JP5172707B2 - ガス流の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバからのガス流排気を処理するための方法及び装置に関する。

種々異なるガスが、チャンバの中で半導体又はフラットパネルディスプレイ装置の形成中工程チャンバに供給される。化学蒸着法（CVD）が蒸着チャンバ内に配置された基板又はウェーハの表面上に薄膜又は層を付着させるため使用される。この工程は、しばしばキャリアガスを使用して、1つ又はそれ以上の反応性ガスをチャンバに供給することによって、表面で起こる化学反応を促進する条件下で基板の表面に作用する。例えば、正珪酸四エチル（TEOS）及び、酸素及びオゾンのうち1つが基板上に酸化シリコン層を形成するために蒸着チャンバに供給され、またシラン及びアンモニアが窒化シリコン層の形成のために供給される。多結晶シリコン（Polycrystalline silicon）、すなわち多結晶シリコン（polysilicon）が、熱によるシラン又はクロロシランの分解によって基板上に付着される。

ガスは、また、例えば半導体装置の電極及びソース及びドレーン領域の形成中、蒸着層の領域の選択的なエッチングを行うエッチングチャンバに供給される。エッチングガスは、CHF₃、C₂HF₅及びCH₂F₂、フッ素、NF₃及びSF₆のような、ハイドロフルオロカーボンガスを含む他のエッチング液にもかかわらず、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、及びC₄F₈のようなペルフルオロ（PFC）ガスを含むことができる。そのようなガスは、ポリシリコン層の上に形成され、フォトレジスト層によってさらされる窒化物層又は酸化物層の領域に開口部を形成するために一般に用いられる。アルゴンは、また、一般的には、エッチングチャンバで行われる工程のための促進ガスを供給するためエッチングガスとともにチャンバに運ばれる。

そのようなエッチング工程の間、典型的には、SIF₄やCOF₂のような、エッチング工程からの副産物、及びArのような不活性ガスとともに、真空ポンプによってエッチングチャンバから吸い出される排気ガス中に含まれる、エッチングチャンバに供給されたガスの残留量、がある。追加の窒素は、真空ポンプのためのパージガスとしておよそ４０ないし５０slmの流量で排気ガスにしばしば加えられる。

上述したペルフルオロガスは、温室効果ガスであり、したがって、この見方で、排気ガスが大気に放出される前に、典型的に、減少装置が、PFCガスを、例えば在来の洗浄により、排出ガスから容易に除去することができる、及び/又は大気に安全に排出することができる、種に変換すべく排出ガスを処理するために設けられる。しかしながら、工程チャンバからの排出ガスの流量（典型的にはおよそ0.5ないし5slm）と比較して排出ガスに加えられるパージガスの比較的高い流量に照らし、パージガスの添加が、減少装置の分解効率を著しく減少させ、又は減少装置のエネルギー要求を著しく増大させることがある。

第一の側面では、本発明は、ガス流を処理するための減少装置の効率を制御する方法を提供し、減少装置は、真空ポンプ及び、そこから下流にあって、ガス流からのペルフルオロ種を取り除くためのプラズマ減少装置を含み、上記方法は、減少装置からガス流の一部分を分流させるステップと、分流された一部分を真空ポンプのためのパージガスとしてガス流に戻すステップと、を含む。

ガス流の一部分をプラズマ減少装置から分流させることによって、プラズマ減少装置に入るガス流の流量を著しく減少させることができ、それによって装置の分解効率を高める。ガス流の分流されない部分の中のペルフルオロ種の濃度は時間とともに徐々に増加し、プラズマ減少装置の分解効率を改善することができる。

おまけに、真空ポンプのためのパージガスとして分流された一部分をガス流に戻すことによって、真空ポンプへの新しいパージガスの流量を著しく減少させることができる。これは、ガス流の分流された一部分が減少装置内に保持される閉ループ装置であるので、ガス流中のペルフルオロ種のすべては、結局、プラズマ減少装置によって処理される。

ガス流の分流された一部分は、好ましくはポンプに戻る前に熱交換器及びコンプレッサのうち少なくとも１つに通される。

ガス流の分流された一部分は、好ましくはポンプに供給される不活性ガスの流れに加えられる。変形例として、ガス流のこの一部分は、上流か、下流か真空ポンプのステージ間か、のいずれで、不活性ガスとは別々にガス流れに加えられてよい。

少なくとも１つの種は、好ましくはガス流の一部分が分流される前にガス流から取り除かれる。この種は、好ましくはガス流によって同伴される化学反応性又は腐食性の種であり、いかなる適当な手段で除去されてもよい。好ましい実施形態では、ガス流は、種と反応するための１つ又はそれ以上の材料の加熱床に通される。この種は、ガス流が真空ポンプによって吸い出される、チャンバの中で起こっている工程からの副産物である。例えば、工程はシリコン又は誘電体層を形成するエッチング工程、種はSiF₄及びCOF₂のうちの一方からなる。

プラズマ減少装置はマイクロ波プラズマ減少装置でも、電気トーチでもよい。装置の中を通るガス流の流量を減少させることによって、ペルフルオロガスの許容分解効率を維持するための減少装置の動力要求を著しく減少させることができる。

ペルフルオロ種は、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、CHF₃、C₂HF₅及びCH₂F₂、NF₃又はSF₆のような、一般式C_xF_yH_z、（ここにx≧１、y≧１及びz≧０である）、を有するいかなるガスでもよい。第２の側面では、本発明は、チャンバからのガス流排気を処理する方法を提供するものであって、その方法は、チャンバからガス流を排気するための真空ポンプのためのパージガスをガス流れに加えるステップ、第1減少装置を使用してガス流から第1種を取り除くステップ、ガス流を第1及び第2の部分に分割するステップ、第2プラズマ減少装置を使用してガス流の第1部分から第2種を取り除くステップ、及びガス流の第2部分をポンプに戻すステップ、を有する。

プラズマ減少装置からのガス流排気は、ガス流から第3種を取り除くために第3減少装置に運ばれてもよい。この第3種はガス流からの第2種の除去からの副産物である。第3減少装置は好ましくは湿式ガス洗浄装置からなる。

第３の側面では、本発明はガス流を処理するための装置を提供し、その装置は、真空ポンプと、ガス流からペルフルオロ種を取り除くための真空ポンプから下流に設置されたプラズマ減少装置と、減少装置からガス流の一部分を分流させるための手段と、分流された一部分を真空ポンプのためのパージガスとしてガス流れに戻すための手段と、を有する。

第４の側面では、本発明はガス流を処理するための装置を提供し、その装置は、真空ポンプと、ガス流から第1種を取り除くための第1減少装置と、ガス流からペルフルオロ種、第2種を取り除くための、第1減少装置から下流に設置された第2プラズマ減少装置と、ガス流の一部分をプラズマ減少装置から分流させるための手段と、分流された一部分を真空ポンプのためのパージガスとしてガス流に戻すための手段と、を有する。本発明の第1側面に関係して上記した特徴は第2、第4側面に等しく適用でき、その逆もまたしかりである。

今、本発明の好ましい特徴を、単なる例示として、添付図面を参照して、説明する。

先ず第１図を参照して、プラズマエッチングリアクタのチャンバ10は、図面の14で一般的に示されたガス源からプロセスガスを受け入れるための少なくとも１つの入口12を備えている。制御バルブ又は質量流量コントローラ15が、それぞれのガスごとに設けられ、質量流量コントローラ15は、ガスの必要量をチャンバ10に確実に供給するシステムコントローラによって制御される。この例では、プロセスガスは、アルゴンと共に、チャンバ10で行われる工程のための反応物として、エッチング剤及び酸素からなる。適当なエッチング剤の例は、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、CHF₃、C₂HF₅及びCH₂F₂、NF₃及びSF₆のような、一般式C_xF_yH_z（ここにx≧１、y≧１及びz≧０である）を有するペルフルオロ化合物を含む。アルゴンは、チャンバ10で行われる工程のための促進ガスを、提供する。ヘリウムは、また、工程チャンバ内に設置された基板の裏面を冷やすために、比較的少量でチャンバ10に供給されてもよい。

プラズマエッチングリアクタは、リアクタ内に設置された基板の表面を望まれた形状にエッチングするためのプラズマを発生するためのどんな適当なリアクタでもよい。例は、誘導結合プラズマエッチングリアクタ、電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマエッチングリアクタ、又は他の高密度プラズマリアクタ、を含む。この例では、プラズマエッチングリアクタは、半導体製造工程が行われるリアクタであり、したがって基板の表面は多結晶シリコン又は誘電フィルムを有してもよい。変形例として、フラットパネルディスプレイの製造はプラズマエッチングリアクタ内で行われてもよい。

ガス流は、18で一般的に示される、１つ又はそれ以上の真空ポンプからなる真空排気装置によってチャンバ10の出口16から吸い出される。真空排気装置は、ターボ分子ポンプ及び/または互いにかみ合うロータを有するドライポンプ、の形態でもよい。ターボ分子ポンプは、チャンバ10内に少なくとも10^-3mbarの真空を発生させることができる。チャンバ10からのガス流の流量は一般的に0.5ないし5slmぐらいである。

エッチング工程の間中、反応物の一部だけが消費され、したがってそれからチャンバ10の出口16からのガス流排気は、反応物と、チャンバに供給された未反応の貴ガスと、エッチング工程からの副産物と、の混合を含む。例えば、ガス流はC_xF_yH_z、O₂、Ar、He、SiF₄、及びCOF₂の混合を含む。エッチング工程は、多数の異なる工程ステップを含み、したがってチャンバ10からのガス流排気の組成物、及び/又はガス流の成分の相対的な割合は、時間とともに変化する。

図面に示すように、例えば、ポンプ１８の動的軸シールの寿命及び有効性を増大させるための、及び/又は強烈な未消費のガス分子の排気から生じる腐食及び崩壊を減少させるためにガス流を希釈するための、ヘリウムのような又は、この例では、窒素のような、不活性パージガスの流れは、その源20から真空排気装置に供給される。一般的には、パージガスが、チャンバ10からのガスの流量と比較して、比較的高い流量、例えば、およそ40ないし50slmぐらいで、ガス流に加えられる。真空排気装置へのパージガスの流量は、ポンプ18とパージガス源20の間に設置された制御バルブ21を使用して制御されるのがよい。

かくして今真空排気装置からのガス流排気は、チャンバ10からのガス排気に加えて、窒素を有する。ガス流から成分のいくらかを取り除くために、ガス流は引き続いて第1減少装置22を通して運ばれる。第１減少装置22は、ガス流から所望成分を取り除くための、焼却又は熱分解装置のような、いかなる所望形態をとってもよい。しかし、熱分解装置内でガス流を燃焼させるための燃料ガスを提供する要求、ガス流のさらなる希釈及びガス流への水分の添加（これは、除去なしには、ガス流の腐食する性質を増大させる）、のために、例示の例では、第1減少装置22が、SiF₄、COF₂及びより反応性のC_xF_yH_z成分をガス流から除去するためのガス反応塔又は他のドライ減少装置の形態で提供される。適当なガス反応塔の例は、米国特許第5,213,767号に記述され、その内容をここに援用する。概観では、ガス反応塔は、ガス流から特定の成分の除去のために選択された材料の多数の加熱床を含む。この例では、ガス反応塔は、電気加熱炉によって囲まれた除去可能なカートリッジ内に好都合に設けられる少なくとも２つの加熱ステージ、を含む。第1ステージは、ガス流を予熱するための及び、より反応性のC_xF_yH_z成分をF₂とCに変換するための加熱されたシリコン粒、を含み、F₂とCはすすの形態で塔から落ちるか、ガス流の中に存在するO₂によりCO及びCO₂に変換されるかのいずれかである。第2ステージは、SiF₄をCaF₂及びSiO₂に、及びF₂をCaF₂に、変換するための、好ましい石灰の形態で、加熱された酸化カルシウムを含む。ガス流中の比較的反応性の小さいガス、すなわち、この例では、貴ガスHe、及びAr、N₂パージガス、CF₄及びC₂H₆のようなより安定なC_xF_2x+2成分、CO及び/又はCO₂、はガス反応塔の中を変化せずに通る。

1つのガス反応塔を設けてもよいが、2つ又はそれ以上の同様のガス反応塔を並列に設けてもよい。例えば、2つのガス反応塔を設けた場合、他方のガス反応塔が、例えば1つ又はそれ以上のカートリッジの交換のために、オフラインである間、或いは例えば、窒素ガスを使用してパージを受けている間、ガス流を一方のガス反応塔に差し向けることを可能にするために真空ポンプ18とガス反応塔の間に1つ又はそれ以上のバルブを配置してもよい。これによりガス流を連続的に処理することを可能にする。この場合、1つ又はそれ以上のバルブの配列を、また、ガス反応塔から下流に設けてガス反応塔から共通のガス導管に出力を接続する。

上述のように、第1減少装置22からのガス流排気は、典型的には、この例では、He、Ar、N₂、CF₄及びC₂F₆のような1つ又はそれ以上のペルフルオロ種、及びCO₂及びCOの一方又は両方を含む。ガス流からの残留ペルフルオロ種を除去するために、プラズマ減少装置24の形態の第2減少装置が第1減少装置22から下流に設けられる。プラズマ減少装置24は、電気トーチのような、プラズマ減少装置の他の形態でも使用されるが、好ましくはマイクロ波プラズマ減少装置である。

ペルフルオロ種と比較して第1減少装置22からのガス流排気の中のパージガスの比較的大きい割合の存在のために、プラズマ減少装置24のエネルギー要求が減少するため、ガスがプラズマ減少装置24の中を流れる流量は、ガスが第1減少装置22から排気する流量と比較して減少される。例示の例では、第1減少装置22からガス流を受けてガス流を第1の部分及び第2の部分に分割するための分岐26が、第1減少装置22とプラズマ減少装置24の間に配置される。ガス流の第1部分は、可変制御バルブ28又はプラズマ減少装置24に入るガスの流量を制御するための他の装置を通ってプラズマ減少装置24に運ばれる。ガス流の第2部分は、プラズマ減少装置24から分流され、真空排気装置に供給されるパージガスの少なくとも一部を構成するためにガス導管30によって真空排気装置に運ばれる。この例で、ガス流の分流された一部分は源20から供給される新しいパージガスの流れに加えられる。変形例として、ガス流の分流された一部分は、上流か、下流か又はポンプ18のステージの間か、のいずれかで真空排気装置に別々に供給されてもよい。図示したように、ガス流の分流された一部分を真空排気装置に戻る前にそれぞれ冷却及び圧縮するための熱交換機32及びコンプレッサ34を、ガス導管30に設けるのがよい。

ガス流の一部分をプラズマ減少装置24から分流することにより、プラズマ減少装置24に入るガスの流量を、著しく減少させることができ、それによって、プラズマ減少装置24の分解効率を高める。時間と共に、ガス流の第1部分のペルフルオロ種の濃度は増大し、プラズマ減少装置24の分解効率を改善することができる。

さらに、分流された一部分を真空ポンプ18のためのパージガスとしてガス流に戻すことにより、真空ポンプ18への新しいパージガスの流量を、例えば制御バルブ21を使用して、著しく減少させることができる。例えば、ガス流のおよそ75%をプラズマ減少装置24から分流されることにより、真空ポンプ18に供給される新しいパージガスの量を75%だけ減少させることができる。

図１に戻ると、プラズマ減少装置24は、ガス流の第1部分の中のペルフルオロ種を、プラズマ減少装置24から下流に設置された湿式ガス洗浄装置36又は他の同様の減少装置、によってガス流から除去することができるCO₂及びHFのような種に変換する。

図２及び図３に示す第2及び第3実施形態では、プラズマ減少装置24は、多数のチャンバ10（明瞭の目的だけのために図２では2つ示す）からのガス流排気を処理するために使用される。図２に示す第2実施形態では、各チャンバ10からのガス流排気は、それぞれの分岐26で第1部分及び第2部分に分割される前に、それぞれの真空排気装置18及び第1減少装置22の中を通る。第1実施形態におけるように、各第2部分は、プラズマ減少装置24から分流され及びそれぞれの導管30を経てそれぞれの真空排気装置に戻される。ガス流の分流されていない第1部分は、マニホールド40で合流され、ペルフルオロ種の除去のためにプラズマ減少装置24に運ばれる。図３に示す第3実施形態では、チャンバ10の真空排気装置からのガス流排気は、第1減少装置22から上流に設置されたマニホールド50で合流される。合流されたガス流は、分岐26で第1部分及び第2部分に分割される前に第1減少装置22で処理される。第1実施形態のように、合流されたガス流の第1部分は、ペルフルオロ種の除去のためにプラズマ減少装置24に運ばれる。合流されたガス流の第2部分は、分岐52で2つの同様の類似する副流に分割される前に導管30により熱交換器32及びコンプレッサ34に運ばれ、副流の各々は第1実施形態におけるようにそれぞれの真空排気装置に運ばれる。

図１はプラズマエッチングリアクタのチャンバからのガス流排気を処理するための装置の第1実施形態を示す。 図２は多数のチャンバからのガス流排気を処理するための装置の第2実施形態を示す。 図３は多数のチャンバからのガス流排気を処理するための装置の第3実施形態を示す。

Claims (24)

1. ガス流からペルフルオロ種成分を除去するようにガス流を処理する減少装置の分解効率を制御する方法であって、上記減少装置は、真空ポンプと、そこから下流にあって、上記ガス流からペルフルオロ種成分を除去するためのプラズマ減少装置と、を有し、上記ガス流の一部分を上記プラズマ減少装置に流入する前の位置で上記減少装置から分流させるステップと、上記ガス流に分流された部分を上記真空ポンプのためのパージガスとして上記真空ポンプを介して戻すステップと、を有する上記方法。
2. 上記ガス流の上記分流された一部分は、上記ポンプに戻る前に熱交換器に通される、請求項１に記載の方法。
3. 上記ガス流の上記分流された一部分は、上記ポンプに戻る前に圧縮される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 上記ガス流の上記分流された一部分は、上記ポンプに供給される不活性ガスの流れに加えられる、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分のうち少なくとも1つが、上記ガス流の一部分が分流される前に上記ガス流から取り除かれる、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 上記ガス流は、上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分と反応するために1つ又はそれ以上の材料の加熱床に通される、請求項５に記載の方法。
7. 上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分は、SiF₄からなる、請求項５又は請求項６に記載の方法。
8. チャンバからのガス流排気を処理する方法であって、上記チャンバから上記ガス流を排気するための真空ポンプのためのパージガスをガス流に加えるステップと、第1減少装置を使用して上記ガス流から上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分のうち少なくとも１つを取り除くステップと、上記ガス流を、第２プラズマ減少装置に流入する前の位置で第1と第2の部分に分割するステップと、第２プラズマ減少装置を使用して上記ガス流の上記第1部分からペルフルオロ種成分を取り除くステップと、上記ガス流の上記第2部分を上記真空ポンプから上記ガス流に戻すステップと、を有する上記方法。
9. 上記ガス流の上記第2部分は、上記パージガスに加えられる、請求項８に記載の方法。
10. 上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分のうち少なくとも１つは、上記チャンバで行われるエッチング工程からの副産物からなる、請求項８又は請求項９に記載の方法。
11. 上記副産物はSiF₄である、請求項１０に記載の方法。
12. 上記プラズマ減少装置からの上記ガス流排気は、上記ガス流からペルフルオロ種成分を除去した副産物を除去するための第3減少装置に運ばれる、請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の方法。
13. 上記第3減少装置は湿式ガス洗浄装置からなる、請求項１２に記載の方法。
14. ガス流を処理するための装置であって、真空ポンプと、上記ガス流からペルフルオロ種成分を取り除くための、上記真空ポンプから下流に設置されたプラズマ減少装置と、上記ガス流の一部分を上記プラズマ減少装置に流入する前の位置から分流させるための手段と、分流された一部分を上記真空ポンプのためのパージガスとして上記真空ポンプから上記ガス流に戻すための手段と、を有する上記装置。
15. 上記ポンプに戻る前に上記ガス流の上記分流された一部分を冷却するために熱交換器を有する、請求項１４に記載の装置。
16. 上記ポンプに戻る前に上記ガス流の上記分流された一部分を圧縮するためのコンプレッサを有する、請求項１４又は請求項１５に記載の装置。
17. 上記ガス流の上記一部分が分流される前に上記ガス流から上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分のうち少なくとも1つを除去するために減少装置を有する、請求項１４ないし請求項１６のいずれかに記載の装置。
18. 上記追加の減少装置は、1つ又はそれ以上の材料の加熱床からなる、請求項１７に記載の装置。
19. 上記ガス流から上記ペルフルオロ種成分を上記除去した副産物を上記ガス流から取り除くための湿式ガス洗浄装置を上記プラズマ減少装置から下流に有する、いかなる請求項１４から請求項１８に記載の装置。
20. ガス流を処理するための装置であって、真空ポンプと、上記ガス流から上記ガス流に含まれている化学反応性の又は腐食性の種の成分のうち少なくとも1つを除去するための第1減少装置と、上記ガス流からペルフルオロ種成分を除去するための上記第1減少装置から下流に設置された第２プラズマ減少装置と、上記ガス流の一部分を上記プラズマ減少装置に流入する前の位置から分流させるための手段と、上記分流された一部分を上記真空ポンプのためのパージガスとして上記真空ポンプから上記ガス流に戻すための手段と、を有する上記装置。
21. 上記ポンプに戻る前に上記ガス流の分流された一部分を冷却するための熱交換器を有する、請求項２０に記載の装置。
22. 上記ポンプに戻る前に上記ガス流の上記分流された一部分を圧縮するためのコンプレッサを有する、請求項２０又は請求項２１に記載の装置。
23. 上記ガス流からペルフルオロ種成分を除去した副産物を除去するための第3減少装置を上記プラズマ減少装置から下流に有する、請求項２０ないし請求項２２のいずれかに記載の装置。
24. 上記第3減少装置は湿式ガス洗浄装置からなる、請求項２３に記載の装置。

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