JP5300261B2 - 半導体製造のための気体フロー分割システム及び方法 - Google Patents

半導体製造のための気体フロー分割システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、広くは、半導体製造装置に関し、詳しくは、正確に区分された量のプロセス・ガスを半導体プロセス・チャンバまで搬送するシステム及び方法に関する。更に詳しくは、本発明は、プロセス・ガスの単一のフローを所望の比率の２以上のフローに分割するシステム及び方法に関し、そこでは、インサイチュ・プロセス・モニタを用いて、それぞれのフローによって生じる処理結果のリアルタイムでのモニタリングが提供され、それぞれのフローによって生じる処理結果が等しくない場合には、本発明によるシステム及び方法は、フローの比率をリアルタイムで調整して、所望の処理結果を得る。
半導体デバイスの製造又は製作は、多くの場合、注意深い同期と、１ダースもの気体をプロセス・チャンバまで正確に測定された搬送とを必要とする。製造プロセスにおいては様々な方法が用いられ、半導体デバイスが洗浄され、研磨され、酸化処理され、マスキングがなされ、エッチングがなされ、ドーピングがなされ、メタライゼーションがなされ、というような多くの離散的な処理ステップが要求される。用いられるステップと特定のシーケンスと関係する材料とのすべてが、特定のデバイスの製造に寄与するのである。
従って、ウエハ製造施設は、通常、化学的蒸着、プラズマ蒸着、プラズマ・エッチング、スパッタリング及びそれ以外の同様な気体製造プロセスが実行される領域を含むように構築されている。化学的蒸着反応器、真空スパッタリング装置、プラズマ・エッチング装置、プラズマ・エンハンスト化学的蒸着などの処理ツールに、様々なプロセス・ガスが供給されなければならない。純粋な気体が、正確に計量された量だけこれらのツールに供給されなければならない。
典型的なウエハ製造施設では、気体は、気体箱にパイピングやコンジットを介して接続されているタンクに保管されている。気体箱は、製造施設のタンクからプロセス・ツールへ、正確に計量された量の不活性ガスや反応性ガスを搬送する。気体箱又は気体計量システムは、弁、圧力調整器、トランスデューサ、質量流量コントローラ、フィルタ、精製装置などの気体計量ユニットを有する複数の気体経路を含む。それぞれの気体経路は、別個の気体源に接続するそれ自体の入口を有するが、気体経路はすべて、プロセス・ツールに接続する単一の出口に収束している。
時には、混合されたプロセス・ガスを等しい複数のフローに分割したり、等しくないが比例関係にあるフローに分割することが望まれることがある。例えば、気体箱からの単一の気体フローを複数のプロセス・チャンバに分割することが必要になる。この場合、それぞれのプロセス・チャンバは、等しいフローを受け取る。また、気体箱からの単一の気体フローを単一のプロセス・チャンバの別個の複数の部分に分割することが必要になることもある。この場合は、プロセス・チャンバのそれぞれの部分は、等しいフロー又は等しくないが比例関係にあるフローを受け取る。
定圧又は大気圧での化学的蒸着、エッチング、エピタキシなどの様々な半導体製造プロセスでは、プロセス・ガスをプロセス・チャンバの中で処理されている半導体ウエハの上に均等に配分するため、プロセス・チャンバの中ではシャワーヘッドが用いられる。シャワーヘッドは、単一の区域を有する場合もあるし、２以上の複数の区域を有する場合もある。複数区域のシャワーヘッドの例としては、限定は意味しないが、米国特許第５，４５３，１２４号（Moslehi他）、米国特許第５，６２４，４９８号（Lee他）、米国特許第５，９７６，２６１号（Moslehi他）、米国特許第６，２５１，１８７号（Li他）、米国特許第６，３０２，９６４号（Umotoy他）、米国特許第６，６７６，７６０号（Kholodenko他）などがある。
気体箱の一次フローが別個の複数のプロセス・チャンバ又は単一のプロセス・チャンバの別個の複数の部分の間で希望するように分割されることを保証するため、フロー分割システムが用いられる。フロー分割システムの例としては、限定は意味しないが、米国特許第４，３６９，０３１号（Goldman他）、米国特許第６，３３３，２７２号（McMillin他）、米国特許第６，４１８，９５４号（Taylor他）、公開米国特許出願第２００３／０１３０８０７号などがある。
依然として望まれるのは、例えば、プロセス・ガスの単一のフローを別個の複数のプロセス・チャンバ又は単一のプロセス・チャンバの別個の複数の部分の間で分割するのに用いることができる新規で改良型の気体フロー分割システム及び方法である。好ましくは、このフロー分割システム及び方法は、インサイチュ・プロセス（ウエハの均一性）モニタリングを一体化して、必要に応じて、フロー分割システム及び方法によって生じたフロー比率を直ちに調整して半導体ウエハの不均一をリアルタイムで訂正することができる。
本発明は、単一の質量フローを所望の比率の２以上の二次質量フローに分割するシステムを提供する。本発明によるシステムは、前記単一の質量フローを受け取る入口と、前記入口に接続された少なくとも２つの二次フロー・ラインと、を含む。本発明によるシステムは、更に、少なくとも１つの所望のフロー比率（すなわち、設定点）を受け取る入力手段と、前記フロー・ラインのそれぞれによって生じた製品の測定値（例えば、半導体ウエハの膜厚測定値）を提供する少なくとも１つのインサイチュ・プロセス・モニタと、前記入力手段と前記インサイチュ・プロセス・モニタとに接続されたコントローラと、を含む。このコントローラは、前記入力手段を介して所望のフロー比率を受け取り、前記インサイチュ・プロセス・モニタから前記製品の測定値を受け取り、前記所望のフロー比率と前記製品の測定値とに基づく訂正フロー比率を計算するようにプログラムされている。
本発明のある特徴によると、本発明によるシステムは、それぞれのフロー・ラインに接続された別個のプロセス・チャンバを更に含み、それぞれのプロセス・チャンバは、それぞれのプロセス・チャンバの中の半導体ウエハの測定値を提供するインサイチュ・プロセス・モニタを少なくとも１つ含む。
本発明の別の特徴によると、本発明によるシステムは、前記フロー・ラインのすべてに接続された単一のプロセス・チャンバを更に含み、前記プロセス・チャンバの中に配置された半導体ウエハは前記フロー・ラインに対応する複数の区域に分割される。更に別の特徴によると、前記フロー・ラインは前記プロセス・チャンバのシャワーヘッドに接続されており、前記プロセス・チャンバは、前記プロセス・チャンバの中の半導体ウエハの複数の区域のそれぞれの測定値を提供する前記インサイチュ・プロセス・モニタを少なくとも１つ含む。
本発明の別の特徴及び効果によると、本発明によるシステムは、半導体ウエハ処理の不均一に対するリアルタイムでの訂正を提供する。本発明によるシステムは、プロセス・ガスの単一のフローを、別個の複数のプロセス・チャンバの間で、又は、単一のプロセス・チャンバの別個の複数の部分の間で分割することができ、インサイチュ・プロセス（ウエハ均一性）モニタリングを一体化し、必要に応じて本発明によるフロー分割システムによって生じたフロー比率を直ちに調整して、半導体ウエハの不均一をリアルタイムで訂正する。
本発明の別の特徴によると、前記インサイチュ・プロセス・モニタは、差動センサ（differential sensor）であることを特徴とするシステム。従って、本発明は、相対的な較正だけを必要とするセンサを用いており、面倒で費用を要し信頼性の低い絶対的な較正を不要とする。
本発明のこれ以外の特徴及び効果は、本発明の実施例を例示的に示し説明している以下の詳細な説明を読めば、当業者であれば理解できるはずである。理解できるように、本発明は、本発明から離れることなく様々な明らかな点において修正が可能である。従って、添付の図面及び詳細な説明は、制限を意味せず、あくまで例示的な性質を有する。
添付の図面を参照するが、添付の図面においては、同一の参照符号を有する要素は、同じ要素を表している。
図１及び図２を参照すると、本発明は、単一の気体フロー（質量フローとも称する）を所望の比率の２以上のフローに分割するフロー分割システム１０及び方法１２を提供する。システム１０及び方法１２は、特に、汚染物フリーで正確に計量された量のプロセス・ガスを半導体プロセス・チャンバまで搬送する気体計量システムと共に用いることが意図されている。本発明によるシステム１０及び方法１２は、インサイチュ・プロセス（ウエハ均一性）モニタリングを一体化して、必要に応じてフロー比率を直ちに調整し、半導体ウエハの不均一性をリアルタイムで訂正する。
図１は、気体計量箱１１０の実施例と単一プロセス・チャンバ１０６のシャワーヘッド１０７の実施例との間に接続されているように示されているフロー分割システム１０の実施例の概略的な図解であり、半導体ウエハ２００が処理のために保持されている様子が示されている。気体計量箱１１０は、例えばプロセス・ガスとパージ・ガスとの両方を含む複数の気体を気体源（例えば、気体タンク）１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ（４つのタンクが示されているが、本発明によるシステムは、望むのであれば、４より多い又は少ないタンクを含むことが可能である）から受け取り、フロー分割システム１０のためのこれらの気体を混合し正確に計量する。
気体箱１１０は、複数の気体スティック１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄを有する（４つのスティックが示されているが、気体箱は、４より多い又は少ない箱を含むことが可能である）。それぞれのスティックは、例えば、質量流量コントローラ（ＭＦＣ）１１４と、ＭＦＣよりも前に配置されている弁１１６と、ＭＦＣよりも後に配置されている弁１１８とを含む。気体スティック１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは、気体源１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに別個に接続されており、制御可能な気体経路を提供することによって、汚染フリーの正確に計量された量の気体、又は、気体の混合物が、気体箱１１０からフロー分割システム１０に供給される。示されてはいないが、気体スティック１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは、それぞれに、フィルタ、清浄器、圧力トランスデューサ、コントローラなど、気体をモニタする又は制御する他のコンポーネントが提供されていることもありうる。気体スティック１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄは、例えば出口マニホルド１２８の中で相互に接続し、そう望まれる場合には、それぞれのスティックからの気体フローが気体箱から出る前に混合させることが可能である。
真空ポンプ１２０は、ゲート弁１２２を介してプロセス・チャンバ１０６に接続されている。動作の間には、真空ポンプ１２０は、気体源１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄからの気体を、気体箱１１０とフロー分割システム１０とを介して、プロセス・チャンバ１０６の中へ導くことにより、これらの気体を半導体ウエハ２００の処理に用いることができる。プロセス・チャンバ１０６の中で気体によって実行されるプロセスには、限定を意味しないが、化学的蒸着、プラズマ蒸着、プラズマ・エッチング、スパッタリングなどが含まれる。これらのプロセスにより、物質の層がウエハ２００の表面に積層されたり、そこから除去されたりする。あるいは、ウエハ２００の表面の性質（例えば、多孔性）が変化したりすることもある。ウエハ２００に対するこれらの変更は、気体によって生じる所望の１又は複数のプロセスの進行を決定するために、モニタすることができる。
図１を参照すると、本発明によるフロー分割システム１０は、単一の気体フローを気体箱１０の出口マニホルド１２８から受け取る入口ライン又はマニホルド１３と、入口１３に接続された第１及び第２のフロー・ライン１４ａ、１４ｂとを含む。それぞれのライン１４ａ、１４ｂには、そのラインを流れる質量流量を測定して測定されたフローを示す信号を提供する質量流量計１８ａ、１８ｂと、所望のフロー比率を示す信号に基づいてラインを流れるフローを制御する弁２０ａ、２０ｂとが提供されている。比率システム１０は、また、所望のフロー比率を受け取る（人間のオペレータから直接に受け取るか、又は、ウエハ処理のコンピュータ・コントローラを介して間接的に受け取る）入力装置２２と、質量流量計１８ａ、１８ｂと弁２０ａ、２０ｂと入力装置２２とに接続されたコントローラ２４とを有する。この出願では、フロー比率αは、第２のライン１４ｂを流れるフローＱ２を第１のライン１４ａを流れるフローＱ１によって除算した値と定義される。
注意すべきであるが、図１に示されているフロー分割システム１０の実施例は２つのフロー・ライン１４ａ、１４ｂだけを含むが、本発明に従って構築されるフロー分割システムは、３以上のフロー・ラインを有する場合もありうる。
フロー分割システム１０は、また、フロー・ライン１４ａ、１４ｂのそれぞれによって生じた製品の測定値を提供するインサイチュ・プロセス・モニタ１００を含む。インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、例えば、ウエハ２００の表面に積層される又はそこから排除される層の膜厚の測定値を提供する。あるいは、インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、例えば、ウエハ２００の表面の性質（例えば、多孔性）の測定値を提供する。インサイチュ・プロセス・モニタ１００によって提供される測定値は、プロセス・チャンバ１０６の中のウエハ２００に対して気体によって生じる所望の１又は複数のプロセスの進行を決定するのに用いられる。
インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、偏光解析法（ellipsometry）、発光分光法（ＯＥＳ）、光干渉計など高度な薄膜計測方法を用いて、半導体ウエハの積層された膜厚などの性質を決定する。ある実施例によると、本発明のシステム１０の一部として用いられるインサイチュ・プロセス・モニタ１００は、反射された光と光源から放出された光との比率をモニタすることによって測定値を得る差動センサを含む。
インサイチュ・プロセス・モニタは、例えば、米国特許第５，３８７，３０９号（Bobel他）、米国特許第６，１１３，７３３号（Eriguchi他）、米国特許第６，１１７，３４８号（Peng他）、米国特許第６，２７８，８０９号（Johnson他）、米国特許第６，５６３，５７８号（Halliyal他）、米国特許第６，６３３，３９１号（Oluseyi他）に示されている。これらの米国特許は、すべて本出願において援用する。インサイチュ・プロセス・モニタは、例えば、米国ニュージャージー州エジソン（Edison）所在のジョビン・イボン（Jobin Yvon）社（www.jobinyvon.com）、米国ミネソタ州イーデン・プレイリ（Eden Prairie）所在のＳＶＴアソシエーツ（SVT Associates）社（www.svta.com）、米国ペンシルバニア州アレンタウン（Allentown）所在のマイクロ・フォトニクス（Micro Photonics）社（www.microphotonics.com）、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のルクストロン（Luxtron）社（www.luxtron.com）、米国バージニア州スターリング（Sterling）所在のフォーウェイブ（4Wave）社（www.4waveinc.com）などから市販されている。
図１の実施例では、システム１０のフロー・ライン１４ａ、１４ｂは、共に、プロセス・チャンバ１０６のシャワーヘッド１０７の中に供給される。従って、第２のライン１４ｂを流れるフローＱ２は、ウエハ２００の外側の部分又は区域に影響を与え、他方で、第１のライン１４ａを流れるフローＱ１は、ウエハ２００の内側の部分又は区域に影響を与える。従って、ウエハ２００の内側の区域は第１のフロー・ライン１４ａと対応し、ウエハ２００の外側の区域は第２のフロー・ライン１４ｂに対応する。
図１の実施例では、インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、ウエハ２００の内側区域から少なくとも１つの測定値Ｍ１を提供して、第１のフロー・ライン１４ａを流れる気体フローのプロセスの結果を指示する。また、インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、ウエハ２００の外側区域から少なくとも１つの測定値Ｍ２を提供して、第２のフロー・ライン１４ｂを流れる気体フローのプロセスの結果を指示する。
次に図２を参照すると、コントローラ２４は、ステップ３０に示されているように入力装置２２を流れる所望のフロー比率を受け取り、ステップ３２に示されているように流量計１８ａ、１８ｂからの測定されたフローを示す信号を受け取り、ステップ３４に示されているように測定されたフローに基づいてフロー・ライン１４ａ、１４ｂを流れる実際のフロー比率を計算し、ステップ３６に示されているように実際のフロー比率と「訂正された」フロー比率とを比較するようにプログラムされている。コントローラ２４は、また、ステップ３８に示されているように実際のフロー比率が訂正されたフロー比率と等しくない場合にはフロー・ライン１４ａ、１４ｂの少なくとも一方を流れる所望のフローを計算し、ステップ４０に示されているように弁２０ａ、２０ｂの少なくとも一方への所望のフローを示す「調整」信号を提供するようにプログラムされている。従って、コントローラ２４は、ラインを流れる実際のフロー比率が訂正されたフロー比率と等しくなるまで、フロー・ライン１４ａ、１４ｂの少なくとも一方を流れるフローを調整する。
更に、コントローラ２４は、図２のステップ５０に示されているようにインサイチュ・プロセス・モニタ１００から測定値Ｍ１及びＭ２を受け取り、ステップ５２に示されているように測定値Ｍ１及びＭ２を比較するようにプログラムされている。測定値Ｍ１及びＭ２が等しく、フローＱ１及びＱ２がウエハ２００の内側及び外側の区域に等しい処理結果を生じていることを示す場合には、コントローラは、ステップ５４に示されているように、所望のフロー比率と等しい訂正フロー比率を計算するようにプログラムされている。別言すると、フローＱ１及びＱ２が異なる処理結果を生じておらずシステムは希望通りに動作しているので、訂正は要求されない。
測定値Ｍ１及びＭ２が等しくなく、ウエハ２００の内側及び外側区域に等しい処理結果を生じていないことを示している場合には、コントローラ２４は、ステップ５６に示されているように、訂正されたフロー比率を計算するようにプログラムされている。第１に、コントローラ２４は、ｋｍを任意の正のスカラ定数として、プロセス均一性誤差εｍ＝ｋｍ／２［（Ｍ１−Ｍ２）／（Ｍ１＋Ｍ２）］を計算し、更に、所望のフロー比率とプロセス均一性誤差εｍとに基づいて、訂正されたフロー比率を計算するようにプログラムされている。本発明のある実施例では、訂正されたフロー比率は、所望のフロー比率とプロセス均一性誤差εｍとの積に等しい。あるいは、訂正されたフロー比率はｆ（εｍ）として計算することができる。ここでｆは実際に用いられた物理システムに基づくモデル・ベースのアプローチを用いて決定される関数である。
ある実施例では、コントローラ２４は、第１の所望のフローを示す「初期」信号を第１のライン１４ａの弁２０ａに提供し、実際のフロー比率が所望のフロー比率と等しくない場合には第２のフローを計算し、第２の所望のフローを示す「調整」信号を第２のフロー・ライン１４ｂの弁２０ｂに提供するようにプログラムされている。調整信号Ｖｃ２は、次の数式を用いて計算される。
Figure 0005300261
 ここで、Ｖｃ２はコントローラ２４から第２の弁２０ｂへのコマンドであり、Ｋｐａはフロー比率制御のための比例ゲインであり、Ｋｉａはフロー比率制御のための積分ゲインであり、αは測定されたフロー比率であり、αｓｐはフロー比率設定点又は所望のフロー比率である。このようにして、第１のライン１４ａの弁２０ａは固定されたオリフィスとして作用し、他方で、第２のライン１４ｂの弁２０ｂは可変制御弁として作用する。この特徴により、システム１０がシステムを介して制御される気体のタイプとは独立に動作することが可能になる。その理由は、気体が異なることに起因するフロー測定の誤差は流量計１８ａ、１８ｂの両方で同一であるからである。好ましくは、コントローラ２４は、第１のライン１４ａの弁２０ａを完全に開放し、それによって、システム１０の前後での全体的な圧力降下を最小化する。
本発明のフロー比率システム１０と共に用いるための適切な質量流量計１８ａ、１８ｂの例として、この出願の出願人である米国マサチューセッツ州アンドーバ（Andover）所在のＭＫＳインスツルメンツ（MKS Instruments）社（www.mksinst.com）から市販されている熱ベースのマス・フロー（Mass-Flo（登録商標））ブランドのコントローラがある。適切な弁２０ａ、２０ｂもまた出願人から市販されている。弁２０ａ、２０ｂは、非線形であり、制御可能な範囲が狭い。しかし、熱流量計１８ａ、１８ｂは、システム１０によって提供される制御範囲を決定する際には限定因子であり、その理由は、流量計は通常は最大センサ範囲の５パーセント未満では信頼できないからである（例えば、２０００ｓｃｃｍの熱流量計は、１００ｓｃｃｍより下では信頼性が低い）。
図示されていないが、質量流量計１０に３以上のフロー・ライン１４を提供することが可能である。この場合、それぞれの追加的なフロー・ラインはコントローラ２４に接続された弁２０と流量計１８とを有する。更に、質量流量コントローラを、それぞれのラインの質量流量計及び弁として用いることが可能である。図示されていないが、本発明によるフロー比率システム１０は、気体箱とプロセス・チャンバとの間で迅速かつ容易に組み立てるためにモジュラ・ユニットとして提供することが可能である。そのような場合には、シャットオフ弁又は適切なコネクタ１５０を、図１に示されているように、フロー比率システム１０の入口マニホルド１３と気体箱１１０の出口マニホルド１２８との間に提供することが可能である。
本発明によるフロー分割システム及び方法の実施例は、更に、システム１０の入口１３及び／又は出口のための圧力センサを含むことがある。この圧力センサによって提供される入口圧力及び／又は出口圧力測定値は、コントローラ２４によって、フロー比率αを制御するだけではなく入口圧力及び／又は出口圧力を制御するのに用いられる。
圧力制御機能を追加することは、多くの補助的な利点を有するのであるが、これには、システム１０の性能向上と、システム１０の上流又は下流にある装置への混乱の減少とが含まれる。システム１０を最大可能圧力で動作させることにより、フロー比率制御システムにおける安全性因子の必要性を除去又は低下させることができる。更に、弁２０ａ、２０ｂの両側での圧力降下を制御することで、弁の性能を改善し、弁の設定、整合及び調整をより単純にすることができる。従って、本発明は、任意の追加された圧力制御機能を備えたフロー分割システム及び方法を含むことが意図されている。例えば、本発明は、フロー分割システム１０に加え、システムの入口及び／又は出口において圧力センサとを含むことが意図されている。本発明は、また、フロー分割方法１２に加え、入口及び／又は出口において圧力を測定することが意図されている。実際に、本発明は、特許請求の範囲に記載されたフロー分割システム及び方法のために圧力測定値を用いる任意の制御方法を含むことが意図されている。
次の説明する例では、図１を参照する。質量フロー比率システム１０の入口１３に圧力センサ（図示せず）を追加することを想定すると、コントローラ２４は、第２のライン１４ｂを流れるフローＱ２と、第１のライン１４ａを流れるフローＱ１と、圧力センサによって提供された入口における測定された圧力Ｐｉｎという３つの入力を受け取るようにプログラムされている。コントローラ２４は、一度に１つの弁だけを制御するのではなく、第１及び第２の弁２０ａ、２０ｂの両方に、動的にコマンドを発するようにプログラムされている。しかし、フロー比率制御に関しては、「固定された弁」はほとんど開放されており、他方、フロー比率は、他方の弁をその弁の制御範囲の１０％から５０％の間で制御することによって決定される。圧力信号を追加することで、固定された弁は入口圧力を制御するように設定され、他方の弁はフロー比率を制御するのに用いられる。
入口圧力制御の例は、次のように書くことができる。
Figure 0005300261
 ここで、Ｖｃ１はコントローラ２４から第１の弁２０ａへのコマンド、Ｖｃ２は第２の弁２０ｂへのコマンドであり、Ｋｐｐは圧力制御のための比例ゲインであり、Ｋｉｐは圧力制御のための積分ゲインであり、Ｋｐαはフロー比率制御のための比例ゲインであり、Ｋｉαはフロー比率制御のための積分ゲインであり、αは測定されたフロー比率であり、αｓｐはフロー比率設定点又は所望のフロー比率であり、Ｐｉｎは測定された入口圧力であり、Ｐｔは動作圧力スレショルド（又は、所望の圧力）である。
この制御システム及び方法は比例プラス積分（ＰＩ）タイプの制御システム及び方法として説明されているが、他のタイプの制御システム及び方法を用いることもできる。例えば、比例、積分、比例プラス微分（ＰＤ）、比例プラス積分プラス微分（ＰＩＤ）タイプの制御システム及び方法などである。
図３では、システム１０は、それぞれのフロー・ライン１４ａ、１４ｂに接続された別個のプロセス・チャンバ１０６、１０８を含んでおり、それぞれのプロセス・チャンバ１０６、１０８は、それぞれのプロセス・チャンバの中の半導体ウエハ２００に関する測定値を提供するインサイチュ・プロセス・モニタ１００を少なくとも１つ含む。
本発明のこれ以外の特徴及び効果として、システム１０は、半導体ウエハ処理の不均一に対するリアルタイムでの訂正を提供する。システム１０は、別個のプロセス・チャンバ１０６、１０８の間で、又は、単一のプロセス・チャンバ１０６の別個の複数の部分の間でプロセス・ガスの単一のフローを分割し、インサイチュ・プロセス（ウエハの均一性）モニタを一体化して、必要に応じて、フロー分割システム１０によって生じたフロー比率を直ちに調整して半導体ウエハの不均一をリアルタイムで訂正することができる。インサイチュ・プロセス・モニタ１００は、差動センサを含むから、相対的な較正だけを要求し、面倒で費用を要し信頼性が低いことが多い絶対較正の必要性を排除できる。
この出願で説明された実施例は、限定ではなく例示のためのものであり、様々な修正、組合せ及び代替が、冒頭の特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、当業者であれば可能である。
本発明に従って構築されたフロー分割システムの概略的な図解であり、気体計量箱と単一のプロセス・チャンバとの間に接続された様子が示されている。 図１のシステムのためのフロー分割方法の流れ図である。 図１のフロー分割システムの概略的な図解であり、気体計量箱と２つのプロセス・チャンバとの間に接続された様子が示されている。

Claims (32)

  1. 単一の質量フローを所望の比率の２以上の二次質量フローに分割するシステムであって、
    前記単一の質量フローを受け取る入口と、
    前記入口に接続された少なくとも２つの二次フロー・ラインと、
    少なくとも１つの所望のフロー比率を受け取る入力手段と、
    前記フロー・ラインのそれぞれによって生じた製品の測定値を提供する少なくとも１つの、差動センサを含むインサイチュ・プロセス・モニタと、
    前記入力手段と前記インサイチュ・プロセス・モニタとに接続されており、前記入力手段を介して所望のフロー比率を受け取り、前記インサイチュ・プロセス・モニタから前記製品の測定値を受け取り、前記所望のフロー比率と前記製品の測定値とに基づいて訂正されたフロー比率を計算するようにプログラムされているコントローラと、
    を含むことを特徴とするシステム。
  2. 請求項１記載のシステムにおいて、それぞれのフロー・ラインに接続された別個のプロセス・チャンバを更に含むことを特徴とするシステム。
  3. 請求項２記載のシステムにおいて、それぞれのプロセス・チャンバは、それぞれのプロセス・チャンバの中の半導体ウエハの測定値を提供するインサイチュ・プロセス・モニタを少なくとも１つ含むことを特徴とするシステム。
  4. 請求項３記載のシステムにおいて、前記インサイチュ・プロセス・モニタによって提供された測定値はそれぞれのウエハの膜厚測定値を含むことを特徴とするシステム。
  5. 請求項１記載のシステムにおいて、前記フロー・ラインのすべてに接続された単一のプロセス・チャンバを更に含み、前記プロセス・チャンバの中に配置された半導体ウエハは前記フロー・ラインに対応する区域に分割されることを特徴とするシステム。
  6. 請求項５記載のシステムにおいて、前記フロー・ラインは前記プロセス・チャンバのシャワーヘッドに接続されていることを特徴とするシステム。
  7. 請求項５記載のシステムにおいて、前記プロセス・チャンバは、前記プロセス・チャンバの中の半導体ウエハの区域のそれぞれの測定値を提供する前記インサイチュ・プロセス・モニタを少なくとも１つ含むことを特徴とするシステム。
  8. 請求項７記載のシステムにおいて、前記インサイチュ・プロセス・モニタによって提供された測定値はそれぞれの区域の膜厚測定値を含むことを特徴とするシステム。
  9. 請求項１記載のシステムにおいて、２つのフロー・ラインを含み、前記インサイチュ・プロセス・モニタは２つの測定値Ｍ１及びＭ２を提供し、前記コントローラは、ｋｍを任意の正のスカラ定数として、プロセス均一性誤差εｍ＝ｋｍ／２［（Ｍ１−Ｍ２）／（Ｍ１＋Ｍ２）］を計算し、更に、所望のフロー比率と前記プロセス均一性誤差とに基づいて訂正されたフロー比率を計算するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
  10. 請求項１記載のシステムにおいて、前記訂正されたフロー比率は前記所望のフロー比率と前記プロセス均一性誤差εｍとの積に等しいことを特徴とするシステム。
  11. 請求項１記載のシステムにおいて、前記インサイチュ・プロセス・モニタは差動センサであることを特徴とするシステム。
  12. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記インサイチュ・プロセス・モニタは反射光と光源から放出された光との比率をモニタすることによって測定値を取得することを特徴とするシステム。
  13. 請求項１記載のシステムにおいて、それぞれのフロー・ラインは前記フロー・ラインを流れる質量フローを測定する流量計と前記フロー・ラインを流れるフローを制御する弁とを含み、前記コントローラは、前記流量計から測定された質量フローを受け取り、前記測定された質量フローに基づいて前記フロー・ラインを流れる実際のフロー比率を計算し、前記実際のフロー比率と前記訂正されたフロー比率とを比較し、前記実際のフロー比率が前記訂正されたフロー比率と等しくない場合には前記フロー・ラインの少なくとも１つを流れる所望のフローを計算し、前記所望のフロー比率を前記弁の少なくとも１つに提供することを特徴とするシステム。
  14. 請求項１３記載のシステムにおいて、Ｋｐを比例ゲイン、Ｋｉを積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、αｓｐを前記訂正されたフロー比率として、前記所望のフローは実質的に
    Ｋｐ（α−αｓｐ）＋Ｋｉ∫（α−αｓｐ）ｄｔ
    に等しいことを特徴とするシステム。
  15. 請求項１３記載のシステムにおいて、前記入口における圧力を測定する圧力センサを更に含むことを特徴とするシステム。
  16. 請求項１５記載のシステムにおいて、Ｋｐαを比率制御のための比例ゲイン、Ｋｉαを比率制御のための積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、αｓｐを前記訂正されたフロー比率として、前記コントローラは、実質的に
    Ｋｐα（α−αｓｐ）＋Ｋｉα∫（α−αｓｐ）ｄｔ
    に等しい前記第１のフロー・ラインの弁への前記所望のフローを示す信号を提供するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
  17. 請求項１６記載のシステムにおいて、Ｋｐｐを圧力制御のための比例ゲイン、Ｋｉｐを圧力制御のための積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、Ｐｉｎを測定された入口圧力、Ｐｔを動作圧力スレショルドとして、前記コントローラは、実質的に
    Ｋｐｐ（Ｐｉｎ−Ｐｔ）＋Ｋｉｐ∫（Ｐｉｎ−Ｐｔ）ｄｔ
    に等しい前記第２のフロー・ラインの弁への前記所望のフローを示す信号を提供するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
  18. 単一の質量フローを所望の比率の２以上の二次フローに分割する方法であって、
    単一の質量フローを少なくとも２つのフロー・ラインに入口において分割するステップと、
    それぞれのフロー・ラインを流れるフローを測定するステップと、
    少なくとも１つの所望のフロー比率を受け取るステップと、
    前記フロー・ラインのそれぞれによって生じた製品を、少なくとも１つの、差動センサを含むインサイチュ・プロセス・モニタで測定するステップと、
    前記所望のフロー比率と前記製品の測定値とに基づいて訂正されたフロー比率を計算するステップと、
    前記測定されたフローに基づいて前記フロー・ラインを流れる実際の質量フロー比率を計算するステップと、
    前記実際のフロー比率が前記訂正されたフロー比率と等しくない場合には前記フロー・ラインの少なくとも１つを流れる所望のフローを計算するステップと、
    前記フロー・ラインを前記所望のフローに調整するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  19. 請求項１８記載の方法において、
    前記単一の質量フローは第１及び第２のフロー・ラインに分割され、
    前記第１のフロー・ラインは第１の所望のフローに調整され、
    前記実際のフロー比率が前記訂正されたフロー比率と等しくない場合には、前記所望のフロー比率と前記第１の所望のフローとを用いて第２の所望のフローが計算され、
    前記第２のフロー・ラインは前記第２の所望のフローに調整されることを特徴とする方法。
  20. 請求項１９記載の方法において、前記第１の所望のフローにより前記第１のラインは完全な開放状態になることを特徴とする方法。
  21. 請求項１８記載の方法において、Ｋｐを比例ゲイン、Ｋｉを積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、αｓｐを前記訂正されたフロー比率として、前記所望のフローは実質的に
    Ｋｐ（α−αｓｐ）＋Ｋｉ∫（α−αｓｐ）ｄｔ
    に等しいことを特徴とする方法。
  22. 請求項１８記載の方法において、前記入口における圧力を測定するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  23. 請求項２２記載の方法において、Ｋｐαを比率制御のための比例ゲイン、Ｋｉαを比率制御のための積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、αｓｐを前記訂正されたフロー比率として、前記フロー・ラインの１つにおける所望のフローは、実質的に
    Ｋｐα（α−αｓｐ）＋Ｋｉα∫（α−αｓｐ）ｄｔ
    に等しいことを特徴とする方法。
  24. 請求項２２記載の方法において、Ｋｐｐを圧力制御のための比例ゲイン、Ｋｉｐを圧力制御のための積分ゲイン、αを前記実際のフロー比率、Ｐｉｎを測定された入口圧力、Ｐｔを動作圧力スレショルドとして、前記フロー・ラインの１つにおける所望のフローは、実質的に
    Ｋｐｐ（Ｐｉｎ−Ｐｔ）＋Ｋｉｐ∫（Ｐｉｎ−Ｐｔ）ｄｔ
    に等しいことを特徴とする方法。
  25. 請求項１８記載の方法において、それぞれのフロー・ラインを別個のプロセス・チャンバに接続するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  26. 請求項１８記載の方法において、単一のプロセス・チャンバを前記フロー・ラインのすべてに接続するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  27. 請求項２６記載の方法において、前記フロー・ラインは前記プロセス・チャンバのシャワーヘッドに接続されていることを特徴とする方法。
  28. 請求項１８記載の方法において、訂正されたフロー比率は、ｋｍを任意の正のスカラ定数、Ｍ１及びＭ２をそれぞれのフロー・ラインによって生じた製品のインサイチュ測定値として、前記所望のフロー比率とプロセス均一性誤差εｍ＝ｋｍ／２［（Ｍ１−Ｍ２）／（Ｍ１＋Ｍ２）］とに基づくことを特徴とする方法。
  29. 請求項２８記載の方法において、前記訂正されたフロー比率は前記所望のフロー比率と前記プロセス均一性誤差εｍとの積に等しいことを特徴とする方法。
  30. 請求項１８記載の方法において、前記製品のインサイチュ測定値は差分測定値であることを特徴とする方法。
  31. 請求項１８記載の方法において、前記製品のインサイチュ測定値は、反射光と光源から放出された光との比率をモニタすることによって得られることを特徴とする方法。
  32. 請求項１記載のシステムにおいて、前記コントローラは、さらに、訂正されたフロー比率に基づいて前記少なくとも２つの二次フロー・ラインの少なくとも１つにおいてフローを制御するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
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