(57)【要約】  参照符号（１）で示す基材加工システム。基材（２）基材載置位置（３a）と加工位置（３b）の双方において図示してあるピストン（３）に載置されている。基材はドア（５）からポート（４）を介して載置される。載置領域（７a）および/または残るチャンバー空間（７）は（図示しない)ポンプと接続する真空排気パイプ(6)を介してポンプアウトすることができる。簡略化して図示した線形駆動機構（８）がチャンバー内でピストンおよび基材を上昇させることによって、ピストンとチャンバー壁とが密着した状態の、チャンバーのプロセス・ボリュームが画定される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材をプロセス・ボリューム内に収容するためのチャンバーと、プロセス・サイクルに従ってプロセス・ボリュームを変化させるための変位可能な可動壁を含み、１つのプロセス・サイクルで基材を加工する装置。
【請求項２】
排気口を含み、プロセス・サイクルのうちの洗浄時間に亘って可動壁を移動させることによりプロセス・ボリュームを縮小させ、これによって排気口を介してプロセス・ボリュームからガスを一掃するように構成された請求項１に記載の装置。
【請求項３】
プロセス・サイクルのうちのそれぞれの洗浄時間に亘って動作することができる複数の排気弁を設けた請求項２に記載の装置。
【請求項４】
プロセス・ガスの導入口を含み、プロセス・サイクルのうちの加工時間に亘って可動壁を移動させることにより導入口を介してプロセス・ガスを引き込むように構成された請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
それぞれのプロセス・ガスのための複数の吸気弁を設けた請求項４に記載の装置。
【請求項６】
洗浄用ガス導入口を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
洗浄用ガス導入口がプロセス・ガス導入口である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
可動壁によって決定される最大および最小プロセス・ボリュームの比が約５：１〜約１００：１である請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
ボリューム比が約１０：１である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
可動壁の移動によって生ずる圧縮比が約５：１〜約１００：１である請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
圧縮比が約１０：１である請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
可動壁が直接基材支持体として作用するか、または基材支持体を具備している請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
可動壁が基材載置/非載置位置とプロセス・チャンバー画定位置との間でも移動可能である請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
可動壁をプロセス・チャンバーの延長部に配置した請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
チャンバーと延長部が共通のハウジングを有する請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
延長部がチャンバーと隣接している請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
基材支持体を含み、可動壁が基材支持体とほぼ対向している請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
基材支持部を囲んで可動壁および基材支持部と共にプロセス・チャンバーを画定する固定ハウジングをも含む請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
可動壁および/またはハウジングが複数の部品を含み、その少なくとも２つが相対運動することによって基材支持体上への基材載置を可能にする請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
可動壁がピストンである請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
基材をプロセス・ボリューム内に配置し、プロセス・ボリュームにプロセス・ガスまたは蒸気を導入および/またはこれに続いてボリュームからガスまたは蒸気を除去するステップを含む基材加工方法において、ガスの導入および/または除去ステップの少なくとも一部が可動壁を移動させてプロセス・ボリュームを適正に変化させることによって行なう基材加工方法。
【請求項２２】
導入および除去のステップを順次繰返す請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
加工が化学蒸着加工である請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
加工が原子層形成である請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
加工がドライ・エッチングである請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２６】
請求項２１〜２５のいずれか１項に記載の方法に従って装置を動作させるためのコントローラーを含む請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン・ウエハーのような基材への、または基材からの材料薄層形成および／または除去のための装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
最近の薄層形成およびエッチング方法の多くは薄膜形成または深層構造のエッチングに不連続のステップを採用している。これらのステップは（バッチであれ単一ウエハーであれ）１つのプロセス・チャンバーにおいて行なわれることが好ましい。
【０００３】
例えば、原子層形成（ＡＬＤ-原子層エピタキシーの名称でも知られている）は自己制御表面反応が極めて均一なコーティングを形成する。ＡＬＤやこれに似た製法、例えば、ＨｆＯ2またはアルミナのような極めて薄く、誘電率（Ｋ)の高いフィルムを形成する設備の生産性を高める必要性が増大しつつある。アルミナのような層のＡＬＤに際しては、トリメチル・アルミニウムＡｌ（ＣＨ3)のようにアルミニウムを含有する反応ガスを基材が収容されているチャンバーへ先ず導入することによって、このガスの単層を表面に付着させ、多くの場合、表面に浸透させる。次いで、ポンピングだけで、または窒素または水素のような（このプロセスに対する）不活性ガスを併用してこの単層ガス以外のすべてをチャンバーから除去する洗浄が必要となる。次に、水蒸気のような酸化剤をチャンバーに流入させてトリメチル・アルミニウムと表面反応させることによって、アルミナ単層を形成する。次いで、余剰の酸化剤および反応副生成物をポンプアウトし、チャンバーを洗浄し、所要の膜厚が得られるまでサイクルを繰返す。
【０００４】
従って、サイクル・タイム＝
露光Ａ ＋ 洗浄Ａ ＋ 露光Ｂ ＋ 洗浄Ｂ
【０００５】
終始洗浄を利用するのは反応物を充分除去型は希釈することを意味する。この洗浄は当業者には公知のように、ポンピングだけで、またはポンピングと不活性（洗浄）ガス流入とで、またはこれら２つを任意のシーケンスで行なうことによって達成できる。
【０００６】
ＡおよびＢは形成される薄膜の前駆体を表わす。これはあくまでも例であり、この分野を調査すれば、このような段階を追った薄層形成方法の例はほかにもあることが判明するであろう。
【０００７】
この２ステップ方法は高品質の薄膜を形成し、他の製法パラメータに対して比較的影響されないが、１つのステップで形成される単層を重ねて所期の層が得られるから製造速度が極めて低い。
【０００８】
必要な露光時間は極めて短いから、薄膜形成速度を高めるための公知のアプローチは露光時間をさらに短くすることにある。確かに露光時間を極めて短い時間、例えば、１秒未満縮めることはできるが、前駆体露光ステップ後にプロセス・チャンバーを充分洗浄するのが必須条件である。
【０００９】
現在のところ、洗浄時間を露光時間のように短くする方法は無く、現状で最善の製法においても、総サイクル・タイムの恐らく７５％がチャンバーの洗浄に（非生産的に）費やされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、プロセス・チャンバーから迅速にガス状内容物を抜く方法が実現すれば、ＡＬＤおよびその他の段階を追った製法を行なう設備の生産性を高める上で有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一面から見れば、本発明はプロセス・ボリュームに基材を収容するためのチャンバーと、プロセス・サイクルに応じて変位させてプロセス・ボリュームを変化させるための可動壁とを含み、１つのプロセス・サイクルで基材を加工する装置から成る。
【００１２】
この装置は排気口を含むことができ、プロセス・サイクルのうちの洗浄時間中にプロセス・ボリュームから排気口を通してガスを排除するため可動壁を移動させることによってプロセス・ボリュームを縮小させることができる。特に好ましい実施形態では、プロセス・サイクルのうちのそれぞれの洗浄時間において動作可能な複数の排気口を有する。
【００１３】
この装置はプロセス・ガス導入口をも含むことができ、プロセス・サイクルのうちのプロセス時間中に可動壁を移動させることによってこの導入口を介してプロセス・ガスを吸引させることができる。
【００１４】
洗浄用ガスの導入口をも設け、この洗浄用ガス導入口をプロセス・ガス導入口によって構成することができる。
【００１５】
可動壁によって設定される最大および最小プロセス・ボリュームの比は約５：１〜１００：１であればよい。特に好ましい構成において、このボリューム比は約１０：１である。
【００１６】
可動壁の移動によるプロセス・ボリュームの圧縮比は約５：１〜約１００：１であればよく、１０；１であることが特に好ましい。
【００１７】
可動壁は直接基材支持体として作用するか、または基材支持体を具備し、この場合、可動壁は基材載置/非載置位置とプロセス・チャンバー画定位置との間でも移動可能である。
【００１８】
可動壁はプロセス・チャンバーの延長部に配置することができ、この場合、チャンバーと延長部とは共通のハウジングを有することができる。加えて、またはこれに代わる構成として、延長部をチャンバーと隣接させることもできる。
【００１９】
他の実施形態において、この装置は基材支持体を含むことができ、可動壁を基材支持体とほぼ対向させることができる。この場合、装置は基材支持体を囲んで可動壁および支持体と共にプロセス・チャンバーを画定する固定ハウジングを含むことができる。可動壁および/またはハウジングは複数の部品を含み、そのうちの少なくとも２つが相対運動することによって基材支持体への基材のローディングを可能にする。
【００２０】
いずれの場合にも可動壁はピストンの形態を取ることができる。
【００２１】
別の面から見て、本発明は基材をプロセス・ボリューム内に配置し、プロセス・ボリュームにプロセス・ガスまたは蒸気を導入および/またはこれに続いてボリュームからガスまたは蒸気を除去するステップを含む基材加工方法から成り、この方法では、ガスの導入および/または除去ステップの少なくとも一部が可動壁を移動させてプロセス・ボリュームを適正に変化させることによって行なわれる。
【００２２】
ガス導入および除去ステップは順次繰返すことができる。
【００２３】
行なわれる加工として、原子層形成またはドライ・エッチングまたはその他の好適な加工が挙げられる。
【００２４】
上記の装置は上記方法のそれぞれに合わせて装置を動作させるためのコントローラーを含むことができる。
【００２５】
さらに別の面から見れば、本発明はプロセス・ボリュームを変化させることによって前駆体の露光または洗浄の効率を高める、例えば、ピストンのような可動壁を有する基材プロセス・チャンバーから成る。
【００２６】
可動壁はピストンまたはダイヤフラムの形態を取ることができ、吸気または排気弁のタイミングと協調して移動することができる。
【００２７】
反応物質および洗浄ガスの入出口として（ピストン弁の形態を取ることができる）吸気および排気弁を使用することができる。即ち、可動壁を移動させることによってチャンバー内の蒸気またはガスを積極的に変位させてその除去および／または容積減少（圧力増大）速度を高め、プロセス・チャンバーからの排出速度を高めることができる。また、プロセス・ボリュームを増大させることによってガスの定モル容積の圧力を低下させ、これによって基材全面への充填ガス分布速度を高めることができる。
【００２８】
さらに他の面から見れば、本発明はチャンバーの容積が変化するように可動壁を移動させることによって、化学蒸着反応チャンバーから、または化学蒸着反応チャンバー内へガスまたは蒸気の除去または配分する方法から成る。
【００２９】
プロセス・ボリュームを変化させることによって定量ガスの圧力を変化させれば、段階的な製法のステップごとに動力学的特性の異なるガス流を利用することができる。例えば、可動壁を急激に移動させることによって容積を急激に増大指せれば、チャンバー圧を急速に低下させることができる。同様に、所与の連通度を有する配管であれば、容積縮小／圧力増大によってチャンバーから定量の充填ガスをより迅速に除去することができる。また、可動壁を移動させることによってチャンバー容積を縮小させると、チャンバー内の流体を積極的に変位させることになる。
【００３０】
動力学特性の異なる流体を異なる圧力で利用することによって、吸気／排気弁動作および吸気／排気点を有利に変化させることができ、排気弁および配管を小型化することができ、さらに、ガス噴射口の少ない簡単なガス噴射システムの使用が可能になる。
【００３１】
この可動壁を採用することによって迅速なポンピング-洗浄サイクルが可能になり、本発明ではまた少なくとも２つのチャンバー排気ダクトを設けて第1前駆物質排出ダクトを第２前駆物質排出ダクトから分離することによって前駆物質の再循環を可能にする。
【００３２】
化学蒸着、特に原子層形成方法を以上に述べたが、本発明の装置および方法は他の段階的方法、例えば、基材のプラズマ・エッチングを含むドライ・エッチングの分野、特に、シリコンのディープ・エッチング、例えば、「ボッシュ」法のような複合的な層形成/エッチング方法にも適用できる。
【００３３】
基材としてはシリコンまたは複合ウエハー、ガラス、ポリマーまたはディスク・ドライブ・ヘッドが考えられ、形成される構造物としてはミクロ電子、磁気、無線または光通信装置の部品、例えば、メモリーまたは論理デバイス、ディスプレイ、エミッター、センサー、およびディスクまたは読取または書込ヘッドを含む記憶デバイスが挙げられる。
【００３４】
以上に本発明を定義したが、以上に述べた、または以下の説明に含まれる種々の構成要件の然るべき組み合わせも本発明に含まれる。
【００３５】
本発明は多様な態様で実施することができ、具体的な実施形態を例に取り、添付図面を参照しながら本発明の詳細を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１には機材加工システム１を示す。基材２は、載置位置３aと加工位置３bとの位置で示すピストン３上に位置する。基材は必要ならドア５を設けたポート4を通って送入される。載置領域７aおよび/またはチャンバー７全体を（図示しない）ポンプに接続する真空排気パイプ６を介してポンプアウトすることができ、ピストンが加工位置３bに来ると、このパイプ系はピストン３の下側に真空ポンピング作用を働かせる（ピストンはプロセス・ボリューム７bからの真空排気パイプ６を効果的に弁閉鎖する）。
【００３７】
簡略化して図示する（例えば、クランクのような）線形駆動機構がピストンおよび基材をチャンバー内で上昇させ、ピストンとチャンバー壁とが密着した状態の、チャンバーのプロセス・ボリューム７bが画定される。次いで線形駆動機構はピストンをプログラムされている速度および距離で上下させ、ガスまたは蒸気が吸気弁９を介してチャンバー内へ導入され、排気弁１０を介してチャンバーから排出され、排出されたガスはパイプ１１を介して、好ましくは１つのプロセス・ガスの少なくとも一部を弁９に向かって再循環させることができる抽出物または廃棄物管理システムへ流入することができる。
【００３８】
加工位置におけるピストンの下側へ洗浄用ガスを提供する（図示しない）洗浄用ガス導入口をも設けることができる。但し、真空ポンプ手段によっては、排気弁１０は任意であってもよい。排気弁の主な機能はピストンがチャンバー・ボリュームを急激に膨張させる時に排気がプロセス・チャンバーに逆流入するのを阻止することにある。この機能はプロセス・ボリュームを縮小するためにピストンを移動させる際にも必要である。
【００３９】
プロセスおよび/またはチャンバー壁に対するピストンの密封度を改善するために必要上、ピストン３を回転または回転振動させる場合もある。ピストンは静電力、クリップまたはクランプ・リングのようなウエハー固定手段を含むことができ、ピストンは必要に応じて扁平または凹形に形成することができる。
【００４０】
図面ではチャンバーを一体構造であるかのように簡略化して示してあるが、種類の異なる材料から成る多数の部分から構成し、特に、プロセス・チャンバー７bの周囲に絶縁壁を設けることができる。基材またはチャンバーの洗浄処理や基材の被膜形成またはエッチングの際のプラズマ加工を可能にするため、例えば、アンテナ１３によって無線周波数電力を供給することができる。
【００４１】
図２は本発明の他の実施形態を示す部分図であり、加工中、基材プラテン３０は上下移動せず、これと対向し、略示する線形駆動機構５０によって駆動される閉端シリンダー４０がガスまたは蒸気を積極的に容積変化させる。好ましくは加工温度に合わせて制御されるとともに、静電気作用で、または機械的に基材を固定できるプラテン３０上に基材を載置するため、シリンダー４０（またはその上部）を上昇させる。基材を載置した後、プラテンを囲むように張出し、プロセス・ガスおよび洗浄ガスまたは蒸気の導入口７０および排出口８０を含む下方集合体６０を囲むようにシリンダ（またはその上部）を降下させる。降下位置において、シリンダー４０と下方集合体６０の間には殆ど連通路が存在しない（即ち、気密状態にある）。シリンダー４０を上下２つの部分で構成し、シリンダー上部が降下してシリンダー下部と密封関係に咬合するようにシリンダー下部を下方集合体の周りに恒久的に、例えば、軸受を介して取り付けることができる。下方集合体６０の周りにシリンダー４０を上下駆動することによって、シリンダー４０および下方集合体６０によって画定され、且つガス導入口７０および排出口８０を含むプロセス・ボリューム内のガス容積を積極的に変化させる。要約すれば、シリンダー４０は真空または制御された雰囲気内に存在する。
【００４２】
この実施形態の利点は基材載置プラテンが固定されているから、正確に温度制御され且つ静電固定手段を有する、例えば、加熱または冷却されるセラミック・プラテンのような複雑なプラテンを容易に構成できることにある。
【００４３】
また、ピストンまたは可動壁が基材と対向する必要は無く、ピストンまたは可動壁が移動することでプロセス・ボリュームが著しく変化するなら如何なる位置であってもよい。
【００４４】
さらにまた、チャンバーとピストンの間の相関部分はプロセス・ボリュームの一部として有効であるから、ピストンが実チャンバーから離間すればする程有効プロセス・ボリュームが増大する。即ち、プロセス・ボリューム内の圧力を適当に変化させるためには、ピストンによって押しのけられる容積が増大する必要があり、実際には、ピストンがチャンバー内に位置するか、または殆ど隣接状態にあることが必要である。
【００４５】
図３は（駆動機構８によって線形に駆動される）ピストン３がプラテン１４上に位置する基材２と密接に連動する他の実施形態を示す。基材はドア５を有するポート４を介してチャンバー７へ送入される。吸気弁９および排気弁１０を設けるが、投入される前駆物質を分離するためには、複数の吸気弁および/または排気弁を設ければよく、前駆物質の１つに対応して別の排気パイプ１１を設けた場合、この排気パイプ１１は排出ガスを（図示しない）回収/再循環システムに供給する。ピストンの下側領域１５をプロセス・ボリューム７よりも大きく寸法設定するか、または吸気/排気手段と連通させることによってピストンを自由に動作させることができる。
【００４６】
チャンバー内の流体を圧縮および/または駆逐するにはピストンを１回または複数回上昇させればよく（プロセス・ボリューム縮小）、プロセス・ボリューム圧力を低下させ、流体を引き込んでチャンバーを満たすにはピストンを１回または複数回降下させればよい（プロセス・ボリューム増大）。ピストンの動作に伴って乱流が発生および/または圧力が低下することにより、不均一に噴射されてチャンバー内を高速でガスが移動するから、基材表面のコーティングが一段と均一化する。
【００４７】
ピストンおよび可動壁は高速で移動し、１秒未満でチャンバー洗浄を達成する。
【００４８】
弁の開閉は機械的または電気的または電子的手段によってピストン運動に合わせてタイミング制御することができる。ピストンはリンク機構に取り付けるか、または線形モーターによって駆動することができる。ピストンの速度および移動距離およびストローク数はプロセスの最適化に必要とあれば、プロセス・サイクルのそれぞれのステップを通して同じであっても異なっていてもよい。図４は金属酸化物膜形成に活用できるピストン/弁シーケンス・マトリクスの１例を示す。
【００４９】
場合によっては、ピストンは酸化とチャンバーへの金属含有前駆物質導入との間に行なわれる洗浄ステップにおいてのみ移動する。
【００５０】
反応物質は気化した後、蒸気の状態でチャンバーへ噴射またはポンピングするか、またはチャンバーへの供給時点において霧化または気化することができるが、洗浄用ガスの使用は任意である。
【００５１】
反応物質は、必要ならば熱、無線周波数、光またはその他の電磁周波数によって活性化することができる。
【００５２】
反応物質及び気体は、回収され、濾過され、精製され、新たな反応物質とされてもよい。
【００５３】
装置の圧縮比は最大加工圧力を決定し、特にピストン駆動に線形モーター駆動を選択する場合、使用されるガス、サイクルごとに、および所要の被覆形成を通して変化させることができる。圧力、温度およびその他の加工条件が検知され、検知結果が制御システムにフィードバックされてプロセス制御を可能にする。
【００５４】
基材と対向する面は、ガス分布を改善することにより、被覆層に均一性やガスの消費効率のような加工性または効率性を改善するような形状にすればよい。
【００５５】
１ｍｍにまで圧縮される１０ｍｍの作業間隔を有する直径３００ｍｍのチャンバーを例にとって以下に説明する。
【００５６】
代表的な値：
チャンバー可動壁が１０ｍｍ間隔位置と１ｍｍ間隔位置との間を移動するのに要する時間：０．１秒
加工間隔：１０ｍｍ
加工圧力：１トル
【００５７】
加工圧力１トルで１０ｍｍの加工間隔を間隔１ｍｍまで圧縮すると、圧力１０トルの約７０ｃｃのガスとなる。
【００５８】
真空シミュレーション・ソフトウェアによれば、口径０．５インチ排気口で１００ｍＴまで排気するのに０．２２秒を要する。このソフトウェアはチャンバーが１ｍｍまで圧縮されて初めて排気弁が開放されるのに対して、圧縮ストロークを通して常時排気弁を開放すれば排気がもっと速くなることを想定している。チャンバーを間隔１ｍｍから１０ｍｍまで戻すと、圧力は１０〜１０ｍＴ倍だけ降下する。
【００５９】
１ｍｍの間隔においてピストン移動（上下移動）に０．２秒、排気に０．４２秒、合計０．４２秒で、このように圧縮と拡張と排気を組み合わせることによってチャンバーが１０ｍｍ間隔において１トルから１０ｍＴになる。
【００６０】
チャンバー壁は移動させず、同サイズの排気弁を開放することによるポンピングだけを利用するばあいには、同じ想定に基づいて同じソフトウェアで計算すると３秒を要する。
【００６１】
チャンバーの洗浄効果を高めるには、ポンピングしながら洗浄用ガスを導入すればよい。この方法はチャンバー容積を変化させながら行なうことが好ましい。
【００６２】
１００：１希釈では不充分であり、１０００：１が望ましい場合、極めて口径の大きい配管や弁および極めて高速の低圧ポンプを使用しても、圧縮されていない容積を１ｍＴまでポンピングするのに極めて長い時間を要する。ポンピングだけでは、ベースプレッシャーの反応物質が１デカード増えるごとに時間が極めて非線形的に増大する。ところが、容積変化式チャンバーでは、ベースプレッシャーの反応物質がさらに１デカード増えると、時間が線形的に変化する。例えば、時間が２倍になると、即ち、０．８秒で１００００：１の希釈、...１．２６秒で１００００００：１の希釈...などである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態の簡略図である。
【図２】本発明の他の実施形態の一部を示す管略図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態の管略図である。
【図４】金属酸化物層形成のためのピストン弁シーケンスを示すマトリクスである。
【図１】
2009512206.tif 000002
【図２】
2009512206.tif 000003
【図３】
2009512206.tif 000004
【図４】
2009512206.tif 000005
【国際調査報告】
2009512206.tif 000006
2009512206.tif 000007