JP4806598B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板状の試料を真空容器内の処理室で処理する真空処理装置に係り、特に、処理室内に複数箇所から異なる組成のガスを供給して試料を処理する真空処理装置に関する。

従来、半導体デバイスを製造する工程において、半導体ウエハやＬＣＤ基板などの処理対象の基板表面に所望の微細加工を施すため、真空容器内部の処理室に基板を配置し処理室内に導入された反応性ガスを電磁波によりプラズマ化して得られたプラズマを用いて処理する装置が広く利用されている。

このような半導体デバイスの製造では、製造して得られた全ての半導体デバイスが同等の性能を有することが求められるため、半導体デバイスを製造する装置においては、基板等の試料に対し均一な処理を施すこと、このために試料の表面上に均一なプラズマを形成することが求められる。これを実現するためには、導入したガスを試料の処理対象面の全体にわたり均一な濃度に分布させるとともに、処理面全体にわたり均一な濃度に保ちつつ迅速に排気する必要がある。

また近年、上記処理に用いられる試料である半導体ウエハの外径は大口径化しており、従来よりも半導体ウエハの中心部と外周部とで均一なガスの流れやプラズマ中の粒子の密度の分布が得られ難いという問題が生じている。これに伴い、半導体ウエハ上の広い領域にわたり、さらに均一な処理を行うことが求められている。これを実現するため、試料の中心部と外周縁部への処理ガスの供給量を個別に調節することで、試料の中央側と外周側とで各々の領域上方の空間のガス流れや粒子の分布に応じて処理用ガスの性質を異ならせるように調節をして、試料の均一な処理を実現しようとする技術が考えられている。

このような処理ガスの供給箇所に応じた調節する技術として、各々が独立したガス供給ライン上に各々流量制御装置（マスフローコントローラ）を配置して、これらのガス供給ラインが中心部と外周縁部とへ各々供給を行うことが考えられる。

しかし、一つの処理室に対して、それぞれ独立した流量制御装置を有するガス供給ラインを用いたガス供給を行うことは、半導体製造設備の大型化や設備の高騰を招くだけでなく、メンテナンス等にも手数が掛かることになる。そのため、一つの流量制御装置を有するガス供給ラインから複数箇所のガス供給口に対応した各々のガス供給ラインへ分岐させて、その分流比を制御することが望ましい方法である。

一方、このようなガスの供給の技術では、ガスを分流させるための分流装置が所望の比率で正確に分流するように調整すること、すなわち、校正が必要となる。このような流量制御機器の校正方法の例として、特許文献１（特開平６−５３１０３号公報），特許文献２（特開平７−８６２６８号公報）がある。また、分流器を用いたプロセスガス分流供給方法の例としては、特許文献３（特開２００４−５３０８号公報），特許文献４（特開
２００５−１１２５８号公報），特許文献５（特開２００５−５６９１４号公報）が知られている。

特開平６−５３１０３号公報 特開平７−８６２６８号公報 特開２００４−５３０８号公報 特開２００５−１１２５８号公報 特開２００５−５６９１４号公報

上記の従来技術において、分流するための装置である分流器は、２つに分岐した各ガスラインの流量が、所望の分流比となるように調節している。このような所望な分流比となるような調節を行うため、従来の技術では、分流前の流量制御機器の流量と、分流後の各ラインに取り付けられた流量測定器の値を測定することにより流量の制御を行っている。

分流器については、一般的には、上記特許文献４に示されるように、分流器自体のユニットで信頼性を向上するための施策が施されている。しかしながら、たとえばプラズマエッチング装置のメーカにおいては、分流器のユニットを外部から購入し、組み付けることで使用する場合も多く、分流器の信頼性を客観的に確認したいという要求がある。

本発明の目的は、処理用のガスの分流器について高精度に処理用ガス流量の検定を行うことで処理の精度を向上した真空処理装置を提供することにある。

上記目的は、内部が減圧される真空容器内の処理室に複数の経路を介して処理用ガスを供給し、前記処理室内に配置した試料を処理する真空処理装置であって、前記複数の経路に異なる流量で前記ガスを供給する流量の調節手段を有して前記複数の経路に前記ガスを分配する比を調節する分流器と、前記流量の調節手段を全開の状態にして前記分流器及び前記経路それぞれを最大流量の前記ガスを通流可能な状態にし前記処理室の排気を停止して前記処理室に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率と、前記分流器を所定の分流比で前記ガスを通流可能な状態にして前記複数の経路の各々からのみ前記処理室内に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率とを用いて、前記分流器の検定を行う機能を備えた真空処理装置により達成される。

また、内部が減圧される真空容器内の処理室に複数の経路を介して処理用ガスを供給し、前記処理室内に配置した資料を処理する真空処理装置であって、前記複数の経路に異なる流量で前記ガスを供給する流量の調節手段を有して前記複数の経路に異なる流量の前記ガスを分配する比を調節する分流器と、前記流量の調節手段を全開の状態にして前記分流器及び前記経路の少なくとも一つを最大流量の前記ガスを通流可能な状態にし前記処理室の排気を停止してこの少なくとも一つの経路から前記処理室に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率と、前記分流器を所定の分流比で前記ガスを通流可能な状態にして前記複数の経路の各々からのみ前記処理室内に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率とを用いて、前記分流器の検定を行う機能を備えた真空処理装置により達成される。

さらには、前記圧力の変化率の検出のそれぞれは、前記処理室内を実質的に同一の条件にして検出されることで達成される。さらにまた、前記圧力の変化率の検出のそれぞれは、相互に連続して検出されることにより達成される。

さらにまた、前記分配器と前記分流器と前記処理室との間の前記２つの経路の各々に接続された２つの排気路を備え、前記分流器を所定の分流比に調節した際にいずれか一つの経路から前記処理室に前記ガスを供給するとともに、他の経路からこれに接続された排気路を介してガスを排出することにより達成される。

本発明によれば、処理用のガスの分流器について高精度に処理用ガス流量の検定を行うことで処理の精度を向上した真空処理装置を提供できる。

本発明の実施の形態を、以下、図面を用いて説明する。

図１は、プラズマエッチング装置の構成を示した図である。図１において、７はＵＨＦまたはＶＨＦ帯の電波を導入するためのアンテナ、８は磁場を発生するソレノイドコイル、９は処理室、１０は試料であるウェハを配置する試料台、１１は試料台を上下に移動させる駆動機構である。処理室９の一方には、流量制御機器２と分流器４，ガス供給源１が接続してあり、もう一方には圧力計１２，排気ポンプ１４が接続してある。制御コントローラ１５内には中央演算処理装置と記憶手段とが接続してある。また、装置の操作は表示モニタ１６で行う。

アンテナ７より導入されＵＨＦやＶＨＦ帯の電波が透過する誘電体製の窓部材を介して入射した電波と処理室９の外側に巻装されたソレノイドコイル８による磁界の作用によって、プロセスガス中の電子は効率よくエネルギーを与えられ、電子サイクロトロン共鳴による高密度なプラズマが生成される。プラズマが生成した後に、ウェハを試料台１０に吸着させる。ウェハが試料台１０に吸着された後に、さらに高周波電源より高周波バイアス電圧を出力しプロセス処理を開始する。

この装置におけるプロセスガス配管系は、ガス供給源１からプロセスガスを流すガス導入ライン１７−１と、プロセスガス流量を一定に保つための流量制御機器２と、ガス供給源１から流れるプロセスガスを遮断するバルブ３と、ガス導入ライン１７−１を２系統のガスラインに分岐する分流器４と、分流器４で２系統に分岐されたガスを流すための第１ガス導入ライン１７−２及び第２ガス導入ライン１７−３と、２系統に分かれた片側１系統の第１ガス導入ライン１７−２を排気する第１ガス排気ライン１７−４と、もう片側１系統の第２ガス導入ライン１７−３を排気する第２ガス排気ライン１７−５を備えている。プロセス処理中は、流量制御機器２に流量を設定、分流器４に分流比を設定し第１ガス導入ライン１７−２及び第２ガス導入ライン１７−３を介してプロセスガスを処理室９へ導入する。

図２乃至図５は、分流器４内の各ガスラインに内蔵されている可変バルブの動作概要図である。分流器４においては、分流器内蔵制御コントローラ２３が、分流器４内の各ラインに取り付けられた流量測定器２２の情報に基づき、設定した所望の分流比となるように各ラインに備え付けられている可変バルブの制御を行う。流量測定器２２の代わりに圧力測定器等の測定器を取り付けることもある。

図２は、分流器４に分流比を設定したときの可変バルブの動作概要図であり、このときは分流器内蔵制御コントローラ２３が、分流器４内の各ラインに取り付けられた流量測定器２２の情報に基づいて所望の分流比となるように演算を行い、可変バルブのシール部駆動機構１８に所定位置への移動信号を送り、シール部駆動部１９及びシール部２１を上下させ配管に流れる流量を制御している状態である。

図３は、分流器４に全閉を設定したときの可変バルブの動作概要図であり、このときは分流器４に所望の分流比を設定していないため、分流器内蔵制御コントローラ２３が、分流器４内の各ラインに取り付けられた流量測定器２２の情報に基づいて演算することなく、可変バルブのシール部駆動機構１８に全閉位置への移動信号を送り、シール部駆動部
１９及びシール部２１をガスの流路を塞ぐ位置へ移動させ、ガスが通流不可能な状態とする。

図４，図５は、分流器４に全開を設定したときの可変バルブの動作概要図であり、このときは分流器４に所望の分流比を設定していないため、分流器内蔵制御コントローラ２３が分流器４内の各ラインに取り付けられた流量測定器２２の情報に基づいて演算することなく、可変バルブのシール部駆動機構１８に全開位置への移動信号を送り、シール部駆動部１９及びシール部２１をプロセスガスの流路の妨げにならない位置（図４）、あるいはプロセスガスの流路の妨げが最小となる位置（図５）へ移動させ、最大流量のガスが通流可能な状態とする。

分流器４の検定の流れを以下に説明する。図６に示すシーケンス起動画面内の分流器検定実行ボタンを押す。これにより、分流器検定のシーケンスが開始する。まず、処理室９とガスライン１７−１，１７−２，１７−３を排気する（Ｓ１）。次に、流量制御機器２にガス導入ライン１７−１の流量と、分流器４に第１ガス導入ライン１７−２と第２ガス導入ライン１７−３の分流比とを設定する（Ｓ２）。

次に、ガス遮断バルブ３と、第１ガス導入バルブ５−１と、第２ガス排気バルブ６−２を開いて処理室９に片側のプロセスガスを導入しながら、もう一方のプロセスガスを排気する（Ｓ３）。次に、処理室排気バルブ１３を閉じて処理室９を密閉状態にする（Ｓ４）。次に圧力計１２で処理室９の圧力変動を測定し、制御コントローラ１５で経過時間と圧力値により流量を算出し、経過時間及び圧力値，流量を記憶する（Ｓ５）。次に、ガス遮断バルブ３と、第１ガス導入バルブ５−１と、第２ガス排気バルブ６−２とを閉じる
（Ｓ６）。上記Ｓ１〜Ｓ６で、一方のプロセスガスラインの流量を測定する。

次に、再び処理室９とガスライン１７−１，１７−２，１７−３を排気する（Ｓ７）。次に、流量制御機器２にガス導入ライン１７−１の流量と、分流器４に第１ガス導入ライン１７−２と第２ガス導入ライン１７−３の分流比（上記Ｓ２で設定した分流比と同様の値）とを設定する（Ｓ８）。次に、ガス遮断バルブ３と、第２ガス導入バルブ５−２と、第１ガス排気バルブ６−１を開いて処理室９に片側のプロセスガスを導入しながら、もう一方のプロセスガスを排気する（Ｓ９）。

次に、処理室排気バルブ１３を閉じて処理室９を密閉状態にする（Ｓ１０）。次に、圧力計１２で処理室９の圧力変動を測定し、制御コントローラ１５で経過時間及び圧力値により流量を算出し、経過時間及び圧力値、流量を記憶する（Ｓ１１）。この測定時における温度及び処理室内壁面の表面の状態はＳ５の測定時と略同一である。次に、ガス遮断バルブ３と、第２ガス導入バルブ５−２と、第１ガス排気バルブ６−１とを閉じる(Ｓ１２)。上記Ｓ７〜Ｓ１２で、もう一方のプロセスガスラインの流量を測定する。

次に、再び処理室９とガスライン１７−１，１７−２，１７−３を排気する（Ｓ１３）。次に、分流器４内の２つの可変バルブを全開とする（Ｓ１４）。ここでの分流器４の設定は、分流器４内のいずか１つの可変バルブを全開としても良い。ガス遮断バルブ３と、第１ガス導入バルブ５−１と、第２ガス導入バルブ５−２とを開いて処理室９にプロセスガスを導入する（Ｓ１５）。

次に、処理室排気バルブ１３を閉じて処理室９を密閉状態にする（Ｓ１６）。次に、圧力計１２で処理室９の圧力変動を測定し、制御コントローラ１５で経過時間と圧力値により流量を算出し、経過時間及び圧力値，流量を記憶する（Ｓ１７）。この測定時における温度及び処理室内壁面の表面の状態はＳ５及びＳ１１の測定時と略同一である。次に、ガス遮断バルブ３と、第１ガス導入バルブ５−１と、第２ガス導入バルブ５−２とを閉じる（Ｓ１８）。上記Ｓ１３〜Ｓ１８で、２系統あるプロセスガスラインの合計流量を測定する。さらに、処理室及びガスラインを排気するため、処理室排気バルブ１３を開いて処理室９とガスライン１７−１，１７−２，１７−３を排気する（Ｓ１９）。

次に、測定結果から分流器４の検定を行う。制御コントローラ１５が、Ｓ５とＳ１１で記憶した流量から分流器４から第１ガス導入ライン１７−２及び第２ガス導入ライン１７−３を介して処理室９に流れるガスの分流比を算出する（Ｓ２０）。その値と設定した所望の分流比を比較し、その差がある許容値内である場合は、分流器４は正常であると判断し、許容値を超えた場合は、分流器４は異常であると判断する。ここで許容値は任意に設定できる値とする。その判定の結果は表示モニタ１６に表示し、判定が正常である場合はＯＫ、異常である場合はＮＧを表示する（Ｓ２１）。図７に表示例を示す。

次に、制御コントローラ１５が、Ｓ５とＳ１１で記憶している流量の和とＳ１７で記憶している流量を比較し、その差がある一定範囲内である場合は、分流器４は正常であると判断し、許容値を超えた場合は、分流器４は異常であると判断する。ここで許容値は任意に設定できる値とする。その判定の結果は表示モニタ１６に表示し、判定が正常である場合はＯＫ、異常である場合はＮＧを表示する（Ｓ２２）。図７に表示例を示す。

また、常時上記検定結果を確認することができるように、制御コントローラ１５内で、算出した分流比，測定流量と設定流量の差，Ｓ５とＳ１１で記憶している流量の和とＳ17の差，許容値，正常・異常の判定結果を記憶する（Ｓ２３）。上記測定結果の詳細を使用者が得るため、前記Ｓ５，Ｓ１１，Ｓ１７で記憶していた経過時間と圧力値，流量のそれぞれの値を、表示モニタ１６に表示しても良い。

上記検定により異常と判断される場合としては、第１ガス導入ライン１７−２及び第２ガス導入ライン１７−３の配管の詰まり及び分流器４内の可変バルブ及び流量計の異常等が考えられる。複数の分流比を診断する場合は、前述のシーケンス（Ｓ１〜Ｓ１２）を繰り返し、制御コントローラ１５で流量を算出し、上記に示すように分流比及び流量の比較を行い、所望の分流比及び流量でガスが導入されていることを確認する。

上記実施例には、分流器４は２系統のガスラインへの分流を行う場合を示したが、３系統のガスラインでも本発明は適用できる。その場合はまず、分流器４に分流比を設定した状態で、分流した１つのガスライン毎にガスを処理室９へ導入し、圧力変動を測定し流量を算出する。その測定した流量から分流比を算出する。次に、分流器４内の少なくとも１つのガスラインの可変バルブを全開とし、ガスを処理室９へ導入し、圧力変動を測定し流量を算出する。上記で算出した分流比は設定した分流比と比較し、上記で算出した分流器４に分流比を設定したときの３つのガスラインの流量の総和と分流器４内の少なくとも１つのガスラインの可変バルブを全開にしたときの流量を比較することで、分流器４を検定することが出来る。

前述のシーケンスにおいて、プロセスガスライン１７−１で導入するガス流量を５００ｍｌ／min 、第１ガス導入ライン１７−２と第２ガス導入ライン１７−３の分流比を３：２を設定して図３に示すシーケンス起動画面の分流器検定実行ボタンを押したときに実施される分流比を検定する流れの具体例を示す。

まず、分流器４に分流比を設定するときの第１ガス導入ライン１７−２の流量測定
（Ｓ１〜Ｓ６）においては、流量制御機器２に流量５００ｍｌ／min と、分流器４に第１ガス導入ライン１７−２と第２ガス導入ライン１７−３の分流比３：２とを設定し、プロセスガスを処理室９に導入して処理室の圧力変動を測定し、経過時間と圧力値により流量を算出する。その算出した流量をＡ ｍｌ／min とする。

次に、分流器４に分流比を設定するときの第２ガス導入ライン１７−３の流量測定
（Ｓ７〜Ｓ１２）においては、流量制御機器２に流量５００ｍｌ／min と、分流器４に第１ガス導入ライン１７−２と第２ガス導入ライン１７−３の分流比３：２とを設定し、プロセスガスを処理室９に導入して処理室の圧力変動を測定し、経過時間と圧力値により流量を算出する。その算出した流量をＢ ｍｌ／min とする。

次に、分流器４に全開を設定するときの第１，第２ガス導入ライン１７−２，１７−３の流量測定（Ｓ１３〜Ｓ１８）においては、流量制御機器２に流量５００ｍｌ／min に設定、分流器４内の２つの可変バルブを全開とし、プロセスガスを処理室９に導入して処理室の圧力変動を測定し、経過時間と圧力値により流量を算出する。その算出した流量をＣｍｌ／min とする。

制御コントローラ１５が上記で記憶している流量を用いて、分流比Ａ：Ｂが所望の分流比３：２であるかの検定を行う。検定の方法としては、例えば許容値が２.８〜３.２：
２.２〜１.８、測定した流量Ａ＝３１０ｍｌ／min 、Ｂ＝１９０ｍｌ／min であるとき分流比はＡ：Ｂ＝３.１：１.９であり、許容値内の値であるので、分流器４によりプロセスガスが所望の分流比で処理室へ流れていると判断し、表示モニタ１６に「Ｏ．Ｋ．」を表示する。測定した流量Ａ＝３５０ｍｌ／min 、Ｂ＝１５０ｍｌ／min であるときＡ：Ｂ＝３.５：１.５であり、許容値を超えた値であるので、分流器４に異常があると判断し、表示モニタ１６に「Ｎ．Ｇ．」を表示する。また、制御コントローラ１５が上記で記憶している所望の分流比に制御したときの流量Ａ ｍｌ／min とＢ ｍｌ／min の和が分流器４内の２つの可変バルブを全開としたときの流量Ｃ ｍｌ／min であるかの検定を行う。

検定の方法としては、例えば許容値がＣ−２０〜Ｃ＋２０ｍｌ／min で、測定した流量Ａ＝３０５ｍｌ／min ，Ｂ＝２０５ｍｌ／min ，Ｃ＝５００ｍｌ／min であるとき、Ａ ｍｌ／min とＢ ｍｌ／min の和は５１０ｍｌ／min で許容値内の値であるので、分流器４によりプロセスガスが所望の流量で処理室へ流れていると判断し、表示モニタ１６に
「Ｏ．Ｋ．」を表示する。測定した流量Ａ＝３３０ｍｌ／min ，Ｂ＝２２０ｍｌ／min ，Ｃ＝５００ｍｌ／min であるときＡ ｍｌ／min とＢ ｍｌ／min の和は５５０ｍｌ／
min で許容値を超えた値であるので、分流器４に異常があると判断し、表示モニタ１６に「Ｎ．Ｇ．」を表示する。

複数の分流比を診断する場合は、前述のシーケンス（Ｓ１〜Ｓ１２）を繰り返し、制御コントローラ１５で流量を算出し、上記に示すように分流比及び流量の比較を行い、所望の分流比及び流量でガスが導入されていることを確認する。

本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置の概略図である。 図１に示す実施例に係る可変バルブの構成の概略を説明する縦断面図である。 図１に示す実施例に係る可変バルブの構成の概略を説明する縦断面図である。 図１に示す実施例に係る可変バルブの構成の概略を説明する縦断面図である。 図１に示す実施例に係る可変バルブの構成の概略を説明する縦断面図である。 図１に示す実施例に係る分流器の分流比の検定シーケンスを実行する画面を示す模式図である。 図１に示す実施例に係るプラズマエッチング装置の分流器の分流比の検定を実行した結果を表示する画面を示す図である。 図１に示す実施例に係るプラズマエッチング装置の分流器の分流比を検定する手順の流れを示すフローチャートである。 図１に示す実施例に係るプラズマエッチング装置の分流器の分流比を検定する手順の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１…ガス供給源、２…流量制御機器、３…ガス遮断バルブ、４…分流器、５−１…第１ガス導入バルブ、５−２…第２ガス導入バルブ、６−１…第１ガス排気バルブ、６−２…第２ガス排気バルブ、７…アンテナ、８…ソレノイドコイル、９…処理室、１０…試料台、１１…試料台駆動機構、１２…圧力計、１３…処理室排気バルブ、１４…排気ポンプ、１５…制御コントローラ、１６…表示モニタ、１７−１…ガス導入ライン、１７−２…第１ガス導入ライン、１７−３…第２ガス導入ライン、１７−４…第１ガス排気ライン、
１７−５…第２ガス排気ライン、１８…シール部駆動機構、１９…シール部駆動部、２０…板バネ、２１…シール部、２２…流量測定器、２３…分流器内蔵制御コントローラ。

Claims (5)

1. 内部が減圧される真空容器内の処理室に複数の経路を介して処理用ガスを供給し、前記処理室内に配置した試料を処理する真空処理装置であって、前記複数の経路に異なる流量で前記ガスを供給する流量の調節手段を有して前記複数の経路に前記ガスを分配する比を調節する分流器と、前記流量の調節手段を全開の状態にして前記分流器及び前記経路それぞれを最大流量の前記ガスを通流可能な状態にし前記処理室の排気を停止して前記処理室に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率と、前記分流器を所定の分流比で前記ガスを通流可能な状態にして前記複数の経路の各々からのみ前記処理室内に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率とを用いて、前記分流器の検定を行う機能を備えた真空処理装置。
2. 内部が減圧される真空容器内の処理室に複数の経路を介して処理用ガスを供給し、前記処理室内に配置した資料を処理する真空処理装置であって、前記複数の経路に異なる流量で前記ガスを供給する流量の調節手段を有して前記複数の経路に異なる流量の前記ガスを分配する比を調節する分流器と、前記流量の調節手段を全開の状態にして前記分流器及び前記経路の少なくとも一つを最大流量の前記ガスを通流可能な状態にし前記処理室の排気を停止してこの少なくとも一つの経路から前記処理室に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率と、前記分流器を所定の分流比で前記ガスを通流可能な状態にして前記複数の経路の各々からのみ前記処理室内に前記ガスを供給した際のこの処理室内の圧力変化率とを用いて、前記分流器の検定を行う機能を備えた真空処理装置。
3. 前記圧力の変化率の検出のそれぞれは、前記処理室内を実質的に同一の条件にして検出される請求項１又は２に記載の真空処理装置。
4. 前記圧力の変化率の検出のそれぞれは、相互に連続して検出される請求項１ないし３のいずれかに記載の真空処理装置。
5. 前記分流器と前記処理室との間の前記２つの経路の各々に接続された２つの排気路を備え、前記分流器を所定の分流比に調節した際にいずれか一つの経路から前記処理室に前記ガスを供給するとともに、他の経路からこれに接続された排気路を介してガスを排出する請求項１ないし４のいずれかの記載の真空処理装置。

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