JP4516352B2 - ポンプ速度および調整弁の変化と、不活性気体の噴射とによるプロセスチャンバ内の圧力制御 - Google Patents

Description

本明細書に記載された本発明は、特に半導体産業で使用されるプロセスチャンバ内の気体圧力の制御に関する。

半導体およびマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造方法は、一般に、プロセスチャンバ内で低圧力の雰囲気下で行われる連続するステップを含む。各ステップは、例えばプラズマまたは半導体基板に作用する粒子衝撃を維持するために、調整が必要な気体圧力によって特徴づけられる。

いくつかのステップは、プロセスチャンバ中への処理気体の同時噴射を含む。

プロセスのほとんどのステップが、プロセスチャンバに連結された真空ポンプを含む真空ラインによって、生成され維持される適切な真空の中で行われる。

従来の方法では、プロセスチャンバ内の圧力は、二次ポンプおよび一次ポンプより前のチャンバの出口に直接配置された調節弁を操作することによって制御された。したがって、調整弁が汚れるリスク、および汚染物が調整弁からプロセスチャンバ内に後方へ散乱されるリスクを伴う問題が起こる。

一次および二次ポンプの速度を同時に制御することにあるこの問題の解決方法が、米国特許第６，４１９，４５５号の主題を構成する。一次ポンプが、比較的長いパイプで二次ポンプから離されて、遠くにあるとき困難が生ずる。したがって、調整システムの応答時間が長くなりすぎる。

文献ＷＯ ９９／０４３２５から、
ある時には、一次ポンプの上流側で二次ポンプの出口弁の下流側に、不活性気体を噴射しながら一次ポンプの速度を制御することを利用し、
またある時には、その速度が制御されていない一次ポンプの入口に連結された制御弁の上流側に不活性気体を噴射することを利用する、様々な複雑さの数多くの解決方法も知られている。

しかし、その文献は、一次ポンプの速度が制御され不活性気体が調整弁の上流側に噴射された状態で、調整弁が、一次ポンプと二次ポンプとの間に係合している場合の解決方法を記載していない。また、その文献は、二次ポンプの速度が制御されている場合の解決方法も記載していない。

マイクロ技術およびマイクロ電子構成部品を製造するためのプロセスチャンバ内の雰囲気を制御することの困難さは、プラズマまたは他の気体元素を利用する多種多様な加工のステップ、およびプロセスチャンバ内に存在する雰囲気に対する多種多様な物理状態にある。制御装置は、比較的大きな振幅の変化であるこれらの変化に従うことができなければならない。制御装置が、変化に迅速に従い、したがって、各ステップの始めから終わりまで加工のための適切な状態に従いながら、正しく実行される加工ステップを提供することも必要である。そうしないと、プロセスチャンバ内の雰囲気が安定するまで、加工のステップを始めることができず、それによって、製造スループット速度を減少させ製造コストを増加させる。

従来技術の文献は、必要であるステップのすべてについて適切である、反応速度および調節範囲を達成するのに満足のいく教示を与えていない。
米国特許第６，４１９，４５５号明細書 国際公開第９９／０４３２５号パンフレット 東独国特許出願公開第２６２０６５号明細書 独国特許出願公開第１００４３７８３号明細書

したがって、本発明は、調節範囲も広げ、また同時にプロセスチャンバの出口にある制御弁から起こる可能性のある後方への散乱の汚染物のリスクを避けながら、特にシステムの調整応答時間を大幅に低減させ不安定性のリスクを軽減させることを可能にすることで、同時に従来技術のシステムの欠点を回避しようとする。

したがって、本発明は、チャンバの出口の調整弁を、一次ポンプと二次ポンプとの間に長いパイプがある場合でさえも、適切な反応速度および振幅を達成できる満足のいく手段で置き換えようとする。

本発明は、振幅および反応速度を増加させようと望むとき、しばしば調整されたシステムで遭遇する不安定性が現れることを回避して、満足のいく調整の安定性も保証しようとする。

本発明の本質的な考え方は、その反応速度が、互いに補完し合う３つの補足的な手段、すなわち、
一次ポンプおよび／または二次ポンプの速度を制御し、したがって非常に長期の傾向に応答することを可能にすること、
調整弁自体の上流側で一次ポンプの上流側に位置する点で、流量制御の下で不活性気体を噴射し、したがって中期の傾向に応答すること、および
調整弁の開度を制御し、したがって、噴射気体によってまた一次ポンプの速度を調整することによって適当な動作状態の下に置かれたとき、非常に速い反応をもたらすことによって、調整を実行することである。

特に、これらの目的を達成するために、本発明は、プロセスチャンバから気体をポンピングするシステムであり、一次ポンプと、二次ポンプと、不活性気体噴射装置と、調整弁とを含むポンピングシステムであって、
一次ポンプおよび／または二次ポンプの速度が制御され、
調整弁の開度が制御され、かつ調整弁が一次ポンプの入口に連結され、
不活性気体噴射装置の流量が制御され、かつ不活性気体噴射装置が調節弁の上流側に設けられたシステムを提供する。

これらの要素の組み合わせによって、非常に速い反応速度および広範囲の可能な調節を達成することが可能になり、調整に大きな柔軟性が与えられる。

本発明は、好ましくは、ターボ形、ドラッグ形、ターボ／ドラッグ形のポンプタイプの速度制御された二次ポンプに適用される。

好ましい実施形態では、調節弁は制御されて、プロセスチャンバ内の圧力および気体噴射流量の状態における小さい振幅の速い変化を補償し、不活性気体噴射は制御されて、プロセスチャンバ内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより大きな振幅の変化を補償し、一次ポンプおよび／または二次ポンプの速度は制御されて、プロセスチャンバ内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより長期の傾向およびより大きな振幅の変化を補償する。

この場合、一次ポンプおよび／または二次ポンプの速度と気体の噴射とは、好ましくは調整弁を、選ばれた弁に応じて適切な中間の開度位置にするように決定される。弁の製造業者によって提供された応答曲線に応じて、当分野の技術者は調節弁の平均の位置を適合させることができる。したがって、調整弁は、その位置に応じて弁が制御する流体に関する最も適切な反応感度を与える平均の位置にされる。

同様に、当分野の技術者は、高い調整感度を達成するために気体噴射を適合させ、または調整感度を低減させるために気体噴射およびポンプ速度を適合させることより、好ましくは、調整の目的のために望まれる感度に応じてポンプ速度および気体の噴射を適合するように選ぶであろう。

実際の実施形態では、本発明のポンピングシステムは、
一次ポンプおよび／または二次ポンプが、一次ポンプおよび／または二次ポンプを調節可能な速度で制御する制御手段に連結され、
調整弁が、調整弁を制御するための制御手段に結合され、
不活性気体噴射装置が、不活性気体源から、噴射弁および噴射弁を制御するための制御手段を備える噴射パイプを介して不活性気体を噴射し、かつ
マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの中央制御手段が、一次ポンプおよび／または二次ポンプのための、調整弁のための、および噴射弁のためのそれぞれの制御手段を制御することができる。

好ましくは、中央制御手段が、基準手段から受け取った基準信号に応じて、調整弁および噴射弁の開度位置に関する情報に応じて、かつ圧力センサから出されたプロセスチャンバ内の圧力の測定値に応じて、それぞれの制御手段を制御する信号を生成する。

本発明は、半導体またはマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造設備を構築することに有利に適用することができる。

別の態様では、本発明は、プロセスチャンバ内部の雰囲気が、上記で画定されたポンピングシステムによってポンピングされる、半導体またはマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造方法を提供する。

好ましくは、調整弁の開度が、プロセスチャンバ内の圧力および気体噴射流量の状態における小さい振幅の速い変化を補償するように制御され、不活性気体の噴射が、プロセスチャンバ内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより大きな振幅の変化を補償するように流量で制御され、かつ一次ポンプおよび／または二次ポンプの速度が、プロセスチャンバ内の圧力および／または気体噴射流量の状態におけるより長期な傾向および大きな振幅の変化を補償するように制御される。

本発明の他の目的、特徴および利点が、添付の図に関連して記載された特定の実施形態の以下の説明から明らかになる。

図２に示す実施形態では、プロセスチャンバ１の真空を制御する真空ラインに、調節可能な速度で一次ポンプ２を制御する手段３に連結された一次ポンプ２が提供される。

調整弁４が、一次ポンプ２の入口に、調整弁４の制御手段５と結合して提供される。流量制御の下の不活性気体の噴射６が、調整弁４の上流側で、不活性気体源７から噴射弁７ｂおよび噴射弁７ｂを制御する手段７ｃを備える噴射パイプ７ａを介して、不活性気体を噴射することによって提供される。一次ポンプ２が、二次ポンプ８に連結され、この二次ポンプ８は、恐らく隔離弁９を介してそれ自体がプロセスチャンバ１に連結される。二次ポンプ８自体は、変化する速度で二次ポンプ８を制御する手段１１に連結される。

一次ポンプ２を制御する手段３および二次ポンプ８を制御する手段１１は、一次ポンプ２または二次ポンプ８の回転速度を決定し、以下に記載するように決定された値に安定させる。同様に、不活性気体の噴射６を制御する手段７ｃが、調整弁４の上流側で以下のように決定された適切な流量で不活性気体を噴射する流量を決定する。最後に、調節弁を制御する手段が、調整弁４の適正な開度位置を決定する。

一次ポンプ２および／または二次ポンプ８の所定の速度に対して、不活性気体の噴射手段６が、二次ポンプ８の下流側に適切な平均気体圧力を達成することを可能にする不活性気体の量を噴射するようにプログラムされ、それによって、調節に適切な感度の領域にある中間にある調節弁の中間位置に対して、この方法の現在のステップで必要となる中間圧力に相当するプロセスチャンバ１内の平均圧力を決定する。

プロセスチャンバ１内の圧力変化の傾きを、所定の下流側圧力に対する調節弁４の開度位置に応じて示す図３の曲線Ａで、調整弁の調節感度を図示する。好ましくは、調整弁および二次ポンプ８の結合した伝達関数に対し、満足な変化の傾きに対応する４０％から６０％まで動く範囲Ｏ内の中間の開度位置に、調節弁４が配置される。

プロセスのステップの間で、プロセスチャンバの平均圧力、およびプロセスチャンバに噴射される気体の平均流量は、変化することがある。平均圧力および流量の前記変化に追従するために、不活性気体が、調節弁４の上流側で噴射される流量を大幅に変化させることを引き起こすことが必要である。高すぎたりまたはゼロの流量に達することを避けるために、一次ポンプ２を調節可能な速度で制御する手段３および／または二次ポンプ８を調節可能な速度で制御する手段１１は、一次ポンプ２および／または二次ポンプ８の速度を適合させて、平均の不活性気体流量６および調整弁４の平均の開度に対して、一次ポンプ２の入口で適切な平均圧力を達成する。

さらに、満足のいく調整が可能なため、特に広範囲の調節が可能なため、プロセスチャンバ１内に存在する状態の広範囲の変化の迅速な調節を行うことが可能である。

不活性気体噴射の調整手段および調整弁４を制御するための手段を、一次ポンプ２だけの速度の調整と、二次ポンプ８だけの速度の調整と、または一次ポンプ２と二次ポンプ８の両方の速度の調整と組み合わせることができる。この２台のポンプの可能性が、プロセスチャンバの内部に存在する状態の可能な状態の変化の範囲をさらに増大させ、また制御の反応速度をさらに増大させることを可能にする。

図１ａから図１ｅは、本発明の一実施形態において、プロセスチャンバ内の圧力を制御するシステムにおける動作状態が時間に応じて変化できる方法の例を示す。

まず、図１ａは、一例として挙げたプロセスのシーケンスの間のプロセスチャンバの内部の基準圧力を示す。基準圧力は、９０ミリトール（ｍＴｏｒｒ）程度の比較的高い値で始まり、その後、非常に低く下がり、次にタイムマーク５０．００までの期間、約２０ｍＴｏｒｒまで上がり、その後しばらくまた非常に低く下がり、その後、約２０ｍＴｏｒｒまで上がることに留意されたい。その後、基準圧力は、タイムマークが約１００．００付近で約４０ｍＴｏｒｒまで上がり、次に低い値に下がり、その後、約６０ｍＴｏｒｒまで上がり、次に非常に低い値に下がり、その後、約９０ｍＴｏｒｒまで上がる。

図１ａは、プロセスチャンバ内で達成された圧力も示し、圧力は、基準圧力の負のステップには迅速に下降するが、基準圧力の正のステップには、よりゆっくりと上昇することがわかる。

図１ｂは、プロセスチャンバに導入される処理気体の流量の同時に起こる変化を示し、前記流量は、時々基準圧力の変化に反する。その時は、ポンピングシステムは、基準圧力に追従するためにプロセス気体流量を排出しなければならない。

図１ｃは、調整弁４の開度の変化を示す。

図１ｄは、不活性気体を調整弁４の上流側に噴射する流量の変化を示し、一方、図１ｅは、二次ポンプの速度の変化を示す。

タイムマーク１００．００付近で起こる事象に特別の考慮を払うことができる。その時、プロセスチャンバへの処理気体の気体噴射流量の減少（図１ｂ）、およびプロセスチャンバ内部の基準圧力の増加（１ａ）が同時に存在する。プロセスチャンバ内部に所望の圧力を達成するために、図１ｃのステップ０１の負のステップで指示されるように、調節弁４が最初に迅速に閉じられる。同時にまたは図に示すように少し後で、不活性気体噴射の流量６が、正のステップＦ１で表されるように、調節弁４の上流側で急激に増加する。プロセスチャンバへの処理気体の流量の減少が存在するとき、基準圧力の正のステップに追従するために噴射流量および弁の開度の変化が十分でない場合、負のステップＶ１で表されるようなポンプ速度の変化も加えられる。システムは、３つの変化、すなわち弁の開度Ｏ１、噴射の流量Ｆ１、およびポンプの速度Ｖ１のため正確に応答する。これによって本発明は、大きな振幅の変化に従うことが可能になる。

どの要素を調節するかの選択が、システムの調節感度全体にいかに作用することを可能にすることを示す図３に関連して、本発明の第２の利点を説明する。

この図で、曲線Ａは、ポンプ２および８の速度、および調整弁４の上流側の不活性気体の噴射流量６の与えられた一定の状態での、調整弁４の様々な開度位置に関するプロセスチャンバ１に対する伝達または圧力の変化曲線である。曲線Ａから、調整弁４を中間の開度位置、有利には全開の４０％から６０％の範囲にし、したがって、十分だが大きすぎない感度を維持するのが有利であることがわかる。

曲線Ｂは、調整弁４の上流側で不活性気体噴射流量６に変化があると、伝達曲線Ａがより高い圧力へ移動することを示す。曲線Ｂは、曲線Ａに比較的平行なままである。同様に、調整弁４の上流側で不活性気体噴射流量６に追加の変化があると、曲線Ｃは、高い圧力に移動した伝達曲線Ａを示す。

曲線Ｄは、調節弁４の上流側での不活性気体噴射流量および一次ポンプ２の速度を同時に変化させる場合に、どう伝達曲線が歪むかを示す。最後に、曲線Ｅは、より大きな噴射流量によって、一次ポンプ２の速度および調節弁４の上流側での不活性気体噴射流量６を変化させる場合、どう伝達曲線が歪むかを示す。

これらの曲線を以下のように解釈できる。すなわち、弁が５０％の平均の開度にされた場合、調整弁４の上流側の徐々に増加する不活性気体噴射の流量６によって、伝達曲線が、点Ａ１から点Ｂ１へ次にＣ１へ、それぞれ曲線Ａ、ＢおよびＣで移動する。点Ｂ１で、曲線Ｂの傾きは、曲線Ａの点Ａ１での傾きと比べて急であり、曲線Ｃの点Ｃ１ではさらに急であることがわかる。これは、調節弁４の上流側の不活性気体噴射流量６を増加させることによって、調整感度が徐々に増加することを意味する。ある場合には、これが過剰な反応利得のために不安定性につながることがある。

やはり、弁の開度が５０％の場合、曲線Ｄの点Ｄ１および曲線Ｅの点Ｅ１を考えると、プロセスチャンバ内で同じ圧力状態の場合、曲線ＤおよびＥはさらに小さい傾きを与えることがわかる。したがって、曲線ＤおよびＥに移動をおこなうために、この場合も一次ポンプの速度を変化させることを選択することによって、調整感度を低下させ、したがって改善された安定領域を占めることができる。

したがって、ポンプの速度または不活性気体噴射を、所望の調整目的の感度に応じて好ましい方法に適合させるために、本発明の手段を利用することができる。ポンプ速度を一定にすることによって、調整弁４の開度も適合させながら、気体の噴射を適合させるだけで、より広い調節感度を達成することが可能になる。これに比べて、調整弁４の上流側の不活性気体の噴射６を適合させながら、同時にポンプ速度を変化させることによって、調節感度を下げしたがって調節の安定性を改善することが可能になる。

もう一度、図２に関し、本発明の真空ラインの様々な部材を制御するための実際的手段の構成図を見ることができる。

弁４の制御手段５および弁７ｂの制御手段７ｃは、それらが連結されるマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの中央制御手段１０から受け取る基準値に応じて、それぞれの弁のシャッタ手段を機械的に動かす電磁インタフェースであることができる。同じマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ１０が、それぞれに対応し、したがって、中央制御手段１０に連結された電源制御手段を構成する制御手段３および／または制御手段１１を介して、一次ポンプ２および／または二次ポンプ８への電気の供給も制御する。

マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの中央制御手段１０は、調整弁４および噴射弁７ｂの開度位置に関する情報と、一次ポンプ２および／または二次ポンプ８の速度に関する情報とを、図には示していないセンサを介して任意に受け取ることができる。センサが、墳射流量を検知するためにパイプ７ａ内に備えられてもよい。マイクロコントローラは、プロセスチャンバ１内で測られ、圧力センサ１２によって出された圧力の測定値を表す信号も受け取り、かつ基準手段１３によって生成された圧力基準信号も受け取る。

あるいは、中央制御手段１０が、測定信号を受け取ることなく、開ループ構成で制御信号を出すこともできる。

本発明は、上記に記載された実施形態に限定されるものではなく、当分野の技術者の能力の中にある修正形態および一般化したものを含む。

実際の圧力変化と共に、プロセスチャンバの基準圧力の変化の例を示すタイミング図である。 処理の間に、プロセスチャンバに導入された同時に変化する気体流量の例を示す図である。 その時プロセスチャンバ内の小さい振幅の圧力および流量の変化に従うための弁の開度の変化を示す曲線である。 長期の傾向またはより大きな振幅の変化に従うために実行することが必要な気体噴射の変化の方法を示す曲線である。 一次ポンプの速度変化を示す曲線である。 本発明の実施形態のプロセスチャンバ内の圧力を制御する装置を示す構成図である。 様々なポンプ速度および気体の流量の状態における弁の開度を関数とする調整感度曲線を示す図である。

符号の説明

１ プロセスチャンバ
２ 一次ポンプ
３ 一次ポンプの制御手段
４ 調整弁
５ 調整弁の制御手段
６ 不活性気体噴射装置
７ 不活性気体源
７ａ 噴射パイプ
７ｂ 噴射弁
７ｃ 噴射弁の制御手段
８ 二次ポンプ
９ 隔離弁
１０ 中央制御手段
１１ 二次ポンプの制御手段
１２ 圧力センサ
１３ 基準手段

Claims (6)

1. プロセスチャンバ（１）から気体をポンピングするシステムであり、一次ポンプ（２）と、二次ポンプ（８）と、不活性気体噴射装置（６）と、調整弁（４）とを含むポンピングシステムであって、
   前記一次および／または二次ポンプ（２および／または８）の速度が制御され、
   前記調整弁（４）の開度が制御され、かつ前記調整弁（４）が前記一次ポンプ（２）の入口に連結され、
   前記不活性気体噴射装置（６）の流量が制御され、かつ前記不活性気体噴射装置（６）が前記調整弁（４）の上流側に設けられ、
   前記調整弁（４）が、前記プロセスチャンバ（１）内の圧力および気体噴射流量の状態における小さい振幅の速い変化を補償するように制御され、不活性気体噴射装置（６）が、前記プロセスチャンバ（１）内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより大きな振幅の変化を補償するように制御され、かつ一次および／または二次ポンプ（２および／または８）の速度が、前記プロセスチャンバ（１）内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより長期の傾向および振幅のより大きな変化を補償するように制御される、ポンピングシステム。
2. 前記一次ポンプおよび／または二次ポンプ（２および／または８）の速度および不活性気体噴射装置（６）の流量が、前記調整弁（４）を、前記調整弁が適切な反応感度を呈する適切な中間の開度である中間位置にするように決定される、請求項１に記載のポンピングシステム。
3. 前記一次および／または二次ポンプ（２および／または８）が、前記一次および／または二次ポンプ（２および／または８）を調節可能な速度で制御するための制御手段（３または１１）に連結され、
   前記調整弁（４）が、前記調整弁（４）の制御手段（５）に結合され、
   前記不活性気体噴射装置（６）が、不活性気体源（７）から、噴射弁（７ｂ）および噴射弁（７ｂ）を制御するための制御手段（７ｃ）を備える噴射パイプ（７ａ）を介して不活性気体を噴射し、
   マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなど中央制御手段（１０）が、前記一次ポンプおよび／または二次ポンプ（２および／または８）のための、前記調整弁（４）のための、および前記噴射弁（７ｂ）のためのそれぞれの前記制御手段（３、１１、５、７ｃ）を制御する、請求項１に記載のポンピングシステム。
4. 前記中央制御手段（１０）が、基準手段（１３）から受け取る基準信号に応じて、前記調整弁（４）および前記噴射弁（７ｂ）の前記開度位置に関する情報に応じて、かつ圧力センサ（１２）から出される前記プロセスチャンバ（１）内の前記圧力の測定値に応じて、前記それぞれの制御手段（３、１１、５、７ｃ）を制御する信号を生成する、請求項３に記載のポンピングシステム。
5. 設備が、少なくとも１個のプロセスチャンバ（１）および請求項１に記載のポンピングシステムを含む、半導体およびマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）を製造するシステム。
6. 半導体またはマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）を製造する方法であって、プロセスチャンバ（１）内部の雰囲気が、請求項１に記載のポンピングシステムを使用してポンピングされ、調節弁（４）の開度が、前記プロセスチャンバ（１）内の圧力および気体噴射流量の状態における小さい振幅の速い変化を補償するように制御され、不活性気体墳射装置（６）が、前記プロセスチャンバ（１）内の圧力および気体噴射流量の状態におけるより大きな振幅の変化を補償するように流量で制御され、また一次ポンプおよび／または二次ポンプ（２および／または８）の速度が、前記プロセスチャンバ（１）の圧力および／または気体噴射流量の前記状態におけるより長期の傾向および大きな振幅の変化を補償するように制御される、方法。

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