JP2023088160A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低融点材料をターゲットとして用いることができる基板処理装置及び基板処理方法を提供する。【解決手段】真空処理容器内に設けられ、低融点材料のターゲットを収容する凹部を有するトレイと、前記トレイを冷却する冷凍機と、基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部の上下を反転させる反転駆動部と、前記基板の周方向に前記基板保持部を回転させる回転駆動部と、を備える、基板処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置及び基板処理方法に関する。
特許文献１には、バッキングプレートにＧａもしくはＧａ合金を液体状態にして流し込み液体Ｇａ保持バッキングプレートとした後、液体Ｇａ保持バッキングプレートを減圧状態または水素ガス雰囲気中で熱処理してから、ＧａもしくはＧａ合金を固体状態となるまで冷却させてＧａスパッタターゲットを製造する製造方法が開示されている。
特許第４９７９４４２号公報
ところで、低融点材料のターゲットにＡｒイオンが衝突することにより、ターゲットの温度が上昇して液状化し、固体状態を維持できないおそれがある。
一の側面では、本開示は、低融点材料をターゲットとして用いることができる基板処理装置及び基板処理方法を提供する。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、真空処理容器内に設けられ、低融点材料のターゲットを収容する凹部を有するトレイと、前記トレイを冷却する冷凍機と、基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部の上下を反転させる反転駆動部と、前記基板の周方向に前記基板保持部を回転させる回転駆動部と、を備える、基板処理装置が提供される。
一の側面によれば、低融点材料をターゲットとして用いることができる基板処理装置及び基板処理方法を提供することができる。
基板処理装置の構成を説明する断面図の一例である。 トレイを上方から見た図の一例である。 基板処理装置を用いた成膜処理の一例を示す図である。 基板処理装置におけるターゲットの導入処理の一例を示すフローチャートである。 基板処理装置におけるターゲットのエロージョン回復処理の一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜基板処理装置１＞
基板処理装置１について、図１を用いて説明する。図１は、基板処理装置１の構成を説明する断面図の一例である。
基板処理装置１は、処理チャンバ１０と、基板保持部２０と、スパッタ粒子放出部３０と、スパッタ粒子放出部４０と、遮蔽板５０と、制御部６０と、を備える。基板処理装置１は、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置であって、処理チャンバ１０内で、スパッタ粒子放出部３０，４０から放出されたスパッタ粒子（成膜原子）を基板保持部２０に保持された半導体ウエハ等の基板Ｗの表面に付着させ、成膜するスパッタ装置である。
処理チャンバ１０は、上部が開口されたチャンバ本体１０ａと、チャンバ本体１０ａの上部開口を塞ぐように設けられた蓋体１０ｂと、を有する。処理チャンバ１０の内部は、成膜処理が行われる処理空間Ｓとなる。また、蓋体１０ｂは、取り外し可能に設けられている。
処理チャンバ１０の側壁には、基板Ｗを搬入出するための搬入出口が形成されている。搬入出口は、ゲートバルブ１１により開閉される。
処理チャンバ１０の側壁には、処理空間Ｓ内にガスを導入するためのガス導入ポート１２が設けられている。ガス導入ポート１２には、ガス供給部（図示せず）が接続されている。ガス供給部からガス導入ポート１２に、ターゲット１００をスパッタするスパッタガス（例えば、不活性ガス、Ａｒガス）が導入される。また、ガス供給部からガス導入ポート１２に、基板Ｗの表面に付着したスパッタ粒子と反応する反応ガス（例えば、Ｎ２ガス）が導入される。
処理チャンバ１０の底部には、排気口１３が形成されている。排気口１３には、排気装置１４が接続されている。排気装置１４は、圧力制御弁、および真空ポンプを含む。処理空間Ｓは、排気装置１４により、所定の真空度まで真空排気される。
処理チャンバ１０の側壁には、処理チャンバ１０を冷却する冷却機構１５を有する。冷却機構１５は、処理チャンバ１０の側壁に設けられた冷媒流路１５ａと、冷媒流路１５ａに冷媒を循環させる循環装置１５ｂと、を有する。
基板保持部２０は、静電チャック２１と、ヒータ２２と、を有する。
静電チャック２１は、基板Ｗを静電吸着することにより、基板Ｗを保持する。
ヒータ２２は、基板保持部２０に保持された基板Ｗを加熱する。例えば、ヒータ２２は、基板Ｗを５００℃～６００℃に加熱可能に設けられている。
また、基板処理装置１は、水平方向を回転軸として基板保持部２０を回転方向２３で回転させることにより、基板保持部２０の上下を反転させる反転駆動部（図示せず）を有している。
また、基板処理装置１は、垂直方向を回転軸として基板保持部２０を回転方向２４で回転させることにより、基板保持部２０に保持された基板Ｗの周方向に基板保持部２０を回転させる回転駆動部（図示せず）を有している。
スパッタ粒子放出部３０は、ターゲット１００を保持するトレイ３１と、トレイ支持部３２と、絶縁体３３と、伝熱部３４と、締結ボルト３５と、シャフト３６と、冷凍機３７と、マグネット３９と、電源３８と、を有する。
ターゲット１００は、成膜しようとする膜の構成元素を含む材料からなり、導電性材料であっても誘電体材料であってもよい。ここで、スパッタ粒子放出部３０のターゲット１００は、常温のターゲット１００にＡｒイオンを衝突させてスパッタする際、Ａｒイオンの衝突による温度上昇で固体から液化する低融点材料である。
以下の説明において、ターゲット１００は、Ｇａ（融点：２９．７６℃）であるものとして説明する。なお、低融点材料は、これに限られるものではなく、融点が－５０℃以上の２００℃以下の材料を用いることができる。例えば、低融点材料は、Ｒｂ、Ｉｎ、Ｌｉ等であってもよい。
トレイ３１は、凹部３１ａを有し、凹部３１ａ内に液体または固体のターゲット１００を保持することができるように構成されている。トレイ３１は、非磁性体であって、導電性を有し、熱伝導性が高い材料（例えば、Ｃｕ）で形成される。
ここで、トレイ３１について、図２を用いて更に説明する。図２は、トレイ３１を上方から見た図の一例である。
ここで、ターゲット１００が液体から固体となる際の体積変化により、ターゲット１００の表面にひび割れが発生するおそれがある。ターゲット１００の表面にひび割れが発生すると、電界集中が生じ、異常放電が発生するおそれがある。
これに対し、図２に示すように、凹部３１ａには仕切り３１ｂが設けられており、凹部３１ａは複数の区画３０１～３０４に区画されている。これにより、各区画３０１～３０４内のターゲット１００の体積を小さくすることができる。よって、ターゲット１００が液体から固体となる際の体積変化量を低減し、ターゲット１００の表面にひび割れが発生することを抑制することができ、電界集中による異常放電の発生を抑制することができる。
また、基板Ｗに成膜する膜に添加物を導入する場合、区画３０１～３０４のうちの一部または全部の区画において、ターゲット１００の材料に添加物を導入してもよい。
トレイ支持部３２は、トレイ３１の裏面側に固定され、トレイ３１を支持する。トレイ支持部３２は、非磁性体であって、導電性を有し、熱伝導性が高い材料（例えば、Ｃｕ）で形成される。
絶縁体３３は、トレイ支持部３２と伝熱部３４との間に配置され、トレイ支持部３２と伝熱部３４との間を絶縁する。絶縁体３３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の熱伝導性がよい絶縁体で形成される。これにより、トレイ３１及びトレイ支持部３２は、処理チャンバ１０から絶縁されている。
伝熱部３４は、シャフト３６を介して冷凍機３７と熱的に接続される。伝熱部３４は、熱伝導性が高い材料（例えば、Ｃｕ）で形成される。
締結ボルト３５は、トレイ支持部３２、絶縁体３３、伝熱部３４を固定する。また、締結ボルト３５と伝熱部３４との間には、絶縁部材３５ａが設けられている。これにより、トレイ支持部３２と伝熱部３４との間は、絶縁される。
シャフト３６は、処理チャンバ１０の底壁を貫通し、処理チャンバ１０の中に設けられた伝熱部３４と処理チャンバ１０の外に設けられた冷凍機３７とを熱的に接続する。シャフト３６は、熱伝導性が高い材料（例えば、Ｃｕ）で形成される。
冷凍機３７は、シャフト３６、伝熱部３４、絶縁体３３、トレイ支持部３２及びトレイ３１を介して、トレイ３１に保持された液体または固体のターゲット１００を冷却する。例えば、冷凍機３７は、ターゲット１００を低融点材料の融点よりも十分に低い温度（例えば、－１０℃）に冷却可能に設けられている。
電源３８は、トレイ支持部３２を介してトレイ３１と電気的に接続されている。電源３８は、ターゲット１００が導電性材料である場合には、直流電源であってよく、ターゲット１００が誘電性材料である場合には、高周波電源であってよい。電源３８が高周波電源である場合には、整合器を介してトレイ支持部３２に接続される。トレイ３１に電圧が印加されることにより、ターゲット１００の周囲でスパッタガス（例えば、Ａｒガス）が解離する。そして、解離したスパッタガス中のイオンがターゲット１００に衝突し、ターゲット１００からその構成材料の粒子であるスパッタ粒子が放出される。
マグネット３９は、トレイ３１の裏面側に配置されている。解離したスパッタガス中のイオンは、マグネット３９の磁界３８ａによって引き込まれ、ターゲット１００に衝突する。
スパッタ粒子放出部４０は、ターゲット２００を保持するターゲットホルダ４１と、電源４２と、を有する。
ターゲット２００は、成膜しようとする膜の構成元素を含む材料からなり、導電性材料であっても誘電体材料であってもよい。以下の説明において、ターゲット２００は、Ａｌであるものとして説明する。
ターゲットホルダ４１は、導電性を有する材料からなり、絶縁部材（図示せず）を介して、処理チャンバ１０のチャンバ本体１０ａに取り付けられている。図１に示す例において、ターゲットホルダ４１は、基板Ｗの回転方向２４の回転軸に対して斜めに設けられている。
電源４２は、ターゲットホルダ４１に電気的に接続されている。電源４２は、ターゲット２００が導電性材料である場合には、直流電源であってよく、ターゲット２００が誘電性材料である場合には、高周波電源であってよい。電源４２が高周波電源である場合には、整合器を介してターゲットホルダ４１に接続される。ターゲットホルダ４１に電圧が印加されることにより、ターゲット２００の周囲でスパッタガスが解離する。そして、解離したスパッタガス中のイオンがターゲット２００に衝突し、ターゲット２００からその構成材料の粒子であるスパッタ粒子が放出される。
また、スパッタ粒子放出部４０は、ターゲットホルダ４１の裏面側に配置されるマグネット（図示せず）及びマグネットを往復運動させるマグネット走査機構（図示せず）を有していてもよい。マグネットを往復運動させることにより、イオンがターゲット２００に衝突する位置、換言すれば、スパッタ粒子が放出される位置を変化させることができる。これにより、ターゲットのエロージョンの偏りを抑制することができる。
遮蔽板５０は、開口部５１を有し、遮蔽板回転機構（図示せず）によって回転方向５２に回転自在に取り付けられている。これにより、一方のターゲット１００（または２００）に臨む領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させた際、他方のターゲット２００（または１００）は遮蔽板５０により覆われる。これにより、一方のターゲット１００（または２００）にてスパッタリングを実行しているときに、スパッタリングによって発した粒子が他方のターゲット２００（または１００）に付着することを防止できる。また、ターゲット１００及び２００から外れた領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させることにより、ターゲット１００及び２００は遮蔽板５０により覆われる。
制御部６０は、コンピュータからなり、基板処理装置１の各構成部を制御する。制御部６０は、実際にこれらの制御を行うＣＰＵからなる主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、記憶装置とを有している。記憶装置には、基板処理装置１で実行される各種処理のパラメータが記憶されており、また、基板処理装置１で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされるようになっている。制御部６０の主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて基板処理装置１に所定の処理を実行させる。
＜成膜処理＞
次に、基板処理装置１を用いた成膜処理の一例について、図３を用いて説明する。図３は、基板処理装置１を用いた成膜処理の一例を示す図である。ここでは、基板Ｗに下地膜としてのＡｌＮ膜を成膜した後、ＧａＮ膜を成膜する場合を例に説明する。
まず、基板保持部２０に基板Ｗを保持させる。図３（ａ）は、基板保持部２０に基板Ｗが保持された状態を示す図の一例である。具体的には、制御部６０は、ゲートバルブ１１を開き、基板搬送装置（図示せず）を制御して処理チャンバ１０の側壁に設けられた搬入出口から基板Ｗを処理チャンバ１０内に搬送する。制御部６０は、基板保持部２０からリフタピン（図示せず）を上昇させ、基板搬送装置に保持された基板Ｗを受け取る。リフタピンに基板Ｗが受け渡されると、制御部６０は、基板搬送装置を搬入出口から退避させ、ゲートバルブ１１を閉じる。制御部６０は、リフタピンを下降させ、基板保持部２０に基板Ｗを載置する。そして、制御部６０は、静電チャック２１を制御して、基板Ｗを基板保持部２０に吸着させる。これにより、図３（ａ）に示すように、基板保持部２０に基板Ｗが保持（吸着）される。
なお、排気装置１４によって、処理チャンバ１０内は、所定の真空雰囲気に減圧されている。また、冷却機構１５によって、処理チャンバ１０の側壁は冷却されている。また、冷凍機３７によって、ターゲット１００は、冷却されている。また、遮蔽板５０の開口部５１は、ターゲット１００，２００から外れた領域に位置されている。
次に、基板保持部２０を回転方向２３で１８０°回転させ、基板Ｗをターゲット１００，２００に対向させる。図３（ｂ）は、基板Ｗをターゲット１００，２００に対向させた状態を示す図の一例である。具体的には、制御部６０は、反転駆動部（図示せず）を制御して、基板保持部２０を回転方向２３で回転させることにより、基板保持部２０の上下を反転する。
次に、基板ＷにＡｌＮ膜を成膜する。図３（ｃ）は、ＡｌＮ膜成膜時の基板処理装置１の一例である。具体的には、制御部６０は、遮蔽板回転機構（図示せず）を制御して、遮蔽板５０を回転させ、ターゲット２００に臨む領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させる。また、制御部６０は、基板保持部２０の回転駆動部（図示せず）を制御して、回転方向２４に基板Ｗを回転させる。制御部６０は、ヒータ２２を制御して、基板Ｗを５００℃～６００℃に加熱する。制御部６０は、ガス供給部（図示せず）を制御して、ガス導入ポート１２からＡｒガス及びＮ２ガスを処理空間Ｓ内に導入させる。また、制御部６０は、スパッタ粒子放出部４０の電源４２を制御してターゲットホルダ４１に電圧を印加する。また、制御部６０は、マグネット走査機構を制御して、ターゲットホルダ４１の裏面側に設けられたマグネットを往復運動させてもよい。
これにより、ターゲット２００の周囲でＡｒガスが解離し、解離したＡｒガスがターゲット２００に衝突することでＡｌのスパッタ粒子が放出される。これにより、基板Ｗの表面に付着したＡｌのスパッタ粒子とガス導入ポート１２から導入されたＮ２ガスとが反応することにより、ＡｌＮ膜が成膜される。
また、ターゲット１００は、遮蔽板５０によって覆われている。これにより、基板Ｗからターゲット１００への熱放射による伝熱を防止することができる。
次に、基板ＷにＧａＮ膜を成膜する。図３（ｄ）は、ＧａＮ膜成膜時の基板処理装置１の一例である。具体的には、制御部６０は、遮蔽板回転機構（図示せず）を制御して、遮蔽板５０を回転させ、ターゲット１００に臨む領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させる。また、制御部６０は、基板保持部２０の回転駆動部（図示せず）を制御して、回転方向２４に基板Ｗを回転させる。制御部６０は、ヒータ２２を制御して、基板Ｗを５００℃～６００℃に加熱する。制御部６０は、ガス供給部（図示せず）を制御して、ガス導入ポート１２からＡｒガス及びＮ２ガスを処理空間Ｓ内に導入させる。また、制御部６０は、スパッタ粒子放出部３０の電源３８を制御してトレイ３１及びトレイ支持部３２に電圧を印加する。
これにより、ターゲット１００の周囲でＡｒガスが解離し、解離したＡｒガスがターゲット１００に衝突することでＡｌのスパッタ粒子が放出される。これにより、基板Ｗの表面に付着したＧａのスパッタ粒子とガス導入ポート１２から導入されたＮ２ガスとが反応することにより、ＧａＮ膜が成膜される。
ここで、ターゲット１００は、Ｇａの融点（２９．６℃）よりも十分に低い温度（例えば、－１０℃）に冷却されている。これにより、スパッタ中のＡｒイオンの衝突による温度上昇でターゲット１００が液化することを防止することができる。換言すれば、ターゲット１００が液化することで、スパッタ粒子の放出量が減少し、基板Ｗの成膜レートが減少する。これに対し、基板処理装置１は、ターゲット１００が液化することを防止し、基板Ｗの成膜レートが減少することを防止することができる。
＜ターゲット導入処理＞
次に、ターゲット１００の導入処理の一例について、図４を用いて説明する。図４は、基板処理装置１におけるターゲット１００の導入処理の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において、トレイ３１に液体Ｇａを導入する。まず、制御部６０は、冷凍機３７を停止させ、トレイ３１の温度を常温とする。また、制御部６０は、トレイ３１を加熱するヒータ（図示せず）を制御して、トレイ３１の温度をＧａが液体状態になる温度（例えば３０℃以上）で保持する。また、制御部６０は、遮蔽板５０を回転させ、トレイ３１の凹部３１ａに臨む領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させる。また、制御部６０は、遮蔽板回転機構を制御して遮蔽板５０を回転させ、トレイ３１の凹部３１ａに臨む領域に遮蔽板５０の開口部５１を位置させる。また、制御部６０は、反転駆動部を制御して基板保持部２０を９０°回転させることにより、作業空間を形成する。
次に、作業者は、蓋体１０ｂを開け、３０℃以上に加熱された液体状態のＧａをトレイ３１の凹部３１ａに導入する。そして、作業者は、蓋体１０ｂを閉じる。
ステップＳ１０２において、液体Ｇａ中の溶存ガス（溶存酸素、溶存窒素等）の脱気を行う。ここでは、制御部６０は、排気装置１４を制御して、処理チャンバ１０内を真空排気する。これにより、液体状態のＧａ中の溶存ガス（溶存酸素、溶存窒素等）を脱気する。
ステップＳ１０３において、ターゲット１００の固体化処理を行う。ここでは、制御部６０は、冷凍機３７を制御して、ターゲット１００を冷却する。
これにより、トレイ３１に形成された固体のターゲット１００中に、気泡が発生することを防止することができる。これにより、気泡がターゲット１００の表面に露出した際に、電界集中が生じ、異常放電が発生することを防止することができる。
＜エロージョン回復処理＞
ここで、ターゲット１００をスパッタすることにより、ターゲット１００の表面にエロージョンが発生して、ターゲット１００の表面が不均一になる。ターゲット１００の表面が不均一となると、基板Ｗに向かうスパッタ粒子が減少し、成膜速度が低下する。また、電界集中が発生し異常放電が発生するおそれがある。
図５は、基板処理装置１におけるターゲット１００のエロージョン回復処理の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ２０１において、ターゲット１００の液化処理を行う。ここでは、制御部６０は、冷凍機３７を停止させる。また、制御部６０は、トレイ３１を加熱するヒータ（図示せず）を制御して、トレイ３１の温度をＧａが液体状態になる温度（例えば３０℃以上）で保持する。これにより、ターゲット１００が溶融し、表面の凹凸が解消される。
ステップＳ２０２において、ターゲット１００の固体化処理を行う。ここでは、制御部６０は、冷凍機３７を制御して、ターゲット１００を冷却する。
これにより、トレイ３１に形成された固体のターゲット１００の表面の凹凸を解消することができる。また、基板Ｗの成膜レートが減少することを防止することができる。また、電界集中が生じ、異常放電が発生することを防止することができる。
以上、基板処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明に係る基板処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
１ 基板処理装置
１０ 処理チャンバ
１２ ガス導入ポート
２０ 基板保持部
２１ 静電チャック
２２ ヒータ
２３ 回転方向
２４ 回転方向
３０ スパッタ粒子放出部
３１ トレイ
３１ａ 凹部
３１ｂ 仕切り
３２ トレイ支持部
３３ 絶縁体
３４ 伝熱部
３５ 締結ボルト
３５ａ 絶縁部材
３６ シャフト
３７ 冷凍機
３８ 電源
３８ａ 磁界
３９ マグネット
４０ スパッタ粒子放出部
４１ ターゲットホルダ
４２ 電源
５０ 遮蔽板
５１ 開口部
６０ 制御部
１００ ターゲット
２００ ターゲット
Ｗ 基板

Claims (10)

  1. 真空処理容器内に設けられ、低融点材料のターゲットを収容する凹部を有するトレイと、
    前記トレイを冷却する冷凍機と、
    基板を保持する基板保持部と、
    前記基板保持部の上下を反転させる反転駆動部と、
    前記基板の周方向に前記基板保持部を回転させる回転駆動部と、を備える、
    基板処理装置。
  2. 前記基板保持部は、
    前記基板を吸着する静電チャックを有する、
    請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記基板保持部は、
    前記基板を加熱するヒータを有する、
    請求項１または請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記トレイの前記凹部は、複数に区画される、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 前記真空処理容器内にガスを供給するガス供給部と、
    前記トレイに電圧を印加する電源と、を更に備え、
    前記冷凍機は、絶縁部材を介して前記トレイを冷却する、
    請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  6. 前記トレイの裏面側に配置されるマグネットを更に備える、
    請求項５に記載の基板処理装置。
  7. 前記低融点材料は、Ｇａである、
    請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  8. 真空処理容器内に設けられ、低融点材料のターゲットを収容する凹部を有するトレイと、前記トレイを冷却する冷凍機と、基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部の上下を反転させる反転駆動部と、前記基板の周方向に前記基板保持部を回転させる回転駆動部と、を備える、基板処理装置の基板処理方法であって、
    前記ターゲットを前記冷凍機で冷却した状態で、前記ターゲットをスパッタして前記基板に成膜する、基板処理方法。
  9. 前記トレイの前記凹部に液体の前記低融点材料を導入するステップと、
    前記真空処理容器内を真空排気して、液体の前記低融点材料を脱気するステップと、
    前記トレイを冷却して、前記低融点材料を固体化するステップと、を有する、
    請求項８に記載の基板処理方法。
  10. 前記トレイの前記凹部に収容される前記低融点材料を液化するステップと、
    前記トレイの前記凹部に収容される前記低融点材料を固体化するステップと、を有する、請求項８に記載の基板処理方法。
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