JPWO2020136964A1 - 真空処理装置 - Google Patents

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Abstract

真空チャンバ内に設けられる防着板を冷却できるという機能を損なうことなく、防着板のベーキング処理を実施することが可能な真空処理装置を提供する。真空チャンバ1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Swに対して所定の真空処理を施す本発明の真空処理装置SMは、真空チャンバ内に防着板82が設けられ、真空チャンバの下壁内面13に立設されて防着板の部分に隙間を存して対峙する金属製のブロック体9と、ブロック体を冷却する冷却手段11と、防着板の部分とブロック体との間に配置されて防着板を熱輻射により加熱可能な加熱手段10とを更に備え、互いに対峙するブロック体と防着板の表面部分は、これらブロック体と防着板の母材金属に夫々表面処理を施すことで放射率を増加させた高放射率層93,84で夫々構成される。

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、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、例えば、スパッタリング法による成膜を施すスパッタリング装置が特許文献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、真空チャンバの上部にはスパッタリング用ターゲットが配置され、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セット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セット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、スパッタ粒子の一部は被処理基板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。
ここで、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。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。そのため、従来では、防着板の冷却を行うことが一般である。
ところで、未使用の防着板を真空チャンバ内にセットした場合、被処理基板に対する成膜に先立って、真空雰囲気中で防着板を所定温度に加熱する所謂ベーキング処理が行われ、防着板からの脱ガスを実施することが一般的である。ベーキング処理を実施可能なスパッタリング装置が例えば特許文献2で知られている。このものは、熱輻射により防着板を加熱するランプヒータ(加熱手段)と、ランプヒータの背面に設けられる反射板とを備え、ランプヒータから放射される熱線を反射板で反射して防着板に照射するようにしている。これらのランプヒータ及び反射板を、防着板を冷却する冷却手段と防着板との間に配置して、防着板のベーキング処理を実施できるようにすることが考えられるが、反射板が介在することで防着板が冷却し難くなるという問題がある。
特開2014−91861号公報 特開2010−84169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冷却できるという機能を損なうことなく、防着板のベーキング処理を実施することが可能な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、真空チャンバの内壁面に立設されて防着板の部分に隙間を存して対峙する金属製のブロック体と、ブロック体を冷却する冷却手段と、防着板の部分とブロック体との間に配置されて防着板を熱輻射により加熱可能な加熱手段とを更に備え、互いに対峙するブロック体と防着板の表面部分は、これらブロック体と防着板の母材金属に夫々表面処理を施すことで放射率を増加させた高放射率層で夫々構成されることを特徴とする。
本発明によれば、ブロック体に対峙する防着板の表面部分を高放射率層で構成したため、防着板のベーキング処理を行うときに加熱手段からの熱線が防着板の高放射率層で吸収されて防着板に効率よく伝わるため、防着板の部分とブロック体との間に反射板を設ける必要がない。しかも、防着板に対峙するブロック体の表面部分も高放射率層で構成したため、上記反射板が介在しないことと相俟って、ブロック体からの放射冷却により真空処理中に防着板を冷却することができるという機能が損なわれない。尚、互いに対峙するブロック体と防着板の表面部分には、ブロック体と防着板の表面部分とが互いに平行に対峙する場合だけでなく、例えば防着板の表面部分に対してブロック体の対峙する面が傾斜するなど両者が所定の角度を有して対峙する場合も含まれるものとする。
本発明において、前記加熱手段に対峙する前記ブロック体の表面部分が、ブロック体の母材金属に表面処理を施すことで放射率を低減させた低放射率層で構成されることが好ましい。これによれば、ベーキング処理時に加熱手段からの熱線を低放射率層で反射して防着板に照射でき、有利である。
本発明において、前記防着板に対峙する前記ブロック体の表面に第1凹部が形成され、第1凹部の内側空間に前記加熱手段が格納されることが好ましい。これによれば、ブロック体と防着板との間の距離を短くできるため、防着板を効率よく冷却することができ、有利である。この場合、第1凹部の内面は、ブロック体の母材金属に表面処理を施すことで放射率を低減させた低放射率層で構成すれば、ベーキング処理時に加熱手段からの熱線を低放射率層で反射して防着板に照射でき、有利である。
また、本発明において、前記ブロック体に対峙する前記防着板の表面部分に第2凹部が形成され、第2凹部の内側空間に前記加熱手段が格納されることが好ましい。これによれば、ブロック体と防着板との間の距離を短くできるため、防着板を効率よく冷却することができ、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。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に装着した状態で、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、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。駆動軸83aの上端にはガイドリング83bが設けられ、ガイドリング83b上に下防着板82が設置されている。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、1個の環状の突条82cが形成されている。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、真空チャンバ1の下壁内面13に、下防着板82の平坦部82bに対向させて、筒状に成形されたブロック体9を立設した。ブロック体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、ブロック体9の頂面91までの高さは、下防着板82の処理位置にて、ブロック体9と下防着板82との間に後述する加熱手段10が配置され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9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92が介在されているが、熱伝導シート92は省略してもよい。そして、成膜中、ジャケット11に所定温度の冷媒を流通させ、真空チャンバ1の壁面から伝熱でブロック体9が所定温度に冷却されるようになっている。本実施形態では、ジャケット11がブロック体9を冷却する冷却手段を構成する。ブロック体9の体積、頂面91の面積(防着板との対向面の面積)や、下防着板82に対するブロック体9の相対位置等は、冷却しようとする下防着板82の温度等を考慮して適宜設定される。
また、本実施形態では、ブロック体9と下防着板82との間に、下防着板82を熱輻射により加熱可能な加熱手段10が設けられている。加熱手段10としては、例えば公知の環状のシースヒータやランプヒータ等を用いることができるが、シースヒータを用いることが好ましい。これらシースヒータやランプヒータの構造は公知であるため、その設置方法を含めてここでは詳細な説明を省略する。そして、互いに対峙するブロック体9の頂面91と下防着板82の下面は、これらブロック体9と下防着板82の母材金属の表面に対して、例えば粒径が90〜710μmの範囲の固体金属、鉱物性または植物性の研磨材(粒子)を用いたブラスト処理(表面処理)を施すことで、放射率を0.5以上に増加させた高放射率層93,84で夫々構成されている。ここで、放射率とは、波長2〜6μmの範囲の平均放射率を指す。尚、高放射率層93,84の形成方法としては例えばエッチング加工やエンボス加工を用いることができ、また、ブロック体9と下防着板82の母材金属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等の非金属膜やTi溶射膜から構成される高放射率層93,84を形成してもよい。尚、図示省略するが、高放射率層93を、ブロック体9の頂面91だけでなく側面にも設けることで、真空チャンバ1内で乱反射する熱線を吸収することができて好ましい。また、高放射率層84を、下防着板82の下面の一部だけでなく下面全体に亘って設けるようにしてもよく、さらに真空チャンバ1の内壁面と対向する下防着板82の側面にも設けるようにしてもよい。また、ブロック体9の頂面91と下防着板82の下面とが互いに平行に対峙しているが、例えば下防着板82の下面に対してブロック体9の対峙する面が傾斜するなど両者が所定の角度を有して対峙していてもよい。
そして、基板Swに対する成膜に先立って、上記加熱手段10により下防着板82を所定温度(例えば、380℃)に加熱するベーキング処理により、下防着板82からの脱ガスが実施される。ここで、ブロック体9に対峙する下防着板82の下面を高放射率層84で構成したため、加熱手段10からの熱線が高放射率層84で吸収されて下防着板82に効率良く伝わるため、下防着板82とブロック体9との間(加熱手段10の下方)に従来例の如く反射板を設ける必要がない。しかも、下防着板82に対峙するブロック体9の上面も高放射率層93で構成したため、上記反射板が介在しないことと相俟って、ブロック体9からの放射冷却により真空処理中に防着板を冷却することができるという機能が損なわれない。
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、ブロック体9の頂面91全面を高放射率層93で構成する場合について説明したが、図3に示すように、加熱手段10に対向するブロック体頂面91の中央部分を、放射率を0.3以下に低減させた低放射率層95で構成してもよい。この低放射率層95は、ブロック体頂面91の中央部分の高放射率層93を除去してブロック体9の母材金属表面を露出させ、この露出させた母材金属表面に対して算術平均粗さRaが0.01〜2.00の範囲になるように鏡面加工(表面処理)を施すことで得られる。尚、ブロック体9の高放射率層93が形成された部分が、下防着板82に対して所定の角度傾斜して対峙してもよい。また、高放射率層93表面の加熱手段10に対向する中央部分に、溶射や成膜などの表面処理を施すことで、Al,Cu,Au,Ptから構成される低放射率層95を形成することもできる。これによれば、加熱手段10からの熱線を低放射率層95で反射して下防着板82に照射でき、有利である。
ところで、下防着板82を冷却するのに際しては、ブロック体9と下防着板82との間の距離が短いことが好ましい。図4に示すように、下防着板82に対峙するブロック体9の表面に第1凹部94を形成し、第1凹部94の内側空間に加熱手段10を格納すれば、上記距離を短くすることができる。この場合、第1凹部94の内面は、上記低放射率層95と同様に、ブロック体9の母材金属の表面に対して算術平均粗さRaが0.01〜2.00の範囲になるように鏡面加工(表面処理)を施すことで、放射率を0.3以下に低減させた低放射率層95aで構成すれば、加熱手段10からの熱線を低放射率層95aで反射して下防着板82に照射でき、有利である。また、放射率を0.1より小さくするには、加工コストが増大して現実的ではないため、低放射率層95aの放射率の下限は0.1以上に設定することができる。また、鏡面加工の方法としては、切削加工やバフ研磨等の物理研磨の他、電解研磨や化学研磨といった公知の方法を単独で又は組み合わせて採用することができる。尚、ブロック体9の母材金属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、Al,Cu,Au,Ptから構成される低放射率層95aを形成することもできる。また、加熱手段10としてシースヒータを採用した場合には、シースヒータ10の下防着板82に面する部分(上半分側)に、上記高放射率層93,84と同様にブラスト処理、AlTiN膜の成膜や溶射等の表面処理を施して高放射率層を設けることで、加熱効率を向上させることができる。
尚、図4に示すように、真空チャンバ1の下壁に、下防着板82に向かって突出する環状の角フランジ15を一体に設け、この角フランジ15の内部にも冷媒を循環させることが可能なジャケット11を設けてもよい。この場合、角フランジ15の上面にブロック体9を接続すれば、ブロック体9の体積を小さくでき、冷却効率を向上できる。角フランジ15とブロック体9との接続には、熱伝導等を考慮してモリブデン製のボルトを採用することができる。また、角フランジ15を真空チャンバ1下壁とは別体に設けてもよく、この場合、角フランジの内部に冷媒循環路を形成し、冷媒を循環させることができるように構成すればよい。
また、図5に示すように、ブロック体9に対峙する下防着板82の表面部分に第2凹部85を形成し、第2凹部85の内側空間に加熱手段10を格納するように構成しても、上記距離を短くすることができる。この場合、第2凹部85の内面は、上記高放射率層84と同様に、下防着板82の母材金属に対して表面処理を施すことで放射率を0.5以上に高めた高放射率層86で構成すれば、加熱手段10からの熱線を高放射率層86で効率よく吸収して下防着板82に伝えることができ、有利である。また、ガイドリング83bと下防着板82との接触面や、ガイドリング83bのブロック体9と対峙する面を高放射率層で構成することで、効率よく熱を伝えることができる。
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、13…真空チャンバ1の下壁内面(内壁面)、8…防着板、82…下防着板(防着板)、84…高放射率層、85…第2凹部、9…ブロック体、93…高放射率層、94…第1凹部、95,95a…低放射率層、10…加熱手段、11…ジャケット(冷却手段)。

Claims (5)

  1. 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、
    真空チャンバの内壁面に立設されて防着板の部分に隙間を存して対峙する金属製のブロック体と、ブロック体を冷却する冷却手段と、防着板の部分とブロック体との間に配置されて防着板を熱輻射により加熱可能な加熱手段とを更に備え、
    互いに対峙するブロック体と防着板の表面部分は、これらブロック体と防着板の母材金属に夫々表面処理を施すことで放射率を増加させた高放射率層で夫々構成されることを特徴とする真空処理装置。
  2. 前記加熱手段に対峙する前記ブロック体の表面部分が、ブロック体の母材金属に表面処理を施すことで放射率を低減させた低放射率層で構成されることを特徴とする請求項1記載の真空処理装置。
  3. 前記防着板に対峙する前記ブロック体の表面に第1凹部が形成され、第1凹部の内側空間に前記加熱手段が格納されることを特徴とする請求項1記載の真空処理装置。
  4. 前記第1凹部の内面は、ブロック体の母材金属に表面処理を施すことで放射率を低減させた低放射率層で構成されることを特徴とする請求項3記載の真空処理装置。
  5. 前記ブロック体に対峙する前記防着板の表面部分に第2凹部が形成され、第2凹部の内側空間に前記加熱手段が格納されることを特徴とする請求項1記載の真空処理装置。
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