JP2012229479A - 成膜装置およびシールド部材 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内壁を保護するシールドの交換頻度を低下させ、半導体製造工程におけるスループットの向上および製造コストの低下を実現することができる成膜装置およびシールド部材を提供する。
【解決手段】本実施形態による成膜装置は、基板を真空雰囲気中に収容するチャンバと、基板に材料を成膜する際に前記チャンバの内壁を保護し、チャンバから着脱可能なシールド部材とを備えている。シールド部材は、チャンバの内壁の保護にまだ使用されていていない使用前シールドを筒状に巻いた使用前ロールと、使用前ロールと連続して繋がっており、チャンバの内壁の保護にすでに使用された使用後シールドを筒状に巻くことが可能な使用後ロールとを含む。ガイド部は、シールド部材をチャンバの内壁において支持する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、成膜装置およびシールド部材に関する。

半導体装置の製造工程では、スパッタリング装置またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等の成膜装置を用いて半導体基板上に様々な材料（例えば、金属材料）を成膜する。成膜装置は、真空チャンバを有し、その真空チャンバ内において半導体基板上に膜材料を堆積する。しかし、成膜装置の真空チャンバの内壁に堆積した膜材料が剥がれることによってパーティクルが発生することがある。そのようなパーティクルが半導体基板上に付着すると、半導体装置の歩留まりを低下させるおそれがある。

ターゲットからの粒子が拡散してチャンバの内壁に付着することを防止するために、円筒状のシールド（防着板）がターゲットと基板とを結ぶ空間（処理空間）の周りを囲むように取り付けられる。成膜中に基板の周囲に拡散または飛散した粒子はシールドに付着し、シールド板に堆積する。従って、シールドの後背に位置するチャンバ内壁には膜材料が付着しないので、チャンバのクリーニングは不要になる。

しかし、シールドには膜材料が堆積するので、シールドの表面に付着した膜材料の膜厚が厚くなると、シールドを交換しなければならない。シールドを交換するときには、使用済みのシールドを取り外し、新しいシールドあるいは洗浄済みシールドを取り付けるために、真空引きされたチャンバを大気に開放しなければならない。その後、チャンバ内を再度真空状態にする必要がある。チャンバ内を真空状態にするためには時間が掛かるため、シールドの交換頻度が多いとスループットの低下および製造コストの上昇を招致する。

特開２００８−２９１２９９号公報

チャンバ内壁を保護するシールドの交換頻度を低下させ、半導体製造工程におけるスループットの向上および製造コストの低下を実現することができる成膜装置およびシールド部材を提供する。

本実施形態による成膜装置は、基板を真空雰囲気中に収容するチャンバと、基板に材料を成膜する際に前記チャンバの内壁を保護し、チャンバから着脱可能なシールド部材とを備えている。シールド部材は、チャンバの内壁の保護にまだ使用されていていない使用前シールドを筒状に巻いた使用前ロールと、使用前ロールと連続して繋がっており、チャンバの内壁の保護にすでに使用された使用後シールドを筒状に巻くことが可能な使用後ロールとを含む。ガイド部は、シールド部材をチャンバの内壁において支持する。

本実施形態によるウェハ搬送装置１を備えたマルチチャンバ型成膜装置２の概略平面図。 プロセスチャンバ６の構成を示す断面図。 シールド４０、ガイド部４１およびその周辺を示す断面図および斜視図。 シールド部材５０の構成を示す斜視図。 シールド４０の表面近傍の断面図。 プロセスチャンバ６０、内部チャンバ３０およびシールド部材５０の関係を示す概略平面図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本実施形態によるウェハ搬送装置１を備えたマルチチャンバ型成膜装置２の概略平面図である。ウェハ搬送装置１は、半導体ウェハ３を収納したウェハカセット４を複数配置したロードステーション５と、ウェハ３に薄膜を形成する複数のプロセスチャンバ６に隣接するトランスファチャンバ７と、ロードステーション５とトランスファチャンバ７との間にそれぞれ配置されたロードロックチャンバ８およびアンロードロックチャンバ９とを備えている。

ロードステーション５の中央部には、半導体ウェハ３のオリエンテーションフラットを利用して半導体ウェハ３の位置決めを行うオリエンタ１１が配置されている。ロードステーション５におけるオリエンタ１１の両側には、それぞれ未処理の半導体ウェハ３を収納したウェハカセット４が複数配置されている。

さらに、ロードステーション５には、半導体ウェハ３の搬送を行うロードステーションロボット１３が設けられている。ロードステーションロボット１３は、遠隔操作によりガイド１２に沿って移動可能であり、かつ、伸縮可能なリンク機構１３ａを備えている。リンク機構１３ａの先端には、半導体ウェハ３を水平に搭載する平板状のブレード１３ｂが取り付けられている。

ロードロックチャンバ８およびアンロードロックチャンバ９は、それぞれ大気圧のロードステーション５に連結されるとともに、１０^−７〜１０^−８Ｔｏｒｒ程度の真空状態に排気されたトランスファチャンバ７にスリットバルブ２０を介して連結されている。スリットバルブ２０は、ロードロックチャンバ８およびアンロードロックチャンバ９とトランスファチャンバ７とを連通したり、気密に遮断したりすることができるようになっている。

ロードステーションロボット１３は、ブレード１３ｂをロードロックチャンバ８、アンロードロックチャンバ９およびウェハカセット４内に差し入れることができ、それにより、半導体ウェハ３を各チャンバ８、９またはウェハカセット４に搬送することができる。

トランスファチャンバ７には、半導体ウェハ３の搬送を行うトランスファロボット２１が設けられている。トランスファロボット２１は、トランスファチャンバ７の中心に設置された支持軸２１ａと、支持軸２１ａの外周に設けられた伸縮可能なリンク機構２１ｂと、リンク機構２１ｂの先端で水平に支持された細長い平板状のブレード２１ｃとを備えている。リンク機構２１ｂは、支持軸２１ａを中心としてブレード２１ｃを旋回させることができ、かつ、径方向に移動させることができる。トランスファロボット２１は、ブレード２１ｃをロードロックチャンバ８、プロセスチャンバ６およびアンロードロックチャンバ９内に差し入れることができ、それにより、半導体ウェハ３を各チャンバ６、８、９に搬送することができる。

トランスファチャンバ７の周囲には、複数のプロセスチャンバ６がそれぞれスリットバルブ２０を介して連結されている。本実施形態におけるプロセスチャンバ６は、スパッタリングによりウェハ３に薄膜を形成するもので、１０^−９Ｔｏｒｒ程度の真空状態にされている。スリットバルブ２０は、プロセスチャンバ６とトランスファチャンバ７とを連通したり、気密に遮断したりすることができるようになっている。

成膜処理時には、半導体ウェハ３は、ロードステーションロボット１３によってウェハカセット４からロードロックチャンバ８に搬送され、その後、トランスファロボット２１によって、ロードロックチャンバ８からプロセスチャンバ６に搬送される。成膜処理後、半導体ウェハ３は、トランスファロボット２１によって、プロセスチャンバ６からアンロードロックチャンバ９に搬送され、その後、ロードステーションロボット１３によってアンロードロックチャンバ９からウェハカセット４に搬送される。

図２は、プロセスチャンバ６の構成を示す断面図である。プロセスチャンバ６は、例えば、ステンレスを用いて円筒状に形成されている。バッキングプレート（電極）５４は、プロセスチャンバ６の上面開口部を気密に閉塞するように着脱可能に取り付けられる。バッキングプレート５４の下面には、ターゲット５２が固定されている。バッキングプレート５４の上面には、ターゲット５２に磁場を印加するためのマグネット５６が設けられている。これにより、成膜装置は、いわゆる、マグネトロンスパッタリングを行うことができる。バッキングプレート５４には、電場を形成するための電源５８が接続されている。

プロセスチャンバ６内において、ターゲット５２と対向するように導電体からなるステージ６０が設けられている。ステージ６０上には、被処理基板として半導体ウェハ３が搭載される。半導体ウェハ３をステージ６０に固定するために、クランプリング６４がステージ６０の外縁部に設けられている。

ステージ６０は、プロセスチャンバ６の底部を貫通して垂直上方に延びる昇降可能な支持軸６６に支持され、電気的にはプロセスチャンバ６と共に接地されている。なお、プロセスチャンバ６は減圧可能に構成されており、支持軸６６を擦動可能に通す貫通孔もシール部材（図示せず）によって真空封止されている。

プロセスチャンバ６内には、プロセスチャンバ６よりも直径の小さい円筒状の内部チャンバ３０が設けられている。本実施形態では、プロセスチャンバ内でシールド部材によって、プラズマとスパッタチャンバ内壁を遮蔽された部分を便宜的に内部チャンバと呼ぶ。内部チャンバ３０は、ステージ６０上の半導体ウェハ３をクランプリング６４の高さまで上昇させたときに、ターゲット５２と半導体ウェハ３とを結ぶ空間（処理空間）の周りを囲むように設けられている。

内部チャンバ３０の下端部にはフランジ部３０ａが設けられており、フランジ部３０ａの上にクランプリング６４が取り付けられている。内部チャンバ３０の上端部とバッキングプレート５４の外縁部との間には絶縁性のＯリング３４が設けられており、プロセスチャンバ６内を真空状態で密閉している。

内部チャンバ３０の内壁に、シールド４０が設けられている。シールド４０は、真空雰囲気中において半導体ウェハ３にメタル材料等を成膜する際に、成膜装置の内部チャンバ３０の内壁を保護する。

例えば、スパッタ成膜時には、ガス供給源（図示せず）よりガス供給管３６を介してプロセスチャンバ６内に不活性ガス（例えば、Ａｒガス）が導入される。プロセスチャンバ６の底に設けられている排気口３８は真空ポンプ（図示せず）に通じており、プロセスチャンバ６内が真空状態に減圧されている。そして、電源５８よりターゲット５２とステージ６０との間に電圧が印加されることで、処理空間内でＡｒガスが電離してプラズマが発生し、プラズマからの加速されたＡｒイオンの入射によりターゲット５２の表面がスパッタされる。スパッタ粒子はステージ６０上の半導体ウェハ３の主面に堆積してメタル薄膜を形成する。このような、スパッタ法においては、ターゲット５２の表面からスパッタされたメタル粒子は、ターゲット正面の半導体ウェハ３に向かうだけでなく、内部チャンバ３０の内側面にも向かって飛散する。このとき、シールド４０は、スパッタ粒子が内部チャンバ３０の内側面に付着しないように保護し、それにより、スパッタ粒子はシールド４０の表面に付着する。

図３（Ａ）は、シールド４０、ガイド部４１およびその周辺を示す断面図である。図３（Ｂ）は、シールド４０、ガイド部４１およびその周辺を示す斜視図である。内部チャンバ３０には、シールド４０を案内するガイド部４１が備えられている。ガイド部４１は、シールド４０が内部チャンバ３０の内壁を被覆するように、シールド４０の上端および下端を支持している。ガイド部４１は、内部チャンバ３０と同様に、例えば、ステンレスで形成されている。ガイド部４１は、シールド４０が接触する部分に、摩擦抵抗が低くかつ耐熱性の材料（例えば、シリコーン、ゴム等）からなる接触部４２を備えている。これにより、シールド４０は、ガイド部４１内を内部チャンバ３０の内壁面に沿って（図３の紙面に対して垂直方向に）滑らかに摺動することができる。

図４は、シールド部材５０の構成を示す斜視図である。シールド部材５０は、使用前ロール４４と、使用後ロール４５とを備えている。使用前ロール４４は、内部チャンバ３０の内壁の保護にまだ使用されていていない使用前のシールド４０を筒状に巻いて形成されている。使用後ロール４５は、使用前ロールと連続して繋がっており、内部チャンバ３０の内壁の保護にすでに使用された使用後のシールド４０を筒状に巻いて形成されている。

使用前シールドは使用前ロール４４から繰り出されて内部チャンバ３０の内壁を保護する。そして、成膜工程で使用された使用後シールドは使用後ロール４５に巻き取られる。

シールド４０は、耐熱性に優れ、柔軟性があり、かつ、膜材料を通過させない材料を用いて形成される。シールド４０は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ（Steel Use Stainless））等の金属膜からなる。ただし、金属膜を用いる場合、ロール上に巻くことができるような柔軟性を維持するために、シールド４０は、充分に薄くするする必要がある。例えば、シールド４０は、ステンレス製の場合、約１．５ｍｍの厚みに形成される。シールド４０の幅は、内部チャンバ３０の内側面の幅（高さ）に適合するように設定される。例えば、シールド４０の幅は、約４００ｍｍである。また、シールド４０の表面は、付着した膜材料が剥がれることを抑制するために、エンボス加工されていることが好ましい。

例えば、図５に示すように、シールド４０の表面は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）等の金属を含む合金からなるプラズマ溶射膜４６を備えている。図５は、シールド４０の表面近傍の断面図である。プラズマ溶射膜４６の表面は、エンボス加工によって適度に粗面化されている。プラズマ溶射膜４６の表面の粗さは、膜材料８０が十分に大きな結合力で密着し、膜材料８０の剥離を確実に抑制できるように設定される。さらに、シールド４０とプラズマ溶射膜４６との結合力を高めるために、シールド４０の表面をブラスト処理によって適度な粗さに粗面化してもよい。

図６は、プロセスチャンバ６０、内部チャンバ３０およびシールド部材５０の関係を示す概略平面図である。尚、図２は、図６の２−２線に沿った断面図に相当する。プロセスチャンバ６０内は真空状態であり、従って、成膜装置において、内部チャンバ３０およびシールド部材５０は、真空雰囲気中に設けられている。

使用前ロール４４および使用後ロール４５は、内部チャンバ３０の外側に設けられており、シールド４０は、内部チャンバ３０のシールド導入口３５から導入される。内部チャンバ３０内に導入されたシールド４０は、回転可能なロータ９０、ガイド部４１に支持されており、内部チャンバ３０の内壁面に沿って該内壁面を被覆している。

成膜装置は、使用後ロール４５を回転させるモータ１００をさらに備えている。モータ１００は、使用後のシールドを使用前のシールドに変更するときに、使用後ロール４５を矢印Ａ３の方向に回転させて、使用後のシールド４０を巻き取る。モータ１００の回転動作に追従して、使用前ロール４４が矢印Ａ１の方向に回転し、使用前のシールド４０を内部チャンバ３０内へ繰り出す。この場合、モータ１００が使用後ロール４５を回転させることによって、自動的に使用前ロール４４も回転し、該使用前ロール４４から使用前のシールド４０が繰り出される。従って、使用前ロール４４は、回転軸を中心に回転可能に設置されていればよく、使用前ロール４４側にはモータは必ずしも必要ない。勿論、必要に応じて、使用前ロール４４、ロータ９０〜９２にモータを配備してもよい。これにより、使用前ロール４４からシールド４０を円滑に繰り出し、かつ、シールド４０を円滑に使用後ロール４５へ巻き取ることができる。

ロータ９０〜９２は、内部チャンバ３０内のシールド導入口３５の近傍に設けられている。ロータ９０、９２は、シールド４０がシールド導入口３５からガイド部４１へ円滑に導入されるように設けられている。シールド導入口３５から内部チャンバ３０へ導入されるシールド４０は、ロータ９０と９２との間に挟まれており、ロータ９０および９２の両方の回転動作によって内部チャンバ３０内へ送り出される。シールド４０が、ロータ９０と９２との間に挟まれていることによって、内部チャンバ３０の内側と外側とを遮断する。それにより、内部チャンバ３０内のスパッタ粒子がシールド導入口３５を介して内部チャンバ３０の外へ侵出してしまうことを抑制することができる。

ロータ９１、９２は、シールド４０がガイド部４１からシールド導入口３５へ円滑に導出されるように設けられている。ロータ９１および９２において、シールド４０は、内部チャンバ３０の内壁に沿って内部チャンバ３０の内部を完全に一周した後、半導体ウェハ３の側面と内部チャンバ３０の内側壁との間において折り返されてシールド導入口３５から導出される。即ち、シールド４０が半導体ウェハ３の周囲の全体を取り囲むように、使用前シールドおよび使用後シールドは、半導体ウェハ３の側面と内部チャンバ３０の内側壁との間において重なっている。これにより、内部チャンバ３０内のスパッタ粒子がシールド導入口３５の近傍へ接近することを抑制し、スパッタ粒子がシールド導入口３５を介して内部チャンバ３０の外へ侵出してしまうことをさらに効果的に抑制することができる。

本実施形態では、プロセスチャンバ６内の真空状態を維持したまま、モータ１００が使用前シールドを使用前ロール４４から繰り出し、かつ、使用後シールドを使用後ロール４５に巻き取る。これにより、プロセスチャンバ６内の真空状態を維持したまま、シールド４０に堆積した材料が剥がれてパーティクルの原因になる前に、使用後シールドを使用前シールドに交換することができる。シールド４０は、使用前ロール４４に使用前シールドが無くなるまで、あるいは、使用前シールドが不足するまで交換可能である。

使用後シールドから使用前シールドへの交換は、シールド４０の表面に堆積した膜材料の膜厚で決定することが好ましい。しかし、シールド４０の表面に堆積した膜材料の膜厚を実測することは困難である。従って、その膜材料の膜厚を示すパラメータとして、成膜処理した半導体ウェハ３の数（処理回数）、成膜処理時間の積算値、あるいは、成膜処理で使用した電力の積算値等がある。即ち、使用後シールドから使用前シールドへの交換は、これらのパラメータのいずれかに基づいて実行すればよい。例えば、上記パラメータが所定値に達した場合に、モータ１００を駆動させ、使用後シールドを使用前シールドに交換すればよい。この場合、モータ１００は、使用後シールドから使用前シールドへの交換のトリガとなる所定値を記憶する記憶部１１０と、上記パラメータが所定値に達した場合に、モータ１００を駆動させる演算部１２０とを備えたサーボモータでよい。これにより、オペレータは、使用後シールドから使用前シールドへの交換を意識する必要が無く、シールド部材５０全体の交換に留意すれば足りる。

使用前ロール４４に使用前シールドが無くなった場合、あるいは、使用前ロール４４に使用前シールドが内部チャンバ３０の内壁を被覆するのに足りなくなった場合、オペレータは、使用後のシールド部材５０を新しい使用前のシールド部材５０と交換する。シールド部材５０の交換は、プロセスチャンバ６の内部を真空状態から大気圧の状態へ解放する必要がある。シールド部材５０の交換後、プロセスチャンバ６の内部は、再度、真空引きされる。その後、モータ１００によってシールド４０を交換しながら成膜処理を継続することができる。尚、シールド部材５０は、複数回（例えば、１０回）シールド４０を交換できるように、充分な長さの使用前シールドを有することが好ましい。

使用後のシールド部材５０を成膜装置から取り外した後、使用後のシールド部材５０に堆積した材料を除去するために、使用後シールドは使用後ロール４５から繰り出されて洗浄される。洗浄後、使用前シールドとして使用前ロール４５に巻き取られる。これにより、シールド部材５０は、再度、新しいシールド部材５０としてリサイクルされ得る。

本実施形態によれば、シールド部材５０が使用前ロール４４および使用後ロール４５を備え、使用前シールドは使用前ロール４４から繰り出されて内部チャンバ３０の内壁を保護し、使用後シールドは使用後ロール４５に巻き取られる。これにより、プロセスチャンバ６および内部チャンバ３０の真空状態を維持したまま、シールド４０を複数回に亘って交換することができる。その結果、シールド部材５０の交換頻度が低減し、メンテナンス負担が軽減される。また、メンテナンスのためにプロセスチャンバ６および内部チャンバ３０の真空状態を解放する頻度が低減するので、成膜工程のスループットの向上および製造コストの低下を実現することができる。

尚、上記実施形態では、モータ１００が使用後ロール４５を回転させることによってシールド４０を交換している。しかし、使用後ロール４５の軸を回転ハンドル（図示せず）と連結させ、オペレータが回転ハンドルを介して手動で使用後ロール４５を回転させてもよい。このとき、使用後ロール４５の軸は、貫通孔を介して回転ハンドルと連結されており、その貫通孔においてシール部材によって真空封止される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

３・・・半導体ウェハ、６・・・プロセスチャンバ、３０・・・内部チャンバ、３４・・・Ｏリング、３５・・・シールド導入口、３６・・・ガス供給管、３８・・・排気口、５４・・・バッキングプレート、５２・・・ターゲット、５８・・・電源、６０・・・ステージ、６４・・・クランプリング、６６・・・支持軸、４０・・・シールド、４１・・・ガイド部、４２・・・接触部、５０・・・シールド部材、４４・・・使用前ロール、４５・・・使用後ロール、４６・・・プラズマ溶射膜、８０・・・膜材料、９０〜９２・・・ロータ、１００・・・モータ、１１０・・・記憶部、１２０・・・演算部

Claims (6)

1. 基板を真空雰囲気中に収容するチャンバと、
   前記基板に材料を成膜する際に前記チャンバの内壁を保護し、前記チャンバから着脱可能なシールド部材とを備え、
   前記シールド部材は、
   前記チャンバの内壁の保護にまだ使用されていていない使用前シールドを筒状に巻いた使用前ロールと、
   前記使用前ロールと連続して繋がっており、前記チャンバの内壁の保護にすでに使用された使用後シールドを筒状に巻くことが可能な使用後ロールとを含み、
   前記シールド部材を前記チャンバの内壁において支持するガイド部をさらに備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記シールド部材が前記基板の周囲の全体を取り囲むように前記基板の側面と前記チャンバの内側壁との間において重なっていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記シールド部材は、前記基板の側面と前記チャンバの内壁との間において折り返されていることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記使用前シールドを前記使用前ロールから繰り出し、かつ、前記使用後シールドを前記使用後ロールに巻き取るモータをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜装置。
5. 真空雰囲気中において基板に材料を成膜する成膜装置のチャンバの内壁を保護し、前記成膜装置に対して着脱可能なシールド部材であって、
   前記チャンバの内壁の保護にまだ使用されていない使用前シールドを巻いた使用前ロールと、
   前記使用前ロールと連続して繋がっており、前記チャンバの内壁の保護にすでに使用された使用後シールドを筒状に巻くことが可能な使用後ロールとを備え、
   前記使用前シールドは前記使用前ロールから繰り出されて前記チャンバの内壁を保護し、前記使用後シールドは前記使用後ロールに巻き取られることを特徴とするシールド部材。
6. 前記シールド部材を前記成膜装置から取り外した後、前記使用後シールドは、前記使用後ロールから繰り出されて洗浄され、洗浄後、前記使用前シールドとして前記使用前ロールに巻き取られることを特徴とする請求項５に記載のシールド部材。

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