(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面接触させて基板を保持する基板ホルダーと、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して基板を加熱するものであって基板ホルダー内に設けられたヒータと、ヒータに電力を供給する電源とを具備した基板温度制御機構において、
基板の温度をモニタするモニタ手段を備えており、
このモニタ手段は、基準となる温度ｔ０のときのヒータの抵抗値Ｒ（ｔ０）とヒータの抵抗の温度係数αが設定されたものであって、ヒータの抵抗値Ｒ（ｔ）を測定し、Ｒ（ｔ）＝Ｒ（ｔ０ ）｛１＋α（ｔ−ｔ０ ）｝に従ってヒータの温度ｔを算出するものであり、
ヒータは、基板ホルダーに熱伝導性良く取り付けられており、
基板ホルダー内に熱電対が設けられていて、この熱電対は、ヒータの基板ホルダーに対する熱伝導性が低下することにより生ずる基板ホルダーの温度低下を検知するものであることを特徴とする基板温度制御機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、半導体ウエハや液晶基板等の基板の表面に各種処理等を行う基板処理装置等において基板を加熱しながら温度制御するために使用される基板温度制御機構に関し、特に、基板を保持する基板ホルダー内に設けたヒータにより加熱するタイプの基板温度制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）の製作に用いられる半導体ウエハやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）の製作に用いられる液晶基板等の基板の表面処理においては、基板は所定温度まで加熱されて温度制御されることが多い。例えば、スパッタリングにより配線用等の薄膜を作成する成膜処理では、成膜速度の向上や膜質の改善等の目的から、基板を１００℃〜６００℃程度まで加熱して温度制御しながら処理を行う。
【０００３】
図４は、このような従来の基板温度制御機構を備えた基板処理装置の例を示した図である。図４では、基板処理の例としてスパッタリングを行う構成のものが示されており、装置は、真空容器１内に設けられた基板ホルダー２１を含む基板温度制御機構２と、基板ホルダー２１に対向した位置に設けられたカソード３とを備えている。
【０００４】
基板ホルダー２１は、上面に基板２０を載置して保持するよう構成されており、内部にヒータ２２が設けられている。ヒータ２２は、通電による抵抗加熱方式のものが例えば採用されている。ヒータ２２の熱は、基板ホルダー２１を経由して基板２０に伝えられ、所定温度まで基板２０が加熱される。
また、カソード３は、前面にターゲット３１を備えており、カソード電源３２により印加された電圧によってターゲット３１をスパッタし、スパッタされたターゲット３１の材料を基板２０に到達させて所定の薄膜を作成するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の基板温度制御機構において、基板処理の内容等に従って設定される所定の温度（以下、加熱温度）に基板を精度よく加熱して温度制御するためには、ヒータへの投入電力を制御することが必要になる。この場合、精度良く制御を行うためには、基板の温度データをヒータの電源にフィードバックして制御するフィードバック制御を行うことが重要である。このためには、基板の温度をモニタする手段が必要になるが、熱電対等の手段を用いるにせよ、温度モニタのための手段をヒータとは別に設ける必要が生じる。従って、基板ホルダーの内蔵部品が多くなり機構的に複雑になる欠点がある。
【０００６】
また、ＬＳＩプロセスにしろＬＣＤプロセスにしろ、基板処理の面内均一性を高めることが常に要求されており、これに関連して、高い面内温度の均一性で基板を加熱しながら温度制御できる機構を提供することが要請されている。高い面内温度均一性で基板を加熱しながら温度制御するには、加熱中の基板の温度分布をリアルタイムでモニタすることが必要になるが、従来の熱電対などを使用したモニタ手段では、基板の温度分布をリアルタイムでモニタすることは困難であった。
【０００７】
本願の発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ヒータの他に別途特別な機構部品を基板ホルダー内に必要とすることなく基板温度をモニタできる簡易な構成を提供したり、基板の温度分布をリアルタイムで容易にモニタできる構成を提供したりすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、面接触させて基板を保持する基板ホルダーと、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して基板を加熱するものであって基板ホルダー内に設けられたヒータと、ヒータに電力を供給する電源とを具備した基板温度制御機構において、
基板の温度をモニタするモニタ手段を備えており、
このモニタ手段は、基準となる温度ｔ０のときのヒータの抵抗値Ｒ（ｔ０）とヒータの抵抗の温度係数αが設定されたものであって、ヒータの抵抗値Ｒ（ｔ）を測定し、Ｒ（ｔ）＝Ｒ（ｔ０ ）｛１＋α（ｔ−ｔ０ ）｝に従ってヒータの温度ｔを算出するものであり、
ヒータは、基板ホルダーに熱伝導性良く取り付けられており、
基板ホルダー内に熱電対が設けられていて、この熱電対は、ヒータの基板ホルダーに対する熱伝導性が低下することにより生ずる基板ホルダーの温度低下を検知するものであるという構成を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態の基板温度制御機構を有する基板処理装置の概略構成を示したものである。図１に示す装置は、図４と装置と同様、真空容器１内に設けられた基板ホルダー２１を含む基板温度制御機構２と、基板ホルダー２１に対向した位置に設けられたカソード３とを備えている。
【００１０】
図１に示す本実施形態の基板温度制御機構は、基板２０を上面に載置して保持する基板ホルダー２１と、基板ホルダー２１内に設けられたヒータ２２と、ヒータ２２の電気特性からヒータ２２の温度を算出して間接的に基板２０の温度をモニタするモニタ手段２３とを備えている。
【００１１】
ヒータ２２は、図１に示すように基板２０の面方向において区分された複数の加熱ブロック２２１，２２２から構成されている。本実施形態では、基板２０の中央部を主に加熱する中央部加熱ブロック２２１と、中央部加熱ブロック２２１の両側に位置し、基板２０の周辺部を加熱する二つの周辺部加熱ブロック２２２とが採用されている。本実施形態におけるヒータ２２には、通電によりジュール熱を発生させる抵抗加熱方式のものが採用されており、シースヒータやカートリッジヒータ等の市販のヒータが適宜選択されて用いられている。
【００１２】
図２は、ヒータ２２の取付構造について説明する断面概略図である。図２に示すように、基板ホルダー２１の裏面にはヒータ用の溝が形成されており、ヒータ２２はこの溝に埋め込まれるようにして設けられている。また、溝を塞いで基板ホルダー２１の裏面を覆うようにしてヒータ取付板２４が設けられており、基板ホルダー２１に対してネジ止め等により固定されている。そして、基板ホルダー２１の溝の内面とヒータ２２との接触部分は、ロー付け又は溶接が施されており、両者間は熱伝導性の向上が図られている。
【００１３】
図１に示すように、ヒータ２２に加熱用の電力を供給する電源２５１，２５２は、各々の加熱ブロック２２１，２２２にそれぞれ設けられており（以下、必要に応じて中央部電源２５１及び周辺部電源２５２と呼ぶ）、各々の加熱ブロック２２１，２２２への電力の投入量が個別に制御可能となっている。また、中央部電源２５１及び周辺部電源２５２には電力比コントローラ２６が接続されており、電力比コントローラ２６からの制御信号によって各々の加熱ブロック２２１，２２２への投入電力の比率が制御されるようになっている。
【００１４】
本実施形態の装置の特徴を成すモニタ手段２３は、各電源２５１，２５２から各加熱ブロック２２１，２２２への電力供給経路上に設けられている。本実施形態のモニタ手段２３は、電源２５１，２５２がヒータ２２に印加する電圧とその電圧によりヒータ２２に流れた電流から抵抗値を求めて当該ヒータ２２の温度を算出するものである。具体的には、モニタ手段２３は、各々の電源２５１，２５２から各々の加熱ブロック２２１，２２２への電力供給経路上にそれぞれ設けられた電圧電流検出器２３１，２３２と、電圧電流検出器２３１，２３２からの信号を処理して各々の加熱ブロック２２１，２２２の抵抗値と温度を求める演算器２３３とから構成されている。
【００１５】
周知のように、抵抗Ｒを有する導体を通電することによってＷ＝ＶＩ＝ＩＲ2 のジュール熱が発生する。本実施形態におけるヒータ２２も、このジュール熱によって基板ホルダー２１を加熱し、基板ホルダー２１に保持された基板２０を加熱する。この際、与えられるジュール熱によって基板２０がどの程度まで加熱されるかは、基板ホルダー２１及び基板２０の材質（比熱）や熱容量の大きさ等に応じて決まる。実際には、放射温度計等によって基板の温度をモニタしながら、必要な加熱温度が得られる際のヒータ２２の電圧電流の値を予め実験的に求めておき、この値になるように各加熱ブロック２２１，２２２への電圧電流の値を制御するようにする。
【００１６】
一方、抵抗の値は温度によって変化し、あまり広くない温度範囲では、Ｒ（ｔ）＝Ｒ（ｔ０ ）｛１＋α（ｔ−ｔ０ ）｝が成り立つ。この式において、Ｒ（ｔ），Ｒ（ｔ０ ）は、それぞれｔ℃，ｔ０ ℃のときの抵抗値であり、αは抵抗の温度係数である。
従って、ジュール熱によってヒータ２２が温度上昇した場合、ヒータ２２の抵抗値も上式に従って変化する。ここで、基準となる温度ｔ０ における抵抗Ｒ（ｔ０ ）及び温度係数αが既知であれば、加熱中にヒータ２２に与えられる電流電圧からヒータ２２の抵抗値を求めることによって、加熱中のヒータ２２の温度を上式に従い算出することができる。
【００１７】
そこで、本実施形態のモニタ手段２３は、電流電圧検出器２３１，２３２によって加熱中のヒータ２２の各加熱ブロック２２１，２２２の電流電圧を検出し、この検出結果から演算器によってＲ＝Ｖ／Ｉに従って抵抗を求め、上式に従って各加熱ブロック２２１，２２２の温度を求めるように構成されている。即ち、演算器２３３は、ｔ0 における抵抗Ｒ（ｔ0 ）やα等の各データを設定した設定部や上式を行う演算回路等から構成されている。
【００１８】
また、モニタ手段２３が算出した各加熱ブロック２２１，２２２の温度の信号は、電源用ＯＰアンプ２５３，２５４及びコントローラ用ＯＰアンプ２６１を経て、各電源２５１，２５２及び電力比コントローラ２６にそれぞれ送られるようになっている。電源用ＯＰアンプ２５３，２５４は、設定された加熱温度と算出された温度とを比較してその差が小さくなるように制御信号を発生するものであり、コントローラ用ＯＰアンプ２６１は、中央部加熱ブロック２２１の温度と周辺部加熱ブロック２２２の温度との差が小さくなるように制御信号を発生させるものである。
【００１９】
尚、前述のようにヒータ２２は基板ホルダー２１に対して熱伝導性良く取り付けられているので、ヒータ２２の温度は基板ホルダー２１の温度に殆ど一致する。また、基板ホルダー２１は銅等の熱伝導性の良好な材質で形成され、基板２０に対して面接触しているので、ヒータ２２の温度は基板２０の温度に殆ど一致する。発明者の実験によると、算出されたヒータ２２の温度と別の方法で計測した基板２０の温度とは、僅か２％以内の誤差で一致していた。
【００２０】
また、本実施形態では、基板２０の温度を検出する別の手段として、熱電対２７が基板ホルダー２１内に設けられている。熱電対２７に生ずる熱起電力の大きさは温調計２８によって計測され、基板ホルダー２１の温度が求められる。温調計２８の温度信号は、ヒータ２２の各電源２５１，２５２に送られるようになっている。この熱電対２７は、ヒータ２２の加熱動作の制御や上記モニタ手段２３の制御動作の監視等に用いられている。
【００２１】
例えば、上記ヒータ２２と基板ホルダー２１とのロー付け箇所が剥がれたりした場合、モニタ手段２３がヒータ２２を精度よくフィードバック制御しても、ヒータ２２の熱が基板２０に充分に伝わらないため、基板２０が必要な温度まで加熱されない事態が生じうる。このような誤動作は、熱電対２７が検出する基板ホルダー２１の温度低下によって検知することができる。尚、この熱電対２７には、例えば銅−アルミニウム系のものが採用され、基板ホルダー２１内のヒータ２２よりも基板２０に近い位置に設けられている。
【００２２】
また、本実施形態では、基板ホルダー２１と基板２０との面接触を強化するため、基板ホルダー２１に載置された基板２０の周縁を押さえる押圧板２９が設けられている。押圧板２９は、半導体ウエハであればデバイスの産出に支障のない周縁部分、液晶基板であれば表示部分ではないマージンの部分のような、基板処理に支障のない周縁部分を押圧するよう構成されている。また、押圧板２９には、不図示の移動機構が付設されており、基板ホルダー２１への基板２０の載置動作の際には、所定の退避位置に移動するようになっている。
【００２３】
上述した構成に係る本実施形態の基板温度制御機構２の制御動作について説明する。まず、上記モニタ手段２３を利用した制御の方式としては、以下の二つのものが挙げられる。
【００２４】
一つは、各々の加熱ブロック２２１，２２２への電力投入量を個別にフィードバック制御して、各々の加熱ブロック２２１，２２２の温度が加熱温度になるように制御するものであり、各々の電源用ＯＰアンプ２５３，２５４からの制御信号によって各電源２５１，２５２を制御し、各加熱ブロック２２１，２２２の温度が加熱温度になるように個別に投入電力を調整する制御である。
この制御方式では、各々の加熱ブロック２２１，２２２への電力投入量が個別にフィードバックされるので、結果的に中央部加熱ブロック２２１と周辺部加熱ブロック２２２との温度差を小さくするよう制御されることになる。もし、ヒータ２２が一つの加熱ブロックで構成され、その一つの加熱ブロックの温度のみを算出してのフィードバック制御であると、基板ホルダー２１の中央部と周辺部とで発生が避けられない温度差を解消するよう制御することはできない。
【００２５】
もう一つの制御方式は、コントローラ用ＯＰアンプ２６１からの制御信号によって電力比コントローラ２６を制御し、中央部加熱ブロック２２１と周辺部加熱ブロック２２２との温度差に小さくなるように電力比コントローラ２６から各電源に制御信号を送るようにする。例えば、中央部加熱ブロック２２１に比べて周辺部加熱ブロック２２２の温度が１０％低い場合には、中央部電源２５１に比べて１０％大きな電力を周辺部電源２５２が与えるように制御信号を送るようにする。このような制御によって、各加熱ブロック２２１，２２２の温度差が常に最小になるようフィードバックがかかる。
【００２６】
尚、上記二つの方式の制御を同時に行うことは勿論可能である。また、熱電対２７からの信号によって各電源２５１，２５２の投入電力の大きさを全体として粗調整しておき、電力比コントローラ２６によって各電源２５１，２５２の投入電力の比を微調整して温度バランスを取るようにしてもよい。
いずれにしても、本実施形態の基板温度制御機構２では、ヒータ２２を加熱手段として用いるとともに間接的ではあるがその電気特性から基板２０の温度をモニタするよう構成している。従って、特別な構成を別途採用することなく基板２０の温度管理が可能になり、前述したような制御を自由に行える。
【００２７】
尚、基板温度制御機構２以外の構成としては、図４に示す従来の装置とほぼ同様であり、基板ホルダー２１に対向して設けられたカソード３は前面にターゲット３１を備えており、真空容器１内に所定のガスを導入するガス導入系４が設けられている。
【００２８】
次に、上記構成に係る本実施形態の基板温度制御機構を備えた図１の基板処理装置の動作について簡単に説明する。
まず、不図示のゲートバルブを通して真空容器１内に基板２０を搬入し、基板ホルダー２１に載置して保持させる。ゲートバルブを閉じた後、真空容器１に付設された排気系１１を動作させ、所定の圧力まで排気した後、ガス導入系４を動作させてガス導入し、真空容器１内に所定量のガスを導入する。また、上記基板温度制御機構２を動作させて、加熱温度まで基板２０を加熱して温度制御しておく。
そして、カソード電源３２を動作させ、導入したガスのスパッタ放電によってターゲット３１をスパッタし、スパッタされた材料により基板２０上に所定の薄膜を作成する。薄膜が所定の厚さに達したら、カソード３、ガス導入系４及び基板温度制御機構２の動作を停止し、基板２０を真空容器１から搬出する。
【００２９】
上記基板処理動作において、前記モニタ手段２３を利用した制御によって基板２０は加熱温度まで精度良く加熱されて温度制御されているので、期待される加熱効果を充分得ることができる。例えば、バリアメタル等の薄膜を作成する際に、基板２０を２００〜４００℃程度に加熱すると、膜の比抵抗の低減等の効果が得られる。
【００３０】
尚、上記スパッタリングを行う装置やプラズマを利用する装置等では、放電やプラズマ等によって基板２０が加熱される。従って、基板２０が最終的に受け取る熱量は、ヒータ２２の発する熱と放電やプラズマ等により生ずる熱との総量である。この場合にも、基板２０とヒータ２２とが基板ホルダー２１を介して熱伝導性よくつながっていて両者の温度は殆ど同じであることから、ヒータ２２の温度を抵抗値から算出することで基板２０の温度とすることができる。
【００３１】
また、本実施形態の基板温度制御機構を利用した更に好適な制御方式として、基板処理のばらつきを補償するよう温度制御する方式が挙げられる。例えば、配線用の薄膜やバリアメタル用の薄膜等のスパッタ成膜では、プラズマ密度の不均一性等の理由により、基板２０の周辺部のシート抵抗値が中央部に比べて高くなる傾向を示す場合がある。このような場合、周辺部加熱ブロック２２２の温度が中央部加熱ブロック２２１に比べて相当程度高くなるように制御し、基板２０の周辺部の温度を中央部に比べて高くするようにする。これによって、シート抵抗値の面内分布の不均一性が補償され、良質なデバイスを高い歩留まりで産出することが可能となる。
【００３２】
次に、本願発明の別の実施形態について説明する。
図３は、本願発明の別の実施形態に係る基板温度制御機構の構成を説明する断面概略図である。この図３に示す実施形態では、基板２０を静電気により吸着する静電吸着機構２９を基板ホルダー２１が有している。静電気吸着機構２９は、基板ホルダー２１の基板載置面側に設けられた誘電体ブロック２９１と、誘電体ブロック２９１内に埋設された一対の吸着電極２９２と、吸着電極２９２に所定の電圧を与えて誘電体ブロック２９１の表面に静電気を誘起させる吸着電源２９３などから構成されている。
【００３３】
誘電体ブロック２９１はアルミナなどの材料で形成され、熱伝導性の良好な高融点の接着剤による接着等の方法で基板ホルダー２１に固定されている。吸着電源２９３は、吸着電極２９２に５００Ｖ程度の直流電圧を与えて基板２０を誘電体ブロック２９１の表面に静電吸着する。
この図３に示す実施形態では、基板２０の面接触が強化される結果、基板ホルダー２１の熱が効率よく均一に基板２０に伝達する。このため、前述した温度制御の精度がさらに向上し、所定の加熱温度に面内均一性よく基板２０を加熱して温度制御することが可能となる。
【００３４】
また、以上説明した各実施形態の基板温度制御機構の構成は、前述したスパッタリングを行う装置の他、エッチング装置やＣＶＤ（化学的気相成長）装置等の各種の基板処理装置に使用できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願発明によれば、ヒータを加熱手段として用いるとともにその電気特性から基板の温度をモニタするよう構成されているので、特別な構成を別途採用することなく基板の温度管理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態の基板温度制御機構を有する基板処理装置の概略構成を示したものである。
【図２】ヒータの取付構造について説明する断面概略図である。
【図３】本願発明の別の実施形態に係る基板温度制御機構の構成を説明する断面概略図である。
【図４】従来の基板温度制御機構を備えた基板処理装置の例を示した図である。
【符号の説明】
１  真空容器
２  基板温度制御機構
２１  基板ホルダー
２２  ヒータ
２２１  中央部加熱ブロック
２２２  周辺部加熱ブロック
２３  モニタ手段
２３１  電流電圧検出器
２３２  電流電圧検出器
２３３  演算器
２４  ヒータ取付板
２５１  電源
２５２  電源
２５３  電源用ＯＰアンプ
２５４  電源用ＯＰアンプ
２６  電力比コントローラ
２６１  コントローラ用ＯＰアンプ
２７  熱電対
２８  温調計
２９  静電吸着機構
３  カソード
３１  ターゲット
４  ガス導入系
【図１】
0003986598.tif 000002
【図２】
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【図４】
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【図３】
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