JP3000223B2 - 粒子汚染を最小限にするための流速制御方法及びその装置 - Google Patents

粒子汚染を最小限にするための流速制御方法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は加工物の処理室内等を排気し且つ再加圧する
ときに生じる空気の流速を加工物上の粒子汚染が最小限
となるように制御する方法と装置に関する。
（従来の技術） 加工ステーションにおける排気と再加圧との制御を必
要とする製造工程の一例としては、処理室であるイオン
注入室内での半導体ウェハのイオン・ドーピング工程が
ある。これは、イオン源からの不純物をイオン化したイ
オンをイオン進行経路に沿って加速してウェハに衝突さ
せ、ウェハ内に所定の量の不純物を注入する工程であ
る。このときイオン進行経路はイオンが適正な進路をた
どるように真空化されなければならない。
従来の技術ではこの工程を達成するためにウェハはロ
ード・ロックを通してイオン注入室に入れるか、又はウ
ェハを直接イオン注入室に入れるようにしていた。ロー
ド・ロックを利用する場合は、ウェハがそのイオン注入
室への進行経路途中に設けられたロード・ロックへ入れ
られた際にロード・ロックの室内は排気されて減圧状態
にされ、ウェハが処理されてロード・ロックから出され
る際にロード・ロックの室内は外と同じ気圧まで圧力上
昇される。また、ロード・ロックを利用しない場合に
は、ウェハはイオン注入室に直接入れられるが、ウェハ
が入れられた際及び処理されて除去される際にこのイオ
ン注入室全体が排気及び圧力上昇される。
処理室の圧力上昇と減圧を含む工程の別の例として、
例えばスパッタ被覆工程があるが、これは加工物を処理
室内に入れ、次に被覆材料を加工物から離れた位置から
スパッタすることによって表面に被覆が施されるもので
ある。この手順は例えば記録媒体に磁気材料を被覆する
場合に利用できる。この場合も被覆工程を行なう前に加
工物は処理室に入れられ、その後処理室は排気されて減
圧状態で被覆が行なわれる。
（発明が解決しようとする課題） このような工程では処理室内の粒子（汚染物）による
汚染レベルを最小限に保つことが必要である。例えばイ
オン注入室内の汚染レベルが所定値を越えると、工程の
半導体算出高は減少する。イオン注入室内の粒子汚染の
レベルを低減する手段は種々講じられてはいるが、従来
の手段ではこれらの汚染の全てを回避しえない。例えば
ウェアをロード・ロック又はイオン注入室に入れる際に
粒子が不可避的に中に入り込んでしまい、これらの粒子
はロード・ロック室又はイオン注入室の内壁に付着し、
それぞれの室の排気及び圧力上昇中に生じる気流が粒子
を移動させて室内に散乱させる。粒子が室の壁に付着し
たままであれば、ウェハは不都合な汚染にさらされるこ
となく処理室内に入れられ、処理され、かつ取り出され
ることができるが、粒子が拡散されてイオン注入工程の
前または後にウェハに付着した場合にはウェハは不良品
となり生産高を低減することになる。
1988年４月26日付けのストルテンベルグ（Stoltenber
g）の米国特許第4,739,787号では半導体ウェハの製造中
の粒子の存在が生産高に影響することを認識している。
この特許は空気が処理室から出入する際に粒子が室壁か
ら散乱すると認識している。そして、粒子の散乱の問題
に対する解決策の提案として、上記特許では乱流を軽減
するために制御されたプロフィルに従って聞く“ソフト
始動弁”の使用を推奨している。特に前記特許は時間プ
ロフィルに従って処理室内の圧力上昇、減圧することを
提唱している。
前記特許は処理室の壁に付着している粒子の離脱を軽
減することの重要性を認識しているものの、この特許は
流速の制御については言及していない。むしろこの特許
は乱流を回避することに主眼を置き、乱流を回避するよ
うな時間順で処理室の圧力上昇、減圧によってそれを達
成している。
このような事情に鑑みて、本発明は室内の圧力上昇時
及び減圧時に空気の流速を制御することにより室壁から
粒子が散乱するのを防止して加工物の汚染を低減する流
速制御方式及び流速制御装置を提供することを目的とす
る。
（課題を解決するための手段・作用） 本発明は加工物を処理する処理室または処理室に備え
られている室内を排気する際及び次に空気を入れて圧力
を上昇させる際の空気の流速を制御して室壁からの粒子
の散乱を最小限にするものである。
そして、それを達成する一手段としては、処理工程中
に一又は複数の加工物がその中に移送される室を備えて
いる。室は加工物を入れ、又処理後に加工物を取り出す
ための一又は複数の加工物用開口部が設けられている。
室には空気が入口経路を通って流入し、又、出口経路を
通って排出するための一又は複数の開口部を備えてい
る。また室内の圧力を検出する圧力センサが設けられて
いる。
そして、室内の圧力は圧力センサにより検出され、検
出された圧力は圧力信号として出力される。プログラム
可能な制御装置が圧力信号を監視し、且つ、空気が室を
出入りする際の過度の流速に起因する室内部の汚染を防
止するために室に出入する空気の流速を調整する。
本発明の好適な用途は、シリコン・ウェハのイオン注
入用である。この用途では、ウェハを入れるための加工
物用開口部を有する室はイオン注入中にウェハが位置す
るイオン注入室自体であってもよいし、又はその室がロ
ード・ロックであってもよい。後者の場合は、ウェハは
ロード・ロック内に入れられ、ロード・ロックは次に減
圧され、その後ウェハはロード・ロックからイオン注入
室へと移送される。何れの用途の場合も、制御装置が室
内の圧力を監視し、室の粒子汚染を防止するために室に
出入する空気の流速を調整する。これは圧力センサによ
り検出された圧力に基づいて調整可能であり、特定の空
気流量を設定する流量制御ユニットによって好適に達成
される。また、室内の空気の流速は複数の圧力センサに
より検出された圧力により調整可能な弁を制御して適正
に設定することもできる。この場合、異なる位置に複数
の圧力センサを使用するが、より安価な弁を使用するこ
とにより実現可能である。
制御装置は、室内の圧力と粒子を室壁からほとんど散
乱させない空気の臨界流速との関係を示す索引テーブル
を有し、索引テーブルに基づいて流量制御ユニットを調
整することによって最適な流速制御が達成できる。より
好適な設定としては、制御装置の索引テーブルに臨界速
度に安全係数を考慮した近似臨界速度を組み込んで、近
似臨界速度に基づいて流速を制御して許容できると見な
される量よりも少ない粒子しか散乱しないようにしても
よい。
（実施例） 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は第１ハウジング16内に収納されたイオン源12
と、解析磁石14とを備えたイオン注入装置10を示してい
る、イオン源12からのイオン・ビーム20は進行経路に沿
って進行し、その結果イオンは第１ハウジング16を出
て、第２ハウジング24内にあるイオン注入室22へ向かっ
て進行する。解析磁石14はビーム20内のイオンを分解し
て選択されたイオン種のイオン・ビーム20を精練し、こ
のイオン・ビーム20が第１ハウジング16を出て連結管26
を経て第２ハウジング24へと入る。イオン注入室22はイ
オン・ビーム20に対する該イオン注入室22の位置合わせ
が可能な可動台座28上に支持されている。
第２図に最も明解に示されているように、イオン・ビ
ーム20はイオン注入室22に入ってウェハ担持体40に担持
されているシリコン・ウェハ（以下ウェハという）に衝
突する。このウェハ担持体40はイオン・ビーム20がウェ
ハに当り、ウェハに不純物を注入するように設計された
環状経路に沿って個々のウェハを移動するものである。
ウェハ担持体40は軸を中心に回転するように取付けら
れ、第１のモータ50によってウェハ担持体40の高速回転
が達成される。この第１のモータ50はウェハをウェハ担
持体40の外周の周りに位置させたときにウェハ担持体40
を回転させる。
ウェハ担持体40はイオン注入室22内で並進運動ができ
るように取付けられ、不純物のドーピングを行なうイオ
ン・ビーム20の走査位置に対してウェハを前後（第２図
中左右方向）に並進させることができる。この前後への
並進運動は駆動軸54によってウェハ担持体40と連結され
た第２のモータ52によって行なわれる。第１のモータ50
とウェハ担持体40はガイドレール56によって支持されて
いる。２つの軸受58,58が第２図の矢印で示した滑り運
動ができるようにウェハ担持体40と第１のモータ50とを
支持している。ウェハへのイオン注入中に、ウェハ担持
体40は矢印60で示すような前後移動しつつ高速度で回転
して、制御された濃度の不純物が確実にウェハ担持体40
の周辺の周りに担持されたウェハに注入される。
前述の形式のイオン注入装置10に関するその他の詳細
についてはアームストロング（Armstrong）他への米国
特許明細書第4,672,210号に記載されている。この従来
の特許の主題は本明細書の参考として引用される。
ウェハはロード・ロック70を通ってイオン注入室22内
に挿入される。ロード・ロック70の圧力室72は真空ポン
プ（図示せず）によってイオン注入室22の内部と同じ圧
力に排気される。ウェハはロード・ロック70とイオン注
入室22の間の第１の加工物用開口部74を通って移送され
る。
ウェハをイオン注入室22の内外に移送する自動機構は
公知である。これと同じ機構により第２の加工物用開口
部76を通してウェハがロード・ロック70へ挿入される。
ウェハは先ずロード・ロック70内に入れられ、圧力室72
内の圧力がイオン注入室22内部の圧力と同じになるまで
減圧される。次に第１の加工物用開口部74に設けられて
いる流体密封のドア又はハッチ80が開けられ、圧力室72
内のウェハがイオン注入室22に移送される。イオン注入
室22内でのイオン注入工程が終了すると、ウェハはイオ
ン注入室22から再び圧力室72へと移送され、空気を圧力
室72に再流入させることによって圧力室72内の圧力が上
昇される。そして、第２の加工物用開口部76に設けられ
ているドア又はハッチ82が開かれ、処理されたウェハが
引き出されて、次のウェハ処理及び加工ステーションへ
と移送される。
ここで、圧力室72の壁から粒子粒子が散乱する危険が
あるのはロード・ロック70が排気され、且つ再び圧力上
昇されている間である。圧力室72に出入する空気の流速
はこの発明に基づき厳密に監視される。粒子を散乱させ
ないような流速は室壁に粘着する粒子が壁から散乱する
までに受ける力を理論的に考慮して求められる。
《理論的な流速の計算》 流体の流れにより粒子に作用する空気力学的な力は、 Faero＝1/2｛Cd/Cc｝Pu2AP …（１）式 ここで、Cdは抗力係数、Ccはカニンガム・スリップ係
数、Ｐは気体密度、ｕは粒子における局部的気体速度、
APは粒子の断面積である。
これらの因子は全て気体密度（従って気体の圧力）、
局部的気体速度及び粒子のサイズによってのみ左右され
る。
問題の粒子が圧力室72の壁に付着されている場合を考
える。壁面における流速はいわゆる境界層の存在のため
ｕ＝０である。壁面から離れて流れだす速度のプロフィ
ルは流れのタイプによって左右される。速度勾配は乱流
の場合よりも層流のほうがゆるやかである。同様に層流
において少しの距離だけ壁から離れた位置では、速度は
乱流の場合よりもずっと小さい自由流速度となる。勿
論、乱流における自由流速度はより大きいであろう。層
流の場合、壁からの距離をｙとすると、 u/u＊＝3/2（y/δ）−1/2（y/δ）２ …（２）式 ここでｕ＊は自由流速度であり、δは境界層の厚さで
ある。
この場合の圧力と流速においては一般にδはミリメー
トル単位の大きさであり、（ｕ＊）−1/2に比例して減
少する。ｙ＝ｄ（粒子の直径）とすると次の式が得られ
る。
Faero＝Ｇ（d,P）Ｐ1/2（ｕ＊）3/2 …（３）式 ここでＧ（d,P）は圧力に僅かに左右される。
粒子を壁から引き離すには空気力学的な力は少なくと
も粒子が表面に沿って滑る程度の大きさでなければなら
ない。摩擦係数をＫとし、付着力をFattachとすると、 Faero＜KFattach …（４）式 この付着力は空気の状態に左右されないであろう。従
って粒子を引き離すには、 （ｕ＊）3/2〜KFattach/G（d,p）Ｐ1/2 …（５）式 実験によってこの結果が正しいことが確認されてい
る。付着力は種々の粒子パラメタ及び壁の特性に左右さ
れる。同じ実験によりKFattachの大きさが５×10-6ダイ
ンであることが判明している。これは上記の式中の唯一
の未知数であり、これによって臨界速度ｕ＊ crit（Ｐ）
を粒子がそれ以上の流速で引き離され、それ以下の流速
では引き離されないように決定することができる。ま
た、安全係数ｍを組み込んだ近似臨界速度ｕ
＊ crit（Ｐ）/mはロード・ロック70に入る空気にとっ
て、又は減圧中に流出する空気にとって最適な制御が行
なえるプロフィルを示す。ここで臨界速度は圧力によっ
てのみ左右されることに留意されたい。
第２図を参照すると、ロード・ロック70内が加圧され
るときには第１の流量制御ユニット110が開いて空気入
口（開口部）側から空気が制御された流速で圧力室72内
に流入できるようになっている。ロード・ロック70の空
気出口（開口部）側では第２の流量制御ユニット112が
開いて圧力室72の空気が流出できるようになる。
ロード・ロック70はその空気入口側に気体が均一に流
れるようにする整流器114を備えている。整流器114は圧
力室72の寸法と比較して相当する大きさとする必要があ
る。例えば本実施例では、整流器114は圧力室72の境界
壁の大きさをほぼ占めている。第１の流量制御ユニット
110と整流器114との間は流れ経路が徐々に拡大する第１
の流量制御経路116が形成されている。
ロード・ロック70の空気出口（開口部）側では第２の
流量制御経路120がロード・ロック70内部の比較的低い
流速と、真空ポンプへと延びる経路内のより高い流速と
の移行部分を形成している。空気出口側では空気速度の
制御はそれほど重要ではなく整流器は必ずしも必要では
ない。しかし、汚染が許容限度を越える場合には、第２
図に点線で示す第２の整流器121を備えてもよい。
前記２つの流量制御ユニット110,112はプログラムさ
れた制御装置（CPU）130（第４図参照）によって調整さ
れる。空気が室内に入ると、プログラムされた制御装置
130がロード・ロック70内部の空気圧を検出する圧力セ
ンサ132からの入力を監視する。室壁から粒子が離れる
ことを防止するための許容流速に関する前述の理論上の
要因が索引テーブルの形式で制御装置130へとプログラ
ムされている。この索引テーブルは、理論的な考察を示
すグラフ（第６図）に概略的に示すように圧力センサ13
2によって検出された圧力と臨界流速（Ａ線）とが一定
の特性関係となっているものである。また、このグラフ
のＢ線は、圧力と臨界速度ｕ＊ crit（Ｐ）に安全係数ｍ
を考慮した近似臨界速度ｕ＊ crit（Ｐ）/mとの特性を示
すものである。そして、この索引テーブルよって制御装
置130はロード・ロック70内の圧力が変化する毎に臨界
速度を計算することができる。
２つの流量制御ユニット110,112は例えばシィーラ・
インスツルメンツ（Sierra Instruments）を含む多くの
メーカーから市販されている大容量流量制御ユニットで
よい。適当な流量制御ユニット110,112を通過した流速
は単位時間当りの流れ容量に換算して、即ち毎秒当りの
立方フィート等で計算される。例えば流量制御ユニット
110を介して流量が制御されると、整流器114を通過して
圧力室72に入る空気の速度は流量制御ユニット110によ
り制御された流量Ｆを整流器114の断面積Ａで割ること
によって計算することができる（Ｖ＝F/A）。制御装置1
30は索引テーブルによって整流器114を通る空気の臨界
速度又は近似臨界速度を測定された圧力から簡単に得る
ことができる。制御装置130からの出力される信号131に
よって流量制御ユニット110を通る空気の流れが調整さ
れ、室壁から粒子が引き離れることを防止する適正な速
度Ｖが達成される。
ウェハを効率良く移送するのに必要な圧力室72のサイ
ズおよび流速を制御するためには比較的大型の大容量流
量制御ユニットが必要であり、これは使用コストが高い
場合が多い。さらに減圧用には市販の大容量流速制御装
置130は真空のコンダクタンスに限界がある。そのた
め、別の制御方式では単一の圧力センサ132の代りに多
数の圧力センサ134,135,136（第５図）を使用し、弁140
の両側に配置している。この実施例では、弁140の両側
の圧力が測定されて、測定された圧力に基づいて弁140
の調整が可能なものである。弁140を通過する空気の流
量は弁140に応じた定数Ｑに２つのセンサ135,136に於る
圧力差を乗算した値に等しくなる。
Ｆ（流量）＝Ｑ（P1−P2） …（６）式 第５図の実施例では、制御装置130は整流器114におけ
る気体速度（Ｖ＝F/A）が空気の臨界速度以上である
か、以下であるかに応じて弁140を開閉する制御信号142
を出力することによって弁140を調整する。第４図およ
び第５図以外の別の実施態様も流速制御の専門家には明
らかであろう。
また、本発明はロード・ロック70を利用したものに限
定されない。例えば第３図では、イオン注入室22′は直
接加圧、排気されるものが示されている。これでは、ウ
ェハがドア、又はハッチ82′を通してイオン注入室22′
に入れられ、又はそこから引き出されるときに空気はイ
オン注入室22′に入れられる。ハッチ82′はその後に閉
じられてイオン注入室22′内が排気される。この際、圧
力上昇と減圧の双方の流速は第４図又は第５図に関連し
て前述したと同様にして圧力センサ132および流量制御
ユニット110′,112′を用いて調整される。第３図に示
すようにイオン注入室22′に直接ウェハを入れるための
多様な機構は当業者には公知である。
これまで本発明を特定の例で説明してきたが、本発明
は添付の特許請求の範囲に記載した構成の範囲内にある
本実施例の変更と修正は本発明に含まれるものである。
また、本発明の適用はイオン注入室22内の空気の流速
の制御だけでなくスパッタ被覆工程における処理室内の
空気の流速の制御等他の処理室の空気の流速の制御に適
用してもよい。
（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は、処理室内に備
えられ加工物の出入を行なう加工物用開口部を有する室
又は処理室内の空気の流速を室内の圧力に基づいて制御
することによって、室壁に付着している粒子の拡散を最
小限に抑えるようにすることができる。そのため、加工
物上での粒子汚染の低減が図れ、加工物の生産高を高め
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はイオン注入装置の概略図、 第２図はイオン注入室及び注入室にウェハを出し入れす
るためのロード・ロックを示した拡大概略縦断面図、 第３図はイオン注入室自体が排気され、ウェハが処理さ
れ、次にイオン注入室から引き出される際に再加圧され
る別の構成のイオン注入装置の一部を示す縦断面図、 第４図は室内の空気の流速を制御するための一つの制御
手段を示した概略図、 第５図は室内の流速を制御するための別の制御手段を示
した概略図、 第６図は室が不都合に粒子汚染されるのを防止するため
の室内の圧力と室に入る空気の許容最大速度との関係を
示すグラフである。 22……イオン注入室、70……ロード・ロック 72……圧力室、74,76……加工物用開口部 110,112……流量制御ユニット 116,120……流量制御経路 130……制御装置 132,134,135,136……圧力センサ 140……弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−266755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−139239（ＪＰ，Ａ) 米国特許4739787（ＵＳ，Ａ) 欧州公開110325（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/30 - 37/36

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ）一又は複数の加工物が処理のために内
    部に移動される室内部を形成する室であって、処理の前
    に加工物を室内に入れ、且つ処理後に室内から加工物を
    取り出すための一又は複数の加工物用開口部を有し、更
    に空気が第１の流量制御経路を介して入ることができ、
    且つ第２の流量制御経路を介して空気を排出することに
    よって内部の排気をするための一又は複数の開口部を設
    けた室と、 ｂ）室内の圧力を検出し、且つ検出された圧力を示す圧
    力信号を出力する圧力センサ（132）と、 ｃ）圧力センサからの圧力信号を監視し、且つ室に出入
    する空気の流速が高すぎることに起因する室の汚染を防
    止するため、第１及び第２の流量制御経路を介して室に
    出入りする空気の流速を調整するための制御装置（13
    0）と、 から構成されたことを特徴とする粒子汚染を最小限にす
    るための流速制御装置。
  2. 【請求項２】制御装置は圧力センサからの圧力信号と、
    前記第１及び第２の流量制御経路を経た第１及び第２の
    臨界流速とを相関する索引テーブルを有し、且つ第１及
    び第２流量制御液路内に位置し、流速を前記臨界流速の
    値に調整するための装置（110,112）を含むことを特徴
    とする請求項１記載の粒子汚染を最小限にするための流
    速制御装置。
  3. 【請求項３】ａ）第１流量制御経路内に設けられた弁
    （140）と、 ｂ）第１流量制御経路内の弁の上流に設けられた圧力セ
    ンサ（135）と、 ｃ）第１流速制御装置内の弁の下流に設けられた圧力セ
    ンサ（136）と、 ｄ）弁の両側の圧力差により検出された流速よりも高い
    か又は低い流速を達成するために弁の設定を調整する制
    御装置（130）と、 を備えたことを特徴とする請求項１記載の粒子汚染を最
    小限にするための流速制御装置。
  4. 【請求項４】室が大気圧の領域から加工物を受け入れる
    ための１つの加工物用開口部（76）と、気圧以下の圧力
    の領域へと加工物を送るための第２の加工物用開口部
    （74）とを有することを特徴とする請求項１記載の粒子
    汚染を最小限にするための流速制御装置。
  5. 【請求項５】ａ）シリコン・ウェハが処理のために内部
    に移送される室内部を形成する室であって、処理の前に
    ウェハを内部に挿入し、且つ処理後にはウェハを内部か
    ら取り出すための加工物用開口部（76）を有するイオン
    注入室（22）と、 ｂ）第１の流量制御経路（116）を介して空気がが内部
    に入ることができ、且つ第２流量制御経路（120）を介
    して内部の空気を排出することによって内部を排気する
    ための少なくとも１つの開口部を含み、イオン注入室の
    加工物用開口部（74）を介してイオン注入室と流体連通
    している圧力室（72）と、 ｃ）圧力室内の圧力を検出し、且つ検出された圧力を示
    す圧力信号を出力する圧力センサ（132）と、 ｄ）圧力室を出入する空気の流速が速すぎることに起因
    する圧力室内部の汚染を防止するため、圧力センサから
    の信号を監視し、且つ第１及び第２流量制御経路を通っ
    て圧力室に出入する空気の流速を調整するための制御装
    置（130）と、 から構成されたことを特徴とする粒子汚染を最小限にす
    るための流速制御装置。
  6. 【請求項６】制御装置が圧力センサからの圧力信号と前
    記第１及び第２の流量制御経路を通る第１及び第２の臨
    界流速との相関する索引テーブルを有し、更に第１及び
    第２の流量制御経路内に位置し、流速を前記最大流速以
    下の値に調整するための装置（110,112）を備えたこと
    を特徴とする請求項５記載の粒子汚染を最小限にするた
    めの流速制御装置。
  7. 【請求項７】粒子汚染物の散乱を防止しつつ室を交互に
    排気、圧力上昇させる方法であって、 ａ）室を出入する空気の圧力に応じて臨界速度を確定
    し、 ｂ）室内の空気の移動速度を臨界速度以下にするため
    に、室内の圧力を検出し、且つ室の形状に応じて空気流
    速を決定し、 ｃ）加圧又は排気中に室内の空気圧が変化するのに応じ
    て、前記決定された空気流速に応じて室に出入する空気
    の流速を調整する、 各段階から成ることを特徴とする粒子汚染を最小限にす
    るための流速制御方法。
  8. 【請求項８】流速の調整階段が、流量制御装置によって
    室内に入る単位時間当りの空気量を設定することにより
    行なわれることを特徴とする請求項７記載の粒子汚染を
    最小限にするための流速制御方法。
  9. 【請求項９】流速の調整段階が、弁を経た圧力差を測定
    し且つ適正な空気流速に対応する所望の圧力差が得られ
    るように弁の設定を変更することによって達成されるこ
    とを特徴とする請求項７記載の粒子汚染を最小限にする
    ための流速制御方法。
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