JP7329940B2 - 成膜装置及びその製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から粒子を飛散させて被処理基板表面に所定の薄膜を成膜するとき、真空チャンバ内に存してその表面にも粒子が付着、堆積する成膜装置及びその製造方法に関する。

例えば、不揮発性メモリ等のデバイスの製造工程においては、電極膜としてカーボン膜が利用され、このようなカーボン膜の成膜には、真空蒸着法やスパッタリング法といった物理蒸着法によるものを利用することが従来から知られている。スパッタリング法によりカーボン膜を成膜する場合を例に説明すると、スパッタリング装置の真空チャンバ内に、成膜対象物としての基板と粒子放出源としてのカーボン製のターゲットとを対向配置する。この場合、真空チャンバ内には、基台とこの基台表面に設けられる、基台及び基板の外寸より小さいチャックプレートとを備えるステージが配置され、ステージで基板が吸着保持されるようになっている。そして、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットに負の電位を持った所定電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングすることで、ターゲットから所定の余弦波に従って飛散したカーボン粒子（スパッタ粒子）が基板に付着、堆積して被処理基板表面にカーボン膜が成膜される（例えば、特許文献１参照）。

スパッタリング法による成膜を行うスパッタリング装置では、通常、真空チャンバ内壁に対するスパッタ粒子の付着を防止するために防着板が設けられ、また、ステージの基台及びチャックプレートの周囲には、径方向外方に露出する基台の上面部分を覆うプラテンリングと称される環状の防着板が間隔を存して配置されている。そして、複数枚の基板に対してカーボン膜を継続して成膜していくと、このような防着板やプラテンリングといった真空チャンバ内に存する部品の表面にもカーボン粒子が付着、堆積してカーボン膜が形成される。この場合、防着板やプラテンリングといった部品としては、チタン、アルミニウムやステンレスといった母材金属のカーボン粒子の付着面に、所謂アンカー効果を持たせる目的で、アルミナを溶射したものが一般に利用されている。

ところで、カーボン膜を成膜した直後の基板表面をみると、微細なパーティクルが付着していることがある。このようなパーティクルの付着は製品歩留まりを低下させる原因となる。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、真空チャンバ内に浮遊するカーボン粒子が微細なパーティクルとして成膜直後の基板表面に付着していることを知見するのに至った。これは、上記部品表面に付着したカーボン粒子が何らかの原因で離脱し、この離脱したカーボン粒子が、真空排気されずに真空チャンバ内で浮遊していることに起因していると考えられる。

特開２０１４－９１８６１号公報

本発明は、以上の知見を基になされたものであり、真空チャンバ内に存する部品表面に付着した粒子の離脱を可及的に抑制できるようにした成膜装置用の部品及びその製造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、真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から粒子を飛散させて被処理基板表面に所定の薄膜を成膜するとき、真空チャンバ内に存してその表面にも粒子が付着、堆積する成膜装置用の部品を備える成膜装置は、前記粒子放出源がスパッタリング装置用のカーボン製のターゲットであり、成膜装置用の部品がターゲットをスパッタリングしたときにターゲット表面からのスパッタ粒子の直接の入射を受けてカーボン膜が形成される防着板であり、防着板が酸化アルミニウムの焼結体で構成され、スパッタ粒子の直接の入射を受ける防着板の付着面に溶融固化層が形成されることを特徴とする。

即ち、本発明のように、部品またはその一部を酸化アルミニウムの焼結体で構成し、粒子放出源から飛散する粒子が付着する焼結体の付着面に溶融固化層を形成すれば、従来から一般に用いられる母材金属の付着面にアルミナを溶射してなるものと比較して、付着した粒子の離脱が可及的に抑制されることが見出された。

ここで、本発明において、付着した粒子の離脱を可及的に抑制するには、前記付着面への前記溶融固化層の形成範囲を前記付着面の面積の５０％以上とすることが好ましく、また、前記溶融固化層表面の平均粗さを９０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、前記粒子放出源をスパッタリング装置用のカーボン製のターゲット、成膜装置用の部品を防着板としたものに本発明を適用した場合に、真空チャンバ内でのカーボン粒子が微細なパーティクルとなって浮遊することが抑制され、ひいては、製品歩留まりの低下を可及的に抑制することができるようになる。

また、上記課題を解決するために、本発明の成膜装置の製造方法は、防着板の付着面に前記溶融固化層を形成する工程を含み、溶融固化層を形成する工程が、酸化アルミニウムの焼結体である防着板を準備し、焼結体表面で互いに直交する二軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として、防着板の表面に対してレーザー光を照射し、このレーザー光をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することで防着板の表面を溶融させる工程と、この溶融した防着板の表面を冷却により固化させる工程とを含むことを特徴とする。

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。

以下、図面を参照して、物理蒸着法により粒子放出源から粒子を飛散させて被処理基板（以下、「基板Ｓｗ」とする）表面に所定の薄膜を成膜するための装置をマグネトロン方式のスパッタリング装置、粒子放出源をカーボン製のターゲット、成膜装置用の部品を真空チャンバ内でターゲットの周囲に配置されるプラテンリングとして、本発明の成膜装置用の部品及びその製造方法の実施形態を説明する。以下において、方向を示す用語は、図１に示す成膜装置としてのスパッタリング装置Ｓｍの設置姿勢を基準とする。

図１を参照して、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は、バッキングプレート２１ａに装着した状態で、そのスパッタ面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にはまた、スパッタ電源２１ｃからの出力２１ｄが接続され、ターゲット２１のスパッタリング時、負の電位を持つ所定電力が投入できるようにしている。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の下面１３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の基台４１と、この基台４１上に設けたチャックプレート４２とを有する。チャックプレート４２は、例えば窒化アルミニウム製で基台４１の上面より一回り小さい外径を有し、特に図示して説明しないが、静電チャック用の電極が埋設されている。そして、図外のチャック電源から電極に電圧を印加すると、チャックプレート４２上面に基板Ｓｗが静電吸着される。基台４１にはまた、図外のチラーユニットからの冷媒を循環させる冷媒循環路４１ａが形成されている。基台４１とチャックプレート４２との間には、基台４１の上面より小さくチャックプレート４２の上面より大きい外径を有し、例えば窒化アルミニウム製のホットプレート４３が介在され、通電により所定温度（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範囲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。スパッタガスとしては、真空チャンバ１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が利用される。真空チャンバ１の下壁にはまた、ターボ分子ポンプやロータリポンプなど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内を一定速度で真空排気し、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内には、ターゲット２１のスパッタリングにより飛散する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７が設けられている。防着板７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７１と下防着板７２とで構成されている。上防着板７１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１１を介して吊設されている。一方、下防着板７２は板状部材で構成され、その径方向外側の自由端には、上方に向けて起立させた起立壁部７２ａが形成されている。下防着板７２にはまた、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７３からの駆動軸７３ａが連結されている。駆動手段７３によって下防着板７２は、スパッタリングによる成膜が実施される成膜位置と、成膜位置から下防着板７２を所定の高さ位置まで上動させて、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。成膜位置では、上防着板７１の下端部と起立壁部７２ａの上端部とが上下方向で互いにオーバーラップするように設計されている。

また、真空チャンバ１内でステージ４の周囲には、径方向外方に露出する基台４１、ひいてはホットプレート４３の上面部分を覆うと共に、チャックプレート４２の外周面をその全面に亘って覆うように、防着板として機能するプラテンリング８が間隔を存して設けられている。この場合、プラテンリング８は、基台４１の上面に設けた絶縁体３３で支持されている。上記スパッタリング装置Ｓｍを用い、基板Ｓｗ表面にカーボン膜を成膜する場合、真空チャンバ１内に、ターゲット２１、防着板７やプラテンリング８などの各種の部品をセットした後、真空ポンプ６１を作動させて気密保持された真空チャンバ１を真空排気する。

次に、下防着板７２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７２が成膜位置に移動され、真空チャンバ１内壁へのスパッタ粒子の付着を防止する。そして、静電チャック用の電極に対してチャック電源から所定電圧を印加し、チャックプレート４２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が室温以上の所定温度に制御される。真空チャンバ１内が所定圧力まで真空排気されると共に、基板Ｓｗが所定温度になると、ガス管５を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスを所定の流量で導入し、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を投入する。すると、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のスパッタ面２１ｂがスパッタリングされ、ターゲット２１のスパッタ面２１ｂからのカーボン粒子が所定の余弦則に従い飛散し、基板Ｓｗに付着、堆積してカーボン膜が成膜される。

ところで、スパッタ面２１ｂから所定の余弦則に従い飛散したカーボン粒子や、反跳したカーボン粒子が、防着板７の内面だけでなく、基板Ｓｗの近傍に位置するプラテンリング８の上面にも付着、堆積し、カーボン膜が形成される。ここで、プラテンリング８として、従来例のように、チタン、アルミニウムやステンレスといった母材金属の表面（カーボン粒子の付着面）にアルミナを溶射したものを用いていると、アルミナ表面に付着したカーボン粒子が離脱し、この離脱したカーボン粒子が、真空排気されずに真空チャンバ１内で浮遊する。なお、カーボン粒子が離脱する理由は定かではないが、上記のようにして成膜する間、プラテンリング８は、ホットプレート４３からの輻射で加熱されたり、基台４１からの放射冷却で冷却されたりして熱変形することに起因するとも考えられる。

本実施形態では、図２に示すように、プラテンリング８を酸化アルミニウムの焼結体で構成し、プラテンリング８の上面（即ち、カーボン粒子の付着面）に溶融固化層８１が部分的に形成されたものとした。酸化アルミニウムの焼結体は、粉末冶金法などの公知の方法を利用して製作されるため、ここでは詳細な説明は省略する。一方、焼結体の表層への溶融固化層８１の形成は、レーザーアニール装置を利用することができる。レーザーアニール装置としては、特に図示して説明しないが、プラテンリング８を保持する可動ステージと、所定波長のレーザー光を照射する光源とを備える公知のものが利用される。そして、プラテンリング８を可動ステージにセットした後、プラテンリング８の上面で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向として、プラテンリング８の上面に対してレーザー光を照射し、この状態で可動ステージを相対移動させることでレーザー光をＸ軸方向及びＹ軸方向にその上面全体に亘って所定ピッチで走査させる。これにより、レーザー光が照射されたプラテンリング８の表面部分が溶融し、この溶融した表面部分が自然冷却されることで、例えば、プラテンリング８の上面に、溶融固化層８１が格子状に形成される。

プラテンリング８の上面への溶融固化層８１の形成範囲は、プラテンリング８の上面の総面積の５０％以上とすることが好ましく、また、溶融固化層８１表面の平均粗さを９０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、ターゲット２１から飛散したカーボン粒子Ｃａや、反跳したカーボン粒子Ｃａがプラテンリング８の上面に付着、堆積したとしても、真空チャンバ１内でのカーボン粒子が微細なパーティクルとなって浮遊することが可及的に抑制され、ひいては、製品歩留まりの低下を可及的に抑制することができる。

次に、本発明の効果を確認するため、上記スパッタリング装置Ｓｍを用いて以下の発明実験を行った。即ち、基板Ｓｗを直径３００ｍｍのシリコンウエハ、ターゲット２１をφ４００ｍｍのカーボン製のものとした。スパッタ条件として、ターゲット２１と基板Ｓｗとの間の距離を６０ｍｍ、スパッタ電源２１ｃによる投入電力を２ｋＷとした。また、スパッタガスをアルゴンガスとし、スパッタリングによる成膜中、スパッタガスの分圧が０．１Ｐａになるようにアルゴンガスの導入量を設定した。

発明実験では、プラテンリング８として、酸化アルミニウムの焼結体で構成し、その上面に約５０％の面積範囲で格子状の溶融固化層８１が形成されたものを用いる一方で、比較実験では、チタンの母材表面に２００～２５０μｍの膜厚でアルミナを溶射したものを用いた。そして、積算電力が２５ｋＷｈに到達するまでターゲット２１をスパッタリングして基板Ｓｗ表面にカーボン膜を成膜したときの、成膜後の基板Ｓｗ表面に付着する０．０３μｍ以上のパーティクルの数を測定した。これによれば、発明実験では、積算電力が２０ｋＷｈを超えるまでは、パーティクルの付着が殆ど見られず、積算電力が２５ｋＷｈのとき、７０個であった。それに対して、比較実験では、積算電力が５ｋＷｈのときに既に１００個を超え、積算電力が２０ｋＷｈに達する前に、２００個を超えるパーティクルが付着していることが確認された。

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。上記実施形態においては、物理蒸着法を実施する装置としてスパッタリング装置Ｓｍを例に説明したが、これに限定されるものではなく、真空蒸着法やイオンプレーティング法により所定の薄膜を形成する場合にも本発明は適用でき、また、粒子放出源をカーボン製のターゲット２１としたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、真空チャンバ内に存する部品に付着した粒子が離脱し、これが浮遊して製品歩留まりを低下させる等の原因となるものであれば、広く適用することができる。また、上記実施形態では、真空チャンバ内に存する部品としてプラテンリング８を例に説明したが、防着板７にも本発明は当然に適用することができ、この場合、部品全体を焼結体とする必要はなく、粒子が付着する部分が焼結体で構成され、そこに溶融固化層が形成されていればよい。

また、上記実施形態においては、酸化アルミニウムの焼結体８に溶融固化層８１を形成するのに際し、レーザーアニール装置を用い、レーザー光をＸ軸方向及びＹ軸方向にその上面全体に亘って所定ピッチで走査させることで、格子状に溶融固化層８１を形成したものを例に説明したが、溶融固化層８１が格子状に形成されている必要はなく、総面積の５０％以上の範囲にストライプ状に溶融固化層８１を形成し、または、焼結体８の表層側全面に亘って溶融固化層８１を形成することができる。また、焼結体８の表層側に溶融固化層８１を形成し、このときの平均粗さを９０μｍ以上にできるのであれば、溶融固化層８１の形成は、レーザーアニール装置によるものに限定されるものではない。

Ｓｍ…スパッタリング装置（物理蒸着法を実施できる成膜装置）、１…真空チャンバ、２１…カーボン製のターゲット（粒子放出源）、７…防着板、８…プラテンリング（成膜装置用の部品）、８１…溶融固化層。

Claims (4)

1. 真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から粒子を飛散させて被処理基板表面に所定の薄膜を成膜するとき、真空チャンバ内に存してその表面にも粒子が付着、堆積する成膜装置用の部品を備える成膜装置において、
   前記粒子放出源がスパッタリング装置用のカーボン製のターゲットであり、成膜装置用の部品がターゲットをスパッタリングしたときにターゲット表面からのスパッタ粒子の直接の入射を受けてカーボン膜が形成される防着板であり、
   防着板が酸化アルミニウムの焼結体で構成され、スパッタ粒子の直接の入射を受ける防着板の付着面に溶融固化層が形成されることを特徴とする成膜装置。
2. 前記付着面への前記溶融固化層の形成範囲を前記付着面の面積の５０％以上としたことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記溶融固化層表面の平均粗さを９０μｍ以上としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜装置。
4. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の成膜装置の製造方法であって、前記防着板の付着面に前記溶融固化層を形成する工程を含むものにおいて、
   前記溶融固化層を形成する工程が、酸化アルミニウムの焼結体である防着板を準備し、焼結体表面で互いに直交する二軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として、防着板の表面に対してレーザー光を照射し、このレーザー光をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査することで防着板の表面を溶融させる工程と、この溶融した防着板の表面を冷却により固化させる工程とを含むことを特徴とする成膜装置の製造方法。

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