JP5160054B2

JP5160054B2 - 排気可能なマグネトロンチャンバ

Info

Publication number: JP5160054B2
Application number: JP2006193614A
Authority: JP
Inventors: 真稲川
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: KR101275093B1; US20070017798A1; TW200704806A; CN1900353A; KR20070011162A; JP2007046158A; TWI350318B; CN1900353B; US8097133B2

Description

発明の分野

本発明は一般に材料のスパッタリングに関する。特に、本発明はスパッタリングチャンバの真空ポンプシステムに関する。

発明の背景

スパッタリングはシリコン集積回路の製造において定評のある技術であり、金属ターゲットをスパッタすることでシリコンウエハ上にターゲット材料を堆積させる。近年、スパッタリングは、フラットコンピュータディスプレイや大型フラットテレビ等のフラットパネルディスプレイの製造において、同様な目的で利用されている。様々なタイプのフラットパネルディスプレイを製造することができ、典型的にはパネルと呼ばれるガラスやポリマーのような大型の薄い長方形の絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、フィールドエミッタ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を含む。ほとんどのパネル製造装置はその大きさで区別される。最初に開発されたものは、約４８０ｍｍの横寸法を有するパネルを前提としていた。最新世代は一辺が２ｍ以上のパネルを視野に入れている。大型化により、約３００ｍｍに限られていたウエハ製造装置では起こらなかった問題が最近の装置では起こるようになってきた。

従来のフラットパネルスパッタリアクタ１０は図１の断面図に概略的に示されている。デマレイらはこのようなリアクタを米国特許第５，５６５，０７１号でより詳細に開示しており、これは引用により本明細書に一体化される。主真空処理チャンバ１４内の台座１２は、バッキングプレート２０に接着されたターゲット１８に対向してスパッタコーティングされるパネル１６を保持しており、バッキングプレートは処理チャンバ１４にシールされているが、絶縁されている。ターゲット１８はバッキングプレート２０に接着された１又はそれ以上のターゲットタイルを含むことができる。アルゴンスパッタリングガスはアルゴンガス供給源２２からマスフローコントローラ２４を介して主チャンバ１４に流入する。高真空ポンプ２６、例えばクライオポンプはゲートバルブ２８を介して真空処理チャンバ１４に連結されており、処理チャンバ１４内のベース圧力を約10⁻⁶〜10⁻⁷Ｔｏｒｒに維持しており、プラズマスパッタリングのためにはアルゴン圧力は典型的にはミリＴｏｒｒレベルに維持される。図示されていないＤＣ電源は、台座１２、処理チャンバ１４又はチャンバ内のシールドに対してターゲット１８を十分な負電圧に電気的にバイアスし、アルゴンをプラズマに励起させる。正のアルゴンイオンは負にバイアスされたターゲットに引付けられ、それから材料をスパッタし、これはパネル１６に衝突し、ターゲット材料をパネル１６上に被覆する。反応性スパッタリングでは、窒素等の反応性ガスを処理チャンバ１４に追加的に送り、スパッタされた金属と反応させて金属窒化物を形成する。この場合、チャンバ圧力はミリＴｏｒｒレベル又はそれより低く保たれる。

対向する磁極を有するマグネトロン３０はターゲット１８及びバッキングプレート２０の背面に配置され、ターゲット１８のスパッタリング面に対して水平な磁界を形成し、これによってプラズマを強化し、スパッタリング速度を上昇させる。マグネトロン３０の形状は通常、図示されたものよりはるかに複雑である。マグネトロン３０はバッキングプレート２０の背面において１方向又は２方向に走査され、これによって均一な堆積やターゲットの摩耗が得られる。ウエハスパッタリアクタにおいて、マグネトロン３０は通常、冷却槽に包囲され、連続スパッタリングによって非常に高温になることがあるターゲット１８を冷却する。しかしながら、このような構造は大型パネル用のスパッタリアクタの場合は実用的ではない。バッキングプレート２０及びターゲット１８は、裏面のマグネトロン３０からこれを介して磁場を放射することができるように比較的薄くなければならない。しかしながら、ターゲットが巨大な場合、バッキングプレート２０は、真空処理チャンバ内の高真空と大気圧（７６０Ｔｏｒｒ又は１平方インチあたり１４ポンド）の間の力に加え、冷却水の重量と水圧に耐えるものでなくてはならない。この問題は、比較的薄いバッキングプレート２０内に液体冷却路を形成し、処理チャンバ１４外から冷却液を供給してバッキングプレート２０とそれに付属したターゲット１８を冷却することで回避できる。マグネトロン３０を包囲するマグネトロンチャンバ３２はバッキングプレート２０の背面に形成され、バッキングプレート２０に真空シールされている。マグネトロンチャンバ３２は例えば１Ｔｏｒ以下、より典型的には２００〜５００ミリＴｏｒｒに真空排気され、これによってバッキングプレート２０にかかる力を大幅に低減することができる。

従来、機械式粗引ポンプ３４が粗引バルブ３６を介してマグネトロンチャンバ３２を排気して圧力を所要のＴｏｒｒ以下とし、パネル処理中その圧力を維持する。クライオポンプ２６は高真空ポンプであり、超低圧では非常に有効ではあるが、圧力が1 Ｔｏｒｒより高くなると機能しない。従って、運転開始時に大気圧から主チャンバ１４を減圧する場合、クライオゲートバルブ２８を閉じた状態で、同じ粗引ポンプ３４が第２粗引バルブ３８を通して処理チャンバ１４の排気を行う。粗引ポンプ３４が主チャンバ１４内の圧力を約２００〜５００ミリＴｏｒｒまで減圧すると、第２粗引バルブ３８が閉鎖され、クライオゲートバルブ２８が開口され、クライオポンプ２６が主チャンバ１４内の圧力をさらに所要の１０^−６Ｔｏｒｒ以下にまで減圧することが可能になる。しかし、第１粗引バルブ３６は開口されたままであり、これによって粗引ポンプ３４がマグネトロンチャンバ３２内の圧力をサブＴｏｒｒ以下に継続して減圧することが可能になる。

操作において、パネル１６は、約10⁻³−10⁻⁶Ｔｏｒｒに保持された中央搬送チャンバからスリットバルブ４０を介して主チャンバ１４に挿入される。インラインシステムの場合、２つのスリットバルブが主チャンバ１４の対向する側部に配置されており、これによってパネル１６が真空隔離チャンバのラインに沿って通過することが可能になる。本発明は、本発明のスパッタリアクタを組み込んだ大型システム構成に限定されない。

しかしながら、従来の排気系には幾つかの欠点がある。７６０Ｔｏｒｒから減圧する際、バッキングプレート２０を介した圧力差は最小化されなければならず、例えば２０Ｔｏｒｒより小さくなくてはならない。２つのチャンバ１４、３２の排気速度は一致しなければならず、減圧する際は、ターゲットバッキングプレート２０を介した圧力差が過剰にならないように慎重にタイミングを図って操作する必要がある。また、メンテナンスのために主チャンバ１４を大気に通気する際は、２つのチャンバ１４、３２は同じ速度で大気圧にしなければならない。バルブ３６、３８の一方又は他方に異常又は制御ミスがあると、圧力の急激な暴走がチャンバ１４、３２の一方のみに起こる。大気が故障したポンプ３４、２６のいずれかから逆流して、圧力差が急激に増大する可能性があるため、排気の欠陥は迅速に対応しなければならない。チャンバ内ガス漏れは即座に検知し、それに応じた調整をしなくてはならない。電源又はコンピュータに障害が起きた場合、バルブ２８、３６、３８、及びポンプ２６、３４の状態は予測できない。圧力差が最大で約２０Ｔｏｒｒ以上になると、バッキングプレート２０は極端に屈曲し、おそらくは接着されたターゲット１８もしくは複数のターゲットタイルがバッキングプレート２０から剥離する。圧力差が大きいとバッキングプレート２０が完全に変形してしまい、さらには破断する可能性がある。大型のスパッタリングターゲット、特にモリブデン等の耐熱材料は極めて高価であるため、排気事故によるターゲットの破損を最低限に抑える必要がある。

発明の概要

真空ポンプシステムはスパッタリアクタを真空排気し、このリアクタにおいて、真空マグネトロンチャンバはスパッタリングターゲットの背面を走査するマグネトロンを包囲し、スパッタリングターゲットの正面の処理チャンバはスパッタリングの間は低圧に維持されている。例えばクライオポンプのような高真空ポンプが処理チャンバに連結されている。例えば機械式粗引ポンプのような低真空ポンプ又は粗引ラインが粗引バルブを介してマグネトロンチャンバに連結されている。バイパス導管がマグネトロンチャンバと処理チャンバを連結し、バルブ、好ましくはノーマルオープン（ＮＯ）バルブを含む。バイパスバルブに連結されている圧力差スイッチは、バイパスバルブを介した圧力差が許容範囲、例えば１〜３０Ｔｏｒｒ、好ましくは約２０Ｔｏｒｒを超えるとそれを検知し、それに応じてバイパスバルブを開口する。

最初の排気では、高真空ポンプに連結されたゲートバルブは閉鎖され、バイパスバルブは開口されている。粗引バルブが開口され、これによって粗引ポンプがマグネトロンチャンバ及び処理チャンバの双方が適度な低圧に排気されることができる。圧力が交差圧力に達すると、バイパスバルブは閉鎖され、高真空ポンプに連結されたゲートバルブは開口される。

システムを通気するため、高真空ポンプに連結されたゲートバルブは閉鎖され、バイパスバルブは開口され、通気バルブは大気に開口される。

好ましい実施例の詳細な説明

図２の断面図に概略的に図示されている本発明のスパッタリアクタ５０は、主にガス排気と圧力監視の点で従来のリアクタと異なっている。機械式粗引ポンプ３４は粗引バルブ３６を介してマグネトロンチャンバ３２に連結されており、マグネトロンチャンバ３２及び主チャンバ１４の双方を粗引排気する。バイパス導管５１は、マグネトロンチャンバ３２に連結されたマグネトロンガスライン５２と、処理チャンバ１４に連結された主チャンバガスライン５３と中間バイパスゲートバルブ５４を含む。バイパスゲートバルブ５４が開口又は閉鎖されているかによって、２つのチャンバ１４、３２が互いに真空隔離されるか、圧力が均一化されるかが決定される。この実施例においては、バイパス導管５１は他のバルブを有しないことが好ましい。この構成においては、粗引ポンプ３４は開口されたバイパスバルブ５４を介して処理チャンバ１４を排気できるので、粗引ポンプ３４を主チャンバ１４に直接連結させる必要がない。装置は、共通の粗引排気ラインに連結される粗引バルブ３６を備えた複数のシステムに粗引排気ラインを提供し、本リアクタ５０のような各々のシステムに用いることができると理解される。コンベクトロンゲージのような中圧粗引真空ゲージ５６は粗引ライン上の圧力を測定し、この圧力は典型的には１００ミリＴｏｒｒより高く、機械式粗引ポンプ３４の圧力下限に近い。

バイパスバルブ５４は好ましくはノーマルオープン（ＮＯ）バルブである。即ち、閉鎖するためには正の信号又は電力をＮＯバイパスバルブ５４に印加しなければならない。このような正の信号や電力がない場合、スプリング又は他の受動手段はＮＯバイパスバルブ５４を開口し、主チャンバ１４とマグネトロンチャンバ３２とを連通させる。従って、停電又は様々なコンピュータ障害が起こった際は、バイパスバルブ５４を開口して２つのチャンバ１４、３２の圧力を均一にする。

圧力差スイッチ５８はバイパスバルブ５４をまたぐようにしてバイパス導管５１に連結されている。圧力差スイッチ５８は、閉鎖したバイパスバルブ５４にわたるいずれか一方、即ち、２つのチャンバ１４、３２間において過度の圧力差が生じたとき、これを検知する。圧力差が規定の圧力差許容限度、例えば２０Ｔｏｒｒを超えた場合は、バイパスバルブ５４を開口して２つのチャンバ１４、３２間の圧力を均等にし、バッキングプレート２０を介した圧力差を低減させる。圧力差スイッチ５８はバイパスバルブ５８に直接、若しくは測定した圧力を全て検知し全バルブの制御をするコントローラ６０を介して、又はコントローラ６０以外の専用電子機器を介して連結される。圧力差許容限度は２０Ｔｏｒｒが妥当と思われる。しかしながら、好ましくは３０Ｔｏｒｒより低く１Ｔｏｒｒより高いものであってもよい。圧力差が許容限度を超えると。バッキングプレートが変形し、ターゲットタイル１８がバッキングプレート２０から剥離する恐れがある。

他の構成において、圧力差スイッチ５８の一端又は両端を処理チャンバ１４又はマグネトロンチャンバ３２に直接連結してもよい。圧力差スイッチ５８をオン／オフ圧力差検出器として使用することが最も簡単であるが、圧力差の値をコントローラ６０に出力し、測定した圧力差が限界を超えたらコントローラ６０が作動するようにすることも可能である。選択的に、圧力差スイッチ５８を２つの圧力センサとして（例えば、後述の粗引真空ゲージ５６及びチャンバ真空ゲージ６６）バイパスバルブ５４の対向するサイドで使用し、各々の圧力信号をコントローラ６０に送り、圧力差が限度を超えたかをどうかを測定するようにしてもよい。

処理チャンバ１４内の圧力は、処理チャンバ１４に直接連結されている圧力検出導管６４で測定される。コンベクトロンゲージのような中圧チャンバ真空ゲージが圧力検出導管６４に連結され、約１００ミリＴｏｒｒから大気圧までの圧力を計測する。キャパシタンスマノメータゲージのような低圧真空ゲージ６８が、ゲージ隔離バルブ７０を介して圧力検出導管６４に連結されている。低圧真空ゲージ６８は約１Ｔｏｒｒから下は１０⁻⁸Ｔｏｒｒ以下の圧力を計測できる。このような低圧真空ゲージはダイヤフラム構造を有したものや、熱フィラメント放出に依存したものであってもよく、１Ｔｏｒｒを著しく上回る圧力から保護する必要がある。従って、主チャンバ内の圧力が交差圧力又はそれ以下に低下した場合にのみ隔離バルブ７０を開口するのが通例である。

ターゲットアセンブリ１８、２０のメンテナンス又は交換のために処理チャンバ１４を開口する必要がある場合がある。このような場合のため、通気バルブ７６を備えた通気導管７４を主チャンバ１４（又はマグネトロンチャンバ１４）に連結し、システムを大気に通気している。通常運転において、通気バルブ７６は閉鎖したままである。

本発明の他の実施例である図３の断面図に概略的に図示されているスパッタリアクタ８０は、処理チャンバ１４及びマグネトロンチャンバ３２への従来の排気ポートに依存し、配管又は簡単な構成部材においてバイパス導管８２を形成する。粗引バルブ３６が粗引ライン８４とＹ接合部８６を含む一連の導管の間で連結されている。単一のマグネトロンガスライン８８がマグネトロンチャンバ３２をＹ接合部８６に連結している。バイパスガスライン９０はＹ接合部８４をバイパスバルブ５４に連結している。主チャンバガスライン５３はバイパスバルブ９０を処理チャンバ１４に連結している。従って、バイパス導管８２はマグネトロンガスライン８８、Ｙ接合部８６、バイパスライン９０、及び主チャンバガスライン５３によって構成される。その結果、既存のスパッタリアクタを現場で本発明の排気機構へと再構成することができる。また、この構成は処理チャンバ１４とマグネトロンチャンバ３２との間に直接連結された圧力差スイッチ５８を図示しているが、このスイッチはマグネトロン又はバイパスライン８８、９０と主チャンバライン５３又はチャンバとガスラインの組合せの間に容易に連結させることができる。

２つのチャンバ１４、３２が大気圧状態で閉鎖されているものと仮定して、以下に排気工程を説明する。スリットバルブ４０、粗引バルブ３６、隔離バルブ２４、及び高圧ゲート２８は閉鎖されているものとし、マスフローコントローラ２４は排気中閉鎖したままにする。排気開始時、コントローラ６０はバイパスバルブ５４が開口されているかを判断し、通気バルブ７６を閉鎖する。その後、コントローラ６０は粗引バルブ３６を開口して、粗引ポンプ３４はバイパス導管５１、８２を介してマグネトロンチャンバ３２と主チャンバ１４の排気を開始する。コントローラ６０はチャンバ圧が交差圧力より低下したことを両方の中圧真空ゲージ５６、６６により検知すると、高真空ゲートバルブ２８及びゲージ隔離バルブ７０を開口し、バイパスバルブ５４を閉鎖する。粗引ポンプ３４はマグネトロンチャンバ１４の排気を継続し、高真空ポンプ２６は主チャンバ１４の排気を行う。高真空ゲージ６８により主チャンバ１４内の圧力が通常のベース圧力、例えば１０^−６Ｔｏｒｒ以下に減圧されたことをコントローラ６０が検知すると、排気は完了となる。その後、コントローラ６０は、ターゲット１８の電力供給源と共にスリットバルブ１４及びマスフローコントローラ２４を制御し、パネル１６のスパッタ処理シーケンスを行う。

通気工程は、スリットバルブ１４及びマスフローコントローラ２４が閉鎖した状態で開始する。コントローラ６０はゲージ隔離バルブ７０及び高真空ゲートバルブ２８を閉じ、バイパスバルブ５４を迅速に開口して、主チャンバ１４をマグネトロンチャンバ１４に連通させる。その後、コントローラ６０は粗引バルブ３６を閉鎖し、通気バルブ７４を開口して、両方のチャンバ１４、３２を大気に通気する。その後に、マグネトロンチャンバ３２をバッキングプレート２０から取り外し、バッキングプレート２０及びそれに付属するターゲット１８を処理チャンバ１４から取り外すことができる。

運転中にチャンバ１４、３２のいずれかで漏れやその他の障害が起きた場合、バイパス圧力差スイッチ５８は許容限度を超えた圧力差の暴走を検知して、自動的に過剰な圧力を検知しコントローラ６０に中断するよう信号を送り、バイパスバルブ５４を速やかに開口させる。バルブ２８、７０の閉鎖が間に合わないとクライオポンプ２６又は高真空ゲージ６８が破損する恐れがあるが、少なくとも高価なターゲット／バッキングプレートアセンブリ１８、２０が修復不可能なほどに破損することはない。追加的に、低圧又は高圧チャンバ真空ゲージ６６、６８が主チャンバ１４内の高圧状態を知らせるようにしてもよい。

本発明はフラットパネルのスパッタリングについて記載したものだが、本発明のスパッタリアクタは実質的に円形のシリコンウェハのスパッタリングのためのスパッタリアクタに効果的に用いることができ、特に大型のものであって、液体冷却路を内包する薄いターゲット／バッキングプレートアセンブリ及び真空排気方式マグネトロンチャンバリアクタに効果的に用いることができる。典型的には、ウエハリアクタは中心軸の周りに回転するマグネトロンを有している。本発明はこのようなウエハリアクタにも効果的に応用することができる。

従って、本発明はより単純でより信頼性の高い真空ポンプシステムを提供するものである。

従来の真空ポンプを含むスパッタリアクタの概略断面図である。本発明の真空ポンプの第１実施例を含むスパッタリアクタの概略断面図である。本発明の真空ポンプの第２実施例を含むスパッタリアクタの概略断面図である。

Claims

スパッタコーティングされる基板を保持し、基板に対向するサイドでスパッタリングターゲットに真空シール可能であり、主チャンバを１ミリＴｏｒｒより低い圧力に排気することができる高真空ポンプに連結可能な主チャンバと、
走査マグネトロンを含み、ターゲットに真空シール可能なマグネトロンチャンバと、
真空粗引ラインとマグネトロンチャンバとを連結する粗引バルブと、
マグネトロンチャンバと主チャンバとを連結し、通常開口バイパスバルブを含み、バイパスバルブが開いている時、マグネトロンと主チャンバの間の圧力が均一化するように作用するバイパス導管と、
圧力差許容限度を上回る圧力差を検知することができるバイパスバルブの周りに連結された圧力差スイッチを含み、バイパスバルブは圧力差スイッチからの出力に従って操作的に制御されるスパッタリングシステム。
主チャンバとマグネトロンチャンバの間のバイパス導管にはバイパスバルブ以外のバルブが含まれていない請求項１記載のスパッタリングシステム。
ターゲットが内部液体冷却路を備えたバッキングプレートと、バッキングプレートに接着された少なくとも１つのターゲットタイルを含む請求項１記載のスパッタリングシステム。
主チャンバとマグネトロンチャンバのいずれか一方に連結され、粗引ラインによる圧力を測定することが可能な粗引圧力ゲージと、
主チャンバを高真空ポンプに連結するゲートバルブと、
主チャンバとマグネトロンチャンバのいずれか一方に連結された通気バルブを含む大気通気ラインと、
粗引圧力ゲージから及び圧力差スイッチからの信号を受信し、粗引バルブ、バイパスバルブ、ゲートバルブを制御し、排気手順と通気手順の開始を指示するコントローラを更に含む請求項１記載のシステム。
基板が矩形パネルである請求項１記載のシステム。
基板が円形シリコンウエハである請求項１記載のシステム。
スパッタコーティングされる基板を保持する主チャンバと、
ゲートバルブを介して主チャンバに連結される高真空ポンプと、
主チャンバにシールされているスパッタリングターゲットと、
主チャンバと反対側のスパッタリングターゲット面にシールされており、走査マグネトロンを内蔵内臓しているマグネトロンチャンバと、
真空粗引ラインとマグネトロンチャンバとの間に連結されている粗引バルブと、
マグネトロンチャンバと主チャンバとを連結し、通常開口バイパスバルブを含み、バイパスバルブが開いている時、マグネトロンと主チャンバの間の圧力が均一化するように作用するバイパス導管と、
圧力差許容限度を超える圧力差を検知するためのバイパスバルブの周りに連結されている圧力差スイッチシステムを備えたスパッタリングシステム。
圧力差スイッチシステムは、マグネトロンチャンバに連結された第１圧力センサと、
主チャンバに連結された第２圧力センサと、
前記バイパスバルブを制御し、前記２つの圧力センサによって検知された圧力を比較するコントローラを備えた請求項７記載のシステム。
主チャンバとマグネトロンチャンバのいずれか一方に連結され、粗引ラインによる圧力を測定することができる粗引圧力ゲージと、
主チャンバとマグネトロンチャンバのいずれか一方に連結された通気バルブを含む大気通気ラインを更に含む請求項７記載のシステム。
粗引圧力ゲージからの信号を受信し、粗引バルブ、バイパスバルブ及びゲートバルブを制御し、排気手順及び通気手順の開始を指示するコントローラを更に含む請求項９記載のシステム。
スパッタコーティングされる基板を保持する主チャンバと、主チャンバにシールされたスパッタリングターゲットと、走査型マグネトロンを格納するためスパッタリングターゲットにシールされたマグネトロンチャンバと、主チャンバとマグネトロンチャンバとを連結するバイパス導管とを含むスパッタリアクタを排気する方法であって、
バイパス導管を介してマグネトロンチャンバから主チャンバを粗引排気することを含む減圧工程と、
マグネトロンチャンバを粗引排気する工程と、
主処理チャンバを高真空排気する工程と、
基板にスパッタ堆積を行う間、バイパス導管を閉鎖する工程と、
マグネトロンチャンバと主チャンバ間の圧力差が規定の圧力差許容限度を超えた場合にバイパス導管を開口する工程を備えた方法。
前記スパッタリアクタは、主チャンバ及びマグネトロンチャンバのいずれか一方に連結された単一の大気通気部と、大気通気部を制御する通気バルブを更に含み、バイパスバルブと通気バルブとの連動開閉を含む通気工程を更に含む請求項１１記載の方法。