JP6722466B2 - 成膜装置及び基板判別方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する保持手段と、基板に対して成膜処理を施す成膜源とを備える成膜装置と、この成膜装置での基板に対する成膜処理時に基板の異常状態を判別する基板判別方法に関する。

この種の成膜装置としてスパッタリング装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このものは、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する保持手段に対向配置されたターゲットと、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段と、ターゲットに電力投入する電源とを備える。そして、真空チャンバを所定圧力まで真空排気した後、希ガスを導入し、ターゲットに負の電位を持った直流電力や高周波電力を投入することで真空チャンバ内にプラズマを形成し、プラズマ中で電離した希ガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を基板の一方の面に付着、堆積することでターゲット種に応じて所定の薄膜が成膜される。なお、このようなスパッタリング装置を用いた成膜中、基板を所定温度に加熱することがあり、このような場合には、基板温度を測定する温度センサを組み込んで、温度センサの測定結果に基づいて基板温度を制御することが一般に行われている。

ここで、例えば半導体デバイスの製造工程において上記スパッタリング装置を用いて成膜処理する場合、スパッタリング装置には、前工程にて各種処理が適切に施されたシリコンウエハなどの基板（以下、「正常基板」という）が順次搬送され、成膜終了後に後工程へと成膜済みの基板が搬送されることになるが、何らかの原因で各種処理が適切に施されていない基板（以下、これを「異常基板」という）がスパッタリング装置に搬送されてくることがある。

従来では、正常基板であるか異常基板であるかに拘わらず、成膜処理を行い、後工程中の検査工程での検査で異常基板を排除していたが、このような異常基板の存在は、例えば製品歩留まりや生産性を低下させるため、可及的速やかに特定し、製造工程から排除することが好ましい。また、スパッタリング装置においても、予め設定された成膜条件に従って成膜処理されるが、何らかの原因で膜厚不足等の成膜不良が生じることがあり、このような場合にも、後工程中の検査工程を待たずに、可及的速やかに特定し、製造工程から排除することが好ましい。

特開平１１−２２２６７３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、異常基板を可及的速やかに特定することが可能な成膜装置及び基板判別方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する保持手段と、基板に対して成膜処理を施す成膜源と、成膜処理時の基板温度を測定する温度測定手段とを備える本発明の成膜装置は、温度測定手段の測定値を基に単位時間当たりの基板の温度変化量を検出し、この検出した温度変化量から基板の異常状態を判別する判別手段を設けることを特徴とする。

ここで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、基板の材質や基板表面に成膜されている薄膜の膜厚が異なると、同一の成膜条件で成膜した場合でも単位時間当たりの基板の温度変化量が異なることを知見するのに至った。本発明によれば、成膜処理時の基板の温度変化量に基づき基板の異常状態を判別するため、後工程中の検査工程を待たずに、異常基板を可及的速やかに特定し、異常基板を製造工程から排除することができる。

本発明は、成膜源がターゲットと真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とターゲットに電力投入する電源とを有してスパッタリング法により成膜処理するものであり、基板の一方の面に、成膜処理に際して発生する所定範囲の波長を持つ放射光の透過率が基板より小さい薄膜を成膜する場合、前記温度測定手段として、基板の他方の面側に配置される放射温度計を用いれば、スパッタ粒子の入射により薄膜から放射される放射光が、基板を透過して放射温度計に入射するため、基板の一方の面に形成された薄膜の膜厚を測定でき、所定の膜厚が形成されなかった異常基板を可及的速やかに特定でき、この異常基板を製造工程から排除することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の基板判別方法は、真空チャンバを真空雰囲気とした後、成膜源を作動させて保持手段で保持された基板に対して成膜処理を施す成膜工程と、成膜工程にて基板温度を測定し、温度測定手段の測定値を基に単位時間当たりの基板の温度変化量を検出する検出工程と、検出した温度変化量から基板の異常状態を判別する判別工程とを含むことを特徴とする。

尚、本発明においては、基板の異常状態には、前工程にて各種処理が適切に施されなかった状態、基板自体の材質が本来の基板とは異なっている状態だけでなく、予め設定された厚さで所定の薄膜が形成されなかった状態を含むものとする。

本発明において、前記検出工程にて基板を透過する放射光を基に基板温度を測定し、基板の温度変化量を基に成膜される薄膜の膜厚を取得する膜厚取得工程を更に含むことが好ましい。この場合、前記基板としてシリコン基板を用い、前記検出工程で検知する放射光の波長を１．２μｍ〜１５μｍの範囲に設定することが好ましい。これによれば、当該範囲の波長の放射光が薄膜から放射されて基板を透過して検知され、この検知された放射光から基板温度が測定される。基板の温度変化量は薄膜の膜厚と相関があるため、薄膜の膜厚を取得することができる。

本発明の実施形態の成膜装置を示す模式的断面図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｗに酸化アルミニウム膜をスパッタリング法により成膜するスパッタリング装置を例として、本発明の実施形態の成膜装置について説明する。

図１を参照して、ＳＭは、マグネトロン方式のスパッタ装置であり、このスパッタ装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底壁には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管１１が接続されている。真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスのガス源（図示省略）に通じるガス管１２が接続され、ガス管１２にはマスフローコントローラ１３が介設されている。これにより、流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐにより一定の排気速度で真空引きされている処理室１０内に導入でき、スパッタリングによる成膜中、処理室１０の圧力が略一定に保持されるようにしている。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣＵが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣＵは、ターゲット２と、ターゲット２の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート３と、バッキングプレート３の上方に配置された磁石ユニット４とを有する。ターゲット２は、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成された酸化アルミニウム製のものである。バッキングプレート３は、その内部に冷媒通路３０を有し、この冷媒通路３０を流れる冷媒（例えば冷却水）との熱交換でターゲット２を冷却できるようになっている。ターゲット２を装着した状態でバッキングプレート３の周縁部３１が、絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１の上壁に取り付けられる。ターゲット２には高周波電源Ｅからの出力が接続され、成膜処理時、ターゲット２に高周波電力が投入される。

磁石ユニット４は、ターゲット２のスパッタ面（下面）２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向させて保持手段としての例えば金属製のステージ５が配置され、基板Ｗがその成膜面たる上面を開放した状態で位置決め保持されるようにしている。この場合、ターゲット２と基板Ｗとの間の間隔（Ｔ−Ｓ距離）は、生産性や散乱回数等を考慮して２５〜８０ｍｍの範囲に設定される。

ステージ５の基板Ｗの下面側には温度測定手段としての放射温度計６が配置されている。放射温度計６は、ステージ５に開設された透孔５１を介して基板Ｗからの放射光を検出して基板Ｗの温度を測定する。放射温度計６としては、図示省略するが、放射光の強度を検出する検出素子と、検出素子に放射光を導くレンズ等の光学系と、検出素子の検出値を温度に変換する変換処理部とを有する公知の構造を有するものを用いることができるため、ここではこれ以上の詳細な説明を省略する。放射温度計６の上部にはフランジ６１が設けられ、フランジ６１上面に形成された凹溝にＯリング６２をはめ込み、この状態でステージ５下面に取り付けて真空シールしている。放射温度計６は、後述する制御手段Ｃに接続されている。

上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備える制御手段Ｃを有する。制御手段Ｃは、真空排気手段Ｐの稼働、高周波電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１３の稼働等を統括管理するだけでなく、放射温度計６の測定値を基に単位時間当たりの基板Ｗの温度変化量を検出し、この検出した温度変化量から基板Ｗの異常状態を判別することができる。このため、制御手段Ｃが特許請求の範囲の「判別手段」に対応する。尚、基板Ｗの異常状態には、前工程にて基板Ｗに各種処理が適切に施されていない状態（例えば、基板Ｗ裏面に対して研磨処理が施されないことで、基板Ｗ裏面に本来形成されないはずの膜が形成されている状態等）や、基板Ｗ自体の材質が本来の基板とは異なる状態（例えばロット違い）だけでなく、基板Ｗ表面に予め設定された厚さで所定の薄膜が形成されなかった状態（基板Ｗ表面に薄膜が形成されているものの、その膜厚が予め設定された許容範囲を外れている状態）を含むものとする。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｗの表面に酸化アルミニウム膜を成膜する際に基板Ｗの異常状態を判別する場合を例として、本発明の基板判別方法の実施形態について説明する。

真空チャンバ１内のステージ５に基板Ｗをセットした後、真空ポンプＰを作動させて処理室１０内を真空引きする。処理室１０内が所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１３を制御してアルゴンガスを所定の流量（例えば、５〜２０００ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、処理室１０内の圧力が０．０６〜２６Ｐａとなる）。これと併せて、スパッタ電源Ｅからターゲット２に高周波電力（２〜４０ＭＨｚ（例えば、１３．５６ＭＨｚ）、０．１〜４０ｋＷ）を投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２１をスパッタし、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗ表面に付着、堆積させることにより酸化アルミニウム膜が成膜される（成膜工程）。

本発明では、成膜工程にて、放射温度計６により基板Ｗの温度を測定する（検出工程）。ここで、基板Ｗの材質が異なると、基板Ｗの裏面の放射率が異なり、その裏面からの放射光の強度が異なり、単位時間当たりの基板の温度変化量が異なる。例えば、正常基板がシリコン基板である場合、シリコン基板に酸化アルミニウム膜を成膜したときの単位時間当たりの基板の温度変化量を予め求めておき、この予め求めた温度変化量と、検出工程で求めた温度変化量との差が許容範囲を超える場合に、正常基板と材質が異なる異種基板（例えば、酸化アルミニウム基板）であると特定することができる。

このように基板自体の材質が異なる場合だけではなく、基板の裏面に正常基板では形成されない膜が形成されている場合がある。例えば、正常基板がシリコン基板であり、この正常基板では形成されない酸化アルミニウム膜が裏面に形成されているシリコン基板である。この場合も、基板Ｗの裏面の放射率が異なるため、この裏面からの放射光の強度が異なる。そして、予め求めた温度変化量と、検出工程で求めた温度変化量との差が許容範囲を超える場合に、異常基板であると特定することができる。

また、放射温度計６により検知する放射光の波長をシリコンを透過する１．２μｍ〜１５μｍの範囲に設定すれば、シリコン基板Ｗ上に成膜された酸化アルミニウム膜から放射される放射光がシリコン基板Ｗを透過して放射温度計６で検知される。このとき、酸化アルミニウム膜の膜厚と検出工程で求めた温度変化量との間には相関があるため、このような相関を検量線として予め求めておけば、酸化アルミニウム膜の膜厚を求めることができる（膜厚取得工程）。酸化アルミニウム膜の膜厚が許容範囲を外れた場合には、異常基板と判別することができる。

本実施形態によれば、成膜処理時の基板Ｗの温度変化量に基づき基板Ｗの異常状態を判別するため、後工程中の検査工程を待たずに、異常基板を可及的速やかに特定し、異常基板を製造工程から排除することができる。

次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍのベアシリコン基板Ｗ１を用い、このベアシリコン基板Ｗ１を真空チャンバ１内のステージ５にセットした後、アルゴンガスを流量１００ｓｃｃｍで処理室１０内に導入し（このときの処理室１０内の圧力は約１．３Ｐａ）、ターゲット２に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を２ｋＷ投入した。これにより、処理室１０内にプラズマが形成され、ターゲット２をスパッタリングして、ベアシリコン基板Ｗ１の表面に酸化アルミニウム膜を成膜した。この成膜中、基板Ｗ１の温度を測定した結果を図２に破線Ｌ１で示す。このとき、放射温度計６により検知する放射光の波長は、シリコンを透過しない０．８μｍに設定した。図２には、酸化アルミニウム基板Ｗ２の表面に酸化アルミニウム膜を成膜した場合の温度測定結果を実線Ｌ２で示し、予め酸化アルミニウム膜が５４００Å成膜済みのシリコン基板の表面に酸化アルミニウム膜を成膜した場合の温度測定結果を実線Ｌ３で示す。そして、ベアシリコン基板Ｗ１表面に酸化アルミニウム膜を成膜した場合の単位時間当たりの基板温度変化量を求めた結果を図３に破線Ｌ１で示す。図２には、酸化アルミニウム基板Ｗ２の表面に酸化アルミニウム膜を成膜した場合の単位時間当たりの基板温度変化量を実線Ｌ２で示す。これによれば、基板の種類が異なると、単位時間当たりの基板温度変化量が異なることが確認された。従って、温度変化量を求めれば、基板の種類が正常基板とは異なる異常基板を検出できることが判った。

また、放射温度計６により検知する放射光の波長をシリコンを透過する１０μｍに設定し、ベアシリコン基板Ｗ１の表面に酸化アルミニウム膜を成膜する間、基板温度を測定し、測定値から単位時間当たりの基板温度変化量を求めた。酸化アルミニウム膜の膜厚と温度変化量との関係を図４に示す。これによれば、単位時間当たりの基板温度変化量を予め求めて検量線や数式を作成することで、酸化アルミニウム膜の膜厚を測定できることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、酸化アルミニウムのような絶縁物製のターゲット２を用いて絶縁物膜を成膜する場合を例に説明したが、アルミニウムや銅のような金属製のターゲットを用いて金属膜を成膜する場合にも当然に本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、スパッタリング装置を例に説明したが、ＣＶＤ装置や真空蒸着装置のような他の成膜装置に対しても本発明を適用することができる。

Ｃ…制御手段（判別手段）、Ｅ…スパッタ電源（成膜源、電源）、ＳＭ…スパッタリング装置（成膜装置）、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ターゲット（成膜源）、５…基板ステージ（保持手段）、６…放射温度計（測定手段）、１３…マスフローコントローラ（成膜源、ガス導入手段）。

Claims (5)

1. ターゲットを有する真空チャンバと、真空チャンバ内で処理すべき基板を保持する保持手段と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段と、ターゲットに電力投入する電源と、成膜処理時の基板温度を測定する測定手段として基板の他方の面側に配置される放射温度計とを備える成膜装置であって、基板の一方の面に、成膜処理に際して発生する所定範囲の波長を持つ放射光の透過率が基板より小さい薄膜を成膜するものにおいて、
   温度測定手段の測定値を基に単位時間当たりの基板の温度変化量を検出し、この検出した温度変化量から、基板自体の材質の異常状態と、成膜処理前に基板の表面及び裏面の少なくとも一方に予め存する膜の異常状態とのうちの少なくとも１つを判別する判別手段を設けることを特徴とする成膜装置。
2. 真空チャンバを真空雰囲気とした後、成膜源を作動させて保持手段で保持された基板の表面に成膜処理を施す成膜工程であって、当該成膜処理に際して発生する所定範囲の波長を持つ放射光の透過率が基板より小さい薄膜を成膜する成膜工程と、
   成膜工程にて基板温度を測定し、基板温度の測定値を基に単位時間当たりの基板の温度変化量を検出する検出工程と、
   検出した温度変化量から、基板自体の材質の異常状態と、成膜処理前に基板の表面及び裏面の少なくとも一方に予め存する膜の異常状態とのうちの少なくとも１つを判別する判別工程とを含むことを特徴とする基板判別方法。
3. 前記成膜工程で成膜される薄膜の膜厚を取得する膜厚取得工程を更に含み、
   前記判別工程にて、前記検出した単位時間当たりの基板の温度変化量と、取得した薄膜の膜厚との関係から、前記基板自体の材質の異常状態を判別することを特徴とする請求項２記載の基板判別方法。
4. 前記単位時間当たりの基板の温度変化量を、成膜処理前に基板の表面に所定厚さの膜が予め存する基板と、成膜処理前に基板の表面に膜が存しない基板との夫々について予め取得する工程を更に含み、
   前記判別工程にて、前記予め取得した単位時間当たりの基板の温度変化量と、前記検出工程で検出した単位時間当たりの基板の温度変化量とを比較して、前記成膜処理前に基板の表面に予め存する膜の異常状態を判別することを特徴とする請求項２記載の基板判別方法。
5. 請求項２〜４のいずれか１項記載の基板判別方法において、前記基板としてシリコン基板を用い、前記検出工程で検知する放射光の波長は１．２μｍ〜１５μｍの範囲に設定することを特徴とする基板判別方法。

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