JP2005530094A - 処理チャンバ内の圧力の制御装置及びその作動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
第1のポンプユニットは、半導体処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を有し、第2のポンプユニットは、第1のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口及び大気への排気を行う出口を有する。
異なる半導体処理方法にそれぞれ異なるプロセスガスが用いられ、各プロセスガスについて、チャンバ圧力とチャンバの中を通る流量との間には望ましい関係がある。したがって、各ガスについて、半導体処理中のチャンバ圧力を正確に制御する必要がある。
また、絞り弁を第1のポンプユニットと第2のポンプユニットとの間に設けることが提案された。第1のポンプユニットは一般に、ターボ分子ポンプであり、その下流側に絞り弁を用いることは、弁の制御により処理チャンバの圧力の変化を生じさせるレベルまでポンプの背圧が増大してポンプがその熱的限度を超えるので、望ましくないと考えられる。これにより、ポンプの破損が生じる。また、絞り弁は、チャンバ内の圧力を弁の全開状態と全閉状態との間の比較的狭い動作範囲にのみわたって制御するのに有効であることが判明したが、これは弁の正確な制御が必要とされることを意味している。流量制限ユニット、例えば絞り弁を有するユニットを、第1のポンプユニットの熱的限度を超えることなしに、第1のポンプユニットと第2のポンプユニットとの間に設けることが望ましく、これは又好ましくは、チャンバ圧力の増大した動作範囲にわたって効果的である。
また、本発明は、処理チャンバ内の圧力を制御する装置であって、処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第1のポンプユニットと、流量制御ユニットを介して第1のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第2のポンプユニットとを有し、流量制御ユニットは、第1のポンプユニットの出口のところの流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置を含み、更に、第1のポンプユニットの熱的限度及び/又はモータストール限度を超えることなしに、可変流量制御装置の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるよう第1のポンプユニットの速度を制御する手段を更に有していることを特徴とする装置を提供する。
本発明の他の特徴は、従属請求項に記載されている。
本発明を一層理解できるようにするため、次に、添付の図面を参照して本発明の種々の実施形態を説明するが、これらは例示として与えられているに過ぎない。
ポンプ装置は又、半導体処理チャンバだけでなく、他の種類の処理チャンバ内の圧力を制御するのに利用できる。
半導体処理チャンバ10は、第1のポンプユニット14の入口と流体連通状態にある出口を有し、第1のポンプユニットは、図示のようにターボ分子ポンプ(TMP)を含んでいるが、ターボ分子段を含んでいてもよいし、分子ドラッグ段を含んでいてもよいし、ホルベック(Holweck )段を含んでいてもよいし、再生段を含んでいてもよいし、これらの組合せであってもよい。ターボ分子ポンプ入口に流入したガスは、ポンプの種々の段を通って圧縮され、第2のポンプユニット16によって第1のポンプユニットの出口から吸い出される。図1では、第2のポンプユニットは、組合せ型バッキングポンプであり、このバッキングポンプは、好ましくは、真空業界においてよく知られているスクリューポンプ、再生ポンプ、ダイヤフラムポンプ、スクロール又はピストン型ポンプ等の任意公知の機構を採用した乾燥作動真空ポンプを含む。第2のポンプユニットは、大気に排気を行う。
流量制御ユニット18が設けられており、この流量制御ユニット18は、第1のポンプユニット14の出口と第2のポンプユニット16の入口との間の流量を制御する。流量制御ユニット18を、第1のポンプユニット14の排気部の比較的近く、好ましくはこれにできるだけ近接して配置し、チャンバ圧力が流量制御ユニットの制御に迅速に応答するようにすることが望ましい。流量制御ユニットをこのように位置決めすることは、その制御がポンプ出口圧力に対する作用効果が比較的迅速であることを意味する。
圧力計19が、チャンバ圧力をモニタする。圧力計は、信号を制御ユニット21に送り、この制御ユニット21は、この信号と所望のチャンバ圧力値とを比較し、第1のポンプユニット14と第2のポンプユニット16との間の流量を制御するための制御信号を流量制御ユニット18に送る。流量制御ユニットを手動で作動させてもよいし、自動的に作動させてもよい。
PInlet=f(Q,ω,N)
TTMP=f(Q,ω,PExhaust,PInlet,k)
ωStall=f(PInlet,N)
ωは、次のようなものである。
PInlet<PRequired
TTMP<TLimit
ω<ωStall
上式において、Qは、ガスの質量流量、ωは、TMPの回転速度、Nは、ガスの分子質量、kは、ガスの熱伝導率、PExhaustは、TMPの排気圧力、PInletは、TMPの入口圧力、PRequiredは、特定のプロセスに必要なTPMの入口圧力、ωStallは、TMPモータのストール速度、TTMPは、TMPの熱的レベル、TLimitは、TMPの熱的限度である。
図7及び図8の所見を組み合わせると、ポンプ速度の減少により、ポンプの熱的挙動により制限される限度とストールが生じる限度との間で達成できるチャンバ圧力範囲が増大する。
流量を減少させるように可変流量制御装置20を制御することにより(即ち、流量制御装置の流通性を減少させることにより)、第1のポンプユニット14の背圧が増大する。流量制御装置の流通性を増大させると、背圧が減少する。しかしながら、可変流量制御装置の流通性とこの装置の弁角度の関係は、線形ではない。
コンダクタンス即ち流通性=質量流量/圧力降下
が適用できる。
したがって、流通性は、圧力降下に反比例する。弁角度は、100%が弁の全開状態を意味し、0%が弁の全閉状態を示す百分率として表されている。図9は、200sccmの一定の質量流量についての関係を示している。図9から理解されるように、全開位置から弁を閉じると、100%から約60%の範囲にわたり圧力降下の変化は比較的小さい。さらに閉鎖すると、急な曲線によって理解されるように、約40%〜約27%の弁角度範囲にわたり圧力降下の変化の増大が達成される。
臨界背圧は、排気圧力が比較的急に変化する図9に示す曲線の比較的急な部分のところで生じる。したがって、臨界背圧以上の弁角度の変化により、上述した図3に示すチャンバ圧力の迅速な変化が生じる。0.02トルから0.2トルへのチャンバ圧力の変化は、約2%に過ぎない弁角度の変化による影響を受ける。したがって理解されるように、弁角度の比較的小さな変化に過ぎなくても、これによりチャンバ圧力の比較的大きな変化が生じ、これは弁の正確な制御が必要であることを意味している。互いに異なるポンプの臨界背圧は互いに異なっていてもよい。
約100%〜約40%の曲線B(Bで示された矢印参照)についての弁角度の範囲は、チャンバ圧力の変化を生じさせ、したがって、可変流量制御装置の制御は、曲線Aの場合(Aで示された矢印参照)よりも感度が低いのがよいことは理解されよう。
別の流量制御装置のコンダクタンスは、可変流量制御装置が完全に開いているとき、第1のポンプユニットがその臨界背圧に近く、好ましくはその状態にあるようなものであることが好ましい。この構成では、可変流量制御装置を完全開放状態から閉鎖すると、チャンバ圧力の変化が生じる。
第1に、各ウェーハ上に被着された多数の粒子(直径は、0.2(m)以上)の著しい減少(38%)が従来型システムと比較して見られる。粒子個数のこの減少は、金属層1層当たりに生じる欠陥の数の減少と極めて明確な相関関係がある。かかる大きな粒子である欠陥は、ウェーハの形状寸法を阻害して短絡等が形成されるようにする。欠陥のこの減少は、従来型装置と比較すると約30%である。
これらの欠陥の数が減少するので、生産性の総合的な改善が見られる。5層金属デバイスについての総合的歩留りの向上の見積りは、従来型装置と比べて約1.5%である。
さらに、動作チャンバ内の粒子堆積レベルの減少により、保守のための1回の作動停止時間と次の作動停止時間との間の平均時間が延長される。クリーニング作業のスケジュール設定頻度を少なくすることができるので、動作期間の持続時間を増大させることができ、これにより生産性レベルの一段の向上が得られる。
また、エッチングによるトレンチ形状寸法のデフィニションに改善が見られ、したがって製品の品質が従来型装置を用いて製造された製品と比べて一段と向上するようになる。
Claims (25)
- 処理チャンバ(10)内の圧力を制御する装置を作動させる方法であって、
前記装置は、前記処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第1のポンプユニット(14)と、流量制御ユニット(18)を介して前記第1のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第2のポンプユニット(16)と、を有し、前記流量制御ユニット(18)は、第1のポンプユニットの出口のところの出口流体圧力を制御するための可変の流通性を有する可変流量制御装置を含み、
前記第1のポンプユニットの熱的限度及び/又はモータストール限度を超えることなしに出口流体圧力の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように前記第1のポンプユニットの速度を制御することを特徴とする方法。 - 前記第1のポンプユニット(14)の速度は、必要なチャンバ圧力を達成することを可能にし且つ出口流体圧力の範囲を臨界圧力よりも高くしかも前記第1のポンプユニットの熱的限度を超える圧力よりも低くなるように増大させる所定のレベルに制限されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1のポンプユニット(14)の速度を減少させて、出口流体圧力を増大させる事を可能にし、前記第1のポンプユニットをストールさせることなしに比較的高いチャンバ圧力を達成することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- PInlet=f(Q,ω,N)、
TTMP=f(Q,ω,PExhaust,PInlet,k)、
ωStall=f(PInlet,N)、
PInlet<PRequired、
TTMP<TLimit、
ω<ωStallであり、
Qは、ガスの質量流量、ωは、TMPの回転速度、Nは、ガスの分子質量、kは、ガスの熱伝導率、PExhaustは、TMPの排気圧力、PInletは、TMP入口圧力、PRequiredは、特定のプロセスに必要なTPM入口圧力、ωStallは、TMPモータのストール速度、TTMPは、TMP熱的レベル、TLimitは、TMP熱的限度であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。 - 前記流量制御ユニット(18)の流通性を減少させ、前記可変流量制御装置(20;28)の制御により前記処理チャンバ(10)内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記流量制御ユニット(18)は、別の可変流量制御装置(26;30)を含み、
前記別の可変流量制御装置の流通性を減少させ、前記可変流量制御装置の制御により前記処理チャンバ内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 - 処理チャンバ(10)内の圧力を制御する装置であって、
前記処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第1のポンプユニット(14)と、流量制御ユニット(18)を介して前記第1のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第2のポンプユニット(16)と、を有し、
前記流量制御ユニット(18)は、第1のポンプユニットの出口のところの流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置(20;28)を含み、
更に、前記第1のポンプユニットの熱的限度及び(又は)モータストール限度を超えることなしに前記可変流量制御装置の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように前記第1のポンプユニットの速度を制御する手段を有することを特徴とする装置。 - 前記流量制御ユニットは、その総合的な流通性を減少させるための別の流量制御装置(26;30)を有し、それにより、前記可変流量制御装置の制御により前記処理チャンバ内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(26;30)の流通性は、前記可変流量制御装置(20;28)が全開であるときに前記第1のポンプユニット(14)の背圧が臨界背圧に比較的近く又はそれよりも高いレベルであるように選択されることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記可変流量制御装置(28)は、前記流量制御ユニット(18)内の別の流量制御装置(30)と直列状態にあることを特徴とする請求項8又は9に記載の装置。
- 前記可変流量制御装置は、前記別の流量制御装置の下流側に位置していることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記可変流量制御装置は、前記別の流量制御装置の上流側に位置していることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記可変流量制御装置(20;28)は、別の流量制御装置(26;30)と並列状態にあることを特徴とする請求項8又は9に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(30)は、複数の異なる第1のポンプユニット(14)のうちの任意の1つの臨界背圧に応じて選択される可変の流通性を有することを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(30)は、第2の可変流量制御装置であることを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記第2の可変流量制御装置(30)は、蝶形弁であることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 前記可変流量制御装置(20;28)は、蝶形弁であることを特徴とする請求項7〜16のいずれか1項に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(26)は、前記第1のポンプユニットと前記第2のポンプユニットとの間のダクト内に設けられた絞りであることを特徴とする請求項8〜15及び17のいずれか1項に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(26)は、プレート又は固定オリフィス絞りであることを特徴とする請求項8〜15及び17のいずれか1項に記載の装置。
- 前記別の流量制御装置(26)は、玉弁又は振り子弁であることを特徴とする請求項8〜15及び17のいずれか1項に記載の装置。
- 前記動作範囲は、処理チャンバ(10)内の圧力の変化を前記可変流量制御装置(20;28)のほぼ全開状態から生じさせることを特徴とする請求項8〜20のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1のポンプユニット(14)は、ターボ分子ポンプであり、前記第2のポンプユニット(16)は、バッキングポンプであることを特徴とする請求項7〜21のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1のポンプユニット(14)及び/又は前記第2のポンプユニット(16)は、直列に配置された2つのポンプであることを特徴とする請求項7〜22のいずれか1項に記載の装置。
- 前記流量制御ユニット(18)は、チャンバ圧力が前記流量制御ユニットの制御に迅速に応答するように前記第1のポンプユニット(14)の排気部の比較的近くに位置していることを特徴とする請求項7〜23のいずれか1項に記載の装置。
- 前記速度制御手段は、速度を選択され且つ予め決められた一定のレベルに調節するための受動的コントローラであることを特徴とする請求項7〜24のいずれか1項に記載の装置。
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