JP2002110653A

JP2002110653A - チャンバ内の清浄度管理方法およびプロセス装置

Info

Publication number: JP2002110653A
Application number: JP2000303983A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Ino; 和英伊野
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】プロセスを行うチャンバの排気能力を、プロ
セスを行うのに必要な圧力が得られる程度のものとする
ことにより、設備および維持の費用を安価にすると共
に、チャンバ内に不純物を付着させないで、チャンバ内
を清浄に維持することができるチャンバ内の清浄度管理
方法およびそのプロセス装置を提供する。【解決手段】チャンバ１内を低圧にして、そのチャン
バ１内で被処理物の処理を行うチャンバ１内の清浄度を
管理する場合に、チャンバ１に質量分析器（ＱＭＳ）２
を取り付け、その質量分析器２によりチャンバ１内の脱
ガス量および／またはリーク量を検出することにより清
浄度を管理する。そして、プロセスガスまたは不活性ガ
スを流し続け、チャンバ内を高真空にしないことによ
り、チャンバ内の清浄度を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマエッチン
グ、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、スパッタプロセス装置
などのように、チャンバ内を低圧にして処理をするチャ
ンバ内の清浄度を管理する方法およびそのプロセス装置
に関する。さらに詳しくは、チャンバ内の脱ガスやリー
クを調べるのに、チャンバ内をプロセス圧力より遥かに
低圧にする工程を設けないで、チャンバ内を清浄に維持
することができると共に、高真空にする排気系を必要と
しないチャンバ内の清浄度管理方法およびそのプロセス
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば半導体装置の製造工程な
どで、チャンバ内を低圧にし、反応ガスやエッチングガ
スをチャンバ内に導入して、プラズマエッチング、プラ
ズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、スパッタなどのエッチング工程
や成膜工程などが行われる。この場合、チャンバや排気
系にリークがあったり、チャンバ内に外気の水分などが
付着していると、所定量の反応が行われなかったり、反
応生成物中に不純物が混入することになり、所定通りの
プロセスが行われないことになる。そのため、チャンバ
内のリークや、チャンバ内に付着したものからの脱ガス
量が一定量以上ないように厳密に管理する必要がある。

【０００３】従来のこの種の管理は、ロットごとのプロ
セスの開始前、または処理ウェハごとにチャンバ内をプ
ロセス時の低圧よりさらに数桁低い圧力の高真空にし
て、到達真空度によりリーク量または脱ガス量を検出す
る方法が用いられ、その検査の後に、チャンバ内に必要
なガスを導入してプロセスを行う方法が用いられてい
る。そのため、プロセスに必要な真空度の排気能力よ
り、遥かに能力の大きい排気系を必要としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
低圧で処理するチャンバのリークや脱ガス量の管理は、
チャンバ内を高真空にしてその到達真空度により管理す
る方法が用いられている。そのため、プロセスに必要な
低圧より、遥かに高真空にする必要があり、排気系の能
力を必要以上に高性能にしなければならず、高価である
と共に、排気系の管理維持も大変であるという問題があ
る。

【０００５】さらに、本発明者が鋭意検討を重ねた結
果、チャンバ内を高真空にすると、チャンバ内の不純物
濃度が非常に高くなり、その不純物がチャンバ内壁に付
着し、後の脱ガスの原因になるという問題があることを
見出した。

【０００６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、プロセスを行うチャンバの排気能力
を、プロセスを行うのに必要な圧力が得られる程度のも
のとすることにより、設備および維持の費用を安価にす
ることができるチャンバ内の清浄度管理方法およびその
プロセス装置を提供することを目的とする。

【０００７】本発明の他の目的は、チャンバ内の清浄度
を管理しながら、チャンバ内に不純物を付着させない
で、チャンバ内を清浄に維持するチャンバ内の清浄度管
理方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、低圧で処理
を行うチャンバ内を清浄に維持するため鋭意検討を重ね
た結果、チャンバ内へのリークやチャンバ内からの脱ガ
ス量を調べるために高真空にして到達真空度により調べ
る方法を用いると、チャンバまたは排気系に僅かなリー
クがある場合に、チャンバ内の不純物濃度が高くなり、
清浄な状態でプロセスを行うことができないということ
を見出した。そして、プロセスガスを流さないときも、
不活性ガスを流しつづけることにより、チャンバ内の不
純物濃度を低いまま維持することができ、非常に精度の
よい処理を行うことができると共に、過度な高真空度を
得る必要がないため、排気能力が大きく高性能な排気系
を用いる必要もないことを見出した。なお、チャンバ内
のリーク量や脱ガス量は、チャンバに質量分析器を接続
し、チャンバ内のＨ₂Ｏ⁺やＮ₂ ⁺またはＯ₂ ⁺のイオン強度
を測定することにより、各プロセスを行いながらリアル
タイムで異常を検出することができ、フィードバックを
直ちに行うことができる。

【０００９】本発明によるチャンバ内の清浄度管理方法
は、チャンバ内を低圧にして、該チャンバ内で被処理物
の処理を行うチャンバ内の清浄度を管理する場合に、該
チャンバに質量分析器を取り付け、該質量分析器により
該チャンバ内の脱ガス量および／またはリーク量を検出
することにより、該チャンバ内の清浄度を管理すること
を特徴とする。

【００１０】ここに、清浄度を管理するとは、チャンバ
内へのリークやチャンバ内壁に付着した不純物からの脱
ガス量が所定の値以上になっていないかをモニタすると
共に、チャンバ内を清浄に維持することを意味する。

【００１１】この方法を用いることにより、チャンバ内
に不純物が付着して脱ガスが発生しても、脱ガスの内、
最も多いＨ₂Ｏ⁺のイオン強度を、また、チャンバまたは
排気系にリークがある場合には、空気成分であるＮ₂ ⁺も
しくはＯ₂ ⁺のイオン強度、またはチャンバ内表面に吸着
した際の離脱速度が遅いＨ₂Ｏ⁺のイオン強度を、それぞ
れ質量分析器により検出することにより、それらの量
を、プロセスを行いながらリアルタイムで管理すること
ができる。

【００１２】前記チャンバ内を、該チャンバ内へのリー
クを調べるための該チャンバ内で行う処理のための圧力
より極端に数桁も低い圧力に晒すことなく、常にプロセ
スガスまたは不活性ガスを流しつづけることにより、高
性能な排気設備を用いる必要もないし、チャンバなどに
僅かなリークがあっても、高真空にしないため、チャン
バ内の不純物濃度が上昇するということがなくなり、非
常にローコストで、清浄度の高いチャンバとすることが
できる。

【００１３】本発明によるプロセス装置は、内部を低圧
にして気体を導入し、内部で反応させるプロセスチャン
バと、該プロセスチャンバ内の気体の一部を導入する質
量分析器とからなり、該質量分析器により、Ｈ₂Ｏ⁺、Ｎ
₂ ⁺、Ｏ₂ ⁺の少なくとも１つのイオン強度を検出し得る構
造になっている。

【００１４】前記プロセスチャンバが複数個のチャンバ
を有し、前記質量分析器が１個からなり、前記複数個の
チャンバのそれぞれと前記質量分析器とがバルブを介し
て接続され、該バルブの切替動作により前記複数個のチ
ャンバ内それぞれについて、Ｈ₂Ｏ⁺、Ｎ₂ ⁺、Ｏ₂ ⁺の少な
くとも１つのイオン強度を検出し得る構造にすることに
より、質量分析器の数を減らすことができ、コストの低
下を図ることができる。なお、質量分析器は、チャンバ
内の反応ガスの反応状態をモニタする場合には、その質
量分析器を兼用し、それらを順次切り替えてモニタする
ことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明によるチャンバ内
の清浄度管理方法およびそれに用いるプロセス装置につ
いて説明をする。本発明によるチャンバ内の清浄度管理
方法は、図１（ａ）および（ｂ）に本発明による管理方
法を行うプロセス装置の一実施形態の説明図が示される
ように、チャンバ１内を低圧にして、そのチャンバ１内
で被処理物の処理を行うチャンバ１内の清浄度を管理す
る場合に、チャンバ１に質量分析器（ＱＭＳ）２を取り
付け、その質量分析器２によりチャンバ１内の脱ガス量
および／またはリーク量を検出することにより清浄度を
管理するものである。

【００１６】図１（ａ）に示される例では、プロセスを
行うチャンバ１が３個設けられたクラスタの例で、その
各々のチャンバ１に質量分析器２が接続された例が示さ
れている。質量分析器２は、各チャンバ１の排気ライン
３に接続され、各排気ライン３はバルブ４を介してチャ
ンバ１に接続されている。図１において、５は搬送チャ
ンバで、ローダー６から搬入されたウェハを、各プロセ
スチャンバ１に順次出し入れする装置で、たとえば１番
目のチャンバ１にウェハをセッティングしてＳｉＯ₂を
成膜し、１番面のチャンバ１からウェハを取り出し、つ
ぎに２番目のチャンバ１内にウェハをセッティングして
エッチングをするなど、順次プロセスを連続して行える
ようになっており、一連のプロセスが終了したウェハは
アンローダー７に搬送され、アンローダー７からつぎの
工程に送られる構造になっている。

【００１７】図１（ｂ）に示される例は、クラスタの複
数のチャンバ１に、質量分析器２を１個取り付けた例で
ある。すなわち、各チャンバ１に接続される排気ライン
３のバルブ４を経た後に、１つの排気ライン８に結合
し、その排気ライン８に質量分析器２が取り付けられて
いる。この構造で、バルブ４を順次制御することによ
り、１個づつのチャンバ１内の反応生成物を検出するこ
とができ、順次各チャンバ内のイオンを検出し、管理す
ることができる。この構造にすることにより、複数個の
プロセスチャンバを有する１台のクラスタに質量分析器
を１個取り付けるだけですみ、コストを抑えることがで
きる。

【００１８】質量分析器２としては、たとえば四重極質
量分析器や、磁場偏向型質量分析器などが適している。
四重極質量分析器は、たとえば図２に概略図が示される
ように、４本の電極棒２１〜２４と出口側に設けられる
イオン検出器２６とからなり、ｘ軸方向に配置された一
対の電極棒２２、２４と、ｙ軸方向に配置された一対の
電極棒２１、２３との間にそれぞれ直流電圧および高周
波電圧を重畳して印加しておき、ｚ軸に沿ってイオンを
四重極の中心に入射すると、電圧および高周波電圧によ
り定まる特定質量のイオンのみが安定的に四重極を通過
することができ、他の質量のイオン２５は途中で発散し
てしまうことにより、特定の質量のイオンのみを検出す
るものである。四重極を通過する質量を軽いものから重
いものまで順に走査することもできる。

【００１９】前述のように、本発明者は、低圧にして反
応ガスを導入し、内部で反応させるチャンバ内を清浄に
するため、鋭意検討を重ねた結果、従来のチャンバ内へ
のリークまたはチャンバ内壁の付着物から出るガスであ
る脱ガス量を調べるために高真空（非常に低い圧力）に
して到達真空度を測定する方法によると、その高真空に
した際に、ポンプ内部、あるいはポンプ排気系に不純物
が存在した場合、これら不純物がポンプ内を逆拡散し、
チャンバ内の不純物濃度が大きくなることを見出した。

【００２０】すなわち、本発明者は、図３に示される実
験系を用いて、実際に真空引きしながら、排気系でリー
クを生じさせたときのチャンバ内の不純物レベルを調べ
た。図３において、１１はチャンバで、プロセスガス導
入パイプ１２から流量計１３を介して、プロセスガスを
導入できるようになっており、排気管２１を介して、タ
ーボ分子ポンプ２２およびバックポンプ２３により真空
引きできる構造になっている。２４はピラニゲージ、２
５はコンダクタンスバルブで、この系では、ターボ分子
ポンプ２２の排気側に仮想リークとして、Ｈｅを導入で
きるように、パイプ２６が流量計２７を介して接続され
ている。また、測定系側にも、排気管３１、ターボ分子
ポンプ３２、バックポンプ３３、Ｂ-Ａゲージ３４が接
続されると共に、チャンバ１１に近い側に質量分析器３
０が接続されている。なお、１４はチャンバ１１内のプ
ロセス圧力を測定するためのキャパシタンスマノメータ
である。

【００２１】一般に、ガス排気系からの逆拡散がないと
すると、プロセス時のチャンバ内の不純物濃度（ただ
し、定常状態時）は、脱ガス量およびリーク量の和をＱ
とし、プロセスガス流量をｆとすると、Ｑ／（Ｑ＋ｆ）
で与えられ、ポンプの排気速度には依存しないことが知
られている。ただし、排気速度の大きさによって、流す
ことが可能な最大プロセスガス流量ｆ_maxは決まる。し
かし、一般には、実際のプロセスの際に流すガス流量ｆ
はｆ_maxより小さく、チャンバ内の不純物濃度はポンプ
の排気速度には依存しないと言える。

【００２２】図３に示される実験系で、チャンバ１１に
導入するプロセスガスに代えて、Ｎ ₂ガスを、その流量
を変化させながら流し、前述のターボポンプ２２の排気
側からＨｅガスをリークさせたときの質量分析器３０に
よりＨｅ／（Ｈｅ＋Ｎ₂）を調べて、図４に示す。な
お、バックポンプ２３のスピードをＡは２５０リットル
／分、Ｂは８００リットル／分、Ｃは１８００リットル
／分として行った。図４で、不純物（Ｈｅ）濃度が１０
^-6以下では、検出器の限界で測定不能である。図４から
明らかなように、排気スピードには殆ど関係なく、Ｎ₂
ガスの流量が小さいと不純物（Ｈｅ）濃度が非常に高
く、Ｎ₂ガス流量が１００ｓｃｃｍ以上になると非常に
不純物（Ｈｅ）濃度が小さくなることが分る。なお、Ｈ
ｅの流量は、１００ｓｃｃｍである。

【００２３】つぎに、バックポンプの排気スピードを１
８００リットル／分として、リークさせるＨｅの流量を
変えながら、同様の不純物（Ｈｅ）濃度を調べた結果を
図５に示す。図５において、Ｎ₂の流量を、Ｄは２ｓｃ
ｃｍ、Ｅは１０ｓｃｃｍ、Ｆは５０ｓｃｃｍで、Ｇは１
００ｓｃｃｍと変えた場合について示している。図５か
ら明らかなように、Ｈｅの流量よりもＮ₂ガスの流量に
より不純物（Ｈｅ）濃度が大きく依存することが分る。
すなわち、Ｈｅ流量が少なくても、チャンバ内にプロセ
スガスを流していないと、チャンバ内の不純物濃度が高
くなってしまうことが分る。なお、図５においても、不
純物濃度が１０^-6以下では、検出器の限界で測定不能で
ある。

【００２４】さらに、バックポンプ（スクリューポン
プ）を通しての逆拡散現象を調べるため、図６（ａ）に
示されるように、スクリューポンプ４１に排気管４２を
介して質量分析器４０を接続し、排気管４２にガス管４
４を接続して流量計４５を介してＮ₂ガスを流し、Ｎ₂ガ
スの流量を変えながら、質量分析器４０の不純物イオン
電流（Ａ）を測定した。その結果が図６（ｂ）に示され
るように、Ｎ₂ガスの流量が小さいと不純物イオン電流
が大きくなるが、Ｎ₂ガス流量を０.７ｓｃｃｍ以上にす
ると非常に不純物イオン電流が小さくなり、Ｎ₂ガスを
流すことにより、バックポンプからの逆拡散の影響も受
けないが、Ｎ₂ガスが少なくなると（Ｎ₂＝０の点は全然
流さない場合）、不純物が逆拡散することが判明した。

【００２５】以上の検討結果からも明らかなように、プ
ロセスガスまたは不活性ガスを流さないでチャンバ内を
高真空にすると、ターボ分子ポンプやバックポンプから
の逆拡散によりチャンバ内に不純物が入り込みやすく、
これらの不純物がチャンバ内壁に付着することなどによ
り、チャンバ内の清浄度が劣化し、その後のプロセスに
悪影響を及ぼすことが明らかになった。また、前述の図
４からも明らかであると共に、前述の不純物濃度の式Ｑ
／（Ｑ＋ｆ）から明らかなように、チャンバ内の不純物
濃度は、排気能力やチャンバ内の真空度には影響を受け
ない。したがって、プロセス前に、プロセス圧力より過
度に低い圧力にまで真空引きする必要はない。ただし、
到達圧力がプロセス圧力に近いと、プロセスガスをチャ
ンバ内に導入していないときや、プロセスガス導入後チ
ャンバ内がプロセスガスに置き換わるまでの間、清浄度
が前記式の計算値より劣ってしまう。そのため、プロセ
スガスを使用していないときは、常にプロセスに影響を
与えないガス（不活性ガス）をチャンバ内に導入するこ
とが重要である。また、前述の図４〜６に示されるよう
に、チャンバ内にガスを常に導入することにより、排気
系からの不純物の逆拡散も抑えるこができ、チャンバ内
の不純物濃度を前式の値にすることができる。

【００２６】一方、チャンバ内の脱ガス量およびリーク
量を監視するため、本発明ではチャンバに質量分析器が
接続されている。すなわち、たとえばチャンバ内からの
脱ガスの大部分が水分の場合は、不活性ガスをチャンバ
内に導入している際に、たとえば四重極質量分析器を用
いて、Ｈ₂Ｏ⁺のイオン強度を測定することにより、脱ガ
ス量を管理することができる。また、不活性ガスのチャ
ンバ内での流路を最適化し、対流などを抑制することに
より、チャンバ内表面から脱離してきた分子を効率よく
排気することも可能となる。さらに、チャンバでのリー
ク量の管理については、同様にチャンバ内での大気成分
（Ｎ₂ ⁺またはＯ₂ ⁺のイオン強度）を測定することによ
り、その状況を把握することができる。

【００２７】前述の各例では、チャンバ内の脱ガス量お
よび／またはリーク量を監視するために質量分析器が取
り付けられていたが、チャンバ内のプロセスを、質量分
析器によりその反応ガスによる反応生成物などのイオン
電流を積算することにより、管理する場合には、新たに
質量分析器を取り付けなくても、その質量分析器を用い
て脱ガス量および／またはリーク量を監視することがで
きることは言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、プロセスチャンバの脱
ガス量やリークを調べるのに、高真空にする必要がない
ため、チャンバ内にプロセスガスか不活性ガスを流しつ
づけることができ、チャンバ内に排気系からの逆流を防
止することができる。そのため、脱ガス量やリーク量を
調べる際に逆に不純物をチャンバ内に入り込ませるとい
うことがなく、本来のプロセス中に脱ガスが多くなると
いうことがなくなり、製造工程での品質が大幅に向上す
る。しかも、本発明によれば、本来のプロセスの前に予
め脱ガス量やリーク量を調べて、製造作業を続けるとい
うのではなく、プロセスを行っている最中に脱ガス量や
リーク量をモニタすることができるため、各プロセスご
とに非常に正確にチャンバ内の清浄度を監視することが
でき、装置に異常が発生した場合には、直ちにフィード
バックすることができる。

【００２９】さらに、本発明によれば、プロセスに必要
な低圧より過度に高真空にする必要がないため、必要と
されるポンプの排気能力を、従来の場合よりも小さくす
ることができ、排気設備を安価に構成することができる
と共に、その管理も非常に容易になり、製造工程のコス
トを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプロセス装置の一実施形態の説明
図である。

【図２】図１に示される質量分析器の一例の構成説明図
である。

【図３】チャンバ内の不純物濃度を調べるための実験系
を示す図である。

【図４】ターボ分子ポンプにリークを生じさせ、排気速
度を変化させたときに、チャンバ内に流すＮ₂ガス量に
対するチャンバ内の不純物濃度の関係を示す図である。

【図５】ターボ分子ポンプにＨｅリークを生じさせ、チ
ャンバ内に流すＮ₂ガス流量を変化させたときに、Ｈｅ
流量に対するチャンバ内の不純物濃度の関係を示す図で
ある。

【図６】バックポンプにリークを生じさせたときに、チ
ャンバ内に流すＮ₂ガス量に対する不純物イオン電流の
関係を示す図である。

【符号の説明】

１チャンバ２質量分析器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｅ５Ｆ１０３Ｆターム(参考） 4K029 CA05 DA01 EA00 EA05 4K030 FA01 FA10 JA06 KA08 KA39 4K057 DA01 DB06 DD01 DE14 DJ06 DM36 DM38 DN01 5F004 AA15 BC02 BC08 CA02 CB04 5F045 BB14 DP21 DQ17 EG03 GB07 HA24 5F103 AA08 BB60 RR10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバ内を低圧にして、該チャンバ内
で被処理物の処理を行うチャンバ内の清浄度管理方法で
あって、該チャンバに質量分析器を取り付け、該質量分
析器により該チャンバ内の脱ガス量および／またはリー
ク量を検出することにより、該チャンバ内の清浄度を管
理するチャンバ内の清浄度管理方法。
【請求項２】前記チャンバ内へのリークを調べる際
に、該チャンバ内に常にプロセスガスまたは不活性ガス
を流しつづけることを特徴とする請求項１記載の清浄度
管理方法。
【請求項３】内部を低圧にして気体を導入し、内部で
反応させるプロセスチャンバと、該プロセスチャンバ内
の気体の一部を導入する質量分析器とからなり、該質量
分析器により、Ｈ₂Ｏ⁺、Ｎ₂ ⁺、Ｏ₂ ⁺の少なくとも１つの
イオン強度を検出し得るプロセス装置。
【請求項４】前記プロセスチャンバが複数個のチャン
バを有し、前記質量分析器が１個からなり、前記複数個
のチャンバのそれぞれと前記質量分析器とがバルブを介
して接続され、該バルブの切替動作により前記複数個の
チャンバ内それぞれについて、Ｈ₂Ｏ⁺、Ｎ₂ ⁺、Ｏ₂ ⁺の少
なくとも１つのイオン強度を検出し得る請求項３記載の
プロセス装置。