JP2010504422A - 廃棄流を搬送するための装置 - Google Patents

Abstract

第１及び第２のチャンバから排気された廃棄流を搬送する装置が提供される。本装置は、第１のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と出口とを含む第１の導管手段と、第２のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と出口とを含む第２の導管手段とを備える。第１及び第２の導管手段の出口は共に接続される。第１の導管手段は、第２のチャンバから排気された廃棄流の成分が第１のチャンバに向かって移動するの阻止するために、第１の導管手段の出口に向かって搬送されているガスの音速チョークを発生させる手段を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、第１及び第２のチャンバから排気される廃棄流を搬送する装置に関する。

半導体デバイスの製作における第１のステップは、気化前駆体の化学反応により半導体基板上に薄膜を形成することである。基板上に薄膜を堆積させる１つの公知の技法は、化学蒸着（ＣＶＤ）法である。この技法において、プロセスガスが基板を収容する真空プロセスチャンバに供給されて反応し、基板表面を覆って薄膜を形成する。

基板上にアルミニウム層を堆積させるのに使用されるＣＶＤプロセスは、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学蒸着）法であり、当該プロセスでは、窒素又はアルゴンなどのキャリアガス内に同伴した有機アルミニウム前駆体を、プロセスチャンバに供給する。前駆体を還元するために、水素もまたプロセスチャンバ内に供給される。プロセスチャンバは真空排気されて、ほぼ５００℃未満の堆積温度まで加熱され、この温度で前駆体が分解して基板上にアルミニウムが堆積される。

物理蒸着（ＰＶＤ）は、原子レベルでの材料の移動を伴う蒸発コーティング技法である。半導体製造に使用されるＰＶＤ技法の１つの例はスパッタコーティングであり、当該技法では、真空プロセスチャンバ内部に配置された固体ターゲット材料内の原子が、励起イオンによる材料との衝撃に起因して気相内に排出される。これらの原子は、プロセスチャンバ内部に配置された基板上に堆積され、基板上に薄膜を形成する。

プロセスチャンバの残留ガス内の汚染物の存在は、基板上に形成される膜又は層の品質に有害な可能性がある。支配的な残留ガスは通常水であるが、酸素又は水素の場合もある。生成された層内の不純物は、低密度で低応力の膜、膜内に内在する応力、膜の高電気抵抗、及び膜抵抗の正温度係数の低下のうちの１つ又はそれ以上をもたらす。軽ガスである水素は、特に侵入性になる場合があり、生成層の水素脆化をもたらす恐れがある。従ってＰＶＤプロセスでは、水素による汚染の回避がとりわけ重要である。

こうした堆積プロセスにおいては、プロセスチャンバでの堆積ガスの滞留時間は比較的短く、よって、チャンバに供給されたガスの僅かな割合だけが加工中に消費される。その結果、プロセスチャンバに供給されたガスの大部分は、堆積プロセスからの副生成物と共にチャンバから排気され、プロセスチャンバを真空排気するのに使用される真空ポンプに導管を介して搬送される。

プロセスツールは通常、複数のプロセスチャンバを備え、これらのチャンバでは、同様の又は異なるプロセスを所与の何れかの時間で行うことができる。例えば、１つ又はそれ以上の堆積チャンバに加えて、プロセスツールは、１つ又はそれ以上のエッチングチャンバを備えることができ、ここでは基板内及び／又は基板上に堆積される薄膜内に形状がエッチングされる。その結果、プロセスツールの１つのチャンバからの廃棄流は、プロセスツールの別のチャンバで実施されているプロセスと相容れない場合がある。この観点から、チャンバを真空排気するのに使用されるポンプ装置は、一般に、図１に示されるように各プロセスチャンバのための２次ポンプを備える。図１は、第１及び第２のプロセスチャンバ２、１２を表し、各々がそれぞれのターボ分子真空ポンプ４、１４によって真空排気されている。各ターボ分子真空ポンプは、プロセスチャンバ２、１２から排気された廃棄流の分離を保持するためにそれぞれの１次ポンプ６、１６によって支援される。

ポンプ装置に関連する信頼性及びコストを改善しながら、全体のポンプ装置の複雑性、フットプリント及び出力要件を低減することが望ましい。従って、多くの別個の２次ポンプを補助する単一の１次ポンプを提供することが好ましく、多くの場合、汚染が問題とならないポンプ装置で実装される構成である。この構成の一実施例が図２に示されており、各ターボ分子真空ポンプ４、１４は、その出口に接続されたそれぞれの排気導管８、１８を有する。排気導管８、１８は、合流して共通の排気導管を形成し、これは１次真空ポンプ１０の入口に接続される。

残念ながら、２次ポンプ１４によって排気されるような廃棄流のうちの１つの成分と他のチャンバ２内で実施されているプロセスとの間に不適合性が存在する場合には、汚染が問題となる可能性がある。真空領域での汚染の３つの顕著な例には以下のものがある。
・水素、これは極めて少量であってもスパッタリングされた膜の脆性を生じさせる可能性がある；
・ヘリウム、これが存在すると、雰囲気の熱伝達特性に影響を与え、膜のバルク特性に影響を及ぼす；
・水、これはプロセスチャンバ内で前駆体材料と反応することができるので、極めて有害となる可能性がある；
汚染物質が軽ガス、すなわち水素などの比較的小さな分子量を有するガスである場合、汚染が特に顕著になる。この軽ガスは、チャンバ１２から発生し、ターボ分子真空ポンプ１４を介して排気導管１８内に搬送されることがある。排気導管８、１８間の接続に起因して、この軽ガスは、排気導管８からターボ分子真空ポンプ４を経由してチャンバ２内に逆方向に移動する可能性がある。

軽ガスの分圧は、ターボ分子真空ポンプ４による圧縮に起因して、排気導管８内に比べてチャンバ２内でより低い可能性が高いが、プロセスによっては、微量の汚染であっても望ましくない。これらの状況では、共通の１次ポンプ１０を使用するポンプ装置は不適切である。

多くのターボ分子真空ポンプは、軽ガスに対するよりも、より重いガスを排気するのに最適化されている。窒素又はアルゴンのような、より重いガスに対する典型的な圧縮比は、１×１０⁸を超えることがあるのに対し、水素に対する圧縮比は、１×１０³と１×１０⁵との間であり、ヘリウムに対しては１×１０⁵から１×１０⁷の範囲であるようである。

ポンプ機構に付加的なポンプ段を付加することによるターボ分子真空ポンプの圧縮の増大は、軽ガスに対する圧縮比を更に増大させ、その結果、ターボ分子真空ポンプの出口から入口への汚染成分の逆方向移動を低減させることになる。しかしながら、追加のポンプ段の導入は、ポンプのコスト及び寸法を増大させることになる。

本発明の目的は、共通の１次ポンプ又は共通の導管部を設けることができるように、真空ポンプを通る廃棄流の成分の逆方向移動の問題に取り組むことである。

本発明の第１の態様は、第１及び第２のチャンバから排気された廃棄流を搬送する装置を提供し、該装置は、
第１のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と、出口とを含む第１の導管手段と、
第２のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と、第１の導管手段の出口と連通した出口とを含む第２の導管手段と、
を備え、
第１の導管手段は、該第１の導管手段の一部の断面積を局所的に減少させる手段を含み、第２のチャンバから排気された廃棄流の成分が第１チャンバに向かう移動を阻止する程度にまで、第１の導管手段の出口に向かって搬送されるガスの局所密度を増大させるようにすることを特徴とする。

第１の導管手段の一部の断面積を局所的に減少させる手段を導入することにより、第１の導管手段を通って搬送されるガスの密度を局所的に増大させることができる。このことは、第２のチャンバから排気された廃棄流の望ましくない成分に対する妨害をもたらし、この廃棄流が第１のチャンバに向けて逆移動する割合がより少なくなる。換言すれば、汚染物質の逆方向輸送が特定の抑制比により抑制される。

第１の導管の一部の断面積を局所的に減少させる手段は、例えば開口（アパーチャ）プレートなどの流れ絞り部を含むことができる。プレートの開口は、配置される第１の導管手段の他の部分よりも実質的に小さい直径のものであり、例えば２５〜４０ｍｍに比べ、１．５〜４．５ｍｍの直径とすることができる。ガスポートを流れ絞り部の上流側に設けることができ、ガスポートにパージガスを供給するための手段も共に設けられる。パージガスは、窒素、アルゴン或いは第１のチャンバ内部で実施されているプロセスと適合する別の媒体とすることができる。

廃棄流の成分は、例えば水素のような軽ガスの気体成分とすることができる。或いは、廃棄流の成分は、蒸気又は固体成分であってもよい。

本装置は、第１及び第２の導管手段からの廃棄流を受け入れるための共通の排気導管を備えることができる。

本発明の第２の態様は、上述の装置、並びに第１のチャンバを真空排気し且つ第１の導管手段の入口に接続された出口を有する第１の真空ポンプと、第２のチャンバを真空排気し且つ第２の導管手段の入口に接続された出口を有する第２の真空ポンプとを備えるポンプ装置を提供する。

第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプは各々、ターボ分子真空ポンプなどの２次真空ポンプであってもよい。１次ポンプは、第１及び第２の導管手段の各々の出口に接続することができる。或いは、第１の真空ポンプ及び第２の真空ポンプは各々、１次ポンプとすることができる。

分離した補助ポンプを使用する従来技術のポンプ装置を示す図である。 共用の補助ポンプを有する別の従来技術のポンプ装置を示す図である。 １つのチャンバの廃棄流からの成分が別のチャンバに向かう逆方向移動の阻止手段を有するポンプ装置を示す図である。 チョーク流れ及び自由噴流膨張の原理を示す図である。 真空排気される複数のチャンバを有するポンプ装置を示す図である。 １次ポンプ内への汚染物の逆方向移動の阻止手段を有するポンプ装置を示す図である。

本発明を、例のみとして添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
ポンプ装置を図３に示す。ポンプ装置は、例えば、チャンバ２２の出口に接続された入口を有するターボ分子真空ポンプ２０である２次ポンプと、例えば、チャンバ３２の出口に接続された入口を有するターボ分子真空ポンプ３０である２次ポンプとを備える。

フットプリント、出力要件及びポンプ装置の部品点数を低減するためには、単一の１次ポンプ、すなわち補助ポンプ４０によって補助されるターボ分子真空ポンプ２０、３０を有することが望ましい。補助ポンプ４０の入口は、チャンバ２２、３２から排気された廃棄流を搬送する装置によってターボ分子真空ポンプに接続される。当該装置は、第１及び第２の排気導管２４、３４と、共通の第３の排気導管４４とを備える。第１及び第２の排気導管２４、３４は各々、それぞれのターボ分子真空ポンプ２０、３０の出口に接続された入口と、出口とを有する。これらの出口の各々は、共通の排気導管４４の一方端に接続され、該共通の排気導管は、他方端で補助ポンプ４０の入口に接続される。

作動中に各ターボ分子真空ポンプによって輸送された廃棄流の組成は、チャンバ２２、２３に供給されるプロセスガスと、これらのプロセスから生じる副生物とによって決定される。１つのチャンバ、例えば、チャンバ３２からの廃棄流は、他のチャンバ、例えばチャンバ２２で行われているプロセスに対して有害であることが判明した成分を含む場合があるので、あらゆる物質又は汚染物がターボ分子ポンプ３０からターボ分子ポンプ２０を通ってチャンバ２２内に逆方向に輸送されるのを防止することが望ましい。廃棄流が、軽ガスすなわち低い相対分子量を有するガス、例えば水素などを含む場合、ターボ分子真空ポンプ機構は、このようなガスではより低い圧縮比、例えば１×１０³から１×１０⁵を有するので、より高いレベルの汚染が生じる。チャンバ２２内への何らかの汚染物の輸送の割合は、排気導管２４、３４内の他のガスの相対圧力及び流量、並びにターボ分子ポンプ２０の圧縮及びポンプ速度によって決定される。

チャンバ３２から排気された廃棄流の成分がチャンバ２２に向かって移動するのを阻止するために、第１の排気導管２４は、第１の排気導管２４の出口に向けてターボ分子ポンプ２０から搬送されているガスの密度を局所的に高める手段、或いは限界において当該ガスの音速チョークを発生させる手段を備える。

図４は、音速チョーク及び自由噴流膨張の現象を示している。定常圧縮粘性流体流れが、通る導管の断面に対する幾何学的絞りに出合うと、その流れにはベンチュリ効果が生じる。換言すれば、導管に沿った質量流量を一定に保つために、狭窄部での流体の圧力は低下し、狭窄部での流体の速度及び密度は増大する。このベンチュリ効果の限界条件は、狭窄部での圧力がもはや低下できず、流体流の速度が臨界値すなわち音速（マッハ１）に達すると生じる。こうした条件下では、流れはチョークされているといわれる。要因の組み合わせが、ベンチュリ効果の生じる程度及び最終的にはチョーク流の発現に影響する。これらの因子としては、狭窄部又は開口の直径、狭窄部の長さ、質量流量、導管を通って輸送されている種、狭窄部前後の圧力差、及びガスの温度が挙げられる。導管内部でベンチュリ効果が始まることにより、打ち勝った汚染流体流れに抗する流れに対する有意な妨害が導入され、その結果、汚染物質の抑制が達成される。

極端な場合に、ベンチュリ効果により、図４に示すようなチョーク状態が生じることになる。図４に示された開口の下流側では突然の膨張がもたらされ、これにより自由噴流膨張が生じ、図示のように、アパーチャの下流側にある周囲流体の何れかの逆方向流又はクロス流が容易には通過できない「沈黙領域（Ｚｏｎｅ ｏｆ ｓｉｌｅｎｃｅ）」が得られることになる。従って、こうした流れに対する障壁が強化される。

再度図３を参照すると、例えば開口プレートである流れ絞り部２６が、第１の排気導管２４内に配置されている。流れ絞り部２６は、第１の排気導管２４の断面積を局所的に減少させる働きをし、これにより、プレート前後の所与の圧力変動及びプレートを通る所与の質量流量において、流れ絞り部２６のアパーチャを通って移動する流体の速度及び密度が上述のように強制的に高められ、最終的にはチョーク流状態を得ることができる。

汚染物質の逆方向移動の一定レベルの抑制を達成するために、一定ガス源が流れ絞り部２６の上流側に配置されたガスポート２８を通って導入される。大きな分子量を有し且つチャンバ２２で実施されているプロセスと適合性のあるパージガス、例えば窒素、アルゴン又は他のガスが、所与の圧力及び質量流量でポート２８を通って導入される。分離したパージガス源の導入により、汚染物の逆方向移動の阻止又は抑制を常時制御できるようになり、これによりターボ分子ポンプ２０が運転を停止した場合であっても流れ絞り部２６の上流側の状態が予測可能にされる。こうした期間では、第２の排気導管３４内に残存する廃棄流のあらゆる望ましくない成分がチャンバ２２に向かって逆方向に移動しないことを確実にするためにパージガスの流れを維持することが望ましい。その結果、定常状態流れ状況が、流れ絞り部２６での増大した局所密度を有して発生し、或いは極限では、図４に示されるようにショックシステムが流れ絞り部２６の下流側で発生し、流れ絞り部２６を通る逆流に対する確実な妨害が達成される。

ポート２８を単独で通るパージガスの供給は、流れ絞り部２６を通る正の質量速度を高め、その結果、チャンバ２２に向かう物質の逆方向伝搬を抑制する。流れ絞り部２６で遷移流又は粘性流が達成されると、かなりの抑制比（最大１０⁵）を得ることができる。パージガスの供給速度が臨界値まで高まると、チョーク状態が達成され、流れ絞り部２６を通るあらゆる汚染流の逆方向伝搬が最小化される（ここでは抑制比が１０⁵を超えるので）。

図３は、２つの真空チャンバ２２、３２のみに取り付けられたポンプ装置を示し、これらのうちの一方が、他方に悪影響を及ぼす可能性のある汚染物質を受け入れ、又は発生する。この原理は、例えば図５に示されるように、２次ポンプ１２０、１３０の分離クラスタによって複数のチャンバ１２２、１３２を真空排気させるポンプ装置を対象とするように容易に拡張することができる。上記で概説された理由で、２次ポンプ１２０、１３０の全てを補助するために単一の１次ポンプ１４０が設けられることが望ましい。図３の装置に関して説明されたものと同様にして、開口プレート又は他の流れ絞り部１２６が、２次ポンプ１２０に接続された第１の排気導管１２４内に設けられる。流れ絞り部１２６は、第１の排気導管１２４と、第２の排気導管１３４と、第３の共通の排気導管１４４との間の接合部の前の第１の排気導管１２４内に配置され、第３の共通の排気導管１４４は１次ポンプ１４０の入口に接続される。パージガスポート１２８が流れ絞り部１２６の上流側に設けられ、上述のようにパージガスが供給できるようになり、定常的で予測可能な流れ状況、或いはショックシステムを流れ絞り部１２６の下流側で達成できるようになる。

図６は、２次ポンプ２２０、２３０の分離クラスタを補助するために別個の１次ポンプ２４０、２５０が設けられているポンプ装置を示す。結果として、廃棄流は、ポンプ装置を通る流体経路の大部分については分離が維持されている。このような状況においては、比較的汚れた廃棄流内に存在する何れかの汚染物が「クリーン」なチャンバに逆方向に移動する割合は、上述の実施例に比べてより低減されることになる。しかしながら、例えば排気導管２５５内の廃棄流の成分が排気導管２２５内の廃棄流の成分と反応して、有害或いは装置の信頼性に影響を及ぼす可能性のある副生成物を生じる恐れがある。副生成物は固形物を含むことができ、これは、１次ポンプ２４０、２５０のポンプ機構の内部表面上に蓄積して、クリアランスを減少させ、ステータ要素とロータ要素との衝突の可能性を生じることがある。従って、こうした反応は、ポンプ機構の焼付き又は腐食につながり、更に発火源のとなる可能性もあり、可燃性材料が１次ポンプを通って輸送されているときには特に危険になる可能性がある。例えば、１次ポンプ／導管を加熱して凝縮を阻止し、或いはポンプ機構の表面に溶媒を供給して何らかの堆積物を溶解することによって、１次ポンプ近傍でのこれらの反応の発生を防ぐことが可能とすることができるが、このような措置は高価になる可能性がある。従って、排気導管２５５とのあらゆる接合部の前に、１次ポンプ２４０の排気導管２５５内に流れ絞り部２２６及びパージガス供給ポート２２８を設けて、損傷を受けやすい領域での廃棄流の成分の混合を阻止することが有利である。次に、共通の排気導管２４４を用いて、あらゆる組み合わされた廃棄流を終端部２６０に搬送することができ、ここで、組み合わされた廃棄流は、更なる処理を受けることができ、或いは、大気に排出することもできる。

チョーク流状態を達成するために、前述の流れ絞り部の何れかの前後で必要とされる圧力差は通常、およそ２：１（Ｐ_上流側：Ｐ_下流側、又はＰ_u：Ｐ_d）である。標準的なシステムでの例示的な値は、４．５ｍｍの開口直径及び１０００ｓｃｃｍの流量に対応して、Ｐ_u＝５ｍｂａｒ及びＰ_d＝２．１ｍｂａｒである。第１の排気導管の例示的な直径は、約２５から４０ｍｍであり、従って、流れ絞り部の４．５ｍｍ開口直径は、直径の実質的な縮小を表している。

Claims (18)

1. 第１及び第２のチャンバから排気された廃棄流を搬送する装置であって、
   前記第１のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と、出口とを含む第１の導管手段と、
   前記第２のチャンバから排気された廃棄流を受け入れる入口と、出口とを含む第２の導管手段と、を備え、
   前記第１の導管手段及び前記第２の導管手段は、連通状態にあり、
   前記第１の導管手段は、前記第１の導管手段の一部の断面積を局所的に減少させる手段を含み、前記第１の導管手段の出口に向かって搬送されるガスの局所密度を、前記第２のチャンバから排気された前記廃棄流の成分が前記第１チャンバに向かって移動するのを阻止する程度にまで増大させる、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の導管手段の一部の断面積を局所的に減少させる手段が流れ絞り部を含む、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記流れ絞り部は、開口プレートである、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の導管手段は、前記流れ絞り部の上流側に配置されたガスポートと、前記ガスポートにパージガスを供給する手段とを含む、
   請求項２或いは請求項３に記載の装置。
5. 前記パージガスが窒素である、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記パージガスがアルゴンである、
   請求項４に記載の装置。
7. 前記廃棄流の前記成分がガス状成分である、
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載の装置。
8. 前記ガス状成分が軽ガスである、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記ガス状成分が水素である、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記ガス状成分がヘリウムである、
    請求項８に記載の装置。
11. 前記廃棄流の成分が蒸気成分である、
    請求項１から請求項６の何れか１項に記載の装置。
12. 前記廃棄流の成分が固体成分である、
    請求項１から請求項６の何れか１項に記載の装置。
13. 前記第１の導管手段及び第２の導管手段からの前記廃棄流を受け入れるための共通の排気導管を備える、
    請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の装置。
14. 請求項１から請求項１３の何れか１項に記載の装置と、
    第１のチャンバを真空排気し且つ前記第１の導管手段の入口に接続された出口を有する第１の真空ポンプと、
    第２のチャンバを真空排気し且つ前記第２の導管手段の入口に接続された出口を有する第２の真空ポンプと、
    を備えるポンプ装置。
15. 前記第１の真空ポンプと前記第２の真空ポンプとは、各々２次真空ポンプである、
    請求項１４に記載のポンプ装置。
16. 前記２次真空ポンプは、ターボ分子真空ポンプである、
    請求項１５に記載のポンプ装置。
17. 前記第１の導管手段及び第２の導管手段の各々の出口に接続された１次ポンプを備える、
    請求項１４から請求項１６の何れかに記載のポンプ装置。
18. 前記第１の真空ポンプと前記第２の真空ポンプとは、各々１次ポンプである、
    請求項１４に記載のポンプ装置。

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