JP2018127711A

JP2018127711A - スパッタリング装置

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Publication number: JP2018127711A
Application number: JP2017023627A
Authority: JP
Inventors: 藤井　佳詞; Yoshiji Fujii; 佳詞藤井; 中村　真也; Shinya Nakamura; 真也中村; 一義橋本; Kazuyoshi Hashimoto
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16

Abstract

【課題】基板Ｗ表面へのシールド板５３からのパーティクルの付着と基板の裏面へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制することができる構造を持つスパッタリング装置を提供する。【解決手段】スパッタリング用のターゲット２を有する真空チャンバ１内で基板Ｗが設置されるステージ５と、隙間を存して基板の周囲を囲うように設けられる環状のシールド板５３とを備える。シールド板の内縁部５３ａが基板の外寸と同等以下の内寸を有してこの内縁部が基板の外周縁部より下方に隙間を存して位置するようにシールド板が設置される。シールド板の上面が、その内縁部からステージの上面に平行に所定長さでのびる平坦部５３ｂと、この平坦部から連続する、基板の上面とその裏面との間の高さ位置まで隆起させた突条部５３ｃとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、スパッタリング装置に関し、より詳しくは、ステージに設置される被処理基板の周囲にシールド板が設けられるものに関する。

この種のスパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、上部にスパッタリング用ターゲットを備える真空チャンバを備え、真空チャンバ内の下部には、ターゲットに対向させてシリコンウエハやガラス基板等の被処理基板（以下、単に「基板」という）が設置されるステージが設けられている。ステージは、基板の輪郭に対応する例えば筒状の輪郭を持ちかつ加熱・冷却用の機構を内蔵した金属製の基台と、この基台の上面に接着される、基台及び基板の外寸より小さいチャックプレートとで構成される。チャックプレートは、このチャックプレートより外方に位置して露出する基台の上面部分を覆う環状のシールド板を介して基台の上面に着脱自在に固定されている。そして、真空雰囲気下でターゲットをスパッタリングして所定の薄膜を成膜する場合に、チャックプレートに基板を静電吸着することで基板を効率よく加熱・冷却できるようにしている。

上記従来例のスパッタリング装置にてターゲットをスパッタリングすると、プラズマ中の希ガスのイオンの衝突により生じたターゲットからのスパッタ粒子は、基板の表面（ターゲットに対向する成膜面）だけでなく、シールド板の表面にも付着、堆積する。この場合、成膜中や成膜終了後に、シールド板に付着、堆積したものが例えばその応力で飛散し、パーティクルとなって基板の表面に付着する場合がある。ここで、上記スパッタリング装置を用いた成膜工程を含む各種の工程を経て電子デバイス等の製品を作製する場合、例えば、各工程終了後毎に基板の処理面（スパッタリングによる成膜では、成膜面）に付着した所定サイズのパーティクルの単位面積あたりの数を測定し、この測定したパーティクル数を基に、設計通りの機能を持つ製品が作製されたか否かの品質管理を行うことがある。このため、特に基板の近傍に位置するシールド板の部分から飛散するパーティクルは基板表面に付着し易いので、製品歩留まりを高く維持するには、これを可及的に抑制されるように構成しておく必要がある。

上記従来例のスパッタリング装置では、ステージに設置される基板の上面（ターゲットに対向する成膜面）より下方にシールド板の上面を位置させて、シールド板からのパーティクルが基板の表面に付着し難い構成としていた。然し、このような構成を採用すると、スパッタ粒子が、チャックプレートから外方にはみ出す基板の裏面部分にも回り込んで付着するという問題が生じる。このように基板の裏面部分にスパッタ粒子が付着した基板を次工程に搬送したのでは、これに起因して次工程の装置やその処理に悪影響（例えば、コンタミネーション）を与える虞がある。

特開２０１４−９１８６１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板表面へのシールド板からのパーティクルの付着と被処理基板の裏面へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制することができる構造を持つスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、スパッタリング用のターゲットを有する真空チャンバ内で被処理基板が設置されるステージと、隙間を存して被処理基板の周囲を囲うように設けられる環状のシールド板とを備えるスパッタリング装置において、ステージに対して被処理基板を設置する方向を下方として、シールド板の内縁部が被処理基板の外寸と同等以下の内寸を有してこの内縁部が被処理基板の外周縁部より下方に隙間を存して位置するようにシールド板が設置され、このシールド板の上面が、その内縁部からステージの上面に平行に所定長さでのびる平坦部と、この平坦部から連続する、被処理基板の上面とその裏面との間の高さ位置まで隆起させた突条部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、被処理基板の外周縁部からその外方に間隔を存してシールド板の突条部が存するため、この突条部が被処理基板の裏面（及び側面）まで回り込む虞のあるターゲットからのスパッタ粒子を阻止する役割を果たすことで、被処理基板の裏面へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制することができる。しかも、被処理基板の外周縁部に近い平坦部を被処理基板より下方に位置させたため、平坦部から飛散したパーティクルの被処理基板の表面（成膜面）への付着を可及的に抑制することができる。この場合、突条部の表面にもスパッタ粒子が付着するが、突条部を被処理基板の上面とその裏面との間の位置までの高さとすると共に、被処理基板の外周縁部から間隔を置いたことで、突条部から被処理基板の表面へのパーティクルの付着も抑制される。

ところで、上記スパッタリング装置にて例えばターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングにより被処理基板の表面に成膜するとき、この被処理基板にバイアス電位が印加される（場合によっては、バイアス電源を介して被処理基板にバイアス電位を積極的に印加する）ことがある。このような場合に、被処理基板の周囲に位置するシールド板の上面部分が、被処理基板の表面より上方にあると（即ち、ターゲット側に突出していると）、イオンシースの影響を受けて被処理基板の表面に所定の薄膜を成膜したときの膜厚分布の面内均一性が悪くなる（即ち、被処理基板の外周縁部側での成膜レートが局所的に遅くなる）という問題が生じる。それに対して、本発明では、突出部の上面を被処理基板の上面とその裏面との間の高さ位置に設定したため、被処理基板の外周縁部側での成膜レートが局所的に遅くなるといった問題は生じない。

本発明によれば、前記平坦部の長さに対応させて前記突条部の高さが設定されることが好ましい。これによれば、例えば、ターゲット種に応じて平坦部を比較的に短く設定したような場合に、これに応じて突出部の高さも短くすることで、被処理基板の裏面へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制するという機能を損なうことなく、イオンシースの影響を受けて被処理基板の表面に所定の薄膜を成膜したときの膜厚分布の面内均一性が悪くなることを確実に防止できる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する模式断面図。シールド板の部分を示す拡大断面図。

以下、図面を参照し、被処理基板をシリコンウエハ（以下、単に「基板Ｗ」という）とし、真空チャンバの上部にスパッタリング用ターゲット、その下部に基板Ｗが設置されるステージが設けられたものを例に本発明のスパッタリング装置の実施形態を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の高周波スパッタリング装置である。高周波スパッタリング装置ＳＭは、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の上部にカソードユニットＣｕが着脱自在に取付けられている。カソードユニットＣｕは、スパッタリング用ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とで構成されている。

ターゲット２は、基板Ｗに成膜しようとする薄膜に応じてその組成が適宜選択され、基板Ｗの輪郭に応じて平面視円形に形成されたものである。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、そのスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた第１絶縁体４１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられている。また、ターゲット２には、公知の構造を有する高周波電源Ｅが接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波（交流）電力が投入されるようにしている。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものである。磁石ユニット自体としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ５が配置されている。ステージ５は、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台５１と、この基台５１の上面に接着されるチャックプレート５２とで構成されている。平面視円形のチャックプレート５２は、基台５１の上面及び基板Ｗより一回り小さい外径を有する。また、チャックプレート５２には静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂが埋設され、図示省略のチャック電源から所定の電圧が印加されるようにしている。チャックプレート５２は、環状の第１シールド板５３を介して基台５１の上面に着脱自在に固定されている。この場合、第１シールド板５３は、スパッタリング中、基板Ｗに発生するバイアス電位を低減するために、第２絶縁体４２を介して基台５１の上面に取り付けるようにしてもよい。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明は省略する。

基台５１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された第３絶縁体４３で保持され、アース接地の真空チャンバ１とは縁切りされ、電気的にフローティングにされている。基板Ｗ表面に成膜しようとする薄膜によっては、選択的に基台５１をアース接地するようにしてもよい。第１〜第３の各絶縁体４１，４２，４３の材質としては特に制限はなく、ガラス入りのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）や、ガラス入りのエポキシ樹脂などを用いることができる。また、基台５１には、冷媒循環用の通路５４ａやヒータ５４ｂが内蔵され、スパッタリング中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしている。

更に、真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス導入手段としてのガス管６が接続され、ガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通している。スパッタガスには、真空処理室１ａにプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の側面にはまた、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどで構成される真空ポンプＰに通じる排気管７が接続され、真空処理室１ａを所定速度で真空引きし、所定圧力に保持できるようにしている。真空チャンバ１内でステージ５の周囲には、アース電極としての環状の第２シールド板８が設けられている。第２シールド板８は、その内周縁部から径方向外側に下方に傾斜するように形成されたものである。なお、特に図示して説明しないが、第２シールド板８に、上下方向に貫通する複数個の貫通孔を開設するようにしてもよい。そして、第２シールド板８は、アース接地の真空チャンバ１の底面に設置され、スパッタリング時にアースとしての役割を果たすようにしている。

基板Ｗに対して所定の薄膜を成膜する場合、図外の真空搬送ロボットにより、真空雰囲気下の真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通してステージ５上へと基板Ｗを搬入し、ステージ５のチャックプレート５２上面に基板Ｗを設置する（この場合、基板Ｗの上面Ｗｕが成膜面となる）。そして、真空搬送ロボットを退避させると共に、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂに対してチャック電源から所定電圧を印加すると、チャックプレート５２上面に基板Ｗが静電吸着される。この場合、基板Ｗの一部がチャックプレート５２から外方にはみ出した状態となる（図１参照）。

次に、真空処理室１ａ内が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスが一定の流量で導入し、これに併せてターゲット２に高周波電源Ｅから所定の高周波電力（例えば、１〜５ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲット２がスパッタリングされ、ターゲット２からのスパッタ粒子が基板Ｗの上面Ｗｕに付着、堆積して所定の薄膜が成膜される。

ところで、スパッタリング中、スパッタ粒子は、基板Ｗの上面Ｗｕだけでなく、基板Ｗの周囲に位置する第１及び第２の両シールド板５３，８にも付着、堆積する。ここで、基板Ｗの直近に位置する第１シールド板５３の上面に付着、堆積したものが例えばその応力で飛散し、パーティクルとなって基板Ｗ表面に付着したのでは、製品歩留まりを高く維持できない。他方で、スパッタ粒子が、チャックプレート５２からはみ出した基板Ｗの裏面部分に回り込んで付着すると、これに起因して次工程の装置やその処理に悪影響（例えば、コンタミネーション）を与える。そこで、本実施形態では、ターゲット２の周囲を囲う第１シールド板５３を次のように製作することとした。

即ち、図２も参照して、第１シールド板５３は、その内縁部５３ａが基板Ｗの外寸と同等以下の内寸を有し、第１シールド板５３のチャックプレート５２への取付状態では、第１シールド板５３の内縁部５３ａが基板Ｗの外周縁部Ｗｅより下方に隙間Ｄ１を存して位置するようにしている。また、内縁部５３ａの内寸は、チャックプレート５２の外寸より大きく設定され、第１シールド板５３のチャックプレート５２への取付状態では、内縁部５３ａがチャックプレート５２との間に隙間Ｄ２を存して位置するようにしている。隙間Ｄ１，Ｄ２は、スパッタリング時、チャックプレート５２から外方にはみ出した基板Ｗの裏面部分の下方空間や、第１シールド板５３とチャックプレート５２との間の空間で異常放電（アーク放電）の発生を抑止することができるように適宜設定される。

また、第１シールド板５３の上面は、内縁部５３ａからチャックプレート５２の上面に平行に所定の長さでのびる平坦部５３ｂと、この平坦部５３ｂから連続する、チャックプレート５２に設置された基板Ｗの上面Ｗｕとその裏面Ｗｄとの間の高さ位置まで隆起させた突条部５３ｃとを有する。この場合、平坦部５３ｂと突条部５３ｃとの間は上方に向けて湾曲したアール面５３ｄとしている。また、平坦部５３ｂの長さは、ターゲット種に応じて、基板Ｗの外周縁部Ｗｅ直下の位置からアール面５３ｄの起点位置までの長さＬ１が１ｍｍ〜５ｍｍの範囲となるように適宜設定される。なお、長さＬ１が１ｍｍより短くなると、突条部５３ｃに付着、堆積したものが飛散したとき、パーティクルとなって基板Ｗの上面（成膜面）Ｗｕに付着し易くなり、他方で、長さＬ１が５ｍｍより長くなると、突条部５３ｃを設けても、チャックプレート５２から外方にはみ出した基板Ｗの裏面部分へのスパッタ粒子の付着を効果的に抑制できない。

また、平坦部５３ｂからの突条部５３ｃの上面までの高さＨ１は、ターゲット種や長さＬ１に応じて適宜設定される。本発明において、基板Ｗの上面Ｗｕとその裏面Ｗｄとの間の高さ位置と言った場合、突条部５３ｃの上面と基板Ｗの上面とが同等の平面内にあっても、例えば長さＬ１を適切に設定することで、基板Ｗ表面に所定の薄膜を成膜したときに基板Ｗの外周縁部Ｗｅでの成膜レートが局所的に遅くならない場合には、これを含む概念である。また、突条部５３ｃの幅は特に制限はなく、また、突条部５３ｃから基板Ｗより外方に位置する第１シールド板５３の上面の形状には特に制限はない。

以上の実施形態によれば、基板Ｗの外周縁部Ｗｅからその外方に間隔を存して第１シールド板５３の突条部５３ｃが存するため、この突条部５３ｃが、チャックプレート５２から外方にはみ出した基板Ｗの裏面部分まで回り込む虞のあるターゲット２からのスパッタ粒子を阻止する役割を果たすことで、当該裏面部分へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制することができる。しかも、基板Ｗの外周縁部Ｗｅに近い平坦部５３ｂを基板Ｗより下方に位置させたため、平坦部５３ｂから飛散したパーティクルの基板Ｗの上面Ｗｕへの付着を可及的に抑制することができる。この場合、突条部５３ｃにもスパッタ粒子が付着するが、突条部５３ｃを基板Ｗの上面Ｗｕとその裏面Ｗｄとの間の位置までの高さとすると共に、基板Ｗの外周縁部Ｗｅから間隔を置いたことで、突条部５３ｃから基板Ｗの上面Ｗｕへのパーティクルの付着も抑制される。その上、基板Ｗの上面に所定の薄膜を成膜したとき、基板Ｗの外周縁部側で成膜レートが局所的に低下するといった問題も生じず、膜厚分布の面内均一性が高く維持できる。

次に、本発明の効果を確認するため、基板Ｗを厚さが０．７ｍｍのシリコンウエハ、スパッタリング用ターゲット２をＧＳＴ（ゲルマニウム、アンチモン、テルルの混合物）とし、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて基板Ｗの上面ＷｕにＧＳＴ膜を成膜した。スパッタ条件として、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離を６０ｍｍ、高周波電源Ｅにより投入電力を２ｋＷ、スパッタ時間を１２０ｓｅｃに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を１Ｐａとした。そして、本実施形態では、第１シールド板５３の長さＬ１を３ｍｍとし、高さＨ１を０、０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍに夫々設定したものを用いた。また、評価項目を、１）ＧＳＴ膜の径方向の膜厚分布、２）基板Ｗの裏面へのスパッタ粒子の付着量、及び、３）成膜後の基板Ｗの成膜面での所定サイズのパーティクルの単位面積あたりのパーティクル数とし、公知の測定器具を用いて夫々測定した。そして、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた成膜工程を含む各種の工程を経て電子デバイス等の製品を作製するとき、上記スパッタリング装置ＳＭにより成膜された基板Ｗを次工程に送っても全く問題がないものを○、品質管理（製品歩留まり）上、製品として適用可能なものを△、次工程に送ることができないもの（製品として不可なもの）をＸとし、上記各評価項目を夫々評価した。

これによれば、上記従来例に相当する高さＨ１が０ｍｍの場合、チャックプレート５２から外方にはみ出す基板Ｗの裏面部分にも多量のスパッタ粒子が回り込んで付着し、次工程に送ることができないことが確認された。一方で、高さが０．１ｍｍの場合のように、突条部５３ｃを設けるだけで、スパッタ粒子の基板の裏面部分への付着を抑制できることが確認できた。他方で、基板Ｗの厚さと同等になる高さＨ１が０．７ｍｍの場合、スパッタ粒子の基板Ｗの裏面部分への付着を確実に抑制できるが、基板Ｗの外周縁部側に向かうに従い成膜レートが低下し、また、パーティクル数も次第に多くなることが確認された。なお、他の実験として、高さＨ１を０．５ｍｍに設定し、長さＬ１を１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍに夫々設定し、上記と同様に、上記各評価項目を夫々評価したところ、何ら問題がないことが確認できた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、基台５１とチャックプレート５２とでステージ５が構成されるものを例に説明したが、ステージ５の構成はこれに限定されるものではなく、例えばチャックプレートを省略することができる。この場合、上記実施形態では、ステージ５に基板Ｗを設置したとき、基板Ｗの外周縁部側の一部がはみ出すものを例に説明したが、ステージ５の上面が基板Ｗより大きい場合でも、本発明を適用すれば、被処理基板表面へのシールド板からのパーティクルの付着を抑制することにとっては有効となる。また、上記実施形態では、高周波電力を投入するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ターゲットに直流電力を投入しスパッタリングする場合、ターゲットの周囲には、通常、アノードとしての役割を持つアース接地のシールド板が設けられるが、このシールド板に本発明は適用すれば、被処理基板表面へのシールド板からのパーティクルの付着と基板の裏面へのスパッタ粒子の付着を可及的に抑制することができる。

ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…スパッタリング用ターゲット、５…ステージ、５３…第１シールド板（シールド板）、５３ａ…内縁部、５３ｂ…平坦部、５３ｃ…突条部、Ｗ…基板（被処理基板）、Ｗｕ…基板の上面、Ｗｄ…基板の裏面、Ｗｅ…基板の外周縁部。

Claims

スパッタリング用のターゲットを有する真空チャンバ内で被処理基板が設置されるステージと、隙間を存して被処理基板の周囲を囲うように設けられる環状のシールド板とを備えるスパッタリング装置において、
ステージに対して被処理基板を設置する方向を下方として、シールド板の内縁部が被処理基板の外寸と同等以下の内寸を有してこの内縁部が被処理基板の外周縁部より下方に隙間を存して位置するようにシールド板が設置され、このシールド板の上面が、その内縁部からステージの上面に平行に所定長さでのびる平坦部と、この平坦部から連続する、被処理基板の上面とその裏面との間の高さ位置まで隆起させた突条部とを有することを特徴とするスパッタリング装置。
前記平坦部の長さに対応させて前記突条部の高さが設定されることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。