(57)【要約】【課題】    処理を開始する際に設定すべき可変バルブの初期開度を複数の使用する処理ガスの種類及び流量に応じて調節することにより真空処理容器の圧力制御を速やかに実施する。【解決手段】  真空処理容器４と、該真空処理用器内に処理ガスを供給するガス供給機構１１と、該真空処理容器の下方に配置した真空ポンプ９と、前記真空処理容器と真空ポンプ間を結ぶ排気通路に設けたバルブ８とを備え、該バルブ８の開度を調整して真空ポンプに流れるガス流量を調整する真空処理装置において、真空処理を開始する際、前記バルブを、前記処理ガスの種類及び供給する処理ガスの流量に応じた開き角度で開放して処理を開始し、真空処理容器の内圧が設定圧力に達したのち前記開き角度のフィードバック制御を開始する。【選択図】  図１
2006222141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理容器と、
該真空処理用器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
該真空処理容器の下方に配置した真空ポンプと、
前記真空処理容器と真空ポンプ間を結ぶ排気通路に設けたバルブとを備え、
該バルブの開度を調整して真空ポンプに流れるガス流量を調整する真空処理装置において、
真空処理を開始する際、前記バルブを、前記処理ガスの種類及び供給する処理ガスの流量に応じた開き角度で開放して処理を開始し、真空処理容器の内圧が設定圧力に達したのち前記開き角度のフィードバック制御を開始することを特徴とする真空処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の真空処理装置において、
前記開き角度は、処理ガスとして使用するガスのうち、分子量が最大のガスにおけるコンダクタンスの予測誤差が最小となるときのガス種調整定数（γ）をもとに排気特性を予測し予測した排気特性をもとに設定することを特徴とする真空処理装置。
【請求項３】
請求項１記載の真空処理装置において、
前記開き角度は、真空処理室に供給する流量を変化させたときに得られる供給流量毎のコンダクタンスの比を表す直線の傾きを表す流量補正調整定数（σ）をもとに排気特性を予測し予測した排気特性をもとに設定することを特徴とする真空処理装置。
【請求項４】
請求項１記載の真空処理装置において、
前記開き角度は、処理ガスとして使用するガスのうち、分子量が最大のガスにおけるコンダクタンスの予測誤差が最小となるときのガス種調整定数（γ）、及び真空処理室に供給する流量を変化させたときに得られる供給流量毎のコンダクタンスの比を表す直線の傾きを表す流量補正調整定数（σ）をもとに排気特性を予測し予測した排気特性をもとに設定することを特徴とする真空処理装置。
【請求項５】
請求項２記載の真空処理装置において、
前記予測誤差は、実測した基準以外のガスのコンダクタンスと、次式を用いて予測したコンダクタンスＣＤとの差であることを特徴とする真空処理装置。
ＣＤ＝（γ＋ＭＤ−１／２／γ＋Ｍ０−１／２）Ｃ０
（但し、γ：ガス種調整定数、Ｍ０：基準ガスの分子量、ＭＤ：基準ガス以外のガスの分子量）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空処理装置に係り、特に真空処理容器の圧力制御を速やかに実施することのできる真空処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドライエッチング装置において、該装置を構成する真空容器の圧力を制御する方法として、真空容器の内部圧力を真空計で測定し、フイードバック制御により前記真空容器と真空ポンプを接続する可変バルブの開度を調節して目標圧力に制御する方法が知られている。しかし、この方法では、真空容器内の圧力を目標圧力の近傍に到達させるのに時間がかかる。
【０００３】
一方、フイードフォワード制御として、前記可変バルブの開度のを予め設定した値に固定した状態で真空容４の内部圧力を目標圧力の近傍に制御し、その後、フイードバック制御により可変バルブの開度を調節して目標圧力に制御する方法も提案されている。この方法によれば、フイードバック制御のみによる圧力調整方法よりも目標圧力近傍に到達するまでの時間を短縮することができる。しかし、目標圧力、ガス流量及び可変バルブの開度の関係を予め人手によって実験的に調べておく必要があり、この実験に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
また、特許文献１には、可変バルブの開度が一定のときには、排気速度が一定であり、排気速度はガス流量を圧力で除算した値に比例することを利用して可変バルブの開度を算出すること、すなわち、排気特性データを記憶しておき、この排気特性データをもとに予め設定すべき可変バルブの開度を算出することが示されている。
【特許文献１】特許公開２００２−２９７２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記特許文献１に示される方法では、処理条件（ガス種及び流量）が変わる毎に排気特性データを取得しなければならない。また、処理に際して最適な処理条件を検討する際に、前記処理条件が変更される毎に排気特性データを取得するのは非効率である。
【０００６】
この非効率を避けるため、任意の排気特性データを多種多様の条件に適用して可変バルブの開度を算出しようとすると、後述する図４に示すように排気特性はガス種及び流量によって異なるため、算出される可変バルブの開度は適切な値ではなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、処理を開始する際に設定すべき前記可変バルブの初期開度を複数の使用する処理ガスの種類及び流量に応じて調節して、真空処理容器の圧力制御を速やかに実施することのできる真空処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
真空処理容器と、該真空処理用器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、該真空処理容器の下方に配置した真空ポンプと、前記真空処理容器と真空ポンプ間を結ぶ排気通路に設けたバルブとを備え、該バルブの開度を調整して真空ポンプに流れるガス流量を調整する真空処理装置において、真空処理を開始する際、前記バルブを、前記処理ガスの種類及び供給する処理ガスの流量に応じた開き角度で開放して処理を開始し、真空処理容器の内圧が設定圧力に達したのち前記開き角度のフィードバック制御を開始する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上の構成を備えるため、処理を開始する際に設定すべき前記可変バルブの初期開度を複数の使用する処理ガスの種類及び流量に応じて調節して真空処理容器の圧力制御を速やかに実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る真空処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。本実施の形態では、真空処理装置の例として、被処理対象である半導体ウエハ等の基板の表面を装置内部に形成したプラズマを用いてエッチング処理するドライエッチング装置を示した。
【００１２】
図１において、ドライエッチング装置１００は、内部が減圧されて高度な真空状態にされる空間を有する真空容器４と、その上部に配置されて真空容器４内の減圧される空間を構成する処理室４’に電界を供給するアンテナ１、及び処理室４’に磁界を供給するソレノイドコイル２とを備えている。本実施の形態ではアンテナ１には図示しない電源からＵＨＦ帯の周波数の電力が供給される。
【００１３】
アンテナ１の下方には、アンテナ１から供給される電界が透過できる誘電体製の板状の窓部材３が、下方の処理室４’との間に配置されている。処理室４’内の窓部材３の下方には、被処理対象である基板が、略円筒形状の試料台５上に載置されている。また、この試料台５は断面が略円形の処理室４’を構成する真空容器４のほぼ中央部に配置されている。
【００１４】
試料台５は、図示しない高周波電力を供給する電源が接続されており、基板の処理中に基板に電圧を印加可能に構成されている。さらに、試料台の基板を載置可能な面は誘電体の材料からなる膜７で覆われ、この膜内に配置された図示されない平板上の複数の電極に直流電圧を印加することによって、基板をこの試料台５または膜７上に静電気力により吸着して保持する。
【００１５】
試料台５はその側方から複数の支持梁６により支持されており、支持梁６同士の間は試料台５上方の処理室４’内の気体が下方に移動する空間となっている。処理室４’上方の試料台５と窓部材３との間であって試料台５の試料載置可能な面に対向する位置には処理室４’の天面を構成する分散板２０が配置されて、この略円形の分散板２０の中心近傍の領域であって処理室４’の中心近傍に形成された複数の貫通孔２０’を通して、ガス供給源１０，１０’，１０’’からの処理用ガスが処理室４’内に導入される。
【００１６】
貫通孔２０’を通って処理室内４’に導入されたガスは、アンテナ１からの電界及びソレノイドコイル２からの磁界の作用により電離または高エネルギー状態となってプラズマ化される。この処理ガスから得られたプラズマ、処理ガス、さらには基板がプラズマを用いて処理された際に生じたりプラズマ中の反応により生じた生成物は、試料台５の下方であって真空容器４の下部に配置された真空ポンプ９により、処理室４’から試料台５の側方の支持梁６同士の間の空間を通り、試料台５の下方から排出される。
【００１７】
真空ポンプ９の入口と真空容器４の下部との間を連通する通路上には回転して角度を変化させる可変バルブ８が複数配置され、これらの角度の変化により真空ポンプ９と真空容器４内の空間を連通する通路を開閉しその通路の開口された面積を変化させて排出する気体の流量速度を調節可能にしている。この流量速度を調節することで、処理室４’または真空容器４内の圧力が調節される。
【００１８】
本実施の形態のドライエッチング装置１００には、内部に少なくとも１つの演算装置と記憶装置とを有する制御部１３が備えられており、ドライエッチング装置の所定の箇所に配置されたセンサからの出力を受信して動作の状態を検出し、その動作を調節するための指令をドライエッチング装置１００の動作する各部に発信する。例えば、真空容器４内の圧力を検出するセンサである真空計１２は制御部１３に接続されて検知した真空容器４内の圧力に関する検出結果が制御部１３に伝達される。制御部１３では、伝達された信号を受けて記憶手段に記憶された判断手順や動作手順に従って、真空容器４内の圧力を所定の圧力に維持するために必要な指令を各部に発信する。例えば、複数のガス供給源１０，１０’，１０’’のそれぞれからの管路上に配置された流量制御装置(Mass Flow Controller/MFC)１９，１９’，１９’’のそれぞれに、各ガス供給源に貯蔵された異なる種類のガスの各流量を調節する指令を発信する。また、各ＭＦＣ１９，１９’，１９’’からの管路が接続されたガス供給バルブ１１に複数ガスからなる処理ガスの供給流量を調節する指令を発信する。さらには、必要に応じ、可変バルブ８の開度を調節して真空容器４からの排気の量を適切にするための指令を発信する。
【００１９】
図２は、図１に示すドライエッチング装置に備えられた可変バルブ８の構成をより詳細に示す縦断面図である。図２において、可変バルブ８は、真空容器４内の空間と真空ポンプ９の入口とを連通する排気用の通路上に配置された回転可能な４つのバタフライバルブから構成されている。各バタフライバルブには、回転軸１４周りに所定角度（θ）回転してその開度を変えて真空容器４内あるいは真空ポンプ９入口から見た見かけの通路面積を変えるフラップ１５を備えている。各バタフライバルブはθ＝９０度まで回転した状態で図上の点線の位置になって可変バルブ８は全開の状態となり、排気用の通路の面積は最大となる。
【００２０】
処理対象の基板であるウエハの処理を行う場合には、まず、搬送ロボット１６により運搬されて来たウエハを試料台５の載置面上に載せた後、膜６内の電極に電圧を印加してウエハを静電気力により吸着して保持する。その後、制御部１３内の記憶手段に記憶されたデータに応じて、真空容器４内に各ガス供給源１０，１０’，１０’’からのガスを各ＭＦＣ１９，１９’，１９’’及びガス供給バルブ１１の動作を調節しつつ分散板２０を介して処理室４’内に導入する。さらに、制御部１３からの信号に応じて可変バルブ８の開度が所定の角度に調節されて設定される。真空計１２は検出した処理室４’及び真空容器４内の圧力に応じた信号を制御部１３に発信し、制御部１３は処理室４’または真空容器４内の圧力を検出して監視している。
【００２１】
制御部１３は、処理室４’内あるいは真空容器４内の圧力が記憶手段に格納された所定の圧力の近傍に達したと判断すると、可変バルブ８の開度の調節をフィードバック制御、例えばＰＩＤ制御に切替えて、開度を調節する。さらに、制御部１３はアンテナ１及びソレノイドコイル２に対して電界及び磁界を処理室４’内に供給するように指令する。この結果、処理室４’内には、導入されたガスの分子、原子の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）による高密度なプラズマが形成され、試料台５に印加される高周波電源からの高周波電力がウエハに供給されつつウエハがプラズマ中の高反応性の粒子や荷電粒子の働きによりエッチング処理される。
【００２２】
次に、真空処理容器４の圧力を制御する方法を以下に示す。まず、予め真空処理装置に配備されているガス供給源が搭載するガス種毎に、ガス供給流量一定の条件で排気特性データを測定する。また、搭載されているガス種の中から基準ガスを決定し、供給流量を変化させたときの基準ガスの排気特性データを測定する。さらに、取得した基準ガスの排気特性データから基準とする排気特性データを１つ決定する。
【００２３】
ここでは基準ガスとしてＡｒを選択する。Ａｒは、不活性な希ガスで、化学吸着が少ないため、真空処理容器及び配管の形状以外の影響を排気特性に与えることがない。なお、Ａｒに代えて、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等を用いることができる。
【００２４】
次に、取得した排気特性データをもとに制御部で記憶しておくガス種補正調整定数γ及び流量補正調整定数σを算出する。
【００２５】
ガス種補正調整定数γ及び流量補正調整定数σを算出するにあたり、まず、排気特性データの排気速度Ｓを用いてコンダクタンスＣを算出する。ここで排気速度ＳとコンダクタンスＣの関係は式（１）で表すことができる。なお、ＳＴＭＰは真空ポンプ９の排気速度を表す。
【数１】
2006222141.tif 000003
【００２６】
次に、ガス種補正調整定数γを算出する。本実施形態における排気通路のような中間流領域におけるコンダクタンスＣは、概略、式（２）で表すことができる。ここでＭはガスの分子量である。
【数２】
2006222141.tif 000004
【００２７】
従って、分子量Ｍ０の基準ガスのコンダクタンスＣ０、及び分子量ＭＤの基準ガスの基準ガス以外のガスのコンダクタンスＣＤは、式（３）で表すことができる。
【数３】
2006222141.tif 000005
【００２８】
また、基準ガス以外のガスのコンダクタンスＣＤを、基準ガスのコンダクタンスＣ０を用いて表すと、式（４）となる。ここでγはガス種補正調整定数である。
【数４】
2006222141.tif 000006
【００２９】
ここで、実測した基準以外のガスのコンダクタンスＣｒと、式（４）を用いて予測したコンダクタンスＣＤとの誤差εＤは式（５）で表すことができる。
【数５】
2006222141.tif 000007
【００３０】
図３は、ガス種補正調整定数γとコンダクタンスの補足誤差εDの関係を示す図である。なお、ＭＡ，ＭＢ，ＭＣは、ガスＡ，Ｂ，Ｃの分子量であり、その大きさはＭＡ＞ＭＣ＞ＭＢであるが、ＭＡとＭＢとの差は大きく、ＭＡとＭＣとの差は小さい。すなわちＭＡ≫ＭＣでありＭＣ≒ＭＢである。
【００３１】
式（５）において、ガス種補正調整定数γの値を変化させていくと、誤差εＤは図３のように推移する。すなわち、分子量Ｍが大きいガス（ガスＡ）ほど、ガス種補正調整定数γの変化量に対する誤差εＤの変化量が大きくなる。また、分子量Ｍが大きいガス（ガスＡ）ほど誤差εＤが最も小さくなるときのガス種補正調整定数γの値が大きくなる。
【００３２】
ここで、ガス種補正調整定数γとして、分子量が最も小さいガス（Ｂ）の誤差εＤが最も小さくなるときのガス種補正調整定数γｍｉｎ以上で、かつ、分子量が最も大きいガス（Ａ）の誤差εＤが最も小さくなるときのガス種補正調整定数γｍａｘ以下の範囲でγを選択するのが好ましい。本実施形態では、ガス種補正調整定数γとして、分子量が最も大きいガス（Ａ）の誤差εＤが最も小さくなるときのガス種補正調整定数γｍａｘを選択する。
【００３３】
図３に示すように、ガス種補正調整定数としてγｍａｘを選択することにより、誤差εＤを最小にすることができる。すなわち、ガス種補正調整定数としてγｍａｘを選択することにより、γｍａｘのときのガスＡにおける誤差εＡの値を最小とすることができる。また、γｍａｘのときのガスＢにおける誤差εＢの値は、ＭＡ≫ＭＢであり、γの変化量に対する誤差εＤの変化量が小さいため最小値近傍の値となる。また、γｍａｘのときのガスＣにおける誤差εＣの値は、ＭＡ≒ＭＣであることから、前記ガスＡにおける誤差εＡの値と同様に最小値近傍とすることができる。
【００３４】
図４は、流量調整定数σの算出の際に用いる流量と排気速度の比の関係を説明する図である。
【００３５】
流量補正調整定数σは供給流量とコンダクタンスの比の関係から算出することができる。すなわち、供給流量を変化させて取得した排気特性データから、供給流量（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）毎のコンダクタンスとの比を算出し、図４のような直線を取得し、この直線の傾きを流量補正調整定数σとする。
【００３６】
図５は、真空処理装置における圧力制御手順を説明する図である。まず、前記ガス種補正調整定数γ及び流量補正調整定数σを取得し、制御部１３内の記憶手段に記憶する（ステップ５００）。
【００３７】
実際の処理が開始されると、処理を行う条件（ガス種及び流量）を制御部１３内の記憶手段から取得する（ステップ５０１）。次いで、制御部内の記憶手段からガス種補正調整定数γ、流量補正調整定数σ及び基準となる排気特性データを取得する（ステップ５０２）。
【００３８】
取得したガス種及びガス種調整定数γから、ガス種補正係数ＡＤを算出する（ステップ５０３）。
【００３９】
ここで、ガス補正係数ＡＤは、式（６）を用いて算出する。なお、処理を行うガスが混合気体の場合は、それぞれのガスの割合×分子量の和を分子量ＭＤとする。
【数６】
2006222141.tif 000008
【００４０】
次に、取得した条件から流量補正係数Ｂを算出する。流量補正係数Ｂは式（７）で定義する。このとき、Ｑ０は基準の排気特性データを取得したときの流量、ＱＴは処理を行うガスの総流量である。  
【数７】
2006222141.tif 000009
【００４１】
そして、コンダクタンスＣＤを式（８）を用いて算出する。Ｑ０は基準の排気特性データを取得したときの流量、ＱＴは処理を行うガスの総流量である。
【数８】
2006222141.tif 000010
【００４２】
次に、コンダクタンスＣＤをもとに、式（９）を用いて排気速度ＳＤを算出する。
【数９】
2006222141.tif 000011
【００４３】
以上の演算を可変バルブの開度毎に行い、基準とした１つの排気特性データから処理を行うガス種及び流量における排気特性データを予測する（ステップ５０４）。
【００４４】
図６は、真空処理装置の排気特性データを説明する図であり、Ａは基準となるガスの排気特性データ、Ｂは基準以外のガス（Ｂ）の排気特性データ、Ａ’は基準となるガス（Ａ）の排気特性データから基準以外のガス（Ｂ）の排気特性データを予測した結果を示す図である。
【００４５】
次に、この予測した排気特性データを用いて、可変バルブ８の開度を算出する（ステップ５０５）。  算出した後、可変バルブ８の開度を算出した値に設定する（ステップ５０６）。これにより、供給されたプロセスガス排気が開始される。真空計１２により真空処理容器４の実際の圧力を監視し（ステップ５０７）、真空処理容器内の圧力が目標圧力の近傍に達したらＰＩＤ制御等を用いたフィードバック制御に切り換える（ステップ５０８）。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、基準となる排気特性データをもとにガス種及び流量補正を施すことにより、少ない排気特性データをもとに、処理を行うガス種及び流量の排気特性データを予測することができる。このため多種多様の条件の排気特性データを取得することなく、可変バルブ８の開度を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】真空処理装置としてのドライエッチング装置の構成を説明する図である。
【図２】可変バルブ８の構造を示す図である。
【図３】ガス種補正調整定数γとコンダクタンスの予測誤差εＤの関係を示す図である。
【図４】流量調整定数σの算出の際に用いる流量と排気速度の比の関係を説明する図である。
【図５】真空処理装置における圧力制御手順を説明する図である。
【図６】真空処理装置の排気特性データを説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  アンテナ
２  ソレノイドコイル
３  窓部材
４  真空容器
５  試料台
６  試料台支持梁
７  誘電体膜
８  可変バルブ
９  真空ポンプ
１０  ガス供給源
１１  ガス供給機構
１２  真空計
１３  制御部
１４  回転軸
１５  フラッパ
１６  搬送ゲート
１７  搬送ロボット
１８  ガス供給管
１９  流量制御装置
２０  分散板
２０’  貫通孔
【図１】
2006222141.tif 000012
【図２】
2006222141.tif 000013
【図３】
2006222141.tif 000014
【図４】
2006222141.tif 000015
【図５】
2006222141.tif 000016
【図６】
2006222141.tif 000017