(57)【要約】本発明は、処理チャンバ(10)内の圧力を制御する装置を作動させる方法に関する。装置は、処理チャンバ(10)の出口と流体連通状態にある入口を備えた第１のポンプユニット(14)と、流量制御ユニット(18)を介して第１のポンプユニット(14)の出口と流体連通状態にある入口を備えた第２のポンプユニット(16)を有している。流量制御ユニット(18)は、第１のポンプユニット(14)の出口のところの出口流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置を含む。第１のポンプユニット(14)の熱的限度及び／又はモータストール限度を超えることなしに、出口流体圧力の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように第１のポンプユニット(14)の速度を制御する。
2005530094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバ（１０）内の圧力を制御する装置を作動させる方法であって、
前記装置は、前記処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第１のポンプユニット（１４）と、流量制御ユニット（１８）を介して前記第１のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第２のポンプユニット（１６）と、を有し、前記流量制御ユニット（１８）は、第１のポンプユニットの出口のところの出口流体圧力を制御するための可変の流通性を有する可変流量制御装置を含み、
前記第１のポンプユニットの熱的限度及び／又はモータストール限度を超えることなしに出口流体圧力の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように前記第１のポンプユニットの速度を制御することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１のポンプユニット（１４）の速度は、必要なチャンバ圧力を達成することを可能にし且つ出口流体圧力の範囲を臨界圧力よりも高くしかも前記第１のポンプユニットの熱的限度を超える圧力よりも低くなるように増大させる所定のレベルに制限されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のポンプユニット（１４）の速度を減少させて、出口流体圧力を増大させる事を可能にし、前記第１のポンプユニットをストールさせることなしに比較的高いチャンバ圧力を達成することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ＰInlet＝ｆ（Ｑ，ω，Ｎ）、
ＴTMP＝ｆ（Ｑ，ω，ＰExhaust，ＰInlet，ｋ）、
ωStall＝ｆ（ＰInlet，Ｎ）、
ＰInlet＜ＰRequired、
ＴTMP＜ＴLimit、
ω＜ωStallであり、
Ｑは、ガスの質量流量、ωは、ＴＭＰの回転速度、Ｎは、ガスの分子質量、ｋは、ガスの熱伝導率、ＰExhaustは、ＴＭＰの排気圧力、ＰInletは、ＴＭＰ入口圧力、ＰRequiredは、特定のプロセスに必要なＴＰＭ入口圧力、ωStallは、ＴＭＰモータのストール速度、ＴTMPは、ＴＭＰ熱的レベル、ＴLimitは、ＴＭＰ熱的限度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記流量制御ユニット（１８）の流通性を減少させ、前記可変流量制御装置（２０；２８）の制御により前記処理チャンバ（１０）内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記流量制御ユニット（１８）は、別の可変流量制御装置（２６；３０）を含み、
前記別の可変流量制御装置の流通性を減少させ、前記可変流量制御装置の制御により前記処理チャンバ内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
処理チャンバ（１０）内の圧力を制御する装置であって、
前記処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第１のポンプユニット（１４）と、流量制御ユニット（１８）を介して前記第１のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第２のポンプユニット（１６）と、を有し、
前記流量制御ユニット（１８）は、第１のポンプユニットの出口のところの流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置（２０；２８）を含み、
更に、前記第１のポンプユニットの熱的限度及び（又は）モータストール限度を超えることなしに前記可変流量制御装置の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように前記第１のポンプユニットの速度を制御する手段を有することを特徴とする装置。
【請求項８】
前記流量制御ユニットは、その総合的な流通性を減少させるための別の流量制御装置（２６；３０）を有し、それにより、前記可変流量制御装置の制御により前記処理チャンバ内の圧力の変化を生じさせる動作範囲を増大させることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記別の流量制御装置（２６；３０）の流通性は、前記可変流量制御装置（２０；２８）が全開であるときに前記第１のポンプユニット（１４）の背圧が臨界背圧に比較的近く又はそれよりも高いレベルであるように選択されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記可変流量制御装置（２８）は、前記流量制御ユニット（１８）内の別の流量制御装置（３０）と直列状態にあることを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
【請求項１１】
前記可変流量制御装置は、前記別の流量制御装置の下流側に位置していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記可変流量制御装置は、前記別の流量制御装置の上流側に位置していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記可変流量制御装置（２０；２８）は、別の流量制御装置（２６；３０）と並列状態にあることを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
【請求項１４】
前記別の流量制御装置（３０）は、複数の異なる第１のポンプユニット（１４）のうちの任意の１つの臨界背圧に応じて選択される可変の流通性を有することを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記別の流量制御装置（３０）は、第２の可変流量制御装置であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の可変流量制御装置（３０）は、蝶形弁であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
前記可変流量制御装置（２０；２８）は、蝶形弁であることを特徴とする請求項７〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記別の流量制御装置（２６）は、前記第１のポンプユニットと前記第２のポンプユニットとの間のダクト内に設けられた絞りであることを特徴とする請求項８〜１５及び１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記別の流量制御装置（２６）は、プレート又は固定オリフィス絞りであることを特徴とする請求項８〜１５及び１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
前記別の流量制御装置（２６）は、玉弁又は振り子弁であることを特徴とする請求項８〜１５及び１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記動作範囲は、処理チャンバ（１０）内の圧力の変化を前記可変流量制御装置（２０；２８）のほぼ全開状態から生じさせることを特徴とする請求項８〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１のポンプユニット（１４）は、ターボ分子ポンプであり、前記第２のポンプユニット（１６）は、バッキングポンプであることを特徴とする請求項７〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１のポンプユニット（１４）及び／又は前記第２のポンプユニット（１６）は、直列に配置された２つのポンプであることを特徴とする請求項７〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記流量制御ユニット（１８）は、チャンバ圧力が前記流量制御ユニットの制御に迅速に応答するように前記第１のポンプユニット（１４）の排気部の比較的近くに位置していることを特徴とする請求項７〜２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記速度制御手段は、速度を選択され且つ予め決められた一定のレベルに調節するための受動的コントローラであることを特徴とする請求項７〜２４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、処理チャンバ内の圧力の制御装置及びその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体処理チャンバ内の圧力は、プロセスガスがチャンバから真空ポンプ装置によって排出される速度を変化させることにより制御できる。この真空ポンプ装置は、ターボ分子ポンプから成る第１のポンプユニット及びバッキングポンプから成る第２のポンプユニットを有する場合がある。
第１のポンプユニットは、半導体処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を有し、第２のポンプユニットは、第１のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口及び大気への排気を行う出口を有する。
異なる半導体処理方法にそれぞれ異なるプロセスガスが用いられ、各プロセスガスについて、チャンバ圧力とチャンバの中を通る流量との間には望ましい関係がある。したがって、各ガスについて、半導体処理中のチャンバ圧力を正確に制御する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体処理チャンバ内の圧力を制御する種々の装置が提案された。かかる装置のうちの１つにおいて、絞り弁が、半導体処理チャンバの出口と第１のポンプユニットの入口との間に設けられる。絞り弁は、比較的大型であって高価であり、また、チャンバ内の汚染の原因となる場合があり、その結果、半導体製品の歩留りが低くなる。弁の定期的なクリーニングが必要であるが、それにより製造プロセスを停止させ且つシステムを清浄にするためにチャンバを開かなければならない場合があるので、都合が悪い。
また、絞り弁を第１のポンプユニットと第２のポンプユニットとの間に設けることが提案された。第１のポンプユニットは一般に、ターボ分子ポンプであり、その下流側に絞り弁を用いることは、弁の制御により処理チャンバの圧力の変化を生じさせるレベルまでポンプの背圧が増大してポンプがその熱的限度を超えるので、望ましくないと考えられる。これにより、ポンプの破損が生じる。また、絞り弁は、チャンバ内の圧力を弁の全開状態と全閉状態との間の比較的狭い動作範囲にのみわたって制御するのに有効であることが判明したが、これは弁の正確な制御が必要とされることを意味している。流量制限ユニット、例えば絞り弁を有するユニットを、第１のポンプユニットの熱的限度を超えることなしに、第１のポンプユニットと第２のポンプユニットとの間に設けることが望ましく、これは又好ましくは、チャンバ圧力の増大した動作範囲にわたって効果的である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、処理チャンバ内の圧力を制御する装置を作動させる方法であって、装置が、処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第１のポンプユニットと、流量制御ユニットを介して第１のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第２のポンプユニットとを有し、流量制御ユニットが、第１のポンプユニットの出口のところの出口流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置を含み、第１のポンプユニットの熱的限度及び／又はモータストール限度を超えることなしに出口流体圧力の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように第１のポンプユニットの速度を制御することを特徴とする方法を提供する。
また、本発明は、処理チャンバ内の圧力を制御する装置であって、処理チャンバの出口と流体連通状態にある入口を備えた第１のポンプユニットと、流量制御ユニットを介して第１のポンプユニットの出口と流体連通状態にある入口を備えた第２のポンプユニットとを有し、流量制御ユニットは、第１のポンプユニットの出口のところの流体圧力を制御する可変の流通性を有する可変流量制御装置を含み、更に、第１のポンプユニットの熱的限度及び／又はモータストール限度を超えることなしに、可変流量制御装置の制御によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるよう第１のポンプユニットの速度を制御する手段を更に有していることを特徴とする装置を提供する。
本発明の他の特徴は、従属請求項に記載されている。
本発明を一層理解できるようにするため、次に、添付の図面を参照して本発明の種々の実施形態を説明するが、これらは例示として与えられているに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１を参照すると、半導体処理チャンバ１０が、上流側の弁１２と流体連通状態にあり且つ半導体処理チャンバ内への処理又はプロセスガスの導入を制御するための入口を有している。半導体製品の処理には多種多様なガスが用いられる。これらのガスは、窒素、アルゴン又は塩素である。これらのガスの分子又は原子構造が非常に異なり、チャンバ１０の下流側におけるポンプ装置に対して様々な要件を課すと共に種々のチャンバ圧力を必要とすることが理解されよう。
ポンプ装置は又、半導体処理チャンバだけでなく、他の種類の処理チャンバ内の圧力を制御するのに利用できる。
半導体処理チャンバ１０は、第１のポンプユニット１４の入口と流体連通状態にある出口を有し、第１のポンプユニットは、図示のようにターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を含んでいるが、ターボ分子段を含んでいてもよいし、分子ドラッグ段を含んでいてもよいし、ホルベック（Holweck ）段を含んでいてもよいし、再生段を含んでいてもよいし、これらの組合せであってもよい。ターボ分子ポンプ入口に流入したガスは、ポンプの種々の段を通って圧縮され、第２のポンプユニット１６によって第１のポンプユニットの出口から吸い出される。図１では、第２のポンプユニットは、組合せ型バッキングポンプであり、このバッキングポンプは、好ましくは、真空業界においてよく知られているスクリューポンプ、再生ポンプ、ダイヤフラムポンプ、スクロール又はピストン型ポンプ等の任意公知の機構を採用した乾燥作動真空ポンプを含む。第２のポンプユニットは、大気に排気を行う。
流量制御ユニット１８が設けられており、この流量制御ユニット１８は、第１のポンプユニット１４の出口と第２のポンプユニット１６の入口との間の流量を制御する。流量制御ユニット１８を、第１のポンプユニット１４の排気部の比較的近く、好ましくはこれにできるだけ近接して配置し、チャンバ圧力が流量制御ユニットの制御に迅速に応答するようにすることが望ましい。流量制御ユニットをこのように位置決めすることは、その制御がポンプ出口圧力に対する作用効果が比較的迅速であることを意味する。
圧力計１９が、チャンバ圧力をモニタする。圧力計は、信号を制御ユニット２１に送り、この制御ユニット２１は、この信号と所望のチャンバ圧力値とを比較し、第１のポンプユニット１４と第２のポンプユニット１６との間の流量を制御するための制御信号を流量制御ユニット１８に送る。流量制御ユニットを手動で作動させてもよいし、自動的に作動させてもよい。
【０００６】
ＴＭＰの速度は、以下に与える関係式を用いることによって各プロセスごとに速度セレクタを用いてオペレータによって選択されるのがよく、次いで、この予め決められた速度をコンピュータによって又は制御ユニットのところのオペレータによって受動的制御方式又は調整方式により維持する。
ＰInlet＝ｆ（Ｑ，ω，Ｎ）
ＴTMP＝ｆ（Ｑ，ω，ＰExhaust，ＰInlet，ｋ）
ωStall＝ｆ（ＰInlet，Ｎ）
ωは、次のようなものである。
ＰInlet＜ＰRequired
ＴTMP＜ＴLimit
ω＜ωStall
上式において、Ｑは、ガスの質量流量、ωは、ＴＭＰの回転速度、Ｎは、ガスの分子質量、ｋは、ガスの熱伝導率、ＰExhaustは、ＴＭＰの排気圧力、ＰInletは、ＴＭＰの入口圧力、ＰRequiredは、特定のプロセスに必要なＴＰＭの入口圧力、ωStallは、ＴＭＰモータのストール速度、ＴTMPは、ＴＭＰの熱的レベル、ＴLimitは、ＴＭＰの熱的限度である。
【０００７】
図２は、流量制御ユニット１８の一部を形成する可変流量制御装置２０を示している。図示のように、可変流量制御装置は、第１のポンプユニット１４と第２のポンプユニット１６との間のダクト２５内に設けられた蝶形弁である。プレート２２が、図中の矢印によって示すように、軸線２４周りに回動するよう制御される。弁を閉じると、プレート２２は、第１のポンプユニット１４から第２のポンプユニット１６への流体の流れに垂直な平面内に位置し、それにより、流れに対する抵抗を最大にする。弁が全閉のとき、弁は、その最も低いコンダクタンス状態即ち流通状態にある。プレートが流体の流れと平行な平面内に位置し、したがって、完全に開いているとき、流れに対する抵抗は最小になる。弁が全開のとき、弁は、その最も高い流通状態にある。弁を閉じることにより、流通性が減少し、したがって、ＴＭＰの出口のところの出口流体圧力（即ち、背圧又は排気圧）が増大する。弁を開くと、流通性が増大し、背圧が減少する。
【０００８】
図３に、与えられたターボ分子ポンプを通って流れる所与のプロセスガスの例示の質量流量２００ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）について、可変流量制御装置２０の弁角度とチャンバ圧力の関係を示す。弁角度は、１００％が弁の全開状態を意味し、０％が弁の全閉状態を示す百分率として表されている。弁を全開状態から閉鎖すると、弁角度がポンプの臨界背圧が生じる角度である約２９％に到達するまで、チャンバ圧力に影響を及ぼさない。臨界背圧を超えると、背圧の変化は、入口圧力（即ち、チャンバ圧力）の変化を生じさせる。
【０００９】
図４は、例示のプロセスガスについての種々の質量流量を示しており、通常の条件で動作しているＴＭＰについて、入口圧力即ちチャンバ圧力に対する排気圧がプロットされている。通常の条件では、ポンプは、圧送効率を最大にするようその最大持続速度で動作する。図４で分かることとして、各質量流量について臨界背圧以下の排気圧（“Ｘ”で印付けされている）では、入口圧力には変化が無い。しかしながら、排気圧が増大すると、熱的限度を超える。低い流量では、臨界背圧よりもそれぞれ低い圧力で熱的限度を超える。高い流量では、臨界背圧よりも高く且つポンプの熱的限度よりも低い排気圧の範囲は非常に狭いものであるに過ぎない。図４は、通常の条件において、プロセスチャンバ内の圧力を制御するためにＴＭＰとバッキングポンプとの間に弁を用いることは、第１のポンプユニットの熱的限度を超えない比較的狭い排気圧範囲でしか有効でない（即ち、全く有効ではない）ことを示している。
【００１０】
図５は、ポンプが１００％で稼働し又は全速で稼働した状態の半導体処理法においてチャンバの中を通って流れる２種類のプロセスガスについて、質量流量に対するポンプ入口圧力をプロットしたグラフである。プロットされたプロセスガスは、Ｎ2及びＡｒである。流量が増大すると、その流量についてチャンバ圧力も増大することは理解されよう。例えば、Ａｒについて１５０ｓｃｃｍの場合、チャンバ圧力は、約３ミリトル（Ｔｏｒｒ）であり、Ｎ2について５００ｓｃｃｍの場合、圧力は、約８ミリトルである。
【００１１】
ターボ分子ポンプは、特に分子ドラッグポンプと組み合わされた場合、図５に示す関係を満たすのに必要であったチャンバ圧力よりも十分低いチャンバ圧力を生じさせることが判明した。図６は、ＴＭＰの速度と入口圧力即ちチャンバ圧力との関係を示している。図６は、この関係を、９ミリトルのチャンバ圧力を必要とする質量流量１５０ｓｃｃｍのＡｒ及び９０ミリトルのチャンバ圧力を必要とする質量流量５００ｓｃｃｍのＮ2について示す。５００ｓｃｃｍのＮ2の場合、ポンプを１００％速度で作動させた状態で達成されるチャンバ圧力は、約５ミリトルである。したがって、速度を減少させることができ、図示のように、約５８％になって初めて９０ミリトルの必要チャンバ圧力を超える。１５０ｓｃｃｍのＡｒの場合、５８％の速度により、９ミリトルの必要圧力よりも低い圧力を達成することが依然として可能である。したがって、必要チャンバ圧力を依然として達成しながらポンプ速度を減少させることができることは理解されよう。
【００１２】
図７は、図４と同じ排気圧力と入口圧力との間の関係を示しているが、図７では、ポンプ速度は、ＴＭＰの熱的限度を超えることなしに排気圧力の変化によりチャンバ圧力の変化を生じさせるチャンバ圧力範囲を増大させるように制御される。図７に示すように、熱的限度は、チャンバ圧力の制御がその限度を超えないで可能であるように増大している。換言すると、排気圧力の変化がチャンバ圧力に影響を及ぼす下限である臨界背圧は、熱的限度を超える排気圧力を効果的に下回る。したがって、ポンプの速度を所定レベルに限定すると、これにより、圧力範囲が臨界背圧を超えると共に熱的限度を超える圧力よりも低いレベルに増大させるが、依然として所要チャンバ圧力を所与の流量で所与のプロセスガスについて達成できる。ポンプ速度を必要に応じて９０％、８０％又は７０％又は上記例の場合のように６６％に制限することができる。ポンプの熱的限度に関する上述の問題に加えて、ポンプのストール速度に関する別の問題がある。この後者の問題は、比較的高いチャンバ圧力、例えば０．５トル以上の圧力が必要な場合特に厄介になる。この問題は、高い入口圧力によりポンプモータがストールする場合があるので生じる。しかしながら、図８に示すように、ポンプの速度を減少させることにより、この問題が軽減され、それにより比較的高いチャンバ圧力をポンプストールを生じさせないで達成することができる。図８は、比較的軽いガス、例えばＮ2及び比較的重いガス、例えばＡｒについてポンプ速度及びチャンバ圧力の関数としてもＴＭＰの特性を示している。ポンプは、各ガスについて曲線の上の領域で作動する場合にストールする。グラフから理解されるように、ポンプの速度を減少させると、場合によってはストール前にチャンバ圧力が増大する。例えば、Ｎ2について約１．２５トルの所要チャンバ圧力は、ポンプ速度を約８７％以下に減少させると達成できる。Ａｒについての１．２５トルのこれと同一の所要チャンバ圧力は、ポンプ速度を約７３％以下に減少させた場合に達成できる。したがって、ポンプ速度を減少させると、ポンプストールを生じさせないでチャンバ圧力について可能な上限が増大する。
図７及び図８の所見を組み合わせると、ポンプ速度の減少により、ポンプの熱的挙動により制限される限度とストールが生じる限度との間で達成できるチャンバ圧力範囲が増大する。
【００１３】
上述の問題に加えて、排気圧力を制御する弁が比較的狭い範囲でチャンバ圧力の変化を生じさせるその制御が敏感過ぎるという別の問題が存在する。図１の流量制御ユニット１８は、上述したような可変流量制御装置及び別の流量制御装置を有しており、この別の流量制御装置は、以下に説明する１つの一実施形態では、固定制限オリフィスであり、別の実施形態では、第２の可変流量制御装置である。しかしながら、この別の流量制御装置の作用効果を詳細に説明する前に、理解及び比較の目的で、第１の可変流量制御装置だけを有し、別の流量制御装置が省かれた流量制御装置を説明することが有益である。かかる後者の流量制御装置をいま図３〜図１１を参照して説明する。
流量を減少させるように可変流量制御装置２０を制御することにより（即ち、流量制御装置の流通性を減少させることにより）、第１のポンプユニット１４の背圧が増大する。流量制御装置の流通性を増大させると、背圧が減少する。しかしながら、可変流量制御装置の流通性とこの装置の弁角度の関係は、線形ではない。
【００１４】
図９は、弁２０前後の圧力降下と弁角度の関係をプロットしている。次の関係式、
コンダクタンス即ち流通性＝質量流量／圧力降下
が適用できる。
したがって、流通性は、圧力降下に反比例する。弁角度は、１００％が弁の全開状態を意味し、０％が弁の全閉状態を示す百分率として表されている。図９は、２００ｓｃｃｍの一定の質量流量についての関係を示している。図９から理解されるように、全開位置から弁を閉じると、１００％から約６０％の範囲にわたり圧力降下の変化は比較的小さい。さらに閉鎖すると、急な曲線によって理解されるように、約４０％〜約２７％の弁角度範囲にわたり圧力降下の変化の増大が達成される。
臨界背圧は、排気圧力が比較的急に変化する図９に示す曲線の比較的急な部分のところで生じる。したがって、臨界背圧以上の弁角度の変化により、上述した図３に示すチャンバ圧力の迅速な変化が生じる。０．０２トルから０．２トルへのチャンバ圧力の変化は、約２％に過ぎない弁角度の変化による影響を受ける。したがって理解されるように、弁角度の比較的小さな変化に過ぎなくても、これによりチャンバ圧力の比較的大きな変化が生じ、これは弁の正確な制御が必要であることを意味している。互いに異なるポンプの臨界背圧は互いに異なっていてもよい。
【００１５】
図１０は、可変流量制御装置の弁角度と第１のポンプユニット１４の圧縮比との関係を示すグラフである。第１のポンプユニット１４の圧縮比は、第１のポンプユニットの出口のところの圧力即ち背圧（図９）を第１のポンプユニットの入口のところの圧力（即ち、図３に示すチャンバ圧力）で除算した値に等しい。理解されるように、弁を全開状態から閉じると、圧縮比の比較的僅かな増大が生じ、この圧縮比は、２９％の弁角度で臨界背圧に達成するまで増大する。曲線のこの部分は、図９の曲線によって求められる。弁を臨界背圧から閉鎖すると、第１のポンプユニット１４の入口圧力の急峻な増加が生じ、したがって圧縮比の急峻な減少が生じる。グラフのこの部分は、図３及び図９の両方の曲線によって求められる。弁は、ポンプが作動しているとき完全に閉鎖されてはならない。というのは、これによりポンプが損傷するからである。弁の臨界角度は、図示のように、第１のポンプユニット１４の臨界背圧で生じる。
【００１６】
図１１に、チャンバ圧力の動作範囲を陰影を付けた領域により示している。このチャンバ圧力の動作範囲を達成するためには、可変流量制御装置１８は、選択されたプロセスガス及び流量について、圧力降下を動作範囲内で臨界背圧よりも高く変化させることができなければならない。圧力降下の値のこの範囲は、臨界角度が生じる曲線の比較的急な部分で達成され、したがって、可変流量制御装置の制御の動作範囲は、約２７％の弁角度と２９％弁角度の間にある。
【００１７】
以下に更に説明する実施形態は、チャンバ圧力の変化を生じさせるのに有効な可変流量制御装置２０の動作範囲を増大させる。これは、流量制御ユニット１８の全体の即ち総合的な流通性を減少させ、動作範囲が弁圧力降下曲線の平らな部分で生じるようにすることによって達成される。流通性を減少させるには、流量制御ユニット１８に所定の又は可変の流通性を有する別の流量制御装置を設ける。図１３に示すように、曲線Ｂは、約１．６トルの増加分だけシフトしており（即ち、流通性の減少により）弁が完全に開いているとき、これは既にその動作範囲内にあり、弁の閉鎖により、チャンバ圧力の変化が生じる。これは、曲線Ａの場合ではそうではなく、曲線Ａは、別の流量制御装置が省略され、弁角度が約２９％であるときに曲線の比較的急な部分までは動作範囲に入らない流量制御ユニットについての曲線である。
約１００％〜約４０％の曲線Ｂ（Ｂで示された矢印参照）についての弁角度の範囲は、チャンバ圧力の変化を生じさせ、したがって、可変流量制御装置の制御は、曲線Ａの場合（Ａで示された矢印参照）よりも感度が低いのがよいことは理解されよう。
別の流量制御装置のコンダクタンスは、可変流量制御装置が完全に開いているとき、第１のポンプユニットがその臨界背圧に近く、好ましくはその状態にあるようなものであることが好ましい。この構成では、可変流量制御装置を完全開放状態から閉鎖すると、チャンバ圧力の変化が生じる。
【００１８】
図１４を参照すると、別の流量制御装置は、流量制御ユニット１８の流通性を減少させる固定制限オリフィス２６の形態で示されている。可変流量制御装置、即ち蝶形弁２０は、制限オリフィス２６に平行に且つその半径方向内方に設けられている。図１４と図２の比較から理解されるように、蝶形弁が完全に開いているとき、図２の場合よりも図１４の場合の方が流れに対する抵抗が大きい。オリフィス２６の寸法決めは、第１のポンプユニット１４の特性、特にその臨界背圧に従って選択される。換言すると、別の流量制御装置の流通性は、可変流量制御装置が図１３に示すようにチャンバ圧力を曲線の平らな部分の上方で制御する際に有効であるように選択される。好ましくは、別の流量制御装置の流通性は、可変流量制御装置が完全に開いているとき、弁の閉鎖によりチャンバ圧力の変化が生じるように選択される。
【００１９】
図１４は、流通性が一定である別の流量制御装置の考えられる１つの形態を示している。しかしながら、他の形態が可能であり、或る特定の状況では好ましい場合がある。例えば、プレート絞り又は玉弁を採用できる。第１のポンプユニット１４と第２のポンプユニット１６との間のダクト断面は、流量を所望通りに制限するように寸法決めするのがよい。別の流量制御装置は、好ましくは、可変流量制御装置と直列状態であり、その上流側又は下流側のいずれかに設けられる。
【００２０】
流量制御ユニットの別の構成が図１５に示されており、この構成では、２つの可変流量制御装置が直列に設けられている。可変流量制御装置は図示のように、第１の蝶形弁２８から成り、別の流量制御装置は図示のように、第２の蝶形弁３０から成っている。第１の蝶形弁は、チャンバ圧力の微調整を行うためのものであり、第２の蝶形弁は、チャンバ圧力の比較的大まかな調整を行うためのものである。
【００２１】
図１６は、図１５の流量制御ユニット１８の動作原理を示している。図１６では、第１のポンプユニット１４の弁上流側圧力即ち背圧に対する第１の蝶形弁２８の弁角度をプロットしている。グラフ上の各曲線に関し、第２の蝶形弁の弁角度、したがって流通性は固定されている。したがって、第２の蝶形弁の流通性は、可変流量制御装置がチャンバ圧力を曲線の平らな部分の上方で制御する際に有効であるように選択され、好ましくは、可変流量制御装置が完全に開いているとき、弁の閉鎖によりチャンバ圧力が変化するように選択される。第１の蝶形弁の弁角度の変化は、背圧を各曲線に沿って制御し、それ故チャンバ圧力を制御する。この構造の利点は、流量制御装置が種々の互いに異なる臨界背圧の複数の互いに異なるポンプのうち任意のもので動作するのに適しているということにある。第２の蝶形弁の流通性は、第１のポンプユニット１４の特性に従って選択され、この場合、動作にあたり、第１の蝶形弁は、プロセスチャンバ内の圧力を制御するよう制御される。
【００２２】
本発明のチャンバ圧力制御方法及び装置をアルミニウムエッチングツールを用いて具体化し、この改良型システムと従来型入口絞り弁の性能の比較を行った。これら比較に用いられたツールは、２００ｍｍLAM TCP9600SE スタンドアロン型金属エッチングツールであった。半導体ウェーハ品質の著しい改良が、８ヶ月の試験期間にわたり得られた。
第１に、各ウェーハ上に被着された多数の粒子（直径は、０．２（ｍ）以上）の著しい減少（３８％）が従来型システムと比較して見られる。粒子個数のこの減少は、金属層１層当たりに生じる欠陥の数の減少と極めて明確な相関関係がある。かかる大きな粒子である欠陥は、ウェーハの形状寸法を阻害して短絡等が形成されるようにする。欠陥のこの減少は、従来型装置と比較すると約３０％である。
これらの欠陥の数が減少するので、生産性の総合的な改善が見られる。５層金属デバイスについての総合的歩留りの向上の見積りは、従来型装置と比べて約１．５％である。
さらに、動作チャンバ内の粒子堆積レベルの減少により、保守のための１回の作動停止時間と次の作動停止時間との間の平均時間が延長される。クリーニング作業のスケジュール設定頻度を少なくすることができるので、動作期間の持続時間を増大させることができ、これにより生産性レベルの一段の向上が得られる。
また、エッチングによるトレンチ形状寸法のデフィニションに改善が見られ、したがって製品の品質が従来型装置を用いて製造された製品と比べて一段と向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】処理チャンバ内の圧力を制御する装置を示す図である。
【図２】第１のポンプユニットと第２のポンプユニットとの間のダクト内に設けられた可変流量制御装置の概略的な側面図である。
【図３】半導体処理システムのチャンバ圧力と弁角度の関係を表すグラフである。
【図４】従来技術のポンプユニットに関する入口圧力と排気圧力との関係を表すグラフである。
【図５】２つのプロセスガスについての入口圧力とプロセスガス流量の関係を表すグラフである。
【図６】入口圧力とポンプ速度の関係を表すグラフである。
【図７】第１のポンプユニットについて入口圧力と排気圧力との関係を表すグラフである。
【図８】チャンバ圧力又は入口圧力とポンプ速度の関係を表すグラフであり、モータストール速度を示す図である。
【図９】可変流量制御装置前後の圧力降下と装置の弁角度の関係を表すグラフである。
【図１０】第１のポンプユニットの圧縮比と可変流量制御装置の弁角度の関係を表すグラフである。
【図１１】可変流量制御装置前後の圧力降下と装置の弁角度の関係を表すグラフであり、更に動作範囲を示す図である。
【図１２】チャンバ圧力と弁角度の関係を表すグラフであり、更に動作範囲を示す図である。
【図１３】可変流量圧力装置前後の圧力降下と弁角度の関係を表すグラフであり、更に動作範囲を示すと共に従来技術の装置の性能と本発明を具体化した装置の性能を比較している図である。
【図１４】第１の実施形態の流量制御ユニットの概略図である。
【図１５】第２の実施形態の流量制御ユニットの概略図である。
【図１６】第２の実施形態についての弁角度と背圧の関係を表すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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