JPWO2020090163A1 - 真空処理装置 - Google Patents

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Abstract

真空処理中にホットプレート以外から被処理基板への入熱がある場合でも、被処理基板を所定温度に制御できるようにした真空処理装置を提供する。真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１と、真空チャンバ内で被処理基板Ｓｗを支持するステージ４とを備え、ステージが、選択的に冷却される基台４１と、基台上に設けられて被処理基板を静電吸着するチャックプレート４２と、基台とチャックプレートとの間に介設されたホットプレート４３とを有し、チャックプレート表面に静電吸着された被処理基板を室温以上の所定温度に制御自在とした本発明の真空処理装置ＳＭは、基台とホットプレートとの間に、ホットプレートから基台への伝熱を抑制する断熱プレート４４を更に備え、基台と断熱プレートとの間に、基台の上面よりも高い放射率を持つ高放射率層４５を設ける。

Description

本発明は、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバと、真空チャンバ内で被処理基板を支持するステージとを備える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、シリコンウエハ等の被処理基板に対し、成膜処理やエッチング処理といった真空処理を施す工程がある。このような真空処理に用いられる真空処理装置として、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバと、真空チャンバ内で被処理基板を支持するステージとを備えるものが例えば特許文献１で知られている。このものでは、真空処理中に被処理基板を室温以上の所定温度（例えば、３００℃）に制御できるように、ステージが、選択的に冷却される基台と、基台上に設けられて被処理基板を静電吸着するチャックプレートと、基台とチャックプレートとの間に介設されたホットプレートとを有する（チャックプレートとホットプレートとは一体に形成されていてもよい）。また、このものでは、ホットプレートによって被処理基板を効率よく加熱するために、基台とホットプレートとの間に絶縁材料製の断熱プレートを更に設け、ホットプレートからから基台への伝熱（熱引け）を抑制している。
ところで、上記真空処理装置の中には、例えばスパッタリング装置のように、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、ターゲットのスパッタリングにより発生したスパッタ粒子を付着、堆積させて成膜処理を施すものがある。このとき、被処理基板には、プラズマや被処理基板に入射するスパッタ粒子が持つエネルギーに起因したホットプレート以外からの入熱がある。すると、真空処理中に被処理基板を室温以上の所定温度（例えば、３００℃）に制御していても、この制御温度以上に被処理基板が加熱される場合があり、これでは、成膜される薄膜の膜質等に悪影響を与える虞がある。
このため、制御温度以上に被処理基板が加熱されたとき、ホットプレートの温度を可及的速やかに下げるには、ホットプレートへの通電電流を停止または低下させると共に、ホットプレートから、冷却されている基台に熱引きさせる必要がある。然し、上記従来例のように、ホットプレートと基台との間に断熱プレートが存在すると、ホットプレートと基台との間の熱移動は、放射によるものが支配的となる。このため、ホットプレートから放出される熱線（例えば波長４μｍ以下の赤外線）が断熱プレートを透過して基台上面で反射し、反射した熱線がホットプレートに再び戻ることになり、ホットプレートへの通電電流を停止または低下させても、ホットプレートの温度が早期に下がらないという問題がある。
特表２０１８−５１８８３３号公報
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、真空処理中にホットプレート以外から被処理基板への入熱がある場合でも、被処理基板を所定温度に制御できるようにした真空処理装置を提供することをその目的とするものである。
上記課題を解決するために、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバと、真空チャンバ内で被処理基板を支持するステージとを備え、ステージが、選択的に冷却される基台と、基台上に設けられて被処理基板を静電吸着するチャックプレートと、基台とチャックプレートとの間に介設されたホットプレートとを有し、チャックプレート表面に静電吸着された被処理基板を室温以上の所定温度に制御自在とした本発明の真空処理装置は、基台とホットプレートとの間に、ホットプレートから基台への伝熱を抑制する断熱プレートを更に備え、基台と断熱プレートとの間に、基台の上面よりも高い放射率を持つ高放射率層を設けることを特徴とする。
本発明によれば、基台と断熱プレートとの間に高放射率層を設けたため、ホットプレートから放出される熱線が高放射率層により吸収されて基台に伝わる。このため、ホットプレートへの通電電流を停止または低下させれば、ホットプレートの温度を早期に下げることができる。従って、真空処理中にホットプレート以外から被処理基板への入熱がある場合でも、被処理基板を所定温度に制御できる。
本発明においては、前記高放射率層の例えば波長４μｍ以下の熱線（赤外線）に対する放射率が０．４９以上であることがより好ましい。この範囲を外れると、被処理基板から放出される熱線を効率よく吸収できないという不具合がある。この場合、前記高放射率層をＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜（０．１≦ｘ≦０．９５）で構成することで、前記高放射率層の放射率を確実に０．４９以上にすることができる。
ところで、ホットプレートの中央部からの熱線放出量よりも外周部からの熱線放出量が多いことが知られており、基台上面の全面を覆うように高放射率層を形成すると、ホットプレートの中央部よりも外周部の温度が低くなってホットプレートの中央部と外周部との間で温度差が生じ易くなる。そこで、本発明においては、前記高放射率層を前記基台上面の外周部を除く部分を覆うように形成することで、ホットプレートの中央部と外周部との間で生じる温度差を抑制することができ、有利である。
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。 本発明の変形例を示す断面図。
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、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ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の上壁に設けた絶縁体１１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、ターゲット種に応じて直流電源や交流電源などから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の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上に設けられるチャックプレート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４３ａが組み込まれている。この加熱手段４３ａに電源４３ｂから通電することにより、通電電流に応じた所定温度（例えば、３００℃〜５００℃）にホットプレート４３を加熱できるようになっている。そして、ホットプレート４３による加熱と、冷媒循環による基台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。ここで、加熱されるホットプレート４３から冷却される基台４１への伝熱を抑制するために、基台４１とホットプレート４３との間には、ホットプレート４３の上面の輪郭に一致させた、例えば、石英やサファイア等の絶縁材料製の断熱プレート４４が設けられている。
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のスパッタリングにより発生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１１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、例えば１個の環状の突条８２ｃが形成されている。各突条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、電源４３ｂ、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。また、制御手段は、ホットプレート４３の温度を下げる場合、電源４３ｂから加熱手段４３ａへの通電電流を停止または低下させる制御を行う。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の電極に図外の電源から所定電圧を印加し、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のヒータ４３ａへの電源４３ｂからの通電によりホットプレート４３を加熱すると共に、冷媒循環路４１ａへの冷媒の循環により基台４１を冷却する。基板Ｓｗの温度が室温以上の所定温度（例えば、３５０℃）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で導入し（このときの真空チャンバ１内の圧力が０．５Ｐａ）、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、上記のように、基板Ｓｗには、プラズマや基板Ｓｗに入射するスパッタ粒子が持つエネルギーに起因したホットプレート４３以外からの入熱があり、成膜中に基板Ｓｗを所定温度（例えば３５０℃）に制御していても、この制御温度以上（例えば３９０℃）に基板Ｓｗが加熱される場合がある。この場合、電源４３ｂからホットプレート４３への通電電流を停止または低下させると共に、ホットプレート４３から基台４１に熱引きさせる必要があるが、断熱プレート４４が存在するため、ホットプレート４３と基台４１との間の熱移動は放射によるものが支配的となり、ホットプレート４３の温度が早期に下がらない。
そこで、本実施形態では、図２も参照して、基台４１と断熱プレート４４との間に、基台４１の上面よりも高い放射率を持つ高放射率層４５を設け、ホットプレート４３の放射冷却効果を高めるようにした。この高放射率層４５は、例えば波長４μｍ以下の熱線（赤外線）に対して０．４９以上の放射率を持つように、例えばＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜（０．１≦ｘ≦０．９５）で構成されている。ＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜は、熱線を吸収したときの放出ガスが少ないため、高放射率層４５として好適に用いることができる。なお、高放射率層４５をＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜（０．８≦ｘ≦０．９５）で構成すれば、高放射率層４５の放射率を０．６以上とすることができ、より好ましい。高放射率層４５は、基台４１上面または断熱プレート４４下面に形成すればよいが、断熱プレート４４下面よりも基台４１上面に形成する方が、高放射率層４５で吸収した熱線をより効率よく基台４１に伝えることができる。高放射率層４５の形成方法としては、スパッタリング法や真空蒸着法など公知の方法を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
以上の実施形態によれば、基台４１と断熱プレート４４との間に高放射率層４５を設けたため、ホットプレート４３から放出される熱線を高放射率層４５で吸収し、吸収した熱を基台４１に伝えることができる。つまり、高放射率層４５によりホットプレート４３の放射冷却効果が高められ、ホットプレート４３から基台４１に熱引きさせることができる。このため、電源４３ｂからホットプレート４３への通電電流を停止または低下させれば、ホットプレート４３の温度を早期に下げることができる。従って、成膜中にホットプレート４３以外からの入熱がある場合でも、基板Ｓｗを所定温度に制御することができる。
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、ホットプレート４３と基台４１との間に断熱プレート４４を有するステージ４が真空チャンバ１内に設けられる真空処理装置であれば、これに限定されるものではなく、例えば、ドライエッチング装置、ＣＶＤ装置や熱処理装置にも本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、チャックプレート４２とホットプレート４３とが別体で構成されているが、チャックプレート４２に加熱手段を内蔵してチャックプレート４２とホットプレートとが一体に構成されていてもよい。
ところで、ホットプレート４３の中央部からの熱線放出量よりも外周部からの熱線放出量が多いことが知られており、基台４１上面の全面を覆うように高放射率層４５を形成すると、ホットプレート４３の中央部よりも外周部の温度が低くなってホットプレート４３の中央部と外周部との間で温度差が生じ易くなり、これでは、基板Ｓｗ表面の全面に亘って均一に真空処理を施すことができない虞がある。そこで、図３に示すように、高放射率層４５を基台４１上面の外周部分４１ｂを除く部分を覆うように形成することで、ホットプレート４３の中央部と外周部との間で生じる温度差を抑制することができ、有利である。
また、上記実施形態では、例えば、高放射率層４５としてＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜（０．１≦ｘ≦０．９５）を例に説明したが、これに限定されるものではなく、基台４１上面または断熱プレート４４下面に対して溶射や成膜などの表面処理を施すことで、Ａｌ２Ｏ３等の非金属膜やＴｉ溶射膜から構成される高放射率層を形成するようにしてもよい。
ＳＭ…スパッタリング装置（真空処理装置）、１…真空チャンバ、４…ステージ、４１…基台、４２…チャックプレート、４３…ホットプレート、４４…断熱プレート、４５…高放射率層，ＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜。

Claims (4)

  1. 真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバと、真空チャンバ内で被処理基板を支持するステージとを備え、ステージが、選択的に冷却される基台と、基台上に設けられて被処理基板を静電吸着するチャックプレートと、基台とチャックプレートとの間に介設されたホットプレートとを有し、チャックプレート表面に静電吸着された被処理基板を室温以上の所定温度に制御自在とした真空処理装置であって、
    基台とホットプレートとの間に、ホットプレートから基台への伝熱を抑制する断熱プレートを更に備えるものにおいて、
    基台と断熱プレートとの間に、基台の上面よりも高い放射率を持つ高放射率層を設けることを特徴とする真空処理装置。
  2. 前記高放射率層の放射率が０．４９以上であることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。
  3. 前記高放射率層がＡｌｘＴｉ１−ｘＮ膜（０．１≦ｘ≦０．９５）で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の真空処理装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の真空処理装置において、
    前記高放射率層は、基台上面の外周部を除く部分を覆うように形成されていることを特徴とする真空処理装置。
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