JP2016105479A - 脱気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱気方法に関する。【解決手段】本発明によれば、半導体基材の脱気方法であって：複数の半導体基材を脱気装置内に順番に積載することと；半導体基材を並列して脱気することであって、それぞれの半導体基材の脱気は、半導体基材が脱気装置内に積載された時間に関連する異なる時間に始まる、ことと；半導体基材が脱気されたら、より後の順番で積載された半導体基材がまだ脱気されている間に、脱気装置から半導体基材を降ろすことと；半導体基材の脱気は、圧力１０−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０−２Ｐａ）未満で行い、前記半導体基材の脱気の間、脱気装置を連続的にポンピングする、方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体基材の脱気方法、及び関連する装置に関する。

半導体装置の製造は、一般に不純物を低濃度に維持することが必要な、慎重に制御された条件下で行われる。不純物の潜在的な源の一つは、処理される半導体ウエハである。したがって、一つ又は複数の製造処理工程の前に、半導体ウエハの脱気処理を行うことがよく知られている。例えば、半導体装置の製造プロセスは、基材上に高純度材料の薄層を堆積させる技術をしばしば使用する。堆積膜が必要な特性を有するように、これらの処理の間、プロセスチャンバーに混入物がないよう維持することは非常に重要である。ＰＶＤ及びＣＶＤのような多くの標準的な工業技術は減圧条件下で行う。堆積膜の汚染が最小になるよう、低い圧力を維持することが重要である。

多くの現代的な製造方法は、熱に暴露されたとき非常に激しく脱気されることがある材料で被覆された基材を使用することが必要である。そのような材料の例は、有機保護層、接着剤、フォトレジスト、又はスピンオン材料を含む。更に、著しく脱気される新しい基材材料が、ますます用いられている。ウエハパッケージング産業の中で、ポリイミド（ＰＩ）及びポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）などの材料は、特に問題である。これらのような材料が脱気されると、混入物が処理ツール中へ放出され、成長中のフィルム内へと取り込まれる。これは、実質的な問題を生じることがある。例えば、堆積膜の特性及び特徴が低下することがある。

クラスターツールは、半導体ウエハの費用効果的な製造のために一般的に用いられている。典型的に、ウエハは、カセット又は正面開口式一体型ポッド（ＦＯＵＰ）から、低圧で動作する搬送モジュール内へと輸送される。搬送モジュール内の一つ又は複数のロボットは、カセット／ＦＯＵＰから、搬送モジュールの近くに配置された複数のモジュールへとウエハを移動する。輸送モジュール周辺に配置されるモジュールは、典型的に減圧条件下で動作し、各々が専用の機能、例えば、脱気、エッチング、ＰＶＤ堆積、その他の機能を有している。

後の処理工程、例えば、標準的なプロセスフローの一部としての堆積の前に、専用の脱気処理モジュール内で、半導体基材を脱気することが一般的である。一度に一つのウエハを脱気する脱気モジュールを提供することが知られている。バッチ式脱気モジュールもまた知られている。これらの装置では、多くのウエハは、積載され、共に脱気される。しかしながら、半導体産業において使用される多くの新しい材料は、脱気速度が極めて遅く、３０分以上の長い脱気時間につながる。しかしながら、ウエハ基材一つ当たりに関する固定費を最小化することができるように、あらゆる商業的な処理装置の高い処理量を達成することは重要である。遅い脱気速度及び長い脱気時間は、商業的に許容するにはあまりに少ない処理量につながることがあるので、その結果、激しく脱気される基材の処理は、経済的に実行できないかもしれない。

本発明は、その実施形態の少なくともいくつかにおいて、上述した問題の一つ又は複数を解決する。本発明は、激しく脱気される材料、例えばＰＢＯ及びＰＩを含む半導体基材に特に適切であるが、しかしながら、本発明は、広く全ての種類の半導体基材に適切である。

本発明の第一の側面によれば、半導体基材の脱気方法であって：
複数の半導体基材を脱気装置内に順番に積載することと；
半導体基材を並列して脱気することであって、それぞれの半導体基材の脱気は、半導体基材が脱気装置内に積載された時間に関連する異なる時間に始まる、ことと；
半導体基材が脱気されたら、より後の順番で積載された半導体基材がまだ脱気されている間に、脱気装置から半導体基材を降ろすことと；
を含み、
半導体基材の脱気は、圧力１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満で行い、半導体基材の脱気の間、脱気装置を連続的にポンピングする、方法が提供される。

このようにして、処理量を実質的に改善することができる。他の半導体基材が脱気を受けている間、半導体基材を積載し、及び降ろすことができる。これは、脱気を受けている半導体基材への汚染なしで行うことができる。

半導体基材からの脱気は、５×１０^−５Ｔｏｒｒ（６．７×１０^−３Ｐａ）未満の圧力で行ってもよい。

脱気は、半導体基材を放射的に加熱することを含んでもよい。

半導体基材は、あらゆる所望の温度まで加熱してもよい。典型的に、半導体基材は、１００℃以上に加熱してもよい。

それぞれの半導体基材を、降ろす前に所定時間脱気してもよい。これは、いつ半導体基材が脱気されたかを判断する、最も実用的な方法であると考えられる。所定時間は、ユーザが設定してもよい。所定時間は、脱気装置及び半導体基材の特徴に基づいて、経験的に決定してもよい。原理的には、その代わりにいくつかの形態のモニタリングを用いて、いつ半導体基材が脱気されたかを判断してもよい。

少なくとも３つの半導体基材を、脱気装置内へ順番に積載してもよい。好ましくは、少なくとも２０個の半導体基材を、脱気装置内に順番に積載する。より好ましくは、少なくとも５０個の半導体基材を、脱気装置内に順番に積載する。

脱気装置は、脱気モジュールを含んでもよい。脱気モジュールは、半導体基材を処理するためのクラスターツールの一部を形成していてもよい。

半導体基材は、半導体ウエハ、例えば、シリコン半導体ウエハであってよい。半導体基材は、追加の、非半導体の元素を含んでもよいことが理解されよう。

本発明の第二の側面によれば、半導体基材の脱気方法であって：
第一の半導体基材を脱気装置内に積載することと；
第一の半導体基材の脱気処理を行うことと；
第一の半導体基材に脱気処理を行っている間に、第二の半導体基材を脱気装置内に積載することと；
第二の半導体基材の脱気処理を行うことと；
第二の半導体基材がまだその脱気処理を受けている間に、第一の半導体基材を、その脱気処理終了後に装置から降ろすことと；
を含み、
脱気処理は、圧力１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満で行い、半導体基材の脱気の間、脱気装置を連続的にポンピングする、方法が提供される。

第一及び／又は第二の半導体基材の脱気処理を行っている間に、更なる半導体を脱気装置に積載してもよい。

本発明の第三の側面によれば、半導体基材を脱気するための脱気装置であって：
半導体基材を順番に脱気装置内に積載し、及び脱気装置から降ろすための積降装置と；
脱気装置をポンピングして、半導体基材を脱気するための所望の圧力を達成するポンピング手段であって、所望の圧力は１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満である、ポンピング手段と；
半導体基材が順番に積載され、並列に脱気されることを可能にする制御装置であって、それぞれの半導体基材の脱気は、半導体基材が脱気装置内に積載された時間に関連する異なる時間に始まり、制御装置は、半導体基材が脱気されたことを判断して、より後の順番で積載された半導体基材がまだ脱気されている間に、脱気された半導体基材を脱気装置から降ろさせる、制御装置と；
を含み、
半導体基材の脱気の間、ポンピング手段が脱気装置を連続的にポンピングするよう構成されている、脱気装置が提供される。

脱気装置は、半導体基材を放射的に加熱するための、一つ又は複数の放射性ヒーターを更に含んでもよい。放射性ヒーターは、ランプでもよい。

ポンピング手段は、クライオポンプを含んでもよい。脱気装置の体積は、ポンピング手段と連動して、半導体基材が脱気装置内に積載されて脱気装置から降ろされる間に、所望の圧力減圧レベルを達成することができるように選択してもよい。所望の圧力は、５×１０^−５Ｔｏｒｒ（６．７×１０^−３Ｐａ）未満でもよい。

制御装置は、半導体基材が所定の時間脱気されたら、半導体基材が脱気されたと判断してもよい。上記のように、これは、いつ半導体基材が脱気されたかを判断することができる、最も実用的な方法であると考えられる。制御装置は、それぞれの半導体基材が脱気を受けた時間をモニタリングするタイマー機能を含んでもよい。タイマー機能は、半導体基材が所定の時間脱気されたら、条件示標を提供してもよい。条件示標は、脱気された半導体基材を、直接的又は間接的に脱気装置から降ろさせてもよい。

積降装置はスロットを含んでもよく、スロットを通して、半導体基材を脱気装置内に積載し、及び脱気装置から降ろすことができてもよい。積降装置は、本技術分野においてよく知られているように、適切な基材搬送機構を更に含んでもよい。

脱気装置は、半導体基材を上に積載することができる構造を更に含んでもよい。構造は、カセットでもよい。カセットは、半導体基材を垂直な配置で積み重ねることを可能にする、垂直に整列したカセットでもよい。

脱気装置は、脱気モジュールを含んでもよい。半導体基材は、脱気モジュール内で脱気されてもよい。脱気装置は、半導体基材搬送モジュールを更に含んでもよい。脱気モジュール、及び半導体基材搬送モジュールは、半導体基材を処理するためのクラスターツールの一部を形成していてもよい。脱気装置内の比較的低い圧力を維持することは、搬送モジュール内の減圧が損なわれないという利点を有する。これは、クラスターツール内のその他の処理モジュールの二次汚染を回避するのに役立つ。

本発明の第四の側面によれば、本発明の第三の側面の脱気装置を含む、半導体基材を処理するための、クラスターツールが提供される。脱気装置は、脱気モジュール、及び半導体基材搬送モジュールを含んでもよい。

本発明を上記に開示したが、本発明は、上記、又は以下の記載、図面、若しくは請求項に記載された特徴のあらゆる創意的組合せに及ぶ。例えば、本発明の一態様に関して記載されているあらゆる特徴は、本発明のあらゆる他の側面に関して開示されていると考えられる。

脱気装置及び脱気方法の実施形態を、添付の図面を参照しながらここに記載する。
図１は、チャンバーの切欠図による、本発明の脱気装置を示す。 図２は、クラスターツールの模式図である。 図３は、（ａ）従来技術のウエハ、及び（ｂ）本発明のウエハの脱気のためのウエハ脱気処理のシーケンスを示す。 図３は、（ａ）従来技術のウエハ、及び（ｂ）本発明のウエハの脱気のためのウエハ脱気処理のシーケンスを示す。 図４は、様々な脱気装置及び方法について、ウエハ処理量に対する脱気時間を示す。 図５は、脱気された種の分圧を示す。 図６は、脱気モジュールを利用した例示的製造プロセスにおいて使用される装置の模式図である。

図１は、本発明において一般に１０で表される脱気モジュールを示す。脱気モジュール１０は、スロットバルブの形態の開口部１４を有するチャンバー１２を含み、これを通してウエハをモジュール１０内に積載し、及びモジュール１０から降ろすことができる。チャンバー１２は、複数のウエハを同時に保持することができるウエハホルダ１６を含む。ウエハホルダ１６は、ウエハを垂直に積み重ねることを可能にするカセットの形態であってもよい。ウエハホルダ１６は、ウエハをスロット内に積載し、又はスロットから降ろすことができるように、ウエハホルダ１６内の所望のスロットが開口部１４に整列することを可能にするリフトアセンブリを備える。チャンバー１２もまた、ウエハホルダ１６内に保持されたウエハの放射性加熱を提供する複数のランプ１８を含む。チャンバー１２は、適切なポンピング手段に接続されたポンプ口２０を更に含む。ポンプ口２０は、チャンバー１２内の開口部、及びゲートバルブ２０ｂを含む。図１に示す実施例では、第一のポンピング手段は、クライオポンプ２２を含む。粗引きポンプ２６と連絡した補助排気ライン２４が提供される。圧力計２８を提供してチャンバー１２内の圧力をモニタリングする。気体入口システム３０は、所望の気体、例えば窒素の流れをチャンバー１２内に導入することを可能にする。以下更に詳細に記載するように、ウエハを積載し、及び降ろすことを制御する制御装置３２が提供される。便宜に、本発明の制御方法は、ソフトウェア、及び適切なマイクロプロセッサベースの装置を用いて実施することができる。

図２は、本発明の脱気モジュール１０２を含むＰＶＤクラスターツール１００の模式的な配置を示す。脱気モジュール１０２は、図１について記載されている種類でもよい。クラスターツール１００は、追加のモジュールを更に備える。追加のモジュールの性質は、目的の最終製品に依存する。図２に示す例では、追加のモジュールは、ホットソフトエッチングモジュール１０４、及び３台のＰＶＤモジュール１０６を含む。モジュール１０２〜１０６は、所望のプロセスフローに従って、モジュール１０２〜１０６へ、及びモジュール１０２〜１０６からウエハを輸送するウエハ輸送モジュール１０８の周りに分配されている。ウエハ輸送モジュール１０８の機能の１つは、スロットバルブ、例えば図１に示すスロットバルブ１４を通して、ウエハを脱気モジュール１０２内に積載すること、及び脱気モジュール１０２から降ろすことである。ウエハは、ＦＯＵＰ１１０から、小さいロードロックを通って、クラスターツール１００内に移動する。更なるクラスターツール１００は、プロセス制御装置１１２を備える。プロセス制御装置１１２は、ユーザインタフェース１１２ａと共に提供される。プロセス制御装置１１２は、脱気モジュール１０２の動作を含むクラスターツール１００全体の動作を制御する。したがって、図２のプロセス制御装置１１２は、図１に示す実施形態の制御装置３２の機能を含むことができる。

ここで、図１の脱気モジュール１０の動作を更に詳細に説明する。半導体ウエハは、所望の時間にモジュール１０内に順番に積載される。ウエハは、ウエハホルダ１６内のスロット内に格納される。それぞれのウエハは、個別の処理時間を有する。それぞれのウエハがチャンバー１２内に積載されるにしたがい、処理時間が開始する。ユーザが定義した時間が経過したとき、ウエハは脱気されたと考えられる。脱気されたウエハは、チャンバーから降ろすことができるようになる。降ろされたウエハは、クラスターツール内で、一つ又は複数の他のモジュールへと輸送され、更に処理される。したがって、チャンバー１２内のウエハは、並列に脱気されるとみなすことができる。常に、脱気を受けている複数のウエハ１２がチャンバー１２内にある。しかしながら、これらのウエハは、異なる時間に積載され、異なる時間に降ろされる。同様に、それぞれのウエハの脱気処理は異なる時間に開始及び終了する。これは、従来のバッチ式脱気処理とは対照的である。本発明の方法は、脱気モジュール１２は、その後の処理モジュールが利用可能である限り、連続的に積載し、及び降ろすことができることを意味する。脱気処理モジュールを用いて並列にウエハを脱気することにより、脱気時間が長い場合であっても、高い動的処理量を維持することができる。図３は、脱気モジュールを並列脱気形式で利用することの利点を説明する。図３（ａ）は、ウエハの積載及び脱気の両方を順番に行う、標準的な一つのウエハの従来技術の脱気処理を示す。例えば、ウエハ２は、単に、ウエハ１が脱気されて降ろされた後に、積載及び脱気される。この従来の方法では、ウエハ１〜３に関する脱気時間が長い場合、処理量が厳しく制限されることが分かる。図３（ｂ）は、本発明による方法を示す。ウエハ１〜３は順番に積載されるが、しかしながら、関連する脱気は並列に起こる。ウエハの処理量が実質的に改善することが分かる。

脱気モジュールは、ウエハが積載及び降ろされる間、ウエハの連続的な脱気を並列に行うことができるよう構成されている。プロセスチャンバーは、所望の数のウエハを保持することができ、また、処理の間にプロセスチャンバーの圧力が著しく上昇しないことを確実にするのに役立つ程度に十分大きい、適切に大きな体積であるべきである。これは、汚染を低減又は防止するのに役立つ。チャンバーの実際の体積は、要因、例えば、ウエハ及び利用するポンピング手段の数及び性質によるであろうことを理解するであろう当業者であれば、容易に選択することができる。このようにして、残りのクラスターツールに混入物を導入することなく、チャンバーとウエハとの間のスロットバルブを開閉することができる。また、新たなウエハが脱気モジュール内に積載されるときに、部分的に脱気されたウエハが汚染されないであろう。ウエハの放射性加熱は、ウエハの有効な加熱を達成するためにチャンバー圧を増加させる必要がないことを意味するため、有利である。

図４は、例示的な、公称１３０℃の脱気処理について、予測されるウエハ処理量を、異なる脱気構成における脱気継続時間の関数として示す。曲線４０は、単一ウエハ脱気（ＳＷＤ）モジュールについて、脱気時間（秒）の関数としての処理量（毎時ウエハ）を表す。曲線４２、４４はそれぞれ、２つの単一ウエハ脱気モジュール、及び３つの単一ウエハ脱気モジュールを用いた構成について、脱気時間の関数としての処理量を表す。曲線４６は、一度に７５のウエハを保持する本発明のモジュールについて、脱気時間の関数としての処理量を示す。曲線４０から分かるように、１２０秒のサイクルで運転している単一ウエハ脱気ステーションは、１時間当たり３０個のウエハの理論的な動的処理量を達成できる。これは、脱気時間の増加と共に急速に低下する。クラスターツールの一部としての２つ又は３つのＳＷＤモジュールの使用は、処理量を比例的に増加させる。しかしながら、これは、新しいモジュールのかなりの追加コストであり、また、更なるクラスターツールポートを利用することが必要である。これに対して、曲線４６は、本発明は、全ての脱気時間で達成することができる非常に実質的な処理量の利益を提供することができる。実質的な処理量の利益は、クラスターツール内で一つの脱気モジュールを用いるだけで達成される。

図５は、脱気に伴う特定の種の分圧を、時間の関数として示す。データは、残留気体分析器（ＲＧＡ）を使用して得られる。より具体的には、曲線５０、５２、５４はそれぞれ、水、窒素、及び酸素の分圧を示す。データは、１３０℃の脱気処理について得られる。約１５分後に４×１０^−６ｍｂａｒｒ（５．３×１０^−６Ｔｏｒｒ（７．１×１０^−４Ｐａ））の最大圧力に達する水のピークを有する脱気処理の間、非常に低い圧力が維持されることが分かる。この脱気処理のピーク時であっても、システムの優れた減圧性能のため、モジュール内のウエハにあらゆる悪影響を及ぼすことなく、ウエハを積載し、及び脱気モジュールから降ろし続けることができる。脱気モジュール内の比較的低い圧力は、搬送モジュール内の減圧レベルが損なわれないことも確実にし、ひいては、クラスターツール内の他の処理モジュールの二次汚染が回避されるであろう。

図６は、１３０℃での３６０秒の脱気と、続いて１２０秒のＰＶＤ堆積工程とを含む、代表的な２ステップ堆積処理を示す。処理は、単一脱気モジュール６０を使用して、並列して動作する３つのＰＶＤモジュール６２、６４、６６を供給する。ＦＯＵＰモジュール６８を用いて、処理モジュールの間にウエハを輸送する。脱気モジュール６０は、従来技術のＳＷＤモジュール、又は並列して複数のウエハを脱気する本発明の脱気モジュールであることができる。これらのシナリオの両者について、２ステップ堆積処理をシミュレートした。本発明の複数ウエハ脱気（ＭＷＤ）モジュールを用いて、比較的少量のウエハ積載数２５個の脱気モジュールについて、シミュレーションを行う。結果を表１に示す。

より具体的には、脱気時間は３６０秒であり、ＰＶＤモジュールはそれぞれ１２０秒の処理時間を有する。このずれは、システムが効率的に機能することができないという結果になる。その結果、この構成について予測される処理量は、毎時ウエハ（ｗｐｈ）９．２個である。これに対して、２５個のウエハを取り扱う本発明の複数ウエハ堆積モジュールは、脱気時間の長さを除くことで得られる、見かけの処理限界量を可能にする。ウエハが並列して脱気されるので、完全な利用は、並列に構成された３台のＰＶＤモジュールから構成される。これは、結果として３８．４ｗｐｈの処理量になる。手続き型プログラミング技術は、ウエハをできる限り最短時間で処理することを確実にすることができる。

Claims (10)

1. 半導体基材の脱気方法であって：
   複数の前記半導体基材を脱気装置内に順番に積載することと；
   前記半導体基材を並列して脱気することであって、それぞれの前記半導体基材の脱気は、前記半導体基材が前記脱気装置内に積載された時間に関連する異なる時間に始まる、ことと；
   前記半導体基材が脱気されたら、より後の順番で積載された前記半導体基材がまだ脱気されている間に、前記脱気装置から前記半導体基材を降ろすことと；
   を含み、
   前記半導体基材の脱気は、圧力１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満で行い、前記半導体基材の脱気の間、前記脱気装置を連続的にポンピングする、方法。
2. 前記半導体基材の脱気を、圧力１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満、好ましくは５×１０^−５Ｔｏｒｒ（６．７×１０^−３Ｐａ）未満で行う、請求項１に記載の方法。
3. 前記脱気は、前記半導体基材を放射的に加熱することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. それぞれの前記半導体基材を、降ろす前に所定時間脱気する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも３つの前記半導体基材、好ましくは少なくとも２０個、より好ましくは少なくとも５０個の前記半導体基材を、前記脱気装置に順番に積載する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 半導体基材を脱気するための脱気装置であって：
   前記半導体基材を順番に前記脱気装置内に積載し、及び前記脱気装置から降ろすための積降装置と；
   前記脱気装置をポンピングして、前記半導体基材を脱気するための所望の圧力を達成するポンピング手段であって、前記所望の圧力は１０^−４Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ）未満である、ポンピング手段と；
   前記半導体基材が順番に積載され、並列に脱気されることを可能にする制御装置であって、それぞれの前記半導体基材の脱気は、前記半導体基材が前記脱気装置内に積載された時間に関連する異なる時間に始まり、前記制御装置は、前記半導体基材が脱気されたことを判断して、より後の順番で積載された前記半導体基材がまだ脱気されている間に、脱気された前記半導体基材を前記脱気装置から降ろさせる、制御装置と；
   を含み、
   前記半導体基材の脱気の間、前記ポンピング手段が前記脱気装置を連続的にポンピングするよう構成されている、脱気装置。
7. 前記半導体基材を放射的に加熱するための、一つ又は複数の放射性ヒーターを更に有する、請求項６に記載の脱気装置。
8. 前記制御装置は、前記半導体基材が所定時間脱気されたら、前記半導体基材が脱気されたと判断する、請求項６又は７に記載の脱気装置。
9. 前記制御装置は、それぞれの前記半導体基材が脱気を受けた時間をモニタリングし、前記半導体基材が所定時間脱気されたら条件示標を提供するタイマー機能を含み、前記条件示標は、脱気された前記半導体基材を、直接又は間接的に前記脱気装置から降ろさせる、請求項８に記載の脱気装置。
10. 請求項６に記載の脱気装置を含む、前記半導体基材を処理するための、クラスターツール。

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