JP2021077744A - 基板ステージ及び真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理基板をその一方の面を接触させない状態で確実に支持可能であると共に、所定の高さ位置まで持上げ可能とした構造を持つ基板ステージ及びこの基板ステージを備える真空処理装置を提供する。【解決手段】基板Ｓｗに対して所定の真空処理を実施する真空チャンバ１内に配置されてこの基板を支持する本発明の基板ステージＳｔは、基台３と、基板の外縁部が当接して基台上面から隙間ｄを存して基板を支持する環状壁４１とを備え、環状壁は、固定壁部４１ａとこの固定壁部に対して上下動自在な可動壁部４１ｂとで構成され、可動壁部の上下動に従って基台上面から近接離隔する方向に被処理基板を移動自在とした。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理基板に対して所定の真空処理を実施する真空チャンバ内に配置されてこの被処理基板を支持する基板ステージ及びこの基板ステージを備える真空処理装置に関する。

半導体デバイスの製造工程には、シリコンウエハなどの被処理基板に対して成膜処理、エッチング処理や加熱処理といった各種の真空処理を施す工程がある。例えば、真空雰囲気中で成膜処理を施すものとしてスパッタリング法によるものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。この方法を実施するためのスパッタリング装置は、真空チャンバを有し、真空チャンバ内には、互いに対向させて成膜材料としてのターゲットと被処理基板が設置される基板ステージとが設けられている。

ところで、近年では、上記用途の被処理基板としてのシリコンウエハを大径かつ薄肉のものにする傾向があり、このようなシリコンウエハには、通常、反りが生じている。そして、シリコンウエハの一方の面（即ち、デバイス構造を形成する面）に成膜処理により所定の薄膜を成膜すると、場合によっては、この成膜された薄膜の応力で反り量が大きくなる場合（複数の薄膜を積層すると、反り量が一層大きくなる場合）がある。このようにシリコンウエハに大きな反りが生じていると、その後に、他の成膜処理やエッチング処理といった真空処理を施す際に、シリコンウエハに対してその全面に亘って均一な真空処理を施すことができなくなる。このことから、シリコンウエハの他方の面に予め所定の薄膜（例えば窒化シリコン膜等の誘電体膜）を成膜し、シリコンウエハの反りを可及的に小さくすることが従来から知られている（例えば特許文献２参照）。

然しながら、上記スパッタリング装置を用いてシリコンウエハの他方の面に所定の薄膜を成膜する際に、シリコンウエハの一方の面を基板ステージ上に当接させたのでは、デバイス構造が形成される当該一方の面が傷つく場合がある。このような場合、シリコンウエハの一方の面に保護シートを貼付しておくことも考えられるが、これでは、製造工程が増えてコストアップを招来する。また、真空チャンバ内に設置された基板ステージに対して被処理基板を受け渡しする際、通常は、先端にロボットハンドを持つ真空搬送ロボットが利用され、これには、ロボットハンドが進退できる空間をつくるために、基板ステージに対してシリコンウエハを上下動する機構（例えば、リフトピン）が必要になるが、上記同様、シリコンウエハの一方の面に当接するような機構を採用できない。

特開２０１９−０１９３７６号公報 特開２００９−２９５８８９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板をその一方の面を接触させない状態で確実に支持可能であると共に、所定の高さ位置まで持上げ可能とした構造を持つ基板ステージ及びこの基板ステージを備える真空処理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、被処理基板に対して所定の真空処理を実施する真空チャンバ内に配置されてこの被処理基板を支持する本発明の基板ステージは、基台と、被処理基板の外縁部が当接して基台上面から隙間を存して被処理基板を支持する環状壁とを備え、環状壁は、固定壁部とこの固定壁部に対して上下動自在な可動壁部とで構成され、可動壁部の上下動に従って基台上面から近接離隔する方向に被処理基板を移動自在としたことを特徴とする。

本発明によれば、先端にロボットハンドを持つ真空搬送ロボットにより基板ステージに被処理基板を受け渡す場合、可動壁部を所定の高さ位置まで上動し、この状態でロボットハンドに保持された被処理基板を可動壁部に受け渡す。このとき、被処理基板と基板ステージ上面との間には所定の空間があるため、干渉することなくロボットハンドを退避させることができ、ロボットハンドが退避すると、被処理基板はその外縁部の一部が可動壁部に当接することで支持された状態となる。そして、可動壁部を所定高さ位置まで下動させると、外縁部の残り部分が固定壁部に当接することで、基台上面から隙間を存して被処理基板がその全周に亘って環状壁で支持される。このように被処理基板がその全周に亘って環状壁で支持される構成を採用すれば、真空チャンバ内で所定の真空処理を施すときに被処理基板が位置ずれを起こすといった不具合は生じない。

他方、処理済みの被処理基板を取り出す場合、可動壁部を所定の高さ位置まで更に上動すれば、ロボットハンドが進入できる空間が被処理基板と基板ステージの上面との間に形成され、上記と逆の手順で処理済みの被処理基板が取り出される。これにより、被処理基板をその一方の面を接触させない状態で確実に支持可能であると共に、被処理基板をその一方の面を接触させない状態で支持するものの一部を利用して被処理基板を所定の高さ位置まで持ち上げることが可能となる。なお、可動壁部を上動または下動するとき、可動壁部から被処理基板が脱離したり、位置ずれを起こしたりしないように、可動壁部は、所定の円弧長さを持つ少なくとも２個の部分を周方向に所定間隔（例えば、１８０度）で配置して構成することが望ましい。

ところで、上記基板ステージを真空処理装置に適用し、基板ステージで支持された被処理基板上面に対し、真空雰囲気下で所定処理を施すと、以下のことが判明した。即ち、被処理基板として、その下面に薄膜が成膜されて反りが大きくなったものを用い、基板ステージで支持された被処理基板の上面に窒化シリコン膜等の誘電体膜をスパッタリングにより成膜しても、被処理基板の反りを効果的に小さくできない（つまり、誘電体膜の膜厚を薄くすることができない）。そこで、本発明者は鋭意研究を重ね、これは、成膜中にスパッタ粒子や反応生成物の衝突により入熱を受けた被処理基板が効率良く冷却されないことに起因するとの知見を得た。

上記知見に基づき、上記基板ステージを備える真空チャンバと、この基板ステージで支持された被処理基板上面に対し、真空チャンバ内の真空雰囲気下で所定処理を施す処理手段とを備える本発明の真空処理装置は、所定処理に伴って被処理基板が入熱を受け、前記基台は、少なくともその上面を冷却する冷却手段を有し、被処理基板の外縁部が環状壁にその全周に亘って当接した状態で、最下方に位置する被処理基板の部分と基台の上面と被処理基板との間の隙間が０．５ｍｍ以下になるように環状壁が構成されることを特徴とする。

本発明によれば、所定処理中、被処理基板から環状壁への伝熱に加えて、被処理基板から基台上面への熱輻射によって被処理基板の冷却が促進される。このため、上述の如く例えば被処理基板の上面に窒化シリコン膜等の誘電体膜をスパッタリングにより成膜すると、被処理基板の反りを効果的に小さくできることが確認された。なお、後述の実験により、基台上面と被処理基板との間の隙間が０．５ｍｍよりも大きく設定されると、被処理基板の反りを効果的に小さくできないことが確認された。

本発明の実施形態の基板ステージを備えるスパッタリング装置を模式的に説明する図。 基板ステージの環状部材の平面図。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。 環状壁の可動壁部を上動させた状態を示す断面図。

以下、図面を参照して、被処理基板をシリコンウエハ（以下「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの上面に窒化シリコン膜をスパッタリングにより成膜する真空処理装置としてのスパッタリング装置に適用するものを例に、本発明の基板ステージの実施形態について説明する。

図１を参照して、ＳＭは、スパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気を形成可能な真空チャンバ１を備える。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの設置姿勢を基準として説明する。

真空チャンバ１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプユニットＰｕに通じる排気管１１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空排気できるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１２が介設されたガス管１３が接続され、真空チャンバ１内にスパッタガスを所定流量で導入できるようになっている。スパッタガスには、放電用の希ガスとしてのアルゴンガスと、反応ガスとしての窒素ガスが含まれる。

真空チャンバ１の上部には、処理手段としてのシリコン製のターゲット２が設けられている。ターゲット２は、スパッタ面２ａを下方にした姿勢で上面に図示省略のボンディング材を介してバッキングプレート２１が接合された状態で、絶縁体Ｉｏ１を介して真空チャンバ１側壁上部に配置されている。ターゲット２には、スパッタ電源Ｐｓからの出力が接続されている。スパッタ電源Ｐｓとしては公知の高周波電源を用いることができ、スパッタリング時、所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力をターゲット２に投入できるようになっている。真空チャンバ１の下部には、ターゲット２に対向させて基板ステージＳｔが配置されている。

基板ステージＳｔは、絶縁体Ｉｏ２を介して真空チャンバ１下壁に設けられる、基板Ｓｗよりも一回り大きい輪郭を有する基台３と、基台３上面に配置されて基板Ｓｗを支持する環状部材４とを備える。基台３には、冷却手段としての冷媒通路３ａが穿設され、冷媒通路３ａに図示省略するチラーから供給される冷媒を循環させることで少なくとも基台３上面を所定温度（例えば−２０〜３０℃）に冷却できるようになっている。また、冷媒通路３ａの代わりに、基台３の下面に配管を付設し、この配管に冷媒を循環させてもよい。冷媒としては、冷却水やエチレングリコールなどの公知のものを使用することができる。基台３は、例えばアルミニウムなどの金属や石英といった高い熱電導性を有する材料で作製され、その電位は接地電位とフローティング電位のいずれであってもよい。

図２及び図３も参照して、基台３の上面中央には上方に突出する突出部３１が形成されている。この突出部３１の外周面に環状部材４の内周面下部が当接するように環状部材４を基台３の上方からセットすることで、基台３上で環状部材４が径方向で位置決めされる。尚、突出部３１は基台３と別体に形成されていてもよく、基台３が例えば金属製であるような場合には、突出部３１を石英製とすることができる。これにより、基台３と被処理基板Ｓｗとが電気的に絶縁されて、異常放電の発生を抑制することができる。

環状部材４は、所定の高さを有する環状壁４１と、環状壁４１の外周面下部から外方に延出するフランジ部４２とを備える。環状壁４１は、固定壁部４１ａと、所定の円弧長さを有する２個の可動壁部４１ｂとで構成されている。これら固定壁部４１ａ及び可動壁部４１ｂの内周面上部は、下方に向かうのに従い内側に傾斜する傾斜面４１ｃで構成されており、この傾斜面４１ｃに基板Ｓｗの外縁部が当接することで基板Ｓｗを支持できるようになっている。このように基板Ｓｗを支持した状態で、基板Ｓｗと基台３（突出部３１）上面との間に所定の隙間ｄが存するように、環状壁４１の高さや傾斜面４１ｃの傾斜角が設定されている。詳細は後述するが、基板Ｓｗの反りを効率良く小さくするために、隙間ｄは０．５ｍｍ以下の範囲内で可及的小さく設定することが好ましい。尚、環状壁４１の水平な上面に基板Ｓｗの外縁部を当接させることで基板Ｓｗを支持するように構成してもよい。基板Ｓｗの外縁部とは、デバイス構造が形成されていない領域であり、例えば基板Ｓｗの外縁から２ｍｍ以内の領域をいう。

また、２個の可動壁部４１ｂは、板状の連結部材４３により連結され、連結部材４３の下面中央には、基台３の中央部を上下方向に貫通して設けられるアクチュエータ４４の駆動軸４４ａが接続されている。この駆動軸４４ａをアクチュエータ４４により上下動することで、可動壁部４１ｂが固定壁部４１ａに対して上下動自在となっている。図３に示すように、可動壁部４１ｂの下動位置にて、基台３上面に設けた凹部３１ａに連結部材４３が格納されることで、基台３上面と連結部材４３上面とが面一になるようにしている。また、図４も参照して、可動壁部４１ｂの上下動に従って、基台３（突出部３１）上面から近接離隔する方向に基板Ｓｗを移動自在となっている。可動壁部４１ｂを所定の高さ位置まで上動させて基板Ｓｗを持ち上げると、基板Ｓｗと基板ステージＳｔの上面との間に所定の空間が存するため、図示省略する基板搬送ロボット先端に設けられたロボットハンドを進退させることができ、これにより、可動壁部４１ｂと基板搬送ロボットとの間で基板Ｓｗの受け渡しが可能となっている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１２の稼働、真空ポンプユニットＰｕの稼働、スパッタ電源Ｐｓの稼働や基板搬送ロボットの稼働等を統括制御するほか、アクチュエータ４４の駆動を制御するようにしている。以下、上記基板ステージＳｔを含めたスパッタリング装置ＳＭの動作について、基板Ｓｗの上面に窒化シリコン膜を成膜する場合を例に説明する。

真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空排気すると、アクチュエータ４４により可動壁部４１ｂを所定の高さ位置まで上動させ、この状態で基板搬送ロボットのロボットハンドに保持された基板Ｓｗを可動壁部４１ｂに受け渡す。このとき、基板Ｓｗと基板ステージＳｔ上面との間には所定の空間があるため、干渉することなくロボットハンドを退避させることができる。ロボットハンドが退避すると、基板Ｓｗはその外縁部の一部が可動壁部４１ｂの傾斜面４１ｃに当接することで支持された状態となる。そして、アクチュエータ４４により可動壁部４１ｂを固定壁部４１ａと同等の高さ位置まで下動させると、基板Ｓｗの外縁部の残り部分が固定壁部４１ａの傾斜面４１ｃに当接することで、基台３上面から隙間ｄを存して基板Ｓｗがその全周に亘って環状壁４１で支持される。

このように基板Ｓｗを支持した後、アルゴンガスと窒素ガスを１０〜２０ｓｃｃｍ、２０〜４０ｓｃｃｍの流量で夫々導入し（このとき、処理室１０の圧力は０．１〜０．4Ｐａとなる）、これと併せて、高周波電源Ｐｓからターゲット２に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を４ｋＷ〜６ｋＷ投入する。これにより、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気が形成され、ターゲット２がスパッタリングされる。このようなスパッタリング中、基台３の冷媒通路３ａに冷媒を循環させることで、基台３上面が所定温度（２２℃）に冷却される。スパッタリングによりターゲット２から飛散したスパッタ粒子と窒素ガスとの反応生成物を基板Ｓｗの表面に付着、堆積させることで、基板Ｓｗ表面にシリコン窒化膜が成膜される。成膜中、基板Ｓｗがその全周に亘って環状壁４１で支持されるため、基板Ｓｗの位置ずれを防止できると共に、基板Ｓｗ下面と基台３上面との間の空間へのスパッタ粒子や反応生成物の回り込みを防止できる。

成膜処理が終了すると、アクチュエータ４４により可動壁部４１ｂを所定の高さ位置まで再び上動させると、ロボットハンドが進入できる空間が基板Ｓｗと基板ステージＳｔの上面との間に形成される（図４参照）。そして、上記と逆の手順で処理済みの基板Ｓｗがロボットハンドに受け渡され、真空チャンバ１から基板Ｓｗが取り出される。

以上説明した本実施形態によれば、環状壁４１で基板Ｓｗをその下面を接触させない状態で確実に支持可能であると共に、基板Ｓｗをその下面を接触させない状態で支持する環状壁４１の一部である可動壁部４１ｂを利用して基板Ｓｗを所定高さ位置まで持ち上げることが可能となる。また、所定の円弧長さを持つ少なくとも２個の可動壁部４１ｂを周方向に所定間隔（例えば１８０度）で配置することで、可動壁部４１ｂの上下動時に、可動壁部４１ｂから基板Ｓｗが脱落したり、位置ずれを起こすことを防止できる。更に、環状壁４１の基板Ｓｗ外縁部との当接面を傾斜面４１ｃで形成することで、基板Ｓｗの脱落や位置ずれをより確実に防止できる。

また、スパッタリングによる成膜中、冷媒通路３ａに冷媒を循環させて基台３の少なくとも上面を冷却すると共に、基板Ｓｗと基台３上面との間の隙間ｄを０．５ｍｍ以下に設定することで、基板Ｓｗから環状壁４１への伝熱だけでなく、基板Ｓｗから基台３への熱輻射によって基板Ｓｗの冷却が促進され、その結果として、基板Ｓｗの反りを効果的に小さくすることができる。このため、基板Ｓｗの上面に成膜するシリコン窒化膜の膜厚を薄くすることができ、有利である。

次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、以下の実験を行った。発明実験１では、基板Ｓｗとしてφ３００ｍｍのシリコンウエハを用い、この基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ１を測定したところ、２７４μｍであった。基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ１は、公知の測定方法であるＢＯＷにより測定される、基板Ｓｗを吸着しない状態での基準平面からの基板Ｓｗ中心の高さである。発明実験１では、基板Ｓｗを基板ステージＳｔの環状壁４１で支持し、このときの基台３上面と基板Ｓｗとの間の隙間ｄを０．５ｍｍに設定した。そして、アルゴンガスを流量１０ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量３０ｓｃｃｍで真空チャンバ１内に夫々導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力は約０．４Ｐａ）、これと併せて高周波電源Ｐｓからシリコン製のターゲット２に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を４ｋＷ投入することにより、ターゲット２をスパッタリングして基板Ｓｗ上面にシリコン窒化膜を４３９１Åの膜厚で成膜した。成膜中、基台３上面を２２℃に冷却した。成膜後の基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ２を上記測定方法（ＢＯＷ）で測定し、反り量の変化量△ＢＯＷ（＝ＢＯＷ１−ＢＯＷ２）を求めたところ３７９．０μｍであった。また、シリコン窒化膜の単位膜厚（１Å）当たりの反り量の変化量△ＢＯＷは０．０８６３μｍ／Åであり、後述の比較実験３の値よりは低いものの、基板Ｓｗの反りを効果的に小さくできることが判った。これは、基板Ｓｗから基台３への熱輻射によって基板Ｓｗの冷却が促進されることによるものと考えられる（後述の発明実験２も同様）。

次に、発明実験２として、基台３上面と基板Ｓｗとの間の隙間ｄを０．１５ｍｍに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の条件でシリコン窒化膜を４５００Åの膜厚で成膜した。成膜後の基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ２を測定し、反り量の変化量△ＢＯＷを求めたところ、３５３μｍであった。シリコン窒化膜の単位膜厚当たりの反り量の変化量△ＢＯＷは０．０７８μｍ／Åであり、基板Ｓｗの反りを効果的に小さくできることが判った。

次に、上記発明実験１に対する比較のため比較実験１として、基台３上面と基板Ｓｗとの間の隙間ｄを１．０ｍｍに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の条件でシリコン窒化膜を４３３３Åの膜厚で成膜した。成膜後の基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ２を測定し、反り量の変化量△ＢＯＷを求めたところ３１５．８μｍであった。シリコン窒化膜の単位膜厚当たりの反り量の変化量△ＢＯＷは０．０７２９μｍ／Åであり、基板Ｓｗの反りを効果的に小さくできないことが判った。これは、基板Ｓｗから基台３への熱輻射の効果が殆ど得られず、基板Ｓｗの冷却が促進されないためであると考えられる（後述の比較実験２も同様）。

次に、比較実験２として、基台３上面と基板Ｓｗとの間の隙間ｄを１．８ｍｍに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の条件でシリコン窒化膜を４３２２Åの膜厚で成膜した。成膜後の基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ２を測定し、反り量の変化量△ＢＯＷを求めたところ２９０．０μｍであった。シリコン窒化膜の単位膜厚当たりの反り量の変化量△ＢＯＷは０．０６７１μｍ／Åであり、基板Ｓｗの反りを効果的に小さくできないことが判った。

次に、比較実験３として、基台３上面と基板Ｓｗとの間の隙間ｄを０．０ｍｍに変更した点を除き、上記発明実験１と同様の条件でシリコン窒化膜を４３２２Åの膜厚で成膜した。成膜後の基板Ｓｗの反り量ＢＯＷ２を測定し、反り量の変化量△ＢＯＷを求めたところ４７４．１μｍであった。シリコン窒化膜の単位膜厚当たりの反り量の変化量△ＢＯＷは０．１０７μｍ／Åと高く、これは、基板Ｓｗが基台３上面と接触することで、基板Ｓｗが効率良く冷却されることによるものと考えられる。尚、本比較実験３は、上記従来例に対応する。

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、スパッタリング装置ＳＭを例に真空処理装置を説明したが、ドライエッチング装置や熱処理装置のような他の真空処理装置に対しても本発明を適用することができる。例えばドライエッチング装置の場合、基板Ｓｗをその表面を下にして環状壁４１で保持することで、基板Ｓｗの裏面にドライエッチング処理を施す際に、基板Ｓｗ表面が基台３上面と接触して傷付くことを防止することができる。

上記実施形態では、一対の（２個の）可動壁部４１ｂを上下動させる場合を例に説明したが、基板Ｓｗを持ち上げることができれば、可動壁部４１ｂの数は１個でもよいし３個以上でもよい。また、上記実施形態では、連結部材４３にアクチュエータ４４の駆動軸４４ａを接続する場合を例に説明したが、可動壁部４１ｂに駆動軸４４ａを接続してもよい。

また、上記実施形態では、ターゲット２としてシリコン製のものを用い、反応性スパッタリングによりシリコン窒化膜を成膜する場合を例に説明しているが、窒化シリコン製のターゲット２をスパッタリングしてシリコン窒化膜を成膜したり、金属製のターゲット２をスパッタリングして金属膜を成膜する場合にも適用することができる。

ＳＭ…スパッタリング装置（真空処理装置）、Ｓｔ…基板ステージ、Ｓｗ…基板（被処理基板）、２…ターゲット（処理手段）、３…基台、ｄ…基台３の上面と基板Ｓｗとの間の隙間、３ａ…冷媒通路（冷却手段）、４１…環状壁、４１ａ…固定壁部、４１ｂ…可動壁部。

Claims (2)

1. 被処理基板に対して所定の真空処理を実施する真空チャンバ内に配置されてこの被処理基板を支持する基板ステージにおいて、
   基台と、被処理基板の外縁部が当接して基台上面から隙間を存して被処理基板を支持する環状壁とを備え、環状壁は、固定壁部とこの固定壁部に対して上下動自在な可動壁部とで構成され、可動壁部の上下動に従って基台上面から近接離隔する方向に被処理基板を移動自在としたことを特徴とする基板ステージ。
2. 請求項１記載の基板ステージを備える真空チャンバと、この基板ステージで支持された被処理基板上面に対し、真空チャンバ内の真空雰囲気下で所定処理を施す処理手段とを備える真空処理装置であって、所定処理に伴って被処理基板が入熱を受けるものにおいて、
   前記基台は、少なくともその上面を冷却する冷却手段を有し、
   被処理基板の外縁部が環状壁にその全周に亘って当接した状態で、最下方に位置する被処理基板の部分と基台の上面と被処理基板との間の隙間が０．５ｍｍ以下になるように環状壁が構成されることを特徴とする真空処理装置。

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