JP6516666B2

JP6516666B2 - ガス供給制御方法

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Publication number: JP6516666B2
Application number: JP2015249894A
Authority: JP
Inventors: 久美子大野; 辻本　宏; 宏辻本; 淳澤地; 紀彦網倉; 佐々木　則和; 則和佐々木; 由考川口
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Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-05-22
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Also published as: JP2016201530A; TWI689802B; TW201642063A

Description

本発明は、ガス供給制御方法に関する。

半導体製造装置では、チャンバ内へ供給された所望のガスの作用により基板に微細加工が施される。その際のガスの流量制御に使用される装置として、例えば特許文献１に示す圧力式流量制御装置が提案されている。圧力式流量制御装置は、ガス供給源からチャンバ内にガスを供給するためのガス供給管に接続され、コントロールバルブの開度を制御することでガス供給管を流れるガスの流量を制御する。

特開２００４−５３０８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたコントロールバルブの制御では、チャンバ内に所望の流量のガスを供給するまでに時間がかかり、半導体製造のスループットを悪化させる一因となっている。また、所望の流量のガスを供給するまでの間、制御されていない流量のガスがチャンバ内に供給されるため、基板の微細加工を良好に行えず、半導体の特性に影響を及ぼす一因となっている。

上記課題に対して、一側面では、本発明は、チャンバ内に速やかに所望の流量のガスを供給することを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、ガス供給ラインに設けられた圧力制御式流量計と、前記ガス供給ラインの前記圧力制御式流量計よりも上流側に設けられた第１のバルブと、前記ガス供給ラインの前記圧力制御式流量計よりも下流側に設けられた第２のバルブと、を用いたガス供給制御方法であって、前記圧力制御式流量計は、前記第１のバルブと第２のバルブとに接続されるコントロールバルブと、前記コントロールバルブと前記第２のバルブとの間に設けられるオリフィスとを有し、前記オリフィス及び前記コントロールバルブ間のガス供給管の容積Ｖ_１と前記オリフィス及び前記第２のバルブ間のガス供給管の容積Ｖ_２とは、Ｖ_１／Ｖ_２≧９の関係を有し、前記オリフィス及び前記コントロールバルブ間のガス供給管の圧力Ｐ_１と前記オリフィス及び前記第２のバルブ間のガス供給管の圧力Ｐ_２とは、ガスを供給する間Ｐ_１＞２×Ｐ_２に維持され、前記第１のバルブを開き、前記コントロールバルブを制御した状態で前記第２のバルブの開閉制御によりガスの供給を制御する、ガス供給制御方法が提供される。

一の側面によれば、チャンバ内に速やかに所望の流量のガスを供給することができる。

一実施形態にかかるガス供給制御システムの全体構成の一例を示す図。比較例にかかるガス供給制御方法とガスの流量の一例を示す図。一実施形態にかかるガス供給制御方法とガスの流量の一例を示す図。一実施形態及び比較例のガスによる発光強度の一例を示す図。比較例にかかるオリフィス周辺のガス供給管の体積比における圧力の一例を示す図。一実施形態にかかるオリフィス周辺のガス供給管の体積比における圧力の一例を示す図。一実施形態にかかるオリフィス周辺のガス供給管の体積比変化と平衡圧力の一例を示す図。一実施形態にかかる所定時間Ｔとエッチングレートとの関係の一例を示す図。一実施形態にかかるオリフィス周辺のガス供給管の体積比の適正範囲を示す図。一実施形態のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスの一例を示すフローチャート。一実施形態の変形例にかかるガス供給制御方法を説明するための図。一実施形態の変形例にかかるガス供給制御システムの全体構成の一例を示す図。一実施形態の変形例のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスの一例を示すフローチャート。一実施形態の変形例のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスの一例を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［ガス供給制御システムの全体構成］
まず、本発明の一実施形態にかかるガス供給制御システム１の全体構成の一例について、図１を参照しながら説明する。ガス供給制御システム１は、半導体製造装置１０に供給するガスを制御するシステムである。
（半導体製造装置の構成例）
半導体製造装置１０は、表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形のチャンバＣを有している。チャンバＣは、接地されている。チャンバＣの内部には載置台１２が設けられている。載置台１２は、ウェハＷを載置する。

載置台１２には、整合器１３ａを介してプラズマを励起するための高周波電源１３が接続されている。例えば、高周波電源１３は、チャンバＣ内にてプラズマを生成するために適した周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を載置台１２に印加する。このようにして載置台１２は、ウェハＷを載置するとともに、下部電極として機能する。整合器１３ａは、高周波電源１３の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。整合器１３ａは、チャンバＣ内にプラズマが生成されているときに高周波電源１３の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。

チャンバＣの天井部には、ガスシャワーヘッド１１が上部電極として設けられている。これにより、高周波電源１３からの高周波電力が載置台１２とガスシャワーヘッド１１との間に容量的に印加される。ガスは、ガスシャワーヘッド１１のガス導入口１４から導入され、ガスバッファ空間１１ｂを通って多数のガス通気孔１１ａからチャンバＣ内に供給される。

半導体製造装置１０は、チャンバＣ内へ供給された所望のガスの作用によりウェハＷに微細加工を施す。その際のガスの流量制御には、圧力式流量制御装置２０が使用される。（圧力式流量制御装置の構成例）
圧力式流量制御装置２０は、ガス供給源３０から半導体製造装置１０にガスを供給するためのガス供給ライン１５に接続されている。圧力式流量制御装置２０は、コントロールバルブ２１の開度を制御することでガス供給ライン１５を流れ、チャンバＣ内に供給されるガスの流量を制御する。コントロールバルブ２１の一例としては電磁弁駆動型のメタルダイヤフラムバルブが挙げられる。圧力式流量制御装置２０は、コントロールバルブ２１とコントロールバルブ２１の開度を制御する制御回路２２とオリフィス２３と圧力計２４、２５とガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂとを有する。オリフィス２３は、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの間に設けられている。ガス供給管１５ａは、オリフィス２３からコントロールバルブ２１までの間のガス配管である。ガス供給管１５ｂは、オリフィス２３から第２のバルブＶＬ２までの間のガス配管である。ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂは、ガス供給ライン１５に接続されている。圧力式流量制御装置２０は、ガス供給ラインに設けられた圧力制御流量計の一例である。

ガス供給管１５ａ内の圧力をＰ_１とし、容積をＶ_１とする。ガス供給管１５ｂ内の圧力をＰ_２とし、容積をＶ_２とする。圧力式流量制御装置２０内部のガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内の圧力Ｐ_１、Ｐ_２が、臨界膨張圧力条件Ｐ_１＞２×Ｐ_２を概ね満足するように制御されているとき、オリフィス２３を流れるガス流量Ｑは、オリフィス２３の上流側の圧力Ｐ_１のみによって決まり、以下の関係式（１）で示される。
Ｑ＝ＣＰ_１・・・（１）
圧力式流量制御装置２０は、上記式（１）を利用するものであり、コントロールバルブ２１により圧力Ｐ_１を調整することにより、オリフィス２３の下流側のガス流量Ｑをプロセス条件に合致した所望の値に保持するよう制御する。なお、上記式（１）のＣはオリフィス２３の口径やガス温度により決まる定数である。また、圧力Ｐ_１及び圧力Ｐ_２は、圧力計２４及び圧力計２５によりそれぞれ計測される。

圧力式流量制御装置２０の上流側（ガス供給源側）には第１のバルブＶＬ１が配置され、圧力式流量制御装置２０の下流側（半導体製造装置側）には第２のバルブＶＬ２が配置されている。第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２は、全開又は全閉に制御可能である。

かかる構成の半導体製造装置１０においてエッチング等の処理を行う際には、まず、ウェハＷがチャンバＣ内に搬入され、載置台１２上に載置される。チャンバＣ内の圧力が真空状態に減圧される。ガス供給源３０から出力されたガスがガスシャワーヘッド１１からシャワー状にチャンバＣ内に導入される。高周波電源１３から出力された所定の高周波電力が載置台１２に印加される。

導入されたガスを高周波電力により電離及び解離させて生成されたプラズマの作用によりウェハＷにプラズマエッチング等の処理が行われる。プラズマエッチング等の処理の終了後、ウェハＷはチャンバＣの外部に搬出される。なお、半導体製造装置１０は、必ずしもプラズマを用いて処理する場合に限らず、熱処理等によりウェハＷに微細加工を施すようにしてもよい。

［ガス供給制御方法］
次に、比較例にかかるガス供給制御方法について図２を参照しながら説明した後、本実施形態にかかるガス供給制御方法について図３を参照しながら説明する。比較例にかかるガス供給制御方法は、図２の（ａ）に示す各バルブの開閉制御によりガス供給を制御する。

図２の（ａ）は、横軸に時間を示し、縦軸に第１のバルブＶＬ１、第２のバルブＶＬ２、コントロールバルブ２１のそれぞれの制御状態を示す。図２の（ｂ）は、横軸に時間を示し、縦軸に圧力式流量制御装置（ＦＣＳ）の圧力Ｐ_１、Ｐ_２を示す。図２の（ｃ）は、横軸に時間を示し、縦軸に第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量を示す。

各バルブは、ステップ１→ステップ２→ステップ３→ステップ２→ステップ３・・・の順番で制御される。ステップ２及びステップ３は所定回繰り返される。

なお、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２は、全開又は全閉の制御が可能である。コントロールバルブ２１は、全開から全閉まで開度の調整が可能である。第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２が「ＯＰＥＮ」のとき、そのバルブは全開であることを示す。また、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２が「ＣＬＯＳＥ」のとき、そのバルブは全閉であることを示す。コントロールバルブ２１が「制御中」のとき、制御回路２２の制御によりコントロールバルブ２１の開度が制御され、開度に応じた流量のガスが供給される。コントロールバルブ２１が「制御停止」のとき、コントロールバルブ２１は全閉の状態となり、ガス供給は停止する。

各ステップにおける各バルブの状態を以下に示す。
（ステップ１）
ステップ１では、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２は全閉に制御され、コントロールバルブ２１の制御は停止され、ガスの供給は停止している。
（ステップ２）
ステップ２では、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２は全開に制御され、その後コントロールバルブ２１が制御中になり、ガスの供給が開始する。

第１のバルブＶＬ１と第２のバルブＶＬ２の開閉動作の順序は、同時でもよいし、第２のバルブＶＬ２が開動作を行ってから所定の時間経過後に、第１のバルブＶＬ１の開動作を行ってもよい。第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２の開動作完了後にコントロールバルブ２１の制御が行われる。したがって、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２の開動作が完了した後、所定時間Ｔの経過後にコントロールバルブ２１の制御動作が開始する。実施例では、所定時間Ｔは２００msecであるが、これに限らない。
（ステップ３）
ステップ３では、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２は全閉に制御され、その後コントロールバルブ２１の制御は再び停止され、ガスの供給が停止する。

上記各ステップにおける各バルブの制御に対して、図２の（ｂ）に示す圧力式流量制御装置２０（ＦＣＳ）の圧力Ｐ_１、Ｐ_２及び図２の（ｃ）の第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量について説明する。

ガス停止前には臨界膨張圧力条件Ｐ_１＞２×Ｐ_２が満たされていたので、ステップ１では、ガスの供給が停止後、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内では平衡状態になろうとガスの移動が起きるため、図２の（ｂ）に示すように圧力Ｐ_１は徐々に低下し、圧力Ｐ_２は徐々に上昇する。また、図２の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２にガスは流れない。

ステップ２では、まず、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２が全開に制御される。これにより、図２の（ｂ）に示すように一旦圧力Ｐ_１、Ｐ_２は低下し、図２の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２には、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内に残留したガスが流れた後、低下する。その後、図２（a）に示すように、圧力式流量制御装置２０内のコントロールバルブ２１が制御を開始するため、図２の（ｂ）に示す圧力Ｐ_１は上昇し、第２のバルブＶＬ２には、所望の流量が流れるようになる。

その後、コントロールバルブ２１が制御中になると、図２の（ｂ）に示すようにガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_１、Ｐ_２は一定に制御され、図２の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２を通過するガス流量は一定に制御される。つまり、コントロールバルブ２１が制御中になると、チャンバＣへ供給するガスの流量は所定の量に制御される。

ステップ３では、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２が全開に制御された後、コントロールバルブ２１は全閉の状態となり、ガス供給は停止する。これにより、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内で平衡状態になろうとガスの移動が起きる。この結果、図２の（ｂ）に示すように、ガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１は低下し、ガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２は上昇する方向に動く。また、ステップ３では、図２の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２にガスは流れない。

図４は、チャンバＣ内に供給されるガスの流量の時間的変化を、チャンバＣ内の発光強度により示す。チャンバＣ内の発光強度が高くなるとガス流量が増加していることを示す。また、発光強度が低くなるとガス流量が低下していることを示す。

比較例では、図２の（ａ）のステップ２に示すように、（１）第１のバルブＶＬ１と第２のバルブＶＬ２とが全開の状態になり、（２）その後コントロールバルブ２１が制御中になる。比較例では、第２のバルブＶＬ２が開いた時点でガスの供給は開始される。よって、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２が開動作してからコントロールバルブ２１が制御中になるまでの所定時間Ｔに、図２の（ａ）に示す第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２の間のガス供給管内に残留したガスＧが第２のバルブＶＬ２を流れ、チャンバＣに供給される。コントロールバルブ２１が制御を開始すると、所定流量に制御されたガスが第２のバルブＶＬ２を流れ、チャンバＣに供給される。このようにして比較例では、ステップ２において上記（１）及び（２）の２段階の制御によりチャンバＣ内に供給されるガス流量に図４の２段階Ｉ１，Ｉ２の立ち上がりが生じた後、所定の流量に制御される。

図４に示す、コントロールバルブ２１の制御を開始する前の１段目Ｉ１のガス流量の立ち上がりの高さ及び傾きは、圧力式流量制御装置２０内の前記残留ガスにより決定される。この残留ガスの状態は、今回のガスの供給が開始される直前の圧力式流量制御装置２０の使用状態や圧力式流量制御装置２０の個体差によって異なる。このため、１段目Ｉ１のガス流量の立ち上がりを完全に管理することは困難である。よって、特に１段目Ｉ１の発光強度の波形、すなわち１段目Ｉ１のガス流量の制御を完全に管理することは二段目Ｉ２のガス流量の制御よりも難しい。

ガス流量の１段目Ｉ１の立ち上がりを解消するための方法の一つとして、ガスの供給を停止している間の圧力Ｐ_１の変動を小さくする方法がある。その方法を実現する手段の一つが、本実施形態にかかるガス供給制御方法である。

本実施形態にかかるガス供給制御方法では、ガス流量の制御に使用するバルブを第２のバルブＶＬ２の一つとする。これにより、チャンバＣ内に供給されるガス流量に前記２段階Ｉ１，Ｉ２の立ち上がりが生じるような、チャンバＣ内におけるガス供給時の急峻な変化を抑制することができる。

具体的には、本実施形態にかかるガス供給制御方法は、図３の（ａ）に示すように各バルブを制御する。各ステップにおける各バルブの状態を以下に示す。
（ステップ１）
ステップ１では、第１のバルブＶＬ１は全開に制御され、コントロールバルブ２１は制御中である。第２のバルブＶＬ２は全閉に制御され、ガスの供給は停止している。
（ステップ２）
ステップ２では、第１のバルブＶＬ１は全開に制御され、コントロールバルブ２１は制御中のまま維持されている。第２のバルブＶＬ２は全開に制御され、ガスの供給が開始する。
（ステップ３）
ステップ３では、第１のバルブＶＬ１は全開に制御され、コントロールバルブ２１は制御中のまま維持されている。第２のバルブＶＬ２は全閉に制御され、ガスの供給は停止する。

上記各ステップにおける各バルブの制御に対して、図３の（ｂ）に示す圧力式流量制御装置２０（ＦＣＳ）の圧力Ｐ_１、Ｐ_２及び図３の（ｃ）の第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量について説明する。本実施形態では、すべてのステップにおいて第１のバルブＶＬ１は開に制御され、コントロールバルブ２１は制御中に維持されている。このため、ガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１は一定になる。

また、本実施形態では、ガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２及び第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量は、第２のバルブＶＬ２の開閉に応じて変動する。すなわち、図３の（ａ）に示す本実施形態のステップ１では第２のバルブＶＬ２が閉状態にあるため、図３の（ｂ）に示すようにガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２は高くなり、圧力Ｐ_１と同じ圧力に到達するとその圧力に維持される。また、図３の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２にガスは流れない。ステップ２では第２のバルブＶＬ２が開き、これに応じて図３の（ｂ）に示すように圧力Ｐ_２は低くなり、所定の圧力に維持される。また、図３の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２に所定の流量のガスが流れる。ステップ３では、再び第２のバルブＶＬ２が閉じ、図３の（ｂ）に示すようにガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２は高くなり、圧力Ｐ_１と同じ圧力に到達するとその圧力に維持される。図３の（ｃ）に示すように第２のバルブＶＬ２にはガスは流れない。

これによれば、本実施形態では、第２のバルブＶＬ２の開閉に応じて第２のバルブＶＬ２を流れるガス流量は一定になり、制御された流量のガスがチャンバＣへ供給される。これは、本実施形態では、第１のバルブＶＬ１は常に開に制御され、かつコントロールバルブ２１は常に制御中に制御されているため、圧力式流量制御装置２０内に制御できないガスが残らず、第２のバルブＶＬ２の開閉に追従したガス流量の制御が可能なためである。

以上に説明したように、本実施形態にかかるガス供給制御方法は、常に第１のバルブＶＬ１を開き、かつ常にコントロールバルブ２１を制御中に制御する。これにより、第２のバルブＶＬ２を開き、ガスの供給を開始したときにコンダクタンスを絞っているオリフィス２３の下流側に存在する一部のガスは、オリフィス２３を介さずにスムーズにチャンバＣ内に供給される。これにより、ガスの供給が開始されると直ぐにガスがチャンバＣ内に供給され、この結果、図４の比較例に示すようなガス流量の２段階の立ち上がりを解消することができる。

しかしながら、上記のガス供給制御方法では、圧力Ｐ_１及び圧力Ｐ_２の変動が起こらなくなる訳ではないので、非常に短い周期で流量制御（ON→OFF→ON→…）を繰り返した場合には、圧力Ｐ_１及び圧力Ｐ_２が平衡状態に達しないため、２段階での立ち上がりを回避することは困難である。

そこで、本実施形態では、上記のガス供給制御方法を使用する圧力式流量制御装置２０のガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内の容積Ｖ_１，Ｖ_２の比率Ｖ_１／Ｖ_２を適正化する。このようにして容積Ｖ_１，Ｖ_２の比率Ｖ_１／Ｖ_２が適正化された圧力式流量制御装置２０を用いて、本実施形態のガス供給制御方法を実行することで、残留ガスに起因するガス流量の２段階での立ち上がりを完全に回避することができる。以下にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内の容積比Ｖ_１／Ｖ_２の適正化について説明する。

［ガス供給管の容積比の適正化］
本実施形態では、圧力式流量制御装置２０内のオリフィス２３とその前後のコントロールバルブ２１及び第２のバルブＶＬ２との配置を変えて、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を適正化する。具体的には、比較例では、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２は３／２であるのに対して、本実施形態では、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２は９／１以上にするようにコントロールバルブ２１及び第２のバルブＶＬ２の配置を変更する。

例えば、圧力Ｐ_１、Ｐ_２が臨界膨張圧力条件Ｐ_１＞２×Ｐ_２を概ね満足することを条件として、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を３／２に設定する。この場合、ガスの供給を停止した後、つまり、コントロールバルブ２１及び第２のバルブＶＬ２を閉じた後の圧力Ｐ_１、Ｐ_２の状態を図５に示す。図５では、ガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１の変動は大きく、安定するまでに時間がかかっている。この結果、ガス供給の開始及び停止の制御中に変動後の圧力Ｐ_１に相当するガスのピークが発生し、ガスの流量制御が困難になる。また、ガス流量を変更する場合、圧力Ｐ_１が安定するまでに時間がかかる。

一方、圧力Ｐ_１、Ｐ_２が臨界膨張圧力条件Ｐ_１＞２×Ｐ_２を概ね満足することを条件として、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を９０／１に設定する。この場合、ガスの供給を停止した後、つまり、コントロールバルブ２１及び第２のバルブＶＬ２を閉じた後の圧力Ｐ_１、Ｐ_２の状態を図６に示す。図６では、ガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１はほぼ変動せず、直ちに安定することがわかる。また、これはガス流量を変更する場合、圧力Ｐ_１が安定するまでの時間を短くできることを示している。

図４の本実施形態に示す発光強度の曲線Ｉ３は、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９０／１に設定された圧力式流量制御装置２０を用いて本実施形態のガス供給制御方法によりガスを供給したときのチャンバＣ内のガスによる発光強度を示す。これによれば、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を９０／１に設定することで圧力Ｐ_１が安定するまでの時間を短くできるために、ガスの供給が開始された後、ガスはチャンバＣ内にスムーズに供給される。これにより、図４の比較例に示すようなガス流量の２段階の立ち上がりを解消することができる。

［平衡状態の圧力Ｐ_１］
ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を変化させた場合の、ガス供給管１５ａ内の圧力Ｐ_１の初期圧力に対する平衡状態の圧力をプロットした図を図７に示す。上記に説明したように、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９０／１に設定されている場合の圧力Ｐ_１の平衡圧力／初期圧力は、図７のＲｅにて示されるようにほぼ１００％に近い値を示す。図７に示すプロットした値について具体的には、圧力Ｐ_１の平衡圧力／初期圧力は、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が１．５のとき６２％、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が３．０のとき７５％、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９．０のとき９０％、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が１８．０のとき９５％、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が３０．０のとき９７％、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９０．０のとき９９％である。

このとき、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９０／１に設定されている場合にチャンバＣ内でエッチング処理したときのエッチングレートＥ／Ｒと、容積比Ｖ_１／Ｖ_２が３／２に設定されている場合チャンバＣ内でエッチング処理したときのエッチングレートＥ／Ｒとの変動は２０％である。

容積比Ｖ_１／Ｖ_２が９０／１に設定されていて、かつ図４の比較例に示す２段階Ｉ１，Ｉ２の立ち上がりの波形が観測されない場合が理想であるため、ここからのエッチングレートＥ／Ｒの変動を５％以内に抑えるためには、初期圧力に対する平衡状態の圧力Ｐ_１の割合を９０％〜１００％にすることが好ましい。すなわち、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの容積比Ｖ_１／Ｖ_２を９／１以上に設定すればよい。

つまり、図９の容積の比率Ｖ_１：Ｖ_２が９：１以上の部分（ドット及び斜線部分）になるように容積Ｖ_１及びＶ_２を設定すればよい。ただし、ガス供給管１５ａ，１５ｂの加工に関する物理的な制限により、容積の比率Ｖ_１：Ｖ_２が２００：１以下になるように容積Ｖ_１及びＶ_２を設定することが好ましい。実際には、容積の比率Ｖ_１：Ｖ_２が９：１以上、２００：１以下であって、容積Ｖ_１が０．０９〜２．０（ｃｃ）の範囲のときに容積Ｖ_２が０．０１〜０．２（ｃｃ）の範囲になるように、つまり領域Ａｒ内が容積Ｖ_１／Ｖ_２の比率を設定する際の有効範囲である。

以上に説明したように、本実施形態では、圧力式流量制御装置２０内のオリフィス２３の下流側に設けられた第２のバルブＶＬ２の開閉動作で、チャンバＣへのガス供給及びガス供給停止の制御を行う。その際、圧力式流量制御装置２０に特有な構造による、ガス停止時の圧力変化を緩和するために、オリフィス２３からその前後のコントロールバルブ２１及び第２のバルブＶＬ２までの容積を比較例に比べ一桁以上小さくする。

これによれば、圧力式流量制御装置２０を用いてチャンバＣ内に供給するガスを所定の流量まで速やかに立ち上げることができる。本実施形態によれば、このようにガスの応答性を良くすることで、高速でガスの切替が可能になる。つまり、本実施形態にかかる圧力式流量制御装置２０を用いた本実施形態にかかるガス供給制御方法は、ガス供給及びガス供給の停止を高速で繰り返すようなプロセス（ＧａｓＰｕｌｓｅ）に有効である。

また、本実施形態では、ガスの応答性が向上するため、チャンバＣ内でガス流量が安定するまでの時間を短縮でき、スループットの改善を図ることができる。

前述した図２の（ａ）の所定時間Ｔが長くなると、チャンバＣへ供給されるガスの流量が安定する。しかし、ガス供給のバルブ開時間において実際にガスを供給する時間が短くなる。その結果、所定時間Ｔが長くなるとエッチングレートが下がる。図８には、本実施形態にかかる所定時間Ｔとエッチングレートとの関係の一例を示す。図８の横軸は、ステップ２の時間Ｓに対する所定時間Ｔの比Ｔ／Ｓを示す。図８の縦軸は、Ｔ／Ｓに対するエッチングレート（Ｅ／Ｒ）を示す。

これによれば、所定時間Ｔが長くなるほどエッチングレートは低くなる。（Ｓ−Ｔ）／Ｓが９０％よりも小さくなると、つまり、Ｔ／Ｓが０．１よりも大きくなると、エッチングレートの低下が無視できなくなる。よって、所定時間Ｔはステップの時間Ｓの１／１０以下の必要がある。

また、本実施形態では、第２のバルブＶＬ２の制御によりガスの供給を開始した後、チャンバＣに供給されるガスの流量を素早く所望の流量に安定させることができる。このため、整合器１３ａを事前に流量安定後のマッチングポジションに設定しておくことで、高周波電源１３から出力される高周波電力の反射波を抑えることができ、半導体製造装置１０における処理の安定性を改善できる。

さらに、本実施形態では、比較例のように非制御情報のガスは、チャンバＣ内へ導入されない。このため、圧力式流量制御装置２０の個体差や半導体製造装置１０の個体差によるチャンバＣ内へのガス供給のバラツキを吸収し、半導体製造装置１０において処理を安定的に行うことができる。

［急速交互プロセス］
最後に、ガス供給及びガス供給の停止を高速で繰り返すようなプロセスの一例として、急速交互プロセスについて、図１０を参照しながら簡単に説明する。図１０に示す本実施形態のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスでは、エッチングプロセスとデポジションプロセスとが交互に、かつ急速に実行される。ただし、これは急速交互プロセスの一例であり、プロセスの種類はこれに限らない。また、急速交互プロセスを実行中、第１のバルブＶＬ１は常に開に制御され、かつコントロールバルブ２１は常に制御中に制御されている。図１０に示す急速交互プロセスの処理は、制御回路２２により制御される。

図１０の処理が開始されると、まず、第２のバルブＶＬ２は開に制御され、第１のガスが投入される（ステップＳ１０）。次に、高周波電力が印加され、第１のガスによりエッチングプロセスが実行される（ステップＳ１２）。次に、第２のバルブＶＬ２が閉に制御される（ステップＳ１４）。

次に、第２のバルブＶＬ２は開に制御され、第２のガスが投入される（ステップＳ１６）。次に、高周波電力が印加され、第２のガスによりデポジションプロセスが実行される（ステップＳ１８）。次に、第２のバルブＶＬ２が閉に制御される（ステップＳ２０）。

次に、更なる急速交互プロセスのサイクルが必要かが判定され（ステップＳ２２）、必要と判定された場合、ステップＳ１０に戻りステップＳ１０〜Ｓ２２の処理が繰り返される。ステップＳ２２にて更なる急速交互プロセスのサイクルは不要であると判定された場合、本処理は終了する。

本実施形態にかかる急速交互プロセスによれば、第２のバルブＶＬ２の開閉の制御に追従して、所定流量のガスが速やかにチャンバＣ内に供給されるため、良好なプロセスを実現できる。また、ガスがチャンバＣに到達するまでの時間を考慮した制御を不要とすることができる。このように、特にガス供給及びガス供給の停止を高速で繰り返す急速交互プロセスにおいて、ガスの応答性が向上する本実施形態のガス供給制御方法を有効に使用することができる。

ただし、図２の（ａ）のステップ２の時間Ｓに対する所定時間Ｔの許容範囲については、図８に示すように所定時間Ｔが長くなるほど（Ｔ／Ｓが大きくなるほど）エッチングレート（Ｅ／Ｒ）は低くなる。（Ｓ−Ｔ）／Ｓが９０％よりも小さくなると、つまり、Ｔ／Ｓが０．１よりも大きくなると、エッチングレートの低下が無視できなくなる。よって、所定時間Ｔはステップの時間Ｓの１／１０以下の必要がある。

（変形例）
次に、本実施形態の変形例にかかるガス供給制御方法の一例について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態の変形例にかかるガス供給制御方法を説明するための図である。図１２は、本実施形態の変形例にかかるガス供給制御システムの全体構成の一例を示す図である。

前述の通り、本実施形態にかかるガス供給制御方法では、高速にガスを切り替えるプロセスにおいて、安定性の改善及び高速化を図ることができる。しかし、図１１（ａ）に示すように、ステップ１に続くステップ２にて第１のガスを供給し、ステップ３にてガスの供給を停止した後のステップ４にて第２のガスを供給する場合において、第１のガスの流量が第２のガスの流量よりも大きい場合に課題が生じる。つまり、第２のガスを流すステップ４の最初において、第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量が制御できず、スパイクＳが発生し、ガスを供給する際の安定性及び制御性が悪くなる。これは、ステップ２で第１のガスを供給終了後のステップ３のガス供給管１５ａ内の圧力をＰ_１とし、ステップ４で第２のガスを供給するために必要なガス供給管１５ａ内の圧力をＰ_１'としたときに、第１のガスの流量は第２のガスの流量よりも大きいため、Ｐ_１＞Ｐ_１'の関係にある。これはガス供給管１５ｂ内の圧力に関しても同じことが言え、ステップ３のガス供給管１５ｂ内の圧力をＰ_２とし、ステップ４で必要なガス供給管１５ｂ内の圧力をＰ_２'としたときに、Ｐ_２＞Ｐ_２'の関係にある。よって、ステップ４の開始時、ガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂ内に封入された第２のガス供給に必要な圧力Ｐ_１'及び圧力Ｐ_２'よりも高い圧力Ｐ_１及び圧力Ｐ_２のガスが噴出する。その結果、ステップ３からステップ４への切り替え直後のステップ４の開始時に、第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量が多くなり、スパイクＳが発生する。

そこで、本実施形態の変形例にかかるガス供給制御システム１では、図１２に示すように、コントロールバルブ２１と第２のバルブＶＬ２との間のガス供給管１５ａに真空引きライン２８を設ける。真空引きライン２８には、真空引きバルブＶＬ３を設け、真空引きバルブＶＬ３の開閉により、真空引きライン２８に接続された排気装置２９による排気を制御する。

具体的には、図１１（ｂ）のステップ２とステップ４との間のステップ３において真空引きバルブＶＬ３が開くように制御される。これにより、排気装置２９によってガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの内部が真空引きされ、ステップ３のガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１≦ステップ４のガス供給管１５ａの圧力Ｐ_１'となり、また、ステップ３のガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２≦ステップ４のガス供給管１５ｂの圧力Ｐ_２'となる。このため、第１のガスの流量が第２のガスの流量よりも多い場合においても、第２のガスを供給するステップ４において、図１１（ｂ）の第２のバルブＶＬ２に流れるガス流量は一定し、スパイクＳは発生しない。これにより、異なる流量のガスを供給するプロセスにおいても、更にガス供給時の安定性及び制御性をより良好にすることができる。

［急速交互プロセス］
次に、本実施形態の変形例にかかる急速交互プロセスについて、図１３を参照しながら簡単に説明する。図１３に示す本実施形態の変形例のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスでは、エッチングプロセスとデポジションプロセスとが交互に、かつ急速に実行される。図１３に示す急速交互プロセスの処理は、制御回路２２により制御される。

図１３の処理が開始されると、まず、第２のバルブＶＬ２は開に制御され、第１のガスが投入される（ステップＳ１０）。次に、高周波電力が印加され、第１のガスによりエッチングプロセスが実行される（ステップＳ１２）。次に、第２のバルブＶＬ２が閉に制御され、ガスを供給しない間にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂが真空引きされる（ステップＳ３０）。

次に、第２のバルブＶＬ２は開に制御され、第２のガスが投入される（ステップＳ１６）。次に、高周波電力が印加され、第２のガスによりデポジションプロセスが実行される（ステップＳ１８）。次に、第２のバルブＶＬ２が閉に制御され、ガスを供給しない間にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂが真空引きされる（ステップＳ３２）。

本実施形態の変形例にかかる急速交互プロセスによれば、第２のバルブＶＬ２の開閉の制御及びガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂの真空引きが行われる。これにより、異なるガス流量のプロセスが前後で行われる場合においても、ガスを供給しない間に真空引きライン２８から高圧のガスを排気し、次のステップにて小流量のガスが供給される場合にあっても、所定流量のガスを速やかにチャンバＣ内に供給することができる。このため、変形例にかかる急速交互プロセスによれば、更にガスの供給における安定性及び制御性が改善され、良好なプロセスを実現できる。特にガス供給及びガス供給の停止を高速で繰り返す急速交互プロセスにおいて、ガスの応答性が向上する本実施形態の変形例にかかるガス供給制御方法を有効に使用することができる。

［急速交互プロセスのバリエーション］
次に、本実施形態の変形例にかかる急速交互プロセスのバリエーションについて、図１４を参照しながら簡単に説明する。図１４に示す本実施形態の変形例のガス供給制御方法を用いた急速交互プロセスでは、エッチングプロセスとデポジションプロセスとが交互に、かつ急速に実行される。図１４に示す急速交互プロセスの処理は、制御回路２２により制御される。

図１４の処理が開始されると、まず、第２のバルブＶＬ２は開に制御され、第１のガスが投入される（ステップＳ１０）。次に、高周波電力が印加され、第１のガスによりエッチングプロセスが実行される（ステップＳ１２）。次に、第２のバルブＶＬ２が閉に制御される（ステップＳ１４）。

次に、第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも多いか否かが判定される（ステップＳ４０）。第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも多い場合、ガスを供給しない間にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂが真空引きされる（ステップＳ４２）。第１のガスの流量が、第２のガスの流量以下の場合、真空引きは実行されない。

次に、更なる急速交互プロセスのサイクルが必要かが判定され（ステップＳ２２）、必要と判定された場合、第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも多いか否かが判定される（ステップＳ４４）。第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも多い場合、ガスを供給しない間にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂが真空引きされ（ステップＳ４２）、その後ステップＳ１０に戻りステップＳ１０以降の処理が繰り返される。第１のガスの流量が、第２のガスの流量以下の場合、真空引きは実行されず、その後ステップＳ１０に戻りステップＳ１０以降の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ２２にて更なる急速交互プロセスのサイクルは不要であると判定された場合、本処理は終了する。

本実施形態の変形例にかかる急速交互プロセスのバリエーションによれば、第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも多い場合のみ、ガスを供給しない間にガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂが真空引きされる。これにより、異なるガス流量のプロセスが前後で行われる場合において、所定流量のガスが速やかにチャンバＣ内に供給される。このため、変形例にかかる急速交互プロセスによれば、更にガスの供給における安定性及び制御性が改善され、良好なプロセスを実現できる。また、第１のガスの流量が、第２のガスの流量よりも少ない場合には、スパイクＳが発生し難いと予測し、ガスを供給しないステップ（例えば、図１１のステップ３）においてガス供給管１５ａ及びガス供給管１５ｂを真空引きしない。これにより、図１３に示す急速交互プロセスと比べてステップ３の時間を短縮し、スループットを上げることができる。

以上、ガス供給制御方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるガス供給制御方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

例えば、本発明にかかるガス供給制御方法を使用する半導体製造装置は、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)装置、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。

また、本発明にかかる半導体製造装置により処理される基板は、ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。

１：ガス供給制御システム
１０：半導体製造装置
１１：ガスシャワーヘッド（上部電極）
１２：載置台（下部電極）
１３：高周波電源
１５：ガス供給ライン
１５ａ、１５ｂ：ガス供給管
２０：圧力式流量制御装置
２１：コントロールバルブ
２２：制御回路
２３：オリフィス
２４、２５：圧力計
３０：ガス供給源
ＶＬ１：第１のバルブ
ＶＬ２：第２のバルブ
Ｃ：チャンバ

Claims

ガス供給ラインに設けられた圧力制御式流量計と、前記ガス供給ラインの前記圧力制御式流量計よりも上流側に設けられた第１のバルブと、前記ガス供給ラインの前記圧力制御式流量計よりも下流側に設けられた第２のバルブと、を用いたガス供給制御方法であって、
前記圧力制御式流量計は、前記第１のバルブと第２のバルブとに接続されるコントロールバルブと、前記コントロールバルブと前記第２のバルブとの間に設けられるオリフィスとを有し、
前記オリフィスと前記コントロールバルブとの間のガス供給管の容積Ｖ_１と、前記オリフィスと前記第２のバルブとの間のガス供給管の容積Ｖ_２とは、Ｖ_１／Ｖ_２≧９の関係を有し、
前記オリフィスと前記コントロールバルブとの間のガス供給管の圧力Ｐ_１と、前記オリフィスと前記第２のバルブとの間のガス供給管の圧力Ｐ_２とは、ガスを供給する間Ｐ_１＞２×Ｐ_２に維持され、
前記第１のバルブを開き、前記コントロールバルブを制御した状態で前記第２のバルブの開閉制御によりガスの供給を制御する、
ガス供給制御方法。
容積Ｖ_１と容積Ｖ_２とは、Ｖ_１／Ｖ_２≦２００の関係を有する、
請求項１に記載のガス供給制御方法。
前記第１のバルブを開き、前記コントロールバルブを制御した状態で前記第２のバルブの開閉制御により第１のガスと第２のガスとを交互に供給し、該第１のガスによるプロセスと該第２のガスによるプロセスとを交互に実行する、
請求項１又は２に記載のガス供給制御方法。
前記第１のガスを供給するステップと前記第２のガスを供給するステップとの間の、ガスを供給しないステップにおいて、前記第２のバルブと前記コントロールバルブとの間のガス供給管の内部を真空引きする、
請求項３に記載のガス供給制御方法。
前記第１のガスの流量が、前記第２のガスの流量よりも多い場合、ガスを供給しないステップにおいて、前記第２のバルブと前記コントロールバルブとの間のガス供給管の内部を真空引きする、
請求項４に記載のガス供給制御方法。