JP2008232210A - 圧力制御バルブおよび該圧力制御バルブを備えた処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体ウエハ等の被処理体に対して所定の処理を行うチャンバーに用いられる圧力制御バルブにおいて、シール部材の長寿命化を達成することができる圧力制御バルブを提供すること。
【解決手段】 チャンバー１１側と排気装置５３，５４側とを連通する開口６１ｂを備えた弁ボディ６１と、前記開口を閉止する封止用弁体６２と、該封止用弁体に設けられたシール部材６２ａ及びその外側の保護シール６２ｂと、前記開口６１ｂを所定の開度だけ開口するシール部材を持たない制御用弁体６３と、を設け、プラズマ処理をする場合は、開口を制御用弁体で所定の開度にし、封止用弁体６２は、弁退避部に退避させておく。弁退避部では、保護シールの内側にシール部材が密封されるので、シール部材はプラズマやラジカルに曝されない。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対して真空処理を行う処理装置のチャンバー内の圧力の制御に関し、特に、チャンバー内の圧力を制御するために使用する圧力制御バルブ及びこのような圧力制御バルブを備えた処理装置に関する。

半導体製造工程においては、成膜処理や、エッチング処理等の真空処理が多用されている。このような真空処理を行う処理装置においては、内部が真空排気可能なチャンバー内に、被処理体である半導体ウエハを搬入し、チャンバー内を真空ポンプを備えた排気装置により真空排気しながら、半導体ウエハに所定の処理を施す。

この処理の間、チャンバー内は、真空ポンプにより真空排気されつつ、チャンバーと真空ポンプとの間に設けられた圧力制御バルブの開度を調整することによりチャンバー内が所定の圧力に制御される。このような圧力制御バルブとしては、特許文献１（特開平９−１７８０００号）に記載のものや、特許文献２（特開２００５−９６７８号公報）に記載のものが知られている。これらは、いずれも回動軸から延びるアームの先端に円板状の弁体を設け、回動軸を回転することで、弁体が流路を閉じる位置から流路を全開する位置まで移動できるようにしたものである。

図８は、上記の特許文献２に記載された圧力制御バルブの構成を示す図で、（ａ）は（ｂ）のＧ−Ｇ線に沿った断面図、（ｂ）は弁体が開口を完全に覆った状態を示す概略断面図である。この圧力制御バルブは、極めて少量の最小流通を調節可能なものである。

この圧力制御バルブは、バルブ本体１に流体通路の開口２と、流体通路に向って開口する中空部３を備える。円板状の弁体４は回動軸５のアーム６の先端にアーム６と一体に設けられている。圧力制御バルブが全開状態においては、円板状の弁体４は中空部３内に位置し、そのため流体通路の側方に位置して開口２は全開状態になる。

開口２を完全に覆う図８（ａ）、（ｂ）に示す位置に単に弁体４が移動しても弁体４のシール部材４ａは開口２に密着せず、シール状態には達しない。弁体４が開口２をシールするために、さらに、円筒形状のシール接合部材７が、軸方向に移動して弁体４のシール部材４ａを開口２に押圧することで、開口２をシールすることができる。
特開平９−１７８０００号公報 特開２００５−９６７８号公報

ところで、上記真空処理として、例えば、ＣＦガスやＯ_２ガス等のプラズマ処理を行う場合には、弁体４で所定の開度に開かれた開口２をプラズマ中のラジカル等が通過していく際に、弁体４のシール部材４ａが、ラジカル等に曝されることになり、これによりシール部材４ａが劣化し、封止能力が低下したり、パーティクルが発生するなどの問題が発生する。そのため、シール部材４ａが劣化した時点で、装置を停止してシール部材４ａを交換する必要が生じる。

現在では、プラズマやラジカルの高エネルギー化に伴い、耐プラズマ性・耐ラジカル性を上げるため、シール部材として高価な完全フッ素化ゴムを使用しているが、それでも劣化は起こり、シール部材を数ヶ月で交換しなければならず、シール部材コストが高いものとなり、また、シール部材交換のために装置を停止させるので、スループットが低下するという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、シール部材の長寿命化を達成することができる圧力制御バルブと、この圧力制御バルブを備えた処理装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明の第１の観点では、内部を真空に保持可能なチャンバーと、該チャンバー内を真空排気する排気装置との間に設けられ、前記チャンバー内の圧力を制御する圧力制御バルブであって、チャンバー側と排気装置側とを連通する開口を備えた弁ボディと、前記開口を閉止する封止用弁体と、該封止用弁体に設けられ、前記開口と封止用弁体との間を密閉するシール部材と、前記開口の開度を調節するシール部材を持たない制御用弁体と、前記弁ボディの前記開口に隣接する位置に形成され、前記封止用弁体が退避する弁退避部と、前記封止用弁体を、前記開口と弁退避部との間で回動させる第１回動軸と、前記制御用弁体を回動させて前記開口の開度を調節する第２回動軸とを有することを特徴とする圧力制御バルブを提供する。

上記第１の観点において、前記第１回動軸と第２回動軸とが同軸で、第１回動軸と第２回動軸のうち一方が他方を収容する中空部を備えた中空軸である構成とすることができる。

また、上記第１の観点において、前記封止用弁体と制御用弁体のいずれか一方が、中心軸方向に進退自在である構成とすることができる。一方の弁体が進退自在であれば、一方の弁体を後退させることで２つの弁体を重ねた状態にしたり、後退させた弁体を前進させ、封止用弁体を弁退避部に移動し、制御用弁体で開度の調整をすることができる。

また、上記第１の観点において、前記封止用弁体が前記開口に移動したとき、封止用弁体の外周を前記開口に向けて押圧する押圧手段を設けた構成とすることができる。これによって、封止用弁体が開口を封止したとき、封止力を十分に大きくすることができ、封止を確実なものにすることができる。

また、上記第１の観点において、前記弁体が、前記シール材の外側に保護シールを有し、前記保護シールが弁退避部に密着したとき、前記シール材が前記保護シール内に気密に封止される構成としてもよい。このような構成にすることで、弁退避部に退避したシール部材をプラズマやラジカルから遮断することができる。また、シール部材は凹部に収容され、押圧されないので、変形することがなく、開口を密閉する能力が低下することがない。

また、上記第１の観点において、前記開口の周辺に、前記保護シールが収容される凹溝を形成し、前記シール部材が開口を封止したとき前記保護シールが前記凹溝に収容される構成としてもよい。このような構成にすることによって、封止用弁体が開口を封止しているとき、保護シールは押圧されないので、変形することがなく、弁退避部に移動したとき、シール部材を密閉する能力が低下することがない。

上記の目的を達成するために本発明の第２の観点では、被処理体が収容され、内部を真空に保持可能なチャンバーと、前記チャンバー内で被処理体に所定の処理を施す処理機構と、前記チャンバー内を真空排気する排気装置と、前記チャンバーと、前記排気装置との間に設けられ、前記チャンバー内の圧力を制御する圧力制御バルブとを有する処理装置であって、前記圧力制御バルブが、チャンバー側と排気装置側とを連通する開口を備えた弁ボディと、前記開口を閉止する封止用弁体と、該封止用弁体に設けられ、前記開口と封止用弁体との間を密閉するシール部材と、前記開口の開度を調節するシール部材を持たない制御用弁体と、前記弁ボディの前記開口に隣接する位置に形成され、前記封止用弁体が退避する弁退避部と、前記封止用弁体を、前記開口と弁退避部との間で回動させる第１回動軸と、前記制御用弁体を回動させて前記開口の開度を調節する第２回動軸とを有することを特徴とする圧力制御バルブを備えた処理装置を提供する。

本発明の圧力制御バルブによれば、半導体基板を処理中には、シール部材の無い制御用弁体で開度を調整し、シール部材のある封止用弁体は、弁退避部に退避しているので、シール部材がプラズマガスやラジカルガスに曝されることがなくなり、シール部材の寿命が延びてランニングコストを低下することができ、処理のスループットも向上するという優れた効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、本発明の圧力制御バルブとこの圧力制御バルブを備えた処理装置について詳細に説明する。図１は、本発明の圧力制御バルブを使用したＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置の概略断面図である。図１に示すように、このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０は、半導体基板を収容して真空に保持可能な略円筒状のチャンバー１１と、その底部に設けられた、半導体基板Ｓを載置するサセプタ１２と、チャンバー１１の側壁に設けられた処理ガスを導入するためのリング状をなすガス導入部１３と、チャンバー１１の上部の開口部に臨むように設けられ、多数のマイクロ波透過孔１４ａが形成された平面アンテナ１４と、マイクロを発生させるマイクロ波発生部１５と、マイクロ波発生部１５を平面アンテナ１４に導くマイクロ波伝送機構１６と、ガス導入部１３に処理ガスを供給する処理ガス供給系１７とを有している。

平面アンテナ１４の下方には誘電体からなるマイクロ波透過板２１が設けられ、平面アンテナ１４の上にはシールド部材２２が設けられている。マイクロ波伝送機構１６は、マイクロ波発生部１５からマイクロ波を導く水平方向に伸びる導波管３１と、平面アンテナ１４から上方に伸びる内導体３３および外導体３４からなる同軸導波管３２と、導波管３１と同軸導波管３２との間に設けられたモード変換機構３５とを有している。

チャンバー１１の底部にはチャンバー１１内を排気するためのバルブや排気装置等からなる排気機構２４が設けられている。排気機構２４は、チャンバー１１の底部の排気口１１ａに接続された排気管２３を有し、この排気管２３の前段には排気装置としてのドラッグポンプ５３が設けられ、後段には同じく排気装置としてのドライポンプ５４が設けられていて、ドライポンプ５４で粗引きを行い、ドラッグポンプ５３でさらに高真空まで真空引きを行う。

排気管２３のドラッグポンプ５３の上流側には、本発明に係る圧力制御バルブ６０が設けられている。チャンバー１１には、その中の圧力を検出する圧力センサ５５が設けられており、圧力制御バルブ６０は圧力センサ５５の値に応じて開度を調節するようになっている。排気管２３には、圧力制御バルブ６０の上流側およびドラッグポンプ５３とドライポンプ５４との間に、それぞれ開閉バルブ５６および５７が設けられている。

チャンバー１１の側壁には半導体基板Ｓを搬入出可能な搬入出口２５が設けられており、この搬入出口２５はゲートバルブＧにより開閉可能となっている。また、サセプタ１２内にはヒータ１８が埋設されている。

処理ガス供給系１７は、たとえば、ＣＦガスやＯ_２ガスのような処理ガスを供給するもので、これらがそれぞれのガスの供給源から共通のガス供給ライン１９に接続されている。ガス供給ライン１９は上記ガス導入部１３に接続されている。なお、ガス供給ライン１９には開閉バルブおよびマスフローコントローラ等の流量制御器（図示せず）が介装されている。

このＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０は、各構成部を制御するマイクロプロセッサ（コンピュータ）からなるプロセスコントローラ５０を有しており、各構成部がこのプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。本発明に係る圧力制御バルブ６０も、圧力センサ５５の値に応じたプロセスコントローラ５０の指令により制御されるようになっている。また、プロセスコントローラ５０には、オペレータがＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。

また、プロセスコントローラ５０には、ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピは記憶部５２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで所望の処理が行われる。また、圧力センサ５５でチャンバー１１内の圧力を検出して、プロセスコントローラ５０を介して、圧力制御バルブ６０の開度の調節を行う。

次に、上記構成のＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置１０において行われるＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置の方法の概略について説明する。

まず、半導体基板Ｓをチャンバー１１内に搬入し、サセプタ１２上に載置する。そして、排気機構２４によりチャンバー１１内を真空排気しながら、処理ガス供給系１７からガス供給ライン１９を経由し、ガス導入部１３を介して、たとえば、上述したＣＦガス、Ｏ_２ガスのような処理ガスがチャンバー１１内に供給され、圧力制御バルブ６０によりチャンバー１１内の圧力が所定の圧力に維持された状態でエッチング処理などの処理がされる。

このＲＬＳＡマイクロ波方式のプラズマ処理は、低電子温度で高密度のラジカルを主体とするプラズマが形成されるため、低ダメージのプラズマ処理を実現することができる。

複数の処理工程がある場合は、１つの処理工程が完了したら、真空排気を継続しながら、処理ガス供給系１７に設けられたＡｒなどのパージガスをチャンバー１１内に供給し、前工程で残留しているガスをパージする。その後、次の処理を行うためのガスに切り替えて供給し、マイクロ波プラズマを形成して次工程の処理を行う。

図２は、本発明の圧力制御バルブ６０の構成を示す図で、封止用弁体が開口を封止した状態を示す図３のＡ−Ａ断面図である。図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。図４は、制御用弁体が開口の一部を閉止した状態を示す図５のＣ−Ｃ断面図、図５は図４のＤ−Ｄ断面図である。

圧力制御バルブ６０の弁ボディ６１は、内部に空間６１ａを有し、空間６１ａの一方には、弁ボディ６１を貫通する２つの開口６１ｂ、６１ｃが相互に対向するように形成されている。２つの貫通孔のうち一方の開口６１ｂは、チャンバー１１側に接続され、他方の開口６１ｃは、排気機構としてのドライポンプ５４側に接続される。また、弁ボディ６１の開口６１ｂ側の内壁には、開口６１ｂと離れた位置に弁退避部６１ｄが形成され、その中心に円形の凹部６１ｄ’がある。開口６１ｂの外側には、開口６１ｂと同心円状に凹溝６１ｅがある。

空間６１ａ内には、封止用弁体６２と、制御用弁体６３とが設けられている。封止用弁体６２は円板状で、周囲に２重の環状の溝が形成され、この溝内にシール部材６２ａと保護シール６２ｂが嵌めこまれている。しかし、もう一方の制御用弁体６３の方は、封止用弁体６２と同じく円板形状であるが、シール部材は設けられていない。

弁ボディ６１には、図２に示すように、中央の上方に第１回動軸６４があり、この第１回動軸６４に封止用弁体６２が取り付けられている。第１回動軸６４は、図示しないモータなどの駆動手段に接続されている。

制御用弁体６３は、第１回動軸６４を内部に貫通支持している中空の第２回動軸６５に取り付けられている。第２回動軸６５は、中空円筒形状で、中空部に第１回動軸６４を回動自在に収容しているとともに、この第２回動軸６５独自のモータに接続されて回動自在であり、同時に、ソレノイドなどのリニアアクチュエータにより軸方向の進退が可能である。

第１回動軸６４は、封止用弁体６２を、図３に示すように開口６１ｂを閉止する位置に移動するか、図５に示すように弁退避部６１ｄに重なる位置に移動するかを択一的に選択して回動する。第２回動軸６５は、制御用弁体６３を回動と進退させることで、開口６１ｂを全閉位置から全開位置までの間で所望の開度に調整することができる。図４は制御用弁体６３が開口６１ｂを若干開口した状態を示している。

プラズマ処理がされる場合は、第１回動軸６４が封止用弁体６２を弁退避部６１ｄに移動する。プラズマ処理中は、制御用弁体６３の開度を調節して、ドラッグポンプ５３で吸引してチャンバー１１内を所望の真空度に保つようにする。制御用弁体６３を開く時には、まず、第２開動軸６５を下降させて開口させ、所定距離下降した後に制御用弁体６３を回動させる。制御用弁体６３で所定の開度に開かれた開口６１ｂから開口６１ｃへとプラズマやラジカルが通過していく。制御用弁体６３には、シール部材が無いので、プラズマやラジカルにより浸食されることがない。

一方、シール部材６２ａを有する封止用弁体６２は、弁退避部６１ｄに移動している。そして保護シール６２ｂが凹部６１ｄ’の周縁に圧接し、シール部材６２ａは弁退避部の凹部６１ｄ’内にあって、凹部６１ｄ’の底面には圧接されない状態である。保護シール６２ｂが弁退避部に圧接することによって、シール部材６２ａは気密に封止され、プラズマやラジカルから完全に遮断され、浸食を防止することができる。保護シール６２ｂは、プラズマやラジカルの影響を僅かに受けるが、この保護シール６２ｂは、シール部材６２ａを密閉できればよいので、浸食されてもシール部材６２ａの密閉には問題がない。

メンテナンスの際には、第２回動軸６５が後退して、制御用弁体６３を開口６１ｂから離隔させ、第１回動軸６４を回転して封止用弁体６２で開口６１ｂを閉止する。封止用弁体６２が開口６１ｂを封止している状態では、チャンバー１１側の圧力の方が、弁ボディ６１内空間６１ａより低圧になるので、封止用弁体６２は、開口６１ｂの周縁に圧接される。したがって、シール部材６２ａは開口と封止用弁体６２とに圧接されることになり、プラズマやラジカルには殆ど曝されることがなく、浸食を防止することができる。

シール部材６２ａが開口６１ｂを閉じているとき、保護シール６２ｂは、開口６１ｂと同心円で形成された凹部６１ｅに先端が凹部６１ｅの底面に圧接しない状態で収容される。したがって、シール部材６２ａが長時間開口６１ｂに圧接して封止していても、保護シール６２ｂは変形を受けることがなく、弁退避部６１ｄでシール部材６２ａを封止する能力が低下することがない。

図６、図７は、本発明の第２実施例を示す図で、図６は図７のＥ−Ｅ断面図、図７は図６のＦ−Ｆ断面図である。第１実施例と共通する構成には同じ符号を付している。

封止用弁体６２が開口６１ｂを封止したとき、シール部材６２ａと開口６１ｂとの密着力が不足することがある。この第２実施例では、開口６１ｂの周囲に複数の押圧手段６６を、等間隔で配置した。各押圧手段６６は、エアーシリンダ６６ａと押圧片６６ｂとを有し、開口６１ｂに移動してきた封止用弁体６２を開口６１ｂに押しつける。こうすることによって、封止用弁体６２は開口６１ｂを確実に封止することができる。なお、この場合、封止用弁体６２と、これを支持している第１回動軸６４との結合部も、押圧手段６６で押圧したとき移動できる程度にスライド可能になっていることが望ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では本発明の圧力制御バルブをＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置に適用した例を示したが、これに限るものではなく、他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、バルブの駆動方式等も上記実施形態に限定されるものではない。

本発明の圧力制御バルブを使用したＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置の断面図である。 本発明の圧力制御バルブ６０の構成を示す図で、封止用弁体が開口を封止した状態を示す図３のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 制御用弁体が開口の一部を閉止した状態を示す図５のＣ−Ｃ断面図である。 図４のＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第２実施例を示す図で、図７のＥ−Ｅ断面図である。 図６のＦ−Ｆ断面図である。 圧力制御バルブの従来例の構成を示す図で、（ａ）は（ｂ）のＧ−Ｇ断面図、（ｂ）は弁体が開口を完全に覆った状態を示す概略断面図である。

符号の説明

１１ チャンバー
５３，５４ 排気装置
６０ 圧力制御バルブ
６１ 弁ボディ
６１ｂ 開口
６１ｄ 弁退避部
６２ 封止用弁体
６２ａ シール部材
６２ｂ 保護シール
６３ 制御用弁体
６４ 第１回動軸
６５ 第２回動軸
６６ 押圧手段

Claims (7)

1. 内部を真空に保持可能なチャンバーと、該チャンバー内を真空排気する排気装置との間に設けられ、前記チャンバー内の圧力を制御する圧力制御バルブであって、チャンバー側と排気装置側とを連通する開口を備えた弁ボディと、前記開口を閉止する封止用弁体と、該封止用弁体に設けられ、前記開口と封止用弁体との間を密閉するシール部材と、前記開口の開度を調節するシール部材を持たない制御用弁体と、前記弁ボディの前記開口に隣接する位置に形成され、前記封止用弁体が退避する弁退避部と、前記封止用弁体を、前記開口と弁退避部との間で回動させる第１回動軸と、前記制御用弁体を回動させて前記開口の開度を調節する第２回動軸とを有することを特徴とする圧力制御バルブ。
2. 前記第１回動軸と第２回動軸とが同軸で、第１回動軸と第２回動軸のうち一方が他方を収容する中空部を備えた中空軸であることを特徴とする請求項１記載の圧力制御バルブ。
3. 前記封止用弁体と制御用弁体のいずれか一方が、中心軸方向に進退自在であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力制御バルブ。
4. 前記封止用弁体が前記開口に移動したとき、封止用弁体の外周を前記開口に向けて押圧する押圧手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力制御バルブ。
5. 前記弁体が、前記シール材の外側に保護シールを有し、前記保護シールが弁退避部に密着したとき、前記シール材が前記保護シール内に気密に封止されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力制御バルブ。
6. 前記開口の周辺に、前記保護シールが収容される凹溝を形成し、前記シール部材が開口を封止したとき前記保護シールが前記凹溝に収容されることを特徴とする請求項５に記載の圧力制御バルブ。
7. 被処理体が収容され、内部を真空に保持可能なチャンバーと、前記チャンバー内で被処理体に所定のプラズマ処理を施す処理機構と、前記チャンバー内を真空排気する排気装置と、前記チャンバーと前記排気装置との間に設けられ、前記チャンバー内の圧力を制御する圧力制御バルブとを有する処理装置であって、前記圧力制御バルブが、チャンバー側と排気装置側とを連通する開口を備えた弁ボディと、前記開口を閉止する封止用弁体と、該封止用弁体に設けられ、前記開口と封止用弁体との間を密閉するシール部材と、前記開口の開度を調節するシール部材を持たない制御用弁体と、前記弁ボディの前記開口に隣接する位置に形成され、前記封止用弁体が退避する弁退避部と、前記封止用弁体を、前記開口と弁退避部との間で回動させる第１回動軸と、前記制御用弁体を回動させて前記開口の開度を調節する第２回動軸とを有することを特徴とする圧力制御バルブを備えた処理装置。

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