JP2021123775A - 排気配管装置 - Google Patents

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晃宏 大石
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裕之 福水
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一彰 栗原
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Abstract

【課題】真空ポンプ近くの排気配管内部に堆積する生成物を除去することが可能な排気配管装置を提供する。
【解決手段】実施形態の排気配管装置１００は、成膜チャンバと前記成膜チャンバ内を排気する真空ポンプとの間に配置される排気配管の一部として用いられる排気配管装置であって、配管本体１０２と、コイル１０４と、内管１９０と、プラズマ生成回路１０６と、を備える。コイルは、前記配管本体の内側に配置される。内管は、前記コイルの内側に配置された誘電体である。プラズマ生成回路は、前記コイルを用いて、前記内管の内側にプラズマを生成させる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、排気配管装置に関する。
化学気相成長（ＣＶＤ）装置に代表される成膜装置では、原料ガスを成膜チャンバ内に導入して、成膜チャンバに配置される基板上に所望の膜を成膜する。そして、成膜チャンバ内に残存する原料ガスは、排気配管を経由して真空ポンプにより排気される。その際、原料ガスに起因する生成物が排気配管内に堆積し、排気配管を閉塞させてしまうといった問題や、排気配管よりも下流側の真空ポンプ内に堆積し、真空ポンプを停止させてしまうといった問題があった。かかる堆積物の除去には、リモートプラズマソース（ＲＰＳ）装置によるクリーニング処理が実施される。しかしながら、ＲＰＳ装置は一般に成膜チャンバ内のクリーニングを主眼としているので、ＲＰＳ装置から距離が離れた真空ポンプ近くの排気配管内および真空ポンプ内に堆積する生成物までクリーニングするにはクリーニング性能が不十分であった。
米国特許出願公開第２００７／００７４６６２号明細書 特開平１１−０２９８７１号公報
本発明の実施形態は、真空ポンプ近くの排気配管内部に堆積する生成物を除去することが可能な排気配管装置を提供する。
実施形態の排気配管装置は、成膜チャンバと前記成膜チャンバ内を排気する真空ポンプとの間に配置される排気配管の一部として用いられる排気配管装置であって、配管本体と、コイルと、内管と、プラズマ生成回路と、を備える。コイルは、前記配管本体の内側に配置される。内管は、前記コイルの内側に配置された誘電体である。プラズマ生成回路は、前記コイルを用いて、前記内管の内側にプラズマを生成させる。
第１の実施形態における半導体製造装置の排気系の構成の一例を示す構成図である。 第１の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。 第１の実施形態における排気配管装置の一例の上面方向から見た断面図である。 第１の実施形態の比較例における排気配管装置の一例の正面図である。 第２の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。 第３の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における半導体製造装置の排気系の構成の一例を示す構成図である。図１の例では、半導体製造装置として、成膜装置、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）装置２００を示している。図１の例では、２つの成膜チャンバ２０２を配置したマルチチャンバ方式のＣＶＤ装置２００が示されている。ＣＶＤ装置２００では、所望の温度に制御された成膜チャンバ２０２内に、成膜対象の半導体基板２０４（２０４ａ，２０４ｂ）を配置する。そして、真空ポンプ４００により排気配管１５０，１５２を通じて真空引きを行って、調圧バルブ２１０により所望の圧力に制御された成膜チャンバ２０２内に原料ガスを供給する。成膜チャンバ２０２内では、原料ガスの化学反応により所望の膜が基板２０４上に成膜される。例えば、シラン（ＳｉＨ４）系のガスを主原料ガスとして導入して、シリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を成膜する。その他、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）ガス等を主原料ガスとして導入して、シリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）を成膜する。これらの膜を成膜する際に、成膜チャンバ２０２内及び排気配管１５０，１５２内には、原料ガスに起因する生成物が堆積する。そのため、成膜プロセスサイクルでは、成膜工程の他にクリーニング工程が実施される。
クリーニング工程では、成膜チャンバ２０２の上流側に配置されるリモートプラズマソース（ＲＰＳ）装置３００に三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス等のクリーニングガスやアルゴン（Ａｒ）ガス等のパージガスを供給して、プラズマによりフッ素（Ｆ）ラジカルを生成する。そして、成膜チャンバ２０２内及び排気配管１５０側にＦラジカルを供給（拡散）することで、堆積する生成物のクリーニングを行っている。クリーニングにより堆積物を分解後に生成される、例えば、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）は、揮発性が高いため、排気配管１５０，１５２を通って真空ポンプ４００から排気される。
しかしながら、排気配管１５０，１５２のうち成膜チャンバ２０２から距離が離れた部分までは、Ｆラジカルが届き難く、クリーニング性能が劣化してしまう。特に、真空ポンプ４００の吸気口に近い位置では、圧力が低くなるためクリーニングレートが低くなってしまう。その結果、排気配管１５０，１５２内が堆積した生成物により閉塞してしまう場合がある。また、真空ポンプ４００内に堆積した生成物によりローターとケーシングとの間の隙間が埋まってしまい過負荷状態となり真空ポンプ４００が停止してしまう場合がある。そこで、第１の実施形態では、図１に示すように、成膜チャンバ２０２に比べて真空ポンプ４００の吸気口に近い位置に排気配管装置１００を配置する。
図１において、第１の実施形態における排気配管装置１００は、成膜チャンバ２０２と成膜チャンバ２０２内を排気する真空ポンプ４００との間に配置される排気配管１５０，１５２を含む排気配管の一部として用いられる。排気配管装置１００は、配管本体１０２と、コイル１０４と、誘電体による内管１９０（誘電体管）と、プラズマ生成回路１０６と、を備えている。配管本体１０２は、例えば、通常の排気配管１５０，１５２と同じ材料の配管材が用いられる。例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼材が用いられる。但し、配管本体１０２の材料としては、クリーニングガスに対する耐食性の観点から、より好ましくは、ＳＵＳ３１６鋼材が用いられる。また、配管本体１０２は、例えば、通常の排気配管１５０，１５２と同じサイズの配管材が用いられる。但し、これに限るものではない。排気配管１５０，１５２よりも大きいサイズの配管であっても構わない。或いは、小さいサイズの配管であっても構わない。
配管本体１０２の両端部には、フランジが配置され、一方の端部が同サイズのフランジが配置された排気配管１５０に接続され、他方の端部が同サイズのフランジが配置された排気配管１５２に接続される。図１において、排気配管装置１００のフランジと、排気配管１５０，１５２の各フランジとを固定する、クランプ等の図示は省略している。以下、各図において同様である。また、排気配管１５０，１５２との接続に用いるＯリング等のシール材の図示は省略している。以下、各実施形態では、排気配管装置１００と真空ポンプ４００との間に排気配管１５２を挟んでいる場合を示しているが、これに限るものではない。真空ポンプ４００の吸気口に直接、排気配管装置１００が配置される場合であっても構わない。コイル１０４と誘電体による内管１９０は、配管本体１０２の内部に配置される。プラズマ生成回路１０６は、コイル１０４を用いて、配管本体１０２の内部で、誘電体による内管１９０の内部に誘導結合プラズマを生成させる。
図２は、第１の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。図３は、第１の実施形態における排気配管装置の一例の上面方向から見た断面図である。図２において、断面構造は、排気配管装置１００の一部について示し、その他の構成は断面を示していない。また、排気配管装置１００については、配管本体１０２内部のコイル１０４と内管１９０とについては断面を示していない。以下、正面方向から見た各断面図において同様である。図２及び図３において、配管本体１０２の内側にコイル１０４が配置される。そして、コイル１０４の内側に誘電体による内管１９０が配置される。内管１９０の形状は、配管本体１０２と同種の形状に形成される。図２及び図３の例では、断面が円形の筒状（環状）の配管本体１０２に対して、断面が同種の円形の筒状（環状）の内管１９０が用いられる。その他、断面が矩形の筒状の配管本体１０２に対して、同種の矩形の筒状の内管１９０が用いられても構わない。
内管１９０は、配管本体１０２の内壁と空間を開けて配置される。内管１９０となる誘電体の材料は、空気の誘電率よりも大きい材料であれば良い。内管１９０の材料として、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ハフニア（ＨｆＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いると好適である。排気性能に支障が無い範囲であれば、内管１９０の厚さは適宜設定すればよい。
図２及び図３に示すように、配管本体１０２内部において、内管１９０の外周側に、導電性のコイル１０４が螺旋状に巻かれている。コイル１０４は、内管１９０と接触して配置されることが望ましいが、これに限るものではない。コイル１０４と内管１９０との間で放電しないように、シース長以下であればコイル１０４と内管１９０との間に隙間が形成されるように配置しても構わない。
図２及び図３の例では、コイル１０４の両端のうちの一方に高周波（ＲＦ）電界が印加される。コイル１０４の両端のうちの他方は接地して（或いはグランド電位に接続して）いる。コイル１０４の両端のうちの他方は、直接ではなく、コンデンサを介して接地されても構わない。また、配管本体１０２についても接地して（或いはグランド電位に接続して）いる。具体的には、配管本体１０２の外周面に接続された導入端子ポート１０５から導入端子１１１（高周波導入端子の一例）を配管本体１０２内部に導入し、導入端子１１１をコイル１０４の両端のうちの一方に接続する。また、配管本体１０２の外周面に接続された導入端子ポート１１５から導入端子１１６を配管本体１０２内部に導入し、導入端子１１６をコイル１０４の両端のうちの他方に接続する。図２において導入端子ポート１０５，１１５の図示は簡略化して示している。以下、各図において同様である。
そして、プラズマ生成回路１０６は、コイル１０４を用いて、内管１９０の内側にプラズマを生成させる。具体的には、プラズマ生成回路１０６は、配管本体１０２とコイル１０４の両端のうちの他方とを接地した状態で、コイル１０４の両端のうちの一方に導入端子１１１を介して高周波（ＲＦ）電圧を印加することで、コイル１０４の内側に配置される誘電体の内管１９０内に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成させる。また、クリーニング工程では、上述したＮＦ３ガス等のクリーニングガスが上流側において供給されているので、その残りを利用して、内管１９０の内側にプラズマによるＦラジカルが生成される。そして、かかるＦラジカルにより、内管１９０内部に堆積する生成物を除去する。これにより、排気配管内で高いクリーニング性能を発揮できる。
その後、Ｆラジカルによる堆積物の分解後に生成される、例えば、ＳｉＦ４は、揮発性が高いため、排気配管１５２を通って真空ポンプ４００により排気される。また、排気配管装置１００で生成されるラジカルの一部が排気配管１５２を通って真空ポンプ４００に侵入し、真空ポンプ４００内に堆積する生成物をクリーニングする。これにより、真空ポンプ４００内に堆積する生成物の堆積量を低減できる。例えば、内管１９０の下端部側の内壁面の一部で生じたプラズマにより生成されたＦラジカルを、配管本体１０２内部での消費が少ない状態で真空ポンプ４００に侵入させることができる。
図４は、第１の実施形態の比較例における排気配管装置の一例の正面図である。図４の比較例では、誘電体による配管本体３２０の周囲にコイル３０２が巻かれている場合を示している。そして、コイル３０２に高周波（ＲＦ）電圧を印加することで誘導結合プラズマを生成する。また、比較例では、高周波を遮蔽するために、コイル３０２の外周側が、金属製のカバー３２２で覆われている。比較例では、機械的負荷や熱応力によって誘電体が破損した場合、排気配管を流れるガスがカバー３２２では防ぎきれず、大気中にリークする（漏れる）といった問題や、排気配管内に大気が突入（流入）して下流側の真空ポンプの故障を引き起こす場合があり得るといった問題がある。特に、配管の口径が大きくなるのに伴って誘電体が破損し易くなるため、その対策が望まれる。
これに対して、第１の実施形態では、図２に示すように、配管本体１０２の上下端部に配置されるシール機構１６ａ，１６ｂによって、配管本体１０２と内管１９０との間の空間を、大気及び内管１９０内の空間から遮断する。シール機構１６ａ，１６ｂは、例えば、以下のように構成すると好適である。シール機構１６ａ（１６ｂ）は、中央部が開口した円盤１０ａ（１０ｂ）、Ｏリング１２ａ（１２ｂ），及びＯリング１４ａ（１４ｂ）を有している。図２の例では、説明の理解をし易くするために円盤１０ａ（１０ｂ）が配管本体１０２のフランジの厚さの半分程度の厚さに示されているが、配管本体１０２のフランジの厚さに対して十分に薄く形成されると好適である。かかる場合、配管本体１０２のフランジと配管１５０のフランジは、かかる円盤１０ｂを挟んでクランプ接続される。同様に、配管本体１０２のフランジと配管１５２のフランジは、かかる円盤１０ａを挟んでクランプ接続される。但し、これに限るものではない。円盤１０ａ（１０ｂ）は、配管本体１０２のフランジと配管１５２（１５０）のフランジとそれぞれ固定されても構わない。
円盤１０ａには、上下流側の２つの面のうち配管本体１０２側（上流側）の面上にリング状の凸部が形成される。同様に、円盤１０ｂには、上下流側の２つの面のうち配管本体１０２側（下流側）の面上にリング状の凸部が形成される。各リング状の凸部は、配管本体１０２と内管１９０との間の空間に差し込まれて配置される。そのため、凸部の内径が内管１９０外径サイズよりも大きく、凸部の外径が配管本体１０２の内径サイズよりも小さく形成される。
配管本体１０２の下部側では、配管本体１０２が、Ｏリング１２ａを介して円盤１０ａに接続される。Ｏリング１２ａによって、配管本体１０２内の雰囲気を大気から遮蔽している。また、内管１９０が、円盤１０ａ上に支持されると共に、内管１９０外周と円盤１０ａのリング状の凸部との間にＯリング１４ａが配置される。これにより、Ｏリング１４ａを介して内管１９０内の雰囲気を配管本体１０２と内管１９０との間の空間から遮蔽している。同様に、配管本体１０２の上部側では、配管本体１０２が、Ｏリング１２ｂを介して円盤１０ｂに接続される。Ｏリング１２ｂによって、配管本体１０２内の雰囲気を大気から遮蔽している。また、内管１９０上端面が、円盤１０ｂによって覆われる共に、内管１９０外周と円盤１０ｂのリング状の凸部との間にＯリング１４ｂが配置される。これにより、Ｏリング１４ｂを介して内管１９０内の雰囲気を配管本体１０２と内管１９０との間の空間から遮蔽している。
また、配管本体１０２の外周側には、下流側の配管１５２に接続するバイパス配管２０が接続される。バイパス配管２０では、配管２１の途中にバルブ２２が配置される。そして、バルブ２２を開にした状態で、成膜チャンバ２０２にプロセスガスを流す前に、真空ポンプ４００により排気することで、配管本体１０２と内管１９０との間の空間の圧力を真空下の圧力にできる。かかる状態でバルブ２２を閉にすることで、配管本体１０２と内管１９０との間の空間の圧力を真空下の圧力に維持できる。その後、成膜プロセス等を実施する。排気配管装置１００にプラズマを生成する際には、上述したように、クリーニングガス等が内管１９０内を流れるため、配管本体１０２と内管１９０との間の空間の圧力は、内管１９０内の圧力よりも十分に低くできる。これにより、配管本体１０２と内管１９０との間の空間にプラズマが発生することを抑制できる。なお、配管本体１０２と内管１９０との間の空間の圧力は、これに限るものではない。大気圧のままでも構わない。大気圧でもプラズマが発生することを抑制できる。
第１の実施形態では、以上のような配管本体１０２と内管１９０との密閉された２重管構造を形成することにより、誘電体の内管１９０が破損した場合でも、排気配管を流れるガスが大気中にリークする（漏れる）ことを防止できる。同様に、排気配管内に大気が突入（流入）することを防止できる。なお、配管本体１０２と内管１９０との間の空間を大気圧に制御する場合でも、配管本体１０２と内管１９０との間の空間の容量が小さいため、真空ポンプ４００の故障を引き起こすほどの大気の流入を起こさないようにできる。
以上のように、第１の実施形態によれば、成膜チャンバ２０２から距離が離れた真空ポンプ４００近くの排気配管内部に堆積する生成物を除去できる。また、真空ポンプ４００内に堆積する生成物を低減できる。また、堆積する生成物を除去する装置の設置面積を小さくできる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、シール機構１６ａ，１６ｂによって、配管本体１０２と内管１９０との間の空間を、大気及び内管１９０内の空間から遮断する構成を説明したが、これに限るものではない。第２の実施形態では、配管本体１０２内の空間と内管１９０内の空間との間でシールしない構成について説明する。また、以下、特に説明しない点は、第１の実施形態と同様である。
図５は、第２の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。第２の実施形態における排気配管装置の一例の上面方向から見た断面図は、図３と同様である。第２の実施形態では、図５に示すように、配管本体１０２と内管１９０との間の空間はガスが排気される空間に対してシールされていない。内管１９０は、配管本体１０２内の空間に配置される。図５の例では、配管本体１０２下部に、中央部が開口した内管支持盤３０を配置して、内管支持盤３０上に内管１９０を支持する。内管支持盤３０の内径は、内管１９０の外径よりも小さく形成されることは言うまでもない。配管本体１０２は、下端において内管支持盤３０を挟んで配管１５２にクランプ接続される。配管本体１０２は、上端において配管１５０に接続される。
そして、プラズマ生成回路１０６は、コイル１０４を用いて、内管１９０の内側にプラズマを生成させる。具体的には、プラズマ生成回路１０６は、配管本体１０２とコイル１０４の両端のうちの他方とを接地した（或いはコイル１０４の両端のうちの他方はコンデンサを介して接地した）状態で、コイル１０４の両端のうちの一方に導入端子１１１を介して高周波（ＲＦ）電圧を印加することで、コイル１０４の内側に配置される誘電体の内管１９０内に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成させる。そして、上述したクリーニングガスの残りを利用して、プラズマによるＦラジカルが生成され、かかるＦラジカルにより、内管１９０内部に堆積する生成物を除去する。これにより、排気配管内で高いクリーニング性能を発揮できる。
その後、Ｆラジカルによる堆積物の分解後に生成される、例えば、ＳｉＦ４は、揮発性が高いため、排気配管１５２を通って真空ポンプ４００により排気される。また、排気配管装置１００で生成されるラジカルの一部を用いて、真空ポンプ４００内に堆積する生成物をクリーニングする。これにより、真空ポンプ４００内に堆積する生成物の堆積量を低減できる。例えば、内管１９０の下端部側の内壁面の一部で生じたプラズマにより生成されたＦラジカルを、配管本体１０２内部での消費が少ない状態で真空ポンプ４００に侵入させることができる。
ここで、配管本体１０２内における内管１９０の外側の圧力と内管１９０の内側の圧力は実質的に同じであり、内管１９０の内壁と同様、配管本体１０２と内管１９０との間にも生成物が堆積し得る。第２の実施形態では、高い密度でプラズマが生成するコイル１０４の内側に誘電体である内管１９０を配置することで、コイル１０４を誘電体等で被覆しなくてもプラズマによるコイル１０４のエロージョン等の劣化を低減できる。また、内管１９０の内側のプラズマによって生成物を除去できるので、配管内の閉塞は回避できる。その他の内容は第１の実施形態と同様である。
また、第２の実施形態では、誘電体の内管１９０が破損した場合でも、配管本体１０２と内管１９０による２重管構造により、排気配管を流れるガスが大気中にリークする（漏れる）ことを防止できる。同様に、排気配管内に大気が突入（流入）することを防止できる。
以上のように、第２の実施形態によれば、２重管の間の空間を密閉しない場合でも、第１の実施形態と同様、成膜チャンバ２０２から距離が離れた真空ポンプ４００近くの排気配管内部に堆積する生成物を除去できる。また、真空ポンプ４００内に堆積する生成物を低減できる。また、堆積する生成物を除去する装置の設置面積を小さくできる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、プラズマ生成領域の上流側に着火用電極を配置する構成について説明する。また、以下、特に説明しない点は、第１の実施形態と同様である。
図６は、第３の実施形態における排気配管装置の一例の正面方向から見た断面図である。第３の実施形態における排気配管装置１００は、図６に示すように、配管本体１０２の上部（上流側）に、配管１４０を配置する。配管１４０の外周面に接続された導入端子ポート１４１から導入電極１４２（電極の一例）を配管１４０内部に導入し、導入電極１４２の先端部分を配管１４０内部で露出させる。ここでは、導入電極１４２は、成膜チャンバ側からのガスの流れに対して内管１９０よりも上流側に配置される。図６の例では、棒状の電極を差し込んでいるが、これに限るものではない。板状或いは半球状等の電極であっても好適である。
そして、プラズマ生成回路１４４（高周波回路）は、配管１４０を接地した状態で、導入電極１４２に高周波（ＲＦ）電圧を印加することで、配管１４０内の導入電極１４２の露出面にプラズマ２を生成させる。プラズマ生成回路１４４は、ピーク電位差が５ｋＶ以上であって、繰り返し周波数が５ｋＨｚ以上の高周波電圧を導入電極１４２に印加する。印加する電圧波形は、正弦波若しくは矩形波が望ましい。これにより、内管１９０内に発生させるプラズマ１の着火剤あるいはプラズマ維持安定剤として機能させる。その他の構成は、図２，３と同様である。
図６の例では、第１の実施形態に対して、上流側に着火用の導入電極１４２とプラズマ生成回路１４４とを配置する構成を説明したが、これに限るものではない。第２の実施形態に対して、上流側に着火用の導入電極１４２とプラズマ生成回路１４４とを配置する構成であっても好適である。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての排気配管装置は、本発明の範囲に包含される。
１００ 排気配管装置、１０２ 配管本体、１０４ コイル、１０５，１１５，１４１ 導入端子ポート、１０６，１４４ プラズマ生成回路、１１１，１１６ 導入端子、１４０，１５０，１５２ 配管、１４２ 導入電極、１９０ 内管、２０２ 成膜チャンバ、４００ 真空ポンプ

Claims (5)

  1. 成膜チャンバと前記成膜チャンバ内を排気する真空ポンプとの間に配置される排気配管の一部として用いられる排気配管装置であって、
    配管本体と、
    前記配管本体の内側に配置されたコイルと、
    前記コイルの内側に配置された誘電体による内管と、
    前記コイルを用いて、前記内管の内側にプラズマを生成させるプラズマ生成回路と、
    を備えたことを特徴とする排気配管装置。
  2. 前記コイルは、前記内管に接触して配置されることを特徴とする請求項１記載の排気配管装置。
  3. 前記配管本体と前記内管との間の空間を、大気及び前記内管内の空間から遮断するシール機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の排気配管装置。
  4. 前記成膜チャンバ側からのガスの流れに対して前記内管よりも上流側に配置される電極と、
    前記電極に高周波電圧を印加する高周波回路と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気配管装置。
  5. 前記高周波回路は、ピーク電位差が５ｋＶ以上であって、繰り返し周波数が５ｋＨｚ以上の高周波電圧を前記電極に印加することを特徴とする請求項４記載の排気配管装置。
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