JP5597433B2

JP5597433B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP5597433B2
Application number: JP2010095114A
Authority: JP
Inventors: 智宏大橋; 昭孝牧野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: JP2011228397A

Description

本発明は、真空処理装置に係り、特に、試料の搬送路に大気雰囲気と真空雰囲気とを切り替えるロック室を備えた真空処理装置に関する。

ＤＲＡＭあるいはマイクロプロセッサ等の半導体装置の製造工程においては、プラズマエッチング装置あるいはプラズマＣＶＤ装置等の半導体製造装置が用いられる。

半導体製造装置における課題の１つとして被処理体である試料に付着する異物粒子数の低減が挙げられる。例えば、エッチング処理を行う半導体製造装置において、エッチング処理前における試料の微細パターン上に異物粒子が落下すると、落下した部位は局所的にエッチングが阻害されて、断線などの加工不良が生じて、歩留まりが低下する。

このため、半導体製造装置、あるいは、製造工程の途中で試料を検査する半導体検査装置においては、異物粒子の発生を防ぐことが肝要であり、このため異物発生を防止する方法が多数提案されている。

例えば、特許文献１には、真空雰囲気と大気雰囲気とを切り替えるチャンバにおいて、チャンバ内を真空引きするに際して、バルブをゆっくり開けることによって、チャンバ内の急減圧を抑制し、急激な気流による異物の発生を防止することが示されている。なお、このバルブは、１個のバルブで初期排気時の気流の乱れを防止しつつ本排気まで行うことができるように構成されている。

また、特許文献２には、徐々に真空排気するための低排気コンダクタンスの低速排気ラインと、高排気コンダクタンスの高速排気ラインを設置して、真空排気開始時には、低速排気ラインを用いて排気することにより、減圧速度が所定の値を超えないようにすることが示されている。また、閉状態又は開状態に２値制御可能な排気バルブと排気コンダクタンス制御バルブとを１つの排気ラインに直列に接続した例と、前記排気バルブと排気コンダクタンス制御バルブとを２つの排気ラインに並列に設置した例とが開示されている。

特開平５−２３７３６１号公報特開平１１−４０５４９号公報

ところで、プラズマ処理装置などの真空処理装置では、マルチチャンバー化が進んでいる。マルチチャンバは、試料を搬送するための一式の搬送系に対して複数の処理室（チャンバ）を接続する方式である。マルチチャンバー化するメリットは、例えば製造装置１台あたりの試料の処理可能枚数が増加することにある。従って、搬送室に接続する処理室の数を１つから２→３→４と増加させる場合、単位時間あたりの試料の処理枚数も処理室が１つの場合に比べて２倍→３倍→４倍となることが望まれる。しかし、実際には処理室を増加させても単位時間あたりの処理可能枚数は期待ほど増加しない。その要因の１つとして、ロック室のスループット向上が困難なことが挙げられる。

ロック室では、大気圧から真空へ減圧する際の真空引きと、真空から大気へ加圧する際のベント（給気）が行われる。

ベントおよび真空引きの際に、速度を上げて大気雰囲気と真空雰囲気の切替時間を短縮すると、ロック室内における気流が急激に速くなり、異物粒子の舞い上げ量が増加する。さらに、真空引きに関しては、排気段階の初期において気体温度が急激に低下し、ロック室内に存在する残留ガスが凝縮し、液体微粒子が生成する。このような微粒子は半導体デバイスの歩留まり低下を発生させる。

前記特許文献１および特許文献２においては、これら、異物の舞い上げ量の低減、液体微粒子の発生防止方法について言及しているが、スループット向上の観点については、言及するところがない。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、真空雰囲気と大気雰囲気とを切り替える真空室内における異物低減とスループット向上を両立できる真空処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

複数のプロセス処理装置、該プロセス処理装置のそれぞれに試料を搬送するための真空搬送室、該真空搬送室内に設置され前記試料の搬送を行う真空搬送ロボットと、大気中で、複数の前記試料を収納したカセットを備え、該カセット内に収納された前記試料を搬送するための大気搬送室、該大気搬送室内に配置され前記試料の搬送を行う大気搬送ロボットと、前記真空搬送装置と前記大気搬送装置との間に配置されたロック室とを備えた真空処理装置において、
前記ロック室は、ベント用バルブを介して乾燥ガスを供給するガス供給路、前記ロック室を排気する真空ポンプおよび前記ロック室内の湿度を検出する湿度センサを備え、前記ロック室の排気に際して前記ベント用バルブを開いて前記乾燥ガスの供給を開始し、前記ロック室内の湿度が所定値以下となった後前記真空ポンプによる排気を開始する。

本発明は、以上の構成を備えるため、真空雰囲気と大気雰囲気とを切り替える真空室内における異物低減とスループット向上を両立することができる。

本発明の実施例に係るプラズマエッチング処理装置を示す図である。プラズマエッチング装置に設けられたロック室の詳細を示す図である。ロック室排気時の圧力変化を示す図である。ロック室内の圧力制御例を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマエッチング処理装置を示す図であり、図１（ａ）は上面断面図、図１（ｂ）は斜側面図である。

真空搬送室１０２には４つの真空処理室を構成するプラズマ処理室１０１（１０１−１〜１０１−４）が接続されており、各プラズマ処理室には、図示しない減圧用の真空ポンプが接続されている。真空搬送ロボット１０３を備えた真空搬送室１０２と大気搬送ロボット１０５を備えた大気搬送室１０４は、２つのロック室１０６（１０６−１，１０６−２）を介して接続されている。

例えばロック室１０６−１はロードロック室として使用され、ロック室１０６−２はアンロードロック室として使用される。ここで、ロードロック室は大気搬送室から真空搬送室へ試料を搬入する際に用いられ、アンロードロック室は真空搬送室から大気搬送室へ試料を搬出する際に用いられる。なお、各ロック室はロードロック室とアンロードロック室を兼用することもできる。大気搬送ロボット１０５は、試料を、カセット１０８（１０８−１〜１０８−３）、アライメントユニット１０７およびロック室１０６の間で一枚ずつ搬送する。

ロック室１０６−１に搬入された試料は、ロック室内に配置した試料台上に積置される。ロック室内部が減圧された後、真空ロボット１０３は試料をプラズマ処理室１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４に移送する。処理室内には処理用ガスを導入すると共に、処理室を図示しない真空ポンプにより排気して所定の圧力（真空圧）に調節する。この状態で、処理室１０１内の試料上方の空間に電界または磁界を供給しれ処理用ガスをプラズマ化し、このプラズマを用いて試料表面を処理する。

以上の処理は密封されたプラズマ処理室１０１−１、１０１−２、１０１−３、１０１−４内で別々に実行される。このため、ロードロック室１０６−１におけるベントあるいは真空引きの速度が遅くなればなる程、プラズマ処理室に空き時間が発生する。また、各プラズマ処理室での処理が同時に終了した場合、アンロードロック室１０６−２で試料の搬送律速が発生する。

このように、ロック室１０６−１、１０６−２のベントあるいは排気に要する時間が長くなると、スループットが低下する。しかし、ベントあるいは排気に要する時間を短縮すると、ロック室内における気流が急激に速くなり、異物の舞い上げ量が増加する。また、粗引き排気の際に、気体温度が急激に低下し、液体微粒子が生成する。

このため、ロック室内における異物低減とスループット向上の両立は困難である。

図２は、プラズマエッチング装置に設けられたロック室１０６の詳細を示す図である。図２に示したように、ロック室１０６には、減圧用の真空ポンプ（ドライポンプ）２０１、真空ポンプ２０１とロック室１０６を接続する排気ライン（２０２，２０３）、および前記排気ラインの途中に設けられた真空排気バルブ２０４からなる真空排気系２０５が設置されている。なお、前記排気ラインの途中には、オリフィスなどの絞り弁を取り付けても良い。

ロック室１０６には、ガスディーフューザー２０６、ベント用バルブ２０７、レギュレーター２０８からなるベントガス供給系２０９が接続されている。２１０はＣＰＵ等の演算器及びＲＡＭ等の記憶手段とを備えた制御部であり、真空排気時に湿度センサ２１１の値を監視し、ベント用バルブ２０７を制御する。なお、ロック室１０６−１と１０６−２間には図２で説明した基本構成について相違はない。

図３は、ロック室排気時の圧力変化を示す図である。図３に示すように従来例Ｂにおいては、急激な減圧に起因する液体微粒子の生成を懸念し、ロック室の排気は徐々に行う。このため、所定の圧力値（排気終了圧力Ｐ０に達するまでの排気時間ｔ０が長くなり、スループットが低下する。実施例Ａでは、真空排気時に、窒素パージを加え、急激な圧力の低下を抑制する。

本実施形態においては、制御部２１０は、ロック室１０６内の湿度センサ２１１をモニタリングし、ロック室１０６内部の相対湿度（RH）が所定値以下となるように、ベント用バルブ２０７または真空排気バルブ２０４の開度あるいは真空ポンプ２０１の動作を調節してロック室１０６内部の排気の量を調整する。なお、パージするガスとしては乾燥窒素あるいは乾燥空気を用いることができる。

ロック室１０６を真空排気するとき、ロック室内にある半導体ウエハ等の被処理体の汚染を低減するためには、排気中のロック室１０６内部で液体微粒子が形成されるのを抑制することが必要となる。このため、本実施形態では真空排気の工程においてロック室１０６内部のガスの条件及び排気の条件を調節している。

すなわち、排気工程の初期において相対湿度を所定の値以下となるように調節する。このために、ロック室１０６内を排気しつつ加熱して高温にされた、または乾燥された不活性ガス（例えば窒素ガス）を導入する。この際に、ロック室１０６内部の空間は所定の相対湿度以上となるように排気の量が調節され、ロック室内の圧力、減圧速度が調節される。ここでは、ロック室１０６内部には窒素ガスを導入すると共に相対湿度を３０％以下、望ましくは２０％以下の値以下に維持する。

なお、真空排気時における液体微粒子の形成を抑制するために必要とされる相対湿度の例は、solid state technology 日本版 November 1990 29-34頁に記載されている。

この文献によれば、まず、真空排気の過程において、断熱度に関する指標Z（無次元の数）を算出する。排気の時定数τ、ロック室内壁から不活性ガスへの熱浸透速度ω、ロック室内の容積をロック室内壁の表面積で割った数をζとした場合、Ｚは以下の式で表される。

Ｚ＝τω／ζ・・・（１）
ここで、Ｚ＝０の場合は、真空排気は断熱的であり、３つの境界条件、即ち無限大の排気速度、ゼロに近い熱伝達速度、極端に大きなロック室のいずれかに対応する。Ｚ＝∞の場合は、真空排気は等温的であり、非常に遅い排気時間、高い熱伝達率、小さなロック室、等に対応する。

前記文献によれば、真空に排気される容器内部での凝縮や核形成の臨界飽和値Ｓｃ及び真空排気時に起こる最大飽和比Ｓｍａｘは湿度とＺの関数である。例えば、ロック室の容積を３０００ｃｍ３、表面積を１５００ｃｍ２、ωを６．７３ｃｍ／ｓｅｃ（初期の温度２９８Ｋ、圧力７６０Ｔｏｒｒ）、排気の時定数を３．２ｓｅｃとすると、Ｚ≒１０．８となり、所定のＳｍａｘの値を用いると初期の湿度は２０％以下であれば、液体微粒子の生成を防止することができる。

つまり、排気の時定数が定まれば、ロック室１０６内での液体微粒子の生成を抑制できる相対湿度（ＲＨ）の許容値が計算でき、RHを所定の値以下に維持することで異物の生起を抑制することができる。

本実施形態では、真空排気の工程の初期において、窒素パージを加えてロック室１０６内部をそのガスの相対湿度が２０％以下となるように、粗引き排気される。このとき、窒素ガスの供給量あるいはロック室１０６内部の排気量は制御部２１０からの指令に基づいて調節される。

その後、相対湿度が２０％以下となったことが湿度センサ２１１からの出力により検出されると、制御部２１０はベント用バルブ２０７、真空排気バルブ２０４或いは真空ポンプ２０１に指令を発してロック室１０６の排気の量を増大させて目標の圧力まで減圧を行う。例えば、ベント用バルブ２０７を閉塞あるいは開度を小さくする、さらには真空排気バルブ２０４を開放して排気の量を大きくする。また、最大の排気の量まで増大して減圧の速度を増大させても良い。

また、液体微粒子の形成を抑制するため、図示しないヒータにより加熱してロック室１０６の内部および内部のガスの温度を所定の値以上に維持しても良い。維持する温度は内部で蒸気の凝縮が開始される温度以上とすることが望ましい。具体的には５℃以上の値に維持することが望ましい。また、通常の排気中はロック室内のガス温度はクリーンルーム等のプラズマエッチング装置が設置される建屋内部の室温より低下している。このため上記室温と５℃との間の値以上に維持しても良い。

また、このような排気の量の増大の可否の判定は、湿度センサ２１１の出力から検出された相対湿度の値だけでなく検出されたロック室１０６内部の圧力の値を用いても良い。例えば上記のように窒素ガスを供給しつつロック室１０６内部を排気して減圧し、その圧力が所定の値、例えば２００ｔｏｒｒ望ましくは１００ｔｏｒｒあるいは１０ｋＰａ以下になったことを検出した後、制御部２１０からの指令によりロック室１０６内部の排気の量を増大するように構成しても良い。

図４は、ロック室内の圧力制御例を示す図である。ウエハの搬送処理に際して、まず、ステップ４０１において、ロック室内を真空状態から大気に戻すため、窒素バルブを開にする。ステップ４０２において、窒素ベントが開始され、ある所定の圧力値（例えば１０ｋＰａ以上、望ましくは大気圧と同等かそれ以上）になるまでロック室１０６内部をベントして圧力を上昇させる。ベント終了後、ステップ４０３において、窒素バルブを閉にする。

ベントが終了すると、ステップ４０４において、大気搬送室１０４とロック室１０６とを区切るゲートバルブを開にし、ステップ４０５において、半導体ウエハ等の被処理体をロック室内へ搬送する。被処理体の搬送が終わると、ステップ４０６において、ロック室１０６と真空搬送室１０２を区切るゲートバルブを閉にする。

ゲートバルブを閉にすると、大気状態から真空状態に粗引き排気を行うために、ステップ４０７において、真空排気バルブ２０４の開度を大きく（または開放）して粗引き排気を開始する。本実施形態では、ステップ４０８において、並行して窒素ガス用のベント用バルブ２０７を所定の開度に開き（または開放し）、ロック室１０６内部の粗引き排気と並行して窒素パージを行う（ステップ４０９）。

ここで、湿度センサ２１１からの出力に基づいてロック室１０６内部の湿度を検出しその湿度が所定の値（例えば２０％）以下となった時点で、ベント用バルブ２０７の開度を低減（または閉鎖）して窒素ガスの導入を低減（または停止）して粗引き排気を継続する（ステップ４１１）。この際、真空排気バルブ２０４または真空ポンプ２０１の動作を調節して真空排気の量を増大させてロック室１０６内部の圧力の減少の割合を増大させても良い。この後、ロック室１０６内の圧力が５０Pa以下になったことを判定し（ステップ４１２）、５０Ｐａ以下になったと判定されれば真空排気バルブ２０４の開度を小さく（または閉鎖）して真空排気を終了とする（ステップ４１３）。

上記の例では、ロック室１０６内部の真空排気の初期に窒素ガスを供給しつつ排気を行っているが、排気の前に窒素ガスを供給し、ロック室１０６内部のガスの相対湿度が所定値まで低下したことを湿度センサ２１１の出力から検出した後に、真空排気バルブ２０４を開放してロック室１０６内部の真空排気を開始しても良い。この場合、一旦ロック室１０６内部の圧力は増大する。また、排気の量の調節は上記オリフィスによって行っても良い。

また、大気圧から所定の真空度（５０ｐａ）まで排気する際に、ステップ４０８ないし４１１と同様に真空排気バルブ２０４を介した真空ポンプ２０１による排気と並行して高温のまたは乾燥した窒素ガスを導入し、ロック室１０６内部の相対湿度が所定の値（例えば２０％）以下になったことを検出した後、ベント用バルブ２０７を開度を低下（または閉塞）して窒素ガスの導入を低減（停止）するとともに、真空排気バルブ２０４の開度は所定の値としたままで、ロック室１０６内の圧力が所定値（１００ｔｏｒｒ或いは１０ｋＰａ）以下になるまでロック室１０６内部の排気を排気の量を増大して継続することができる。

この際に、ロック室１０６内部の温度を例えば５℃以上の値に維持するように排気の量を制御部２１０からの指令に基づいて調節しても良い。その後、圧力値が所定値以下となったことを検出した後に真空排気バルブ２０４の開度または真空ポンプ２０１の回転数を増大させて排気の量をさらに増大させて排気することができる。すなわち排気速度を複数回にわけて排気の量を変化させて排気することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、粗引き排気時に、窒素パージを併用することにより、排気の初期段階での急激な減圧を抑制することができる。これにより液体微粒子の生成を抑制できる。また、乾燥窒素ガスを最適なタイミングで供給し、高速に排気することで、ロック室内を高速に減圧し、また大気圧に加圧することができる。これにより、生産性に優れた高歩留の真空処理装置を提供することができる。

１００プラズマエッチング装置
１０１プラズマ処理室
１０２真空搬送室
１０３真空搬送ロボット
１０４大気搬送室
１０５大気搬送ロボット
１０６ロック室
１０７アライメントユニット
１０８カセット
２０１真空ポンプ
２０２排気ライン
２０３排気ライン
２０４真空排気バルブ
２０５真空排気系
２０６ガスディフューザ
２０７ベント用バルブ
２０８レギュレータ
２０９ベントガス供給系
２１０制御部
２１１湿度センサ

Claims

複数のプロセス処理装置、該プロセス処理装置のそれぞれに試料を搬送するための真空搬送室、該真空搬送室内に設置され前記試料の搬送を行う真空搬送ロボットと、
大気中で、複数の前記試料を収納したカセットを備え、該カセット内に収納された前記試料を搬送するための大気搬送室、該大気搬送室内に配置され前記試料の搬送を行う大気搬送ロボットと、
前記真空搬送装置と前記大気搬送装置との間に配置されたロック室とを備えた真空処理装置において、
前記ロック室は、ベント用バルブを介して乾燥ガスを供給するガス供給路、前記ロック室を排気する真空ポンプおよび前記ロック室内の湿度を検出する湿度センサを備え、前記ロック室の排気に際して前記ベント用バルブを開いて前記乾燥ガスの供給を開始し、前記ロック室内の湿度が所定値以下となった後前記真空ポンプによる排気を開始することを特徴とする真空処理装置。
複数のプロセス処理装置、該プロセス処理装置のそれぞれに試料を搬送するための真空搬送室、該真空搬送室内に設置され前記試料の搬送を行う真空搬送ロボットと、
大気中で、複数の前記試料を収納したカセットを備え、該カセット内に収納された前記試料を搬送するための大気搬送室、該大気搬送室内に配置され前記試料の搬送を行う大気搬送ロボットと、
前記真空搬送装置と前記大気搬送装置との間に配置されたロック室とを備えた真空処理装置において、
前記ロック室は、ベント用バルブを介して乾燥ガスを供給するガス供給路、前記ロック室を排気する真空ポンプおよび前記ロック室内の湿度を検出する湿度センサを備え、前記ロック室の排気に際して当該排気の初期に前記ベント用バルブを開いて前記乾燥ガスを供給しつつ排気を行い、前記ロック室内の圧力が所定値以下となった後前記真空ポンプによる排気の量を増大せしめることを特徴とする真空処理装置。