JP3333605B2 - 低熱膨張クランプ機構 - Google Patents

低熱膨張クランプ機構

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JP3333605B2 JP28350993A JP28350993A JP3333605B2 JP 3333605 B2 JP3333605 B2 JP 3333605B2 JP 28350993 A JP28350993 A JP 28350993A JP 28350993 A JP28350993 A JP 28350993A JP 3333605 B2 JP3333605 B2 JP 3333605B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェハプロセス
に関するものである。（そして、）特に、本発明は、ウ
ェハプロセス中の半導体ウェハの動きを固定する（ｓｅ
ｃｕｒｉｎｇ）ことに関する。
【０００２】
【従来の技術】集積回路を作製する際に行わなくてはな
らない様々なウェハプロセス工程においては、半導体ウ
ェハを（その）動きに対して固定することがしばしば有
益である。このように（半導体ウェハの動きを固定する
ウェハプロセス工程では、）より精密な許容誤差が難な
く維持されることによって、非常に良質な特質を有する
デバイスの形成を行うことができ、一方、製造の再現性
を確かなものとするとともに、ウェハの収量を改善す
る。ウェハがその動きに対して固定されるべきウェハプ
ロセス工程の一例は、米国特許第５，１０８，５６９号
で述べられており、この中では、ウェハ表面の金属化合
物のストイキオメトリック層を形成する際に、クランプ
（締付環）機構が、ウェハをプラットホーム（ｐｌａｔ
ｆｏｒｍ）に固定するために用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】物理的気相堆積（ＰＶ
Ｄ）システムでは、（これはウェハ表面に金属膜を堆積
するために有用であるが、）金属クランプリング１０
（図１に示す）が、ウェハプロセスの中で一般に半導体
ウェハ１２を固定するために使用されている。金属クラ
ンプリングを用いる際にしばしば出くわす問題の１つ
は、ＰＶＤ金属膜堆積中に生じるプラズマに関係してお
り、これは、金属クランプリングを膨脹させるほど強い
熱を生ずる。このような膨脹は、ウェハの直径をうわま
わるクランプリングの直径の増加を生じさせ、ウェハは
クランプリングの内側に取り付けられたようになり（ａ
ｔｔａｃｈｅｄ）、または固定されてしまう（ｓｔｕｃ
ｋ）ので、クランプリングが再び収縮した場合には、ウ
ェハの破壊を引き起こす。
【０００４】リングが加熱される際に、リングの膨脹を
補償するための小さな内径を有するクランプリングを提
供することは、多くとも全熱サイクルほどでないサイク
ルが行われるときや、ウェハプロセスが非連続方式（ｎ
ｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｄｅ ｏｐｅｒａｔｉｏ
ｎ）で行われる際（すなわち、クランプリングがくり返
し加熱冷却されて、その結果、これがくり返し膨脹収縮
してしまう場合に、）にクランプリングの有用性を低下
させる。小さな内径を有するクランプリングは、クラン
プリングが低い温度（例えば、このリングがその最大内
径にまで膨脹しない温度）に維持される間、どのプロセ
ス工程でもウェハ表面の大部分を覆っている。この余分
な表面の被覆は、プロセスに利用できる実効的ウェハ表
面を非常に減少させ、従ってウェハの収量を減少させ
る。
【０００５】標準的なＰＶＤプロセスの間、半導体ウェ
ハーの表面上の金属膜の堆積によってクランプリング１
０の表面上に金属膜ビルトアップ（ｂｕｉｌｔ−ｕｐ）
１４が形成される。そして、時間を越えると、このビル
トアップは、クランプリングの内径と高さを延ばし、こ
れは、クランプリングの輪郭に影響を与える。例えば、
クランプリング上の金属膜のビルトアップはウェハのエ
ッジに近いウェハ上への予定された金属膜の堆積を遮蔽
（シャドーイング）する。
【０００６】図１中のウェハ中心線１８において、実効
的に有用なウェハの直径１６はこのようなシャドーイン
グによって大幅に減少させられ、このことは、集積回路
の形成に利用できるウェハ表面を減少させる。このよう
に、デバイスの形成に利用可能なウェハ表面の面積は、
クランプリング表面上への金属膜ビルトアップと、熱サ
イクルによるクランプリングの膨脹、収縮を補なうため
にクランプリング内径を縮小させる必要性とにより、減
少させられる。
【０００７】ビルトアップによるウェハエッジ近傍のウ
ェハ表面上の陰影（ｓｈａｄｏｗｃａｓｔ）は、ウェハ
表面上への金属膜の堆積の均一性に影響を与える。この
現象は、図２から明らかであり、これは、半導体ウェハ
表面上の堆積アルミニウム膜の厚さと、ウェハエッジか
らのウェハ表面に沿った距離をプロットしたグラフであ
る。そして、これは図３からも明らかであり、これは、
半導体ウェハ表面上の堆積アルミニウム膜の均一性と、
ウェハエッジからのウェハ表面に沿った距離とプロット
したグラフである。
【０００８】図２において、堆積アルミニウム膜の厚さ
（オングストローム×１０００で表す）は、この半導体
ウェハのエッジが近づくにつれて急激に減少（ｄｒｏｐ
−ｏｆｆ）していることを示している。クランプリング
は、その使用に伴って金属膜ビルトアップの厚みが増加
するので、このドロップオフの起こるウェハエッジから
のウェハ表面に沿ったポイントは、ウェハーエッジから
徐々に遠ざかり、ウェハの中心へと延びる。ウェハ表面
の面積の部分（パーセンテージ）は、ウェハ周囲でのウ
ェハ表面の割合が小さい部分が利用できない場合でもか
なり失われるので、ウェハの中心へ向かうエッジのドロ
ップオフの動きは、ウェハ収量に劣悪な影響を与え、そ
の結果、デバイスあたりの製造コストに劣悪な影響を与
える。
【０００９】図３は、クランプリングの表面上に２３４
０μｍのアルミニウム膜が堆積された後のクランプリン
グによって生じたシャドー効果を示している。この図か
ら判るように、２００ｍｍウェハのエッジに近づくにつ
れて、（すなわち、測定直径のより大きいところで）、
ウェハ表面に堆積されたアルミニウム合金膜のシート抵
抗の均一性は等周上（ｃｏｎｔｏｕｒ）の４９ポイント
をとった場合に１シグマ（すなわち、１標準偏差）あた
り３．５％を越えている。
【００１０】１シグマ測定（図３に示す）は現代のサブ
ミクロン技術に適用させるための標準とはできないこと
が現在の工業上の経験となっている。現在の標準（すな
わち３シグマ）を適用すると、（ちょうど１０００〜１
５００μｍのクランプリング上に金属膜にビルトアップ
された後の）２００ｍｍウェハ上のアルミニウム金属合
金のシート抵抗の均一性は等周上（ｃｏｎｔｏｕｒ）の
４９ポイントをとった時に５％を越えている。
【００１１】クランプリングが新しい場合、堆積金属膜
は、クランプリング表面上に徐々にビルトアップされ、
そのため、クランプリングやその内部でウェハに接して
いる点から名目上のウェハの厚さの点（ウェハーのエッ
ジから約６ｍｍの場所）へシャドーイングが徐々に進行
する。クランプリングが経時するにつれて、この内部の
遷移はより急になる。
【００１２】クランプリング表面上のビルトアップが、
ウエハの高さと干渉するほど厚くなると、クランプリン
グは交換しなくてはならない。現在、クランプリング
は、ビルトアップが１０００μｍに達したときに交換さ
れている。クランプリングは、化学的に洗浄されるが、
クランプリングの洗浄に用いられるケミカルウェットエ
ッチの選択性は限られており、経時に伴ってクランプリ
ングの有効性は減少する傾向にある。すなわち、従来の
クランプリングは、限られた回数しか洗浄できない。
【００１３】クランプリングの交換コストは重要でない
というわけではないが、それぞれに対して約４０００〜
５０００ドルである。しかしながら、金属が付着した
（ｗｏｒｎ）クランプリングを交換するために、２〜３
日毎に１０〜１４時間製造プロセスを停止させなくては
ならないことは、（この交換コストの問題よりも）より
重大である。停止時間はスループットと製造効率に大き
な影響を与える。このような停止時間を減少させること
は、製造効率とスループットを上昇させ、その結果、有
益である。
【００１４】金属クランプリングのいま一つの欠点は、
それらの固有の熱伝導率である。このようなクランプリ
ングは、ウェハに熱を伝え、またウェハエッジにおける
ヒートシンクとして働き、クランプリングが使用される
プロセス環境の温度差に依存する。このような、よく知
られたクランプリングの熱的性質（ｔｈｅｒｍａｌｖｏ
ｌａｔｉｌｉｔｙ）はウェハを横切る温度の不均一性を
生ぜしめ、その結果ウェハー収量を減少させデバイスの
信頼性を低下させる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ウェハプロセ
ス（例えば：物理的気相堆積（ＰＶＤ）システム）中に
おいて、半導体ウェハを固定する場合に有用な改良され
たクランプを提供するものである。本発明の好適実施例
において、このようなクランプは、熱膨張係数の小さな
材料（例えば、セラミック材料、アルミナなど）から作
られたリングである。このような材料、（熱サイクルの
間僅かしか膨脹したり収縮したりしない材料）は、最大
限可能な大きさの内径を有するクランプリング（締付
輪）を作ることができる。そのため、ウェハ表面のより
広い面積がデバイスの形成に利用できる。そして、クラ
ンプリング上の金属膜ビルトアップから生じるウェハの
シャドーイングを緩和することができる。このように、
本発明は、クランプリングの使用寿命を延ばし、それゆ
えシステムの停止時間を低減させる。本発明に係るクラ
ンプリングは変化するプロセス条件の下で熱的に安定な
ので、ウェハ温度の均一性が改善される。さらに、セラ
ミックやセラミックライクな材料から作られたクランプ
リングは、セラミック材料上に金属膜をウェットエッチ
ングする場合は、（金属表面から金属膜を洗浄するエッ
チングプロセスの選択性に比較すると、）クランプリン
グ表面を洗浄するための選択性に優れ、再利用しやす
い。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。
【００１７】本発明は、ウェハプロセス（例えば、ＰＶ
Ｄシステム）中の半導体ウェハの動きを固定する場合に
有用な改良されたクランプリングを提供する。図４
（ａ）は、改良された半導体ウェハクランプリング２０
の平面図である。このリングは、ドーナッツ型であり、
ウェハ表面に対向して接触して、ウェハプロセス中のウ
ェハの不用の動きを固定するために形成された少なくと
も一つの平面クランプ表面を有している。本発明のため
に、クランプリングは、クランプ位置に置かれ、そのた
め、動かないウェハーのクランプ表面にこのリングは、
押し付けられて（ｂｅａｒ ｕｐｏｎ ｏｒ ｉｎｐｏ
ｓｅ ｕｐｏｎ）、ウェハを固定する。また、クランプ
リングは、動かないので、クランプリングのクランプ表
面上に押し付けられたウェハを受け、保持し、また、固
定は、クランプリングとウェハの相対的動きの組みあわ
せによって行われる（ｂｅ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅ
ｄ）。
【００１８】クランプリングは、開口部２２で規定され
る内径を有している。このリングは、ウェハ表面の外周
でウェハを固定する。開口部２２は、残りのウェハ表面
をプロセス環境に露出させる。クランプに使用されるウ
ェハ表面の面積を低減することは重要である。このよう
にすることで、集積回路の形成のためにウェハ表面の最
大面積を利用できる。これによってウェハ当りのデバイ
ス収量を増加させることができる。本発明によれば、ク
ランプリングは開口部がプロセス環境にウェハ表面を最
大限露出させるべく形成され、一方、本発明はウェハの
不要な動きに対してウェハを固定するための最小限の固
定部をウェハ表面周囲に提供する。
【００１９】図４（ｂ）は、図４（ａ）の改良された半
導体ウェハクランプリング２０の点線“ＡＡ”に沿った
断面図である。図４（ａ）、（ｂ）のクランプリング
は、例としてドーナッツ型のリングとして示されてい
る。図４（ｂ）に示される様々な表面は、本発明の好適
実施例を表わしており、本発明は、特殊な用途に適用さ
れる。本発明は、他の好ましいクランプ構造も適用され
得る。それゆえ、クランプはリングである必要はなく、
クランプは楕円型でもよいし、長方形、正方形等、開口
部がプロセス環境にウェハ表面を最大限露出させるクラ
ンプであれば良い。
【００２０】現在、クランプリングを製造する方法とし
ては、種々の金属や金属合金を用いることしか知られて
いない。上述したように、クランプリングは大きな直径
を有することはできないし、また、クランプが加熱され
た場合には、クランプされたウェハーの周囲を越えて膨
脹するので、クランプリングの内側にウェハが接触して
固定されると、ウェハが破壊される。
【００２１】本発明のクランプリングの決定的な特徴
は、リングが熱サイクルに対して全く膨脹したり収縮し
たりしないか、熱膨張収縮したとしても僅かであること
である。なぜならば、クランプリングは、低い熱膨脹率
と低い熱伝導率を有している材料から形成されているの
で、熱サイクル条件中で、形状的に安定なクランプリン
グ（例えば：内径が比較的一定のリング）を提供するこ
とによって、クランプリングは、リングが加熱された場
合にリングの膨脹を補償する狭い開口部を有するように
設計されるという従来技術の要求を無視することができ
る。小さな熱膨張係数を有するクランプリングを提供す
ることによって、ウェハプロセス中のウェハの熱的安定
度が改善される。
【００２２】本発明の好適実施例では、クランプリング
はセラミック材料のような低い熱膨張係数と低い熱伝導
率とを有する材料から形成されている。例えば、アルミ
ナ、アルミニウムナイトライド、カルシウムカーボネー
ト等や、他の熱的に安定な材料（コーバー）から形成さ
れる。このようなセラミックやセラミックライクな材料
は、標準的な金属クランプリングよりも容易に再利用で
きる。
【００２３】本発明のクランプリングは、選ばれた材料
の公知技術を用いて望ましい型に加工（ｓｈａｐｅ，ｃ
ａｓｔ，ｆｏｒｍ）することができる。
【００２４】本発明の１つは利点は、前述の材料は堆積
された金属膜を上手く洗浄できることである。金属がセ
ラミック表面上にコートされた場合には、ケミカルエッ
チ洗浄は、（金属膜上にコーティングされた金属の化学
エッチングの選択性と比較して）より高い金属のエッチ
ング選択性を有する。この本発明の特性は、このような
洗浄による従来のクランプリングの形状の変化を抑制し
つつ、従来のクランプリングよりも数多くの回数洗浄で
きるクランプリングを提供する。
【００２５】本発明の低い熱膨張係数を有する材料を使
用することで、クランプリングが可能な最大内径を有す
ることができるとともに、ウェハを固定する十分なクラ
ンプ表面を提供することができる。本発明に係るクラン
プリングは、熱サイクルの中で、その形状が全くもしく
は殆ど変化しない。クランプリングの設計には熱サイク
ルによる形状の変化を考慮する必要がないので、従来可
能であった内径よりも大きな内径を有するクランプリン
グを提供することができる。このように、本発明の主な
利点はより大きな内径を有するクランプリングを提供す
ることである。
【００２６】集積回路の形成に利用できるウェハ表面の
面積の増加に加えて、物理的気相堆積システム中での金
属膜の堆積などの（クランプリングの輪郭がクランプリ
ングの外表面上の金属膜のビルトアップによって拡大さ
れる）用途に本発明は特に有用である。
【００２７】従来のクランプリングの表面に金属膜ビル
トアップが起こるように、本発明のクランプリングにも
容易にこれが生じるが、本発明は、大きな開口部を有し
ているので、クランプリングの交換が必要となる時期ま
で長い間これを使用することができる。どちらの場合も
金属膜のビルトアップの割合は同じであるが、本発明は
より大きな直径を有しているので、それゆえ、ウェハー
シャドーイングがウェハ表面でのシート抵抗と膜厚に影
響を与え始める程度に内径が減少するまで、その表面上
に金属膜ビルトアップを形成することができる。
【００２８】本発明のクランプリングがＰＶＤシステム
に用いられた場合、金属膜がウェハ表面上の膜の堆積に
起因してクランプリングの外表面上に堆積する。本発明
は、クラプリング表面に少なくとも３０００μｍの厚さ
を有する金属膜がビルトアップされるまで、クランプリ
ングを使用することができる。上述したように、従来の
クランプリングは堆積金属膜層が１０００μｍに達した
ときに交換しなければならない。このように、本発明
は、クランプリングの寿命を飛躍的に改善することがで
きる。このことは、ＰＶＤシステムのメンテナンスの必
要度を少なくし、システムの停止時間を短縮する。この
ようにして、スループットとサイクル時間は改善され
る。
【００２９】従来のクランプリングがＰＶＤシステムで
用いられると、クランプリングの近くのウェハの温度は
ウェハの中心の温度と大きく異なることが判った。この
現象は、（クランプリングを加熱する堆積中のプラズマ
に誘引された電子のクランプリングへの衝突に起因して
いる。このように、熱は、クランプリングからウェハま
たはウェハからクランプリングに移動するが、これはウ
ェハと（クランプリングと）の比較温度に依存してい
る。
【００３０】このようなウェハの温度不均一性は、ウェ
ハ内の（堆積膜の）グレインサイズの不均一性をもたら
すとともに、ウェハ内に接触する金属の量を異ならせ
る。これらの現象は、ウェハあたりのデバイスの収量を
低下させ、デバイスの信頼性を制限する。
【００３１】本発明のクランプリングは、熱を（殆ど）
伝導させない。本発明を用いることにより、このような
不均一性を著しく除去または低減させ、それゆえ、上述
した熱の不均一性に付随する問題を除去または低減する
ことができる。
【００３２】
【発明の効果】本発明のクランプリングは、低い熱膨脹
率と低い熱伝導率を有している材料から形成されている
ので、熱サイクル条件中で、リングが加熱された場合に
リングの膨脹を補償する狭い開口部を有するように設計
されるという従来技術の要求を無視することができる。
小さな熱膨張係数を有するクランプリングを提供するこ
とによって、ウェハプロセス中のウェハの熱的安定度が
改善される。
【００３３】本発明のクランプリングはセラミック材料
のような低い熱膨張係数と低い熱伝導率とを有する材料
から形成されている。例えば、アルミナ、アルミニウム
ナイトライド、カルシウムカーボネート等や、他の熱的
に安定な材料（コーバー）から形成される。このような
セラミックやセラミックライクな材料は、標準的な金属
クランプリングよりも容易に再利用できる。
【００３４】本発明のクランプリングは、洗浄による従
来のクランプリングの形状の変化を抑制しつつ、従来の
クランプリングよりも数多くの回数洗浄できる。
【００３５】本発明の低い熱膨張係数を有する材料を使
用することで、クランプリングが可能な最大内径を有す
ることができるとともに、ウェハを固定する十分なクラ
ンプ表面を提供することができる。クランプリングの設
計には熱サイクルによる形状の変化を考慮する必要がな
いので、従来可能であった内径よりも大きな内径を有す
るクランプリングを提供することができる。そして、本
発明のクランプリングはより大きな直径を有しているの
で、それゆえ、ウェハーシャドーイングがウェハ表面で
のシート抵抗と膜厚に影響を与え始める程度に内径が減
少するまで、その表面上に金属膜ビルトアップを形成す
ることができる。このように、本発明は、クランプリン
グの寿命を飛躍的に改善することができる。このこと
は、ＰＶＤシステムのメンテナンスの必要度を少なく
し、システムの停止時間を短縮する。このようにして、
スループットとサイクル時間は改善される。
【００３６】本発明のクランプリングは、熱を（殆ど）
伝導させない。本発明を用いることにより、このような
不均一性を著しく除去または低減させ、それゆえ、上述
した熱の不均一性に付随する問題を除去または低減する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体ウェハクランプリングの部分断面
図である。
【図２】半導体ウェハ表面上の堆積アルミニウム膜の厚
さとウェハエッジからのウェハ表面に沿った距離とをプ
ロッドしたグラフである。
【図３】半導体ウェハ表面上の堆積アルミニウム膜の均
一性とウェハエッジからのウェハ表面に沿った距離とを
プロットしたグラフである。
【図４】本発明に係る改良された半導体ウェハクランプ
リングの平面図（ａ）および、これの点線“ＡＡ”に沿
った半導体ウェハクランプリングの断面図（ｂ）であ
る。
【符号の説明】
１０，２０…クランプリング、１２…ウェハ、１４…金
属ビルトアップ、１６…直径、１８…中心線、２２…開
口部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート イー． ダヴェンポート アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94086， サニーヴェール， エヴェリ ン テラス イー． 1001−133 審査官 柴沼 雅樹 (56)参考文献 特開 昭63−252439（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−189124（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−161991（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開493089（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/68 H01L 21/203

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ウェハプロセス中に半導体ウェハの動き
    を固定する装置であって、 リングの開口で規定する内径と、ウェハを固定する、ウ
    ェハ表面の全周囲に沿って対向して接触する少なくとも
    一つの連続的な平面クランプ表面と、を有するドーナツ
    型のクランプリングを備え、前記クランプリングは、ア
    ルミナ、アルミニウムナイトライド及びカルシウムカー
    ボネートからなる群から選択される材料から形成され、
    前記材料は低い熱膨張係数を有し、そのため、前記クラ
    ンプリングの内径が熱サイクル中に一定もしくは略一定
    に保持され、前記クランプリング上に堆積する膜のビル
    トアップから生じるウェハのシャドーイングを緩和する
    装置。
  2. 【請求項２】 前記クランプリングが熱的に不伝導であ
    る請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 物理的気相堆積システムにおいて、ウェ
    ハプロセス中に半導体ウェハを固定するための装置であ
    って、 リングの開口で規定する内径と、ウェハ表面の全周囲に
    沿ってウェハを固定する、前記ウェハ表面に対向して接
    触する少なくとも一つの連続的な平面クランプ表面と、
    を有するドーナツ型のクランプリングを備え、前記クラ
    ンプリングは、アルミナ、アルミニウムナイトライド及
    びカルシウムカーボネートからなる群から選択される材
    料から形成され、前記材料は低い熱膨張係数を有し、前
    記材料が熱サイクリング中にせいぜい僅かな膨脹および
    収縮を示すだけであり、前記クランプリングの内径が前
    記熱サイクリング中に一定または略一定に保持され、そ
    のため、前記クランプリング上に堆積する膜のビルトア
    ップから生じるウェハのシャドーイングを緩和する装
    置。
  4. 【請求項４】 前記クランプリングが熱的に不伝導であ
    る請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 プロセス環境にウェハ表面を最大限に露
    出しつつ、ウェハプロセス中に半導体ウェハを固定する
    方法であって、 不要な動きに対して前記ウェハを、ウェハ表面の全周囲
    に沿って対向して接触する少なくとも一つの連続的な平
    面クランプ表面と、前記ウェハ表面に対するプロセス環
    境露出領域で規定される内径とを有するドーナツ型のク
    ランプリングで固定する工程と、 前記ウェハを処理する工程と、 前記クランプリングを、アルミナ、アルミニウムナイト
    ライド及びカルシウムカーボネートからなる群から選択
    される材料から形成することによって、前記材料は低い
    熱膨張係数を有し、前記ウェハプロセスに付随する熱サ
    イクリング中に前記内径を一定または略一定に保持する
    工程であって、そのため、前記クランプリング上に堆積
    する膜のビルトアップから生じるウェハのシャドーイン
    グを緩和する、工程とを有する方法。
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