JP2019199879A - ゲートバルブの制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】チャンバ内を外気圧に合わせてゲートバルブを開くときに、ゲートバルブの制御だけでパーティクルの散乱を抑制する。【解決手段】ゲートバルブの制御方法は、弁体を駆動させるモータのトルクを検出してチャンバの開口部に前記弁体を押し付けるゲートバルブにおいて、外気圧において前記弁体を閉じて前記チャンバ内を減圧するときのトルク極大値を予め取得しておき、前記チャンバ内を外気圧に戻して前記弁体を開く前に、前記チャンバ内にベントガスを導入しているときのトルクを検出して、当該トルクが前記トルク極大値を超えたときに、前記弁体と前記チャンバの開口部の間に隙間が生じるように前記弁体を開いて、前記チャンバ内のガスと共にパーティクルを放出した上で、前記弁体を全開させる、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置の真空状態を解除してゲートバルブを開くときの制御方法に関する。
半導体製造装置では、複数のチャンバを備え、プロセスごとに処理を行うチャンバに基板を搬送する。チャンバ間はゲートバルブで仕切られ、基板を搬送するときにゲートバルブを開閉する。ゲートバルブを開くときは、チャンバ内外の圧力差を無くしておく。チャンバ内は、真空ポンプで減圧したり、ガスを供給したりすることで、圧力が調整される。
ゲートバルブを開いたときに、チャンバ内外に圧力差があると、チャンバ内で発生したパーティクルが散乱して基板を汚染するおそれがある。特許文献１に記載されているように、反応室内圧力を外気圧に復帰させる時、気流によりパーティクルがウエハに付着することを防止する半導体製造装置の発明も開示されている。
特開平９−１８６０９２号公報
しかしながら、従来技術においては、チャンバ内を真空から外気圧にするときに、ベントガスを導入しながら圧力を計測し、チャンバ内が外気圧より高くなったらリリーフバルブでガスを逃がしている。このケースだと、ゲートバルブの制御だけでは対処できず、半導体製造装置全体として制御が必要となる。
また、ゲートバルブがエアシリンダで弁体を押し付けている構造の場合、チャンバ内の圧力が高くなると、弁体の端部が外側に湾曲するなど、シール材の押付けが弱くなることで、ガスを漏らしている。このケースだと、弁体付近にパーティクルが集まっており、ゲートバルブを開いたときに、振動等によりパーティクルが散乱するおそれがある。
そこで、本発明は、チャンバ内を外気圧に合わせてゲートバルブを開くときに、ゲートバルブの制御だけでパーティクルの散乱を抑制することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明であるゲートバルブの制御方法は、弁体を駆動させるモータのトルクを検出してチャンバの開口部に前記弁体を押し付けるゲートバルブにおいて、外気圧において前記弁体を閉じて前記チャンバ内を減圧するときのトルク極大値を予め取得しておき、前記チャンバ内を外気圧に戻して前記弁体を開く前に、前記チャンバ内にベントガスを導入しているときのトルクを検出して、当該トルクが前記トルク極大値を超えたときに、前記弁体と前記チャンバの開口部の間に隙間が生じるように前記弁体を開いて、前記チャンバ内のガスと共にパーティクルを放出した上で、前記弁体を全開させる、ことを特徴とする。
また、本発明であるゲートバルブは、前記制御方法によって制御される、ことを特徴とする。
本発明によれば、ゲートバルブの弁体を駆動させるモータのトルクを検出してチャンバ内の圧力を把握することで、弁体を開くためにチャンバ内を減圧状態から外気圧に合わせる際に、チャンバ内の圧力が外気圧より高くなったら、弁体を微小開させてガスと共にパーティクルを放出するので、その後に弁体を全開させても、振動等によりパーティクルを撒き上げて基板を汚染させるおそれが無くなる。
従来のように、圧力計でチャンバ内の圧力を測定して、外気圧より高くなったときにリリーフバルブからガスを逃がさなくても良いので、圧力計やリリーフバルブなども不要となる。また、弁体のシールを弱めてガスを漏らすのではなく、弁体とチャンバの開口部の間に隙間が生じるように弁体を僅かに開くので、ガスだけでなくパーティクルもチャンバ外に出すことができる。
本発明であるゲートバルブの制御方法が適用される半導体製造装置の概観を示す斜視図である。 本発明であるゲートバルブの制御方法が適用されるゲートバルブの構造を示す断面図である。 本発明であるゲートバルブの制御方法が適用されたときのゲートバルブの状態を示す断面図である。 本発明であるゲートバルブの制御方法によりパーティクルを放出する状況を示す拡大図である。 本発明であるゲートバルブの制御方法を適用したときのトルクを時系列で示したグラフである。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
まず、本発明であるゲートバルブの制御方法が適用される半導体製造装置について説明する。図１は、半導体製造装置の概観を示す斜視図である。図２は、半導体製造装置に設けるゲートバルブの構造を示す断面図である。
図１に示すように、半導体製造装置１００は、半導体素子、太陽電池、液晶などを、各種プロセスを経て製造するが、複数のチャンバ１１０を備え、プロセスごとに各チャンバ１１０に基板を搬送して処理が行われる。例えば、複数のチャンバ１１０が星状に配置されるクラスタ型の場合、搬送室となるトランスファーチャンバの周りに、真空予備室となるロード（アンロード）ロックチャンバや、処理室となるプロセスチャンバなどが配置される。
各チャンバ１１０の間には、ゲートバルブ２００が配置され、基板をチャンバ１１０間で移送するときにゲートバルブ２００を開き、基板をチャンバ１１０内で処理するときにゲートバルブ２００を閉じる。基板としては、ウエハ（シリコン等の半導体基板）やガラス基板などが用いられ、チャンバ１１０内を真空ポンプ１２０で減圧して真空状態にした上で、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等により薄膜を形成したり、薄膜から不要部分をエッチングしたりする。
図２に示すように、チャンバ１１０内に基板１３０を配置して、チャンバ１１０の開口部をゲートバルブ２００で塞いでから、チャンバ１１０内を真空状態にする。処理中は、真空ポンプで減圧しながらベントガス１６０を導入することで、チャンバ１１０内の圧力が所定の真空度で維持される。圧力計１４０でチャンバ１１０内の圧力を確認し、マスフローコントローラ１５０によりベントガス１６０の流量を制御したり、真空ポンプの開度を制御したりする。
また、処理後は、減圧せずにベントガス１６０を導入することで、チャンバ１１０内を外気圧と同じ圧力にしてからゲートバルブ２００を開き、基板１３０を搬出する。なお、ゲートバルブ２００側の外気圧が大気圧であれば、１ａｔｍ（７６０Ｔｏｒｒ）等にすれば良い。従来においては、圧力計１４０でチャンバ１１０内の圧力を確認しつつ、外気圧よりも高くなったらリリーフバルブからベントガス１６０を逃がすことでチャンバ１１０内を外気圧に合わせている。
ゲートバルブ２００は、チャンバ１１０の開口部に当てられる弁体２１０、弁体２１０とチャンバ１１０との隙間を塞ぐシール材２２０、弁体２１０を支持するステム２３０、ステム２３０を駆動させるモータ２４０、モータ２４０の動力をステム２３０に伝達するボールネジ２５０等を備える。
弁体２１０は、チャンバ１１０の開口部よりも一回り大きくして、端側が開口部の縁と重なれば良い。シール材２２０は、ゴム製のＯリング等が用いられ、弁体２１０の端側と、チャンバ１１０の開口部の縁とが重なる部分に配置されれば良い。シール材２２０が潰されることで、隙間が封止され、チャンバ１１０が密閉される。
ステム２３０は、弁体２１０を上昇させてチャンバ１１０の開口部に弁体２１０を押し付け、又は弁体２１０をチャンバ１１０の開口部から引き剥がして弁体２１０を下降させる。エアシリンダでステム２３０を駆動させると全開から全閉まで押し切りとなるが、モータ２４０で駆動させると位置制御により多点停止が可能となる。
ボールネジ２５０は、モータ２４０の回転運動を直線運動に変換してステム２３０に伝達する。ステム２３０で弁体２１０をチャンバ１１０の開口部に押し付けるにあたり、モータ２４０のトルクを制御するサーボ機構を持たせる。サーボ機構は、弁体２１０の押し付け、すなわち、シール材２２０の潰し量が、目標とする量になるように追従する。
チャンバ１１０内の圧力が外気圧より低くなれば、弁体２１０が吸引されるようになるので、モータ２４０のトルクは小さくなる。逆に、チャンバ１１０内の圧力が外気圧より高くなれば、モータ２４０のトルクは大きくなる。なお、チャンバ１１０内の圧力が外気圧より高いときは、ベントガス１６０を逃がす。
リリーフバルブがある場合は、圧力計１４０でチャンバ１１０内の圧力を計測してベントガス１６０が放出するが、チャンバ１１０内の圧力が高くなることで、弁体２１０の端側が外側に少し変形し、シール材２２０の潰し量が減少することで、ベントガス１６０を漏らしているケースもある。
次に、本発明であるゲートバルブの制御方法について説明する。図３は、ゲートバルブの制御方法が適用されたときのゲートバルブの状態を示す断面図である。図４は、ゲートバルブの制御方法によりパーティクルを放出する状況を示す拡大図である。図５は、ゲートバルブの制御方法を適用したときのトルクを時系列で示したグラフである。
図３に示すように、サーボ機構でチャンバ１１０の開口部を閉じている場合、シール材２２０の潰し量が一定となるように、モータ２４０のトルクが制御される。真空状態のチャンバ１１０にベントガス１６０を供給して外気圧に合わせる過程においては、チャンバ１１０内の圧力に応じて、モータ２４０のトルクは変動する。
モータ２４０のトルクを検出して、チャンバ１１０内の圧力が外気圧より高くなったら、弁体２１０を微小開させる。弁体２１０とチャンバ１１０の開口部との間に、ベントガス１６０及びチャンバ１１０内で発生したパーティクルが抜けていくだけの僅かな隙間が形成されれば良い。
チャンバ１１０からベントガス１６０が放出されて外気圧と同じになったら、弁体２１０を全開させて、基板１３０を搬出させれば良い。ゲートバルブ２００がリリーフバルブとして機能するので、チャンバ１１０にリリーフバルブは不要となる。すなわち、圧力計１４０やリリーフバルブ等の状態を確認しなくても、ゲートバルブ２００だけで制御が可能となる。
図４（ａ）に示すように、閉状態のゲートバルブ２００では、弁体２１０やシール材２２０に、チャンバ１１０内のパーティクル１７０が付着することがある。シール材２２０の潰し量の低下によりベントガス１６０が漏れる場合だと、パーティクル１７０まで排出することができない。
図４（ｂ）に示すように、弁体２１０を微小開させると、シール材２２０が剥がされて隙間が存在しているので、ベントガス１６０の放出と共に、パーティクル１７０もチャンバ１１０外に吐き出すことができる。ベントガス１６０の放出後にゲートバルブ２００を全開させたときの振動等により、弁体２１０やシール材２２０に付着したパーティクル１７０がチャンバ１１０内に散乱することもない。
図５は、全開状態のゲートバルブ２００を全閉させて、チャンバ１１０内を真空状態にし、その後、チャンバ１１０内を外気圧に合わせるところまでのバルブ位置、モータトルク、チャンバ圧力の状態を時系列で示したグラフである。初期状態で、バルブ位置は全開、モータトルクは無、チャンバ圧力は外気圧である。
バルブ位置を全閉にする指示が出ると（ｖ１）、モータ２４０が弁体２１０を移動させるためにモータトルクが増加する（ｔ１）。バルブ位置が全閉になると（ｖ２）、弁体２１０をチャンバ１１０の開口部に押し付けてシール材２２０を潰したところでモータトルクが極大となる（ｔ２）。
チャンバ１１０内が密閉されて真空ポンプで排気を開始するとチャンバ圧力は下がり始め（ｐ１）、弁体２１０を押し付けなくても逆に吸引されてくるのでモータトルクは減少する（ｔ３）。チャンバ圧力が真空になったら（ｐ２）、チャンバ１１０内で処理が行われる。
処理後に真空ポンプを止めてチャンバ１１０内にベントガス１６０を供給するとチャンバ圧力は上がり始め（ｐ３）、チャンバ１１０内の負圧が弱くなるので弁体２１０を押し付けるためにモータトルクが増加する（ｔ４）。
チャンバ圧力が外気圧となったところで（ｐ４）、モータトルクも極大値と同じになり（ｔ５）、さらにチャンバ圧力が外気圧よりも大きくなると、弁体２１０をより押し付ける必要が生じてモータトルクも増加する。
そこで、バルブ位置を微小開させることで（ｖ３）、チャンバ１１０内からベントガス１６０が放出されてチャンバ圧力も外気圧に合わせられる（ｐ５）。ゲートバルブ２００を微小開させるタイミングとしては、弁体２１０を閉じたときのトルク極大値を予め取得しておき、チャンバ１１０内を外気圧に合わせるときのトルクが極大値を超えたときに、外気圧より大きくなったと判断すれば良い。
本発明によれば、ゲートバルブの弁体を駆動させるモータのトルクを検出してチャンバ内の圧力を把握することで、弁体を開くためにチャンバ内を減圧状態から外気圧に合わせる際に、チャンバ内の圧力が外気圧より高くなったら、弁体を微小開させてガスと共にパーティクルを放出するので、その後に弁体を全開させても、振動等によりパーティクルを撒き上げて基板を汚染させるおそれが無くなる。
従来のように、圧力計でチャンバ内の圧力を測定して、外気圧より高くなったときにリリーフバルブからガスを逃がさなくても良いので、圧力計やリリーフバルブなども不要となる。また、弁体のシールを弱めてガスを漏らすのではなく、弁体とチャンバの開口部の間に隙間が生じるように弁体を僅かに開くので、ガスだけでなくパーティクルもチャンバ外に出すことができる。
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、チャンバ内外に圧力差がある場合に、内外の圧力を合わせるときに適用しても良い。
１００：半導体製造装置
１１０：チャンバ
１２０：真空ポンプ
１３０：基板
１４０：圧力計
１５０：マスフローコントローラ
１６０：ベントガス
１７０：パーティクル
２００：ゲートバルブ
２１０：弁体
２２０：シール材
２３０：ステム
２４０：モータ
２５０：ボールネジ

Claims (2)

  1. 弁体を駆動させるモータのトルクを検出してチャンバの開口部に前記弁体を押し付けるゲートバルブにおいて、
    外気圧において前記弁体を閉じて前記チャンバ内を減圧するときのトルク極大値を予め取得しておき、
    前記チャンバ内を外気圧に戻して前記弁体を開く前に、前記チャンバ内にベントガスを導入しているときのトルクを検出して、当該トルクが前記トルク極大値を超えたときに、前記弁体と前記チャンバの開口部の間に隙間が生じるように前記弁体を開いて、前記チャンバ内のガスと共にパーティクルを放出した上で、前記弁体を全開させる、
    ことを特徴とするゲートバルブの制御方法。
  2. 請求項１に記載の制御方法によって制御される、
    ことを特徴とするゲートバルブ。
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