JP7017420B2 - 半導体製造装置および半導体装置の成膜方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体装置の成膜方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板表面に薄膜を形成する半導体製造装置に関し、特に、半導体製造装置のステージに基板を固定するクランプの構造に関する。
スパッタ装置は、基板の周囲をクランプで保持し、ターゲットから飛来したスパッタ粒子を基板上に被着させて成膜を行うが、スパッタ粒子はクランプの上面にも被着する。基板とクランプとの境界に被着した薄膜は、基板とクランプとの固着の原因となり、スパッタ成膜後に基板をクランプから取り外す際の障害となる。この問題の解決のために第１のクランプと第２のクランプを併用する構造が提案されている。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）
特許文献１および特許文献２には、第１のクランプと基板との間の基板外側に当接するように第２のクランプを設けることが記載され、特許文献１では第２のクランプの自重を利用して第１のクランプと基板を引き離すこと、特許文献２では第２のクランプのテコ作用を利用して第１のクランプと基板を引き離すことが開示されている。
特開２０１１－２１４０３４号公報 特開２００５－３３３０６３号公報
成膜された薄膜の膜厚が厚くなると、第１のクランプと基板との境界に堆積する薄膜の膜厚も厚くなり、第１のクランプと基板を引き離すことが困難な傾向にある。特許文献１では第１のクランプよりも重い第２のクランプを設けて、その重さを利用して引き離すが、平面視的に第２のクランプは第１のクランプよりも小さく、選択できるクランプ材料も限られるため、厚膜に成膜された場合に固着した基板と第１のクランプとを自重のみで引き離すことは困難である。特許文献２の第２のクランプに設けられたテコを利用しても厚膜に成膜されて固着した基板と第１のクランプとを引き離すことは困難である。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、堆積膜の成膜後に固着した基板とクランプを確実に引き離すことが可能なクランプを有する半導体製造装置および半導体装置の成膜方法を提供する事を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を用いた。
基板を裏面から支持するステージと、
前記基板の表面外周部に接するメインクランプと、
前記メインクランプが前記基板と接する押圧面よりも外側の領域で前記基板に接するサブクランプと、
前記サブクランプと前記ステージとを連結するバネ部材と、
を備えることを特徴とする半導体製造装置とした。
基板を裏面から支持するステージと、前記基板の表面外周部に接するメインクランプおよび前記メインクランプが前記基板と接する押圧面よりも外側の領域で前記基板に接するサブクランプと、で前記基板を挟持する工程と、
前記基板に堆積膜を形成する工程と、
前記ステージを下降させるとともに、前記サブクランプと前記ステージとを連結するバネ部材を伸長させて前記メインクランプと前記サブクランプと前記基板とを下降させる工程と、
前記メインクランプを第一係止部で下降停止させた後、前記メインクランプと前記基板とを引き離す工程と、
前記サブクランプを前記第二係止部で下降停止させた後、前記サブクランプと前記基板とを引き離す工程と、
を備える半導体装置の成膜方法を用いた。
上記手段を用いることで、堆積膜によって固着した基板とクランプを容易に引き離すことが可能となり、固着に起因した基板の搬送不良を防止することができる。
本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置の動作を説明する断面図である。 図２に続く、本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置の動作を説明する断面図である。 本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置内の基板等の昇降高さおよび昇降速度を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。図示する半導体製造装置はスパッタ装置１０であって、真空状態にすることが可能なチャンバ１１の中にターゲット１３と基板ホルダー２０に保持された基板１００とが対向して置かれている。図示していないが、チャンバ１１には不活性ガスの供給放電機構やチャンバ内を真空にする排気機構が接続され、さらには、基板１００の搬送機構なども設けられる。
スパッタ装置１０は、アルゴンなどの不活性ガスをターゲット１３に衝突させ、ターゲットを構成する材料をスパッタ粒子として飛び出させ、飛来したスパッタ粒子が基板１００の表面に付着して堆積膜１０１を形成するという成膜装置である。基板１００の裏面にはステージ２１が設けられ、このステージ２１によって基板１００が支持されている。ステージ２１の裏面には上下可動のステージ昇降機構２６が設けられ、ステージ２１が上方に移動して、クランプ２２との間に基板１００を挟むことができる。また、ステージ２１は基板１００を吸着する機構を持たないため、ステージ２１が下降したときに基板１００と容易に離れることができる。
クランプ２２はメインクランプ２３ａとサブクランプ２３ｂを有し、メインクランプ２３ａは基板１００の表面外周部の内側寄りの領域を押さえ、サブクランプ２３ｂは表面外周部の外側寄りの領域を押さえ、サブクランプ２３ｂがメインクランプ２３ａによって覆われるように形成されている。クランプ２２が基板１００を押圧する領域は基板１００の外端から基板中心に向かって３～５ｍｍの領域であり、その内側寄りの半分の領域にメインクランプ２３ａの先端が接し、残りの外側寄りの半分の領域にサブクランプ２３ｂの先端が接するという構成にする。なお、メインクランプ２３ａおよびサブクランプ２３ｂはターゲット材料と異なる材質、例えばステンレスで形成されることが好ましく、もし、ターゲット材料が高融点金属でなければ、クランプ２２をチタンやモリブデン等の高融点金属としても良い。
図１では、メインクランプ２３ａの下面とサブクランプ２３ｂの上面が直に接するように図示されているが、クランプ材料の熱膨張や経時的なクランプの変形を考慮すれば、メインクランプ２３ａの下面とサブクランプ２３ｂの上面の間には幾分の間隙を設けたほうが良い。同様に、メインクランプ２３ａやサブクランプ２３ｂが基板と接する、各々の先端部の間にも間隙を設けることが好ましい。
サブクランプ２３ｂの裏面にはコイル状のバネ部材２５の一端が接続され、バネ部材２５の他端はステージ２１の側面に突出したバネ接続部２４に接続されている。一般に、コイル状バネには圧縮コイルバネと引張りコイルバネがあるが、ここでは引張りの荷重を受けて用いられる引張コイルを利用する。バネ部材２５はステージ２１の周囲に均等の間隔で配置され、少なくとも３箇所以上に設けられることが望ましい。成膜中にスパッタ粒子は基板１００だけでなく、メインクランプ２３ａの表面やその周囲にも被着し堆積膜１０１を形成するが、チャンバ１１内の堆積膜１０１の除去を容易にするためにステージ２１の周囲には防着板３０が設けられる。本発明の防着板３０には第一係止部３１および、その内側に第二係止部３２を備え、第一係止部３１の上端がメインクランプ２３ａの裏面端部に接し、第二係止部３２の上端がサブクランプ２３ｂの裏面端部に接することができるように形成されている。そして、第二係止部３２の上端の高さが第一係止部３１の上端の高さよりも低くなるように設けられている。また、第二係止部３２のさらに内側、すなわち、第二係止部３２よりもステージ寄りの位置に基板１００の基板係止部２８が設けられている。基板係止部２８は上下可動の基板係止部昇降機構２７を備え、その上端は基板１００の裏面端部に接することができるように形成されている。
図２および図３は本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置の動作を説明する断面図である。以下、本発明の半導体製造装置を用いて、半導体装置の成膜方法について説明する。
図２（ａ）ではステージ２１を上昇させ、半導体装置が形成される基板１００がクランプ２２との間に挟み込まれている状態を示している。基板１００の表面外周部の内側寄りの領域にはメインクランプ２３ａの先端部、表面外周部の外側寄りの領域にはサブクランプ２３ｂの先端部が接し、基板１００を下方向に押圧している。このとき、サブクランプ２３ｂとバネ接続部２４との間に設けられたバネ部材２５はバネ自由長さよりも短く収縮している。また、このときの基板１００の高さは第一係止部３１の上端よりも高く、第一係止部３１の上端とメインクランプ２３ａの裏面は接していない。そして、この状態で基板１００の表面に堆積膜１０１を形成する。成膜された堆積膜１０１は基板１００およびメインクランプ２３ａを連続して被覆している。
そして、図２（ｂ）に示すように、基板係止部２８の上端を基板１００の裏面端部に接触させる。この基板係止部２８は以降の工程での基板１００への衝撃を緩和するために必要となる。次に、ステージ昇降機構２６によってステージ２１を下降させ、バネ部材２５がバネ自由長さよりも伸長させると、それが収縮しようとする力が働いてメインクランプ２３ａおよびサブクランプ２３ｂが基板１００に接した状態で下降する。このときの下降速度は基板係止部昇降機構２７によって制御される。仮に基板係止部昇降機構２７を付属する基板係止部２８無いと基板１００の下降速度はバネ部材２５の収縮力で決まり、速度の制御は困難である。第一係止部３１の上端がメインクランプ２３ａの裏面端部に接するとメインクランプ２３ａの下降が停止する。下降速度は一定の速度でも良いが、第一係止部３１とメインクランプ２３ａが接する直前に下降速度を減速することで基板１００への衝撃を緩和できる。
さらに基板係止部２８を下降させると、メインクランプ２３ａの先端に堆積した堆積膜１０１が切断されて、基板１００とメインクランプ２３ａが引き離される。引き離す際に、基板１００表面の堆積膜１０１の端部が剥がれたり、捲れ上がったりすることを抑制するために、第一係止部３１とメインクランプ２３ａとが接した直後の下降速度はさらに減速したほうが良い。メインクランプ２３ａと基板１００が引き離されたら、図３（ａ）に示すように、基板１００と接した状態でサブクランプ２３ｂをさらに下降させる。そして、第二係止部３２の上端がサブクランプ２３ｂの裏面端部に接するとサブクランプ２３ｂの下降が停止する。下降速度は一定の速度でも良いが、第二係止部３２とサブクランプ２３ｂが接する直前に下降速度を減速することで基板１００への衝撃を緩和できる。
次に、図３（ｂ）に示すように、基板係止部２８をさらに下降させると、基板１００とメインクランプ２３ａが引き離される。サブクランプ２３ｂの先端部と基板１００の表面外周部には連続する堆積膜が無いため、容易に引き離すことができる。このとき、基板１００の裏面はステージ２１によって支持されておらず、表面はクランプ２２が接しておらず、基板係止部２８に載置された状態である。
次に、基板１００を、（図示していない）ロボットアーム等の搬送機構を用いてステージ２１の上方の位置から基板１００を搬出してキャリアに収納し、次に成膜する基板１００をキャリアから取り出してステージ２１を置き、その表面外周部をクランプ２２で押さえて上記工程を繰り返す。以上の工程を経て、半導体装置の成膜が行われる。
以上説明したように、本発明のスパッタ装置１０では、ステージ２１とサブクランプ２３との間に設けたバネの収縮力を作用させることにより、クランプ２２と基板１００との間に堆積膜１０１を介する固着が生じた場合でも、確実にクランプ２２と基板１００とを引き離すことができ、固着に起因した基板の搬送不良を防止することができる。
図４は本発明の実施形態に掛かる半導体製造装置内の基板等の昇降高さおよび昇降速度を説明する図である。本図は横軸に基板搬入から基板搬出に至る工程を示し、縦軸は基板昇降速度、基板及びステージ高さを示した。なお、以下では理解を深めるために図２および図３も参照しながら説明を行う。
・基板搬入～堆積膜形成開始（図３（ｂ）参照）
ステージ２１と離間して、ステージ２１より幾分高い位置にある基板係止部２８上に基板１００を置き、ステージ２１を第一の上昇速度Ｕ１で上昇させる。ステージ２１の上面が基板１００の裏面に接触したら、ステージ２１上に基板１００を載置した状態で上昇させる。次に、上昇速度を第一の上昇速度Ｕ１から０ｍｍ／ｓｅｃまで次第に減じるような第二の上昇速度Ｕ２で基板１００を上昇させる。
・堆積膜形成開始～堆積膜形成終了（図２（ａ）参照）
基板１００が成膜高さに達したら、基板１００の上昇を止め、チャンバ１１内にアルゴンガスを導入し、放電させてターゲット１３に活性化したアルゴン原子を衝突させ、ターゲット１３から飛び出したスパッタ粒子を基板１００上に飛来させて成膜する。このとき、基板は停止した状態であり、その基板昇降速度は０ｍｍ／ｓｅｃである。
・堆積膜形成終了～第一係止部で停止直後（図２（ｂ）参照）
基板係止部２８を上昇させ、基板１００の裏面端部に接触させる。次いで、ステージ２１を、基板搬入時と同じ最下位まで下降させバネ部材２５を伸長させる。次いで、基板係止部２８に保持された基板１００を第一の下降速度Ｄ１で下降させ、メインクランプ２３ａが第一係止部３１の近傍まで近づいたら、減速させて第二の下降速度Ｄ２にして第一係止部３１とメインクランプ２３ａを接触させる。この時点で、メインクランプ２３ａと基板１００は堆積膜１０１を介して固着しており、高速で降下すると、接触時の衝撃がメインクランプ２３ａを介して基板１００に伝わることになるが、このように減速することで基板１００へ伝播する衝撃を緩和できる。接触したら、さらに減速させて第三の下降速度Ｄ３にて下降させて、メインクランプ２３ａと基板１００を引き離す。これは引き離す際に、基板１００表面の堆積膜１０１の端部が剥がれたり、捲れ上がったりすることを抑制するためである。堆積膜１０１が高融点金属膜であると、内部応力が高く堆積膜１０１の端部のダメージが起点となって膜剥がれとなることがある。この減速はそのような問題を回避するために有効な方策である。
・第一係止部で停止直後～第二係止部でサブクランプ停止（図３（ａ）参照）
メインクランプ２３ａと基板１００が離れたら、下降速度を上げて第四の下降速度Ｄ４にし、基板１００とサブクランプ２３ｂが接した状態で下降させ、第二係止部３２にサブクランプに接触すると、サブクランプ２３ｂが基板１００と離れて下降動作を停止する。
・第二係止部でサブクランプ停止～基板搬出（図３（ｂ）参照）
基板係止部２８に保持された基板１００のみを第四の速度で下降させ、サブクランプ２３ｂと基板１００との間に間隙を設けて基板１００の下降を停止させる。このとき、基板１００と下方のステージ２１との間にも間隙を設けて互いに離間した状態である。次いで、堆積膜１０１を形成した基板１００を搬送装置を用いて搬出するが、基板１００の上下の間隙は搬送装置の搬送アームおよび基板１００の可動領域として必要となる。
以上の成膜方法により、基板の下降速度を調節することで基板に対する衝撃が回避されるとともに、固着に起因した基板の搬送不良を防止することができる。
１０ スパッタ装置
１１ チャンバ
１３ ターゲット
２０ 基板ホルダー
２１ ステージ
２２ クランプ
２３ａ メインクランプ
２３ｂ サブクランプ
２４ バネ接続部
２５ バネ部材
２６ ステージ昇降機構
２７ 基板係止部昇降機構
２８ 基板係止部
３０ 防着板
３１ 第一係止部
３２ 第二係止部
１００ 基板
１０１ 堆積膜
Ｕ１ 第一の上昇速度
Ｕ２ 第二の上昇速度
Ｄ１ 第一の下降速度
Ｄ２ 第二の下降速度
Ｄ３ 第三の下降速度
Ｄ４ 第四の下降速度

Claims (5)

  1. 基板を裏面から支持するステージと、
    前記基板の表面外周部に接するメインクランプと、
    前記メインクランプが前記基板と接する押圧面よりも外側の領域で前記基板に接するサブクランプと、
    前記サブクランプと前記ステージとを連結する引張りコイルバネと、
    を備えることを特徴とする半導体製造装置。
  2. 前記メインクランプの下には、第一係止部が設けられ、
    前記サブクランプの下には、前記第一係止部よりも低い第二係止部が設けられ、
    前記基板の下には、基板係止部が設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
  3. 基板を裏面から支持するステージと、前記基板の表面外周部に接するメインクランプおよび前記メインクランプが前記基板と接する押圧面よりも外側の領域で前記基板に接するサブクランプと、で前記基板を挟持する工程と、
    前記基板に堆積膜を形成する工程と、
    前記ステージを下降させるとともに、前記サブクランプと前記ステージとを連結するバネ部材を伸長させて前記メインクランプと前記サブクランプと前記基板とを下降させる工程と、
    前記メインクランプを第一係止部で下降停止させた後、前記メインクランプと前記基板とを引き離す工程と、
    前記サブクランプを第二係止部で下降停止させた後、前記サブクランプと前記基板とを引き離す工程と、
    を備える半導体装置の成膜方法。
  4. 前記メインクランプと前記サブクランプと前記基板を下降させる工程の前に、前記基板を基板係止部で支持することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の成膜方法。
  5. 前記メインクランプと前記サブクランプと前記基板とを下降させる工程の加工速度に比べ、前記メインクランプと前記基板とを引き離す工程の下降速度を減じることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の成膜方法。
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