JP2014194966A - 処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理容器内の圧力を、短時間で所望の圧力値又は圧力範囲へと到達することが可能な処理方法を提供すること。
【解決手段】ガス供給系、排気系及び開度可変弁が接続された処理容器内で、複数の連続した処理ステップで、処理ガスを用いて被処理体に処理を施す処理方法であって、前記複数の連続した処理ステップの少なくとも１つの処理ステップに対して、該処理ステップの所定の処理条件での前記処理容器内の目標圧力値に対応する、前記開度可変弁の開度を取得する、取得段階と、前記複数の連続した処理ステップを実行する実行段階であって、前記取得段階で前記開度を取得した前記処理ステップでは、該開度で前記処理ステップを実行する、実行段階と、を有する、処理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理方法及び処理装置に関する。

半導体装置の製造においては、被処理体である半導体ウエハに対して、成膜処理、酸化処理、拡散処理、アニール処理、エッチング処理などの処理が施される。

各々の処理を実施する処理装置は、一般的に、ガス供給系及び真空排気系が接続された処理容器を有し、この処理容器内に収容された半導体ウエハに対して、所定の温度、圧力及びガス雰囲気で所定の処理を施すことができる。

処理容器内の圧力制御には、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、流入ガス及び排気ガスの流量など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、処理容器内の圧力制御を行う圧力制御機器である。この際、被処理体が載置された処理容器内の圧力は、所定の圧力となるように、圧力計の情報をフィードバックしながら、圧力制御弁の開度を自動調整するクローズドループ方式で制御される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−４４４４６号公報

しかしながら、ＰＩＤ制御方式を利用して処理容器内部の圧力を制御する方法では、処理容器内の圧力が、要求される圧力値又は圧力範囲に収束するまでに、長い時間を要する。

上記課題に対して、処理容器内の圧力を、短時間で所望の圧力値又は圧力範囲へと到達することが可能な処理方法を提供する。

ガス供給系、排気系及び開度可変弁が接続された処理容器内で、複数の連続した処理ステップで、処理ガスを用いて被処理体に処理を施す処理方法であって、
前記複数の連続した処理ステップの少なくとも１つの処理ステップに対して、該処理ステップの所定の処理条件での前記処理容器内の目標圧力値に対応する、前記開度可変弁の開度を取得する、取得段階と、
前記複数の連続した処理ステップを実行する実行段階であって、前記取得段階で前記開度を取得した前記処理ステップでは、該開度で前記処理ステップを実行する、実行段階と、
を有する、処理方法。

処理容器内の圧力を、短時間で所望の圧力値又は圧力範囲へと到達することが可能な処理方法を提供できる。

本実施形態に係る処理装置の一例の概略構成図である。 図１の処理装置の処理容器近傍の概略構成図である。 図１の処理装置の開度可変弁近傍の概略構成図である。 本実施形態に係る処理方法の一例のフロー図である。 本実施形態に係る処理方法を説明するための概略図である。 本実施形態に係る取得段階を説明するための概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

なお、本実施形態においては、好ましい処理装置として、被処理体（例えば半導体ウエハＷ）に対して、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）処理、熱化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）処理、酸化処理などの各種処理を実施可能である、後述する図２に示されるような縦型熱処理装置を使用する実施形態について説明する。しかしながら、本発明はこの点において限定されず、プラズマＣＶＤ成膜装置、マイクロ波プラズマ処理装置、プラズマイオン注入成膜装置などにも適用可能である。

また、本発明は、複数の連続した処理ステップを行うプロセスであれば、どのようなプロセスであっても適用可能であり、好ましくは、複数の連続した処理ステップにおいて、隣り合う処理ステップ間において目標圧力値が変動するプロセスに、好適に適用可能である。

複数の連続した処理ステップを有するプロセスにおいて、特にＡＬＤプロセスは、他の半導体処理プロセスと比較して、所望の目標圧力値に、より早く、より高い精度で調整することが要求される成膜手法である。具体例として、ある処理ステップにおいて、処理ガス容器内に処理ガスを導入して成膜し、次の処理ステップにおいて、処理ガス容器内からパージガスを導入して処理ガスを排気する場合について説明する。ある処理ステップからから次の処理ステップへの移行時において、処理容器内にパージガスを導入してから処理ガスを排気するまでの処理時間は、一般的に、およそ数秒とすることが要求される。そのため、本実施形態における、短時間で所定の設定圧力範囲へと到達可能な処理方法を、好ましく適用することができる。

（処理装置）
図１に、本実施形態に係る処理装置の一例の概略構成図を示す。また、図２に、図１の処理装置の処理容器近傍の概略構成図を示す。

本実施形態に係る処理装置１００は、長手方向が垂直である、例えば石英製の処理容器１０２を有する。処理容器１０２は、図２に示されるように、例えば、円筒体の内筒１０２ａと、内筒１０２ａの外側に同心的に配置された有天井の外筒１０２ｂの２重管構造で構成される。

また、反応管１０２の下部には、ステンレスなどから形成されるマニホールド１０４によって、その下端部が気密に保持される。マニホールド１０４は、図示しないベースプレートに固定されていても良い。

マニホールド１０４は、処理容器１０２内に処理ガスや、不活性ガス（例えばＮ_２ガス）などのパージガスを導入するガス導入部１０６と、処理容器１０２内を排気するガス排気部１０８とを有する。なお、図１では、ガス導入部１０６が１つ設置される構成を示したが、本発明はこの点において限定されない。使用するガス種の数などに依存して、複数のガス導入部１０６を有する構成であっても良い。

ガス導入部１０６には、前述の各種ガスを導入するためのガス供給路なる配管１１０が接続される。また、ガス排気部１０８には、処理容器１０２内を減圧制御可能な真空ポンプ１１２や開度可変弁１１４などを有する真空排気路なる配管１１６が接続されている。

また、処理容器１０２の周囲には、処理容器１０２を所定の温度に加熱制御可能な、例えば円筒状のヒータ１１８が設けられている。

マニホールド１０４の下端部には炉口１２０が形成されており、この炉口１２０には、例えばステンレススチールから形成される円盤状の蓋体１２２が設けられている。この蓋体１２２は、昇降機構１２４により昇降可能に設けられており、炉口１２０を密閉可能とすることができる。

蓋体１２２の上には、例えば石英製の保温筒１２６が設置されている。また、保温筒１２６の上には、例えば２５枚から１５０枚程度のウエハＷを、水平状態で所定の間隔で多段に保持する、例えば石英製のウエハボート１２８が、載置されている。

ウエハボート１２８は、昇降機構１２４による蓋体１２２の上昇により処理容器１０２内に搬入され、蓋体１２２の下降により処理容器１０２内から下方のローディングエリアに搬出される。

前述したように、真空排気系の配管１１６には、開閉及び圧力制御が可能な開度可変弁１１４が設けられている。図３に、図１の開度可変弁１１４近傍の概略構成図を示す。

図３に示されるように、開度可変弁１１４は、下端部に入口１３０と、側部に出口１３２とを有するアングル弁形状の弁室１３４を備えている。この弁室１３４内には、入口１３０の奥部で径方向外方に拡大された平面状の弁座１３６が形成されている。同時に、この弁座１３６に着座及び離反移動調節可能に弁体１３８が設けられている。

弁室１３４及び弁体１３８は、ステンレススチールなどの、耐熱性及び耐食性を有する材料によって形成される。

また、弁体１３８の弁座１３６に着脱する部分には、封止手段として、フッ素ゴムなどから構成されるＯリング１４０が設けられている。

弁体１３８の上端中央部には、弁棒１４２が垂直に設けられ、弁室１３４の頂部には、弁室１３４の上端部を貫通する弁棒１４２を介して、弁体１３８を弁座１３６に着座及び離反移動調節する弁体駆動部１４４が設けられている。

弁体駆動部１４４は、例えばパルスモータ及びネジ送り機構などの駆動手段を使用することができる。

また、弁体１３８の上端部と弁室１３４内の上端部との間には、弁棒１４２の周囲を覆うようにベローズ１４６が、例えば溶接により介設されている。ベローズ１４６は、弁体１３８の移動を許容しつつ弁棒１４２の環通部を封止することができる。

弁体１３８は、円形に形成されると共に、下方に段階的に縮径して形成されている。この弁体１３８の形状に対応して、弁座１３６の入口１３０側の形状も、段階的に縮径して形成されている。

弁体１３８の上端最大径部１４８の下面は、弁座１３６の上面部と対向するように形成され、その部分にＯリング１４０が設けられている。なお、弁体１３８の縮径部は、上端最大径部１３８の下部に、複数段、例えば上段１５０、中段１５２及び下段１５４の３段に形成されている。

弁体１３８及び弁座１３６の縮径部には、弁体１３８の移動方向と直交する方向で対向する周壁部１３８ａ、１３６ａが形成されている。これら対の周壁部１３８ａ、１３６ａは、弁体１３８の開弁移動方向に段階的に径を大きくして形成されている。

また、周壁部１３８ａと１３６ａとの間には、微調節用の空隙１５６が設けられている。上段１５０、中段１５２及び下段１５４の高さｈ１、ｈ２及びｈ３は、ｈ１＞ｈ２＞ｈ３となるよう形成されている。また、上段１５０、中段１５２及び下段１５４における、空隙１５６の幅ｓ１、ｓ２及びｓ３は、ｓ１≧ｓ２≧ｓ３となるよう形成されている。

空隙１５６における、真空圧力のコンダクタンスは、空隙１５６の横断面積に反比例し、空隙１５６の距離寸法に比例する関係にある。また、弁体１３８を開弁位置から徐々に開弁する場合、圧力は先ず、横断面積が小さい下段１５４の空隙１５６により支配され、次いで中段１５２の空隙１５６、上段１５０の空隙１５６へと移行する。このような構成とすることにより、比較的真空度が低い圧力範囲での制御においても、容易に圧力制御を実施することが可能となる。

配管１１６であって、処理容器１０２と開度可変弁１１４との間の配管１１６には、処理容器１０２内の圧力を測定する圧力計１６０が備えられ、随時処理容器１０２内の内圧を測定することが可能となっている。

また、処理容器１０２の外部には、制御部１６２が設けられている。制御部１６２は、例えば、図示しない演算処理部、記憶部及び表示部を有する。演算処理部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を有するコンピュータである。記憶部は、演算処理部に、各種の処理を実行させるためのプログラムを記録した、例えばハードディスクにより構成されるコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。表示部は、例えばコンピュータの画面よりなる。演算処理部は、記憶部に記録されたプログラムを読み取り、そのプログラムに従って、後述するような処理方法を実行する。

また、圧力計１６０で測定された処理容器１０２内の圧力は、随時、制御部１６２に送られる。さらに、開度可変弁１１４には、ＡＰＣ１６４が搭載されており、ＡＰＣ１６４には制御部１６２からの制御信号が送られ、開度可変弁１１４の開度を制御可能な構成となっている。

制御部１６２には、例えばＰＩＤ演算制御の演算テーブルが搭載されている。制御部１６２では、後述する取得段階において、圧力計１６０の圧力値（処理容器１０２内の圧力）に基づいて、演算テーブルを用いてＡＰＣ１６４を備える開度可変弁１１４を制御可能な構成となっている。開度可変弁１１４の制御により、処理容器１０２内の圧力値を、処理ガスの種類、処理ガスの流量及び処理温度などの処理条件での処理容器１０２の内圧（目標圧力値）へと制御可能となっている。

（処理方法）
次に、以上説明したように構成される処理装置において、本実施形態に係る処理方法について、以下に説明する。より具体的には、処理容器１０２内の被処理体に対して、複数の連続した処理工程が実行される場合の処理容器１０２内の圧力制御について、以下に説明する。

図４に、本実施形態に係る処理方法の一例のフロー図を示す。

本実施形態に係る処理方法は、
複数の連続した処理ステップの少なくとも１つの処理ステップに対して、該処理ステップの所定の処理条件での前記処理容器内の目標圧力値に対応する、前記開度可変弁の開度を取得する、取得段階（Ｓ２００）と、
前記複数の連続した処理ステップを実行する実行段階であって、前記取得段階で前記開度を取得した処理ステップでは、該開度で前記処理ステップを実行する、実行段階（Ｓ３００）と、
を有する。

各々の処理ステップについて、図を参照して具体例を挙げて説明する。

［取得段階］
図５に、本実施形態に係る処理方法を説明するための概略図を示す。なお、本実施形態においては、第１の目標圧力値で処理を実施する第１の処理ステップと、この第１の処理ステップの後に、第２の目標圧力値で処理を実施する第２の処理ステップと、この第２の処理ステップの後に、第３の目標圧力値で処理を実施する第３の処理ステップとの、３つの連続した処理ステップによって、被処理体上に成膜する方法を、一例として説明する。しかしながら、本実施形態の処理方法は、複数の連続した処理ステップであれば、２つの処理ステップであっても良いし、４つ以上の処理ステップであっても良い。

先ず、取得段階の前段階として、第１の処理ステップ、第２の処理ステップ及び第３の処理ステップの各々の処理ステップにおける、目標圧力値を決定する。目標圧力値は、所望の膜を得るための条件として、当業者が、処理ガスの種類、処理ガスの流量及び処理温度の少なくとも１つ以上の処理条件と共に、事前に定めるものである。

そして、各々の処理ステップでの目標圧力値及び処理条件を、制御部１６２に入力する。入力された目標圧力値は、制御部１６２からＡＰＣ１６４へと送られることにより、先ず、第１の目標圧力値に関して、開度可変弁１１４の制御、即ち処理容器１０２内の圧力制御が実行される（Ｓ２００ａ）。この圧力制御は、第１の処理ステップと同じ処理条件下で、ＰＩＤ制御演算などの演算テーブルを使用して実行される。なお、「第１の処理ステップと同じ処理条件」とは、第１の処理ステップにおける、処理ガスの種類、処理ガスの流量及び処理温度などの処理条件が同じであることを意味する。

図６に、本実施形態に係る取得段階を説明するための概略図を示す。図６における横軸は時間であり、縦軸は圧力を指し、図６における実線は、処理容器１０２内の圧力値である。本実施形態では、図６における一点鎖線で示される、第１の目標圧力値に対応する開度を取得する方法について、説明する。

圧力制御は、図６に示されるように、処理容器１０２内の圧力が、第１の目標圧力値を中心とする所定の圧力範囲内に、所定の時間（収束判定時間）収まった時点で完了される。圧力制御の完了は、制御部１６２に制御完了信号として送られる。また、その時点での開度可変弁１１４の開度は、例えば制御部１６２内の記憶部に、第１の目標圧力値と共に開度Ｔａｂｌｅ１として格納される（Ｓ２１０ａ）。

なお、前述の「所定の時間」は、収束判定時間とも呼ばれ、当業者が適宜設定することができる。この収束判定時間は、長ければ長いほど、目標圧力値に対応する、開度可変弁の真の開度と近くなるが、判定に要する時間が長くなる。一般的に、収束判定時間は、１秒から６０秒程度であり、好ましくは１秒から３０秒程度、又は、１０秒から６０秒程度とされる。

次に、制御完了信号が制御部１６２に送られた後、第２の目標圧力値に関して、開度可変弁１１４の制御が実行される（Ｓ２００ｂ）。この圧力制御は、第２の処理ステップと同じ処理条件下で、ＰＩＤ制御演算などの演算テーブルを使用して実行される。

第２の目標圧力値に関する圧力制御も、第１の目標圧力値と同様に、処理容器１０２内の圧力が、第２の目標圧力値を中心とする所定の圧力範囲内に、所定の時間収まった時点で完了される。圧力制御の完了は、制御部１６２に制御完了信号として送られる。また、その時点での開度可変弁１１４の開度は、制御部１６２内の図示しない記憶部に、第２の目標圧力値と共に開度Ｔａｂｌｅ２として格納される（Ｓ２１０ｂ）。

次に、制御完了信号が制御部１６２に送られた後、第３の目標圧力値に関して、開度可変弁１１４の制御が実行される（Ｓ２００ｃ）。この圧力制御は、第３の処理ステップと同じ処理条件下で、ＰＩＤ制御演算などの演算テーブルを使用して実行される。

第３の目標圧力値に関する圧力制御も、第１及び第２の目標圧力値と同様に、処理容器１０２内の圧力が、第３の目標圧力値を中心とする所定の圧力範囲内に、所定の時間収まった時点で完了される。圧力制御の完了は、制御部１６２に制御完了信号として送られる。また、その時点での開度可変弁１１４の開度は、制御部１６２内の図示しない記憶部に、第３の目標圧力値と共に開度Ｔａｂｌｅ３として格納される（Ｓ２１０ｃ）。

なお、本実施形態においては、記憶部は制御部１６２に備えられている構成を説明したが、ＡＰＣ１６４やその他の構成要素に備えられていても良い。

また、本実施形態では、複数の連続した処理ステップの全ての処理ステップに対して、取得段階を実施する構成について説明したが、本発明はこの点において限定されない。複数の連続した処理ステップの少なくとも１つ以上の処理ステップ、好ましくは、その直前の処理ステップから短時間で目標圧力値（目標圧力範囲）へと導くことが求められる処理ステップにおいて、取得段階を実施する構成であっても良い。

また、取得段階は、実行段階で実行される処理ステップと同じ順番で、各々の処理ステップの開度可変弁の開度を取得することが好ましい。

［実行段階］
次に、取得段階で取得された開度可変弁１１４の開度を、開度Ｔａｂｌｅ１〜３から参照して（Ｓ３１０ａ、Ｓ３１０ｂ及びＳ３１０ｃ）、実際の処理ステップを実行する（Ｓ３００ａ、Ｓ３００ｂ及びＳ３００ｃ）。

この実行段階は、取得段階の直後に実施することが好ましい。別の言い方をすると、取得段階は、実行段階と同一のレシピ内であって、実行段階の直前に実施されることが好ましい。同一のレシピ内で、取得段階を行い、次いで実行段階を実施することにより、実行段階で行う処理ステップと略同一の処理条件を、取得段階で再現することができる。

なお、取得段階と、実行段階とが同一のレシピ内で実行されるとは、具体的には、複数の連続した処理ステップの各々の処理ステップにおける目標圧力値を決定して制御部１６２に入力した段階で、実行段階に先立って取得段階が実行されることを意味する。

実行段階における実際の成膜処理の前には、先ず、処理容器１０２内に、ガス導入部１０６から不活性ガスを導入すると共に、ガス排気部１０８から処理容器１０２内を排気することにより、処理容器１０２内を不活性ガスで置換する。その後、蓋体１２２を開けて被処理体（ウエハＷ）を搭載したウエハボート１２８を保温筒１２６と共に処理容器１０２内に搬入する。

次いで、不活性ガスの導入を遮断した状態で、ガス排気部１０８から排気して真空置換を行う。この際、パーティクルの巻上げを防止するために、スローバキュームを例えば１０Ｔｏｒｒ程度になるまで行う。

そして、事前に定められた第１の処理ステップの処理条件下で、第１の実行段階を開始する。この際、開度可変弁１１４の開度は、第１の処理ステップに関して、取得段階で取得された開度を使用する。そして、第１の実行段階の終了後、事前に定められた第２の処理ステップの処理条件下で、第２の実行段階を開始する。この際、開度可変弁１１４の開度は、第２の処理ステップに関して、取得段階で取得された開度を使用する。そして、第２の実行段階の終了後、事前に定められた第３の処理ステップの処理条件下で、第３の実行段階を開始する。この際、開度可変弁１１４の開度は、第３の処理ステップに関して、取得段階で取得された開度を使用する。

全ての処理ステップに関して実行段階が終了した後は、処理容器１０２内の真空置換及び不活性ガスによる置換を行い、処理容器１０２内を常圧に戻し、蓋体１２２を下方へ開けながら処理容器１０２内からウエハボート１２８を搬出する。

以上説明したように、本実施形態の処理方法は、複数の連続した処理ステップの、各処理ステップに対応する処理ガスのガス種、ガス流量又は温度などによって目標圧力値が定められた状態で、演算テーブルによって、この目標圧力値に対応する開度可変弁の開度を予め取得する。取得された開度によって、実際の処理ステップを実行することにより、短時間で所定の設定圧力範囲へと到達することができる。そのため、処理ステップの移行時の処理容器内の内圧の安定化を短時間で実施することができる。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１００ 処理装置
１０２ 処理容器
１０４ マニホールド
１０６ ガス導入部
１０８ ガス排気部
１１０ 配管
１１２ 真空ポンプ
１１４ 開度可変弁
１１６ 配管
１１８ ヒータ
１２０ 炉口
１２２ 蓋体
１２４ 昇降機構
１２６ 保温筒
１２８ ウエハボート
１３０ 入口
１３２ 出口
１３４ 弁室
１３６ 弁座
１３８ 弁体
１４０ Ｏリング
１４２ 弁棒
１４４ 弁体駆動部
１４６ ベローズ
１６０ 圧力計
１６２ 制御部
１６４ ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）
Ｗ 被処理体

Claims (10)

1. ガス供給系、排気系及び開度可変弁が接続された処理容器内で、複数の連続した処理ステップで、処理ガスを用いて被処理体に処理を施す処理方法であって、
   前記複数の連続した処理ステップの少なくとも１つの処理ステップに対して、該処理ステップの所定の処理条件での前記処理容器内の目標圧力値に対応する、前記開度可変弁の開度を取得する、取得段階と、
   前記複数の連続した処理ステップを実行する実行段階であって、前記取得段階で前記開度を取得した前記処理ステップでは、該開度で前記処理ステップを実行する、実行段階と、
   を有する、処理方法。
2. 前記取得段階は、前記複数の連続した処理ステップの全ての処理ステップに対して、前記開度可変弁の開度を取得する、
   請求項１に記載の処理方法。
3. 前記取得段階は、前記複数の連続した処理ステップと同じ順番で、前記全ての処理ステップに対して、前記開度可変弁の前記開度を取得する、
   請求項２に記載の処理方法。
4. 前記取得段階は、前記複数の連続した処理ステップにおける最初の前記処理ステップの、前記実行段階の直前に実行される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の処理方法。
5. 前記処理条件は、前記処理ガスの種類、前記処理ガスの流量及び処理温度の少なくとも１つ以上の条件を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理方法。
6. 前記取得段階は、ＰＩＤ制御演算の演算テーブルを使用して、前記開度可変弁の前記開度を取得する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の処理方法。
7. 前記取得段階は、前記処理容器内の圧力が、前記目標圧力値を中心値とする所定の圧力範囲内に、所定の時間収まった時点での、前記開度可変弁の前記開度を取得する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の処理方法。
8. 前記所定の時間は、１秒から３０秒の範囲内である、請求項７に記載の処理方法。
9. 前記開度可変弁は、前記真空排気系に設けられる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の処理方法。
10. 複数の連続した処理ステップで、処理ガスを用いて被処理体に処理を施す処理装置であって、当該処理装置は、
    前記被処理体を処理する処理室と、
    前記処理室に少なくとも処理ガスを供給するガス供給系と、
    前記処理室の内部を排気する排気系と、
    前記排気系の排気量を調節する開度可変弁と、
    制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、前記複数の連続した処理ステップを実行する場合に、前記複数の連続した処理ステップの少なくとも１つの処理ステップに対して、該処理ステップの所定の処理条件での前記処理容器内の目標圧力値に対応する、前記開度可変弁の開度を予め取得し、かつ、前記複数の連続した処理ステップのうちの、前記開度を取得した前記処理ステップでは、該開度で処理を実行するよう、前記処理装置を制御する、処理装置。

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