(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスチャンバ内の真空圧力を制御するための排気ユニットであって、
入力ポートが前記プロセスチャンバに接続する真空制御用比例弁と、
前記真空制御用比例弁の出力ポートと、入力吸引ポートが接続するエジェクタと、
大気圧を計測する大気圧センサとを有し、
プロセスチャンバ内の圧力を計測する差圧式キャパシタンスマノメータを組合せ演算処理し、プロセスチャンバ内を前記真空制御用比例弁により絶対圧力制御することを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用ユニットにおいて、
前記エジェクタの出力排気ポートが、排気ダクトに接続されることを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用ユニットにおいて、
前記エジェクタにて、前記真空制御用比例弁の出力ポート側を真空にし、さらに、前記真空制御用比例弁の弁開度を可変して、前記エジェクタの排気速度を調整することで、真空圧力を制御することを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットのいずれか１つにおいて、
前記エジェクタがノズルを直列に配置した多段式エジェクタであることを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットのいずれか１つにおいて、
前記真空制御用比例弁がポペット式パイロット弁であって、それへの供給圧力を電空変換器にて制御することを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、
前記プロセスチャンバ内の圧力を計測する圧力センサと、
前記圧力センサの計測値をフィードバックし、目標真空圧力値と前記圧力センサの計測値を比較演算処理し、最適な操作量を前記電空変換器に与える閉ループ制御を行う真空制御用比例弁制御手段とを有することを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、
前記電空変換器が給気側電磁弁と排気側電磁弁を備え、
前記真空制御用比例弁制御手段が、前記給気側電磁弁と前記排気側電磁弁とを同時にデューティ比制御するＰＷＭ制御（パルスワイドモジュール制御）を行うことを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【請求項８】
請求項６に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、
前記電空変換器がノズルフラッパを用いたものであることを特徴とするプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスの工程において、プロセスチャンバ等の内部真空圧力を制御するためのプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より例えば、半導体製造プロセスの中の酸化膜プロセスにおいては、ＰＹＲＯと呼ばれる半導体製造装置を用いて、薄い酸化膜をつける工程が行われている。ＰＹＲＯと呼ばれる装置は、プロセスチャンバと、プロセスチャンバを高温にするヒータ、ガス供給系の装置と、ガス排気系装置から構成される。
ウエハを入れてプロセスを行うプロセスチャンバは、石英が用いられる。ＰＹＲＯに使用される酸化プロセスを行ためのＨ2ガス、Ｏ2ガス、Ｎ2ガスはガス供給装置でマスフロコントローラにて質量流量を正確に制御し、Ｈ2ガス、Ｏ2ガスを燃焼させてプロセスチャンバに送り込む外部燃焼装置に送られ燃焼させてからプロセスチャンバに供給される。プロセスチャンバは８００℃〜９００℃に温度制御されている。
一方、プロセスガスは、排気装置である工場ダクト（−１０００Ｐａ〜−２０００Ｐａ程度の低真空）により回収される。
【０００３】
一方、従来の排気圧制御装置は、圧力センサとして大気圧基準の差圧センサを用いており、プロセスチャンバ内の圧力を大気圧から、−５００Ｐａ位までの微減圧制御を行っていた。この微減圧制御に用いる圧力センサは、静電容量型の圧力センサか、またはダイヤフラムの変位を差動トランスで計測し差圧を計測する方式の微差圧計を用いている。差圧センサには、２つの接続ポートがあり、一方をプロセスチャンバに接続し、他方をリファレンスポートとして大気に開放して使用する。また、制御バルブにはバタフライ弁を用いている。そして、排気の発生源は、工場排気ダクトを用い、最大排気能力で、大気圧から−２０００Ｐａの真空排気能力を有している。
【０００４】
従来のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムを図１４に示す。
酸化膜を均一に成膜するためには、プロセス時間、温度、プロセス圧力を正確に制御しなければならない。圧力を制御するためには、プロセスチャンバ３０１と工場ダクト３０９の間に排気圧コントローラと呼ばれる比例制御弁であるバタフライ弁３０６と、差圧センサ３０７と、制御装置３０８を設け、プロセスチャンバ３０１の圧力を差圧センサ３０７で計測し、制御装置３０８により目標圧力と比較演算し、最適な弁開度を制御することでプロセス圧力を制御する。
つまり、工場ダクト３０９の排気能力に対し、モーター３０６ａを介して、バタフライ弁３０６の弁開度を変えることで排気能力を制御し、プロセスチャンバ３０１の真空圧力を制御する方法がとられている。
差圧センサ３０７は、２つの計測ポートを持ち、一方３０７ａは、プロセスチャンバに接続され、もう一方は、リファレンスポート３０７ｂとして、大気圧に開放されている。そうすることで大気圧基準からの微減圧を計測し、計測結果は、電圧信号（ＤＣ０〜１０Ｖ）で出力される。
尚、符号３０３，３０４，３０５は、Ｈ2ガス、Ｏ2ガス、Ｎ2ガスの質量流量を制御するマスフロコントローラである。また、符号３０２は、Ｈ2ガス、Ｏ2ガスを燃焼させてプロセスチャンバ３０１に送り込む外部燃焼装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年、半導体の高集積化、システム化にともない、酸化膜プロセスにおいても、より薄い酸化膜を均一に成膜する必要がでてきた。そのような要請の元では、従来のシステムには次のような問題があった。
（１）酸化膜を均一に成膜する重要な要素として、プロセスチャンバの微減圧を正確に制御する必要がある。一方、大気圧力は気象により５０００Ｐａ程度の変動がある。
酸化膜プロセスは、従来ではそのときの大気圧基準で、大気圧より若干低い−５０Ｐａ〜−２００Ｐａで制御し行われてきた。ところがこの方式だと、気象により大気圧は変動するため、実際のプロセス圧力は大きく違ってくる。（大気圧基準での計測制御のため大気圧力が変動すればその分プロセスチャンバの圧力はシフトしてしまう）
この大気圧力の変動が、酸化膜の膜圧に影響することが確認されている。従来のＰＹＲＯの排気系の真空圧力制御装置の圧力センサは、大気圧基準のセンサのため大気圧の変動の影響を直接うけてしまう問題があった。
【０００６】
大気圧の変動が半導体製造工程に与える悪影響については、従来、例えば特開平１０−３３５２０１号公報や特開平５−３２５００号公報において開示されている。それら先行技術は、いずれも大気圧変動を計測して、その条件下で薬液塗布条件を変化させて膜厚を所定の厚みにするための発明であった。
しかし、大気圧の変動に対応して薬液塗布の条件変化させるためには、事前にたくさんの実験を重ね、それらのデータをテーブル等として記憶しておく必要があった。そのため、多くの時間と労力を必要としていた。特に、新しい薬液等を使用する場合には、新しい薬液自体の実験と平行して、事前のデータを得なければならず、多大な労力を必要とする問題があった。
【０００７】
（２）また、絶対圧基準のセンサを用い、計測制御すれば大気圧の変動の影響は受けないが、工場ダクトの排気能力は大気圧から−１０００Ｐａ〜−２０００Ｐａ程度の能力しかないため、大気圧がそれ以上変動した場合は、真空側に制御できない問題があった。例えば、９８４２０Ｐａ（７４０Ｔｏｒｒ）に制御目標にした場合、大気圧が、９８４２０Ｐａ付近であれば、バタフライ弁の弁開度を制御することで圧力制御ができるが、大気圧が、たとえば１０１０８０Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ）のときは、２６６０Ｐａの差圧分だけ工場ダクトで排気しなければならない。ところが工場ダクトの能力は一般的には、最大でも−２０００Ｐａ程度しかなく、たとえバタフライ弁を全開にしても目標とする真空圧力に到達することはできない。
【０００８】
また、制御目標を１０３７４０Ｐａ（７８０Ｔｏｒｒ）にした場合で、大気圧が１０１０８０（７６０Ｔｏｒｒ）のときは大気圧より高い圧力制御のため、工場ダクトの能力は問題にはならない。よって、バタフライ弁の弁開度を制御することで圧力制御は可能であるが、装置側に不都合がある。大気圧より高い圧力なると、プロセスチャンバがチャンバ内圧力によって内側から押されることになる。リークがあった場合は、真空圧のときは、大気圧を吸い込むことになるが、大気圧より高い場合は逆に、外部へのリークとなる。安全面を考慮すれば、外部に対しガスがリークする方向にあることは好ましくない。また、ウエハの出し入れ口は大気圧より＋５０００Ｐａ程度の耐圧しかないため、気象の状態が低気圧の場合は、口が開いてしまいプロセスガスが外部にリークする恐れがある。
このように、従来の排気系で絶対圧力制御するためには、工場ダクトの能力、装置側プロセスチャンバの陽圧方向の耐圧、の問題があり、実現できなかった。
【０００９】
上記問題点を解決する手段として、本出願人は、特願２０００−１９９０８５号において、エジェクタを用いてプロセスチャンバ内の真空圧力を制御するシステムを提案した。
しかしながら最近、微減圧圧力と、より高い真空圧力とがプロセスの過程で連続的に行う必要が発生している。
すなわち、プロセスの微細化、薄膜化に伴い、酸化膜工程後に窒化膜を成膜する連続プロセスが行われる。酸化膜は１００オングストローム以下の非常に薄い酸化膜を成膜するため、成膜後にウエハを大気圧雰囲気に放置すると、大気圧中の酸素と反応して、不必要な酸化が進んでしまう。これを防止するために、酸化膜ＳｉＯ2膜の上に窒素膜ＳｉＮを成膜する連続プロセスが行われる。このときには、微減圧排気系とより高い真空圧力排気系との２つの排気系を用いる必要があるが、図１４のバタフライ弁３０６では真空遮断機能がないため、微減圧排気系とより高い真空圧力排気系との２つの排気系を用いることができなかった。
窒素膜を成膜するときは、減圧下で行われるため、真空ポンプと真空圧力制御用比例弁とが用いられる。一方、酸化膜を成膜するときは、大気圧に近い微減圧でプロセスを実行するため、真空発生源としては工場排気ダクトが用いられる。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決して、半導体の高集積化、システム化にともない、酸化膜プロセス等においても、酸化膜成膜と窒素膜成膜とを連続プロセスとして行うことのできるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットは、次のような構成を有している。
（１）プロセスチャンバ内の真空圧力を制御するための排気ユニットであって、入力ポートが前記プロセスチャンバに接続する真空制御用比例弁と、真空制御用比例弁の出力ポートと入力吸引ポートが接続するエジェクタとを有する。
（２）（１）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用ユニットにおいて、前記エジェクタの出力排気ポートと、作動流体出力ポートとが、排気ダクトに接続されることを特徴とする。
【００１２】
（３）（１）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用ユニットにおいて、前記エジェクタにて、前記真空制御用比例弁の出力ポート側を真空にし、さらに、前記真空制御用比例弁の弁開度を可変して、前記エジェクタの排気速度を調整することで、真空圧力を制御することを特徴とする。
【００１３】
（４）（１）乃至（３）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットのいずれか１つにおいて、前記エジェクタがノズルを直列に配置した多段式エジェクタであることを特徴とする。
【００１４】
（５）（１）乃至（４）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットのいずれか１つにおいて、前記真空制御用比例弁がポペット式パイロット弁であって、それへの供給圧力を電空変換器にて制御することを特徴とする。
（６）（５）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、前記プロセスチャンバ内の圧力を計測する圧力センサと、前記圧力センサの計測値をフィードバックし、目標真空圧力値と前記圧力センサの計測値を比較演算処理し、最適な操作量を前記電空変換器に与える閉ループ制御を行う真空制御用比例弁制御手段とを有することを特徴とする。
（７）（６）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、前記電空変換器が給気側電磁弁と排気側電磁弁を備え、前記真空制御用比例弁制御手段が、前記給気側電磁弁と前記排気側電磁弁とを同時にデューティ比制御するＰＷＭ制御（パルスワイドモジュール制御）を行うことを特徴とする。
【００１５】
（８）（６）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、前記電空変換器がノズルフラッパを用いたものであることを特徴とする。
（９）（１）乃至（８）に記載するプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、大気圧を計測する大気圧センサを備え、プロセスチャンバ内の圧力を計測する差圧式キャパシタンスマノメータを組合せ演算処理し、プロセスチャンバ内を絶対圧力制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットによれば、微減圧圧力と、より高い真空圧力とを１台のユニットで供給可能となるため、酸化膜成膜と窒素膜成膜とを連続プロセスとして容易に実現できる。特に、エジェクタは、その性質上プロセスチャンバの近くに設置する必要があるが、近年装置のより高い集積化に伴い、排気装置も小型化が必須であり、その小型化を容易に実現できる。また、従来の酸化膜成膜では真空遮断機能が不要であったが、連続成膜を行うためには、真空遮断機能が必要である。本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットによれば、パイロット式のポペット弁を真空圧力制御用比例弁として用いているので、微減圧制御と低真空制御と真空遮断機能とを同時に実現している。
【００１７】
例えば、本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットにおいて、エジェクタを真空制御用比例弁の２次側に配置し、エジェクタの２次側に排気ダクトを接続し、真空制御用比例弁の１次側にプロセスチャンバを接続し、エジェクタへ供給する圧力ガス供給圧力を一定の状態にしつつ、エジェクタにて、真空制御用比例弁の出力ポート側を真空にし、さらに、真空制御用比例弁の弁開度を可変して、エジェクタの排気速度を調整すれば、排気ダクトの排気能力に依存することなく、従来よりも、広い範囲（例えば、約９３１０Ｐａ（約７７Ｔｏｒｒ）〜大気圧）で真空圧力を制御することができる。これにより、排気ダクトの真空排気到達能力不足が補われるので、真空ポンプを用いることなく、広い範囲の真空圧力を制御することができ、上述した微減圧制御に加えて、低真空制御も可能となる。
【００１８】
特に、エジェクタとして多段エジェクタを用いることにより、圧力ガスを２回、３回と複数回利用できるので、圧力ガスを無駄に消費することを防止でき、省エネ化したシステムを実現できる。
また、給気側電磁弁と排気側電磁弁とは、常に同時並列状態で駆動することにより、電磁弁への通電開始時に発生する時間遅れを防止することができ、応答性の高いシステムを実現することができる。また、デューティ比制御することにより、制御しやすいシステムを実現することができる。
【００１９】
本発明の（９）のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットでは、プロセスチャンバの圧力を計測する圧力センサを備え、プロセスチャンバ内の圧力を計測する圧力センサの計測値をフィードバックし、目標真空圧力値と、計測値を比較演算処理し、最適な操作量を前記電空変換器に与える閉ループ制御を行ない、また、大気圧を観測する大気圧センサと、プロセスチャンバ内の圧力を計測する差圧式キャパシタンスマノメータを組合せ演算処理し、プロセスチャンバ内を絶対圧力制御しているので、大気圧の変動をリアルタイムで計測してフィードバック制御しているため、大気圧が変動してもプロセスチャンバ内の真空圧力を目標圧力値に精度良くかつ高い応答性で維持することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの一実施形態について図面を参照して説明する。図１に本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットが設けられたプロセスチャンバ内真空圧力制御システムの構成を示す。
内部にウエハを入れて低真空にして酸化膜をつけるプロセスチャンバ１３には、外部燃焼装置である燃焼トーチ１２が接続している。プロセスチャンバ１３の中央ブロックは、石英で作られている。燃焼トーチ１２には、ガスボックス１１が接続されている。ガスボックス１１では、酸化プロセスを行ためのＨ2ガス、Ｏ2ガス、Ｎ2ガスが各々のマスフロコントローラにより質量流量を正確に制御されて、燃焼トーチ１２に供給する。
Ｈ2ガス、Ｏ2ガスは、燃焼トーチ１２で燃焼されてからプロセスチャンバ１３の入力ポートに送り込まれる。ここで、プロセスチャンバ１３は、図示しないヒータにより８００℃〜９００℃に温度制御されている。
【００２１】
また、プロセスチャンバ１３の２次側には、マニホールド１５が接続されている。そして、マニホールド１５の２次側は、弁１６とマニホールド１８とに分岐している。この点、弁１６の２次側には、ドレイントラップ１７が接続されており、ドレイン系統になっている。
一方、マニホールド１８の２次側には、２つの真空制御用比例弁２６，１００が接続されており、微減圧排気系とより高い真空圧力排気系とに分岐している。この点、微減圧排気系には、真空制御用比例弁１００とエジェクタ２００とが接続されており、さらに、工場排気ダクトに接続されている。一方、より高い真空圧力排気系には、真空制御用比例弁２６が接続されており、さらに、ドライポンプに接続されている。
【００２２】
また、マニホールド１８には、圧力センサ２３が接続されている。本実施の形態では、圧力センサ２３として、キャパシタンス・マノメータが使用されている。
【００２３】
この点、圧力センサ２３の電気信号は、プロセスチャンバ１３内の圧力を測定したものであって（０〜１３３０００Ｐａ（１０００Ｔｏｒｒ））、コントローラ２０に入力される。
そして、コントローラ２０は、圧力センサ２３で測定されたプロセスチャンバ１３内の圧力に基づき、図示しない電空変換ユニットを介して、より高い真空圧力排気系の真空制御用比例弁２６の弁開度を制御することにより、プロセスチャンバ１３内の圧力を目標真空圧力値にフィードバック制御する。
【００２４】
さらに、マニホールド１８には、プロセスチャンバ１３内の圧力を計測する差圧式キャパシタンスマノメータである圧力センサ２４が、弁１９を介して、接続されている。この点、圧力センサ２４は、２つの計測ポートを持ち、一方は、マニホールド１８に接続され、もう一方は、リファレンスポート２５として、大気圧に開放されている。そして、圧力センサ２４の電気信号は、コントローラ２１に接続されている。圧力センサ２４は、プロセスチャンバ１３の出力ポートと大気圧との差圧を測定し（プラスマイナス１３３００Ｐａ（プラスマイナス１００Ｔｏｒｒ））、コントローラ２１に入力する。
また、コントローラ２１には、大気圧を測定するための大気圧センサ２２が設けられている。大気圧センサ２２の電気信号は、コントローラ２１に接続されている。
コントローラ２１は、圧力センサ２４からの信号及び大気圧センサ２２からの信号を演算処理することにより、プロセスチャンバ１３内の絶対圧力を求めている。
【００２５】
そして、コントローラ２１は、圧力センサ２４からの信号及び大気圧センサ２２からの信号を演算処理することにより求めたプロセスチャンバ１３内の絶対圧力に基づき、電空変換ユニット２５０を介して、微減圧排気系の真空制御用比例弁１００の弁開度を制御することにより、プロセスチャンバ１３内の圧力を目標真空圧力値にフィードバック制御する。
【００２６】
次に、微減圧排気系に設けられた真空制御用比例弁１００とエジェクタ２００について説明する。本実施の形態では、図２の正面図や、図３の側面図、図４の上面図、図５の底面図に示すように、プロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１として構成されている。すなわち、プロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１では、真空制御用比例弁１００とエジェクタ２００とを取付板３１にボルト３２で固定することにより一体化している。
さらに、真空制御用比例弁１００の出力ポート１２２（図６、図７参照）と、エジェクタ２００の入力吸引ポート２３３（図１０参照）とを、パイプ３３を介して接続している。このとき、パイプ３３の固定には、フランジホルダー３４やボルト３５などが使用される。
尚、図３の符号２４４は、エジェクタ２００の出力排気ポートである。
【００２７】
ここで、真空制御用比例弁１００の構造を図６及び図７に基づいて詳細に説明する。図６は、真空制御用比例弁が閉じられた状態を示している。図７は、真空制御用比例弁が開放された状態を示している。
図６及び図７に示すように、真空制御用比例弁１００は、大きく弁部１３０と駆動部１３１とに分かれている。本実施の形態においては、駆動部１３１は、電装部１５０を使用して、ピストンロッド１４１を上下方向に駆動させている。
尚、電装部１５０には、図１の電空変換ユニット２５０が内蔵されている。
【００２８】
弁部１３０は、弁本体１０２がアダプタ１４２を介して駆動部１３１に連結されている。弁本体１０２の材料には、ポリクロロトリフルオロエチレン又はポリテトラフルオロエチレンが使用されている。弁本体１０２には、配管１０３、１０４がフランジ１０５、１０６を介して同一軸線上に接続されている。そして、弁本体１０２には、配管１０３に連通する出力ポート１２２と、配管１０４に連通する入力ポート１２３とが、略中央部に形成された弁室１２１を介して連通するように形成されている。弁室１２１の下端部には、上流側から下流側に向かって小径となるテーパ弁座面１２４が形成されている。
【００２９】
弁室１２１には、ピストンロッド１４１の先端部に螺設されたベローズロッド１３７が挿通されている。また、弁室１２１には、アダプタ１４２と弁本体１０２に上端部を挟持されたベローズ１３８が配設されている。ベローズ１３８の下端部は、ベローズロッド１３７に螺設される弁体１３４により固定されている。弁体１３４は、耐腐食性に優れたポリクロロトリフルオロエチレン又はポリテトラフルオロエチレンで形成されている。弁体１３４の外周面には、図７に示すように、先細りとなるテーパ弁体面１３４ａが形成されている。そして、テーパ弁体面１３４ａには、Ｏリング１３５が嵌合されている。すなわち、Ｏリング１３５は、弾性変形できるように、テーパ弁体面１３４ａから僅かに突出して、弁体１３４とベローズ１３８の下端部とに挟持されている。
【００３０】
尚、図６及び図７に示す配管１０３は図２及び図４のパイプ３３に該当し、図６及び図７に示すフランジ１０５は図２及び図４のフランジホルダー３４に該当する。
【００３１】
次に、上記構成を有する真空制御用比例弁１００の作用について説明する。始めに、真空制御用比例弁１００の全閉状態について説明する。
駆動部１３１は駆動エアが供給されず、ピストンロッド１４１が不図示の復帰バネにより下向きに付勢される。そして、図６に示すように、テーパ弁体面１３４ａがテーパ弁座面１２４に当接する。このとき、テーパ弁体面１３４ａに嵌合されたＯリング１３５が、テーパ弁体面１３４ａに押圧されて大きく弾性変形してテーパ弁座面１２４に密着するので、真空制御用比例弁１００は完全に閉鎖され、流体が漏れない。
【００３２】
次に、低真空領域及び高真空領域における弁体１３４の位置制御動作について説明する。
高真空領域では、図７に示すように、テーパ弁体面１３４ａがテーパ弁座面１２４から少し離れた位置に停止する。
そして、低真空領域より大気圧に近い低々真空領域では、完全に遮断している状態のＯリング１３５（図６参照）の弾性変形量を電装部１５０の電空変換ユニット２５０（図１参照）に加えている空気圧を徐々に減少させて変化させ、Ｏリング１３５からの流体漏れを意図的に発生させて、その微小の漏れ量により低真空圧力を実現している。すなわち、Ｏリング１３５に加える荷重をコントロールし、任意の弾性変形量で流体の微減圧を行う。
【００３３】
ところで、半導体製造過程において、ウエハは減圧された真空容器内で高温のプロセスガスを蒸着されて、薄膜が形成される場合が多い。この場合に、ポリクロロトリフルオロエチレン又はポリテトラフルオロエチレンからなる弁本体１０２及び弁体１３４が熱膨張するため、弁体１３４の中心線とテーパ弁座面１２４の中心線がずれて、テーパ弁体面１３４ａとテーパ弁座面１２４との隙間の間隔が設計値とずれ、等間隔でなくなる場合が考えられる。
このような場合には、真空制御用比例弁１００は、弁体１３４がテーパ弁座面１２４上を滑るように摺動し、テーパ弁座面１２４のいずれかの位置に係止される。このとき、Ｏリング１３５は、テーパ弁体面１３４ａとテーパ弁座面１２４との隙間が最も狭い位置においては大きく弾性変形し、隙間が広い位置においては小さく弾性変形して、設計値とのずれを吸収する。
従って、テーパ弁体面１３４ａとテーパ弁座面１２４との隙間が等間隔でない場合においても、真空制御用比例弁１００は流体を制御することができる。
【００３４】
次に、真空制御用比例弁１００の電装部１５０に内蔵された電空変換ユニット２５０（図１参照）の構成について説明する。図８に示すように、電空変換ユニット２５０は、供給用電磁弁２２０及び、排気用電磁弁２２１などから構成されている。
【００３５】
供給用電磁弁２２０は、入力ポートが圧力ガス供給源に接続し、出力ポートが排気用電磁弁２２１の入力ポートに連通している。また、排気用電磁弁２２１は、出力ポートが排気ダクトに接続している。また、供給用電磁弁２２０と排気用電磁弁２２１との間からは、真空制御用比例弁１００のパイロット弁に接続される分岐路２２２が設けられている。
【００３６】
供給用電磁弁２２０及び排気用電磁弁２２１はパルス式電磁弁であり、それらをデューティ制御しているので、高い応答性で正確な開度を得ることができ、これら２つの電磁弁を制御することで、正確かつ高い応答性で制御することが可能である。
特に、給気側電磁弁２２０と排気側電磁弁２２１とは、常に同時並列状態で駆動しているので、電磁弁への通電開始時に発生する時間遅れを防止することができ、応答性の高いシステムを実現することができる。また、デューティ比制御することにより、制御しやすいシステムを実現することができる。
【００３７】
また、供給用電磁弁２２０及び排気用電磁弁２２１は、パルスワイド制御（デューティー比制御）することで高速応答を実現している。
【００３８】
ここで、供給用電磁弁２２０と排気用電磁弁２２１を用いずに、図９に示すような圧電バイモルフ２８１を利用したノズルフラッパ方式の電空変換器２８０を用いてもよい。このとき、電空変換器２８０がノズルフラッパ２８１を用いたものであるので、構成をシンプルとすることができる。
圧力センサとしては、８００ｈＰａ〜１１００ｈＰａのレンジの大気圧センサ２２（図１参照）と、プロセスチャンバの圧力を測定するプラスマイナス１３３００Ｐａ（プラスマイナス１００Ｔｏｒｒ）の測定域を持つ圧力センサ２４（図１参照）を用いている。
【００３９】
以上より、微減圧排気系の真空制御用比例弁１００は、上述した構成・作用を有するが、より高い真空圧力排気系の真空制御用比例弁２６についても、同様である。
【００４０】
次に、エジェクタ２００の構成について説明する。図１０は、エジェクタ２００の主要部を示しており、３段の多段エジェクタである。すなわち、第１ノズル２４０、第２ノズル２４１、第３ノズル２４２、第４ノズル２４３が直列的に付設されている。
第１ノズル２４０の入口は、圧力ガス供給ポート２３１が形成されたＡ室２１６Ａと連通している。第１ノズル２４０の出口は、第２ノズル２４１の入口に連通している。そして、第１ノズル２４０の出口と第２ノズル２４１の入口の間には、吸引口２４０ａが形成されている。吸引口２４０ａは、第１吸引孔２３２を介して吸引室２１６Ｆに連通している。吸引室２１６Ｆには、入力吸引ポート２３３が形成されている。
第２ノズル２４１の出口は、第３ノズル２４２の入口に連通している。そして、第２ノズル２４１の出口と第３ノズル２４２の入口の間には、吸引口２４１ａが形成されている。吸引口２４１ａは、第２吸引孔２３４を介して吸引室２１６Ｆに連通している。第２吸引孔２３４には、逆流を防止するためのチェック弁２３５が取り付けられている。
【００４１】
第３ノズル２４２の出口は、第４ノズル２４３の入口に連通している。そして、第３ノズル２４２の出口と第４ノズル２４３の入口の間には、吸引口２４２ａが形成されている。吸引口２４２ａは、第３吸引孔２３６，２３８を介して吸引室２１６Ｆに連通している。第３吸引孔２３６，２３８には、逆流を防止するためのチェック弁２３７，２３９が取り付けられている。
第４ノズル２４３の出口は、排気室２１６Ｅに連通している。排気室２１６Ｅには、出力排気ポート２４４が形成されている。出力排気ポート２４４は、工場排気ダクト（図１参照）に接続している。
【００４２】
尚、エジェクタ２００の圧力ガス供給ポート２３１には、所定圧力の圧力エア源（図１では、Ｎ2）が接続している。
【００４３】
また、エジェクタ２００は、少ない供給流量で大きな吸引流量を発生させるために、多段式のエジェクタを使用している。
従って、入力吸引ポート２３３の圧力が大気圧の場合は、３段の各エジェクタがプロセスチャンバの圧力が真空方向に向かって下がり始める。そして、吸引室２１６Ｆの真空圧力が高まる。吸引室２１６Ｆの真空圧力が高まり、Ｄ室２１６Ｄの到達真空圧力を越えると、チェック弁２３９，２３７が閉じる。さらに、Ｃ室２１６Ｃの到達真空圧力を越えるとチェック弁２３５が閉じ、その後は１段目エジェクタ部が真空圧力を高めていく。
【００４４】
図１０のエジェクタ２００は、図１１に示す特性をもつ。図１１のグラフの横軸には、エジェクタ２００に供給される圧力ガスの供給圧力をとり、縦軸には、吸引流量・空気消費流量、及び真空圧力をとっている。図に示すように、圧力ガスの供給圧力と真空圧力とは概略リニアな関係を有している。従って、図１１が示すようにエジェクタ２００への供給流量を制御することで真空圧力と、吸引流量を制御することができる。
【００４５】
以上より、図１〜図５に示したプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１を詳細に説明したが、図１２に示すような構造をもったプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１を使用してもよい。尚、図１２では、図６及び図７の真空制御用比例弁１００や図１０のエジェクタ２００の構造と同じものについて、共通の符号を使用している。
【００４６】
次に、本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１が設けられたプロセスチャンバ内真空圧力制御システムの作用・効果について、図１に基づいて説明する。
図１のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムにおいて、プロセスチャンバ１３の中のウエハに１００オングストローム以下の非常に薄い酸化膜を成膜する場合には、真空制御用比例弁２６を閉じて、プロセスチャンバ１３を微減圧排気系に接続し、微減圧排気系に設けられた真空制御用比例弁１００とエジェクタ２００に連通させる。そして、エジェクタ２００の吸引能力と、エジェクタ２００の２次側に接続された工場排気ダクトの排気能力により、プロセスチャンバ１３の中の圧力を大気圧から−５００Ｐａぐらいまでに微減圧制御する。
【００４７】
このとき、プロセスチャンバ１３の中の圧力は、差圧式の圧力センサ２４からの信号及び大気圧センサ２２からの信号をコントローラ２１で演算処理することにより、絶対圧力として求められる。そして、コントローラ２１は、演算処理により求めたプロセスチャンバ１３の現在の絶対圧力と目標真空圧力値との制御偏差を無くすように、電空変換ユニット２５０を介して、真空制御用比例弁１００の弁開度（ひいては、エジェクタ２００の排気速度）を制御して、プロセスチャンバ１３の現在の圧力を目標真空圧力値（大気圧から−５００Ｐａぐらいまでの間の値）にフィードバック制御する。
【００４８】
この点、電空変換器ユニット２５０が給気側電磁弁２２０と排気側電磁弁２２１を備え、コントローラ２１が、給気側電磁弁２２０と排気側電磁弁２２１とを同時にデューティ比制御するＰＷＭ制御（パルスワイドモジュール制御）を行うので、真空制御用比例弁１００の電空変換ユニット２５０への供給圧力を精度良く、かつ高い応答性で制御することができる。
【００４９】
以上より、図１のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムに設けられたプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１では、プロセスチャンバ１３の圧力を計測する圧力センサ２２，２４を備え、プロセスチャンバ１３内の圧力を計測する圧力センサ２２，２４の計測値をフィードバックし、目標真空圧力値と、計測値を比較演算処理し、最適な操作量を電空変換ユニット２５０に与える閉ループ制御を行ない、また、大気圧を観測する大気圧センサ２２と、プロセスチャンバ１３内の圧力を計測する差圧式キャパシタンスマノメータの圧力センサ２４を組合せ演算処理し、プロセスチャンバ１３内を絶対圧力制御しているので、大気圧の変動をリアルタイムで計測してフィードバック制御しているため、大気圧が変動してもプロセスチャンバ１３内の真空圧力を目標圧力値に精度良くかつ高い応答性で維持することができる。
【００５０】
すなわち、プロセスチャンバ１３内を絶対圧力制御しているので、大気圧力が変動しても、プロセスチャンバ１３の真空圧力はシフトすることなく一定に制御できる。その結果、大気圧力が変動しても、図１３に示すように、本発明の絶対圧制御では、従来技術の相対制御と比べ、酸化膜の厚みを均一にすることができる。
酸化膜の厚みは、酸化膜を成膜する時間（プロセス時間）で調整されるが、同じプロセス時間で制御したときに大気圧の変動があると膜圧が変動する。
たとえば晴れた日に酸化プロセスを行った時と、雨の日に酸化プロセスを行った時では気圧は違うため、酸化膜の厚みがことなる。となると、気象条件によりプロセス時間を変えなければならなくなる。また、一日にとっても気圧は大きく変化するときもあり、気象条件をみてプロセス時間を調整することは実現困難である。
酸化膜工程では、プロセス時間が一定、プロセスガスの供給流量も一定とすれば圧力が大気方向に向かって高いときは膜圧は厚くなり、真空方向に向かって圧力が低いときには膜圧は薄くなる。
【００５１】
従来の酸化膜の工程では、酸化膜の厚みは１０００Å〜２０００Åであったため、大気圧の変動による酸化膜の膜厚のバラツキは問題にならなかった。しかし、最近の半導体製造プロセスの微細化に伴い、酸化膜の膜厚は薄くなり、２０Å以下の薄膜プロセスが行われるようになってきた。このように酸化膜の膜厚が薄いプロセスにおいては、大気圧変動による膜厚のバラツキの影響が大きくなる。酸化膜は、半導体の絶縁膜として形成されるため、膜厚のバラツキは、半導体製造の歩留まりに影響が出てくる。
本発明によれば、工場排気ダクトの排気能力に依存することなく、しかも、大気圧力の変動に影響されない真空圧力制御装置は、半導体製造プロセスの微細化に貢献するために効果を発揮する。
【００５２】
また、真空制御用比例弁１００の弁開度を制御すると、真空制御用比例弁１００の２次側に接続されたエジェクタ２００の排気速度も制御することができる。従って、エジェクタ２００へ供給する圧力ガス供給圧力を一定の状態にしつつも、エジェクタ２００の排気速度を真空制御用比例弁１００の弁開度を可変させることで制御すれば、エジェクタ２００にて、真空制御用比例弁１００の出力ポート１２２の側を真空にし、さらに、真空制御用比例弁１００の弁開度を可変して、エジェクタ２００の排気速度を調整すれば、工場排気ダクトの排気能力に依存することなく、従来よりも、広い範囲（例えば、約９３１０Ｐａ（約７０Ｔｏｒｒ）〜大気圧）で、プロセスチャンバ１３内の真空圧力を制御することができる。これにより、工場排気ダクトの真空排気到達能力不足が補われるので、真空ポンプを用いることなく、広い範囲で、プロセスチャンバ１３内の真空圧力を制御することができ、上述した微減圧制御に加えて、低真空制御も可能となる。
【００５３】
さらに、エジェクタ２００として多段エジェクタを用いることにより、圧力ガスを２回、３回と複数回利用できるので、圧力ガスを無駄に消費することを防止でき、省エネ化したシステムを実現できる。
【００５４】
また、多段エジェクタは、供給流量を多くすれば、１３３００Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）程度まで吸引できる能力があるため、従来真空ポンプで排気制御していた中間圧力領域１３３００Ｐａ〜９３１００Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ〜７００Ｔｏｒｒ）までの排気制御が可能となる。
また、多段エジェクタは、構造がシンプルで可動部分もないことから故障しにくく安価であり、微減圧排気系のシステムのコストダウンに寄与する。
【００５５】
一方、図１のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムにおいて、プロセスチャンバ１３の中のウエハに成膜された酸化膜の上にさらに窒化膜を連続して成膜する場合には、微減圧排気系の真空制御用比例弁１００を閉じ、微減圧排気系を真空遮断することで、プロセスチャンバ１３をより高い真空圧力排気系に接続し、より高い真空圧力排気系に設けられた真空制御用比例弁２６に連通させる。そして、真空制御用比例弁２６の２次側に接続されたドライポンプの排気能力により、プロセスチャンバ１３の中の圧力を１３３Ｐａから１３３００Ｐａぐらいまでに減圧制御する。
尚、プロセスチャンバ１３の中の圧力は、コントローラ２０で制御するが、圧力センサ２３で測定されたプロセスチャンバ１３内の圧力に基づき、図示しない電空変換ユニットを介して、より高い真空圧力排気系の真空制御用比例弁２６の弁開度を制御することにより、プロセスチャンバ１３内の圧力を目標真空圧力値にフィードバック制御する。
【００５６】
従って、図１のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムに設けられたプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１によれば、微減圧圧力と、より高い真空圧力とを１台のユニットで供給可能となるため、酸化膜成膜と窒素膜成膜とを連続プロセスとして容易に実現できる。特に、エジェクタ２００は、その性質上プロセスチャンバ１３の近くに設置する必要があるが、近年装置のより高い集積化に伴い、排気装置も小型化が必須であり、その小型化を容易に実現できる。また、従来の酸化膜成膜では真空遮断機能が不要であったが、連続成膜を行うためには、真空遮断機能が必要である。図１のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット１によれば、パイロット式のポペット弁を真空圧力制御用比例弁１００として用いているので（図６及び図７参照）、微減圧制御と低真空制御と真空遮断機能とを同時に実現している。
【００５７】
【発明の効果】
本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットによれば、微減圧圧力と、より高い真空圧力とを１台のユニットで供給可能となるため、酸化膜成膜と窒素膜成膜とを連続プロセスとして容易に実現できる。特に、エジェクタは、その性質上プロセスチャンバの近くに設置する必要があるが、近年装置のより高い集積化に伴い、排気装置も小型化が必須であり、その小型化を容易に実現できる。また、従来の酸化膜成膜では真空遮断機能が不要であったが、連続成膜を行うためには、真空遮断機能が必要である。本発明のプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットによれば、パイロット式のポペット弁を真空圧力制御用比例弁として用いているので、微減圧制御と低真空制御と真空遮断機能とを同時に実現している。
また、本発明では、微減圧制御が絶対圧制御で行われ、大気圧力が変動しても、プロセスチャンバの真空圧力はシフトすることなく一定に制御できるので、従来技術の相対制御と比べ、酸化膜の厚みを均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットを設けたプロセスチャンバ内真空圧力制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの正面図である。
【図３】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの側面図である。
【図４】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの上面図である。
【図５】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの底面図である。
【図６】真空制御用比例弁の全閉時を示す断面図である。
【図７】真空制御用比例弁の全開時を示す断面図である。
【図８】電空変換ユニットの構成を示すブロック図である。
【図９】ノズルフラッパ式の電空変換器の構成を示す断面図である。
【図１０】エジェクタの構成を示す詳細断面図である。
【図１１】エジェクタの性能を示すデータ図である。
【図１２】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットの断面図の一例である。
【図１３】本発明にかかるプロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニットを設けたプロセスチャンバ内真空圧力制御システム（絶対圧制御）によりウエハに成膜した酸化膜の膜圧を、従来技術のもの（相対圧制御）と比較した図である。
【図１４】従来のプロセスチャンバ内真空圧力制御システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  プロセスチャンバ内真空圧力制御用排気ユニット
１２  燃焼トーチ
１３  プロセスチャンバ
２１  コントローラ
２２  大気圧センサ
２４  圧力センサ
１００  真空制御用比例弁
２００  エジェクタ
２２０  供給用電磁弁
２２１  排気用電磁弁
２５０  電空変換ユニット
【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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