JPH0196370A - 蒸着用の蒸発源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は材料付着装置に関し、さらに具体的には、高周
波蒸着装置で使用される蒸発源に関するものである。

Ｂ、従来技術 蒸着装置は当技術では周知である。１９８８年９月１０
日に発行され、ＩＢＭ社に譲渡されたＪ。

Ｌ、ラングトン（Ｌａｎｇｄｏｎ　）等に対する米国特
許第３４０１０５５号は、そのような蒸着装置が半導体
集積回路加工技術でどのように使用されるかについて記
載している。具体的に言うと、本発明は、はんだ等の金
属を半導体上の複数の小さな領域に同時に付着する方法
を教示する。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 半導体集積回路チップの密度が高まる（すなわち、エチ
ップ当たり１００万個以上の半導体デバイス密度に近づ
く）につれて、蒸着膜は一層厳格な基準を満たさねばな
らない。具体的に言うと、膜は、１つのウェハ内で、ま
たはウェハ毎に感知し得るほどばらつきのない厚みを宵
さねばならず、導電率を低下させる酸化物等の不純物の
量を最小限に抑えねばならない。

たとえば上記米国特許第３４０１０５５号におけるよう
な従来技術の蒸着装置及び技術を使って、蒸気圧の低い
材料（たとえば、銅）の高品質な薄膜を均一に形成する
ことは非常に難しい。したがって、蒸気圧の低い金属膜
を効率的に付着することができる蒸着装置が当技術で必
要とされている。

したがって、本発明の全般的な目的は、従来技術の蒸着
装置に伴う欠点をなくして、高密度の半導体集積回路チ
ップで必要とされる均一で高品質の蒸着薄膜を実現する
ことである。

本発明のさらに具体的な目的は、高品質で均一な薄膜を
もたらす高周波蒸着装置で使用される蒸発源を提供する
ことである。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明は、高品質で均一な金属膜を半導体加工物（たと
えば、ウェハ）上に蒸着するための独自の蒸発源に関す
るものである。本発明の蒸発源は、メツキるつぼに入れ
た装入物の量と同じまたは、それより大きい容積を有す
る高周波結合サセプタを含む。さらに具体的には、本発
明の蒸発源は、朝顔形の縁部を有するるつぼを取り巻く
一対の同軸、カップ状の熱シールドを含み、るつぼは、
熱絶縁体及び非金属製サセプタにより最も内側の熱シー
ルドの基部から離して支持される。るつぼの朝顔形の縁
部は、熱シールドの露出した縁部に重なり、それを覆う
。本発明の蒸発源を使用することにより、るつぼ内から
蒸発する材料を急速に加熱して自己分別を促進し、した
がって、均一な厚みの膜をもたらしながら、導電率を低
下させる不−純物を、付着した膜から排除することがで
きる。

Ｅ、実施例 第２図（従来技術）は、従来の蒸着装置に関連した一般
的構造を幾分詳細に示す。真空室１０は基部１１と、真
空源１４に接続された入口孔１２を有する。基部１１に
取り付けられた台１５上に、蒸着される装入物１９を入
れたるつぼ１６が置かれている。複数の高周波加熱コイ
ル２２がるつぼ１６の回りに巻かれ、適当な高周波発生
源１８（３キロワツトの電源等）に接続されている。適
当な電源の１つは、米国一ニーヨーク州ロチェスターの
ＥＮＩ社から販売されているＥＮＩ　　ＰＳ３００であ
る。必要なら回転することができるホルダ２３が、室１
０の上部から下がっているロッド２１によって支持され
、複数の加工物２４がホルダ２３上に配置されている。

各加工物２４は、たとえば、金属層で被覆すべき予め作
成された複数のチップ部位を有するシリコン等の半導体
ウェハである。各ウェハは、半導体表面に付着される金
属性パターンを明確に描くフォトレジスト等の保護被覆
を有することができ４、。別法として、そのような保護
被覆なしで、金属材料をウニ／Ｘに付着することもでき
、その場合は、パターンは後のサブトラクティブ・エツ
チングで画定される。

ステンレス鋼の一枚板から成るシャッタ２５を、モータ
２６によって基板２４とるつぼ１６の間に選択的に配置
することができる。シャッタ２５を左に移動させて、る
つぼ１６からの蒸発物の放出を部分的または完全に阻止
することができる。蒸発段階の間、蒸発物の経路は、破
線３０で示すように、一般にあたかも蒸発物が点源から
出るようにほぼ円錐形をしている。

必要なら、蒸発源は、蒸着室１０の下側の完全に独立し
た室に配置することができる。このようにすると、蒸発
源を加工物とは独立に加熱することができる。このシス
テムの一例は、バルザース（Ｂａｌｚｅｒｓ）　Ｓ　Ｃ
Ｓ　８００分離源ロード・ロック蒸着システムである。

そのような分割された装置は従来技術では周知である。

本発明の蒸発源は、この形式の蒸着システムに設けるこ
とが好ましい。

蒸発すれるるつぼ内の材料のワイアをるつぼ内に自動的
に供給して、装入物１９が蒸発によって減少したとき自
動的に補給する機構２７が蒸着室１０内に設けられてい
る。

そのような蒸着装置は現在周知であり、開成されている
ので、上記では最も基本的な形で説明したことに留意さ
れたい。

従来技術では、銅等の蒸気圧の低い金属を付着するとき
、最初の加熱及び溶融段階で、材料中に含まれる不純物
がその蒸発中に溶融蒸発物源から不純物（たとえば、酸
化物）の粒子を放出することがわかっていた。この現象
（「スピッティング」と呼ばれる）により、固体、液体
または半固体の蒸発物と酸化物の大きな粒子が加工物に
送られる。

材料中にこれらの不純物粒子が存在すると、大きな球、
塊、またはボイド等の異常が蒸着膜に表われる。これら
の異常は膜の導電率を低下させ、電気的欠陥等を生じさ
せて、完成品の生産歩留りを下げる。

さらに、従来技術の蒸発用るつぼは一般に、その直径に
対して比較的深く設計されていた。すなわち、その深さ
が一般にその直径の少な（とも２倍あった。この結果、
装入物が減少するにつれて、破線３１で示すように、蒸
発材料の流れが狭くなっていく。蒸着物がこのように狭
くなるため、中央の加工物２４にはホルダ２３の周辺に
ある加工物よりもずっと多量の材料が蓄積され、付着の
均一性を欠くことになる。

本発明は、蒸発源を設計し直すことにより、これらの欠
点を克服することに成功した。具体的に言うと、本発明
者等は、自己分別する（すなわち、酸化物の不純物から
純粋な金属が分離される）温度まで装入物を急速に加熱
し、その後で加工物上に付着させると、付着された膜か
ら酸化物の不純物が排除されることを発見した。そのよ
うな自己分別加熱法に適合する蒸発源について、以下で
第１図に関連して詳しく説明する。

第１図に示す蒸発源５０は、第１図の支柱１５及びるつ
ぼ１６の代用となるように設計され、基本的には、外部
熱シールド５３を支持する基部１工上の熱絶縁柱または
スペーサ５２を含む。外部熱シールド５３内には、内部
熱シールド５５を支持し、かつ外部熱シールド５３から
熱的に絶縁する第２の熱絶縁スペーサ５４が含まれる。

内部熱シールド５５内には第３の熱絶縁スペーサ５６が
配置され、その上に、るつぼ５８を支持するサセプタ５
７が配置されている。このるつぼは朝顔形の縁部５９を
備え、縁部５９はるつぼの内縁部から２つの熱シールド
５３及び５５の縁部、すなわち上端の上方へと延びてい
る。高周波加熱業界では周知のように、電源に合致した
多数の高周波コイル２２が上記構造を取り巻いている。

第１図に示すように、さらに、外部熱シールド５３に結
合された外部ケーシング８０が、コイル２２を取り囲ん
で設けられている。ケーシング６０は、蒸発した材料が
コイル２２、外部熱シールド５３、または熱絶縁柱５２
に付着するのを防止する。このケーシングは必ずしも使
用する必要がなく、取り除くこともできるが、コイルの
寿命を延ばすのに役立ち、蒸着作業の度にその後で柱及
び外部熱シールドを洗浄する必要がなくなるため、非常
に望ましい。

稼山時には、高周波電源１８が活動化されると、コイル
２２は高周波エネルギーを放出し、高周波エネルギーは
コイルの内部に集中される。このエネルギーがコイルに
隣接する材料に吸収され、その材料は、放出周波数によ
ってその中に渦電流が発生するために、加熱し始める。

装入物１９を自己分別し比較的短時間で蒸発する制御さ
れた温度まで加熱する必要があり、また、それを可能な
最小のエネルギー消費で行なうことが望ましいので、最
大量のエネルギーを吸収してそれを熱に変換し、輻射及
び伝導によってるつぼ５８内の装入物材料１９に熱を伝
えるように、サセプタ５７とるつぼ５８の形状及び構造
を選択する必要がある。蒸発源５０のその他の構成要素
は、この高周波吸収が最小になり、したがってそれらが
加熱されるレベルが最小になるように選択する。

サセプタ５７は、直径約２８ｍｍ１高さ約１３ｍｍのグ
ラファイト・カーボンの中実の柱状ブロックから成る。

るつぼ５８は直径約３０ｍｍ１深さ約１７ｍｍであり、
蒸着される材料（たとえば、銅）よりも蒸気圧が低い材
料（たとえば、モリブデン）から成る。るつぼは、部分
的に満たされる（すなわち、るつぼ内の材料は高さ８ｍ
ｍのプールを形成する）ように、約３０グラムの材料を
充填する。

本発明者等は、付着される装入物の最初の体積がサセプ
タ５７の体積と同じ大きさ（たとえば、深さ１６ｍｍ）
のとき、装入物は完全に自己分別することができること
を発見した。装入物の量が減少するに従って（すなわち
、装入物とサセプタの体積比が小さくなるに従って）、
自己分別効率は増大する。一方、装入物のサイズまたは
体積を増大させるか、サセプタを小さくするか、または
両方の組合せにより、装入物とサセプタの体積比を増大
させた場合、この自己分別過程は余り効率的ではなくな
る。装入物とサセプタの比が非常に高い場合、付着され
た膜の特性を改善するのに十分な程度の自己分別は起こ
らない。

サセプタ５７は、比較的大きな塊であり、かつ高周波に
よる加熱を非常に受は入れやすく、るつぼ５８に入れた
装入物１９が溶融し、蒸発するのに必要な所期のレベル
まで装入物１９が加熱される。そのようなサセプタは、
装入物が高周波エネルギーを余り吸収しない蒸気圧の低
い材料（たとえば、銅または金）であるとき、特に必要
とされる。

考察中の装置が載置される基部１１は通常金属製であり
、比較的大きい。したがって、基部１１は放熱性が大き
い（すなわち、吸熱器として暴く）。るつぼの中味を急
速に加熱する必要があるので、外径約３８ｍｍ１高さ約
３４ｍｍ１内径約３２ｍｍの中空柱状の石英熱絶縁体５
２が、基部１１から外部熱シールド５３を支持するため
に設けられている。この外部熱シールド５３は高密度シ
リカで形成されたカップであり、壁厚約３ｍｍ１外径約
４２ｍｍ１高さ約４４ｍｍである。同様に、やはり直径
約３３ｍｍ１高さ約５ｍｍ１幅約１．５ｍｍのリング状
の石英スペーサ５４がカップ状の外部シールド５３の底
部に設けられ、内部熱シールド５５を支持し、外部熱シ
ールド５３から熱的に絶縁する。

この内部熱シールドは熱分解窒化ホウ素から形成され、
外径約３４ｍｍ１高さ約３９）、壁厚約１゜５ｍｍであ
る。石英及び熱分解窒化ホウ素は、コイル２２から放出
される高周波に対して透過性であり、したがって非常に
ゆっくり加熱されるので、熱絶縁体及び内部熱シールド
の大部分に使用される。同様な特性を有するその他の材
料を使用してもよい。さらに、それらの材料は、システ
ム内に汚染材料をもたらさないように、非常に純粋な形
に作ることができる。

外部熱シールド５３は、石英よりも熱特性が秀れたシリ
カで形成される。内部シールド５５は熱分解窒化ホウ素
から形成される。

熱分解窒化ホウ素は、赤外線がサセプタまたはるつぼか
ら放出されるのを防ぐので、内部熱シールドとして使用
される。このようにして、内部シールドは、外部シール
ド５３を赤外線から遮蔽しながら、熱をそれ自体の内部
に、すなわち、るつぼ領域及びサセプタ領域内に保持す
る山きをする。

直径約２４ｍｍ１高さ約１３ｍｍ１厚み約１．５ｍｍの
窒化ホウ素の支持リング５６が内部熱シールド５５内に
配置されて炭素サセプタ５７を支持し、サセプタ５７は
るつぼ５８を支持する。熱分解窒化ホウ素は、秀れた熱
絶縁体であるだけでなく、最高の純度で形成され、蒸発
源が稼動する高い温度でサセプタ５７の炭素と相互作用
しないために、支持リング５６に使用される。

るつぼ５８は外側に向かって広がった朝顔形の縁部５９
を有することに留意されたい。この縁部５９はシールド
５３及び５５の上部の露出した端部を保護し、るつぼ内
から蒸発した材料が熱シールド５５の内端に付着するの
を防止する。さらに、るつぼの深さがその直径よりも小
さいことに留意されたい。深さと直径の比を、深さが直
径の２倍より大きくなるまで増大させた場合、上記の均
一性の問題が生じる。

次に第３図を参照すると、本発明の蒸発源を使って行な
うことができる自己分別及び付着過程に関連した高周波
電力曲線（実線６１）及び温度曲線（点線６２）が示さ
れている。３キロワツトの高周波電源を使用し、３０グ
ラムの銅の装入物をるつぼ内に配置した。サイクルの始
めに、加工物を真空室内に置き、真空室を排気する。次
に、電力曲線の６３と記した部分で示されるように、４
５０ワツトの高周波電力をコイルに印加する。サセプタ
５７は加熱し始め、この熱を輻射及び伝導作用によって
るつぼ内の装入物に伝達し、装入物は蒸発をほとんどま
たはまったく伴わずに溶融し始める。温度曲線の６３Ａ
と記した部分で示されるように、装入物の温度が１２０
０°Ｃで安定するまで、この電力レベルを維持する。こ
の時間の間、加工物を望ましくない蒸着または汚染から
保護するため、シャッタ２６を定位置から左に移動させ
る。加工物を被覆するときは、高周波電力を２キロワツ
トと２．１キロワツトの間に上げ、その値に約１３５秒
間保持する。これは、電力曲線の６４と記した部分で示
される。続いて、電力レベルを７８０ワツトに下げる（
部分６６）。この時間の間、装入物１９の温度は上がり
、装入物１９の自己分別、すなわち、分留が起こる。こ
の分留が始まると、装入物内の汚染材料（酸化物等）は
溶融物の表面に付着して、スラグ状の表面層を形成する
。高周波電力を高めると、装入物の温度も上がり、溶融
した装入物の液体表面上に集まった汚染材料が、装入物
中で使用される材料とその酸化物及び他の汚染物のそれ
ぞれの蒸気圧によって決まる制限のために昇華、または
蒸発するまで、分別蒸留が続く。不純物はるつぼの縁部
に移り、るつぼの側面を引き揚げられる。銅では、高い
蒸気圧の銅の蒸発物が生成し、この蒸発物が汚染材料等
をるつぼの側壁溶融した装入物よりもわずかに温度が高
い方に押しやるので、この現象が起こる。

この分別過程が完了すると、るつぼの温度は１９００°
Ｃの最高値に達する（曲線６２上の番号６５）。次に、
曲線６１上の番号６６で示される７８０ワツトの電力レ
ベルまで高周波電力を下げる。

この電力レベルは、加工物２４がるつぼ５８から約７０
ｍｍ離れているとき、加工物の表面への装入物の毎秒４
オングストロームという所期の付着速度に対応する。高
周波電力を下げてから４５秒後に、装入物１９の温度が
、曲線６２上の番号６７で示されるように、約１５１０
℃で安定したとき、蒸発物シールドまたはシャッタ２４
を加工物の前から引っ込めて蒸発物で加工物を被覆させ
る。この電力レベルをさらに１５０秒間維持し、１５０
秒後にシャッタ２４を加工物の前に置き、加工物にそれ
以上付着するのを防止する。シャッタ２４を閉じると同
時に、電力レベルを、参照番号６８により示されるよう
に、１０００ワツトに上げ、９０秒間このレベルに維持
する。そうすると、曲線６２上の番号６９で示されるよ
うに、装入物１９の温度がわずかに上昇する。シャッタ
を閉じ、電力レベルを上げてから２４秒後に、ワイヤ供
給機構２７からワイヤをるつぼ内に供給し、るつぼ内の
装入物を補給する。ワイヤが溶融して装入物を補給する
と、曲線６２上の番号７０で示されるように、装入物の
温度が低下する。

９０秒経った後、電力を再び４５０ワツトの待機電力レ
ベルまで下げると、装入物の温度は１２００℃まで下が
り続け、この温度で再び安定する。

上述のように、本発明の装置のすべてをコイル２２内に
支持することにより、るつぼ５８は熱的に制御された状
態で加熱され、自己分別をもたらす。この自己分別現象
により、銅または酸化銅のスピッティングがなくなり、
極めて高純度の材料を蒸発源として使用する必要性がな
くなる。装入物の自己分別は、装入物の補給中に大量の
不純物が導入される場合、特に重要である。

Ｆ０発明の効果 上述のような本発明を使用することにより、ボイドや介
在物を含まず、非金属の汚染材料が０゜００１重量％よ
りも少ない銅の膜が、半導体ウェハ上にうまく付着され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のるつぼの詳細断面図を示す。 第２図は従来の蒸着装置の概略断面図を示す。 第３図は、本発明の時間経過グラフを示す。 １０・・・・真空室、１１・・・・基部、１５・・・・
台、１８．５８・・・・るつぼ、１８・・・・高周波発
生源、１９・・・・装入物、２２・・・・高周波加熱コ
イル、２４・・・・加工物、２５・・・・シャッタ、２
６・・・・モータ、５０・・・・蒸発源、５３．５５・
・・・熱シールド、５７・・・・サセプタ、６０・・・
・熱ケーシング。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸発させるべき材料を溶融状態で保持するるつぼ
   と、 高周波による発熱効率の高い材料製であって、上記るつ
   ぼに接触した状態に配置された高周波発熱部材（サセプ
   タ５７）と、 上記るつぼ及び高周波発熱部材の周囲に配置されて、両
   者に高周波エネルギを供給する部材とを備え、 上記高周波発熱部材は、上記溶融状態にある材料の蒸発
   前の体積に匹敵する体積を持つことを特徴とする蒸着用
   の蒸発源。
2. （２）上記るつぼの寸法は、自己の直径の２倍未満の深
   さを持つようにしたことを特徴とする第（１）項記載の
   蒸発源。