JP4621373B2 - 半導体ウェーハ処理チャンバーから装置をシールドするための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ処理チャンバーに関し、より詳細には、半導体ウェーハ処理チャンバー内に発生した熱エネルギーからポンプのような装置をシールドするため熱シールドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体処理システムの処理チャンバーで半導体ウェーハを処理するために十分な真空を作り出すため、第１及び第２ステージのポンプダウンが行われる。一般に、第１段階では、チャンバーは空気を抜かれ、第１真空レベルに導かれる。大部分の空気がチャンバーから除去され、真空が確立され、第２段階が開始される。第２段階の間、低温ポンプ（通常、クライオポンプと呼ばれる）が使用され、処理チャンバー内に高真空レベルを達成する。クライオポンプを使用し、高真空度を達成するシステムは、１０^−９トルのオーダーで、ベース圧力（すなわち、充填する意図なくガスをスパッタリングする）を要求する物理的気相成長法（ＰＶＤ）システムを含み、最適処理条件及び処理性能を得る。
【０００３】
一般に、クライオポンプは、第１段階のポンプダウンの後、チャンバー雰囲気内に残っている分子及び他のガスを除去することによりチャンバー内に高真空度を発生させる。一般に、クライオポンプは複数の羽根配列を備えている。各配列のそれぞれの羽根は、低温度において、ポンピング処理の間に羽根と接触するようになる分子及び他のガスを吸収する材料から製作される。有限数の分子だけがクライオポンプにより吸収可能であり、容量ポンプをチャンバー雰囲気以外の源からのローディングに敏感にさせる。処理地点で、好ましくは、かなり多数のウェーハが真空雰囲気で処理された後、クライオポンプは加熱され、ポンピングの間に吸収され収集された分子及び他のガスを排出、すなわち、吸収又は排気する。一般に述べられているように、クライオポンプは冷却時にガスを吸収し、その後、クライオポンプがガスを吸収する温度に達するまで、クライオポンプの温度が増加するに連れて、ガスを吸収する能力を徐々に失う。そのように、ポンプの温度は、高真空度を達成すると共に維持するクライオポンプの能力に直接影響を及ぼす（クライオポンプは高真空度を有効に達成するため冷却状態のままでなければならない）。
【０００４】
通常、クライオポンプはエルボー管を介して処理チャンバーの出入口に接続されている。エルボー管は、チャンバー内のランプ、台ヒータ、プラズマ及び他の熱源によりチャンバー内で生じた熱からクライオポンプを保護するように機能する。エルボー管は、クライオポンプをチャンバーからの加熱効果があまりひどくないチャンバーから一定の距離に置くことによりクライオポンプを断熱する。さらに、管のエルボー形状は、出入口を通ってチャンバーを出る放射エネルギーの直接の範囲外にクライオポンプを置く。出入口はまた、通常、シールドに取付けられ、処理チャンバー内に発生した放射エネルギーを反射する。
【０００５】
処理チャンバーが半導体ウェーハを処理するために使用される前、チャンバーは「焼出し」として公知な処理を経験し、チャンバーはランプにより加熱され、チャンバー内部に晒された表面から揮発分子を吸収すると共に蒸発される。これらの分子の除去は、高真空度を達成すると共にチャンバー内に処理された基板の汚染を最小にするために重要である。
【０００６】
一度、揮発分子がチャンバーから汲み出されると、チャンバーは冷却期間として公知な一定期間に亘り公称温度まで冷却される。焼出しと冷却の両方のサイクルが完了した後、チャンバーが８×１０^−９から５×１０^−９トルのオーダの真空度を達成すると共に維持することができる時、チャンバーはウェーハを処理する資格があると考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高真空度を達成すると共に維持する困難性の一因となるクライオポンプを使用するシステムにおいて、複数の問題が認められる。１つの問題は、揮発性物質及びエルボー管からの他の汚染物資を吸収する困難性である。チャンバー及びクライオポンプの中間のエルボー管の位置は、焼出しの間にエルボー表面からの汚染物質を除去するために要求されるエルボー表面の加熱を妨げる。結果として、エルボー管は、高真空度が達成される前にクライオポンプに負荷を掛ける材料を除気してもよく、すなわち、チャンバー表面の除気がかなり低い割合に達する時に、それはかなり高い割合で除気し続けてもよい。その上さらに、エルボー管の湾曲した外形は、出入口を通ってチャンバーを出る時に、分子及び他の汚染物質をエルボー管の内部に衝突させる。これらの分子及び汚染物質は後に取り除かれ、クライオポンプが所望の真空レベルに達することができないようにさせ、又は除気されたエルボー材料からクライオポンプの分子ローディングのため、真空圧力をドリフトさせる。
【０００８】
別の問題は、熱シールドが通常、アルミニウム製であることである。アルミニウムの熱シールドは急速に熱くなり、結局、ポンプにシールドが近接しているため、クライオポンプに対する熱源になる。アルミニウムシールド内の流体路、又は冷却のためのシールド取付フランジは、流体が漏出した場合に真空雰囲気内に置かれた流体路が破滅的なチャンバー汚染となるから、嫌われている。
【０００９】
これらの問題は統合し、チャンバーの焼出しの間の長い制限回数の要因となり、クライオポンプの性能を抑制し、高真空度レベルに達すると共にそれを維持する。これは、ツール性能を減少させ、その結果、製造スループットを低減させると共に製造コストを減少させる。
【００１０】
そのため、当技術分野において、半導体ウェーハ処理チャンバー内に生じた熱エネルギーからポンプをシールドすることによりクライオポンプの性能を向上させる熱シールドのための必要性がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従来技術に関連した不利益は、クライオポンプのような装置の入口に配置された本発明の装置により克服され、半導体ウェーハ処理システムの処理チャンバーからクライオポンプをシールドする。特に、その装置は取付フランジに結合されたシールド部材を備えている。取付フランジはシール領域の外側に置かれた流体路を備え、シールの失敗が処理チャンバーの汚染とならないようになっている。
流体路は流体を流すようになっており、シールド部材間で熱を伝達する。
【００１２】
本発明の１つの特徴では、発明の装置は処理チャンバー内で発生した熱エネルギーを反射し、熱シールドにより吸収された熱エネルギーを熱搬送流体に伝える。したがって、発明のシールドはクライオポンプをチャンバーの近くに取付させ、クライオポンプの効率を増加させることによりチャンバー内を高真空度に維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の教示は、添付した図面と関連させて以下の詳細な説明を考えることにより容易に理解できる。
【００１４】
理解の容易のため、図面に共通の同一要素を示すため、可能な場合、同一の参照数字が使用されている。
【００１５】
図１は、半導体ウェーハ処理システム１００に組込まれた本発明の熱シールド体１１８を示す簡略化された概略図である。本発明は、効果的に、半導体処理システム１００の処理チャンバー１１６内で発生した熱エネルギーから設備をシールドする。本発明は、一般に、半導体ウェーハ処理システムの真空チャンバーに適用可能であり、例えば、物理的気相成長チャンバー（ＰＶＤ）又はスパッタリングチャンバー、化学的気相成長チャンバー（ＣＶＤ）、装置の熱シールドが所望される高温度チャンバー（ＨＴＣ）及び他のチャンバーを備えている。
【００１６】
例として、図１はＰＶＤ又はスパッタリングシステム１００を概略的に示している。システム１００は、低温ポンプ（クライオポンプ）１９０、ラフポンプ体１４０、処理チャンバー１１６、熱シールド体１１８及び流体源１７６を備えている。
【００１７】
例示の処理チャンバー１０６はチャンバー壁１１４及びターゲット板１１６を含んでいる。ターゲット板１０６はチャンバー壁１１４の頂部に配置され、処理チャンバー１１６を囲っている。板１０６は環状絶縁物（図示せず）によりチャンバー壁から電気的に絶縁されている。一般に、チャンバー１１６内に完全な真空を保証するため、Ｏリング（図示せず）が絶縁物の上方及び下方に使用され、真空シールを供給する。ターゲット板１０６は堆積材料となる材料製であってもよく、又は堆積材料の被覆を含んでいてもよい。スパッタリング処理を容易にするため、高電圧のＤＣ電源１０２がターゲット１０６とチャンバー壁１１４の間に接続されている。
【００１８】
チャンバー壁１１４及びターゲット１０６はチャンバー容量１１７を規定する。チャンバー壁１１４はさらに第１出入口１０８及び第２出入口１１１を備えている。第１出入口１０８はラフポンプ体１４０になめらかに結合されている。ラフポンプ体１４０は、通常、シャットオフバルブ１４４及びラフポンプ１４２を備えている。シャットオフバルブ１４４はラフポンプ１４２と第１出入口１０８との間に結合されている。シャットオフバルブ１４４が始動され、例えば、チャンバー１１６内で第１レベルの真空度が達せられると、チャンバー容量１１７からラフポンプを絶縁する。
【００１９】
第２出入口１１１はクライオポンプ１９０と流体が連通するチャンバー容量に配列される。シャットオフバルブ１８５は第２出入口１１１とクライオポンプ１９０の間に結合されている。シャットオフバルブ１８５は、ポンプが使用されていない時、クライオポンプ１９０を絶縁する。
【００２０】
台１３５はチャンバー１１６内に配置され、基板１２０を保持すると共に支持する。台１３５は、加熱されてもよいが、エレベータシステム（図示せず）により昇降され、ターゲット板１０６に対して基板１２０を配置する。
【００２１】
シールド体１１８は処理チャンバー１１６の第２出入口の近くに配置され、クライオポンプ１９０をシールドする。代わりに、シールド体は、プローブ、センサー等のような、温度に敏感な他の装置をシールドするために使用されてもよい。シールド体１１８は支持部材２０４により熱シールド２０６に結合された取付部分２０２を備えている。取付部分２０２はチャンバー壁１１４に接続され、熱シールドはチャンバー容量１１７内に配置されている。
【００２２】
図２はシールド体１１８の分解斜視図を示している。第１の実施例に取付フランジとして示されている取付部分２０２は、通常、熱伝導材料、例えば、銅製である。一般に、好適な実施例では、取付部分２０２は通常は環状のリングを備え、そのリングはそれが第１表面２１０及び対向する第２表面と取付けられるチャンバー開口部と同じ円周外形を有するように構成されている。複数の取付孔２０８はボルト回りに均等に間隔を置いた取付部分２０２を通過する。溝２１６は、内面及び外面の両面に、取付孔２０８の放射状内側に供給されている。そのようなそれぞれの表面２１０，２１２の溝２１６は、シールリング２１７を受け入れるため供給されている。シールリング２１７はシール面２１４を有し、一般に、取付部分２０２の面２１０，２１０と同一平面上に露出されている。ナイフエッジ２１６はシールリング２１７の露出した周囲の回りのシール面２１４から外側に延びている。シールリング２１７はステンレス鋼等の材料製である。一般に、シールリング２１７の材料は、シールド体１１８と近くの構成部品の間で使用されるガスケット材料（３０６及び３０８、図３参照）より硬くなるように選択され、信頼性のある気密性を保証し、シールド体１１８の処理チャンバー１１６からの取外し後に再使用する。接着剤及び締りばめのような他の厳重なシール方法が代わりに使用されてもよいが、好ましくは、シールリング２１７は真空蝋付けにより溝２１５内に貼付される。
【００２３】
取付孔２０８から放射状外側で取付部分２０２内に、流路２２０が配置され、したがって、シールリング２１７の位置から完全に放射状外側に配置される。流路２２０は、実質的に、取付部分２０２に外接され、入口２２２で始まり、ボルト回りの外側で取付部分２０２の周囲内に延び、出口２２４で終わる。入口２２２及び出口２２４は、好ましくは、ＮＰＴ又は他のスレッド形式で通され、そこに商業上の流体コネクター（図示せず）を受け入れる。流路は入口２２２及び出口２２４を通って（図１に示された）流体源１７６に結合され、そこから流体が供給され、流路２２０を流れる。流体は、取付部分２０２を通って流体に伝導された熱を抜き取る（又は、代わりに、シールド体１１８の加熱又は冷却が望まれるかどうかにより、熱を導入する）ことにより、シールド体１１８の温度を調節する。流体が取付部分２０２を通って流体源１７６から循環する時、シールド体１１８から取り除かれた熱量は、流体、流量割合又は流体の入口温度を変えることにより制御され、したがって、シールド体１１８を所定温度に維持させる。
【００２４】
流体は、液体及び又はガス状流体であってもよいが、１実施例では、消イオン水及び又はエチレングリコールのような液体である。液体又はガス状窒素又はフレオンのような他の流体も使用可能である。
【００２５】
１実施例では、流路２２０は、取付部分２０２の第２表面２１２に導管２２６を形成することにより製作される。その後、プラグ２２８は第２表面２１２と同一平面の導管２２６に取付けられ、流路２２０を形成する。プラグ２２８は、例えば、締りばめ、接着剤、溶接、蝋付け、及びこれらの部分を接続する他の方法を使用し、流路２２０内を流れる流体の漏れを防止する方法で導管２２６に貼付される。
【００２６】
支持部材２０４は、一般に、良好な熱伝導性を有する材料製、例えば、銅製である。支持部材２０４は、第２出入口１１１を通過するガスの流路を塞ぐ突出領域を最小にする間、熱シールド２０６を支持する。支持部材２０４は、クロス部材２３０、支持ロッド２３４及び取付ブロック２３２を備えている。クロス部材２３０は取付部分２０２にその端部で結合され、好ましくは、通常は環状の取付部分２０２の直径と同一直線状に延びている。支持ロッド２３４はクロス部材２３０から垂直に、好ましくは、クロス部材２３０の端部の間の中程に延び、取付ブロック２３２で終わる。
【００２７】
一般に、支持ブロック２３２は矩形形状であり、取付ブロック２３２の支持ロッド２３４との接続部の反対に配置された溝２３６を含んでいる。取付ブロック２３２はさらに、溝２３６に直交して取付ブロック２３２を通過すると共に溝２３６の回りに間隔を空けた複数の孔を有している。
【００２８】
一般に、熱シールド２０６は良好な熱伝導体、例えば、銅製である。熱シールド２０６は熱反射仕上げを有している。１実施例では、熱シールドは、ニッケル、金、銀又は他の熱反射材料等の金属めっきで仕上げられている。全ての場合には、反射仕上げは、放射率が作用温度及び波長で低くなるように選択されなければならない。シールド部材２４０は台１３５の周辺端部に同心の湾曲形状を有し、（図１に見られるような）クライオポンプ１９０から離れた熱を反射する。
【００２９】
取付パッド２４２は、シールド部材２４０の中央に配置されている。取付部材２４２は外側に突出したタブ２４４を備えている。タブは複数の孔２４６を含んでいる。タブ２４４は溝２３６に嵌合し、孔２３８及び２４６が整列するようになっている。押えネジ２４８のようなファスナーは孔２３８及び２４６に挿通され、取付板２５０の貫通孔２５２に入れ、これにより、熱シールド２０６をシールド体１１８に固定する。この方法では、取付パッド２４２と取付ブロック２３２の溝２３６との結合は熱を伝達可能とし、熱シールド２０６と支持部材２０４の間に有効に起こる。
【００３０】
図３は、チャンバー本体、バルブ及びポンプの分解図を示し、クライオポンプ１９０、シャットオフバルブ１８５、及び処理チャンバー１１６の第２出入口１１１へのシールド体１１８を含んでいる。本発明の最良の理解のため、読者には図２及び図３を同時に参照することを奨励する。
【００３１】
処理チャンバー１１６からクライオポンプ１９０へ進むと、処理チャンバー１１６は第２出入口１１１に外接するフランジ３０２を有している。フランジ３０２は、取付部分２０２の複数の孔２０８のボルト回りに同一のボルト回りに取付けられた複数の貫通孔３０４を含んでいる。貫通スタッド３１０はそれぞれの貫通孔３０４に部分的に配置され、スタッド３１０の大部分がフランジ３０２から外側に突出するようになっている。明瞭化のため、貫通スタッド３１０の１つだけが図３に示されている。シャットオフバルブ１８５及びクライオポンプ１９０はまた、取付部分２０２に見られるものと同一の複数の孔２０８を有している。
取付部分２０２、シャットオフバルブ１８５、及びクライオポンプ１９０は貫通スタッド３１０に配置され、貫通スタッド３１０はそれぞれの構成部品の取付孔２０８を通過する。
【００３２】
第１に、真空下で最小の温度特性及び高い温度状態を有する変形可能なガスケット３０６は取付部分２０２とフランジ３０２の間に配置される。第２ガスケット３０８は同様に、取付部分２０２とシャットオフバルブ１８５の間に配置される。第１ガスケット３０６は、シールリング２１７のシール面及びナイフエッジ２１６とフランジ３０２の間に圧縮され、第２ガスケット３０８は、スタッド３１０にナット３１２を締付けることにより、シールリング２１７のシール面２１４及びナイフエッジ２１６の間に圧縮される。止め座金３１４はナット３１２とクライオポンプ１９０の間に配置され、ナット３１２が緩むのを防止する。ガスケット３０６及び３０８が圧縮される時、シール面２１４のナイフエッジ２１６はそれぞれのガスケットと点接触し、したがって、構成部品間のシールを確実にする。
【００３３】
主に図１及び図３を参照すると、作用では、基板処理は台１３５に基板を置くことにより始まる。処理チャンバー１１６はラフポンプ体１４０を使用して空気を抜かれる。チャンバー容量１１７内の大量のガスはラフポンプ１４２により除去され、第１真空レベルが処理チャンバー１１６内で得られる。その後、シャットオフバルブ１４４が始動され、チャンバー容量１１７をラフポンプ１４２から絶縁する。一度、第１真空レベルが得られると、シャットオフバルブ１８５が開放され、クライオポンプ１９０は始動され、真空レベルをさらに増加させる。
【００３４】
ポンプダウンプロセス及び、次の基板処理の間、熱エネルギーは。ランプ、プラズマ、台ヒーター及び他の熱源を含む源の配列から発生する。この熱の一部分はシールド部材２０６に放射される。シールド部材２０６の反射仕上げはこの熱エネルギーの一部分を反射し、処理チャンバー１１６に戻り、クライオポンプ１９０から離れる。シールド部材２０６により吸収された熱エネルギーは、反射しない放射エネルギーの一部分を含み、シールド部材２０６から支持部材２０４を通り、取付部分２０２に伝導される。その後、熱エネルギーは、流体源１７６から、したがって、取付部分２０２から、取付部分２０２の流路２２０を通り循環する流体に伝達される。そのように、熱シールド体１１８は、熱の調節を供給し、クライオポンプ１９０２を、処理チャンバーからの熱の影響から実質的に保護、すなわち、シールドする。したがって、クライオポンプ１９０は、１０^−９トルを超える真空レベルを達するのに十分な冷却状態となる。
【００３５】
排気口領域は加熱を要求し、その後、加熱流体はシールドを通過する。熱エネルギーは、流体から取付け部分２０２に伝達され、支持部材２０４を通り、シールド部材２２０に至る。シールド体１１８の加熱は、ポンプ排出サイクルの間、クライオポンプ１９０を加熱するのを補助してもよい。さらに、シールド体１１８の加熱は、排出口領域を堆積材料と汚染すること、又は近接面での凝縮を最小にすることによる反応副生成物から保護する。排出口領域の汚染物質の堆積の最小化は、プローブ、センサー、又は材料又は副生成物の堆積により汚染物質に敏感となるこの領域で配置された他の装置のサービス寿命を延ばす。
【００３６】
本発明の教示を組込んだ各種実施例が、ここに示され、詳細に説明されているが、当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、ここに開示された教示を依然として組込んだ多くの他の変形実施例を容易に発明可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱シールド体を組込んだ処理チャンバーの概略断面図である。
【図２】図１の熱シールド体の分解斜視図を示している。
【図３】図１の処理チャンバーに接続するクライオポンプの簡略分解図を示している。

Claims (16)

1. 半導体ウェーハ処理装置の処理チャンバーからポンプ装置をシールドするための装置であって、
   シールドと、
   前記シールドに取付けられた熱伝導性の支持部材であって、前記シールドから垂直に離れる方向に延びる、前記支持部材と、
   中心部で前記支持部材に取付けられた環状の取付部分であって、その内部に配置された円周形状の流体路を有する、前記取付部分と、
   を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記環状の取付部分から半径方向内側に延び、前記支持部材に結合された、クロス部材と、
   をさらに備えている請求項１に記載の装置。
3. 前記クロス部材、前記シールド、前記取付部分及び前記支持部材は銅製である請求項２に記載の装置。
4. 前記シールドは熱反射仕上げを有しており、前記シールドは、ニッケル、金及び銀からなるグループより選択された材料で金属めっきされている請求項１に記載の装置。
5. 前記取付部分はさらに、
   前記取付部分の第１表面に配置された第１シール面と、
   前記取付部分の第２表面に配置された第２シール面と、
   をさらに備え、前記第１及び第２シール面が前記流体路の内側に配置されている請求項１に記載の装置。
6. 前記第１及び第２シール面はステンレス鋼であり、各シール面はナイフエッジをさらに備えている請求項５に記載の装置。
7. 前記円周形状の流体路は、
   前記取付部分の表面に配置された溝と、
   前記溝に配置され、前記表面と同一平面のプラグと、
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記処理チャンバーは出入口をさらに備え、取付部分は前記出入口に貼付され、前記シールドは前記出入口の近くに配置されている請求項１に記載の装置。
9. 前記出入口を通り、前記チャンバーと連通するクライオポンプをさらに備えている請求項８に記載の装置。
10. 半導体ウェーハ処理システムの処理チャンバーからポンプ装置をシールドするための装置であって、
    前記処理チャンバー内に配置されたシールドと、
    前記シールドに取付けられた熱伝導性の支持部材であって、前記シールドから垂直に離れる方向に延びる、前記支持部材と、
    前記シールドに接続された前記処理チャンバーの外に配置され、シール面及び円周形状の内部流路を有する取付部分と、
    を備え、前記シール面は前記流路の内側に配置されていることを特徴とする装置。
11. 前記取付部分に接続されたクロス部材と、
    前記シールドに結合された支持ロッドと、
    をさらに備えている請求項１０に記載の装置。
12. 前記シールドは銅製である請求項１０に記載の装置。
13. 前記シールドは熱反射仕上げを有しており、前記シールドは、ニッケル、金及び銀からなるグループより選択された材料で金属めっきされている請求項１０に記載の装置。
14. 前記処理チャンバーは出入口をさらに備え、取付部分は前記出入口に貼付され、前記シールドは前記出入口の近くに配置されている請求項１０に記載の装置。
15. 前記出入口を通って前記チャンバーと連通しているクライオポンプをさらに備えている請求項１０に記載の装置。
16. 半導体ウェーハ処理システム内の処理チャンバーから装置をシールドするための装置であって、
    出入口を有するチャンバーと、
    前記出入口に結合されたクライオポンプと、
    前記チャンバー内に配置された台と、
    前記台と前記出入口の間の前記チャンバー内に配置された熱反射シールドと、
    前記出入口と前記クライオポンプの間に配置された取付部分であって、前記シールドに接続され、前記取付部分のシール面の外側に配置された前記処理チャンバーの外部に流体路を有する、前記取付部分と、
    を備えていることを特徴とする装置。

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