半導体真空装置

半導体真空装置についてコンパクトに解説します。

半導体製造装置のおよそ6割は真空装置です。多くの装置メーカーはクラスターツールと呼ばれるデザインを採用しています(図1参照)。クラスターとは元々葡萄の房のことでロボットアームが格納された真空チャンバーの周りにプロセスチャンバーが取り付けられた格好になっている様子からこう呼ばれています。クラスターツールの場合プロセスチャンバーはウエハを1枚づつ処理する毎葉式と言うものです。こうすると複数のチャンバーで同時に処理できるのでスループットが上がるメリットがあります。また複数のチャンバーの利点を生かしてプロセスをシーケンシャルに行えるので別のコンディションでウエハーを処理できます。CVDやPVDでは質の異なる膜をデポジションできたり、エッチングでは多層膜を条件を変えて処理できます。 プロセスの組み換えも自由度が高くPVDとCVDを組み合わせたりと研究開発仕様などにも向いています。中古機市場ではチャンバーを組みかえれば他のプロセスへも対応できます。

図1-クラスターツール

図1-クラスターツール

一方一度に多数のウエハを処理するバッジ式とよばれる装置もスループットの面で魅力的です。熱CVDなどは一気に膜をデポジションできますので多く使われています。プロセス的にはこなれたものが多く安定しています。ウエハの大口径化では均一性の確保が困難になってきていたり装置自体も大型化しますので近い将来には全て毎葉になるかも知れません。
カスタムLSIの様に今は多品種少量生産が主ですからウエハー1枚1枚のプロセスをモニターしながら工程を管理する時代です。プロセス異常をいち早くキャッチし対処しなくてはなりません。これがインラインモニターの考え方です。装置のほうもSEMI規格で色々な情報を上げる機能が付いています。クラスターツールは時代の要請でできたデザインと言えます。

真空から見た装置構成図2のようにはプロセスチャンバを中心としたシステム構成になっています。カセットロードロック室がチャンバに接続されています。ロードロックとは真空予備室のことで大気中のガス分子、ゴミ(半導体ではパーティクルと呼んでいます)、水蒸気や汚染物質をプロセスチャンバに入れないためのものです。現在の装置は殆どがロードロックつきです。真空度がある一定値に達すると次のゲートバルブが開きロボットが格納された真空チャンバにロボットアームにより搬送されます。プロセスチャンバ入り口にもゲートバルブがありここからチャンバ内にウエハを入れます。チャンバ構成は装置によって異なりますが概ねペディスタル(台座のことで電極のこともあります)にウエハを置いてプロセスを行います。ベディスタルはヒータで加熱されるものや温水冷却水などを循環させプロセス中の温度をコントロールするようになっています。

図2-真空装置のシステム概要

図2-真空装置のシステム概要

プロセスチャンバの多くはターボ分子ポンプにて排気されます。ターボ分子ポンプは大気から排気できませんのでチャンバには排気用のバイパスが付けられていてフォアラインと言います。始めにフォアラインを介してチャンバを排気し真空度が上がったところでターボ遮断バルブを開けて一気に高真空に持ってゆきます。排気の最終点では荒引きポンプが受け持ち排ガス処理装置にて除害して大気に放散させます。スクラバーと言いますが水で洗浄して除外するものや活性炭などの吸着剤に吸着させて除害するもの燃焼スクラバーと言って燃やして除害するものなどがあります。プロセスガスが専用ラインでチャンバに導入され反応が始まります。反応させるために真空にしている訳ですがエネルギの形としては熱によるもの、高周波などによるものが殆どです。図では省略していますがカセットロードロック室とロボットの納められているトランスファーチャンバにも専用の真空ポンプと付帯設備が付きます。クラスターツール仕様ではポンプの数はチャンバ数と共に増加しますので1システム当たりのポンプの数が10数台以上になる場合もあります。

実際のプロセスチャンバ周辺は込み入っていて複雑です。図3の様に色々な部品が付いています。プロセスガスはいくつかのバルブを経てチャンバへ導入されます。半導体生産では極度に汚染やパーティクルを嫌います。配管材料は内部がコーテイングされていたり電界研磨仕様のものなどがあります。プロセスガスのコントロールはマスフローコントローラというもので行います。これは制御性よくチャンバへ導入されます。フィルターもライン中いくつかの箇所で用いられパーティクルを除去します。チャンバ圧力のモニタには様々な真空ゲージが取り付けられています。

図3-チャンバー回り

図3-チャンバー回り

プロセス用としてはキャパシタンスマノメータで圧力を計測し制御します。MKS社のバラトロンが有名ですが他社でも販売されています。圧力をダイヤフラムという薄い板でとらえて変形させ電極間の容量変化で計測するもので、ガスの種類によらず正しく圧力を示しますのでプロセス圧力の計測と制御に使います。通常チャンバに2個付いていて低圧側、高圧側の制御で使い分けるのが一般的です。他の真空ゲージとしてはピラニーやコンベクトロンがモニタ用として、高真空のベース圧力モニタとしてイオンゲージ(電離真空ゲージ)がセットされています。また大気圧スイッチはチャンバが大気圧に戻ったことを検出するためのもので安全のためのインターロックなどに用いられます。例えばチャンバ大気開放中はガスを流さないなどです。減圧スイッチはチャンバが減圧中であることを検出します。やはりインターロックですがポンプの切替信号などにも利用します。これは荒引きポンプでの排気からターボ分子ポンプに切り替えるとこのような場合です。荒引きポンプにつながるフォアラインと呼ばれる配管にも圧力をモニタするゲージがあります。オアラインの状態をみてターボ分子ポンプに切替たり、真空異常の検出にも使います。
図中にあるヘリウムバックサイドクーリングコントロールとはヘリウムチャックというものでウエハ裏面へヘリウムを導入してある圧力を保ちます。ヘリウムは熱伝導度がとてもよいのでウエハの置かれるペディスタルと効率よく熱交換ができます。これによりプロセス中発生する熱の制御が可能となりプロセスマージンが増加します。プロセス中に発生する熱は化学反応を左右しますから熱の制御は重要です。プロセス終了ではウエハ裏面のヘリウムを抜かなくてはなりませんのでヘリウムダンプラインがあります。これが無いとウエハがヘリウムの圧力で飛び跳ねてしまいます。またPVDではプロセスガスはアルゴンですのでヘリウムの代わりにアルゴンを使ったりします。

それではなぜ真空が使われるのでしょうか。半導体ではパーティクルなどの固形物のゴミ、数々の汚染物質の影響、水蒸気や空気の存在は微細な加工を必要とするプロセスでは有害です。サブミクロンをきる微細なパターンでは人間の出すホコリは巨大な岩のようです。ちなみに砂は100ミクロン程度、髪の毛は50から120ミクロン、花粉やダストは5から50ミクロン、赤血球が7.5ミクロン、バクテリアで0.2から10ミクロンの大きさです。いかに通常の環境が半導体プロセスに取って危険かが想像できます。汚染源も環境中には沢山あります。ナトリウムは可動イオンの代表格でシリコン結晶中を動きまわってMOSトランジスタなどの特性を悪くします。人間の汗や息からも出ています。オイルに代表される有機物や金属などもシリコンには大敵です。シリコンは元々土や岩石の形で地球には馴染みの物質ですが、人間が仕上げて99.9999・・・%と9が11個もつく超高純度品です。よって不安定(活性)であり何かとすぐに結合して安定になろうとします。有機物、無機物、金属とも結合して色々な欠陥を引き起こしてしまいます。真空中で製造することでパーテイクルや汚染物質を避けることができます。PVDはスパッタとも呼ばれますが半導体生産装置の中で最も高真空を必要とします。ベース圧力は10-7 Pa(10-9 Torr)です金属膜の質に真空が強く影響するためです。インプランテーション装置も残留ガスによって様々なイオンができてしまいますのでそれらがシリコン中に打ち込まれてしまうかもしれません。これをエネルギーコンタミネーション(エネルギーの汚染)と言います。こちらのベース圧力は10-5 Pa(10-7 Torr)です。プラズマエッチング装置とプラズマCVD装置はグロー放電を利用してガスを分解し活性な物質を作り出して削ったり、デポジションを起こさせ成膜します。放電を使うと低いエネルギーで簡単にガスが分解してくれます。通常化学反応を起こさせるには強い熱や運動エネルギーが必要ですがプラズマ放電を利用すると簡単に化学反応します。特に低温でプロセスを行わなくてはならない配線行程のBEOLにはプラズマ放電が使われますが、1気圧の下では容易に放電しません。減圧すると低い電圧でプラズマ放電が始まりますので真空にしています。またプラズマ放電によって作られたものがウエハ上の膜と反応して様々な物質が作り出されます。一括総称して副生成物(バイプロダクツ)と呼んでいます。これらはウエハ上に残ると悪影響を及ぼすので真空にして蒸発し易いようにして取り除きます。CVDでも成膜中には色々な副生成物(バイプロダクツ)ができます。これらも必要の無いものは蒸発させ取り除きますので真空にしています。 CVDはヒータなどの加熱源がペディスタルに組み込まれていて加熱しながらデポジションさせていて膜質を決定しています。加熱することで副生成物を取り除く効果もあります。半導体ではサーマルプロセスと言って加熱工程が多くありますが殆どは真空装置で減圧下で行います。空気中に存在する酸素や水蒸気、その他の成分がウエハに作用し膜質を悪化させます。減圧下にて純度の高いガス雰囲気中で過熱すればそういった心配がありません。加熱プロセスの多くはF・E・O・L(Front End of Line)前工程と呼ばれるシリコン中にトランジスタに代表される素子を作りこむ工程にあります。前にも述べましたがシリコンは非常にデリケートな物質であり汚染され易いものです。汚染されるとデバイスとして機能しなくなります。加熱工程で使用されるファーネスと呼ぶ炉は空気などの混入を抑えるようにデザインされています。これは酸素の巻き込みによる酸化膜の生成を抑えるためです。そのため真空ロードロック室が付けられています。また炉自体も汚染物質を出さない様に純度の高い石英やSiCを使用して作られています。

半導体製造装置を見てみますとアッシャー、エッチングやCVD装置とPVD、インプラの装置ではそのデザインが違うことが判ります。大きさもPVD、インプラ装置は大きくなり付いている部品も大型化複雑化しています。これは扱う真空領域が異なるためです。真空排気系でみた装置は図4に示す様にチャンバに幾つかの真空ポンプが接続された格好になっています。この時ガスの流れ方に注目しますと3つの状態をとります。真空度が低い場合には粘性流と言う流れです。ガス密度が高くお互いに押し合いへし合いしていて流れがガス分子同士の衝突で決まる流れ方です。ガス分子が粘性のように振る舞います。別の流れ方は分子流と言うものです。高真空になるとこの流れ方になりますが、ガス分子密度は低くお互い衝突する確立が低くなります。この中間の状態が中間流と言うものです。

図4-排気系

図4-排気系

分子流の状態ではガスの流れ方は配管やチャンバ壁との衝突で決まります。学問的には平均自由工程λ(cm)と配管などの直径との比で定義されます。平均自由工程λは一つのガス分子が隣のガス分子と衝突するまでに動く距離ですが、ガス分子同士の平均距離のことです(図5)。注意点は分子流の領域ではガスの流れは壁との衝突が多くを占めますので逆流もあります。全てのガス分子がポンプへ向かうのではなく逆にポンプ側からチャンバへと向かう流れも生じます。バックストリームと言いチャンバ汚染を引き起こすのでパージガス(乾燥窒素)を配管中に流して押さえ込んでいる装置もあります。大体0.133Pa(1mTorr)を境にして粘性流と分子流に分かれますがこの場合の平均自由工程は空気(N2)、20℃の場合で約5cmです。荒引きポンプに続くフォアラインの配管径は5cm前後が多いのですが、それ以上太くしても意味が無いからです。粘性流の領域ではガス密度が高く配管の直径を太くしても直ぐガスで満たされますのでポンプの排気速度を上げた方が良いためです。荒引きポンプの口径やターボの出口が小口径なのはこの為です。一方分子流を扱うPVD等の装置ではターボポンプの吸入口は大きな開口径で最短でチャンバに接続されています。

図5-分子流のイメージ

図5-分子流のイメージ

こうしないと排気効率が落ちます。配管のガス分子の流れ易さを表す指標はコンダクタンスSで単位はL/sec(リッターパーセック)です。単位時間当たり何リッターのガスを流せるかと言うことで配管に限らずガスの通り道にある部品全てに当てはまります。装置には色々な部品が取り付いていて最終的にはガスを大気中に放散させていますからあちこちにコンダクタンスの概念が当てはまります。コンダクタンスは大きい方が排気効率が上がって有利です。またコンダクタンスは抵抗の逆数関係にあり大きなコンダクタンスは低抵抗と言うことになります。真空ポンプの排気能力も同じ単位のL/secなので計算には便利です。

図6は真空度と装置プロセスまた真空ポンプ、ゲージの種類を表したものです。PVD、インプラでは分子流の領域を扱いますので超高真空で大排気量を有するポンプであるターボ分子ポンプやクライオポンプを用います。簡単な装置、例えばアッシャーやエッチング、CVD装置などは荒引きポンプとメカニカルブースターポンプのみのこともあります。現在の装置はエッチングやCVDも低圧で排気量を多くしてプロセスを行うものが多くターボ分子ポンプがチャンバに付けられています。荒引きポンプとは大気圧から分子流の入り口である0.133Pa(1mTott)程度までを引くポンプです。一般にオイルロータリーポンプまたはドライポンプにメカニカルブースターポンプを補助ポンプとして構成しています。粘性流を扱うので配管径は5cm前後です。ターボ分子ポンプやクライオポンプは荒引きポンプで排気してから切り替えて使用します。10-5から10-7(Pa)台を扱うポンプはこの両者しかありません。

図6-真空度による部品表

図6-真空度による部品表

PVDは10-7(Pa)、10-9(Torr)がベース圧力で半導体製造装置では一番の超高真空を扱います。平均自由工程λを長くしてスパッタされた金属原子の直進性を上げることが必要です。直進性を保ったまま深さのあるコンタクトやバイアへ金属膜を成長させ良好なコンタクトを作るためです。また真空度が悪いと膜質に強く影響し結晶構造が違ってきます。マグネトロンスパッタはエネルギが強く出ますのでスパッタされてターゲットから出てきた金属原子は高温であり残留酸素と直ぐに結合して酸化されてしまいます。成膜状況は反射率を計ると判る場合が多いのでPVD後のインスペクションで行われます。アルミニウムのPVDではヘイズと言ってウェハのアルミ面が白濁します。軽いものはミルキーと言いミルクを垂らしたように白い筋を引きます。EM(エレクトロマイグレーション)を引き起こして電流を流すと配線が切れてしまいます。メンテナンスなどでチャンバを一度大気に開放させると真空の立ち上がりに時間が掛かるので何枚かのダミーウエハを使い空打ちして生産に復帰させます。この時ターゲットの表面に生成した酸化膜も除去されます。
PVD装置の構造は図7に示す様にプロセスチャンバに大型の遮断バルブを介してクライオポンプが最短で接続されています。当初チャンッバは荒引きポンプの系統で排気され圧力がクライオポンプのクロスオーバー圧力に達してから切替ます。クロスオーバー圧力はクライオポンプの大きさなどで決まる圧力でこれ以下なら動作させても問題ない圧力です。

図7-PVD

図7-PVD

クライオポンプの原理はヘリウムガスの膨張するときに周辺から奪う熱により極低温(15K、80K)面を作り、そこにガス分子を凝集させてポンプ作用をさせるものです。当然真空度の低い状態では荒引きポンプにてクロスオーバー圧力以下にしてから使用します。溜め込み式のポンプで危険ガスなどは引けないためアルゴンガスを主に用いるPVDやインプラ装置のプロセスチャンバの排気に使用しています。クライオポンプに付いている荒引きラインは溜め込んだガスを加熱して追い出し再生する時のためのものです。

インプランテーションでは荒引きポンプにターボ分子ポンプとクライオポンプを使っています。不純物のイオンを生成するソースチャンバと加速管周辺は危険な物質を扱うためターボ分子ポンプで排気しプロセスチャンバではレジストからの脱離ガスだけですのでクライオポンプを用いています。レジストからの脱離ガスは水素が主なものです。真空度が悪い場合には生成されるイオン種が多くなり質量分析器で選別できないとそのまま加速されてウエハに打ち込まれてしまいます。これをエネルギーコンタミと言います。またシングルチャージも多くなる傾向がでます。2段加速する場合などは1段加速のところにターボ分子ポンプを増加して真空度をよくしています。ベース圧力は10-5(Pa)、10-7(Torr)台です。ではインプラの場合真空度は高い程よいかと言うとそうでもないこともあります。インプラはプラスイオンを収束させてビーム状にしてウエハに打ち込みます。プラスの電荷を持ったイオンの束ですのでお互いプラス同士で反発してしまいます。高加速の装置では反発する前に強力に加速して打ち込んでしまいますから問題になりません。低加速装置では加速される前に反発してしまいウエハに到達する電流が減ります。ビーム電流が取れなくなることがあります。加速管の中にある残留ガスがイオン化して電子を作り、この電子がビームに取り巻いて反発するのを防止する接着剤の役目を果たしています。高真空の場合にはわざわざ別のガスを導入することもあります。

エッチングやCVD装置では危険なガスを扱うためクライオポンプは使用しません。ターボ分子ポンプをつかって排気します。元々高真空を必要としませんがプロセスの要求でマージンを広げるため低圧下で大きな排気速度を用いる場合には有効です。多くの装置ではターボ分子ポンプがチャンバの下に直結されています。ターボ分子ポンプは高速で運動する羽根が空間を飛びまわっているガス分子を取らえて排気するものです。1分間5万回転程度のものが多いようです。大気圧からは負荷が多すぎて引けませんので荒引きポンプである程度排気して後切替ます。そのためチャンバに荒引き用のバイパスラインが組み込まれています(図8参照)。 CVDでは真空度によって膜質に微妙な差がでたりパーティクルが発生したりして悪影響が現れてきます。プロセスで発生する副生成物も様々で発火するもの爆発するものもあり安全管理に注意が必要です。真空度の管理も重要です。真空度の目安は一般に0.133Pa/分(1mTorr/分)程度のリークバック値が運用されています。こらは真空引き状態からターボ遮断バルブを閉じてチャンバを排気系から切離して圧力上昇を見るテストです。0.133(Pa/分)以内のリーク量なら問題なしとして生産へ復帰させます。

図8-エッチング装置

図8-エッチング装置

エッチングでは大きく分けてシリコン酸化膜(SiO2)などを対象とする物理的なものとシリコンを対象とする化学的なもの、中間の金属膜があります。物理的作用の強いシリコン酸化膜のエッチングではフロン系のガスCF4、C2F8、CHF3とアルゴンガスを添加しています。アルゴンは重いのでプラスイオンの形にし、電界で加速してウエハに衝突させてその力を使ってシリコンと酸素の結合を外します。プロセスでは真空度を低めにして平均自由行程を長くしイオン衝撃効果を出すようにデザインします。元々化学作用は低いので真空度を低く(ガス密度小)してもよい訳です。その代わり高パワーを印加します。真空度に関してはプロセスは余り敏感ではありません。ただし高アスペクトエッチングなどでデポジションを微妙に制御しているものは外部リークで酸素や窒素が入ってくると崩れる場合があります。シリコンエッチングは化学作用が強いエッチングで塩素、Hbr、O2等を用います。選択比や形状制御のためデポジション性のガスを添加しています。O2は典型的なガスでリークなどで外部からO2が入るとデポジションが異常に進行しプロセスが崩れます。チャンバ内部にデポジションが多くなり汚れますので頻繁にクリーンが必要になります。またパーテイクルの発生も懸念されます。金属膜のエッチングでアルミニウムの場合には塩素系のガスを使用します。 リークにより外部から水蒸気や酸素が入り込むとコロージョンと言ってアルミの錆びが発生して断線します。コロージョン対策では真空度の管理は重要になります。アルクエッチングでは高真空度の方が有利です。タングステンやチタンなどはコロージョンは心配無いのですが、リークがあるとデポジションが多くなり選択比や形状が崩れます。ヘリウムチャックを使用している場合には冷却作用が特に顕著に出てきますのでレジストマスクにデポジション膜が付きマスクされて残渣やブリッジンを起こすことがあります。CVDもそうですがチャンバ内側の壁にはデポジションにより薄い膜が付いてきます。この膜はチャンバ環境を支配しCVD膜質、エッチングの特性を決定させます。この膜の管理も重要ですからメンテナンス後にダミーウエハにてカラでポジション、カラエッチングを行い早く環境を整えることも行われます。一般にアルミニウム系のエッチングよりも化学作用の大きいシリコン系のエッチングの方がこのダミーランが多く必要です。

図6で見たように半導体ではプロセスで真空度が決まり、それにより装置仕様が決まります。真空度0.133(Pa)、(1mTorr)の所に技術的なブレークスルーが存在していてそれより高真空を扱うインプラやPVD装置では用いるデザインやパーツが異なってきます。半導体関連の企業を訪問したりしてみますとプロセスエンニアと装置エンジニアの領域が分かれている場合が多いようです。プロセスエンジニアは当然プロセスを管理しますが装置の原理、構成やトラブルにも目を向けるべきでしょう。また装置エンジニアも装置だけではなくプロセスにも関わるべきだと思います。ロボットが動かないなどは完全にハードウエアの問題ですが、プロセスが崩れたとかマージンが少ないなどはグレーゾーンの場合が多く両エンジニアの間でたらい回しにされがちです。もっとよい条件や運用方法があるはずでお互いの領域へ踏み込んだ検討が必要です。このシリーズでもできるだけ両面からのアプローチをご紹介しています。それでは部品関連を少し見てみましょう。まずは真空ポンプですが真空ポンプを理解する場合大切なことは真空ポンプは圧縮機であると言うことです。薄いガスをかき集めて圧縮し1気圧以上にして大気中に排気させる装置です。荒引きポンプの代表はかつてオイルロータリーポンプというものでした。これは回転する羽根で気体を圧縮して排気させるものでシールと潤滑の為オイルを使っています(図9)。単体では用いられる事はすくなくメカニカルブースターポンプ(ルーツポンプとも言う)を補助ポンプとして直結した格好で用います。こうすると高真空側で排気能力が改善され真空引きの時間が短縮され、かつオイルロータリーポンプからのオイル蒸気上がり(オイル汚染)も防ぐことができます。メカニカルブースターポンプはオイルを使わないドライポンプの一種です。繭形ローターが1対タイミングギヤで同期を取りながらハウジングの中で回転しガスを圧縮しています。昔からあるもので今流行りのドライポンはこのデザインを取り入れたものもあります。大気圧からは負荷が大きすぎて動作できませんので荒引きポンプであるオイルロータリーポンプで動作圧力になるまで排気しておいてから切替ます。そのためバイパスラインがありバルブ切替しています。メカニカルブースターポンプの中には流体クラッチを使ってモータとローターを連結していて大気圧から動作できるものもあります。この場合負荷が大きい場合にはクラッチが滑って回転が起こらず、真空度が上がってくると回転も上がるようになっています。

図9-オイルロータリーポンプと補助ポンプ

図9-オイルロータリーポンプと補助ポンプ

図10にターボ分子ポンプの概要を示します。オイルを使わないドライポンプの一種で超高真空領域用です。
回転する翼はローターと言い固定翼ステーターと対になっています。分子流を扱う装置ではポンプからチャンバへ逆流する流れバックストリームも現れてきます。ステータはロータと逆ピッチに羽根が付いていてバックストリームをはじき返す役目をします。分子流を扱う部品や装置ではバックストリーム対色々な所で採用されています。高速で空間を飛びまわるガス分子よりも羽根の速度の方が速くないとポンプ作用をしません。軽いガスの水素などは高速ですから排気能力はガスの種類で異なってきます。このためN2とH2で測定された排気能力がカタログに載っています。羽根はアルミ合金製で遠心力に耐える様精密に加工されています。吸気側は大口径、排気側は圧縮されて粘性流の領域に入るため口径は小さくなっています。

図ターボ分子ポンプ

図10-ターボ分子ポンプ

半導体ではもう一つ超高真空を扱うポンプとしてクライオポンプがあります(図11)。気体が凝集して液化したり固体になったりするときに体積を大きく減少させますので真空ができます。

図11-クライオポンプ

図11-クライオポンプ

この原理を使ってポンプ作用をさせますがクライオとは元々冷たいと言う意味の言葉です。PVDで使用することが多くアルゴンの特性がカタログに掲載されています。また低温でも凝集しないHe、Ne、H2は活性炭に吸着させます。
80kアレーは主に水蒸気を捕らえる所です。間接的に冷却されます。断面はターボ分子ポンプのステーターと同じ様に角度が付いていてバックストリーム対策を取っています。15kアレーはヘリウムの膨張するコールドヘッドに取り付けられていてアルゴンやHe、H2などを吸着させます。これらは内側を黒化処理したラジエーションシールド内に納められていてますがこれは外部よりの光などでガス放出を抑えるためのものです。
真空ゲージとしては熱伝導を、機械的変形、イオン電流や放電電流を利用するものなどがあります。真空チャンバのベース圧力を測定するには多くの場合イオンゲージを使います。イオンゲージは唯一超高真空を計れるものですがヒータからの熱電子放出によりガスをイオン化させ電流から逆算して真空度を計測しています。イオン化率はガスの種類で異なるためN2を1としています。他のガスで真空度を計測する場合には換算表を使用しますが、半導体装置ではベース圧力のモニタが殆どでしょうからそのまま使用しても問題は無いと考えられます。イオンゲージは特にB-Aゲージと言うものを使用しています。ダイヤフラムの機械的変形から静電容量の変化として捕らえ圧力に換算するものがキャパシタンスマノメータです。MKS社のバラトロンなどが有名です。こちらは圧力をそのまま読み取るためガスの種類による感度の違いは無く混合ガスでも対応できます。そのためプロセスチャンバの圧力モニタや制御に使用されます。ロードロック室や搬送室には熱伝導を利用したゲージが使われピラニ、コンベクトロン、TC(サーモカップルゲージ)などがあります。原理はどれも同じ様なもので加熱部が周囲のガス分子で冷却されて温度が変化することを利用します。真空度が悪いとガス分子が沢山存在し、熱を奪いますので温度は上がりません。逆に真空度が高くなると熱を持ち去ってくれませんのでより加熱されるようになります。この時の熱起電力を計測するのがTCゲージ、抵抗の変化を計測(実際には一定温度になるよう抵抗線に電流を流してこの時の電流を計測している低温ピラニ)するのがピラニゲージでピラニを大気圧以上でも使えるように改良したものがコンベクトロンゲージです。熱伝導性はガスの種類で異なりますのでN2を1として校正されていますがチャンバは空気やN2を計測することが多いのでそのまま使えます。またペニング放電という磁場を使った放電電流を計測するものがペニングゲージで電子顕微鏡などに使用されています。通常チャンバには複数のゲージが付けられていてそれぞれの役目を持って動作しています。
真空シールとしてはO-Ringによるものが簡便でよく使われます。フッソゴムで作られていて商品目はバイトンと言うものです。NF3プラズマや化学的に活性な部分のシールではテフロン系のO-Ringも使われケムラッツとかカルレッツなどと言う商品名で販売されています。役15-20%程度潰してシールするものですが30%以上潰さないようにします。永久変形して寿命が短くなります。バイトンは型で作られますが収縮率がばらつく傾向にあり同じ型番でも微妙に寸法が異なり、もしリークトラブルにあったら別ロットのものに換えてみるのも手です。メタルガスケットを使用するシール方式で広く用いられているものにCF(コンフラットフランジ)があります。USバリアン社が開発したシールで無酸素銅のガスケットを使用し低温から高温まで高信頼性でシールできます。B-Aゲージやクライオポンプの接合部などに使われています(図12)。

図12-コンフラットフランジ

図12-コンフラットフランジ

この他にクイックカップリングの名で呼ばれるKFフィテインングやISO-Kフランジなどがあります。真空装置の部品は全てよくデザインされ製造されていますので使用方法を間違わなければ問題ありません。

装置ではよく大気側から真空側へ動力を伝えたい場合があります。一例としてカセットロードロック室でカセットを上下させるためのエレベーターシャフトです。ディファレンシャルシールはこの様な所に使用します(図13)。大気側から少しリークしますが中間から真空引きしているので真空チャンバ側へはリークしないようになっています。古くからあるシール方式で差動器とも言います。精度良く作られたものはリークも少なく真空ポンプへの配管を塞いでも大丈夫な程ですが、使用してゆくとゴムが磨耗してリークを起こします。定期的に部品交換が必要です。またシャフトが垂直に組み込まれていないと片磨耗となり寿命が短くなってしまいます。 生産現場の実例では1年間に1回程メンテナンスが必要のようです。

図13-ディファレンシャルシール

図13-ディファレンシャルシール

またよく使われるものにベローズがあります(図14)。蛇腹状の金属でステンレスか銅、真鍮などもありますが半導体装置ではステンレス製が殆どです。1個1個の板を溶接で作る場合と成型で作る場合があり溶接の方がストロークが長くとれます。それでもベロースはディファレンシャルなどに比べるとストロークが短くなりますが信頼性や寿命は優れています。腐食性のガスが回り込む所ではピンホールが開いたりしてリークの原因になる場合があります。寿命は繰り返しストローク何万回というふうに規定されていますが、寿命が短くなるのでスペック以上に引き伸ばしたりしないようにします。接合部や力が加わる部分でのトラブルが多いので最初はベローの伸び縮みで真空度が悪くなったり良くなったりしていますがやがて大きなリークにつながります。

図14-ベローズ

図14-ベローズ

回転運動を導入するには磁気シールを用います(図15)。磁気シールはユニークな構造でネジ構造になったシャフトに磁性流体を封入してシールします。外部には磁石がセットされていて一つの磁気回路になっています。キューリー点を越えると磁性が失われますので水冷できるようになっているものもあります。シャフトを手で回すと少し重く感じられますがこれが正常な状態です。重さにむらが出たり軽く回るようになると磁性が失なわれていたりして寿命ということになります。またリークチェック探しの時アルコールなどをかけると磁性流体が流れ出して壊すことがあり、溶剤をかけることは厳禁です。ヘリウムリークディテクターでは軸を少しずつ回しながらチェックすると発見できます。大きなリークの場合には軸を回してゆくと急に真空度が下がったり、逆に上がったりする場合もあります。真空部品のリークチェックなどは経験とかカン、こつなどが必要と言われますが原理や構造を理解して使用することもトラブルシューティングの基本です。

図15-磁気シール

図15-磁気シール

マスフローコントローラは自動制御されて一定流量のガスをチャンバに流す装置です。内部構造は図16に示すようにセンサー部とバイパス部、それにバルブとから成り立っています。センサー部はヒータによるブリッジ回路になっておりガスが流れると上流側と下流側で温度差が発生しこれが質量流量に比例することを利用して計測しています。熱反応を良くするため構造的にセンサーの管は細くできていますので詰まりやすくなっています。バイパス部はバイパスを通るガス流量とセンサーへ行くガス流量を正しく分ける役目をするもので9対1とかと言うように種類によりこの比は決まっています。

図16-マスフローコントローラー

図16-マスフローコントローラー

詰まりなどセンサー部の故障では装置が検出できますので問題はないのですが、バイパス部が詰まったりして正しく分流できなくなると装置側では検出できません。センサー部は分流比が保障されていることを前提にして制御していますから例えバイパスの流量がゼロでもセンサー部が流れている限り制御しているように見えます。現在の装置ではマスフローコントローラの他にマスフローメーターが別に付いていて複数でモニターしています。装置にもマスフローの流量をチェックできる機能も備わっています。

真空の開閉で使用するバルブ類には荒引きポンプへ接続するフォアラインバルブやクライオポンプとチャンバー間を開閉するものなど多種多様です。エアアクチュエータによりベローズや門機構をつかったりしてO-Ringと組み合わせてシールしています。写真1はゲートバルブ、バタフライバルブ及びアングルバルブです(VAT社提供)。

写真1-VATバルブ(VAT社提供)

写真1-VATバルブ(VAT社提供)

フィルターはプロセスガス中のパーティクルを除去します。原理的には2種類ありディプスタイプとメンブレンタイプです。ディプスタイプはイメージ的には綿や金タワシのようなもので細い繊維をまとめた構造の中にパーティクルを捕集します。大きなパーティクルは物理的に小さいものは静電気で捕らえられます。意外と中位のサイズは通過してしまいます。メンブレンフィルターは膜に小さな穴が多数開いた構造になっていて捕集率は高くなりますが寿命は逆に短くなります。2種類をつないで寿命を延ばしかつ捕集率を上げたものもあります。この他にセラミックなどを焼結させてフィルター構造としたものなど様々なものが開発されています。

ガス用のフィティングは以前スウエージロックが多く使われていました。現在はVCRフィッテイングが多く用いられています。スウエージロックはフェルルという部品をナットとボティで配管に食い込ませシールするものです。フェルルはバックフェルルとフロントフェルルの2つから成っていてナットでボテイに取り付けます。新品の取り付けは手締めから1と4分の1回転です。再取り付けが可能でその場合には手締めから4分の1回転です。 現在ガス配管部品の接続はVCRが殆どです。VCRはメタルガスケットを使用してシールします。4個で1セットになっていてガスケットをグランドとボティのビード部で押し付けています。ビード部は重要な部分でよく研磨処理されていますので傷などを付けないように取り扱います。半導体では殆どが純ニッケルガスケットですが他にアルミや銅なども条件によっては用いられます。ニッケルガスケットの場合の接続は手締めしてからレンチで8分の1回転です。締め過ぎは厳禁で、締め過ぎるとビード部同士がぶつかってダメージを受けシールできなくなります。この場合、部品交換するしかありません。またガスケットの再利用はぜず一旦取り外したら新しいガスケットを使って再び接続します。VCOも余り使われなくなりましたが真空ゲージの取り付け部分に一部使われているのを見ます。こちらはO-Ringでシールしていますので再取り付けが可能です。手締めから8分の1レンチで締めるのですが、真空の場合には手締めでも十分です。余談ですが、キャパシタンスマノメーター(バラトロン)にスウエージロックを取り付けることは避けてください。1/2インチのSUSが付いていますがキャパシタンス部と一体になっていてスウエージロックで締め付けると狂いが出る可能性があります。

図17-フィティング

図17-フィティング

エアオペバルブはプロセスガスなどを入り切りするバルブでソレノイドバルブにて供給される駆動エアまたは駆動N2で動作します。構造はエアシリンダーでベロース構造のバルブ動かすベローズバルブ型と薄い金属の板ダイヤフラムにて開閉するダイヤフラム型とがあります(図18)。

図18-ニュプロバルブ

図18-ニュプロバルブ

ダイヤフラムバルブにはベローズバルブのようなデッドスペースがなく駆動部のエアシリンダで発生するパーティクルがガスラインに入り込まないので現在の装置では多く用いられています。両者ともガスの流れ方法があります。ベローズバルブでは先にステムチップと言う4フッ化テフロン等で出来た硬い押さえが付いています。これが使用してゆくと段付き磨耗してリークに至る場合があり、いくら探してもリーク箇所が判らない場合にはこの内部リークも疑った方がよいでしょう。ダイヤフラム板も割れることがあります。これらはスペアパーツとして手に入るもので修理可能です。

装置のリークは何時も頭痛の種です。プロセスにより許されるリーク量は決まっていて管理項目にされています。PVDやインプラは超高真空装置でプロセスに強く影響します。エッチングやCVDはリークレートが1分間で1mTorr/分、0.1333Pa/分程度のスペックが多いようです。装置をメンテナンスして後真空引きすると立ち上がりが遅くなりますがこれは大気に暴露した事によるチャンバ内壁への水蒸気や大気の分子成分が付着したためです。またクリーンなどで溶剤などを使用しますがこれも放出されます。一般にデガスと言っています。図19は一定時間真空引きした後にアイソレーションバルブを閉じてチャンバーをポンプから切り離した時のチャンバー内部圧力上昇を観察したものです。リークバックテストとかリークアップテストを呼ぶものです。デガスの場合はチャンバ内部にある量には限りがありますのでやがて飽和して圧力は一定になります。これは仮想的なリークで余り問題とはなりません。チャンバにリークがあると限りなく空気が入ってきますので圧力は上昇し続けます。これは絶対止めなくてはなりません。

図19-リーク曲線

図19-リーク曲線

エッチングやCVDでは簡単なリークである場合、アルコールなどの溶剤を掛けながら真空ゲージの圧力上昇を見る方法もあります。しかし磁気シールなどへは掛けられませんし微小なものはやはりヘリウムリークディテクターを使うことになります。ヘリウムリークディテクターの構造は図20のように真空引きのラインと質量分析器に校正用の標準リークが組み合わさったものです。質量分析器はヘリウム用にセットされていてリークポイントから入ってきたヘリウムを検知します。ヘリウムは空気中に余り存在しない物質でこれをバックグラウンドが小さいと言います。また小さいため少しの漏れ孔からも入って行きます。他には不活性ガスであるため安全で、装置も汚染しない等の理由で使用されています。

図20-Heリークディテクターの原理

図20-Heリークディテクターの原理

使用方法はとても簡単になっており全て自動化されていてます。スタートから10分以内に立ち上がり校正も自動で行ってくれます。後はポートと装置を配管で接続すればよくチャンバーや対象の容量が小さい場合にはリークディテクターの真空ポンプで排気すれば感度も上がります。先に述べたディファレンシャルシールのチェックでは動かしながら行うとか真空への配管を一次的に塞いで行うと良いでしょう。また磁気シールも癖のあるものですから動かしながら行う必要があります。ベローズも初期のリークでは伸び縮みでリーク の具合が違ってきます。ビューポートに石英が使われることがありますが石英はヘリウムを透過させます。長くヘリウムをかけ続けると透過したヘリウムにより誤判断したり、バックグラウンドがなかなか下がらないことになります。いまでは余り使わなくなりましたがシリコンゴムを良く透過します。部品の特性を良く知ることが必要です。

写真2-ヘリウムリークディテクター(インフィコン社提供)

写真2-ヘリウムリークディテクター(インフィコン社提供)

 

 

 

 

 

 

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