JP5455371B2 - ターボポンプを使用する広範囲圧力制御 - Google Patents

Description

本発明は一般に真空ポンピングの分野に関し、特に、可変の流量及び圧力で高真空を提供し、精確に制御するための方法及び装置に関する。

ある研究及び製造プロセスは高真空を伴うプロセス室の使用を必要とする。真空は多くの理由のために必要になることがある。ある例においては、プロセス中に（例えばチタンのような反応性金属の真空溶融において）化学反応又は物理的損傷を生じさせるような大気成分は除去しなければならない。他の例においては、材料のバルクから揮発性液体又は吸蔵即ち溶存ガスを除去する場合（例えばオイルのガス抜き、冷凍乾燥）又は表面からガスを脱離させる場合（例えば製造中のマイクロ波チューブの製造）のような場合においては、真空は常温状態で存在する平衡状態を乱すために使用される。真空はまた、他の粒子と衝突する前に粒子を運行させて、粒子が源と標的との間で衝突の無い経路を追従できるように距離を延長させねばならないようなプロセス（例えば真空コーティング、粒子加速器、テレビ受像管）において使用される。最後に、真空は、秒当りの分子の衝突数を減少させることにより、きれいな表面を準備する際に使用される。これは、（例えばきれいな表面の研究及び清潔で薄いフィルムの準備において）汚染の機会を減少させる。

半導体ウエファ処理においては、真空は、主として汚染を減少させ、粒子の弾道を最大にするために、薄膜フィルムの化学蒸気蒸着（ＣＶＤ）及びエッチング作業中に使用される。本発明の真空システムは、ここでは主として半導体ウエファ製造作業に関連して説明するが、真空の上述の使用のいずれかを必要とする他のプロセス及び研究活動において使用することができる。

乾式エッチングのようなプラズマを基礎とする半導体製造設備は典型的には注意深く制御された真空の下において２−２５０ｍＴｏｒｒの圧力範囲で作動する。図１の代表的なシステムにおいて示すように、プロセス室１１０はターボ分子ポンプ１３０により真空化される。プロセス室１１０内の圧力は典型的には１又はそれ以上のキャパシタンスマノメータ機器１１２を使用して測定される。室の圧力は、全体のプロセスを制御し順序化する工具コントローラ１１５へマノメータの測定値を送ることにより、制御される。工具コントローラ１１５は室１１０とターボ分子モータ１３０との間に位置する羽根又は振り子形式のスロットル弁１２０上のステッピングモータを駆動する弁コントローラ１２５に指令を発する。スロットル弁１２０の開度寸法を変更することにより、室１１０内の圧力を変更する。

ガスの流量は室を通る一定の流量を維持するようにマスフロー制御子１０５を設定することにより設定される。室の圧力がスロットル弁１２０を使用して調整されるとき、マスフロー制御子は一定のマスフロー流量即ち質量流量を維持する。ここで使用するように、「ポンピング速度」という用語はポンプを通る体積ガス流を言う。そのガス流は、例えば分当りの標準の立方センチメートル（ＳＣＣＭ）で測定することができる。

近年、半導体処理設備は、高いガス流での一層低圧を達成するように一層大きなターボ分子ポンプを設置することを製造者に強いてきた。必要なガス流は時には１０００ＳＣＣＭもの大きさになることがある。更に、切開(breakthrough)エッチング、現場でのフォトレジストストリップ又は室の清掃のようなプロセス工程のために、プロセス室内での高圧の低流れ状態の要求が生じている。

スロットル弁の技術は普通、占めることのできる一定数の位置を有するステッピングモータアクチュエータに基づく。例えば、振り子式ゲート弁は当業界においてスロットル弁として普通に使用される。振り子式ゲート弁は有限の角度位置解像度を有するステッピングモータによりシール位置に対して出入りするように回転する振り子プレートを有する。

低圧での安定した圧力制御を維持するため、弁は２０−８０％の開度範囲で作動することができる。理論的なゲート弁の流れ特性のグラフを図２に示し、この場合、プロット曲線２３０は弁の開度百分率２２０の関数としての流量２１０を示す。２０−８０％の開度範囲２４０においては、プロット曲線２３０は過剰の小さな又は大きな傾斜有さず、安定した制御を許容することが分かろう。

図示の例示的なシステムは、スロットル弁がコンダクタンスを最大にするような開度に近いが制御安定性を制限するほどの開度ではない状態で作動するような半導体処理方法即ちレシピ(recipe)における低圧で高流れの工程にとって最適である。

高圧で高流れの状態では、スロットル弁はターボ分子ポンプに対するガスのコンダクタンスを制限するためにほぼ完全に閉じる。圧力制御の解像度が制限されるような領域においては、ステッピングモータの１つのステップ即ち段階はコンダクタンスの大きなシフトをもたらし、それによって、制御安定性が悪化する。

例えば、図２に示すように、室内に高圧を維持するためには、弁は０−２０％の開度範囲で作動しなければならない。しかし、その領域においては、弁の開度の極めて小さな変化が流量の極めて大きな変化を生み出し、圧力制御を不安定にさせる。これは、弁が大きな直径の入口ポートを備えた大型のターボ分子ポンプを絞っている(throttling)場合に、高圧で低流れの状態での制御の能力を制限する。

同じレシピにおける低圧高流れ及び高圧低流れの工程の使用はまたハードウエア技師のための重要な安定性の問題を提示する。

このような問題はいくつかの方法で対処されたが、成功したものはほんの僅かである。例えば、ポンプにガス負荷を付加するために不活性ガスをプロセスガスに添加していた。この技術は比較的迅速に働き、実際、その好ましい作動範囲外でのスロットル弁の作動を必要とせずに、プロセス室の圧力を増大させる。しかし、この技術はガスの消費及び所有者のコストを大幅に増大させ、望まないプロセス効果を生じさせることがある。

ターボポンプのロータの回転速度はプロセス室の圧力を調整するように変更してきた。この技術はまた有効なポンピング速度の所望の変化を生じさせるが、処理レシピにおいて高圧と低圧との間でロータを減速及び加速させるために十分な時間を必要とする。回転速度の変化はしばしば６０秒以上の時間がかかり、生産性に対して許容できない不利益を提示する。

支援ポンプの回転速度はプロセス室の圧力を変化させるように変更してきた。支援ポンプは普通主要なポンプの排気圧力を減少させるために主要なターボ分子ポンプの下流側で使用される。支援ポンプの回転速度が変化すると、主要なポンプを横切る圧力降下が変化し、プロセス室の圧力を変化させる。この技術はまたプロセス室の圧力を変化させるために多大な時間を必要とする。更に、室毎の反復性のためにターボポンプから精確に一定の距離に支援ポンプを配置することを必要とする。

別の接近法は一層多くの段階を備えたサーボモータを有する一層高価なスロットル弁を使用することである。しかし、この解決策は重大なコスト不利益のため望ましくない。

ターボポンプの入口圧力を制御するための排気ポートスロットル弁及び他の形の支援圧力制御の使用が試みられた。これらの場合の各々は、入口スロットルゲート弁を、支援圧力を規制するためのある構成に交換することに集中していた。

それ故、現在、半導体ウエファの製造において現れている高圧で低流れのプロセスで使用できる真空排気装置及び方法を提供する要求が存在する。特に、技術は、現在使用されている技術に比べて、一層応答性がよく、一層低いコスト及び一層少ないメンテナンス要求で履行できるようにすべきである。本発明者等の知識では、利用できるこのような技術は現在存在しない。

本発明は、室内にプロセス圧力を維持するために真空室の排気ポートからガスを排気するための装置を提供することにより、上述の要求に対処する。装置は真空室内の圧力を測定するための圧力センサと、真空室の排気ポートに連通し、排気ポートからの流れを規制するためのスロットル弁と、スロットル弁に連通するポンプ入口及び支援ポートを有する高真空ポンプと、ポンプの支援ポートに連通し、支援ポートからの流れを規制するための支援弁と、室内にプロセス圧力を維持するために、圧力センサからの測定値に基づいてスロットル弁及び支援弁の開度寸法を規制するための少なくとも１つのコントローラとを有する。

コントローラは圧力測定値を受け取るための、圧力センサからの入力と、開度寸法規制信号を送るための、支援弁及びスロットル弁への出力とを有することができる。

コントローラは、圧力センサに接続され、少なくとも１つのプロセス流量及びプロセス圧力を通してプロセス室を順序化するための工具コントローラと、スロットル弁に接続され、スロットル弁の開度を制御するためのスロットル弁コントローラと、支援弁に接続され、支援弁の開度を制御するための支援弁コントローラと、工具コントローラ、スロットル弁コントローラ及び支援弁コントローラに連通するプロセッサとを有することができる。プロセッサは室内に少なくとも１つのプロセス流量及びプロセス圧力を維持するために、圧力センサからの測定値に基づきスロットル弁及び支援弁の開度寸法を規制するようにプロセッサにより実行可能なコンピュータで読み取り可能なインストラクションを記憶するための記憶媒体を有する。

圧力センサはキャパシタンスマノメータとすることができる。支援弁は蝶弁、振り子ゲート弁又は他の絞りオリフィス装置とすることができる。

スロットル弁は振り子ゲート弁とすることができる。スロットル弁は更にステッピングモータ位置決め装置を有することができる。

スロットル弁は有限数の別個の開度寸法に制御可能とすることができる。この場合、コントローラは更に２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある室内のプロセス圧力を達成するように支援弁の開度寸法を規制するようになっている。

室内のロセス圧力はターボ分子ポンプの回転速度を変更することなく維持できる。

本発明の別の実施の形態は真空室の排気ポートからターボ分子ポンプを通って流れる排気ガスを規制することにより真空室内のプロセス圧力を制御するための方法である。この方法は真空室内の圧力を読み取る工程と、圧力読み取り値に少なくとも部分的に基づき、排気ポートからターボ分子ポンプへの流れを規制するように、好ましい作動範囲を有するスロットル弁の開度を制御する工程と、スロットル弁の開度を好ましい作動範囲内に維持するようにターボ分子ポンプの下流側の支援弁を制御する工程とを有する。

方法はまた、方法の少なくとも一部を遂行するための、コンピュータで実行可能なインストラクションを、記憶媒体から読み取る工程を有することができる。

圧力を読み取る工程はキャパシタンスマノメータから受け取った信号を読み取る工程を有することができる。支援弁を制御する工程は蝶弁を回転させる工程を有することができる。スロットル弁の開度を制御する工程は振り子ゲート弁を前進及び後退させる工程を有することができる。

スロットル弁の開度を制御する工程はステッピングモータ位置決め装置を作動させる工程を有することができる。スロットル弁は有限数の別個の開度寸法に制御可能であり、この場合、支援弁を制御する工程は２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある室内のプロセス圧力を達成するように支援弁の開度寸法を規制する工程を有する。室内のプロセス圧力はターボ分子ポンプの回転速度を変更することなく制御することができる。

本発明の別の実施の形態は真空室内にプロセス圧力を維持するために、真空室の排気ポートからのターボ分子ポンプを通るガスを排気するための方法である。この方法は真空室内の圧力を測定する工程と、真空室の排気ポートとターボ分子ポンプとの間で連通するスロットル弁の開度寸法を規制する工程と、ポンプの圧縮率を規制するためのポンプの支援ポートに連通する支援弁の開度寸法を規制する工程とを有する。スロットル弁及び支援弁の開度寸法は室内にプロセス圧力を維持する。

スロットル弁は有限数の別個の開度寸法に制御可能とすることができ、この場合、支援弁を制御する工程は更に２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある室内のプロセス圧力を達成するように支援弁の開度寸法を規制する工程を有する。

本発明はターボポンプとプロセス室との間のスロットルゲート弁と組み合わせて使用される大型のターボ分子ポンプの有効ポンピング速度を動的に調整するためのシステム及び方法である。システム及び方法は広範囲の安定した圧力制御を許容する。

半導体を処理するためのプロセス室を真空にするような１つの実施の形態に関して本発明を説明する。当業者なら、システムは研究器具のような高真空を必要とする他の応用に使用できることを認識できよう。

本発明はポンプの入口ポートでのポンピング速度を動的に調整するためにターボ分子ポンプの圧縮特性を利用する。ターボポンプの圧縮率は普通、支援圧力が変化するとき、入口圧力が一定に維持されるようなものである。しかし、（ターボポンプのロータのデザインにより決定される）ある支援圧力以上では、支援圧力の変化は入口圧力の変化を招く。

蝶弁のような単純で粗い制御の弁をターボポンプの支援ポートに付加し、適切な圧力制御アルゴリズムを備えたコントローラを提供することにより、ポンプの有効ポンピング速度を動的に減少させることができ、圧力解像度及び制御を改善しながら、入口スロットル弁を好ましい２０−８０％の開度範囲で開くことができる。

本発明のシステムの例示的な実施の形態３００を図３に示す。この実施の形態においては、プロセスガスはマスフロー制御子３０５を通してプロセスガス室３１０内へ導入される。スロットル弁３２０はプロセス室３１０とターボ分子ポンプ３３０との間に設けられる。スロットル弁３２０は例えばスイス国のハーグのＶＡＴバキュームベンチルＡＧ社(VAT Vakuumventile AG)により製造された、一体のコントローラを備えたシリーズ６５．０の振り子圧力制御弁とすることができる。当業者なら、伝統的なゲート弁のような他の形式のスロットル弁を使用できることを認識できよう。

弁は弁コントローラ３２５により制御される。図３のコントローラは弁３２０とは別個に示すが、代わりに、コントローラ３２５は単一の小型のパッケージとして弁３２０と一体化することができる。

スロットル弁３２０は上述のように振り子プレートを位置決めするためのステッピングモータを利用することができる。本発明の１つの利点は、弁の行程の極限の近傍の位置決め解像度により生じる欠点を伴うことなく、ステッピングサーボモータ位置決め装置を備えた標準のスロットル弁を使用できることである。

ターボ分子ポンプ３３０の支援側には、本発明の支援弁３４０が位置する。支援弁３４０は低価格の粗い解像度の蝶弁とすることができる。例えば、本発明の１つの実施の形態においては、支援弁はマサチューセッツ州ウィルミントン(Wilmington)のＭＳＫインストラメンツ社(MSK Instruments Inc.)により製造されたタイプ１５３の排気スロットル弁である。当業者なら、本発明の支援弁として他の形式の制御弁を使用できることを認識できよう。

コントローラ３４５は支援弁３４０の位置決めを制御する。このコントローラは独立とするか又は一体化することができる。支援弁のための位置決めサーボはスロットル弁に使用されているようなステッピングモータとする必要はないが、代わりに、低価格の粗い位置決め装置とすることができる。

工具コントローラ３１５はキャパシタンスマノメータとすることのできる圧力トランスデューサ３１２からの信号を受け取るように接続される。工具コントローラは更にプロセス室内で完了させるべきプロセス工程を調整する。

システムコントローラ３５０はカリフォルニア州シルマー(Sylmar)のＡＳＣプロセス・システムズ社(ASC Process Systems)から入手できるＣＰＣ制御ソフトウエアのカットダウンバージョンのような埋設されたＰＣランニングシステム制御ソフトウエアとすることができる。システムコントローラ３５０は実際の及び所望のプロセス室圧力を含む情報を工具コントローラ３１５から受け取るように接続される。システムコントローラはまたスロットル弁コントローラ３２５及び支援弁コントローラ３４５に接続され、システムコントローラ内に記憶された工具コントローラ３１５からの信号を翻訳する圧力制御アルゴリズムに従って、そのそれぞれの弁を開閉するようにこれらのコントローラに指令を発する。

工具コントローラ３１５、弁コントローラ３２５、システムコントローラ３５０及び弁コントローラ３４５は圧力センサからの測定値に基づきスロットル弁及び支援弁の開度寸法を規制するための全体のコントローラ３６０を有する。個々のコントローラは図３に別個に示すが、これらのコントローラのうちの２又はそれ以上は本発明のシステムを制御するための単一のコントローラとして一体化できることに留意すべきである。

システムのコントローラ素子をプログラムするために及び新たなプロセスレシピ等を履行するようにこれらのプログラムを変更するために診断ワークステーション３６０を設けることができる。

本発明に係る真空室内のプロセス圧力を制御するための方法４００を図４に示す。圧力は真空室の排気ポートからターボ分子ポンプを通って流れる排気ガスを規制することにより制御される。最初に、圧力が真空室内で読み取られる（ステップ４２０）。次に、排気ポートからターボ分子ポンプへの流れを規制するためにスロットル弁の開度が制御される（ステップ４３０）。制御は圧力の読み取り値に少なくとも部分的に基づく。スロットル弁の開度は好ましい作動範囲を有する。

スロットル弁の開度を好ましい作動範囲内に維持するためにターボ分子ポンプの下流側の支援弁が制御される（ステップ４４０）。

本発明の方法の別の実施の形態５００を図５に示す。この方法はプロセス流量及び室内のプロセス圧力を維持するために、真空室の排気ポートからターボ分子ポンプを通るガスを排気するためのものである。方法は真空室内の圧力を測定する（ステップ５２０）ことにより開始する。真空室の排気ポートとターボ分子ポンプとの間で連通するスロットル弁の開度寸法が規制される（ステップ５３０）。ポンプの圧縮率を規制するためのポンプの支援ポートに連通する支援弁の開度寸法も規制される（ステップ５４０）。スロットル弁及び支援弁の開度寸法の規制は室内でプロセス圧力を維持する。

上述の詳細な説明はあらゆる点で例証的で例示的であるが限定的ではなく、また、ここで開示された発明の要旨は発明の説明から決定すべきではなく、むしろ、特許法により許される完全な寛容に従って解釈される特許請求の範囲から決定すべきであることを理解すべきである。例えば、半導体処理室内の圧力及び流れを制御するものとしてシステムを説明したが、代わりに、システムは高真空を必要とする任意のシステムに関連して使用することができる。図示しここで説明した実施の形態は本発明の原理の単なる例示であり、当業者なら、本発明の要旨及び精神から逸脱することなく、種々の修正を履行できることを理解すべきである。

従来の真空排気装置の機能的な素子を示す概略図である。 理論的なゲート弁のための弁開度と流量との関係を示すグラフである。 本発明に係る真空排気装置の機能的な素子を示す概略図である。 本発明の１つの実施の形態に係る方法を示すブロック線図である。 本発明の別の実施の形態に係る方法を示すブロック線図である。

Claims (19)

1. 真空室内のプロセス圧力を維持するために上記真空室の排気ポートからガスを排気するための装置において、
   上記真空室内の圧力を測定するための圧力センサと、
   上記真空室の上記排気ポートに連通し、当該排気ポートからの流れを規制するためのスロットル弁と、
   上記スロットル弁に連通するポンプ入口及び支援ポートを有する高真空ポンプと、
   上記支援ポートに連通し、当該支援ポートからの流れを規制するための支援弁と、
   上記真空室内のプロセス圧力を維持するために、上記圧力センサからの測定値に基づき上記スロットル弁及び上記支援弁の開度寸法を規制するための少なくとも１つのコントローラとを有し、
   上記スロットル弁が、２０−８０％の開度の範囲で開くことができ、
   上記装置は、上記高真空ポンプと上記支援弁との間から上記真空室へガスを循環させるための循環配管を有さない、装置。
2. 上記少なくとも１つのコントローラが圧力測定値を受け取るための、上記圧力センサからの入力と、開度寸法の規制信号を送るための、上記支援弁及び上記スロットル弁への出力とを備えた少なくとも１つのプロセッサを有する、請求項１に記載の装置。
3. 上記少なくとも１つのコントローラが、
   上記圧力センサに接続され、少なくとも１つのプロセス流量及びプロセス圧力を通して上記真空室を順序化するための工具コントローラと、
   上記スロットル弁に接続され、当該スロットル弁の開度を制御するためのスロットル弁コントローラと、
   上記支援弁に接続され、当該支援弁の開度を制御するための支援弁コントローラと、
   上記工具コントローラ、上記スロットル弁コントローラ及び上記支援弁コントローラに連通し、上記真空室内に上記少なくとも１つのプロセス流量及びプロセス圧力を維持するために、上記圧力センサからの測定値に基づき上記スロットル弁及び上記支援弁の開度寸法を規制するようにプロセッサにより実行可能なコンピュータで読み取り可能なインストラクションを記憶するための記憶媒体を有するプロセッサと、
   を有する、請求項１に記載の装置。
4. 上記圧力センサがキャパシタンスマノメータである、請求項１に記載の装置。
5. 上記支援弁が蝶弁である、請求項１に記載の装置。
6. 上記スロットル弁が振り子ゲート弁である、請求項１に記載の装置。
7. 上記スロットル弁が更にステッピングモータ位置決め装置を有する、請求項１に記載の装置。
8. 上記スロットル弁が有限数の別個の開度寸法に制御可能であり、上記コントローラが更に２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある上記真空室内のプロセス圧力を達成するように上記支援弁の開度寸法を規制するようになっている、請求項１に記載の装置。
9. 上記真空室内のプロセス流量及びプロセス圧力が上記高真空ポンプの回転速度を変更することなく維持される、請求項１に記載の装置。
10. 真空室の排気ポートからターボ分子ポンプを通って流れる排気ガスを規制することにより上記真空室内のプロセス圧力を制御するための方法において、
    上記真空室内の圧力を読み取る工程と、
    圧力読み取り値に少なくとも部分的に基づいて、上記排気ポートから上記ターボ分子ポンプへの流れを規制するように、好ましい作動範囲を有するスロットル弁の開度を制御する工程と、
    上記スロットル弁の開度を上記好ましい作動範囲内に維持するように上記ターボ分子ポンプの下流側の支援弁を制御する工程とを有し、
    上記スロットル弁が、２０−８０％の開度の範囲で開くことができ、
    上記方法は、上記ターボ分子ポンプと上記支援弁との間から上記真空室へ排気ガスを循環させる工程を有さない、方法。
11. 上記方法の少なくとも一部を遂行するための、コンピュータで実行可能なインストラクションを、記憶媒体から読み取る工程を更に有する、請求項１０に記載の方法。
12. 圧力を読み取る上記工程がキャパシタンスマノメータから受け取った信号を読み取る工程を有する、請求項１０に記載の方法。
13. 支援弁を制御する上記工程が蝶弁を回転させる工程を有する、請求項１０に記載の方法。
14. 上記スロットル弁の開度を制御する上記工程が振り子ゲート弁を前進及び後退させる工程を有する、請求項１０に記載の方法。
15. 上記スロットル弁の開度を制御する上記工程がステッピングモータ位置決め装置を作動させる工程を有する、請求項１０に記載の方法。
16. 上記スロットル弁が有限数の別個の開度寸法に制御可能であり、上記支援弁を制御する上記工程が２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある上記真空室内のプロセス圧力を達成するように当該支援弁の開度寸法を規制する工程を有する、請求項１０に記載の方法。
17. 上記真空室内のプロセス流量及びプロセス圧力が上記ターボポンプの回転速度を変更することなく制御される、請求項１０に記載の方法。
18. 真空室内のプロセス圧力を維持するために、上記真空室の排気ポートからのターボ分子ポンプを通るガスを排気するための方法において、
    上記真空室内の圧力を測定する工程と、
    上記真空室の上記排気ポートと上記ターボ分子ポンプとの間で連通するスロットル弁の開度寸法を規制する工程と、
    上記ターボ分子ポンプの圧縮率を規制するための当該ターボ分子ポンプの支援ポートに連通する支援弁の開度寸法を規制する工程とを有し、
    それによって、上記真空室内のプロセス圧力を維持するように上記スロットル弁及び上記支援弁の開度寸法を規制し、
    上記スロットル弁が、２０−８０％の開度の範囲で開くことができ、
    上記方法は、上記ターボ分子ポンプと上記支援弁との間から上記真空室へガスを循環させる工程を有さない、方法。
19. 上記スロットル弁が有限数の別個の開度寸法に制御可能であり、上記支援弁を制御する上記工程が更に２つの隣接する別個のスロットル弁の開度寸法から由来するプロセス圧力間にある上記真空室内のプロセス圧力を達成するように当該支援弁の開度寸法を規制する工程を有する、請求項１８に記載の方法。

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