(57)【要約】【課題】熱源であるウェーハステージのみならず、チャンバ内も同時に冷却することにより、冷却時間を大幅に短縮し、装置の稼働率を大きく向上させたスパッタ装置を提供する。【解決手段】メインチャンバ２の下部に、新たにサブチャンバ１５が設けられ、メインチャンバ２とサブチャンバ１５は隔離板１６で隔離されている。サブチャンバ１５は、所定の真空度に保つように、排気バルブ１７を介して排気ポンプ１２に接続されている。また、メインチャンバ２には、冷却空気等を流す冷却ガス配管１８と冷却水を流す冷却水配管１９が設けられている。さらに、ウェーハステージ６には昇降機構２０が設けてあり、ウェーハステージ６がメインチャンバ２とサブチャンバ１５との間を移動できるように構成されている。また、ウェーハステージ６の下部には、可動部から発生した異物がチャンバ２、１５内に飛散するのを防止するためのベローズ２１が設けてある。【選択図】  図１
2005015820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内にターゲットとウェーハとを対向して配置させ、前記ターゲットをスパッタして前記ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタ装置において、前記チャンバをメインチャンバとサブチャンバの２槽に分けるとともに、前記メインチャンバにてスパッタを行なった後、前記ウェーハが載置されたウェーハステージを前記メインチャンバから前記サブチャンバに移動して、前記メインチャンバと前記サブチャンバを隔離板で隔離することを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記メインチャンバを冷却する冷却手段を備えるとともに、前記冷却手段が前記メインチャンバの壁面内に設けられた冷却ガス供給手段と冷却水供給手段からなることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記メインチャンバと前記サブチャンバを独立して冷却する冷却手段を備えるとともに、前記冷却手段が前記メインチャンバと前記サブチャンバの壁面内に設けられた冷却ガス供給手段と冷却水供給手段からなることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記メインチャンバと前記サブチャンバの内部の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の出力を所定値と比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記冷却手段の供給バルブを制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項３記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ（以下、ウェーハと言う）の処理面に薄膜形成を行なうスパッタ装置に関し、特に薄膜形成後の冷却時間を大幅に短縮することができるスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーハには、その目的に応じて種々の材料や成膜方法が選択される。成膜方法としては、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング等があり、その中でスパッタリング装置は、ウェーハの金属薄膜（Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＷＳｉ等）の形成に多用されており、例えば、特開平６１−２２７１６９号公報に開示されている。
【０００３】
図４は、従来のスパッタ装置の構成を示す断面図である。図４に示す従来のスパッタ装置５１は、スパッタ膜を形成するチャンバ５２と、チャンバ５２内の上方に配置されてターゲット５３を保持する上部電極５４と、チャンバ５２内の下方に配置されてウェーハ５５を保持するウェーハステージ５６と、ウェーハステージ５６に内蔵された電熱ヒータ５７と冷却水配管５８を備えている。上部電極５４には直流電源５９の負極が接続され、ウェーハステージ５６は接地されている。また、チャンバ５２には、Ａｒ等のスパッタガスを供給するためのガス供給源６０、供給バルブ６１と、チャンバ５２内を排気する排気ポンプ６２、排気バルブ６３が接続されている。
【０００４】
次に、従来のスパッタ装置５１の動作を説明する。先ず、上部電極５４にターゲット５３を固定し、ウェーハ５５をウェーハステージ５６に載置する。次に、排気バルブ６３を介して排気ポンプ６２によりチャンバ５２内を高真空にした後、供給バルブ６１を介してガス供給源６０によりＡｒガス等のスパッタガスをチャンバ５２内へ供給する。次に、電熱ヒータ５７により、ウェーハステージ５６を介してウェーハ５５を、例えば約３００℃に加熱する。次に、直流電源５９より上部電極５４に直流を印加して、ウェーハ５５上にスパッタ膜を形成する。
【０００５】
その後、ウェーハステージ５６の温度を少なくとも約１５０℃まで自然放冷した後、ウェーハステージ５６に内蔵された冷却水配管５８に冷却水を流してウェーハステージ５６を室温まで冷却し、ウェーハ５５をチャンバ５２外へ取り出す。
【０００６】
しかし、従来のスパッタ装置５１では、スパッタ膜を形成した後、ウェーハステージ５６を１５０℃まで自然放冷している。これは、成膜直後、３００℃〜４００℃の温度にあるウェーハステージ５６に内蔵された冷却水配管５８に、いきなり冷却水を流すと、その際に発生する高圧水蒸気等により冷却水配管５８が破損する恐れがあるためである。そのため、ウェーハステージ５６が１５０℃まで自然放冷するのに、少なくとも５〜６時間を要し、そのために成膜の処理枚数が少なくなってスパッタ装置５１の稼動率が低下するという問題があった。
【０００７】
この問題を解決するために、上述した従来技術には、他のスパッタ装置が提案されている。図５は、そのスパッタ装置の構成を示す断面図である。なお、上述した図４と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
【０００８】
図５に示すスパッタ装置７１は、チャンバ５２内のウェーハステージ５６に昇降機構７２を設けるとともに、ウェーハステージ５６の背面側に、ウェーハステージ５６と同心ドーナツ形状で、かつ渦巻き状の冷却水配管７３を備えた大熱容量の冷却用ブロック７４を離間して設置している。
【０００９】
このスパッタ装置７１の動作は、先ず、ウェーハステージ５６に載置されたウェーハ５５を、ウェーハステージ５６に内蔵された電熱ヒータ５７によって、例えば３００℃に加熱してウェーハ５５上に所定のスパッタ膜を形成する。次に、成膜後のウェーハ５５の加熱を止めて、高温状態のウェーハ５５とウェーハステージ５６を、昇降機構７２により、その背面側に離間設置されかつ予め水冷されている冷却用ブロック７４側へ移動させて当接させる。
【００１０】
このようにすれば、ウェーハステージ５６の熱は、背面から当接した冷却用ブロック７４を介して、急速にチャンバ５２の外へ放出され、冷却が促進される。
これにより、ウェーハステージ５６が１５０℃に降温する時間が、従来の５〜６時間に対して半減される。その後、並行してウェーステージ５６に内蔵された冷却水配管５８に冷却水を流して冷却することにより、ウェーハ５５を室温の状態でチャンバ５２外へ取り出す時間も半減され、スパッタ装置７１の稼動率が向上する。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６１−２２７１６９号公報（第２，３頁、図１，図３）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したスパッタ装置７１には、以下のような問題があった。熱源であるウェーハステージ５６のみを、背面側に設けた冷却用ブロック７４に当接して冷却するので、成膜の際、同時に加熱されたチャンバ５２の内部を室温まで冷却させるには、さらに時間がかかる。そのため、チャンバ５２内のターゲット５３や他の構成部品を交換する等のメンテナンス作業を行なう際には、なお長い冷却時間を要し、スパッタ装置７１の稼動率を低下させるという問題があった。また、ウェーハステージ５６の冷却時間も半減されてはいるが、まだ十分とは言えない。
【００１３】
本発明は、上記問題点を解決するために考えられたもので、熱源であるウェーハステージのみならず、チャンバ内も同時に冷却することにより、冷却時間を大幅に短縮し、装置の稼働率を大きく向上させたスパッタ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のスパッタ装置は、チャンバ内にターゲットとウェーハとを対向して配置させ、前記ターゲットをスパッタして前記ウェーハ上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、前記チャンバをメインチャンバとサブチャンバの２槽に分けるとともに、前記メインチャンバにてスパッタを行なった後、前記ウェーハが載置されたウェーハステージを前記メインチャンバから前記サブチャンバに移動して、前記メインチャンバと前記サブチャンバを隔離板で隔離することを特徴とする。この構成によれば、スパッタ終了後に熱源であるウェーハステージをメインチャンバからサブチャンバに移動し、メインチャンバとサブチャンバを隔離するので、メインチャンバとサブチャンバの冷却を効率良く行なうことができる。
【００１５】
また、請求項２記載のスパッタ装置は、請求項１記載のスパッタ装置であって、前記メインチャンバを冷却する冷却手段を備えるとともに、前記冷却手段が前記メインチャンバの壁面内に設けられた冷却ガス供給手段と冷却水供給手段からなることを特徴とする。この構成によれば、メインチャンバの内部を、先ず冷却ガスにより所定の温度まで冷却した後、並行して冷却水を流して室温まで冷却するので、メインチャンバの冷却時間を大幅に短縮することができる。
【００１６】
また、請求項３記載のスパッタ装置は、請求項１記載のスパッタ装置であって、前記メインチャンバと前記サブチャンバを独立して冷却する冷却手段を備えるとともに、前記冷却手段が前記メインチャンバと前記サブチャンバの壁面内に設けられた冷却ガス供給手段と冷却水供給手段からなることを特徴とする。この構成によれば、メインチャンバとサブチャンバの内部を、先ず冷却ガスにより所定の温度まで冷却した後、並行して冷却水を流して室温まで冷却するので、メインチャンバとサブチャンバの冷却時間をともに大幅に短縮することができる。
【００１７】
また、請求項４記載のスパッタ装置は、請求項３記載のスパッタ装置であって、前記メインチャンバと前記サブチャンバの内部の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の出力を所定値と比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記冷却手段の供給バルブを制御する制御手段を備えたことを特徴とする。この構成によれば、メインチャンバとサブチャンバの内部の温度を検出して、冷却ガス供給手段と冷却水供給手段を動作させるタイミングを自動的に制御するので、チャンバ内の冷却をより効率良く行なうことができるとともに、高温状態の冷却水配管に急に冷却水が流れて、配管が破損するのを防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図であり、図１（ａ）は成膜時の状態を示し、図１（ｂ）は冷却時の状態を示す。
【００１９】
図１（ａ）、（ｂ）に示す本発明の第１実施例のスパッタ装置１は、スパッタ膜を形成するメインチャンバ２と、メインチャンバ２内の上方に配置されてターゲット３を保持する上部電極４と、メインチャンバ２内の下方に配置されてウェーハ５を保持するウェーハステージ６と、ウェーハステージ６に内蔵された電熱ヒータ７と冷却水配管８を備えている。上部電極４には直流電源９の負極が接続され、ウェーハステージ６は接地されている。また、メインチャンバ２には、Ａｒ等のスパッタガスを供給するためのガス供給源１０、供給バルブ１１と、内部を排気するための排気ポンプ１２、排気バルブ１３が接続されている。また、メインチャンバ２内には、ターゲット３からのスパッタ粒子がウェーハ５以外の不必要な場所に付着するのを防止するためのシールド板１４が設けられている。
【００２０】
さらに、本発明の第１実施例のスパッタ装置１では、メインチャンバ２の下部に、新たにサブチャンバ１５が設けられ、メインチャンバ２とサブチャンバ１５は隔離板１６で隔離されている。サブチャンバ１５は、所定の真空度に保つように、排気バルブ１７を介して排気ポンプ１２に接続されている。また、メインチャンバ２の側壁部には、冷却空気等を流す冷却ガス配管１８と冷却水を流す冷却水配管１９が設けられている。さらに、ウェーハステージ６には昇降機構２０が設けてあり、ウェーハステージ６がメインチャンバ２とサブチャンバ１５との間を移動できるように構成されている。また、ウェーハステージ６の下部には、可動部から発生した異物がチャンバ２、１５内に飛散するのを防止するためのベローズ２１が設けてある。
【００２１】
次に、本実施例のスパッタ装置１の動作を説明する。先ず、図１（ａ）に示すように、上部電極４にターゲット３を固定し、ウェーハ５をウェーハステージ６に載置する。次に、排気バルブ１３を介して排気ポンプ１２によりメインチャンバ２内を高真空にした後、供給バルブ１１を介してガス供給源１０よりＡｒガス等のスパッタガスをメインチャンバ２内へ供給する。次に、電熱ヒータ７により、ウェーハステージ６を介してウェーハ５を、例えば約３００℃に加熱する。次に、直流電源９より上部電極４に直流を印加して、ウェーハ５上にスパッタ膜を形成する。
【００２２】
スパッタ終了後は、図１（ｂ）に示すように、昇降機構２０によりウェーハステージ６を下降させ、メインチャンバ２からサブチャンバ１５に移動させた後、隔離板１６により、メインチャンバ２とサブチャンバ１５を隔離する。次に、メインチャンバ２の側壁部に設けられた冷却ガス配管１８に冷却ガスを流し、メインチャンバ２の内部を冷却する。メインチャンバ２内の温度が約１５０℃に下がったら、並行して冷却水配管１９に冷却水を流し、室温まで冷却する。
【００２３】
次に、メインチャンバ２内の温度が室温まで下がったら、冷却ガスと冷却水の供給を停止する。その後、メインチャンバ２を大気圧に戻して、ターゲット３、シールド板１４の交換を行なう。尚、ターゲット３、シールド板１４を交換する際は、メインチャンバ２とサブチャンバ１５が隔離板１６で隔離されているので、ウェーハ５に異物が付着することがない。
【００２４】
このように、本実施例では、成膜処理後、熱源であるウェーハステージ６を隔離することで、メインチャンバ２内を迅速に冷却することができる。本実施例では、メインチャンバ２の冷却時間を従来の１／３〜１／４に短縮することができる。これにより、冷却の待ち時間が少なくなってメンテナンス時間を大幅に短縮でき、装置の稼働率を大きく向上させることができる。
【００２５】
次に、他の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は本発明の第２実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図であり、図２（ａ）は成膜時の状態を示し、図２（ｂ）は冷却時の状態を示す。なお、図２において、上述した第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
本実施例のスパッタ装置３１において、上述した第１実施例と相違するところは、サブチャンバ１５内を迅速に冷却するために、サブチャンバ１５の側壁部に冷却空気等を流す冷却ガス配管３２と冷却水を流す冷却水配管３３を新たに設けたことである。
【００２７】
次に、本実施例のスパッタ装置１の動作を説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、上部電極４にターゲット３を固定し、ウェーハ５をウェーハステージ６に載置する。次に、排気バルブ１３を介して排気ポンプ１２によりメインチャンバ２内を高真空にした後、供給バルブ１１を介してガス供給源１０よりＡｒガス等のスパッタガスをメインチャンバ２内へ供給する。次に、電熱ヒータ７により、ウェーハステージ６を介してウェーハ５を、例えば約３００℃に加熱する。次に、直流電源９より上部電極４に直流を印加して、ウェーハ５上にスパッタ膜を形成する。
【００２８】
スパッタ終了後は、図２（ｂ）に示すように、昇降機構２０によりウェーハステージ６を下降させ、メインチャンバ２からサブチャンバ１５に移動させた後、隔離板１６により、メインチャンバ２とサブチャンバ１５を隔離する。次に、メインチャンバ２とサブチャンバ１５の側壁部に設けられた冷却ガス配管１８、３２に冷却ガスを流し、各チャンバ２、１５の内部を冷却する。各チャンバ２、１５内の温度が約１５０℃に下がったら、並行して冷却水配管１９、３３、８に冷却水を流し、室温まで冷却する。
【００２９】
次に、メインチャンバ２、サブチャンバ１５内の温度が室温まで下がったら、冷却ガスと冷却水の供給を停止する。その後、メインチャンバ２、サブチャンバ１５を大気圧に戻して、ターゲット３、シールド板１４の交換やウェーハ５の取り出しを行なう。尚、ターゲット３、シールド板１４を交換する際は、メインチャンバ２とサブチャンバ１５が隔離板１６で隔離されているので、ウェーハ５に異物が付着することがない。
【００３０】
このように、本実施例では、成膜処理後、熱源であるウェーハステージ６を隔離することで、メインチャンバ２内を迅速に冷却することができる。また、ウェーハステージ６も、サブチャンバ１５の側壁部に当接させた状態で冷却するので、冷却が促進される。本実施例では、メインチャンバ２、サブチャンバ１５の冷却時間を従来の１／３〜１／４に短縮することができる。これにより、冷却の待ち時間が少なくなってメンテナンス時間やウェーハの交換時間を大幅に短縮でき、装置の稼働率を大きく向上させることができる。
【００３１】
図３は本発明の第３実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図である。なお、図３において、上述した第２実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３２】
本実施例のスパッタ装置４１において、上述した第２実施例と相違するところは、メインチャンバ２、サブチャンバ１５の冷却をより効率的に行なうために、メインチャンバ２、サブチャンバ１５の内部の温度を検出する熱電対からなる温度センサ４２ａ、４２ｂと、温度センサ４２ａ、４２ｂの出力を所定値と比較する比較回路４３ａ、４３ｂと、比較回路４３ａ、４３ｂの出力に応じて冷却ガス配管１８、３２と冷却水配管１９、３３、８の各供給バルブ４４ａ〜４４ｅの開閉を行なう制御回路４５ａ、４５ｂを新たに設けたことである。
【００３３】
次に、本実施例のスパッタ装置４１の動作を説明する。上述した第２実施例と同様にしてスパッタ膜の形成を行なった後、昇降機構２０によりウェーハステージ６をメインチャンバ２からサブチャンバ１５に移動させる。その後、冷却ガス配管１８、３２に冷却ガスを流し、メインチャンバ２、サブチャンバ１５の冷却を開始する。冷却中は、メインチャンバ２、サブチャンバ１５内の温度を温度センサ４２ａ、４２ｂにより検出し、その検出信号を比較回路４３ａ、４３ｂに出力する。比較回路４３ａ、４３ｂでは、温度センサ４２ａ、４２ｂで検出された温度と予め設定した第１の温度（例えば１５０℃）を比較する。そして、温度センサ４２ａ、４２ｂで検出された温度が予め設定した第１の温度（例えば１５０℃）になれば、制御回路４５ａ、４５ｂに信号を出力し、供給バルブ４４ｂ、４４ｄ、４４ｅを開にして冷却水配管１９、３３、８に冷却水を流す。これにより、冷却ガスと並行して冷却水が流されることになり、メインチャンバ２、サブチャンバ１５の冷却が促進される。そして、メインチャンバ２、サブチャンバ１５内の冷却が進み、温度センサ４２ａ、４２ｂで検出された温度が、比較回路４３ａ、４３ｂで予め設定した第２の温度（例えば２５℃）になれば、制御回路４５ａ、４５ｂに信号を出力し、供給バルブ４４ａ〜４４ｅを閉にして冷却ガス配管１８、３２と冷却水配管１９、３３、８への、冷却ガスと冷却水の供給を停止する。その後、メインチャンバ２、サブチャンバ１５を大気圧に戻して、ターゲット３、シールド板１４の交換やウェーハ５の取り出しを行なう。
【００３４】
本実施例では、メインチャンバ２とサブチャンバ１５の内部の温度を検出し、所定の温度に達したら、冷却ガスや冷却水の供給バルブを自動的に開閉するようにした。これにより、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＷＳｉ等の種々のスパッタ膜を形成する際、その成膜温度が変わっても（３００℃〜４００℃）、各チャンバ２、１５内の冷却を効率良く行なうことができるとともに、高温状態の冷却水配管１９、３３、８に急に冷却水が流れて、配管が破損するのを防止できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスパッタ装置によれば、チャンバをメインチャンバとサブチャンバの２槽に分け、メインチャンバ内でスパッタ膜の形成を行なった後、熱源であるウェーハステージをメインチャンバからサブチャンバに移動させ、メインチャンバとサブチャンバを独立して冷却するようにした。また、初めに冷却ガス配管に冷却ガスを流すことにより所定の温度まで冷却し、次いで、並行して冷却水配管に冷却水を流すことにより室温まで冷却するようにした。
【００３６】
これにより、従来のスパッタ装置よりもさらに冷却時間を短縮でき、ウェーハの交換時間のみならず、ターゲットやシールド板の交換時間も大幅に短縮できる。その結果、装置の稼動率を大きく向上させることができる。また、チャンバ内の温度を監視して冷却ガス及び冷却水の供給、停止を自動的に行なえるようにしたので、チャンバ内の冷却をより効率良く行なうことができるとともに、高温状態の冷却水配管に急に冷却水が流れて、配管が破損するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の第２実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図
【図３】本発明の第３実施例のスパッタ装置の構成を示す断面図
【図４】従来のスパッタ装置の構成を示す断面図
【図５】従来の他のスパッタ装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
１  本発明の第１実施例のスパッタ装置
２  メインチャンバ
３  ターゲット
４  上部電極
５  ウェーハ
６  ウェーハステージ
７  電熱ヒータ
８  冷却水配管
９  直流電源
１０  ガス供給源
１１  供給バルブ
１２  排気ポンプ
１３  排気バルブ
１４  シールド板
１５  サブチャンバ
１６  隔離板
１７  排気バルブ
１８  冷却ガス配管
１９  冷却水配管
２０  昇降機構
２１  ベローズ
３１  本発明の第２実施例のスパッタ装置
３２  冷却ガス配管
３３  冷却水配管
４１  本発明の第３実施例のスパッタ装置
４２ａ、４２ｂ  温度センサ
４３ａ、４３ｂ  比較回路
４４ａ〜４４ｅ  供給バルブ
４５ａ、４５ｂ  制御回路
５１  従来のスパッタ装置
５２  チャンバ
５３  ターゲット
５４  上部電極
５５  ウェーハ
５６  ウェーハステージ
５７  電熱ヒータ
５８  冷却水配管
５９  直流電源
６０  ガス供給源
６１  供給バルブ
６２  排気ポンプ
６３  排気バルブ
７１  従来の他のスパッタ装置
７２  昇降機構
７３  冷却水配管
７４  冷却用ブロック
【図１】
2005015820.tif 000003
【図２】
2005015820.tif 000004
【図３】
2005015820.tif 000005
【図４】
2005015820.tif 000006
【図５】
2005015820.tif 000007