JP4464188B2

JP4464188B2 - 半導体製造装置用防着治具の製造方法

Info

Publication number: JP4464188B2
Application number: JP2004132569A
Authority: JP
Inventors: 岩夫住母家; 達夫高田
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005314732A

Description

本発明は、半導体製造装置のチャンバに使用されるステンレススチール（以下「ＳＵＳ」という）製の防着治具に関し、特に、金属の溶射膜を形成した防着治具の製造方法に関する。

ＣＶＤ，ＰＶＤのチャンバー内ではシリコンウエハー上に数種類の配線材やバリアー材を成膜させるが、同時に成膜材はチャンバー内を拡散してウエハーの周りに付着する。そこで、ウエハーの周囲に防着治具を配置し、これに付着させるようにしている。しかし、治具に付着した成膜材の付着力が小さいと、工程中の真空チャンバー内で防着治具から成膜材が剥離脱落する。これがウエハー上に落下すると不良品の原因になる。

そこで、現状では、これを防止するためＳＵＳやチタンの治具の表面を粗くし、拡散付着した成膜材が治具に密着して剥離脱落しないような処理を施している。その場合、治具の表面は出来る限り大きく粗した方が、はみだして付着した成膜材との接着面積をより大きくして密着度を増すことができ、剥離脱落を防止することができる。

ところで、半導体の高集積化、高密度化の進歩は非常に早く、今やその加工寸法が０．１８〜０．１３μｍと、まさにナノメーターオーダーの製品が量産されている。さらに、０．１０〜０．０７μｍにまで到達しつつある。

また、層間膜材料の高速化、微細化、多層化に伴い、高融点化や低抵抗化が進んでいる。加工方法もダマシン加工が多く用いられる様になり、関連製造装置も超高真空化している。

一方、配線材とバリアー材の変化について見てみると、配線材については、アルミは無くなることはないが銅が多く使用される様になり、製品によってはタングステンが使われる様になる。

アルミ配線の場合はバリアー材として窒化チタンが用いられているが、銅配線の場合は窒化タンタルが使われる。周知の通り、銅はアルミより、また、タンタルはチタンより高融点である。その上、銅はアルミの３．５倍、またタンタルもチタンの３．５倍位の比重がある。

この事から半導体製造装置のチャンバー内におけるウエハー周りの防着治具が受ける雰囲気はアルミ配線と窒化チタンバリアー層の組み合わせより、銅配線と窒化タンタルバリアー層の組み合わせの方が熱ストレス、重量ストレス共に大きく受けることになる。

現在、チャンバー内のウエハー周りの治具素材には、ＳＵＳやチタンが多く使われているが、現状でも熱ストレス等による変形が問題になっている。その上、ウエハーサイズも８吋〜１２吋と大型化している。必然的に周辺治具も大型化し、ストレスによる影響がより顕在化し、補修等も難しくなってきている。

ＣＶＤ，ＰＶＤ等の製造装置のプロセス温度は低温になってきているがそれでも３００〜４００℃の熱がかかる。銅配線の場合はウエハーを３００℃に温めなければならない等ストレスの原因は減ることはない。またプラズマの安定性も同時に求められている。

このような条件を満足させるために、ＳＵＳを用いた治具は、厚さを厚くして丈夫にし、熱や重さによる変形を小さくするようにしているが、この方法では、十分ではない。

また、特許文献１（特開２００３−２４７０５９）には、ＳＵＳ等の防着治具にアルミニウムなどの金属の溶射膜を形成したものが使用されていることが記載されている。このような構成によって、拡散付着した成膜材を、この防着治具で受け止め、金属の溶射膜によって、一度付着した成膜材をより剥離しにくくしている。

特開２００３−２４７０５９

しかし、様々なスパッタ材料の登場により、溶射膜に対し線膨張係数の差が大きく、防着治具に過大な熱応力を発生させるケースが発生している。このため、スパッタ皮膜の応力吸収不足が原因で、防着治具と溶射膜との界面に滑りが生じ、溶射膜が剥離してしまい、装置性能を阻害するという問題が多くなっている。

また、剥離したものが、ウエハー静電吸着ステージに付着し、ウエハーの冷却異常による製品破壊を発生させる。このような異常事態が発生すると、ウエハー静電吸着ステージに付着したものを除去するため、装置を停止させるので、稼働率が低下する。また、ウエハーの高温化により治具が受ける熱ストレスも大きくなり、治具のランニング期間が短くなるという問題も生じてきた。

本発明は、このような問題の解決を図ったもので、ＣＶＤ，ＰＶＤ等の製造装置の防着治具として使用できる密着力の強い金属溶射膜を持った防着治具の製造方法を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために本願の請求項１に記載した半導体製造装置用防着治具の製造方法は、金属製の防着治具の母材の表面を粗面にする工程と、粗面にした母材の表面に金属を溶射して複数の溶射膜を重ねて形成する工程と、を有し、前記複数の溶射膜の最も母材側の溶射膜が、プラズマ溶射による溶射膜であり、最も表面側の溶射膜がフレーム溶射による溶射膜であることを特徴としている。

本願の請求項２に記載した防着治具の製造方法は、前記母材がステンレススチール、チタン、チタン合金のいずれかであることを特徴としている。

本願の請求項３に記載した防着治具の製造方法は、防着治具の母材の表面を粗面にする工程が、サンドブラスト処理であることを特徴としている。

本発明は、ＳＵＳやチタン等の金属製の防着治具の表面を粗面にする工程と、粗面にした表面に金属を溶射して複数の溶射膜を形成する工程とを有するので、多層構造による溶射膜が形成され、熱プロセスに強く、母材から剥がれ難い溶射膜を備えた防着治具を得ることができる。また、成膜材の付着時に溶射膜に生じる熱応力を多層構造の溶射膜が吸収・緩和するので、溶射膜が剥がれにくくなる。

また、スパッタリング中に、防着治具に付着した成膜材が剥離することを低減でき、ウエハーの冷却異常による製品破壊を低減することができる。さらに、成膜材が剥離してウエハー静電吸着ステージに付着することが減少するので、付着物を除去する作業が少なくなって装置の稼働率を上げることができる。

母材がＳＵＳであれば、安価に製造することができる。防着治具の表面を粗面にする工程が、サンドブラスト処理であれば、均一な粗さの粗面を簡単に得ることができる。

最も母材側の溶射膜が、プラズマ溶射による溶射膜であれば、密着力の強い溶射膜を得ることができる。最も表面側の溶射膜がフレーム溶射又はアーク溶射による溶射膜である構成とすると、溶射処理後の表面粗さを他の溶射法より粗くすることができ、付着した成膜材が剥がれることなく強い力で保持することができる。

図１（ａ）から（ｄ）は、本発明による防着治具の製造方法を説明する図である。以下、この図によって、本発明の実施例を説明する。

図１（ａ）は防着治具の母材であるＳＵＳの板を示す。この母材１１は、ＳＵＳの板材からプレス加工などによって所望の形状に形成したものである。母材１１の一方の面に、アンカー（下地）処理として、サンドブラスト加工をして図１（ｂ）に示すように母材１１の表面１１ａを粗面化する。

母材１１の表面１１ａにされる金属溶射加工とは、アルミや銅等の溶射材を溶融・加速し、母材１１の表面１１ａに衝突させてコーティングするものである。母材１１と溶射材の結合は化学的な結合でも、分子間結合でもなく、ただ単に母材の表面１１ａの凸凹した中に溶けた溶射材が勢い良く入り込み密着し、収縮応力等により結合して形成されているだけである。故に母材の表面１１ａの凹凸を大きくし、かつ凹凸の数を多くすることでＳＵＳと溶射される金属との接合面を増加し、密着力を上げるのである。

強い密着力を得るためには、サンドブラスト加工による表面粗度を大きくする必要がある。本発明の実施例では、サンドブラストの加工条件としては、エアー圧が０．６ＭＰａ程度で、砥粒としては炭化珪素１００番を使用した。防着治具がＳＵＳやチタンの場合は、前記の条件で、母材１１の表面１１ａは、Ｒａ（中心線平均粗さ）＝５μｍ、Ｒｍａｘ（最大粗さ）＝４８μｍの粗面となった。この程度の粗さであれば、十分な密着力を得ることができる。

サンドブラスト加工により粗面化された母材１１は、スパッタチャンバーに入れられ、ターゲットからスパッタされた金属粒子が、母材１１の表面１１ａ上に付着して図１（ｃ）に示すように第１の溶射膜１２が形成される。この第１の溶射膜１２は、膜と母材１１との密着力が他の溶射法よりも大きくできる高温溶射法を用いる。実施例では、プラズマ溶射法を用いた。第１の溶射膜１２の表面１２ａは、母材１１の表面１１ａよりは凹凸が少ない粗面となっている。

本発明では、前記第１の溶射膜１２の上に次の溶射膜１３を形成している。この第２の溶射膜１３は、なるべく表面粗さが粗いものが望ましい。このような目的から、実施例ではフレーム溶射法を用いたが、アーク溶射法を用いることとしてもよい。

半導体製造装置のチャンバー内において、防着治具に付着する成膜材を剥離させない為にはその表面を、より粗くしなければならない。しかし、プラズマ溶射による溶射膜の表面を、条件を満たすほど大きく粗らすのは無理がある。また、スパッタ材料によって溶射膜にとの線膨張係数の差が大きくなり、防着治具に過大な熱応力を発生、防着治具と溶射膜との界面に滑りが生じ、溶射膜が剥離してしまう。

そこで、ＳＵＳの母材１１の表面１１ａをブラスト加工によって粗くし、プラズマ溶射法による第１の溶射膜１２との結合力を大きくする。そして、その第１の溶射膜１２の上にフレーム溶射又はアーク溶射による第２の溶射膜１３を重ねる。第１の溶射膜１２と第２の溶射膜１３とは、同じ金属（例えばアルミニウム）同士なので、結合力が大きく剥離しにくい。そのため、プラズマ溶射による第１の溶射膜１２の表面１２ａを粗くする必要はない。一方、フレーム溶射又はアーク溶射による第２の溶射膜１３は、他の溶射法と比べて表面１３ａを粗くすることができる。表面１３ａが粗くなれば、スパッタリング装置でウエハー上に薄膜を形成しているとき、拡散した溶射金属が防着治具に付着しても剥がれ難くなり、ウエハー上に落下する可能性は低くなる。

第１と第２の溶射膜１２，１３を備えた防着治具を半導体製造装置のチャンバー内に使用すると、ウエハー周りの防着治具に成膜材が付着した時、溶射膜が受ける熱応力を多層構造の溶射膜が吸収・緩和するので、溶射膜が剥がれにくくなる。

従来の溶射膜が１層だけの防着治具をＣＶＤ，ＰＶＤ等の製造装置のチャンバー内の治具として使用した場合と比べ、図１（ｄ）に示す第１の溶射膜１２と第２の溶射膜１３とを有する本発明の防着治具１０を使用した場合、使用時間が従来のものに対し、本発明の防着治具１０は、約１０％延長された。また、パーティクル出現数は、２５枚のウエハを連続処理したとき０．１３μｍ以上のパーティクルが出現する個数を、カウントして比較したが、従来の１層だけの溶射膜の防着治具に対し、本発明の防着治具１０では、約２０％低減される結果となり、大幅な改良となった。

また、本発明では、ＳＵＳの母材１１を損傷することがないので、再生使用回数を増加させることができ、繰り返し使用することで、コスト低減を可能にした。

なお、前記の実施例では、溶射する金属としてアルミを例示したが、銅やその他の金属を使用してもよい。また、第１の溶射膜と第２の溶射膜とを共にアルミにしたが、これもアルミと銅など、異なる金属としてもよい。金属同士であれば、第１の溶射膜と第２の溶射膜との密着力は十分な大きさを確保することができる。

さらに、前記の実施例では、第１の溶射膜と第２の溶射膜との２層構造であったが、３層以上の多層構造にしてもよい。また、母材のＳＵＳに代えて、チタン又はチタン合金等他の金属を使用してもよい。

（ａ）から（ｄ）は、本発明による防着治具の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１０防着治具
１１母材
１１ａ母材の表面
１２第１の溶射膜
１２ａ第１の溶射膜の表面
１３第２の溶射膜
１３ａ第２の溶射膜の表面

Claims

金属製の防着治具の母材の表面を粗面にする工程と、粗面にした母材の表面に金属を溶射して複数の溶射膜を重ねて形成する工程と、を有し、前記複数の溶射膜の最も母材側の溶射膜が、プラズマ溶射による溶射膜であり、最も表面側の溶射膜がフレーム溶射による溶射膜であることを特徴とする半導体製造装置用防着治具の製造方法。
前記母材がステンレススチール、チタン、チタン合金のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置用防着治具の製造方法。
前記防着治具の母材の表面を粗面にする工程が、サンドブラスト処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体製造装置用防着治具の製造方法。