(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリングシステムであって、モリブデンの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を備えたコーティング材料から成るスパッタリング対象物と、一体片のモリブデンで形成されたウエハ締付リングを備えるウエハホルダと、このウエハ締付リングが、リムの周りに薄膜を堆積すべきウエハの側をウエハ締付リングの内側縁部に係合させるように構成され、ウエハ周囲のまわりの複数点において該ウエハを外れ止めしてウエハ締付リングに支持するための手段を有することと、ウエハ締付リングを処理室内で、該ウエハ締付リングまわりの間隔を置いた複数の取り付け点で弾性状に支持するための手段とを含み、
前記ウエハ締付リングが、
内側ウエハ係合縁部を境界とした該ウエハ締付リング内のほぼ円形の開口と、処理室側と、ウエハ係合側とを備えるとともに、
３つの枢動ラッチを該ウエハ締付リングのウエハ係合側に等しい角度間隔で配置し取り付けるための手段であって、ウエハ締付リングのウエハ係合側で前記内側ウエハ係合縁部に隣接して該ウエハ締付リングのまわりに等しい角度間隔で隔置した３つのラッチ取付穴および戻り止めの組み合わせを含み、各組み合わせが、ウエハ締付リングのウエハ係合側で該ウエハ締付リングの表面を貫いて延びてラッチを支持するようになったラッチ取付穴と、ウエハ締付リングのウエハ係合側の表面の複数のラッチローラ受けくぼみとを含み、これらくぼみが前記ラッチ取付穴から等しい距離を隔置され、約９０度の角度をもって隔置され、ラッチをラッチ位置および非ラッチ位置に保持するようになった手段と、
ウエハ締付リングが該ウエハ締付リングの中心のまわりで一様に該ウエハ締付リングのウエハ係合側へ向けて片寄せられるようにウエハ締付リングの取り付けを容易にするための手段で、該ウエハ締付リングのまわりに等しい角度間隔で配置された、前記表面の３つのコイルバネ取付穴と、該ウエハ締付リングのまわりに等しい角度間隔で配置され、各々が前記コイルバネ取付穴のうちの隣接した穴の間に中心を置く、前記表面の３つの板バネ取付穴とを含み、これら穴の各々が各自のバネを接続するようになっている手段とを含む、スパッタリングシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ウエハ締付リングの内側ウエハ係合縁部はその周縁の大部分が円形であり、該周縁の残りの部分にわたるコード部分を含み、その形状が、外側周囲に方向平坦縁部を有する従来の半導体ウエハの外側縁部と一致するようになっている、スパッタリングシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ウエハ締付リングが概して平坦な上側表面および下側表面を有する、スパッタリングシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記ウエハ締付リングの処理室側でリムに隣接した環状領域をおおうタンタルの層と金の層とをさらに含む、スパッタリングシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記ウエハ締付リングの処理室側でリムに隣接した環状領域に、約１ｍｍの厚みをもつタンタルおよび／または金のコーティング層をさらに含む、スパッタリングシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
各々がウエハ係合側で前記ラッチ取付穴のうちの１つにおいてウエハ締付リングに取付けられて、該ラッチ取付穴に整合し且つウエハ締付リングに対して垂直な軸線のまわりを回転する３つ１組のラッチをさらに有し、各ラッチが複数のローラを含み、これらローラは、ウエハ締付リングに平行な軸線を中心として前記ラッチ取付穴のまわりを円形経路に沿って前記くぼみのうちの隣接したくぼみ間を約９０°の円弧を通して回転するようにラッチ上に取付られる、スパッタリングシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、
環状のウエハホルダ本体と、
ウエハホルダ本体へ向けてウエハ締付リングを片寄らせるようにウエハホルダ本体をウエハ係合側でウエハ締付リングに弾性状に接続する２組のバネとをさらに有し、これらの組が、前記コイルバネ取付穴においてウエハ締付リングへ連結した３つのコイルバネと、前記板バネ取付穴においてウエハ締付リングへ連結した３つの板バネとの組み合わせを含む、スパッタリングシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
環状のウエハホルダ本体と、
ウエハホルダ本体へ向けてウエハ締付リングを片寄らせるようにウエハホルダ本体をウエハ係合側でウエハ締付リングに弾性状に接続する２組のバネとをさらに有し、これらの組が、前記コイルバネ取付穴においてウエハ締付リングへ連結した３つのコイルバネと、前記板バネ取付穴においてウエハ締付リングへ連結した３つの板バネとの組み合わせを含む、スパッタリングシステム。
【請求項９】
半導体ウエハをスパッタコーティングする方法であって、一体片のモリブデンで形成した締付リングを用いて半導体ウエハを締着する段階と、締着した半導体ウエハを、モリブデンの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を有する材料でコーティングする段階とを含み、前記半導体ウエハを締着する段階が、リムの周りに薄膜を堆積すべきウエハの側をウエハ締付リングの内側縁部に係合させる段階と、ウエハ周囲のまわりの複数点において該ウエハを外れ止めしてウエハ締付リングに支持する段階と、ウエハ締付リングを処理室内で、該のウエハ締付リングまわりの間隔を置いた複数の取り付け点で弾性状に支持する段階とを含む方法において、
ウエハの、前記モリブデンのウエハ締付リングに係合している側がスパッタリング対象物のタンタルコーティング材料に面した状態で、物理蒸着装置のチャンバ内にウエハを保持する段階と、
スパッタコーティング法によってウエハ上にタンタル薄膜を堆積させる段階であって、該スパッタコーティング法がモリブデンのウエハ締付リングの内側縁部に隣接する環状領域上にも環状タンタル層を堆積させる段階と、
ウエハの、モリブデンのウエハ締付リングに係合している側がスパッタリング対象物の金コーティング材料に面した状態で、物理蒸着装置のチャンバ内にウエハを保持する段階と、
スパッタコーティング法によってウエハ上に金薄膜を堆積させる段階であって、該スパッタコーティング法がモリブデンのウエハ締付リングの内側縁部に隣接する環状領域上にも環状金層を堆積させる段階と、
ウエハ締付リングからウエハを取り外し、第２のウエハについて前記締着する段階を行い、この第２のウエハに対して前記保持する段階および堆積させる段階を繰り返す段階とを含み、半導体ウエハ処理装置内にウエハを保持し、このウエハ上にタンタルおよび金の薄膜を堆積させる、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記ウエハ締付リングからウエハを取り外す段階と、別のウエハに前記締着する段階を、そしてこの別のウエハに前記保持する段階および堆積させる段階を再び行う段階とを少なくとも１０００回繰り返すことをさらに含む、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記締着する段階がさらに、ウエハ締付リングに回動可能に設けた複数のラッチを、スパッタリング対象物とは反対側のウエハ表面上に回動させて、ウエハをこれらラッチとモリブデンのウエハ締付リングの間に挟みつけることにより、ウエハをモリブデンのウエハ締付リングに外れ止めする段階を含む、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法において、前記ウエハ締付リングは平坦な環状円板に形成され、この円板が、ほぼ円形の内側ウエハ係合縁部と、この内側縁部に隣接して該円板のまわりに等しい角度間隔で配置された３つのラッチ取付穴と戻り止めの組み合わせと、該円板のまわりに等しい角度間隔で配置された３つのコイルバネ取付穴と、そして該円板のまわりに等しい角度間隔で配置された３つの板バネ取付穴を有する、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１３】
半導体ウエハをスパッタコーティングする方法であって、一体片のモリブデンで形成した締付リングを用いて半導体ウエハを締着する段階と、締着した半導体ウエハを、モリブデンの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数を有する材料でコーティングする段階とを含み、前記半導体ウエハを締着する段階が、リムの周りに薄膜を堆積すべきウエハの側をウエハ締付リングの内側縁部に係合させる段階と、ウエハ周囲のまわりの複数点において該ウエハを外れ止めしてウエハ締付リングに支持する段階と、ウエハ締付リングを処理室内で、該のウエハ締付リングまわりの間隔を置いた複数の取り付け点で弾性状に支持する段階とを含む方法において、
真空蒸着装置のウエハホルダから、コーティング材料の層が堆積したウエハ締付リングを取り外す段階と、
取り外したウエハ締付リングを、モリブデンのウエハ締付リングに交換する段階とをさらに含み、半導体ウエハ真空蒸着装置内でのウエハ締付リングの反りを遅らせる、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、堆積すべきコーティング材料がタンタルを含む、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、堆積すべきコーティング材料が金を含む、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、堆積すべきコーティング材料がタンタルおよび金を含む、半導体ウエハをスパッタコーティングする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はウエハの処理、詳細には、高真空下で半導体ウエハ上に薄膜を蒸着することによる半導体ウエハ処理に関する。本発明は特に、そのようなウエハの処理の際のウエハ締付要素、詳細にはウエハホルダ締付リングの曲がりの問題の解決策に関する。
【０００２】
（発明の背景）
例えばシリコン製等の基板上への薄膜のスパッタリングなどの半導体製造方法においては、基板ウエハを処理のために所定位置に保持する必要がある。保持しながらウエハ上に一連の工程を行うが、その工程の多くで、ウエハに薄膜またはコーティング層が設けられる。そのようなコーティング（皮膜形成）を施すために保持されるウエハは、上方または下方を向いた状態で水平方向に保持することができるか、あるいは水平方向に向いた状態で垂直方向に保持することができる。そのようなコーティング工程のいずれにおいても、コーティングを施すウエハは、全体的に応力がかからない状態でホルダにしっかりと保持されていなければならない。そのような状態でウエハを保持し、ウエハを各種処理装置および位置間で安全かつ迅速に移動させるには、弾性状に支持された連続締付リングを用いて、ウエハ縁部をウエハホルダに対して均一に押圧するウエハホルダまたはクランプが広く許容できるものと認められている。
【０００３】
ウエハ締付リングを用いるウエハホルダは、処理のためにウエハを真空室中に保持している際に、広範囲の温度に曝される。そのリングはさらに、ウエハ上に付着するものと同じ材料の堆積に曝される。各ウエハごとに、温度が上下し得るチャンバで１回のサイクルを行い、ウエハ上にミクロン単位の膜厚の付着が行われるが、ホルダおよび特にウエハをホルダに対して押圧している締付リングは多数のサイクルに曝露され、各サイクルにおいて温度は最高から最低まで循環し、その途中で複数のコーティング材料層が締付リング表面に堆積する。
【０００４】
多くのサイクルを行っているうちに、締付リングの曲がりが観察される。締付リングの曲がりは代表的には締付リングの永久的変形であり、そのためにリングがウエハに接触する形態が変化する。曲がりが過剰になると、リングは十分にウエハを締め付けることができなくなる。その結果、ウエハがホルダ内で移動する場合があり、ホルダにて不均一な締付力が加わって破損が生じる場合があり、あるいは適切な位置に保持されなくなる。曲がりの量と過剰の曲がりが生じるのに要するサイクル数は、各種コーティング材料およびコーティング方法によって変動することが認められる。多くのウエハを処理した後に曲がりが過度になると、締付リングを、ウエハ縁部を均一に締め付ける元の設定形状を有する新しいリングと交換する必要がある。
【０００５】
例えば、半導体の裏面を付着２層のタンタル（Ｔａ）と１層の金（Ａｕ）でコーティングする１回の処理手順では、数百個のウエハを処理しただけで、締付リングの内径に過度の曲がりが生じて、内側リムをその通常の面から、付着室方向へ持ち上げることが判かる。その結果、所望の数千個よりはるかに少ないウエハを処理した後に、締付リングを交換するための付着室オーバーホールが必要となる。
【０００６】
締付リングの交換は、ウエハへの損傷を防止する上で必要であるが、半導体製造における貴重な生産時間の損失を生じる。これまでに、曲がりの問題は有効に解決されていない。
【０００７】
したがって現在もなお、薄膜付着方法で使用される半導体ウエハホルダにおける過度の締付リング曲がりを防止またはその開始を大幅に遅延させる必要がある。
【０００８】
（発明の概要）
本発明の主たる目的は、多数のウエハを処理する途中での曲がりに対して耐久性のある、ウエハ上への薄膜付着時にウエハホルダに対して半導体ウエハを締め付けるための締付リングを提供することにある。本発明の特定の目的は、リングのクリーニングまたは交換が必要となる時点まで、曲がりを起こすことなく、かなりの厚さの堆積薄膜を積み重ねることができるウエハ締付リングを提供することにある。本発明のさらに別の目的は、リングのクリーニングが必要な程度まで積み重なった堆積物のクリーニングを行った後に、元の幾何形状に戻るウエハ取付リングを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、例えばタンタルおよび金などの材料のコーティングを、付着工程でリングおよび付着物が広範な温度変動サイクルに曝される処理にウエハ締付リングを使用するウエハホルダにより連続して保持された多数のウエハ上に付着することができる方法および装置を提供することにある。本発明の特定の目的は、締付リングが最小限の取付箇所で支持されていることによって、リングからの熱の伝導が限定されているか局所的であるシステム、詳細にはその処理を対流による熱散逸がほぼない真空下で行うシステムにおけるそのような方法および装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の原理によれば、締付リングは、付着材料とほぼ等しい熱膨張係数を有する材料から製造される。「ほぼ等しい」とは、締付リングを構成している材料の熱膨張係数が、別の材料の熱膨張係数より、コーティング材料の熱膨張係数に近いことを意味している。締付リングを構成している材料の熱膨張係数が高い弾性係数を持つことで、所与の熱応力を受けた場合に歪みが小さくなるようにすることが好ましい。さらに、リングを構成している材料が高い熱伝導係数をも有することによって、温度勾配、従って熱応力が低くなるようにすることが好ましい。さらには、リングを構成している材料が、そのリングによって保持しながらウエハ上で行う付着工程時にリングが曝される温度で高い降伏応力を有することによって、永久的変形または塑性変形を受ける前に、リングがより高い熱応力に耐えることができるようにすることも好ましい。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、ほぼモリブデン金属から形成された締付リングが提供される。締付リングは環状円板の形状を持ち、その中央には、連続縁部を境界とするほぼ円形の開口があり、その連続縁部は半導体ウエハのリム全体と係合していて、その半導体ウエハはウエハ上への薄膜蒸着のためにホルダに保持されている。環状円板の開口の内側縁部は、その大部分の周囲が円形である。すなわち、従来の半導体ウエハの平坦配置の縁部と一致するような形状のコード部分以外、円板周囲全体が円形である。円板の内径は締め付けを行うウエハの外径より約５センチメートル短いことが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、円板の周りに間隔を設けて配置された取付箇所を有することによって、ウエハホルダのハウジングに円板をバランス良く弾性的に取り付けることができ、熱が流れると考えられる冷却器構造と接触する円板部分がかなり限定されたものとなる締付リングが提供される。そのリングには、円板の周りに間隔を設けて配置された６つのバネ取付箇所があり、その箇所は、円板を取り付けるバネに連結されていることが好ましい。円板は、１組のラッチ、好ましくは３個、も支持しており、そのラッチによってウエハは締付リングにラッチ止めされていることが好ましい。
【００１３】
ウエハ上にタンタルおよび金の薄膜を付着するための、ほぼモリブデンから形成される締付リングが提供されることが好ましい。付着される薄膜の熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有する他の材料の締付リングは、Ｔａ−Ｔａ−Ａｕ薄膜または他の薄膜組成物とともに用いることもできる。概して高弾性率、高熱伝導率および高降伏強度も好ましく、ほとんどのコーティング工程で、非磁性材料も望ましい。
【００１４】
本発明の方法および締付リングによって、リングの過度の曲がりのために締付リングをクリーニングまたは交換する上で必要な付着室のオーバーホール間で、ステンレス鋼などの従来の材料から形成されたリングと比較して、Ｔａ−Ｔａ−Ａｕうす膜でコーティングされるウエハ数が５倍または１０倍以上となる。さらに、本発明によって製造されるリングは、過度の曲がりのために取り外した後に付着物をクリーニングすると元の平坦な幾何形状に戻るが、ステンレス鋼などの従来の材料から形成されたリングは、付着物をクリーニングしたとしても、永久的な変形が生じることが認められ、曲がった後は使用できなくなる。
【００１５】
本発明の上記その他の目的は、以下の本発明の詳細な説明によってさらに明らかになろう。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
物理蒸着システム内で使用するウエハホルダの一形態が、本発明と同じ譲受人に譲渡され、明確に参照により本明細書に援用する１９９８年１０月３０日出願の、低粒子発生ウエハクランプを備えたウエハ処理装置（Ｗａｆｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｗａｆｅｒ  Ｃｌａｍｐ）という名称の同時係属の米国特許出願第０９／１８３，５０３号に記載されている。そのようなウエハホルダの例は、図１から図３に図示したウエハホルダ１０である。
【００１７】
図１には、半導体ウエハ１７を保持するウエハホルダ１０を図示してあり、処理されるウエハ１７の面と反対側のウエハ１７の面から見ている。このホルダ１０には環状ハウジング１１があり、それにはウエハ取付リング１２がバネ列によって弾性状に取り付けられていて、そのバネには３つの等しい角度間隔を置いて配置された板バネ１３の組と３つの等しい角度間隔を置いて配置された円錐形コイルバネ１４の組があり、それらは、板バネとコイルバネがホルダ１０の周りに交互に存在して、リング１２とハウジング１１の間でバランスの取れた取付力が得られるように配置されている。バネ１３および１４は、ホルダ１１の方に、それに対して取付リング１２を均一に押圧するように機能する。
【００１８】
３個のラッチ組立体２０が、ホルダ１０の周りにおいて等しい角度間隔を置いて取付リング１１に回動可能に取り付けられている。ラッチ組立体２０は、図１に示したラッチ位置と、図２に図示したラッチ組立体２０のように図１に示した方向からラッチ組立体２０が９０°回転している未ラッチ位置との間で約９０°回転するような形状となっている。ラッチ組立体２０はハウジング１１で切欠部に嵌合する。
【００１９】
これら３個のラッチは、詳細には１９９７年４月１０日出願の同時係属中の、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／８２７，６９０号、引用によって本明細書に援用、ならびに図４および５に関連して以下で言及する米国特許第４，９１５，５６４号に一層詳細に記載されている機構のようなラッチアクチュエータ機構（図示せず）によって、ラッチ位置と未ラッチ位置の間で同時に移動する。
【００２０】
垂直方向でのウエハ処理のためのウエハ取り扱いおよび保持機構の例は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第４，９１５，５６４号、引用によって本明細書に援用、に説明および図示されている。米国特許第４，９１５，５６４号の装置では、移動アーム上の真空チャックによって個々のウエハの背面を掴み、素子側から最初に、処理装置の装填ロック室のドアを通って移動する。特許４，９１５，５６４号に記載の装置では、ウエハ１７の縁部全体に対して接触する上記の締付リング１２を用いた場合とは異なり、移動アームが、機械の装填ロックに位置しているウエハホルダに担持された締付リング上の不連続のタブに対してウエハを移動させる。ホルダの周りに等間隔で配置された複数個、数は３つ、のラッチはウエハの後方に移動して、ラッチと締付リングタブの間でウエハを締め付ける。
【００２１】
処理装置１００では、ホルダ１０がキャリアまたは割出プレート１０３に取り付けられ、該プレートは回転して処理装置１００のステーション１１１〜１１５の間で各ホルダ１０を順次移動させる。ホルダ１０は、図２の斜視図で示したように、プレートが有する１個の保持ピンと、ウエハホルダ１０のハウジング１１が有する２個のバネ負荷ピン２２とによって、割出プレートに保持されている。プレートの保持ピンはハウジング１１にある切欠部２３に噛み合い、バネ負荷ピンは割出プレート１０３の開口の縁部にある放射方向凹部に噛み合う。
【００２２】
ウエハ取付リング１２には中に開口２４があり、その開口は、処理のためにホルダ１０に保持されるウエハ１７より若干小さい。ただし、ウエハと同じ形状とすることが好ましい。開口２４は周囲の大部分が円形であるが、業界標準のウエハの平坦縁部の位置に一致する平坦な辺２９がある。したがって開口２４はほぼ円形である。１５０ｍｍのウエハを締め付けるには、開口２４の直径は約１４５ｍｍである。リング１２には内側環状面２５があり、ウエハ１７がホルダ１０に保持されている時には、その面にウエハ１７の縁部が当接している。ハウジング１１の中心部には、処理のためにホルダ１０に保持されるウエハ１７より大きい開口１５がある。そのようなウエハ１７は、ウエハ１７が真空チャックなどのチャックによって保持されるウエハ移動アームによって、ウエハの外側縁部が表面２５と接触するまで、開口１５を通して挿入される。ウエハ１７が表面２５に対して移動することによって、バネ１３および１４によって働く力に抗して、リング１２をハウジング１１から若干遠ざけることができる。リング２４の内側縁部によってウエハ１７の外側縁部に加わる力は１２ポンド（約５．４４ｋｇ）であることが好ましい。
【００２３】
図３に詳細に示したように、アクチュエータによってラッチ位置に移動すると、ラッチ組立体２０が、ウエハ保持リング１２にある開口２４周囲の環状表面２５に対して、ウエハ１７の縁部を締め付ける。各ラッチ組立体２０は、リング１２に保持された取付支柱３０にてリング１２に枢動可能に取り付けられている。ラッチ組立体２０には、炭化タングステンボールベアリング３２を介して支柱３０に枢動可能に取り付けられた非金属のラッチ本体３１があり、取付支柱３０を囲む円錐バネ３３によって取付リング１２に対して押し付けられている。各ラッチ本体３１には、取付支柱３０から等間隔に配置された１対のアクチュエータ受けスロット（図示せず）があって、ホルダが装填ロック１１１で対象物を搭載または取り外される際に、ハウジング１０１の外側に位置する移動アーム（図示せず）上のアクチュエータ機構のアクチュエータピンを受ける。
【００２４】
ラッチ本体３１の反対側端部には、１対の非金属製ローラが回動可能に取り付けられており、それにはフロントローラ３５とバックローラ３６がある。それらのローラはいずれも、取付リング１２に平行で、取付支柱３０の中心線をほぼ直角に横切る軸６８を中心として回動可能である。バックローラまたはリアローラ３６はローラ径３７を持ち、その上では、ラッチ組立体がラッチアクチュエータによって旋回される際に取付支柱３０を中心に円形３８内でローラ３６が転動する。フロントローラ３５にもローラ径３９があり、それもバックローラ３６のローラ径と同じ径である。バックローラ３６のローラ径３７は、取付支柱３０から、フロントローラ３５のローラ径３９と同じ距離で間隔を設けて本体３１上に配置されていることによって、ローラ３５，３６のローラ径３７，３９は取付リング１２の後表面上の同じ円３８上で移動する。
【００２５】
各ラッチ組立体２０のフロントローラ３５には、ローラ３６，３５の転動周辺部３７，３９よりも取付支柱３０からさらに外側に隔たったローラ３５の外側端部に、把持周辺部４０がある。把持周辺部４０は転動周辺部３７，３９より径が小さいために、ラッチ本体３１がアクチュエータによって回動してラッチ位置に来たときに、取付リング１２の後表面と接触しない。把持周辺部４０はウエハ１７の後面と接触するように寸法を定められ、図３に示したように、フロントローラ３５の把持周辺部４０と取付リング１２上の環状表面２５との間でウエハ１７を締める。フロントローラ３５の把持周辺部４０は、テーパ状の外側に広がった円錐表面であるために、ウエハ１７の厚さとは無関係に、外側縁部のみがウエハ１７に接触する。把持周辺部４０の内側および外側縁部は丸めてある。
【００２６】
取付リング１２の後面にある円形３８の周りには、４つ１組の戻り止めがある。これら戻り止めのうちの３個、すなわち後戻り止め４２と１対の横戻り止め４３は深さおよび大きさが同じであり、リアおよびフロントローラ３６，３５の転動周辺部３７，３９と同じ球面形状および直径を有する。第４の戻り止めは前戻り止め４４であり、転動周辺部３７，３９と球面形状および径が同じであるが、深さおよび大きさはそれより大きい。取付リング１２の取付表面２５上にウエハ１７がない場合には、フロントローラ３５の転動周辺部３９自体のみが前戻り止め４４に完全に着座する。表面２５にウエハ１７があると、ラッチのフロントローラ３５の把持周辺部４０は転動してウエハ１７の後表面上に乗り、フロントローラ３５が戻り止め４０の中央に来た時に、転動周辺部３９が戻り止め４４内に落下するのを防止する。
【００２７】
ホルダ１０を用いてウエハ１７の後面を処理する場合、部分的に素子を形成していることがあるウエハ１７の前面がバックプレーン５０に対向している。そのようなウエハ１７の素子側とバックプレーン５０との間での接触を防止するため、図３に示したように、１対の当接接触表面４７，４８を設けてある。一方の表面が、取付リング１２または背面５０のいずれの場合でも、そこから延長する保持部５２上にあって、取付リング１２を背面５０から離して保持するようになっており、ウエハ１７と背面５０との間にギャップ５４を維持できるようにすることが好ましい。
【００２８】
上記のような種類の処理装置１００を図４に略図にて示してある。装置１００には、プレナムチェンバ１０２が入っている真空気密ハウジング１０１があり、該チェンバ内で円形割出プレート１０３が回転する。割出プレート１０３には５つの開口１０４があり、それらはプレート１０３の回転中心軸１０５の周りに等しい角度間隔７２°で配置されることが好ましい。各開口には、弾性状に取り付けられた環状支持リング１０７があり、その中央にはウエハホルダ１０のうちの１つが取り付けられている。
【００２９】
ハウジング１０１には５つのステーション１１１〜１１５があり、これらもやはりそれぞれが軸１０５の周りに７２°の等しい角度間隔を置いて配置されている。これらのステーションには、装填ロックドア１１０を有する装填ロックステーション１１１があり、ホルダがステーション１１１で装填ロック室中に封止されている時に、このドアを通して、プレート１０３上のホルダ１０にウエハ１７を出し入れする。ステーションにはさらに、他のステーション１１２〜１１５の各々について１つずつ４つの他の処理チャンバがあり、それらは例えば、１つのスパッタエッチング室１１２と３つのスパッタコーティング室１１３〜１１５である。
【００３０】
チャンバ１１３〜１１４は例えば、２つのタンタル付着室１１３および１１４と１つの金付着室１１５を含んでいてもよい。この構成は、装填ロック１１１を通して最初に背面を装填する際に、ウエハ１７の背面に金層を付着するのに用いる。そのようなウエハ１７については、他の工程で正面に処理を行って、半導体素子の表面をコーティングおよびエッチングする。本明細書では、本発明が特に有用である工程の例として、タンタル−タンタル−金（Ｔａ−Ｔａ−Ａｕ）処理について説明する。本発明は、他の処理およびコーティングについても有用である。
【００３１】
装置１００のスパッタリング室１１３〜１１５の構成を図５に示してある。この図はスパッタコーティング室１１３を断面で示している。チャンバ１１３には、封止チャンバ１２０があり、この封止チャンバは、可動チャンバ栓１２１とハウジング１０１の部分１２２の間のステーション１１３にある環状リング１０６の締付によってプレナムチェンバ１０２で構成される。このリング１０６の締付は、リング１０６の開口で支持されているホルダ１０の位置決めをして、ホルダ１０に保持されたウエハ１７を処理のために、コーティング材料のスパッタリングターゲット１２４から隔たった平行な位置におくものである。Ｔａ−Ｔａ−Ａｕ付着の場合、ターゲットを構成するコーティング材料はタンタルである。ターゲット１２４をカソード組立体１２５に取り付け、次にその組立体を、ステーション１１３のチャンバ壁１０１にある開口を封止するカソードハウジング１２６に取り付ける。ウエハ１７をチャンバ１１３内に位置決めしたら、バックプレーン５０をウエハ１７の反対側に隣接する位置に移動し、そこからスパッタリング材料でコーティングを行う。
【００３２】
ウエハ１７の処理では、チャンバ１２０の真空中でプラズマを発生させ、チャンバ１２０の空間内のプラズマからのガスイオンによるターゲット１２４の衝撃によって、材料をターゲット１２４からスパッタさせる。ターゲット１２４からスパッタされたタンタルの原子および粒子はチャンバ１２０の空間を横切って移動し、ホルダ１０上のウエハ１７をコーティングする。ホルダ１０の構成要素は、ハウジング部分１２２に取り付けられてホルダ１０を囲むシールド１３０によって、スパッタ・コーティング材料の堆積から保護されている。しかし、締付リング１２は処理対象のウエハ１７の側面にあり、ターゲット１２４と対向している。リング１２の一部はシールド１３０によって覆われている。しかし、リング１２の内側リム１８がシールド１３０の内側リムを越えて延長しており、それによってターゲット１２４からのコーティング材料の堆積を受けやすい。各リング１２は、多くのウエハのそれぞれを付着する際に、チャンバ１１３〜１１５全てによって割り出されるために、リング１２の内側リムに堆積するコーティングの累積厚さは、数百、恐らくは数千のウエハ上に堆積したコーティングの厚さに等しいと考えられる。リング１２上のこのコーティング堆積１９は図３にコーティング堆積１９として示してある。
【００３３】
装置１００でのウエハ１７の処理では、ウエハ１７をエッチング室１１２でエッチングし、タンタルをチャンバ１１３で１回とチャンバ１１４で１回の計２回付着し、次にチャンバ１１５で金を１回付着してコーティングし、その後装填ロック室１１１でホルダから取り外し、そこで新たなウエハ１７を同じホルダ２０に乗せる。装置１００での１つのウエハの搭載、処理および取り出しに要するサイクル時間は約５分間であり、各チャンバでは、プレート１０３を割り出してチャンバ間でホルダ１０を移動させるための２０秒間を含めて１分間である。この工程の途中で、保持リング１２は最高温度になり、最終的には約４９０°Ｆ（２５４℃）に達する。
【００３４】
ウエハ１７の工程温度は、例えばエッチング室１１２での３６５°Ｆ（１８５℃）から金付着室１１５での約５２７°Ｆ（２７５℃）まで、チャンバ間で変動する。チャンバ内の多くの要素は水冷されて、約６８°Ｆ（２０℃）のほぼ室温とされる。リング２４を支持しているバネ１３，１４がつながっているホルダ１０の環状ハウジング１１の温度範囲は、約６８°Ｆ（２０℃）〜約１０４°Ｆ（４０℃）である。シールド１３０およびウエハホルダ１０の要素での温度は、処理のために第１のウエハ１７が装置１００に入る際の最低温度から上昇して、約１８個以上のウエハを処理した後に定常状態レベルまで上昇する。図６には、シールド１３０の内側および外側縁部、締付リング１２の内側および外側縁部、ならびにホルダ１０の環状ハウジング１１での温度をグラフで表してある。
【００３５】
ホルダ１０は通常の通り、ハウジング１１をアルミニウムで作り、締付リングをステンレス鋼、代表的にはＳＳ−３１６ステンレス鋼、で作って、形成されている。締付リング１２などのチャンバ要素、特にリング１２の内側縁部１８周囲の付着表面では蓄熱が起こる。チャンバ１２０の真空中においてリング１２からの熱の流れは、放射と、バネ１３および１４でリング１２がハウジング１１に取り付けられている接触表面での伝導とに限定される。締付リング１２の加熱により、Ｔａ−Ｔａ−Ａｕ付着工程で使用した場合に、締付リング１２の永久的変形を起こすだけの熱応力がリング１２に加わることが認められている。この変形は過剰となって、数百個のウエハを処理した後にリング１２が使用不可能となり、リング１２を新しい清浄な変形のないリングと交換する必要が生じることが認められている。リング１２をＴａ−Ｔａ−Ａｕ堆積にさらすことなく同数の熱サイクルを行うと、リング１２には、リング１２を永久的に変形させるだけの熱応力は加わらないことが認められる。
【００３６】
図７には、清浄で応力を受けていないＳＳ−３１６ステンレス鋼の締付リング１２の断面図を示してあり、内側縁部１８にコーティング材料が堆積していないほぼ平面状の環状リングを示してある。図７Ａには、リング１２を定常状態温度まで昇温させ、リング１２の内側縁部１８上に厚さ０．０４０インチ（約０．１０２ｃｍ）のタンタル層１９を堆積してから、リング１２を室温まで冷却する付着サイクルを多く行った後の、同じリング１２の断面図を示してある。試験によって、締付リング１２の内側縁部１９が、締付リング１２の外側縁部１１８に対して平均０．０４１３インチ（約０．１０５ｃｍ）だけチャンバ１２０方向に曲がっていることが認められる。同時に、タンタル層１９は圧縮された状態であるが、締付リング１２の大部分は引っ張られた状態であることが認められる。
【００３７】
その変形メカニズムは、少なくとも部分的に、付着タンタル層１９とリング１２の材料であるＳＳ−３１６ステンレス鋼との間の熱膨張係数の差によるものであると考えられる。タンタルの熱膨張係数は３．６×１０-6ｉｎ／ｉｎ−°Ｆであり、ＳＳ−３１６の熱膨張係数は９．６×１０-6ｉｎ／ｉｎ−°Ｆである。リング１２の温度が４６０°Ｆ（約２３８℃）から４８０°Ｆ（約２４９℃）に上昇するとタンタル堆積が起こるが、その際、層１９が高温である限り、その層には応力がほとんど加わらないが、リング１２および層１９の冷却時には、リング１２のＳＳ−３１６の方がタンタル層１９よりかなり大きく収縮するために、層１９には圧縮力が加わる。これにより、タンタルに円周方向の力が生じ、それによってタンタル層１９では力ベクトルＦcが生じ、スチールリング１２では力ベクトルＦTが生じる。それらのベクトルは、モーメントアームＬに置き換えられ、円周軸を中心にリング１２周りに、リング１２の内側縁部１８をチャンバ１２０の方に曲げる曲げモーメントを生じる。
【００３８】
本発明の原理によれば、保持リング１２は、一般に使用されるステンレス鋼材料より、タンタルに近い熱膨張係数を有する材料から製造される。好ましくは非磁性であるその材料には、チタンまたはモリブデンなどの材料があるが、好ましくはモリブデンである。チタンの熱膨張係数は５．０×１０-6ｉｎ／ｉｎ−°Ｆであり、モリブデンの熱膨張係数は３．０×１０-6ｉｎ／ｉｎ−°Ｆである。ＳＳ−３１６に代えてこれらの材料を用いた、厚さ０．０４０インチ（約０．１０２ｃｍ）のタンタル層１９を有するリング１２の曲がりについての同様の試験により、外側縁部に対するリングの内側縁部の湾曲は、上記のようなＳＳ−３１６ステンレス鋼製リングの場合の０．０４１３インチ（約０．１０５ｃｍ）と比較して、チタン製リングで０．０２２インチ（約０．０５６ｃｍ）、モリブデン製リングで０．００５インチ（約０．０１３ｃｍ）である。モリブデン製リング１２の変形を図７Ｂに示してある。
【００３９】
どの締付リング１２材料を選択するかは、早期の過剰曲がりを生じる代替締付リングの熱膨張係数よりコーティング材料のものに近い熱膨張係数を有する材料を選択することによって行うべきである。さらに、熱伝導率が高い材料が好ましい。例えば、モリブデンの熱伝導率は８４．５Ｂｔｕ−ｆｔ／ｈｒ−ｆｔ2−°Ｆであるのに対して、ＳＳ−３１６の熱伝導率は９．４Ｂｔｕ−ｆｔ／ｈｒ−ｆｔ2−°Ｆである。同じ熱応力によって生じる変形が少ないという点で、望ましくない曲がりを生じる材料より高い弾性係数を有することも望ましい。例えば、モリブデンの弾性係数は４７×１０6ｐｓｉ（約３．２４×１０5ＭＰａ）であるのに対して、ＳＳ−３１６の弾性係数は２８×１０6ｐｓｉ（約１．９３×１０5ＭＰａ）である。
【００４０】
ＳＳ−３１６ステンレス鋼製リングを用いると、上記の条件下での４０ミル（約０．１０２ｃｍ）のコーティングが堆積すると、永久的に変形したコーティングリング１２が生じるだけでなく、コーティングをリングからクリーニングによって除去した後に永久的な変形を有するリング１２が生ずることが認められる。モリブデン製締付リング１２を用いると、リング１２からタンタルコーティングを除去した後に、元の形状に戻るモリブデン製リングが残る。かくして、そのような状況下では、モリブデン製リングには材料の降伏応力を超える熱応力は加わらないために、リングには塑性変形は生じない。したがってステンレス鋼製リングが再使用できない状況で、そのようなモリブデン製リングは再使用可能である。
【００４１】
本明細書における本発明の適用例が多様であること、ならびに本発明が好ましい実施形態で説明されていることを当業者なら理解できよう。したがって本発明の原理から逸脱することなく追加および変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理を適用するための半導体ウエハ処理装置のウエハホルダの背面図である。
【図２】  図１のウエハホルダの分解斜視図である。
【図３】  ウエハ背面処理に特に有用な構成の図１および図２のウエハホルダのラッチ組立体の、図１の３−３線に沿った断面図である。
【図４】  半導体ウエハ上へのＴａ−Ｔａ−Ａｕ多層背面薄膜付着など、ウエハ上への多層コーティングの物理的蒸着に適した種類の半導体ウエハ処理装置の部分切欠斜視図である。
【図５】  図１から図３のウエハホルダを用いた、図４の５−５線に沿った図４の半導体ウエハ処理装置のスパッタコーティングチャンバの断面図である。
【図６】  処理時間に応じた構成要素温度を示すグラフである。
【図７】  清浄状態での図１から図３のホルダの締付リングを示す、図３と同様の断面図である。
【図７Ａ】  約０．０４０インチ（約０．１０２ｃｍ）のタンタル薄堆積後のステンレス鋼製締付リングの状態を示す、図７と同様の断面図である。
【図７Ｂ】  約０．０４０インチ（約０．１０２ｃｍ）のタンタル薄膜堆積後のモリブデン製締付リングの状態を示す、図７Ａと同様の断面図である。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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