CN108389770A - 臭氧气体加热机构、基板处理装置以及基板处理方法 - Google Patents

臭氧气体加热机构、基板处理装置以及基板处理方法 Download PDF

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Abstract

提供一种减少由于供给臭氧气体而产生的基板温度的偏差的臭氧气体加热机构、基板处理装置以及基板处理方法。一个实施方式的臭氧气体加热机构具备：气体供给单元，其设置在基板处理装置的处理容器内，能够向基板供给臭氧气体；气体供给配管，其与所述气体供给单元连接，能够向所述气体供给单元供给所述臭氧气体；以及配管加热单元，其设置在所述气体供给配管，用于对所述气体供给配管内的所述臭氧气体进行加热。

Description

臭氧气体加热机构、基板处理装置以及基板处理方法
技术领域
本发明涉及一种臭氧气体加热机构、基板处理装置以及基板处理方法。
背景技术
以往以来，在半导体制造工艺中，在基板上形成氧化膜时，作为工艺气体，有时使用臭氧(O3)气体。臭氧气体是不稳定的气体，因此具有进行分解而成为稳定的氧(O2)气体的性质。臭氧气体在室温下逐渐分解，与此相对，当超过200℃时，臭氧气体在2～3秒左右内分解。因此，在使用臭氧气体来作为工艺气体的情况下，一般不进行加热而在室温(常温)下向处理容器供给臭氧气体。
另外，近年来，具有向处理容器供给大流量的臭氧气体来进行处理的倾向。然而，当向处理容器供给大流量的臭氧气体时，有时基板温度降低而对所形成的氧化膜的特性产生影响。
因此，为了抑制基板温度降低，考虑预先对臭氧气体进行加热后供给到处理容器。作为能够预先对臭氧气体进行加热后供给到处理容器的装置，已知如下一种纵型热处理装置：在将多个基板以沿铅直方向具有规定间隔的方式大致水平地收纳的处理容器内设置有具备预加热加热器的喷射器(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2007-081365号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述的装置中，对处理容器内的上部区域供给被基板加热用的加热器和预加热加热器加热后的臭氧气体，与此相对，对处理容器内的下部区域供给几乎没有被加热的臭氧气体。因此，配置在处理容器内的下部区域的基板的温度比配置在处理容器内的上部区域的基板的温度低。像这样，由于臭氧气体的供给而基板温度产生偏差。
因此，鉴于上述问题，目的在于降低由于供给臭氧气体而产生的基板温度的偏差。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明的一个方式所涉及的臭氧气体加热机构具备：气体供给单元，其设置在基板处理装置的处理容器内，能够向基板供给臭氧气体；气体供给配管，其与所述气体供给单元连接，能够向所述气体供给单元供给所述臭氧气体；以及配管加热单元，其设置在所述气体供给配管，用于对所述气体供给配管内的所述臭氧气体进行加热。
发明的效果
根据本发明的一个方式，能够减少由于供给臭氧气体而产生的基板温度的偏差。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的基板处理装置的概要截面图。
图2是用于说明用于确认臭氧气体加热机构的作用、效果的实验系统的图。
图3是示出利用图2的实验系统对臭氧气体进行了加热时的浓度变化的图(1)。
图4是示出利用图2的实验系统对臭氧气体进行了加热时的浓度变化的图(2)。
附图标记说明
1：基板处理装置；4：处理容器；60：喷射器；61：气体供给孔；82：气体供给配管；84：配管加热单元；85：温度传感器；W：晶圆。
具体实施方式
以下，参照附图来说明用于实施本发明的方式。此外，在本说明书和附图中，对于实质上相同的结构，通过标注相同的附图标记来省去重复的说明。
对本发明的实施方式所涉及的基板处理装置进行说明。图1是本发明的实施方式所涉及的基板处理装置的概要截面图。
如图1所示，基板处理装置1具有长边方向为铅直方向的大致圆筒形的处理容器4。处理容器4具有具备外筒6和内筒8的双重管构造，其中，该外筒6具有顶部，该内筒8在外筒6的内侧与外筒6同心地配置且具有顶部。内筒8的下端部具有向外突出的凸缘，通过焊接等被固定在外筒6的内壁。外筒6的下端部具有向外突出的凸缘，利用由不锈钢等形成的圆环状的底部凸缘10支承外筒6的凸缘下表面。底部凸缘10通过螺栓等固定单元被固定在底板。
在底部凸缘10的下端部的开口部，以借助O形密封圈等密封构件16能够气密地密封的方式安装有例如由不锈钢形成的圆盘状的盖部14。另外，在盖部14的大致中心部贯穿有旋转轴20，该旋转轴20能够在例如通过磁性流体密封件18而保持气密的状态下进行旋转。旋转轴20的下端与旋转机构22连接。在旋转轴20的上端固定有例如由不锈钢形成的保持台24。
在保持台24上设置有例如石英制的保温筒26。在保温筒26上载置有例如石英制的晶圆舟28。晶圆舟28是用于将多个晶圆W在处理容器4内以棚架状保持的基板保持器具。在晶圆舟28中，例如50～150张晶圆以沿铅直方向具有规定间隔、例如10mm左右的间隔的方式大致水平地收纳。
盖部14、保持台24、保温筒26以及晶圆舟28例如通过升降机构30在处理容器4内一体地加载、卸载。
在底部凸缘10的侧面设置有用于向处理容器4内导入臭氧气体的气体供给配管82。气体供给配管82例如由不锈钢形成。气体供给配管82通过接头83等固定单元而与气体导入口75连接。
在外筒6的凸缘的与气体导入口75对应的位置形成有贯通孔。喷射器60的水平部分从处理容器4内插入到贯通孔中，并且气体供给配管82与喷射器60通过接头83而连接固定。
喷射器60是用于向晶圆W供给经由气体供给配管82供给到气体导入口75的臭氧气体的气体供给单元。喷射器60例如可以由石英形成，也可以由SiC等陶瓷形成。另外，喷射器60除了由石英、陶瓷形成以外，还能够使用不易污染处理容器4的内部的各种材料形成。
喷射器60的上方的顶端部被密封，在喷射器60的侧面设置有多个气体供给孔61，该多个气体供给孔61用于与处理容器4内收纳的多个晶圆W的被处理面平行地供给臭氧气体。也就是说，以沿铅直方向具有规定间隔的方式设置气体供给孔61，一边从气体供给孔61供给臭氧气体一边对晶圆W进行热处理，来在晶圆W上进行成膜。由此，气体供给孔61被设置在与晶圆W接近的一侧。
在气体供给配管82上设置有流量控制阀81、配管加热单元84以及温度传感器85。
流量控制阀81是用于对从气体供给源80供给的臭氧气体的流量进行控制的阀。
配管加热单元84是用于对从气体供给源80供给并在气体供给配管82中流动的臭氧气体进行加热的配管加热器。配管加热单元84例如设置在气体供给配管82的气体供给源80与流量控制阀81之间。即，配管加热单元84设置在处理容器4的外部。因此，从工艺的观点考虑，相比于追加具备预加热加热器的喷射器而言，由于不变更气体的流路，因此对工艺的影响少。另外，从装置改造时的工时的观点考虑，不需要将气体的流路开放，因此不需要伴随流路的开放进行的泄漏检验等，能够削减装置改造时的工时。这样，易于对已有的装置等追加配管加热单元84。
此外，配管加热单元84只要能够对气体供给配管82进行加热即可，也可以设置在其它位置，例如也可以设置在气体供给配管82的流量控制阀81与接头83之间。另外，例如也可以以跨过流量控制阀81的方式设置在气体供给源80与接头83之间。
另外，配管加热单元84只要是能够对气体供给配管82进行加热的加热器即可，没有特别限定，但从低成本这样的观点考虑，优选是带式加热器。
另外，优选的是，配管加热单元84将从气体供给源80供给的臭氧气体加热至50℃以上的温度，更优选的是，加热至100℃以上的温度。由此，特别是能够抑制将臭氧气体导入到处理容器4内而导致的晶圆W的温度降低。另外，优选的是，配管加热单元84将从气体供给源80供给的臭氧气体加热至200℃以下的温度，更优选的是，加热至100℃以下的温度。由此，能够抑制臭氧气体的热分解从而高效地将臭氧气体导入到处理容器4内。因此，特别优选的是，由配管加热单元84对臭氧气体进行加热的加热温度为100℃。
另外，例如在250℃的情况下，臭氧的半衰期为1.5秒左右。因此，利用配管加热单元84对臭氧气体进行加热的时间优选为1.5秒以下，更优选为1秒以下。
因此，将利用配管加热单元84对臭氧气体进行加热的加热时间设为1秒以下，因此设置于气体供给配管82的配管加热单元84的长度L(m)优选为通过下面的数式(1)计算的长度。
L≤M/A (1)
此外，M是臭氧气体的流量(slm)，A是气体供给配管82的截面面积(m2)。
具体地说，例如在气体供给配管102的内径为4.35mm的情况下，规定的长度L优选为通过下面的数式(2)计算的长度。
L≤1·12×M (2)
另外，例如在气体供给配管102的内径为7.52mm的情况下，规定的长度L优选为通过下面的数式(3)计算的长度。
L≤0.375×M (3)
即，优选的是，根据臭氧气体的流量(slm)和气体供给配管82的截面面积(m2)决定设置于气体供给配管82的配管加热单元84的长度L(m)。
这样，在基板处理装置1中，臭氧气体从气体供给源80供给并被配管加热单元84加热，被流量控制阀81进行流量控制后从喷射器60的气体供给孔61被导入到处理容器4内。
温度传感器85是对加热后的臭氧气体的温度进行检测的传感器。温度传感器85例如设置在流量控制阀81与接头83之间。温度传感器85对在气体供给配管82内流过的被加热后的臭氧气体的温度进行检测，将检测值发送到后述的控制部1A。通过设置温度传感器85，在臭氧气体由于干扰等发生分解反应而发生了异常发热的情况下，能够检测异常发热。温度传感器85例如可以是热电偶。另外，温度传感器85只要能够检测被加热后的臭氧气体的温度即可，也可以设置在其它位置，例如也可以设置在配管加热单元84与流量控制阀81之间。
在外筒6的下部设置有气体出口36，气体出口36与排气系统38连结。排气系统38包含与气体出口36连接的排气通路40以及在排气通路40的中途依次连接的压力调整阀42及真空泵44。利用排气系统38，能够一边调整处理容器4内的压力一边将气体排出。
在处理容器4的外周侧，以将处理容器4包围的方式设置对晶圆W进行加热的加热器装置48。
另外，在内筒8的隔着晶圆舟28与喷射器60相向的一侧的侧壁，沿铅直方向形成有狭缝91，以能够将内筒8内的气体排出。即，从喷射器60的气体供给孔61朝向晶圆W供给的臭氧气体通过狭缝91从内筒8流到内筒8与外筒6之间的空间，并从气体出口36排出到处理容器4外。
狭缝91形成为，其上端的位置比晶圆舟28中保持的晶圆W中的被保持在最上部的晶圆W的位置靠上方。另外，狭缝91形成为，其下端的位置比晶圆舟28中保持的晶圆W中的被保持在最下部的晶圆W的位置靠下方。
另外，在基板处理装置1中设置有对基板处理装置1的各部的动作进行控制的计算机等控制部1A。控制部1A具备程序、存储器、CPU等数据处理部等，程序中嵌入有命令(各步骤)，以从控制部1A向基板处理装置1的各部发送控制信号来执行各种处理。程序被保持在计算机存储介质、例如软盘、光盘、硬盘、MO(光磁盘)以及存储卡等存储介质中来被安装到控制部1A。
此外，在本发明的实施方式中，列举气体供给配管82与能够供给臭氧气体的气体供给源80连接的情况为例进行了说明，但气体供给配管82除了与气体供给源80连接以外，也可以与能够供给其它气体的气体供给源连接。另外，在基板处理装置1中，也可以根据所使用的气体的种类设置多个气体供给配管82。
另外，在基板处理装置1中，也可以设置活化单元，该活化单元利用通过高频电力产生的等离子体使从气体供给孔61供给的臭氧气体活化。
(实施例)
接着，对本发明的实施方式所涉及的臭氧气体加热机构的作用、效果进行说明。图2是用于说明用于确认臭氧气体加热机构的作用、效果的实验系统的图。
如图2所示，在实施例中，使用包含臭氧发生器101、气体供给配管102、开闭阀103、配管加热加热器104以及浓度计105的实验系统，对加热后的臭氧气体的浓度变化进行了确认。
臭氧发生器101是产生含有规定浓度(例如9.3vol％、14vol％)的臭氧气体的气体的设备。
气体供给配管102是与臭氧发生器101连接的配管。
开闭阀103是设置于气体供给配管102的阀。通过将开闭阀103打开，臭氧发生器101所生成的含有臭氧气体的气体经由被配管加热加热器104覆盖的气体供给配管102供给到浓度计105。
配管加热加热器104被设置在气体供给配管102上的比设置开闭阀103的位置靠气体流的下游侧的位置，配管加热加热器104是将在气体供给配管102内流过的含有臭氧气体的气体加热至规定的温度(例如室温～200℃)的加热器。利用配管加热加热器104对气体供给配管102进行加热的长度(加热长度)为2.5m。
浓度计105被设置在气体供给配管102上的比设置配管加热加热器104的位置靠气体流的下游侧的位置，浓度计105是对在气体供给配管102内流过的臭氧气体的浓度进行检测的传感器。
首先，在图2的实验系统中，将由臭氧发生器101生成的含有9.3vol％的臭氧气体的气体以20slm的流量供给，对利用配管加热加热器104加热至规定的温度后的臭氧气体的浓度进行了测定。规定的温度为50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃。另外，为了进行比较，对没有利用配管加热加热器104进行加热时(23℃)的臭氧气体的浓度进行了测定。
图3是示出在图2的实验系统中对臭氧气体进行加热后的浓度变化的图。在图3中，横轴表示含有臭氧气体的气体的加热温度(℃)，纵轴表示加热后的臭氧气体的浓度(vol％)。
如图3所示，含有臭氧气体的气体的温度为23℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃时的臭氧气体的浓度分别为9.2vol％、9.2vol％、9.2vol％、9.1vol％、9.0vol％、8.6vol％、7.9vol％、6.6vol％。即，在含有臭氧气体的气体的加热温度为200℃以下的情况下，臭氧气体的浓度的降低比例为30％以下。因此，优选的是，含有臭氧气体的气体的加热温度为200℃以下。另外，在含有臭氧气体的气体的加热温度为100℃以下的情况下，几乎观察不到臭氧气体的浓度的降低。因此，更优选的是，含有臭氧气体的气体的加热温度为100℃以下。
接着，在图2的实验系统中，将由臭氧发生器101生成的含有14vol％的臭氧气体的气体以20slm的流量供给，对利用配管加热加热器104加热至规定的温度后的臭氧气体的浓度进行了测定。规定的温度为100℃、125℃、150℃。另外，为了进行比较，对没有利用配管加热加热器104进行加热时(23℃)的臭氧气体的浓度进行了测定。
图4是示出在图2的实验系统中对臭氧气体进行加热后的浓度变化的图。在图4中，横轴表示含有臭氧气体的气体的加热温度(℃)，纵轴表示加热后的臭氧气体的浓度(vol％)。
如图4所示，含有臭氧气体的气体为23℃、100℃、125℃、150℃时的臭氧气体的浓度分别为13.8vol％、13.8vol％、13.7vol％、13.4vol％。即，在含有臭氧气体的气体的加热温度为150℃以下的情况下，臭氧气体的浓度的降低比例为5％以下。因此，优选的是，含有臭氧气体的气体的加热温度为150℃以下。另外，在含有臭氧气体的气体的加热温度为100℃的情况下，观察不到臭氧气体的浓度的降低。因此，更优选的是，含有臭氧气体的气体的加热温度为100℃。
接着，对通过交替地供给含锆(Zr)的有机材料的原料气体和利用实施方式所涉及的臭氧气体加热机构加热至100℃的臭氧气体来形成氧化锆膜(ZrO2膜)时的膜中含有的金属杂质进行说明。
表1是通过交替地供给原料气体和加热至100℃的臭氧气体所形成的ZrO2膜的每单位面积的金属元素(Cr、Fe、Ni)的原子数的测定结果。在表1中，“N.D.”表示在检测极限以下。另外，“TOP1”、“TOP2”、“BTM1”以及“BTM2”分别表示在晶圆舟28的铅直方向上的位置，表示按此顺序从上方至下方的位置。
【表1】
如表1所示，作为由不锈钢形成的气体供给配管82的构成材料的金属元素的Cr和Ni在ZrO2膜的每单位面积中的原子数，在所有位置处均为检测极限以下。另外，作为由不锈钢形成的气体供给配管82的构成材料的金属元素的Fe在ZrO2膜的每单位面积中的原子数，为检测极限以下或允许范围以下。因此，认为气体供给配管82不会被加热后的臭氧气体腐蚀。
以上，对用于实施本发明的方式进行了说明，但上述内容并非是对发明的内容进行限定，在本发明的范围内能够进行各种变形和改良。
在上述的实施方式中，列举对多个晶圆W成批进行处理的分批式的基板处理装置为例进行了说明，但不限定于此，在逐个地进行处理的单片式的基板处理装置中也能够应用本发明。

Claims (10)

1.一种臭氧气体加热机构，具备：
气体供给单元，其设置在基板处理装置的处理容器内，能够向基板供给臭氧气体；
气体供给配管，其与所述气体供给单元连接，能够向所述气体供给单元供给所述臭氧气体；以及
配管加热单元，其设置在所述气体供给配管，用于对所述气体供给配管内的所述臭氧气体进行加热。
2.根据权利要求1所述的臭氧气体加热机构，其特征在于，
所述配管加热单元将所述臭氧气体加热至50℃以上且200℃以下的温度。
3.根据权利要求1或2所述的臭氧气体加热机构，其特征在于，
在将设置于所述气体供给配管的所述配管加热单元的长度设为L(m)、将流过所述气体供给配管的所述臭氧气体的流量设为M(slm)、将所述气体供给配管的截面面积设为A(m2)时，满足L≤M/A。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的臭氧气体加热机构，其特征在于，
所述配管加热单元是带式加热器。
5.一种基板处理装置，具备：
处理容器，其将多个基板以沿铅直方向具有规定间隔的方式大致水平地收纳；以及
根据权利要求1～4中的任一项所述的臭氧气体加热机构。
6.根据权利要求5所述的基板处理装置，其特征在于，
所述气体供给单元包含多个气体供给孔，所述多个气体供给孔以沿铅直方向具有规定间隔的方式设置。
7.根据权利要求5或6所述的基板处理装置，其特征在于，
还具备温度传感器，该温度传感器检测所述臭氧气体的温度。
8.一种基板处理方法，
在基板处理装置的处理容器的外部将臭氧气体加热至规定的温度；以及
将加热后的所述臭氧气体供给到所述处理容器内。
9.根据权利要求8所述的基板处理方法，其特征在于，
所述规定的温度是50℃以上且200℃以下的温度。
10.根据权利要求8或9所述的基板处理方法，其特征在于，
所述臭氧气体在流过气体供给配管时被加热，
在将所述气体供给配管的对所述臭氧气体进行加热的长度设为L(m)、将流过所述气体供给配管的所述臭氧气体的流量设为M(slm)、将所述气体供给配管的截面面积设为A(m2)时，满足L≤M/A。
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