JP2005223144A

JP2005223144A - 基板処理装置

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Publication number: JP2005223144A
Application number: JP2004029673A
Authority: JP
Inventors: Toru Kagaya; 徹加賀谷; Nobuo Ishimaru; 信雄石丸
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】処理室に複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する基板処理装置において、真空ポンプの２次側の排気管から低温部を無くすことによって、排気管の配管長が長くなっても、反応副生成物による排気管の詰まりを抑制できるようにする。
【解決手段】基板処理装置は、基板としてのウェハ２００を処理する処理室２０１と、処理室２０１に処理ガスを交互に供給する複数の処理ガス供給手段としてのガス供給管２３２ａ，２３２ｂと、処理室２０１を排気する排気手段としての真空ポンプ２４６と、真空ポンプの一次側と処理室２０１との間に設けた第１の排気管２３１と、真空ポンプ２４６の二次側に設けた第２の排気管２３４とを有する。このような基板処理装置の第２の排気管２３４に、高温の不活性ガスＮ₂を供給する不活性ガス供給手段としての加熱ガス供給ユニット２２１を設けて、第２の排気管２３４に高温の不活性ガスＮ₂を供給するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理室に処理ガスを交互に供給しつつ排気管より排気して基板を処理する基板処理装置に係り、特にその排気管内の反応副生成物の堆積を低減するための装置に関する。

基板処理装置、例えば半導体製造装置を構成する処理炉では、半導体ウェハなどの基板に成膜する方法として、ＣＶＤ法が広く採用されている。これはガス種Ａとガス種Ｂとを同時に処理室に供給し、処理室内の基板に成膜を行うものである。処理室の残留ガスは、真空ポンプにより排気管を介して、除害装置などの排ガス処理装置に流している。図１１には、そのようなＣＶＤ装置を構成するＣＶＤ処理炉の一般的な排ガス系統図を示す。

図１１において、シールキャップ５で気密にされた石英製の反応管２内に、ガス種Ａ及びＢを導入して基板４を処理する。ガス種Ａ及びＢは、反応管２の下部に設けられたガス導入ポート６，７より、高温に保たれたヒータ１内の反応管２に導入される。反応管２内に導入されたガス種Ａ及びＢは、反応管２内に挿入された基板保持ボート３に一定間隔で水平に配置された複数枚の基板４上に供給され、基板４上に成膜する。基板４上に成膜をした後、残留ガスは、反応管２の下部に設けられた排気ポート８より排気管２１、トラップ１０、排気管２２、真空ポンプ１１、排気管２３を経由して除害装置１２に送られて処理される。

このようにＣＶＤ処理炉の排ガス系内では、ガス種Ａ，Ｂが反応して生成される反応副生成物は、トラップ１０、例えば水冷トラップによって強制的に低温化させて固相に析出付着させて取り除く方法が一般的である。排気ポート８と水冷トラップ１０とを連結する排気管２１には反応副生成物が固相に析出しない温度に加熱できる配管加熱ヒータ９が装着されている。よって水冷トラップ１０より下流側の排気管２２、２３等には反応副生成物の付着は無く、排気管２２、２３の詰まりか起こることは無い。なお、水冷トラップ１０は定期的にメンテナンスを行う。

ところで、近年、基板に成膜する方法として、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）という方式が採用され始めた。これは、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種（またはそれ以上）の導入ガスを交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応のみを利用して成膜を行う手法である。図１２に、そのようなＡＬＤ装置を構成するＡＬＤ処理炉の一般的な排ガス系統図を示す。

この手法では、例えば導入ガスＡをガス導入ポート６より、反応管２内部の複数枚の基板４上に供給する。その後一旦、反応管２内部のガス種Ａを排気する。続いてガス種Ｂをガス導入ポート７より供給して、ガス種ＡとＢとを反応させて基板４上に成膜させる。成膜させた後、反応管２内部のガス種Ｂを排気する。このガスの切替えを供給を、繰り返し行うことによって、基板上に一層ずつ成膜する。

ＡＬＤ処理で用いるガスは、単独では成膜しないので、ＡＬＤ処理炉の排ガス系内では、図１１のＣＶＤ処理炉の排ガス系内に設けた水冷トラップ１０は必要がない。しかし、排気ポート８と真空ポンプ１１との間の排気管２４には、配管加熱ヒータ９を設ける必要がある。その理由は、ガス原料に液体有機原料を気化して用いる場合、真空ポンプ１１の１次側（上流側）で有機原料が冷却されると再液化し、排気管内に滞留し、次のガスと接触し、排気管２４内に反応副生成物が付着するおそれがある。したがって、これを防止するために、配管加熱ヒータ９を設ける必要がある。

ところで、図１１又は図１２の排ガス系統において、設備レイアウトによっては、真空ポンプ１１と除害装置１２間の排気管が極めて長くなることがある。これは、多数の半導体製造装置の排ガスを、１台の除害装置で共通に処理する場合、除害装置に対して距離の近い半導体製造装置もあれば、距離の遠い半導体製造装置もでてくることによる。

排気管の配管長が長い場合、図１１に示すＣＶＤ処理炉では、水冷トラップ１０により、排気管２２、２３等には反応副生成物の付着は無いので問題はない。しかし、図１２に示すＡＬＤ処理炉では問題がある。ガス種Ａとガス種Ｂは、真空ポンプ１１の２次側（下流側）の排気管２３にて反応するおそれがあるからである。真空ポンプ１１の１次側の排気管２４は、真空ポンプ１１によってガスが抜き取られて圧力が低くなるので、ガスがほとんど存在しない。したがって、複数のガス種が反応することはない。しかし、真空ポンプ１１の２次側の排気管２３では、圧力が高く、抜き取られたガスが比較的ゆっくりと流れ、しかも配管長が長いと排気管２３内に漂うため、相前後して抜き取られた複数のガス種のうち、前に抜き取ったガス種に、後に抜き取ったガス種が追い付いて、両者が反応してしまう。又配管が長くなると、その全てに加熱ヒータを設けて加熱することは、経済的に高価となり難しく、加熱ヒータを設けていない排気管２３内で気化原料が冷却されて反応副生成物が付着することがあるからである。

上述したように、処理室に処理ガスを交互に供給しつつ排気して基板を処理する基板処理装置においては、真空ポンプ１１の２次側の排気管の配管長が長くなり、また配管長が長くなって低温部が生じると、排気管の途中で複数のガス種が反応し、さらに排気管の低温部で、反応したガスが固相に析出して反応副生成物が堆積し、排気管が詰まってしまうおそれがあった。排気管が詰まると、基板処理装置を停止して、排気管を洗浄する等のメンテナンスを頻繁に行う必要があった。
なお、真空ポンプ１１と除害装置１２との間にトラップを設け、反応したガスをトラップによって強制的に低温化させて固相に析出付着させて取り除くことも考えられる。しかし、真空ポンプ１１の２次側は、処理装置が設置される工場側の排出装置による排出作用しか作用していないため、圧力が高くなり、トラップの上流側でガスが滞留してしまい、反応副生成物の堆積を助長してしまう虞がある。又、複数の処理ガスを交互に供給する方式では、複数の処理ガスを同時に供給する方式と異なり、いつでもどこでも反応するわけではないので、トラップによっては反応生成物を有効に取り除くことができない。

本発明の課題は、複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、真空ポンプの２次側の排気管の配管長が長くなっても、排気管の詰まりを有効に抑制することが可能な基板処理装置を提供することにある。

第１の発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室に複数の処理ガスを交互に供給する複数の処理ガス供給手段と、前記処理室を排気するための第１の排気管と、前記第１の排気管を介して前記処理室を排気する排気手段と、前記排気手段から排出されるガスを排気するための第２の排気管とを有する基板処理装置であって、前記第２の排気管に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設けたことを特徴とする基板処理装置である。

不活性ガス供給手段から第２の排気管に高温の不活性ガスが供給されると、第２の排気管から低温部が無くなる。したがって、第２の排気管内で複数の処理ガスが反応しても、反応ガスが固相に析出して第２の排気管に付着することがなくなり、反応副生成物による第２の排気管の詰まりを防止できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２の排気管の複数箇所から高温の不活性ガスを供給することを特徴とする基板処理装置である。
第２の排気管の複数箇所から高温の不活性ガスを供給すると、一箇所から供給する場合に比べて、処理ガスが有効に加熱されるので、反応副生成物による第２の排気管の詰まりを一層防止できる。

本発明によれば、複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する装置において、排気管の配管長が長くなっても、排気管から低温部を無くすことができるので、排気管の詰まりを有効に抑制することができる。

本発明の基板処理装置の構成を図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、基板処理装置として基板にＡＬＤ処理を行なう縦型の装置（以下、単に処理装置という）に適用した場合について述べる。図７は、本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。尚、この図は透視図として描かれている。また、図８は図７に示す処理装置の側面図である。

本発明の処理装置は、シリコン等からなるウェハ（基板）２００を収納したポッド（基板収納容器）１００を、外部から筐体１０１内へ挿入するため、およびその逆に筐体１０１内から外部へ払出すためのＩ／Ｏステージ（保持具授受部材）１０５が筐体１０１の前面に付設され、筐体１０１内には挿入されたポッド１００を保管するためのカセット棚（載置手段）１０９が敷設されている。また、ウェハ２００の搬送エリアであり、後述のボート（基板保持手段）２１７のローディング、アンローディング空間となるＮ₂パージ室（気密室）１０２が設けられている。ウェハ２００に処理を行なうときのＮ₂パージ室１０２の内部は、ウェハ２００の自然酸化膜を防止するためにＮ₂ガスなどの不活性ガスが充満されるように、Ｎ₂パージ室１０２は密閉容器となっている。

上述したポッド１００としては、現在ＦＯＵＰというタイプが主流で使用されており、ポッド１００の一側面に設けられた開口部を蓋体（図示せず）で塞ぐことで大気からウェハ２００を隔離して搬送でき、蓋体を取り去る事でポッド１００内へウェハ２００を入出させることができる。このポッド１００の蓋体を取外し、ポッド内の雰囲気とＮ₂パージ室１０２の雰囲気とを連通させるために、Ｎ₂パージ室１０２の前面側には、ポッドオープナ（開閉手段）１０８が設けられている。ポッドオープナ１０８、カセット棚１０９、およびＩ／Ｏステージ１０５間のポッド１００の搬送は、カセット移載機１１４によって行なわれる。このカセット移載機１１４によるポッド１００の搬送空間には、筐体１０１に設けられたクリーンユニット（図示せず）によって清浄化した空気をフローさせるようにしている。

Ｎ₂パージ室１０２の内部には、複数のウェハ２００を多段に積載するボート２１７と、ウェハ２００のノッチ（又はオリエンテーションフラット）の位置を任意の位置に合わせる基板位置合わせ装置１０６と、ポッドオープナ１０８上のポッド１００と基板位置合わせ装置１０６とボート２１７との間でウェハ２００の搬送を行なうウェハ移載機（搬送手段）１１２とが設けられている。また、Ｎ₂パージ室１０２の上部にはウェハ２００を処理するための処理炉２０２が設けられており、ボート２１７はボートエレベータ（昇降手段）１１５によって処理炉２０２へローディング、又は処理炉２０２からアンローディングすることができる。

次に、本発明の処理装置の動作について説明する。
先ず、ＡＧＶ（自走型搬送車）やＯＨＴ（天井吊下式搬送装置）などにより筐体１０１の外部から搬送されてきたポッド１００は、Ｉ／Ｏステージ１０５に載置される。Ｉ／Ｏステージ１０５に載置されたポッド１００は、カセット移載機１１４によって、直接ポッドオープナ１０８上に搬送されるか、または、一旦カセット棚１０９にストックされた後にポッドオープナ１０８上に搬送される。ポッドオープナ１０８上に搬送されたポッド１００は、ポッドオープナ１０８によってポッド１００の蓋体を取外され、ポッド１００の内部雰囲気がＮ₂パージ室１０２の雰囲気と連通される。

次に、ウェハ搬送機１１２によって、Ｎ₂パージ室１０２の雰囲気と連通した状態のポッド１００内からウェハ２００を取出す。取出されたウェハ２００は、基板位置合わせ装置１０６によって任意の位置にノッチが定まる様に位置合わせが行なわれ、位置合わせ後、ボート２１７へ搬送される。

ボート２１７へのウェハ２００の搬送が完了したならば、処理室２０１の炉口シャッタ１１６を開けて、ボートエレベータ１１５によりウェハ２００を搭載したボート２１７をローディングする。

ローディング後は、処理炉２０２にてウェハ２００に任意の処理が実施され、処理後は上述の逆の手順で、ウェハ２００およびポッド１００は筐体１０１の外部へ払出される。

まず、本発明の実施の形態にて行った、ウェハ等の基板へのプロセス処理例としてＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。

ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

即ち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合、ＡＬＤ法ではガス種ＡとしてＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ジクロルシラン）と、ガス種ＢとしてＮＨ₃（アンモニア）とを用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）

これを図９及び図１０を用いて具体的に説明する。
図９は、本実施の形態にかかる処理装置を構成する縦型の処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図１０は本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウェハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ２０７、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、前記石英キャップ２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウェハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。前記ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウェハ２００を所定の温度に加熱する。

そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが、ガス導入ポート２３５ａ、２３５ｂに設けられる。ここでは第１のガス供給管２３２ａからは流量制御手段である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する処理炉２０２内に形成されたバッファ室２３７を介して処理炉２０２に反応ガスが供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御手段である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁である第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁である第３のバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理炉２０２に反応ガスが供給されている。

処理炉２０２は、排気ポート２３１ａにガスを排気する排気管であるガス排気管２３１が設けられる。このガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。尚、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理炉２０２の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。また、真空ポンプ２４６の二次側に第２の排気管２３４が設けられて、真空ポンプ２４６から排出されるガスを直接大気中へ、又は必要に応じて除害装置（図示せず）を経て大気中へ排気するようになっている。

処理炉２０２を構成している反応管２０３の内壁とウェハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウェハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられており、そのバッファ室２３７のウェハ２００と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。この第１のガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。この第１のガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

そしてバッファ室２３７の第１のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウェハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給する供給孔である第２のガス供給孔２４８ｂが設けられている。この第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本発明において、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、第２の各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各第２のガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、前記ガスの流速差の均一化を行うこととした。

すなわち、バッファ室２３７において、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理炉２０２に噴出する。この間に、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各第１のガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができた。

さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９及び第２の電極である第２の棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

この電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。

さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウェハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウェハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔２４８ｃを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。

第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウェハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ１２１は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、第１〜第３のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、第４のバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。

次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ₃ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。

まず成膜しようとするウェハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ₃ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まず第１のガス供給管２３２ａに設けた第１のバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のマスフローコントローラ２４１ａにより流量調整されたＮＨ₃ガスをノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ₃をプラズマ：励起し、活性種として処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理炉２０２内圧力を１０〜１００Ｐａとする。第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ₃の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ₃をプラズマ励起することにより得られた活性種にウェハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７温度はウェハが３００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ₃は反応温度が高いため、上記ウェハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウェハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。

このＮＨ₃をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、第２のガス供給管２３２ｂの上流側の第２のバルブ２４３ｂを開け、下流側の第３のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これにより第２、第３のバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理炉２０２内に流しているガスはＮＨ₃をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ₃は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ₃はウェハ２００上の下地膜と表面反応する。

［ステップ２］
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ₃の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側の第２のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ₃を処理炉２０２から排除する。また、この時にはＮ₂等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留ＮＨ₃を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理炉２０２との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は処理室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

［ステップ３］
ステップ３では、処理炉２０２の排気が終わったらガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。第２のガス供給管２３２ｂの下流側の第３のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理炉２０２に一気に供給される。このときガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理炉２０２内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウェハ温度はＮＨ₃の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ₃とＤＣＳとが表面反応して、ウェハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理炉２０２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ₂等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理炉２０２から排除する効果が高まる。また第２のバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウェハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。

ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施の形態では、第４のバルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理炉２０２内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

また、本実施の形態では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理炉２０２の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理炉２０２内を排気してＮＨ₃ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウェハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウェハ２００に吸着しているＮＨ₃とのみ有効に反応させることができる。

ところで、前述したように、処理室に処理ガス種Ａ、Ｂを交互に供給しつつ排気してウェハを処理するＡＬＤ処理炉においては、前述したように、真空ポンプ２４６の２次側の排気管２３４内では、複数のガス種が反応して、排気管２３４の低温部で、固相に析出して、反応副生成物が堆積し、この反応副生成物によって排気配が詰まってしまうおそれがある。このため、処理装置を停止して排気管を洗浄する等のメンテナンスを頻繁に行う必要があった。この傾向は、特に真空ポンプ２４６の２次側の排気管２３４が長くなると、顕著であった。

そこで、本実施の形態では、これを回避するために、真空ポンプ２４６の２次側に設けた排気管２３４に、高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設け、排気管２３４内に高温の不活性ガスを供給して、排気管２３４内部で反応副生成物が形成されないようにした。以下、これを詳細に説明する。

図１に第１の実施の形態によるガス排気系統を備えたＡＬＤ処理炉の概略図を示す。
ＡＬＤ処理炉は、ウェハ２００を処理する処理室２０１を内部に形成する反応管２０３と、処理室２０１に処理ガス種Ａ、Ｂを交互に供給する複数の処理ガス供給手段としてのガス供給管２３２ａ、２３２ｂと、処理室２０１を排気するための第１の排気管２３１と、第１の排気管２３１を介して処理室２０１を排気する排気手段としての真空ポンプ２４６と、真空ポンプ２４６の２次側から排出されるガスを排気するための第２の排気管２３４と、第２の排気管２３４を介して排気ガスの有害成分を取り除く除害装置２３８とを備える。

真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には配管加熱ヒータ２３６が装着されている。具体的には、排気ポート２３１ａと真空ポンプ２４６との間には圧力制御用のバルブ（図９の符号２４３ｄ）があり、配管加熱ヒータ２３６は、排気ポート２３１ａから圧力制御用バルブまでを加熱するようになっている。

また、真空ポンプ２４６の２次側の第２の排気管２３４に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段としての加熱ガス供給ユニット２２１を設け、加熱した不活性ガスを第２の排気管２３４に供給して、第２の排気管２３４内部に反応副生成物が析出しないようにしている。加熱ガス供給ユニット２２１は、真空ポンプ２４６の近傍の第２の排気管２３４に接続して、加熱された不活性ガス、例えばＮ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１ヵ所より第２の排気管２３４内に供給するようなっている。Ｎ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１ヵ所より供給するのは、最も簡便で加熱効率がよいからである。この加熱された不活性ガスＮ₂は、例えば、常時流すようにする。

ここで、ＡＬＤ成膜条件例として、原料ガス種が、ＤＣＳ，ＮＨ₃であり、成膜温度３００〜６００℃の場合、加熱ガス供給ユニット２２１から真空ポンプ２４６の２次側（下流側）の第２の排気管２３４に流すＮ₂ガスの加熱温度は、例えば約１５０℃である。

ＡＬＤ法によるウェハ処理方法では、真空ポンプ２４６の１次側に設けた第１の排気管２３１内は、真空ポンプ２４６の排出作用により、比較的圧力が低い状態となり、各処理ガスが滞留することはないので、複数の処理ガスの混合による反応が生じない。しかし、真空ポンプ２４６の２次側に設けた第２の排気管２３４内は、処理装置が設置される工場側の排気手段による排気作用しか作用しないため、比較的圧力が高くなり、複数の処理ガスを交互に排気するとはいえ、排気配管長が長くなると、処理ガスの反応が起きる。また、第２の排気管２３４の排気配管長が長くなって低温部が存在すると、反応した処理ガスが冷却されて、第２の排気管２３４に反応副生成物が付着するおそれがある。このように、第２の排気管２３４の配管が長くなると、低温部にて複数のガスが反応して生成され反応副生成物が固相に堆積して、配管内部に析出する。そして、固相に堆積する反応副生成物によって第２の排気管２３４内部は加速的に閉鎖され、真空ポンプ２４６の排圧エラーを引き起こし、メンテナンスをしなければならない状況が発生する。しかし、上述したように、第１の実施の形態によれば、加熱ガス供給ユニット２２１を設け、加熱された不活性ガスを真空ポンプ２４６の２次側の第２の排気管２３４に供給するようにしたので、第２の反応管２３４内に低温部が生じないようになる。したがって、第２の排気管２３４の排気配管長が長くなっても、低温部が生じないので、ＡＬＤ処理炉であっても、第２の排気管２３４に反応副生成物が付着するおそれがなくなり、第２の排気管２３４の詰まりを有効に抑制することができる。

また、不活性ガスを、真空ポンプ２４６の１次側に設けた第１の排気管２３１に供給すると、真空ポンプ２４６の排気能力が低下し、処理室内の速やかな排気ができず、速やかな排気を必要とするＡＬＤ方式の基板処理では、スループットが著しく低下するので、好ましくない。なお、第１の実施の形態では、真空ポンプ２４６の２次側に設けた第２の排気管２３４に不活性ガスを供給しているので、真空ポンプ２４６の排気能力が低下しない。本来、ＡＬＤ処理で用いる処理ガスは、単独では成膜しないので、処理ガスが単独で存在する真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には、加熱した不活性ガスＮ₂を供給する必要はない。このため、第１の実施の形態では、真空ポンプ２４６の２次側の第２の排気管２３４に不活性ガスを供給するようにして、真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には不活性ガスを供給していない。

また、真空ポンプ２４６の上流側に高温の不活性ガスＮ₂を供給し、排気される処理ガスの温度上昇を図ろうとするならば、真空ポンプ２４６の上流側は圧力が低いので、熱伝導が悪く、それゆえ多量のＮ₂を供給する必要がある。多量の不活性ガスＮ₂を真空ポンプ２４６の上流側に供給すれば、上述のように真空ポンプ２４６の排気能力が低下する。この点で、第１の実施の形態では、比較的圧力の高く、排気ガスへの熱伝導度が高い、真空ポンプ２４６の２次側に高温の不活性ガスＮ₂を供給するので、少量の不活性ガスＮ₂を供給すれば足り、不活性ガス資源の有効利用がはかれる。

ところで、上述した第１の実施の形態では、加熱ガス供給ユニット２２１は、真空ポンプ２４６の近傍の第２の排気管２３４に接続して、加熱された不活性ガス、例えばＮ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１箇所より、第２の排気管２３４内に供給するようなっている。しかし、真空ポンプ２４６の近傍の１箇所より加熱された不活性ガスを第２の排気管２３４内に供給するようにしても、第２の排気管２３４の配管長が長くなると、加熱ガス供給箇所より離れるに従い、配管内部の温度が低下し、温度が低下した低温部にて複数のガスが反応して生成され反応副生成物が固相に堆積して、配管内部に析出するのが避けられない。このため改善の余地がある。

図２に、そのような第２の実施の形態による排ガス系統を備えた処理炉の概略図を示す。第２の実施の形態では、加熱ガス供給ユニット２２１に複数の不活性ガス供給管２２２（２２２ａ〜２２２ｃ）を設ける。その複数の不活性ガス供給管２２２を、第２の排気管２３４のガス流れ方向に沿った複数箇所に間隔をおいて接続して、その複数箇所から高温の不活性ガスＮ₂を供給するようにしている。ここで、複数箇所とは、排気ガスの温度が低下し始めて、反応副生成物が堆積物として析出する温度以下になる前の配管位置である。
さらに、第２の実施の形態では、高温の不活性ガスＮ₂により加熱された処理ガス、ないし第２の排気管２３４を保温するために、第２の排気管２３４を保温材２３６ｂで装着している。なお、第１の排気管２３１と同様に、第２の排気管２３４にも配管加熱ヒータ２３６を装着して、全ての排気管に配管加熱ヒータ２３６を装着することも可能である。しかし、配管加熱ヒータ２３６を全ての排気管に装着することは非常に高価となり経済的でない。そこで、ここでは、高温の不活性ガスＮ₂を複数箇所から供給していることもあって、配管加熱ヒータに代えて保温材２３６ｂを装着している。

このように第２の排気管２３４の複数箇所から高温の不活性ガスを供給するようにしたので、一箇所から供給する場合のように、第２の排気管２３４の配管長が長くなった場合でも、第２の排気管２３４の全長にわたって、第２の排気管２３４内を有効に加熱することができる。したがって、加熱ガス供給箇所より離れるに従って、配管内部の温度が低下するということがなくなり、反応副生成物が固相に堆積して、配管内部に析出するのを有効に避けることができる。
また、第２の排気管２３４を配管加熱ヒータまたは断熱材２３６ｂで装着したので、加熱ガス供給箇所間における第２の排気管２３４部分の温度が低下するのを有効に防止できる。したがって、配管内部に析出するのを、より有効に避けることができる。また、加熱された不活性ガスの加熱ガス供給箇所を少なくすることができ、構成の簡素化をはかることができる。
第２の実施の形態によれば、複数箇所から高温の不活性ガスを供給するとともに、第２の排気管２３４を配管加熱ヒータまたは断熱材２３６ｂで装着して、第２の排気管２３４に反応副生成物が固相に堆積するのを抑制したので、固相に堆積する反応副生成物によって第２の排気管２３４内部が加速的に閉鎖されることも、真空ポンプ２４６の排圧エラーを引き起こすこともなく、メンテナンス周期を長くすることができる。

図１及び図２に示す第１及び第２の実施の形態の第２の排気管２３４は、かならずしも直線で構成されているわけではなく、途中で直角ないしある角度をもった屈曲部（エルボウ部）を有するのが普通である。特に配管長が長くなればエルボウ部が多くなる。例えば、第１の実施の形態において、図３の具体例に示すような直角ないしある角度をもったエルボウ部２５１では、ガスの淀み２５２が発生し、ガス種Ａ又はＢを排気する際に淀み２５２に滞留する。滞留した残留ガスＡ又はＢが、ガス種Ｂ又はＡを流した後に反応し、淀み２５２に反応副生成物を形成する。時間と共に堆積した反応副生成物が第２の排気管２３４の配管内部を閉鎖する。このため改善の余地がある。

そこで、次に、上述したエルボウ部におけるガスの淀みも考慮に入れた第２の実施の形態の具体例を説明する。図４は、そのような具体例を示した排ガス系統図である。
ここでは、真空ポンプ２４６と除害装置２３８とを連結する第２の排気管２３４を、エルボウ部２５１ａの曲率半径を大きくした曲り管２３４ａと、直管２３４ｂとで構成し、これらをＯリング２５３を介してフランジ２５４で結合している。このようにエルボウ部２５１ａを曲率半径の大きい配管エルボウにすることによって、ガスの淀みを無くしている。

また、加熱ガス供給ユニット２２１に複数のガス供給管２２２ａ〜２２２ｄを間隔をおいて複数箇所に設けて、反応副生成物が堆積物として析出する温度以下になる前に加熱不活性ガスを供給するようにしている。排気管２３４が長い場合、排気管の全長にわたって多数本の不活性ガス供給管２２２を設けると、コスト増加、装置維持運用費の増加などを引き起こす。しかし、具体例のように、排気ガスの温度が低下し始める複数の配管位置に、加熱ガス供給ユニット２２１からの不活性ガス供給管２２２を接続すると、コストや装置維持運用費の増加を有効に抑えることができる。

また、真空ポンプ２４６から除害装置２３８までの配管周りに放熱を防ぐように保温材２３６ｂを巻き、低温箇所を限りなく少なくする配管システムとしている。保温材としては、例えば、安価で加工性がよく断熱効果の高いシリコンスポンジがよい。

第２の実施の形態の具体例によれば、低温になる第２の排気管２３４の複数箇所より加熱ガスを導入するようにし、配管外への放熱を抑えるために保温材２３６ｂを巻き、しかもガスの淀みがない排気管システムとしている。したがって、反応副生成物が堆積物として第２の排気管２３４に析出しない雰囲気を意図的に形成することができる。

上述した第１及び第２の実施の形態では、第２の排気管２３４を単管で構成したが、これを二重管で構成することも可能である。
図５及び図６はそのような第３の実施の形態を示す排ガス系統図である。図５に示すように、この第３の実施の形態の処理炉において、真空ポンプ２４６と除害装置２３８との間の第２の排気管２３４に、加熱ガス供給ユニット２２１から複数の不活性ガス供給管２２２（２２２ａ〜２２２ｃ）を間隔をおいて設ける点は、第２の実施の形態と同様である。異なる点は、図６の示すように、第２の排気管２３４を二重管構造とした点である。
図６は図５のＡ部の拡大図を示す。図６に示すように、第２の排気管２３４は、外管２３９と、外管２３９内に同軸的に配設された内管２４０とから構成する。外管２３９と内管２４０との間には、不活性ガス供給管のノズル２２３ｂが連結されるバッファ空間２４４が形成されている。このバッファ空間２４４を形成するために、内管２４０は、排気管２３４の軸方向に沿って設けた複数のチェーンクランプ（図示せず）により、外管２３９内に支持される。
内管２４０は、複数の短管２４２を直列に連結することにより構成される。短管２４２は、大径部２４２ａと、小径部２４２ｃと、大径部２４２ａ及び小径部２４２ｃを連結するテーパ部２４２ｂとから構成される。テーパ部２４２ｂは処理ガスの流れ方向に縮径されるように配置する。隣接する一方の短管２４２の小径部２４２ｃと、他方の短管２４２の大径部２４２ａとを順次はめ合わせ、小径部２４２ｃと大径部２４２ａとを溶接することにより、短管２４２同士を連結する。このとき、小径部２４２ｃと大径部２４２ａとの間に形成される円筒状の隙間２５０が等間隔に周方向に残るように、円筒状の隙間２５０を部分的に溶接する。

外管２３９と内管２４０との間に形成したバッファ空間２４４に、ノズル２２３ｂを介して導入された高温の不活性ガスは、内管２４０の短管２４２同士の間に形成された隙間２５０を通して内管２４０の内壁に沿って流れるようにして、内管２４０の内壁に沿う不活性ガスのガスカーテン２５６を形成する。これにより、内管２４０の中央部を流れる処理ガスが内管２４０の内壁と接触しないようにする。

このように第３の実施の形態によれば、処理ガスが流れる内管２４０は、流れ方向に縮径されるテーパ付の短管２４２を複数接続することにより形成するので、処理ガスが流れやすくなり、処理ガスの滞留による反応副生成物の内管２４０内壁への付着を有効に抑制できる。
また、内管２４０の内壁に沿って形成される不活性ガスのガスカーテン２５６によって、内管２４０の中央部を流れる処理ガスが内管２４０の内壁と接触しないようにしたので、反応副生成物の内管２４０の内壁への付着を有効に抑制できる。

また、内管２４０は管軸方向に配置した複数のチェーンクランプによって外管２３９内に支持されており、複数のチェーンクランプは、一端からの操作により、一斉にに内管２４０を締めつけたり、緩めたりすることができる。したがって、内管２４０を外管２３９から容易に脱着でき、メンテナンスが容易である。これは、特に、排気管２３４が直管のとき有効であるが、曲管の場合で有っても、曲管をエルボウ部でフランジ結合し、複数の直管に分離できるようにして、直管単位で内管を取り外すように構成することで、直管と同様な効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施の形態は、これらを単独で実施しても良いが、これらを任意に組み合わせて実施することもできる。

第１の実施の形態による基板処理装置を構成するガス排気系統を備えた処理炉の概略図である。第２の実施の形態による基板処理装置を構成するガス排気系統を備えた処理炉の概略図である。。第１の実施の形態によるガス排気系統の具体的な説明図である。第２の実施の形態によるガス排気系統の具体的な説明図である。第３の実施の形態を示す排ガス系統を備えた基板処理装置の概略図である。図５のＡ部の拡大図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は管軸方向から見た正面図である。本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。図７に示す処理装置の側面図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示した図である。ＣＶＤ法を用いた一般的な排ガス系統図である。ＡＬＤ法を用いた一般的な排ガス系統図である。

符号の説明

２００ウェハ（基板）
２０１処理室
２３２ａ，２３２ｂガス供給管（処理ガス供給手段）
２２１真空ポンプ（排気手段）
２３１第１の排気管
２３４第２の排気管
２２１加熱ガス供給ユニット（不活性ガス供給手段）

Claims

基板を処理する処理室と、
前記処理室に複数の処理ガスを交互に供給する複数の処理ガス供給手段と、
前記処理室を排気するための第１の排気管と、
前記第１の排気管を介して前記処理室を排気する排気手段と、
前記排気手段から排出されるガスを排気するための第２の排気管と
を有する基板処理装置であって、
前記第２の排気管に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設けたことを特徴とする基板処理装置。