JP2005259932A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 未反応ガスや副生成物が配管途中で付着しないようにし、装置のダウンタイムの短縮化、運営コストの低減化、長寿命化が実現できる半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 反応室２から排出された排気ガスは配管３から排気ポンプ４に導かれ、排気ポンプ４から排気導入管５へ排出された排気ガスは液化されて強制的にトラックタンク６へ送り込まれる。トラップタンク６の内部では、分解液６が排気ガスの液化した物質を分解して固形物を生成する。これにより、固形物は分解液６の中に沈殿するので、排気ガスの液化した物質が揮発して排気排出管７へ流出することはない。このように、排気ガス中の未反応原料や副生成物の凝縮が効率よく起こる場所をトラックタンク６に設けることにより、トラックタンク６以外の配管路で排気ガス中の未反応原料や副生成物が凝縮しないようにして、排気ポンプ３の排気側での凝縮物による詰まりを防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板を成膜処理する反応室、及びその反応室内の気体を排気するための排気ポンプとトラップタンクを備えたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖｅｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などの半導体製造装置に関するものである。

従来より、半導体製造装置で半導体基板の成膜を行う場合、層間絶縁膜のＴＥＯＳ膜の原料であるＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄（テトラエトキシシラン）や誘電体材料として用いられるＴａ₂Ｏ₅膜の原料Ｔａ（ＯＣ₂Ｈ₅）₅（ぺンタエトキシタンタル）は、常温常圧では液体であるので、これらを加熱・気化して半導体基板の成膜に用いている。また、電極材料として注目されているＲｕ膜や高誘電材料として期待されているＢＳＴ膜（チタン酸バリウムストロンチウム膜）の原料にも液体原料（例えば、〔Ｂａ（ＤＰＭ）₂＋ＴＨＦ〕や〔Ｓｒ（ＤＰＭ）₂＋ＴＨＦ〕など）が用いられているので、これらを加熱・気化して成膜に用いている。このように、近年は、液体原料を加熱・気化して成膜を行うことを前提とした半導体製造装置（例えば、ＣＶＤ装置など）が増加している傾向にある。このような常温常圧では液体である原料を用いたＣＶＤ装置は、いずれの原料を用いた場合においても、反応室内で反応しきれなかった末反応ガスや副生成物を反応系外に排除するための排気ポンプを備えている。

上記のような従来のＣＶＤ装置は、反応室から排気ポンプに至るまでの経路の途中にトラップタンクがあるので、トラップタンクの内部や排気ポンプなどに詰りが発生するおそれがある。その原因としては、反応室から排気ポンプまでの経路の途中にあるトラップタンクでは、排気ガスの吸着や液化が起こりにくい減圧下の環境にあるため、未反応ガスや副生成物が完全に回収ができずに排気ポンプに到達してしまうためである。このような排気ガスが流れる排気ポンプ内は、断熱圧縮によって昇温・気化している末反応ガスや副生成物を大量に含むと共に、排気ポンプの排気口においては排気ガスが大気圧に開放されるため、断熱膨張によって排気ガスの温度が急激に下がり、結果的に、未反応ガスや副生成物が液化あるいは固化し易い環境状態となる。つまり、排気ポンプの排気口付近の大気圧に開放される場所が、未反応ガスや副生成物の最も液化しやすい場所となっているため、排気ポンプの排気口から除害装置に至るまでの下流の配管に未反応ガスや副生成物が付着し、これらが配管中の水分と反応して固化することによって下流流路の配管に詰まりが発生する原因となっている。

このような不具合を解決するために、最近では、反応室の原料の気化を安定化させるために専用の排気配管を備え、その配管を減圧に引くための排気ポンプ（真空ポンプ）を備えたＣＶＤ装置などもある。このようなＣＶＤ装置における排気系統の中途部分には、通常、トラップ冷却部が設けられていて、このトラップ冷却部内で未反応ガスや副生成物を吸着させたり、あるいは液化させて回収することにより、未反応ガスや副生成物が排気配管内で再液化したり、排気ポンプや途中の配管に付着することを防いでいる。つまり、このようなＣＶＤ装置は、排気ポンプからトラップタンクに至るまでの途中にトラップ冷却部を設けて未反応ガスや副生成物の凝縮を効率よく起こさせ、これらの凝縮物をトラップタンクに溜めるように構成されている。このようなＣＶＤ装置を用いれば、排気管側での詰りがなくなるので、メンテナンス周期を大幅に長くすることができると共に、ＣＶＤ装置のダウンタイム（停止時間）の短縮化や運営コストの低減化を図ることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１０６６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたＣＶＤ装置に設けられているトラップタンクを用いた場合は、排気ポンプ（真空ポンプ）の排気口にトラップタンクが直結していないため、排気ポンプの排気口から除害装置に至るまでの間において末反応ガスや副生成物が液化し、これらが排気ポンプの排気口やその排気口に直結したトラップ冷却部などで付着固化したり、トラップ冷却部の内部に液体が多量に溜まったりすることがある。したがって、そのＣＶＤ装置をそのまま使用し続けると排気ポンフの排圧異常を生じるため、排気ポンプを解体して付着した物質を除去したり、排気ポンプの交換を行うなどのメンテナンスが必要となる。また、排気ポンプ内の物質の付着具合についても、排気ポンプを解体しなければ確認することはできない。そのため、ＣＶＤ装置の稼動を円滑に行うためには、頻繁にメンテナンスや部品交換を実施する必要がある。このため、ＣＶＤ装置のダウンタイムが頻繁に発生すると共に、排気ポンプの交換にかかるコストも大きな負担となる。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、未反応ガスや副生成物が配管途中で付着しないようにし、装置のダウンタイムの短縮化や運営コストの低減化、あるいは排気ポンプの長寿命化が実現できる半導体製造装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明に係る半導体製造装置は、少なくとも、内部に処理ガスを導入することにより半導体基板に所定の処理を施す反応室と、反応室内に生じた排気ガスを排出するガス排出手段とを備える半導体製造装置において、ガス排出手段は、反応室に接続された排気通路の途中に設けられ、その排気通路を通じて反応室内の排気ガスを排出する真空ポンプと、真空ポンプから排出されて排気通路の途中で冷却された排気ガスを捕集する捕集手段とを備え、捕集手段は、捕集された排気ガス中の物質と反応する液体を溜めていることを特徴とする。

本発明によれば、反応室で用いる処理ガスは、常温、常圧で液体もしくは溶媒液で固体材料を溶かして液体にした原料を加熱し気化したものであるので、半導体基板の成膜時に反応室内に排気ガスが発生する。そのため、半導体基板の成膜時に反応室内に生じた排気ガスを真空ポンプによって吸引し、その排気ガスを排気通路の途中で冷却して液化させながら強制的に捕集手段（トラップタンク）へ送り込む。さらに、捕集手段へ送り込まれて液状の物質は捕集手段に溜められている分解液と反応し、固形物として分解液の中に沈殿させる。これによって、捕集手段へ送り込まれて液状の物質が揮発することはなくなるので、排気配管の途中で排気ガスによる固形物が付着して排気配管を詰らせるおそれはなくなる。

また、本発明のＣＶＤ装置においては、捕集手段は真空ポンプの下流側に配管を介して設けられていて、その配管は排気ガスが配管内で固化して詰らないように加熱されている。なお、捕集手段は真空ポンプの下方に設けられ、より好ましくは下方に直結されていることが望ましい。具体的に説明すると、反応室の排出口の出口側に設けられた真空ポンプの排気側から垂直真下方向にトラップタンクを設ける。そして、トラップタンク内に真空ポンプの排気側で析出された物質と反応する分解液を溜める。これにより、真空ポンプからの排気ガスは、トラップタンクまでの排気通路とトラップタンク内の冷却によって液化されてトラップタンク内に送り込まれ、分解液によって分解されて凝縮する。つまり、反応室で液体原料を用いた場合は真空ポンプの排気口側で特に液化しやすいため、真空ポンプの真下にトラップタンクを設けることによって液状物質の捕集効率がよくなる。

また、本発明のＣＶＤ装置は、トラップタンクの導入側及び排気側の配管にトラップタンクを閉鎖または開放するための仕切弁が設けられている。したがって、ＣＶＤ装置のメンテナンス時にこの仕切弁を作動させてトラップタンクの内部空間を閉鎖した後、卜ラップタンクを取り外せば、トラップタンクを大気に触れさせることなく、ＣＶＤ装置の排気系に溜まった生成物を回収することができる。

以上に詳述したように、本発明のＣＶＤ装置によれば、排気ポンプの排気口に近い場所にトラップタンクを取り付け、反応室からの高温の排気ガスを冷却・液化させて強制的にトラップタンク内の液体と反応させることにより、排気ポンプより下流の排気管路での液化による詰まりを防ぐと共に、トラップタンク以降の配管で固形物が付着することを防ぐことができる。また、トラップタンクの内部空間を閉鎖及び開放するための仕切弁を設けることにより、メンテナンス作業の安全性及び作業効率を向上させることができる。さらに、ＣＶＤ装置のメンテナンス周期の長期化及びメンテナンス時間の短縮化によってＣＶＤ装置の稼働率を向上させることができる。

以下、本発明における半導体製造装置の実施の形態について図面を参照して説明するが、まず、本発明における半導体製造装置の概要について述べる。以下の説明では、半導体製造装置としてＣＶＤ装置を用いた場合を例に挙げて説明する。なお、ＣＶＤ装置が通常行っている半導体基板の成膜処理については周知の技術であるのでその説明は省略し、本発明に関わる反応室の排気ガス処理について説明する。
する。

本発明のＣＶＤ装置は、半導体基板の成膜処理を行う反応室の排気ガスを排出するための排気ポンプの排出口にトラップタンクを直結する。さらに、そのトラップタンク内に排気ポンプで回収された液体を分解するための分解液を溜めておく。つまり、反応室から排出された未反応ガスや副生成物が液化して排気口などで付着固化することを防ぐために、真空ポンプからなる排気ポンプによって未反応ガスや副生成物を強制的にトラップタンク内へ排出している。さらに、トラップタンク内に回収された物質と液体とを反応させることにより、その物質が揮発しないようにし、トラップタンクより下流の配管で排気ガスが液化したり固化したりして付着することがないようにしている。これによって、反応室からの排気ガスによって生じた物質が配管途中で付着することはなくなるので、ＣＶＤ装置や排気ポンプのメンテナンス周期が長期化され、かつメンテナンス時の安全性が向上する。

次に、図面を用いて本発明のＣＶＤ装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＣＶＤ装置の構成を示すブロック図である。図１において、ＣＶＤ装置１は、半導体基板を処理ガスによって成膜処理するための反応室２と、反応室２の排気ガスを排気するための配管３と、配管３を介して反応室２内の排気ガスを排気する排気ポンプ（真空ポンプ）４と、排気ポンプ４からの排気ガスの流路を形成する排気導入管５と、排気ガスから回収された凝縮物を分解して収納するトラップタンク（捕集手段）６と、トラップタンク６から排気ガスを排出し、必要に応じて除害装置（図示せず）を経由してその排気ガスを大気へ放出する排気排出管７とによって、反応炉１から排出された排気ガスの排気流路を形成している。

また、排気導入管５の任意の部分にはＡ仕切弁８とＢ仕切弁９が設けられている。さらに、トラップタンク６には、排気ガスに含まれる凝縮物（固形物質）を分解するための液体（分解液６ａ）が溜められている。また、排気排出管７の任意の部分にはＣ仕切弁１０とＤ仕切弁１１が設けられている。さらに、トラップタンク６には、トラップタンク６内の分解液６ａの目視するための窓６ｂが設けられている。つまり、窓６ｂによってトラップタンク６内に溜まった凝縮物の量が増加して分解液６ａの水面が上昇したかどうかを監視することができる。

図１に示すＣＶＤ装置１の構成についてさらに詳しく説明する。本来は、排気ポンプ４とトラップタンク６までの排気導入管５は部品などを全く取り付けないで直結することが望ましい。しかし、排気導入管５にＡ仕切弁８やＢ仕切弁９を設けているため、そのＡ仕切弁８やＢ仕切弁９による放熱によって排気導入管５が冷却されるので、排気ガスの温度があまり下がり過ぎないように排気導入管５を加熱している。

なお、排気導入管５のＡ仕切弁８及びＢ仕切弁９、及び排気排出管７のＣ仕切弁１０及びＤ仕切弁１１は、ＣＶＤ装置１のメンテナンス時にトラップタンク６を切り離すときに、トラップタンク６や排気ポンプ４や排気排出管７の内部が大気にふれないようにするために設けられている。さらに詳しく述べれば、排気導入管５側のＢ仕切弁９と排気排出管７側のＣ仕切弁１０はトラップタンク６の内部を密閉し、排気導入管５側のＡ仕切弁８は排気ポンプ７の内部を密閉し、排気排出管７側のＤ仕切弁１１は除害装置までの排気排出管７の内部を密閉する機能を備えている。このような４個の仕切弁を設けることによってメンテナンス作業時の安全性を確保している。

また、トラップタンク６の外壁は、水やチラーで冷却された冷却溶媒によって内部の壁を強制冷却している。これによって、トラップタンク６内を通過する排気ガスが冷却されるので、排気ポンプ４からトラップタンク６へ排出された高温の排気ガスを効率的に液化させることができる。また、トラップタンク６の内部には、排気ガスが液化して生じた物質が反応して安定な状態になるような分解液６ａが注入されているので、この分解液６ａによってトラップタンク６の内部に溜まった物質を分解している。これによって、トラップタンク６の内部に溜まった物質が揮発して排気排出管７へ流出するのを防ぐことができる。

トラップタンク６に充填する分解液６ａは、例えば、Ｔａ₂Ｏ₅成膜装置を原料としてぺンタエトキシタンタルを使用する場合は水を用いる。ぺンタエトキシタンタルか未反応ガスとして排気ポンプ４の排気口に流れ、再液化して水と反応した場合の反応式は、
Ｔａ（ＯＣ₂Ｈ₅）₅＋Ｈ₂Ｏ→（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄ＴａＯＨ＋Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ となり、
（Ｃ₂Ｈ₅Ｏ）₄ＴａＯＨがさらに加水分解され、最終的にＴａ₂Ｏ₅（固体）となる。このような固形状態の物質になれば、その物質がトラップタンク６内で揮発して排気排出管７の配管等に付着して固化するおそれはなくなる。

また、トラップタンク６には、その内部を観察してトラップタンク６のメンテナンス時期がわかるように窓６ｂが設けられている。例えば、トラップタンク６は、分解液６ａに沈殿した固形物によって窓６ｂの位置にまで分解液６ａが達した時点でメンテナンスを行う。さらに、メンテナンスを行うためにトラップタンク６を取り外す際には、排気ポンプ４を停止した後、トラップタンク６や排気ポンプ４や排気排出管７の内部を大気に触れさせないように、Ａ仕切弁８、Ｂ仕切弁９、Ｃ仕切弁１０、及びＤ仕切弁１１を閉めた後にトラップタンク６をその接続部より取り外す。また、新しいトラップタンク６を取り付ける場合は、新しいトラップタンク６を取り付けてＡ仕切弁８、Ｂ仕切弁９、Ｃ仕切弁１０、及びＤ仕切弁１１を開けた後に排気ボンプ４を動作させる。なお、メンテナンスの周期はトラップタンク６の容量によって調節できるため、トラップタンク６を大きくすればメンテナンス周期を長くすることができる。

つまり、本発明によれば、ＣＶＤ装置によって半導体基板を成膜するとき、常温常圧では液体であって加熱して気化させる成膜原料を用いる場合、成膜時の排気ガスをトラップタンク６に効率よく排気させるために、排気ポンプ４からの排気が大気圧に開放されて最も液化しやすい状態となる排気ポンプ４の排気口の位置に可能な限り近づけてトラップタンク６を直結している。さらに、トラップタンク６内には、排気ガスに含まれる物質と反応するような分解液６ａを溜めておき、排気ポンプ４の排気側に溜まる排気ガス中の物質を分解液６ａによって強制的に反応させて分解させることにより、凝縮物が揮発してトラップタンク６外に放出されないようにしている。

また、トラップタンク６の内部はトラップタンク６の外壁によって強制冷却している。つまり、排気ポンプ４の排気口付近で断熱膨張による排気ガスの降温効果と、トラップタンク６の外壁によるトラップタンク６内の強制冷却とにより、排気ガスの液化効率を向上させてトラップタンク６内の液体が気化することを防ぐことができる。さらに、メンテナンスにおけるトラップタンク６の取り外し時に、分解したトラップタンク６や排気ポンプ４や排気排出管７の内部へ大気を混入させないために、配管路を閉鎖及び開放するための仕切弁を設けている。

このような構成にすることによって、ＣＶＤ装置１の稼動時には、反応室２から排出された排気ガスは配管３から排気ポンプ４に導かれ、排気ポンプ４から排気導入管５へ排出された排気ガスは液化されて強制的にトラップタンク６へ送り込まれる。トラップタンク６の内部では、分解液６が排気ガスの液化した物質を分解させて固形物を生成する。これによって、固形物は分解液６の中に沈殿するので、排気ガスの液化した物質が揮発して排気排出管７へ流出することはなくなる。このように、排気ガス中の未反応原料や副生成物の凝縮が効率よく起こる場所をトラップタンク６に設けることによって、トラップタンク６以外の配管路で排気ガス中の未反応原料や副生成物が凝縮しないようにし、排気ポンプ３の排気側での凝縮物による詰まりを防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係るＣＶＤ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ＣＶＤ装置、２ 反応室、３ 配管、４ 排気ポンプ（真空ポンプ）、５ 排気導入管、６ トラップタンク（捕集手段）、６ａ 分解液、６ｂ 窓、７ 排気排出管、８ Ａ仕切弁、９ Ｂ仕切弁、１０ Ｃ仕切弁、
１１ Ｄ仕切弁。

Claims (1)

1. 少なくとも、内部に処理ガスを導入することにより半導体基板に所定の処理を施す反応室と、前記反応室内に生じた排気ガスを排出するガス排出手段とを備えた半導体製造装置において、
   前記ガス排出手段は、
   前記反応室に接続された排気通路の途中に設けられ、該排気通路を通じて前記反応室内の排気ガスを排出する真空ポンプと、
   前記真空ポンプから排出されて前記排気通路の途中で冷却された排気ガスを捕集する捕集手段とを備え、
   前記捕集手段は、捕集された前記排気ガス中の物質と反応する液体を溜めていることを特徴とする半導体製造装置。

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