JP3852980B2 - 薄膜作成方法及びスパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、スパッタリングによる成膜技術に関し、特にスパッタリング後の基板の取り扱いについての技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
成膜技術には、真空蒸着、スパッタリング、CVD(化学的気層成長)などがあるが、半導体集積回路の製作などでは、配線材料の成膜などでスパッタリングが頻繁に用いられている。
【0003】
図12は、従来のスパッタリング装置の一例の構成を説明する図である。図12に示すスパッタリング装置は、排気系11を備えたスパッタチャンバー1と、スパッタチャンバー1内に対向して配置されたカソード12及び基板ホルダ13と、スパッタチャンバー1内に所定のガスを導入するガス導入系14と、カソード12に所定の電圧を与えるスパッタ電源15と、スパッタチャンバー1の前後にゲートバルブ22,32を介して設けられたロードロックチャンバー2及びアンロードロックチャンバー3と、ロードロックチャンバー2、スパッタチャンバー1、アンロードロックチャンバー3の順に基板10を搬送する不図示の搬送機構などから主に構成されている。尚、ロードロックチャンバー2は排気系201を備え、アンロードロックチャンバー301は排気系301を備えている。
【0004】
基板10は、基板カセット21に多数収容され、ロードロックチャンバー2内に配置される。ロードロックチャンバー2をスパッタチャンバー1と同程度の圧力まで排気した後、ゲートバルブ22を開けて一枚の基板10をスパッタチャンバー1内に搬送し、基板ホルダ13上に配置する。
ゲートバルブ22を閉じた後、ガス導入系14を動作させて所定のガスを導入し、スパッタ電源15を動作させてスパッタリングを行い、基板10上に所定の薄膜を作成する。この際、基板ホルダ13内に設けられた加熱手段131によって基板10が所定の温度まで加熱される。例えば、下地のシリコン上にタングステン配線を形成する場合、基板を400℃程度に加熱してスパッタリングを行うとタングステン薄膜の比抵抗が所定の値で安定化することが知られており、この程度の温度まで基板10を加熱してスパッタリングを行う。
【0005】
そして、所定の膜厚まで薄膜が堆積すると、ガス導入系14及びスパッタ電源15の動作を停止した後、ゲートバルブ32を開けて搬送機構が基板10を搬出し、アンロードロックチャンバー3内に配置された基板カセット31に収容させる。この際、アンロードロックチャンバー3もスパッタチャンバー1と同程度の圧力まで排気されている。
このようにして基板10を一枚ずつロードロックチャンバー2からスパッタチャンバー1に搬入し、スパッタリングを行った後、アンロードロックチャンバー3内の基板カセット31に収容する。そして、ロードロックチャンバー2内の基板ホルダ13に収容されていた基板10がすべて成膜されてアンロードロックチャンバー3内の基板ホカセット31に収容されると、ベントバルブ352を開けてアンロードロックチャンバー3内にベントガスを導入し、アンロードロックチャンバー3内を大気圧に戻す。その後、基板10をアンロードロックチャンバー3から取り出す。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリングのような成膜技術に要求される重要な課題の一つに、膜質の安定化という点がある。特に、LSIのような集積回路では、膜質のわずかな劣化によって回路特性が変化し、製品性能に大きな影響を与える。例えば、配線材料のスパッタリングの場合、膜の比抵抗が期待された数値で安定していることが要求される。
【0007】
ここで、上述した従来のスパッタリング装置において、アンロードロックチャンバー内の基板カセットに収容される基板のうち、最後の数枚の基板については、比抵抗等の特性についてムラが生ずることが確認された。
本願の発明者は、この原因について鋭意調査研究を行ったところ、高温状態で基板が大気圧雰囲気に晒されることが原因であることが判明した。即ち、アンロードロックチャンバー内の基板カセットに収容される基板のうち、最後の数枚の基板は、基板カセットに収容されてからアンロードロックチャンバーがベントされるまでの時間が短い。つまり、高温状態でスパッタチャンバーから搬出された後、比較的短い時間で大気圧雰囲気に晒されることになる。このため、高温状態の膜がベントガス中に含まれる酸素や水蒸気等を取り込み、これが原因で特性のムラが生ずると考えられる。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項1記載の発明は、真空中で基板を加熱しながらスパッタリングによって基板上に所定の薄膜を作成する方法であって、真空に排気されたアンロードロックチャンバー内に薄膜作成が終了した基板を順次配置し、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後、アンロードロックチャンバーを大気圧に戻す方法であり、
前記薄膜作成済みの基板が所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて、基板を冷却ステージ上に載置して強制冷却した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項2記載の発明は、上記請求項1の構成において、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項3記載の発明は、上記請求項2の構成において、前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項4記載の発明は、上記請求項2の構成において、前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下(ただし、摂氏80度以下を除く)であり、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項5記載の発明は、上記請求項2、3又は4の構成において、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に大気圧雰囲気に戻すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項6記載の発明は、上記請求項2、3又は4の構成において、前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するようシーケンス制御を行うという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項7記載の発明は、上記請求項2、3又は4の構成において、前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項8記載の発明は、排気系を備え、基板上にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタチャンバーと、スパッタリング中に基板を所定の温度まで加熱する加熱手段と、スパッタチャンバーに隣接して配置され、排気系及びベントガス導入系を備えたアンロードロックチャンバーとを有するスパッタリング装置において、
基板を搬送する搬送機構が設けられており、この搬送機構は、スパッタリングによって所定の薄膜が作成された基板をアンロードロックチャンバーに搬送するものであり、
アンロードロックチャンバーは、前記薄膜が作成された基板が順次配置されるものであって、ベントガス導入系は、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後にアンロードロックチャンバー内を大気圧に戻すものであり、
アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了してスパッタチャンバーから搬送された基板に面接触して基板を強制冷却する冷却ステージが設けられており、
前記アンロードロックチャンバーのベントガス導入系及び前記搬送機構の動作を制御する制御部が設けられており、この制御部は、前記所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて前記冷却ステージへの載置動作を行った後に前記アンロードロックチャンバー内を大気圧に戻す制御を行うことが可能であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項9記載の発明は、上記請求項8の構成において、前記制御部は、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒す制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項10記載の発明は、上記請求項9の構成において、前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下の温度であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度以下に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項11記載の発明は、上記請求項9の構成において、前記所定温度以下は、摂氏100度から150度の範囲の温度以下(ただし、摂氏80度以下を除く)であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項12記載の発明は、上記請求項9、10又は11の構成において、前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に基板を前記冷却ステージから取り去る制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項13記載の発明は、上記請求項9、10又は11の構成において、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するシーケンス制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項14記載の発明は、上記請求項9、10又は11の構成において、前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下の温度になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項15記載の発明は、上記請求項8乃至14いずれかの構成において、前記アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了した所定数の基板を収容する基板カセットが配置されており、スパッタチャンバーから搬送された基板を前記冷却ステージに載置した後、当該基板を冷却ステージから基板カセットに搬送して収容することが可能な搬送機構が設けられているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項16記載の発明は、上記請求項14の構成において、前記冷却ステージは、前記基板カセットの真下の位置に設けられているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項17記載の発明は、上記請求項8乃至16いずれかの構成において、前記搬送機構は、基板を一枚ずつ前記スパッタチャンバーに搬送するものであり、スパッタチャンバーにおいて一枚ずつ成膜処理が行われるものであり、前記アンロードロックチャンバーは、薄膜作成済みの基板が一枚ずつ配置されるものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項18記載の発明は、上記請求項8乃至17いずれかの構成において、前記冷却ステージは、静電気吸着によって基板を冷却ステージの表面に吸着する静電吸着機構を備えているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項19記載の発明は、上記請求項8乃至18いずれかの構成において、前記冷却ステージは、冷却ステージの表面と基板の裏面との面接触を強化するクランプ機構を備えているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項20記載の発明は、上記請求項8乃至19いずれかの構成において、前記冷却ステージは、基板の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段を備えているという構成を有する。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図1は、本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
図1に示すように、本実施形態のスパッタリング装置は、中央に配置された搬送チャンバー4と搬送チャンバー4の周囲に配設された複数のチャンバーからなるマルチチャンバータイプのシステムになっている。周囲のチャンバーは、不図示のゲートバルブを介して中央の搬送チャンバー4に気密に接続されている。各々のチャンバーには、専用又は兼用の排気系(図1中不図示)が備えられ、所定の圧力まで排気可能となっている。
【0010】
搬送チャンバー4内には、搬送機構として、真空中で基板を搬送できる搬送ロボット41が設けられている。また、周囲のチャンバーのうちの隣り合って配置された二つのチャンバーは、ロードロックチャンバー2及びアンロードロックチャンバー3になっている。そして、残りの周囲のチャンバーを、スパッタチャンバー1やプリヒートチャンバー5等のプロセスチャンバーとして使用するようになっている。
【0011】
上述のようなシステムである本実施形態の装置では、成膜処理される基板10は、基板カセット21に所定数(例えば25枚程度)収容され、ロードロックチャンバー2内に配置される。そして、搬送ロボット41が、ロードロックチャンバー2内の基板カセット21から基板10を一枚ずつ取り出して各プロセスチャンバーに順次搬送し、成膜処理を含む各種処理を行った後、アンロードロックチャンバー3に戻すようになっている。アンロードロックチャンバー3には、同様に基板カセット31が配置されており、処理が終わった基板10を所定数まで収容可能となっている。
【0012】
本実施形態の装置は、アンロードロックチャンバー3の部分に大きな特徴点があるので、以下、アンロードロックチャンバー3に重点を置いて説明する。
図2は、図1の装置のX−Xにおける断面概略図であり、図3は図1のY−Yにおけるアンロードロックチャンバーの断面概略図である。
アンロードロックチャンバー3は、排気系301及びベントガス導入系35を有する真空容器である。ベントガス導入系35は、チャンバーに接続されたベント用配管351と、ベント用配管351に設けられたベントバルブ352とから構成され、クリーンルーム内の清浄空気をベントガスとして導入するようになっている。場合によっては、ベントガスとして特別の清浄空気や窒素ガスなどを使用する場合もあり、この場合には、ベント用配管351がこれらのガスの供給源に接続される。
【0013】
そして、図2及び図3に示すように、アンロードロックチャンバー3内には、回収側の基板カセット31が配置されている。基板カセット31は、水平な姿勢の基板10を上下方向に並べて多数収容可能なものである。具体的には、搬送ロボット41のアーム411の進行方向に対して両側に設けられた側板311から構成され、両側の側板311の向かい合う内面に設けられた突起312によって基板10を支持するようになっている。尚、突起312は、アーム411の進行方向に長く、基板10の収容位置に従って上下に多数設けられている。
【0014】
そして、アンロードロックチャンバー3内であって上記基板カセット31の下方には、冷却ステージ33が配設されている。図4は、図2に示す冷却ステージの形状を説明する斜視概略図である。
図4に示すように、本実施形態における冷却ステージ33は全体が略円柱状である。そして、基板10が載置される上面には、図4に示すような所定の幅の溝331が径方向に形成されている。この溝331は、基板10を載置する際の搬送ロボット41のアーム411の「逃げ」のために形成されている。即ち、図4に示すように、搬送ロボット41のアーム411が基板を冷却ステージ33上に載置する際、冷却ステージ33の溝331内にアーム411が位置するようになっている。
【0015】
また、冷却ステージ33の直径は、基板10の直径より僅かに大きいものになっている。尚、本実施形態では、半導体ウエハのような略円形の基板10を成膜処理することが想定されているため、略円柱状の冷却ステージ33が使用されているが、他の形状、例えば液晶基板などの方形の基板を成膜処理する場合には、角柱状の冷却ステージ33が使用される場合がある。
【0016】
そして、図2及び図3に示すように、冷却ステージ33の内部には水道水などの冷媒を流通させる流通孔332が形成されている。流通孔332への入り口及び出口部分には、冷媒を供給及び排出する冷媒用配管333が接続されている。冷媒用配管333には、冷媒の温度を所定の温度に維持して循環させるサーキュレーター(不図示)が必要に応じて接続される。但し、冷媒として水道水等を使用する場合、そのまま廃水にする場合もある。
【0017】
このような構成によって、冷却ステージ33は基板10を所定温度以下に冷却できるようになっている。所定温度とは、例えば基板10が200〜400℃程度に加熱されてアンロードロックチャンバー3に搬送される場合、100〜150℃程度の温度とされる。より具体的には、バリアメタルとしてTiN膜を形成した場合は100℃以下に冷却し、FETのチャンネル配線用などとしてW膜を形成した場合は150℃以下に冷却する。
尚、冷却ステージ33の材質は、熱伝導性のよい銅(純銅)やアルミニウムなどを用いることが好ましい。表面の腐食等が問題となる場合は、保護膜を形成したり、ステンレス等の板材を真空ろう付け等により貼り合わせて表面を覆うようにするとよい。
【0018】
また本実施形態の装置では、冷却ステージ33上の基板10の温度を非接触で計測する非接触温度計34が設けられている。サーモパイル温度計のような放射温度計が好適に使用される。但し、基板10の表面状態によって放射率が異なるので、予め基板10の放射率を求めておき、非接触温度計34の計測値を放射率によって補正するようにするとよい。具体的には、測定する基板10と同一の表面状態である基板について別の方法で温度を予め計測しておき、その基板から得られる放射束を同一温度の黒体放射の放射束と比較して放射率を求めるようにする。尚、非接触温度計34の計測データは、装置全体の動作を制御する制御部7に送られる。
【0019】
次に、図1及び図2を使用して、本実施形態のスパッタリング装置の他の構成について簡単に説明する。
まず、上記アンロードロックチャンバー3に隣接して設けられたロードロックチャンバー2は、装置への基板10の搬入の入り口になるものであり、供給側の基板カセット21が配置されている。この基板カセット21も、前述したアンロードロックチャンバー3内の基板カセット31と同様のものである。尚、ロードロックチャンバー2には、前述したアンロードロックチャンバー3のベントガス導入系35と同様のベントガス導入系(不図示)が設けられている。
【0020】
また、ロードロックチャンバー2の外側には、不図示のオートローディング機構が配設されている。オートローディング機構は、ロードロックチャンバー2内の基板カセット21に基板10を自動的に装着するためのものであり、基板カセット21と同様な構成のキャリアカセットに収容された基板10を基板カセット21に一枚ずつ収容するローディングロボットなどから構成される。また、アンロードロックチャンバー3の外側には、不図示のオートアンロードディング機構が設けられており、アンロードロックチャンバー3からキャリアカセットに基板を自動的に回収するようになっている。
【0021】
スパッタチャンバー1の構成は、図12に示す従来のものとほぼ同様であり、内部にカソード12と基板ホルダ13とを対向配置し、スパッタ電源15やガス導入系14等を具備している。また、基板ホルダ13には加熱手段131が内蔵されており、成膜中に基板10を100〜500℃程度に加熱するようになっている。
尚、プロセスチャンバーのうち三つ程度のチャンバーが上述のようなスパッタチャンバー1として構成される。他のプロセスチャンバーは、プリヒートチャンバー5やエッチングチャンバー6等として構成される。
【0022】
プリヒートチャンバー5は、スパッタリングに先だって基板10の脱ガスなどを行うため、基板10を200〜550℃程度まで加熱するプロセスチャンバーである。加熱は、例えば内部に抵抗加熱方式又は熱媒循環方式などの加熱手段を内蔵した加熱ステージに基板10を載置することにより行われる。
エッチングチャンバー6は、スパッタリングに先だって基板10の表面の酸化膜等をエッチングして除去するプロセスチャンバーである。エッチングを行うための構成は色々あるが、例えば、アルゴン等のガスを高周波放電などによりプラズマ化し、基板10に対して所定のバイアス電圧を与えることで基板10の表面をスパッタエッチングする構成が採用される。
【0023】
搬送チャンバー4内に配置された搬送機構としての搬送ロボット41は、アーム411の上面で基板10を支持して搬送するよう構成されている。搬送ロボット41のアーム411は、静電吸着によって基板10を吸着支持しながら、水平方向の直線運動、上下運動、及び、垂直な軸の周りの回転運動が可能に構成されている。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、前述のように装置全体の動作を制御する制御部7を有している。この制御部7は、搬送ロボット41の動作も後述のように制御するよう構成されている。
【0024】
次に、薄膜作成方法の発明の実施形態の説明も兼ね、上記構成に係るスパッタリング装置の動作を説明する。以下の説明では、一例としてMOS−FET回路におけるチャンネル配線の形成などのためのスパッタリングプロセスを想定して説明を行う。まず、オートローディング機構がロードロックチャンバー2内の基板カセット21に所定数の基板10を装着し、入り口側のゲートバルブを閉じて所定の圧力までロードロックチャンバー2を排気する。次に、搬送チャンバー4側のゲートバルブ101が開いて、搬送ロボット41が一枚の基板10を基板カセット21から取り出し、プリヒートチャンバー5に搬送する。そして、プリヒートチャンバー5で加熱処理して脱ガスなどを行った後、基板10は、エッチングチャンバー6に搬送される。
【0025】
そして、基板10は、エッチングチャンバー6でエッチングされて表面の酸化膜などが除去された後、スパッタチャンバー1に搬送され、所定のスパッタリングが行われる。この際、基板10は所定の温度まで加熱される。例えば、前述したようにタングステン薄膜を配線として作成する場合、基板10を400℃程度に加熱して比抵抗の安定化を行う。また、コンタクトホールのような微小ホールに対してアルミニウム配線を行う成膜では、基板10を400℃程度に加熱してアルミニウムを若干フロー(融解)させ、コンタクトホールの内部に対する被覆性を高める場合もある。
【0026】
このようにしてスパッタチャンバー1で所定の薄膜を作成した後、基板10はアンロードロックチャンバー3に搬送され、基板カセット31に収容される。このようにしてロードロックチャンバー2から基板10を一枚ずつ取り出し、各プロセスチャンバーに順次搬送してスパッタリングを行い、アンロードロックチャンバー3に回収する。そして、ロードロックチャンバー2内の基板カセット21に収容されていたすべての基板10がアンロードロックチャンバー3内の基板カセット31に回収されると、アンロードロックチャンバー3のベントガス導入系35が動作し、アンロードロックチャンバー3内を大気圧に戻す。そして、ゲートバルブ36が開き、オートアンローディング機構が基板10をキャリアカセットに回収する。
【0027】
上記動作において、制御部7は、アンロードロックチャンバー3内の基板カセット31に回収される基板10が所定数に達する際の最後の数枚の基板10について、冷却ステージ33への載置を経由するよう搬送ロボット41に制御信号を送る。即ち、例えば最後の2枚の基板10については、最初に冷却ステージ33の上に基板を載置し、この状態を所定時間保持して基板10の温度が所定温度以下になったら、冷却ステージ33から取り去って基板カセット31に収容する動作を搬送ロボット41は行う。この際、基板10の温度は非接触温度計34によって計測されており、非接触温度計34の計測データによって基板10の温度が所定温度以下になったのを確認した後、制御部7は基板10を冷却ステージ33から取り去るよう搬送ロボット41を制御する。
【0028】
このような基板10の冷却を行うことによって、アンロードロックチャンバー3をベントする際、基板カセット31内のすべての基板10の温度は所定温度以下になる。このため、従来見られたような比抵抗のばらつき等の膜特性の不安定化が防止される。尚、冷却ステージ33の載置時間については、冷却ステージ33の冷却能力等から確実に所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板10を冷却ステージ33に載置するようシーケンス制御を行ってもよい。
【0029】
上記構成に係る本実施形態の装置では、基板10をカセット・ツー・カセットで搬送しながら枚葉処理するので、良質な薄膜が高い生産性で作成することができる。またこの際、すべての基板10について冷却ステージ33への載置動作を行うのではなく、所定数に達する際の数枚の基板10のみについて載置動作を行うので、冷却によって全体の処理時間が長期化して生産性が低下するのが抑制される。尚、どの程度の枚数について載置動作が必要かは、スパッタリングの際の基板10の加熱温度や膜の種類、最後の基板10を回収してからのベントまでの時間等によって異なるので、これらのファクターを勘案して適宜決定する。
また、非接触温度計34の計測データの使用方法としては、前述した冷却ステージ33からの基板10の取り去りのタイミング制御の他、冷却ステージ33の載置時間を予め定めてシーケンス制御し、冷却ステージ33から取り去られた際の基板10の温度が所定温度以下になっているかをモニターするようにしてもよい。
【0030】
次に、本願発明の他の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の装置は、冷却ステージ33の構成が異なっているのみであり、他の部分の構成は上述の実施形態と同様である。
図5は、本願発明の第二の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する斜視概略図である。この実施形態における冷却ステージ33は、図4に示すような溝331が形成されておらず、その代わり、基板受け渡しピン3341を内蔵している。即ち、円柱状の冷却ステージ33を上下方向に貫通するようにして中心対称の位置に四つのピン用ホール3342が形成されている。そして、各ピン用ホール3342内には基板受け渡しピン3341が挿通されており、基板受け渡しピン3341を昇降させる不図示の昇降機構が付設されている。
【0031】
図5に示す実施形態では、搬送ロボット41のアーム411が基板10を冷却ステージ33に載置する際、基板受け渡しピン3341の昇降機構が駆動され、基板受け渡しピン3341は冷却ステージ33の上面より突出した所定位置まで上昇する。そして、アーム411が四本の基板受け渡しピン3341の間に進入して下降し、基板10を基板受け渡しピン3341の上に載せる。アーム411が後退した後、昇降機構が基板受け渡しピン3341を下降させ、基板10を冷却ステージ33の上に載置する。
【0032】
この第二の実施形態によれば、第一の実施形態に比べ、冷却ステージ33の基板接触面の面積が大きくなる。このため、冷却効率がよくなり、短時間のうちに所定温度まで冷却することができ、生産性が向上する。尚、昇降機構は、駆動によって塵埃が発生する可能性があるため、アンロードロックチャンバー3外即ち大気圧側に配置されることが好ましい。
【0033】
図6は本願発明の第三の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。この第三の実施形態では、冷却ステージ33に対する基板10の面接触を強化するため、静電吸着機構が設けられている。即ち、冷却ステージ33の基板載置面側には誘電体ブロック3353が熱伝導性良く接続されており、誘電体ブロック3353内に一対の吸着電極3351が埋設されている。そして、吸着電極3351には所定の電圧を印加する吸着用電源3352が接続されている。また、誘電体ブロック3353の上面には、表面保護や誘電率調整等の目的で窒化アルミニウム等の不図示の誘電体膜が5〜10μm程度の厚さで形成されている。尚、誘電体ブロック3353や誘電体膜の厚さは、熱伝導性をあまり低下させないよう、必要な吸着効果が得られる範囲内でなるべく薄い厚さとしておくことが好ましい。
この第三の実施形態によれば、冷却ステージ33に対する基板10の面接触が強化されるので、冷却効率が向上し、このため冷却のための時間を短縮することができる。
【0034】
図7は、本願発明の第四の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。この第四の実施形態では、冷却ステージ33に対する基板10の面接触を強化するため、基板10を冷却ステージ33に対して押し付けるクランプ機構336が設けられている。
クランプ機構336は、基板10の外径に相当する大きさのリング状のクランパー3361と、クランパー3361を駆動する駆動機構3362とから構成されている。駆動機構3362は、冷却ステージ33に対して弾性力を作用させるバネ材とバネ材の力に抗してクランパー3361を上昇させる押し上げ棒等から構成されている。
搬送ロボット41のアーム411が基板を冷却ステージ33に載置すると、駆動機構3362がクランパー3361を下方に移動させ、基板10の周縁の上に載せる。これによって基板10の冷却ステージ33に対する面接触が強化され、冷却効率が向上する。尚、クランパー3361は、基板10の周縁の素子が形成されていないマージンの部分を押し付けるよう構成される。
【0035】
図8は、本願発明の第五の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージ33の構成を説明する断面概略図である。
この実施形態における冷却ステージ33は、基板10の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段337を備えている。冷却ステージ33の上面には、冷却用ガスを導入するための溝又は凹部3371が形成されており、冷却ステージ33の内部にはこの溝又は凹部3371に連通した連通孔3372が貫通して設けられている。連通孔3372には、冷却用ガスの供給管3373が接続されている。また、冷却ステージ33の上面の溝又は凹部3372は、基板10が載置された際に基板10によって塞がれた状態となるよう形成されている。
【0036】
連通孔3372を通して溝又は凹部3371に導入された冷却用ガスは、基板10の裏面に接触して熱交換を行い、冷却ステージ33に対して良好に熱を伝える。この結果、冷却ステージ33による基板10の冷却効率が向上し、冷却に要する時間を短縮することができる。即ち、基板10の裏面と冷却ステージ33の上面との面接触が完全ではなく僅かな隙間が形成される場合、その隙間の部分については真空中であるため熱の伝導伝達ができず、専ら放射によるのみとなる。しかし、本実施形態のように冷却用ガスを導入すると、対流作用等を生じて冷却用ガスが基板の熱を伝えるため、冷却効率が向上する。
【0037】
冷却用ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の希ガス又は不活性ガスが好適に使用される。また、上記溝又は凹部3371内に導入された状態での冷却用ガスの圧力は、例えば10Torr程度でよい。尚、冷却用ガスの温度は室温でかまわないが、室温以下の温度に冷却したものを用いると、さらに効果的である。
この実施形態から分かるように、本願発明における基板の冷却ステージへの面接触は、冷却ステージの表面に対する接触と、冷却用ガスのような流体に対する接触との両方を含んでいる。つまり、基板の裏面が接触して熱伝導を行うことで強制冷却がされるという意味である。
【0038】
【実施例】
次に、上記実施形態の発明の実施例を説明する。
発明者は、以下の表1に示すA,B,Cの三つの冷却ステージを製作して、冷却に要する時間を測定した。尚、三つの冷却ステージの形状は、すべて上記第一の実施形態のものとした。
【0039】
【表1】
【0040】
上記冷却ステージA,B,Cをそれぞれ用いて、400℃に加熱された基板が150℃に冷却されるまでに要する時間を測定したところ、冷却ステージAについては90秒、冷却ステージBについては60秒、冷却ステージCについては45秒であった。
【0041】
また、従来技術との比較を行うため、以下のような実験を行った。
まず、従来のスパッタリング装置即ちアンロードロックチャンバー3に冷却ステージを設けていないスパッタリング装置を用い、25枚の基板についてTiN膜を順次作成し、アンロードロックチャンバー3内の基板カセット31に回収した。成膜時の基板温度は400℃とした。回収後90秒経過した時点でアンロードロックチャンバー3内をベントし大気圧に戻した後、基板を取り出して各基板の膜のシート抵抗値を測定した。この結果を示したのが、図9である。
【0042】
また、本願発明の実施例の装置として上記Aの冷却ステージをアンロードロックチャンバー3に配置したスパッタリング装置を用い、同様に25枚の基板について基板温度400℃の条件でTiN膜を順次作成し、アンロードロックチャンバー3内の基板カセット31に回収した。この際、24枚め以降25枚めまで(最後の2枚)の基板については、冷却ステージに載置して基板を150℃まで冷却した後基板カセット31に回収した。冷却ステージへの載置時間は上述のように90秒であった。そして、同様に各基板の膜のシート抵抗値を測定した。この結果を示したのが、図10である。
【0043】
図9に示すように、従来の装置を用いた場合、20枚以降はシート抵抗値は徐々に上昇し、25枚めの基板は20枚めまでのシート抵抗値に対して10%程度も高かった。一方、実施例の装置を用いた場合には、図10に示すように、25枚めまでシート抵抗値は2%程度以内の変動に抑えられ、ほぼ一定に安定していた。尚、上記Bの冷却ステージを用い、60秒の冷却時間で同様に冷却を行ったところ、やはり図10のようにシート抵抗値は2%程度で安定化されることが分かった。
【0044】
このような結果から、アンロードロックチャンバーに冷却ステージを備えて基板を冷却してから大気圧に戻す本願発明の構成によれば、従来見られた膜質ムラが発生せず、すべての基板について安定した膜特性を得ることができる。このような膜特性の安定化の要因については、前述した通り、基板が高温状態では大気圧暴露されないので、大気中の酸素や水蒸気を膜が反応等により取り込むことがないことによるものと考えられる。例えば、前述したTiN膜について組成分析を行ってみると、図9に示す比抵抗が増加した基板については、チタンや窒素の他に酸素が検出されている。従って、TiN膜の表面層でTiON膜等が形成されているものと考えられる。
【0045】
図11は、上記比較例における基板温度の変化を測定した結果の図である。11図中、ステップ1は加熱状態にあるスパッタリング中の基板温度を、ステップ2はスパッタリング終了後の搬送中の基板温度を、ステップ3はアンロードロックチャンバー3内での基板温度を示している。そして、図11中の曲線1は上記Aのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線2は上記Bのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線3は上記Cのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線4は従来のように冷却ステージを使用しないでアンロードロックチャンバー3内で単に放置した場合の温度変化をそれぞれ示している。
【0046】
図11の曲線1,2,3から分かる通り、冷却ステージを使用する実施例の構成では基板温度が急減し、短時間のうちに所定温度(例えば150℃)まで冷却されることが分かる。一方、従来例の構成では、曲線4から分かる通り、基板温度が緩慢な低下に止まり、所定温度まで低下するにはかなりの時間を要することが分かる。これは、真空雰囲気にあるアンロードロックチャンバー3内では、基板の自然冷却は専ら放射によって行われ、従って、伝導を利用する実施例の構成に比べ冷却効率が極端に悪いことによるものと考えられる。
【0047】
【発明の効果】
上述した通り、本願発明によれば、スパッタリング後に大気に触れることによって生ずる膜質の変動が抑制され、膜特性の安定化が図られる。また、薄膜作成済みの基板を所定数アンロードロックチャンバー内に配置して大気圧に戻すので、生産性が向上する。加えて、冷却が必要な基板についてのみ冷却ステージへの載置動作を行うので、処理全体の時間が長期化して生産性が低下するのを抑制することができる。
また、請求項5、7、12又は14の発明によれば、上記効果に加え、基板が所定温度以下に冷却されたのを確認した後に大気圧に戻されるので、上記膜特性の安定化の効果の確実性が向上する。
また、請求項18又は19の発明によれば、上記効果に加え、冷却ステージに対する基板の面接触が強化され、冷却効率が向上する。このため、冷却に要する時間が短縮化され、生産性が向上する。
さらに、請求項20の発明によれば、上記効果に加え、基板の裏面に接触する冷却用ガスの冷却効果によって冷却効率が向上し、冷却時間の短縮化によって生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
【図2】図1の装置のX−Xにおける断面概略図である。
【図3】図1のY−Yにおけるアンロードロックチャンバーの断面概略図である。
【図4】図2に示す冷却ステージの形状を説明する斜視概略図である。
【図5】本願発明の第二の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する斜視概略図である。
【図6】本願発明の第三の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図7】本願発明の第四の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図8】本願発明の第五の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図9】従来のスパッタリング装置を使用して作成した膜のシート抵抗値を測定した結果の図である。
【図10】本願発明の実施例のスパッタリング装置を使用して作成した膜のシート抵抗値を測定した結果の図である。
【図11】本願発明の実施例の構成と従来例の構成との比較例における基板温度の変化を測定した結果の図である。
【図12】従来のスパッタリング装置の一例の構成を説明する図である。
【符号の説明】
1 スパッタチャンバー
10 基板
2 ロードロックチャンバー
21 基板カセット
3 アンロードロックチャンバー
301 排気系
33 冷却ステージ
332 連通孔
333 冷媒用配管
336 クランプ機構
337 冷却用ガス導入手段
34 非接触温度計
35 ベントガス導入系
4 搬送チャンバー
41 搬送ロボット
5 プリヒートチャンバー
6 エッチングチャンバー
7 制御部
Claims (20)
- 真空中で基板を加熱しながらスパッタリングによって基板上に所定の薄膜を作成する方法であって、真空に排気されたアンロードロックチャンバー内に薄膜作成が終了した基板を順次配置し、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後、アンロードロックチャンバーを大気圧に戻す方法であり、
前記薄膜作成済みの基板が所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて、基板を冷却ステージ上に載置して強制冷却した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すことを特徴とする薄膜作成方法。 - 基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すことを特徴とする請求項1記載の薄膜作成方法。
- 前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止することを特徴とする請求項2記載の薄膜作成方法。
- 前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下(ただし、摂氏80度以下を除く)であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止することを特徴とする請求項2記載の薄膜作成方法。
- 前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻すことを特徴とする請求項2、3又は4記載の薄膜作成方法。
- 前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するようシーケンス制御を行うことを特徴とする請求項2、3又は4記載の薄膜作成方法。
- 前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことを特徴とする請求項2、3又は4記載の薄膜作成方法。
- 排気系を備え、基板上にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタチャンバーと、スパッタリング中に基板を所定の温度まで加熱する加熱手段と、排気系及びベントガス導入系を備えたアンロードロックチャンバーとを有するスパッタリング装置において、
基板を搬送する搬送機構が設けられており、この搬送機構は、スパッタリングによって所定の薄膜が作成された基板をアンロードロックチャンバーに搬送するものであり、
アンロードロックチャンバーは、前記薄膜が作成された基板が順次配置されるものであって、ベントガス導入系は、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後にアンロードロックチャンバー内を大気圧に戻すものであり、
アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了してスパッタチャンバーから搬送された基板に面接触して基板を強制冷却する冷却ステージが設けられており、
前記アンロードロックチャンバーのベントガス導入系及び前記搬送機構の動作を制御する制御部が設けられており、この制御部は、前記所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて前記冷却ステージへの載置動作を行った後に前記アンロードロックチャンバー内を大気圧に戻す制御を行うことが可能であることを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記制御部は、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒す制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項8記載のスパッタリング装置。
- 前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下の温度であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度以下に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであることを特徴とする請求項9記載のスパッタリング装置。
- 前記所定温度以下は摂氏100度から150度の範囲の温度以下(ただし、摂氏80度以下を除く)であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであることを特徴とする請求項7記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に基板を前記冷却ステージから取り去る制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項9、10又は11記載のスパッタリング装置。
- 前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するシーケンス制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項9、10又は11記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項9、10又は11記載のスパッタリング装置。
- 前記アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了した所定数の基板を収容する基板カセットが配置されており、スパッタチャンバーから搬送された基板を前記冷却ステージに載置した後に当該基板を冷却ステージから基板カセットに搬送して収容することが可能な搬送機構が設けられていることを特徴とする請求項8乃至14いずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージは、前記基板カセットの真下の位置に設けられていることを特徴とする請求項15記載のスパッタリング装置。
- 前記搬送機構は、基板を一枚ずつ前記スパッタチャンバーに搬送するものであり、スパッタチャンバーにおいて一枚ずつ成膜処理が行われるものであり、前記アンロードロックチャンバーは、薄膜作成済みの基板が一枚ずつ配置されるものであることを特徴とする請求項8乃至16いずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージは、静電気吸着によって基板を冷却ステージの表面に吸着する静電吸着機構を備えていることを特徴とする請求項8乃至17いずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージは、冷却ステージの表面と基板の裏面との面接触を強化するクランプ機構を備えていることを特徴とする請求項8乃至18いずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記冷却ステージは、基板の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段を備えていることを特徴とする請求項8乃至19いずれかに記載のスパッタリング装置。
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