JP2013532391A - プロセスチャンバの圧力制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

連続的な注入ガス流と連続的な排出ガス流とを有するプロセスチャンバ内の圧力を制御する方法および装置が、ガス排出口に位置するパルスバルブと、圧力ゲージと、さらにプログラマブルコントローラとを提供すること、さらに、パルスバルブのパルス速度を変化させることを含む。このときゲージ圧がプログラムされた設定点を超えているかまたは下回っているかに応じて、パルスバルブの開放時間または閉鎖時間のいずれか、あるいはその両方を、延長または短縮させる。

Description

本発明は、プロセスチャンバの圧力制御の分野に関する。より具体的には、本発明は、チャンバ内にガスを含み、このチャンバ内の圧力制御が必要なプロセスを実行するシステムおよび方法に関する。

種々の分野でのプロセスチャンバに対する圧力制御が知られている。例えば、閉ループのプロセスチャンバを備えたイオン注入装置の分野では、真空測定ユニットで感知される圧力が既定の圧力閾値よりも下がったときに適切な量の不活性ガスを加えることでプロセスチャンバ内の圧力の変動を減少させる、アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド（Advanced Micro Devices, Inc.）に譲渡されたDay他への特許文献１に開示されているものなどの圧力制御システムが知られている。こういった従来のシステムでは、電気制御信号に応えて開閉を変化させることができ、かつ送出する流動ガスの量を可変にし得る、流量制御バルブが使用されている。化学蒸着（「ＣＶＤ」）の分野に関連する、アプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッド（Applied Materials, Inc.）に譲渡されたFairbairn他への特許文献２では、タンデム型のプロセスチャンバが開示されており、このとき処理チャンバ内の圧力は、特許文献３でTepman他により、また特許文献４でLorimerにより開示されたような、スリットバルブで制御される。

排気圧力または排出口圧力よりも高い圧力のガス源または蒸気源を含んでいるような任意のプロセスチャンバでは、このプロセスチャンバには陽圧または陰圧で処理するチャンバが含まれるが、圧力を選択された圧力またはその近傍で維持するためにバルブが必要である。従来のシステムではこの目的のために様々なバルブが使用されており、中でも前述のスリットバルブや流量制御バルブ、さらにバタフライバルブ、比例閉鎖バルブ（proportionally closing valve）、ニードルバルブなどが挙げられる。

米国特許第５，６７２，８８２号明細書 米国特許第６，１５２，０７０号明細書 米国特許第５，２２６，６３２号明細書 米国特許第５，３６３，８７２号明細書

従来のバルブは、比較的高価であり、かさばり、さらに特定の用途には不適切な大きな設置面積を有する。チャンバ内への連続的なガス流入と、チャンバからの連続的なガス流出とを含んだプロセスチャンバに対して、改善された圧力制御システムを提供することが本発明の目的である。さらに、チャンバへの注入口を通じて連続的にガスを供給しかつチャンバから連続的にガスを取り除くことを含む、プロセスチャンバ内の圧力を制御する改善された方法を、従来のシステムの欠点を含まずに提供することも目的である。

これらの目的、さらに以下の開示および図面から明らかになる他のことが、本発明により達成される。この本発明は、一態様においてプロセスチャンバ装置を含み、このプロセスチャンバ装置は、連続的な注入ガス流のための注入口、連続的な排出ガス流のための排出口、圧力ゲージと、プログラマブルロジックコントローラと、パルスバルブとを備えた、プロセスチャンバの圧力を制御するための手段、を有し、パルスバルブが、排出口に位置する、または排出口と流体連通しているものであり、かつパルスバルブのパルス速度が制御可能なものであり、さらにコントローラが、圧力ゲージからの圧力データを処理しかつパルスバルブのパルス速度を制御して、プロセスチャンバの圧力を制御するようにプログラムされたものである。バルブは、チャンバの出口ポートに位置するものでもよいし、あるいはチャンバとポンプを接続する管の任意の位置に設けられたものでもよい。

別の態様において、本発明は、連続的な注入ガス流と連続的な排出ガス流とを有するプロセスチャンバ内の圧力を制御する方法を含み、この方法は、ガス排出口に位置する、またはガス排出口に流体連通している、パルスバルブと、圧力ゲージと、さらにプログラマブルコントローラとを提供するステップ、および、パルスバルブのパルス速度を変化させるステップ、を含む。プログラムされた圧力に圧力を調節するために、チャンバ内の圧力を増加または減少させることが必要であるかどうかに応じて、パルスバルブの開放時間または閉鎖時間のいずれかを、コントローラを用いてより長くまたはより短く調節してもよい。

いくつかの実施形態においては、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときにパルスバルブの閉鎖時間を延長しかつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときにパルスバルブの閉鎖時間を短縮することで、プロセスチャンバ内の圧力をプログラムされた圧力またはその近傍で維持するよう、コントローラはプログラムされる。特定の他の実施形態において、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときにパルスバルブの開放時間を短縮しかつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときにパルスバルブの開放時間を延長することで、プロセスチャンバ内の圧力をプログラムされた圧力またはその近傍で維持するよう、コントローラをプログラムしてもよい。

本発明が特に有用となるプロセスチャンバの１つは、半導体ウエハ基板を陰圧下でエッチングするためのものであり、このときＨＦガスが注入口から導入され、さらに処理後に排出口から除去される。本発明は、半導体の化学蒸着やプラズマイオン注入に使用されるような、他の種類のプロセスチャンバにも適用される。こういった種類のプロセスチャンバの排出口にパルスバルブを位置付けて、チャンバとポンプとの間の圧力降下を制御することが好ましい。ただし、第１の圧力でガスまたは蒸気の供給を受けかつ第２のより低い圧力で排気ガスがチャンバ排出口から出て行くようなプロセスチャンバにおいて圧力制御を必要とし、ここでの圧力を下流の圧力制御手段により制御するような任意の種類の装置が、本発明の改善された圧力制御システムおよび方法から利益を得ることができる。

本発明のシステムにおいて使用するのに適したパルスバルブとしては、市販のパルスバルブの例を用いて、ＳｗａｇｅｌｏｋのＡＬＤ−３およびＡＬＤ−６シリーズのバルブが挙げられる。

本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、かつ添付の図面を参照すると明らかになるであろう。

本発明による装置の概略図

まず図１を参照すると、本発明による装置の実施形態が示されている。ここで、ガス源７は、フッ化水素ガス、エタノール蒸気、および窒素ガスを合わせたものを、注入管を通じてプロセスチャンバ６に供給し、このとき質量流量コントローラ（図示なし）または他の流量制御機器により制御された、比較的一定のガス流量で供給される。

プロセスチャンバ６は、処理対象の二酸化ケイ素含有ワークを保持する耐食性の真空チャンバであり、このときガスがガス源から投入されかつ排出口から取り除かれ、さらにここで圧力制御が行われる。

ＨＦ蒸気エッチングの典型的な動作圧力は、５０トル（約６６６６Ｐａ）から３００トル（約３９９９６Ｐａ）である。他の分野では、注入口での圧力差が排出時よりも十分に高くかつポンプが可能な限りにおいて、より広範囲の圧力を本発明のシステムを用いて制御することができ、すなわち本発明は任意の特定の圧力に対して使用されるものに限定されない。

ガス源７は、一定流量のフィードガスまたはプロセスガスを提供する。図示の実施形態において、注入ガス流量は典型的には０．２ＳＬＭ（約０．３３８Ｐａ・ｍ³／ｓ）から４．０ＳＬＭ（約６．７６Ｐａ・ｍ³／ｓ）であるが、他の流量、特に他のより高い流量を、他の分野や本発明の他の用途において使用してもよい。図示の実施形態では、二酸化ケイ素をエッチングして揮発性副生成物であるＳｉＦ₄およびＨ₂Ｏを生成するプロセスチャンバでの化学反応にガスが使用される。

プロセスチャンバからの排出口で、反応しなかった供給物と化学反応による副生成物とを含む排気が、ポンプ４により提供される陰圧によって引き出される。ポンプ４は、入ってくるガス源圧力よりも低い圧力を生み出すための、真空ポンプ、あるいは他の装置またはシステムである。排気ガスは、ポンプ４から、スクラバまたは酸に適合する換気装置へと出て行く。

プロセスチャンバには、プロセスチャンバ内の圧力を測定してコントローラ１に圧力データを送信する、例えばＢａｒａｔｒｏｎ（登録商標）の容量マノメータ、冷陰極ゲージ、熱電対ゲージなどの、圧力測定機器２が設けられている。コントローラ１は、測定された圧力値と所望のまたは入力された圧力値との差に基づいてパルス出力３をパルスバルブ５に送信するようプログラムされ、それによりバルブのパルス速度を制御する。

パルスバルブ５は、コントローラ１からパルス信号を受け取ることが可能な任意のバルブであり、プロセスチャンバ６とポンプ４との間のガスの流れを停止させたりあるいは許可したりすることができる。

パルス出力３は、制御された速度でバルブの開放状態と閉鎖状態とを切り替えさせる、機械的な、電気機械的な、電気的な、空気式の、あるいは任意の、方法とすることができる。その速度は、当然のことながら、実際の圧力が設定点を超えているか、あるいは下回っているかに応じて変化させる。

本発明のいくつかの実施形態において、コントローラ１は、ゲージ圧力測定機器２がプログラムされた圧力を下回る圧力を示したときにパルスバルブ５の閉鎖時間を延長し、かつゲージ圧力測定機器２がプログラムされた圧力を超える圧力を示したときにパルスバルブ５の閉鎖時間を短縮し、それによりプロセスチャンバ６内の圧力をプログラムされた圧力またはその近傍で維持するようにプログラムされる。

いくつかの他の実施形態において、コントローラ１は、ゲージ圧力測定機器２がプログラムされた圧力を下回る圧力を示したときにパルスバルブ５の開放時間を短縮し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときにパルスバルブ５の開放時間を延長し、それによりプロセスチャンバ６内の圧力をプログラムされた圧力またはその近傍で維持するようにプログラムされる。

あるいは、コントローラ１を、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときにプロセスチャンバ６とポンプ４との間の平均コンダクタンスをより小さくするようパルスバルブ５の開放および閉鎖の両タイミングを調節し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときにプロセスチャンバとポンプ４との間の平均コンダクタンスをより大きくするようパルスバルブの開放および閉鎖の両タイミングを調節するように、プログラムしてもよい。

したがって、本発明は、目的を果たし、かつ言及した目標および利点の他これに内在する他のものを達成するよう、十分に適合されている。ここまで本発明を図示および説明し、本発明の特定の好適な実施形態を参照して本発明を画成しているが、この参照は本発明を限定することを意味するものではないし、こういった限定は推測されるべきではない。本発明は、関連技術の通常の当業者に思い浮かぶような、大幅な改変、変更、さらに形状および機能についての同等物の可能性がある。図示および説明した本発明の好適な実施形態は、単なる例示であり、本発明の範囲を網羅しているものではない。この結果、本発明は、添付の請求項の精神および範囲によってのみ限定され、同等物に全ての点で完全な認識を与えると意図されている。

１ コントローラ
２ 圧力測定機器
３ パルス出力
４ ポンプ
５ パルスバルブ
６ プロセスチャンバ
７ ガス源

Claims (15)

1. プロセスチャンバ装置であって、連続的な注入ガス流のための注入口、連続的な排出ガス流のための排出口、圧力ゲージと、プログラマブルロジックコントローラと、パルスバルブとを備えたプロセスチャンバの圧力を制御するための手段、を有し、前記パルスバルブが、前記排出口に位置する、または前記排出口と流体連通しているものであり、かつ前記パルスバルブのパルス速度が制御可能なものであり、さらに前記コントローラが、前記圧力ゲージからの圧力データを処理しかつ前記パルスバルブの前記パルス速度を制御して、前記プロセスチャンバの圧力を制御するようにプログラムされたものであることを特徴とする装置。
2. 前記コントローラが、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記パルスバルブの閉鎖時間を延長し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記パルスバルブの閉鎖時間を短縮することで、前記プロセスチャンバ内の圧力を前記プログラムされた圧力またはその近傍で維持するようにプログラムされたものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記コントローラが、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記パルスバルブの開放時間を短縮し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記パルスバルブの開放時間を延長することで、前記プロセスチャンバ内の圧力を前記プログラムされた圧力またはその近傍で維持するようにプログラムされたものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記コントローラが、ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記プロセスチャンバと前記ポンプとの間の平均コンダクタンスをより小さくするよう前記パルスバルブの開放および閉鎖の両タイミングを調節し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記プロセスチャンバと前記ポンプとの間の平均コンダクタンスをより大きくするよう前記パルスバルブの開放および閉鎖の両タイミングを調節するように、プログラムされたものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記ガスが、ＨＦ、エタノール蒸気、および窒素であり、かつ前記プロセスチャンバが、半導体ウエハのエッチングに適合されたものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記圧力ゲージが、容量マノメータ、冷陰極ゲージ、および熱電対ゲージから、選択されたものであることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記圧力を約５０から３００トル（約６６６６から約３９９９６Ｐａ）の範囲内の値で維持するように適合されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記注入ガス流量を約０．２から４．０ＳＬＭ（約０．３３８から約６．７６Ｐａ・ｍ³／ｓ）のレベルで維持するように適合されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 連続的な注入ガス流と連続的な排出ガス流とを有するプロセスチャンバ内の圧力を制御する方法であって、ガス排出口に位置するパルスバルブと、圧力ゲージと、さらにプログラマブルコントローラとを提供するステップ、および、前記パルスバルブのパルス速度を変化させるステップ、を含むことを特徴とする方法。
10. ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記パルスバルブの閉鎖時間を延長しかつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記パルスバルブの閉鎖時間を短縮することで、前記プロセスチャンバ内の圧力を前記プログラムされた圧力またはその近傍で維持するよう、前記コントローラをプログラムするステップ、を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記パルスバルブの開放時間を短縮しかつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記パルスバルブの開放時間を延長することで、前記プロセスチャンバ内の圧力を前記プログラムされた圧力またはその近傍で維持するよう、前記コントローラをプログラムするステップ、を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
12. ゲージ圧がプログラムされた圧力未満であるときに前記プロセスチャンバとポンプとの間の平均コンダクタンスをより小さくするよう前記パルスバルブの開放および閉鎖の両タイミングを調節し、かつゲージ圧がプログラムされた圧力を超えているときに前記プロセスチャンバとポンプとの間の平均コンダクタンスをより大きくするよう前記パルスバルブの開放および閉鎖の両タイミングを調節するように、前記コントローラをプログラムするステップ、を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
13. 前記ガスが、ＨＦ、エタノール蒸気、および窒素であり、かつ前記プロセスチャンバが、半導体ウエハのエッチングに適合されたものであることを特徴とする請求項９記載の方法。
14. 前記圧力を約５０から３００トル（約６６６６から約３９９９６Ｐａ）の範囲内の値で維持するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
15. 前記注入ガス流量を約０．２から４．０ＳＬＭ（約０．３３８から約６．７６Ｐａ・ｍ³／ｓ）のレベルで維持するステップを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。

Images