(57)【要約】  本明細書では、半導体処理用の処理チャンバ内の温度を制御する方法および装置が開示される。一実施形態では、半導体処理用の処理チャンバが提供される。この処理チャンバは、チャンバ本体および温度制御システムを含む。温度制御システムは、処理チャンバの上ドーム内の温度を測定するように構成された温度センサと、送風機と、温度制御システムを制御するように構成されたコントローラとを含む。温度制御システムは、処理チャンバ内の温度を制御する本明細書に記載された方法を実行するように構成されている。
2018511181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理用の処理チャンバであって、
チャンバ本体
を備え、前記チャンバ本体が、
上ドームと、
下ドームと
を備え、前記上ドームおよび前記下ドームが前記処理チャンバの内部容積を画定し、前記処理チャンバがさらに、
温度制御システム
を備え、前記温度制御システムが、
前記上ドームの温度を測定するように構成された温度センサと、
送風機と、
前記送風機および前記温度センサと通信するコントローラと
を備える処理チャンバ。
【請求項２】
前記温度センサが高温計である、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項３】
前記温度センサが、１．５μｍ〜６μｍの間の波長を有する光を使用して前記上ドームの前記温度を測定する、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項４】
前記コントローラがＰＩＤコントローラである、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項５】
前記ＰＩＤコントローラが、処理中に前記上ドーム上に膜が形成されないような所望の温度設定点に設定された、請求項４に記載の処理チャンバ。
【請求項６】
前記コントローラが、
前記温度センサに結合された入力と、
前記送風機に結合された出力と
を備える、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項７】
前記送風機が、前記上ドームに冷ガス流を供給するように構成された、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項８】
前記温度センサが、測定された前記上ドームの温度を前記コントローラに送信するように構成された、請求項１に記載の処理チャンバ。
【請求項９】
半導体処理用の処理チャンバのための温度制御システムであって、
前記処理チャンバのプロセスにさらされる構成要素の温度を測定するように構成された温度センサと、
前記プロセスにさらされる構成要素に向かって冷却ガス流を導く送風機と、
前記送風機および前記温度センサと通信するコントローラと
を備える温度制御システム。
【請求項１０】
前記温度センサが高温計である、請求項９に記載の温度制御システム。
【請求項１１】
前記温度センサが、１．５μｍ〜６μｍの間の波長を有する光を使用して前記上ドームの前記温度を測定する、請求項９に記載の温度制御システム。
【請求項１２】
前記コントローラがＰＩＤコントローラである、請求項９に記載の温度制御システム。
【請求項１３】
前記ＰＩＤコントローラが、処理中に前記上ドーム上に膜が形成されないような所望の温度設定点に設定された、請求項１２に記載の温度制御システム。
【請求項１４】
前記コントローラが、
前記温度センサに結合された入力と、
前記送風機に結合された出力と
を備える、請求項９に記載の温度制御システム。
【請求項１５】
半導体処理用の処理チャンバ内の温度を制御する方法であって、
前記処理チャンバの上ドームの温度を温度センサを使用して測定すること、
測定された前記温度を、前記温度センサからＰＩＤコントローラに送信すること、
測定された前記温度に基づいてコントローラ出力を計算すること、および
前記コントローラ出力に基づいて送風機を動作させて、前記上ドームの温度を制御すること
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、半導体処理装置の構成要素の温度を制御する方法および装置に関する。より詳細には、本明細書には、温度センサおよび可変速度送風機と通信するＰＩＤコントローラを実装した温度制御システムが記載されている。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板を処理する処理装置の一型は、処理チャンバ内のサセプタ上に一度に１つの基板が支持される単一基板処理装置である。このサセプタはチャンバを２つの領域に分割する。上ドームを境界とするサセプタの上方の上領域と、下ドームを境界とするサセプタの下方の下領域である。このサセプタは一般にシャフト上に取り付けられており、このシャフトは、基板の均一な処理を強化するためにサセプタをサセプタの中心を軸にして回転させる。基板の表面を処理するためにチャンバの上部に処理ガスの流れが供給される。基板を横切るこの処理ガスの流れを達成するために、このチャンバが、チャンバの１つの側面にある給気口と、反対側の側面にある排気口とを有することがある。あるいは、上ドームが、基板に向かってプロセスガスを導くガス分配器（ｇａｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ）を含むこともある。このガスは、チャンバの外縁からチャンバの外に出る。
基板を所望の処理温度に加熱するためにサセプタを加熱することがある。サセプタを加熱する目的に使用される１つの方法は、チャンバの周囲に提供されたランプを使用する方法である。このランプは、チャンバ内ならびにサセプタ上および／または基板上に熱放射を導く。それらのランプのうちの１つまたは複数のランプが、上ドームを通して放射を導くことがある。基板を加熱している温度を制御するために、サセプタおよび／または基板の温度を絶えず測定することがある。基板から放出された熱放射を検出する温度センサを使用してこの温度を測定することがある。温度センサに対する有害な影響を回避するため、このような温度センサはしばしばチャンバの処理環境外に配置される。１つの構成では、基板によって放出され上ドームを透過した放射を調べるように温度センサが配置される。このような構成では、上ドームが、温度センサが検出する放射に対して実質的に透明な材料でできている。基板温度を制御するのは、チャンバ内における基板の処理を均一にするためである。温度が不均一であることが、滑り線（ｓｌｉｐ  ｌｉｎｅ）、積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｇ  ｆａｕｌｔ）、粒子生成および基板の欠陥につながることがある。
ほとんどの場合、基板に面する上ドームの表面は処理環境にさらされる。基板温度制御が、上ドームを透過して基板から検出器へ向かう放射または上ドームを透過してランプから基板へ向かう放射に依存する場合には、上ドームのプロセスに直面する表面にプロセスガスが堆積することを防ぐステップが実施される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上ドームを低温に維持することが、上ドーム上での膜成長を防ぐ際の鍵となる因子であることは確定している。したがって、膜成長を防ぐために上ドームの温度を制御することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書では、一実施形態として、半導体処理用の処理チャンバが開示される。この処理チャンバは、チャンバ本体および温度制御システムを含む。チャンバ本体は、上ドームおよび下ドームを含む。上ドームおよび下ドームは処理チャンバの内部容積を画定する。温度制御システムは、温度センサ、送風機およびコントローラを含む。温度センサは、上ドーム内の温度を測定するように構成されている。コントローラは、温度制御システムを制御するように構成されている。コントローラは、送風機および温度センサと通信する。
【０００５】
本明細書では、他の実施形態として、温度制御システムが開示される。この温度制御システムは、温度センサ、送風機およびコントローラを含む。温度センサは、上ドーム内の温度を測定するように構成されている。コントローラは、温度制御システムを制御するように構成されている。コントローラは、送風機および温度センサと通信する。
本明細書では、他の実施形態として、半導体処理用の処理チャンバ内の温度を制御する方法が開示される。処理チャンバの上ドームの温度を温度センサを使用して測定する。測定された温度を、温度センサからＰＩＤコントローラに送信する。ＰＩＤコントローラが、測定された温度に基づいてコントローラ出力を計算する。ＰＩＤコントローラと通信する可変速度送風機によって冷却機構が提供される。
上に挙げた本開示の諸特徴を詳細に理解することができるように、そのうちのいくつかが添付図面に示された実施形態を参照することによって、上に概要を示した本開示をより具体的に説明する。しかしながら、添付図面は本開示の典型的な実施形態だけを示したものであり、したがって添付図面を本開示の範囲を限定するものと考えるべきではないことに留意すべきである。等しく有効な別の実施形態を本開示が受け入れる可能性があるためである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】処理チャンバの一実施形態の断面図である。
【図２】図１の処理チャンバの温度制御システムの一実施形態を示す図である。
【図３】図１の処理チャンバの上ドームを図２の温度制御システムを使用して冷却する方法の一実施形態を示す図である。
【図４】ＰＩＤコントローラに対する制御の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
分かりやすくするために、適用可能な場合には、上記の図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照符号を使用した。また、１つの実施形態の要素を、本明細書に記載された別の実施形態で利用されるように有利に適合させることができる。
図１は、基板１０１を処理する一実施形態に基づく処理チャンバ１００の断面図を示す。処理チャンバ１００は、チャンバ本体１０２、ハウジング１０４および温度制御システム１３４を含む。ハウジング１０４は、チャンバ本体１０２を包囲および支持する。チャンバ本体１０２は、上ドーム１０６および下ドーム１０８を含む。上ドーム１０６および下ドーム１０８は処理チャンバ１００の内部容積１１０を画定する。チャンバ本体１０２の内部容積１１０には、基板支持アセンブリ１１２が配置されている。
【０００８】
基板支持アセンブリ１１２は、支持シャフトシステム１１４およびサセプタ１１６を含む。支持シャフトシステム１１４は、シャフト１１８、シュラウド（ｓｈｒｏｕｄ）１２０、複数のリフトピン１２２および複数のアーム１２４を含む。支持シャフトシステム１１４のシャフト１１８はシュラウド１２０内に配置されており、シャフト１１８およびシュラウド１２０はともに下ドーム１０８の開口１２７を通って延びている。シャフト１１８およびシュラウド１２０はハウジング１０４の外側へ延びている。シャフト１１８およびシュラウド１２０をアクチュエータアセンブリ１２６に結合することができる。シャフト１１８を中心軸を軸にして回転させ、シャフト１１８およびシュラウド１２０をチャンバ１００の軸に沿って移動させるように、アクチュエータアセンブリ１２６を構成することができる。処理の間、シュラウド１２０は一般に回転しない。
複数のアーム１２４はシャフト１１８に結合されている。アーム１２４は、半径方向外側へ延びてサセプタ１１６を支持している。リフトピン１２２は、サセプタ１１６を貫いて延びて、基板１０１を上昇または下降させるように構成されている。リフトピン１２２を動かすために、リフトピン１２２をシュラウド１２０に結合することができる。基板１０１を上昇または下降させるために、アクチュエータアセンブリ１２６のアクチュエータが、シュラウド１２０およびシュラウド１２０に結合されたリフトピン１２２を軸方向に移動させることができる。
処理中に、チャンバ本体１０２に形成された給気口１２８を通って処理チャンバ１００にガスが入る。このガスは、チャンバ本体１０２に形成された排気口１３０を通して除去される。このガスは、チャンバ１００の内部容積１１０に流入する。基板１０１の方を向いた上ドーム１０６のプロセスに直面する表面１２９はしばしば、処理環境と内部容積１１０内を流れるプロセスガスとにさらされる。
【０００９】
ハウジング１０４内のチャンバ本体１０２の外側に熱源１３２が配されている。熱源１３２は例えば放射電球（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｂｕｌｂ）とすることができる。熱源１３２は、チャンバ本体１０２に熱を供給するように構成されている。上ドーム１０６および下ドーム１０８は透明材料、例えば石英から作られている。この透明材料は、熱源１３２からの熱が処理チャンバ１００に自由に入って基板１０１を加熱することを可能にする。いくつかの実施形態では、処理中に基板によって放出された熱放射を調べるために、上ドーム１０６の外側に、サセプタ１１６の方へ向けられた温度センサ１３６が配置される。
【００１０】
処理中に、上ドーム１０６上に膜（図示せず）が形成される可能性がある。熱源１３２から放出された熱が処理チャンバ１００に入ること、および／または基板からの放射が温度センサ１３６に到達することをこの膜が妨げることがある。その結果、内部容積１１０内の温度が不安定になる可能性がある。温度が不安定であることが、滑り線、積層欠陥、粒子および基板１０１上の欠陥につながることがある。上ドーム１０６を固定された温度に維持することが、上ドーム１０６上での膜成長を防ぐ際の因子であることは確定している。この固定された温度は、チャンバ１００に流入させるプロセスガスの化学的特性によって決定されるが、ほとんどの場合、所望の温度制御範囲は摂氏４５０度〜摂氏６５０度である。
【００１１】
上ドーム１０６上に膜が形成されることを防ぐために、温度制御システム１３４によって上ドーム１０６を冷却することができる。温度制御システム１３４は、高温計とすることができる温度センサ１３６、可変速度送風機１３８およびコントローラ１４０を含む。可変速度送風機１３８は、ハウジング１０４を貫いて導かれた導管１５０を通して冷ガス流を供給する。より具体的には、このガス流は、導管１５０を通して給気口１４２からハウジング１０４に供給される。このガス流は、排気口１４４を通ってハウジング１０４を出ることができる。給気口１４２を通って流入した冷ガスは、上ドーム１０６を横切って流れ、排気口１４４を通ってハウジング１０４を出る。上ドーム１０６の上面に沿った冷ガスのこの一定の流れが、チャンバ本体１０２の上ドーム１０６を冷却する。ドームを冷却する目的に使用するガスは、都合のよい任意のガスとすることができる。いくつかのケースでは空気が使用される。このガスは通常、内部容積１１０の外側の、上ドーム１０６に隣接する環境中で化学的に不活性であるように選択される。使用することができるガスの例は、窒素、ヘリウム、アルゴンおよびこれらの組合せなどである。
【００１２】
図２は、温度制御システム１３４の拡大図である。温度センサ１３６を使用して上ドーム１０６の温度を監視することができる。温度センサ１３６は石英製とすることができる。温度センサ１３６は、約１．５μｍ〜約６μｍの波長を有する光を使用して上ドーム１０６の温度を測定する。温度センサ１３６はコントローラ１４０に接続されている。コントローラ１４０は例えばＰＩＤコントローラとすることができる。
ＰＩＤコントローラ１４０を使用して、温度制御システム１３４の全ての様相（ａｓｐｅｃｔ）を操作することができる。ＰＩＤコントローラ１４０は、メモリ２０２および大容量記憶デバイスと一緒に動作可能なプログラム可能な中央処理装置（ＣＰＵ）２００、入力制御ユニット、および表示ユニット（図示せず）、例えば、可変速度送風機１３８の制御を容易にするために温度制御システム１３４のさまざまな構成要素に結合された電源、クロック、キャッシュ、入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路などを含む。ＰＩＤコントローラ１４０はさらに、温度センサ１３６を監視するハードウェアを含む。ＰＩＤコントローラ１４０をさらに、基板温度、チャンバ雰囲気圧力などのシステムパラメータを測定する追加のセンサに結合することもできる。
【００１３】
前述の温度制御システム１３４の操作を容易にするために、ＣＰＵ２００を、温度センサ１３６からのデータに基づいて可変速度送風機１３８を制御する、プログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）などの、工業的環境で使用することができる任意の形態の汎用コンピュータ処理装置のうちの１つの汎用コンピュータ処理装置とすることができる。メモリ２０２はＣＰＵ２００に結合されている。メモリ２０２は非一時的メモリであり、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスクドライブ、ハードディスク、他の形態のディジタルストレージなど、ローカルまたはリモートの容易に入手可能な１種または数種のメモリタイプとすることができる。ＣＰＵ２００には、処理装置を従来の方式で支援する支援回路２０６が結合されている。プロセス情報は一般に、メモリ２０２に、通常はソフトウェアルーチンとして記憶される。このソフトウェアルーチンを、ＣＰＵ２００が制御しているハードウェアから離れた遠隔位置にある第２のＣＰＵ（図示せず）によって記憶および／または実行することもできる。
【００１４】
メモリ２０２は、ＣＰＵ２００によって実行されたときに温度制御システム１３４の操作を容易にする命令を含むコンピュータ可読記憶媒体の形態をとる。メモリ２０２内の命令は、本開示の方法を実装したプログラムなどのプログラム製品の形態をとる。このプログラム製品は、いくつかの異なるプログラミング言語のうちの任意の１つのプログラミング言語に準拠したプログラムコードを含む。一例では、本明細書に記載された方法が、コンピュータシステムと一緒に使用されるコンピュータ可読記憶媒体上に記憶されたプログラム製品として実装される。このプログラム製品のプログラムは、（本明細書に記載された方法を含む）実施形態の機能を定義する。例示的なコンピュータ可読記憶媒体には、限定はされないが、（ｉ）情報が恒久的に記憶される書込み不能の記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭドライブによって読出し可能なＣＤ−ＲＯＭディスク、フラッシュメモリ、ＲＯＭチップまたは任意のタイプの固体不揮発性半導体メモリなどのコンピュータ内のリードオンリーメモリデバイス）、および（ｉｉ）変更可能な情報が記憶された書込み可能な記憶媒体（例えばディスケットドライブ内のフロッピーディスクもしくはハードディスクドライブ、または任意のタイプの固体ランダムアクセス半導体メモリ）などが含まれる。本明細書に記載された方法の機能を指示するコンピュータ可読命令を記憶しているとき、このようなコンピュータ可読記憶媒体は本開示の実施形態である。
【００１５】
ＰＩＤコントローラ１４０はさらに入力２０８および出力２１０を含む。温度センサ１３６は、入力２０８を通してＰＩＤコントローラ１４０に接続されている。ＰＩＤコントローラ１４０の出力２１０は可変速度送風機１３８に接続されている。可変速度送風機１３８は、上ドーム１０６の表面にガスを吹きかけて、上ドーム１０６が過熱することを防ぐ。可変速度送風機１３８の全出力のある百分率に可変速度送風機１３８を設定することができる。
全ての可変速度送風機１３８が、冷ガスを吹きかけるのに同じ効率レベルで動作するとは限らないため、上ドーム温度の直接測定を使用して可変速度送風機１３８の速度を調整することによって、可変速度送風機間の差異を補償することができる。任意の可変速度送風機１３８をハウジング１０４に装備することができることを保証するために、ＰＩＤコントローラ１４０の形態の制御ループフィードバック機構が実装される。
【００１６】
図３は、ＰＩＤコントローラ１４０を使用して上ドーム１０６の温度を制御する方法３００を示す。ブロック３０２で、ＰＩＤコントローラ１４０を所望の温度設定点に設定する。この所望の温度設定点は、基板１０１の処理中に上ドーム１０６上に膜が形成されない温度である。例えば、プロセス温度が摂氏１１００度であるときの上ドーム１０６の所望の温度設定点は摂氏５１０度とすることができる。他の実施形態では、プロセス温度が摂氏１１３０度であるときの上ドーム１０６の所望の温度設定点が摂氏５３０度である。この所望の温度設定点は、ＰＩＤコントローラ１４０のメモリ２０２に記憶される。
ブロック３０４で、上ドーム１０６の温度を温度センサ１３６を使用して測定する。温度センサ１３６は石英高温計とすることができる。温度センサ１３６は、約１．５μｍ〜約６μｍ、例えば約５μｍの波長を有する光を使用して上ドーム１０６の温度を測定するように動作することができる。
【００１７】
ブロック３０６で、温度センサ１３６が、測定された上ドーム１０６の温度をＰＩＤコントローラ１４０の入力２０８に送信する。ＰＩＤコントローラ１４０は、温度センサ１３６によって提供されたこの情報に基づいてコントローラ出力４０２を計算する。図４は、ＰＩＤコントローラ１４０の制御論理４００の一実施形態を示す。コントローラ出力４０２は、比例ゲイン４０６、積分ゲイン４０８および微分ゲイン４１０の求和４０４を使用して計算される。比例ゲイン４０６は、現在の誤差値に比例した出力値を表す。ブロック３０８でこの現在の誤差値を計算する。現在の誤差値は、ある時刻ｔにおける測定された温度（ｍｅａｓｕｒｅｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＭＴ）と温度設定点（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｅｔ  ｐｏｉｎｔ：ＴＳＰ）との差であり、すなわち
ｆ（ｔ）＝ＭＴ−ＴＳＰ
である。
したがって、比例ゲイン４０６は下式によって表される。
比例ゲイン＝Ａｆ（ｔ）＝Ａ（ＭＴ−ＴＳＰ）
上式で、Ａは定数である。
【００１８】
積分ゲイン４０８は、誤差の大きさおよび誤差の持続時間に比例する積分項の形態の出力を表す。積分ゲイン４０８は下式によって表すことができる。
積分ゲイン＝Ｂ∫ｆ（ｘ）ｄｘ、ｘ＝０からｘ＝ｔ
上式で、Ｂもやはり定数である。
微分ゲイン４１０は、時間に対する誤差の傾きを決定することによって計算される。次いで、この時間に対する誤差の傾きに定数Ｃを乗じる。微分ゲイン４１０は下式によって表すことができる。
微分ゲイン＝Ｃｄ／ｄｔｆ（ｔ）
図３に戻る。ブロック３１０で、ＰＩＤコントローラ１４０がコントローラ出力４０２を計算する。コントローラ出力４０２は下式によって表される。
出力＝比例ゲイン＋積分ゲイン＋微分ゲイン
定数Ａ、ＢおよびＣが、コントローラ出力４０２に対する比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインの相対的寄与を決定する。
ブロック３１２で、ＰＩＤコントローラ１４０が、コントローラ出力４０２を、ＰＩＤコントローラ１４０の出力２１０から可変速度送風機１３８に送信する。
【００１９】
ブロック３１４で、可変速度送風機１３８が、コントローラ出力４０２に応答してハウジング１０４に冷ガスを供給する。コントローラ出力４０２は、可変速度送風機１３８の全出力を全出力のある百分率に調整する。この冷ガス流は、導管１５０を通り、給気口１４２を通ってハウジング１０４に入る。冷ガスは次いで、上ドーム１０６の上面を横切って流れる。冷ガスは、出口を通ってハウジング１０４を出る。
ブロック３１６で、基板１０１の処理が完了するまでこの方法のブロック３０４からブロック３１４を繰り返す。この閉ループ制御フィードバックシステムの利点は、このシステムが、上ドーム１０６の実際の温度に影響を与えうる多くの変量、例えば、限定はされないが、送風機効率の変動、可変速度送風機導管の漏れ、システム内の全体の冷却の変動などを除去することである。その結果、チャンバ洗浄とチャンバ洗浄の間により多くの基板を処理することができ、したがって処理システムの全体効率が増大する。
【００２０】
以上の説明は特定の実施形態を対象としているが、その基本的な範囲を逸脱することなく他の追加の実施形態を考案することができる。その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2018511181.tif 000003
【図２】
2018511181.tif 000004
【図３】
2018511181.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2018511181.tif 000007
2018511181.tif 000008
2018511181.tif 000009
2018511181.tif 000010
2018511181.tif 000011
2018511181.tif 000012