JP2006179770A - 基板表面処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】キャリアガスの高温化を実現することができ、よってより高い均質処理を実現することができる基板表面処理装置を提供する。
【解決手段】所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に上流環が接続され、熱媒体を放出する熱媒体出口に下流環が接続され、上流環から下流環へと至る熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように上流環と下流環とに複数の熱伝達路が接続されると共に、熱媒体として気体が用いられている。
【選択図】 図１
【解決手段】所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に上流環が接続され、熱媒体を放出する熱媒体出口に下流環が接続され、上流環から下流環へと至る熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように上流環と下流環とに複数の熱伝達路が接続されると共に、熱媒体として気体が用いられている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、基板表面処理装置に関し、例えば、シリコン基板、化合物半導体基板、ガラス基板等の基板表面にキャリアガスを吹き付けなどにより供給して表面処理を施す基板表面処理装置に関する。
基板表面処理装置は一般に、半導体関連の産業分野においては、半導体基板表面の洗浄・酸化・薄膜の堆積等の処理を施す処理装置として用いられる。また、ガラス関連の産業分野においては液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等のとして用いられる。
図５は、従来例１に係るシコン基板表面処理装置のＭＯＣＶＤチャンバ部の構成例を示す縦断面図である。
図５において、シリコン基板Ｓは、基板下部に設けられたヒータユニット１によって加熱される。
シリコン基板Ｓに対向して設けられたガスノズルプレート２には、シリコン基板Ｓに対して均一に薄膜の原料を供給する目的でキャリアガスＧが供給されるキャリアガス供給口３ａとこのキャリアガス供給口３ａを中心として図示下方に向けて拡開する略円錐形状のキャリアガス拡散部３ｂとを形成した供給金型３が設けられている。また、ガスノズルプレート２にはキャリアガス拡散部３ｂと連通してシリコン基板Ｓの表面に向けてキャリアガスＧを吹き付ける複数のキャリアガス通気孔２ａが形成され、キャリアガス供給口３ａからガス拡散部３ｂを経由してキャリアガス通気孔２ａに至るキャリアガスGの経路をキャリアガス吹き付け流路としている。
キャリアガス吹き付け流路を経て供給されるキャリアガスＧは、シリコン基板Ｓ上で熱分解反応を起こすことによってシリコン基板Ｓの表面に薄膜が堆積される。薄膜形成の役目を終えたキャリアガスＧは、ヒータユニット１とガスノズルプレート２との間に形成されたキャリアガス排気口４を経由して不図示の真空ポンプ等で排気される。
一方、ガスノズルプレート２は、ヒータユニット１とシリコン基板Ｓからの輻射熱を受けて温度が上昇する。一般的には、ガスノズルプレート２の中央部分の温度が周辺部に比較して高くなるので、過熱状態を起こしやすい。この理由によりガスノズルプレート２には一般的に熱伝導性の優れたアルミニウムが使われる。また、ガスノズルプレート２の過熱を防止する目的で、外周水冷式としてガスノズルプレート２の周辺に冷却水用の循環路５を設けるといった工夫がなされている。
しかしながら、このような従来例１のような構成において、大口径のシリコン基板Ｓに対応する為には、ガスノズルプレート２もその直径を拡大する必要が生じる。この為に、外周水冷式のガスノズルプレート２は、その中央部と周辺部とでは５０〜８０℃の温度差が生ずることが知られている。この温度差は、均質な処理を施すための基板表面処理装置にとって致命的な現象となる。
例えば、一般的にＭＯＣＶＤに使われる固体原料は、その蒸気圧が著しく低いために、必要量のＣＶＤ原料を安定に得る為に高温に加熱することが必要である。前記原料ガスの搬送の目的で流されるキャリアガスＧも２００℃程度に加熱された状態でキャリアガス供給口３ａまで供給される。また、キャリアガスＧの加熱を目的に円錐形状のキャリアガス拡散部３ｂの周囲に加熱ヒータ６を設けている。
また、原料ガスを含んだキャリアガスＧの温度が低下した場合は、ガスノズルプレート２を構成する内面あるいはキャリアガス通気孔２ａに原料ガスの成分が凝縮する。これに対し、原料ガスを含んだキャリアガスＧの温度が必要以上に過熱された場合には、ガスノズルチャンバを構成する内面あるいはキャリアガス通気孔２ａで薄膜や中間生成物の堆積を起こすことが知られている。その結果、シリコン基板Ｓ上に、所望の薄膜を得ることが困難となる。
図６は、従来例２に係るシリコン処理装置のＭＯＣＶＤチャンバ部の構成例を示す縦断面図である。
図６に示したものは、ガスノズルプレート１２に複数のキャリアガス通気孔１２ａを形成すると共に、この複数のキャリアガス通気孔１２ａの間に熱媒体の熱伝達路１２ｂを設けたものである。この際、各熱伝達路１２ｂは互いに平行とし、熱媒体の流れ方向を同一にした場合、ガスノズルプレート１２面の温度差は約３０℃と減少した。
しかしながら、処理する表面の面積は益々拡大化される傾向にあり、また、処理の均質化に対する精度要求が高まっている。よって、上記の従来例２における対応等では、近時において要求される基板表面処理装置として不充分であるという問題点を伴う。また、単に複数のキャリアガス通気孔１２ａの間に熱媒体の熱伝達路１２ｂを設けただけでは、使用されるキャリアガスが２００℃と高温であり、この高温状態を維持することは容易ではなかった。
本発明は、より高い温度においても均一処理を行うことができる基板表面処理装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明の基板表面処理装置は、複数のガス通気孔からガスを基板表面に供給して該基板の表面処理を施す基板表面処理装置において、
所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に接続された上流環と、前記熱媒体を放出する熱媒体出口に接続された下流環と、前記上流環から前記下流環へと至る前記熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように前記上流環と前記下流環とに接続された複数の熱伝達路とを備えると共に、
前記熱媒体を前記ガスの供給温度よりも高温な気体としたことを特徴とする。
所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に接続された上流環と、前記熱媒体を放出する熱媒体出口に接続された下流環と、前記上流環から前記下流環へと至る前記熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように前記上流環と前記下流環とに接続された複数の熱伝達路とを備えると共に、
前記熱媒体を前記ガスの供給温度よりも高温な気体としたことを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置は、前記上流環から前記複数の熱伝達路を経由して前記下流環へと至る熱媒体循環路は前記ガスの供給源から前記ガス通気孔に至るガス吹き付け流路の終端部を構成する熱変換板に設けられ、該熱変換板は前記熱媒体循環路によって略均一温度に加熱されることを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置は、前記複数のガス通気孔は前記熱変換板に垂直方向に形成され、前記熱伝達路は前記上流環と略同一平面状の内径側に位置する上流側にて前記前記複数のガス通気孔を通過する際の前記ガスが略均一温度に加熱されることを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置は、前記熱伝達路と前記下流環又は前記上流環との接続部分の少なくとも何れか一方には、前記熱伝達路内を流れる前記熱媒体の流量を制限するための流量調節機構が設けられていることを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置は、前記気体は、アルゴン、窒素、空気の単独ガス又は混合ガスであることを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置は、前記気体が前記ガスの供給温度よりも高温であることを特徴とする。
本発明の基板表面処理装置にあっては、所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に上流環が接続され、熱媒体を放出する熱媒体出口に下流環が接続され、上流環から下流環へと至る熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように上流環と下流環とに複数の熱伝達路が接続されると共に、熱媒体としてキャリアガスの供給温度よりも高温な気体が用いられていることにより、キャリアガスの高温化を実現することができ、よってより高い均質処理を実現することができる。
本発明の基板表面処理装置にあっては、キャリアガスの供給源からキャリアガス通気孔に至るキャリアガス吹き付け流路の終端部を構成する熱変換板に上流環から複数の熱伝達路を経由して下流環へと至る熱媒体循環路が設けられ、この熱媒体循環路によって熱変換板が略均一温度に加熱されることにより、キャリアガスの安定した高温化を実現することができ、よってより一層高い均質処理を実現することができる。
本発明の基板表面処理装置にあっては、熱変換板に複数のキャリアガス通気孔が垂直方向に形成され、複数のキャリアガス通気孔を通過する際のキャリアガスが上流環と略同一平面状の内径側に位置する熱伝達路の上流側にて略均一温度に加熱されることにより、複数のキャリアガス通気孔を通過するキャリアガスの温度を個別且つ高い温度で高温化することができる。
本発明の基板表面処理装置にあっては、熱伝達路内を流れる熱媒体の流量を制限するための流量調節機構が熱伝達路と下流環又は上流環との接続部分の少なくとも何れか一方に設けられていることにより、熱伝達路内を流れる熱媒体の温度を均一に制御することができる。
次に添付図面を参照して本発明による基板表面処理装置の実施の形態を詳細に説明する。図１〜図４を参照すると本発明のシリコン基板表面処理装置の一実施例形態が示されている。
＜問題点の検討＞
一般的に熱源から受けるエネルギーは、例えば円板状の場合は、その中心線を通過する熱伝達路と中心から外周へと離間する程に減少する。このことから、複数の熱伝達路を持つ本方式においては、各熱伝達路の熱媒体の流量を熱伝達路毎に調整する必要がある。なお、流量の調整は実験によって求めることができる。
一般的に熱源から受けるエネルギーは、例えば円板状の場合は、その中心線を通過する熱伝達路と中心から外周へと離間する程に減少する。このことから、複数の熱伝達路を持つ本方式においては、各熱伝達路の熱媒体の流量を熱伝達路毎に調整する必要がある。なお、流量の調整は実験によって求めることができる。
さらに、従来例２の図６において、ガスノズルプレート１２に複数の熱媒体の熱伝達路１２ｂを確保し、この隣接する熱伝達路１２ｂ間にキャリアガス通気孔１２ａを設けると共に各熱伝達路１２ｂを互いに平行とし、隣接する熱伝達路１２ｂを流れる熱媒体の方向を逆方向とした場合、ガスノズルプレート１２内の温度差は−５℃と減少した。
この結果は基板表面処理装置としてはほぼ充分であるが、熱媒体の流れが複雑になる為に、実用的なガスノズルプレート１２の製作並びに熱媒体循環の為の接続方法が極めて複雑になり、このまま基板表面処理装置に採用することはできない。
熱源を内蔵するチャンバ壁（円筒状、箱状）に対しても、互いに対向する熱媒体の流れを構成することで、壁の温度を制御することが可能である。この場合は固定式のオリフィスよりも絞り弁を各熱伝達路に取付ける方が便利である。
＜本実施の形態の構成＞
図１（Ａ）は本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の構成を概念的に示す斜視図、図１（Ｂ）は熱媒体の流路の説明図、図２は同じく本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の構成を概念的に示す断面図、図３は同じく本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の要部の拡大断面図、図４は同じく本発明の基板表面処理装置の断面図である。
図１（Ａ）は本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の構成を概念的に示す斜視図、図１（Ｂ）は熱媒体の流路の説明図、図２は同じく本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の構成を概念的に示す断面図、図３は同じく本発明の基板表面処理装置に適応される熱媒体循環の要部の拡大断面図、図４は同じく本発明の基板表面処理装置の断面図である。
本実施形態に適用される熱媒体循環は、上述したヒータユニット１、キャリアガス排気口４を備えている。
シリコン基板Ｓに対向して設けられたガスノズルプレート２２には、シリコン基板Ｓに対して均一に薄膜の原料を供給する目的でキャリアガスＧが供給されるキャリアガス供給口２２ａとこのキャリアガス供給口２２ａを中心として図示下方に向けて拡開する略円錐形状のキャリアガス拡散部２２ｂと、キャリアガス拡散部２２ｂと連通してシリコン基板Ｓの表面に向けてキャリアガスＧを吹き付ける複数のキャリアガス通気孔２２ｃとが形成され、キャリアガス供給口２２ａからガス拡散部２２ｂを経由してキャリアガス通気孔２２ｃに至るキャリアガスＧの経路をキャリアガス吹き付け流路としている。
キャリアガス吹き付け流路を経て供給されるキャリアガスＧは、シリコン基板Ｓ上で熱分解反応を起こすことによってシリコン基板Ｓの表面に薄膜が堆積される。薄膜形成の役目を終えたキャリアガスＧは、ヒータユニット１とガスノズルプレート２との間に形成されたキャリアガス排気口４を経由して不図示の真空ポンプ等で排気される。
一方、ガスノズルプレート２２には、高温気体からなる熱媒体の熱伝達路を形成するキャリアガス加熱管ユニット３０が配置されている。
このキャリアガス加熱管ユニット３０は、図１に示すように、熱媒体入口となる供給管３１と接続された下方に大口径の円環状の上流環３２と、熱媒体出口となる排出管３３と接続された上方に小径な円環状の上流環３４とが平行に配置されると共に、これら上流環３２と下流環３４とを接続して熱媒体入口から供給されて熱媒体出口から排出される熱媒体の流れを規定する複数の熱伝達路を構成する略Ｌ字形状に屈曲された接続管３５とを備えている。
接続管３５は、上流環３２と同一平面状の内径側に位置して端部が上流環３２に接続された熱伝達管部３５ａを上流側に備えている。この際、図１（Ｂ）に示すように、供給管３１を基準として熱伝達管部３５ａを上流環３２に交互に接続することにより、供給管３１から供給されて図示左右に分散された熱媒体は、隣接する熱伝達管部３５ａで互いに逆方向に流れることとなる。また、各熱伝達管部３５ａは、図４に示すように、熱媒体の流れ方向上流側に位置して比較的高温状態を維持している熱伝達管部３５ａがキャリアガス通気孔２２ｃの間に交互に配置され、このキャリアガス通気孔２２ｃを通過するキャリアガスＧの温度を調節する。
この際、キャリアガスＧを加熱する必要がある場合、例えば、本実施の形態に示すようなシリコン基板Ｓといった半導体関連の産業分野における基板表面の処理装置として使用する場合には熱媒体に高温ガスが用いられる。また、キャリアガスＧを冷却する場合、例えば、ガラス関連の産業分野における液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の基板表面の洗浄処理装置として使用する場合には熱媒体に冷却水や低温ガスが用いられる。尚、高温ガスの種類としては、アルゴン、窒素、空気等が使用されるが、何れの媒体にあってもキャリアガスＧの加熱温度（冷却温度）に応じた種類や温度設定されたものが用いられるのは勿論である。また、特に加熱を目的とした場合には、高温ガスといった気体の温度設定は液体よりも高く設定することができ、しかも、キャリアガス加熱管ユニット３０の流路内壁を削るといった経年劣化も少ないといった利点を有する。
尚、各接続管３５は、例えば、供給管３１からの接続距離（接続位置）や熱伝達管部３５ａの長さ等の条件を考慮して下流環３４（或いは上流環３２）との接続部に、熱伝達管部３５ａ内を流れる熱媒体の流量を制限するオリフィスまたは流量調節を行う絞り機構３５ｂを設けてキャリアガスＧの温度の均一化を図ることも可能である。
このように、本実施形態に適応される熱媒体循環路は、上流環３２、下流環３４、上流環３２及び下流環３４を接続する複数の熱伝達路を形成する接続管３５を備え、且つ、複数のキャリアガス通気孔２２ｃを形成したガスノズルプレート２２はキャリアガスＧの熱変換板として構成される。
また、熱伝達管部３５ａで形成される熱伝達路は相互に平行で且つ隣接する熱伝達路内を流れる熱媒体の流れの方向が隣接するもの同士で交互であるため、特に大口径のガスノズルプレート２２における上流点と下流点間に生じる温度差を緩和することができる。以下、この関係を詳述する。
熱伝達路において、熱媒体の温度が熱変換板としての機能を有するガスノズルプレート２２よりも高い場合は、熱媒体の温度が熱伝達路を経由してガスノズルプレート２２に伝えられる。逆に、熱媒体の温度がガスノズルプレート２２よりも低い場合は、ガスノズルプレート２２を冷却することになる。従来の基板表面処理装置と比較した場合、熱伝達路を流れる熱媒体とヒータとシリコン基板Ｓからの幅射熱で加熱されている熱変換板において、熱伝達作用に係わる構成が基本的に相違する。
この熱変換において、熱変換板を加熱する場合には、熱伝達路内の熱媒体温度を、上流側と下流側とで比較した場合、上流側の温度が高く、下流側の温底は低くなる。よって同一の熱伝達路において上流と下流ではでは温度差が発生する。この熱変換において、熱変換板を冷却する揚合には、熱伝達路内の熱媒体温度を、上流側と下流側とで比較した場合、上流側の温度が低く、下流側の温度は高くなる。よって同一の熱伝達路において上流と下流では温度差が発生する。
ところで、ガスノズルプレート２２の全体としてみた場合は、隣接する熱伝達路は上流及び下流の方向が相互に逆方向とされている。よってガスノズルプレート２２の隣接する領域の温度差の高低が高／低／高／低・・・・と構成される。
ここで、本構成は、ガスノズルプレート２２に潜在的に生ずる温度差の要因を解消させる方向へ働く。よって、ガスノズルプレート２２は、より均一的に熱媒体により加熱することが可能となる。ガスノズルプレート２２の加熱の均一化は、オリフィス８による各熱伝達路内の、熱媒体の流量を調節することによっても調整することができる。
図４に示した本実施形態の基板表面処理装置において、シリコン基板Ｓは下部に設けられたヒータユニット１によって加熱される。このシリコン基板Ｓに対向して設けられたガスノズルプレート２２には、シリコン基板Ｓに対して均一に薄膜の原料を供給する目的で複数のキャリアガス通気孔２２ｃと円錐形状のキャリアガス拡散部２２ｂとが設けられている。キャリアガス通気孔２２ｃを経て供給されるキャリアガスＧは、シリコン基板Ｓ上で熱分解反応を起こすことによってシリコン基板Ｓの表面に薄膜が堆積される。薄膜形成の役目を終えたキャリアガスＧは、排気口４を経由して真空ポンプ等で排気される。
ガスノズルプレート２２は、供給管３１から熱媒体（高温ガス）が供給され、上流環３２、接続管３５、下流環３４等により構成される本実施形態に適用される熱媒体循環のガスノズルプレート２２を経て、排出管３３から排出される。これにより一方の熱媒体は、自己の保持する熱エネルギーを供給し、熱媒体としての役目を終了する。他方のガスノズルプレート２２は、熱媒体から自己の構成する板の平面において熱供給を受け、均一的な温度に熱せられる。
シリコン基板Ｓの表面を表面処理するためのキャリアガスＧは、キャリアガス供給口３ａから均一分布化されて供給され、ガスノズルプレート２２のキャリアガス通気孔２２ｃにおいて熱せられ、シリコン基板Ｓの表面を加熱し表面処理した後、排気口４から排気される。
３１…供給管（熱媒体入口）
３２…上流環
３３…排出管（熱媒体出口）
３４…下流環
３５…接続管
３５ａ…熱伝達管部（熱伝達路）
３５ｂ…オリフィス
２２…ガスノズルプレート（熱変換板）
２２ｃ…キャリアガス通気孔
３２…上流環
３３…排出管（熱媒体出口）
３４…下流環
３５…接続管
３５ａ…熱伝達管部（熱伝達路）
３５ｂ…オリフィス
２２…ガスノズルプレート（熱変換板）
２２ｃ…キャリアガス通気孔
Claims (6)
- 複数のガス通気孔からガスを基板表面に供給して該基板の表面処理を施す基板表面処理装置において、
所定の熱媒体を供給する熱媒体入口に接続された上流環と、前記熱媒体を放出する熱媒体出口に接続された下流環と、前記上流環から前記下流環へと至る前記熱媒体の流れ方向が互いに隣接するもの同士で逆方向となるように前記上流環と前記下流環とに接続された複数の熱伝達路とを備えると共に、
前記熱媒体を気体としたことを特徴とする基板表面処理装置。 - 前記上流環から前記複数の熱伝達路を経由して前記下流環へと至る熱媒体循環路は前記ガスの供給源から前記ガス通気孔に至るガス吹き付け流路の終端部を構成する熱変換板に設けられ、該熱変換板は前記熱媒体循環路によって略均一温度に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の基板表面処理装置。
- 前記複数のガス通気孔は前記熱変換板に垂直方向に形成され、前記熱伝達路は前記上流環と略同一平面状の内径側に位置する上流側にて前記前記複数のガス通気孔を通過する際の前記ガスが略均一温度に加熱されることを特徴とする請求項２に記載の基板表面処理装置。
- 前記熱伝達路と前記下流環又は前記上流環との接続部分の少なくとも何れか一方には、前記熱伝達路内を流れる前記熱媒体の流量を制限するための流量調節機構が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の基板表面処理装置。
- 前記気体は、アルゴン、窒素、空気の単独ガス又は混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の基板表面処理装置。
- 前記気体が前記ガスの供給温度よりも高温であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の基板表面処理装置。
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