JP2005013866A - トラップ装置、処理システム及び不純物除去方法 - Google Patents
トラップ装置、処理システム及び不純物除去方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】排気ガス中からガス状の不純物を除去するために構造が簡単で、且つ捕集効率も常時高く維持することが可能なトラップ装置を提供する。
【解決手段】被処理体Ｗに対して所定の処理を施す処理装置４内を真空排気するための真空ポンプ３６を有する真空排気系６に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置８において、前記真空排気系の排気通路３４に介設された不純物捕集容器５０と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段６４とを備える。
【選択図】 図２
【解決手段】被処理体Ｗに対して所定の処理を施す処理装置４内を真空排気するための真空ポンプ３６を有する真空排気系６に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置８において、前記真空排気系の排気通路３４に介設された不純物捕集容器５０と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段６４とを備える。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜装置等の処理装置より排出される排気ガス中のガス状の不純物を除去するトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩＣなどの集積回路や論理素子を形成するためには、半導体ウエハ、ガラス基板、ＬＣＤ基板等の表面に、所望の薄い成膜を施す行程やこれを所望のパターンにエッチングする行程が繰り返して行なわれる。
ところで、成膜工程を例にとれば、この工程においては、所定の処理ガス（原料ガス）を処理容器内にて反応させることによってシリコンの薄膜、シリコンの酸化物や窒化物の薄膜、或いは金属の薄膜、金属の酸化物や窒化物の薄膜等を被処理体の表面に形成するが、この成膜反応と同時に余分な反応副生成物が発生し、これが排気ガスと共に排出されてしまう。また、未反応の処理ガスも排出される。
【０００３】
この反応副生成物や未反応の処理ガスは、そのまま大気中に放出されると環境汚染等の原因になることから、これを防止するために一般的には処理容器から延びる排気ガス系にトラップ装置を介設し、これにより排気ガス中に含まれている反応副生成物や未反応の処理ガス等を捕獲して除去するようになっている。
このトラップ装置の構成は、捕獲除去すべき反応副生成物等の特性に応じて種々提案されているが、例えば常温で凝縮（液化）、凝固（固化）する反応副生成物を除去する場合には、このトラップ装置はその一例として排気ガスの導入口と排出口を有する筐体内に多数のフィンを設けて構成されている。そして、このフィンは、排気ガスの流れる方向に対して、順次配列してこれらのフィン間を排気ガスが通過する時に排気ガス中の反応副生成物等をフィン表面に付着させて捕獲するようになっている。また、このフィンを冷却流体等により冷却して捕獲効率を上げることも行なわれている。
【０００４】
ここで、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物のＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）を用いてＴｉ金属膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしてはＴｉＣｌ４ の他にＨ２ ガスを用い、これをＡｒガスの存在下にてプラズマにより活性化して水素で還元し、Ｔｉ膜を半導体ウエハ表面に堆積させている。この時、反応副生成物としてＴｉＣｌｘ（Ｘ＜４）が発生し、また、未反応のＴｉＣｌ４ ガスも存在し、これらのＴｉＣｌｘやＴｉＣｌ４ 等が排気ガスに含まれて流出する。これらのＴｉＣｌｘやＴｉＣｌ４ 等は大気汚染等の原因となる不純物ガスであることから、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。
【０００５】
ここで、上記した未反応ガスであるＴｉＣｌ４ や反応副生成物であるＴｉＣｌｘ等の不純物ガスは、比較的蒸気圧が高いため、上述したようにトラップ装置内を冷却していても、このトラップ装置内で完全に捕獲して除去することがかなり困難であり、十分な回収率が得られない場合があった。このため、トラップ機構よりも下流側に設けられている除害装置で、上記トラップ機構を通り抜けた不純物ガスを完全に除去して無害化するためにかなりの負担がかかり、この除害装置のランニングコストが高騰するのみならず、この除害装置自体の寿命も短くなる、といった問題があった。このような問題は、ＴｉＣｌ４ やＷＦ６ や（Ｔａ（ＯＥ）５ ）２ （ペントエトキシタンタル）などの高融点金属化合物ガスを用いる成膜装置の共通の問題である。
【０００６】
また、ＴｉＣｌ４ を用いる他の成膜方法として、ＴｉＮ膜を成膜する方法が知られている。すなわち、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物のＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）を用いてＴｉＮ膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしてはＴｉＣｌ４ の他にＮＨ３ ガスを用い、両ガスを反応させることによってＴｉＮ膜を半導体ウエハ表面に堆積させている。この時、反応副生成物としてＮＨ４ ＣｌやＴｉＣｌ４ （ＮＨ３ ）ｎ（ｎは正の整数）が発生し、また、未反応のＴｉＣｌ４ ガスも存在し、これらのガス成分は排気ガスに含まれて流出し、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。
【０００７】
そして、排気ガス中の含まれる不純物ガス、例えば塩素ガスをより完全に除くためにこの不純物ガスと反応する反応性ガス、例えばアンモニアガスを排気系の途中で排気ガスに混合させて不純物ガスを凝縮し易い物質、例えば塩化アンモニウムに変換し、この塩化アンモニウムもトラップ装置にて冷却凝縮させて捕集することにより、不純物ガスを効率的に除去する方法も提案されている（特許文献１）。
またその他に、特許文献２に開示されているように、粉末成形品を焼結する焼結炉より排出されるワックス蒸気を含有する排気ガス中からワックスを液化させて回収する際に、ワックストラップ装置内に小孔を有するトラップ円板を多段に配置し、上記小孔を通過する排気ガスを断熱膨張させつつ排気ガスを自冷してワックスを液化させて回収するようにした技術も開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２１４２７２号公報
【特許文献２】
特開昭６２−４４０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような特許文献１に示すような従来のトラップ装置にあっては、トラップ処理が進むにつれて捕集物が冷却フィンに付着すると、排気ガスは捕集物層を介して冷却フィンと熱交換を行うことから、排気ガスに対する冷却効率が次第に低下し、このため捕集効果も時間の経過と共に劣化して、不純物ガスを完全には除去できなくなるのみならず、メンテナンスの頻度が高くなる、といった問題があった。この場合、捕集効率の経時的劣化を防止するためには、冷却フィンの段数を多く設定することも考えられるが、この場合には装置が過度に大型化するために現実的ではない。またメンテナンス時に捕集物を冷却フィンから洗浄により除去する場合、冷却フィンが多段に形成されて全体構造が複雑なため、洗浄操作も行い難い、といった問題もあった。
【００１０】
また特許文献２に示すようなトラップ装置では、捕集物が粘性のある固形物の場合には、捕集物がトラップ円板の小孔を次第に塞いでしまうのでメンテナンスの頻度が非常に高くなる、といった問題があった。
更にこの特許文献２のトラップ装置では、単なる小孔を用いて排気ガスを断熱膨張させているので、この冷却効率はそれ程高くはなく、従って、排気ガス中の不純物ガスを十分に捕集し切れずに、捕集効率が比較的低くなってしまう、といった問題もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、排気ガス中からガス状の不純物を除去するために構造が簡単で、且つ捕集効率も常時高く維持することが可能なトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、排気ガス中におけるガス状の不純物のトラップ方法について鋭意研究した結果、ラバルノズルを用いて断熱膨張により超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを効率的に冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固させて捕集することができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
【００１２】
請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の処理を施す処理装置内を真空排気するための真空ポンプを有する真空排気系に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、前記真空排気系の排気通路に介設された不純物捕集容器と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段と、を備えたことを特徴とするトラップ装置である。
このように、ノズル手段により断熱膨張して超音速状態となった作動流体を吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持することが可能となる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことが可能となる。
【００１３】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記ノズル手段は、前記不純物捕集容器に対して複数回並列に設けられる。
また例えば請求項３に規定するように、前記ノズル手段は、その流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて喉部を通過した後に次第に拡大するようになされたノズル本体を有する。
また例えば請求項４に規定するように、前記ノズル本体は断面が略円形に成形された作動流体噴射口を有しており、前記作動流体噴射口の周囲を囲むようにして前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するためのリング状の排気ガス導入口が形成されている。
【００１４】
また例えば請求項５に規定するように、前記ノズル本体は断面が略リング状に成形された作動流体噴射口を有しており、その中心部には前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するための略円形の排気ガス導入口が形成されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記排気ガス導入口へ向かう排気ガスを一時的に滞留させるための前段滞留室が設けられる。
また例えば請求項７に規定するように、前記ノズル手段の先端部側には、前記作動流体噴射口より噴射された超音速の作動流体と前記排気ガス導入口より取り込んだ排気ガスとを混合させる混合管と、その流路面積を順次拡大させてポンプ機能を持たせた拡散管とを順次連結させている。
【００１５】
また例えば請求項８に規定するように、前記混合管と前記拡散管とには、前記不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するための付着防止用加熱手段が設けられる。
これによれば、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止することができる。
また例えば請求項９に規定するように、前記混合ガス中における前記ガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段が設けられる。
これによれば、排気ガス中に凝縮、凝固の起点となる核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることが可能となる。
【００１６】
また例えば請求項１０に規定するように、前記不純物捕集容器には、前記凝縮、凝固された不純物を付着させるための不純物付着板が着脱可能に設けられる。
また例えば請求項１１に規定するように、前記ノズル手段は、ラバルノズルである。
また例えば請求項１２に規定するように、前記作動流体は、Ｎ２ 、Ｈ２ 、Ａｒ、Ｈｅの内、いずれか１つのガスよりなる。
また例えば請求項１３に規定するように、前記処理装置は、被処理体に対して成膜処理を施すための成膜装置である。
【００１７】
請求項１４に係る発明は、上記トラップ装置を用いた処理システムであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施すための処理装置と、前記処理装置内を真空引きするために途中に真空ポンプが介設された真空排気系と、前記真空排気系に介設された請求項１乃至１３のいずれかに記載されたトラップ装置と、を備えたことを特徴とする処理システムである。
請求項１５に係る発明は、上記トラップ装置を用いて行われるトラップ方法を規定したものであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施す処理装置から排出される排気ガス中からガス状になっている不純物を除去する不純物除去方法において、前記排気ガス中に断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記排気ガスの温度を前記不純物の臨界点以下に低下させることにより前記不純物を凝縮、凝固させるようにしたことを特徴とする不純物除去方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図、図２は本発明のトラップ装置の第１実施例を示す断面図である。
本実施例では、被処理体としての半導体ウエハの表面に高融点金属化合物ガスとして高融点金属ハロゲン化合物ガスであるＴｉＣｌ４ ガスを用いてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＴｉ膜を成膜処理する場合を例にとって説明する。
図１に示すように、この処理システム２は、半導体ウエハＷに対してＴｉ膜の成膜を実際に施す処理装置（成膜装置）４と、この処理装置４内の雰囲気を真空引きして排気する真空排気系６と、この真空排気系６に介設された本発明のトラップ装置８とにより主に構成される。
【００１９】
まず、処理装置４について説明すると、この処理装置４は、例えばアルミニウム製の筒体状の処理容器１０を有しており、この処理容器１０は接地されている。この処理容器１０内には、底部より導電性の支柱１２を介して載置台１４が設けられており、この上面に被処理体としての半導体ウエハＷを載置して保持するようになっている。この載置台１４は、例えばＮｉ等の導電性材料よりなって下部電極を兼用するものであり、内部には、半導体ウエハＷを加熱する抵抗加熱ヒータ１６が埋め込まれている。
【００２０】
また、処理容器１０の天井部には、原料ガス等の必要なガスを処理容器１０内へ導入するシャワーヘッド１８が絶縁材２０を介して設けられており、このシャワーヘッド１８には、途中に供給側開閉弁２２を介設したガス供給通路２４が接続されて、それぞれ流量制御されたＴｉＣｌ４ ガス、Ｈ２ ガス、Ａｒガス等の必要なガスを供給できるようになっている。尚、各ガスをそれぞれ独立した供給通路から供給するようにしてもよい。
また、このシャワーヘッド１８は、上部電極を兼ねるものであり、これには、マッチング回路２６を介して例えば４５０ｋＨｚの高周波電源２８が接続されて、載置台１４とシャワーヘッド１８との間に高周波によるプラズマを発生させるようになっている。尚、この高周波電源２８の周波数は４５０ｋＨｚに限定されず、他の周波数を用いてもよく、例えば１３．５６ＭＨｚ等を用いてもよい。
また、処理容器１０の側壁には、ウエハＷの搬出入を行なうゲートバルブ３０が設けられ、底部周辺部には排気口３２が設けられる。
【００２１】
一方、上述のように形成された処理装置４に接続される真空排気系６は、上記排気口３２に接続される、例えば内径が１０ｃｍ程度のステンレス製の排気通路３４を有している。この排気通路３４には、排気ガス中のガス状の不純物を除去するための上記トラップ装置８、処理容器１０内の雰囲気を真空引きする真空ポンプ３６及び排気ガス中に残留する不純物ガスを完全に除去する除害装置３８が、この順序で下流側に向けて順次介設されている。
また、この排気通路３４の最上流側には、この排気通路３４の流路面積を変えて処理容器１０内の圧力を制御する圧力制御弁４０が介設される。上記圧力制御弁４０の直ぐ下流側の排気通路３４には、この排気通路３４内へ流量制御されたアンモニア（ＮＨ３ ）ガスを注入するアンモニアガスノズル４２が設けられており、ここを流れる排気ガス中にアンモニアガスを注入して排気ガス中に含まれる塩化水素や塩素ガスとこのアンモニアガスとを反応させて塩化アンモニウム等を形成し得るようになっている。
【００２２】
また上記トラップ装置８の直ぐ上流側及び下流側の排気通路３４には、このトラップ装置８の着脱時等にこれを排気通路３４から隔離するための開閉弁４４がそれぞれ介設されている。また上記ガス供給通路２４及び上記処理容器１０と上記トラップ装置８との間の排気通路３４には、それぞれ図中点線で示すようにテープヒータ４６Ａ、４６Ｂが巻回されており、各通路２４、３４内を流れる不純物ガスの臨界温度（凝縮温度、或いは凝固温度）以上の温度に加熱して通路２４、３４内で不純物ガスが液化したり、固化したりすることを防止するようになっている。
【００２３】
そして本発明に係るトラップ装置８は、図２にも示すように、例えばアルミニウム製の箱状に成形された不純物捕集容器５０を有している。この不純物捕集容器５０の天井部にはガス入口５２が形成されており、このガス入口５２に上流側より延びてくる排気通路３４を接続して排気ガスを導入するようになっている。またこの不純物捕集容器５０の一側壁には、ガス出口５４が形成されており、このガス出口５４に下流側に延びる排気通路３４を接続してガス状の不純物が除去された排気ガスを下流側へ排出するようになっている。尚、上記ガス入口５２及びガス出口５４の設置位置は特に限定されない。
【００２４】
また上記不純物捕集容器５０の他の一側壁には、例えば開閉可能になされた開閉ドア５６となっており、メンテナンス時等の必要時にこの開閉ドア５６を開閉し得るようになっている。この開閉ドア５６は、Ｏリング等のシール部材５８を介して気密に閉塞される。またこの不純物捕集容器５０内の底部の略全面には、着脱可能になされた不純物付着板６０が取り付けられており、この上面に凝縮、凝固させて例えば粘度の高い液状になった不純物、或いは凝縮、凝固した不純物Ｍ（図２参照）を付着させるようになっている。
【００２５】
そして、この不純物付着板６０に対向する不純物捕集容器５０の天井部６２には、本発明の特徴とするノズル手段６４が設けられている。このノズル手段６４には、作動ガス通路６６を介して作動流体として例えばＮ２ ガスを貯留する作動ガス源６８が接続されており、所定の圧力のＮ２ ガスを上記ノズル手段６４に向けて供給できるようになっている。またこの作動ガス通路６６の途中には、Ｎ２ ガスの供給を制御する開閉弁７０が介設されている。そして、上記ノズル手段６４の直ぐ上流側の作動ガス通路６６には、この作動流体中にガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段７２が設けられている。
【００２６】
この凝縮、凝固の起点となる核を導入する核導入手段７２としては、ここでは上記作動ガス通路６６に取り付けたガスノズル７２Ａを有しており、このガスノズル７２Ａより核として流量制御された水蒸気を導入し得るようになっている。そして上記構成により、上記ノズル手段６４からは、超音速状態で上記作動流体（Ｎ２ ガス）を噴射し得るようになっている。この結果、断熱膨張により超音速状態となった作動流体は、不純物捕集容器５０内に吹き込まれて排気ガスと混合しつつ排気ガスを冷却し、ガス状の不純物をこの臨界点以下に冷却して凝縮、凝固し得るようになっている。
【００２７】
この場合、図２に示すように上記ノズル手段６４を形成するノズル本体７４は、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部７４Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口７４Ｃとなっている。このようなノズル手段６４としては、例えばラバルノズルを用いることができる。
【００２８】
次に、以上のように構成された処理システムを用いて行なわれる不純物除去方法について説明する。
まず、Ｔｉ膜の成膜時には、処理装置４の処理容器１０内の載置台１４上に半導体ウエハＷを載置し、そして、これを所定の温度に昇温加熱維持する。これと同時に、下部電極である載置台１４と上部電極であるシャワーヘッド１８との間に高周波電圧を印加し、また、シャワーヘッド１４からＴｉＣｌ４ ガス、Ｈ２ ガス、Ａｒガス等の所定のガスを流量制御しつつ流し、処理空間にプラズマを立ててＴｉ膜の成膜を行なう。これと同時に、真空排気系６も駆動して処理容器１０内の雰囲気を真空引きして内部を所定の圧力に維持する。
【００２９】
この時のプロセス条件に関しては、例えばウエハサイズが８インチサイズと仮定すると、プロセス圧力は６６５Ｐａ（≒５Ｔｏｒｒ）、プロセス温度は６５０℃程度、ＴｉＣｌ４ ガスの流量は５ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスの流量は２０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガス流量は５００ｓｃｃｍ程度である。
上記Ｔｉ膜の成膜反応により、ＴｉＣｌ４ ガスは約１０％程度消費されるが、残りの約９０％程度は未反応ガスとして、また、ＴｉＣｌ２ やＴｉＣｌ３ やＨＣｌなどの反応副生成物として排気ガスと共に排気口３２より真空排気系６の排気通路３４内へ流入してこれを流下し、この排気ガスは更にトラップ装置８、真空ポンプ３６及び除害装置３８の順に順次流れて行く。ここで、上記未反応ガスや反応副生成物の内、特にＴｉＣｌ４ ガスは比較的蒸気圧が高いので、トラップされ難いが、アンモニアガスノズル４２から反応ガスとしてＮＨ３ ガスを排気通路３４中に導入しており、これにより、ＮＨ３ ガスと主にＴｉＣｌ４ ガスとを反応させてＴｉＣｌ４ ・２ＮＨ３ の錯体よりなる化合物を形成している。この錯体は、ＴｉＣｌ４ ガスよりもかなり蒸気圧が低く、例えばＴｉＣｌ４ ガスは２１．３℃において１３００Ｐａであるが、上記錯体は２１．３℃において１×１０−４Ｐａ程度である。また、ＨＣｌガスもＮＨ３ ガスと反応してＮＨ４ Ｃｌガスとなるが、これも蒸気圧が低い。
【００３０】
このように、主として未反応残留ガスを、ＮＨ３ ガスと反応させて蒸気圧の低い化合物に変換され、また、反応副生成物であるＨＣｌをＮＨ３ ガスと反応させて蒸気圧の低い化合物に変換され、トラップ装置８内で比較的捕集し易くなっている。上記錯体やＮＨ４ Ｃｌ等よりなるガス状の不純物は排気ガス中に含まれて、トラップ装置８のガス入口５２より不純物捕集容器５０内へ導入されることになる。
ここで、この不純物捕集容器５０内へは、この天井部に設けたノズル手段６４より作動流体としてＮ２ ガスが断熱膨張により超音速状態で吹き込まれている。このＮ２ ガスは断熱膨張をすることにより自らは温度が低下し（これを自冷とも称す）つつ排気ガスと混合し、これによって排気ガスを冷却するので上記ガス状の不純物は臨界点以下に冷却されて凝縮し、或いは凝固して析出し、この不純物Ｍは不純物捕集容器５０内の底部に設けた不純物付着板６０に付着して堆積することによって捕集されることになる。このようにしてガス状の不純物が除去された排気ガスは、ガス出口５４より排出されて下流側の真空ポンプ３６の方に流れて行く。
【００３１】
このように、圧力差を作動流体であるＮ２ ガスの運動エネルギに効率的に変換して超音速状態を実現できるノズル、例えばラバルノズルを用い、Ｎ２ ガスが断熱膨張し、超音速状態となる時に自冷する冷熱によりガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させるようにしたので、ガス状の不純物を効率的に排ガス中から除去することができる。
また従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等を使用していないので、冷却効率を常時高く維持することができ、しかも、捕集された不純物が増加しても排気コンダクタンスに悪影響を与えることもない。しかも、上述したように冷却フィン等を用いていないので、トラップ装置８の全体構成も簡単化することができる。尚、この時の作動流体の流量は、上流側の処理容器１０内の圧力制御に悪影響を与えないような流量とする。
【００３２】
また上記作動流体であるＮ２ ガス中には、核導入手段７２より導入された水蒸気が含まれているので、これが不純物捕集容器５０内で冷却されて微細な氷粒となって核として機能し、上記ガス状の不純物が過冷却されることなく上記氷粒を核として凝縮、凝固して析出することになり、この結果、、不純物の捕集効率を一層高めることが可能となる。尚、上記核導入手段７２を不純物捕集容器５０に設けて、水蒸気をこの不純物捕集容器５０内に直接的に導入するようにしてもよい。この点は後述する他の実施例でも同様である。
【００３３】
またこのトラップ装置８のメンテナンス時には、開閉ドア５６を取り外した後に、着脱可能になされた不純物付着板６０を不純物捕集容器５０より取り出し、この不純物付着板６０の上面に付着している不純物Ｍを洗浄して除去するだけで済むので、メンテナンス作業性も大幅に向上させることができる。
尚、この第１実施例では、本発明の理解を容易にするために、ノズル手段６４を一基のみ設けた場合を例にとって説明したが、このノズル手段６４を複数個並列させて設けるようにし、各ノズル手段６４から不純物捕集容器５０内へ水蒸気が混入された作動流体を噴射して吹き込むようにしてもよい。
【００３４】
＜第２実施例＞
次に本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例では先の第１実施例のノズル手段６４の構造を少し変更し、これを複数個並列に設けた構成となっている。
図３はこのような本発明のトラップ装置の第２実施例を示す断面図、図４は図３中の１つのノズル手段を示す拡大断面図、図５は図４中のＡ−Ａ線矢視断面図である。尚、図１及び図２に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図示するように、ここでは不純物捕集容器５０の前段側に処理容器１０側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室８０を有している。この前段滞留室８０の側壁の一部にガス入口８２が設けられており、このガス入口８２に上流側の排気通路３４を接続して排気ガスを流入させるようになっている。
【００３５】
そして、上記前段滞留室８０の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器５０の天井部６２との間には、前段滞留室８０と不純物捕集容器５０内とを連通するようにして複数、図示例では９個の連通路８４が並列に設けられており、この連通路８４を介して前段滞留室８０内の排気ガスを不純物捕集容器５０内の方へ流すようになっている。この連通路８４は、図４にも示すように、排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管８６と、この導入管８６に続く円筒体状の混合管８８と、この混合管８８に続いて排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管９０とにより主に構成されている。
【００３６】
一方、上記前段滞留室８０内には、上記作動ガス通路６６に接続される所定の大きさの作動ガスヘッダ９２が設けられており、この作動ガスヘッダ９２内に凝縮、凝固の起点となる水蒸気が含有された作動ガスを導入するようになっている。そして、上記作動ガスヘッダ９２から、上記各連通路８４に向けて、図２において説明したものと同様な構造のノズル手段６４が延在させて設けられている。このノズル手段６４のノズル本体７４の先端部は、図４にも示すように、上記導入管８６と混合管８８との接合部に略位置されており、非接触状態になされている。
【００３７】
従って、この部分において図５にも示すように、中心部では断面が略円形の作動流体噴射口７４Ｃが形成され、この作動流体噴射口７４Ｃの周囲を囲むようにして断面が略リング状の排気ガス導入口９４が形成されることになり、この排気ガス導入口９４から排気ガスが不純物捕集容器５０内に向けて導入される。ここで上記ノズル本体７４は、前述したように、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部７４Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口７４Ｃとなっている。このようなノズル手段６４としては、前述したように例えばラバルノズルを用いることができる。
【００３８】
このようにして、ノズル手段６４から超音速状態の作動流体を噴射するようにした結果、このノズル手段６４はエジェクターポンプのようなポンプ機能を有することになり、排気ガス導入口９４からの排気ガスは作動ガスの噴流に押し流されて排気側に向かって流れるようになっている。
また、この混合管８８と拡散管９０の外周壁には、例えばテープヒータのような付着防止用加熱手段９６が設けられており、これをガス状の不純物の臨界温度以上に加熱することにより、この内壁面に不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するようになっている。
【００３９】
この第２実施例の場合には、基本的には第１実施例の場合と同様な作用効果を発揮できる。例えば処理容器１０側から流れてくる排気ガスは前段滞留室８０内で全体に拡散し、各連通路８４を介して並行して不純物捕集容器５０内側へ導入されることになる。これと同時に、作動ガスヘッダ９２を介して各ノズル手段６４の作動流体噴出口７４Ｃからは、作動流体として例えばＮ２ ガスが断熱膨張により超音速状態で噴射される。この超音速状態のＮ２ ガスは、リング状の排気ガス導入口９４から導入される排気ガスと混合管８８内にて混合されつつ拡散管９０内を拡散されて不純物捕集容器５０内に至り、ガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させ、不純物付着板６０上に不純物Ｍが付着することになる。これにより、第１実施例の場合と同様に、排気ガス中から不純物を効率的に除去することができる。特に複数個のノズル手段６４を並列に設けたので、その分、不純物の除去効率を高めることができる。
【００４０】
また作動流体中に例えば水蒸気のような核を混入させることにより、第１実施例の場合と同様に、ガス状の不純物の過冷却をなくして、この不純物の除去効率を一層高めることができる。更には、従来のトラップ装置は排気コンダクタンスを低下させるように作用するのに対して、この第２実施例では、ノズル手段６４はポンプ機能を発揮して作動流体噴射口７４Ｃの周囲に設けたリング状の排気ガス導入口９４からの排気ガスを巻き込むようにして排気側へ押し流すように作用するので、排気コンダクタンスを高めることができ、排気系に悪影響を与えることがない。また混合管８８や拡散管９０には、付着防止用加熱手段９６を設けてこれを加熱するようにしているので、この内壁面側に不純物が付着することを防止することができる。
【００４１】
ここで図４に示す構成において、各部における温度、圧力、流速等の各パラメータについて検討した結果、次に示すような結果を得ることができた。
ノズル入口における作動流体圧力Ｐ１：１．３３×１０４ Ｐａ（≒０．１ａｔｍ）
作動ガス源６８内の作動流体のガス温度Ｔ１：２９３Ｋ（２０℃）
ノズル入口における作動流体流速Ｕ１：０．０ｍ／ｓ（超音速に比べればゼロとみなせる）
ガスの比熱比κ：１．４
排気ガス導入口９４の排気ガスの圧力Ｐｅ２：１３３Ｐａ
排気ガス導入口９４の排気ガスの温度Ｔｅ２：４２３Ｋ（１５０℃）
排気ガス導入口９４の排気ガスの速度Ｕｅ２：３２８．２ｍ／ｓ
排気ガス導入口９４の面積Ｓｅ：８０８．５ｍｍ２
作動流体噴射口７４Ｃの面積Ｓｎ：１１５５．０ｍｍ２
混合管８８の直径Ｄ１：５０．０ｍｍ
拡散管９０の出口直径Ｄ２：５３．９ｍｍ
【００４２】
上記のように各パラメータを設定した時、以下に示すような結果を得た。
ノズル出口における圧力Ｐｎ２：１３３Ｐａ（≒０．００１ａｔｍ）
ノズル出口における作動流体温度Ｔｎ２：７８．６Ｋ（−１９４．４℃）
ノズル出口における作動流体速度Ｕｎ２：６５６．４ｍ／ｓ（超音速状態）
混合管８８の出口における圧力Ｐ４：１３３Ｐａ
混合管８８の出口における混合ガスの温度Ｔ４：１５０．８Ｋ（−１２２．２℃）
混合管８８の出口における混合ガスの速度Ｕ４：４１３．３ｍ／ｓ
拡散管９０の出口における圧力Ｐ５：１８９．９Ｐａ
拡散管９０の出口における混合ガスの温度Ｔ５：１６７．０Ｋ（−１０６．０℃）
拡散管９０の出口における混合ガスの速度Ｕ５：３７２ｍ／ｓ
【００４３】
以上に示したように、作動流体がノズルの出口から超音速状態で噴射された後に混合管８８、拡散管９０を経て不純物捕集容器５０内に至るまで、混合ガスの温度は非常に低くできることが確認できた。
【００４４】
＜第３実施例＞
次に本発明の第３実施例について説明する。この第３実施例では先の第２実施例のノズル手段６４の構造に関して、中心側と外周側とを逆転させた構造とし、中心側より排気ガスを流し、外周側より作動流体を噴射させるようにしたものである。
図６はこのような本発明のトラップ装置の第３実施例を示す断面図、図７は図６中の１つのノズル手段を示す拡大断面図、図８は図７中のＢ−Ｂ線矢視断面図である。尚、図３乃至図５に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図示するように、ここでも第２実施例と同様に、不純物捕集容器５０の前段側に処理容器１０側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室８０を有している。この前段滞留室８０の側壁の一部にガス入口８２が設けられており、このガス入口８２に上流側の排気通路３４を接続して排気ガスを流入させるようになっている。
【００４５】
そして、上記前段滞留室８０の長手方向の側壁からは略円筒状の複数の、図示例では６本のノズル本体１００が不純物捕集容器５０に向けて延在させて設けられている。また前段滞留室８０と上記不純物捕集容器５０との間には、作動ガス通路６６に接続された所定の大きさの作動ガスヘッダ９２が介在させて設けられている。
【００４６】
そして、上記作動ガスヘッダ９２の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器５０の天井部６２との間には、作動ガスヘッダ９２と不純物捕集容器５０内とを連通するようにして複数、図示例では６個の連通路１０２が並列に設けられており、この連通路１０２を介して作動ガスヘッダ９２内の作動流体を不純物捕集容器５０内の方へ流すようになっている。この連通路１０２は、図７にも示すように、作動流体の流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管１０４と、この導入管１０４に続く円筒体状の混合管１０６と、この混合管１０６に続いて排気ガス（作動流体）の流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管１０８とにより主に構成されている。
【００４７】
ここで上記導入管１０４と混合管１０６とで、ノズル外筒１１０が構成されており、このノズル外筒１１０と上記ノズル本体１００とで、ノズル手段１１２を形成している。具体的には、上記ノズル本体１００は、上記作動ガスヘッダ９２の一側壁を気密に貫通してヘッダ内部へ挿入され、このノズル本体１００の先端部は、上記混合管１０６の途中まで挿通されて非接触状態になされている。そして、上記ノズル本体１００の先端部の外周には、流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて流路面積が最も狭い喉部１００Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となる断面凸状になされた絞り部１１２がリング状に形成されており、この流路を作動流体が通った時に、▲１▼部と▲２▼部（図７参照）の差圧が有効に速度に変換されて低温で超音速の状態が実現できるようになっている。
【００４８】
従って、図８にも示すように、中心部では断面が略円形の排気ガス導入口１１４が形成され、この排気ガス導入口１１４の周囲を囲むようにして断面が略リング状の作動流体噴射口１００Ｃが形成されることになり、上記排気ガス導入口１１４から排気ガスが不純物捕集容器５０内に向けて導入される。また、上記作動流体噴射口１００Ｃから作動流体が噴射される。尚、上記断面凸状の絞り部１１２は、ノズル本体１００側ではなく、混合管１０６の内面側に設けるようにしてもよく、或いは両者に設けるようにしてもよく、いずれにしても、作動流体を超音速状態で噴射できる、いわゆるラバルノズルを形成できるならば、その形状は問わない。
【００４９】
この第３実施例の場合にも、先の第１実施例及び第２実施例と同様な作用効果を発揮できる。すなわち、排気ガスはノズル本体１００の中心を通って排気ガス導入口１１４より放出され、また作動流体であるＮ２ ガスは作動ガスヘッダ９２から導入管１０４内及び喉部１００Ａを通ってリング状の作動流体噴射口１００Ｃより噴射される。この時このＮ２ ガスは断熱膨張の結果、自冷して低温で超音速の状態となって噴射されるので、前述したように排気ガスを巻き込みつつガス状の不純物を凝縮、凝固することになる。この場合、第２実施例の場合と同様に、このノズル手段１１２はポンプ機能を発揮するので、排気コンダクタンスに悪影響を与えることを防止することができる。
【００５０】
更には、この第３実施例の場合には、排気ガスの周囲を囲むようにして作動流体であるＮ２ ガスが流れることになるので、排気ガスが混合管１０６の内壁面や拡散管１０８の内壁面に直接接触することを避けることができる。従って、上記凝縮、凝固した不純物が、上記混合管１０６や拡散管１０８の内壁面に付着することを防止することができる。尚、この第３実施例の場合でも、上記不純物の付着を完全に防止するために第２実施例のように付着防止用加熱手段９６を設けるようにしてもよい。
尚、上記各実施例においては、凝縮、凝固の起点となる核を形成するために、水蒸気を導入してこれを氷結させるようにしたが、これに限定されず、セラミックスや石英等のパウダを用いるようにしてもよい。また作動流体に関してもＮ２ ガスに限定されず、ＡｒガスやＨｅガス等の不活性ガス、Ｈ２ ガス等を用いてもよい。
【００５１】
また成膜する膜種に関してもＴｉ膜に限定されず、反応副生成物や未反応物質を排気ガス中から除去する必要のある全ての成膜装置、或いは処理装置に本発明を適用することができる。
また、上記各実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用できるのは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１〜７、１０〜１５の発明によれば、ノズル手段により断熱膨張し、超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持することができる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことができる。
請求項８の発明によれば、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止することができる。
請求項９の発明によれば、排気ガス中に核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明のトラップ装置の第１実施例を示す断面図である。
【図３】本発明のトラップ装置の第２実施例を示す断面図である。
【図４】図３中の１つのノズル手段を示す拡大断面図である。
【図５】図４中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】本発明のトラップ装置の第３実施例を示す断面図である。
【図７】図６中の１つのノズル手段を示す拡大断面図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【符号の説明】
２ 処理システム
４ 処理装置
６ 真空排気系
８ トラップ装置
１０ 処理容器
３４ 排気通路
３６ 真空ポンプ
３８ 除害装置
５０ 不純物捕集容器
６４ ノズル手段
６６ 作動ガス通路
６８ 作動ガス源
７２ 核導入手段
７４ ノズル本体
７４Ａ 喉部
７４Ｃ 作動流体噴射口
８０ 前段滞留室
８６ 導入管
８８ 混合管
９０ 拡散管
９２ 作動ガスヘッダ
９４ 排気ガス導入口
９６ 付着防止用加熱手段
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜装置等の処理装置より排出される排気ガス中のガス状の不純物を除去するトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩＣなどの集積回路や論理素子を形成するためには、半導体ウエハ、ガラス基板、ＬＣＤ基板等の表面に、所望の薄い成膜を施す行程やこれを所望のパターンにエッチングする行程が繰り返して行なわれる。
ところで、成膜工程を例にとれば、この工程においては、所定の処理ガス（原料ガス）を処理容器内にて反応させることによってシリコンの薄膜、シリコンの酸化物や窒化物の薄膜、或いは金属の薄膜、金属の酸化物や窒化物の薄膜等を被処理体の表面に形成するが、この成膜反応と同時に余分な反応副生成物が発生し、これが排気ガスと共に排出されてしまう。また、未反応の処理ガスも排出される。
【０００３】
この反応副生成物や未反応の処理ガスは、そのまま大気中に放出されると環境汚染等の原因になることから、これを防止するために一般的には処理容器から延びる排気ガス系にトラップ装置を介設し、これにより排気ガス中に含まれている反応副生成物や未反応の処理ガス等を捕獲して除去するようになっている。
このトラップ装置の構成は、捕獲除去すべき反応副生成物等の特性に応じて種々提案されているが、例えば常温で凝縮（液化）、凝固（固化）する反応副生成物を除去する場合には、このトラップ装置はその一例として排気ガスの導入口と排出口を有する筐体内に多数のフィンを設けて構成されている。そして、このフィンは、排気ガスの流れる方向に対して、順次配列してこれらのフィン間を排気ガスが通過する時に排気ガス中の反応副生成物等をフィン表面に付着させて捕獲するようになっている。また、このフィンを冷却流体等により冷却して捕獲効率を上げることも行なわれている。
【０００４】
ここで、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物のＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）を用いてＴｉ金属膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしてはＴｉＣｌ４ の他にＨ２ ガスを用い、これをＡｒガスの存在下にてプラズマにより活性化して水素で還元し、Ｔｉ膜を半導体ウエハ表面に堆積させている。この時、反応副生成物としてＴｉＣｌｘ（Ｘ＜４）が発生し、また、未反応のＴｉＣｌ４ ガスも存在し、これらのＴｉＣｌｘやＴｉＣｌ４ 等が排気ガスに含まれて流出する。これらのＴｉＣｌｘやＴｉＣｌ４ 等は大気汚染等の原因となる不純物ガスであることから、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。
【０００５】
ここで、上記した未反応ガスであるＴｉＣｌ４ や反応副生成物であるＴｉＣｌｘ等の不純物ガスは、比較的蒸気圧が高いため、上述したようにトラップ装置内を冷却していても、このトラップ装置内で完全に捕獲して除去することがかなり困難であり、十分な回収率が得られない場合があった。このため、トラップ機構よりも下流側に設けられている除害装置で、上記トラップ機構を通り抜けた不純物ガスを完全に除去して無害化するためにかなりの負担がかかり、この除害装置のランニングコストが高騰するのみならず、この除害装置自体の寿命も短くなる、といった問題があった。このような問題は、ＴｉＣｌ４ やＷＦ６ や（Ｔａ（ＯＥ）５ ）２ （ペントエトキシタンタル）などの高融点金属化合物ガスを用いる成膜装置の共通の問題である。
【０００６】
また、ＴｉＣｌ４ を用いる他の成膜方法として、ＴｉＮ膜を成膜する方法が知られている。すなわち、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物のＴｉＣｌ４ （四塩化チタン）を用いてＴｉＮ膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしてはＴｉＣｌ４ の他にＮＨ３ ガスを用い、両ガスを反応させることによってＴｉＮ膜を半導体ウエハ表面に堆積させている。この時、反応副生成物としてＮＨ４ ＣｌやＴｉＣｌ４ （ＮＨ３ ）ｎ（ｎは正の整数）が発生し、また、未反応のＴｉＣｌ４ ガスも存在し、これらのガス成分は排気ガスに含まれて流出し、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。
【０００７】
そして、排気ガス中の含まれる不純物ガス、例えば塩素ガスをより完全に除くためにこの不純物ガスと反応する反応性ガス、例えばアンモニアガスを排気系の途中で排気ガスに混合させて不純物ガスを凝縮し易い物質、例えば塩化アンモニウムに変換し、この塩化アンモニウムもトラップ装置にて冷却凝縮させて捕集することにより、不純物ガスを効率的に除去する方法も提案されている（特許文献１）。
またその他に、特許文献２に開示されているように、粉末成形品を焼結する焼結炉より排出されるワックス蒸気を含有する排気ガス中からワックスを液化させて回収する際に、ワックストラップ装置内に小孔を有するトラップ円板を多段に配置し、上記小孔を通過する排気ガスを断熱膨張させつつ排気ガスを自冷してワックスを液化させて回収するようにした技術も開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２１４２７２号公報
【特許文献２】
特開昭６２−４４０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような特許文献１に示すような従来のトラップ装置にあっては、トラップ処理が進むにつれて捕集物が冷却フィンに付着すると、排気ガスは捕集物層を介して冷却フィンと熱交換を行うことから、排気ガスに対する冷却効率が次第に低下し、このため捕集効果も時間の経過と共に劣化して、不純物ガスを完全には除去できなくなるのみならず、メンテナンスの頻度が高くなる、といった問題があった。この場合、捕集効率の経時的劣化を防止するためには、冷却フィンの段数を多く設定することも考えられるが、この場合には装置が過度に大型化するために現実的ではない。またメンテナンス時に捕集物を冷却フィンから洗浄により除去する場合、冷却フィンが多段に形成されて全体構造が複雑なため、洗浄操作も行い難い、といった問題もあった。
【００１０】
また特許文献２に示すようなトラップ装置では、捕集物が粘性のある固形物の場合には、捕集物がトラップ円板の小孔を次第に塞いでしまうのでメンテナンスの頻度が非常に高くなる、といった問題があった。
更にこの特許文献２のトラップ装置では、単なる小孔を用いて排気ガスを断熱膨張させているので、この冷却効率はそれ程高くはなく、従って、排気ガス中の不純物ガスを十分に捕集し切れずに、捕集効率が比較的低くなってしまう、といった問題もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、排気ガス中からガス状の不純物を除去するために構造が簡単で、且つ捕集効率も常時高く維持することが可能なトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、排気ガス中におけるガス状の不純物のトラップ方法について鋭意研究した結果、ラバルノズルを用いて断熱膨張により超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを効率的に冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固させて捕集することができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
【００１２】
請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の処理を施す処理装置内を真空排気するための真空ポンプを有する真空排気系に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、前記真空排気系の排気通路に介設された不純物捕集容器と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段と、を備えたことを特徴とするトラップ装置である。
このように、ノズル手段により断熱膨張して超音速状態となった作動流体を吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持することが可能となる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことが可能となる。
【００１３】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記ノズル手段は、前記不純物捕集容器に対して複数回並列に設けられる。
また例えば請求項３に規定するように、前記ノズル手段は、その流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて喉部を通過した後に次第に拡大するようになされたノズル本体を有する。
また例えば請求項４に規定するように、前記ノズル本体は断面が略円形に成形された作動流体噴射口を有しており、前記作動流体噴射口の周囲を囲むようにして前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するためのリング状の排気ガス導入口が形成されている。
【００１４】
また例えば請求項５に規定するように、前記ノズル本体は断面が略リング状に成形された作動流体噴射口を有しており、その中心部には前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するための略円形の排気ガス導入口が形成されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記排気ガス導入口へ向かう排気ガスを一時的に滞留させるための前段滞留室が設けられる。
また例えば請求項７に規定するように、前記ノズル手段の先端部側には、前記作動流体噴射口より噴射された超音速の作動流体と前記排気ガス導入口より取り込んだ排気ガスとを混合させる混合管と、その流路面積を順次拡大させてポンプ機能を持たせた拡散管とを順次連結させている。
【００１５】
また例えば請求項８に規定するように、前記混合管と前記拡散管とには、前記不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するための付着防止用加熱手段が設けられる。
これによれば、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止することができる。
また例えば請求項９に規定するように、前記混合ガス中における前記ガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段が設けられる。
これによれば、排気ガス中に凝縮、凝固の起点となる核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることが可能となる。
【００１６】
また例えば請求項１０に規定するように、前記不純物捕集容器には、前記凝縮、凝固された不純物を付着させるための不純物付着板が着脱可能に設けられる。
また例えば請求項１１に規定するように、前記ノズル手段は、ラバルノズルである。
また例えば請求項１２に規定するように、前記作動流体は、Ｎ２ 、Ｈ２ 、Ａｒ、Ｈｅの内、いずれか１つのガスよりなる。
また例えば請求項１３に規定するように、前記処理装置は、被処理体に対して成膜処理を施すための成膜装置である。
【００１７】
請求項１４に係る発明は、上記トラップ装置を用いた処理システムであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施すための処理装置と、前記処理装置内を真空引きするために途中に真空ポンプが介設された真空排気系と、前記真空排気系に介設された請求項１乃至１３のいずれかに記載されたトラップ装置と、を備えたことを特徴とする処理システムである。
請求項１５に係る発明は、上記トラップ装置を用いて行われるトラップ方法を規定したものであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施す処理装置から排出される排気ガス中からガス状になっている不純物を除去する不純物除去方法において、前記排気ガス中に断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記排気ガスの温度を前記不純物の臨界点以下に低下させることにより前記不純物を凝縮、凝固させるようにしたことを特徴とする不純物除去方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図、図２は本発明のトラップ装置の第１実施例を示す断面図である。
本実施例では、被処理体としての半導体ウエハの表面に高融点金属化合物ガスとして高融点金属ハロゲン化合物ガスであるＴｉＣｌ４ ガスを用いてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＴｉ膜を成膜処理する場合を例にとって説明する。
図１に示すように、この処理システム２は、半導体ウエハＷに対してＴｉ膜の成膜を実際に施す処理装置（成膜装置）４と、この処理装置４内の雰囲気を真空引きして排気する真空排気系６と、この真空排気系６に介設された本発明のトラップ装置８とにより主に構成される。
【００１９】
まず、処理装置４について説明すると、この処理装置４は、例えばアルミニウム製の筒体状の処理容器１０を有しており、この処理容器１０は接地されている。この処理容器１０内には、底部より導電性の支柱１２を介して載置台１４が設けられており、この上面に被処理体としての半導体ウエハＷを載置して保持するようになっている。この載置台１４は、例えばＮｉ等の導電性材料よりなって下部電極を兼用するものであり、内部には、半導体ウエハＷを加熱する抵抗加熱ヒータ１６が埋め込まれている。
【００２０】
また、処理容器１０の天井部には、原料ガス等の必要なガスを処理容器１０内へ導入するシャワーヘッド１８が絶縁材２０を介して設けられており、このシャワーヘッド１８には、途中に供給側開閉弁２２を介設したガス供給通路２４が接続されて、それぞれ流量制御されたＴｉＣｌ４ ガス、Ｈ２ ガス、Ａｒガス等の必要なガスを供給できるようになっている。尚、各ガスをそれぞれ独立した供給通路から供給するようにしてもよい。
また、このシャワーヘッド１８は、上部電極を兼ねるものであり、これには、マッチング回路２６を介して例えば４５０ｋＨｚの高周波電源２８が接続されて、載置台１４とシャワーヘッド１８との間に高周波によるプラズマを発生させるようになっている。尚、この高周波電源２８の周波数は４５０ｋＨｚに限定されず、他の周波数を用いてもよく、例えば１３．５６ＭＨｚ等を用いてもよい。
また、処理容器１０の側壁には、ウエハＷの搬出入を行なうゲートバルブ３０が設けられ、底部周辺部には排気口３２が設けられる。
【００２１】
一方、上述のように形成された処理装置４に接続される真空排気系６は、上記排気口３２に接続される、例えば内径が１０ｃｍ程度のステンレス製の排気通路３４を有している。この排気通路３４には、排気ガス中のガス状の不純物を除去するための上記トラップ装置８、処理容器１０内の雰囲気を真空引きする真空ポンプ３６及び排気ガス中に残留する不純物ガスを完全に除去する除害装置３８が、この順序で下流側に向けて順次介設されている。
また、この排気通路３４の最上流側には、この排気通路３４の流路面積を変えて処理容器１０内の圧力を制御する圧力制御弁４０が介設される。上記圧力制御弁４０の直ぐ下流側の排気通路３４には、この排気通路３４内へ流量制御されたアンモニア（ＮＨ３ ）ガスを注入するアンモニアガスノズル４２が設けられており、ここを流れる排気ガス中にアンモニアガスを注入して排気ガス中に含まれる塩化水素や塩素ガスとこのアンモニアガスとを反応させて塩化アンモニウム等を形成し得るようになっている。
【００２２】
また上記トラップ装置８の直ぐ上流側及び下流側の排気通路３４には、このトラップ装置８の着脱時等にこれを排気通路３４から隔離するための開閉弁４４がそれぞれ介設されている。また上記ガス供給通路２４及び上記処理容器１０と上記トラップ装置８との間の排気通路３４には、それぞれ図中点線で示すようにテープヒータ４６Ａ、４６Ｂが巻回されており、各通路２４、３４内を流れる不純物ガスの臨界温度（凝縮温度、或いは凝固温度）以上の温度に加熱して通路２４、３４内で不純物ガスが液化したり、固化したりすることを防止するようになっている。
【００２３】
そして本発明に係るトラップ装置８は、図２にも示すように、例えばアルミニウム製の箱状に成形された不純物捕集容器５０を有している。この不純物捕集容器５０の天井部にはガス入口５２が形成されており、このガス入口５２に上流側より延びてくる排気通路３４を接続して排気ガスを導入するようになっている。またこの不純物捕集容器５０の一側壁には、ガス出口５４が形成されており、このガス出口５４に下流側に延びる排気通路３４を接続してガス状の不純物が除去された排気ガスを下流側へ排出するようになっている。尚、上記ガス入口５２及びガス出口５４の設置位置は特に限定されない。
【００２４】
また上記不純物捕集容器５０の他の一側壁には、例えば開閉可能になされた開閉ドア５６となっており、メンテナンス時等の必要時にこの開閉ドア５６を開閉し得るようになっている。この開閉ドア５６は、Ｏリング等のシール部材５８を介して気密に閉塞される。またこの不純物捕集容器５０内の底部の略全面には、着脱可能になされた不純物付着板６０が取り付けられており、この上面に凝縮、凝固させて例えば粘度の高い液状になった不純物、或いは凝縮、凝固した不純物Ｍ（図２参照）を付着させるようになっている。
【００２５】
そして、この不純物付着板６０に対向する不純物捕集容器５０の天井部６２には、本発明の特徴とするノズル手段６４が設けられている。このノズル手段６４には、作動ガス通路６６を介して作動流体として例えばＮ２ ガスを貯留する作動ガス源６８が接続されており、所定の圧力のＮ２ ガスを上記ノズル手段６４に向けて供給できるようになっている。またこの作動ガス通路６６の途中には、Ｎ２ ガスの供給を制御する開閉弁７０が介設されている。そして、上記ノズル手段６４の直ぐ上流側の作動ガス通路６６には、この作動流体中にガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段７２が設けられている。
【００２６】
この凝縮、凝固の起点となる核を導入する核導入手段７２としては、ここでは上記作動ガス通路６６に取り付けたガスノズル７２Ａを有しており、このガスノズル７２Ａより核として流量制御された水蒸気を導入し得るようになっている。そして上記構成により、上記ノズル手段６４からは、超音速状態で上記作動流体（Ｎ２ ガス）を噴射し得るようになっている。この結果、断熱膨張により超音速状態となった作動流体は、不純物捕集容器５０内に吹き込まれて排気ガスと混合しつつ排気ガスを冷却し、ガス状の不純物をこの臨界点以下に冷却して凝縮、凝固し得るようになっている。
【００２７】
この場合、図２に示すように上記ノズル手段６４を形成するノズル本体７４は、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部７４Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口７４Ｃとなっている。このようなノズル手段６４としては、例えばラバルノズルを用いることができる。
【００２８】
次に、以上のように構成された処理システムを用いて行なわれる不純物除去方法について説明する。
まず、Ｔｉ膜の成膜時には、処理装置４の処理容器１０内の載置台１４上に半導体ウエハＷを載置し、そして、これを所定の温度に昇温加熱維持する。これと同時に、下部電極である載置台１４と上部電極であるシャワーヘッド１８との間に高周波電圧を印加し、また、シャワーヘッド１４からＴｉＣｌ４ ガス、Ｈ２ ガス、Ａｒガス等の所定のガスを流量制御しつつ流し、処理空間にプラズマを立ててＴｉ膜の成膜を行なう。これと同時に、真空排気系６も駆動して処理容器１０内の雰囲気を真空引きして内部を所定の圧力に維持する。
【００２９】
この時のプロセス条件に関しては、例えばウエハサイズが８インチサイズと仮定すると、プロセス圧力は６６５Ｐａ（≒５Ｔｏｒｒ）、プロセス温度は６５０℃程度、ＴｉＣｌ４ ガスの流量は５ｓｃｃｍ程度、Ｈ２ ガスの流量は２０００ｓｃｃｍ程度、Ａｒガス流量は５００ｓｃｃｍ程度である。
上記Ｔｉ膜の成膜反応により、ＴｉＣｌ４ ガスは約１０％程度消費されるが、残りの約９０％程度は未反応ガスとして、また、ＴｉＣｌ２ やＴｉＣｌ３ やＨＣｌなどの反応副生成物として排気ガスと共に排気口３２より真空排気系６の排気通路３４内へ流入してこれを流下し、この排気ガスは更にトラップ装置８、真空ポンプ３６及び除害装置３８の順に順次流れて行く。ここで、上記未反応ガスや反応副生成物の内、特にＴｉＣｌ４ ガスは比較的蒸気圧が高いので、トラップされ難いが、アンモニアガスノズル４２から反応ガスとしてＮＨ３ ガスを排気通路３４中に導入しており、これにより、ＮＨ３ ガスと主にＴｉＣｌ４ ガスとを反応させてＴｉＣｌ４ ・２ＮＨ３ の錯体よりなる化合物を形成している。この錯体は、ＴｉＣｌ４ ガスよりもかなり蒸気圧が低く、例えばＴｉＣｌ４ ガスは２１．３℃において１３００Ｐａであるが、上記錯体は２１．３℃において１×１０−４Ｐａ程度である。また、ＨＣｌガスもＮＨ３ ガスと反応してＮＨ４ Ｃｌガスとなるが、これも蒸気圧が低い。
【００３０】
このように、主として未反応残留ガスを、ＮＨ３ ガスと反応させて蒸気圧の低い化合物に変換され、また、反応副生成物であるＨＣｌをＮＨ３ ガスと反応させて蒸気圧の低い化合物に変換され、トラップ装置８内で比較的捕集し易くなっている。上記錯体やＮＨ４ Ｃｌ等よりなるガス状の不純物は排気ガス中に含まれて、トラップ装置８のガス入口５２より不純物捕集容器５０内へ導入されることになる。
ここで、この不純物捕集容器５０内へは、この天井部に設けたノズル手段６４より作動流体としてＮ２ ガスが断熱膨張により超音速状態で吹き込まれている。このＮ２ ガスは断熱膨張をすることにより自らは温度が低下し（これを自冷とも称す）つつ排気ガスと混合し、これによって排気ガスを冷却するので上記ガス状の不純物は臨界点以下に冷却されて凝縮し、或いは凝固して析出し、この不純物Ｍは不純物捕集容器５０内の底部に設けた不純物付着板６０に付着して堆積することによって捕集されることになる。このようにしてガス状の不純物が除去された排気ガスは、ガス出口５４より排出されて下流側の真空ポンプ３６の方に流れて行く。
【００３１】
このように、圧力差を作動流体であるＮ２ ガスの運動エネルギに効率的に変換して超音速状態を実現できるノズル、例えばラバルノズルを用い、Ｎ２ ガスが断熱膨張し、超音速状態となる時に自冷する冷熱によりガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させるようにしたので、ガス状の不純物を効率的に排ガス中から除去することができる。
また従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等を使用していないので、冷却効率を常時高く維持することができ、しかも、捕集された不純物が増加しても排気コンダクタンスに悪影響を与えることもない。しかも、上述したように冷却フィン等を用いていないので、トラップ装置８の全体構成も簡単化することができる。尚、この時の作動流体の流量は、上流側の処理容器１０内の圧力制御に悪影響を与えないような流量とする。
【００３２】
また上記作動流体であるＮ２ ガス中には、核導入手段７２より導入された水蒸気が含まれているので、これが不純物捕集容器５０内で冷却されて微細な氷粒となって核として機能し、上記ガス状の不純物が過冷却されることなく上記氷粒を核として凝縮、凝固して析出することになり、この結果、、不純物の捕集効率を一層高めることが可能となる。尚、上記核導入手段７２を不純物捕集容器５０に設けて、水蒸気をこの不純物捕集容器５０内に直接的に導入するようにしてもよい。この点は後述する他の実施例でも同様である。
【００３３】
またこのトラップ装置８のメンテナンス時には、開閉ドア５６を取り外した後に、着脱可能になされた不純物付着板６０を不純物捕集容器５０より取り出し、この不純物付着板６０の上面に付着している不純物Ｍを洗浄して除去するだけで済むので、メンテナンス作業性も大幅に向上させることができる。
尚、この第１実施例では、本発明の理解を容易にするために、ノズル手段６４を一基のみ設けた場合を例にとって説明したが、このノズル手段６４を複数個並列させて設けるようにし、各ノズル手段６４から不純物捕集容器５０内へ水蒸気が混入された作動流体を噴射して吹き込むようにしてもよい。
【００３４】
＜第２実施例＞
次に本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例では先の第１実施例のノズル手段６４の構造を少し変更し、これを複数個並列に設けた構成となっている。
図３はこのような本発明のトラップ装置の第２実施例を示す断面図、図４は図３中の１つのノズル手段を示す拡大断面図、図５は図４中のＡ−Ａ線矢視断面図である。尚、図１及び図２に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図示するように、ここでは不純物捕集容器５０の前段側に処理容器１０側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室８０を有している。この前段滞留室８０の側壁の一部にガス入口８２が設けられており、このガス入口８２に上流側の排気通路３４を接続して排気ガスを流入させるようになっている。
【００３５】
そして、上記前段滞留室８０の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器５０の天井部６２との間には、前段滞留室８０と不純物捕集容器５０内とを連通するようにして複数、図示例では９個の連通路８４が並列に設けられており、この連通路８４を介して前段滞留室８０内の排気ガスを不純物捕集容器５０内の方へ流すようになっている。この連通路８４は、図４にも示すように、排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管８６と、この導入管８６に続く円筒体状の混合管８８と、この混合管８８に続いて排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管９０とにより主に構成されている。
【００３６】
一方、上記前段滞留室８０内には、上記作動ガス通路６６に接続される所定の大きさの作動ガスヘッダ９２が設けられており、この作動ガスヘッダ９２内に凝縮、凝固の起点となる水蒸気が含有された作動ガスを導入するようになっている。そして、上記作動ガスヘッダ９２から、上記各連通路８４に向けて、図２において説明したものと同様な構造のノズル手段６４が延在させて設けられている。このノズル手段６４のノズル本体７４の先端部は、図４にも示すように、上記導入管８６と混合管８８との接合部に略位置されており、非接触状態になされている。
【００３７】
従って、この部分において図５にも示すように、中心部では断面が略円形の作動流体噴射口７４Ｃが形成され、この作動流体噴射口７４Ｃの周囲を囲むようにして断面が略リング状の排気ガス導入口９４が形成されることになり、この排気ガス導入口９４から排気ガスが不純物捕集容器５０内に向けて導入される。ここで上記ノズル本体７４は、前述したように、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部７４Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口７４Ｃとなっている。このようなノズル手段６４としては、前述したように例えばラバルノズルを用いることができる。
【００３８】
このようにして、ノズル手段６４から超音速状態の作動流体を噴射するようにした結果、このノズル手段６４はエジェクターポンプのようなポンプ機能を有することになり、排気ガス導入口９４からの排気ガスは作動ガスの噴流に押し流されて排気側に向かって流れるようになっている。
また、この混合管８８と拡散管９０の外周壁には、例えばテープヒータのような付着防止用加熱手段９６が設けられており、これをガス状の不純物の臨界温度以上に加熱することにより、この内壁面に不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するようになっている。
【００３９】
この第２実施例の場合には、基本的には第１実施例の場合と同様な作用効果を発揮できる。例えば処理容器１０側から流れてくる排気ガスは前段滞留室８０内で全体に拡散し、各連通路８４を介して並行して不純物捕集容器５０内側へ導入されることになる。これと同時に、作動ガスヘッダ９２を介して各ノズル手段６４の作動流体噴出口７４Ｃからは、作動流体として例えばＮ２ ガスが断熱膨張により超音速状態で噴射される。この超音速状態のＮ２ ガスは、リング状の排気ガス導入口９４から導入される排気ガスと混合管８８内にて混合されつつ拡散管９０内を拡散されて不純物捕集容器５０内に至り、ガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させ、不純物付着板６０上に不純物Ｍが付着することになる。これにより、第１実施例の場合と同様に、排気ガス中から不純物を効率的に除去することができる。特に複数個のノズル手段６４を並列に設けたので、その分、不純物の除去効率を高めることができる。
【００４０】
また作動流体中に例えば水蒸気のような核を混入させることにより、第１実施例の場合と同様に、ガス状の不純物の過冷却をなくして、この不純物の除去効率を一層高めることができる。更には、従来のトラップ装置は排気コンダクタンスを低下させるように作用するのに対して、この第２実施例では、ノズル手段６４はポンプ機能を発揮して作動流体噴射口７４Ｃの周囲に設けたリング状の排気ガス導入口９４からの排気ガスを巻き込むようにして排気側へ押し流すように作用するので、排気コンダクタンスを高めることができ、排気系に悪影響を与えることがない。また混合管８８や拡散管９０には、付着防止用加熱手段９６を設けてこれを加熱するようにしているので、この内壁面側に不純物が付着することを防止することができる。
【００４１】
ここで図４に示す構成において、各部における温度、圧力、流速等の各パラメータについて検討した結果、次に示すような結果を得ることができた。
ノズル入口における作動流体圧力Ｐ１：１．３３×１０４ Ｐａ（≒０．１ａｔｍ）
作動ガス源６８内の作動流体のガス温度Ｔ１：２９３Ｋ（２０℃）
ノズル入口における作動流体流速Ｕ１：０．０ｍ／ｓ（超音速に比べればゼロとみなせる）
ガスの比熱比κ：１．４
排気ガス導入口９４の排気ガスの圧力Ｐｅ２：１３３Ｐａ
排気ガス導入口９４の排気ガスの温度Ｔｅ２：４２３Ｋ（１５０℃）
排気ガス導入口９４の排気ガスの速度Ｕｅ２：３２８．２ｍ／ｓ
排気ガス導入口９４の面積Ｓｅ：８０８．５ｍｍ２
作動流体噴射口７４Ｃの面積Ｓｎ：１１５５．０ｍｍ２
混合管８８の直径Ｄ１：５０．０ｍｍ
拡散管９０の出口直径Ｄ２：５３．９ｍｍ
【００４２】
上記のように各パラメータを設定した時、以下に示すような結果を得た。
ノズル出口における圧力Ｐｎ２：１３３Ｐａ（≒０．００１ａｔｍ）
ノズル出口における作動流体温度Ｔｎ２：７８．６Ｋ（−１９４．４℃）
ノズル出口における作動流体速度Ｕｎ２：６５６．４ｍ／ｓ（超音速状態）
混合管８８の出口における圧力Ｐ４：１３３Ｐａ
混合管８８の出口における混合ガスの温度Ｔ４：１５０．８Ｋ（−１２２．２℃）
混合管８８の出口における混合ガスの速度Ｕ４：４１３．３ｍ／ｓ
拡散管９０の出口における圧力Ｐ５：１８９．９Ｐａ
拡散管９０の出口における混合ガスの温度Ｔ５：１６７．０Ｋ（−１０６．０℃）
拡散管９０の出口における混合ガスの速度Ｕ５：３７２ｍ／ｓ
【００４３】
以上に示したように、作動流体がノズルの出口から超音速状態で噴射された後に混合管８８、拡散管９０を経て不純物捕集容器５０内に至るまで、混合ガスの温度は非常に低くできることが確認できた。
【００４４】
＜第３実施例＞
次に本発明の第３実施例について説明する。この第３実施例では先の第２実施例のノズル手段６４の構造に関して、中心側と外周側とを逆転させた構造とし、中心側より排気ガスを流し、外周側より作動流体を噴射させるようにしたものである。
図６はこのような本発明のトラップ装置の第３実施例を示す断面図、図７は図６中の１つのノズル手段を示す拡大断面図、図８は図７中のＢ−Ｂ線矢視断面図である。尚、図３乃至図５に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。
図示するように、ここでも第２実施例と同様に、不純物捕集容器５０の前段側に処理容器１０側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室８０を有している。この前段滞留室８０の側壁の一部にガス入口８２が設けられており、このガス入口８２に上流側の排気通路３４を接続して排気ガスを流入させるようになっている。
【００４５】
そして、上記前段滞留室８０の長手方向の側壁からは略円筒状の複数の、図示例では６本のノズル本体１００が不純物捕集容器５０に向けて延在させて設けられている。また前段滞留室８０と上記不純物捕集容器５０との間には、作動ガス通路６６に接続された所定の大きさの作動ガスヘッダ９２が介在させて設けられている。
【００４６】
そして、上記作動ガスヘッダ９２の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器５０の天井部６２との間には、作動ガスヘッダ９２と不純物捕集容器５０内とを連通するようにして複数、図示例では６個の連通路１０２が並列に設けられており、この連通路１０２を介して作動ガスヘッダ９２内の作動流体を不純物捕集容器５０内の方へ流すようになっている。この連通路１０２は、図７にも示すように、作動流体の流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管１０４と、この導入管１０４に続く円筒体状の混合管１０６と、この混合管１０６に続いて排気ガス（作動流体）の流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管１０８とにより主に構成されている。
【００４７】
ここで上記導入管１０４と混合管１０６とで、ノズル外筒１１０が構成されており、このノズル外筒１１０と上記ノズル本体１００とで、ノズル手段１１２を形成している。具体的には、上記ノズル本体１００は、上記作動ガスヘッダ９２の一側壁を気密に貫通してヘッダ内部へ挿入され、このノズル本体１００の先端部は、上記混合管１０６の途中まで挿通されて非接触状態になされている。そして、上記ノズル本体１００の先端部の外周には、流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて流路面積が最も狭い喉部１００Ａを通過した後に次第に拡大するような形状となる断面凸状になされた絞り部１１２がリング状に形成されており、この流路を作動流体が通った時に、▲１▼部と▲２▼部（図７参照）の差圧が有効に速度に変換されて低温で超音速の状態が実現できるようになっている。
【００４８】
従って、図８にも示すように、中心部では断面が略円形の排気ガス導入口１１４が形成され、この排気ガス導入口１１４の周囲を囲むようにして断面が略リング状の作動流体噴射口１００Ｃが形成されることになり、上記排気ガス導入口１１４から排気ガスが不純物捕集容器５０内に向けて導入される。また、上記作動流体噴射口１００Ｃから作動流体が噴射される。尚、上記断面凸状の絞り部１１２は、ノズル本体１００側ではなく、混合管１０６の内面側に設けるようにしてもよく、或いは両者に設けるようにしてもよく、いずれにしても、作動流体を超音速状態で噴射できる、いわゆるラバルノズルを形成できるならば、その形状は問わない。
【００４９】
この第３実施例の場合にも、先の第１実施例及び第２実施例と同様な作用効果を発揮できる。すなわち、排気ガスはノズル本体１００の中心を通って排気ガス導入口１１４より放出され、また作動流体であるＮ２ ガスは作動ガスヘッダ９２から導入管１０４内及び喉部１００Ａを通ってリング状の作動流体噴射口１００Ｃより噴射される。この時このＮ２ ガスは断熱膨張の結果、自冷して低温で超音速の状態となって噴射されるので、前述したように排気ガスを巻き込みつつガス状の不純物を凝縮、凝固することになる。この場合、第２実施例の場合と同様に、このノズル手段１１２はポンプ機能を発揮するので、排気コンダクタンスに悪影響を与えることを防止することができる。
【００５０】
更には、この第３実施例の場合には、排気ガスの周囲を囲むようにして作動流体であるＮ２ ガスが流れることになるので、排気ガスが混合管１０６の内壁面や拡散管１０８の内壁面に直接接触することを避けることができる。従って、上記凝縮、凝固した不純物が、上記混合管１０６や拡散管１０８の内壁面に付着することを防止することができる。尚、この第３実施例の場合でも、上記不純物の付着を完全に防止するために第２実施例のように付着防止用加熱手段９６を設けるようにしてもよい。
尚、上記各実施例においては、凝縮、凝固の起点となる核を形成するために、水蒸気を導入してこれを氷結させるようにしたが、これに限定されず、セラミックスや石英等のパウダを用いるようにしてもよい。また作動流体に関してもＮ２ ガスに限定されず、ＡｒガスやＨｅガス等の不活性ガス、Ｈ２ ガス等を用いてもよい。
【００５１】
また成膜する膜種に関してもＴｉ膜に限定されず、反応副生成物や未反応物質を排気ガス中から除去する必要のある全ての成膜装置、或いは処理装置に本発明を適用することができる。
また、上記各実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等にも適用できるのは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１〜７、１０〜１５の発明によれば、ノズル手段により断熱膨張し、超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持することができる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことができる。
請求項８の発明によれば、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止することができる。
請求項９の発明によれば、排気ガス中に核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明のトラップ装置の第１実施例を示す断面図である。
【図３】本発明のトラップ装置の第２実施例を示す断面図である。
【図４】図３中の１つのノズル手段を示す拡大断面図である。
【図５】図４中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】本発明のトラップ装置の第３実施例を示す断面図である。
【図７】図６中の１つのノズル手段を示す拡大断面図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【符号の説明】
２ 処理システム
４ 処理装置
６ 真空排気系
８ トラップ装置
１０ 処理容器
３４ 排気通路
３６ 真空ポンプ
３８ 除害装置
５０ 不純物捕集容器
６４ ノズル手段
６６ 作動ガス通路
６８ 作動ガス源
７２ 核導入手段
７４ ノズル本体
７４Ａ 喉部
７４Ｃ 作動流体噴射口
８０ 前段滞留室
８６ 導入管
８８ 混合管
９０ 拡散管
９２ 作動ガスヘッダ
９４ 排気ガス導入口
９６ 付着防止用加熱手段
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
Claims (15)
- 被処理体に対して所定の処理を施す処理装置内を真空排気するための真空ポンプを有する真空排気系に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、
前記真空排気系の排気通路に介設された不純物捕集容器と、
断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段と、
を備えたことを特徴とするトラップ装置。 - 前記ノズル手段は、前記不純物捕集容器に対して複数回並列に設けられることを特徴とする請求項１記載のトラップ装置。
- 前記ノズル手段は、その流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて喉部を通過した後に次第に拡大するようになされたノズル本体を有することを特徴とする請求項１または２記載のトラップ装置。
- 前記ノズル本体は断面が略円形に成形された作動流体噴射口を有しており、前記作動流体噴射口の周囲を囲むようにして前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するためのリング状の排気ガス導入口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記ノズル本体は断面が略リング状に成形された作動流体噴射口を有しており、その中心部には前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するための略円形の排気ガス導入口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記排気ガス導入口へ向かう排気ガスを一時的に滞留させるための前段滞留室が設けられることを特徴とする請求項４または５記載のトラップ装置。
- 前記ノズル手段の先端部側には、前記作動流体噴射口より噴射された超音速の作動流体と前記排気ガス導入口より取り込んだ排気ガスとを混合させる混合管と、その流路面積を順次拡大させてポンプ機能を持たせた拡散管とを順次連結させていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記混合管と前記拡散管とには、前記不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するための付着防止用加熱手段が設けられることを特徴とする請求項７記載のトラップ装置。
- 前記混合ガス中における前記ガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記不純物捕集容器には、前記凝縮、凝固された不純物を付着させるための不純物付着板が着脱可能に設けられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記ノズル手段は、ラバルノズルであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記作動流体は、Ｎ２ 、Ｈ２ 、Ａｒ、Ｈｅの内、いずれか１つのガスよりなることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のトラップ装置。
- 前記処理装置は、被処理体に対して成膜処理を施すための成膜装置であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のトラップ装置。
- 被処理体に対して所定の処理を施すための処理装置と、
前記処理装置内を真空引きするために途中に真空ポンプが介設された真空排気系と、
前記真空排気系に介設された請求項１乃至１３のいずれかに記載されたトラップ装置と、
を備えたことを特徴とする処理システム。 - 被処理体に対して所定の処理を施す処理装置から排出される排気ガス中からガス状になっている不純物を除去する不純物除去方法において、
前記排気ガス中に断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記排気ガスの温度を前記不純物の臨界点以下に低下させることにより前記不純物を凝縮、凝固させるようにしたことを特徴とする不純物除去方法。
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