KR20200044685A - 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

처리실 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브의 기차를 실질적으로 없애고, 용이하게 동일한 프로세스를 재현한다.
밸브 개도를 검출하는 센서(150); 센서가 검출한 밸브 개도 및 처리실 내의 진공 압력과 진공 압력 목표값의 편차에 기초하여 밸브 개도를 제어하는 밸브 개도 제어 신호를 출력하는 제1 제어 회로(122); 밸브 개도 제어 신호에 기초하여 피스톤으로의 작동 유체의 공급을 제어하는 전공 제어 신호를 출력하는 제2 제어 회로(131); 및 상기 밸브 개도의 상한이 물리적인 전개보다 개도가 작은 소정의 전개가 되도록 상기 제1 제어 회로 또는 제2 제어 회로를 조정하는 스팬 조정 회로(108)를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 개시(開示)는 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정에서 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 소정의 온도 및 분위기 하에서 처리하여 박막을 형성하거나 개질하는 등의 처리가 수행된다. 예컨대 종형(縱型) 기판 처리 장치에서는 소정 매수의 기판을 수직 방향으로 배열해서 기판 보지구(保持具)에 보지하고, 기판 보지구를 처리실 내에 장입(裝入)하고, 처리실의 주위에 설치된 노(爐) 히터에 의해 기판을 가열한 상태에서 처리실 내에 처리 가스를 도입하여 기판에 대하여 박막 형성 처리 등이 수행된다.
기판 처리 장치의 처리실은 진공 펌프에 의해 내부의 가스가 배기된다. 처리실과 진공 펌프 사이에는 압력 제어 밸브가 설치되고, 그 개도(開度)를 연속적으로 제어하는 것에 의해 처리실 내를 소정의 압력으로 유지할 수 있도록 이루어진다. 이하에 기판 처리 장치의 처리실 등의 진공 용기의 진공 압력 제어에 이용되는 압력 제어 밸브 또는 압력 제어 시스템에 대해서 개시하는 특허문헌을 예시한다.
1. 일본 특개 2011-166101호 공보 2. 국제공개 제2004/109420호 3. 일본 특개 2018-45432호 공보 4. 일본 특개 2008-69787호 공보
최근 성막 등의 처리는 복수 종의 가스를 순회적(巡回的)으로 반복 공급하고, 그 가스들을 기판 상에서 화학적으로 반응시키는 방법에 의해 수행되는 경향이 있다. 그 때 가스를 공급하면서 처리실의 압력을 일정하게 유지하기 위해서 밸브체의 패킹 압축량의 미묘한 제어가 필요해지는 경우가 있다. 또한 다른 가스는 처리실 내에서 혼합되지 않고 신속히 배출되는 것이 바람직하며, 새로운 가스를 공급하기 전에 최대의 배기 속도로(즉 압력 제어 밸브를 최대의 개도로 해서) 처리실 내의 가스를 배기하는 공정이 설치될 수 있다. 따라서 성막 처리 동안에 처리실 내의 압력은 크게 변동되고, 또한 최대 배기 동작과 정압(定壓) 동작을 절체할 때는 압력 변화율을 제한하는 정률(定率) 제어가 필요해지는 경우가 있다.
이때 탑재된 압력 제어 밸브의 최대의 개도에 장치마다 편차[기차(機差)]가 있으면 복수의 장치로 동일한 성막 처리를 재현하지 못하는 문제가 있다.
본 개시는 압력 제어 밸브의 기차를 실질적으로 없애고, 용이하게 동일한 프로세스를 재현할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시 형태에 따르면, 기판을 처리하는 처리실; 상기 처리실을 배기하는 진공 펌프; 처리실과 진공 펌프를 접속하는 유로와 유로에 형성되는 밸브좌(弁座)를 포함하는 밸브 보디; 밸브 보디에 접속되고, 소정의 축 방향에 운동 가능하도록 피스톤을 수용하는 실린더; 피스톤에 연결되고, 밸브좌로의 당접(當接)에 의한 유로의 차단 또는 밸브 개도에 따라 밸브좌로부터 이간되는 밸브체; 밸브 개도를 검출하는 센서; 및 상기 밸브 개도를 제어하는 밸브 컨트롤러를 구비한다. 그리고 상기 밸브 컨트롤러는 센서가 검출한 밸브 개도 및 처리실 내의 진공 압력과 진공 압력 목표값의 편차에 기초하여 밸브 개도를 제어하는 밸브 개도 제어 신호를 출력하는 제1 제어 회로; 밸브 개도 제어 신호에 기초하여 피스톤으로의 작동 유체의 공급을 제어하는 전공(電空) 제어 신호를 출력하는 제2 제어 회로; 및 상기 밸브 개도의 상한이 물리적인 전개(全開)보다 개도가 작은 소정의 전개가 되도록 상기 제1 제어 회로 또는 제2 제어 회로를 조정하는 스팬 조정 회로를 포함한다.
압력 제어 밸브의 기차를 실질적으로 없애고, 용이하게 동일한 프로세스를 재현할 수 있다.
그 외의 과제와 신규 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로 밝혀질 것이다.
도 1은 기판 처리 장치의 종단면도(縱斷面圖).
도 2는 기판 처리 장치의 메인 컨트롤러의 블록도.
도 3은 기판 처리 장치의 진공 압력 제어 시스템(43)의 개략 구성도.
도 4는 APC 밸브(42)의 진공 밸브의 단면도.
도 5는 진공 압력 컨트롤 모드에서의 진공 압력 제어 시스템(43)의 피드백 제어계를 도시하는 도면.
도 6은 피드백 제어에서의 APC 밸브(42)의 리프트량의 시간 응답의 예를 도시하는 도면.
도 7은 피드백 제어에서의 리프트량 및 처리실(24)의 압력의 시간 응답을 도시하는 도면.
도 8은 반도체 장치의 제조 방법의 흐름도.
이하, 실시 형태에 따른 기판 처리 장치, 그 장치에서 사용되는 진공 압력 제어 시스템 및 그 장치를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 대해서 순서대로 설명한다.
<기판 처리 장치의 구성>
도 1에 도시하는 바와 같이 기판 처리 장치는 집적 회로의 제조 공정에서의 열처리 공정을 실시하는 종형 열처리 장치[뱃치(batch)식 종형로(縱型爐) 장치](10)로서 구성된다.
처리로(12)는 가열 수단(가열 기구)로서의 히터 유닛(이하, 히터라고 부른다)인 히터(14)를 포함한다. 히터(14)는 원통 형상이며, 보지판으로서의 히터 베이스(16)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다. 히터(14)는 후술하는 바와 같이 가스를 열로 활성화[여기(勵起)]시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
히터(14)의 내측에는 진공 용기(처리 용기)를 구성하는 반응관(18)이 배설(配設)된다. 반응관(18)은 예컨대 석영(SiO2) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색(閉塞)되고, 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 하단의 개구에는 외주측에 돌출한 플랜지부(18C)가 형성된다. 반응관(18)의 플랜지부(18C)는 금속제로 원통 형상의 매니폴드(22)에 의해 지지된다. 반응관(18)의 통중공부(筒中空部)는 처리실(24)을 형성한다. 처리실(24)은 기판으로서의 웨이퍼(W)를 후술하는 보트(26)에 의해 수평 자세로 반응관(18)의 관축 방향(즉 수직 방향)에 다단으로 정렬된 상태에서 수용 가능하도록 구성된다. 보트(26)에 의해 보지된 웨이퍼(W)가 수용되는 공간을 처리 영역이라고 부르고, 그보다 하방(下方)의 공간을 단열 영역이라고 부른다.
반응관(18)의 외벽에는 내부에 각각 공간을 포함하는 공급 버퍼(24A)와 배기 버퍼(24B)가 서로 대면하는 위치에 형성된다. 공급 버퍼(24A)와 배기 버퍼(24B)가 돌출된 부분은 반응관(18)의 외벽을 구성하고, 공급 버퍼(24A) 및 배기 버퍼(24B)에 의해 피복된, 반응관(18)의 원통의 일부는 각각 칸막이부(18A) 및 칸막이부(18B)를 구성한다. 바꿔 말하면, 공급 버퍼(24A)의 내부의 가스 공급 공간은 반응관(18)의 외벽과 칸막이부(18A)에 의해 획성(劃成)된다. 한편, 공급 버퍼(24A)의 하단은 처리실(24) 내로 개구되고, 배기 버퍼(24B)의 하단은 플랜지부(18C)에 의해 폐색된다. 그렇기 때문에 배기 버퍼(24B)의 가스 배기 공간은 반응관(18)의 외벽과 칸막이부(18B)와 플랜지부(18C)에 의해 획성된다.
칸막이부(18A)에는 웨이퍼(W)의 간격과 동일한 간격으로 처리실(24)과 가스 공급 공간을 유체 연통시키는 가로로 긴 슬릿 형상의 가스 공급구(36A)가 처리 영역의 웨이퍼(W)에 대응하여 복수 설치된다.
칸막이부(18B)에는 웨이퍼(W)의 간격과 동일한 간격으로 처리실(24)과 가스 배기 공간을 유체 연통시키는 가로로 긴 슬릿 형상의 가스 배기구(36B)(제1 배기구)가 처리 영역의 웨이퍼(W)에 대응하여 복수 설치된다. 일례로서 각 가스 배기구(36B)는 대응하는 가스 공급구(36A)와 동일한 높이 위치에 대면하도록 설치될 수 있다. 또는 단일의 가스 배기구(36B)가 처리 영역의 각 웨이퍼(W)를 향하도록 세로로 길게 개구되어 설치될 수 있다.
칸막이부(18B)의 가스 배기구(36B)의 하방에는 제2 배기부(제2 배기구)로서의 서브 배기구(62)가 형성된다. 서브 배기구(62)는 단열 영역 내의 위치 또는 단열부와 대면하는 위치에 형성된다. 서브 배기구(62)는 가로로 긴 직사각형 형상으로 형성되고, 그 개구 면적은 가스 배기구(36B)의 하나의 슬릿의 개구 면적보다 크고, 가스 배기구(36B)의 개구 총면적보다 작다. 가스 배기구(36B) 및 서브 배기구(62)는 처리실(24)과 배기 버퍼를 연통하도록 형성되고, 처리실(24) 내의 단열 영역의 분위기를 배기한다. 단열 영역에 서브 배기구(62)를 설치하는 것에 의해 단열부(54)의 주위를 흐른 퍼지 가스가 처리 영역에 확산되는 것이 억제되고, 처리 영역의 처리 가스가 희석되는 것에 의한 성막 균일성의 악화가 억제된다.
공급 버퍼(24A) 내의 가스 공급 공간 내에는 노즐(28)이 설치될 수 있다. 노즐(28)은 예컨대 석영 등의 내열성 재료로 이루어진다. 노즐(28)에는 가스 공급관(30a)이 접속된다. 가스 공급관(30a)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(32a) 및 개폐 밸브인 밸브(34a)가 설치된다. 가스 공급관(30a)의 밸브(34a)보다 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(30b)이 접속된다. 가스 공급관(30b)에는 상류 방향부터 순서대로 MFC(32b) 및 밸브(34b)가 설치된다. 주로 가스 공급관(30a), MFC(32a), 밸브(34a)에 의해 처리 가스 공급계인 처리 가스 공급부가 구성된다. 또한 가스 공급관(30b), MFC(32b), 밸브(34b)에 의해 불활성 가스 공급계인 불활성 가스 공급부가 구성된다. 또한 가스 공급관(30b), MFC(32b), 밸브(34b)를 처리 가스 공급부(처리 가스 공급계)에 포함시켜서 생각해도 좋다. 노즐(28)이 복수 설치되는 경우, 처리 가스 공급부나 불활성 가스 공급부도 노즐(28)에 대응하여 복수 설치될 수 있다.
노즐(28)은 공급 버퍼(24A) 내의 가스 공급 공간에 반응관(18)의 하부으로부터 상방(上方)을 향하여 웨이퍼(W)의 배열을 따라 설치된다. 이때 노즐(28)은 웨이퍼(W)의 측방(側方)에서 웨이퍼(W)의 배열 방향과 평행이 된다. 본 예의 노즐(28)은 L자형으로 구성되고, 그 짧은 수평부는 매니폴드(22)의 측벽을 관통하도록 설치된다. 또한 그 긴 수직부는 적어도 웨이퍼 배열 영역의 모든 영역에 걸쳐서 가스를 공급하도록 측면에 복수의 가스 토출공(28A)이 형성된다. 가스 토출공(28A)은 웨이퍼(W)의 배치 간격과 동일한 간격으로 반응관(18)의 중심을 향하도록 각각 개구시킬 수 있다. 이에 따라 가스 토출공(28A)으로부터 가스 공급구(36A)를 통과할 수 있는 직선적인 경로로 각각의 웨이퍼(W)를 향하여 가스를 공급할 수 있다.
배기 버퍼(24B)의 하단에는 가스 배기 공간에 연통되는 배기 포트(19)가 설치된다. 이 배기 포트(19)에 처리실(24) 내의 분위기를 배기하는 배기관(38)이 접속된다. 또한 배기관(38)에는 처리실(24) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 진공계(40) 및 개폐 밸브로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(42)를 개재하여 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(44)가 접속된다.
APC 밸브(42)는 밸브 컨트롤러(41)에 의해 개도가 제어되고, 진공 펌프(44)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 처리실(24) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(44)를 작동시킨 상태에서 진공계(40)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 밸브 개도를 조절하는 것에 의해 처리실(24) 내의 압력을 목표값으로 유지할 수 있도록 구성된다. 진공계(40), 밸브 컨트롤러(41), APC 밸브(42)에 의해 진공 압력 제어 시스템(43)이 구성된다.
매니폴드(22)의 하방에는 매니폴드(22)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구(爐口) 개체(蓋體)로서의 씰 캡(46)이 설치된다. 씰 캡(46)은 금속에 의해 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(46)의 상면에는 매니폴드(22)의 하단과 당접하는 씰 부재로서의 O링(48)이 설치된다. 또한 씰 캡(46)의 상면 중 O링(48)보다 내측 영역에는 씰 캡(46)을 피복하여 보호하는 씰 캡 플레이트(50)가 설치된다.
씰 캡(46)은 매니폴드(22)의 하단에 수직 방향 하측으로부터 당접되도록 구성되고, 반응관(18)의 외부에 수직으로 설비된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(52)에 의해 수직 방향으로 승강된다. 보트 엘리베이터(52)는 보트(26), 즉 웨이퍼(W)를 처리실(24) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구)로서 기능한다.
기판 보지구로서의 보트(26)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(W)를 수평 자세로 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜서 다단으로 지지하도록, 즉 간격을 두고 배열하도록 구성된다. 보트(26)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어진다.
보트(26)와 씰 캡(46) 사이에는 단열부(54)가 설치된다. 단열부(54)는 예컨대 원통 형상으로 형성되거나 또는 원판 형상의 단열판이 복수 매 상하로 배열되어 구성될 수 있다.
반응관(18)의 외벽을 따라 온도 검출기로서의 온도 검출부(56)가 설치된다. 온도 검출부(56)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(14)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 처리실(24) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다.
단열부(54)의 하부에는 원통 형상의 보트(26)를 회전시키는 회전축(60)이 고정된다. 회전축(60)의 하부이며, 씰 캡(46)의 처리실(24)과 반대측에는 보트(26)를 회전시키는 회전 기구(58)가 설치된다.
회전 기구(58)는 상단이 개구되고, 하단이 폐색된 대략 원통 형상으로 형성된 하우징(58A)을 구비한다. 하우징(58A)에는 가스 공급관(30c)이 접속된다. 가스 공급관(30c)에는 상류 방향부터 순서대로 MFC(32c) 및 밸브(34c)가 설치된다. 주로 가스 공급관(30c), MFC(32c), 밸브(34c)에 의해 단열 영역에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급계인 퍼지 가스 공급부가 구성된다. 퍼지 가스 공급부는 단열 영역의 하방 위치부터 상방을 향하여 퍼지 가스를 공급하도록 구성된다. 퍼지 가스는 가스 공급관(30c)으로부터 하우징(58A) 내, 회전축(60)의 주위를 개재하여 단열 영역의 바닥부터 상방을 향하여 공급된다.
도 2에 도시하는 바와 같이 기판 처리 장치의 메인 컨트롤러(200)는 CPU(Central Processing Unit)(212), RAM(Random Access Memory)(214), 기억 장치(216), I/O 포트(218)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(214), 기억 장치(216), I/O 포트(218)는 내부 버스(220)를 개재하여 CPU(212)과 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 메인 컨트롤러(200)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(222)나 외부 기억 장치(224)가 접속된다.
기억 장치(216)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(216) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 기판 처리의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 프로세스 레시피는 후술하는 기판 처리 공정에서의 각 순서를 메인 컨트롤러(200)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 사용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우 또는 그 양방(兩方)을 포함하는 경우가 있다. RAM(214)은 CPU(212)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(218)는 전술한 MFC(32a, 32b, 32c), 밸브(34a, 34b, 34c), 진공계(40), 밸브 컨트롤러(41), 진공 펌프(44), 히터(14), 온도 검출부(56), 회전 기구(58), 보트 엘리베이터(52) 등에 접속된다.
CPU(212)은 기억 장치(216)로부터 제어 프로그램을 판독하여 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(222)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(216)로부터 프로세스 레시피를 판독하도록 구성된다. CPU(212)은 판독한 프로세스 레시피의 내용을 따르도록 MFC(32a, 32b, 32c)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(34a, 34b, 34c)의 개폐 동작, 밸브 컨트롤러(41)에 의한 APC 밸브(42)의 개폐 및 압력 조정 동작, 진공 펌프(44)의 기동 및 정지, 온도 검출부(56)에 기초하는 히터(14)의 온도 조정 동작, 회전 기구(58)에 의한 보트(26)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(52)에 의한 보트(26)의 승강 동작 등을 제어하도록 구성된다.
<진공 압력 제어 시스템의 구성>
도 3은 진공 압력 제어 시스템(43)의 개략 구성도다. 진공 압력 제어 시스템(43)은 실제 밸브 개도를 위치 센서로 검출해서 피드백 제어하는 유형이며, 진공계(40), 밸브 컨트롤러(41), APC 밸브(42)를 구비한다.
밸브 컨트롤러(41)는 인터페이스 회로(121), 진공 압력 제어 회로(122), 시퀀스 제어 회로(123) 및 공기압 제어부(130)를 구비한다. 인터페이스 회로(121)는 메인 컨트롤러(200)로부터의 원격 조작 신호 또는 밸브 컨트롤러(41)의 프런트 패널의 버튼을 개재한 현장 입력에 의한 신호를 진공 압력 제어 회로(122)나 시퀀스 제어 회로(123) 등에 적합한 신호로 변환한다.
진공 압력 제어 회로(122)는 처리실(24) 내의 진공 압력에 대한 피드백 제어를 수행한다. 시퀀스 제어 회로(123)는 인터페이스 회로(121)로부터 주어진 동작 모드에 따라 공기압 제어부(130) 내의 제1 전자 밸브(134)나 제2 전자 밸브(135)를 직접 조작하여 APC 밸브(42)의 전폐(全閉)나 전개 등의 미리 정해진 동작을 시킨다. 이 동작 모드는 주로 장치의 대기 시나 긴급 시 또는 안전을 위해서 이용된다.
공기압 제어부(130)는 위치 제어 회로(131), 펄스 드라이브 회로(132), 시간 개폐 동작 밸브(133), 제1 전자 밸브(134), 제2 전자 밸브(135)를 구비한다. 위치 제어 회로(131)는 진공 압력 제어 회로(122)로부터 주어진 밸브 개도 지령값과, APC 밸브(42)에 설치된 포텐셔미터(418)(위치 검출 수단의 일례)로부터 앰프(419)를 개재하여 주어진 밸브 개도 계측값을 비교하여, APC 밸브(42)의 밸브의 위치를 제어하는 서보 기구의 일종이자 진공 압력 제어 회로(122)의 피드백 제어의 내측에서 제어 루프를 구성한다. 이때 공기압 제어부(130)의 제어량인 밸브 개도를 진공 압력 제어 회로(122)의 제어량인 처리실 압력과 구별해서 내부 제어량이라고 부른다. 밸브 개도는 조작량 또는 제어량이 될 수 있는 리프트량, 실린더 압력, 압력 합산값(후술), 그 외의 가상적인 지표도 포함하는 개념이다. 펄스 드라이브 회로(132)는 위치 제어 회로(131)로부터의 전공 제어 신호에 기초하여 시간 개폐 동작 밸브(133)에 펄스 신호를 송신한다.
시간 개폐 동작 밸브(133)는 미도시의 급기측 비례 밸브 및 배기측 비례 밸브를 내장한 것이며, 펄스 드라이브 회로(132)로부터의 펄스 신호에 따라 급기측 비례 밸브 및 배기측 비례 밸브를 시간 개폐 동작시키는 것이며, 제2 전자 밸브(135)와 제1 전자 밸브(134)를 개재하여 APC 밸브(42)의 기압 실린더 내의 공기 압력을 조정하는 것이다. 또한 APC 밸브(42)와 공기압 제어부(130)를 접속하는 배관에는 압력 센서(150)가 접속되고, APC 밸브(42)의 실린더 압력을 측정한다. 압력 센서(150)는 압력 측정 결과를 밸브 컨트롤러(41)에 출력한다.
APC 밸브(42)에 이용되는 진공 밸브(420)는 에어오퍼레이트 타입의 단동(單動) 포핏 밸브이며, 처리실(24)로부터 진공 펌프(44)까지의 배기계의 컨덕턴스를 변화시키는 것이다. 도 4에 도시되는 바와 같이 진공 밸브(420)의 밸브 보디(430)에 접속된 실린더(421)에 피스톤(422)이 접동(摺動) 가능하도록 장전(裝塡)된다. 피스톤(422)은 외주면에 장착된 패킹(423)을 실린더(421)의 내벽에 접접(摺接)시키는 것에 의해 피스톤(422)의 밸브좌 측에 조작실(424)을 기밀하게 형성한다. 조작실(424)은 실린더(421)에 개설된 조작 포트(425)에 연통 유로(426)를 개재하여 연통되고, 조작 유체가 급배기된다. 피스톤(422)은 실린더(421)의 로드 보지부(428)에 접동 가능하도록 보지된 피스톤 로드(427)를 개재하여 밸브체(436)에 연결되고, 밸브체(436)와 일체적으로 축선 방향(도면 중 상하 방향)에 왕복 직선 운동한다.
밸브체(436)는 밸브 보디(430)의 밸브실(433)에 배치된다. 밸브실(433)은 처리실(24)에 연결되는 제1 포트(431)와 진공 펌프(44)에 연결되는 제2 포트(432)에 연통되고, 제1 포트(431)와 연통하는 개구부(434)의 외주를 따라 밸브좌(435)가 평탄한 면으로 형성된다. 밸브체(436)는 밸브좌(435)와 대향하는 위치에 도브테일 홈[溝](437)이 형성되고, 그 도브테일 홈(437)에 탄성 씰 부재(438)가 탄성 변형 가능하도록 장착된다. 밸브체(436)는 압축 스프링(439)[씰링 힘(sealing force) 부여 수단의 일례]에 의해 밸브좌 방향에 상시 부세(付勢)되어 탄성 씰 부재(438)를 밸브좌(435)에 밀봉시키는 씰 하중이 부여된다. 벨로즈(440)는 밸브실(433)에 신축 가능하도록 배치된다. 벨로즈(440)는 피스톤 로드(427)와 동일한 축에 배치되고, 일단이 밸브체(436)와 접속하고, 제1 포트(431)로부터 제2 포트(432)에 이르는 유로로부터 밀폐된 통 형상 공간을 형성한다.
진공 밸브(420)는 밸브체(436)[탄성 씰 부재(438)]를 밸브좌(435)에 당접 또는 이간시키는 것에 의해 밸브 개폐 동작을 수행한다. 밸브체(436)가 밸브좌(435)로부터 이간되는 거리는 밸브의 리프트량으로서 조작실(424)에 대한 압축 공기의 공급과 배기로 조작할 수 있다. 밸브체(436)가 밸브좌(435)로부터 이간되는 거리는 밸브의 리프트량으로서 포텐셔미터(418)에 의해 계측되며, APC 밸브(42)의 밸브 개도에 상당한다.
본 실시 형태에 따른 진공 압력 제어 시스템(43)은 동작 모드로서 강제 클로즈 모드(F.CLOSE)와 강제 오픈 모드(F.OPEN)와 진공 압력 컨트롤 모드(AUTO)를 밸브 컨트롤러(41)에 의해 선택해서 설정할 수 있다.
진공 압력 제어 시스템(43)이 강제 클로즈 모드(F.CLOSE)를 밸브 컨트롤러(41)에 의해 선택하면, 시퀀스 제어 회로(123)는 제1 전자 밸브(134) 및 제2 전자 밸브(135)를 도 3에 도시하는 바와 같이 폐쇄된 상태로 유지한다. 이에 의해 진공 밸브(420)의 조작실(424) 내에는 압축 공기가 공급되지 않고, 조작실(424) 내는 배기 라인과 연통하므로 조작실(424) 내의 기압이 대기압이 되고, 진공 밸브(420)는 차단된 상태가 된다. 마찬가지로, 진공 압력 제어 시스템(43)이 강제 오픈 모드(F.OPEN)를 밸브 컨트롤러(41)에 의해 선택하면, 시퀀스 제어 회로(123)는 제1 전자 밸브(134) 및 제2 전자 밸브(135)를 동작시킨다. 이에 의해 진공 밸브(420)의 조작실(424) 내에는 압축 공기가 공급되고, 진공 밸브(420)는 기계적(물리적)으로 정의되는 전개까지 완전히 개방된 상태가 된다.
한편, 진공 압력 제어 시스템(43)은 진공 압력 컨트롤 모드(AUTO)를 밸브 컨트롤러(41)로 선택하면, 시퀀스 제어 회로(123)가 제1 전자 밸브(134)를 동작시키는 것에 의해 시간 개폐 동작 밸브(133)와 진공 밸브(420)의 조작실(424)을 연통시킨다. 이에 의해 조작실(424) 내의 공기 압력이 조정되고, 밸브의 리프트량을 조작할 수 있는 상태가 된다.
진공 압력 컨트롤 모드(PRESS)를 선택했을 때, 진공 압력 제어 회로(122)는 메인 컨트롤러(200)로 지시된 목표 진공 압력값을 목표값으로 하는 피드백 제어를 시작한다. 즉 도 1에서 진공계(40)에서 처리실(24) 내의 진공 압력값을 계측하고, 그것과 목표 진공 압력값의 차이(제어 편차)에 따라 APC 밸브(42)의 밸브의 리프트량을 조작하여 배기계의 컨덕턴스를 변화시키는 것에 의해 처리실(24) 내의 진공 압력을 목표 진공 압력값으로 일정하게 보지한다.
피드백 제어는 PID 베이스의 제어에 의해 실현되고, 보다 바람직하게는 시정수나 게인 등의 파라미터를 소정의 조건에 따라 변경한다. 예컨대 피드백 제어의 제어 편차가 클 때는 피드백 제어의 시정수를 최소한으로 하거나, 게인을 최대로 하거나 해서 피드백 제어의 속응성(速應性)이 충분히 확보된다. 한편, 피드백 제어의 제어 편차가 작을 때는 미리 조정된 파라미터에 단계적으로 이행하므로, 처리실(24) 내의 진공 압력을 안정된 상태에서 유지할 수 있다.
도 5에 도시하는 진공 압력 제어 회로(122)의 피드백 제어의 블록도에 기초하여 구체적으로 설명한다. 진공계(40)로 계측된 처리실(24) 내의 진공 압력값을 비례 회로(105), 미분 회로(106)에 의해 조정한 값은 내부 커맨드 발생 회로(111)가 보지하는 목표 진공 압력값과 비교되고, 그 차분(差分)(오차 신호)이 비례 회로(102), 미분 회로(103)에 입력된다. 적분 회로(104)는 비례 회로(102), 미분 회로(103)의 출력의 합산을 적분해서 얻어지는 밸브 개도 지령값을 0V 내지 5V의 범위의 전압으로서 위치 제어 회로(131)에 출력한다. 5V는 진공 압력 컨트롤 모드(피드백 제어 아래)에서의 APC 밸브(42)의 전개(이하, 전기적으로 정의되는 전개라고 부른다.)에 대응한다. 한편 이 전개 위치는 기계적(물리적)으로 정의되는 강제 클로즈 모드에서의 전개와는 다르며, 공기압 제어부(130)의 서보 제어를 안정하게 하기 위해서 밸브체는 근소하게 밸브좌 측에 인접한다. 이때의 리프트량은 리크 시작 위치부터 약 42mm이다. 이하, 단순히 전개라고 말한 경우는 전기적으로 정의되는 전개를 의미하는 것으로 한다.
적분 시간 조정 회로(101)는 적분 회로(104)의 시정수를 결정한다. 예컨대 진공계(40)의 계측값이 목표 진공 압력값에 대하여 떨어져 있을 때는 내부 연산 회로에 의해 적분 회로의 적분 시간이 비교적 작아지도록 동작한다. 이에 의해 적분 회로(104)는 비교적 큰 게인을 가지는 증폭 회로로서 기능시킬 수 있다.
즉 '진공계(40)의 계측값 > 목표 진공 압력값'이 되는 경우는 적분 회로(104)의 최대값인 5V가 위치 제어 회로(131)에 대하여 출력된다. 그 결과, APC 밸브(42)는 급속히 여는 방향으로 동작한다. 한편, '진공계(40)의 계측값 < 목표 진공 압력값'이 되는 경우에는 적분 회로(104)의 최소값인 0V가 위치 제어 회로(131)에 대하여 출력된다. 그 결과, APC 밸브(42)는 급속히 닫는 방향으로 동작한다.
이러한 동작에 의해 APC 밸브(42)의 밸브 개도는 목표 진공 압력값으로 하기 위한 위치 부근까지 최단 시간으로 도달할 수 있다. 그 후 목표 진공 압력값으로 하기 위한 위치의 부근까지 도달했다고 판단한 적분 시간 조정 회로(101)는 그 위치에서 진공 압력을 안정된 상태에서 보지하기 위해서 미리 조정된 적분 회로(104)의 시정수에 단계적으로 이행하는 동작을 수행한다. 단계적인 이행은 3단계이상이어도 좋다.
내부 커맨드 발생 회로(111)는 통상적으로는 인터페이스 회로(121)로부터 주어진 목표 압력을 보지해서 그대로 출력한다. 또한 진공계(40)로부터의 처리실 압력을 감시하여 목표 압력과의 차이가 크기 때문에 목표 압력 변화 속도를 초과하는 압력 변화가 예기된 경우나, 피드백 제어가 오버슈트나 헌팅 등을 일으켜서 수렴 시간이 길어지는 것이 예기되었을 경우에 목표 압력을 변경한다. 즉 목표 압력을 계단 형상으로 변화시키고, 주어진 목표 압력으로 근접시키는 것과 같은 내부 커맨드를 순차 발생한다. 또한 단차를 충분히 작게 해서 목표 압력을 실질적으로 연속적으로 변경해도 좋다.
스케일 조정 회로(108)는 적분 회로(104)가 출력하는 밸브 개도 지령값에 게인값 G를 곱셈해서 출력한다. 게인값은 통상 1 전후의 값이며, 이에 의해 밸브 개도 지령값의 변역(變域)(스케일, 스팬)을 변경할 수 있고, 그 결과 전기적으로 정의되는 전개를 조정할 수 있다.
바이어스 제어 회로(110)는 스케일 조정 후의 밸브 개도 지령값에 가산해야 하는 바이어스(오프셋)값 B를 산출해서 출력한다. 바이어스값 B는 탄성 씰 부재(438)가 씰링 힘(sealing force)을 잃을 때의 밸브좌 위치(리크 시작 위치)에 대응한다. 오프셋값 B는 실제로는 측정한 리크 시작 위치에 대하여 소정의 압축량(마진)을 더한 값으로 설정될 수 있다. 오프셋이 가산된 후의 밸브 개도 지령값은 그 최소값이 리크 시작 위치에 대응하고, 그 최대값이 전기적으로 정의되는 전개에 대응하게 된다.
바이어스 제어 회로(110)에 의한 바이어스값 B의 결정 방법을 설명한다. 리크 시작 위치는 탄성 씰 부재(438)의 상태 외에 밸브의 차압[처리실(24)과 진공 펌프(44)와의 압력 차이]에 의해서도 변화한다. 여기서는 진공 펌프(44)의 압력은 일정 또는 충분히 작다고 가정하고, 처리실(24)의 압력에 의존하는 것으로 한다. 이때 압력 센서(150)가 검출한 실린더 압력에 진공계(40)가 검출한 처리실 압력을 가산한 합산값은 리크 시작 시에 항상 대략 일정해진다는 사실이 알려져 있다.
제1 결정 방법에서는 바이어스 제어 회로(110)는 적분 회로(104)의 출력을 감시하고, 적분 회로(104)의 출력이 0V(최저값)이 되는 동안에 다음 처리를 수행한다. 즉 압력 센서(150)의 압력과 진공계(40)의 압력의 합산값을, 미리 기억하는 리크 시작 기준 압력과 비교하고, 오차에 따라 바이어스값 B를 조정하는 네거티브 피드백 제어를 수행한다. 예컨대 현재의 바이어스값 B를 초기값으로서 오차 신호의 적분을 수행한다. 이에 의해 실린더 압력은 리크 시작 위치에 대응하게 되고, 적분 회로(104)의 출력이 비(非) 0로 변함과 즉시 리크를 시작할 수 있게 된다.
제2 결정 방법에서는 미리 소정의 처리실 압력(예컨대 100Pa)으로 실측한 리크 시작 기준 위치와, 리크 시작 위치의 처리실 압력으로의 의존성[예컨대 비례 정수 또는 절선(折線) 근사 테이블]을 기억한다. 그리고 적분 회로(104)의 출력이 최저값이 되어 있는 동안 또는 상시 처리실 압력에 대응하는 리크 시작 위치를 산출하고, 바이어스값 B로서 출력한다.
전술한 바와 같이 밸브 개도 지령값의 최소값이 리크 시작 위치에 대응하도록 바이어스값 B가 동적으로 수정되면, 바이어스값 B가 가산된 밸브 개도 지령값의 최대값도 변화하고, 전기적으로 정의되는 전개의 개도를 맞추는 것이 곤란한 원인 중 하나가 되어 있었다. 본 예의 스케일 조정 회로(108)는 바이어스값 B의 변화에 추종하여 게인값 G를 갱신한다.
적분 회로(104)의 최대값(5V)을 Vmax, 밸브 개도 지령값에 바이어스값 B가 가산되지 않을 때(바이어스값 B가 0)에서의 게인을 기준 게인 GRef로 하면, 게인값 G는 이하와 같이 계산된다.
G=GRef(Vmax-B)/Vmax
기준 게인 GRef는 예컨대 1이며, 필요에 따라 자기 교정(自己校正)을 수행한다. 즉 포텐셔미터(418)의 출력은 실제 밸브 개도(컨덕턴스)를 나타내는 것으로서 신용하고, 진공 압력 제어 시스템(43)의 초기 동작 시에 적분 회로(104)의 출력을 최대값(5V), 바이어스값 B를 0으로 하고, 포텐셔미터(418)의 출력하는 개도가 원하는(예컨대 리프트량 42mm에 상당하는) 기준에서의 전개가 되도록 기준 게인 GRef를 조정한다. 또한 포텐셔미터(418)의 출력은 진동하는 경우가 있으므로 충분히 평균화하고 나서 이용한다. 또한 실제 성막 프로세스에서의 APC 밸브(42)의 동작 패턴에서의 조작량(리프트량 또는 처리실 압력)의 응답을 측정하고, 그 트레이스를 표준이 되는 응답과 조합하여 표준에 근접하도록 수정할 수 있다.
도 6에 피드백 제어에서의 APC 밸브(42)의 리프트량의 시간 응답의 예를 도시한다. 이 그래프에서는 1.04, 1.05, 1.06의 3개의 기준 게인 GRef에 대해서 APC 밸브(42)를 전폐로부터 전개로 동작시켰을 때의 포텐셔미터(418)의 출력이 도시된다. 리프트량은 1회 오버슈트한 후는 목표값을 향하여 단조롭게 수렴되고, 이들 3개의 거동은 목표값이 다른 것 외에는 거의 같다. 이와 같이 스케일 조정 회로(108)의 게인(기준 게인 GRef)에 의해 위치 제어 회로(122)의 출력을 조정하고, 제2 제어 회로의 밸브 개도의 상한을 물리적인 전개보다 개도가 작은 소정의 전개로 할 수 있다.
실제 성막 프로세스에서는 APC 밸브(42)의 개도가 근소한 차이에 따라 처리실(24) 내에서의 배기의 유속이나 도달 진공도가 변화한다. 도달 진공도로의 영향은 배기 중에 퍼지 가스나 밸러스트(ballast) 가스가 공급되는 경우나, 가스 공급의 시퀀스가 시간의 패턴에 의해 엄격하게 규정되는 경우에 현저해질 수 있다.
유속으로의 영향은 처리실에 처리 가스가 충만된 상태에서 급속하게 APC 밸브(42)가 전개가 되는 경우이며, 특히 도 6에 도시한 오버슈트가 발생하는 상황에서 현저해질 수 있다. 이 결과, 다음과 같은 문제가 적어도 하나 발생할 수 있다.
첫 번째로, 전개 상태로 소정 시간이 경과한 후 처리실 내의 잔류 가스의 농도가 달라진다.
두 번째로, 전개로 천이(遷移)될 때 정률 제어를 개재해도 게인 등의 차이는 시스템의 과도 응답 특성의 차이를 일으키므로, 전개로부터 정압 동작으로의 천이 시점에서의 처리실 압력 또는 밸브 개도가 달라지고, 정압 동작 중에 목표 압력으로 유지되는 시간이나 정밀도도 달라진다.
세 번째로, 배기 유속의 변화에 따라 레이놀즈수가 변화되고, 웨이퍼(W) 표면 부근의 소용돌이나 난류의 정황이 변화하고, 패터닝된 트렌치나 비어로부터의 흡착 가스의 탈출(표면에서의 탈리와 크누센 확산을 동반한다.)의 속도가 변화한다. 그 결과, 성막의 품질에 영향을 미친다. 발명자들은 질화실리콘막의 퇴적에서 42mm의 리프트량의 레인지에 대하여 전개 시의 오버슈트에 ±0.4mm의 기차가 있으면, 조성(질소의 농도)이 변화한다는 사실을 확인했다.
상기 세 번째 문제는 공기압 제어부(130)의 서보계의 특성에 강하게 의존하는 오버슈트량에 기차가 있을 경우, 스케일 조정 회로(108)의 게인 조정만으로는 불완전할지도 모른다는 것을 시사한다. 공기압 제어부(130)의 특성에 기차를 발생시킬 수 있는 요인으로서 시간 개폐 동작 밸브(133)의 불감대(不感帶)가 있다. 이에 의해 도 5에 도시하는 바와 같이 공기압 제어부(130)에 그 특성을 조정하는 수단으로서 오버슈트량 조정기(136)를 설치할 수 있다. 오버슈트량 조정기(136)는 위치 제어 회로(131)의 PID 제어의 각 파라미터를 조작 가능하도록 구성된다. 또한 위치 제어 회로(131)가 펄스 드라이브 회로(132)에 부여하는 시간 개폐 동작 밸브 내의 2개의 밸브의 개폐 시간을 나타내는 2개의 신호를 정류화 램프(ReLU: REctified Linear Unit) 함수로 발생시키는 경우에 그 원점 오프셋 또는 불감대를 조작 가능하도록 구성될 수 있다. 스케일 조정 회로(108)와 오버슈트량 조정기(136)를 포함하는 밸브 개도의 상한을 설정 가능한 수단을 총칭하여 스팬 조정 회로라고 부르기로 한다. 오버슈트량 조정기(136)는 위치 제어 회로(131)에 상시 일정한 파라미터를 설정하도록 구성되거나 또는 오버슈트가 발생할 수 있을 때 특별한 대용의 파라미터를 설정하도록 구성될 수 있다.
도 7에 피드백 제어에서의 처리실 압력 및 리프트량의 시간 응답의 예를 도시한다. 이 그래프에서는 APC 밸브(42)를 전폐(또는 소정의 정압 제어)로부터 전개로 절체하고, 전개 상태로 소정량의 가스를 처리실에 계속해서 공급하여 50초 후에 도달 진공도에 가까운 50Pa의 정압 제어로 이행하는 동작을 시켰을 때의 처리실의 포텐셔미터(418)의 출력이 도시된다. 전개로 절체된 직후부터 처리실 압력은 지수 함수적으로 순조롭게 감소하고, 정압 제어로 이행한 후에도 헌팅 등은 찾아볼 수 없다. 정밀하게 분석하면, 정압 제어로의 이행 시에서의 처리실 압력은 기준 게인 GRef에 따라 근소하게 다르고, 기준 게인 GRef가 클수록 처리실 압력은 낮다.
한편, 리프트량은 전개로 절체된 직후, 도 6과 같은 가벼운 오버슈트를 일으킨 후는 기준 게인 GRef에 따른 개도를 안정적으로 유지한다. 하지만 정압 제어로 이행하면 이행의 충격에 의해 바람직하지 못한 헌팅이 발생한다. 이 헌팅은 정압 제어로의 이행 시에서의 처리실 압력과 정압 제어의 목표 압력(50Pa)의 차이에 민감하다. 이 헌팅은 리프트량에 의한 압력의 변화가 적은 진공 영역이기 때문에 리프트량을 크게 진동시키고, 그 결과, 10초간의 정압 제어 후의 전폐 또는 정압 제어에서의 리프트량의 초기값을 교란시킬 수 있다.
이로부터 스팬 조정 회로의 게인 등은 다음 방법에 의해 교정된다.
첫 번째 교정 방법에서는 수렴 특성에 기초하여 기준 게인 GRef를 교정한다. 즉 메인 컨트롤러(200)는 도 7과 같은 배기 동작 패턴을 포함하는 레시피를 반복하는 프로세스를 실행하는 동안에 전개로부터 정압 제어로 이행하는 직전 또는 정압 제어의 최후에서의 처리실 압력을 복수 회(예컨대 반복 횟수) 측정해서 평균화한다. 그리고 이를 기준 처리실 압력과 비교하여 측정값이 높으면 스케일 조정 회로(108)의 기준 게인 GRef를 조금 크게 되도록 수정하고, 반대로 측정값이 작으면 기준 게인 GRef를 조금 작아지도록 수정하고, 그 결과를 밸브 컨트롤러(41)에 통지한다. 수정량은 최급 강하법이나 MMSE(Minimum Mean Square Error) 기준, 동적 계획법, 모의 어닐링법, 근방 탐색법 등의 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 근방 탐색법은 수정되어 기준 게인 GRef에 의해 오차가 작아지면 그 수정을 채택하고, 오차가 커지면 그 수정을 파기하고, 다음 시행에서는 부호를 반전시킨 수정량을 이용하는 알고리즘이다.
두 번째 교정 방법에서는 정압 제어에서의 과도 응답 특성에 기초하여 기준 게인 GRef를 교정한다. 즉 밸브 컨트롤러(41)는 전술한 정압 제어의 기간을 메인 컨트롤러(200)로부터 통지되면, 그 기간에서의 헌팅의 횟수, 기간의 최후에서 측정한 리프트량 또는 실린더 압력 및 그것들의 시간 미분을 기록하고 평균화한다. 그리고 이들을 기준 횟수, 기준 리프트량 또는 기준 실린더 압력, 기준 미분 리프트량 또는 기준 미분 실린더 압력과 각각 비교하고, 그 결과에 기초하여 스케일 조정 회로(108)의 기준 게인 GRef를 상기와 같은 알고리즘을 이용하여 약간 수정한다. 이때 리프트량 또는 실린더 압력이 그 기준값에 일치만 하면, 횟수나 미분값은 불일치 상태이어도 좋다.
세 번째 교정 방법에서는 전개 시의 과도 응답 특성에 기초하여 공기압 제어부(130)의 파라미터를 조정한다. 즉 메인 컨트롤러(200)는 소정의 레시피를 실행 중에 전폐 또는 소정의 압력의 정압 제어로부터 전개로 이행한 직후의 리프트량의 오버슈트량을 밸브 컨트롤러(41)에 측정시켜, 그것을 복수 기록해서 평균화한다. 그리고 기준 오버슈트량과 비교하고, 그 결과에 기초하여 오버슈트량 조정기(136)의 파라미터를 상기와 같은 알고리즘을 이용하여 약간 수정한다. 첫 번째 내지 세 번째 교정 방법은 병용할 수 있다.
<진공 압력 제어 시스템의 변형예 1>
진공 압력 제어 시스템(43)은 밸브 개도 지령값을 출력하는 적분 회로(104)의 출력에 게인 G를 곱셈하고 나서 오프셋값 B를 가산했지만, 반대이어도 좋다. 또는 포텐셔미터(418)의 출력에 게인을 곱셈해도 좋다. 이 경우, 게인을 변경하면 리크 시작 위치에 대응하는 바이어스값도 변하므로 바이어스값의 갱신이 필요해진다.
<진공 압력 제어 시스템의 변형예 2>
진공 압력 제어 시스템(43)은 밸브 개도 지령값을 출력하는 적분 회로(104)의 출력에 오프셋값 B나 게인 G를 수행하여 밸브 개도 지령값의 레인지를 조정했지만, 적분 회로(104)의 출력의 하한값이나 상한값을 직접 설정하는 것에 의해서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 하한값은 오프셋값 B와 같아도 좋고, 상한값은 고정(5V) 또는 GRef의 교정 방법과 마찬가지로 정할 수 있다.
변형예 2에서는 상한값은 하한값과는 독립적으로 일의(一意)로 설정할 수 있으므로 오프셋값 B에 추종시키는 수정은 불필요하다. 단, 밸브 개도 지령값의 최종적인 값이 단일의 적분 회로에 의해 결정될 필요가 있으며, PID 제어의 구성이 한정된다.
<진공 압력 제어 시스템의 변형예 3>
진공 압력 제어 시스템(43)은 리프트량을 조작량으로 하는 제어계로서 구성되지만, 특허문헌 3과 같이 실린더 압력을 조작량으로 하는 제어계로서 구성해도 좋다. 압력 센서(150)의 압력과 진공계(40)의 압력의 합산값은 밸브 개도와 잘 대응하고, 리프트량과는 스케일이 다를 뿐, 실질적으로 같은 것을 나타낸다. 즉 이 압력 합산값을 밸브 개도 지령값으로 일치시키는 듯한 제어를 수행한다. 전개에 상당하는 밸브 개도 지령값(압력 합산값)은 그 최대값이 소정의 전개 기준값과 일치하도록 게인 또는 적분 상한값를 설정하는 것에 의해 정할 수 있다. 변형예 3에서는 포텐셔미터는 불필요하다.
<기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법>
다음으로 기판 처리 장치(10)를 이용하여 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 기판 상에 막을 형성하는 처리(이하, 성막 처리라고도 부른다.)의 시퀀스예에 대해서 설명한다. 여기서는 기판으로서의 웨이퍼(W)에 대하여 제1 처리 가스(원료 가스)와 제2 처리 가스(반응 가스)를 교호적으로 공급하는 것에 의해 웨이퍼(W) 상에 막을 형성하는 예에 대해서 설명한다.
이하, 도 8을 참조하여 원료 가스로서 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스를 이용하고, 반응 가스로서 암모니아(NH3) 가스를 이용하여 웨이퍼(W) 상에 실리콘 리치인 실리콘질화막(이하, SiN막이라고도 부른다.)을 형성하는 예에 대해서 설명한다. 또한 이하의 설명에서 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 메인 컨트롤러(200)에 의해 제어된다.
본 실시 형태에서의 성막 처리에서는 처리실(24) 내의 웨이퍼(W)에 대하여 HCDS 가스를 공급하는 공정(S201)과, 처리실(24) 내에서 HCDS 가스(잔류 가스)를 제거하는 공정(S202)과, 처리실(24) 내의 웨이퍼(W)에 대하여 NH3 가스를 공급하는 공정(S203)과, 처리실(24) 내에서 NH3 가스(잔류 가스)를 제거하는 공정(S204)을 비동시에 수행하는 사이클을 소정 횟수(1회 이상) 수행하는 것에 의해 웨이퍼(W) 상에 SiN막을 형성한다.
또한 본 명세서에서 「웨이퍼」라고 말하는 용어는 「웨이퍼 그 자체(베어 웨이퍼)」 외에 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체(복합체)」를 의미한다. 마찬가지로 「웨이퍼의 표면」이라는 용어는 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면, 즉 적층체로서의 웨이퍼의 최표면(最表面)」을 의미하는 경우가 있다. 「기판」이라는 용어의 해석도 「웨이퍼」와 마찬가지다.
(S101: 웨이퍼 차지 및 보트 로드)
우선 복수 매의 웨이퍼(W)가 보트(26)에 장전(웨이퍼 차지) 되면, 보트(26)는 보트 엘리베이터(52)에 의해 처리실(24) 내에 반입(보트 로드) 된다. 이때 씰 캡(46)은 O링(48)을 개재하여 매니폴드(22)의 하단을 기밀하게 폐색(씰)밑한 상태가 된다. 웨이퍼 차지를 하기 전의 스탠바이의 상태부터 매니폴드(22)의 하단이 기밀하게 폐색되면, 밸브(34c)를 열고 처리실(24) 내 단열 영역에의 퍼지 가스의 공급을 시작한다. 단열 영역의 하방 위치부터 상방을 향하여 공급된 퍼지 가스는 단열부(54) 및 단열부(54)의 주위를 포함하는 단열 영역을 퍼지하고, 서브 배기구(62)로부터 배기된다. 퍼지 가스의 단열 영역의 하방으로부터 상방을 향한 공급을 유지하고, 단열 영역을 향하는 측방에 설치된 서브 배기구(62)로부터 배기하는 것에 의해 단열부(54)의 주위(단열 영역)에 공급된 퍼지 가스가 성막 영역에 확산되는 것이 억제된다. 또한 웨이퍼 차지를 하기 전의 스탠바이의 상태부터 밸브(34c)를 열림(開)으로 하고 단열부(54)에 대한 퍼지 가스의 공급을 시작해도 좋다. 이 경우, 웨이퍼 차지 중에 외부로부터 침입되는 파티클이 단열부(54)에 부착되는 것을 막을 수 있다.
(S102: 압력 조정 및 온도 조정)
처리실(24) 내, 즉 웨이퍼(W)가 존재하는 공간이 소정의 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(44)에 의해 진공 배기(감압배기)된다. 이때 처리실(24) 내의 압력은 진공계(40)에서 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(42)가 피드백 제어된다. 진공 펌프(44)는 적어도 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다.
또한 처리실(24) 내의 웨이퍼(W)가 소정의 온도가 되도록 히터(14)에 의해 처리실(24) 내가 가열된다. 이때 처리실(24) 내가 소정의 온도 분포가 되도록 온도 검출부(56)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(14)로의 통전 상태가 피드백 제어된다. 히터(14)에 의한 처리실(24) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
또한 회전 기구(58)에 의한 보트(26) 및 웨이퍼(W)의 회전을 시작한다. 회전 기구(58)에 의해 회전축(60)을 개재하여 보트(26)가 회전되는 것에 의해 웨이퍼(W)가 회전된다. 회전 기구(58)에 의한 보트(26) 및 웨이퍼(W)의 회전은 적어도 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
(S103: 성막 처리)
처리실(24) 내의 온도가 미리 설정된 처리 온도로 안정되면, 다음 4개의 스텝, 즉 스텝(S201, S202, S203, S204)을 순차 실행한다.
(S201: 원료 가스 공급)
이 스텝에서는 처리실(24) 내의 웨이퍼(W)에 대하여 HCDS 가스를 공급하고, 웨이퍼(W)의 최표면 상에 제1층으로서 예컨대 1원자층 미만 내지 수 원자층의 두께의 실리콘(Si) 함유층을 형성한다.
밸브(34a)를 열고 가스 공급관(30a) 내에 HCDS 가스를 흘린다. HCDS 가스는 MFC(32a)에 의해 유량 조정되고, 노즐(28)의 가스 토출공(28A), 공급 버퍼(24A) 내의 가스 공급 공간, 가스 공급구(36A)를 개재하여 처리실(24) 내의 처리 영역에 공급되고, 가스 배기구(36B), 배기 버퍼를 개재하여 배기관(38)으로부터 배기된다. 또한 동시에 밸브(34b)를 열고 가스 공급관(30b) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 MFC(32b)에 의해 유량 조정되고 노즐(28)의 가스 토출공(28A), 공급 버퍼(24A) 내의 가스 공급 공간, 가스 공급구(36A)를 개재하여 HCDS 가스와 함께 처리실(24) 내의 처리 영역에 공급되고, 가스 배기구(36B), 배기 버퍼를 개재하여 배기관(38)으로부터 배기된다. 이때 진공 압력 제어 시스템(43)은 제1 압력을 목표 압력으로 하는 정압 제어를 수행한다. 단 스텝(S201)의 초기에서는 목표 압력에 비해 처리실 압력이 상당히 낮기 때문에 APC 밸브(42)는 전폐가 되고, 말기에서도 전폐 또는 근소하게 열린 정도다.
(S202: 원료 가스 배기)
제1층이 형성된 후, 밸브(34a)를 닫고 HCDS 가스의 공급을 정지하는 것과 함께, 목표 압력을 0로 하는 정압 제어(즉 전개 제어)를 수행한다. 이에 의해 처리실(24) 내를 진공 배기하고, 처리실(24) 내에 잔류하는 미반응 또는 제1층의 형성에 기여한 후의 HCDS 가스를 처리실(24) 내로부터 배출한다. 이때 밸브(34b)를 연 상태로 하여 N2 가스의 처리실(24) 내로의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(24) 내에 잔류하는 가스를 처리실(24) 내로부터 배출하는 효과를 높일 수 있다. 도달 진공도의 편차가 막질에 영향을 미치는 경우에는 목표 압력을 도달 가능한 소정의 값(예컨대 50Pa)으로 설정할 수 있고, 목표 압력은 도 7에 도시한 바와 같이 도중에 50Pa로 변경해도 좋다.
(S203: 반응 가스 공급)
스텝(S202)이 종료된 후, 처리실(24) 내의 웨이퍼(W), 즉 웨이퍼(W) 상에 형성된 제1층에 대하여 NH3 가스를 공급한다. 열로 활성화된 NH3 가스는 스텝(S201)로 웨이퍼(W) 상에 형성된 제1층(Si 함유층)의 적어도 일부와 반응하고, Si 및 N을 포함하는 제2층(실리콘 질화층)으로 변화(개질)된다.
이 스텝에서는 밸브(34a, 34b)의 개폐 제어를 스텝(S201)에서의 밸브(34a, 34b)의 개폐 제어와 마찬가지의 순서로 수행한다. NH3 가스는 MFC(32a)에 의해 유량 조정되어 노즐(28)의 가스 토출공(28A), 공급 버퍼(24A) 내의 가스 공급 공간, 가스 공급구(36A)를 개재하여 처리실(24) 내의 처리 영역에 공급되고, 가스 배기구(36B), 배기 버퍼를 개재하여 배기관(38)으로부터 배기된다. 이때 진공 압력 제어 시스템(43)은 제2 압력을 목표 압력으로 하는 정압 제어를 수행한다. 단 스텝2의 초기에서는 APC 밸브(42)는 전폐가 된다.
(S204: 반응 가스 배기)
제2층이 형성된 후, 밸브(34a)를 닫고, NH3 가스의 공급을 정지하는 것과 함께, 목표 압력을 0로 하는 정압 제어(즉 전개 제어)를 수행한다. 이에 의해 처리실(24) 내를 진공 배기하여 처리실(24) 내에 잔류하는 미반응 또는 제2층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스를 처리실(24) 내로부터 배출한다. 이때 스텝(S202)과 마찬가지로 소정량의 N2 가스를 퍼지 가스로서 처리실(24) 내에 공급할 수 있다.
(S205: 소정 횟수 실시)
전술한 공정(S201 내지 S204)의 스텝을 시간적으로 오버랩 시키지 않고 순차 수행하는 사이클을 소정 횟수(n회) 수행하는 것에 의해 웨이퍼(W) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiN막을 형성할 수 있다. 스텝(S201)이나 스텝(S203)으로 형성되는 제1 및 제2층의 두께는 반드시 자기 한정적이지 않기 때문에 안정된 막질을 얻기 위해서는 가스에 폭로되는 동안의 가스 농도나 시간은 높은 재현성으로 정밀하게 제어될 필요가 있다. 또한 반복되는 사이클 내에서 공정(S201)과 공정(S202) 또는 공정(S203)과 공정(S204)을 복수 회 반복해서 실시해도 좋다.
(S104: 보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
처리실(24) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(24) 내의 압력이 상압에 복귀되면, 보트 엘리베이터(52)에 의해 씰 캡(46)이 하강되어 매니폴드(22)의 하단이 개구된다. 그리고 처리 완료된 웨이퍼(W)가 보트(26)에 지지된 상태에서 매니폴드(22)의 하단으로부터 반응관(18)의 외부에 반출된다(보트 언로드). 처리 완료된 웨이퍼(W)는 보트(26)로부터 취출(取出)된다(웨이퍼 디스차지).
본 개시는 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다. 당업자는 전술한 실시 형태를 감압 하에서 막을 형성하는 처리에 널리 적용할 수 있고, 또한 산화 처리, 확산 처리, 어닐링 처리, 에칭 처리 등에도 적용할 수 있을 것이다. 처리 가스는 3종류 이상의 원료 가스나 반응 가스를 조합해서 이용할 수 있다.
<본 개시의 바람직한 형태>
이하, 부기(付記)로서 본 개시의 바람직한 형태를 기재한다.
(부기 1)
처리실과 진공 펌프 사이에 접속되고, 작동 유체에 의해 밸브 개도를 조작해서 상기 처리실 내의 진공 압력을 제어하는 진공 압력 제어 시스템으로서,
상기 처리실과 상기 진공 펌프를 접속하는 유로와 상기 유로에 형성되는 밸브좌를 포함하는 밸브 보디;
상기 밸브 보디에 접속되고, 소정의 축 방향으로 운동 가능하도록 피스톤을 수용하는 실린더;
상기 피스톤에 연결되고, 상기 밸브좌로의 당접에 의한 상기 유로의 차단 또는 상기 밸브 개도에 따라 상기 밸브좌로부터 이간되는 밸브체;
상기 밸브 개도를 검출하는 센서;
상기 센서가 검출한 상기 밸브 개도 및 상기 처리실 내의 진공 압력과 진공 압력 목표값의 편차에 기초하여 상기 밸브 개도를 제어하는 밸브 개도 제어 신호를 출력하는 제1 제어 회로; 및
상기 밸브 개도 제어 신호에 기초하여 상기 피스톤으로의 작동 유체의 공급을 제어하는 전공 제어 신호를 출력하는 제2 제어 회로
를 포함하고,
상기 제1 제어 회로는 상기 밸브 개도 제어 신호의 상한값이 물리적인 전개보다 개도가 작은 소정의 전개에 대응하도록 상기 밸브 개도 제어 신호의 게인을 조정하는 스케일 조정 회로를 포함한다.
10: 기판 처리 장치 12: 처리로
14: 히터 16: 히터 베이스
18: 반응관 18A, 18B: 칸막이부
18C: 플랜지부 19: 배기 포트
22: 매니폴드 24: 처리실
24A: 공급 버퍼 24B: 배기 버퍼
28: 노즐 30: 가스 공급관
32: 매스 플로우 컨트롤러 34: 밸브
36A: 가스 공급구 36B: 가스 배기구
38: 배기관 40: 진공계
41: 밸브 컨트롤러 42: APC 밸브
43: 진공 압력 제어 시스템 44: 진공 펌프
54: 단열부 62: 서브 배기구
121: 인터페이스 회로 122: 진공 압력 제어 회로
123: 순서 제어 회로 130: 공기압 제어부
131: 위치 제어 회로 150: 압력 센서
200: 메인 컨트롤러 420: 진공 밸브

Claims (10)

  1. 기판을 처리하는 처리실;
    상기 처리실을 배기하는 진공 펌프;
    상기 처리실과 상기 진공 펌프를 접속하는 유로와 상기 유로에 형성되는 밸브좌(弁座)를 포함하는 밸브 보디;
    상기 밸브 보디에 접속되고, 소정의 축 방향에 운동 가능하도록 피스톤을 수용하는 실린더;
    상기 피스톤에 연결되고, 상기 밸브좌로의 당접에 의한 상기 유로의 차단 또는 밸브 개도(開度)에 따라 상기 밸브좌로부터 이간되는 밸브체;
    상기 밸브 개도를 검출하는 센서; 및
    상기 밸브 개도를 제어하는 밸브 컨트롤러
    를 구비하고,
    상기 밸브 컨트롤러는,
    상기 센서가 검출한 상기 밸브 개도 및 상기 처리실 내의 진공 압력과 진공 압력 목표값의 편차에 기초하여 상기 밸브 개도를 제어하는 밸브 개도 제어 신호를 출력하는 제1 제어 회로;
    상기 밸브 개도 제어 신호에 기초하여 상기 피스톤으로의 작동 유체의 공급을 제어하는 전공(電空) 제어 신호를 출력하는 제2 제어 회로; 및
    상기 밸브 개도의 상한이 물리적인 전개(全開)보다 개도가 작은 소정의 전개가 되도록 상기 제1 제어 회로 또는 제2 제어 회로를 조정하는 스팬 조정 회로
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 컨트롤러는 상기 밸브 개도 제어 신호의 하한값이 상기 처리실의 압력에 의해 변하는 상기 밸브좌의 리크 시작 위치에 대응하도록 상기 밸브 개도 제어 신호의 하한을 조정하는 바이어스 제어 회로를 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스팬 조정 회로는 상기 밸브 컨트롤러가 상기 소정의 전개에 대응하는 밸브 개도 제어 신호를 생성할 때, 상기 밸브 개도가 상기 소정의 전개에 수렴된 상태에서의 개도를 복수의 제어 파라미터를 이용하여 조정하는 것이며,
    상기 제어 파라미터는 상기 지령을 포함하는 소정의 프로세스 레시피를 상기 기판 처리 장치에서 실행했을 때의 상기 처리실 내의 진공 압력의 트레이스에 기초하여 기차(機差)를 보상하도록 설정되는 기판 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 컨트롤러의 상기 스팬 조정 회로는 상기 제2 제어 회로의 PID 제어의 각 파라미터를 조작하거나 상기 실린더 내의 공기 압력을 조정하는 시간 개폐 동작 밸브의 불감대를 조작 가능하도록 구성된 오버슈트량 조정기를 포함하는 것인 기판 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 웨이퍼를 소정의 축을 따라 소정의 간격으로 배열한 상태에서 보지(保持)하는 기판 보지구;
    상기 기판 보지구의 하방(下方)에 배치되는 단열부;
    상기 처리실 내의 상기 복수의 웨이퍼의 측단을 향하여 설치된 개구(開口)에 따라 상기 처리실과 유체 연통하는 가스 공급 기구;
    상기 처리실 내의 상기 복수의 웨이퍼의 측단에 향하여 설치된 배기구에 따라서 상기 처리실과 유체 연통되는 가스 배출 기구; 및
    상기 밸브 보디와 상기 실린더와 상기 밸브체와 상기 센서와 상기 밸브 컨트롤러를 포함하는 진공 압력 제어 시스템
    를 더 구비하고,
    상기 기판 보지구 및 상기 단열부는 상기 처리실에 형성된 통 형상의 공간에 수용되는 것인 기판 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스팬 조정 회로는 기준 게인을 보지하고, 상기 밸브 개도 제어 신호의 게인은 상기 기준 게인을 상기 밸브 개도 제어 신호의 오프셋의 변화에 따라 조정하는 것에 의해 산출되는 기판 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 밸브체 리프트량을 검출하는 포텐셔미터이고,
    상기 게인은 상기 밸브 개도 제어 신호의 출력을 최대 또는 바이어스를 0로 했을 때 상기 센서의 출력하는 개도가 상기 소정의 전개에 대응하도록 조정되는 기판 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    웨이퍼의 성막 프로세스에서 정압 제어와 전개 제어를 포함하는 동작 패턴과 동일한 동작 패턴으로, 상기 밸브 개도 또는 상기 처리실 내의 진공 압력의 응답을 측정하고, 그것을 표준이 되는 응답과 대조하여 상기 표준에 근접하도록 상기 게인을 수정하는 기판 처리 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 처리실 내의 진공 압력에 의해서 받는 힘과 반대되는 방향으로 상기 밸브체를 상기 밸브좌로 상시 부세(付勢)하도록 구성된 씰링 힘(sealing force) 부여 수단을 더 포함하고,
    상기 제1 제어 회로가 상기 밸브 개도를 최소화하는 동안, 상기 바이어스 제어 회로는 상기 처리실의 진공 압력과 상기 실린더의 압력의 합산값을 기준 압력과 비교하고, 오차에 따라서 바이어스 값을 조정하는 것인 기판 처리 장치.
  10. 제4항에 따른 기판 처리 장치를 이용한 반도체 장치의 제조 방법으로서,
    (a) 상기 진공 압력 제어 시스템이 상기 처리실 내의 진공 압력을 일정하게 제어하면서 상기 처리실 내에 원료 가스 또는 반응 가스를 공급하는 공정; 및
    (b) 상기 진공 압력 제어 시스템이 상기 밸브 개도를 상기 소정의 전개로 제어하면서 상기 처리실 내를 배기하는 공정
    을 포함하고,
    상기 공정 (a)와 상기 공정 (b)는 반복 수행되는 것인 반도체 장치의 제조 방법.
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