JP7290413B2

JP7290413B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP7290413B2
Application number: JP2018217282A
Authority: JP
Inventors: 佳詞藤井
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: JP2020084239A

Description

本発明は、真空チャンバを有してこの真空チャンバ内にセットされた被処理基板に対して所定の真空処理を施す真空処理装置に関する。

例えば半導体デバイスの製造工程においては、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ内にてシリコンウエハなどの被処理基板に所定の真空処理を施す工程があり、このような真空処理には、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法による成膜装置、ドライエッチング装置や真空熱処理装置等が利用される。スパッタリング法による成膜を施す真空処理装置（スパッタリング装置）は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバを有し、その上部にはスパッタリング用ターゲットが配置されている。真空チャンバ内の下部には、ターゲットに対向させて被処理基板が設置されるステージが設けられている。

上記スパッタリング装置を用いて所定の薄膜を成膜するのに際しては、ステージに一枚の被処理基板を設置した状態で真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガス（及び反応ガス）を導入し、ターゲットに例えば負の電位を持った直流電力や所定周波数の交流電力を投入する。これにより、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ中で電離した希ガスのイオンがターゲットに衝突してターゲットがスパッタリングされ、ターゲットから飛散したスパッタ粒子が被処理基板表面に付着、堆積して、ターゲット種に応じた所定の薄膜が成膜される。ターゲットをスパッタリングすると、ターゲット表面から所定の余弦則に従ってスパッタ粒子が飛散するが、スパッタ粒子の一部は被成膜物以外にも向けて飛散する。真空チャンバには、通常、その内壁面に対するスパッタ粒子の付着を防止するために、金属製の防着板が真空チャンバの内壁面から間隔を存して設けられる。

ところで、スパッタリングによる成膜時、防着板は、プラズマの輻射熱等で加熱され、成膜される被処理基板の枚数が増加するのに従い、次第に高温になっていく。そして、所定温度を超えて防着板が昇温すると、特に、スパッタ粒子が付着、堆積しない防着板の裏面から真空排気されずにその表面に残留する種々のガス（酸素や、水蒸気等）が放出されることになる。このような放出ガスが成膜時に薄膜中に取り込まれると、例えば膜質の劣化を招来するので、これを可及的に抑制する必要がある。

従来では、防着板の裏面側に冷却管を蛇行して付設し、または、所定の厚みを持つ防着板内に冷媒の循環路を形成し、冷却管や循環路に冷媒を循環させて防着板の冷却を行うことが一般に知られている（例えば、特許文献２参照）。然し、このような防着板は、それ自体の構造が複雑でコスト高である。また、真空チャンバ外に配置されるチラーユニットからの配管を、継手などを介して冷却管や循環路に接続する必要があるので、真空処置装置の破損につながる、真空チャンバ内での水漏れを発生させる危険性が増大するといった問題が生じる。

特開２０１４－９１８６１号公報特開２０００－７３１６２号公報

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、真空チャンバ内に設けられる防着板を簡単な構成で冷却できるようにした真空処理装置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、真空チャンバを有してこの真空チャンバ内にセットされた被処理基板に対して所定の真空処理を施す本発明の真空処理装置は、真空チャンバ内に防着板が設けられ、防着板の部分に隙間を存して対向配置される放射冷却板を備え、放射冷却板が、真空チャンバの冷却部にヒートパイプを介して接続され、前記冷却部は、前記真空チャンバの内壁面に立設した金属製のブロック体で構成され、前記防着板の部分と対向する前記放射冷却板の表面部分が、当該表面部分の母材金属に対して表面処理を施すことで放射率を高めた高放射率層で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、放射冷却板からの放射冷却により防着板の部分が冷却される。ここで、放射冷却板から真空チャンバの冷却部への熱引けが不十分であると、真空処理中に防着板が所定温度以上に加熱される虞がある。本発明では、放射冷却板がヒートパイプを介して冷却部に接続されるため、放射冷却板から冷却部へと効率よく熱引けし、結果として、真空処理中に防着板が所定温度以上に加熱されることを防止できる。ところで、真空チャンバの下壁や側壁には、真空処理に先立って実施されるベーキング処理用に、温媒を循環させるためのジャケットが設けられているものが多い。この場合、冷却部として既存のジャケットやジャケットに冷媒を循環させることで冷却される真空チャンバの下壁内面を利用できるため、防着板を簡単な構成で冷却できる。しかも、従来例のように真空チャンバ内に冷却管や循環路を設けないため、真空チャンバ外に配置されるチラーユニットからの配管を継手などを介して冷却管や循環路に接続する必要がなく、真空チャンバ内での水漏れを発生させる危険性を排除できる。

また、本発明によれば、放射冷却板からブロック体へと効率よく熱引けし、真空処理中に防着板をより確実に冷却することができ、有利である。

本発明においては、前記ヒートパイプが、ＳＵＳ製の保護管に内蔵されることが好ましい。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式断面図。図１の一部を拡大して示す断面図。本発明の変形例を拡大して示す断面図。本発明の他の変形例を拡大して示す断面図。

以下、図面を参照して、真空処理装置をマグネトロン方式のスパッタリング装置、被処理基板をシリコンウエハ（以下、「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗ表面に所定の薄膜を成膜する場合を例に本発明の真空処理装置の実施形態を説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１に示す真空処理装置としてのスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁及び下壁には、図外の温媒または冷媒用の循環ユニットに配管を介して接続されるジャケット１１が設けられており、適宜、温媒や冷媒を循環させて（例えば、ベーキング処理時には温媒、真空処理時には冷媒を循環させて）真空チャンバ１の側壁及び下壁を加熱または冷却できるようにしている。このため、ジャケット１１及びジャケット１１に冷媒を循環させることで冷却される真空チャンバ１の下壁内面１３が、本発明の特許請求の範囲の冷却部を構成する。また、真空チャンバ１の上面開口にはカソードユニット２が着脱自在に取付けられている。

カソードユニット２は、ターゲット２１と、このターゲット２１の上方に配置される磁石ユニット２２とで構成されている。ターゲット２１としては、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜に応じて、アルミニウム、銅、チタンやアルミナなど公知のものが利用される。そして、ターゲット２１は、バッキングプレート２１ａに接合した状態で、スパッタ面２１ｂを下方にした姿勢で真空チャンバ１の上壁に設けた真空シール兼用の絶縁体３１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。ターゲット２１には、直流電源や交流電源などで構成されるスパッタ電源２１ｃからの出力２１ｄが接続され、ターゲット種に応じて、例えば負の電位を持つ所定電力や所定周波数の高周波電力が投入できるようになっている。磁石ユニット２２は、ターゲット２１のスパッタ面２１ｂの下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２１ｂの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２１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閉鎖磁場若しくはカスプ磁場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の下部には、ターゲット２１に対向させてステージ４が配置されている。ステージ４は、真空チャンバ１下部に設けた絶縁体３２を介して設置される、筒状の輪郭を持つ金属製（例えばＳＵＳ製）の基台４１と、この基台４１の上面に設けたチャックプレート４２とを有する。基台４１には、図外のチラーユニットから供給される冷媒を循環させる冷媒循環路４１ａが形成されており、選択的に冷却できるようになっている。チャックプレート４２は、基台４１の上面より一回り小さい外径を有し、静電チャック用の電極が埋設されている。この電極に図外のチャック電源から電圧を印加すると、チャックプレート４２上面に基板Ｓｗが静電吸着されるようになっている。また、基台４１とチャックプレート４２との間には、例えば窒化アルミニウム製のホットプレート４３が介設されている。ホットプレート４３には、例えばヒータ等の加熱手段（図示省略）が組み込まれており、この加熱手段に図外の電源から通電することにより、所定温度（例えば、３００℃～５００℃）に加熱できるようになっている。この場合、チャックプレート４２にヒータを内蔵してチャックプレート４２とホットプレート４３とを一体に形成することもできる。そして、ホットプレート４３による加熱と、冷媒循環路４１ａへの冷媒の循環による基台４１の冷却とによって基板Ｓｗを室温以上の所定温度（例えば、３５０℃）に制御できるようにしている。

真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス管５が接続され、ガス管５がマスフローコントローラ５１を介して図示省略のガス源に連通している。スパッタガスには、真空チャンバ１内にプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の下壁には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプ等で構成される真空ポンプ６１に通じる排気管６２が接続され、真空チャンバ１内を真空引きし、スパッタリング時にはスパッタガスを導入した状態で真空チャンバ１を所定圧力に保持できるようにしている。

真空チャンバ１内でステージ４の周囲には、ホットプレート４３上面の外周部分４３ｃを覆うことで、ターゲット２１から飛散するスパッタ粒子の当該部分４３ｃへの付着を防止する防着板として機能するプラテンリング７が間隔を存して設けられている。プラテンリング７は、アルミナ、ステンレス等の公知の材料製であり、基台４１上面の外周部分に絶縁体３３を介して設けられている。また、真空チャンバ１内には、スパッタ粒子の真空チャンバ１の内壁面への付着を防止する防着板８が設けられている。

防着板８は、夫々がアルミナ、ステンレス等の公知の材料製である上防着板８１と下防着板８２とで構成されている。上防着板８１は、筒状の輪郭を持ち、真空チャンバ１の上部に設けた係止部１２を介して吊設されている。下防着板８２もまた、筒状の輪郭を持ち、その径方向外側の自由端には、上方に向けて起立した起立壁部８２ａが形成されている。下防着板８２には、真空チャンバ１の下壁を貫通してのびる、モータやエアシリンダなどの駆動手段８３からの駆動軸８３ａが連結されている。駆動手段８３によって下防着板８２は、スパッタリングによる成膜が実施される成膜位置と、成膜位置よりも高く、図外の真空ロボットによるステージ４への基板Ｓｗの受渡が実施される搬送位置との間で上下動される。下防着板８２の成膜位置では、上防着板８１の下端部と下防着板８２の起立壁部８２ａの上端部とが互いに上下方向でオーバーラップするように設計されている。

上下方向と直交してのびる下防着板８２の平坦部８２ｂは、その径方向の内方部がプラテンリング７と対向するように定寸されている。平坦部８２ｂ下面の所定位置には、１個の環状の突条８２ｃが形成されている。この突条８２ｃに対応させてプラテンリング７の上面には、環状の凹溝７１が形成されている。そして、成膜位置では、平坦部８２ｂの突条８２ｃとプラテンリング７の凹溝７１とにより所謂ラビリンスシールが形成され、基板Ｓｗの周囲で下防着板８２の下方に位置する真空チャンバ１内の空間へのスパッタ粒子の回り込みを防止できるようにしている。また、スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータ、記憶素子やシーケンサ等を備えた公知の構造の制御手段（図示省略）を備え、この制御手段が、スパッタ電源２１ｃ、その他の電源、マスフローコントローラ５１や真空ポンプ６１等のスパッタリング時の各部品の制御などを統括して行う。以下に、ターゲット２１をアルミニウムとし、上記スパッタリング装置ＳＭにより基板Ｓｗ表面にアルミニウム膜を成膜する場合を例に成膜方法を説明する。

真空ポンプ６１を作動させて真空チャンバ１内を真空排気した後、下防着板８２の搬送位置にて、図外の真空搬送ロボットによりステージ４上へと基板Ｓｗを搬送し、ステージ４のチャックプレート４２上面に基板Ｓｗを載置する。真空搬送ロボットが退避すると、下防着板８２を成膜位置に移動すると共に、チャックプレート４２の電極に所定電圧を印加し、チャックプレート４２上面に基板Ｓｗを静電吸着する。これに併せて、ホットプレート４３の加熱と、冷媒循環路４１ａへの冷媒の循環による基台４１の冷却とによって基板Ｓｗが室温以上の所定温度（例えば、３５０℃）に制御される。基板Ｓｗが所定温度に達すると、スパッタガスとしてのアルゴンガスを所定の流量（例えばアルゴン分圧が０．５Ｐａ）で導入し、これに併せてターゲット２１にスパッタ電源２１ｃから負の電位を持つ所定電力（例えば、３ｋＷ～５０ｋＷ）を投入する。これにより、真空チャンバ１内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲット２１のスパッタ面２１ｂがスパッタリングされ、ターゲット２１からのスパッタ粒子が基板Ｓｗに付着、堆積してアルミニウム膜が成膜される。

ここで、スパッタリングによる成膜時、上防着板８１や下防着板８２は、プラズマの輻射熱等で加熱され、成膜される基板Ｓｗの枚数が増加するのに従い、次第に高温になっていく。本実施形態のような構成では、ホットプレート４３からの放射で加熱されるプラテンリング７に下防着板８２の平坦部８２ｂが対向しているため、下防着板８２が特に加熱され易い。そして、所定温度を超えて上防着板８１や下防着板８２（特に、基板Ｓｗの近傍に位置する下防着板８２）が昇温すると、スパッタ粒子が付着、堆積しない上防着板８１や下防着板８２の裏面から真空排気されずにその表面に残留する種々のガス（酸素や、水蒸気等）が放出されることになる。このような放出ガスが成膜時に薄膜中に取り込まれると、例えば膜質の劣化を招来するので、これを可及的に抑制する必要がある。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、下防着板８２の平坦部８２ｂに対向させて、放射冷却板９を配置した。放射冷却板９は、アルミニウムや銅などの伝熱特性のよい金属で構成され、平坦部８２ｂと放射冷却板９との間の隙間は、放射冷却板９からの放射冷却により下防着板８２が冷却されるように適宜設定される。ここで、真空チャンバ１の下壁内面１３に金属製（例えば銅製）の支柱を複数本立設し、各支柱の上端で放射冷却板９を支持することも考えられるが、放射冷却板９から真空チャンバ１下壁への熱引けが不十分であると、真空処理中に下防着板８２が所定温度以上に加熱される虞がある。そこで、本実施形態では、真空チャンバ１の側壁内面１４に複数本（例えば３本）のヒートパイプ９１を立設し、各ヒートパイプ９１の上端で放射冷却板９を支持するようにした。ヒートパイプ９１としては、金属製（例えば銅製）のパイプ中に揮発性の作動液が封入されて、この作動液の蒸発及び凝縮のサイクルにより熱を移動する公知のものを利用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。尚、本実施形態では、放射冷却板９と接続されるヒートパイプ９１の部分（加熱部）が側壁内面１４と接続されるヒートパイプ９１の部分（冷却部）よりも低い位置となっているため、ヒートパイプ９１としては、パイプ内壁に毛細管構造を持つものを用いる必要がなく、より簡単な構造を持つ安価なものを用いることができる。ヒートパイプ９１の両端の固定方法は、ネジ止め、かしめ、クランプなどの公知の方法から選択することができる。このように放射冷却板９がヒートパイプ９１を介して真空チャンバ１下壁に接続されることで、放射冷却板９から真空チャンバ１下壁へと効率よく熱引けし、結果として、真空処理中に下防着板８２が所定温度以上に加熱することを防止できる。また、真空チャンバ１の冷却部として、ベーキング処理用の既存のジャケット１１及びジャケット１１に冷媒を循環させることで冷却される真空チャンバ１下壁を利用できるため、下防着板８２を簡単な構成で冷却できる。しかも、従来例のように真空チャンバ内に冷却管や循環路を設けないため、真空チャンバ外に配置されるチラーユニットからの配管を継手などを介して冷却管や循環路に接続する必要がなく、真空チャンバ１内での水漏れを発生させる危険性を排除できる。尚、ヒートパイプ９１の外表面を保護するために、ヒートパイプ９１がＳＵＳ製の保護管（図示省略）に内挿されることが好ましい。また、放射冷却板９の重量によっては、放射冷却板９の下面を後述する支柱９４（図４参照）を用いて支持するように構成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、真空処理装置をスパッタリング装置ＳＭとした場合を例に説明したが、真空チャンバ内に防着板を備えるものであれば、特に制限はなく、例えば、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置等にも本発明を適用することができる。

上記実施形態では、ヒートパイプ９１の一端を真空チャンバ１の側壁内面１４に接続したが、図３に示すように、真空チャンバ１の下壁内面１３に接続してもよい。即ち、真空チャンバ１の下壁内面１３に複数本（例えば３本）のヒートパイプ９１を立設し、各ヒートパイプ９１の上端で放射冷却板９を支持するように構成してもよい。ここで、本変形例では、放射冷却板９と接続されるヒートパイプ９１の部分（加熱部）が下壁内面１３と接続されるヒートパイプ９１の部分（冷却部）よりも高い位置となっているため、ヒートパイプ９１としては、パイプ内壁に毛細管構造（ウィック）を持つものを用いることができる。また、図４に示すように、真空チャンバ１の下壁内面１３に立設された筒状のブロック体９２に接続してもよい。ブロック体９２は、放射冷却板９の径方向外側で下防着板８２の平坦部８２ｂに対向して設けられ、アルミニウムや銅などの伝熱特性のよい金属で構成されている。ブロック体９２の高さは、ブロック体９２の上面が放射冷却板９よりも上方に位置するように定寸されている。また、真空チャンバ１の下壁内面１３とブロック体９２との間には、シリコンシートやインジウムシートのような熱伝達を向上させる熱伝導シート９３が介在されているが、介在されていなくてもよい。本変形例では、放射冷却板９に接続されるヒートパイプ９１の部分（加熱部）よりもブロック体９２に接続されるヒートパイプ９１の部分（冷却部）が高いため、ヒートパイプ９１として、図３に示す変形例の如くパイプ内壁に毛細管構造を持つものを用いる必要がなく、より簡単な構造を持つ安価なものを用いることができる。尚、ブロック体９２よりも径方向内側の下壁内面１３に金属製（例えば銅製）の支柱９４を立設し、この支柱９４の上端で放射冷却板９の下面を支持しているが、支柱９４を設けなくてもよい。また、ブロック体９２の位置は、特に限定されず、例えば下防着板８２よりも径方向外側に設けてもよい。

また、図４に示すように、下防着板８２に対向する放射冷却板９の表面部分を、この表面部分の母材金属に対して表面処理を施すことで放射率を高めた高放射率層９０で構成してもよい。これによれば、下防着板８２から放出される熱線を高放射率層９０で吸収して放射冷却板９に伝えることができ、さらにヒートパイプ９１を介して熱引けさせることができる。この場合、放射冷却板９の表面に対して例えば粒径が９０～７１０μｍの範囲の粒子を用いてブラスト処理を施せば、高放射率層９０の放射率を０．５以上にすることができる。また、放射冷却板９の表面に対して溶射や成膜などの表面処理を施すことで、ＡｌＴｉＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等の非金属膜やＴｉ溶射膜から構成される高放射率層９０を形成するようにしてもよい。

上記実施形態では、下防着板８２を冷却する場合を例に説明したが、上防着板８１を冷却する場合にも本発明を適用することができる。

ＳＭ…スパッタリング装置（真空処理装置）、Ｓｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、１１…ジャケット（真空チャンバの冷却部）、１３…真空チャンバ１の下壁内面（真空チャンバの冷却部）、１４…真空チャンバ１の側壁内面（真空チャンバの冷却部）、８…防着板、８２…下防着板（防着板）、９…放射冷却板、９１…ヒートパイプ、９２…ブロック体（真空チャンバの冷却部）。

Claims

真空チャンバを有してこの真空チャンバ内にセットされた被処理基板に対して所定の真空処理を施す真空処理装置であって、真空チャンバ内に防着板が設けられるものにおいて、
防着板の部分に隙間を存して対向配置される放射冷却板を備え、放射冷却板が、真空チャンバの冷却部にヒートパイプを介して接続され、
前記冷却部は、前記真空チャンバの内壁面に立設した金属製のブロック体で構成され、
前記防着板の部分と対向する前記放射冷却板の表面部分が、当該表面部分の母材金属に対して表面処理を施すことで放射率を高めた高放射率層で構成されることを特徴とする真空処理装置。
前記ヒートパイプが、ＳＵＳ製の保護管に内挿されることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。