(57)【要約】【課題】マイクロ波を利用し、基板サイズに関わらず、基板面内で均一な加熱処理を可能とする基板加熱装置を提供する。【解決手段】支持装置５は、載置板２１の下方において、載置面２１ａと平行な方向に等間隔に配置された複数のマイクロ波照射ユニット２５を有している。各マイクロ波照射ユニット２５は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、載置板２１に向けてマイクロ波を放射するマイクロ波放射ポート４３と、マイクロ波放射ポート４３を支持するユニット容器４５と、マイクロ波発生装置４１からマイクロ波放射ポート４３へマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路４７と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波が照射されることによって発熱し、その熱を基板に伝えて該基板を加熱する平板状の発熱部材と、
前記発熱部材に対し、独立して前記マイクロ波を照射する複数のマイクロ波照射ユニットと、
を備え、
前記マイクロ波照射ユニットは、
前記マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、
前記発熱部材に向けて前記マイクロ波を放射するマイクロ波放射ポートと、
前記マイクロ波発生装置と前記マイクロ波放射ポートとの間で前記マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、
を有している基板加熱装置。
【請求項２】
前記複数のマイクロ波照射ユニットは、前記発熱部材の下面と平行な方向に配列されている請求項１に記載の基板加熱装置。
【請求項３】
前記マイクロ波放射ポートは、マイクロ波透過性の平面視多角形をなすマイクロ波放射窓を有しており、該マイクロ波放射窓は、前記発熱部材に対向して配置されている請求項１又は２に記載の基板加熱装置。
【請求項４】
前記マイクロ波放射ポートの周囲に、前記マイクロ波の漏洩を妨げるシールド部を有する請求項３に記載の基板加熱装置。
【請求項５】
前記マイクロ波伝送路は、一端側が前記マイクロ波発生装置に接続する導波管と、
前記導波管の他端側を塞ぐマイクロ波透過性の圧力隔壁と、
前記圧力隔壁を介して前記導波管の他端側に接続する真空導波路と、
を備えている請求項３又は４に記載の基板加熱装置。
【請求項６】
前記真空導波路の少なくとも一部分に、誘電体部材が充填されている請求項５に記載の基板加熱装置。
【請求項７】
前記真空導波路は、前記導波管と接続する側とは反対側で、前記マイクロ波放射ポートに接続しており、前記マイクロ波放射ポートは、前記真空導波路との接続部位に、前記マイクロ波を放射する矩形のスロット孔を有する請求項５又は６に記載の基板加熱装置。
【請求項８】
前記スロット孔は、前記マイクロ波放射ポートにおいて、中心から外れた位置に偏在して設けられている請求項７に記載の基板加熱装置。
【請求項９】
前記スロット孔は、前記真空導波路に臨む側の長辺の長さが、前記マイクロ波放射窓に臨む側の長辺の長さよりも長い段差部を有する開口である請求項７に記載の基板加熱装置。
【請求項１０】
前記発熱部材を回転させる回転装置をさらに備えている請求項１から９のいずれか１項に記載の基板加熱装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の基板加熱装置を備え、前記発熱部材に前記基板を載置する基板支持装置。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の基板加熱装置を備え、前記発熱部材に前記基板を載置して処理を行う基板処理装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の基板処理装置を用い、前記基板を加熱しながら処理を行う基板処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウエハなどの基板を加熱する基板加熱装置、それを備えた基板支持装置及び基板処理装置、並びに、基板処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造においては、半導体ウエハなどの基板を高温に加熱することが行われる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの化合物半導体の製造プロセスでは、基板を１０００℃以上、例えば１１００〜１２００℃の高温に加熱した状態で、エピタキシャル成長やＣＶＤ（化学気相成長）などの処理が行われる。
【０００３】
基板を加熱するための装置としては、抵抗加熱方式のヒーターやランプ方式のヒーターなどが一般的に使用されている。
【０００４】
抵抗加熱方式は、基板の面内で温度の不均一が発生したり、基板上に成膜された薄膜にヒーターパターンが発生したりするという問題がある。特許文献１では、基板面内での加熱温度の均一化を図るため、複数の矩形のヒーターユニットを配列した加熱装置が提案されている。また、基板支持装置に埋設されたタイプの抵抗加熱型ヒーターでは、均等な加熱を行う上で、基板支持装置の熱容量を大きくする必要があるため、急速な昇温・降温が困難であり、応答性に問題がある。
【０００５】
ランプ方式のヒーターは、急速な昇温・降温が可能で応答性に優れているが、電力の利用効率が低いという問題がある。
【０００６】
基板を加熱するための装置として、上記以外に、マイクロ波加熱を利用するものが知られている。例えば、特許文献２では、複数の貫通孔が形成された板状体を介して試料台にマイクロ波を照射することによって試料台を加熱し、そこに載置された基板を加熱する加熱装置が提案されている。この特許文献２の加熱装置は、複数の貫通孔が形成された板状体をアンテナとして利用することによって、マイクロ波を試料台に均等に照射できる、とされている。しかし、単一のマイクロ波発生源を用いる特許文献２の方式では、基板サイズが大型化すると、均一な加熱処理が困難になるものと考えられる。
【０００７】
また、特許文献３では、支持装置に設けられた発熱層に対し、該発熱層と平行な方向に、かつ同心円状に設けられた導波管からマイクロ波を供給することによって、支持装置を介して基板を加熱する加熱装置が提案されている。このように、同心円状の導波管からマイクロ波を供給する方式では、基板サイズが変わると、それに合わせて、発熱層におけるマイクロ波の吸収効率が最大となるように伝送経路の設計をやり直す必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３５４５２８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８６２４号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１３／１４５９３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、基板サイズは大型化しており、基板面内での加熱温度の均一化を図ることが益々困難になりつつある。従って、本発明は、マイクロ波を利用し、基板サイズに関わらず、基板面内で均一な加熱処理を可能とす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】
【００１０】
本発明の基板加熱装置は、マイクロ波が照射されることによって発熱し、その熱を基板に伝えて該基板を加熱する平板状の発熱部材と、前記発熱部材に対し、独立して前記マイクロ波を照射する複数のマイクロ波照射ユニットと、を備えている。そして、本発明の基板加熱装置において、前記マイクロ波照射ユニットは、前記マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記発熱部材に向けて前記マイクロ波を放射するマイクロ波放射ポートと、前記マイクロ波発生装置と前記マイクロ波放射ポートとの間で前記マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、を有している。
【００１１】
本発明の基板加熱装置において、前記複数のマイクロ波照射ユニットは、前記発熱部材の下面と平行な方向に配列されていてもよい。
【００１２】
本発明の基板加熱装置において、前記マイクロ波放射ポートは、マイクロ波透過性の平面視多角形をなすマイクロ波放射窓を有していてもよく、該マイクロ波放射窓は、前記発熱部材に対向して配置されていてもよい。
【００１３】
本発明の基板加熱装置は、前記マイクロ波放射ポートの周囲に、前記マイクロ波の漏洩を妨げるシールド部を有していてもよい。
【００１４】
本発明の基板加熱装置において、前記マイクロ波伝送路は、一端側が前記マイクロ波発生装置に接続する導波管と、前記導波管の他端側を塞ぐマイクロ波透過性の圧力隔壁と、前記圧力隔壁を介して前記導波管の他端側に接続する真空導波路と、を備えていてもよい。この場合、前記真空導波路の少なくとも一部分に、誘電体部材が充填されていてもよい。
【００１５】
本発明の基板加熱装置において、前記真空導波路は、前記導波管と接続する側とは反対側で、前記マイクロ波放射ポートに接続していてもよく、前記マイクロ波放射ポートは、前記真空導波路との接続部位に、前記マイクロ波を放射する矩形のスロット孔を有していてもよい。この場合、前記スロット孔は、前記マイクロ波放射ポートにおいて、中心から外れた位置に偏在して設けられていてもよい。また、前記スロット孔は、前記真空導波路に臨む側の長辺の長さが、前記マイクロ波放射窓に臨む側の長辺の長さよりも長い段差部を有する開口であってもよい。
【００１６】
本発明の基板加熱装置は、前記発熱部材を回転させる回転装置をさらに備えていてもよい。
【００１７】
本発明の基板支持装置は、上記いずれかの基板加熱装置を備え、前記発熱部材に前記基板を載置する。
【００１８】
本発明の基板処理装置は、上記いずれかの基板加熱装置を備え、前記発熱部材に前記基板を載置して処理を行う。
【００１９】
本発明の基板処理方法は、上記基板処理装置を用い、前記基板を加熱しながら処理を行う。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の基板加熱装置及び基板支持装置は、発熱部材に対し、独立してマイクロ波を照射する複数のマイクロ波照射ユニットを備えたことによって、基板サイズに関わらず、基板面内で均一な加熱を行うことができる。例えば、基板サイズが大きくなっても、マイクロ波照射ユニットを増設することによって容易に基板面内での均一性を確保できる。また、マイクロ波を利用することによって、基板を短時間に昇温させることが可能である。従って、本発明の基板加熱装置又は基板支持装置を備えた基板処理装置は、基板の加熱を必要とする各種のプロセスにおいて信頼性の高い温度制御が可能であり、有利に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る基板処理装置の概略の構成を示す断面図である。
【図２】図１の基板処理装置におけるマイクロ波照射ユニットの拡大断面図である。
【図３】図１の基板処理装置における支持装置の上部の分解斜視図である。
【図４】図１の基板処理装置におけるマイクロ波照射ユニットの配置を示す平面図である。
【図５】図４に示したマイクロ波照射ユニットからマイクロ波放射窓を取り外した状態を示す平面図である。
【図６】ポート基部に形成されたスロット孔の拡大平面図である。
【図７】図６のVII−VII矢視における断面図である。
【図８】図１の基板処理装置における制御部の構成を示す説明図である。
【図９】基板処理装置を用いた載置板のステップ状昇温制御実験の結果を示すグラフである。
【図１０】基板処理装置を用いた載置板の急速昇温制御実験の結果を示すグラフである。
【図１１】基板処理装置を用いた載置板のステップ状昇温制御実験の別の結果を示すグラフである。
【図１２】基板処理装置を用いた載置板の急速昇温制御実験の別の結果を示すグラフである。
【図１３】複数のマイクロ波照射ユニットによるゾーン制御性のシミュレーション結果を示す図面である。
【図１４】複数のマイクロ波照射ユニットによるゾーン制御性の別のシミュレーション結果を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る基板処理装置について説明する。図１は、基板処理装置１の概略の構成を示す断面図である。図２は、図１の基板処理装置１におけるマイクロ波照射ユニットを示す拡大断面図である。図３は、図１の基板処理装置１における支持装置の上部の分解斜視図である。図４は、図１に示した基板処理装置１における複数のマイクロ波照射ユニットの配置を示す平面図である。図５は、図４に示したマイクロ波照射ユニットからマイクロ波放射窓を取り外した状態を示す平面図である。
【００２３】
基板処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば被処理体である、半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、成膜処理を施すことが可能に構成されている。ここで、平板状をなすウエハＷにおいて、面積の広い上下の面のうち、上面が半導体デバイスの形成面であり、この面を処理対象となる主面とする。
【００２４】
基板処理装置１は、ウエハＷを収容する処理容器３と、処理容器３内においてウエハＷを支持する支持装置５と、処理容器３内にガスを供給するガス供給装置７と、処理容器３内を減圧排気する排気装置９とを備えている。
【００２５】
＜処理容器＞
処理容器３は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属材料によって形成されている。処理容器３内は、真空引き可能に構成されており、ウエハＷに対して成膜処理を行う処理空間Ｓ１が形成されている。
【００２６】
処理容器３は、天井部１１および底壁部１３と、天井部１１と底壁部１３とを連結する４つの側壁部１５と、を有している。側壁部１５には、搬入出口１５ａが設けられている。搬入出口１５ａは、処理容器３に隣接する外部の搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うためものである。処理容器３と搬送室との間には、ゲートバルブＧＶが設けられている。ゲートバルブＧＶは、搬入出口１５ａを開閉する機能を有し、閉状態で処理容器３の処理空間Ｓ１を気密にシールすると共に、開状態で処理容器３の処理空間Ｓ１と搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。
【００２７】
また、底壁部１３には、上下に貫通する複数の開口１３ａが形成されている。各開口１３ａは、長辺と短辺とを有する平面視矩形をなしており、マイクロ波伝送路の一部分を構成している。各開口１３ａは、それぞれ、後述する真空窓６３を介して、導波管６１に接続している。
【００２８】
＜支持装置＞
ウエハＷを支持する支持装置５は、ウエハＷを支持する円板状の載置板２１と、載置板２１を回転可能に支持する回転支持部２３と、載置板２１の下面（ウエハＷを載置する面とは反対側の面；被照射面２１ｂ）に向けて、独立してマイクロ波を照射する複数のマイクロ波照射ユニット２５と、を備えている。図１では、３つのマイクロ波照射ユニット２５を図示している。マイクロ波照射ユニット２５を有することにより、本実施の形態の支持装置５は、ウエハＷを加熱するための加熱装置としても機能する。
【００２９】
（載置板）
載置板２１は、マイクロ波を吸収して発熱する発熱部材である。平板状の載置板２１の上面は、ウエハＷを載置する載置面２１ａとなっており、載置板２１の下面はマイクロ波が照射される被照射面２１ｂとなっている。本実施の形態の基板処理装置１では、載置面２１ａの大きさ（面積）は、ウエハＷの大きさ（面積）よりも僅かに大きく形成されている。また、載置面２１ａの形状は、ウエハＷの形状と略同じになるように例えば円形に形成されている。従って、マイクロ波の照射によって加熱された載置板２１の載置面２１ａの全体から、そこに載置されたウエハＷの全体へ熱伝導や輻射によって均等に伝熱することができる。
【００３０】
マイクロ波照射の誘電加熱による物体の温度上昇は、構成材料の比誘電率（ε）と誘電損失角（ｔａｎδ）との積に比例する。載置板２１の材質として、この積が１以上の材料、より好ましくは１０以上の誘電体材料を用いることによって、マイクロ波を効率良く吸収して熱に変換し、載置板２１を発熱させることができる。また、載置板２１は、１０００℃以上の耐熱温度を有する材料で形成することが好ましい。以上のことから、本実施の形態における支持装置５では、載置板２１の材質として、例えばＳｉＣ、ＳｉＣとカーボンとの複合材料、ＳｉＣとカーボンナノチューブとの複合材料などの耐熱性を有するマイクロ波吸収性材料を使用することが好ましい。なお、例えば６００℃程度までの比較的低温でウエハＷの加熱処理を行う場合には、載置板２１の材質として、耐熱性が１０００℃未満のものも使用できる。また、ウエハＷにおける面内の温度均一性の重要性から、熱伝導率が高いことも重要である。また、セラミクスは高温になるほどε、およびｔａｎδが大きくなる傾向があるため、少なくとも目標温度付近で、εとｔａｎδの積が１０以上であることが望ましい。低温時などにこの積がもっと小さな値であっても徐々に発熱するため使用可能であるが、加熱効率やマイクロ波の漏れ、透過などが増える場合がある。
【００３１】
（回転支持部）
回転支持部２３は、ウエハＷを載置する載置板２１を回転可能に支持する。回転支持部２３は、載置板２１を支持しながら水平方向に回転する支持リング３１を備えている。支持リング３１は、載置板２１とは異なる断熱性の高い材質、例えば石英、ジルコニアなどによって構成された環状部材である。図３に示すように、支持リング３１の上面の内周側は、外周側よりも低く、段差部３１ａが形成されている。この段差部３１ａに載置板２１が嵌めこまれて支持される。
【００３２】
また、回転支持部２３は、支持リング３１を支持しつつ回転させる内部回転体３３Ａと、自ら回転することによって、内部回転体３３Ａを同期して回転させる外部回転体３３Ｂと、を備えている。外部回転体３３Ｂは、処理容器３の外部に配置されている。内部回転体３３Ａ及び外部回転体３３Ｂは、外部回転体３３Ｂから内部回転体３３Ａに回転力を伝達するマグネットカップリング３５を備えている。マグネットカップリング３５は、側壁部１５を隔てて外部回転体３３Ｂの回転力を内部回転体３３Ａに非接触で伝達する。従って、外部回転体３３Ｂを回転させることによって、内部回転体３３Ａを回転させ、支持リング３１、載置板２１を水平方向に回転させることができる。
【００３３】
（マイクロ波照射ユニット）
図４に示すように、本実施の形態の支持装置５は、載置板２１の下方において、載置面２１ａ及び被照射面２１ｂと平行な方向に等間隔に配置された７つのマイクロ波照射ユニット２５を有している。各マイクロ波照射ユニット２５は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置４１と、載置板２１に向けてマイクロ波を放射するマイクロ波放射ポート４３と、マイクロ波放射ポート４３を支持するユニット容器４５と、マイクロ波発生装置４１からマイクロ波放射ポート４３へマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路４７と、を備えている。
【００３４】
本実施の形態では、７つマイクロ波照射ユニット２５の構成は全て同一である。以下、説明の便宜上、７つのマイクロ波照射ユニット２５を、符号２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ，２５Ｆ，２５Ｇとして区別する場合がある。マイクロ波照射ユニット２５Ａは、中央に配置され、マイクロ波照射ユニット２５Ｂ〜２５Ｇは、その周囲に配置されている。なお、マイクロ波照射ユニット２５の数は、ウエハＷの大きさなどに応じて任意に増減できる。また、各マイクロ波照射ユニット２５は、独立してマイクロ波を照射できるため、一部分のマイクロ波照射ユニット２５のみを使用して載置板２１を加熱することも可能である。
【００３５】
（マイクロ波発生装置）
マイクロ波発生装置４１は、図示は省略するが、例えばマグネトロン、クライストロンなどのマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源に高電圧を印加する電源とを有している。マイクロ波発生源としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。マイクロ波発生源によって生成されるマイクロ波は、例えばＩＳＭ（Industry-Science-Medical）バンドの中から、処理の目的に応じて最適な周波数を選択できる。マイクロ波の周波数は、例えば９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、２４ＧＨｚ等が好ましく、２．４５ＧＨｚが特に好ましい。
【００３６】
図示は省略するが、マイクロ波発生装置４１は、マイクロ波発生源を冷却するための冷却装置を備えていてもよい。冷却装置としては、例えば空冷ファンなどを用いることができる。
【００３７】
（マイクロ波放射ポート）
図４に示すように、各マイクロ波放射ポート４３は、平面視６角形をなしている。マイクロ波放射ポート４３を６角形にすることによって、マイクロ波照射ユニット２５の数を増減する場合に、ハニカム状に配列することによって、全体として円形に近い形状を作りやすくなる。各マイクロ波放射ポート４３は、後述する誘電体導波路６５に接続するポート基部５１と、このポート基部５１の凹部５１ａに嵌め込まれたマイクロ波放射窓５３とを有している。
【００３８】
図３及び図５に示すように、皿状のポート基部５１は、平面視６角形をなしている。本実施の形態では、７つのポート基部５１がハニカム状に配列されている。ポート基部５１は、窪んだ凹部５１ａと、この凹部５１ａの底に貫通形成された開口であるスロット孔５１ｂとを有している。ポート基部５１は、例えばアルミニウムなどの金属、セラミックスにタングステンなどの高融点金属材料をコーティングした複合材料、グラファイトなどの導電性材料によって構成されている。これらの中でも、ウエハＷを１０００℃以上の高温に加熱する場合は、耐熱性に優れたグラファイトを用いることが好ましい。
【００３９】
ポート基部５１のスロット孔５１ｂは、後述する誘電体導波路６５の上端に接続する位置に開口しており、誘電体導波路６５を伝播してきたマイクロ波を放射する。スロット孔５１ｂは、長辺と短辺とを有する矩形をなしている。
【００４０】
図６は、ポート基部５１における凹部５１ａの底に形成されたスロット孔５１ｂの拡大平面図であり、図７は、そのVII−VII矢視における断面図である。ここで、スロット孔５１ｂにおける短辺の長さをＬ１、長辺の長さをＬ２とすると、スロット孔５１ｂにおける短辺の長さＬ１と長辺の長さＬ２の比（Ｌ２／Ｌ１）は、マイクロ波の放射効率を高めるため、例えば２〜４の範囲内とすることが好ましい。
【００４１】
また、図６及び図７に示すように、ポート基部５１を貫通する開口であるスロット孔５１ｂは、上部開口５１ｂ１と下部開口５１ｂ２を有している。上部開口５１ｂ１と下部開口５１ｂ２は、ポート基部５１の開口に段差を設けることによって形成されている。上部開口５１ｂ１と下部開口５１ｂ２の短辺の長さは、ともにＬ１であるが、長辺の長さが異なっている。すなわち、上部開口５１ｂ１の長辺の長さはＬ２、下部開口５１ｂ２の長辺の長さはＬ３であり、Ｌ２＜Ｌ３となっている。このように、スロット孔５１ｂの開口に、段差を設けて上部と下部のスロット長を変えることによって、スロット孔５１ｂで発生する反射波の位相を、進行波と打ち消し合うように変化させて、マイクロ波放射ポート４３からの放射効率を高めることができる。なお、スロット孔５１ｂにおける上記長辺の長さＬ２は、上部開口５１ｂ１の長辺の長さである。
【００４２】
ポート基部５１の凹部５１ａにおけるスロット孔５１ｂの配置は、誘電体導波路６５の上端に接続している限り任意である。マイクロ波放射窓５３の全体から均等に効率良くマイクロ波を放射する観点から、スロット孔５１ｂを凹部５１ａの底の中央部分よりも周辺に偏った位置に偏在して設けることが好ましい。例えば、スロット孔５１ｂの中心が、平面視６角形の凹部５１ａの中心から、その内径の１／５〜２／５程度、径外方向に偏った位置に配置することが好ましい。スロット孔５１ｂを凹部５１ａの底の片側に寄せて配置することによって、中央部分に配置する場合に比べ、スロット孔５１ｂから放射されるマイクロ波の電磁界をポート基部５１の全体に均一に広げることができる。また、スロット孔５１ｂは、平面視６角形の凹部５１ａにおいて、任意の角度で形成できる。
【００４３】
マイクロ波放射窓５３は、スロット孔５１ｂから放射されたマイクロ波を透過させて載置板２１へ向けて放射する。マイクロ波放射窓５３は、ポート基部５１の凹部５１ａの形状に合わせて６角柱状をなしている。マイクロ波放射窓５３は、マイクロ波透過性材料によって構成されている。マイクロ波透過性材料としては、例えば石英や、アルミナなどのセラミックス、合成樹脂などの誘電体を挙げることができる。これらの誘電体の中でも、耐熱性を有し、マイクロ波を透過させやすい石英を用いることが最も好ましい。
【００４４】
マイクロ波放射窓５３の上面（放射面５３ａ）から、対向する載置板２１の被照射面２１ｂまでの間隔（ギャップ）は、載置板２１を回転させる場合は、例えば１〜３ｍｍの範囲内とすることが好ましい。マイクロ波放射窓５３の放射面５３ａから載置板２１の被照射面２１ｂまでの間隔が３ｍｍよりも大きいと、マイクロ波放射窓５３から放射されたマイクロ波の漏洩や反射波が発生し、載置板２１による吸収効率が低下する場合がある。また、載置板２１を回転させない状態で使用する場合も同様である。
【００４５】
また、スロット孔５１ｂを有するポート基部５１の凹部５１ａの底壁の上面とマイクロ波放射窓５３の下面との間隔も、例えば２ｍｍ以下とすることが好ましく、両者が接触していることがより好ましい。凹部５１ａとマイクロ波放射窓５３の下面との間隔が２ｍｍよりも大きいと、スロット孔５１ｂから放射されたマイクロ波による反射波が発生し、載置板２１による吸収効率が低下する場合がある。
【００４６】
（ユニット容器）
ユニット容器４５は、その上端にポート基部５１を嵌め込んで支持する。ユニット容器４５は、例えば処理容器３の底壁部１３に固定される。ユニット容器４５は、ポート基部５１の形状に合わせて６角筒状をなし、ハニカム状に配列されている。ユニット容器４５は、内部にポート基部５１を支持する支持棚５５を有している。ユニット容器４５は、例えばアルミニウムなどの金属、セラミックスにタングステンなどの高融点金属材料をコーティングした複合材料、グラファイトなどの導電性材料によって構成されている。これらの中でもウエハＷを１０００℃以上の高温に加熱する場合は、耐熱性に優れたグラファイトを用いることが好ましい。
【００４７】
また、ユニット容器４５は、マイクロ波の漏洩を防ぐためのシールド部としてのチョーク溝５７を有している。チョーク溝５７は、マイクロ波放射ポート４３（ポート基部５１及びマイクロ波放射窓５３）を嵌め込んだ状態で、その周囲を囲むように形成されている。従って、本実施の形態では、チョーク溝５７は６角形の溝である。チョーク溝５７の深さは、マイクロ波放射ポート４３から放射されるマイクロ波の波長λに対し、例えばλ／４とすることが好ましい。例えば、マイクロ波発生装置４１で発生させるマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚ（λ＝約１２２ｍｍ）の場合、チョーク溝５７の深さは、３０ｍｍ程度とすることが好ましい。なお、チョーク溝５７の幅については、ギャップ（マイクロ波放射窓５３の放射面５３ａから載置板２１の被照射面２１ｂまでの間隔）の寸法や電界の強さなどが関係するので電磁界シミュレーションの結果をもとに決定することが好ましい。このように、各マイクロ波放射ポート４３を囲むようにチョーク溝５７を設け、隣接するマイクロ波放射ポート４３間でのマイクロ波の漏洩、干渉などを防ぐことによって、マイクロ波の照射効率を高めることができる。
【００４８】
（マイクロ波伝送路）
図１及び図２に示すように、マイクロ波伝送路４７は、マイクロ波発生装置４１に接続された導波管６１と、導波管６１の上端を塞ぐ真空窓６３と、底壁部１３に形成された開口１３ａと、開口１３ａに接続してマイクロ波を伝送する誘電体導波路６５と、によって構成される。ここで、開口１３ａと誘電体導波路６５とは、真空導波路を形成している。このように、本実施の形態では、開口１３ａを、マイクロ波伝送路４７の一部分（つまり、マイクロ波照射ユニット２５の一部分）として利用している。なお、開口１３ａをマイクロ波伝送路４７の一部分として利用する代わりに、開口１３ａに例えば導波管を挿入することによって、マイクロ波伝送路を構成してもよい。
【００４９】
導波管６１は、断面が矩形、且つ中空の角筒形状を有し、処理容器３の底壁部１３の下方に配置されている。導波管６１の上端部は、真空窓６３を介して開口１３ａにマイクロ波を伝送可能に接続されている。導波管６１の他端側は、マイクロ波発生装置４１に接続されている。マイクロ波発生装置４１において生成されたマイクロ波は、導波管６１、真空窓６３を介して処理容器３内に導入される。
【００５０】
真空窓６３は、導波管６１と開口１３ａとの間に介在して、大気圧である導波管６１の管内と、真空に減圧される開口１３ａ内とを隔てる圧力隔壁である。真空窓６３は、マイクロ波透過性の材料、例えば石英や、アルミナなどのセラミックス、合成樹脂などの誘電体材料によって形成できる。これらの誘電体材料の中でも、大気圧と真空との圧力差に耐え得る十分な強度を有し、かつ、マイクロ波を透過させやすい石英を用いることが最も好ましい。
【００５１】
誘電体導波路６５は、開口１３ａとマイクロ波放射ポート４３を接続する。誘電体導波路６５は、断面が矩形をなす角筒６５ａの内部に、誘電体柱６５ｂが充填された導波路である。角筒６５ａは、例えばアルミニウムなどの金属、セラミックスにタングステンなどの高融点材料をコーティングした複合材料、グラファイトなどの導電性材料によって構成されている。これらの中でも、ウエハＷを１０００℃以上の高温に加熱する場合は、耐熱性に優れたグラファイトを用いることが好ましい。
【００５２】
誘電体柱６５ｂは、四角柱状をなし、角筒６５ａの内部に隙間なく挿入されている。誘電体柱６５ｂは、例えば石英や、アルミナなどのセラミックス、合成樹脂などの誘電体材料によって形成することができる。これらの誘電体材料の中でも、耐熱性を有し、マイクロ波を透過させやすい石英を用いることが最も好ましい。真空よりも高い誘電率を有する誘電体柱６５ｂを媒体としてマイクロ波を伝播させることによって、真空中を伝播させる場合に比べ、マイクロ波の波長を短縮して導波路の径（角筒６５ａの内径）を小さくできる。その結果、一つのマイクロ波照射ユニット２５の大きさを小さくすることができるので、限られたスペースの中に、多数のマイクロ波照射ユニット２５を配置できる。
【００５３】
本実施の形態のマイクロ波照射ユニット２５では、マイクロ波発生装置４１からマイクロ波放射ポート４３へ至る各構成部材の寸法、形状、材質等の組み合わせを最適化することによって、反射による伝送損失を極力低減している。具体的には、例えばマイクロ波伝送路４７における導波管６１、真空窓６３、誘電体導波路６５、マイクロ波放射ポート４３におけるポート基部５１（凹部５１ａ、スロット孔５１ｂ）、マイクロ波放射窓５３、ユニット容器４５におけるチョーク溝５７などの寸法、形状、材質等の選択によって、マイクロ波供給源の出力インピーダンスと負荷の入力インピーダンスが等しい値（例えば５０Ω）になるようにしている。従って、本実施の形態のマイクロ波照射ユニット２５では、例えばチューナなどを用いるインピーダンス整合は不要であり、整合器を省略して設備の簡素化を図ることが可能になっている。また、各マイクロ波照射ユニット２５から照射されるマイクロ波の載置板２１における吸収効率は、およそ９０％以上であり、優れた電力利用効率を有する。さらに、マイクロ波の伝送効率が安定していることから、載置板２１及びウエハＷの温度制御の精度が高く、信頼性が高い加熱処理を行うことができる。
【００５４】
図示は省略するが、さらに、支持装置５は、載置板２１へのウエハＷの載置、及び、図示しない搬送装置との間でウエハＷを受け渡す際に使用されるリフトピンなどを備えていてもよい。
【００５５】
＜ガス導入機構＞
基板処理装置１は、更に、処理容器３内にガスを供給するガス供給装置７を備えている。ガス供給装置７は、一つないし複数の異なるガスを供給するガス供給源７１と、ガス供給源７１に接続され、処理容器３内にガスを導入する一つないし複数の配管７３（１本のみ図示）とを備えている。配管７３は、ガス供給源７１から、処理容器３の天井部１１に接続されている。
【００５６】
天井部１１には、処理容器１内にガスを導入するガス導入部としてのシャワーヘッド７５が設けられている。シャワーヘッド７５は、処理空間Ｓ１に臨むように、支持装置５の上方に設けられている。シャワーヘッド７５の下面は、支持装置５の上面（載置板２１の載置面２１ａ）と平行に、かつ対向している。シャワーヘッド７５の下面には、複数のガス噴射孔７５ａが形成されている。また、シャワーヘッド７５内には、配管７３に連通し、ガスを拡散させるガス拡散空間７５ｂが設けられている。配管７３は、一端側がガス供給源７１に接続され、他端側がシャワーヘッド７５に接続されている。
【００５７】
ガス供給装置７とシャワーヘッド７５は、ガス供給機構を構成している。ガス供給装置７は、配管７３及びシャワーヘッド７５を介して、例えば、各種の成膜ガス、不活性ガスなど、基板処理の目的に応じて適切なガス種を選択し、処理容器３内へ供給する。すなわち、ガス供給源７１から、配管７３を介して、シャワーヘッド７５内のガス拡散空間７５ｂに導入されたガスは、複数のガス噴射孔７５ａを介してシャワーヘッド７５の下方の処理空間Ｓ１へ噴射される。図示しないが、基板処理装置１は、更に、配管７３の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを備えている。処理容器３内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。
【００５８】
なお、ガス供給装置７の代りに、基板処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給装置を使用してもよい。また、ガスを導入するガス導入部は、天井部１１以外の位置、例えば側壁部１５などに設けてもよい。
【００５９】
＜排気機構＞
排気装置９は、例えば、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示省略）を有している。基板処理装置１は、更に、底壁部１３に形成された排気口１３ｂと排気装置９とを接続する排気管８１、及び、排気管８１の途中に設けられた圧力調整バルブ８３を備えている。排気装置９は、排気管８１及び排気口１３ｂを介して処理容器３内に接続されている。従って、排気装置９の真空ポンプを作動させることにより、処理空間Ｓ１が所定の圧力まで減圧排気される。
【００６０】
＜温度計測部＞
基板処理装置１は、更に、ウエハＷの表面温度を測定する複数の放射温度計（図示省略）と、これら複数の放射温度計に接続された温度計測部８５とを備えている。温度計測部８５によって、ウエハＷの複数の部位の温度をリアルタイムでモニタすることができる。
【００６１】
＜制御部＞
基板処理装置１は、更に、制御部９０を備えている。基板処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部９０に接続されて、制御部９０によって制御される。制御部９０は、典型的にはコンピュータである。図８は、図１に示した制御部９０の構成を示す説明図である。図８に示した例では、制御部９０は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ９１と、このプロセスコントローラ９１に接続されたユーザーインターフェース９２および記憶部９３とを備えている。
【００６２】
プロセスコントローラ９１は、基板処理装置１において、例えば、ウエハＷの加熱温度、ガス流量、処理容器３内の圧力、ウエハＷの回転速度等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、マイクロ波発生装置４１、ガス供給装置７、排気装置９、回転支持部２３等）を統括して制御する制御手段である。
【００６３】
ユーザーインターフェース９２は、工程管理者が基板処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、基板処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
【００６４】
記憶部９３には、基板処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ９１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。プロセスコントローラ９１は、ユーザーインターフェース９２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部９３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ９１による制御下で、基板処理装置１の処理容器３内において所望の処理が行われる。また、プロセスコントローラ９１は、温度計測部８５により計測されたウエハＷの一ないし複数の部位のリアルタイムの温度データを参照し、各マイクロ波照射ユニット２５へフィードバックすることにより、マイクロ波発生装置４１におけるマイクロ波出力、ＯＮ／ＯＦＦ時間などの制御を行うことができる。
【００６５】
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。
【００６６】
以上の構成を有する基板処理装置１では、ウエハＷに対し、支持装置５による加熱処理、又は、支持装置５による加熱を行いながら、成膜等の処理を行うことができる。
【００６７】
［処理手順］
次に、基板処理装置１において、ウエハＷに対して、加熱しながら成膜処理を施す際の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース９２から、基板処理装置１において成膜処理を行うように、プロセスコントローラ９１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ９１は、この指令を受けて、記憶部９３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によって成膜処理が実行されるように、プロセスコントローラ９１から基板処理装置１の各エンドデバイス（例えば、マイクロ波発生装置４１、ガス供給装置７、排気装置９、回転支持部２３等）に制御信号が送出される。
【００６８】
次に、ゲートバルブＧＶが開状態にされ、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、搬入出口１５ａを介して処理容器３内に搬入される。そして、ウエハＷは、支持装置５の載置板２１に受け渡される。次に、ゲートバルブＧＶが閉状態にされて、排気装置９によって、処理容器３内の処理空間Ｓ１が減圧排気される。また、支持装置５の回転支持部２３の支持リング３１を水平方向に回転させることによって、載置板２１とともに、そこに載置されたウエハＷを回転させる。
【００６９】
次に、マイクロ波照射ユニット２５では、マイクロ波発生装置４１の例えばマグネトロンに対して電圧を印加し、マイクロ波を生成する。マイクロ波発生装置４１において生成されたマイクロ波は、導波管６１を伝搬し、真空窓６３、底壁部１３の開口１３ａ、誘電体導波路６５を介してマイクロ波放射ポート４３に伝送される。そして、各マイクロ波放射ポート４３では、ポート基部５１のスロット孔５１ｂを介してマイクロ波がマイクロ波放射窓５３の全体から均等に載置板２１へ向けて照射される。載置板２１に照射されたマイクロ波は、誘電体からなる載置板２１に吸収され、載置板２１が例えば１０００℃以上の高温に加熱される。載置板２１の熱は、熱伝導、輻射などによって載置面２１ａに載置されたウエハＷに伝わり、ウエハＷが所望の温度まで加熱される。ウエハＷの複数の部位の温度は、温度計測部８５により計測される。
【００７０】
ウエハＷが所定の温度まで昇温した段階で、ガス供給装置７によって、所定の流量の原料ガスがシャワーヘッド７５から処理容器３内の処理空間Ｓ１へ導入される。処理空間Ｓ１は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力、例えば１０〜１０００Ｐａの範囲内に調整される。そして、所定の温度に加熱されたウエハＷの主面に、例えばエピタキシャル成長によって、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの化合物半導体の薄膜を成膜することができる。
【００７１】
プロセスコントローラ９１から基板処理装置１の各エンドデバイスに成膜処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波発生装置４１によるマイクロ波の生成が停止されると共に、原料ガスの供給停止、さらに支持リング３１の回転が停止されて、ウエハＷに対する処理が終了する。次に、処理空間Ｓ１の圧力調節を行った後、ゲートバルブＧＶが開状態にされる。そして、図示しないリフトピンなどを用いてウエハＷを受け渡し位置に上昇させた後、外部の搬送装置にウエハＷが受け渡され、処理容器３内から搬出される。
【００７２】
本実施の形態の基板処理装置１では、独立してマイクロ波を生成・放射可能な７つのマイクロ波照射ユニット２５を備えているので、マイクロ波照射ユニット２５毎に、載置板２１へ照射するマイクロ波の出力を個別に制御できる。例えば、中央のマイクロ波照射ユニット２５Ａと、その周囲のマイクロ波照射ユニット２５Ｂ〜２５Ｇで、マイクロ波の出力を変化させたり、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦ時間を変化させたりすることができる。これによって、載置板２１の面内における温度分布を少なくし、ウエハＷの中央部分と周縁部分との温度分布の発生を防ぎ、ウエハＷへの均一な伝熱を可能とする。
【００７３】
また、マイクロ波照射ユニット２５Ａ〜２５Ｇの中の任意のマイクロ波照射ユニット２５について、マイクロ波の出力を変化させたり、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦ時間を変化させたりすることによって、ウエハＷの中央部分と周縁部分に限らず、より細分化された領域での温度制御を行うことも可能になる。
【００７４】
基板処理装置１は、例えば半導体デバイスの作製工程において、ウエハＷの加熱を伴う処理であれば、エピタキシャル成長やＣＶＤ（化学気相成長）などによる成膜処理に限らず、例えば、アニール処理、プラズマエッチング処理、プラズマ成膜処理、プラズマ改質処理など多様な用途への適用が可能である。
【００７５】
次に、図９〜図１２を参照しながら、本発明の効果を確認した実験結果について説明する。図１の基板処理装置１と同様の構成を有する基板処理装置を用い、ウエハＷの加熱を行った。マイクロ波照射ユニット２５の設置数は７つとした。
【００７６】
各マイクロ波照射ユニット２５のマイクロ波発生装置４１において、それぞれ８００Ｗの出力でマイクロ波を発生させ、載置板２１に照射することによって、設定温度をほぼ３分毎にステップ状に変更しながら、載置板２１を段階的に加熱した。ステップ状に設定された各設定温度までの昇温中はマイクロ波をＯＮの状態にし、各設定温度の前後では、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦを適切にコントロールした。その時の載置板２１の昇温データを図９に示した。図９より、およそ１７００秒かけて載置板２１を約６００℃に段階的に加熱できた。また、昇温過程では、ほぼ５０℃毎に制御性よく段階的な（ステップ状の）昇温が可能であった。
【００７７】
図１０は、各マイクロ波照射ユニット２５からのマイクロ波の出力を８００Ｗに設定して急速昇温した場合の載置板２１の表面温度（縦軸左）とマイクロ波出力（縦軸右）を示している。図１０より、およそ１７０秒の短時間で、載置板２１が５００℃に到達し、その後安定した。
【００７８】
また、各マイクロ波照射ユニット２５のマイクロ波発生装置４１において、それぞれ約１３００Ｗの出力でマイクロ波を発生させ、載置板２１に照射することによって、設定温度をほぼ６分毎にステップ状に変更しながら、載置板２１を段階的に加熱した。ステップ状に設定された各設定温度までの昇温中はマイクロ波をＯＮの状態にし、各設定温度の前後では、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦを適切にコントロールした。その時の載置板２１の昇温データを図１１に示した。図１１より、およそ３０００秒かけて載置板２１を約７００℃に段階的に加熱できた。また、昇温過程では、ほぼ５０℃毎に制御性よく段階的な（ステップ状の）昇温が可能であった。
【００７９】
図１２は、各マイクロ波照射ユニット２５からのマイクロ波の出力を約１３００Ｗに設定して急速昇温した場合の載置板２１の表面温度（縦軸左）を示している。図１２より、およそ２５０秒の短時間で、載置板２１が７００℃に到達し、その後、ほぼ安定した。
【００８０】
次に、図１３及び図１４を参照しながら、複数のマイクロ波照射ユニット２５を用いた場合のゾーン制御性のシミュレーション結果について説明する。図１３及び図１４は、１９個のマイクロ波照射ユニット２５を、中心１個、中間６個、外周１２個に３つの領域にゾーン分けしてハニカム状に配置した場合の電磁界シミュレーション結果である。図１３は、中間６個のマイクロ波照射ユニット２５のみからマイクロ波を照射する場合を示している。図１４は、中心１個、中間６個、外周１２個のマイクロ波照射ユニット２５から、マイクロ波のパワー比を、中心：中間：外周＝１：２：３の比率で変えて照射する場合を示している。図１３及び図１４は白黒表示のため判別しにくいが、中心、中間、外周のゾーン毎に、共通した傾向が見て取れる。従って、図１３及び図１４から、複数のマイクロ波照射ユニット２５を３つのゾーンに区分けして、ゾーン毎に個別にパワーを変化させることによって、各マイクロ波照射ユニット２５が独立して機能するとともに、３つのゾーン毎に電流密度の制御が可能であることが示された。
【００８１】
本実施の形態の基板処理装置１によれば、発熱部材である載置板２１に対し、独立してマイクロ波を照射する複数のマイクロ波照射ユニット２５を備えたことによって、ウエハＷのサイズに関わらず、ウエハＷの面内で均一な加熱を行うことができる。例えば、ウエハＷのサイズが大きくなっても、マイクロ波照射ユニット２５の数を増やすことによって、ウエハＷの面内での均一性を容易に確保できる。また、マイクロ波を利用することによって、ウエハＷを短時間に昇温させることが可能である。従って、基板処理装置１は、ウエハＷの加熱を必要とする各種のプロセスにおいて信頼性の高い温度制御が可能であり、有利に利用できる。
【００８２】
なお、基板処理装置１では、載置板２１を取り外し、又は載置板２１の代わりにマイクロ波透過性材料からなる部材を装着した状態で、処理容器３内にマイクロ波を導入することによって、処理容器３内のクリーニングを行うことができる。この場合、ガス供給装置７からシャワーヘッド７５を介してクリーニングガスを導入しながら、複数のマイクロ波照射ユニット２５から処理容器３内にマイクロ波を導入し、処理容器３内でクリーニングガスのプラズマを生成させればよい。
【００８３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の基板処理装置は、半導体ウエハを基板とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を基板とする基板処理装置にも適用できる。
【００８４】
また、基板処理装置１におけるマイクロ波照射ユニット２５の設置数は、７個に限らず、基板の大きさに応じて、例えば２〜６個でもよいし、あるいは８個以上でもよい。一例として、３００ｍｍ径のウエハＷを処理する場合は、１ｋＷ程度の出力のマグネトロンを有する小型のマイクロ波照射ユニット２５を１９個程度配置すればよい。また。マイクロ波照射ユニット２５の配置の仕方も任意である。
【００８５】
また、マイクロ波放射ポート４３の形状は、平面視６角形に限らず、例えば３角形、４角形などの多角形、円形、楕円形などでもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１…基板処理装置、３…処理容器、５…支持装置、７…ガス供給装置、９…排気装置、１０…マイクロ波導入ポート、１１…天井部、１３…底壁部、１３ａ…開口、１３ｂ…排気口、１５…側壁部、１５ａ…搬入出口、２１…載置板、２１ａ…載置面、２１ｂ…被照射面、２３…回転支持部、２５…マイクロ波照射ユニット、３１…支持リング、３１ａ…段差部、３３Ａ…内部回転体、３３Ｂ…外部回転体、３５…マグネットカップリング、４１…マイクロ波発生装置、４３…マイクロ波放射ポート、４５…ユニット容器、４７…マイクロ波伝送路、５１…ポート基部、５３…マイクロ波放射窓、５１ａ…凹部、５１ｂ…スロット孔、５７…チョーク溝、６１…導波管、６３…真空窓、６５…誘電体導波路、６５ａ…角筒、７１…ガス供給源、７３…配管、７５…シャワーヘッド、７５ａ…ガス噴射孔、７５ｂ…ガス拡散空間、８１…排気管、８３…圧力調整バルブ、８５…温度計測部、９０…制御部、ＧＶ…ゲートバルブ、Ｗ…半導体ウエハ、Ｓ１…処理空間
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2016009796.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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