JP4716979B2 - 高密度プラズマ半導体プロセスにおける冷却された蒸着バッフル - Google Patents
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Description
このような蒸着バッフルは、誘電壁及び真空処理チャンバの窓が蒸着される材料でコーティングされることを防止し、高周波エネルギーはこれら誘電壁及び真空処理チャンバの窓を通じて高密度プラズマに結合される。
典型的なICP源は、プラズマを励起及び維持するための処理チャンバ内で反応気体に結合させるための高周波エネルギーを供給するアンテナを備えている。
そのような多くのプロセスの例において、アンテナは、真空チャンバの壁内の絶縁窓の外側であって、かつ真空チャンバ内のアンテナと処理空間との間に配置されている。
前記窓は、アンテナからの高周波エネルギーに対しては透過性を有する一方、空気と真空状態との仕切りとしての機能を果たしている。
平面的なICP源は有用性を増してきており、処理チャンバの端部にアンテナと窓とを備えている。
このような金属及び多くの非金属を蒸着するシステムにおいて、蒸着バッフルは、誘電窓(dielectric window)が特に導電性材料によってコーティングされることを防止するために用いられている。
この目的のために、蒸着バッフルはプラズマと窓との間に配置され、このバッフルが無ければ窓に堆積してしまうであろうプラズマから伝播するコーティング材料を捕捉している。
5キロワットのレベルの高周波出力により、例えば1012 /cm3の電子密度が得られる。
更には、iPVD源を用いると、金属ターゲット上の直流出力は、材料を高密度プラズマへとスパッタリングすることにより、システムに対して20kWに至る。
バッフル及び他の構成要素の熱は、該構成要素及び該構成要素上に堆積されたコーティングに熱応力を生じさせる。
かかる熱応力により、コーティングの剥離を生じ、処理プロセスに汚染物質を生じると共に半導体基板上に形成されたデバイスを損傷させる粒子が生成されてしまう。
溝部が形成された蒸着バッフルは、この蒸着バッフルを通じて強力なRF場が結合されるのであるが、そのようなアーク放電、特に溝部の周囲でバッフルの導電性材料の構造に起因して生じるプラズマの収縮(contraction)を伴うアーク放電の影響を受け易い。
かかる条件下では、アーク放電が一層蔓延し、100℃の温度上昇が観察されている。
本発明が特に目的とするところは、ICPまたはPVD処理装置を使用する際に蒸着バッフルからのコーティングの剥離を最小化することにある。
バッフルの最大温度は例えば100℃未満、典型的には40℃未満、更に好ましくは約30℃に維持される。
このバッフルは、延在される複数の溝部を内部に有する導電性の本体を備えている。
前記溝部は、前記バッフルが高周波アンテナに対して所定の位置と方向で設置されるときに、高周波エネルギーが前記バッフルを通じて結合され、前記本体内の電流流路を寸断するように構成される。
前記バッフルの表面は通常、型押し仕上げされるか(textured)又は蒸着材料の付着を容易にするために調整されて蒸着材料の剥離を低減している。
前記溝部は好適には、前記チャンバ内の粒子が前記窓に向かって移動するための見通し路を遮るように構成されている。
このようなバッフルにあっては、隣接する溝部の各対の間の前記リブ部は、冷却液流路の区域を備えている。
少なくとも一の冷却液通路は、前記溝部を含む前記バッフルの中央部を通り前記入口から前記出口に至る冷却液流路を形成すると共に、前記溝部の間のリブ部に沿って延在され、好適には前記入口から前記出口への単一の蛇行流路を構成している。
前記通路の形状及び通路を流れる冷却液の制御によって、前記本体の前記調整面から蒸着材料が実質的に剥離することを防止するために十分に均一な温度分布を維持していると共にアーク放電が生じ得る状態を回避している。
バッフル内の溝部は典型的には互いに平行に形成されている。
前記本体は、複数の導電性のブリッジ部を備えており、各ブリッジ部は、溝部が前記本体の直径を横切って延在しないように溝部を寸断している。
前記ブリッジ部は好適には、粒子汚染を更に低減するために前記バッフルの窓側にのみに設けられている。
前記区域は従って、該通路の前記中間区域の各々に順次沿って前記入口から前記出口への単一の連続する蛇行状の冷却液流路を形成している。
また、かかるバッフルを備えている誘導結合プラズマ源が提供される。
またバッフル本体は前記円形状の部材を囲繞している環状部材を備えており、この環状部材は、前記円形状の部材のリムと結合されたときに前記本体を形成すると共に前記通路を取り囲むために、前記中間通路区域を相互接続するように内部にミル加工された相互接続通路部を備えている。
蒸着バッフル及び蒸着バッフルの表面上に形成される蒸着物における熱勾配が低減され、これにより熱応力も低減される。
蒸着物の例としては、典型的なiPVDプロセスにおいて形成される金属蒸着物が挙げられる。
この結果、粒子の生成が低減されると共に、前記バッフル内での熱電子によるアーク放電が抑制される。
最大温度は、例えば100℃を下回るまでに低下される。
個々のリブ、ブリッジ、ブレード及び蒸着バッフルの他の部分での熱応力が低減される。
また、前記バッフル上に形成される蒸着物内の熱応力も低減される。
これにより結果として、前記バッフルからの蒸着物の剥離も低減される。
従って、粒子の生成は一層少なくなっている。
条件的にはアーク放電の発生がし辛くなっているので、これによりアーク放電によって生成されるであろう汚染も低減される。
前記蒸着バッフルは耐久性があり、頻繁に交換する必要は無い。
これによりプロセス全体の生産性と効率が増大される。
装置10は、チャンバ壁14で区画された真空チャンバ11を備えていると共に、上方に向けられている基板支持体13上に支持されたチャンバ11内で処理される半導体ウェハ12を有している。
イオン化されたスパッタ材料源15はチャンバ11の先端に配置されており、高周波エネルギー源20を有するフラスト円錐状の(frusto-conical)スパッタリングターゲット16を備えている。
高周波エネルギー源20は、ターゲット16の中心の開口部に配置されている。
高周波エネルギー源20は、高周波電源の出力及びマッチングネットワーク(matching network)22に接続された高周波コイルすなわちアンテナ21を備えている。
コイル21は、チャンバ11の外側の大気雰囲気中であってチャンバ11の壁部14の一部を形成する誘電窓23の後ろ側に配置されており、これにより、チャンバ11の内部で処理気体をチャンバ11の外側の大気雰囲気から隔離して真空に維持している。
典型的にはバッフル30は、金属または金属で覆われた本体39から作製されている。
バッフル30の本体39は、隣接する溝部31の各対の間に細長い薄板すなわちリブ32を備えている。
コイル21は、誘電窓23の外側に近接して位置すると共にリターンセグメント25によって相互に接続された平行な複数の導電体セグメント24を備えており、このコイル21は、セグメント24内の電流Iaが同じ方向であって典型的にはバッフル30の溝部31に対して直交する方向に流れるように構成されている。
(図1には図示していない)冷却液の通路は、バッフルの本体39内に形成されて冷却液入口41と冷却液出口42とに連通されており、これら入口41と出口42との間に一以上の冷却液流路が設けられている。
通路40のこれら2つの区域43及び44は、本体39の中央部45を囲繞しており、この本体にはシェブロン形状(chevron-shaped)の断面を備えている溝部31が形成されていると共に、一のリブ32は互いに隣接する溝部31の各対の間を延在して形成されている。
バッフル30はリム(rim)周りの熱を除去するもので、リブ32の熱伝導率によってバッフル30の中央部から伝熱すると共に通路区域43及び44を流れる冷却液によって出口42へ熱を除去している。
このキャップ48は主本体部47のリムに向かって加工される通路区域43及び44を閉塞するために主本体部47周辺のリムを覆っているものである。
本体39の主本体部47とキャップ48とは、一般的には6061番アルミニウムのようなもので製作される。
部材47と48とは、ロウ付け等によって接合されシールされる。
この工程は例えば、ロウ材がこれら部材の間に配され、これら部材は接合力を高めるために加圧され、ロウ材が溶融を開始する温度で一旦加熱されると、これら部材は加圧された状態で接合される。
その後、本体39は室温まで冷却される。
この工程で寸法管理を行うことは困難であるので、ロウ付けが完了した後に更に追加工が施される。
次に本体39は蒸着されるコーティング材料が付着するような表面を提供するためにコーティングされて仕上げ処理がされ、これによってiPVDプロセスにおける粒子汚染の問題を引き起こす剥離に抗することができる。
そして本体39の表面が洗浄される。
バッフル50は通常は前述のバッフル30の溝部31と同様の形状とされた溝部51を備えているが、これに代えて、コイル21からの高周波エネルギーの結合を円滑にする一方で粒子が窓23に衝突することを防止するために適切と考えられる他のいくつかの溝部パターンとすることができる。
バッフル50は内部に冷却通路60が形成された金属性若しくは導電性を有する本体55を備えており、この冷却通路60は材料冷却液入口61と冷却液出口62との間で一以上の流路をもって延在されている。
通路60は一以上の平行な流体流路を含むことができるが、図示された実施例では入口61から出口62への単一の連続する流路が設けられている。
このようにして、通路60は単一の蛇行形状の冷却液流路を為し、冷却液は各リブにおける通路区域を通じて方向を変えながら流れていく。
これにより蒸着バッフル50の全面に亘る冷却が提供される。
銅やタンタルについてiPVD処理を行うために、これら部材は2024番のアルミニウムで製作することができる。
主本体部57は内部に機械加工された溝部51を備えると共にリブ52を含んでいる。
各リブ52は略直線状とされて主本体部57を横切るように延在しており、それぞれ主本体部57の円形の周辺上で終端とされている。
中間通路区域63はリブ52の各々の全長に亘って延在されており、これら中間区域63も主本体部57の円形状の周辺上で各終端とされている。
環状の外側ウォータージャケットキャップ58は、主本体部57の周辺に接合される内面を備えている。
この内面には、隣接する中間通路区域63を接続している相互接続通路部64が機械加工により形成されており、中間区域63と相互接続通路部64とを直列的に接続して連続する蛇行状の冷却液流路が形成される。
部材63及び64は共に接合される前に完全に機械加工が施されている。
機械加工の後に、部材63及び64は、合金の浸透の制御を可能とし、これら部材を共に溶融させて部材間の水密性と気密性を付与すべく電子ビーム溶接により接合されている。
電子ビーム溶接プロセスでは局地的に熱が生じるに過ぎないので、接合の際の部材63及び64の材料歪みは最小とされている。
接合の後、本体55は蒸着されるコーティング材料が付着するような表面を提供するためにコーティングされて仕上げ処理がされ、これによってiPVDプロセスにおける粒子汚染の問題を引き起こす剥離に抗することができる。
そして本体55の表面が洗浄される。
バッフル30上及びバッフル50上での最大温度は、バッフル30及びバッフル50の中心、すなわち最も中心寄りのリブ32及びリブ52の中点で生じることが見出されており、この点の温度を冷却水の流量の関数として図4Aにそれぞれ曲線71及び曲線72で示している。
与えられたiPVD出力に対して、バッフル30では、この点の温度は120℃を超えているが、バッフル50では、この点の温度は30℃程度にまで低下されている。
バッフル30の出口42及びバッフル50の出口62での冷却水の温度は、図4Aにおいてそれぞれ曲線73と曲線74とにより示されている。
図4Bは、与えられたiPVDの動作条件下でのバッフル50の最大温度と出口水温とを種々の冷却水流量について示したものである。
上述した米国特許出願公開第2003/0159782号明細書で説明されている理由により、バッフル50の溝部51を横断するブリッジ部を設けることが望ましい一方で、ブリッジ部をバッフル50の窓側に配置することにより、剥離や粒子汚染が一層低減されることが判明した。
このようなバッフルが図5A及び図5Bに示されている。
各々の溝部81は図5Aに示されているように、バッフル本体の周辺部84近傍の円形状の内部を横断する弦(cord)に沿って延在されている。
各々の溝部81は、少なくとも一点でブリッジ部85の一つにより寸断されている。
これらのブリッジ部は図5Aに示されているように、バッフル80の窓側にのみ溝部を横切って形成されている。
ブリッジ部85をバッフル80の窓側に配置することにより、更に粒子汚染の可能性が低減されるが、これは、バッフルのプラズマ側での温度の均一性が促進されたことによるものと考えられる。
しかしながら、本発明のバッフルはICP反応炉と共に使用しても有用である。
11 真空チャンバ
12 半導体ウェハ
13 基板支持体
14 チャンバ壁
15 スパッタ材料源
16 スパッタリングターゲット
20 高周波エネルギー源
21 コイル,アンテナ
22 マッチングネットワーク
23 誘電窓
24 導電体セグメント
25 リターンセグメント
30,50,80 蒸着バッフル
31,51,81 溝部
32,52 リブ
39,55 本体
40 流路
41,61 冷却液入口
42,62 冷却液出口
43,44 半円区域
45 中央部
47,57 主本体部
48,58 キャップ
60 冷却通路
63 中間通路区域
64 相互接続部
71,72,73,74 曲線
83 直径
85 ブリッジ部
Claims (5)
- プラズマ処理チャンバのチャンバ壁における誘電窓を保護し、前記窓の外側に設けられたコイルから発生され、前記窓とバッフルとを通じて前記チャンバ内のプラズマに流入する高周波エネルギーの誘導結合を円滑にする蒸着バッフルにおいて、
導電性を有する本体であって、
該本体には、前記バッフルが前記コイルに対して所定の位置と方向で設置されるときに、高周波エネルギーが前記バッフルを通じて結合され、前記本体内の電流流路を寸断するように前記本体を延在している複数の溝部とが形成されており、
前記本体が、隣接する前記溝部の各対の間に形成されたリブ部と、冷却液入口と、冷却液出口と、前記入口から前記出口までの冷却液流路を形成する少なくとも一つの冷却液通路とを備えており、前記少なくとも一つの通路は複数のリブ部に沿って前記本体内で延在されており、
前記通路は前記入口と前記出口との間で複数の中間区域を備えており、
前記本体は、周辺部と前記溝部と前記リブと前記通路の前記中間区域とを備えた中央部の円形状の部材を備えていると共に、前記通路の前記中間区域の各々は、前記リブの一つに沿って延在されると共に中央部の前記円形状の部材の周辺上で延在されており、
前記本体は更に、中央部の前記円形状の部材を囲繞すると共に中央部の前記円形状の部材の周辺に隣接して結合された内面とを有する環状部材を備えており、
前記通路が、前記環状部材の前記内面に形成された相互接続通路部を備えていると共に、前記入口ポートと前記出口ポートとの間の前記通路の前記中間区域の各々を接続している本体、
を有していることを特徴とするバッフル。 - 前記中間区域に沿う全ての点は、少なくとも前記端部の一つから前記中間区域の直線長さに沿ってアクセス可能とされていることを特徴とする請求項1に記載のバッフル。
- 前記中間区域は、一の中間区域から他の中間区域を通過する際に流れの方向が変更され、前記入口から前記出口への連続する蛇行状の冷却液流路が形成されるように前記入口と前記出口との間で直列的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のバッフル。
- プラズマ処理チャンバのチャンバ壁における誘電窓を保護し、前記窓の外側に設けられたコイルから発生され、前記窓とバッフルとを通じて前記チャンバ内でのプラズマ処理空間内におけるプラズマに流入する高周波エネルギーの誘導結合を円滑にする蒸着バッフルにおいて、
前記コイルは、前記窓に対して近接し且つ平行に延在している平行な複数の導電体セグメントを備えており、
前記バッフルは、中央部の円形状の部材と、外側の環状部材とを有し、中央部の前記円形状の部材は周辺部によって区画され、前記円形状の部材を囲繞している前記環状部材が、前記円形状の部材の周辺部と結合された内面を有する導電性の本体を備えており、
前記本体が、
(1)該本体の前記周辺部から前記本体の内部を通過し、前記本体の中央部の前記円形状の部材を横切って前記周辺部へと延在している直線状で平行な複数の溝部であって、
(a)前記本体内の電流流路を寸断し、且つ、前記溝を前記窓に対しては平行で前記複数の導電体セグメントに対しては垂直となるようにして、前記バッフルを、前記コイルに対して所定の位置と方向で設置したときに、高周波エネルギーが前記バッフルを通じて結合され、
(b)設置されるときに前記チャンバ内の粒子が前記窓に向かって移動するための見通し路を遮るように、
構成された溝部と、
(2)前記本体の中央部の前記円形状の部材内のリブ部と、
(3)複数の前記溝部の対向する壁面を電気的に相互接続し、且つ、いくつかの導電性セグメントは一のブリッジ部の一側上の溝部を横切り、他の導電性セグメントは一のブリッジ部の他側上の同じ溝部を横切り、これにより、前記溝部が前記本体の中央部の前記円形状の部材を横切っては連続しないように、導電性セグメント間の前記周辺部から離れた各々の溝部を寸断している導電性のブリッジ部と、
(4)前記環状部材内に形成された冷却液入口及び冷却液出口と、前記入口から前記出口への冷却液流路を形成している冷却液通路であって、複数の前記リブ部に沿って前記本体内を延在し、且つ、前記ブリッジ部の各々に隣接している冷却液通路と、
を備えていることを特徴とする蒸着バッフル。 - 請求項4に記載の蒸着バッフルを備えた処理装置であって、
端壁を備えたプラズマ処理空間と、
プラズマ処理空間の前記端壁における平面的な誘電窓と、
前記誘電窓の外側に配置され、前記誘電窓と前記バッフルとを通過して前記処理空間内のプラズマへと至る三次元的なコイルであって、前記誘電窓に対して平行な軸と複数の平行な導電性セグメントとを備え、該導電性セグメント内を前記誘電窓の径に対して垂直な同一方向に電流を流して、前記複数の導電性セグメントを取り囲む磁場を生じさせるコイルと、
を備えており、
前記バッフルが、前記溝を前記窓の前記径に対しては平行で前記複数の導電体セグメントに対しては垂直となるようにして、前記コイルに対して所定の位置と方向で設置されている、
ことを特徴とする処理装置。
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