JP4112659B2

JP4112659B2 - 希ガスの回収方法及び装置

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Publication number: JP4112659B2
Application number: JP33022897A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 良夫石原
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2017-12-01
Also published as: KR100370776B1; JPH11157814A; KR20000070456A; TW473456B; EP0983791A1; EP0983791B1; WO1999028023A1; DE69825275D1; EP0983791A4; DE69825275T2; US6217633B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希ガスの回収方法及び装置に関し、詳しくは、減圧下で運転する希ガス使用設備、例えば、プラズマスパッタリング装置やプラズマＣＶＤ装置，リアクティブイオンエッチング装置等から排出される排ガス中の希ガスを回収する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路、アクティブマトリックス型液晶パネル、太陽電池パネル、磁気ディスク等の半導体装置を製造する工程では、減圧下における希ガス雰囲気中でプラズマを発生させ、該プラズマによって半導体装置の各種処理を行う装置、例えば、スパッタリング装置，プラズマＣＶＤ装置，リアクティブイオンエッチング装置等が用いられている。
【０００３】
例えば、スパッタリング装置では、希ガスを毎分５００ｃｃ程度の流量でプロセスチャンバ内に導入しながら真空ポンプによってチャンバ内を排気し、チャンバ内の圧力を１Ｐａ程度に保持した状態でチャンバ内の電極に高周波を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによってチャンバ内に設置した固体成膜材料をスパッタリングし、ウェハ表面に堆積させることにより薄膜を形成するようにしている。
【０００４】
また、プラズマＣＶＤ装置では、成膜用ガスと希ガスとを混合して毎分１０００ｃｃ程度の流量でプロセスチャンバ内に導入しながら、スパッタリング装置と同様に、真空ポンプによってチャンバ内の圧力を１００Ｐａ程度に保持した状態でプラズマを発生させ、このプラズマを用いて成膜用ガスを分解し、３００℃程度に加熱したウェハ表面に堆積させて薄膜を形成している。
【０００５】
さらに、リアクティブイオンエッチング装置では、エッチング用ガスと希ガスとを混合してプロセスチャンバ内に導入しながら、チャンバ内の圧力を数Ｐａに保持した状態でプラズマを発生させ、このプラズマを用いてエッチング用ガスを励起し、励起したイオンを用いてエッチングを行っている。
【０００６】
このような各種装置においては、高いエネルギーを有するプラズマを用いて処理を行うため、処理雰囲気中に、成膜に寄与する以外のガス種、例えば、窒素，酸素，水分等が存在すると、所定の薄膜が形成されなくなったり、エッチングができなくなったりする。例えば、半導体集積回路用の金属配線の形成をスパッタリング装置を用いて行う場合、雰囲気中に、水分や酸素等が存在すると、金属薄膜が酸化され、配線の抵抗が増大してしまう。また、タンタル（Ｔａ）のように、結晶構造が変化する場合もある。さらに、プラズマＣＶＤによって多結晶シリコン薄膜を形成するときの雰囲気中に、酸素，水分，有機系不純物等が存在すると、結晶粒の大きさが不均一になったり、電子移動度が極端に低下したりなどの、さまざまな不具合が生じる。また、リアクティブイオンエッチングによってエッチングする際に不純物が存在すると、材料の選択比が取れなくなってエッチング不良が発生したり、ウェハにダメージを与えたりする。したがって、プラズマを利用する装置に導入する希ガス中の不純物は数ｐｐｂ以下まで低減しておく必要がある。
【０００７】
図４は、プラズマ処理装置の一例としてスパッタリング装置を示す系統図である。通常、このようなスパッタリング装置においては、プロセスチャンバ１の前段に、ウェハ２を搬送するためのローディングチャンバ３が設置され、ウェハ２は一枚ずつ処理される。ローディングチャンバ３は、パージガス供給部４から供給される乾燥空気あるいは窒素ガス等のパージガス雰囲気で、かつ、ローディングチャンバ３にゲート弁５を介して接続した真空排気ポンプ６ａ，６ｂによって減圧状態に保持されている。ローディングチャンバ３に保持された処理前のウェハ２は、ローディングチャンバ３とプロセスチャンバ１とを真空排気した後、両室１，３を隔てているゲート弁７を通り、プロセスチャンバ内のウェハサセプタ８上に設置される。
【０００８】
前記両室１，３を隔てるゲート弁７を閉じた後、精製器９を通して不純物が除去された希ガスが、ガス供給装置１０を経てプロセスチャンバ１に導入される。通常、プロセスチャンバ１の内部を希ガス雰囲気とするため、真空排気ポンプ１１ａ，１１ｂによるプロセスチャンバ内の真空引きと、ガス供給装置９からの希ガス導入とからなるサイクルを、制御装置１２からの指令によって各弁を所定の順序で開閉することにより１回以上繰り返している。プロセスチャンバ内を希ガス雰囲気とした後、整合回路１３を介して高周波電源１４から高周波を印加することによってプロセスチャンバ内にプラズマを発生させ、生成したプラズマによって固体成膜材料がスパッタされ、ウェハ上に薄膜が堆積する。所定の薄膜が形成されたウェハ２は、次の処理のためプロセスチャンバ１からローディングチャンバ３を経て次工程に搬送される。このような工程で、ウェハの搬入搬出が毎時約３０回行われる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記スパッタリング装置から真空排気ポンプ１１ａ，１１ｂを介して真空排気された排ガスは、プロセスチャンバ内のパージ用であっても、成膜に使用したものであっても、そのまま排気経路１５から系外に排出されていた。一方、希ガス容器１６から供給される希ガスは、大気中に僅かしか存在しないものであって、例えば、キセノンの存在濃度は、大気中で０．０８６ｐｐｍである。これらの希ガスは、空気の深冷分離により酸素ガス中に濃縮したものをさらに精留して製造されており、大量に入手することが困難である。
【００１０】
このため、排気経路１５から系外に排出される排ガス（大部分が希ガスとなった時点の排ガス）を、別途設けた容器あるいは風船に回収し、回収したガスを濃縮精留して希ガスを分離し、これを再度使用するようにしている。この回収方法によれば、排気された希ガスを容器あるいは風船等に回収するため、濃縮精留後の希ガスを様々な産業分野で使用できるという利点はあるものの、希ガスを回収した容器あるいは風船の搬送コストが大きくなるという問題があった。また、容器の取り付け、取り外しの際に大気成分が混入し易いため、濃縮精留時に安定した純度で希ガスが得られないという問題があった。
【００１１】
また、図５に示すように、プロセスチャンバから排気される排ガス（大部分が希ガスとなった時点の排ガス）中の希ガスを、閉ループによって回収する方法も提案されている。この方法は、前記同様に形成されたスパッタリング装置２１の排気経路１５に希ガス回収装置２２に接続する回収経路２３を設けるとともに、希ガス回収装置２２の出口経路２４を前記精製器９に接続したもので、回収経路２３と排気経路１５とにそれぞれ設けた一対の切換弁２５ａ，２５ｂを切換え開閉することにより、プロセスチャンバ１から排出される排ガス（希ガス）を希ガス回収装置２２に導入するようにしている。希ガス回収装置２２に導入された希ガスは、バイパス経路２６を備えた圧縮機２７により所定圧力に昇圧された後、希ガス容器１６から適宜補充される希ガスと合流して精製器９に送られ、ここで精製されて循環再使用される。
【００１２】
しかし、この方法では、ウェハ２の搬入出時に、ローディングチャンバ３からの拡散等でプロセスチャンバ１内に不純物が混入し、プロセスチャンバ１内の不純物濃度が、ウェハ２の搬入搬出に伴い変動するため、希ガス導入直後の純度が変動し、制御器１２によって切換弁２５ａ，２５ｂを開閉して行う回収のタイミングを最適化することが困難であった。また、排ガスの回収を後段の真空排気ポンプ（バックポンプ）１１ｂの二次側の排気経路１５から行うようにしており、この部分、すなわち、後段のバックポンプ１１ｂの二次側圧力は大気圧であるため、ガス流速が急激に低下し、希ガスのみならず、不純物成分がバックポンプ内部及びバックポンプ二次側に滞留しやすくなる。この場合、多量の希ガスによってこれらを系外へパージする必要があり、図５に示すような回収装置２２では、希ガスを高効率で回収することは不可能であった。なお、バックポンプ１１ｂ及びその二次側に滞留した不純物成分及びパージ希ガスをそのまま回収した場合、不純物成分の絶対量が多くなるため、精製器９の寿命が極端に短くなるとともに、希ガスの純度が低下するという不都合が生じていた。
【００１３】
そこで本発明は、減圧下で希ガスを用いるプラズマ処理装置等の希ガス使用設備から排出される希ガスを効率よく回収することができ、しかも、希ガス使用設備に対して所定純度の希ガスを安定して供給することができるとともに、希ガスの消費量を低減することができる希ガスの回収方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の希ガスの回収方法は、減圧下で運転する希ガス使用設備から排出される排ガス中の希ガスを回収するにあたり、前記排ガスの回収系への導入と排気系への排出との切換え操作を、前記排ガス中に含まれる不純物成分の濃度に応じて行うことを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の希ガスの回収方法は、前記切換え操作を、減圧状態で行うことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の希ガスの回収装置は、減圧下で運転する希ガス使用設備と、該希ガス使用設備から排出される排ガスを吸引する第１真空排気ポンプと、該第１真空排気ポンプの二次側に減圧ラインを介して直列に設けられた第２真空排気ポンプと、前記減圧ラインからライン切換え手段を介して分岐した回収ラインと、該回収ラインに設けられた回収用真空ポンプと、該回収用真空ポンプを導出した回収ガスを昇圧する圧縮機と、圧縮された回収ガスを貯留する貯留タンクと、該貯留タンクから導出した回収ガス中の不純物を除去して希ガスの精製を行う精製器と、精製後の希ガスを前記希ガス使用設備に供給する希ガス供給ラインとを備えていることを特徴とし、特に、前記回収用真空ポンプと圧縮機との間に、回収用真空ポンプを導出した回収ガス中に含まれる除害対象成分を除害する除害装置を設けたこと、該除害装置の後段に、前記回収ガス中の不純物濃度を測定する不純物濃度検出手段を設けるとともに、該不純物濃度検出手段と前記圧縮機との間に、測定した不純物濃度に応じて回収ガスを排気する排気ラインをライン切換え手段を介して分岐させたこと、さらに、前記貯留タンクに圧力検出手段を設けるとともに、該圧力検出手段の検出値に応じて貯留タンク内に希ガスを導入する希ガス補充手段を設けたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の希ガス回収装置を希ガス使用設備であるスパッタリング装置に適用した一形態例を示す系統図である。なお、スパッタリング装置内の各構成要素には、前記図４に示したスパッタリング装置の対応する構成要素と同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００１８】
この希ガス回収装置３１は、前記同様に形成されたスパッタリング装置２１から排出される希ガスを回収して精製し、精製後の希ガスをスパッタリング装置２１に再び供給する閉ループを形成しており、プロセスチャンバ１を真空排気する第１真空排気ポンプ１１ａとその二次側に直列に設けられた第２真空排気ポンプ１１ｂとの間の減圧ライン１７から分岐した回収ライン３２と、精製器９で精製した希ガスをガス供給装置１０に供給する希ガス供給ライン３３とによって前記スパッタリング装置２１に接続している。
【００１９】
前記回収ライン３２と減圧ライン１７とには、ガス流路を切換えるライン切換え手段として、一対の切換弁３４ａ，３４ｂがそれぞれ設けられている。この切換弁３４ａ，３４ｂは、プロセスチャンバ１の出口経路に設けられた純度モニター３５が検出した不純物濃度に応じて制御器１２から出力される指令により開閉するもので、一方が開、他方が閉となるように連動して開閉作動する。例えば、純度モニター３５が検出した不純物濃度が１００ｐｐｍを超えたときには、切換弁３４ａを閉じて切換弁３４ｂを開くことにより、排ガスを第２真空排気ポンプ１１ｂ側の排気系に流して系外に排出し、不純物濃度が１００ｐｐｍ以下の場合は、切換弁３４ｂを閉じて切換弁３４ａを開くことにより、排ガスを回収系の回収ライン３２に導入するように作動する。但し、不純物濃度が高くても、不純物中の成分で、回収系に設けた除去装置（除害装置）で除去できる成分が含まれている場合は、この成分は除外して考える。
【００２０】
なお、本形態例に示すスパッタリング装置２１では、前記第１真空排気ポンプ１１ａにはターボ分子ポンプを、第２真空排気ポンプ１１ｂにはドライポンプあるいはスクリューポンプをそれぞれ用いており、減圧ライン１７の圧力は、１００Ｐａ程度の減圧状態となっている。また、プロセスチャンバ１内の圧力は１Ｐａ程度、ローディングチャンバ３内の圧力は１０〜８Ｐａ程度に設定されている。
【００２１】
希ガス回収装置３１には、減圧ライン１７から減圧状態の排ガスを吸引するための回収用真空ポンプ３６と、排ガス中に含まれる金属パーティクルを除去するための除去装置３７と、排ガスを所定の圧力に昇圧するための圧縮機３８と、所定圧力の排ガスを貯留する貯留タンク３９と、前記精製器９及び希ガス補充用の希ガス容器１６等が設けられている。なお、希ガス使用設備が、反応性ガス等の有害成分を使用する設備、例えばプラズマＣＶＤ装置やリアクティブイオンエッチング装置等の場合は、排ガス中に含まれる有害成分の除害処理を行う必要があるため、前記除去装置３７に加えて除害剤（反応剤，吸着剤等）を用いた除害装置を設置する。この除害装置は、除去装置３７と別体に形成してもよく、除去装置３７と一体的に形成することもできる。
【００２２】
以下、希ガスを回収する手順に基づいて本発明方法を説明する。まず、ローディングチャンバ３内の処理前のウェハ２は、ローディングチャンバ３とプロセスチャンバ１との圧力が略同じになって前記両室１，３を隔てているゲート弁７が開くと、このゲート弁７を通ってプロセスチャンバ１内のウェハサセプタ８上に設置される。このとき、プロセスチャンバ１内には、真空排気系からの不純物の逆拡散を防止するため、パージガス供給部４からパージガスが通気されており、パージガスを通気しながら減圧状態に保持されている。パージガスには、通常、窒素が使用されるが、パージガスの種類は、そのプロセスに応じて選定すればよく、窒素にこだわるものではない。
【００２３】
プロセスチャンバ１内のガス分子は、前記両室１，３を隔てるゲート弁７を閉じた後、プロセスチャンバ１に弁１８を介して接続された第１真空排気ポンプ（ターボ分子ポンプ）１１ａとそれに連接した第２真空排気ポンプ（バックポンプ）１１ｂとによって排気される。次いで、精製器９を通して不純物が除去された希ガスがガス供給装置１０を経てプロセスチャンバ１内に毎分５００ｃｃの流量で導入され、プロセスチャンバ１内を希ガス雰囲気とした後、高周波電源１４から高周波を印加して高周波放電によりプラズマを発生させる。プラスマ発生時の圧力は、通常、１Ｐａである。発生したプラズマにより固体成膜材料がスパッタされ、ウェハ２上に薄膜が堆積される。所定の薄膜が形成されたウェハ２は、次の処理のため、プロセスチャンバ１からローディングチャンバ３を経て次工程に搬送される。このとき、薄膜堆積に使用された希ガスは、パージガスによってプロセスチャンバ１より押し出される。以上のような工程でウェハ２の搬入搬出が毎時約２０回行われる。
【００２４】
一方、プロセスチャンバ１からの排気ガスは、プロセスチャンバ１と第１真空排気ポンプ１１ａとを隔離する弁１８を経て真空排気されるが、弁１８の上流に設置された純度モニター３５によって排ガス中の不純物濃度が計測される。このとき、純度モニター３５は、希ガス中の不純物成分を計測するので、希ガスの回収効率を高めるためにも、その場計測（ｉｎ−ｓｉｔｕ計測）を行える形式のものが望ましい。また、減圧下での計測になるため、純度モニター３５としては、質量分析装置を使用することが好適であり、質量分析装置を採用することによって、その場計測が可能になるとともに、希ガスを系外に不要に放出することなく、かつ、取り付けも排気配管にポートを設けるだけでよいので、より安価に計測が可能になる。
【００２５】
なお、本形態例では純度モニター３５を弁１８の上流に設置しているが、切換弁３４ａ，３４ｂの一次側であってもよい。このとき、純度モニター３５は、その場計測が可能で、かつ、減圧下での計測ができるものならば各種機器を用いることができ、例えば、ＦＴ−ＩＲやレーザーを光源に用いた分光分析装置等を好適に使用することができる。
【００２６】
前記純度モニター３５によって排気ガス中の酸素，窒素，水分，一酸化炭素，二酸化炭素，フッ化炭素，水素，各種成膜用ガス等の不純物濃度が計測され、その計測信号は、制御装置１２に伝送される。そして、前記不純物濃度（除去装置３７で除去できない不純物の濃度）が、例えば１００ｐｐｍ以下となったとき、好ましくは１０ｐｐｍ以下になったときに、制御装置１２からの信号によって第２真空排気ポンプ１１ｂの上流に設置された切換弁３４ｂが閉じ、回収ライン３２に設けた切換弁３４ａが開くことにより、排ガスの流れが減圧状態の減圧ライン１７から回収ライン３２に切換えられ、希ガスを主成分とする排ガスが希ガス回収装置３１に導入される。なお、排ガスの流路切換えは、第１真空排気ポンプ１１ａの一次側でも行うことができるが、この場合は、回収用真空ポンプ３６として、ターボ分子ポンプと同等の吸引力を有するものを使用する必要がある。
【００２７】
希ガス回収装置３１に導入される排ガスは、回収用真空ポンプ３６に吸引されて除去装置３７に送られる。本形態例における除去装置３７は、金属パーティクルの除去を主な目的とするものであり、金属フィルター等を中心に構成されているが、前述のように、排ガス中に含まれる有害成分の除害処理を行う場合は、反応性ガス分子を酸化反応により除害するため反応剤や、吸着除去するための吸着剤等を中心に構成する。なお、前記反応剤としては、酸化銅，酸化鉄，酸化ニッケル，白金及びこれらの混合物等が使用でき、吸着剤としては、活性炭，アルミナ，合成ゼオライト等が使用できるが、これにこだわるものではない。また、反応性ガス分子が高沸点化合物（沸点が−５０℃以上) の場合は、適宜、冷却筒を設け、反応性ガス分子を液化あるいは固化させることにより除去してもよい。
【００２８】
除去装置３７を通過した排ガスは、圧縮機３８に導入されて所定圧力、例えば８〜１５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇに加圧される。この圧縮機３８には、通常、レシプロ式が使用されるが、これにこだわるものではない。圧縮された排ガスは、前記切換弁３４ａと同時に作動する圧縮機二次側の弁３８ａ及び逆止弁（図示せず）を経て貯留タンク（バッファタンク）３９に一旦貯蔵される。
【００２９】
前記バッファタンク３９には、圧力センサ４０が設置され、バッファタンク３９内の希ガス圧力が所定圧力以下、例えば２気圧未満の場合は、希ガス容器１６から圧力制御ユニット４１を経由して適当な圧力の希ガスが逐次導入される。なお、バッファタンク３９の容量は、プロセスチャンバ１及びプロセスチャンバ１から第２真空排気ポンプ１１ｂまでの容積に依存するが、プロセスチャンバ１と第２真空排気ポンプ１１ｂまでの容積と同等以上であればよい。
【００３０】
バッファタンク３９に貯蔵された希ガスは、弁４２を経て精製器９に導入され、精製器９によって希ガス中の不純物、例えば、水分，窒素，酸素，一酸化炭素，二酸化炭素，水素，各種炭化水素類等が除去される。精製器９には、様々な方式、例えば、吸着式あるいは膜分離法式等を用いることができるが、チタン，バナジウム，ジルコニウム，鉄，ニッケル等の金属あるいは合金を用いたゲッタ式精製装置が好適である。ここで、希ガス中の不純物濃度は、前記純度モニター３５によって回収時に計測されているので、不純物濃度が既知の希ガスが精製器９に導入されることになる。通常、ゲッタ式精製器の性能（不純物除去効率）は、入口不純物濃度と空塔速度とに依存するので、不純物濃度が１００ｐｐｍ以上になると空塔速度を小さく、すなわち、ゲッタ筒を太くする必要があり、精製器９が大型化することになる。したがって、不純物濃度が１００ｐｐｍ望ましくは１０ｐｐｍ以下であれば、ゲッタ筒内径は、標準処理流量が毎分１リットルの場合、３０ｍｍ程度でよく、小型化が可能である。また、必要流量に応じて適宜最適設計を行うことも可能である。さらに、精製器９に積算流量計を設けておくことにより、ゲッタ寿命の算出が可能となってゲッタの交換時期の予測ができる。
【００３１】
精製装置９で不純物が除去された希ガスは、希ガス供給ライン３３からガス供給装置１０を経てプロセスチャンバ１に導入され、再使用される。前述したように、希ガスが使用されるのは、プロセスチャンバ１へウェハ２が導入された直後の予備排気工程及びプラズマ発生による薄膜堆積時であり、プレパージ（予備排気）の際の排ガス量は、例えば２００ｍｍウェハの場合約０．２リットルであり、その不純物濃度に応じて回収される。一方、薄膜堆積時に使用された希ガスは、その不純物濃度が充分低いので、その全てを回収・循環使用することができる。
【００３２】
このように、本発明によれば、スパッタリング装置２１に使用した希ガスのほとんどを回収して循環使用できるので、所要量の希ガスを必要純度で、かつ、安価に使用することができる。
【００３３】
すなわち、回収系と排気系との排ガスラインの切換えを、排ガス中の不純物濃度に応じて行うことにより、精製器９の小型化や長寿命化が図れる。特に、減圧状態の減圧ライン１７で切換えることにより、希ガスがポンプ部等に滞留することがなくなるので、プロセスチャンバ１から排出される希ガスを効率よく回収することができる。また、前述のように、薄膜堆積時には不純物濃度が低くなるので、スパッタリング装置２１の運転状態に応じて排ガスラインを切換えることによっても、希ガスの回収・再利用を効率よく行うことができる。また、希ガス容器１６からの希ガスの補充を、回収操作時のバッファタンク３９内の圧力に応じて行うことにより、必要量の希ガスを確実に補充できるとともに、一つの精製器９で希ガスの精製を行うことができる。
【００３４】
なお、前記圧縮機３８は、通常、商用周波数で常に運転されることになるが、圧縮機一次側の圧力が回収系への切換えに応じて変動するため、安定した運転を行うためには、圧縮機一次側と二次側とをバイパスさせ、その系内に圧力調整器を設ける必要がある。しかし、この方法では、圧縮機３８で圧縮した希ガスを再度圧縮することになるなるため、圧縮のための運転コストが増大する場合がある。この圧縮機運転コストを低減させるためには、圧縮機３８にインバータ制御機構を設けることが好ましい。この場合、圧縮機３８の一次側に設けた圧力センサからの信号に基づいて圧縮機３８を最適な状態で運転することができる。すなわち、圧縮機一次側の圧力が基準圧力より低い場合、すなわち、回収系への排ガス導入量が少ない場合は、周波数を小さくするように制御し、圧縮機一次側の圧力が基準圧力より高い場合は、周波数を大きくするように制御を行うことにより、圧縮機３８での消費電力を低減しながら、圧縮機一次側の圧力を常に一定に制御することが可能となり、圧縮機３８の長寿命運転が可能となる。
【００３５】
図２は、希ガス回収装置３１に複数の希ガス使用設備、例えば３台のスパッタリング装置２１を接続した例を示している。すなわち、各スパッタリング装置２１の減圧ライン１７からそれぞれ分岐した３本の回収ライン３２を切換弁３４ａの下流側で１本の主回収ライン５１に接続し、この主回収ライン５１を回収用真空ポンプ３６に接続し、また、希ガス供給ライン３３は、分岐ライン５２を介して各スパッタリング装置２１に接続している。
【００３６】
希ガス回収装置３１の構成や機能，動作は前記同様であるが、各スパッタリング装置２１における運転周期を調節することにより、希ガス回収装置３１を安定した状態で運転することができる。すなわち、各スパッタリング装置２１におけるウェハ搬入−成膜−ウェハ搬出の一連のプロセスに要する時間をｔとしたとき、各プラズマ処理装置のプロセス開始時刻を、ｔ／３ずらすようにすることにより、主回収ライン５１を介して回収される排ガス量を平均化でき、圧縮機３８の安定運転が可能となるとともに、精製器９から希ガス供給ライン３３を介して供給する希ガス量も平均化できる。但し、前記ずれ周期（ｔ／３）は、希ガス使用設備及びプロセス時間によって適当に設定することが可能であり、任意のずれ周期を選定することができる。
【００３７】
図３は、プラズマＣＶＤ装置やリアクティブイオンエッチング装置のように、反応性ガスあるいはエッチング用ガス等の成膜用ガスと希ガスとを混合して使用する希ガス使用設備に適した希ガス回収装置の一形態例を示す系統図である。なお、本形態例に示す希ガス回収装置及び希ガス使用設備における主要な構成要素は、前記図１に示した希ガス回収装置３１及びを希ガス使用設備（スパッタリング装置２１）と同一に形成することができるので、同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３８】
まず、希ガス使用設備において、ガス供給装置１０の下流側には製膜用ガス供給ライン６０が設けられており、ガス供給装置１０から供給される希ガスと、成膜用ガス供給源６１から流量調節器６２を介して供給される反応性ガスやエッチング用ガス等の成膜用ガス、例えば、モノシランやアンモニア，ホスフィン等の反応性ガスや各種ドーピング用ガスとを混合器６３で混合し、この混合器６３で混合したガスをプロセスチャンバ１に供給するように形成されている。
【００３９】
また、希ガス回収装置側には、前記同様の切換弁３４ａ，３４ｂからなる第１のライン切換え手段７１に加えて、圧縮機３８の上流側に、一対の切換弁７２ａ，７２ｂからなる第２のライン切換え手段７２が設けられるとともに、この第２のライン切換え手段７２の上流側、回収用真空ポンプ３６との間に、除害装置７３と純度モニター７４とが設けられている。第２のライン切換え手段７２は、純度モニター７４により検出した希ガスの純度、即ち不純物濃度に応じて制御器７５が前記切換弁７２ａ，７２ｂを連動させて開閉するように形成されており、不純物濃度が充分に低いときには、切換弁７２ａが開いて切換弁７２ｂが閉じ、逆に不純物濃度が高い場合には、切換弁７２ｂが開いて切換弁７２ａが閉じるように作動する。
【００４０】
このような構成の装置において、ウェハ２の交換時のように、プロセスチャンバ１内に希ガス及び成膜用ガスが導入されない工程では、第１のライン切換え手段７１における回収側の切換弁３４ａが閉じ状態、排気側の切換弁３４ｂが開き状態となっており、プロセスチャンバ１内に供給され、ターボ分子ポンプ１１ａに吸引されて減圧ライン１７に導出されたパージガス、例えば窒素ガス等が、切換弁３４ｂ，バックポンプ１１ｂを経て排気経路１５から系外に排出される。
【００４１】
そして、プロセスチャンバ１内に希ガス及び成膜用ガスの導入が始まると、第１のライン切換え手段７１における両切換弁３４ａ，３４ｂが切換え開閉され、減圧ライン１７を流れる排ガスは、切換弁３４ａを経て回収用真空ポンプ３６に吸引される。回収用真空ポンプ３６を導出した排ガスは、除害装置７３で前記金属パーティクルや反応性ガス等の除害対象成分が除去あるいは除害処理された後、純度モニター７４によって希ガスの純度（不純物濃度）が測定される。なお、本形態例では、純度モニター７４の設置位置が回収用真空ポンプ二次側の大気圧状態のラインであるから、純度モニター７４としては、前述の各種機器に加えてガスクロマトグラフ等を用いることも可能となる。
【００４２】
純度モニター７４で測定した不純物濃度は、制御器７５に送られ、前述のように、不純物濃度に応じて第２のライン切換え手段７２の切換弁７２ａ，７２ｂが切換え開閉される。不純物濃度が低い排ガスは、切換弁７２ａを通過して圧縮機３８で所定圧力に圧縮された後、前記同様にバッファタンク３９に一旦貯蔵され、精製器９によって精製され、希ガス供給ライン３３からガス供給装置１０，混合器６３を経てプロセスチャンバ１内に再び供給される。
【００４３】
不純物濃度が高い排ガスは、切換弁７２ｂが開いて切換弁７２ａが閉じることにより、排気ライン７６を経てバックポンプ１１ｂの一次側に戻される。なお、本形態例では、排気ライン７６を経てバックポンプ１１ｂから系外に排出されるガスに含まれる不純物として、前記除害装置７３で除害できなかった成膜用ガスが残留している場合や、切換弁３４ｂが開いているときに系内に残留した成膜用ガスが排気系に流入することを考慮し、排気経路１５にも予備除害装置７７を設け、ここでも除害処理を行うようにしている。
【００４４】
【実施例】
実施例１
図１に示す構成の希ガス使用設備及び希ガス回収装置を用いてキセノンガスの回収操作を行い、その回収率を測定した。キセノンガスの回収率は、圧力制御ユニット４１の下流に設けた流量計で計測した新規導入量と、ガス供給装置１０での使用流量から算出した。希ガス回収装置を構成する主な部品の諸元は、以下の通りである。
【００４５】

【００４６】
回収操作に先立ち、以下の手順で希ガス回収装置を立ち上げた。
まず、圧力制御ユニット４１，バッファタンク３９，圧縮機３８，精製器９内を、図１に示すように、バッファタンク３９の下流側に接続したヘリウムリークディテクタ８１の真空ポンプにより真空引きし、ヘリウムリークテストを実施した。次に、各部品内が真空状態のまま、キセノンガスを希ガス容器１６から圧力制御ユニット４１を介して導入した。導入圧力は、圧力センサで計測し、３ｋｇ／ｃｍ^２まで加圧した。そして、精製器９及び圧縮機３８を起動するとともに、プロセスチャンバ１内を１０^-7Ｐａまで真空引きした。このようにして立ち上げた希ガス回収装置を使用し、希ガス使用設備であるマグネトロンスパッタリング装置から排出される希ガスの回収操作を行った。
【００４７】
マグネトロンスパッタリング装置において、成膜用固体材料にはアルミニウムを用いた。また、プロセスチャンバとローディングチャンバとを隔離するゲート弁は、ウェハの搬入搬出時のみ開閉し、ウェハの搬出搬入時間は３０秒とした。ウェハの搬出搬入の前に、ローディングチャンバ及びプロセスチャンバへパージガスとして窒素ガスを導入し、その圧力が１Ｐａとなるようにした。ウェハをプロセスチャンバに設置した後、キセノンガスを１５００ｃｃ／分で１０秒間導入して予備排気を行った。その後、圧力１Ｐａで、キセノンを１５００ｃｃ／分の流量で流しながらプラズマを発生させ、成膜を１分間行った。この工程を繰り返して行い、６インチウェハを３６枚／時の速度で処理した。この実験では、常にガスをプロセスチャンバ内に通気しながら真空排気したため、真空排気系からの逆拡散を防止でき、処理後の各ウェハ間のアルミニウムの比抵抗は、略一定となった。
【００４８】
プロセスチャンバへのウェハ搬入搬出に伴い、キセノンガスは数秒で窒素ガスで置換されることが純度モニタにより確認された。同様に、予備排気工程では、窒素ガスを主成分とした不純物がキセノンガスによって置換された。予備排気工程の途中で不純物濃度が１０ｐｐｍ以下となったが、予備排気工程ではキセノンガスを回収せず、成膜時にのみキセノンガスを回収した。新規キセノンガスの導入量は、１時間当たり９０００ｃｃとなった。プロセスチャンバへのガス導入総量は６３０００ｃｃであるから、回収率は約８６％となる。
【００４９】
実施例２
希ガス使用設備として、多結晶シリコンを成膜するプラズマＣＶＤ装置を使用した。プラズマＣＶＤ装置の構成は、図１の装置構成において、ガス供給装置（１０）の下流側に、図３に示すような製膜用ガス供給ライン６０を設けたものを使用し、成膜用ガスにはモノシランを用いた。また、基板は３００ｍｍ角のガラス基板であり、基板温度は３００℃とした。プロセスチャンバとローディングチャンバとを隔離するゲート弁は、ウェハの搬出搬入時のみ開閉し、ウェハの搬出搬入時間は３０秒とした。ウェハの搬出搬入の前に、ローディングチャンバ及びプロセスチャンバへ窒素ガスを導入し、その圧力が１００Ｐａとなるようにした。ウェハをプロセスチャンバに設置した後、キセノンガスとモノシランガスとを１００：１の割合で、１０００ｃｃ／分で１０秒間導入して予備排気を行った。その後、圧力１００Ｐａでキセノンガスとモノシランガスとを１００：１の割合で総流量３０００ｃｃ／分の流量で流しながら、成膜を１１０秒間行った。この工程を繰り返して行い、２４枚／時の速度で処理した。なお、この実験では、成膜時における総流量を３００ｃｃ／分から３０００ｃｃ／分まで変化させて成膜を行い、表面平坦度、均一性及び多結晶シリコンの結晶子サイズを測定した。その結果、３０００ｃｃ／分の流量で行ったものが最も良好であった。
【００５０】
プロセスチャンバへのウェハ搬入搬出に伴い、キセノンガスは数秒で窒素ガスで置換されることが純度モニタにより確認され、予備排気工程では、窒素ガスを主成分とした不純物がキセノンガスとモノシランガスとによって置換された。予備排気工程の途中でモノシランガス以外の不純物濃度が１０ｐｐｍ以下となったときに、キセノンガスの回収を開始した。なお、成膜中の排ガスには、モノシランガス成分は観察されなかった。これは、高密度のプラズマによってモノシランガスが完全に分解したためである。新規キセノンガス導入量は、１時間当たり３９６０ｃｃとなった。プロセスチャンバへのガス導入総量は約１３４６５０ｃｃであるから、回収率は約９７％となる。
【００５１】
実施例３
希ガス使用設備として、ドーピングした多結晶シリコンを成膜するプラズマＣＶＤ装置を使用した。実施例２と同様に、図１に示す構成の装置に製膜用ガス供給ラインを付設し、成膜用ガスにはモノシランを、ドーピング用ガスにはホスフィンをそれぞれ用いた。また、基板は３００ｍｍ角のガラス基板であり、基板温度は３００℃とした。プロセスチャンバとローディングチャンバとを隔離するゲート弁は、ウェハの搬出搬入時のみ開閉し、ウェハの搬出搬入時間は３０秒とした。ウェハの搬出搬入の前に、ローディングチャンバ及びプロセスチャンバへ窒素ガスを導入し、その圧力が１００Ｐａとなるようにした。ウェハをプロセスチャンバに設置した後、キセノンガスとモノシランガスとホスフィンガスとを１０００００：１０００：１の割合で、１０００ｃｃ／分で１０秒間導入して予備排気を行った。その後、圧力１００Ｐａで、キセノンガスとモノシランガスとを１００：１の割合で総流量３０００ｃｃ／分の流量で流しながら、成膜を１６０秒間行った。この工程を繰り返して行い、１８枚／時の速度で処理した。
【００５２】
プロセスチャンバへのウェハ搬入搬出に伴い、キセノンガスは数秒で窒素ガスで置換され、予備排気工程では、窒素ガスを主成分とした不純物がキセノンガスとモノシランガスとによって置換された。予備排気工程の途中でモノシランガス及びホスフィンガス以外の不純物濃度が１０ｐｐｍ以下となったが、予備排気工程ではキセノンガスを回収せず、成膜時にのみキセノンガスを回収した。なお、成膜中の排ガスには、モノシランガス及びホスフィンガス成分は観察されなかった。これは、高密度のプラズマによってモノシランガス及びホスフィンガスが完全に分解したためである。新規キセノンガス導入量は、１時間当たり２９７０ｃｃとなった。プロセスチャンバへのガス導入総量は約１４５５４０ｃｃであるから、回収率は約９８％となる。
【００５３】
実施例４
図３に示す装置構成において、希ガス使用設備には窒化シリコンを成膜するプラズマＣＶＤ装置を使用し、成膜用ガスにはモノシラン及びアンモニアを用いた。また、基板は３００ｍｍ角のガラス基板であり、基板温度は３００℃とした。プロセスチャンバとローディングチャンバとを隔離するゲート弁は、ウェハの搬出搬入時のみ開閉し、ウェハの搬出搬入時間は３０秒とした。ウェハの搬出搬入の前にローディングチャンバ及びプロセスチャンバへ窒素ガスを導入し、その圧力が１００Ｐａとなるようにした。ウェハをプロセスチャンバに設置した後、キセノンガスとモノシランガスとアンモニアガスとを１００：１：５の割合で、１０００ｃｃ／分で１０秒間導入して予備排気を行った。その後、圧力１００Ｐａで、キセノンガスとモノシランガスとアンモニアガスとを１００：１：５の割合で総流量３０００ｃｃ／分の流量で流しながら成膜を１６０秒間行った。この工程を繰り返して行い、１８枚／時の速度で処理した。
【００５４】
プロセスチャンバへのウェハ搬入搬出に伴い、キセノンガスを主成分としたプロセスガスは数秒で窒素ガスで置換され、予備排気工程では、窒素ガスを主成分とした不純物がキセノンガスとモノシランガスとアンモニアガスとによって置換された。予備排気工程時は、キセノンガスの回収を行わず、製膜工程時にのみ排ガスのキセノンを回収するようにした。あらかじめ行った予備実験では、成膜中の排ガスにはモノシランガス成分は検出できなかったが、アンモニアガス成分は約１０００ｐｐｍ程度検出された。なお、窒素ガス成分は１００ｐｐｍ以下であった。アンモニアガスは、回収用真空ポンプの二次側に設置した除害装置で除去されるので、アンモニア含有量が多くても成膜工程時の排ガス中からキセノンガスを回収することができる。新規キセノンガス導入量は１時間当たり２８３０ｃｃであり、プロセスチャンバへのガス導入総量は約１３５８５０ｃｃであるから、回収率は約９８％となる。
【００５５】
実施例５
希ガスとして、キセノンガスに代えてアルゴンガスを使用するとともに、希ガス使用設備には、ボロンリンガラス（ＢＰＳＧ）をエッチングするリアクティブイオンエッチング装置を使用した。エッチング用ガスにはＣ_４Ｆ_８及び一酸化炭素並びに酸素を用いた。また、基板は、ＢＰＳＧを１．５μｍ堆積させた８インチのＳｉウェハであり、基板の上にレジストと呼ばれるマスク材を０．７μｍ塗布し、露光，現像のプロセスを経て前記マスク材に直径０．１８μｍのホールパターンを形成した。なお、装置構成は実施例２と同様とした。
【００５６】
プロセスチャンバとローディングチャンバとを隔離するゲート弁は、ウェハの搬出搬入時のみ開閉し、ウェハの搬出搬入時間は３０秒とした。ウェハの搬出搬入の前にローディングチャンバ及びプロセスチャンバへ窒素ガスを導入し、その圧力が５Ｐａとなるようにした。ウェハをプロセスチャンバに設置した後、ガス比で、Ｃ_４Ｆ_８：５％，ＣＯ：１５％，酸素：２％及びアルゴン：７８％のガスを、総流量５００ｃｃ／分で１０秒間導入して予備排気を行った。その後、圧力５Ｐａで、前記ガス比のプロセスガスを総流量１０００ｃｃ／分の流量で流しながらエッチングを１分間行った。この工程を繰り返して行い、３６枚／時の速度で処理した。
【００５７】
プロセスチャンバへのウェハ搬入搬出に伴い、プロセスガスは数秒で窒素ガスで置換され、予備排気工程では、窒素ガスはプロセスガスによって置換されたが、この予備排気工程ではアルゴンの回収は行わなかった。また、あらかじめ行った予備実験では、成膜中のガス成分として、Ｃ−Ｆ化合物，ＳｉＦ_４，二酸化炭素及びアルゴンが主に観察されたが、酸素はＣＯ及びレジストの酸化に消費され、ほとんど計測されなかった。酸素，アルゴン以外の反応性ガス分子は，除害装置で除去できるので、これらの含有量に関係なく成膜時にアルゴンガスを回収した。新規アルゴンガス導入量は１時間当たり２３８０ｃｃであり、プロセスチャンバへのガス導入総量は約３０４２０ｃｃであるから、回収率は約９２％となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ処理装置等の希ガス使用設備から排出される排ガス中の希ガスを高効率で回収することができ、所要量の希ガスを必要純度で、かつ、安価に循環使用することができる。また、回収する希ガス中の不純物濃度を計測しながら減圧下で回収することにより、回収効率が向上するとともに、不純物を除去する精製器に過剰な負担をかけることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の希ガス回収装置をスパッタリング装置に適用した一形態例を示す系統図である。
【図２】複数の希ガス使用設備に本発明の希ガス回収装置を適用する際の接続例を示す要部の系統図である。
【図３】成膜用ガスを使用する希ガス使用設備に本発明の希ガス回収装置を適用した一形態例を示す系統図である。
【図４】プラズマ処理装置の一例を示す系統図である。
【図５】従来の希ガス回収装置の一例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…プロセスチャンバ、２…ウェハ、３…ローディングチャンバ、４…パージガス供給部、５…ゲート弁、６ａ，６ｂ…真空排気ポンプ、７…ゲート弁、８…ウェハサセプタ、９…精製器、１０…ガス供給装置、１１ａ…第１真空排気ポンプ、１１ｂ…第２真空排気ポンプ、１２…制御装置、１３…整合回路、１４…高周波電源、１５…排気経路、１６…希ガス容器、１７…減圧ライン、２１…スパッタリング装置、３１…希ガス回収装置、３２…回収ライン、３３…希ガス供給ライン、３４ａ，３４ｂ…切換弁、３５…純度モニター、３６…回収用真空ポンプ、３７…除去装置、３８…圧縮機、３９…貯留タンク（バッファタンク）、４０…圧力センサ、４１…圧力制御ユニット、５１…主回収ライン、５２…分岐ライン、６０…製膜用ガス供給ライン、６１…成膜用ガス供給源、６２…流量調節器、６３…混合器、７１…第１のライン切換え手段、７２…第２のライン切換え手段、７２ａ，７２ｂ…切換弁、７３…除害装置、７４…純度モニター、７５…制御器、７６…排気ライン、７７…予備除害装置

Claims

減圧下で運転する希ガス使用設備から排出される排ガス中の希ガスを回収するにあたり、前記排ガスの回収系への導入と排気系への排出との切換え操作を、前記排ガス中に含まれる不純物成分の濃度に応じて行うことを特徴とする希ガスの回収方法。
前記切換え操作を、減圧状態で行うことを特徴とする請求項１記載の希ガスの回収方法。
減圧下で運転する希ガス使用設備と、該希ガス使用設備から排出される排ガスを吸引する第１真空排気ポンプと、該第１真空排気ポンプの二次側に減圧ラインを介して直列に設けられた第２真空排気ポンプと、前記減圧ラインからライン切換え手段を介して分岐した回収ラインと、該回収ラインに設けられた回収用真空ポンプと、該回収用真空ポンプを導出した回収ガスを昇圧する圧縮機と、圧縮された回収ガスを貯留する貯留タンクと、該貯留タンクから導出した回収ガス中の不純物を除去して希ガスの精製を行う精製器と、精製後の希ガスを前記希ガス使用設備に供給する希ガス供給ラインとを備えていることを特徴とする希ガスの回収装置。
前記回収用真空ポンプと圧縮機との間に、回収用真空ポンプを導出した回収ガス中に含まれる除害対象成分を除害する除害装置を設けたことを特徴とする請求項３記載の希ガスの回収装置。
前記除害装置の後段に、前記回収ガス中の不純物濃度を測定する不純物濃度検出手段を設けるとともに、該不純物濃度検出手段と前記圧縮機との間に、測定した不純物濃度に応じて回収ガスを排気する排気ラインをライン切換え手段を介して分岐させたことを特徴とする請求項４記載の希ガスの回収装置。
前記貯留タンクに圧力検出手段を設けるとともに、該圧力検出手段の検出値に応じて貯留タンク内に希ガスを導入する希ガス補充手段を設けたことを特徴とする請求項３記載の希ガスの回収装置。