(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中で基板を加熱しながらスパッタリングによって基板上に所定の薄膜を作成する方法であって、真空に排気されたアンロードロックチャンバー内に薄膜作成が終了した基板を順次配置し、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後、アンロードロックチャンバーを大気圧に戻す方法であり、
前記薄膜作成済みの基板が所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて、基板を冷却ステージ上に載置して強制冷却した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すことを特徴とする薄膜作成方法。
【請求項２】
基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すことを特徴とする請求項１記載の薄膜作成方法。
【請求項３】
前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止することを特徴とする請求項２記載の薄膜作成方法。
【請求項４】
前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下（ただし、摂氏８０度以下を除く）であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止することを特徴とする請求項２記載の薄膜作成方法。
【請求項５】
前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻すことを特徴とする請求項２、３又は４記載の薄膜作成方法。
【請求項６】
前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するようシーケンス制御を行うことを特徴とする請求項２、３又は４記載の薄膜作成方法。
【請求項７】
前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことを特徴とする請求項２、３又は４記載の薄膜作成方法。
【請求項８】
排気系を備え、基板上にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタチャンバーと、スパッタリング中に基板を所定の温度まで加熱する加熱手段と、排気系及びベントガス導入系を備えたアンロードロックチャンバーとを有するスパッタリング装置において、
基板を搬送する搬送機構が設けられており、この搬送機構は、スパッタリングによって所定の薄膜が作成された基板をアンロードロックチャンバーに搬送するものであり、
アンロードロックチャンバーは、前記薄膜が作成された基板が順次配置されるものであって、ベントガス導入系は、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後にアンロードロックチャンバー内を大気圧に戻すものであり、
アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了してスパッタチャンバーから搬送された基板に面接触して基板を強制冷却する冷却ステージが設けられており、
前記アンロードロックチャンバーのベントガス導入系及び前記搬送機構の動作を制御する制御部が設けられており、この制御部は、前記所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて前記冷却ステージへの載置動作を行った後に前記アンロードロックチャンバー内を大気圧に戻す制御を行うことが可能であることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項９】
前記制御部は、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒す制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項８記載のスパッタリング装置。
【請求項１０】
前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下の温度であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度以下に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであることを特徴とする請求項９記載のスパッタリング装置。
【請求項１１】
前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下（ただし、摂氏８０度以下を除く）であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであることを特徴とする請求項７記載のスパッタリング装置。
【請求項１２】
前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に基板を前記冷却ステージから取り去る制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項９、１０又は１１記載のスパッタリング装置。
【請求項１３】
前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するシーケンス制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項９、１０又は１１記載のスパッタリング装置。
【請求項１４】
前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことが可能なものであることを特徴とする請求項９、１０又は１１記載のスパッタリング装置。
【請求項１５】
前記アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了した所定数の基板を収容する基板カセットが配置されており、スパッタチャンバーから搬送された基板を前記冷却ステージに載置した後に当該基板を冷却ステージから基板カセットに搬送して収容することが可能な搬送機構が設けられていることを特徴とする請求項８乃至１４いずれかに記載のスパッタリング装置。
【請求項１６】
前記冷却ステージは、前記基板カセットの真下の位置に設けられていることを特徴とする請求項１５記載のスパッタリング装置。
【請求項１７】
前記搬送機構は、基板を一枚ずつ前記スパッタチャンバーに搬送するものであり、スパッタチャンバーにおいて一枚ずつ成膜処理が行われるものであり、前記アンロードロックチャンバーは、薄膜作成済みの基板が一枚ずつ配置されるものであることを特徴とする請求項８乃至１６いずれかに記載のスパッタリング装置。
【請求項１８】
前記冷却ステージは、静電気吸着によって基板を冷却ステージの表面に吸着する静電吸着機構を備えていることを特徴とする請求項８乃至１７いずれかに記載のスパッタリング装置。
【請求項１９】
前記冷却ステージは、冷却ステージの表面と基板の裏面との面接触を強化するクランプ機構を備えていることを特徴とする請求項８乃至１８いずれかに記載のスパッタリング装置。
【請求項２０】
前記冷却ステージは、基板の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段を備えていることを特徴とする請求項８乃至１９いずれかに記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、スパッタリングによる成膜技術に関し、特にスパッタリング後の基板の取り扱いについての技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成膜技術には、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（化学的気層成長）などがあるが、半導体集積回路の製作などでは、配線材料の成膜などでスパッタリングが頻繁に用いられている。
【０００３】
図１２は、従来のスパッタリング装置の一例の構成を説明する図である。図１２に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えたスパッタチャンバー１と、スパッタチャンバー１内に対向して配置されたカソード１２及び基板ホルダ１３と、スパッタチャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系１４と、カソード１２に所定の電圧を与えるスパッタ電源１５と、スパッタチャンバー１の前後にゲートバルブ２２，３２を介して設けられたロードロックチャンバー２及びアンロードロックチャンバー３と、ロードロックチャンバー２、スパッタチャンバー１、アンロードロックチャンバー３の順に基板１０を搬送する不図示の搬送機構などから主に構成されている。尚、ロードロックチャンバー２は排気系２０１を備え、アンロードロックチャンバー３０１は排気系３０１を備えている。
【０００４】
基板１０は、基板カセット２１に多数収容され、ロードロックチャンバー２内に配置される。ロードロックチャンバー２をスパッタチャンバー１と同程度の圧力まで排気した後、ゲートバルブ２２を開けて一枚の基板１０をスパッタチャンバー１内に搬送し、基板ホルダ１３上に配置する。
ゲートバルブ２２を閉じた後、ガス導入系１４を動作させて所定のガスを導入し、スパッタ電源１５を動作させてスパッタリングを行い、基板１０上に所定の薄膜を作成する。この際、基板ホルダ１３内に設けられた加熱手段１３１によって基板１０が所定の温度まで加熱される。例えば、下地のシリコン上にタングステン配線を形成する場合、基板を４００℃程度に加熱してスパッタリングを行うとタングステン薄膜の比抵抗が所定の値で安定化することが知られており、この程度の温度まで基板１０を加熱してスパッタリングを行う。
【０００５】
そして、所定の膜厚まで薄膜が堆積すると、ガス導入系１４及びスパッタ電源１５の動作を停止した後、ゲートバルブ３２を開けて搬送機構が基板１０を搬出し、アンロードロックチャンバー３内に配置された基板カセット３１に収容させる。この際、アンロードロックチャンバー３もスパッタチャンバー１と同程度の圧力まで排気されている。
このようにして基板１０を一枚ずつロードロックチャンバー２からスパッタチャンバー１に搬入し、スパッタリングを行った後、アンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１に収容する。そして、ロードロックチャンバー２内の基板ホルダ１３に収容されていた基板１０がすべて成膜されてアンロードロックチャンバー３内の基板ホカセット３１に収容されると、ベントバルブ３５２を開けてアンロードロックチャンバー３内にベントガスを導入し、アンロードロックチャンバー３内を大気圧に戻す。その後、基板１０をアンロードロックチャンバー３から取り出す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリングのような成膜技術に要求される重要な課題の一つに、膜質の安定化という点がある。特に、ＬＳＩのような集積回路では、膜質のわずかな劣化によって回路特性が変化し、製品性能に大きな影響を与える。例えば、配線材料のスパッタリングの場合、膜の比抵抗が期待された数値で安定していることが要求される。
【０００７】
ここで、上述した従来のスパッタリング装置において、アンロードロックチャンバー内の基板カセットに収容される基板のうち、最後の数枚の基板については、比抵抗等の特性についてムラが生ずることが確認された。
本願の発明者は、この原因について鋭意調査研究を行ったところ、高温状態で基板が大気圧雰囲気に晒されることが原因であることが判明した。即ち、アンロードロックチャンバー内の基板カセットに収容される基板のうち、最後の数枚の基板は、基板カセットに収容されてからアンロードロックチャンバーがベントされるまでの時間が短い。つまり、高温状態でスパッタチャンバーから搬出された後、比較的短い時間で大気圧雰囲気に晒されることになる。このため、高温状態の膜がベントガス中に含まれる酸素や水蒸気等を取り込み、これが原因で特性のムラが生ずると考えられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、真空中で基板を加熱しながらスパッタリングによって基板上に所定の薄膜を作成する方法であって、真空に排気されたアンロードロックチャンバー内に薄膜作成が終了した基板を順次配置し、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後、アンロードロックチャンバーを大気圧に戻す方法であり、
前記薄膜作成済みの基板が所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて、基板を冷却ステージ上に載置して強制冷却した後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下であって、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項２の構成において、前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下（ただし、摂氏８０度以下を除く）であり、この範囲の温度以下に冷却することで前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、上記請求項２、３又は４の構成において、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に大気圧雰囲気に戻すという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、上記請求項２、３又は４の構成において、前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するようシーケンス制御を行うという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、上記請求項２、３又は４の構成において、前記冷却ステージに基板が載置された後に当該基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、排気系を備え、基板上にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタチャンバーと、スパッタリング中に基板を所定の温度まで加熱する加熱手段と、スパッタチャンバーに隣接して配置され、排気系及びベントガス導入系を備えたアンロードロックチャンバーとを有するスパッタリング装置において、
基板を搬送する搬送機構が設けられており、この搬送機構は、スパッタリングによって所定の薄膜が作成された基板をアンロードロックチャンバーに搬送するものであり、
アンロードロックチャンバーは、前記薄膜が作成された基板が順次配置されるものであって、ベントガス導入系は、配置された薄膜作成済みの基板が所定数に達した後にアンロードロックチャンバー内を大気圧に戻すものであり、
アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了してスパッタチャンバーから搬送された基板に面接触して基板を強制冷却する冷却ステージが設けられており、
前記アンロードロックチャンバーのベントガス導入系及び前記搬送機構の動作を制御する制御部が設けられており、この制御部は、前記所定数に達する際の最後の一枚又は数枚の基板のみについて前記冷却ステージへの載置動作を行った後に前記アンロードロックチャンバー内を大気圧に戻す制御を行うことが可能であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、上記請求項８の構成において、前記制御部は、基板が前記冷却ステージに載置されることで所定温度以下になった後にアンロードロックチャンバーを大気圧に戻して基板を大気圧雰囲気に晒す制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、上記請求項９の構成において、前記所定温度以下は摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下の温度であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度以下に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、上記請求項９の構成において、前記所定温度以下は、摂氏１００度から１５０度の範囲の温度以下（ただし、摂氏８０度以下を除く）であり、前記冷却ステージは、この範囲の温度に基板を冷却して前記作成された薄膜への酸素又は水蒸気の取り込みを防止するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、上記請求項９、１０又は１１の構成において、前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、前記所定温度以下に基板が冷却されたのを非接触温度計の計測データによって確認した後に基板を前記冷却ステージから取り去る制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１３記載の発明は、上記請求項９、１０又は１１の構成において、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置するシーケンス制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１４記載の発明は、上記請求項９、１０又は１１の構成において、前記冷却ステージ上に載置された基板の温度を非接触で計測する非接触温度計が設けられており、前記制御部は、基板が前記所定温度以下になるのに十分な時間として予め求められた時間だけ基板を前記冷却ステージに載置し、その後基板を前記冷却ステージから取り去った際にその基板の温度が前記所定温度以下の温度になっていることを非接触温度計の計測データによって確認するシーケンス制御を行うことが可能なものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１５記載の発明は、上記請求項８乃至１４いずれかの構成において、前記アンロードロックチャンバー内には、スパッタリングが終了した所定数の基板を収容する基板カセットが配置されており、スパッタチャンバーから搬送された基板を前記冷却ステージに載置した後、当該基板を冷却ステージから基板カセットに搬送して収容することが可能な搬送機構が設けられているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１６記載の発明は、上記請求項１４の構成において、前記冷却ステージは、前記基板カセットの真下の位置に設けられているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１７記載の発明は、上記請求項８乃至１６いずれかの構成において、前記搬送機構は、基板を一枚ずつ前記スパッタチャンバーに搬送するものであり、スパッタチャンバーにおいて一枚ずつ成膜処理が行われるものであり、前記アンロードロックチャンバーは、薄膜作成済みの基板が一枚ずつ配置されるものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１８記載の発明は、上記請求項８乃至１７いずれかの構成において、前記冷却ステージは、静電気吸着によって基板を冷却ステージの表面に吸着する静電吸着機構を備えているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項１９記載の発明は、上記請求項８乃至１８いずれかの構成において、前記冷却ステージは、冷却ステージの表面と基板の裏面との面接触を強化するクランプ機構を備えているという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項２０記載の発明は、上記請求項８乃至１９いずれかの構成において、前記冷却ステージは、基板の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段を備えているという構成を有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置は、中央に配置された搬送チャンバー４と搬送チャンバー４の周囲に配設された複数のチャンバーからなるマルチチャンバータイプのシステムになっている。周囲のチャンバーは、不図示のゲートバルブを介して中央の搬送チャンバー４に気密に接続されている。各々のチャンバーには、専用又は兼用の排気系（図１中不図示）が備えられ、所定の圧力まで排気可能となっている。
【００１０】
搬送チャンバー４内には、搬送機構として、真空中で基板を搬送できる搬送ロボット４１が設けられている。また、周囲のチャンバーのうちの隣り合って配置された二つのチャンバーは、ロードロックチャンバー２及びアンロードロックチャンバー３になっている。そして、残りの周囲のチャンバーを、スパッタチャンバー１やプリヒートチャンバー５等のプロセスチャンバーとして使用するようになっている。
【００１１】
上述のようなシステムである本実施形態の装置では、成膜処理される基板１０は、基板カセット２１に所定数（例えば２５枚程度）収容され、ロードロックチャンバー２内に配置される。そして、搬送ロボット４１が、ロードロックチャンバー２内の基板カセット２１から基板１０を一枚ずつ取り出して各プロセスチャンバーに順次搬送し、成膜処理を含む各種処理を行った後、アンロードロックチャンバー３に戻すようになっている。アンロードロックチャンバー３には、同様に基板カセット３１が配置されており、処理が終わった基板１０を所定数まで収容可能となっている。
【００１２】
本実施形態の装置は、アンロードロックチャンバー３の部分に大きな特徴点があるので、以下、アンロードロックチャンバー３に重点を置いて説明する。
図２は、図１の装置のＸ−Ｘにおける断面概略図であり、図３は図１のＹ−Ｙにおけるアンロードロックチャンバーの断面概略図である。
アンロードロックチャンバー３は、排気系３０１及びベントガス導入系３５を有する真空容器である。ベントガス導入系３５は、チャンバーに接続されたベント用配管３５１と、ベント用配管３５１に設けられたベントバルブ３５２とから構成され、クリーンルーム内の清浄空気をベントガスとして導入するようになっている。場合によっては、ベントガスとして特別の清浄空気や窒素ガスなどを使用する場合もあり、この場合には、ベント用配管３５１がこれらのガスの供給源に接続される。
【００１３】
そして、図２及び図３に示すように、アンロードロックチャンバー３内には、回収側の基板カセット３１が配置されている。基板カセット３１は、水平な姿勢の基板１０を上下方向に並べて多数収容可能なものである。具体的には、搬送ロボット４１のアーム４１１の進行方向に対して両側に設けられた側板３１１から構成され、両側の側板３１１の向かい合う内面に設けられた突起３１２によって基板１０を支持するようになっている。尚、突起３１２は、アーム４１１の進行方向に長く、基板１０の収容位置に従って上下に多数設けられている。
【００１４】
そして、アンロードロックチャンバー３内であって上記基板カセット３１の下方には、冷却ステージ３３が配設されている。図４は、図２に示す冷却ステージの形状を説明する斜視概略図である。
図４に示すように、本実施形態における冷却ステージ３３は全体が略円柱状である。そして、基板１０が載置される上面には、図４に示すような所定の幅の溝３３１が径方向に形成されている。この溝３３１は、基板１０を載置する際の搬送ロボット４１のアーム４１１の「逃げ」のために形成されている。即ち、図４に示すように、搬送ロボット４１のアーム４１１が基板を冷却ステージ３３上に載置する際、冷却ステージ３３の溝３３１内にアーム４１１が位置するようになっている。
【００１５】
また、冷却ステージ３３の直径は、基板１０の直径より僅かに大きいものになっている。尚、本実施形態では、半導体ウエハのような略円形の基板１０を成膜処理することが想定されているため、略円柱状の冷却ステージ３３が使用されているが、他の形状、例えば液晶基板などの方形の基板を成膜処理する場合には、角柱状の冷却ステージ３３が使用される場合がある。
【００１６】
そして、図２及び図３に示すように、冷却ステージ３３の内部には水道水などの冷媒を流通させる流通孔３３２が形成されている。流通孔３３２への入り口及び出口部分には、冷媒を供給及び排出する冷媒用配管３３３が接続されている。冷媒用配管３３３には、冷媒の温度を所定の温度に維持して循環させるサーキュレーター（不図示）が必要に応じて接続される。但し、冷媒として水道水等を使用する場合、そのまま廃水にする場合もある。
【００１７】
このような構成によって、冷却ステージ３３は基板１０を所定温度以下に冷却できるようになっている。所定温度とは、例えば基板１０が２００〜４００℃程度に加熱されてアンロードロックチャンバー３に搬送される場合、１００〜１５０℃程度の温度とされる。より具体的には、バリアメタルとしてＴｉＮ膜を形成した場合は１００℃以下に冷却し、ＦＥＴのチャンネル配線用などとしてＷ膜を形成した場合は１５０℃以下に冷却する。
尚、冷却ステージ３３の材質は、熱伝導性のよい銅（純銅）やアルミニウムなどを用いることが好ましい。表面の腐食等が問題となる場合は、保護膜を形成したり、ステンレス等の板材を真空ろう付け等により貼り合わせて表面を覆うようにするとよい。
【００１８】
また本実施形態の装置では、冷却ステージ３３上の基板１０の温度を非接触で計測する非接触温度計３４が設けられている。サーモパイル温度計のような放射温度計が好適に使用される。但し、基板１０の表面状態によって放射率が異なるので、予め基板１０の放射率を求めておき、非接触温度計３４の計測値を放射率によって補正するようにするとよい。具体的には、測定する基板１０と同一の表面状態である基板について別の方法で温度を予め計測しておき、その基板から得られる放射束を同一温度の黒体放射の放射束と比較して放射率を求めるようにする。尚、非接触温度計３４の計測データは、装置全体の動作を制御する制御部７に送られる。
【００１９】
次に、図１及び図２を使用して、本実施形態のスパッタリング装置の他の構成について簡単に説明する。
まず、上記アンロードロックチャンバー３に隣接して設けられたロードロックチャンバー２は、装置への基板１０の搬入の入り口になるものであり、供給側の基板カセット２１が配置されている。この基板カセット２１も、前述したアンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１と同様のものである。尚、ロードロックチャンバー２には、前述したアンロードロックチャンバー３のベントガス導入系３５と同様のベントガス導入系（不図示）が設けられている。
【００２０】
また、ロードロックチャンバー２の外側には、不図示のオートローディング機構が配設されている。オートローディング機構は、ロードロックチャンバー２内の基板カセット２１に基板１０を自動的に装着するためのものであり、基板カセット２１と同様な構成のキャリアカセットに収容された基板１０を基板カセット２１に一枚ずつ収容するローディングロボットなどから構成される。また、アンロードロックチャンバー３の外側には、不図示のオートアンロードディング機構が設けられており、アンロードロックチャンバー３からキャリアカセットに基板を自動的に回収するようになっている。
【００２１】
スパッタチャンバー１の構成は、図１２に示す従来のものとほぼ同様であり、内部にカソード１２と基板ホルダ１３とを対向配置し、スパッタ電源１５やガス導入系１４等を具備している。また、基板ホルダ１３には加熱手段１３１が内蔵されており、成膜中に基板１０を１００〜５００℃程度に加熱するようになっている。
尚、プロセスチャンバーのうち三つ程度のチャンバーが上述のようなスパッタチャンバー１として構成される。他のプロセスチャンバーは、プリヒートチャンバー５やエッチングチャンバー６等として構成される。
【００２２】
プリヒートチャンバー５は、スパッタリングに先だって基板１０の脱ガスなどを行うため、基板１０を２００〜５５０℃程度まで加熱するプロセスチャンバーである。加熱は、例えば内部に抵抗加熱方式又は熱媒循環方式などの加熱手段を内蔵した加熱ステージに基板１０を載置することにより行われる。
エッチングチャンバー６は、スパッタリングに先だって基板１０の表面の酸化膜等をエッチングして除去するプロセスチャンバーである。エッチングを行うための構成は色々あるが、例えば、アルゴン等のガスを高周波放電などによりプラズマ化し、基板１０に対して所定のバイアス電圧を与えることで基板１０の表面をスパッタエッチングする構成が採用される。
【００２３】
搬送チャンバー４内に配置された搬送機構としての搬送ロボット４１は、アーム４１１の上面で基板１０を支持して搬送するよう構成されている。搬送ロボット４１のアーム４１１は、静電吸着によって基板１０を吸着支持しながら、水平方向の直線運動、上下運動、及び、垂直な軸の周りの回転運動が可能に構成されている。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、前述のように装置全体の動作を制御する制御部７を有している。この制御部７は、搬送ロボット４１の動作も後述のように制御するよう構成されている。
【００２４】
次に、薄膜作成方法の発明の実施形態の説明も兼ね、上記構成に係るスパッタリング装置の動作を説明する。以下の説明では、一例としてＭＯＳ−ＦＥＴ回路におけるチャンネル配線の形成などのためのスパッタリングプロセスを想定して説明を行う。まず、オートローディング機構がロードロックチャンバー２内の基板カセット２１に所定数の基板１０を装着し、入り口側のゲートバルブを閉じて所定の圧力までロードロックチャンバー２を排気する。次に、搬送チャンバー４側のゲートバルブ１０１が開いて、搬送ロボット４１が一枚の基板１０を基板カセット２１から取り出し、プリヒートチャンバー５に搬送する。そして、プリヒートチャンバー５で加熱処理して脱ガスなどを行った後、基板１０は、エッチングチャンバー６に搬送される。
【００２５】
そして、基板１０は、エッチングチャンバー６でエッチングされて表面の酸化膜などが除去された後、スパッタチャンバー１に搬送され、所定のスパッタリングが行われる。この際、基板１０は所定の温度まで加熱される。例えば、前述したようにタングステン薄膜を配線として作成する場合、基板１０を４００℃程度に加熱して比抵抗の安定化を行う。また、コンタクトホールのような微小ホールに対してアルミニウム配線を行う成膜では、基板１０を４００℃程度に加熱してアルミニウムを若干フロー（融解）させ、コンタクトホールの内部に対する被覆性を高める場合もある。
【００２６】
このようにしてスパッタチャンバー１で所定の薄膜を作成した後、基板１０はアンロードロックチャンバー３に搬送され、基板カセット３１に収容される。このようにしてロードロックチャンバー２から基板１０を一枚ずつ取り出し、各プロセスチャンバーに順次搬送してスパッタリングを行い、アンロードロックチャンバー３に回収する。そして、ロードロックチャンバー２内の基板カセット２１に収容されていたすべての基板１０がアンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１に回収されると、アンロードロックチャンバー３のベントガス導入系３５が動作し、アンロードロックチャンバー３内を大気圧に戻す。そして、ゲートバルブ３６が開き、オートアンローディング機構が基板１０をキャリアカセットに回収する。
【００２７】
上記動作において、制御部７は、アンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１に回収される基板１０が所定数に達する際の最後の数枚の基板１０について、冷却ステージ３３への載置を経由するよう搬送ロボット４１に制御信号を送る。即ち、例えば最後の２枚の基板１０については、最初に冷却ステージ３３の上に基板を載置し、この状態を所定時間保持して基板１０の温度が所定温度以下になったら、冷却ステージ３３から取り去って基板カセット３１に収容する動作を搬送ロボット４１は行う。この際、基板１０の温度は非接触温度計３４によって計測されており、非接触温度計３４の計測データによって基板１０の温度が所定温度以下になったのを確認した後、制御部７は基板１０を冷却ステージ３３から取り去るよう搬送ロボット４１を制御する。
【００２８】
このような基板１０の冷却を行うことによって、アンロードロックチャンバー３をベントする際、基板カセット３１内のすべての基板１０の温度は所定温度以下になる。このため、従来見られたような比抵抗のばらつき等の膜特性の不安定化が防止される。尚、冷却ステージ３３の載置時間については、冷却ステージ３３の冷却能力等から確実に所定温度以下になるのに十分な時間を予め求めておき、この時間だけ基板１０を冷却ステージ３３に載置するようシーケンス制御を行ってもよい。
【００２９】
上記構成に係る本実施形態の装置では、基板１０をカセット・ツー・カセットで搬送しながら枚葉処理するので、良質な薄膜が高い生産性で作成することができる。またこの際、すべての基板１０について冷却ステージ３３への載置動作を行うのではなく、所定数に達する際の数枚の基板１０のみについて載置動作を行うので、冷却によって全体の処理時間が長期化して生産性が低下するのが抑制される。尚、どの程度の枚数について載置動作が必要かは、スパッタリングの際の基板１０の加熱温度や膜の種類、最後の基板１０を回収してからのベントまでの時間等によって異なるので、これらのファクターを勘案して適宜決定する。
また、非接触温度計３４の計測データの使用方法としては、前述した冷却ステージ３３からの基板１０の取り去りのタイミング制御の他、冷却ステージ３３の載置時間を予め定めてシーケンス制御し、冷却ステージ３３から取り去られた際の基板１０の温度が所定温度以下になっているかをモニターするようにしてもよい。
【００３０】
次に、本願発明の他の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の装置は、冷却ステージ３３の構成が異なっているのみであり、他の部分の構成は上述の実施形態と同様である。
図５は、本願発明の第二の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する斜視概略図である。この実施形態における冷却ステージ３３は、図４に示すような溝３３１が形成されておらず、その代わり、基板受け渡しピン３３４１を内蔵している。即ち、円柱状の冷却ステージ３３を上下方向に貫通するようにして中心対称の位置に四つのピン用ホール３３４２が形成されている。そして、各ピン用ホール３３４２内には基板受け渡しピン３３４１が挿通されており、基板受け渡しピン３３４１を昇降させる不図示の昇降機構が付設されている。
【００３１】
図５に示す実施形態では、搬送ロボット４１のアーム４１１が基板１０を冷却ステージ３３に載置する際、基板受け渡しピン３３４１の昇降機構が駆動され、基板受け渡しピン３３４１は冷却ステージ３３の上面より突出した所定位置まで上昇する。そして、アーム４１１が四本の基板受け渡しピン３３４１の間に進入して下降し、基板１０を基板受け渡しピン３３４１の上に載せる。アーム４１１が後退した後、昇降機構が基板受け渡しピン３３４１を下降させ、基板１０を冷却ステージ３３の上に載置する。
【００３２】
この第二の実施形態によれば、第一の実施形態に比べ、冷却ステージ３３の基板接触面の面積が大きくなる。このため、冷却効率がよくなり、短時間のうちに所定温度まで冷却することができ、生産性が向上する。尚、昇降機構は、駆動によって塵埃が発生する可能性があるため、アンロードロックチャンバー３外即ち大気圧側に配置されることが好ましい。
【００３３】
図６は本願発明の第三の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。この第三の実施形態では、冷却ステージ３３に対する基板１０の面接触を強化するため、静電吸着機構が設けられている。即ち、冷却ステージ３３の基板載置面側には誘電体ブロック３３５３が熱伝導性良く接続されており、誘電体ブロック３３５３内に一対の吸着電極３３５１が埋設されている。そして、吸着電極３３５１には所定の電圧を印加する吸着用電源３３５２が接続されている。また、誘電体ブロック３３５３の上面には、表面保護や誘電率調整等の目的で窒化アルミニウム等の不図示の誘電体膜が５〜１０μｍ程度の厚さで形成されている。尚、誘電体ブロック３３５３や誘電体膜の厚さは、熱伝導性をあまり低下させないよう、必要な吸着効果が得られる範囲内でなるべく薄い厚さとしておくことが好ましい。
この第三の実施形態によれば、冷却ステージ３３に対する基板１０の面接触が強化されるので、冷却効率が向上し、このため冷却のための時間を短縮することができる。
【００３４】
図７は、本願発明の第四の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。この第四の実施形態では、冷却ステージ３３に対する基板１０の面接触を強化するため、基板１０を冷却ステージ３３に対して押し付けるクランプ機構３３６が設けられている。
クランプ機構３３６は、基板１０の外径に相当する大きさのリング状のクランパー３３６１と、クランパー３３６１を駆動する駆動機構３３６２とから構成されている。駆動機構３３６２は、冷却ステージ３３に対して弾性力を作用させるバネ材とバネ材の力に抗してクランパー３３６１を上昇させる押し上げ棒等から構成されている。
搬送ロボット４１のアーム４１１が基板を冷却ステージ３３に載置すると、駆動機構３３６２がクランパー３３６１を下方に移動させ、基板１０の周縁の上に載せる。これによって基板１０の冷却ステージ３３に対する面接触が強化され、冷却効率が向上する。尚、クランパー３３６１は、基板１０の周縁の素子が形成されていないマージンの部分を押し付けるよう構成される。
【００３５】
図８は、本願発明の第五の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージ３３の構成を説明する断面概略図である。
この実施形態における冷却ステージ３３は、基板１０の裏面に接触するようにして冷却用ガスを導入する冷却用ガス導入手段３３７を備えている。冷却ステージ３３の上面には、冷却用ガスを導入するための溝又は凹部３３７１が形成されており、冷却ステージ３３の内部にはこの溝又は凹部３３７１に連通した連通孔３３７２が貫通して設けられている。連通孔３３７２には、冷却用ガスの供給管３３７３が接続されている。また、冷却ステージ３３の上面の溝又は凹部３３７２は、基板１０が載置された際に基板１０によって塞がれた状態となるよう形成されている。
【００３６】
連通孔３３７２を通して溝又は凹部３３７１に導入された冷却用ガスは、基板１０の裏面に接触して熱交換を行い、冷却ステージ３３に対して良好に熱を伝える。この結果、冷却ステージ３３による基板１０の冷却効率が向上し、冷却に要する時間を短縮することができる。即ち、基板１０の裏面と冷却ステージ３３の上面との面接触が完全ではなく僅かな隙間が形成される場合、その隙間の部分については真空中であるため熱の伝導伝達ができず、専ら放射によるのみとなる。しかし、本実施形態のように冷却用ガスを導入すると、対流作用等を生じて冷却用ガスが基板の熱を伝えるため、冷却効率が向上する。
【００３７】
冷却用ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等の希ガス又は不活性ガスが好適に使用される。また、上記溝又は凹部３３７１内に導入された状態での冷却用ガスの圧力は、例えば１０Ｔｏｒｒ程度でよい。尚、冷却用ガスの温度は室温でかまわないが、室温以下の温度に冷却したものを用いると、さらに効果的である。
この実施形態から分かるように、本願発明における基板の冷却ステージへの面接触は、冷却ステージの表面に対する接触と、冷却用ガスのような流体に対する接触との両方を含んでいる。つまり、基板の裏面が接触して熱伝導を行うことで強制冷却がされるという意味である。
【００３８】
【実施例】
次に、上記実施形態の発明の実施例を説明する。
発明者は、以下の表１に示すＡ，Ｂ，Ｃの三つの冷却ステージを製作して、冷却に要する時間を測定した。尚、三つの冷却ステージの形状は、すべて上記第一の実施形態のものとした。
【００３９】
【表１】
0003852980.tif 000002
【００４０】
上記冷却ステージＡ，Ｂ，Ｃをそれぞれ用いて、４００℃に加熱された基板が１５０℃に冷却されるまでに要する時間を測定したところ、冷却ステージＡについては９０秒、冷却ステージＢについては６０秒、冷却ステージＣについては４５秒であった。
【００４１】
また、従来技術との比較を行うため、以下のような実験を行った。
まず、従来のスパッタリング装置即ちアンロードロックチャンバー３に冷却ステージを設けていないスパッタリング装置を用い、２５枚の基板についてＴｉＮ膜を順次作成し、アンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１に回収した。成膜時の基板温度は４００℃とした。回収後９０秒経過した時点でアンロードロックチャンバー３内をベントし大気圧に戻した後、基板を取り出して各基板の膜のシート抵抗値を測定した。この結果を示したのが、図９である。
【００４２】
また、本願発明の実施例の装置として上記Ａの冷却ステージをアンロードロックチャンバー３に配置したスパッタリング装置を用い、同様に２５枚の基板について基板温度４００℃の条件でＴｉＮ膜を順次作成し、アンロードロックチャンバー３内の基板カセット３１に回収した。この際、２４枚め以降２５枚めまで（最後の２枚）の基板については、冷却ステージに載置して基板を１５０℃まで冷却した後基板カセット３１に回収した。冷却ステージへの載置時間は上述のように９０秒であった。そして、同様に各基板の膜のシート抵抗値を測定した。この結果を示したのが、図１０である。
【００４３】
図９に示すように、従来の装置を用いた場合、２０枚以降はシート抵抗値は徐々に上昇し、２５枚めの基板は２０枚めまでのシート抵抗値に対して１０％程度も高かった。一方、実施例の装置を用いた場合には、図１０に示すように、２５枚めまでシート抵抗値は２％程度以内の変動に抑えられ、ほぼ一定に安定していた。尚、上記Ｂの冷却ステージを用い、６０秒の冷却時間で同様に冷却を行ったところ、やはり図１０のようにシート抵抗値は２％程度で安定化されることが分かった。
【００４４】
このような結果から、アンロードロックチャンバーに冷却ステージを備えて基板を冷却してから大気圧に戻す本願発明の構成によれば、従来見られた膜質ムラが発生せず、すべての基板について安定した膜特性を得ることができる。このような膜特性の安定化の要因については、前述した通り、基板が高温状態では大気圧暴露されないので、大気中の酸素や水蒸気を膜が反応等により取り込むことがないことによるものと考えられる。例えば、前述したＴｉＮ膜について組成分析を行ってみると、図９に示す比抵抗が増加した基板については、チタンや窒素の他に酸素が検出されている。従って、ＴｉＮ膜の表面層でＴｉＯＮ膜等が形成されているものと考えられる。
【００４５】
図１１は、上記比較例における基板温度の変化を測定した結果の図である。１１図中、ステップ１は加熱状態にあるスパッタリング中の基板温度を、ステップ２はスパッタリング終了後の搬送中の基板温度を、ステップ３はアンロードロックチャンバー３内での基板温度を示している。そして、図１１中の曲線１は上記Ａのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線２は上記Ｂのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線３は上記Ｃのタイプの冷却ステージを使用した場合の温度変化を、曲線４は従来のように冷却ステージを使用しないでアンロードロックチャンバー３内で単に放置した場合の温度変化をそれぞれ示している。
【００４６】
図１１の曲線１，２，３から分かる通り、冷却ステージを使用する実施例の構成では基板温度が急減し、短時間のうちに所定温度（例えば１５０℃）まで冷却されることが分かる。一方、従来例の構成では、曲線４から分かる通り、基板温度が緩慢な低下に止まり、所定温度まで低下するにはかなりの時間を要することが分かる。これは、真空雰囲気にあるアンロードロックチャンバー３内では、基板の自然冷却は専ら放射によって行われ、従って、伝導を利用する実施例の構成に比べ冷却効率が極端に悪いことによるものと考えられる。
【００４７】
【発明の効果】
上述した通り、本願発明によれば、スパッタリング後に大気に触れることによって生ずる膜質の変動が抑制され、膜特性の安定化が図られる。また、薄膜作成済みの基板を所定数アンロードロックチャンバー内に配置して大気圧に戻すので、生産性が向上する。加えて、冷却が必要な基板についてのみ冷却ステージへの載置動作を行うので、処理全体の時間が長期化して生産性が低下するのを抑制することができる。
また、請求項５、７、１２又は１４の発明によれば、上記効果に加え、基板が所定温度以下に冷却されたのを確認した後に大気圧に戻されるので、上記膜特性の安定化の効果の確実性が向上する。
また、請求項１８又は１９の発明によれば、上記効果に加え、冷却ステージに対する基板の面接触が強化され、冷却効率が向上する。このため、冷却に要する時間が短縮化され、生産性が向上する。
さらに、請求項２０の発明によれば、上記効果に加え、基板の裏面に接触する冷却用ガスの冷却効果によって冷却効率が向上し、冷却時間の短縮化によって生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
【図２】図１の装置のＸ−Ｘにおける断面概略図である。
【図３】図１のＹ−Ｙにおけるアンロードロックチャンバーの断面概略図である。
【図４】図２に示す冷却ステージの形状を説明する斜視概略図である。
【図５】本願発明の第二の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する斜視概略図である。
【図６】本願発明の第三の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図７】本願発明の第四の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図８】本願発明の第五の実施形態のスパッタリング装置における冷却ステージの構成を説明する断面概略図である。
【図９】従来のスパッタリング装置を使用して作成した膜のシート抵抗値を測定した結果の図である。
【図１０】本願発明の実施例のスパッタリング装置を使用して作成した膜のシート抵抗値を測定した結果の図である。
【図１１】本願発明の実施例の構成と従来例の構成との比較例における基板温度の変化を測定した結果の図である。
【図１２】従来のスパッタリング装置の一例の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  スパッタチャンバー
１０  基板
２  ロードロックチャンバー
２１  基板カセット
３  アンロードロックチャンバー
３０１  排気系
３３  冷却ステージ
３３２  連通孔
３３３  冷媒用配管
３３６  クランプ機構
３３７  冷却用ガス導入手段
３４  非接触温度計
３５  ベントガス導入系
４  搬送チャンバー
４１  搬送ロボット
５  プリヒートチャンバー
６  エッチングチャンバー
７  制御部
【図１】
0003852980.tif 000003
【図２】
0003852980.tif 000004
【図３】
0003852980.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003852980.tif 000008
【図７】
0003852980.tif 000009
【図８】
0003852980.tif 000010
【図９】
0003852980.tif 000011
【図１０】
0003852980.tif 000012
【図１１】
0003852980.tif 000013
【図１２】
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