シャッタ２が設けられる。このシャッタ２は、フランジ２３から真空チャンバ２４の中に垂下したシャフト４に連結され、このシャフト４は、フランジ２３の上、すなわち真空チャンバ２４の外側に設けた回転導入機２０により往復回転される。この往復回転されるシャフト４を中心としてシャッタ２が回転することにより、基板ホルダ１の下面に取り付けられた基板ｓの下面、すなわち処理面が開閉される。
【００３２】
図１では図示しておらず、図２にのみ図示しているが、前記シャッタ４の下方にクヌードセンセル、衝撃型電子線セル等の分子線源ｍやイオン原が配置され、１つ以上配置されたそれらの分子線源ｍやイオン原から発射された分子やイオン等が、シャッタ２が開いたときのみ、基板ホルダ１の基板ｓの表面に入射する。これによって、基板ｓの表面に薄膜を形成したり、イオンを注入したりする。
【００３３】
このような基板加熱冷却装置において、基板ホルダ１に装着された基板ｓを加熱するときは、図１〜図３に示すように、基板ホルダ１の周辺部は反射鏡６の両側下縁から離れている。この状態でヒータ５により基板ホルダ１をその背面から加熱し、それに装着した基板ｓを所定の温度に加熱する。
【００３４】
次にこの状態から、基板ホルダ１に装着された基板ｓを冷却するときは、回転導入機１９によりスクリューシャフト１４を回転し、第一のフレーム１２を上昇させる。この時、第一のフレーム１２は、スライドブッシュ１８、１８にスライド自在に嵌め込まれたサポートロッド１７、１７に沿ってガイドされる。これにより、第一のフレーム１２に設けられたスライドブッシュ１５が上昇し、弾性部材１１が圧縮され、この圧縮歪みにより弾性部材１１に圧縮方向の弾力が付勢される。この弾性部材１１の弾力により、サポートロッド１３、１３が上昇され、第二のフレーム２８及び支柱２６、２６を介してホルダーサポート２７が押し上げられる。従って、このホルダーサポート２７に取り付けられた基板ホルダ１が上昇する。この結果、図４に示すように、基板ホルダ１の背面の周辺部分が反射鏡６の両側下縁に当接する。
【００３５】
基板ホルダ１の周辺部が反射鏡６の両側下縁に当接すると、基板ホルダ１の熱が反射鏡６に伝達され、この熱が反射鏡６の内部の冷媒通路８を通る冷却水等の冷媒に吸収される。熱を吸収した冷媒は、真空チャンバ２４内の内部配管９とフランジ２３に設けた流体ジョイント２２を介して真空チャンバ２４の外側に配置した冷却器（図示せず）に送られ、そこで冷媒の保有する熱が放熱される。これにより、基板ホルダ１は急速に冷却され、それに取り付けられた基板ｓも急速冷却される。
【００３６】
前述のように、基板ホルダ１は弾性部材１１を介して押し上げられ、同弾性部材１１の弾力により反射鏡６に当接されるため、当接時に基板ホルダ１が受ける衝撃が前記弾性部材１１の弾力により吸収され、緩和される。なお且つ弾性部材１１の弾力により基板ホルダ１の周辺部が反射鏡６の両側下縁に確実に当接する。
【００３７】
基板ホルダ１とそれに取り付けられた基板ｓの冷却が完了した後は、回転導入機１９によりスクリューシャフト１４を反転し、第一のフレーム１２を下降させる。これにより、第一のフレーム１２に設けられたスライドブッシュ１５も下降し、弾性部材１１の圧縮が解除され、サポートロッド１３、１３が下降し、第二のフレーム２８、支柱２６、２６及びホルダーサポート２７も下降する。この結果、ホルダーサポート２７に取り付けられた基板ホルダ１が下降し、図１〜図３に示すように、基板ホルダ１の周辺部が反射鏡６の両側下縁から離れる。
【００３８】
以下、基板ホルダ１とそれに取り付けられた基板ｓの加熱と冷却を繰り返す毎に基板ホルダ１が上下動する。すなわち、基板ｓの加熱時に基板ホルダ１の周辺部が反射鏡６の両側下縁から離れ、基板ｓの冷却時に基板ホルダ１の周辺部が反射鏡６の両側下縁に当接される。これにより特に基板ホルダ１とそれに取り付けられた基板ｓの冷却時間が短縮され、加熱−冷却サイクルの短縮化を図ることが出来る。
【００３９】
図５は、本発明の一実施例による基板加熱冷却装置において、基板ｓを６００℃に加熱した状態から基板ホルダ１の周辺部を反射鏡６の両側下縁に当接した直後経過した時間と基板温度の関係を示すグラフである。この例では、図５のグラフから明らかな通り、基板ホルダ１の周辺部を反射鏡６の両側下縁に当接した直後６０分で基板ｓの温度は６００℃から５２℃に下降しており、急激な温度の下降が見られる。すなわち急速冷却が可能となっている。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は真空蒸着法、スパッタリング法等により、半導体ウエハ等の基板の表面にコーティングしたり、或いは表面をエッチングする等の表面処理を行うに当たり、基板を加熱、冷却する装置として利用することが出来る。基板の急速冷却が可能であるため、基板の加熱した状態での表面処理工程においてスループットの向上を図ることが出来る。
【符号の説明】
【００４１】
１    基板ホルダ
５    ヒータ
６    反射鏡
８    反射鏡の冷媒通路
１１  弾性部材
２４  真空チャンバ
ｓ    基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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