JP2011008804A - 真空チャンバ内の圧力を調整するためのシステム、このシステムを装備した真空ポンピングユニット - Google Patents

Abstract

【課題】乾式機械式一次ポンプと少なくとも１つの二次ポンプとからなるポンプユニットに配管によって接続された、排出物を含んでいるチャンバ内の圧力調整の範囲を増大させ、短い反応時間を得る。
【解決手段】乾式機械式一次ポンプ４と少なくとも１つの二次ポンプ５との両方の回転速度を同時に制御する速度調整器６を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体部品、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスに関係する製造および処理プロセスのための、真空ポンプユニットによってポンピングされるプロセスエンクロージャまたはチャンバ内の圧力を調整するためのシステムに関する。

非常に低い圧力で処理ガスを導入したプロセスチャンバまたはエンクロージャの中で、このような製品を製造および処理する工業プロセスにおいて、エンクロージャ内部の圧力を調整することが必要である。１Ｐａから２０Ｐａの程度の非常に低い圧力は、一般的に（一次ポンプおよび二次ポンプから成る）ポンプユニットと、プロセスチャンバをこのポンプユニットに接続する配管とを有する真空システムによって得られ、維持される。

半導体デバイス、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスを製造するための種々のプロセスにおいて、数多くの汚染の問題がある。いくつかは、プロセスチャンバからガスを排出する真空システムに関わるものであり、さらに正確に言うと、それらはポンピング条件に関わっている。製造する基板を収容したエンクロージャ（プロセスチャンバ）内部の圧力を調整するシステムは、この汚染の問題のいくつかを解決しなければならない。

チャンバをポンピングするとき、チャンバ内のガスは膨張し、それによりガスは冷却される。あまりにも急速に圧力が低下した場合、ガスの温度は低下して、相変化（気体から液体へ、気体から固体へ）が始まる。配管内部およびチャンバ内部（基板上）では、液滴または粒子が形成される。それらは配管からチャンバに拡散してもどり、こうしてチャンバの汚染が増加する。

圧力を急激に低下させると、乱流運動が発生する。このような乱流は、配管およびチャンバに堆積した粒子を引きはがし、それらを運んで重大な区域（集積回路が形成される基板上）に再分散させる。

真空ポンプによりポンピングされるエンクロージャの圧力を調整する知られている方法は、ポンプの吸引に対して直列な可変コンダクタンスバルブを使用し、これにより、ポンピングされる流量を変えてエンクロージャ内の圧力を変化させることを可能にするものである。バルブの開口している広さは、基準圧力およびエンクロージャ内で計測した圧力に基づいて動作する制御回路から伝達される制御信号により調節される。

可変コンダクタンスバルブを使用する構成は、大型となり費用も高くつく。

さらに付け加えて、チャンバ出口のすぐ下に配置されて、所定のガス流量でチャンバ内の圧力を調整する調節バルブもやはり、プロセスによりまた何らかの脱ガスおよび脱離により発生する粒子の堆積を受ける大きな表面エリアを生じる。逆拡散により、脱離した粒子は次にプロセスチャンバを汚染し、プロセスの信頼性を低下させる。バルブの存在は、プロセスによって発生した粒子の堆積を除去するために、定期的に必要となる真空システムのクリーニングというメンテナンス操作を増やし、複雑化する。

可変コンダクタンスバルブはまた、避けることのできない機械的な慣性を有し、これが真空システムの反応時間を増加させる。実際のところ、可変コンダクタンスバルブを有する真空システムは、１Ｐａから２０Ｐａの通常の圧力範囲において、プロセスの２つのステップの間で、プロセスチャンバ内の圧力を１つの値から次の値にさせるのに少なくとも約５秒の反応時間を有する。

別の知られている方法は、回転速度を変えることができ、圧力ゲージに対してサーボ制御可能な機械式一次ポンプを使用するものである。しかしながら、制御可能なポンピング流量の範囲は、半導体応用にとってあまりにも制限されている。結果として、高真空においては圧力調整は有効ではなく、汚染も発生し得る。

半導体製造の分野において、ＤＤ２６２０６５Ａの文献に、一次ポンプに続く直列の２つのルーツタイプの二次ポンプからなる真空システムの使用が教示されている。一次ポンプは、一定速度で回転するよう駆動されるロータリーベーンポンプである。ルーツ二次ポンプは、マイクロコントローラにより可変周波数電源を介して、回転速度を変えるように制御され、こうしてプロセスチャンバ内部の圧力が変えられる。これにより、圧力を１０Ｐａから１００Ｐａの範囲にわたって変化させることが可能であると、この文献に述べられている。このシステムは、圧力変動範囲が大気圧に到るような圧力にわたって効果的に制御するには適合しておらず、可変コンダクタンスバルブを有する真空システムで得られるよりも短い反応時間を得ることができない。

本発明の目的の１つは、半導体応用、およびマイクロテクノロジー応用またはナノテクノロジー応用における、すべてのプロセスの段階にわたって圧力調整が可能となるよう、制御可能なポンピング流量の範囲を著しく増大させることである。

本発明の別の目的は、連続したプロセスの段階間の移行中におけるポンプシステムの反応速度を増大させることである。とりわけ、可変コンダクタンスバルブを有する真空システムの反応時間よりも明らかに短い反応時間を得ることが望まれる。

このために、本発明は、半導体部品、マイクロテクノロジーデバイまたはナノテクノロジーデバイスの製造用のプロセスガスを入れるためのエンクロージャ内の圧力を調整するためのシステムであって、エンクロージャは、乾式機械式一次ポンプと少なくとも１つの二次ポンプとからなるポンプユニットに配管によって接続され、
本発明によれば、このシステムは、乾式機械式一次ポンプおよび少なくとも１つの二次ポンプとの両方の回転速度を同時に制御する速度調整器を有する、エンクロージャ内の圧力を調整するためのシステムに関する。

本発明による実施形態では、速度調整器は、エンクロージャおよび配管中に含まれている排出物の凝縮曲線に基づいて計算された、ポンプの所定の回転速度プロファイルにサーボ制御される。

速度調整器は、それ自身または凝縮曲線との組み合わせにより、エンクロージャおよび配管内における排出物の非乱流の流れについての空気力学特性に基づいて計算された、ポンプの所定の回転速度プロファイルにサーボ制御されることも可能であることが有利である。

本発明による別の実施形態では、このシステムは、
制御された二次ポンプの上流側に圧力を監視するために取り付けられた圧力ゲージと、
監視された圧力に比例する入力値、および可変の基準圧力に比例する入力値を受け取り、速度調整器に制御信号を出力して、ポンプの回転速度を入力値に応じて増減させる観測器とを含んでいる。

有利には、このシステムは、制御された二次ポンプの上流側に温度を監視するために装備された温度プローブを備え、観測器が、監視された温度に比例する入力値を受け取ることができる。

さらに、この装置は、制御された二次ポンプの上流側に乱流の程度を定量化するために装備された乱流センサと備え、観測器が、定量化された乱流の程度に比例する入力値を有することができる。

本発明はまた、乾式機械式一次ポンプと少なくとも１つの二次ポンプとを有するポンプユニット、真空エンクロージャ、および真空エンクロージャをポンプユニットに接続する配管からなる真空ポンピング装置にも関する。

本発明によれば、このポンプ装置は上述した圧力調整器システムを含んでいる。

乾式一次ポンプと同時に制御される二次ポンプは、ターボ分子ポンプでもよい。

乾式一次ポンプと同時に制御される二次ポンプは、ルーツタイプのポンプでもよい。その場合、ターボ分子ポンプを、制御されたルーツタイプの二次ポンプと調整された圧力エンクロージャまたはプロセスチャンバとの間に介在させることもできる。

本発明の利点の１つは、ポンプユニットにおいて、一次ポンプおよび少なくとも１つの二次ポンプが同時にサーボ制御される結果として生じる。これにより、半導体応用における要求をカバーする１０ｓｃｃｍから１０，０００ｓｃｃｍ（０．１６ミリバールリッター毎秒（ｍｂａｒ ｌ／ｓｅｃ）から１６６ｍｂａｒ ｌ／ｓ）の制御可能なポンピング流量範囲を得ることが可能となる。また、真空システムの反応時間も著しく低下させることができる。

とりわけ有利な実施形態では、観測器が、基準におけるステップを受けたことに応答して、エンクロージャ中での半導体デバイス、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスの処理の段階中に、５秒未満の反応時間と５％未満のオーバーシュートを与える可変速度制御信号を生み出すようにプログラムされている。

例えば、観測器は、プロセスの移行段階中に開ループで動作し、プロセスの定常状態中に閉ループで動作するようにプログラムされる。

これによりシステムの反応時間が大幅に短縮され、可変コンダクタンスバルブを含む真空システムで可能なよりもかなり速く反応することが可能となる。

本発明の他の利点および特徴は添付の図面を参照して行う以下の説明から分かるであろう。

本発明の実施形態を構成するシステムの図である。 本発明の他の実施形態を構成するシステムの図である。 本発明の他の実施形態を構成するシステムの図である。 可能性のある２つの排出物（Ｈ_２ＯおよびＡｌＣｌ_３）の凝縮曲線を表わしたグラフである。 可能性のある２つの排出物（Ｈ_２ＯおよびＡｌＣｌ_３）の結果としての所定のポンプ回転速度プロファイルを表わしたグラフである。 本発明の他の有利な実施形態を構成するシステムの図である。 本発明のシステムの反応時間を表わしたタイミング図である。

本発明は、乾式機械式一次ポンプ４と少なくとも１つの二次ポンプ５とを有するポンプユニット３に、配管２によって接続されたプロセスチャンバまたはエンクロージャ１内の圧力を調整するためのシステムに関する。プロセスチャンバまたはエンクロージャ１は、半導体部品、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスの製造および処理に適した、低圧で処理ガスを供給されるように構成されている。

このシステムは、乾式機械式一次ポンプ４および二次ポンプ５の両方の回転速度を同時に制御する可変速度調整器６を含んでいる。

第１の実施形態では、図１に示したように、速度調整器６は、ポンプの所定の回転速度プロファイル２０にサーボ制御されており、このプロファイルは、エンクロージャ１および配管２中に含まれている排出物の凝縮曲線に基づいて決定されている。

図４Ａおよび４Ｂは、２つの排出物（Ｈ_２ＯおよびＡｌＣｌ_３）に関するものであり、これら２つの排出物について、それぞれの凝縮曲線および前記排出物の凝縮を避けるための予め決められたポンプの回転速度プロファイルを示している。排出物Ｈ_２ＯおよびＡｌＣｌ_３は、ここでは、本発明による第１の実施形態の中の例として記載されたものであり、何らこれらに限定されるわけではない。図４Ｂに示した所定の速度プロファイルは単純化されたもので、これらのそれぞれが単一の排出物に関係している。エンクロージャ１が、異なる凝縮曲線をもつ複数の排出物を含んでいるとき、これらの速度プロファイルは、はるかに複雑なものになり得ることが理解されよう。

エンクロージャ１および／または配管２の壁面から放出される汚染する堆積物を防ぐために、エンクロージャ１および配管２の中にある排出物の非乱流の空気力学的流れ特性を考慮にいれるように、ポンプの所定の回転速度プロファイルが計算可能である。このようにして、所定の回転速度プロファイルは、ポンピングの結果として生じる排出物の流れを、可能な限り層流の範囲に留めなければならないことを考慮してある。

一次ポンプと同時に制御される二次ポンプは、分子ポンプまたは「ターボ分子」ポンプとすることも可能である。

一次ポンプと同時に制御される二次ポンプを、ルーツタイプのポンプとすることもまた可能である。このような状況下では、制御されたルーツタイプの二次ポンプと圧力制御されたエンクロージャとの間に、ターボ分子ポンプを介在させることがあり得る。

図２に示した第２の実施形態では、システムは、制御された二次ポンプ５の上流側に取り付けられて圧力を検知する圧力ゲージ７、および検知した圧力に比例する数値９と可変の基準圧力１７に比例する数値１０とを受け取る入力部を有し、速度調整器６に制御信号１５を出力してポンプの回転速度を入力値９および１０に応じて増減させる観測器８を有する。

エンクロージャ１および配管２中に含まれている排出物の凝縮による汚染を制限する最適の条件にポンプの回転速度の制御を改良するために、このシステムはさらに、制御された二次ポンプ５の上流側に取り付けられて温度を監視する温度プローブ１１を含んでいる。観測器８は、追加の入力値１２を受け取り、前記入力値１２は監視された温度に比例している。

ポンピングされる排出物の流れが過度に乱流になることで、放出される汚染する堆積物による汚染を制限するようなサーボ制御ループを可能にするために、このシステムは、制御された二次ポンプ５の上流側に取り付けられて乱流の程度を定量化する乱流センサ１３を含んでいる。観測器８は、この定量化された乱流の程度に比例する追加の入力値１４を受け取る。

このシステムはまた、制御された二次ポンプ５の上流側および／または下流側に取り付けられて粒子のレベルを測定する粒子センサ１８を含んでおり、観測器８が、配管２内部の粒子の数に比例する入力値１９を受け取る。

本発明の別の実施形態では、図３に示したように、観測器８が速度調整器６を制御し、この速度調整器６が、乾式一次ポンプ４および少なくとも１つの二次ポンプ５の両方に別々にかつ可変周波数で電力供給している。このシステムは、二次ポンプ５の上流側に取り付けられた圧力ゲージ７に加えて、乾式一次ポンプ４の上流側に取り付けられた圧力ゲージ７’を含んでいる。観測器８は、第１のアルゴリズム８１、例えば乾式一次ポンプ４の吸気口における圧力９’を調整し、二次ポンプ５の吸気口における圧力９の応答時間を最適化するためのＰＩＤアルゴリズム、および第２のアルゴリズム８２、例えば二次ポンプ５の吸気口における圧力９を調節して、定常状態における静誤差および不安定さを最適化する第２のＰＩＤアルゴリズムを有する。初期圧力状態および最終圧力状態についての基準１０の間の移行時間を減少させるために、制御器ループは、最終的な基準速度（安定プロセス）近くに設定された基準２１を加え、これが、ＰＩＤアルゴリズムの積分部分における遅延効果を減少させることを可能にする。

本発明による別の実施形態（図示せず）では、このシステムは、制御された一次ポンプの上流側に取り付けられた圧力ゲージ、および／または二次ポンプの上流側に取り付けられた圧力ゲージを有する。速度調整器または観測器は、チャンバの初期圧力状態（したがってポンプの回転速度）とチャンバにおける最終的な圧力状態との間の最適な移行（可能な限り短い）を確実にするオートメーションカードを含んでいる。

このオートメーションカードは、ファジー論理タイプのアルゴリズムを有することが可能であり、数学的法則は、圧力（相対値および絶対値）、プロセスガス流、コンダクタンス、および瞬間の速度プロファイルを支配するパラメータの間で規定される。

図５はとりわけ有利な実施形態であり、これにより本発明は、システムの反応時間をさらに短くすることができる。この図は、乾式一次ポンプ４の吸気口に接続された二次ポンプ５の吸気口に接続されたプロセスチャンバ１を含む、プロセスおよび真空発生アセンブリ２２を有している。二次ポンプ５および乾式一次ポンプ４は、両方ともに観測器８で制御される速度調整器６により別々に可変周波数で電力供給される。

プロセスチャンバ内で実行されるプロセスにおいて、プロセスチャンバ１内部のガス圧は監視され、処理ガスは導入装置２３を介して導入され、プロセスの段階を決定する制御器（図示せず）によって、特に基準圧力２４および基準ガス流量２５を定めることによってプロセスは制御される。基準圧力２４および基準ガス流量２５は、他の情報、とりわけプロセスチャンバ１に接続された圧力センサ７により通信される圧力に関する情報を受け取る観測器８に送られる。

観測器８は、速度調整器６のための制御信号１５を生成するようにプログラムされており、速度調整器６は、圧力基準２４および／またはガス流量基準２５（または、例えばプロセスチャンバ内部でのＲＦパワーのような観測器８によって監視される他の何らかのパラメータに関する基準）における参照においてステップを受けたときに、５秒未満の反応時間Ｔおよび５％未満のオーバーシュートを与える。この反応時間は図６に描かれており、ここで圧力基準２４は、約１．３３Ｐａ（１０ｍｔｏｒｒ）の圧力Ｐ１から約１２Ｐａ（９０ｍｔｏｒｒ）の圧力Ｐ２へのステップの形で一点鎖線で示され、速度調整器に加えられた制御信号１５もまた、この基準２４のステップに迅速に追随して５秒未満の反応時間Ｔの後で安定化する。例えば、本発明は、反応時間Ｔを１秒の程度までにすることが可能である。

このように迅速な反応時間を達成するために、図５に観測器８の可能な実施形態を示した。すなわち、定常状態における調節については、観測器８は、連続的比例積分の数値制御器タイプのプログラム２６によって動作し、該プログラム２６では、利得および時間定数が調節される。双一次近似により、デジタルコントローラ２６の漸化式を見付けることが可能となる。この構成は、プロセスの精度、速度、および安定性を向上させる。

基準値のステップに応答して、観測器８は、線形システムにとって計算を単純化させるのに有利な時間多項式の形での計算を使用して、開ループモードで計算するプログラム２７により動作する。これは、時間に応じて速度調整器６に加えられる制御信号１５の変化を最適化させ、プロセスチャンバ１中での２つの連続したプロセス状態の間の移行中のすべての制約に従うことができる。

このようにして、観測器８は、プロセスの移行段階の間は開ループモードで動作し、プロセスの定常状態の間は閉ループモードで動作するようにプログラムされている。

図５に示した実施形態において、流量基準は、圧力基準が変化したとき、最適化された応答時間を維持しながらオーバーシュートまたはアンダーシュートを制限するためにモジュール２８に作用する。モジュール２８は、特に、パージ流量、ポンプのタイプ、システムのコンダクタンス、およびプロセスチャンバ１の容積を与える圧力および流量に応じて、真空およびプロセス発生システム２２の反応定数を考慮に入れてプログラム可能になっている。

いずれの実施形態でも、一次ポンプと同時に制御される二次ポンプは、ターボ分子ポンプとすることが可能である。

一次ポンプと同時に制御される二次ポンプはまた、ルーツタイプのポンプとすることも可能である。そのような条件では、制御されたルーツタイプの二次ポンプと調整された圧力エンクロージャとの間に、ターボ分子ポンプを介在させることがあり得る。ゲージ、プローブ、およびセンサは、介在させたターボ分子ポンプの吸気口でも排気口でも、どちらにでも配置することができる。

本発明はまた、乾式機械式一次ポンプ４と少なくとも１つの二次ポンプ５とを有するポンプユニット３、真空エンクロージャ１、およびこの真空エンクロージャ１をポンプユニット３に接続する配管２を有する真空ポンピング装置に関する。

ポンプの中に存在する液体またはオイルによるガスの汚染、およびガス中への逆拡散を避けるように、一次ポンプ４を乾式機械式ポンプにすることは重要なことである。結果として、本発明の装置は、半導体デバイス、および他のマイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスの製造に応用可能となる。

本発明において、ポンピング装置は、上述したような圧力調節システムを含んでいる。

当然のことであるが、本発明が説明した実施形態に限定されることはなく、当業者であれば本発明から逸脱することなく数多くの変形を達成することは可能である。

Claims (14)

1. 半導体部品、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスの製造用のプロセスガスを入れるためのエンクロージャ（１）内の圧力を調整するためのシステムであって、エンクロージャは、乾式機械式一次ポンプ（４）と少なくとも１つの二次ポンプ（５）とからなるポンプユニット（３）に配管（２）で接続され、
   乾式機械式一次ポンプ（４）と前記少なくとも１つの二次ポンプ（５）との両方の回転速度を同時に制御する速度調整器（６）を含むことを特徴とする、エンクロージャ（１）内の圧力を調整するためのシステム。
2. 速度調整器（６）が、エンクロージャ（１）および配管（２）中に含まれている排出物の凝縮曲線に基づいて計算された、ポンプの所定の回転速度プロファイル（２０）にサーボ制御されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 速度調整器（６）が、エンクロージャ（１）および配管（２）中の排出物の非乱流の空気力学特性に基づいて計算された、ポンプの所定の回転速度プロファイル（２０）にサーボ制御されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 制御された二次ポンプ（５）の上流側に取り付けられて圧力を監視する圧力ゲージ（７）と、監視された圧力に比例する入力値（９）および可変の基準圧力（１７）に比例する入力値（１０）を受け取り、制御信号（１７）を速度調整器（６）に出力して、ポンプ（４、５）の回転速度を入力値に応じて増減させる観測器（８）とを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 制御された乾式機械式一次ポンプ（４）の上流側に取り付けられて圧力を監視する圧力ゲージ（７’）を備え、観測器（８）が、監視された圧力に比例する入力値（９’）を受け取ることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 制御された二次ポンプ（５）の上流側に取り付けられて温度を監視する温度プローブ（１１）を備え、観測器（８）が、監視された温度に比例する入力値（１２）を有することを特徴とする請求項４または５に記載のシステム。
7. 制御された二次ポンプ（５）の上流側に取り付けられて乱流の程度を定量化する乱流センサ（１３）を備え、観測器（８）が、定量化された乱流の程度に比例する入力値（１４）を有することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 制御された二次ポンプの上流側および／または下流側に取り付けられて粒子のレベルを測定する粒子センサ（１３）を備え、観測器（８）が、配管中の粒子の数に比例する入力値（１９）を有することを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 観測器（８）が、エンクロージャ（１）中の半導体デバイス、マイクロテクノロジーデバイスまたはナノテクノロジーデバイスの処理における段階中に、基準（２４、２５）におけるステップを受けたことに応答して、５秒未満の反応時間（Ｔ）および５％未満のオーバーシュートを与える、速度調整器（６）のための制御信号（１５）を生成するようにプログラムされていることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 観測器（８）が、プロセスの移行段階中には開ループモードで動作し、プロセスの定常状態中には閉ループモードで動作するようにプログラムされていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 乾式機械式一次ポンプ（４）と少なくとも１つの二次ポンプ（５）とを有するポンプユニット（３）、真空エンクロージャ（１）、および真空エンクロージャ（１）をポンプユニット（３）に接続する配管（２）からなり、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力調整器システムを含むことを特徴とするポンピング装置。
12. 乾式機械式一次ポンプ（４）と同時に制御される二次ポンプ（５）が、ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１１に記載のポンピング装置。
13. 乾式機械式一次ポンプ（４）と同時に制御される二次ポンプ（５）が、ルーツタイプのポンプであることを特徴とする請求項１１に記載のポンピング装置。
14. ルーツタイプの制御された二次ポンプ（５）と真空エンクロージャ（１）との間にターボ分子ポンプを含むことを特徴とする請求項１３に記載のポンピング装置。

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