JP6743747B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体製造装置に関する。特に、半導体ワークを加工する真空空間を提供する高真空チャンバと、高真空チャンバに半導体ワークを入れる前に一時的に半導体ワークを格納する前室を備えた半導体製造装置に関する。なお、本明細書では、半導体製造装置で加工する対象を半導体ワークと称する。

半導体ウエハ（半導体ワーク）に所定の薄膜を成長させる場合など、半導体ワークを加工するには高真空環境が必要であり、半導体製造装置は、高真空チャンバを備える。高真空チャンバの内圧を例えば１０^−７［Ｐａ］程度まで下げるには、例えばターボ分子ポンプが用いられる。ターボ分子ポンプは吸気側と排気側の圧力差が大きいと適切に動作しないので、ターボ分子ポンプの排気口に、補助ポンプとして粗挽きポンプが接続される。粗挽きポンプには、例えば、油回転真空ポンプやドライポンプなどが用いられる（例えば特許文献１）。

特開平０６−２７５６００号公報

半導体装置の起動時は、高真空チャンバの内圧を大気圧から半導体ワークの加工に適した所定の低圧状態まで下げる必要がある。高真空チャンバの内圧を大気圧から所定の低圧状態まで短時間で下げるには、強力な粗引きポンプが必要となる。本明細書は、強力な粗引きポンプを備えることなく、短時間で高真空チャンバの内圧を大気圧から半導体ワークの加工に適した所定の低圧まで下げることのできる半導体製造装置を提供する。なお、以下では、便宜のため、半導体ワークの加工に適した所定の低圧を、「加工環境圧」と称する。加工環境圧の一例は、上記したように、１０^−７［Ｐａ］程度である。

一般に、高真空チャンバを備える半導体製造装置では、大気圧状態の外部から高真空チャンバへ荷物（半導体ワーク）を搬入するための前室（あるいはロードロック室）と呼ばれる小部屋が付随する。前室は、半導体チャンバとの間に開閉可能な第１隔壁を備えるとともに、外部との間に開閉可能な第２隔壁を備える。半導体ワークを外部から搬入する場合には高真空チャンバ側の第１隔壁を閉じておく。半導体ワークを前室に搬入したら、両方の隔壁を閉じる。前室の内圧を可能環境圧に近い低圧へ下げてから高真空チャンバ側の第１隔壁を開き、半導体ワークを高真空チャンバへと移動させる。前室用にも真空ポンプが必要となる。本明細書が開示する半導体製造装置は、前室用の真空ポンプを補助ポンプとして使って高真空チャンバを大気圧から加工環境圧まで短時間で下げられるようにする。

本明細書が開示する半導体製造装置は、高真空チャンバと、前室と、第１ターボ分子ポンプと、第２ターボ分子ポンプと、粗引きポンプと、第１流路と、第２流路と、開閉弁と、切換弁を備えている。高真空チャンバは、半導体ワークの加工に必要な高真空状態を提供するチャンバである。前室は、高真空チャンバとの間に開閉可能な第１隔壁を備えているとともに外部との間に開閉可能な第２隔壁を備えている。前室は、第１隔壁と第２隔壁を閉じることで密閉される。第１ターボ分子ポンプは、高真空チャンバに接続されており、高真空チャンバの室内を減圧することができる。第２ターボ分子ポンプは、前室に接続されており、前室の室内を減圧することができる。粗引きポンプは、第２ターボ分子ポンプの排気口に接続されている。第１流路は、第１ターボ分子ポンプの排気口を第２ターボ分子ポンプの吸気口と粗引きポンプの吸気口に接続する。第１流路には、切換弁が備えられている。切換弁は、第１ターボ分子ポンプの排気口の接続先を、第２ターボ分子ポンプの吸気口と粗引きポンプの吸気口のいずれかに切り換える。開閉弁は、前室と第２ターボ分子ポンプとの間の第２流路を開閉する。なお、ターボ分子ポンプの始動に先立って別のポンプで高真空チャンバの内圧をある程度低くしておく必要があるが、ここでは説明の便宜上、ターボ分子ポンプで大気圧から加工環境圧まで減圧する、と表現することにする。

上記の半導体製造装置では、高真空チャンバの内圧を大気圧から加工環境圧まで下げるときには、開閉弁を閉じるとともに、切換弁を制御して第１ターボ分子ポンプの排気口を第２ターボ分子ポンプの吸気口に接続する。即ち、第１ターボ分子ポンプと第２ターボ分子ポンプを直列に接続し、後段の第２ターボ分子ポンプの排気口に接続されている粗引きポンプとともに、３段のポンプで高真空チャンバを減圧する。ポンプを３段につないで高真空チャンバを減圧することで、短時間で速やかに高真空チャンバを加工環境圧まで減圧することが可能となる。なお、高真空チャンバの内圧が加工環境圧に達した後は、切換弁を切り換え、第１ターボ分子ポンプの排気口を粗引きポンプの吸気口に接続する。半導体ワークの加工中は、粗引きポンプを第１ターボ分子ポンプの補助ポンプとして用いる。一方、前室の内圧を加工環境圧に近い低圧まで下げるときには、開閉弁を開き、前室を第２ターボ分子ポンプと粗引きポンプで減圧する。前室の内圧を下げるときには、第１ターボ分子ポンプを停止しておくことで、粗引きポンプを第２ターボ分子ポンプ専用の補助ポンプとして用いることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体製造装置のブロック図である。 設備立ち上げ時の流路を示す図である。 半導体ワーク加工時の流路を示す図である。 変形例の半導体製造装置のブロック図である。

図面を参照して実施例の半導体製造装置２を説明する。図１に、半導体製造装置２のブロック図を示す。半導体製造装置２は、外部から隔離可能な部屋として、高真空チャンバ３、真空搬送室４、前室５を備える。また、半導体製造装置２は、第１ターボ分子ポンプ１１、第２ターボ分子ポンプ１２、第３ターボ分子ポンプ１３、第１粗引きポンプ１４、第２粗引きポンプ１５を備える。また、半導体製造装置２は、第１開閉弁２１と第２開閉弁２２と三方弁２３を備える。さらに、半導体製造装置２は、その他の設備として、コントローラ１６と真空計２４を備える。

高真空チャンバ３は、半導体ウエハ（半導体ワーク）への成膜加工など、半導体ワークを加工する場を提供する小部屋である。図示は省略しているが、高真空チャンバ３には、成膜装置などの加工装置が備えられている。半導体ワークの加工には高い真空環境が要求される。高真空チャンバは密閉されており、高い真空状態を保持することができる。

高真空チャンバ３には、真空搬送室４が隣接している。真空搬送室４は、加工前の半導体ワークを準備しておく小部屋であり、上下動するベローズ８とステージ６が備えられている。ベローズ８は、内側のガスで上下動（伸縮）するアクチュエータであるが、ベローズ８の内側と外側は完全に遮断されており、内部のガスが外側に漏れることはない。真空搬送室４の半導体ワークは、ステージ６に載せられ、ベローズ８で高真空チャンバ３へと搬送される。なお、図１におけるいくつかの小円は、部屋の間、あるいは、部屋とポンプの間を密閉するシーリング（ガスケット）を表している。

真空搬送室４には、前室５が付随している。前室５は、第１隔壁５１と第２隔壁５２を備えている。第１隔壁５１と第２隔壁５２はともに開閉可能である。第１隔壁５１は、真空搬送室４との間に備えられている。真空搬送室４は、高真空チャンバ３とつながっているので、第１隔壁５１は、前室５と高真空チャンバ３との間の隔壁と表現することができる。第２隔壁５２は、外部との間に備えられている。なお、第１隔壁５１と第２隔壁５２を閉じると、前室は密閉される。外部の半導体ワークは、一旦、前室５に格納され、その後、真空搬送室４へ、さらには、高真空チャンバ３へ移される。半導体ワークを外部から前室５に入れる際には、第１隔壁５１を閉じ、前室５の内部空間を真空搬送室４から遮断した状態で第２隔壁５２を開く。前室５の内部空間が大気圧の状態で半導体ワークが搬入される。前室５に半導体ワークが入れられた後は、第２隔壁５２を閉じ、前室５の内圧を下げる。前室５の内圧が真空搬送室４の内圧とほぼ同じになったら、第２隔壁５２を閉じたまま、第１隔壁５１を開く。そして、半導体ワークを真空搬送室４へと移す。半導体ワークは、真空搬送室４を経由して高真空チャンバ３へと運ばれる。加工後の半導体ワークは、上記した手順の逆手順で半導体製造装置２から外部へと搬出される。

各部屋の圧力を下げるポンプについて説明する。高真空チャンバ３には、第１ターボ分子ポンプ１１の吸気口１１ａが接続されている。真空搬送室４には、第３ターボ分子ポンプ１３の吸気口１３ａが接続されている。前室５には、第２流路３２を介して第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａが接続されているとともに、第３流路３３を介して第２粗引きポンプ１５の吸気口１５ａが接続されている。第２ターボ分子ポンプ１２の排気口１２ｂには、第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａが接続されている。

第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂと第３ターボ分子ポンプ１３の排気口１３ｂは、第１流路３１を介して、第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａと第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａに接続されている。第１流路３１には三方弁２３が備えられている。三方弁２３は、第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂと第３ターボ分子ポンプ１３の排気口１３ｂの接続先を、第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａと第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａのいずれかに切り換える。

第２流路３２には、第１開閉弁２１が備えられており、第３流路３３には第２開閉弁２２が備えられている。第３流路３３の第２開閉弁２２よりも前室５に近い側に真空計２４が接続されている。真空計２４は、前室５の内圧を計測する。

第１開閉弁２１、第２開閉弁２２、三方弁２３は、コントローラ１６によって制御される。図１における破線矢印が、制御信号線を示している。第１ターボ分子ポンプ１１、第２ターボ分子ポンプ１２、第３ターボ分子ポンプ１３、第１粗引きポンプ１４、第２粗引きポンプ１５も、コントローラ１６が制御する。なお、各ポンプとコントローラ１６をつなぐ制御信号線は図示を省略してある。

第１ターボ分子ポンプ１１、第２ターボ分子ポンプ１２、第３ターボ分子ポンプ１３は、到達圧力が１０^−７［Ｐａ］程度の能力があるが、排気側が大気圧だと適切に動作しない。そこで、ターボ分子ポンプの排気口に補助ポンプを接続し、ターボ分子ポンプの排気側を減圧する。そうすることで、ターボ分子ポンプを適正に動作させ、半導体ワークの加工に適した所定の低圧（加工環境圧）を実現することができる。第１粗引きポンプ１４と第２粗引きポンプ１５は、例えば油回転真空ポンプやドライポンプなどであり、排気側が大気圧でも動作するが、その到達圧力は、ターボ分子ポンプの到達圧力よりも高い（大気圧に近い）。

半導体製造装置２の起動前は、高真空チャンバ３の内圧と真空搬送室４の内圧は大気圧に等しくなっている。半導体製造装置２を起動する際、高真空チャンバ３の内圧を加工環境圧まで減圧するとともに、真空搬送室４の内圧を加工環境圧近くまで減圧する必要がある。なお、高真空チャンバ３は第１ターボ分子ポンプ１１で減圧され、真空搬送室４は第３ターボ分子ポンプ１３で減圧されるが、第１ターボ分子ポンプ１１、第２ターボ分子ポンプ１３の始動に先立って、前室５の第１隔壁５１を開放した状態で第２粗引きポンプ１５を作動させ、高真空チャンバ３と真空搬送室４を数パスカル程度まで減圧しておく。ただし、以下では、説明を簡素化するため、第１ターボ分子ポンプ１１で高真空チャンバ３を大気圧から加工環境圧まで減圧する、と表現し、同様に、第３ターボ分子ポンプ１３で真空搬送室４を大気圧から加工環境圧まで減圧する、と表現する。

半導体製造装置２では、起動時に高真空チャンバ３の内圧を短時間で下げるために、第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂに第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａを接続する。第２ターボ分子ポンプ１２の排気口１２ｂには、第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａが接続されている。この構成により、２個のターボ分子ポンプ１１、１２と第１粗引きポンプ１４の３段組のポンプ群により高真空チャンバ３を減圧することができる。高真空チャンバ３からガスを吸引する第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１２ｂは、第２ターボ分子ポンプ１２で強力に減圧されるため、第１ターボ分子ポンプ１１は高真空チャンバ３を速やかに減圧することができる。なお、第２ターボ分子ポンプ１２の排出側（排気口１２ｂ）は、第１粗引きポンプ１４により減圧されるので、第１ターボ分子ポンプ１１、第２ターボ分子ポンプ１２はともに適正に動作することができる。図１の半導体製造装置２は、２段のターボ分子ポンプ（第１、第２ターボ分子ポンプ１１、１２）と１段の粗引きポンプ（第１粗引きポンプ１４）の合計３段のポンプ群により、高真空チャンバ３を大気圧から加工環境圧まで短時間で減圧することができる。

なお、真空搬送室４を減圧する第３ターボ分子ポンプ１３の排気口１３ｂは第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂと並列に三方弁２３に接続されている。よって、真空搬送室４も３段のポンプ群により短時間で所定の圧力まで減圧される。

高真空チャンバ３と真空搬送室４を大気圧から減圧するとき、コントローラ１６は、第１開閉弁２１を閉じるとともに、三方弁２３を制御して第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂと第３ターボ分子ポンプ１３の排気口１３ｂの接続先を第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａに切り換える。図２に、そのときの吸気経路を表した図を示す。矢印太線が流路を表しており、バツ印は、遮断された流路を示している。

第１開閉弁２１を閉じることで、第２ターボ分子ポンプ１２と前室５の間は遮断される。第１ターボ分子ポンプ１１の排気と第３ターボ分子ポンプ１３の排気は三方弁２３を通じて第２ターボ分子ポンプ１２によりさらに吸引される。第２ターボ分子ポンプ１２の排気口１２ｂには第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａが接続されている。高真空チャンバ３は、直列に接続された２個のターボ分子ポンプ１１、１２とさらにその排気を吸気する第１粗引きポンプ１４によって減圧される。この合計３段の減圧システムにより、高真空チャンバ３の内圧は短時間で速やかに低下する。真空搬送室４も同様であり、直列に接続された２個のターボ分子ポンプ１３、１２とさらにその排気を吸気する第１粗引きポンプ１４によって減圧される。この合計３段の減圧機構により、真空搬送室４の内圧も短時間で速やかに低下する。

高真空チャンバ３が加工環境圧まで減圧されるとともに、真空搬送室４が加工環境圧に近い圧力まで減圧されると、半導体ワークの加工準備が整う。図３に、そのときの流路を表した図を示す。半導体ワークを外部から前室５に搬入した後、コントローラ１６は、第２開閉弁２２を開くとともに、第２粗引きポンプ１５を動作させる。このとき、第１開閉弁２１は閉じたままである。第２粗引きポンプ１５により、前室５の内圧を大気圧よりも下がる。前室５の内圧が所定の低圧まで下がった後、コントローラ１６は、第２粗引きポンプ１５を停止するとともに、第２開閉弁２２を閉じる。次いで、コントローラ１６は、第１開閉弁２１を開くとともに、第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４を動作させる。第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４により、前室５は、加工環境圧に近い圧力まで減圧される。前室５が加工環境圧近くまで減圧されたら、コントローラ１６は、第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４を停止するとともに、第１開閉弁２１を閉じる。前室５の内圧が加工環境圧近くまで下がったら、第１隔壁５１を開き、半導体ワークを前室５から真空搬送室４へ移す。半導体ワークは、所定のタイミングで真空搬送室４から高真空チャンバ３へと移されて加工される。

高真空チャンバ３と真空搬送室４の内圧を加工環境圧に維持する場合、コントローラ１６は、三方弁２３を制御し、第１ターボ分子ポンプ１１の排気口１１ｂと第３ターボ分子ポンプ１３の排気口１３ｂの接続先を第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａに切り換える。コントローラ１６は、第１ターボ分子ポンプ１１と第３ターボ分子ポンプ１３と第１粗引きポンプ１４を動作させ、高真空チャンバ３と真空搬送室４を減圧する。

以上の通り、実施例の半導体製造装置２は、前室５を減圧するための第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４を、高真空チャンバ３と真空搬送室４の減圧にも用いることで、高真空チャンバ３と真空搬送室４を短時間で大気圧から加工環境圧まで減圧することができる。第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４は、高真空チャンバ３からガスを吸引する第１ターボ分子ポンプ１１の補助ポンプとして利用される。また、第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４は、真空搬送室４からガスを吸引する第３ターボ分子ポンプ１３の補助ポンプとしても利用される。

前室５と高真空チャンバ３を同時に減圧する必要はない。それゆえ、第２ターボ分子ポンプ１２と第１粗引きポンプ１４は、状況に応じて、前室５を減圧するためのポンプとして用いたり、高真空チャンバ３と真空搬送室４を減圧するための補助ポンプとして用いればよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の三方弁２３が、「切換弁」の一例に相当する。三方弁の代わりに２個の開閉弁で切換弁を実現してもよい。図４に、変形例の半導体製造装置２ａのブロック図を示す。半導体製造装置２ａでは、実施例の三方弁２３の代わりに、２個の開閉弁１２３ａ、１２３ｂを備えている。開閉弁１２３ａは、第１流路３１の分岐点３１ｐから第２ターボ分子ポンプ１２の吸気口１２ａまでの部分流路３１ａに備えられている。開閉弁１２３ｂは、分岐点３１ｐから第１粗引きポンプ１４の吸気口１４ａまでの部分流路３１ｂに備えられている。開閉弁１２３ａを開き、開閉弁１２３ｂを閉じると、図２の流路と等しい流路が実現される。開閉弁１２３ａを閉じ、開閉弁１２３ｂを開くと、図３の流路と等しい流路が実現される。

実施例の第１粗引きポンプ１４が、「第２ターボ分子ポンプ１２の排気口１２ｂに接続されている粗引きポンプ」の一例に相当する。第１開閉弁２１が、「前室５と第２ターボ分子ポンプ１２との間の第２流路３２を開閉する開閉弁」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ：半導体製造装置
３：高真空チャンバ
４：真空搬送室
５：前室
６：ステージ
８：ベローズ
１１：第１ターボ分子ポンプ
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ：吸気口
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ：排気口
１２：第２ターボ分子ポンプ
１３：第３ターボ分子ポンプ
１４：第１粗引きポンプ
１５：第２粗引きポンプ
１６：コントローラ
２１：第１開閉弁
２２：第２開閉弁
２３：三方弁
２４：真空計
３１：第１流路
３１ａ：部分流路
３１ｂ：部分流路
３１ｐ：分岐点
３２：第２流路
３３：第３流路
５１：第１隔壁
５２：第２隔壁
１２３ａ、１２３ｂ：開閉弁

Claims (1)

1. 内部空間で半導体ワークが加工される高真空チャンバと、
   前記高真空チャンバとの間に開閉可能な第１隔壁を備えているとともに外部との間に開閉可能な第２隔壁を備えており、前記第１隔壁と前記第２隔壁を閉じることで密閉される前室と、
   前記高真空チャンバに接続されており、前記高真空チャンバ室内を減圧する第１ターボ分子ポンプと、
   前記前室に接続されており、前記前室内を減圧する第２ターボ分子ポンプと、
   前記第２ターボ分子ポンプの排気口に接続されている粗引きポンプと、
   前記第１ターボ分子ポンプの排気口を前記第２ターボ分子ポンプの吸気口と前記粗引きポンプの吸気口に接続する第１流路と、
   前記前室と前記第２ターボ分子ポンプとの間の第２流路を開閉する開閉弁と、
   前記第１流路に備えられており、前記第１ターボ分子ポンプの排気口の接続先を前記第２ターボ分子ポンプの吸気口と前記粗挽きポンプの吸気口のいずれかに切り換える切換弁と、
   を備えている半導体製造装置。

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