(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ処理システムのための装置であって、
ガス送出システムに取り付けられたウェハ支持チャックであって、前記ガス送出システムが有する弁と直接に接する前記ウェハ支持チャックと、
第１流路を有する弁座と、
前記弁座に接続される弁体であって、第２流路と、前記第２流路及び前記第１流路間に通路を提供する第１位置、及び前記第１流路の一端での封止接触を可能にする第２位置に配置されることができるポペットとを備える前記弁体と、
前記弁座を前記ウェハ支持チャックの中心開口の内部に固定するために前記弁座に接続された押え部材であって、前記弁の前記第１，第２流路と、前記押え部材の流路とが共同して、前記ウェハ支持チャックの支持面に至る通路を画成している、前記押え部材と、
を備える装置。
【請求項２】
前記ポペット，前記弁座及び前記押え部材が共同して前記装置の内部にある体積を画成し、前記体積は５ｃｍ3より小さい請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記弁は電磁弁である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ガス送出システムは、前記弁に接続された圧力制御装置を更に備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記半導体ウェハ処理システムは、イオン注入装置である請求項２に記載の装置。
【請求項６】
半導体ウェハ処理システムのための装置であって、
中心開口及び支持面を有するウェハ支持チャックと、
前記ウェハ支持チャックの前記中心開口の内部に取り付けられる頂部、及び前記頂部から下方へ延びる頂部凹所を有する弁座であって、前記頂部凹所は、前記弁座の底部開口へ延びる底部流路に接続している、前記弁座と、
頂部，円筒形軸部及び流路を有する押え部材であって、前記押え部材の前記流路は、前記押え部材の前記頂部から前記円筒形軸部の底部へ延びており、前記円筒形軸部は、前記弁座の前記頂部凹所の内部に配置され、前記押え部材の前記頂部は、前記ウェハ支持チャックの前記中心開口の内部に配置されている、前記押え部材と、
ネジが切られた頂部の頂部開口を底部開口に接続する流路と、前記頂部開口の上方に配置されたポペットとを有する弁体であって、前記ネジが切られた頂部は、前記弁体の前記底部開口と前記押え部材の前記流路との間に通路が形成されるように、前記弁座の前記底部開口に係合しており、前記ポペットは、前記弁座の前記底部開口で封止接触が可能である、前記弁体と、
前記弁体の前記底部開口に接続される圧力制御装置と
を備える装置。
【請求項７】
前記半導体ウェハ処理システムは、イオン注入装置である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ガス送出システムは、前記弁と前記ウェハ支持チャックの支持面との間のガス圧力を制御するための手段を更に備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ガス圧力を制御するための前記手段は、圧力制御装置である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ガス送出システムは、ガスを、１００ミリ秒より短い応答時間内に、所定の圧力で前記ウェハ支持チャックの支持面に送出する手段を備える請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記弁と前記ウェハ支持チャックの前記支持面とが第１体積を画成し、前記圧力制御装置と前記ウェハ支持チャックの前記支持面とが前記第１体積よりも大きい第２体積を画成する請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１体積は、５ｃｍ3より小さい請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記半導体ウェハ処理システムは、イオン注入装置である請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
半導体ウェハ支持チャックのためのガス送出システムであって、ガス流量弁と、前記ガス流量弁に接続された圧力制御装置とを備え、前記弁は、前記半導体ウェハ支持チャックへ直接取り付けるのに適合しており、
前記弁は、
第１流路を有する弁座と、
前記弁座に接続される弁体であって、第２流路と、前記第２流路及び第１流路間に通路を提供する第１位置、及び前記第１流路の一端での封止接触を可能にする第２位置に配置されることができるポペットとを備える前記弁体と、
前記弁座を前記ウェハ支持チャックの中心開口の内部に固定するために前記弁座に接続された押え部材であって、前記弁の前記第１，第２流路と、前記押え部材の流路とが共同して、前記ウェハ支持チャックの支持面に至る通路を画成している、前記押え部材と、
を備える、ガス送出システム。
【請求項１５】
ガスを、１００ミリ秒より短い応答時間内に、所定の圧力で前記半導体ウェハ支持チャックの支持面に送出する手段を備える請求項１４に記載のガス送出システム。
【請求項１６】
前記ガス流量弁と前記半導体ウェハ支持チャックの支持面とは、５ｃｍ3より小さい第１体積を画成する請求項１５に記載のガス送出システム。
【請求項１７】
前記圧力制御装置と前記ウェハ支持チャックの前記支持面とが、前記第１体積よりも大きい第２体積を画成する請求項１６に記載のガス送出システム。
【請求項１８】
前記ガス送出システムは、イオン注入装置用である請求項１４に記載のガス送出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハ処理システムに関し、特に半導体ウェハ処理システムのための裏面ガス排出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの単一ウェハ処理システムにおいては、処理中ウェハを保持しておくために静電チャック（ＥＳＣ）が用いられている。ウェハとチャックとの間の熱伝導を改善するため、熱伝達媒体として、ウェハとチャックの支持面との間に供給される裏面ガスがしばしば用いられる。裏面ガス送出システムの構成は、特に、厳格な圧力制御が要求される場合に、ウェハ処理システムの特性に重大な影響を与えることがある。多くの既存の構成においては、処理完了の際にウェハをチャックから取り出すとき、裏面ガスがしばしばプロセス室に流入して、一時的ではあるが望ましくない圧力上昇が結果として生じる。ある適用例については、ウェハ間のポンプダウン時間の増大によりプロセスの処理量に悪影響を与えることがある。例えばイオン注入装置は、典型的には約１０-6トルの範囲内にある低い作動圧力を厳格に必要とするので、上述のような不注意による圧力変動を特に受け易い。裏面ガスによるプロセス室圧力のどんな増加も、付加的な真空引き(vacuum pumping)を必要とし、そして処理量の減少につながる。プロセス処理量を高く維持することは、直列式イオン注入装置にとって特に重大事である。更に、過渡的な圧力上昇によって、例えば、イオンビームが中和されたり、或いは飛翔管（flight tube)の側壁に偏向されたりするようなその他の悪影響が生ずる結果になるかも知れない。イオンビームの偏向は、汚染物質を設備内の諸表面から拡散させることになる。
【０００３】
１つの解決策となるガス送出システムでは、プロセス室内へのガス漏洩を制限してウェハ裏面からガスを迅速に除去するように設計されている。前記システムは、１９９７年５月１２日に出願され参照によりこの明細書に組み込まれる「半導体ウェハ処理システムのための裏面ガス迅速放出装置(Backside Gas Quick Dump Apparatus for a Semiconductor Wafer Processing System) 」と題する共同譲受の米国特許出願第 号に記載されている。
【０００４】
しかし、ウェハ搬送中に信頼性のあるガス遮断を行うと共に圧力上昇を最小にする代替の裏面ガス送出システムに対する必要性は、漸進的に変化しつつ、常に存在している。また、簡略化された真空結合部を有するガス送出システムも望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウェハ支持チャック（例えば、静電チャック）に直接取り付けられる遮断弁を有するガス送出システムを備えた、半導体ウェハ処理システムのための装置である。
【０００６】
このガス送出システムは、ウェハの裏面とウェハ支持チャックの支持面との間にガスを送り出すのに使用される。裏面ガスは、イオン注入のような処理の間、ウェハに対する熱伝達媒体として作用する。ウェハ支持チャックの直ぐ近くに遮断弁を設けることにより、弁とウェハの裏面との間の裏面ガス体積を最小にすることができる。トラップされたガスがウェハ搬送中にこの体積からプロセス室に放出される量は、プロセス室の体積と比較して無視できるので、ウェハ処理システム内部の望ましくない圧力上昇が回避される。従って、ウェハ処理システムの処理量を高く維持することができる。
【０００７】
遮断弁は２つの部分、即ち弁体及び弁座を備え、前記部分のそれぞれが、裏面ガスの通路として役立つ細長い流路を有する。弁座の流路に接続される頂部凹所を有する同弁座の頂部は、チャックの裏面から同チャックの開口内部に嵌っている。全長に沿って細長い流路を有する押え部材（締付装置）は、チャックの中心開口と弁座の頂部凹所の内部に嵌っている。このように構成したので、押え部材は、弁座の頂部をチャックの中心開口の内部に固定する締付装置として機能する。この構成において、通路は、押え部材の流路並びに弁座の頂部凹所及び流路によって画成される。弁座の流路は、弁体の頂部に螺着される底部開口に接続されている。
【０００８】
頂部及び円筒形軸部を有するポペットは、弁体の頂部に向けて配置される。軸部は、ポペットの頂部が開口の上方に配置されると共に軸部が弁体の実質的に内部にあるように、頂部から弁体の開口を通って嵌合する。
【０００９】
この実施形態で用いられる弁は、常閉電磁弁である。弁が閉じているとき、ポペットの頂部は、弁座の底部のところで流路開口に当接して封止され、そして、約１０-6 sccs よりも低い漏れ率で確実な遮断を行う。弁がその開位置へ作動されると、ポペットは後退して弁座から離れ、そして通路が押え部材及び弁座の内部により画成される。従って、裏面ガスをガス供給源から圧力制御装置及び電磁弁を介してウェハ支持チャックの支持面に送り出すことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の教示事項は、添付図面に関する以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解することができる。本発明は、直列式イオン注入装置のような半導体ウェハ処理設備と共に使用する装置である。図１は、本発明の部分横断面を概略的に表わしている。裏面ガス送出システム１４１は、例えば静電チャック（ＥＳＣ）のような、弁座１５０を備えたウェハ支持チャック１００の裏面１０６に接続される。この実施形態におけるＥＳＣの使用は例証のためだけである。総括的には、本発明は、クランプリングを備えたウェハ押え部材を例えば含む、多くのイオン注入装置において使用される種々のウェハ支持チャックで実施できる。ガス送出システム１４１は、ガス管路１４４によりガス制御装置１４２に接続されるガス流遮断弁１４０を備え、ガス制御装置１４２は、ガス供給源１４８に接続されている。弁体１６０及び弁座１５０を備えるガス流遮断弁１４０は、ＥＳＣ１００の直ぐ近く（例えば２ｃｍ以内）に配置されるように設計されている。長いガス管路の使用を回避できるので、弁１４０とウェハ（図示せず）の裏面との間に捕捉もしくはトラップされる裏面ガスの量を最小にすることができる。従って、処理後のウェハ搬送中、無視しうる量の裏面ガスがプロセス室（図示せず）に流入するだけであり、イオン注入装置の作動に対するどんな悪影響も回避することができる。
【００１１】
ＥＳＣ１００は、スピンドル１２０の平らな円形部分１２２上に載置する冷却板１１０により支持される。また、このスピンドル１２０は円筒形の中空軸部１２４を有し、これが弁体１６０及び弁座１５０を収容している。ＥＳＣ１００，冷却板１１０及びスピンドル１２０は、互いに同心状に配列されている。ＥＳＣ１００は、互いに等間隔で配置された４つの連結ピン１０８を備えている。ＥＳＣ１００の頂部（又は支持面）１０４よりも部分的に上方に突出するこれらの連結ピン１０８は、処理中にウェハ（図示せず）の裏面との電気的接触を確保すると共に、チャッキング特性の向上に役立てるために用いられる。ＥＳＣ１００の中心部１００Ｃは面取りされていて、段付き開口１０２を形成する。この開口１０２は底部１０２Ｂよりも頂部１０２Ｔの方が大きな直径を有する。
【００１２】
循環冷媒を収容する内部冷却通路１１４を有する冷却板１１０は、ウェハ処理中にＥＳＣ１００を冷却するために用いられる。また、冷却板１１０は、ＥＳＣ１００の段付き開口１０２の底部１０２Ｂよりも直径の大きい中心開口１１２を有する。
【００１３】
他のウェハ処理システムのウェハ支持ペデスタルとは対照的に、直列式イオン注入装置で用いられるスピンドル１２０は、幾つかの方向に移動可能であるように設計されている。即ち、スピンドル１２０は、入射するイオンビームの掃引方向に直交する方向に並進でき、また回転及び傾斜することができる。これらの運動の組合せは、イオンビームに対するウェハの一様な暴露を可能にする。ステンレス鋼製のスピンドル１２０は、軸部１２４の内面１２５に２つの凹部１２６を備えている。これらの凹部１２６は、弁１４０を軸部１２４から絶縁するプラスチック製絶縁体１７０から延びるプラスチック製凸部１７４，１７６（又は耳部）に適合するように設計されている。図２ａに横断面図で示されているプラスチック製絶縁体１７０は、弁座１５０の底部１５０Ｂ及び弁体１６０に適合する大きさに作られている中心開口１７２を有する。プラスチック製凸部１７４，１７６は、絶縁体１７０及び弁１４０がスピンドル１２０の内部で回転するのを防止する。凸部の１つ１７６は、中空の軸部１２４内に電気接続部を収容するため切欠き部１７８を有する。
【００１４】
図２ｂは、ガス遮断弁１４０（弁体１６０及び弁座１５０を備える）及び押え部材１３０周りの領域の拡大図を表わしている。弁１４０は、押え部材１３０の流路１３６内への裏面ガス、例えば水素或いはヘリウムの流入を制御する。この実施形態で使用される弁１４０は、パーカー・ハネフィン・コーポレイションの総合弁事業部（Parker Hannefin Corporation, General Valve Division)により製造される市販用シリーズ９９の電磁弁の特定ユーザー向けバージョン（型式９９−２１３）である。標準弁に見られる通常のホース接続部の代わりに、型式９９−２１３の弁は、注文で成形し製造された「弁座」要素を有し、前記要素がウェハ支持チャックに対する適合だけでなく真空シール特性を提供する。この特定型式の弁はそのコンパクトな大きさのため選択されているが、他の同等代替品も受け入れられる。
【００１５】
実質的に円筒形の弁座１５０は、階段状の構造を有する。弁座１５０の頂部１５０Ｔは、ＥＳＣ１００における段付き開口１０２の底部直径と等しい外径を有する。弁座１５０の中間部１５０Ｍは、冷却板１１０の中心開口１１２の内部に嵌合する大きさに作られている。Ｏ−リング１８０は、弁座１５０の段部２１０（頂部１５０Ｔ及び中間部１５０Ｍの間）のところに配置されていて、弁座１５０とウェハ支持チャック１００との間に真空シールを提供する。弁座１５０の底部１５０Ｂはプラスチック製絶縁体１７０の頂部１７０Ｔに接着される。このように、弁座１５０はスピンドル軸部１２４，冷却板開口１１２及びＥＳＣ開口１０２の内側に支持される。テ―パの付いた底部１５２Ｂを有する頂部凹所１５２は、弁座１５０の頂部１５０Ｔから延びて、弁座１５０の中間部１５０Ｍ近くで細い流路１５１と接続している。この細い流路１５１は弁座１５０の底部１５０Ｂへと延びている。本発明の弁座１５０は、ステンレス鋼から形成されているが、他の材料を使用してもよい。
【００１６】
弁座１５０の底部１５０Ｂは、中心に位置した大きな開口１５６を備え、その内側表面１５７にネジが切られていて、弁体１６０のネジ切りされた頂部１６０Ｔと組み合っている。例えば銅製ガスケットであるガスケット２６０は、弁体１６０と弁座１５０の間にシールを提供するために使用される。弁体１６０は、その底部１６０Ｂへと延びるように中心に配置された流路１６１を有する。弁体１６０の底部１６０Ｂは、ガス管路１４４により圧力制御装置１４２に接続される開口１６６を有し、前記圧力制御装置１４２は、別のガス管路１４６によりガスタンクのようなガス供給源１４８に接続される。
【００１７】
図２ｂは、弁体１６０の頂部開口１６５の上方で、弁座の底部１５０Ｂと弁体１６０の頂部１６０Ｔとの間に配置されたポペット１６２を示している。このポペット１６２は、台形断面の頂部１６３を有する。ポペット１６２は、弁１４０を開閉するのに使用される作動装置（図示せず）に接続されている。弁１４０がその通常（閉）位置にあるとき、ポペット１６２は、弁体１６０の頂部１６０Ｔからもっと離れて配置され、そして頂部１６３は、弁座１５０の底部開口１５６内に配置された底部凹所（即ちポペット座）１５８に当接して封止する。ポペット１６２の頂部１６３と弁座１５０の底部凹所１５８とは、封止の信頼性を確保するために相互に補完する形状（台形）に作られている。この実施形態においては約１０-6sccs 以下のガス漏れが達成される。このような低い漏れはイオン注入装置にとって非常に重要であるが、エッチング装置或いは成長室のようなその他の処理設備においては漏れ率の公差をもっと高くすることができる。
【００１８】
平らな頂部１３２及び細長い円筒形部分１３４を有する押え部材（締付装置）１３０は、弁座１５０の頂部凹所１５２及びＥＳＣ１００の段付き開口１０２の内部に配置されている。弁座１５０の頂部凹所１５２と組み合うためにネジが切られた押え部材１３０の円筒形部分１３４は、平らな頂部１３２がＥＳＣ１００の頂面１０４と同一平面上にあるように、頂部凹所１５２を部分的に下方に延びている。このように構成されているので、押え部材１３０は、弁座１５０の頂部１５０ＴをＥＳＣ１００の中心開口１０２の内部に固定する締付装置として機能する。押え部材１３０の頂部１３２は、弁１４０及びＥＳＣ１００の組立て中にスパナ―もしくはレンチを受け入れるための２つの穴３５を有する。押え部材１３０にはその全長に沿って細長い流路１３６が設けられている。この実施形態においては、押え部材１３０の流路１３６，頂部凹所１５２のテ―パ付き底部１５２Ｂ及び弁座１５０の流路１５１は、ガスが弁座１５０の底部１５０ＢからＥＳＣ１００の支持面１０４へと流れるための通路を形成する。この実施形態の押え部材１３０はステンレス鋼から形成されているが、他の材料を使用してもよい。
【００１９】
電磁弁１４０は、通常閉じるように構成されていて、裏面ガスの積極的な遮断を行う。この弁１４０のソレノイド（図示せず）に電流を印加することにより弁１４０が「開」位置に作動されるときに、ポペット１６２は、図２ｃに示すように、弁座１５０の底部凹所１５８から離れるように後退する。この開位置においては、ポペット１６２の頂部１６３は、弁体１６０の頂部開口１６５と弁座１５０の底部凹所１５８との間に配置される。このように構成されているので、通路２９０（図２ｃに矢印で例示する）が形成されて、この通路２９０により、弁体１６０からの裏面ガスは、弁体１６０，弁座１５０及び押え部材１３０の各流路１６１，１５１及び１３６を経て、ＥＳＣ１００の頂面又は支持面１０４へ流れるのを許容される。ウェハ処理中にウェハ２９９がチャックされているとき、ウェハ２９９の裏面とＥＳＣ１００の縁部１００Ｅ（図１参照）との間にシールもしくは封止が形成される。ウェハ２９９の裏面２９８とＥＳＣ１００の支持面１０４との間のスペース２９５に充満している裏面ガスは、ウェハ２９９とＥＳＣ１００との間の良好な熱伝導を確実にする。
【００２０】
ウェハ処理の後、ポペット１６２を弁座１５０の底部凹所１５８に当接封止することによって、弁１４０が閉弁される。ウェハ２９９のチャックが外されると、ウェハ２９９の背後，押え部材１３０の流路１３６，及び弁座１５０の内部（即ち、流路１５１及び頂部凹所１５２のテ―パ付き底部１５２Ｂの内部）にトラップされていた少量の裏面ガスは放出されてプロセス室の中に入る。これに対応する体積は、例えば約５ｃｍ3以下，好ましくは約１又は２ｃｍ3と非常に小さく設計されており、一般的なプロセス室の容積と比較して無視しうる。このように構成されているので、トラップされていた裏面ガスのプロセス室内への放出にも拘わらず、プロセス室の圧力には目立つほどの上昇はなく、また、イオンビーム特性に対する悪影響を回避することができる。このような設計は、弁１４０をコンパクトな寸法にして、ＥＳＣ１００の極めて近くに配置しうるようにすることによって可能となる。このようにして、さもなければ必要な長い接続用ガス管路を排除することができる。この実施形態においては、押え部材１３０及び弁座１５０の内部スペースが、ウェハ２９９のチャックを外した際にプロセス室内に放出される裏面ガスの体積を実質的に規定する。
【００２１】
本発明の別の局面は、裏面ガスの圧力を制御するための圧力制御装置１４２に関係している。ガス横断方向の熱伝達率はガス圧力に依存しているので、圧力制御装置１４２の位置設定を改善することは、ウェハの温度制御をもっと信頼性のあるものにする。この実施形態において、圧力制御装置１４２は、長さ約９.８フィート（３ｍ）のガス管路１４４によって弁体１６０の底部１６０Ｂに接続されている（図１参照）。圧力制御装置１４２をＥＳＣ１００のより近くに位置付けることにより、そして弁１４０とウェハ２９９の裏面２９８との間の裏面ガス体積を減少させることにより、圧力制御と同様にウェハ温度制御に対して迅速な応答時間が達成できる。これは、弁１４０の開閉の関数としての模擬ガス圧力応答を示す図３ａ及び図３ｂに例示されている。この例において、裏面ガス圧力は約１３トルの所定圧力に設定され、弁１４０は時間（ｔ）が１秒で開き、ｔ＝２秒で閉じる。図３ａは、圧力制御装置１４２での圧力応答Ｐｃを示し、一方、図３ｂは、ウェハ２９９の裏面２９８での（即ち、ポペット座１５８とウェハ裏面２９８との間の裏面ガス体積内の）圧力応答Ｐｗを示している。弁１４０を開くと、裏面ガス圧力Ｐｗは点ＡからＢへと殆ど瞬時に上昇する。このような迅速な応答（例えば、１００ msec よりもずっと短い）が可能なのは、圧力制御装置１４２とウェハ２９９との間の総体積Ｖｃと比較して裏面ガス体積Ｖｗが相当に小さい、即ちＶｃ／Ｖｗ≫１であるからである。弁１４０がｔ＝２秒で閉じると、裏面ガス圧力Ｐｗは、１００ msec より短い間に約０トルまで（或いは、実際には、ウェハ処理システム内のベース圧力）減少する。ガス管路１４４は、イオン注入装置におけるスピンドル１２０の運動に備えるため、可撓性のホース材料から形成されている。しかし、このような運動に起因するガス管路の変形は、圧力制御の際における応答時間の減少になりうる。ガス管路１４４の長さを短くすることはこの問題をある程度軽減するのに役立つ。裏面ガスは、別のガス管路１４６により圧力制御装置１４２に接続されたガス供給源１４８によって、圧力制御装置１４２に供給される。
【００２２】
本発明の別の実施形態においては、ガス送出システムに質量流量計を組み入れることができる。しかし、質量流量の制御は定常状態制御のために興味があるからに過ぎないので、本発明における圧力制御ほど重要ではない。
【００２３】
最小の裏面ガス体積を有する裏面ガス送出システムを組み入れた本発明は、イオン注入装置において使用するのに適するが、他のウェハ処理システムでの使用にも適応できる。本発明の教示事項を組み入れた一実施形態について示し詳細に説明してきたが、当業者は、これらの教示事項を依然として組み入れているその他多くの変形実施形態を容易に創出しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による裏面ガス送出システムの概略図を表している。
【図２】図２ａは、プラスチック製絶縁体の頂部横断面図、図２ｂは、図１の弁及び押え部材を表す拡大概略横断面図、図２ｃは、図２ｂのポペット，弁座及び押え部材を表す別の拡大概略横断面図である。
【図３】図３ａは、図１の圧力制御装置での模擬圧力応答曲線、図３ｂは、図２ｃのウェハの裏面での模擬圧力応答曲線を表している。
【図１】
0004753453.tif 000002
【図２】
0004753453.tif 000003
【図３】
0004753453.tif 000004