JP2009212177A - 真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空処理装置のターボ分子ポンプで跳ね返された微粒子がウエハに付着するのを防止するため、処理室内に遮蔽用の衝立を設置する場合に、処理室内のガス流れを乱したり、流れが停滞する空間ができ、その結果、新たな異物発生源ができてしまうという問題や、衝立部の清掃が新たに必要になるなどの問題がある。
【解決手段】真空処理装置の処理室のターボ分子ポンプの上部に設置されているガス流量を調節するために流量制御弁の構造を工夫することにより、微粒子が逆流するのを防止するようにすることで跳ね返り異物の低減ができ、かつ衝立を別途設置した場合の新たな異物発生源や新たな衝立部の清掃などの課題の解決が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は真空ポンプ側から被処理物側に飛来する微粒子を遮断して被処理物上の異物を低減した真空処理装置に関する。

半導体デバイスの製造装置には、減圧された真空雰囲気で処理を実施するものが多い。このような真空処理装置の中において、プラズマを使用する装置では、圧力を高真空領域まで下げる必要があることから、ターボ分子ポンプを主ポンプとする場合がある。プラズマエッチング装置などがそれにあたる。プラズマ処理室にはプラズマ処理において生成された反応生成物が処理室壁面に堆積したり、プラズマによってスパッタされた微粒子が処理室壁面に付着する。プラズマ処理を長期間にわたって実施すると、プラズマ処理室に堆積した付着物が剥離したり、付着物の割れによって微粒子が発生する。このようにして発生した気相中の微粒子は、一部は被処理物であるウエハに付着して異物となり、一部は真空ポンプ部まで移送されて排出される。

しかしながら、真空ポンプがターボ分子ポンプのように高速で回転している翼車である場合は、真空ポンプに飛来した微粒子の一部が翼車と衝突して跳ね飛ばされ、ウエハ側に飛散してウエハに付着し異物（以下、反跳異物と称す。）となる、という事例が非特許文献１に報告されている。これを防止する手段として、たとえば特許文献１においては、排気マニホールド内にターボ分子ポンプに対向するように円板状の微粒子反射部材を設置することが提案されている。
特開２００７−１８０４６７号公報 クリーンテクノロジー、２００３年６月号、２０ページ、ターボ分子ポンプからの逆流パーティクルの可視化、佐藤信太郎、（日本工業出版）

上記従来技術では、これらの反射部材によりウエハへの反跳異物が減少するとしても、新たに設置した反射部材への付着物の堆積が懸念され、かつ反射部材の取り付けおよび定期的なメンテナンスと洗浄が必要になるという課題が発生する。また、ターボ分子ポンプによる真空排気系の効率を考えた場合、上記の反射部材は排気流路に設けられた流路抵抗として作用するため、ガス流れの変動（流線の変化）や実効排気速度の低下が懸念される。

真空ポンプからの微粒子の跳ね返りや逆流を防止するための機能は必要であるが、その機能を追加した上で、その追加機能が原因で新たな異物発生源が発生しないようにしたり、あるいは真空排気効率の低下をきたさないようにする必要がある。また、微粒子の跳ね返りや逆流を防止するための機能は追加するが部品点数の増加を抑制するということも重要な課題である。

上記の課題は、従来の真空処理装置に標準的に備えられているプロセスガス用流量調整弁に真空ポンプから跳ね返ってきた微粒子を遮蔽する機能（微粒子反射機能と称す）を付与することで達成される。

流量調整弁は真空処理装置にとってプロセス実施のために必須の要素部品であり、従来装置にも設置されている。この流量調整弁に微粒子反射機能を付与することができれば、新たな部材を追設する必要がなく、部品点数も低く抑えられる。また、流量調整弁までの真空容器の流路に新たな障壁を設ける必要がないため、ガス流れの整流性が保たれ、真空排気効率の低下も発生しない。

本発明によれば、ガス調整弁にターボ分子ポンプ側からの反跳微粒子を遮蔽する機能を持たせることにより、ウエハ異物の低減およびガス流れの整流性維持、メンテナンスの容易性、部品点数の低減が可能となる。従来の装置においてもガス流量調整弁を交換するだけでターボ分子ポンプからの反跳異物を低減できるという効果があり、既納製品への適用も含めて広く活用できる。

本発明の具体的な実施の形態を図１により説明する。
図１には真空処理装置の代表例としてプラズマエッチング装置を示している。なお、本発明は、ターボ分子ポンプから構成される真空排気系を有する真空処理室であれば同様に効果が期待できるので、プラズマエッチングやスパッタ、ＣＶＤなどのプロセスの種類に限定されるものではない。

はじめに図１のプラズマエッチング装置の操作手順について説明する。
本装置は、エッチング処理室１、ウエハ載置電極２、プラズマ生成用のマイクロ波源３、プロセス処理用のガス供給系４、真空排気用のターボ分子ポンプ５、ガス流量調整弁６、から構成されている。ウエハ載置電極２には、ウエハ搬送室から搬送口を介してウエハが搬入および搬出される。その経路は矢印７にて示した。この部分にはエッチング処理室１とウエハ搬送室を隔離するバルブ（図示せず）が設けられている。

エッチング処理室１を高真空排気した状態からプロセス処理用ガス供給系４から処理用ガスを供給する。処理用ガスは石英板に多数の小孔が開けられているシャワープレート８を介してエッチング処理室１に供給される。ガス供給系４から所定の流量が供給された状態でエッチング処理室１の圧力が所定の値になるように、ガス流量調整弁６のコンダクタンスを変えることでターボ分子ポンプ５の実効排気速度を制御している。圧力は圧力計９により測定される。

次にマイクロ波源３からマイクロ波が導波管１０を通して供給され、石英窓１１およびシャワープレート８を通してエッチング処理室１に伝播する。磁場発生用コイル１２によりエッチング処理室１の空間部に電子サイクロトロン共鳴に対応する磁場領域（ＥＣＲ領域）が形成され、マイクロ波はＥＣＲ領域で強く吸収されてプラズマが生成される。

プラズマが生成した状態で、静電吸着電源１４からウエハ載置電極２に高電圧を印加すると、電極２上に載置されたウエハ１３が静電吸着される。なお、本実施の形態では静電吸着の方式がプラズマを高電圧印加回路の一部とするモノポール型を採用している。ダイポール型の実施例は以降に述べる。次に、ウエハ１３の裏面に伝熱ガス供給系１５から伝熱ガスとしてヘリウムが供給される。なお、電極２には温度制御された冷媒が供給されており、電極２のウエハ載置部は一定温度に制御されている。この状態で、電極２にウエハバイアス電源１６から高周波電圧が整合器１７を介して印加されると、ウエハ１３にはプラズマ中のイオンが入射し、プラズマエッチングが開始される。

所定の時間あるいは所定の深さまでエッチングが進行した時点でウエハバイアス電源１６を停止する。次に伝熱用ガス供給系１５を停止してウエハ１３の裏面ガスを排気し、静電吸着電源１４を停止する。さらに、プロセス処理用のガス供給系４を閉じ、ガス流量調整弁６のコンダクタンスを最大（弁の開度を１００％にする）にしてエッチング処理室１内のガスを排気する。最後に、ウエハ１３を搬出して、一連のプラズマエッチング処理が終了する。その後、再び新しいウエハを導入して同様なエッチング処理を繰返す。

次のウエハを処理する前に、エッチング処理室１内の壁面、たとえば石英製内筒１８などに付着した反応生成物を除去するために、ウエハ１３が載置されない状態（あるいはダミーのウエハ１３を載置した）で、プラズマクリーニングが実施される場合もある。

以上の処理が繰返されると、プラズマクリーニングを実施したとしても、次第にエッチング処理室１内の壁面に堆積物が残留し、脱落や剥離が発生する可能性が増してくる。その結果、気相中に浮遊する微粒子が増加し、ウエハ１３に付着して異物になるものも多くなってくる。さらに、プラズマ中あるいはプラズマが発生していない単なるガス流れ中に浮遊する微粒子は、真空排気のガス流れに乗ってターボ分子ポンプ５まで排気され、ほとんどの微粒子は装置外に排出される。

しかしながら、一部の微粒子は、ターボ分子ポンプ５の高速回転羽根車と衝突して弾き飛ばされる。弾き飛ばされた微粒子（反跳微粒子と称す）は、他の部材に衝突して再度排気されるものもあるが、一部はウエハ１３まで跳ね返り、異物となるものもある。反跳微粒子の軌跡１９を一例として矢印で示した。反跳微粒子がウエハ１３まで達するか否かは、ターボ分子ポンプ５からウエハ１３までの装置流路形状に依存する。全体的には、ガス流れがウエハ１３側（上流側）からターボ分子ポンプ５側（下流側）に生じているため、高圧力で大流量になるほど微粒子に働く流体力が大きくなって反跳微粒子に起因する異物発生確率は減少する。

しかし、プラズマエッチング処理の条件は反跳微粒子を遮断する条件で決められるわけではないので、反跳微粒子がウエハ１３まで達しないようにする必要がある。図１に示した本発明の実施の形態では、ターボ分子ポンプ５の上流側に設置されたガス流量調整弁６に反跳微粒子が上流側に飛散する確率を低減する機構を設けた。ガス流量調整弁６の上流側には新たに追加した障害物が無いので、エッチング処理室１のガス流れは全く影響を受けない。本発明の実施の形態に係るガス流量調整弁６の具体例は後で説明するが、本発明の主旨は、ガス流量調整弁６に反跳微粒子を上流側に飛散させない機構を設けることにある。

上記のように異物が発生しないような工夫をしても、定期的にエッチング処理室１を大気開放して清掃したり部品交換する必要が生じる。その中で反跳微粒子の飛散防止機能の有無にかかわらずガス流量調整弁６の清掃が行われるので、本機構付与によりメンテナンス作業が増加するということもない。

図２は、本発明を適用した別のタイプのプラズマエッチング装置の例である。図１の実施の形態と異なる点は、マイクロ波供給部から真空排気部まで同軸上に配置された場合である。このような場合においても、本発明は問題なく適用可能である。

図２の各部品名称や番号は図１と兼用にした。本実施の形態では、ウエハ載置電極２の静電吸着方式は、静電吸着面に正負の電極を有しているダイポール型であり、プラズマが点火していない状態でもウエハ１３を静電吸着することができる。したがって、プロセス処理用のガス供給系４からガス供給を開始すると同時かその前にウエハ１３を静電吸着し、伝熱用ガスを供給する。その後にプラズマを生成させてウエハ１３にバイアス電圧を印加してエッチングを実施する。エッチングが終了した時点でウエハバイアス電圧印加を停止し、前述したエッチング終了ステップに入る。ダイポール型とモノポール型の静電吸着は、プラズマの有無で各処理手順に違いがあるが、本発明との関連では本質的な違いはないので、詳細は省略する。

図２の電極２は電極支持部２０により固定される。電極支持部２０は数本の半径方向部材からなりエッチング処理用ガスは電極支持部２０の隙間を通って真空排気される。電極支持部２０は内部が空洞で、温度制御用冷媒や伝熱用ガス回路、ウエハバイアス高周波導入コードなどが内蔵されている。なお、電極支持部２０の占める面積は小さいので、ガス流れの整流性に及ぼす影響は無視できるほどである。その結果、本構造では極めて対象性の良いプラズマ分布が得られ、エッチング特性の円周方向の均一性に優れる。

電極２の下方（下流側）には、真空排気系とエッチング処理室１を隔離する弁２１が設けられている。その下にはガス流量調整弁６とターボ分子ポンプ５が設置されている。本装置のように軸対象性に優れた装置構造を採用した場合、できるだけガス流れの整流性が高い状態でプラズマ処理を実施することが望ましい。そのため、エッチング処理室１の下流（ダクト２２と称す）にすり鉢状の滑らかな曲面から構成された形状を採用し、ガス流れに澱みが発生しないようにしている。その結果、反応生成物の堆積する量が減少し、堆積物に起因する微粒子の発生を抑制している。

しかしながら、エッチング処理を多数繰返すことで、エッチング処理室１内の堆積物が増加して離脱する微粒子が増加し、ウエハ１３の異物数が次第に増加する。その中で、ターボ分子ポンプ５で跳ね飛ばされた反跳微粒子が軌跡１９のような経路でウエハ１３に付着する可能性も増してくる。本装置の場合、特にガス流れの整流性を考慮した構造にしているため、反跳微粒子が上流側に飛散するのを遮断する衝立をダクト２２の途中に設けるのは好ましくない。その意味で、図１でも説明したように、ガス流量調整弁６に反跳微粒子が飛散する確率を抑制する機構を設けることは、装置全体の構成から望ましい方法である。

次に、ガス流量調整弁６の具体的な構造について示す。図３はターボ分子ポンプ５の断面構造の典型例である。中央の羽根車２３は１万〜２万回転程度で高速回転し、固定翼２４との間の空間的な配置により、飛来したガス分子が下流側に進む確率が大きくなるようになっている。羽根車２３は中央の回転軸２５に円周方向に均等に配置され、かつ軸方向にも多段に設置されている。外周部はポンプのケーシング２６である。

入射微粒子が跳ね飛ばされて上流側に飛散する過程は、図４に示したようなモデルで考察できる。太線の矢印で示した時計方向に羽根車２３が回転しているとする。簡単のため羽根車２３は初段のみを示した。入射微粒子２７が羽根車２３に衝突すると、羽根車２３の遠心力の影響で外側に向かう速度成分を得て外周方向に跳ね返る。その結果、頻度的にはターボ分子ポンプ５の外周側に反跳微粒子２８が多く跳ね返ることが予想される。

図５に、ターボ分子ポンプ５と本発明の実施例１に係るガス流量調整弁６を示した。羽根車２３の上流側には落下物対策の網２９が設置されているが、開口率が大きいので反跳微粒子２８はそのまま通過してガス流量調整弁６に達する。ガス流量調整弁６は円板状の２枚の板から構成されており、中央がくりぬかれたリング状の下側弁３０と円板状の上側弁３１から構成される。上側弁３１は、数本からなる細い支持枠３２で中央に固定される。上側弁３１と下側弁３０の間隔は、駆動系３３にて上下方向に動かすことのできる調整軸３４で制御される。駆動系３３は圧力計９の指示値が圧力設定値と同じになるように制御される（制御系は図示せず）。

図５では、反跳微粒子２８の軌跡を矢印で模式的に示したが、羽根車２３で外周方向速度成分を得て跳ね飛ばされた反跳微粒子２８は、下側弁３０に衝突して再びターボ分子ポンプ５側に移送される。確率的に見れば、上流側に飛散する反跳微粒子が存在するとしても、その数は減少する。

ガス流量調整弁６に入射した微粒子が弁板に衝突して跳ね返る可能性もゼロではないが、羽根車２３と衝突した際に得る速度成分はゼロであり、原理的に入射前の速度以下に減速する。その結果、上流側にガス流れに逆らって飛来するのが困難になるので、ガス流量調整弁６による反跳微粒子に起因するウエハ異物は非常に少ない。

とはいえ、ガス流量調整弁６に起因する異物発生や、ターボ分子ポンプ５からの反跳微粒子遮蔽効果を高めるには、下側弁３０および上側弁３１を平板ではなく、図６の実施例２に示すように、円板の形状は真空ポンプ側から見て上に凸の傾斜を有し、前記円環状板の形状は真空ポンプ側から見て下に凸の傾斜を有する形状にするのも効果的である。

ターボ分子ポンプの羽根車２３は、基本的にはガス分子を下流側に移送する作用があるので、全ての入射微粒子が反跳するわけではない。しかしながら、回転軸２５に入射した微粒子は全て反跳することになる。遠心力は羽根車２３に比べて小さいため、外周部に弾き飛ばされる確率も小さくなる。

そこで、図７の実施例３に示したように、回転軸２５に対向する位置に円板３５を設け、微粒子の入射を阻止することが有効である。図７では、ガス流量調整弁６に円板３５を取り付けたが、別途ターボ分子ポンプ５の網２９の下端に設置しても良い。円板３５は静止しているので、入射して円板３５に衝突した微粒子３６はそこで運動エネルギーを消費するのみであり、新たなエネルギーを獲得することが無い。そのため、反跳するにしても入射時の速度に比較して低速になるので、ウエハ１３まで到達する確率は低い。また、円板３５の部分は、ターボ分子ポンプ５としての排気速度は無い領域なので、実効的な排気速度の低下も小さく抑えられる。

本実施例に係るガス流量調整弁６のコンダクタンスは、下側弁３０および上側弁３１のコンダクタンスと両者の間隔で決まるので、流量調整は両弁の間隔の調整による。なお、下側弁３０の内径を可変とすることによってもガス流量調整弁６のコンダクタンスを調整することができる。反跳微粒子の遮蔽効果は同様に得られるので、内径可変の下側弁３０としても良い。その際、上側弁３１の大きさは、下側弁３０の最大内径より少し大きい外径にする。このようにすることで流量制御範囲を広く取れるのと、反跳微粒子の上流側への跳ね返りを最小限に抑制することができる。

大気開放によってガス流量調整弁６の清掃を実施する場合は、下側弁３０や上側弁３１を取り外すことが可能な構造にし、容易に交換可能とすれば良い。さらに、これらの部品は金属で製作しても良いが、構造が簡単なので金属汚染の恐れが無い石英やセラミックスにても製作可能である。そのため、酸洗浄も可能になるので、洗浄が十分に実施できるという効果もある。

以上述べたように、プラズマエッチング装置を例に取り、ターボ分子ポンプを備えた真空処理装置に適用可能な反跳異物を低減する具体的な実施例について説明した。

本発明の実施の形態であるプラズマエッチング装置を示す図である。 本発明の実施の形態であるプラズマエッチング装置を示す図である。 ターボ分子ポンプの断面構造を示す図である。 微粒子の反跳モデルを示す図である。 本発明の実施例１に係るガス流量調整弁を示す図である。 本発明の実施例２に係るガス流量調整弁を示す図である。 本発明の実施例３に係るガス流量調整弁を示す図である。

符号の説明

１ エッチング処理室
２ ウエハ載置電極
３ マイクロ波源
４ ガス供給系
５ ターボ分子ポンプ
６ ガス流量調整弁
７ ウエハ搬入出経路
８ シャワープレート
９ 圧力計
１０ 導波管
１１ 石英窓
１２ コイル
１３ ウエハ
１４ 静電吸着電源
１５ 伝熱ガス供給系
１６ ウエハバイアス電源
１７ 整合器
１８ 石英製内筒
１９ 軌跡
２０ 電極支持部
２１ 弁
２２ ダクト
２３ 羽根車
２４ 固定翼
２５ 回転軸
２６ ケーシング
２７ 入射微粒子
２８ 反跳微粒子
２９ 網
３０ 下側弁
３１ 上側弁
３２ 支持枠
３３ 駆動系
３４ 調整軸
３５ 板
３６ 微粒子

Claims (9)

1. 被処理物を減圧下で処理する処理室と処理用ガス導入部と真空排気部と被処理部材を載置するステージとを備えた真空処理装置において、前記真空排気部は真空ポンプとガス流量調整弁および真空処理室と真空ポンプ部を隔離する真空遮断弁から構成され、かつ前記ガス流量調整弁に前記真空ポンプ側から前記被処理部材用ステージ側に飛来する微粒子の通過確率を小さくするための微粒子遮蔽機構を設けたことを特徴とする真空処理装置。
2. 請求項１に記載の真空処理装置において、前記真空ポンプはターボ分子ポンプであることを特徴とする真空処理装置。
3. 請求項１または２に記載の真空処理装置において、前記微粒子遮蔽機構付きのガス流量調整弁は、少なくとも１枚の円板と少なくとも１枚の円環状板から構成され、前記円環状板の１枚はガス流量調整弁の流路部の最外周部を蔽うように構成されていることを特徴とする真空処理装置。
4. 請求項３に記載の真空処理装置において、前記ガス流量調整弁は、前記円板および円環状板の軸方向の間隔を変化させてガス流量調整を行うことを特徴とする真空処理装置。
5. 請求項４に記載の真空処理装置において、前記ガス流量調整弁では、前記円環状板の中でガス流量調整弁の最外周部を蔽っている円環状板を、真空ポンプ側に設置したことを特徴とする真空処理装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の真空処理装置において、前記ガス流量調整弁の前記円板の形状は真空ポンプ側から見て上に凸の傾斜を有し、前記円環状板の形状は真空ポンプ側から見て下に凸の傾斜を有していることを特徴とする真空処理装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の真空処理装置において、前記ガス流量調整弁の前記円環状板の外径はガス流量調整弁の最外周部に略一致し、内径は可変であることを特徴とする真空処理装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の真空処理装置において、前記ターボ分子ポンプの回転翼の羽根車を支持している中央の回転軸に対向する位置に微粒子入射防止用の円板を設置したことを特徴とする真空処理装置。
9. 請求項８に記載の真空処理装置において、前記微粒子入射防止用の円板は、前記円板はガス流量調整弁の最下端部に取り付けられていることを特徴とする真空処理装置。

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