JPH04350930A - 処理装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造工程
において半導体ウエハを処理する場合等に使用される、
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の処理装置としては、例え
ば、半導体素子の製造工程において使用されるスパッタ
リング装置等が知られている。

【０００３】図３は、かかる従来のスパッタリング装置
の構成の一例を示す概略的断面図である。

【０００４】図において、処理室としての真空容器内（
図示せず）に配置された載置台５０の載置面には、被処
理体としての半導体ウエハ１が載置される。また、この
半導体ウエハ１は、クランプ５４によって、この載置面
上に固定されている。このようにして載置固定された半
導体ウエハ１の、ターゲット２と対向する表面に、スパ
ッタリングによる薄膜の形成が行なわれる。

【０００５】スパッタリングは、半導体ウエハ１に対向
して配設されたターゲット電極６２により、このターゲ
ット電極６２の表面に設けられたターゲット２に負の電
圧を印加することで、真空容器内に導入された雰囲気ガ
スとしてのスパッタガスをプラズマ化し、このプラズマ
中の陽イオンをターゲットに衝突させることにより行な
う。

【０００６】このようにして半導体ウエハ１の表面に薄
膜を形成する際に、優れた特性の薄膜を得るためには、
この半導体ウエハ１を加熱し、所定の温度で均一となる
ように制御しなければならない。例えば、半導体ウエハ
１上にアルミニウムの薄膜を形成する場合は、通常、半
導体ウエハ１の温度を２００℃程度にする必要がある。 このため、図３に示したスパッタリング装置では、載置
台５０を加熱するためのヒータ６０を設けている。しか
し、スパッタ処理は真空容器内を減圧にして行い、しか
もウエハ１の裏面は微細な凹凸パターンとなっているの
でウエハ１と載置台５０との間に空隙が生じ、この空隙
も同様に減圧下となるので、ウエハ１と載置台５０との
間の熱交換率が低下し、ウエハ１の温度制御が困難とな
る。そこで、載置台５０の載置面と半導体ウエハ１との
間の空隙に、この載置台５０の中央部に設けられたガス
導入口５８より所定のガス圧のガスを導入し、このガス
を熱媒体として、半導体ウエハ１を加熱している。

【０００７】ここで、半導体ウエハ１の温度を正確に制
御するためには、載置台５０の載置面と半導体ウエハ１
との間の空隙５６における、熱媒体としてのガス（以下
、熱媒体ガスと称す）のガス圧を、所望の熱交換特性を
得られるように所定の圧力に維持する必要がある。

【０００８】この際、ウエハ１の裏面に充填される熱媒
体ガスは、ウエハ１周縁部での載置台５０との間に生じ
ているギャップを介して真空容器内に漏れることが避け
られず、従来よりこの漏れ量を補充するようにして所定
の熱媒体ガス圧を維持するようにしていた。なお、この
熱媒体ガスとしては不活性ガス例えばＡｒガス等が用い
られ、真空容器内に漏れた場合にもプロセス条件に与え
る悪影響を最小限に止めていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子の高
集積度化等により、スパッタリング装置によって形成さ
れる薄膜の特性の向上や、形成精度の向上が要求されて
いる。このため、より低いガス圧のスパッタガスを用い
てスパッタを行なうことができるスパッタリング装置の
開発が進んでいる。

【００１０】しかしながら、従来のスパッタリング装置
には、上述のようにして外部に漏れる熱媒体ガスのため
、スパッタガスのガス圧を所望の低圧プロセス条件に維
持することができないという課題があった。すなわち、
ウエハ１裏面側の熱媒体ガス圧は、熱交換特性を確保す
る上である圧力以下では意味をなさず、真空容器への漏
れを低減する意味からより低い圧力とする方が望ましい
としても自ずから下限値が存在する。一方、真空容器内
の圧力を上述した要求に従って下げれば、真空容器内圧
力と熱媒体ガス圧との圧力差がより大きくなり、ウエハ
１の裏面の熱媒体ガスはより多く真空容器内に漏れるこ
とになるのである。従って、いくら真空容器内圧力を低
圧にコントロールしたとしても、熱媒体ガスの流れ込み
により所望の低圧プロセス条件に維持できないのである
。

【００１１】また、例えばチタンナイトライドの成膜を
実施する場合には、所定の分圧比でアルゴンガスＡｒと
窒素ガスＮ２　との混合ガスを使用することになるが、
複数のガスを混合させたものをスパッタガスとして使用
する場合には、流れ込む熱媒体ガスによるスパッタガス
の分圧比の変化が低圧プロセス条件になるほど無視でき
なくなる。

【００１２】また、真空容器内に流れ込む熱媒体ガスは
、真空容器内のゴミを舞い上げるキャリアガスとして作
用し、ウエハ１の汚染による歩留まりの低下の原因とな
る。

【００１３】さらに、特に機械的クランパなどによりウ
エハ１を載置台５０上に固定している場合には、このク
ランパがばね機構を有することから、熱媒体ガスの漏れ
に起因してウエハ１の裏面圧力が変動すると、この気体
圧力の変動及びばね圧によりウエハ１が振動し、このウ
エハ１の振動がウエハ１の裏面側の熱媒体ガスの漏れを
助長することになってしまう。この漏れを補うように熱
媒体ガスが逐次補充されることになるが、ガス漏れ及び
それを補うガス補充を繰り返すことで、ウエハ１の裏面
での熱媒体ガスの圧力は時間的に脈動していることにな
り、ウエハ１の温度制御を高精度に行う上で支障となっ
ていた。

【００１４】そこで、本発明は、このような従来技術の
課題に鑑みて試されたものであり、被処理体の温度を高
精度に制御することができ、且つ、熱媒体ガスが処理室
内に漏れ出すことを低減できる処理装置を提供すること
を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の処理装置は、所
定の温度に制御された被処理体を、雰囲気ガス下で処理
する処理装置において、前記被処理体を載置するための
載置台と、この載置台上に載置された被処理体を固定す
る固定部材と、前記載置台の温度を制御する温度制御手
段と、前記載置台と前記被処理体との間の空隙に熱媒体
ガスを流入させるガス導入手段と、このガス導入手段に
よって前記空隙に流入された前記熱媒体ガスを排気する
ための排気手段と、を有することを特徴とする。

【００１６】

【作用】載置台上に載置された被処理体を固定部材で固
定し、この載置台の載置面と被処理体との間の空隙に熱
媒体ガスを導入するガス導入手段と、このガス導入手段
によって導入された熱媒体ガスを排出する排気手段とに
よって、前記空隙に常に一定圧力の熱媒体ガスが維持さ
れるようにし、この一定圧力の熱媒体ガスを用いて被処
理体と温度制御された載置台との間の熱交換を促進し、
被処理体の温度制御を行なう。

【００１７】熱媒体ガスの排気が行われるので、被処理
体周縁部での載置台との間の流路抵抗の大きなギャップ
から熱媒体ガスが漏れることを低減あるいは防止でき、
これにより、たとえ低圧プロセス条件下で処理を行って
も、その低圧プロセス条件が乱されず、あるいは混合ガ
スの分圧比を乱されることがなくなる。

【００１８】熱交換ガスの漏れを防止することで、処理
室でのゴミの舞い上がりがなくなって歩留まりが向上し
、また、被処理体裏面側での熱媒体ガス圧の脈動もなく
なるので被処理体の高精度な温度制御が可能となる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例として、本発明の処
理装置をスパッタリング装置に適用した場合を例に採っ
て説明する。

【００２０】図１は、スパッタ装置の一例としてマグネ
トロン形スパッタ装置を示すもので、図示しない真空容
器内には、半導体ウエハ１と被スパッタ材料体としての
ターゲット２とが対向して配置されている。また、前記
半導体ウエハ１は、後述するウエハ加熱機構３を含む試
料台４に支持されている。

【００２１】前記ウエハ１の上方に配置される前記ター
ゲット２は、保持部材５によって保持されている。この
ターゲット２は、半導体ウエハ１に形成する薄膜の材料
に応じてその母材が選択される。ターゲット２の材料、
すなわちスパッタリングによって半導体ウエハ１に形成
することができる薄膜材料としては、例えばアルミニウ
ム，シリコン，タングステン，チタン，モリブデン，ク
ロム，コバルト，ニッケル等、あるいはこれらを素材と
する合金がある。また、場合によっては焼結金属等の熱
伝導性の悪い材料も用いられる。ターゲットの形状は、
断面段付形状，円板状，円錘状，角板状，角錐状等何れ
でもよい。このターゲット２は、給電部材２３および冷
却ブロックとしての前記保持部材５を介して、負の直流
電圧が印加され、カソード電極として作用する。

【００２２】前記保持部材５のさらに上方には、この保
持部材５を支持し、かつ、後述するマグネット１０を回
転自在に支持するための基台６が設けられている。この
基台６の中央部には、中空筒状の円筒部６ａが形成され
ている。そして、前記円筒部６ａの周囲にはベアリング
７が配置され、このベアリング７によって回転円盤８が
回転自在に支持されている。そして、この回転円盤８の
偏心した位置に前記マグネット１０が固着されている。 一方、前記基台６の上面にはマグネット２２を回転させ
るためのモータ１１が固定され、このモータ１１の出力
軸には第１のギア１２が固着されている。また、前記回
転円盤８と同心にて第２のギア１３が固着され、この第
１，第２のギア１２，１３が噛合するようになっている
。かかる構成により、前記マグネット回転用モータ１１
を駆動することで、この回転出力は第１のギア１２，第
２のギア１３を介して前記回転円盤８に伝達させること
ができ、これにより前記マグネット１０を回転駆動させ
ることができる。前記保持部材５は、ターゲット２を保
持するとともに、ターゲット２に負の直流電圧を印加す
るための電極としても作用する。さらに、保持したター
ゲット２の冷却を行うことができるように構成されてい
る。このため、保持部材５には、複数の冷却ジャケット
１５が配置されている。そして、この冷却ジャケット１
５内に冷却媒体例えば冷却水を循環させることで、保持
部材５を冷却し、この保持部材５とターゲット２との間
の熱交換によってプラズマ発生時のターゲット２の昇温
を抑制するようになっている。また、上記保持部材５は
前記基台６の円筒部６ａに挿通され、この基台６に絶縁
して支持された給電部材２３の一端にネジ止め固定され
ることで、ターゲット２への電圧印加を可能としている
。

【００２３】図２は、ウエハ加熱機構３の構成を概略的
に示す断面図である。

【００２４】このウエハ加熱機構３は、半導体ウエハ１
を載置するための載置台３１を有しており、さらに、載
置台３１の載置面には、この載置面と半導体ウエハ１と
の間の空隙をシーリングするための気体シール用リング
突起３２が、半導体ウエハ１の周縁部と当接させるよう
に設けられている。なお、気体シール用リング突起３２
の高さは少なくともウエハ１の裏面の凹凸高さ以上であ
れば良く、本実施例では０．１６ｍｍとした。この半導
体ウエハ１は、この気体シール用リング突起３２の上に
載置され、クランプ３３の押圧力によって気体シール用
リング突起３３上に固定される。

【００２５】また、この載置台３１の内部には、載置台
３１の載置面と半導体ウエハ１との間の空隙に熱媒体ガ
スを導入するためのガス導入管３６と、このガス導入管
３６によって導入された熱媒体ガスを排気するためのガ
ス排気管３５が設けられている。

【００２６】このガス導入管３６は、ウエハ１の周縁部
と対向する位置にて、載置台３１の裏面に沿ってリング
状に設けられたガス経路４０を通り、半導体ウエハ１の
周縁部の内側に臨んで設けられた複数のガス導入口４１
から、空隙３７に導入される。なお、半導体ウエハ１の
温度の均一性を確保するためには、ガス導入口４１は、
等間隔に複数個設けることが望ましい。

【００２７】また、ガス排気管３５はウエハ１の中心部
と対向する位置より熱媒体ガスを排気するように空隙３
７に臨んで一端が開孔し、その他端は例えば排気コンダ
クタンスが可変な真空ポンプ（図示せず）につながれて
いる。この真空ポンプによって熱媒体ガスの排気が行な
われる。なお、載置台３１の載置面と半導体ウエハ１と
の間にある空隙３７のガス圧は、所望の熱交換特性を確
保できる圧力値以上であって、かつ、クランパ３３に押
圧されたウエハ１を変形させない圧力以下であれば良い
が、本実施例では上記範囲のより低圧側の圧力条件とし
て、例えば１〜５Ｔｏｒｒ程度に設定している。この範
囲の圧力であれば、真空ポンプとしてはロータリーポン
プを使用することも可能であり、また、その真空ポンプ
は処理室を減圧にするための真空ポンプを兼用しても良
い。。

【００２８】ここで、熱媒体ガスの種類は特に限定され
るものではないが、本実施例ではＡｒガスを使用するこ
ととする。

【００２９】加えて、載置台３１の内部には、この載置
台を加熱するためのヒータ３４が設けられている。すな
わち、本実施例に係わるウエハ加熱機構３では、このヒ
ータ３４で載置台３１を加熱し、熱媒体ガスを介して載
置台３１及び半導体ウエハ１間の熱交換を行って半導体
ウエハ１を加熱することにより、この半導体ウエハ１の
温度制御を行なう。なお、上述のガス排気管３５の最上
部にはメッシュ３８が設けられており、このメッシュ３
８もヒータ３４により加熱される。これにより、半導体
ウエハ１の、ガス排気管３５を臨む部分の加熱を行なっ
ている。

【００３０】次に、本実施例のスパッタリング装置を用
いて、半導体ウエハ１の表面にアルミニウム薄膜を形成
する方法について説明する。

【００３１】まず、スパッタリング装置に、半導体ウエ
ハ１およびアルミニウム製のターゲット２を、それぞれ
セットする。

【００３２】次に、これらが配置される真空容器（図示
せず）内の真空度を、例えば１０−１〜１０−３Ｔｏｒ
ｒに荒引きし、さらに、上記真空容器内の真空度が１０
−５〜１０−７Ｔｏｒｒ台になるように高真空引きする
。

【００３３】続いて、この真空容器内に、スパッタガス
（本実施例ではＡｒガス）を導入し、真空容器内のガス
圧を１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒ台に設定する。

【００３４】また、これと同時に、載置台３１の載置面
と半導体ウエハ１との間の空隙に、熱媒体ガスを流すと
ともに、ヒータ３４による加熱を開始する。このヒータ
３４により載置台３１の上面（半導体ウエハ１と対向す
る面）を加熱し、この熱を空隙３７内の熱媒体ガスを介
して半導体ウエハ１に伝えることにより、半導体ウエハ
１の温度を制御する。ここで、熱媒体ガスＡｒは、導入
管３６を介して先ずリング状のガス経路４０に導かれ、
さらにウエハ１の裏面周縁部に臨んで複数開口している
導入口４１より均一流量にて空隙３７に充填されること
になる。

【００３５】空隙３７内のガス圧は、上述した理由から
１〜５Ｔｏｒｒに設定することが望ましいが、この圧力
を維持するために本実施例では、ガス導入管３６より所
定流量の熱媒体ガスＡｒを空隙３７に導くと共に、ウエ
ハ１と気体シール用リング突起３２間の微細なギャップ
からＡｒガスが処理室側に漏れないように、ガス排気管
３５より排気している。このように空隙３７に熱媒体ガ
スＡｒを導入し、かつ排気するようにしているが、その
目的はあくまで空隙３７内にて所定圧力の気体分子によ
る熱交換を促進することにある。従って、空隙３７内で
は周縁より中心に向かうガスの流れが生ずるが、この流
れは上記のギャップからのガス漏れを防止できる程度の
遅い流れで十分である。要は、従来上記ギャップに向か
うガスの流れしか生じないような密閉構造であったウエ
ハ１の裏面側にて、このギャップの流路抵抗よりも十分
小さな流路抵抗となる排気管３８に向かう流れを実現す
ることで、ギャップからのガス漏れを防止できるのであ
る。 なお、気体シール用リング突起３２は不可欠な構成では
ないが、これを設けることで排気管３５に向かうガス流
れの流路抵抗をギャップの流路抵抗より十分小さく出来
る。このようなガスリークの防止を実現するため、本実
施例では熱媒体ガスＡｒのガス導入流量を１８ｓｃｃｍ
とし、排気コンダクタンスを調整して空隙３７内にて上
記圧力が維持されるようにしている。なお、ガスの供給
・排気調整については、供給側または排気側のいずれか
一方または双方の流量制御により、空隙３７内の所定圧
力を維持するものでも良い。

【００３６】この様にして、ヒータ３４にて加熱された
載置台３１と半導体ウエハ１との間では、空隙３７内で
所定圧力にて充填された熱媒体ガスＡｒにより熱交換が
促進され、半導体ウエハ１を所望温度に制御することが
できる。本実施例では、ターゲット２としてアルミニウ
ムを使用してＡｌ膜の成膜を行っているので、半導体ウ
エハ１の温度は、２００℃程度に制御することが望まし
い。

【００３７】その後、ターゲット２に給電部材２３及び
保持部材５を介して負電圧を印加すると、このターゲッ
ト２のスパッタリング面側にプラズマが形成され、さら
に、このターゲット２の裏面側にてマグネット１０を回
転させることにより、このプラズマを磁界によって閉込
めたプラズマリング３０を形成することができる。特に
、マグネット１０の永久磁石の配列を、特願昭６３−２
９７７４７　に開示したものとすることで、回転半径方
向の内，外に拡がる磁力線を形成でき、マグネット１０
の外形より大きなプラズマリング３０を形成できる。こ
のプラズマリング３０の形成によりイオン化率が向上し
、ターゲット２のスパッタリング面での所定のエロージ
ョンエリアにてスパッタが実行されることになる。

【００３８】なお、上記本発明を例えばチタンナイトラ
イドの成膜を行うスパッタ装置に適用した場合には、プ
ロセスガスとして所定の分圧比のＡｒガスとＮ２　ガス
の混合ガスを低圧条件で使用したとしても、熱媒体ガス
であるＡｒの処理室へのリークを防止できるので、低圧
条件及び分圧比の双方に悪影響を与えずにプロセスを実
施できる効果がある。

【００３９】また、本実施例では、半導体ウエハ１をク
ランプ３３によって固定することとしたが、例えば静電
チャック等、他の方法によって固定しても、同様の効果
を得ることができる。

【００４０】また、半導体ウエハ１の外縁部に臨んでガ
ス導入口４１を設け、中央部に臨んでガス排気管３８を
設けたが、逆に、中央部から熱媒体ガスを導入し、周辺
部から排気することとしてもよい。

【００４１】加えて、本実施例では、本発明をスパッタ
リング装置に適用した場合について説明したが、例えば
ＣＶＤ装置等他の処理装置にも適用できることは明らか
であり、さらに、エッチング装置のように被処理体を冷
却して処理を行う処理装置にも適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、被処理体の温度を高精度に制御することができ、
且つ、熱媒体ガスが処理室内に漏れ出すことのない処理
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる処理装置の構成を概
略的に示す図である。

【図２】図１に示したウエハ加熱機構の構成を概略的に
示す断面図である。

【図３】従来の処理装置の構成を概略的に示す図である
。

【符号の説明】

１　　　　半導体ウエハ ２　　　　ターゲット ３　　　　ウエハ加熱機構 １０　　マグネット １１　　モータ ３１　　載置台 ３２　　気体シール用リング突起 ３３　　クランプ ３４　　ヒータ ３５　　ガス排気管 ３６　　ガス導入管 ３７　　空隙 ３８　　メッシュ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＴＥ０３
４５０１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の温度に制御された被処理体を、
   雰囲気ガス下で処理する処理装置において、前記被処理
   体を載置するための載置台と、この載置台上に載置され
   た被処理体を固定する固定部材と、前記載置台の温度を
   制御する温度制御手段と、前記載置台と前記被処理体と
   の間の空隙に熱媒体ガスを流入させるガス導入手段と、
   このガス導入手段によって前記空隙に流入された前記熱
   媒体ガスを排気するための排気手段と、を有することを
   特徴とする処理装置。