JP5563197B2 - 基板処理チャンバ用処理キット - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、基板処理チャンバの処理キットに関連する。
集積回路及びディスプレイの製造においては、半導体ウェハやディスプレイパネル等の基板を基板処理チャンバ内に配置し、チャンバ内の処理条件を設定して基板上にエッチング材料を堆積する。典型的な処理チャンバは処理区域を包囲する筐体壁部、チャンバ内に処理ガスを供給するためのガス供給源、基板処理用の処理ガスを励起するためのガス・エナジャイザ、使用済みガスを排気し、かつチャンバ内のガス圧を維持するためのガス排気口、及び基板を保持するための基板支持体を含むチャンバ構成材を備えている。こういったチャンバには、例えば、スパッタリング（ＰＶＤ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、及びエッチングチャンバを含めることができる。ＰＶＤチャンバにおいては、ターゲットを励起させたガスによりスパッタすることでターゲット材料をスパッタし、これによりターゲットに面している基板上にターゲット材料を堆積している。
スパッタリング処理においては、ターゲットからスパッタされた材料がターゲットを取り囲むチャンバ構成材の縁部にも堆積するため、望ましくない。周縁ターゲット領域は暗部領域を有し、このエリアにおけるイオン散乱の結果としてスパッタされた材料が再堆積される。スパッタされた材料のこの領域における蓄積と集積は、こういった蓄積堆積物により分解と洗浄又はターゲット及びその周囲の構成材の交換が必要となったり、プラズマショーティング（plasma shorting）やターゲットとチャンバ壁部との間でのアーク放電が生じる可能性があるので望ましくない。また、これらの堆積が熱応力により剥離し、剥がれ落ちて内部に落下し、チャンバ及びその構成材を汚染することがよくある。
基板支持体及びチャンバ側壁部周囲に配置されたシールド、カバーリング及び堆積リングを備えた処理キットが、過剰にスパッタされた材料を受け止め、チャンバ壁部及びその他の構成材表面を保護し、その上への堆積を防止するためによく使用される。定期的に処理キットの構成材を分解しチャンバから取外し、蓄積された堆積物を洗浄する。このため、互いに又は基板と膠着することなく、或いは処理洗浄サイクル間における堆積物の剥落を生じさすことなくより多くの蓄積堆積物を受け止め、許容するように設計された処理キット構成材を得ることが望ましい。また、処理キットの部品又は構成材が処理チャンバの内側表面上にスパッタされる堆積物の量が低減されるような形状及び相対位置関係を有するのみならず、数がより少ないことが望ましい。
チャンバ内でスパッタリング用プラズマに曝露され、シールドとチャンバ構成材との間の熱伝導不良によりチャンバのライナ及びシールドが過度に高温となった場合には、また別の問題が生じる。例えば、低熱伝導性材料から成るシールドの温度の調節は困難である。アダプタ等の支持構成材との接触面における熱抵抗もシールド温度に影響をあたえる。シールドとアダプタとの間の締め付け力の弱さもまた、シールドの過熱を引き起こす可能性がある。熱制御をしない限り、連続して基板を処理する間、シールドの温度は待機時の室温状態と高温との間で循環することになる。高応力下にある金属の処理堆積物がシールド上に堆積され大きな温度変化に晒されると、膜のそれ自体への付着力のみならず、シールドへの接着性も、例えば膜とその下のシールドとの間の熱膨張係数の不整合から劇的に低下する場合がある。基板処理中におけるシールドとライナの温度を低下させることで、シールド表面からの蓄積堆積物の剥離を軽減することが望ましい。
チャンバからのガスコンダクタンス不良により、慣用の基板処理チャンバとＰＶＤ処理では別の問題も生じる。必要な処理ガスの処理キャビティへの供給と使用済み処理ガスの適切な排気の双方を実行するには高コンダクタンスのガス流経路が必要である。しかしながら、チャンバ壁部の内側を覆うシールド及びその他のチャンバ構成材は、実質的にガスコンダクタンス流を低下させてしまう。これらの構成材にガスコンダクタンスを上昇させるために開口部を形成すると、これらのガスコンダクタンス穴部を通ってその同一視線方向にあるスパッタ堆積物も処理空域から流出し、チャンバ壁部上に堆積されてしまう。また、こういった穴部により処理キャビティ内から周囲のチャンバ領域へとプラズマ漏れが起こる可能性がある。また、こういった穴部を有するチャンバ構成材は、これに限定されるものではないが、追加部品の必要性、その相対的な薄さ、複数の部品による累積誤差、及び接触面における熱伝導性の不良といったその他の欠点を有する。
このため、構成材表面からの処理堆積物の剥離を軽減しつつ熱伝導性を上昇させる処理キット構成材を得ることが望ましい。プラズマ処理中にシールドとライナが過度な高温と低温との間とを循環しないようにその温度を制御することが更に望ましい。また、処理区域外での穴部と同一視線方向での堆積を防止しつつ、総体的なガスコンダクタンスを上昇させ、かつプラズマ漏れを軽減することが望ましい。
本発明のこれらの構成、態様、利点は本発明の例を示す以下の説明、添付の特許請求の範囲、添付図面と関連させてより理解することができる。当然のことながら、構成の各々は特定の図面についてだけでなく本発明全般に使用でき、本発明はこれらの構成のあらゆる組み合わせを含む。
基板１０４を処理可能な適切な処理チャンバ１００の一例が図１に図示されている。チャンバ１００はカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から市販のクリーンＷ（ＣＬＥＡＮ Ｗ：商標名）を表わす。しかしながら、本発明と共に別の処理チャンバもまた使用することができる。チャンバ１００は処理区域１０８を包囲する筐体壁部１０６を備える。壁部１０６は側壁部１１６、底壁部１２０、及び天井部１２４を含む。チャンバ１００が、基板１０４の多様なチャンバ間での搬送を行うロボットアーム等の基板搬送機構によって相互接続されたチャンバ群を有する複数チャンバプラットフォーム（図示せず）の一部である場合もある。図１に図示の構成において、処理チャンバ１００は物理気相蒸着つまりＰＶＤチャンバとしても知られるスパッタ堆積チャンバであり、アルミニウム、銅、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、タングステン及び窒化タングステン等の１つ以上の材料を基板１０４上にスパッタ堆積可能である。
チャンバ１００は、基板１０４を支持する台座部１３４を備える基板支持体１３０を備える。台座部１３４は、頭上のスパッタリングターゲット１４０のスパッタリング面１３９に実質的に平行な面を有する基板受け面１３８を有する。台座部１３４の基板受け面１３８は処理中、基板１０４を受け止め、支持する。台座部１３４は静電チャック又は電気抵抗加熱装置等の加熱装置や熱交換器を含んでいてもよい。動作中、基板１０４をチャンバ１００の側壁部１１６の基板装填口１４２を通してチャンバ１００内に導入し、基板支持体１３０上に設置する。ロボットアームによる基板支持体１３０への基板１０４の載置中、支持体１３０は支持体昇降蛇腹部により昇降可能であり、昇降フィンガセンブリを用いて基板１０４を支持体１３０へと昇降することが可能である。プラズマ操作中、台座部１３４を電気的に浮遊した電位又は接地状態に維持することが可能である。
図２Ａ及び２Ｂに図示されるように、チャンバ１００は、例えば構成材表面からスパッタ堆積物を洗い流す、侵食された構成材を交換する又は修復する、又は別の処理にむけてチャンバ１００を適合させるために容易にチャンバ１００から取外し可能な多様な構成材を備えた処理キット２００も含む。ある構成において、処理キット２００はシールド２０１と基板支持体１３０の周壁部２０４近くに設置するリングアセンブリ２０２を備え、リングアセンブリは基板１０４の張り出し縁部２０６の手前で終端している。リングアセンブリ２０２は堆積リング２０８とカバーリング２１２とを備える。堆積リング２０８は支持体１３０を取り巻く環状バンド２１５を備える。カバーリング２１２は堆積リング２０８を少なくとも部分的に覆っている。堆積リング２０８及びカバーリング２１２が連携して、支持体１３０の周壁部２０４及び基板１０４の張り出し縁部２０６上でのスパッタ堆積物の形成を軽減する。
シールド２０１は、基板支持体１３０に面しているスパッタリングターゲット１４０のスパッタリング面１３９と基板支持体１３０の外周とを取り囲む。シールド２０１はチャンバ１００の側壁部１１６を覆い遮断することで、スパッタリングターゲット１４０のスパッタリング面１３９から発生するスパッタ堆積物の、シールド２０１背後にある構成材及び表面への堆積を軽減している。例えば、シールド２０１は支持体１３０の表面、基板１０４の張り出し縁部２０６、チャンバ１００の側壁部１１６及び底壁部１２０を保護可能である。
図２Ａ、２Ｂ及び３Ａ、３Ｂに図示されるように、シールド２０１は一体構成であり、スパッタリングターゲット１４０のスパッタリング面１３９と基板支持体１３０とを取り巻くサイズの直径を有する円筒状バンド２１４を備える。円筒状バンド２１４はスパッタリングターゲット１４０のスパッタリング面１３９を取り巻く上壁部２１６を有する。支持出っ張り部２１９は円筒状バンド２１４の上壁部２１６から半径方向外側に向かって延びている。アダプタ２２６はＯリング溝部２２２を含んでいてもよく、この溝にＯリング２２３を設置して、アダプタと絶縁体３１０との間に真空シールを形成し、シールド２０１からの漏れを防止する。支持出っ張り部２１９はチャンバ１００の側壁部１１６を取り巻く環状アダプタ２２６上に載る設置面２２４を備える。支持出っ張り部２１９の設置面２２４はピン２８２を収容できる形状とサイズに構成された複数のスロット２２８を備え、これによりシールド２０１がアダプタ２２６と整列される。ピン２８２はアダプタ２２６に圧入してもよい。複数の穴部２２９を設置し、シールド２１０をアダプタに連結する固締具２３０を収容する。一実施形態において、固締具２３０はシールド２０１の穴部２２９とアダプタプレート２２６の穴部２２０とを貫通し、保持プレート２９７の穴部２９５へと螺入される。保持プレート２９７はステンレススチール製のリングであってもその他の適切な材料から成るものであってもよい。図２Ｂではスロット２２８と穴部２２９をそれぞれ１つだけ図示しているが、シールド２０１の周縁には複数のスロット２２８と穴部２２９とを分散して配置する。
アダプタ２２６はシールド２１０を支持し、基板処理チャンバ１００の壁部１１６周辺における熱交換器として機能可能である。任意で、アダプタ２２６は、必要ならシールド２０１を加熱又は冷却できるように抵抗加熱装置又は温度制御流体用の導管を含んでいてもよい。アダプタ２２６及びシールド２０１はアセンブリを形成し、これによりシールド２０１内外への熱伝達が良好となり、シールド上に堆積される材料への熱膨張応力が軽減される。シールド２０１の一部は基板処理チャンバ内で生成されるプラズマへの曝露により過剰に熱せられ、シールドの熱膨張が生じ、シールド上に形成されたスパッタ堆積物がシールドから剥落し、基板１０４上に落下し汚染してしまう。アダプタ２２６はシールド２０１の設置面２２４に接触する接触面２３２を有しており、これによりシールド２０１とアダプタ２２６との間の良好な熱伝導が得られる。ある構成においては、シールド２０１の設置面２２４及びアダプタ２２６の接触面２３２はそれぞれ約１０〜約８０マイクロインチ、又は約１６〜約６３マイクロインチにものぼる表面粗さを有しており、ある構成においては、平均表面粗さは約３２マイクロインチである。ある構成において、アダプタ２２６はその内部に熱伝達流体を通してアダプタ２２６の温度を制御するための導管を更に備える。
アダプタ２２６とシールド２０１を備えるアセンブリはシールド２０１をアダプタ２２６と整列させて固定するためのシールド固締システム２３４も含む。シールド固締システム２３２は円形に沿って又はアダプタ２２６に沿った円形配列で離間・位置決定された複数のピン２９３を備える。ある構成においては、少なくとも３つのピン２９３をアダプタ２２６上で円形で位置させる。別の実施形態においては、１２本のピン２９３を利用する。各ピン２９３は例えばスチール、例えばステンレススチール等の材料から構成された剛性の円筒から構成される。各ピン２９３はアダプタ２２６内に圧入される圧入コネクタ２３８を部材２３６の一端に有していてもよい。ピン２９３は図３Ａに図示されるようにスロット２２９を貫通する。シールド固締システム２３２は更に複数の固締具２３０を備える。一実施形態において、固締具２３０は六角穴付きボルト２３６である。ボルト２３６の頭部２４０は穴部２２９のザグリ穴に埋め込まれている。ボルト２３６の端部は保持プレート２９７のネジ穴２９５に螺入される。一実施形態においては、少なくとも３つのボルト２３６を円形に配置してアダプタ２２６をシールド２０１に固締する。別の実施形態においては、１２本のボルト２９７を利用する。
支持出っ張り部２１９の下には基板支持体１３０を取り巻く底壁部２４２がある。傾斜段差部２４４が円筒状バンド２１４の底壁部２４２から半径方向内側に向かって延び、基板支持体１３０を取り囲んでいる。ある構成において、傾斜段差部２４４は湾曲接合部２４５を備える。
Ｕ型チャネル２４６はシールドの傾斜段差部２４４と連結している。Ｕ型チャネル２４６はそこを処理ガスが通過することでガスコンダクタンスが改善されるガスコンダクタンス穴部２４９を複数備えた外側第１脚部２９９を有する。Ｕ型チャネル２４６は外側第１脚部２９９から離間された、より高さのある内側第２脚部２５３も有する。ある構成において、外側脚部２９９のガス穴部２４９は実質的に楕円形であり、カラムによって隔てられている（図示せず）。ある構成において、各ガス穴部２４９は幅約１〜約２インチ、高さ約０．２〜約０．８インチを有する。
シールド２０１により、処理チャンバ１００からのガスが低い抵抗でガス穴部２４９を通過しＵ型チャネル２４６を循環可能となる。更に、シールド２０１の設計により、高さという点で、基板支持体１３０の位置に対してのガスコンダクタンスの影響度が最小限に抑えられる。
シールド２０１の円筒状バンド２１４、支持出っ張り部２１９、傾斜段差部２４４及びＵ型チャネル２４６はある材料の一体成形から成る単一構造を構成している。例えば、シールド２０１全体を３００系のステンレススチール、又はある構成においてはアルミニウムから形成することが可能である。一体型のシールド２０１は、完全なシールドを構成するのに２つ又は３つの別々の部品を要することが多い、複数の構成材を含む従来のシールドより有利である。例えば、単体構造のシールドは複数の構成材から成るシールドよりも、加熱及び冷却処理の双方において熱的により均一である。例えば、一体成形のシールド２０１はアダプタ２２６に対して１つだけ熱インターフェースを有し、これによりシールド２０１とアダプタ２２６との間の熱交換がより制御し易くなる。複数の構成材を有するシールドでは、洗浄時にシールドを取外すことがより困難かつ面倒となる。一体成形シールド２０１はスパッタ堆積物に晒される連続面を有しており、洗浄がより困難な複数の界面部又はコーナー部を伴うことがない。また、一体成形シールド２０１は、処理サイクル中、スパッタ堆積からチャンバ壁部１０６をより効果的に遮断する。
ある構成において、シールド２０１の露出面はカリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から市販のクリーンコート（ＣＬＥＡＮＣＯＡＴ：商標名）で処理する。クリーンコート（商標名）はシールド２０１等の基板処理チャンバ構成材へ適用することでシールド２０１上への堆積物の粒子落下を軽減し、これによりチャンバ１００内の基板１０４の汚染を防止するツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングである。ある構成において、シールド２０１上のツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングの表面粗さは約６００〜約２３００マイクロインチである。
シールド２０１はチャンバ１００内のプラズマ区域１０８に面した露出面を有する。露出面にはビードブラスト加工を施し、表面粗さを１７５±７５マイクロインチとする。テクスチャ加工したビードブラスト面により粒子の落下が軽減され、チャンバ１００内での汚染が防止される。表面粗さ平均とは、露出面に沿った粗さ特徴の山部と谷部の平均線からのズレの絶対値の平均である。粗さ平均、歪度、又はその他の特性は、露出面に針を通して表面上の凸凹の高さの変動のトレース図を生成する表面形状測定装置によって、或いは表面で反射した電子ビームを用いて表面の画像を生成する走査型電子顕微鏡を用いて求めることができる。
堆積リング２０８は、図２Ａに図示されるように支持体１３０の周壁部２０４付近に延び、それを取り囲む環状バンド２１５を備える。環状バンド２１５は、バンド２１５から横方向に延び、かつ支持体１３０の周壁部２０４に実質的に平行な内側リップ部２５０を備える。内側リップ部２５０は基板１０４の張り出し縁部２０６のすぐ下で終端している。内側リップ部２５０は基板１０４の周縁部と基板支持体１３０を取り巻く堆積リング２０８の内周を規定し、処理中、基板１０４によって覆われない基板支持体１３０の領域を保護する。例えば、内側リップ部２５０は、そのままでは処理環境に曝露されてしまう支持体１３０の周壁部２０４を取り囲み、かつ部分的に覆うことで、周壁部２０４上へのスパッタ堆積物の堆積を軽減或いは完全に防止する。堆積リング２０８を簡単に取外してリング２０８の露出面からスパッタ堆積物を除去可能であることから、支持体１３０を洗浄のために分解する必要がなく、有利である。堆積リング２０８は、支持体１３０の露出側面も保護するため、励起されたプラズマ種によるその侵食が軽減される。
図２Ａに図示の構成において、堆積リング２０８の環状バンド２１５はバンド２１５の中心部に沿って延びる半円形の突出部２５２を有し、その両側に半径方向内側の窪み２５４ａ、ｂを有している。半径方向内側の窪み２５４ａはカバーリング２１２とは離れた位置にあるため、窪みとカバーリングとの間にはアーチ型の間隙部２５６が形成され、この間隙部がアーチ型間隙部２５６へのプラズマ種の浸透を軽減する迷路として機能する。内側リップ部２５０と半円形突出部２５２との間には開放内側チャネル２５８が横たわっている。開放内側チャネル２５８は半径方向内側に延び、少なくとも部分的に基板１０４の張り出し縁部２０６下で終端している。開放内側チャネル２５８により、堆積リング２０８の洗浄中、これらの部位からのスパッタ堆積物の除去が促進される。堆積リング２０８は、外側方向に延び、かつ半円形突出部２５２の半径方向外側に位置する出っ張り部２６０も有する。出っ張り部２６０はカバーリング２１２の支持にも役立つ。
堆積リング２０８は酸化アルミニウム等のセラミック材料を成形及び機械加工することで形成可能である。好ましくは、鉄等の望ましくない元素によるチャンバ１００の汚染を低減するために、酸化アルミニウムの純度は少なくとも約９９．５％である。セラミック材料を静水圧プレス成形等の慣用の技法を用いて成形及び焼成し、それに続いて適切な機械加工方法を用いて成形・焼成された予備成形物を機械加工することで必要とされる形状と寸法にする。
堆積リング２０８の環状バンド２１５は、グリットブラスト加工された露出面を含んでいてもよい。グリットブラスト加工は、既定の表面粗さを得るのに適したグリットサイズで行われる。ある構成においては、堆積リング２０８の表面を例えばクリーンコート（商標名）等のツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティング等で処理して、粒子の落下と汚染を軽減する。
カバーリング２１２は堆積リング２０８を取り囲み、少なくとも部分的に覆うことでスパッタ堆積物の塊を受け止め、それにより堆積リング２０８を堆積物から遮断する。カバーリング２１２はスパッタリングプラズマによる侵食に耐性のある材料、例えばステンレススチール、チタン又はアルミニウム等の金属材料、又は酸化アルミニウム等のセラミック材料から作成する。ある構成において、カバーリング２１２は少なくとも約９９．９％の純度を有するチタンから構成される。ある構成においては、カバーリング２１２の表面を例えばクリーンコート（商標名）等のツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングで処理して、カバーリング２１２表面からの粒子落下を軽減する。
カバーリング２１２は、半径方向内側に傾斜し、かつ基板支持体１３０を取り囲む傾斜上面２６４を備えた環状ウェッジ２６２を備える。環状ウェッジ２６２の傾斜上面２６４は内側及び外側周縁部２６６、２６８を有する。内側周縁部２６６は堆積リング２０８の開放内側チャネル２５８を構成する半径方向内側の窪み２５４ａ上に横たわる突出ブリム２７０を備えている。突出ブリム２７０により、堆積リング２０８の開放内側チャネル２５８上へのスパッタ堆積物の堆積が軽減される。突出ブリム２７０の突出距離は、堆積リング２０８によって形成されるアーチ型間隙部２５６の幅の少なくとも約半分に対応するのが有利である。突出ブリム２７０はアーチ型間隙部２５６と協働かつ相補することでカバーリング２１２と堆積リング２０８との間に回旋状の狭窄した流路を形成するようなサイズ、形状、及び位置に構成されており、この流路が周縁部２０４への処理堆積物の流れを阻害する。狭小な間隙部２５６の狭窄した流路により、そのままでは互いに膠着する又は基板１０４の周縁張り出し縁部２０６と膠着してしまう、堆積リング２０８とカバーリング２１２の合わせ面への低エネルギースパッタ堆積物の蓄積が制限される。基板張り出し縁部２０６の下に延びる堆積リング２０８の開放内側チャネル２５８はカバーリング２１２の突出ブリム２７０からの遮断と共に、例えば、アルミニウムスパッタリングチャンバにおいて最低１５４０μｍのアルミニウムスパッタ堆積物を回収し、その一方で２つのリング２０８、２１２の合わせ面上へのスパッタ堆積を軽減する又は実質的に排除するように設計されている。
傾斜上面２６４の外側周縁部２６８周辺には、バルブ型の突起部２７２がある。ある構成において、バルブ型突起部２７２はシールド２０１と共にアーチ型間隙部を形成する楕円形の周方向面２７４を含む。傾斜上面２６４はバルブ型の突出部２７２と突出ブリム２７０と協働して、同一視線方向の堆積物が処理キャビティ１０８から流出してチャンバ本体キャビティへと侵入するのを阻止する。傾斜上面２６４は少なくとも約１５度の角度で傾斜していてもよい。カバーリング２１２の傾斜上面２６４の角度は、例えば、基板１０４の張り出し縁部２０６に最も近い位置での、そのままでは基板１０４全体で得られる堆積の均一性に悪影響を与えてしまうスパッタ堆積物の蓄積を最小限に留めるようにと設計されている。
カバーリング２１２は、環状ウェッジ２６２の傾斜上面２６４から下方向に延びる足場部２７６を備え、堆積リング２０８の出っ張り部２６０上に据えられる。足場部２７６はウェッジ２６２から下方向に延び、リング２０８に実質的に亀裂を与える又は破砕することなく堆積リング２０８に押圧されている。
カバーリング２１２は更に内側及び外側円筒状バンド２７８ａ、ｂを備え、２７８ａ、ｂは環状ウェッジ２６２から下方向に、その間に間隙を有して延びている。ある構成において、内側及び外側円筒状バンド２７８ａ、ｂは実質的には垂直である。円筒状バンド２７８ａ、ｂはウェッジ２６２の足場部２７６の半径方向外側に位置している。内側円筒状バンド２７８ａの高さは外側円筒状バンド２７８ｂよりも低い。典型的には、外側バンド２７８ｂの高さは内側バンド２７８ａの高さの少なくとも約１．２倍である。例えば、内径が約１５４ｍｍのカバーリング２１２の場合、外側バンド２７８ｂの高さは約１５〜約３５ｍｍ、又は例えば２５ｍｍであり、内側バンド２７８ａの高さは約１２〜約２４ｍｍ、例えば約１９ｍｍである。
カバーリング２１２は異なる高さ範囲で調節可能かつコンダクタンス穴部２４９を効果的に遮断する。例えば、カバーリング２１２を上昇又は降下させることで、チャンバ内における基板支持体１３０に対してのその高さ関係を調節することが可能である。
シールド２０１とカバーリング２１２との間の空間又は間隙部が、プラズマが通る回旋状のＳ型経路又は迷路を形成する。この経路の形状は、例えば、プラズマ種のこの領域への侵入を妨げるかつ阻害し、スパッタ材料の不本意な堆積を軽減されることから有利である。
図４及び５に図示されるように、スパッタリングターゲット１４０はバッキングプレート２８４に取り付けられるスパッタリングプレート２８０から構成される。スパッタリングプレート２８０は基板１０４にスパッタする材料を含む。スパッタリングプレート２８０は、基板１０４の面に平行な面を形成するスパッタリング面１３９を有する中央円筒状段丘部２８６を有していてもよい。環状の傾斜リム２８８が円筒状段丘部２８６を取り囲んでいる。環状リム２８８は円筒状段丘部２８６の面に対して少なくとも約８度、例えば約１０度〜約２０度の角度で傾斜している。段差部２９２を有する周縁部の傾斜側壁部２９０は環状リム２８８を取り囲んでいる。周縁側壁部２９０は円筒状段丘部２８６の面に対して少なくとも約６０度、例えば約７５度〜約８５度の角度で傾斜していてもよい。段差部２９２は突出部２９４と凹部２９６との間でもよく、段差部２９２は約３０度〜約４０度の刈り込み角度で表面に接合している。
環状傾斜リム２８８と、チャンバ１００内においてシールド２０１の上壁部２１６に隣接している側壁部２９０の複雑な形状が、暗部領域つまり自由電子が非常に不足しており真空としてモデル化可能なエリアを構成する回旋状間隙部３００を形成している。暗部領域を制御することで、プラズマの進入、アーク放電の発生及び不安定な状態の発生を防止することが重要である。間隙部３００の形状はスパッタされたプラズマ種のその内部の通過を阻害する迷路として機能し、これにより周縁ターゲット領域の表面へのスパッタ堆積物の蓄積が軽減される。ある構成においては、暗部領域の周縁境界部を、例えばクリーンコート（商標名）等のツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングで処理して、この領域での粒子の落下を軽減してもよい。
スパッタリングプレート２８０は金属又は金属化合物を含む。例えば、スパッタリングプレート２８０は例えばアルミニウム、銅、タングステン、チタン、コバルト、ニッケル又はタンタル等の金属が可能である。スパッタリングプレート２８０は、例えば窒化タンタル、窒化タングステン又は窒化チタン等の金属化合物であることも可能である。
バッキングプレート２８４は、スパッタリングプレート２８０を支持する支持面３０３とスパッタリングプレート２８０の半径を超えて延びる周縁出っ張り部３０４を有する。バッキングプレート２８４は例えばステンレススチール、アルミニウム、銅・クロム又は銅・亜鉛等の金属から形成される。バッキングプレート２８４はターゲット１４０で発生した熱を放散させるに十分な高さの熱伝導率を有する材料から形成可能であり、高い熱伝導率はスパッタリングプレート２８０とバッキングプレート２８４の双方で形成される。熱はこれらのプレート２８０、２８４で生じた渦電流及びプラズマからのエネルギーイオンのターゲット１４０のスパッタリング表面１３９への衝突によって発生する。高い熱伝導率を有するバッキングプレート２８４により、ターゲット１４０内で発生した熱の周辺構造、更にはバッキングプレート２８４の背後又はそれ自体の内部に取り付けられる熱交換器への放散が可能となる。例えば、バッキングプレート２８４は熱伝達流体をその内部で循環させるチャネル（図示せず）を備えることが可能である。バッキングプレート２８４にとって適切な高さの熱伝導率は少なくとも約２００Ｗ／ｍＫ、例えば約２２０〜約４００Ｗ／ｍＫであることが判明している。こういった熱伝導性レベルにより、ターゲット１４０内で発生した熱をより効率的に放散し、ターゲット１４０をより長い処理時間に亘って稼動させることが可能となる。
高熱伝導性と低抵抗率を有する材料から成るバッキングプレート２８４であることと組合せて、或いは独立して及びそれ自体で、バッキングプレート２８４は１つ以上の溝部（図示せず）を有する背面を備えていてもよい。例えば、バッキングプレート２８４は環状溝部等の溝部又は隆起部をターゲット１４０の背面１４１の冷却用に有する。溝部及び隆起部は別のパターンを有することも可能であり、例えば矩形格子パターン、鳥足型パターン、又は背面全体を走る単純な直線パターンが挙げられる。
スパッタリングプレート２８０は２つのプレート２８０、２８４を互いに重ね合わせてこれらを適切な温度、典型的には少なくとも約２００℃にまで加熱する拡散接合によりバッキングプレート２８４へと取り付け可能である。任意で、スパッタリングターゲット１４０は、スパッタリングプレートとバッキングプレートの双方として機能するに十分な深さを有する一体成形材料から成る一体型構造であってもよい。
バッキングプレート２８４の周縁出っ張り部３０４はチャンバ１００内において絶縁体３１０上に載る外側足場部３０８を備える（図２Ａ〜Ｂ及び３）。周縁出っ張り部３０４はＯリング溝部３１２を含み、この中にＯリング３１４を設置して真空シールを形成する。絶縁体３１０はバッキングプレート２８４をチャンバ１００から電気的に隔離及び分離し、典型的には酸化アルミニウム等の誘電又は絶縁材料から形成されたリングである。周縁出っ張り部３０４は、スパッタされた材料及びプラズマ種のターゲット１４０と絶縁体３１０との間の間隙を通っての流れ又は移動を妨害し、低角度でスパッタされた堆積物の間隙部への侵入を妨げるような形状に構成されている。
ターゲット１４０の周縁出っ張り部３０４は例えばツインワイヤ・アーク溶射アルミニウムコーティング等の保護コーティングでコーティングする。コーティング前、周縁出っ張り部３０４から油分を除去し、炭化ケイ素盤で研磨することで粗さ２００〜３００マイクロインチを達成する。コーティング範囲は、スパッタリングプレート２８０の周縁側壁部２９０とバッキングプレート２８４の周縁出っ張り部３０４に亘って広がる。コーティングの最終表面粗さは約５００〜約９００マイクロインチ、厚さは約５〜約１０ミリである。コーティングにより、ターゲット１４０の縁部が保護され、スパッタされた材料の接着性が向上し、これらの表面からの材料の剥離が軽減される。
スパッタリングターゲット１４０はターゲット電源３２０へと接続されており、電源はスパッタリング処理中に、電気的に浮遊しているシールド２０１に相対してバイアス電圧をターゲット１４０に印加する。ターゲット電源３２０が電力をターゲット１４０、シールド２０１、支持体１３０及びターゲット電源３２０に接続されたその他のチャンバ構成材に供給する一方で、ガス・エナジャイザ３２４がスパッタリングガスを励起して、スパッタリングガスのプラズマを形成する。ガス・エナジャイザ３２４はコイル３２６への電流の印加により給電されるソースコイル３２６を備えていてもよい。形成されたプラズマはターゲット１４０のスパッタ面１３９に勢い良く衝突し、衝撃を与え、表面１３９から基板１０４へと材料をスパッタする。
チャンバ１００はターゲット１４０周辺で磁場を成形することでターゲット１４０のスパッタリングを改善する磁場発生装置３３０を備えていてもよい。容量結合によって発生したプラズマを、例えば永久磁石又は電磁コイルによってチャンバ１００内で磁場を形成し、基板１０４の面に対して平行に回転する軸を有する回転磁場が得られる磁場発生装置３３０によって強化してもよい。それに加え或いはその代替として、チャンバ１００はチャンバ１００のターゲット１４０付近で磁場を発生させ、ターゲット１４０に隣接した高密度プラズマ領域におけるイオン密度を上昇させることでターゲット１４０材料のスパッタを改善する磁場発生装置３３０を含んでいてもよい。改善された磁場発生装置３３０を用いることで、ターゲットへの衝突目的の非反応性ガスの必要性を最小限に留めながら、銅の持続的な自己スパッタリング又はアルミニウム、チタン、又はその他金属のスパッタリングが可能となり、これは例えばフー（Ｆｕ）に発行された米国特許第６１８３６１４号の「回転スパッタマグネトロンアセンブリ」及びゴパルラージャ（Ｇｏｐａｌｒａｊａ）その他に発行された米国特許第６２７４００８号の「銅ビア充填のための統合プロセス」に記載されている。磁場は実質的に非磁性のターゲット１４０からチャンバ１００に亘って広がっている。
スパッタリングガスはガス送達システム３３２を通してチャンバ１００へと導入され、ガス送達システムは質量流制御装置等のガス流量制御弁３３８を有する導管３３６を介して、ガス供給源３３４からガスを既定の流量で流す。ガスは混合ガスマニホルド（図示せず）へと送られ、そこでガスは混合されて所望の処理ガス組成物となり、チャンバ１００へとガスを導入するためのガス流出口を有するガス分配装置３４０へと供給される。処理ガスは、勢い良くターゲット１４０に衝突してそこから材料をスパッタすることが可能なアルゴン、キセノン等の非反応性ガスを含んでいてもよい。処理ガスはスパッタされた材料と反応することで基板１０４上に層を形成可能な、１つ以上の酸素含有ガス及び窒素含有ガス等の反応性ガスも含んでいてもよい。次に、ガスはガス・エナジャイザ３２４により励起されてプラズマを形成し、スパッタリングターゲット１４０をスパッタする。使用済みの処理ガス及び副生成物は排気口３４２を通してチャンバ１００から排気される。排気口３４２は使用済み処理ガスを受け取り、排気導管３４６へと送る排気ポート３４４を備え、導管はチャンバ１００内のガス圧を制御するための絞り弁を有する。排気導管３４６は１つ以上の排気ポンプ３４８に接続されている。典型的には、スパッタリングガスのチャンバ１００内における圧力は真空環境等、例えばガス圧１ミリＴｏｒｒ〜４００ミリＴｏｒｒ等の減圧状態に設定する。
チャンバ１００は制御装置３５０で制御してもよく、制御装置はチャンバ１００の構成材による基板１０４の処理を作動させるための命令セットを有するプログラムコードを備える。例えば、制御装置３５０は基板支持体１３０と基板搬送機構とを作動させるための基板位置決定命令セットと、ガス流制御弁を作動させてチャンバ１００へのスパッタリングガスの流れを設定するためのガス流量制御命令セットと、排気絞り弁を作動させてチャンバ１００内の圧力を維持するためのガス圧制御命令セットと、ガス・エナジャイザ３２４を作動させてガス励起電力レベルを設定するためのガス・エナジャイザ制御命令セットと、支持体１３０又は壁部１０６内の温度制御システムを制御してチャンバ１００内の多様な構成材の温度を設定するための温度制御命令セットと、チャンバ１００内での処理を監視するための処理監視命令セットを含むプログラムコードを備えることが可能である。
別の構成のスパッタリングチャンバ４００を図４を参照して説明する。このチャンバ４００は、例えば、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なヴァーサＴＴＮ（ＶＥＲＳＡ ＴＴＮ：商標名）であってもよいが、これに限定されるものではない。チャンバ４００は基板１０４上にスパッタ材料を堆積するためのスパッタリングターゲット１４０を有する。スパッタリングターゲット１４０は、スパッタリングターゲット１４０に向かい合う基板支持体４０４の反対に位置される。基板支持体４０４は、受け面４０８を有する台座部４０６を備える。台座部４０６は例えばステンレススチール等の材料から構成してもよい。台座部４０６には抵抗加熱装置４０９が埋設されており、台座部４０６上の基板１０４を加熱する役割を果たしている。スパッタリングターゲット１４０及び基板支持体４０４はシールド２０１によって取り囲まれている。カバーリング２１２は基板支持体４０４周辺に設置され、堆積リング２０８によって支持されている。堆積リング２０８は台座部４０６の受け面４０８上への設置用にディスク４１０を備える。ディスク４１０の直径は、台座部４０６の受け面４０８の直径よりも小さい。堆積リング２０８は更にディスク４１０を取り巻く環状ウェッジ４１２を備える。円筒状バンド４１４が水平方向に、環状ウェッジ４１２から内側方向に延びている。環状ウェッジ４１２は基板支持体４０４の台座部４０６上に据えられる足場部４１６を有する。チャンバ４００はガス分配装置４１８、ガス・エナジャイザ４２０、及びガス排気口４２２も有する。
上述の処理キット２００により、チャンバ１００における処理サイクルの数と所持時間が著しく向上し、洗浄間隔が伸びる。これは、洗浄が困難な、基板１０４周辺の構成材上に形成されたスパッタ堆積物の量を低減することで得られる。処理キット２００の構成材は、スパッタリング区域１０８内における力と圧力の向上させ、回旋状間隙部３００の暗部領域の温度を低下させることでより高い堆積スループットを得られるようにと設計されている。これにより、アダプタ２２６を用いてシールド２０１の熱均一性もまた改善される。これに加え、既存の処理キットと比べ、処理キット２００は、キット２００の交換及び保守サイクルを実行しなくてはならなくなるまでに少なくとも従来よりも約２〜約５倍多い堆積物をその上に堆積可能となるように設計されている。これはチャンバ１００の稼働時間における著しい向上であり、処理スループットの上昇にもつながる。
本発明をその特定の好ましい構成を参照して説明してきたが、その他の構成も可能である。例えば、処理キット２００又はその構成材及びアダプタ２２６を、当業者には明らかであるような、例えばエッチング、ＣＶＤ及びエッチングチャンバといった別のタイプの用途に用いることが可能である。従って、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲は本願に記載の好ましい構成の説明に制限されるべきではない。
Claims (13)
- 基板処理チャンバ内において基板支持体に面するスパッタリングターゲットを取り囲むシールドであり、
（ａ）スパッタリングターゲットを取り囲む上壁部と基板支持体を取り囲む底壁部とを有する円筒状バンドと、
（ｂ）円筒状バンドの上壁部から半径方向外側に延びる支持出っ張り部と、
（ｃ）円筒状バンドの底壁部から半径方向内側に延びる傾斜段差部と、
（ｄ）傾斜段差部に連結し、基板支持体を取り囲み、第１及び第２脚部を備え、第１脚部が処理ガスの通過が可能な複数のガス穴部を有し、ガス穴部によりガスコンダクタンスの上昇が得られ、ガス穴部を遮断するカバーリングと合うサイズのＵ型チャネルとを備えるシールド。 - 第１脚部のガス穴部が実質的に楕円形である請求項１記載のシールド。
- ガス穴部の幅が２．５４〜５．０８ｃｍであり、高さが０．５１〜２．０３ｃｍである請求項２記載のシールド。
- 傾斜段差部が湾曲接合部を備える請求項１記載のシールド。
- Ｕ型チャネルの第１脚部の高さが第２脚部の高さよりも高い請求項１記載のシールド。
- アルミニウムから成る一体構造を備える請求項１記載のシールド。
- シールドの表面上にツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングを備える請求項６記載のシールド。
- ツインワイヤ・アルミニウムアーク溶射コーティングの表面粗さが６００〜２３００マイクロインチである請求項７記載のシールド。
- 支持出っ張り部が設置面とそこを貫通する複数のスロットを備える請求項１記載のシールド。
- アダプタと請求項９記載のシールドとを備えるアセンブリであり、アダプタが、シールドを支持し、かつシールドとの間における良好な熱伝導性を付与する、シールドの支持出っ張り部の設置面と接触する接触面を備えるアセンブリ。
- シールドとアダプタとを整列させるための整列ピンシステムを更に備える請求項１０記載のアセンブリであり、整列ピンシステムがアダプタ上で離間して円形配列された複数のピンを備え、各ピンがアダプタ内に圧入される圧入コネクタと、シールドの支持出っ張り部上の複数のスロットの１つに嵌合する頭部を有する剛性部材を含む請求項１０記載のアセンブリ。
- シールドの設置面及びアダプタの接触面それぞれの表面粗さが６００〜２３００マイクロインチである請求項１０記載のアセンブリ。
- アダプタが熱伝達流体を流すための導管を含む請求項１０記載のアセンブリ。
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