JPH05179436A - 薄膜堆積装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜堆積装置において防着シールドからのパ
ーティクル発生を極めて抑制し、とりわけ半導体デバイ
スにおいて成膜プロセスの歩留まりを向上させ、さらに
防着シールドの交換を容易にする。 【構成】 薄膜堆積装置の真空チャンバー内に設置する
防着シールドに、防着シールド加熱手段と、防着シール
ドの温度を測定する温度センサーを用いる防着シールド
温度制御手段を備え、該防着シールドの温度を所定の一
定温度に保持する。 理想的には、その一定温度を成膜
時の防着シールドの温度以上に設定する。また、防着シ
ールドの温度測定手段、防着シールドの加熱手段を輻射
熱を利用して非接触で行なうものにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空中で、半導体基
板上等に、真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング等々の手
法で薄膜を堆積させる薄膜堆積装置で、真空チャンバー
の内壁等に不所望の薄膜が付着するのを防止するために
設置される防着シールドを備える薄膜堆積装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング装置の場合を例にとって
簡単な構成のもので説明する。薄膜堆積装置の防着シー
ルドは真空チャンバーの内部に図３（Ａ）のように設け
られている。図３（Ｂ）はその防着シールドの部分拡大
図であって、防着シールドに付着した堆積膜が剥離する
状況を模式的に示したものである。１０はウエハ、１２
はウエハホルダ、１４はターゲット、１６はプラズマ、
１８は直流又は高周波電源、２０は周知の通り、スパッ
タリング時に成膜の妨げとならない個所に、プラズマ領
域１６の周辺に設けられている防着シールド、２２はス
パッタリングによる堆積膜、２４は堆積膜のハガレによ
って飛散する粒子（パーティクル）である。

【０００３】ターゲット１４からスパッタされたターゲ
ット粒子は、矢印１０ａで示すようにウエハ１０に向か
って飛行し、その上に膜状に堆積するが、そのほかにも
矢印２６ａで示すように真空チャンバーの内壁２６に向
かっても飛行するものがあり、そこに付着して壁面を汚
染し、やがてガスを放出するようになるなどさまざまな
障害を起こす。そこで、図示するように、従来は、プラ
ズマ１６を囲む形に薄円筒状の防着用シールド２０を設
け、ターゲット粒子が真空チャンバーの内壁２６に向け
て飛行して付着するのを阻止している。そして、防着シ
ールド２０の内面に付着した堆積膜２２が厚くなると、
図３の（Ｂ）のように堆積膜２２に剥離（ハガレともい
う。）が生じ始めて粒子２４が飛散するので、この剥離
が生じる以前に、防着シールド２０全体を新しいものに
交換していた。

【０００４】図４（Ａ）にアルミニウム合金製の防着シ
ールド２０上に付着した各高融点膜が、スパッタ停止時
に防着シールド２０の温度低下によって剥がれてゆく際
の、剥がれの発生温度点（小円で表示）の説明に供する
図である。同図において、縦軸は防着シールド２０の温
度（℃）を示してあり、横軸には各高融点ターゲット材
料を材料毎に区分して示してある。高融点ターゲット材
料として左から右へと順にＴｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒
化チタニウム）、ＷＳｉ（珪化タングステン）、ＴｉＷ
（タングステンチタニウム）およびＷ（タングステン）
をとってある。Ｔｉの堆積膜はスパッタ中は約２００℃
の温度に達するが、スパッタの停止後温度が自然低下す
る。しかし、Ｔｉの場合には降温中剥離しない。しかし
ながら、ＴｉＮ、ＷＳｉ、ＴｉＷおよびＷはそれぞれス
パッタ中は、約３００℃、約４００℃、約２００℃およ
び２００℃であって、スパッタを停止すると同様に降温
し、この降温過程中に、ある温度でそれぞれの堆積膜が
剥離を生ずることが示されている。従って、既に説明し
たようにこの剥離が生じる前に、防着シールド２０の交
換をする必要がある。この交換が頻繁であることは、薄
膜堆積装置の使用効率が低下するので好ましいことでは
ない。

【０００５】この防着シールドの交換の期間を延長して
装置の利用効率を高める工夫が従来提案されている。そ
の従来例としては、特願６１−２６７２５２（特開昭６
３−１２１６５９号公報）「スパッタリング装置」、特
願６２−３１１２７７（特開平１−１５２２７１号公
報）「スパッタ装置」などに開示されているものがあ
る。それらは、例えば、図３の（Ａ）に示すように、防
着シールド２０（など基板以外のスパッタ膜付着部分）
に加熱装置２７としてヒーターを取り付けておき、同一
真空チャンバ内で行なわれる基板毎のスパッタリング処
理において、基板を交換する非スパッタ時にはこのヒー
ターをＯＮにする。そして、このヒーターと、チャンバ
内の他の熱源との作用によって防着シールドがスパッタ
時にヒーターを使用しないときに到達する温度付近、例
えば２００℃付近に保持されるようにする。一方、スパ
ッタが再開されるとヒーターをＯＦＦにするようにして
防着シールド２０を自然降温させるようにしたものであ
る。

【０００６】防着シールド２０に加熱装置２７を取付け
ない場合はスパッタ中、スパッタ停止、スパッタ再開始
で、防着シールドの温度が図４（Ｂ）のように膜剥がれ
発生温度（小円）を通過して昇降していたものが、加熱
装置２７のＯＮ、ＯＦＦで図４（Ｃ）のように温度変化
が小さくなり、温度の昇降が膜剥がれ発生点を通過しな
くなり、パーティクルの発生を大いに防止することがで
きる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、集積回
路が微細になり、生産が大規模、かつ、連続的になるに
従って、極めて微小、極めて小数のパーティクルによる
汚染までが問題になりはじめ、上述の各公報に開示の方
法でも微小なパーティクルの発生、飛散を抑えることが
出来ず、従って、成膜処理の歩留りの低下を防止するた
めには頻繁に防着シールドを交換することが必要になっ
てきた。防着シールドの交換に際しては防着シールドに
一体化して取り付けられているヒーターも一緒に撤去、
および装着する必要があり、このためその作業、コスト
はかなりのものであってこれも問題になってきた。

【０００８】防着シールドの堆積膜のハガレの抑制策に
は、上述の両公報にも記載があるように、堆積膜に熱膨
張係数が近似し堆積膜と付着性の良い石英などの材料で
防着シールドの表面を覆って堆積膜と防着シールドの密
着性を良くするとか、防着シールド自身の材料を付着性
のよいアルミニウム合金にするとか、防着シールド２０
の表面に細かい凹凸や掻き傷をつけるとかの工夫があっ
て、これらの併用で多少の効果は上がるが、しかし、頻
繁もしくは強度にヒートサイクルが加わるような条件、
あるいは、膜応力の大きい薄膜を成膜するような場合に
は、やはり効果が十分でない。

【０００９】この発明の目的は、上述した従来の問題を
解決し、微細な大規模集積回路、連続的大量生産におい
て、防着シールドの交換期間を延長し、装置のメンテナ
ンス性を向上させることのできるように構成した薄膜堆
積装置を提供することにある。

【００１０】

【問題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明は、薄膜堆積装置の真空チャンバー内に設
置する防着シールドに、防着シールドを加熱するための
加熱手段と、防着シールドの温度を検出して前記加熱手
段により防着シールドを、これに付着した堆積膜の剥離
が生じない温度に実質的に保持する温度制御手段とを備
えるようにしたものである。

【００１１】この堆積膜の剥離が生じない防着シールド
の温度を、成膜時に前記加熱手段を作動させないときに
達する防着シールドの温度以上の一定温度とするとき最
も効果的である。

【００１２】その加熱手段を作動させているときの防着
シールドの温度を、１００〜４００℃の範囲の一定温度
にすることで、殆んどのターゲット材料で目的が達成さ
れる。

【００１３】また、温度制御手段として、防着シールド
の温度を輻射線を利用して非接触で測定する温度センサ
ーを具えるものを選定すると、装置の使用効率と経済性
が高まる。

【００１４】更にまた、加熱手段として、輻射熱を利用
して防着シールドを非接触で加熱する手段を選び上述同
様の効果を得る。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。尚、図は、この説明が理解できる程度に、各構
成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示して
あるに過ぎない。

【００１６】図１はこの発明の実施例のスパッタリング
装置を略示する正面断面図である。防着シールドの部分
を主にして描き、この発明に関係のない部分はつとめて
省略した。図３に共通する部材には同じ符号を用いて説
明を省略する。

【００１７】この実施例で、円筒状ホルダ２８としてい
るのは、防着シールド２０を真空チャンバに固定するた
めに設けられた支持体である。このホルダ２８は、防着
シールド２０と十分に熱的に接触しており、その内面に
は黒体のような、熱の吸収、放射の効率の良い材料３０
を設ける。この材料を例えば黒色クロムメッキ若しくは
カーボン粉末を含む材料の熔射などで付着させる。

【００１８】放射温度計３２は、黒体様材料３０と相ま
って温度センサーを構成している。この温度センサー
が、黒体様材料３０の発する輻射線を利用して防着シー
ルド２０の温度を非接触で測定する。

【００１９】円筒状ホルダ２８は、真空チャンバーの壁
面２６から少し浮かせて取り付けられた支持板４４を介
して真空チャンバーに固定してあり、加熱手段としての
ヒーター４０への配線はチャンバー壁２６、支持板４４
を貫通する絶縁体４６、４８を通して行なっている。

【００２０】防着シールド２０の温度制御は一例として
以下に記述するような構成にすると良い。ホルダ２８の
一端に設けた密封用石英窓４２を通して導出された、黒
体様材料３０からの熱輻射線を放射温度計３２で計測す
る。その温度情報は、温度設定手段３５で予め設定され
ている所定温度と、温度比較器３４で比較する。尚、こ
の温度設定手段３５は公知の技術を用いて容易に形成で
きる。この比較結果は、サイリスタ等を使用する加熱制
御器３８に伝えられ、電源３６から絶縁体４６、４８を
通してヒーター４０に供給する電力を制御する。これに
よって防着シールド２０の温度が前述の所定設定温度に
保たれるよう制御される。このように、防着シールドの
温度制御手段は、黒体様材料３０と放射温度計３２と温
度設定手段３５と温度比較器３４と加熱制御器３８およ
び電源３６で構成される。

【００２１】ところで、堆積膜の内部応力に関しては、
例えば「応力物理学選書３。薄膜。金原・藤原共著」１
３１頁以降に詳しく解説されるなど参考文献は多いが、
防着シールド２０の温度を一定に保つ程、その表面に付
着した堆積膜の熱応力は一定に保たれ、応力の増加、応
力の変化に基づく膜はがれは減少する。

【００２２】前述の２つの公報に開示されたような従来
のヒーターのオン・オフの方法でも防着シールドの温度
変化は、スパッタ中とスパッタ停止中とでの温度差はヒ
ーターを設けない場合よりは改善される。（図４の
（Ｃ））。しかし、スパッタ中とスパッタ停止中との両
期間で防着シールドの温度にｔ℃という相違があるほ
か、スパッタの停止時、再開時、および、ヒーターのＯ
Ｎ時、ＯＦＦ時の各組み合わせ、すなわち過渡期に、な
おかなり温度の上下変動Ｔ℃があり、ここに改善の余地
を残している。（図４の（Ｃ））。

【００２３】前述したこの発明の実施例の装置によれ
ば、温度設定手段３５での設定温度を、理想的にはスパ
ッタ期間中の温度より若干高い温度、例えば好ましくは
２０℃〜５０℃程度高くしておくのが好ましい。このよ
うに温度設定しておけば、防着シールドのスパッタ期間
とスパッタ停止期間との間での温度変化を図４（Ｄ）の
ように、もしくはそれに近い形に、極めて温度変化の小
さいものに抑制することができ、これによって微小、か
つ、少数のパーティクルの発生も殆んどゼロに抑えるこ
とができる。尚、この設定温度は融点が高いスパッタ材
料ほど、高い温度に設定するのが良い。

【００２４】パーティクル発生には多くの要因があるた
め、殊に微小、少数のパーティクルでは、堆積膜のはが
れによるものだけを定量測定することは極めて困難であ
るが、防着シールドの堆積膜のハガレによるパーティク
ルがその大部分を占めると推定されることから、実際に
膜を堆積させて基板上パーティクルの量を調べたり、歩
留まりの低下を監視することで、おおよその剥がれの量
を推定することができる。

【００２５】スパッタリングでＳｉ基板上にＴｉＮ膜を
堆積させ、基板上の堆積膜に付着したパーティクルの数
を計測して防着シールドの交換時期を決定する実験にお
いて、防着シールド２０の温度を１５０℃の一定値に保
つことで、交換期間を平均して２〜４倍に延長させるこ
とができることが判った。

【００２６】内部応力の発生しやすいＴｉＷ膜、ＴｉＮ
膜、またはＷ膜を堆積させる場合では、防着シールド２
０の温度を２００〜３００℃の一定に保つことで、交換
期間を５〜６倍も延長させ得ることが可能になってい
る。

【００２７】スパッタリングによる成膜の場合は、殆ん
どの膜材料による成膜で、防着シールドの温度は、成膜
時の防着シールドの温度よりも高く、またはそれに近接
する、好ましくは、１００〜４００℃の範囲のいずれか
の温度に設定すれば、その効果が現れること、そしてス
パッタリング以外の薄膜堆積装置でも、ほぼこれと同じ
温度範囲で良い結果が得られると思われる。

【００２８】尚、この発明における防着シールドの加熱
装置、防着シールドの温度制御装置は、上記図１の実施
例以外にもさまざまな構成が採用できる。以下、幾つか
その例をあげてみると、図２の（Ａ）では、防着シール
ド２０に十分広く熱接触させて取り付けることのできる
湾曲板部５０を、円筒状ホルダ２８と一体にして設け、
更に輻射加熱の熱応答を速く効率のよいものにするた
め、湾曲板部５０にフィン５２を設けた例を示す。この
ような湾曲板部５０を設けると防着シールド２０の交換
が経済的且つ容易になる。

【００２９】図２の（Ｂ）は、ホルダ２８の代わりに、
中実のホルダ６８を用いた例であり、そのため、防着シ
ールド２０の温度測定を、前記湾曲板部５０内に埋め込
まれた熱電対５４で直接行なうようにした例である。３
３は温度計本体で、熱電対５４への配線はチャンバー壁
２６等を貫通する絶縁体５６を通して行なっている。図
２の（Ｃ）は発熱体４０を前記の湾曲板部５０の内部に
埋め込んだ例である。図２の（Ｄ）は発熱体を大気側に
置かれた熱線放射ランプ５８に変え、石英窓６０を通し
て真空チャンバ内部の湾曲板部５０を熱線で加熱した例
である。熱線による加熱は、輻射線を用いる温度センサ
ーと同様、防着シールドの交換作業を迅速、容易にする
ほか、装置の信頼性を高める効果が著しい。

【００３０】尚、現在、膜堆積は通常マルチチャンバー
方式で行なわれ、スパッタリングによる膜堆積では殊に
その傾向が著しい。そのため１つの真空チャンバー内で
は普通は１種類の膜しか扱わないため、防着シールドの
堆積膜では、一般に複雑な多層膜の応力を考慮する必要
はない。しかし、この発明の装置は、将来こうした複雑
な多層膜を単一の真空チャンバ内で成膜するような場合
を生じても、多層膜の応力を緩和乃至軽減して、パーテ
ィクルの発生を極めて防止することができる。

【００３１】

【発明の効果】この発明の装置によれば、薄膜堆積装置
における防着シールドからの微小、かつ、少数のパーテ
ィクル発生もこれを激減させることができ、半導体デバ
イスにおける成膜プロセスにおいてその歩留まりを格段
に向上させる効果がある。

【００３２】副次的効果として、常時防着シールドを加
熱するため、この種の真空チャンバーで種々の障害を起
こして従来問題になっていた、真空中の水成分など、成
膜に影響を及ぼす残留ガス放出を低減させ、堆積膜の品
質を向上できることが判明している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例のドライエッチング装置の概
略の構成を示す正面断面図である。

【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、図１の加
熱部、温度センサー部に変更を加えた、この発明の別の
実施例の装置の部分図である。

【図３】（Ａ）は従来のドライエッチング装置の概略の
構成図。（Ｂ）はその防着シールドの部分拡大図であ
る。

【図４】（Ａ）は、アルミニウム合金製の防着シールド
上に付着した各高融点膜の剥がれの発生温度を示す図で
ある。（Ｂ）は、防着シールドに加熱装置を取付けない
場合の、スパッタ中、スパッタ停止、スパッタ再開始時
の、防着シールドの温度の変化の図。（Ｃ）は、防着シ
ールドに加熱装置を取付けた場合の同様の図。（Ｄ）
は、更にこの発明の防着シールド温度制御手段を設けた
場合の同様の図である。

【符号の説明】 １０：ウエハ １２：ウエハホルダ １
４：ターゲット １６：プラズマ １８：直流又は高周波電源 ２０：防着シールド ２２：堆積膜 ２
４：堆積膜のハガレ ２６：真空チャンバーの壁 ２
８、６８：ホルダ ３０：黒体 ３２：放射温度計 ３
３：熱電対温度計本体 ３４：温度比較器 ３５：温度設定手段 ３
６：（加熱用）電源 ３８：加熱制御器 ４０：ヒーター（発熱体） ４２：石英窓 ４４：支持板 ４
６、４８：絶縁体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中にて基板上に薄膜を堆積させる薄
   膜堆積装置において、真空チャンバー内に設置する防着
   シールドと、該防着シールドを加熱するための加熱手段
   と、該防着シールドの温度を検出して前記加熱手段によ
   り該防着シールドを、これに付着した堆積膜の剥離が生
   じない温度に実質的に保持するための温度制御手段とを
   備えることを特徴とする薄膜堆積装置。
2. 【請求項２】 前記堆積膜の剥離が生じない、前記防着
   シールドの温度を、成膜時に前記加熱手段を作動させな
   いときに達する前記防着シールドの温度以上の一定温度
   とすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆積装
   置。
3. 【請求項３】 前記加熱手段を作動させているときの前
   記防着シールドの温度を、１００〜４００℃の範囲の一
   定温度とすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆
   積装置。
4. 【請求項４】 前記温度制御手段は、前記防着シールド
   の温度を輻射線を利用して非接触で測定する温度センサ
   ーを具えていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜
   堆積装置。
5. 【請求項５】 前記加熱手段は、輻射熱を利用して前記
   防着シールドを非接触で加熱する手段であることを特徴
   とする請求項１に記載の薄膜堆積装置。