JP2011044446A - 圧力制御機器、圧力制御方法および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の処理工程（プロセス）を連続して行う基板処理装置において、チャンバー内の処理ガス流量や処理ガス圧力の大幅な変動に対して短時間で連続的に応答可能な圧力制御を行う圧力制御機器、圧力制御方法および該圧力制御機器を備える基板処理装置を提供する。
【解決手段】処理ガスが供給される減圧状態の処理室で複数の処理工程を行う基板処理装置であって、処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、処理室の内部を排気する排気機構と、排気機構の排気量を調節する排気バルブと、複数の処理工程それぞれに最適な処理ガス圧力を算出するための演算テーブルを複数有し、演算テーブルに基づいて排気バルブの開度を制御する演算制御機構と、を備える基板処理装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体製造における基板への薄膜の成膜や、太陽電池製造時にアモルファスＳｉの成膜などを行う場合に用いる、複数の処理工程を実施可能な基板処理装置の圧力制御を行う圧力制御機器、圧力制御方法および該圧力制御機器を備える基盤処理装置に関する。

従来、半導体の製造においては、成膜を行う例えば平行平板型の処理装置やＣＶＤ型の装置と、エッチングを行うエッチング装置等とは、それぞれ別々の処理工程を行うため、各工程ごとに異なるプラズマ処理装置が用いられていた。また、太陽電池の製造におけるアモルファスＳｉの成膜、即ち、ＰＩＮ層の成膜ではＰ層、Ｉ層、Ｎ層のそれぞれを成膜する処理装置が別々に用いられていた。即ち、従来の成膜処理では、複数の工程についてはそれぞれ別の処理装置を用いて行っていた。このとき、各処理装置における成膜条件の違いから、そこに導入するガス流量、圧力、マイクロ波パワーはそれぞれ異なる。各処理装置内の圧力制御には一般的にＡＰＣ（ＡＵＴＯ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）と呼ばれるコンダクタンス制御機器が使用される。

ＡＰＣとは、使用ガス流量と排気速度から最適な演算テーブルを設定し、その演算テーブルを用いるＰＩＤ制御方式によって、処理装置内の圧力制御を行う圧力制御機器である。その最適な演算テーブルは処理容器内の処理ガス流量、設定圧力によって異なる値となる。

ＰＩＤ制御方式を用いる従来技術として、例えば特許文献１には、プラズマ処理を行う減圧処理室の圧力制御を行う圧力制御装置と圧力制御方法が開示されている。特許文献１に記載の圧力制御方法によれば、従来用いられていたＰＩＤ制御演算式を改良し、ＰＩＤ制御演算式における定数を最適な値とすることで、排気に用いるスロットルバルブのバルブ開度と排気速度の関数が非線形な場合でもハンチングの少ない安定した圧力制御が可能となる。即ち、ＰＩＤ制御演算式において積分ゲインおよび比例ゲインを求める際の定数の値を、特定のガス種、ガス流量および目標圧力において最適化し、かつ事前に排気特性の関数を求めておけば、スロットルバルブの構造にかかわらず最適な圧力制御が可能となる。

特開２００８−１８７１３９号公報

上記特許文献１に記載の圧力制御方法は、成膜やエッチング等の処理工程を、それぞれに対応する基板処理装置で担当させることが前提となっている。しかし、近年、半導体製造時に成膜する基板の大型化や、太陽電池パネル用基板の大型化が実現されてきており、その大型基板に対応する基板処理装置についても大型化が求められている。基板処理装置の大型化に伴い、複数の処理工程についてそれぞれに対応する複数の基板処理装置を用いると、複数の大型基板処理装置を用いることによる製造ライン全体の大型化が進み、スペース効率の悪さが問題となる。さらに、高額である大型の基板処理装置を複数台使用するため、コストの面でも問題があった。

そこで、大型基板の処理を行う場合には、大型基板処理装置１台で複数の工程（プロセス）を連続して実施することで、上記問題点であるスペース効率の悪さやコスト効率の悪さが解消されると考えられる。ここで、複数のプロセスを１台の基板処理装置で連続して行う場合、基板処理装置のチャンバー（処理室）内の雰囲気を短時間で変更させることが必要とされる。即ち、チャンバー内のマイクロ波投入の有無、ガス圧力およびガス流量を短時間で大きく変動させる必要があるため、上記特許文献１に記載されているような特定のガス種、ガス流量および目標圧力でもって最適な演算テーブルを設定するだけでは、十分に安定した圧力制御が行われないという問題点があった。また、チャンバー内のガス流量や圧力を安定させる圧力制御が行われたとしても、基板処理装置は上記ＡＰＣによって、最初のプロセスにおける使用ガス流量と排気速度から最初のプロセスに最適な演算テーブルが設定されているため、チャンバー内の状態が安定するまでにかなりの応答時間がかかってしまうという問題点があった。さらに、プロセス変更時に短時間でＡＰＣによる最適な圧力制御が行われないことから、チャンバー内の圧力変化において大幅なアンダーシュートやオーバーシュートが発生する恐れがあった。

また、プラズマ処理を行う基板処理装置の場合、例えば混合ガスを処理ガスとして用いる際に、処理ガスがチャンバー内に生成されたプラズマ中で解離し、そのモル数が変動してしまい、その結果チャンバー内の処理ガス流量が変化してしまうことがある。従来、上記ＡＰＣでは導入する処理ガスの流量に基づいて最適なＰＩＤが設定されるため、導入後の処理ガスのモル数の変動によるガス流量の変化に対応することができず、チャンバー内の圧力制御を安定して行うことができないという問題点もあった。

上述した問題点に鑑み、本発明の目的は複数の処理工程（プロセス）を連続して行う基板処理装置において、チャンバー内の処理ガス流量や処理ガス圧力の大幅な変動に対して短時間で連続的に応答可能な圧力制御を行う圧力制御機器、圧力制御方法および該圧力制御機器を備える基板処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、処理ガスが供給される減圧状態の処理室で複数の処理工程を行う基板処理装置であって、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、前記処理室の内部を排気する排気機構と、前記排気機構の排気量を調節する排気バルブと、前記複数の処理工程それぞれに最適な処理ガス圧力を算出するための演算テーブルを複数有し、前記演算テーブルに基づいて前記排気バルブの開度を制御する演算制御機構と、を備える基板処理装置が提供される。

上記基板処理装置によれば、複数の処理工程（プロセス）に対応した演算テーブルを有しているため、各プロセスの移行時に処理ガス圧力の目標値への制御を短時間で連続的に行うことが可能となる。移行するプロセスによっては、移行前のプロセスでの処理ガス圧力と、実行するプロセスでの必要とされる処理ガス圧力の差が非常に大きいため、この移行時の処理ガス圧力の変更を短時間で連続的に行えることにより基板処理工程全体としての効率が大幅に上昇することとなる。近年求められている大型基板の処理を行う場合、複数の処理工程を連続的に行うことができる大型基板処理装置を用いることで、基板処理装置の導入コストを、複数台の各プロセスを単独で行う装置を用いる場合に比べ大きく削減でき、さらに、大型基板の処理装置間での搬送コストの削減も可能となる。

従来の単一工程のみを行う基板処理装置に比べ、例えばプラズマを生成して行う処理工程（プロセス）の場合、そのプロセス開始時、即ちプラズマ生成のオン／オフ時に、そのタイミングから安定した圧力制御が行われるため、膜質の向上が図られることとなる。例えばＣＶＤ処理においては初期層の膜質が製品の品質に大きな影響を及ぼすため、初期層の膜質向上は製品の品質向上につながる。また、太陽電池の製造における成膜では、膜質がその発光性能に関わるため膜質の向上が品質向上につながる。

また、前記処理室内にＤＣ放電または高周波放電（ＲＦ、ＵＨＦ、ＶＨＦ、マイクロ波）を用いてプラズマを生成するプラズマ生成機構を有していてもよく、前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルであってもよい。ここで、前記複数の処理工程とは、成膜工程、エッチング工程、イオン注入拡散工程のうち２以上の工程である。なお、前記複数の処理工程は２以上のエッチング工程等であってもよく、複数の同一工程か異種工程であるかは問わない。

また、別な観点からの本発明によれば、基板処理にかかる複数の処理工程を行う際の最適な処理ガス圧力を算出し、処理ガス圧力を制御する演算制御機構であって、前記最適な処理ガス圧力を算出するための演算テーブルを複数有する、演算制御機構が提供される。ここで、前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルであってもよい。

さらに、別の観点からの本発明によれば、処理ガスが供給される減圧状態の基板処理室の処理ガス圧力を制御する圧力制御方法であって、
複数の処理工程に対応する前記処理ガス圧力を算出する演算テーブルを複数有する演算制御機構を用いて、前記演算テーブルで算出される前記処理ガス圧力に基づいて前記基板処理室の排気量を調節し、前記基板処理室の内部ガス圧力を目標値に制御する、圧力制御方法が提供される。ここで、前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルであってもよい。

本発明によれば、複数の処理工程（プロセス）を連続的に行う基板処理装置において、各処理工程間の移行時に複数の演算テーブルを有する演算制御機構を用いて、短時間で連続的に基板処理装置内の処理ガス圧力を制御することが可能となる。そのため、処理工程の移行時の処理ガス圧力の安定化を短時間で連続的に行うことができ、安定的かつ効率的な基板処理が実施可能となる。即ち、基板処理の安定化・効率化により基板の製造コストの低減が図られる。

基板処理装置１の断面概略図である。 制御バルブの開度を１、５、１０、５０、１００％とし、ＡｒおよびＨ_２の流量を０〜１０００ｓｃｃｍとした時の処理室内の圧力を算出したグラフである。 処理ガス流量が１００、５００、１０００ｓｃｃｍの場合に、制御バルブの開度を変更した場合の処理室内圧力の値を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本実施の形態にかかる基板処理装置１の断面概略図である。なお本実施の形態にかかる基板処理装置１においては、例えば半導体製造のための、基板Ｇに対する成膜工程、エッチング工程や、イオン注入拡散工程等の複数の真空工程、プラズマ工程が行われる。

基板処理装置１には基板Ｇの処理を行う処理室１０が設けられ、処理室１０内下方には基板Ｇと基板Ｇを支持する支持台１３が設置されている。また、処理室１０内上方側部には基板処理に用いる処理ガスを供給する処理ガス供給部２０と連通する処理ガス導入路２１が設けられており、処理室１０で行われる工程に応じた処理ガスが、処理ガス供給部２０から処理室１０内へ供給される。

また、処理室１０の上部にはマイクロ波を発生させるマグネトロン３０、導波管３１および石英窓３２が設けられ、マグネトロン３０から発生したマイクロ波が処理室１０内に導入され、処理室１０内においてプラズマ３５を生成させることが可能となっている。ここで、基板処理装置１においては、複数の工程が実施されるため、マイクロ波パワーの調節が可能となっており、プラズマの生成についてはその生成の有無を調整することが可能である。

処理室１０側部には、処理室１０内の圧力を測定する圧力計４０（測定部４０’）が備えられ、随時内圧を測定することが可能となっている。また、処理室１０の外部には、演算制御部５０が設けられており、圧力計４０で測定された処理室１０の内圧は随時演算制御部５０に送られる。一方、処理室１０の下部には、処理室１０の排気を行う、例えばターボ分子ポンプである排気ポンプ６０が排気管６１を介して連通している。排気管６１には排気量を調節する排気バルブ６２が連通しており、排気バルブ６２の開度によって排気ポンプ６０による処理室１０の排気を調節することができる。ここで、排気バルブ６２には、ＡＰＣ６５（ＡＵＴＯ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）が搭載され、そのＡＰＣ６５には演算制御部５０からの制御信号が送られ、排気バルブ６２の開度を制御する構成となっている。

また、演算制御部５０には複数の演算テーブル（ＰＩＤテーブル）が搭載されている。通常、ここで用意される演算テーブルの数は、基板処理装置１において実行される処理工程（プロセス）のそれぞれに対応可能な数だけ用意される。演算制御部５０では、処理ガス供給部２０からのガス流量の値と圧力計４０で測定される処理室１０内の圧力値に基づいて、上記演算テーブルを用いてＡＰＣ６５を備える排気バルブ６２を制御する。排気バルブ６２の制御により、処理室１０内の圧力値を目標値に制御することとなる。

以上説明したように構成される基板処理装置１において、複数の処理工程（プロセス）が実行される場合の処理室１０の圧力制御について以下に説明する。なお、本実施の形態においては、第１の工程としてプラズマを用いない工程（例えばエッチング工程等の真空工程）を行い、第２の工程としってプラズマを用いる工程（例えば成膜工程等のプラズマ工程）が行われるものとして説明する。

まず、第１の工程のプロセス条件（処理ガス種・処理ガス流量・処理ガス圧力・マイクロ波パワーならびにプラズマの有無）を決定する。これは、所望の膜を得るための条件として事前に定めるものである。そして、演算制御部５０に第１の工程のプロセス条件に対応する演算テーブルを入力する。そして、第１の工程に対応した演算テーブルが演算制御部５０からＡＰＣ６５に送られることにより排気バルブ６２の制御、即ち処理室１０内の圧力制御が実行される。圧力制御の完了は圧力計４０の測定により演算制御部５０に制御完了信号として送られる。制御完了信号が演算制御部５０に送られた後、第１の工程が開始される。

ついで、第１の工程終了後には、第２の工程のプロセス条件（処理ガス種・処理ガス流量・処理ガス圧力・マイクロ波パワーならびにプラズマの有無）を決定する。そして、演算制御部５０に第２の工程のプロセス条件に対応する演算テーブルを入力する。そして、第２の工程に対応した演算テーブルが演算制御部５０からＡＰＣ６５に送られることにより排気バルブ６２の制御、即ち処理室１０内の圧力制御が実行される。圧力制御の完了は圧力計４０の測定により演算制御部５０に制御完了信号として送られる。制御完了信号が演算制御部５０に送られた後、第２の工程が開始される。なお、基板処理装置１において実行される工程が上述した第１の工程と第２の工程のみである場合には第２の工程終了後再び第１の工程が上述した方法での圧力制御のもとで実行され、以後第１の工程と第２の工程が繰り返し行われる。

また、本実施の形態では、第１の工程と第２の工程の２工程が基板処理装置１において実施される場合を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、１台の基板処理装置で複数の処理工程（プロセス）が行われる場合に適用が可能である。

続いて、上述した圧力制御における演算テーブルの導出原理・導出方法について、表および図面を参照して説明する。基板処理装置においては、様々な種類の処理ガスが用いられるが、ここでは説明のために処理ガスとしてＡｒ（アルゴン）とＨ_２（水素）を用いる場合を例として説明する。

表１はＡＰＣによる制御バルブの開度を１、５、１０、５０、１００％（バルブ全開の場合を１００％とする）とし、ＡｒおよびＨ_２の流量を０〜１０００ｓｃｃｍ（１００ｓｃｃｍ刻みで測定）とした時の処理室内の圧力を算出したものである。また、図２（ａ）〜（ｅ）は表１をグラフにしたものであり、ＡＰＣによる制御バルブの開度が１〜１００％の場合を図２（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ示した。

通常、制御バルブの開度が上昇すればするほど、排気が行われるため、処理室内の圧力は減少すると考えられる。Ａｒについての処理室内圧力は、制御バルブの開度が上昇するほど減少していることが図２のグラフから読み取れるが、Ｈ_２については、必ずしも制御バルブの開度が上昇するほど圧力が減少するような特性とはなっていない。これは、Ｈ_２の質量・径が非常に小さいため、制御バルブが一定以上開いた状態では、Ｈ_２の圧力は排気ポンプの排気効率に排気が依存してしまい、処理内の圧力が排気バルブの開度に依らなくなっていることを示している。

また、表２は処理ガスとしてＡｒおよびＨ_２を用いた場合の、処理ガス流量が１００、５００、１０００ｓｃｃｍの場合のそれぞれにおいて、制御バルブの開度を変更した場合の処理室内圧力の値を示す表である。図３（ａ）〜（ｃ）は表２をグラフにしたものであり、処理ガス流量が１００、５００、１０００ｓｃｃｍの場合をそれぞれ図３（ａ）〜（ｃ）とした。

図３に示すように、処理ガスとしてＡｒを用いた場合と、Ｈ_２を用いた場合との処理室内圧力を比較すると、処理ガス流量が１００ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍであるとき（図３（ａ）、（ｂ））、制御バルブの開度が２０％以下ではその圧力に大きな違いがあることが読み取れる。即ち、処理ガス流量を１００ｓｃｃｍおよび５００ｓｃｃｍとした場合に、１つの処理工程において、処理ガスとしてＡｒを用いた場合の演算テーブルを算出し圧力制御を行い、その後、処理ガスがＨ_２である場合に該演算テーブルを適用させて圧力制御を行うと、その圧力制御は、特に制御バルブの開度を２０％以下とする場合においては正しい圧力制御とならないことがわかる。

また、処理ガス流量が１０００ｓｃｃｍであるとき（図３（ｃ））、処理ガスがＡｒである場合とＨ_２である場合とは処理室内圧力と制御バルブの開度の関係が全く異なっている。そのため、一方の処理工程の条件に合わせた演算テーブルを用いて他方の処理工程の圧力制御を行った場合、正しい圧力制御ができないこととなる。

つまり、ＡＰＣによる制御バルブの開度と処理室内の圧力との関係は、処理ガス種の特性等に依存し、一義的に定まるものではなく、複数の処理工程を行うためには、開度と圧力の関係を求めるための複数の演算テーブルが必要となる。特にＨ_２やＨｅといった原子の質量・径が小さい気体については、この傾向が顕著である。また、例えばメタンＣＨ_４やシランＳｉＨ_４などのＨ_２を含む混合ガスを処理ガスとして用いる場合にも同様である。従来用いていたＡＰＣにおいては、１つの処理工程を１つの処理装置で行っていたため１つの演算テーブルしか有されておらず、また、１つの処理工程を行うだけであればそれで十分であった。しかし、１つの基板処理装置で複数の処理工程を行う場合には、上述した問題を解決するため複数の演算テーブルを導入する必要がある。

演算テーブルは、図３にＡｒとＨ_２の場合を例示した、処理ガス（図３ではＡｒおよびＨ_２）についての制御バルブの開度と処理室内の圧力との関係をその開度ごとに求めたものによって定めることができる。なお、図３はＡｒ、Ｈ_２についての演出テーブルを定めるためのグラフであるが、他の処理ガスについても同様のグラフを算出することで演算テーブルが定まる。

以上説明したように、各処理工程に対応する処理ガスのガス種やガス流量等を定めた状態で、各処理工程に対応する演算テーブルをあらかじめ得ておき、その演算テーブルが基板処理装置１の演算処理部５０からＡＰＣ６５に送られることで各処理工程における処理室の圧力制御が、高精度で目標値の圧力になるように行われる。これにより、複数の処理工程（プロセス）を連続的に行う基板処理装置において、各処理工程間の移行時に各演算テーブルをＡＰＣに送り、短時間で連続的に基板処理装置内の処理ガス圧力を正確に制御することが可能となる。そのため、処理工程の移行時の処理ガス圧力の安定化を短時間で連続的に行うことができ、安定的かつ効率的な基板処理が実施可能となる。また、基板処理の安定化・効率化により基板の製造コストの低減が図られる。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記説明した実施の形態では、演算制御部５０に複数の演算テーブル（ＰＩＤテーブル）が搭載され、その演算テーブルがＡＰＣ６５に送られることで排気バルブ６２の制御が行われることとしたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、演算テーブルの記憶部分が基板処理装置１に付随して搭載され、各処理工程を行う場合にそのプロセス条件を基板処理装置１に入力すると同時に、記憶されている演算テーブルをそのプロセス条件に当てはめ、合致する演算テーブルがＡＰＣ６５に送られる構成をとってもよい。

また、基板処理装置１ではなく、ＡＰＣ６５に演算テーブルの記憶部分が搭載されていてもよい。この場合には、基板処理装置１に入力されたプロセス条件に対応する演算テーブルがＡＰＣ６５において選択され、その選択された演算テーブルと演算制御部５０からの信号によって制御バルブの開閉、即ち圧力制御が行われる。

なお、上記実施の形態では、基板処理装置１としてマイクロ波プラズマ処理装置を例示して説明したが、本発明にかかる圧力制御方法の適用例はこれに限られるものではない。例えば、太陽電池基板を製造する場合に用いられる平行平板型のプラズマ処理装置や、プラズマを用いない工程のみに用いられる基板処理装置に対しても有効に適用することが可能である。

本発明は、例えば半導体製造における基板への薄膜の成膜や、太陽電池製造時にアモルファスＳｉの成膜などを行う場合に用いる、複数の処理工程を実施可能な基板処理装置の圧力制御を行う圧力制御機器、圧力制御方法および該圧力制御機器を備える基盤処理装置に適用できる。

１…基板処理装置
１０…処理室
１３…支持台
２０…処理ガス供給部
２１…処理ガス導入路
３０…マグネトロン
３１…導波管
３２…石英窓
４０…圧力計
５０…演算制御部
６０…排気ポンプ
６１…排気管
６２…排気バルブ
６５…ＡＰＣ（ＡＵＴＯ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ）
Ｇ…基板

Claims (8)

1. 処理ガスが供給される減圧状態の処理室で複数の処理工程を行う基板処理装置であって、
   前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
   前記処理室の内部を排気する排気機構と、
   前記排気機構の排気量を調節する排気バルブと、
   前記複数の処理工程それぞれに最適な処理ガス圧力を算出するための演算テーブルを複数有し、前記演算テーブルに基づいて前記排気バルブの開度を制御する演算制御機構と、を備える基板処理装置。
2. ＤＣ放電または高周波放電（ＲＦ、ＵＨＦ、ＶＨＦ、マイクロ波）を用いて前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成機構を有する、請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルである、請求項１または２に記載の基板処理装置。
4. 前記複数の処理工程とは、成膜工程、エッチング工程、イオン注入拡散工程のうち２以上の工程である、請求項１〜３のいずれかに記載の基板処理装置。
5. 基板処理にかかる複数の処理工程を行う際の最適な処理ガス圧力を算出し、処理ガス圧力を制御する演算制御機構であって、
   前記最適な処理ガス圧力を算出するための演算テーブルを複数有する、演算制御機構。
6. 前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルである、請求項５に記載の演算制御機構。
7. 処理ガスが供給される減圧状態の基板処理室の処理ガス圧力を制御する圧力制御方法であって、
   複数の処理工程に対応する前記処理ガス圧力を算出する演算テーブルを複数有する演算制御機構を用いて、前記演算テーブルで算出される前記処理ガス圧力に基づいて前記基板処理室の排気量を調節し、前記基板処理室の内部ガス圧力を目標値に制御する、圧力制御方法。
8. 前記演算テーブルは、ＰＩＤ制御演算を行うＰＩＤテーブルである、請求項７に記載の圧力制御方法。

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