JP3846934B2 - 反応チャンバの温度制御方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、化学蒸着（ＣＶＤ）法に関し、特に、温度制御装置、およびＣＶＤ反応チャンバの壁の温度を制御する随伴方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣例的なＣＶＤシステムにおいて、反応チャンバは堆積工程が行われる容積を内包する。チャンバは、典型的に、透明な石英で作製される。反応チャンバは、チャンバ内の装置の温度が光学高温計を用いて光学的にモニターし得る石英ウインドーを有する。一般的に、ウインドーはチャンバの壁と一体になっているので、これらウインドーはチャンバ壁温を示す。ウインドーおよびチャンバの壁の温度は、チャンバ内の加工物の温度、現在の随伴プロセス、現プロセス内で包含されたガスおよびプロセスの運転時間に従属して変化する。
【０００３】
より詳細には、堆積プロセス中、チャンバ壁上の堆積物を最小限にする為に石英壁温は狭い温度範囲内で制御されることが望ましい。さらに望ましいことは、クリーニング工程中、石英壁温は、チャンバ壁上に堆積されてきた膜のエッチング速度を最大にする為に異なる温度で維持される点である。そのような温度を維持することにより、粒子汚染問題は最小限に抑えられる。
【０００４】
典型的に、チャンバの壁温は、チャンバの外側表面付近の流量により、公称値(nominal value)で維持される。この空気の流量は、チャンバ内で実行される各プロセスに対し固定されている。そのため、チャンバ壁温は、チャンバ内の条件で変化する。すなわち、壁温はチャンバ内のプロセスが材料を堆積しているのか加工物から材料をエッチングしているのかに依存して異なる。
【０００５】
経験的な研究により、チャンバ内で行われるプロセスは、特定のプロセスに対する最適温度でチャンバ壁温が維持される場合、最適化することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＣＶＤシステムは固定流速でチャンバを過ぎた空気流量を維持することを企図している。それだけで、これらのシステムは高度な温度適正化を妨げる顕著なチャンバ壁温の変化を示す。
【０００７】
そのため、チャンバ内で完遂されているプロセスの各々に対しチャンバ壁温が簡単に適正化し得るように、反応チャンバ近傍の空気流量を制御するため、当該技術では、閉ループ型装置、付随した方法が必要である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来のＣＶＤ法に伴う欠点を克服するものである。特に、本発明はＣＶＤシステム内で反応チャンバ近傍の冷媒（空気）流量を制御する装置および付随方法であり、反応チャンバの壁温は所定の目標温度で維持される。目標温度は、通常、チャンバ内で現在完遂されているプロセスを適正化する温度である。
【０００９】
特に、本発明は、光学高温計（又は熱電対）を用いて反応チャンバの壁温を測定する。測定された温度は、目標温度と比較される。閉ループ装置は反応チャンバの外側表面を過ぎた空気流量を制御し、測定された温度は実質的に目標温度と等しくなる。空気流量制御は、反応チャンバを過ぎた空気を運ぶ包囲体に空気を供給する導入管内に配置された位置決め可能な空気羽根により提供される。それだけで(As such)、空気羽根の位置決めにより反応チャンバ近傍の空気流量を規制し、その後、反応チャンバ壁の温度を規制する。
【００１０】
操作中、使用者は、チャンバ内で行われる特定のプロセスに適切な多くの目標温度を設定することができる。本発明は、付随するプロセス中、各目標温度に到達および維持するように空気流量を調節する。したがって、適切な反応チャンバ壁温が各プロセス中に使用される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、化学蒸着（ＣＶＤ）システム１００内で使用される熱反応チャンバ１０２の断面図を示す。チャンバは、反応性ＣＶＤプロセスが完遂される内部容積１０３を画成する壁を有する。ハウジング１１８は、チャンバ１０２を囲んで支持する。チャンバ１０２の内部容積１０３内では、加工物支持構造体１０４がＣＶＤプロセス中に加工物を支持する為に使用される。そのような加工物支持構造体は、一般的に当該技術分野ではサセプタとして参照されている。加工物支持構造体１０４は、チャンバ１０２の底部孔１０８を介して拡張されている。そのような拡張により、駆動装置（図示せず）が加工物支持構造体１０４、よって加工物１０６をプロセス中に回転させることができる。そのような回転は、プロセス均一性を強化するためになされる。
【００１２】
処理中、ガスは入口ポート１１０を介してチャンバに入り、排気ポート１１２を介して除去される。また、処理中、熱は赤外線照射用電球１１４によって提供される。赤外線電球は、ハウジング１１８に接続された支持装置１１６上のチャンバ近傍に装着されている。チャンバの壁は透明になっており、赤外線照射が自由に反応チャンバに入り加工物を加熱することができる。
【００１３】
熱リアクタのより完全な記述およびそれらの操作は、"In-Situ Measurement Of A Thin Film Deposited On A Wafer" という名称で譲渡された特許第５,２５８,８２４および "Double Dome Reactor for Semiconductor Processing" という名称の米国特許第５,１０８,７９２に開示されており、これらは参考までに本願明細書に導入されている。
【００１４】
石英ウインドー（例えば、透明チャンバ壁の接触可能部分）は透明だが、処理中は、それでも加熱される。チャンバ壁を冷却する冷媒流量は、導入管１２０を介して送風機（図示せず）からハウジング１１８に供給され、チャンバを過ぎて照射され、導出管１２２を介して排気される。更に詳細には、冷媒流は、導管１２０を介して、上部および下部入口ポート１２４、１２６を通って、ハウジング１１８に供給される。冷媒流は、上部および下部排気ポート１２８、１３０を通ってハウジング１１８を出る。ハウジング１１８は、チャンバ壁を過ぎた冷媒を運ぶ包囲体を形成している。このチャンバの外側表面近傍の冷媒の一定流量が、チャンバ１０２の壁を冷却する。典型的には、冷媒は空気である。導入管１２０内に配置された、空気羽根１３８あるいは他の冷媒流量制御装置は、ハウジングへの空気流量の量を制御し、次には、チャンバ壁の温度を制御する。さらに、調整可能な絞り(iris)、弁、送風機速度制御回路など、冷媒流量を制御する他の装置を使用してもよい。
【００１５】
石英チャンバ壁の温度は、慣例的な光学高温計１３２を用いてモニタされる。この光学高温計は、摂氏１００度から８００度の範囲で測定でき、４．８〜５．２ミクロンの間の波長を検出できる能力を有する。そのような光学高温計は、7300 North Natchez Avenue, Niles, Illinois 60648 に商用住所を有する Ircon, Inc. あるいは 1290 Hammerwood Avenue, Sunnyvale, California 94089 に商用住所を有する Linear Labs から入手可能である。同様の光学高温計は、加工物１０６の温度を測定する為（高温計１３４）および加工物支持構造体１０４（高温計１３６）の温度を測定する為に用いられる。これらの高温計は、摂氏５００度〜１２５０度の範囲の温度を測定でき、２〜４ミクロンの波長を検出できるものである。
【００１６】
また、反応チャンバ壁の温度を測定する他の手段を使用できる。他の温度測定装置の一例は、図２に示されるように、シールドされた熱電対１４０である。この熱電対は、反応チャンバ１０２の外側表面に直接取り付けられている。特に、熱電対１４０は、シールド１４２の下方に装着されており、上部石英ライナ１４４の上方に直接配置されている。それだけで、チャンバ壁の温度は直接モニタされ、熱電対は測定温度を示す信号を作成する。
【００１７】
光学高温計１３２（熱電対１４０）からの出力信号は、信号処理回路（図示せず）により受信されて処理される。この回路は、例えば発光ダイオードあるいは液晶数値ディスプレイのような、信号で表示された温度値の表示へと温度測定装置からの電気出力信号を変換する、温度ディスプレイのような簡単なものでもよい。その表示された温度に応じて、操作者は手動で、空気流量制御装置を調節し、反応チャンバにわたる空気流量が変更される。この方法では、ディスプレイ上に表示されたような目標温度に測定温度が相当するまで、高温計（あるいは熱電対）により測定されたチャンバ壁温を操作者が調整できる。典型的には、目標温度はチャンバ内で完遂されている現在のＣＶＤプロセスを最適化する温度である。
【００１８】
前述した本発明の簡単な導入において、操作者は、目標温度に到達するまで測定温度を制御する閉ループシステムの一部を形成する。電気回路を使用すれば、閉ループ回路は当該閉ループを自動化の為に使用することができる。この点について、図３はチャンバ壁温を制御する閉ループシステムの簡略化されたブロック図を示す。図４は、この閉ループシステムが機能するプロセスを図示するルーチンのフローチャートを示す。この閉ループシステムの操作を最も良く理解するため、図３及び図４が同時に参照されるべきである。
【００１９】
本発明の上記実施例では、閉ループシステム３００は、高温計１３２（又はは熱電対）により生成された温度信号（ライン３０２）をモニタし、減算器３０８を用いて、測定温度信号を目標温度値と比較し（ライン３０４）、目標温度と測定温度の差異を表すエラー信号（ライン３０６）を生成する。目標温度は、手動によりシステムに入力されるか、チャンバ内の処理を制御しているコンピュータアルゴリズムによって定義される。いずれにせよ、エラー信号は、モータ制御回路３１０に対する入力を形成する。モータ制御回路は、エラー信号に応じて、空気羽根を調節するステッパモータ３１２を制御する。この空気羽根の調整により、空気羽根は動かされ、エラー信号が最小限になる。この全体操作は、エラー信号を最小限にして壁温の変化に対処するために定期的間隔で行われる。そのため、石英壁温は調整されて目標温度になる。
【００２０】
このチャンバ壁温の閉ループ制御に含まれるプロセスは、図４のフローチャートで要約されている。ステップ４０２では、目標温度（ＴＴ）がシステムに入力される。ステップ４０４では、測定温度（ＭＴ）が高温計（又は熱電対）によって生成される。ステップ４０６では、ルーチンが、目標温度が測定温度に等しいかを質問する。もし、温度が等しい場合、ルーチンはＹＥＳの経路４１２に従って、ルーチンの始めにとループを作り、質問が否定的に回答されるまで、それぞれ目標温度および測定温度を測定および比較する。
【００２１】
もし、目標温度および測定温度が等しくない場合、ルーチンステップ４０６からステップ４０８出されているＮＯの経路に沿う。ステップ４０でルーチンは、目標温度から測定温度を差し引くことによりエラー信号を作成する。ステップ４１０でモータ制御回路は、エラー信号に応答して、適切なモータ制御信号を生成する。このモータ制御信号はステッパモータを起動し、空気羽根の位置を調整する。このルーチンを繰り返すことにより、システムは目標温度と測定温度が等しくなるまで空気流量を調整する。後に、ルーチンは継続して測定温度をモニタし、継続して空気羽根の位置を調整し、測定温度は目標温度で維持される。
【００２２】
この方法およびシステムを使用することにより、チャンバ壁温の温度を目標温度に設定することができ、この目標温度がチャンバ内で生じる目下のＣＶＤプロセスを最適化する。同一のシステムおよび方法は、プロセスにわたり目標温度を維持する。その後、他のプロセスに対しては、本発明により他の目標温度が選定、確立および維持される。
【００２３】
前述した開示内容から当業者が悟ることは、エラー信号が空気流量制御装置の他の形態、例えば、送風速度、空気弁、調整可能アイリスを制御する為に使用できる点である。さらに、開示されたルーチンは、ＣＶＤ処理を制御するマイクロプロセッサ（コンピュータ）上で実行されるソフトウエアプログラムとして、組み込むことができる。それなりに、マイクロプロセッサは空気流量制御装置を制御する信号を作成する。
【００２４】
本発明の教示を導入する多様な実施例が本願で示され、詳細に説明されてきたが、当業者はこれらの教示を導入する他の多くの変更例をすぐに考案することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されるので、従来のＣＶＤ法に伴う欠点を克服することができる。特に、本発明はＣＶＤシステム内で反応チャンバ近傍の冷媒（空気）流量を制御することにより、反応チャンバの壁温は所定の目標温度で維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、チャンバの壁温をモニタする光学高温計を含む熱反応チャンバの簡略化された断面図を示す。
【図２】図２は、チャンバの壁温をモニタする熱電対を含む熱反応チャンバの簡略された断面図を示す。
【図３】図３は、閉ループ温度制御システムを提供するために使用される回路のブロック図を示す。
【図４】図４は、閉ループ制御ルーチンのフローチャートを示す。
【符号の説明】
１００…ＣＶＤシステム、１０２…熱反応チャンバ、１０３…内部容積、１０４…加工物支持構造体、１０６…加工物、１０８…底部孔、１１０…入口ポート、１１２…排気ポート、１１４…赤外線照射電球、１１６…支持装置、１１８…ハウジング、１２０…導入管、１２２…導出管、１２４、１２６…下部入口ポート、１２８、１３０…下部排気ポート、１３２、１３４、１３６…光学高温計、１４０…熱電対、１４２…シールド、１４４…上部石英ライナ、３００…閉ループシステム、３０８…減算器、３１０…モータ制御回路、３１２…ステッパモータ。

Claims (29)

1. 反応チャンバの壁の温度を制御する装置であって、
   包囲体（shroud）に接続され、当該包囲体に冷媒を移送する導入管であって、前記反応チャンバ近傍の冷媒流を限定して制御する前記導入管と、
   前記包囲体に接続され、前記包囲体から前記冷媒を排出する導出管と、
   前記導入管内に配置され、前記包囲体に流れる冷媒流量を制御する冷媒流量制御装置と、
   前記反応チャンバの前記壁の温度を測定する手段であって、前記温度測定手段が光学高温計(optical pyrometer)である、前記温度を測定する手段と、
   前記測定温度が目標温度に達するまで、反応チャンバ近傍の冷媒流量を変えることにより前記測定温度が変えられるように、測定温度に応じて前記冷媒流量制御装置を制御する手段と、
   を備えて構成される装置。
2. 前記包囲体は、前記反応チャンバの為にハウジングの一部を形成する、請求項１記載の装置。
3. 前記冷媒は空気である請求項１記載の装置。
4. 前記冷媒流量制御装置は、前記導入管を介して前記包囲体への空気流量を制限する為に、選択的に位置決めが可能な空気羽根(air vane)である、請求項３記載の装置。
5. 前記光学高温計は、前記壁から離れて配置され、４．８〜５．２ミクロンで波長を検出できる能力を有する、請求項１記載の装置。
6. 前記冷媒流量制御装置を制御する手段は、前記測定温度および前記目標温度を入力信号として有し、前記目標温度と前記測定温度との差異を示すエラー信号を作成する、閉ループシステムである、請求項１記載の装置。
7. 前記冷媒流量制御手段を制御する手段は、前記エラー信号に応じて前記エラー信号が最小限になるように前記冷媒流量制御装置を調整する、請求項６記載の装置。
8. 前記冷媒流量制御装置を制御する手段は、前記測定温度および前記目標温度を入力信号として有し、前記目標温度と前記測定温度との差異を示すエラー信号を作成する、閉ループシステムである、請求項４記載の装置。
9. 前記冷媒流量制御手段を制御する手段は、前記エラー信号に応じて前記エラー信号が最小限になるように前記羽根を調整する、請求項８記載の装置。
10. 前記冷媒流量制御装置は、選択的に前記空気羽根を位置決めするステッパモータに電気的に接続されたモータ制御回路を更に備え、前記モータ制御回路は、前記エラー信号に応じて、前記空気羽根が位置決めされて前記エラー信号が最小限になるように、前記ステッパモータを位置決めするためのモータ駆動信号を作成する、請求項９記載の装置。
11. 反応チャンバの壁を通過した冷媒流を運ぶ為の包囲体を備えた前記壁の温度を制御する装置であって、
    上記壁の温度を感知し、前記感知した壁温を示す第１信号を生成する反応チャンバの壁付近の光学高温計と、
    目標壁温を示す第２信号を供給する目標温度信号源と、
    前記第１および第２信号を受け、前記感知した壁温と前記目標壁温との差異を示すエラー信号を生成する比較器と、
    弁の閉度を調節するために前記エラー信号に応じ、前記包囲体を通る冷媒流の流量の程度を制御するために配置された調整制御弁と、
    を備え、もって、反応チャンバの温度が目標温度に近づくように形成される装置。
12. 前記包囲体は、前記反応チャンバのためにハウジングの一部を形成する、請求項１１記載の装置。
13. 前記冷媒は空気である請求項１１記載の装置。
14. 前記調整制御弁は、前記導入管を介して前記包囲体への空気流量を制限する為に、選択的に位置決めが可能な空気羽根である、請求項１３記載の装置。
15. 前記光学高温計は、前記壁から離れて配置され、４．８〜５．２ミクロンで波長を検出できる能力を有する、請求項１１記載の装置。
16. 反応チャンバの壁の温度を制御する方法であって、
    前記反応チャンバを過ぎた冷媒を運ぶ包囲体に、導入管を介して、冷媒を供給するステップと、
    前記冷媒が前記反応チャンバの前記壁を過ぎて流れた後、前記ハウジングから導出管を介して冷媒を排出するステップと、
    前記反応チャンバの前記壁の温度を光学高温計で測定するステップと、
    目標温度を選定するステップと、
    前記反応チャンバの前記壁を過ぎた冷媒の流量が規制され、前記測定温度が実質的に前記目標温度に等しくなるように、冷媒流量制御装置を調整するステップと、
    を備える方法。
17. 前記冷媒は空気である請求項１６記載の方法。
18. 前記包囲体は、前記反応チャンバの為にハウジングの一部を形成する、請求項１６記載の方法。
19. 前記調整ステップは、前記測定温度と前記目標温度との差異を示すエラー信号を計算するステップと、前記エラー信号に応じて、前記エラー信号が最小限になるように、前記冷媒流量制御装置を制御するステップと、を更に備える請求項１６記載の方法。
20. 前記冷媒流量制御装置は空気羽根である、請求項１７記載の方法。
21. 前記計算するステップは、
    前記エラー信号をモータ制御回路に供給するステップと、
    前記モータ制御回路内で、前記エラー信号に応答するモータ制御信号を生成するステップと、
    前記空気流量を規制し前記エラー信号を最小限にする為に前記冷媒流量制御装置が配置されるように、前記モータ制御信号に応じて、前記冷媒流量制御装置に結合されたモータを起動させるステップであって、前記冷媒流量制御装置が空気羽根である、前記ステップと、
    を更に備える、請求項１９記載の方法。
22. 壁を過ぎた冷媒を運ぶ包囲体を備えた反応チャンバの壁温を制御する方法であって、
    上記壁の温度を光学高温計で感知するステップと、
    感知された前記壁の温度を示す第１信号を生成するステップと、
    目標壁温を示す第２信号を供給するステップと、
    前記第１および第２信号を比較するステップと、
    前記比較に応じて、感知された前記壁の温度と前記目標壁温との差異を示すエラー信号を生成するステップと、
    前記エラー信号に応じて、上記包囲体を介して上記冷媒の流量の程度を制御するために配置されている調整可能な制御弁の閉度を調整し、もって、反応チャンバの温度が上記目標温度に近づくように形成される、方法。
23. 前記冷媒は空気である請求項２２記載の方法。
24. 上記包囲体は、前記反応チャンバの為にハウジングの一部である、請求項２２記載の方法。
25. 前記調整可能な制御弁は空気羽根である、請求項２３記載の方法。
26. 前記エラー信号をモータ制御回路に供給するステップと、前記モータ制御回路内で、前記エラー信号に応答するモータ制御信号を生成するステップと、前記モータ制御信号に応答して、前記空気流量を規制し前記エラー信号を最小限にする為に前記空気羽根が配置されるように、前記空気羽根に結合されるモータを起動するステップと、を更に備える請求項２５記載の方法。
27. 反応チャンバの壁の温度を制御する装置であって、
    包囲体（shroud）に接続され、当該包囲体に冷媒を移送する導入管であって、前記反応チャンバ近傍の冷媒流を限定して制御する前記導入管と、
    前記包囲体に接続され、前記包囲体から前記冷媒を排出する導出管と、
    前記導入管内に配置され、前記包囲体に流れる冷媒流量を制御する冷媒流量制御装置と、
    前記反応チャンバの外部表面に直接取り付けられ、前記外部表面の測定温度を示す信号を作成する熱電対であって、前記反応チャンバ内で加工物を加熱する為に使用される電球からの照射からシールドされた、前記熱電対と、
    前記測定温度が目標温度に達するまで、反応チャンバ近傍の冷媒流量を変えることにより前記測定温度が変えられるように、測定温度に応じて前記冷媒流量制御装置を制御する手段と、
    を備えて構成される装置。
28. 反応チャンバの壁の温度を制御する方法であって、
    前記反応チャンバを過ぎた冷媒を運ぶ包囲体に、導入管を介して、冷媒を供給するステップと、
    前記冷媒が前記反応チャンバの前記壁を過ぎて流れた後、前記ハウジングから導出管を介して冷媒を排出するステップと、
    前記反応チャンバの前記壁の温度を、前記反応チャンバの前記壁に取り付けられた熱電対で測定するステップであって、前記熱電対は、前記反応チャンバ内で加工物を加熱する為に使用される電球からの照射からシールドされている、前記ステップと、
    目標温度を選定するステップと、
    前記反応チャンバの前記壁を過ぎた冷媒の流量が規制され、前記測定温度が実質的に前記目標温度に等しくなるように、冷媒流量制御装置を調整するステップと、
    を備える方法。
29. 反応チャンバの壁を通過した冷媒流を運ぶ為の包囲体を備えた前記壁の温度を制御する装置であって、
    壁を有する反応チャンバと、
    前記反応チャンバの外部表面に直接取り付けられ、前記外部表面の測定温度を示す信号を作成する熱電対であって、前記反応チャンバ内で加工物を加熱する為に使用される電球からの照射からシールドされた、前記熱電対と、
    目標壁温を示す第２信号を供給する目標温度信号源と、
    前記第１および第２信号を受け、前記感知した壁温と前記目標壁温との差異を示すエラー信号を生成する比較器と、
    弁の閉度を調節するために前記エラー信号に応じ、前記包囲体を通る冷媒流の流量の程度を制御するために配置された調整制御弁と、
    を備え、もって、反応チャンバの温度が目標温度に近づくように形成される装置。

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