JP4493638B2

JP4493638B2 - 真空処理方法

Info

Publication number: JP4493638B2
Application number: JP2006279297A
Authority: JP
Inventors: 耕不破; 謙前平
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2018-03-02
Also published as: JP2007036289A

Description

本発明は真空処理方法に関し、半導体基板などの基板を静電チャックプレートなどで静電吸着する際に、静電チャックプレートと基板との間に生じるダストの量を低減させる技術に関する。

図２の符号１００は従来のスパッタ成膜装置であり、処理室１０１を有している。該処理室１０１の底面には、静電チャックプレート１０２が設けられており、天井側には、ターゲット１０６が配置されている。

静電チャックプレート１０２は、板状に成形された絶縁物１０４と、絶縁物１０４内に配置された電極１０５ａ、１０５ｂを有しており、不図示の電源により電極１０５ａ、１０５ｂ間に電圧を印加できるように構成されている。

このようなスパッタ成膜装置１００を用いて半導体ウエハ等の基板１０３に成膜を行う際には、処理室１０１内を高真空雰囲気にし、静電チャックプレート１０２内に設けられた不図示のヒーターに通電し、静電チャックプレート１０２を昇温させた状態で、静電チャックプレート１０２の表面に基板１０３を乗せる。次いで、電極１０５ａ、１０５ｂに電圧を印加し、基板１０３と静電チャックプレート１０２との間に静電吸着力を発生させ、基板１０３を静電チャックプレート１０２表面に静電吸着させると、基板１０３は静電チャックプレート１０２表面に密着され、熱伝導によって基板１０３が加熱される。

その後、ガス導入手段１０７から処理室１０１内にスパッタガスを導入し、ターゲット１０６に直流電圧を印加すると、ターゲット１０６がスパッタされ、基板１０３の表面に薄膜が形成される。

このとき、基板１０３は静電チャックプレート１０２に密着されており、静電チャックプレート１０２で均一に加熱されているので、基板１０３の温度分布は均一になっており、その結果、基板１０３面内の膜厚分布や特性分布が均一な薄膜を形成できるようになっている。

しかしながら、基板１０３が湾曲していた場合、静電チャックプレート１０２表面に吸着される際に、基板１０３裏面と静電チャックプレート１０２表面との間が摺動し、摩擦によってダストが発生してしまう。

また、基板１０３が湾曲していない場合でも、静電チャックプレート１０２からの熱伝導によって温度上昇する際に、基板１０３が熱膨張し、基板１０３裏面と静電チャックプレート１０２表面との間が摺動し、摩擦によってダストが発生してしまう。

このようなダストが基板１０３の裏面に付着し、基板搬送の過程で処理室１０１の内部に散乱して、ダスト汚染を招いてしまう。また、ダストが基板１０３の表面に付着した場合には、薄膜欠陥の原因となり、デバイスの歩留まりが低下してしまう。
このようなダスト発生に対しては、従来いくつかの対処法が考えられていた。

第１の対処法としては、基板１０３を搬送して静電チャックプレート１０２上に配置した後、基板１０３を静電吸着せずに、昇温させ、基板を温度上昇させた後、静電吸着するという方法がある。

この場合、基板１０３が熱膨張する間は、基板１０３裏面は静電チャックプレート１０２表面に接触しているだけで、摩擦力は働いていないので、摺動によるダストの発生は少なくなると考えられる。

しかしながら、この第１の対処法では、静電チャックプレート１０２と基板１０３との間の熱伝達が悪い状態で、基板１０３が加熱されるため、加熱時間を十分とっても、基板１０３の温度は静電チャックプレート１０２よりも数十℃低くなってしまう。

実際に本発明の発明者等が、基板１０３を静電チャックプレート１０２上に載置し、静電吸着しない状態で充分に加熱してみたところ、静電チャックプレート１０２の温度が３００℃のときに、基板１０３の温度は２５０℃以下にしかならなかった。

そして基板１０３と静電チャックプレート１０２の間に温度差があった場合、静電吸着後は基板１０３は温度差分だけ熱膨張するため、その熱膨張の際にはダストが発生すると考えられる。

以上説明した第１の対処法では、基板１０３を室温でチャックした場合に１０００００個発生していたダストの発生量が、８００００個に減るという程度の効果しかないので、デバイス製造での歩留まりを向上させるには到らない。また、アニールに要する時間が長くなるため、スループットが低下するという問題も生じてしまう。

そこで、ダスト発生に対処する第２の対処法として、静電チャックプレート１０２の静電吸着力を小さくするという方法が考えられる。

符号ｆ_cで静電吸着力を表すものとすると、その静電吸着力ｆ_cは、よく知られているように、下記(１)式で与えられる。
ｆ_c＝(１／２)・ε・(Ｖ／ｄ)² …(１)

ここで、εは電極１０５ａ、１０５ｂと基板１０３との間の絶縁物１０４の誘電率、ｄは基板１０３と電極１０５ａ、１０５ｂとの間の絶縁物１０４の厚み、Ｖは静電チャックの電極１０５ａ、１０５ｂ間の電圧である。(１)式において、電圧Ｖは容易に変更できるので、静電吸着力ｆ_cを小さくするためには電圧Ｖを小さくすればよい。

この第２の対処法によれば、静電吸着力ｆ_cを小さくすることで、基板１０３裏面と静電チャックプレート１０２表面との間の摩擦力が減少し、ダストの発生量を低下させることができる。

しかし、この第２の対処法では、静電吸着力ｆ_cが小さくなる結果、基板１０３と静電チャックプレート１０２との間の密着力が悪化し、熱伝達が悪くなってしまう。その場合、基板１０３から静電チャックプレート１０２への放熱や、基板１０３の加熱等の温度制御性が悪くなるという問題がある。
特開平７−８６２４７号公報特開平７−８６２５０号公報特開平９−９７８３０号公報特開平９−１３４９５１号公報特開平９−１８６１１２号公報特開平９−２９３７６９号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、静電チャックプレートを用いた従来技術では有効に減少させえなかったダストの発生量を低減させ、デバイス製造上の歩留まりを向上させることにある。

図３において８０は静電チャックプレートを示す。静電チャックプレート８０上に基板８１を載置し、静電チャックプレート８０内にある不図示のヒータで基板８１を加熱する。すると熱膨張に起因する引張り力ｆ_tが基板８１と静電チャックプレート８０の接触面に沿って発生し、これと反対方向に摩擦力ｆが生じる。この摩擦力ｆは
ｆ＝μＮ＝μ(Ｍｇ＋ｆ_c) …(２)
と表すことができる。

μは摩擦係数であって、Ｎは基板８１が静電チャックプレート８０から受ける垂直抗力である。また、Ｍは基板８１の質量、ｇは重力加速度であって、Ｍｇは基板８１の受ける重力(以下基板８１の自重と称する)を示している。さらに、ｆ_cは静電吸着力を示している。

基板８１の自重Ｍｇは静電吸着力ｆ_cよりもはるかに小さいため無視できる。例えば直径８インチのＳｉ基板の場合は、その重さは６０ｇ以下でしかないが、静電吸着力を１００ｇ／cm²とすると、Ｓｉ基板全体で受ける静電吸着力は約３１ｋｇ重となり、自重による抗力よりもはるかに大きい。従って、(２)式は、
ｆ≒μｆ_c …(３)
と近似できる。静電チャックプレートの種類にもよるが、静電吸着力は３０００ｇ／cm²を超えるものもあるので、この近似は妥当といえる。

基板８１と静電チャックプレート８０の間に生じるダストは、(３)式で示された摩擦力ｆが原因なので、ダスト発生量を少なくするためには、静電吸着力ｆ_c、摩擦係数μの何れか一方を減少させることで、摩擦力ｆを小さくすればよい。

このうち静電吸着力ｆ_cを小さくすると、上述のように基板８１の温度制御性が悪くなるため、摩擦係数μを小さくすることが望ましい。
一般に、摩擦力ｆを小さくするためにはグリス状の潤滑剤が用いられており、摩擦が生じる摺動面へ塗布することで、摩擦係数μが小さくされている。

しかしながら静電チャックプレートが用いられる真空装置(ＣＶＤ装置、スパッタ装置等)では高い清浄度が要求されるため、グリス等のように、装置内の汚染が生じやすい潤滑剤を用いることはできない。

そこで、本発明の発明者等は、気体分子を用いることを考えた。
実際に、セラミック製ヒーター付き静電チャックプレートを用い、真空雰囲気(１．３×１０^-4Ｐａ)中で静電チャックプレートを２５０℃に昇温させ、静電チャックプレート中の電極に±３００Ｖの電圧を印加し、基板を吸着させた。

その基板を真空雰囲気中から取り出し、基板裏面に付着したダストの個数を観察した結果、３４０００個のダストが計測された。

他方、真空雰囲気中でなく大気圧中(１．０×１０⁵Ｐａ)とした他は条件を変えずに静電吸着させた結果、基板裏面には、４１１８個のダストが計測された。

このように、大気圧中で静電吸着した場合は、高真空雰囲気中で静電吸着した場合に比して、全体のダスト数がおよそ１／８に減少している。

この結果を考察すると、大気圧中で静電吸着した場合には、基板裏面と静電チャックプレート表面との間には気体分子が存在し、基板裏面及び静電チャックプレート表面に吸着した気体分子が潤滑剤として作用し、摩擦力が小さくなる結果、ダストの発生量が減少すると考えられる。

そして、気体分子を潤滑剤としたときには、基板と静電チャックプレートとの間の熱伝達が良くなり、２５０℃の静電チャックプレートに、室温の基板を静電吸着させた場合、基板温度は５秒以下で２５０℃まで到達する。従って静電吸着力ｆ_cを小さくするのとは異なり、ダスト発生量を減少させても基板の昇温速度が遅くなることはない。

上記例では大気圧(１．０×１０⁵Ｐａ)での事例を述べたが、大気圧よりも低圧中で静電吸着した場合でも、潤滑ガスとなる気体分子が、基板と静電チャックプレートとの間に存在していればすれば有効に作用する。本発明の発明者等は１．３×１０⁴Ｐａ以下の圧力でもダスト発生量を減少させられることも確認している。

本発明は、かかる知見に基づいて得られたものであり、請求項１記載の発明は、処理室内に設けられた静電チャックプレート上に基板を静電吸着させて前記基板を真空処理する真空処理方法であって、昇温された前記静電チャックプレート上に処理対象の基板を配置し、１００Ｐａよりも圧力が低い予備真空状態の前記処理室内に、前記処理室に接続されたガスボンベから潤滑ガスを導入し、前記処理室内を昇圧させ、１００Ｐａ以上の第１の圧力下で、前記静電チャックプレートによって前記基板を静電吸着し、前記静電チャックプレートからの熱伝導によって前記基板を加熱した後、前記処理室の内部を真空排気して圧力を低下させ、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力にした状態で前記基板を真空処理する真空処理方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の真空処理方法であって、前記基板を静電吸着して加熱する際、前記処理室内を大気圧の前記潤滑ガス雰囲気にすることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の真空処理方法であって、前記基板が所定温度に昇温した後、前記処理室内を真空排気して前記第２の圧力に低下させることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の真空処理方法であって、前記潤滑ガスは希ガス又は窒素ガスであることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の真空処理方法であって、前記真空処理は、前記第２の圧力にされた後、静電吸着された前記基板表面にスパッタリング法によって薄膜を形成する処理であり、前記潤滑ガスには、希ガスであるスパッタリングガスを用いることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の真空処理方法であって、前記基板は、前記処理室内を真空排気した後、真空雰囲気を維持しながら前記処理室内に搬入することを特徴とする。

このように、潤滑ガスを処理室内に導入し、第１の圧力の下で基板を静電チャックプレート上に静電吸着することにより、静電チャックプレートの表面と基板との間に潤滑ガスのガス分子を吸着させることができる。このため、潤滑ガスのガス分子が、基板裏面と静電チャックプレート表面との間の潤滑剤となり、摩擦力を小さくでき、ダスト発生量を減少させることが可能となる。

また、基板裏面と静電チャックプレートの間に潤滑ガスが存在するため、熱伝達が良くなり、基板の温度制御性が向上する。

さらに、潤滑ガスに吸着性の低いガスを用いれば、潤滑ガスを真空排気するのも容易であり、処理室内が汚染されることもない。

基板の温度制御性を悪化させることなく、ダスト発生量を減少させることができる。

以下で、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１の符号７０は本発明の一実施形態の真空処理方法に用いられるスパッタ成膜装置である。

このスパッタ成膜装置７０は、処理室１、ガス導入系２０、排気系３０、電源系４０、真空ゲージ５０及びコンピュータ６０を有している。

処理室１内の底面側には載置台８が配置されており、該載置台８上には、静電チャックプレート２が配置されている。

静電チャックプレート２は、板状の絶縁物４と、該絶縁物４内で、一定間隔で離間して配置された一対の電極５ａ、５ｂとで構成されている。また、絶縁物４の内部には、図示しないヒータが内蔵されており、そのヒータは、図示しない加熱用電源に接続され、該加熱電源によってヒータに通電すると、静電チャックプレート２全体を加熱できるように構成されている。

電源系４０は、直流電源４１とチャック電源４２とを有しており、直流電源４１はターゲット７に接続され、処理室１との間に直流電圧を印加できるように構成されている。また、チャック電源４２は、処理室１の外部底面に設けられた導入端子６ａ、６ｂを介して、電極５ａ，５ｂにそれぞれ接続されており、チャック電源４２を起動すると、これらの電極５ａ、５ｂの間に直流電圧を印加できるように構成されている。

ガス導入系２０は、マスフローコントローラ２１、２４、バルブ２２、２５、第１、第２のガスボンベ２３、２６を有しており、第１、第２のガスボンベ２３、２６内には、スパッタリングガスと潤滑ガスとがそれぞれ充填されている。

第１、第２のガスボンベ２３、２６は、それぞれバルブ２３、２６、マスフローコントローラ２１、２４を介して処理室１に接続されており、バルブ２２、２５を開けると、処理室１内に、スパッタリングガスと潤滑ガスをマスフローコントローラ２１、２４でそれぞれ流量制御した状態で導入できるように構成されている。

排気系３０は、真空ポンプ３１とゲートバルブ３２とを有しており、真空ポンプ３１はゲートバルブ３２を介して処理室１に接続されている。そして、真空ポンプ３１を動作させた状態でゲートバルブ３２を開けると、処理室１内を高真空状態まで真空排気できるようになっており、処理室１外部に設けられた真空ゲージ５０によって、処理室１内の圧力を測定できるように構成されている。

マスフローコントローラ２１、２４、バルブ２２、２５、真空ポンプ３１、ゲートバルブ３２、直流電源４１、チャック電源４２及び真空ゲージ５０は、コンピュータ６０に接続されており、コンピュータ６０から入力される信号によって動作するように構成されている。

従って、下記に説明するスパッタリングガスや潤滑ガスの導入、処理室１の真空排気量の制御、ターゲット７及び電極５ａ、５ｂへの電圧印加等の制御はコンピューター６０によって行われるものとする。

以上のようなスパッタ成膜装置７０を用いてスパッタリングを行う場合には、成膜する際には、予め真空ポンプ３１を動作させ、処理室１に接続されたゲートバルブ３２を開けて処理室１内を１×１０^-4Ｐａ以下の高真空状態まで真空排気しておく(予備真空状態)。

次に不図示のヒータに通電し、静電チャックプレート２の温度を３００℃まで昇温させた後、上記の高真空状態を維持しながら、処理室１内に成膜対象である基板３を搬入し、静電チャックプレート２上に載置する。

次いでゲートバルブ３２を閉じ、処理室１内の真空排気を停止した状態でバルブ２５を開け、第２のガスボンベ２６内の潤滑ガスを、処理室１に流量制御しながら導入する。

真空ゲージ５０が１００Ｐａ(第１の圧力)を示したところで、バルブ２５を閉じ、チャック電源８を起動し、電極５ａ，５ｂにチャック電圧を印加すると、静電チャックプレート２と基板３との間に静電吸着力が生じ、基板３が静電チャックプレート２表面に静電吸着される。

このとき、基板３は、その裏面と静電チャックプレート２表面との間に潤滑ガスが存在した状態で密着される。

基板３が静電吸着された状態では、静電チャックプレート２からの熱伝導によって基板３が熱膨張し、基板３裏面と静電チャックプレート２表面とが摺動するが、基板３裏面と静電チャックプレート２表面の間に存する潤滑ガスが潤滑剤となり、その間の摩擦力が小さくなっているため、摺動してもダストが発生しにくくなっている。

また、基板３裏面と静電チャックプレート２表面の間に存する潤滑ガスにより、基板３へは、静電チャックプレート２からの直接的な熱伝導の他、潤滑ガスを介した熱伝導が生じるため、熱的な接触面積が大きくなっている。従って、従来に比べて基板３の昇温速度が速くなっており、基板３は５秒間程度で静電チャックプレート２と同温度の３００℃に達する。

基板３が所定温度に達した後、ゲートバルブ３２を開け、処理室１内の真空排気を再開し、真空ゲージ５０が１×１０^-4Ｐａ(第２の圧力)を示したところでバルブ２２を開け、流量制御した状態で処理室１内にスパッタリングガスを導入する。

処理室１内の圧力が安定したところで、直流電源４１を起動し、ターゲット７に直流電圧を印加すると、ターゲット７のスパッタが開始され、基板３表面に薄膜が成長する。

基板３表面の薄膜が所定の膜厚に形成されたら、スパッタリングガスの導入及びターゲット７への直流電圧の印加を停止し、スパッタリングを終了させる。

薄膜が形成された基板３を処理室１から取り出し、その裏面を観察したところ、従来では数万個程度のダストが計測されたが、本実施形態では３０００個から４０００個程度のダストしか計測されず、摩擦力の低下によるダスト発生防止の効果が確認できた。

なお、本実施形態では、潤滑ガスを導入し、処理室１内の圧力が１００Ｐａになった状態で静電チャックプレート２上に基板３を載置したが、本発明はそれに限定されるものではなく、静電チャックプレート２上に基板３を載置した後、潤滑ガスを導入し、処理室１内の圧力を１００Ｐａにし、静電吸着してもよい。

また、上記実施形態では、スパッタ成膜装置７０を用いたが、本発明の真空処理方法はＣＶＤ装置や、他の真空処理装置についても適用することが可能である。

なお、本実施形態では、静電チャックプレート２上に基板３を載置した後、潤滑ガスを導入し、処理室１内の圧力を１００Ｐａにし、静電吸着したが、本発明はそれに限定されるものではなく、潤滑ガスを導入し、処理室１内の圧力が１００Ｐａになった状態で静電チャックプレート２上に基板３を載置してもよい。

上記実施形態では、ガス導入系２０内に、潤滑ガスを導入する経路とスパッタガスを導入する経路とを別々に設けたため、スパッタガスにアルゴンガスを用いる場合、潤滑ガスに、ヘリウムガス、窒素ガス等のアルゴンガスとは異なるガスを用いることが可能になっているが、潤滑ガスとスパッタガスに同じガス(アルゴンガス等の希ガス)を用いれば、潤滑ガスを導入する経路とスパッタガスを導入する経路とを一緒にすることができる。
また、潤滑ガスの導入孔を処理室１に設けず、潤滑ガスが静電チャックプレート２の表面から吹き出すように構成してもよい。このような構成すると、潤滑ガスの消費量を少なくすることができる。

また、本実施形態では、一対の電極５ａ，５ｂを有する双極型の静電チャックプレート２を用いているが、本発明はこれに限らず、単一の電極を用いる単極型の静電チャックプレートを用いてもよい。

なお、潤滑ガスとしては、周期律表０族の他、反応性の低いガスを用いることができる。

また、上記実施形態では、第１の圧力を１００Ｐａとしたが、本発明はその圧力に限定されるものではなく、真空処理を行う第２の圧力よりも高い圧力であればよい。但し、ダストの低減効果上、１００Ｐａ以上の圧力が望ましい。

本発明の真空処理方法を実施するスパッタ成膜装置の構成図従来のスパッタ成膜装置の構成を説明する図面静電チャックプレート上に載置された基板に働く力を説明する図

符号の説明

１…処理室２…静電チャックプレート３…基板

Claims

処理室内に設けられた静電チャックプレート上に基板を静電吸着させて前記基板を真空処理する真空処理方法であって、
昇温された前記静電チャックプレート上に処理対象の基板を配置し、
１００Ｐａよりも圧力が低い予備真空状態の前記処理室内に、前記処理室に接続されたガスボンベから潤滑ガスを導入し、前記処理室内を昇圧させ、１００Ｐａ以上の第１の圧力下で、前記静電チャックプレートによって前記基板を静電吸着し、前記静電チャックプレートからの熱伝導によって前記基板を加熱した後、前記処理室の内部を真空排気して圧力を低下させ、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力にした状態で前記基板を真空処理する真空処理方法。
前記基板を静電吸着して加熱する際、前記処理室内を大気圧の前記潤滑ガス雰囲気にする請求項１記載の真空処理方法。
前記基板が所定温度に昇温した後、前記処理室内を真空排気して前記第２の圧力に低下させる請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の真空処理方法。
前記潤滑ガスは希ガス又は窒素ガスである請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の真空処理方法。
前記真空処理は、前記第２の圧力にされた後、静電吸着された前記基板表面にスパッタリング法によって薄膜を形成する処理であり、前記潤滑ガスには、希ガスであるスパッタリングガスを用いる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の真空処理方法。
前記基板は、前記処理室内を真空排気した後、真空雰囲気を維持しながら前記処理室内に搬入する請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の真空処理方法。