JP2022140019A - 処理装置及びガス供給方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】処理容器内へのガスの供給量を精度よく制御できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様による処理装置は、基板を収容する処理容器と、前記処理容器にガス供給管を介して接続された貯留タンクと、前記貯留タンク内の圧力を検出する圧力センサと、前記処理容器と前記貯留タンクとの間の前記ガス供給管に設けられたバルブと、前記圧力センサにより検出される前記圧力に基づいて前記バルブの開度を制御するよう構成されるコントローラと、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、処理装置及びガス供給方法に関する。
処理容器の二次側の圧力センサの検出値をコントローラに取り込み、処理容器内の圧力が一定の圧力となるように処理容器内へのガスの供給量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１７－１７９３９７号公報
本開示は、処理容器内へのガスの供給量を精度よく制御できる技術を提供する。
本開示の一態様による処理装置は、基板を収容する処理容器と、前記処理容器にガス供給管を介して接続された貯留タンクと、前記貯留タンク内の圧力を検出する圧力センサと、前記処理容器と前記貯留タンクとの間の前記ガス供給管に設けられたバルブと、前記圧力センサにより検出される前記圧力に基づいて前記バルブの開度を制御するよう構成されるコントローラと、を有する。
本開示によれば、処理容器内へのガスの供給量を精度よく制御できる。
実施形態の処理装置の一例を示すブロック図 実施形態のガス供給方法の一例を示す図 タンク内圧の時間変化を測定した結果を示す図 設定吐出量と実吐出量との誤差の算出結果を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔処理装置〕
図１を参照し、実施形態の処理装置の一例について説明する。図１は、実施形態の処理装置の一例を示すブロック図である。
処理装置１は、処理容器１０、ガス供給部２０、排気部３０、吐出量制御部４０等を備える。
処理容器１０は、基板を水平姿勢で鉛直方向に多段に保持したボートを収容し、基板処理を行うための縦型の容器である。ただし、処理容器１０は、１又は２以上の基板を載置する載置台を収容し、基板処理を行うための容器であってもよい。基板は、例えば半導体ウエハである。基板処理は、処理容器１０内に処理ガスを供給して基板を処理する種々の処理、例えば成膜処理、エッチング処理を含む。成膜処理は、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）、化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）等を含む。
ガス供給部２０は、ガス供給管２１、ガス源２２、マスフローコントローラ２３、貯留タンク２４、炉口バルブ２５等を含む。
ガス供給管２１は、ガス源２２から処理容器１０内に処理ガスを供給するための配管であり、例えば処理容器１０内に処理ガスを導入するインジェクタ（図示せず）に接続されている。ガス供給管２１には、ガス源２２の側からマスフローコントローラ２３、貯留タンク２４及び炉口バルブ２５がこの順に介設されている。
ガス源２２は、貯留タンク２４内及び処理容器１０内に処理ガスを供給する供給源である。ガス源２２は、例えば処理ガスが充満されたタンクであってもよく、処理ガスが供給される接続口であってもよい。処理ガスは、例えば成膜処理に用いられる原料ガス、エッチング処理に用いられるエッチングガスを含む。
マスフローコントローラ２３は、ガス源２２から貯留タンク２４内に貯留される処理ガスの質量流量を計測し、流量の制御を行う。
貯留タンク２４は、処理ガスを貯留するためのタンクであり、多量の処理ガスを短時間で処理容器１０内に供給するために設けられる。貯留タンク２４は、多量の処理ガスを一旦貯留し、短時間で一気に処理容器１０内に供給することで、短時間での多量の処理ガスの供給を可能とする。貯留タンク２４は、バッファタンクとも称される。
炉口バルブ２５は、後述する電空レギュレータ４４により開度が制御される。炉口バルブ２５の開度が制御されることにより、貯留タンク２４から処理容器１０内に供給される処理ガスの吐出量が制御される。
排気部３０は、排気管３１、排気バルブ３２、排気装置３３等を含む。
排気管３１は、処理容器１０内の処理ガスを排気するための配管であり、例えば処理容器１０の排気ポート（図示せず）に接続されている。排気管３１には、処理容器１０の側から排気バルブ３２及び排気装置３３がこの順に介設されている。
排気バルブ３２は、排気管３１を流れる処理ガスの排気量を調整するためのバルブである。排気バルブ３２は、例えばＡＰＣ（Automatic Pressure Controller；自動圧力制御機器）バルブであってよい。
排気装置３３は、排気管３１を介して処理容器１０内を真空排気する。排気装置３３は、例えばドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む。
吐出量制御部４０は、貯留タンク２４内から処理容器１０内に供給される処理ガスの吐出量を制御する。吐出量制御部４０は、圧力センサ４１、コントローラ４２、入力装置４３、電空レギュレータ４４等を含む。
圧力センサ４１は、貯留タンク２４に設けられている。圧力センサ４１は、貯留タンク２４内の圧力（以下「タンク内圧」ともいう。）を検出し、検出値をコントローラ４２に出力する。
コントローラ４２は、制御を含む演算処理を行うように構成されている。コントローラ４２は、例えばコンピュータであってよい。コントローラ４２は、圧力センサ４１の検出値に基づいて、電空レギュレータ４４を介して炉口バルブ２５の開度を制御するように構成される。ただし、コントローラ４２は、電空レギュレータ４４を介さずに炉口バルブ２５の開度を制御するように構成されていてもよい。
入力装置４３は、オペレータ等が各種の情報を入力するための装置である。各種の情報は、例えば貯留タンク２４内から処理容器１０内に供給したい処理ガスの吐出量を含む。処理ガスの吐出量は、例えば圧力値で指定される。以下、指定される圧力値を設定吐出圧という。入力装置４３は、例えば処理装置１の全体を制御する装置コントローラに含まれていてもよく、装置コントローラとは別に設けられるコンピュータであってよい。
電空レギュレータ４４は、コントローラ４２からの指令（電気信号）に基づいて、炉口バルブ２５の開度を空気圧で制御する。
〔ガス供給方法〕
図２を参照し、実施形態のガス供給方法の一例として、処理装置１において、処理容器１０内に間欠的に処理ガスを供給して膜を堆積させるＡＬＤによる成膜を実施する場合を説明する。図２は、実施形態のガス供給方法の一例を示す図であり、貯留タンク２４内から処理容器１０内に間欠的に処理ガスを供給する場合のタンク内圧の時間変化を示す。図２中、横軸は時間を示し、縦軸はタンク内圧［Ｔｏｒｒ］を示す。
なお、以下では、ガス供給方法を開始する時点において、処理容器１０内に基板が収容され、貯留タンク２４内にタンク内圧が２９０Ｔｏｒｒとなるように処理ガスが貯留されているものとする。また、ガス供給方法の開始に先立って、オペレータ等により入力装置４３を介して設定吐出圧として２８０Ｔｏｒｒが入力されているものとする。
まず、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を開くように電空レギュレータ４４に指令を送信する。電空レギュレータ４４は、該指令に基づいて、炉口バルブ２５を開く。これにより、貯留タンク２４内から処理容器１０内への第１回目の処理ガスの供給が開始され、タンク内圧が２９０Ｔｏｒｒから低下し始める。
第１回目の処理ガスの供給が開始されると、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を開度可変モードで制御する。開度可変モードは、所定時間内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧と等しくなるように炉口バルブ２５の開度を制御するモードである。タンク内圧の降下量は、炉口バルブ２５を開く前の圧力センサ４１の検出値から炉口バルブ２５を開いた状態での圧力センサ４１の検出値を減算することにより算出される。図２の例では、コントローラ４２は、所定時間ｔ１内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧である２８０Ｔｏｒｒと等しくなるように、即ち、タンク内圧が１０Ｔｏｒｒ（２９０Ｔｏｒｒ－２８０Ｔｏｒｒ）となるように、炉口バルブ２５の開度を制御する。
所定時間が経過した後、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を閉じるように電空レギュレータ４４に指令を送信する。電空レギュレータ４４は、該指令に基づいて、炉口バルブ２５を閉じる。これにより、貯留タンク２４内から処理容器１０内への第１回目の処理ガスの供給が停止される。また、コントローラ４２は、ガス源２２と貯留タンク２４との間に介設された開閉バルブ（図示せず）、マスフローコントローラ２３等を制御して、ガス源２２から貯留タンク２４内に処理ガスを供給して貯留させる。図２の例では、タンク内圧が３００Ｔｏｒｒになるまで貯留タンク２４内に処理ガスが貯留されている。
次に、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を開くように電空レギュレータ４４に指令を送信する。電空レギュレータ４４は、該指令に基づいて、炉口バルブ２５を開く。これにより、貯留タンク２４内から処理容器１０内への第２回目の処理ガスの供給が開始され、タンク内圧が３００Ｔｏｒｒから低下し始める。
第２回目の処理ガスの供給が開始されると、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を開度可変モードで制御する。図２の例では、コントローラ４２は、所定時間ｔ１内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧である２８０Ｔｏｒｒと等しくなるように、即ち、タンク内圧が２０Ｔｏｒｒ（３００Ｔｏｒｒ－２８０Ｔｏｒｒ）となるように、炉口バルブ２５の開度を制御する。
所定時間が経過した後、コントローラ４２は、炉口バルブ２５を閉じるように電空レギュレータ４４に指令を送信する。電空レギュレータ４４は、該指令に基づいて、炉口バルブ２５を閉じる。これにより、貯留タンク２４内から処理容器１０内への第２回目の処理ガスの供給が停止される。また、コントローラ４２は、ガス源２２と貯留タンク２４との間に介設された開閉バルブ（図示せず）、マスフローコントローラ２３等を制御して、ガス源２２から貯留タンク２４内に処理ガスを供給して貯留させる。図２の例では、タンク内圧が３０５Ｔｏｒｒになるまで貯留タンク２４内に処理ガスが貯留されている。
以降、コントローラ４２は、第１回目及び第２回目の処理ガスの供給と同様に、第３回目以降の処理ガスの供給を行う。第３回目の処理ガスの供給では、コントローラ４２は、所定時間内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧である２８０Ｔｏｒｒと等しくなるように、即ちタンク内圧が２５Ｔｏｒｒ（３０５Ｔｏｒｒ－２８０Ｔｏｒｒ）となるように、炉口バルブ２５の開度を制御する。第４回目の処理ガスの供給では、コントローラ４２は、所定時間内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧である２８０Ｔｏｒｒと等しくなるように、即ちタンク内圧が２０Ｔｏｒｒ（３００Ｔｏｒｒ－２８０Ｔｏｒｒ）となるように、炉口バルブ２５の開度を制御する。
そして、処理ガスの供給が設定回数だけ行われることで、基板に所望の膜厚を有する膜が堆積する。設定回数は、レシピ等により定められる。
ところで、処理装置１におけるＡＬＤによる成膜では、貯留タンク２４、炉口バルブ２５、排気バルブ３２、排気装置３３、インジェクタ等のハードウェアのばらつきや経時変化により、装置間で膜厚均一性がばらつく場合がある。これは、ハードウェアのばらつきや経時変化により、貯留タンク２４内から処理容器１０内への処理ガスの供給量が安定しないためであると考えられる。
そこで、処理容器内への処理ガスの供給量を安定化させる方法の一例として、ＣＶ値が厳密に管理された炉口バルブを用いる方法がある。しかし、この方法では、製品歩留まりに限界がある。
また、処理容器内への処理ガスの供給量を安定化させる方法の別の一例として、処理容器の二次側に設けられた圧力センサの検出値をコントローラに取り込み、該検出値が毎回同じになるように処理ガスの供給量を制御する方法がある。しかし、この方法では、貯留タンクと圧力センサとの間に処理容器があるため、貯留タンクから処理容器内に処理ガスが供給されてから圧力センサの検出値に反映されるまでに時間差があり、機敏且つ精密な制御が困難である。
これに対し、実施形態のガス供給方法によれば、コントローラ４２は、貯留タンク２４内の圧力を監視している圧力センサ４１の検出値に基づいて、炉口バルブ２５の開度を制御する。即ち、コントローラ４２は、貯留タンク２４内から処理容器１０内に供給される処理ガスの供給量自体を直接制御する。これにより、処理容器１０内への処理ガスの供給量を機敏かつ精密に制御できる。結果として、処理容器１０内の圧力も精密に制御できる。
また、実施形態のガス供給方法によれば、コントローラ４２は、炉口バルブ２５が開かれると、所定時間内にタンク内圧の降下量が設定吐出圧と等しくなるように炉口バルブ２５の開度を制御する。これにより、設定吐出圧の処理ガスを、所定時間内に貯留タンク２４内から処理容器１０内に供給できるため、ＡＬＤによる成膜において毎回同じ量の処理ガスを処理容器１０内に供給できる。結果として、膜厚均一性が改善する。
なお、上記の実施形態では、コントローラ４２は、炉口バルブ２５が開かれた直後から炉口バルブ２５を開度可変モードで制御する場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、コントローラ４２は、炉口バルブ２５が開かれてから予め定められた時間が経過するまで炉口バルブ２５を開度固定モードで制御し、その後に炉口バルブ２５を開度可変モードで制御するようにしてもよい。開度固定モードは、炉口バルブ２５を一定の開度に固定するモードである。例えば、開度固定モードにおける炉口バルブ２５の開度を大きく設定することで、炉口バルブ２５が開かれた直後に多量の処理ガスを短時間で貯留タンク２４内から処理容器１０内へ供給して、残りの時間で精度よく処理ガスの供給量を調整できる。
〔実施例〕
図３及び図４を参照し、実施形態のガス供給方法を実施した実施例について説明する。実施例では、炉口バルブ２５が開かれてから予め定められた時間（０．５秒）が経過するまで炉口バルブ２５を開度固定モードで制御し、予め定められた時間が経過した後に炉口バルブ２５を開度可変モードで制御した。炉口バルブ２５を開度固定モードで制御した時間と炉口バルブ２５を開度可変モードで制御した時間の合計は３秒に設定した。また、炉口バルブ２５が開かれる前のタンク内圧（以下「貯留時タンク内圧」という。）と設定吐出圧との組み合わせが異なる５つの条件Ａ～Ｅで実施した。なお、実施例では、処理ガスの代わりに窒素ガスを用いて評価を行った。
条件Ａは、貯留時タンク内圧を３８０Ｔｏｒｒに設定し、設定吐出圧を３００Ｔｏｒｒに設定した条件であり、目標タンク内圧は８０Ｔｏｒｒ（３８０Ｔｏｒｒ－３００Ｔｏｒｒ）である。
条件Ｂは、貯留時タンク内圧を３６０Ｔｏｒｒに設定し、設定吐出圧を３００Ｔｏｒｒに設定した条件であり、目標タンク内圧は６０Ｔｏｒｒ（３６０Ｔｏｒｒ－３００Ｔｏｒｒ）である。
条件Ｃは、貯留時タンク内圧を３１０Ｔｏｒｒに設定し、設定吐出圧を２９０Ｔｏｒｒに設定した条件であり、目標タンク内圧は２０Ｔｏｒｒ（３１０Ｔｏｒｒ－２９０Ｔｏｒｒ）である。
条件Ｄは、貯留時タンク内圧を３４０Ｔｏｒｒに設定し、設定吐出圧を３１０Ｔｏｒｒに設定した条件であり、目標タンク内圧は３０Ｔｏｒｒ（３４０Ｔｏｒｒ－３１０Ｔｏｒｒ）である。
条件Ｅは、貯留時タンク内圧を３００Ｔｏｒｒに設定し、設定吐出圧を２８０Ｔｏｒｒに設定した条件であり、目標タンク内圧は２０Ｔｏｒｒ（３００Ｔｏｒｒ－２８０Ｔｏｒｒ）である。
図３は、タンク内圧の時間変化を測定した結果を示す図である。図３において、横軸は時間［秒］を示し、縦軸はタンク内圧［Ｔｏｒｒ］を示す。図３において、実線、点線、破線、一点鎖線及び二点鎖線は、それぞれ条件Ａ、条件Ｂ、条件Ｃ、条件Ｄ及び条件Ｅの結果を示す。
図３に示されるように、すべての条件Ａ～Ｅにおいて、炉口バルブ２５が開かれた直後にタンク内圧が大きく低下し、その後にタンク内圧が目標タンク内圧に安定化していることが分かる。この結果から、炉口バルブ２５が開かれた直後に多量の処理ガスを短時間で貯留タンク２４内から処理容器１０内へ供給して、残りの時間で精度よく処理ガスの供給量を調整できることが示された。
図４は、設定吐出量と実吐出量との誤差の算出結果を示す図である。図４において、左の列から順に、条件、貯留時タンク内圧［Ｔｏｒｒ］、目標タンク内圧［Ｔｏｒｒ］、設定吐出量（設定吐出圧）［Ｔｏｒｒ］、実吐出量（実吐出圧）［Ｔｏｒｒ］及び誤差（実吐出量－設定吐出量）［Ｔｏｒｒ］を示す。
図４に示されるように、すべての条件Ａ～Ｅにおいて、実吐出量の設定吐出量に対する誤差が２Ｔｏｒｒ未満であることが分かる。この結果から、すべての条件Ａ～Ｅにおいて、貯留タンク２４内から処理容器１０への処理ガスの供給量を精度よく調整できることが示された。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１ 処理装置
１０ 処理容器
２１ ガス供給管
２４ 貯留タンク
２５ 炉口バルブ
４１ 圧力センサ
４２ コントローラ

Claims (7)

  1. 基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器にガス供給管を介して接続された貯留タンクと、
    前記貯留タンク内の圧力を検出する圧力センサと、
    前記処理容器と前記貯留タンクとの間の前記ガス供給管に設けられたバルブと、
    前記圧力センサにより検出される前記圧力に基づいて前記バルブの開度を制御するよう構成されるコントローラと、
    を有する、処理装置。
  2. 前記コントローラは、前記貯留タンク内の圧力の降下量が設定吐出圧と等しくなるように前記バルブの開度を制御するよう構成される、
    請求項１に記載の処理装置。
  3. 前記設定吐出圧を入力する入力装置を有する、
    請求項２に記載の処理装置。
  4. 前記コントローラは、前記バルブを一定の開度に固定するモードで前記バルブの開度を制御し、次いで、前記貯留タンク内の圧力の降下量が前記設定吐出圧と等しくなるように前記バルブの開度を制御するモードで前記バルブの開度を制御する、
    請求項２又は３に記載の処理装置。
  5. 前記貯留タンクは、原料ガスを貯留する、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理装置。
  6. 前記コントローラは、前記貯留タンク内から前記処理容器内に間欠的にガスを供給して膜を堆積させるＡＬＤによる成膜を実施し、前記処理容器内に前記ガスを供給するときに前記圧力センサにより検出される前記圧力に基づいて前記バルブの開度を制御するよう構成される、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の処理装置。
  7. 処理容器にガス供給管を介して接続された貯留タンクにガスを貯留する工程と、
    前記貯留タンクに貯留された前記ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
    を有し、
    前記処理容器と前記貯留タンクとの間の前記ガス供給管にはバルブが設けられており、
    前記供給する工程において、前記貯留タンク内の圧力に基づいて前記バルブの開度を制御する、
    ガス供給方法。
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