JP5330709B2 - 処理チャンバへのガスフローを制御する方法及び装置 - Google Patents

処理チャンバへのガスフローを制御する方法及び装置 Download PDF

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Description

背景
（発明の分野）
本発明の実施態様は、概して、処理チャンバへのガスフローを制御する方法及び装置に関する。
（関連技術の説明）
ガスフローの正確な制御は、多くのマイクロエレクトロニックデバイス製造プロセスにとって欠かせない重要なプロセス制御属性である。半導体処理チャンバにおいて、基板と基板サポートの間にガスを提供することは、基板と基板サポートの間の熱伝達を改善するのに周知の方法であり、これによって、基板温度制御及び均一性の精密さが向上する。加えて、処理チャンバへの処理ガスフローの精密な制御は、所望の処理結果、特に、限界寸法及びフィルム厚さ収縮を達成するためには必要なことである。更に、処理チャンバ廃液流にガスを添加すると、基板処理の環境的な影響を緩和することができる。費用効率と適切な改善の両方を確保するには、廃液流に添加されたガスを良好に制御することが必要である。
半導体処理チャンバに用いられている従来のガス分配システムは、概して、主たるフロー調節デバイスとして、マスガスフローメータ（ＭＦＣ）を有する。しかしながら、ＭＦＣの精度は、実際のガスフローの不確実性の原因となる複数の因子に影響される。例えば、ＭＦＣの精度は、典型的に、温度、ライン圧力及び容積の変化によって変わる。ＭＦＣの不正確さによる、ガスフロー設定点からの変位が、処理欠陥、排出制御不良、及び高価なガスの非効率的な消費を招く。
従来の圧力制御システムは、比較的信頼性があることが証明されてはいるものの、既存の技術での現場での経験により、フローのより正確な測定に対する要求が高まっている。例えば、裏側基板冷却用途に用いるガスフローの制御が不良であると、基板温度制御が不良となって、フィルム堆積やエッチング結果が不良となり、次世代の回路設計に耐えることができない。
更に、従来のガス分配システムは、概して、ガス源から処理チャンバへガスを送るのに固定した管を有している。このように、常に、プロセスガスの所定の組み合わせしか処理チャンバへ分配できない。かかる固定したガス分配送路だと、プロセス柔軟性がない。例えば、固定したガス分配送路を有する処理チャンバは、異なる組み合わせのプロセスガスを必要とする新たな、又は修正されたプロセスレシピに対応することはできない。加えて、第１のプロセスを実施するために、ある組み合わせの処理ガスを分配するよう設計された、固定したガス分配送路を有する処理チャンバだと、異なる組み合わせのガスを利用する第２のプロセスを実施することができず、処理チャンバを他のプロセスに利用できず、ＦＡＢ所有者には、更なる設備投資が必要となる。このように、柔軟性のあるガス分配システムを考案することが望ましい。
従って、半導体処理システムへのガスの分配を制御する方法及び装置を改善する必要がある。
概要
半導体処理システムにガスを分配する方法及び装置が提供される。一実施形態において、ガスを半導体処理システムに分配する装置は、入口ポートを夫々有する複数のガス入力ラインと、出口ポートを夫々有する複数のガス出力ラインとを含む。複数の接続ラインが提供されて、各対のガス入力及びガス出力ラインを結合する。接続バルブが配置されて、各接続ラインを通してフローを制御する。複数のマスガスフローコントローラが配置されて、各入口ポートへのフローを制御する。
他の実施形態において、フォアラインを通して、設備排気孔に結合された処理チャンバを含む処理システムへのガスフローを制御する方法が提供され、第１、第２、第３及び第４の出口のうち少なくとも１つに選択的に結合された少なくとも第１、第２、第３及び第４の入口を有するマニホルドを提供し、処理又は較正回路の前に、処理チャンバをバイパスする真空環境に、マニホルドを通して、１種類以上のガスを流し、基板処理中、１種類以上のガスを処理チャンバへ流すことを含む。
他の実施形態において、フォアラインを通して、設備排気孔に結合された処理チャンバを含む処理システムへのガスフローを制御する方法が提供される。この方法は、第１のガス源からの第１のガスを、少なくとも第１の出口ポート、第２の出口ポート、第３の出口ポート及び第４の出口ポートを有するマニホルドへ流し、第２のガス源からの第２のガスをマニホルドへ流し、マニホルド内のバルブの動作状態を選択して、処理モードにありながら、第１及び第２のガスを、第２又は第３の出口ポートのうち少なくとも１つを通して出し、マニホルド内のガスの所定の状態が得られるまで、第１及び第２のガスを、マニホルドを通して、処理チャンバをバイパスするフォアラインへ流し、所定の状態が得られた後、マニホルドを出て、処理チャンバへ第１及び第２のガスを指向させ、処理チャンバ内で基板を処理することを含む。
詳細な説明
図１に、典型的な半導体処理チャンバ１１４に、ガスを供給するのに用いられるガス分配システム１００の概略を示す。処理チャンバ１１４は、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、エッチングプロセス、イオン注入、熱処理、アッシング、脱ガス、配向又はその他真空処理技術を実施するように構成されている。コントローラ１５０が、処理チャンバ１１４及びガス分配システム１００に結合されており、その動作を制御する。コントローラ１５０は、通常、プロセッサ、サポート回路及びメモリを含む。
処理チャンバ１１４の外側に位置するガス分配システム１００は、ガスマニホルド１３４に結合された複数のガス源を有する。マニホルド１３４は、複数のバルブ（後述する）を含み、これらは、ガス源の任意の組み合わせを、処理チャンバ１１４に結合可能とさせる。マニホルド１３４はまた、排気を迅速にし、且つ、個々のシステムコンポーネント及び導管のフロー診断を可能とするように構成されている。システム１００は、多数のガス源とインタフェースするように構成されていてよいが、図１に図示された実施形態には、６つのガス源１０２Ａ〜Ｆが示されている。
各ガス源１０２Ａ〜Ｆは、夫々のマニホルド入口ポート１０４Ａ〜Ｆに結合されている。シャットオフバルブ１４２及びマスフローメータ（ＭＦＣ）１７０が、各ガス供給源１０２Ａ〜Ｆと、夫々のマニホルド入口ポート１０４Ａ〜Ｆの間に配置されていて、マニホルド１３４に入る各源１０２Ａ〜Ｆからのガスのフローを制御する。マニホルド１３４は、複数のマニホルド出口ポート１０６Ａ〜Ｆを有しており、これらは、マニホルド入口ポート１０４Ａ〜Ｆを通じて、ガス供給源１０２Ａ〜Ｆのいずれか１つに選択的に結合されていてよい。出口ポート１０６Ａ〜Ｆの少なくとも１つは、較正回路１４４及び／又はパージライン１５４に結合されていてもよい。
図１に示す実施形態において、６つのガス出口ポート１０６Ａ〜Ｆが提供されている。第１のガス分配出口ポート１０６Ａは、較正回路１４４に結合されており、ガスフローを正確に測定するように構成されている。較正回路１４４は、固定フロー状態を提供するようなサイズのオリフィス１３０を有している。一実施形態において、オリフィス１３０は、処理チャンバ１１４の制限と実質的に等しい制限を与えるサイズである。オリフィス１３０は、ガスが処理チャンバ１１４を流れる時に存在する条件と同様のフロー条件をマニホルド１３４に作成する。較正回路１４４を利用して、ＭＦＣ又はその他システムコンポーネントのフロー診断を実施してもよい。実際の処理チャンバ１１４に流す必要はない。オリフィス１３０は、実験、実証的分析により、又はその他好適な方法により決めてもよい。一実施形態において、オリフィス１３０は、オリフィス１３０の下流圧力を測定し、所望の圧力が実現されるまで、オリフィスサイズを調節することにより決めればよい。
一実施形態において、較正回路１４４は、ガス源、切換バルブ、オリフィス、調整デバイス及びセンシング回路を有する。調整デバイスは、ガス源と、切換バルブの入口の間に流体結合されている。オリフィスは、切換バルブの第１の出口に流体結合されており、処理チャンバと実質的に同じフロー抵抗を有している。センシング回路は、オリフィスを通過するガスのフローを受けるように構成されている。他の実施形態において、較正回路１４４は、ガスフローを受けるために較正容積を利用する。較正容積中のガスから測定された特性及び／又は属性から、フローレート及び／又はセンシング回路に入るガスの圧力を診断することができる。他の実施形態において、較正回路１４４は、ガスフローを受ける非較正容積を利用する。非較正容積中のガスの経時で測定した特性及び／又は属性における変化から、フローレート及び／又はセンシング回路に入るガスの圧力を診断することができる。更に他の実施形態において、較正回路１４４は、較正容積に配置された振動部材を含む。他の実施形態において、較正回路１４４は、較正容積に配置されたガスの電気的又は磁気的特性の少なくとも１つを検出するように構成されたセンサを含む。更に他の実施形態において、較正回路１４４は、カンチレバーによりサポートされたタンクを含む。
較正回路１４４から離れるフローは較正回路出口ライン１４２により、パージライン１５４に結合されている。遮断バルブ１４０は、パージライン１５４から較正回路１４４を選択的に遮断する。パージライン１５４は、設備排気孔１３６につながる、処理チャンバ１１４から出るフォアライン１３８に結合されている。
出口ポート１０６Ｂ〜Ｅは、処理チャンバ１１４の１つ以上の入口ポートに結合されていて、ガス供給源１０２Ａ〜Ｆから様々なプロセスガスを供給する。図１に示す実施形態において、出口ポート１０６Ｂ〜Ｅは、夫々、処置チャンバ１１４の入口ポート１１０Ａ〜Ｄに結合されている。複数の最終バルブ１１６を、夫々、マニホルド出口ポート１０６Ｂ〜Ｅと、チャンバ入口ポート１１０Ａ〜Ｄの間に結合して、処理チャンバ１１４へのガスフローのオン／オフフロー制御として機能させてもよい。
第６のポート１０６Ｆは、遮断バルブ１７２を通してパージライン１５４に結合されている。遮断バルブ１７２を開くと、パージライン１５４は、高速排気パスを提供して、ガスマニホルド１３４から設備排気孔１３６へのガスの効率的な除去を促す。スロットルバルブ１５６を利用して、マニホルド１３４からパージライン１５４を流れるガスのフローを制御してもよい。高速排気パスによって、ガス間のクロストークを最小にして、即時のガスの交換が可能となる。
高速排気パスはまた、マニホルド出口ポート１０６Ａ〜Ｅ及び較正回路１４４に選択的に結合してもよい。図１に示す実施形態において、バイパスバルブ１０８Ａ〜Ｅは、マニホルド出口ポート１０６Ａ〜Ｅとパージライン１５４の間に配置されている。バイパスバルブ１０８Ａ〜Ｅを選択的に動作して、出口ポート１０６Ａ〜Ｅをフォアライン１３８に結合してもよい。例えば、バイパスバルブ１０８を選択的に動作して、マニホルド出口ポート１０６Ａから出たガスを、較正回路１４４をバイパスして、パージライン１５４へ指向させてもよい。他の実施例においては、バイパスバルブ１０８Ｂ〜Ｅを選択的に動作して、マニホルド出口ポート１０６Ｂ〜Ｅから出たガスを、処理チャンバ１１４をバイパスして、パージライン１５４へ指向させてもよい。遮断バルブ１７２は、マニホルド１３４の第６のポート１０６Ｆからパージライン１５４へのフローを制御する。
センサ１９０をまた、ガス分配システム１００の様々な場所に設けて、システム１００内のガスフロー及び／又は化学物質の測定表示を行ってもよい。センサ１９０により行われた測定をコントローラ１５０により利用して、ＭＦＣ１７０又はガス分配システム１００のその他コンポーネントの出力を調節して、ガスの所望の組成、圧力、速度又は容積がチャンバ１１４に与えられるようにしてもよい。センサ１９０は、圧力センサ、化学センサ、フローレートセンサ等であってよい。
図２は、図１に示すマニホルド１３４の一実施形態の概略図である。各マニホルド入口ポート１０４Ａ〜Ｆは、夫々、入口ガス分配ライン２２０Ａ〜Ｆに結合されていて、ガス源１０２Ａ〜Ｆからマニホルド１３４へのガスの移動を促す。各マニホルド出口ポート１０６Ａ〜Ｆは、夫々、出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合されている。各ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆは、入口ガス分配ライン２２０Ａ〜Ｆの１つ以上に選択的に結合されていてもよい。マニホルド１３４は、多数の入口ガス出口ガス分配ラインとインタフェースをとるように構成してもよいが、６つのガス分配ライン１０２Ａ〜Ｆ及び６つの出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆが、図２に示す実施形態では示されている。通常、ガス入口分配ラインの数は、ガス源の数に相応している。
入口ガス分配ライン２２０Ａは、複数の接続ライン２５０Ａ〜Ｆを含んでおり、入口ガス分配ライン２２０Ａを、各出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合している。接続バルブ２０４Ａ〜Ｆは、接続ライン２５０Ａ〜Ｆと連通して配置されており、動作させると、バルブ２０４Ａ〜Ｆの選択した動作状態に応じて、入口ガス分配ライン２２０Ａを通して、入口ガス分配ライン２２０Ａを、出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆの１つ以上に流体結合することができる。接続バルブ２０４Ａ〜Ｆは、ガス源１０２Ａを、選択した出口ポート１０６Ａ〜Ｆに選択的に結合し、これによって、マニホルド１３４を通して、源１０２Ａから提供されたガスの送路を制御する。例えば、接続バルブ２０４Ｂ〜Ｆを閉じたままで、接続バルブ２０４Ａが開動作状態にある場合には、源１０２Ａからのガスは、出口ポート１０６Ａを通して、較正回路１２２へ送られる。他の例では、接続バルブ２０４Ａ、Ｄ〜Ｆを閉じたままで、接続バルブ２０４Ｂ〜Ｃが開動作状態にある場合には、源１０２Ａからのガスは、出口ポート１０６Ｂ〜Ｃを通して送られる。他の入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆは、夫々、接続ライン２５０Ａ〜Ｆと同様に構成されており、バルブ２０４Ａ〜Ｆは、入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆを、各出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合している。入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆに関連した参照番号２５０Ａ〜Ｆ及び２０４Ａ〜Ｆは、図２が混みあわないようにするため、省いてある。
図３に、ガスマニホルド３３４の変形実施形態を示す。ガスマニホルド３３４は、図２に示すガスマニホルド１３４と実質的に同様である。ただし、ガスマニホルド３３４は、複数の可変の接続バルブ３０４Ａ〜Ｆを含んでおり、これらは、ガス入口分配ライン２２０Ａを、各ガス出口分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合している。可変の接続バルブ３０４Ａ〜Ｆを調節すると、ガス入口分配ライン２２０Ａを通過するフローの一部を、各ガス出口分配ラインに入れることができる。可変の接続バルブ３０４Ａ〜Ｆは、比例バルブ、ピンチバルブ、スロットルバルブ、マスフローコントローラ、ニードルバルブ又は入口ラインと出口ラインの間でフローを制御するのに好適なその他のフロー制御デバイスでよい。
可変の接続バルブ３０４Ａ〜Ｆの動作状態を制御して、バルブをバイパスするフローに対するバルブを流れるフローの比率を所望のものとし、バルブ３０４Ａ〜Ｆが、ライン２２０Ａにおいて、フロー比コントローラとして動作するようにしてよい。可変の接続バルブ３０４Ａ〜Ｆの動作状態は、センサ１９０（図３には図示せず）により行われた測定に応じて、コントローラ１５０により調節してもよい。このようにすると、例えば、単一のガス入力分配ライン２２０Ａから、２（以上）のガス出口分配ライン２３２Ａ〜Ｆに提供されるガスの比率を、センサ１９０により行われた測定に応じて調節し、目的とする化学組成、フローレート及び／又は圧力を、マニホルド３３４の出口１０６Ａ〜Ｆで実現することができる。他の入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆは、夫々、接続ライン２５０Ａ〜Ｆと同様に構成されており、バルブ３０４Ａ〜Ｆは、入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆを、各出口ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合している。入口ガス分配ライン２２０Ｂ〜Ｆに関連した参照番号２５０Ａ〜Ｆ及び３０４Ａ〜Ｆは、図３が混みあわないようにするため、省いてある。
図２に戻ると、マニホルド１３４は、更に、ブリッジ回路２０２を含んでいてもよい。ブリッジ回路２０２は、各セレクタバルブ２６２Ａ〜Ｆにより、各出口ライン２３２Ａ〜Ｆに選択的に結合するブリッジライン２６０を含んでいる。ブリッジ回路２０２を用いて、フローコンポーネントのいずれか、例えば、接続バルブ２０４の１つを、較正回路１４４に結合してよい。ブリッジ回路２０２によってまた、流体源、例えば、源１０２Ａに関連したＭＦＣ１７０を、接続バルブ２０４Ａの抵抗を受け入れる第２の送路を介して、較正回路１４４に結合することができる。更に、ブリッジ回路２０２によって、各出力ライン２３２Ａ〜Ｅを、反対の端部から、パージライン１５４に結合する（出力ライン２３２Ｆを通して）ことができ、これによって、マニホルド１３４をパージするのに必要な時間を減じることができる。
複数の切断部を提供して、複数のガスマニホルド１３４を結合してもよい。図２に示す実施形態において、第１のグループの切断部２１６Ａは、各出口ポート１０６Ａ〜Ｆに近接配置されており、第２のグループの切断部２１６Ｂは、ブリッジライン２６０とバルブ２６２Ａ〜Ｆの間のブリッジ回路２０２に配置されている。例えば、図４に示す通り、第２のグループの切断部２１６Ｂによって、第１のマニホルド４３４Ａのブリッジライン２６０を外して、第１のマニホルド４３４Ａのガス出口分配ライン２３２Ａの第１の端部４０２を、各マニホルド４３４Ａの切断部２１６Ａ、２１６Ｂの嵌合部分を用いて、第２のマニホルド４３４Ｂの出口ライン２３２Ａの第２の端部４０４に結合することができる。他の出口ライン２３２Ｂ〜Ｆ（図３には図示せず）も同様に結合される。このようにして、数多くのマニホルドを結合することができるものと考えられる。
図２に戻ると、上述した通り、１つ以上のセンサ１９０を、ライン２２０Ａ〜Ｆ、２３２Ａ〜Ｆ、２６０、１５４のいずれかとインタフェースさせて、システム１００内のガスフロー及び／又は化学物質の測定表示を行ってもよい。センサ１９０により行われた測定を、コントローラ１５０により利用して、ＭＦＣ１７０、バルブ２６２Ａ〜Ｆ、２０４Ａ〜Ｆ、３０４Ａ〜Ｆ又はガス分配システム１００の他のコンポーネントを調節して、ガスの所望の組成、圧力、速度又は容積を、チャンバ１１４に提供するようにしてもよい。測定を利用して、ガス分配システム１００の様々な部分において、ガスの組成をモニターし、パージの状態、化学物質混合、ガスの変化等をリアルタイムで検出することによって、システム応答時間を向上させ、高価なプロセスガスの消費を最小にすることができる。
図５に、ガスを処理チャンバ１１４に供給するのに利用するガス分配システム５００の他の実施形態を示す。ガス分配システム５００は、上述したガス源１０２Ａ〜Ｆ、パージライン１５４及び較正回路１４４に結合したマニホルド１３４を含む。マニホルド１３４の出口ポート１０６Ｂ〜Ｅは、処理チャンバ１１４の入口ポート５１６、５１８に選択的に結合されていて、処理チャンバ１１４へのガスの移動を促す。図５に示す実施形態において、２つの別々のガス入口ポート５１６、５１８を利用して、マニホルド１３４から処理チャンバ１１４へ供給されるガスを分配する。一実施形態において、入口ポート５１６は、処理チャンバ１１４の中心にガスを提供し、入口ポート５１８は、入口ポート５１８の外側に配置されて、処理チャンバの外側領域に（例えば、チャンバ内に配置された基板の周囲に）ガスを提供する。例えば、入口ポート５１６は、ガスを、シャワーヘッドの中心領域へ提供し、入口ポート５１８は、ガスを、シャワーヘッドの外側領域へ提供する。他の例においては、入口ポート５１６は、処理チャンバの天井に配置されて、ガスを下方に基板へ提供し、入口ポート５１８は、処理チャンバの側壁に配置されて、ガスを基板の外側領域へ提供する。更に他の実施形態において、ガスを、入口ポート５１６、５１８を通して、別々に提供して、ガスの混合が、処理チャンバ１１４の室内容積内で一度だけ生じるようにする。
フロー比コントローラ（ＦＲＣ）５０２、５０４が、各出口ポート１０６Ｄ〜Ｅに結合されている。ＦＲＣ５０２、５０４は、各出口ポート１０６Ｄ〜Ｅを出るフローを分割して、処理チャンバ１１４の各入口ポート５１６、５１８間に、所定のフロー比を提供するようにする。ＦＲＣ５０２、５０４は、固定出力比を有していても、調節可能な出力比を有していてもよい。ＦＲＣ５０２、５０４の出力及びマニホルド出力ポート１０６Ｂ〜Ｃを、夫々、共通の分配ライン５２２、５２４に合体する。各分配ライン５２２、５２４を通るフローは、処理チャンバ１１４の入口ポート５１６、５１８の直上流に位置する最終バルブ５０８、５０６により制御される。
バイパスバルブ５１０、５１２は、各分配ライン５２２、５２４に結合されている。バイパスバルブ５１０、５１２を開くと、各分配ライン５２２、５２４をパージライン１５４に結合することができる。
記載したガス分配システムは、従来のシステムに勝る多くの利点を与える。システムのモジュール性に加えて、ガス分配システムを動作させると、プレフローパス、高速排気パス、制御された化学物質混合、化学物質のより効率的な使用、連続的に減少する充填排気時間、化学分配の精密調整のための閉鎖ループ制御及びフロー診断を提供することができる。
（プレフローパス）
動作のあるモードにおいて、プレフローパスは、ガス分配システム１００を通して画定され、１つ以上のバルブを通して、処理チャンバ１１４から分離された真空環境に、化学源（例えば、源１０２Ａ〜Ｆ）の接続を行う（例えば、パージライン１５４を通して、フォアライン１３８）。ガスが処理チャンバ１１４で要求される前に、ガスを、ガス分配システム１００のマニホルド１３４の適切なラインに供給してよい。これは、処理チャンバ１１４に流したようなガスの状態に実質的に適合する状態で行う。これによって、マニホルド１３４内のガスが、即時に定常状態に達し、ガスは、処理チャンバ１１４へ迂回する状態に実質的に維持される。プレフローパスによって、ガス分配システム１００内のガスが、処理チャンバ１１４に迂回される前に、「プロセス状態」で安定化されるため、チャンバへのフローが始まると、分配システム１００内のフロー状態は殆ど、又は全く変化しない。これは、典型的に、圧力降下や、フローレートの減少を招く従来のガス分配システムとは異なる。このように、処理チャンバにおけるガス分配の均一性が即時に確立される。プレフローパスが、ガスを処理チャンバに流したのと実質的に同じ抵抗とフロー状態を提供するためである。スロットルバルブ１４４を用いて、プレフローガスパスの状態を、処理チャンバ１１４のものと適合させてもよい。
更に、フロー分割デバイス、例えば、フロー比コントローラ５０２、５０４またはバルブ３０４Ａ〜Ｆが、処理前に、プレフローパスへ送られる出力を有していてもよく、分割デバイスの出力は、フローが処理チャンバへ分配される前に、安定化させることができる。一実施形態において、プレフローパスは、パージライン１５４とバイパスラインを通して画定され、マニホルド出口１０６Ａ〜Ｂを通って、バイパスバルブ１０８Ａ〜Ｆを通り、パージライン１５４へと続いている。
（高速排気パス）
他の動作モードにおいて、高速排気パスが、ガス分配システム１００において画定されており、パージライン１５４を通して、マニホルド１３４からフォアライン１３８までの接続を提供する。高速排気パスは、１つ以上のバルブを通して、処理チャンバ分配パスを通して、化学分配源から、真空環境までの接続を提供する。真空環境は、処理チャンバ１１４からは分離されている（例えば、パージライン１５４を通して、フォアライン１３８）。高速排気パスは、各チャンバ接続部に結合されていて、２つのフロー制限部、例えば、フロー比コントローラ５０２、５０４、バルブ３０４Ａ〜Ｆまたはその他フロー制限部間に、少なくとも１つの接続部がある。処理チャンバ１１４内の化学物質を変更する必要がある時は、真空環境に対して、遮断バルブ１７２及びバイパスバルブ１０８Ａ〜Ｅを開いて、過剰のプロセス化学物質を、化学分配パスから除去する。
上述した通り、マニホルド１３４内の様々なバルブの動作状態をシーケンス化して、高速排気パスを通して、ガス分配システム１００から除去される化学物質のパージ時間を最小にする。加えて、バルブ２０４Ａ〜Ｆの動作状態をシーケンス化して、特定の領域に関して、前のプロセスで用いた化学物質をマニホルド１３４から除去し、空にした領域に新たな化学物質を充填して、マニホルド１３４内のガスを、最も効率的なやり方で交換する。更に、マニホルド１３４の特定の部分を、マニホルドの他の部分よりも即時に排気すると、バルブ２０４Ａ〜Ｆをシーケンス化して、古い化学物質と交換した新しい化学物質を、できる限り短時間で、平衡（例えば、処理フロー状態）させることができる。
一実施形態において、源１０２Ａ〜Ｆから交換されたガスの高圧、容積及び／又はフローを、マニホルド１３４の１つ以上の領域に与えて、切換を促進してもよい。マニホルド１３４を出る交換ガスのフローが、所望の化学混合物に達すると、圧力及び／又は容積、化学分配システム１００への化学物質のフローを所望のレベルまで減じて、マニホルド１３４から出る所望のフローを維持するようにする。化学分配システム１００が、前のプロセスからの化学物質で充填される場合には、化学分配システムへのフローを変更（即ち、所望の効果に応じて、増減）して、処理チャンバへの所望のフローが、できる限り迅速に、所望の値に達するようにする。マニホルドから出た化学フローが、所望の化学混合物及びフローレートに達したら、マニホルド１３４への化学物質のフローを、所望のフローレートへと調節し、処理チャンバ１１４への所望のフローを維持するようにする。
他の実施形態において、バルブ２０４Ａ〜Ｆをシーケンス化することにより、化学物質の変更を促進して、まだ交換されていないガスを含有するガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆのみが、パージライン１５４への結合を維持するようにする。交換ガスが、ガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆの１つ又は他の所定の場所から、マニホルド１３４を出たことが検出されると、交換ガスを供給するガス分配ライン２３２Ａ〜Ｆが、パージライン１５４から分離されて、交換ガスが無駄にならないようにする。一実施形態において、交換ガスは、交換が完了するまで、パージライン１５４から処理チャンバ１１４へ迂回されてもよい。このようにして、パージライン１５４のポンピング能力は、ガス除去を必要とするこれらのラインに限られたものであり、処理ガスの切換が効率的なやり方でなされる。高速排気パスは、切換時間の少なくとも一部について、ブリッジ回路２０２を通したパージライン１５４への送路ガスフローを含んでいてもよいものとも考えられる。
（化学物質混合及び閉鎖ループ制御）
他の動作のモードにおいて、ガス分配システム１００を用いて、化学物質混合を促進してもよい。一実施形態において、化学物質混合は、バルブ３０４Ａ〜Ｆを用いて、又は、２つ以上の源１０２Ａ〜Ｆを、単一ガス出口分配ライン２３２Ａ〜Ｆに結合することにより、マニホルド１３４内で生じる。
他の実施形態において、センサ１９０を利用して、ガス分配システム内で、化学物質混合の密閉ループコントロールを行ってもよい。センサ１９０を用いて、チャンバ１１４に入り、マニホルド１３４及び／又はガス分配システム１００内の他の点から出る化学物質をモニタリングすることにより、化学物質のパラメータ、例えば、所望の組成（例えば、ガス混合物）、速度及び／又は圧力のリアルタイムでの調節が実現できる。例えば、センサが、ポート１０６Ｃでマニホルドから出る源１０２Ａ〜Ｂからの化学物質の不適切なフロー比を検出すると、入口分配ライン２２０Ａ〜２２０Ｂを、出口分配ライン２３２Ｃに結合するバルブ３０４Ｃの動作状態を調節して、化学フローを、所望のターゲット比にすることができる。他のバルブ又はフロー比コントローラを用いて、同じプロセスを実施してもよい。センサ１９０からの情報を利用して、ＭＦＣ設定、フローレート及び／又は源１０２Ａ〜Ｆから提供されたガスの圧力を調節することもできる。
（ガス／化学物質の保持）
他の動作のモードにおいて、ガス分配システム１００は、化学物質の効率的な使用を促進する。例えば、バルブ２０４Ａ〜Ｆ、１７２、１０８Ａ〜Ｅ、２６２Ａ〜Ｆの動作状態を変更するシーケンスを構成して、マニホルド１３４から、最も効率良く、ガスを除去し、ガスの混合が最少となるようにすると、応答時間が早くなり、処理時間を減らすことができる。このように、ガス交換中、ガスが分配パスから（例えば、出口ライン２３２Ａ〜Ｆから）引かれ、パージライン１５４に入る速度を、スロットルバルブ１５６を用いて調節し、マニホルド１３４を通して、ガスを即時に進めてもよい。更に、パージライン１５４が、マニホルド１３４を通してガスを引いている間、次の処理シーケンスのために準備されたガス、例えば、新たに導入されるガス、パージガス及び／又はマニホルドに前に含有されていたガスの最後の残り等を含有するラインを、パージライン１５４から迂回させて、処理チャンバ１１４へ流してもよい。これによって、パージライン１５４に結合された残りのラインが、より迅速に排気される。一実施形態において、センサ１９０により行われた測定を利用して、パージライン１５４からチャンバ１１４への迂回を行うべき時を示してもよい。これは、例えば、ガスの組成、フローレート及び、又はライン内のガスの圧力の変更又は安定化によってなされる。
（フロー診断）
他の動作のモードにおいて、ガス分配システム１００を利用して、較正回路１４４を用いて、システム内の成分のフローレートを診断することができる。例えば、システム１００のバルブは、入口ポートのいずれかから、較正回路１４４までのフローを提供する。他の実施例において、システムのバルブにより分割されたフローの、分割されたフローの各分岐に沿ったフローレートを診断してもよい。
図６は、ガス分配システム６００の他の実施形態に結合された半導体処理チャンバ１１４の概略図である。ガス分配システム６００は、上述したガス分配システムと実質的に同様に構成されている。ただし、システム６００には、システムのマニホルド１３４の出力ポート１０６Ａ〜Ｆの少なくとも１つに結合された収容タンク６３０が含まれている。収容タンク６３０は、処理チャンバ１１４、第２の処理チャンバ６１４（想像線で図示）、第２の処理チャンバ６１４のガス分配システム１００（５００又は６００）、較正回路１４４又は設備排気孔１３６のうち少なくとも１つ以上に結合されていてよい。センサ１９０により、タンク６３０内のガスの測定表示を行ってもよい。一実施形態において、測定により、ガス圧力、ガス組成（例えば、化学物質）、温度又はその他特性が示される。
一実施形態において、各出力ポート１０６Ａ〜Ｆは、個々に、タンク６３０に結合されていてよい。他の実施形態において、タンク６３０をセグメント化して（想像線で図示）、各１０６Ａ〜Ｆは、混合せずに、タンク６３０に保持されていて、処理チャンバ１１４に個々に結合されるようにしてもよい。この代わりに、別々のタンク６３０を用いてもよい。タンク６３０の入口を利用して、処理チャンバ１１４にガスを分配してもよいものとも考えられる。
このように、ガス分配システムは高速排気パスを有していて、処理ガスを、ガス分配システムから、安定したガスフロー及び最小の変動で、処理システムへ供給することができ有利である。高速排気パスを利用して、ガス分配システムからのガスフローを診断し、且つ／又は較正する別の方法を提供することによって、処理システムに供給されるガスフローを良好に制御することができる。
上記は本発明の実施態様に係るものであるが、本発明の他の及び更なる実施態様は、その基本的な範囲から逸脱することなく創作することができ、その範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。
本発明の上述の構成が詳細に理解できるように、上に簡単にまとめた本発明を添付図面に示した実施形態を参照してより具体的に説明する。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎないため、その範囲を限定するものとは考えられず、本発明は、その他の等しく有効な実施形態も含み得ることに留意すべきである。
本発明のガス分配システムの一実施形態に結合された半導体処理チャンバの概略図である。 図１のガス分配システムの混合マニホルドの一実施形態の概略図である。 混合マニホルドの他の実施形態の概略図である。 結合された２つの混合マニホルドの一実施形態の概略図である。 ガス分配システムの他の実施形態に結合された半導体処理チャンバの概略図である。 ガス分配システムの他の実施形態に結合された半導体処理チャンバの概略図である。
理解し易くするために、可能な限り、図に共通の同一部材の表記には同一の参照番号を使用した。一実施形態の構成は、他の実施形態においても、説明することなく、有利に組み込むことができると考えられる。

Claims (21)

  1. フォアラインを通して、設備排気部に結合された処理チャンバを含む処理システムへのガスフローを制御する方法であって、
    第１の出口ポート、第２の出口ポート、第３の出口ポート及び第４の出口ポートを少なくとも有するマニホルドへ第１のガス源から第１のガスを流す工程であって、前記第１の出口ポートは、遮断バルブ及びパージラインを含む排気パスを介して前記フォアラインに結合され、前記第２及び第３の出口ポートの夫々は、夫々の最終バルブを介して前記処理チャンバに接続され、前記第２及び第３の出口ポートの夫々は、夫々のバイパスバルブを介してプレフローパスに接続され、前記プレフローパスは、前記パージラインの上流のスロットルバルブと、前記フォアラインの上流の前記パージラインを含む工程と、
    前記マニホルドへ、第２のガス源から第２のガスを流す工程と、
    前記マニホルド内のバルブの動作状態を選択して、処理モードにありながら、前記第１及び第２のガスを前記第２又は第３の出口ポートのうち少なくとも１つを通して出す工程と、
    前記マニホルド内の前記ガスの所定の状態が得られるまで、前記第１及び第２のガスを、前記マニホルドの前記第２又は第３の出口ポートのうち少なくとも１つを通して、前記プレフローパスを通して前記処理チャンバをバイパスする前記フォアラインへ流す工程であって、前記所定の状態は、前記スロットルバルブを使用して、前記プレフローパス内の状態を前記処理チャンバの状態と適合させることによって得られる工程と、
    前記所定の状態が得られた後、前記マニホルドを出て、前記第２又は第３の出口ポートのうち少なくとも１つを通して、前記処理チャンバへ前記第１及び第２のガスを指向させる工程と、
    前記処理チャンバ内で基板を処理する工程とを含む方法。
  2. 基板処理が完了した後、前記第１及び第２のガスを、前記マニホルドを通して、前記処理チャンバをバイパスする前記フォアラインへ流す工程を更に含む請求項１記載の方法。
  3. 前記マニホルド中の前記第１及び第２のガスのうち少なくとも１つを、第３のガス源から前記マニホルドへ提供された第３のガスと交換する工程を更に含む請求項２記載の方法。
  4. 前記マニホルドから出る前記第３のガスが、前記フォアラインに入るのを防ぐ工程と、
    前記第３のガスが、前記マニホルドを出ていく間、前記第１又は第２のガスのうち少なくとも１つを前記フォアラインへ引き続ける工程とを更に含む請求項３記載の方法。
  5. 前記第３のガスが、前記フォアラインに入るのを防ぐ工程が、前記第３のガスのフローを停止する工程、又は前記第３のガスを前記処理チャンバへ流す工程を含む請求項４記載の方法。
  6. 前記第３のガスが、前記フォアラインに入るのを防ぐ工程が、前記第３のガスが前記フォアラインから前記マニホルドを出る、前記出口ポートを分断する工程を含む請求項４記載の方法。
  7. 前記マニホルドにおいて、少なくとも１つのバルブの前記動作状態を調節して、少なくとも２つの出口ポートを通る１つのガス源からのフローの比を得る工程を更に含む請求項１記載の方法。
  8. 前記マニホルドにおいて、少なくとも１つのバルブの前記動作状態を調節する工程が、
    前記マニホルドを出る前記ガスの測定をセンシングする工程と、
    前記マニホルドにおいて、少なくとも１つのバルブの前記動作状態を調節して、前記少なくとも２つの出口ポートを通る１つのガス源からのフローの比を変更する工程とを更に含む請求項７記載の方法。
  9. 前記マニホルドを出る前記ガスの測定をセンシングする工程と、
    前記センシングされた測定に応答して、前記マニホルドに入る前記１つのガス源のフロー、少なくとも１つのフロー比コントローラ、前記チャンバに入る前記ガスの組成、又は前記チャンバに入る前記ガスの圧力のうちの１つを調節する工程を更に含む請求項１記載の方法。
  10. 前記マニホルド内の前記バルブの動作状態を選択して、前記第１及び第２のガスのうち少なくとも１つを、前記第４の出口ポートを通して出し、較正回路へと送る工程を更に含む請求項１記載の方法。
  11. オリフィスを使用して前記較正回路内で固定フロー状態を提供する工程であって、前記オリフィスは、前記処理チャンバの制限と等しい制限を与えるサイズである工程を更に含む請求項１０記載の方法。
  12. 前記遮断バルブを開くことによって前記マニホルドを排気して、前記第１の出口ポート及び前記排気パスを通して前記マニホルドから前記第１及び第２のガスを除去する工程を更に含む請求項１記載の方法。
  13. 前記マニホルドを排気する工程は、前記スロットルバルブを用いて、前記マニホルドから前記パージラインまでの前記ガスのフローを制御する工程を更に含む請求項１２記載の方法。
  14. 前記マニホルドを排気する工程は、前記第２及び第３の出口ポートに結合される前記バイパスバルブを開いて、前記第２及び第３の出口ポートを出たガスを、前記処理チャンバをバイパスする前記パージラインへ指向させる工程を更に含む請求項１３記載の方法。
  15. フォアラインを通して、設備排気部に結合された処理チャンバを含む処理システムへのガスフローを制御する方法であって、
    第１、第２、第３及び第４の出口ポートのうち少なくとも１つに選択的に結合されていてもよい少なくとも第１、第２、第３及び第４の入口を有するマニホルドを提供する工程であって、前記第１の出口ポートは、遮断バルブ及びパージラインを含む排気パスを介して前記フォアラインに結合され、前記第２及び第３の出口ポートの夫々は、夫々の最終バルブを介して前記処理チャンバに接続され、前記第２及び第３の出口ポートの夫々は、夫々のバイパスバルブを介してプレフローパスに接続され、前記プレフローパスは、前記パージラインの上流のスロットルバルブと、前記フォアラインの上流の前記パージラインを含む工程と、
    処理前に前記処理チャンバをバイパスする前記プレフローパスへ、又は較正回路へ、前記マニホルドを通して、１種類以上のガスを流す工程であって、前記プレフローパス内の状態を前記処理チャンバの状態と適合させるために、前記プレフローパス内の前記スロットルバルブを調整する工程と、
    基板処理中、前記１種類以上のガスを前記処理チャンバへ流す工程とを含む方法。
  16. 真空環境に、前記マニホルドを通して、１種類以上のガスを流す工程が、前記１種類以上のガスのフローを前記処理チャンバへ迂回する前に、前記１種類以上のガスのフローが、所定の基準に適合するまで待つ工程を更に含む請求項１５記載の方法。
  17. 前記所定の基準は、フローレート、圧力、又はガス組成のうちの少なくとも１つである請求項１６記載の方法。
  18. 処理チャンバを含む処理システムへのガスフローを制御する方法であって、
    第１の出口ポート、第２の出口ポート、第３の出口ポート及び第４の出口ポートを少なくとも有するマニホルドへ第１のガス源から第１のガスを流す工程であって、少なくとも前記第２及び第３の出口ポートは、処理チャンバに結合され、前記処理チャンバは、フォアラインを介して設備排気部に結合され、前記第１の出口ポートは、遮断バルブ及びパージラインを含む排気パスを介して前記フォアラインに結合され、前記第２及び第３の出口ポートの夫々は、夫々のバイパスバルブを介してプレフローパスに接続され、前記プレフローパスは、前記パージラインの上流のスロットルバルブと、前記フォアラインの上流の前記パージラインを含む工程と、
    前記マニホルド内のバルブの動作状態を選択して、前記第１のガスを前記第２及び第３の出口ポートを通して同時に流す工程と、
    前記マニホルド内の前記第１のガスの所定の状態が得られるまで、前記第１のガスを、前記マニホルドの前記第２又は第３の出口ポートのうち少なくとも１つを通して、前記プレフローパスを通して前記処理チャンバをバイパスする前記フォアラインへ流す工程であって、前記所定の状態は、前記スロットルバルブを使用して、前記プレフローパス内の状態を前記処理チャンバの状態と適合させることによって得られる工程とを含む方法。
  19. 前記第１のガスのフローを示す測定をセンシングする工程と、
    前記センシングされた測定に応答して、前記第１及び第２の出口ポートの間の前記第１のガスのフローの比を制御する工程とを更に含む請求項１８記載の方法。
  20. センシングする工程は、前記第１のガスの、化学物質、圧力、又は夫々のフロー分割レートのうちの少なくとも１つをセンシングする工程を更に含む請求項１９記載の方法。
  21. センシングされた測定を使用して、前記夫々のフロー分割レートが所定の基準に適合していることを診断する工程を更に含む請求項２０記載の方法。
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