JP2004197182A

JP2004197182A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2004197182A
Application number: JP2002368567A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Wada; 哲也和田; Fumihide Ikeda; 文秀池田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP4111269B2

Abstract

【課題】冷却効率を向上して効果的に原料の回収が行える様にする。
【解決手段】基板を処理する反応室と、該反応室から排気ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられ、排気ガスを冷却して排気ガス中の原料を相変化させ回収する回収手段４０を具備し、該回収手段は回収手段内部で排気ガス流を分流する複数の細管５２を具備している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンウェーハ、ガラス基板等の基板に薄膜の生成等を行う基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、図４に於いて基板処理装置の概要について説明する。図４は基板処理装置の、特に基板を一枚ずつ処理する枚葉式の基板処理装置を示している。
【０００３】
図中、１は上端が開放された気密容器本体であり、該気密容器本体１の上端には該気密容器本体１を気密に閉塞する上蓋２が設けられている。
【０００４】
前記気密容器本体１の底部を中空の支柱３が貫通し、該支柱３は図示しない昇降機構により昇降可能になっており、前記支柱３の底部貫通部はベローズ５により気密にシールされている。
【０００５】
前記支柱３の上端に基板載置台を兼ねるヒータユニット４が設けられ、該ヒータユニット４は前記支柱３を介して昇降し、上昇状態では前記上蓋２と対向して設けられたカバープレート６に当接する様になっている。該カバープレート６は中央に孔７が穿設され、前記ヒータユニット４が前記カバープレート６に当接した状態で、前記孔７を通し、前記ヒータユニット４に載置された基板８が露出する様になっている。
【０００６】
前記気密容器本体１の一側壁には基板投入口９が穿設され、該基板投入口９はゲート弁１１により開閉される様になっている。前記基板投入口９は前記ヒータユニット４が降下した状態で、該ヒータユニット４の上方に位置する様になっている。
【０００７】
又、前記気密容器本体１の他側壁には排気口１２が穿設され、該排気口１２には排気管１３が接続され、該排気管１３は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。又、前記排気管１３の途中（真空ポンプの真空側）にトラップ１４が設けられ、更に該トラップ１４に捕集器１５が設けられている。尚、前記トラップ１４は真空ポンプの吐出側（大気側）に設けられる場合もある。
【０００８】
前記上蓋２は前記カバープレート６に対向する多数の分散孔１９が設けられたシャワープレート１６を有し、該シャワープレート１６と平行で複数の孔が穿設された中間プレート１７、前記シャワープレート１６、中間プレート１７を気密に覆う上蓋カバー１８を有している。該上蓋カバー１８と前記中間プレート１７間にはガス溜め２１が形成され、前記中間プレート１７と前記シャワープレート１６間には間隙２２が形成される。
【０００９】
前記ガス溜め２１にはガス導入管２３を介して原料ガス供給源２４が接続されている。
【００１０】
上記基板処理装置に於ける基板処理について説明する。
【００１１】
前記ヒータユニット４の降下状態で、前記ゲート弁１１が開かれ、前記基板投入口９より前記基板８が図示しない基板搬入ロボットにより前記ヒータユニット４上に搬入、載置される。搬入後前記基板投入口９が前記ゲート弁１１に閉じられ、前記ヒータユニット４が上昇して前記カバープレート６に当接する。前記上蓋２と前記カバープレート６、前記ヒータユニット４間に反応室２５が形成される。前記排気口１２、排気管１３を介して排気され、前記ガス導入管２３を介して原料ガスが前記原料ガス供給源２４より供給される。
【００１２】
上記基板処理装置に於いて、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による基板処理（成膜処理）では、前記原料ガス供給源２４は常温常圧下で液体又は固体の状態の有機金属化合物原料を気化し、希釈ガスと共に前記ガス導入管２３を介して供給する。
【００１３】
原料ガスは基板処理の種類に応じて選択され、例えばＲｕ膜を生成するＭＯＣＶＤではＲｕ（ＥｔＣｐ）2 等が原料として使用される。又、処理条件としては温度２５０℃〜３５０℃、処理圧力０．１〜５０Torr（１３．３〜６６５０Ｐａ）、原料流量０．０３〜０．２ｇ／min 、キャリア流量０．１〜２slm である。
【００１４】
前記ガス溜め２１に導入された原料ガスは前記中間プレート１７、間隙２２を経て均圧化され、前記分散孔１９より均等に分散されて前記反応室２５に導入される。原料ガスは前記ヒータユニット４により加熱され気相反応（熱分解反応）により、反応種が生成し前記基板８上に結晶し、Ｒｕ膜が生成される。
【００１５】
反応後のガスは前記排気口１２、排気管１３、トラップ１４を介して排気される。
【００１６】
成膜処理後、前記ヒータユニット４が降下し、前記ゲート弁１１が開かれ、図示しない基板搬入ロボットにより前記ヒータユニット４から前記基板８が搬出される。
【００１７】
上記処理工程に於いて、原料ガスは前記基板８のみに堆積するわけではなく、前記反応室２５の壁面、或は前記排気管１３内面に付着し、更に排気ガスと共に装置外に排出される。
【００１８】
上記したＲｕ原料は高価であるので、前記基板８への成膜に寄与しない分については、回収、再利用されることが好ましい。前記トラップ１４、前記捕集器１５は排気ガス中から原料ガスを液化、固化して回収する為に設けられている。
【００１９】
図５、図６を参照して従来設けられている前記トラップ１４、捕集器１５について説明する。
【００２０】
上流側フランジ２７と下流側フランジ２８との間は円筒間隙２９が形成される２重管構造のウォータジャケット３１となっている。該ウォータジャケット３１の中間部を貫通して排気フランジ３２が設けられている。
【００２１】
前記上流側フランジ２７は前記排気管１３を介して前記排気口１２に接続され、前記下流側フランジ２８には前記捕集器１５が接続され、前記排気フランジ３２には前記排気管１３を介して排気ポンプ（図示せず）が接続される。
【００２２】
前記ウォータジャケット３１の下流側端部に前記円筒間隙２９に連通する冷媒流入管３３が設けられ、前記ウォータジャケット３１の上流側端部には前記円筒間隙２９に連通する冷媒出側管３４が設けられ、該冷媒出側管３４、前記冷媒流入管３３には冷媒循環器３５が接続されている。
【００２３】
該冷媒循環器３５は冷媒、例えば冷却水を前記冷媒流入管３３から前記円筒間隙２９に流入させる。冷却水は、前記円筒間隙２９を上昇して前記冷媒出側管３４を経て前記冷媒循環器３５に戻り、該冷媒循環器３５で冷却水が冷却され、再び前記冷媒流入管３３より前記円筒間隙２９へ流入される。冷却水により前記ウォータジャケット３１が冷却されることで、前記トラップ１４を流通する排気ガスが冷却される。排気ガスが冷却されることで排気ガス中に含まれる原料ガスが、相変化、即ち液化、固化し、排気ガス中から分離され、前記捕集器１５に溜り、捕集される。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
然し乍ら、上記したトラップ１４ではＲｕ膜を成膜することを目的とした場合、原料回収率は０％と言える程全く捕集されなかった。ここで、原料回収率とは、（トラップ１４に捕集される原料重量）／（トラップ１４へ流入する原料重量）×１００％で求める。
【００２５】
本発明者は、原料が回収されなかった原因を調べる為、窒素ガスを流した場合を想定したシミュレーションを行った。シミュレーションは前記トラップ１４の設置場所を真空ポンプの真空側に設置した場合、真空ポンプの大気側に設置した場合の２つの場合に以下の条件で計算を行った。
（Ａ）トラップ１４を真空側に設置した場合流入Ｎ2 流量２slm 、温度１００℃
（Ｂ）トラップ１４を大気側に設置した場合流入Ｎ2 流量５０slm 、温度１００℃
尚、前記トラップ１４壁面は水冷により１０℃と仮定した。大気側に設置した場合のＮ2 流量が真空側より多いのは、前記ポンプ内への原料ガスの付着を防止する為に前記真空ポンプ内へ導入されるＮ2 量を加算した為である。
【００２６】
図７は従来のトラップ１４内の温度分布を、図８は従来のトラップ１４内のガス流速分布を示す。尚（Ａ）（Ｂ）は各々、トラップを真空側（５０Pa）に設置した場合、大気側に設置した場合の結果を示す。
【００２７】
図７中で示される温度の等高線は流路の中央に行く程温度が高くなっている。又、図８中で示される流速の等高線は流路の中央に行く程速くなっている。
【００２８】
先ず図７より、大気側より真空側に前記トラップ１４を設置した方がガスの冷却は早く、真空側ではガスは液化するには十分に低温度に冷却されていることが分る。又、図９はＲｕ（ＥｔＣｐ）2 の蒸気圧線図であるが、５０Pa（０．３８Torr）での凝縮点は８７℃であり大気圧ではそれ以上であることが分る。従って、前記トラップ１４内では十分に凝縮点以下になっていると考えられる。にも拘らず実際に前記トラップ１４を装置排気ラインの真空側に設置して原料の回収を試みたところ回収率が０％であった事実から、単に前記トラップ１４内で排気ガスを凝縮点以下に冷却するのみでは不十分であることが推測される。
【００２９】
排気ガスが十分冷却されていても前記トラップ１４で液化原料が捕集されない理由として、凝縮段階にあるガスが気化熱を奪われる間もなくトラップ１４外へ流し去られることが考えられる。
【００３０】
そこで、図８の該トラップ１４内のガス流速から該トラップ１４内での滞在時間を計算すると、大気側では約２．５秒（平均流速０．１２m／s）、真空側では約０．０３秒（平均流速８．６m／s）であった。而して、真空側でのトラップ１４内のガス滞在時間は極めて短く、原料が回収されない事実の裏付けとなるものと考えられる。又、この滞在時間を長くするという観点では、前記トラップ１４は、大気側（より高圧力側）に設置した方が好ましいと言える。然し、大気側ではガスの冷却効果が低いのも事実である。
【００３１】
本発明は斯かる実情に鑑み、トラップ内での冷却排気ガスの滞在時間を長くし、而も冷却効率を向上して効果的に原料の回収が行える様にするものである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板を処理する反応室と、該反応室から排気ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられ、排気ガスを冷却して排気ガス中の原料を相変化させ回収する回収手段を具備し、該回収手段は回収手段内部で排気ガス流を分流する複数の細管を具備している基板処理装置に係るものである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
図１、図２は本発明に係る基板処理装置に用いられる回収手段（トラップ）４０を示している。
【００３５】
尚、基板処理装置については図４で示したものと同等であるので、説明を省略し、前記回収手段４０が設けられる場所も排気管１３の途中で真空ポンプの真空側である。尚、前記回収手段４０を真空ポンプの大気側の排気管に設ける場合もある。
【００３６】
以下、前記回収手段４０であるトラップについて説明する。又、図１、図２中、図５、図６中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００３７】
トラップ外容器４１は円筒の外胴部４２、上流側端板４３、下流側端板４４により構成され、前記上流側端板４３には上流側フランジ２７が貫通して固着され、前記下流側端板４４の下面には下流側フランジ２８が固着され、該下流側フランジ２８と前記トラップ外容器４１の内部とは前記下流側フランジ２８の内径より小径の捕集口４５により連通している。又、前記下流側端板４４の下面には前記捕集口４５と同心に切頭円錐環状の液切りリング５０が設けられている。
【００３８】
前記トラップ外容器４１の内部にトラップ内容器４６が前記トラップ外容器４１と同心に設けられている。前記トラップ内容器４６は円筒の内胴部４７、上流側端板４８、下流側端板４９により構成され、前記上流側端板４８は前記内胴部４７より大径となっており、前記外胴部４２に気密に固着され、前記上流側端板４８は前記外胴部４２内の上部にガス溜め５１を形成する仕切板となっている。該ガス溜め５１より下側に排気フランジ３２が前記トラップ外容器４１に連通する様気密に設けられている。
【００３９】
前記上流側端板４８を貫通すると共に前記下流側端板４９を貫通する細管５２が、複数本前記上流側端板４８と前記下流側端板４９とに掛渡って気密に設けられている。
【００４０】
前記トラップ外容器４１を気密に貫通し、前記内胴部４７の下端部に冷媒流入管３３が連通され、前記トラップ外容器４１を気密に貫通し、前記内胴部４７の上端部に冷媒出側管３４が連通され、該冷媒出側管３４、前記冷媒流入管３３には冷媒循環器３５が接続されている。尚、前記冷媒流入管３３は前記内胴部４７の上端部に、又前記冷媒出側管３４は前記内胴部４７の下端部に連通されてもよい。
【００４１】
而して、前記内胴部４７の内部には前記細管５２の周囲を流れる冷媒流路５３が形成され、該冷媒流路５３は前記冷媒流入管３３、冷媒出側管３４を介して冷媒循環器３５に連通している。又、前記内胴部４７の下方から周囲に掛渡って排気ガス流路５４が形成され、該排気ガス流路５４は前記細管５２を介して前記ガス溜め５１に連通し、前記排気フランジ３２を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
【００４２】
前記冷媒循環器３５は冷媒、例えば冷却水を前記冷媒流入管３３から前記冷媒流路５３に流入する。冷却水は、該冷媒流路５３を上昇して前記細管５２及び前記内胴部４７を冷却し、前記冷媒出側管３４を経て前記冷媒循環器３５に戻り、該冷媒循環器３５で冷却水が冷却され、再び前記冷媒流入管３３より前記冷媒流路５３へ流入される。
【００４３】
前記排気管１３より排気ガスが前記トラップ４０に流入すると、前記上流側フランジ２７より前記ガス溜め５１に排気ガスが流入し、排気ガスは該ガス溜め５１で一旦滞留した後、前記細管５２により分流され、該細管５２を通って下端より流出し、更に前記下流側端板４９の下方で反転して上昇し、排気ガス流路５４を上昇して前記排気フランジ３２より排出される。
【００４４】
排気ガスは前記細管５２を流下する過程で、更に前記排気ガス流路５４を上昇する過程でそれぞれ冷却され、総合的な冷却面積が増大する。更に、排気ガスは前記トラップ外容器４１内部で反転して前記排気フランジ３２から流出するので、流路長が長くなり、排気ガスの前記トラップ４０内での滞在時間が長くなる。従って、従来例に比べ冷却効率が著しく増大する。
【００４５】
又、排気ガスが前記排気ガス流路５４の下端で反転することから、冷却により液化、固化した原料ガスが前記下流側端板４４に衝突して捕集が効果的に行われる。更に、前記液切りリング５０により前記捕集口４５に付着した液状の原料は滴状に溜ることなく、迅速に前記捕集器１５に落下して捕集される。
【００４６】
次に、本実施の形態に於いて、従来と同様に窒素ガスのみを流した場合のシミュレーションを行った。シミュレーションはトラップ４０の設置場所を真空ポンプの真空側に設置した場合、真空ポンプの大気側に設置した場合の２つの場合に以下の条件で計算を行った。
（Ａ）本発明のトラップ４０を真空側に設置した場合流入Ｎ2 流量２slm 、温度１００℃
（Ｂ）本発明のトラップ４０を大気側に設置した場合流入Ｎ2 流量５０slm 、温度１００℃
尚、水冷によりトラップ４０内壁面は２０℃、又、複数本の細管５２は１０℃であると仮定した。
【００４７】
図３（Ａ）は前記トラップ４０が真空ポンプの真空側に設けられた場合、図３（Ｂ）は前記トラップ４０が真空ポンプの大気側に設けられた場合の温度分布を示しており、細管の上流側から下流側に向って温度が低下している。図３（Ａ）（Ｂ）に示される様に、排気ガスは細管５２に入ったところで急激に冷却されている。図７の従来のトラップ１４は壁面から遠く離れた中央部ほどガス温度が高いことから分るように、管が太いと、即ち流路断面が大きいと熱伝達の効率が低い。従って、本発明のトラップ４０の様に管径が小さい細管５２を排気ガスが通れば冷却の効果が大きい。
【００４８】
又、前記トラップ４０でのガス滞在時間は計算より、真空側では約０．０４秒（平均流速２１m／s）、大気側では約２．８秒（平均流速０．２７m／s）である。細管５２を用いることで流路は小さくなり流速が大きくなってトラップ４０内のガス滞在時間が短くなる点については、管長を大きく取る、折返し構造によってストロークを稼ぐ等の方法で補われる。
【００４９】
従って、本発明のトラップ構造を採用すれば、冷却効果を大きくすることとガス滞在時間を長くすることが両立できるので、更に大気側（高圧力側）での運用も可能となる。
【００５０】
尚、前記外胴部４２を図５で示した様に２重管構造としてウォータジャケットとし、該ウォータジャケットに前記冷媒循環器３５より冷却水を循環させ、前記トラップ外容器４１により、更に排気ガスを冷却してもよい。又、該トラップ外容器４１をウォータジャケット構造にした場合は、前記冷媒流路５３への冷却水の流通を省略してもよい。この場合も、前記トラップ４０での排気ガス流路長が長くなり、排気ガスの滞在時間が長くなるので原料ガスの捕集効果が上がる。更に構造を簡略化する為、前記トラップ内容器４６の内胴部４７を省略し、前記上流側端板４８と下流側端板４９のみで前記細管５２を支持してもよい。
【００５１】
尚、上記実施の形態では、原料ガスがＲｕの場合について説明したが、常温で固体又は液体を原料とする基板処理に対して実施可能であり、例えば、ＳｉＮ成膜プロセスでのＮＨ4 Ｃｌ回収であり、Ｔａ2Ｏ5成膜処理も対象となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板を処理する反応室と、該反応室から排気ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられ、排気ガスを冷却して排気ガス中の原料を相変化させ回収する回収手段を具備し、該回収手段は回収手段内部で排気ガス流を分流する複数の細管を具備しているので、熱交換面積が増大し、冷却効率が向上して効果的に原料の回収が行えるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いられるトラップの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に用いられるトラップの側面図である。
【図３】（Ａ）は前記トラップが真空ポンプの真空側に設けられた場合の排気ガスの温度分布を示し、（Ｂ）は前記トラップが真空ポンプの大気側に設けられた場合の排気ガスの温度分布を示す。
【図４】基板処理装置の概略断面図である。
【図５】従来のトラップの断面図である。
【図６】該従来のトラップの側面図である。
【図７】（Ａ）は従来のトラップが真空ポンプの真空側に設けられた場合の排気ガスの温度分布を示し、（Ｂ）は従来のトラップが真空ポンプの大気側に設けられた場合の排気ガスの温度分布を示す。
【図８】（Ａ）は従来のトラップが真空ポンプの真空側に設けられた場合の排気ガスの流速分布を示し、（Ｂ）は従来のトラップが真空ポンプの大気側に設けられた場合の排気ガスの速度分布を示す。
【図９】基板処理に使用されるＲｕ（ＥｔＣｐ）2 の蒸気圧線図である。
【符号の説明】
８基板
１３排気管
１４トラップ
１５捕集器
２５反応室
２４原料ガス供給源
４１トラップ外容器
４６トラップ内容器
４７内胴部
５０液切りリング
５２細管
５３冷媒流路
５４排気ガス流路

Claims

基板を処理する反応室と、該反応室から排気ガスを排気する排気管と、該排気管に設けられ、排気ガスを冷却して排気ガス中の原料を相変化させ回収する回収手段を具備し、該回収手段は回収手段内部で排気ガス流を分流する複数の細管を具備していることを特徴とする基板処理装置。