JP2006261285A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスまたは重水素ガスを使用した水素アニールにおいて、安全を確保しつつスループットを向上させること。
【解決手段】ウエハ１の処理室３６に水素ガスを供給する水素ガス供給管４６と、真空ポンプ４１に接続されて処理室３６を排気するメイン排気ライン４０とを備えた水素アニール装置において、メイン排気ライン４０に排気流量を制御する可変流量制御弁４２と、処理室３６に窒素ガスを供給する窒素ガス供給ライン５０とを設ける。水素アニール実施後に１０〜２０％濃度の水素混合窒素ガスの排気流量を１０リットル毎分以下に可変流量制御弁４２で制御してメイン排気ラインを通じ真空ポンプ４１で排気しつつ、真空ポンプ４１に１００リットル毎分の窒素ガスを直接的に供給する。真空ポンプの二次側の水素混合窒素ガスの濃度は２％以下となるので、排気ガスを一般廃棄ガス設備に排出できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板処理装置に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）へのイオン打ち込み工程後のキャリア活性化のためのアニール、多層配線工程の平坦化のためのリフロー、配線工程のメタル配線の自然酸化膜除去や酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理のための低温アニール、酸化、拡散および成膜等々の熱処理（thermal treatment ）を施す熱処理装置（furnace ）に利用して有効な技術に関する。

ＩＣの製造方法の所謂前工程における熱処理工程の実施には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置が、広く使用されている。
バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置は、石英が使用されて上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、処理室内の温度の均一化および汚染低減のためにプロセスチューブとヒータとの間に敷設された均熱チューブ（均熱管）と、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートとを備えており、処理室内に搬入されたボート上のウエハ群をヒータによって加熱することにより、ウエハ群に熱処理を一括して施すように構成されている。例えば、特許文献１参照。
特開２００４−１４５４３号公報

このようなバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置であって、ウエハに水素アニールを大気圧下で施すものとして、バッチ式縦形ホットウオール形常圧アニール装置（以下、水素アニール装置という。）、がある。
一般に、水素アニール装置は、上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートと、処理室に水素ガスまたは重水素ガス（以下、水素という。）を供給する供給管と、処理室を排気する真空ポンプを備えた排気ラインと、排気ガスを燃焼させる燃焼装置を備えた排気ラインと、を備えている。

このような水素アニール装置においては、水素アニールは窒素（Ｎ₂ ）中の水素濃度が１０〜２０％程度で実施されるのが、一般的である。
この水素混合窒素ガスは、水素の爆発範囲である４〜７５％の範囲内であることから、ＩＣ製造工場の一般廃棄ガス設備に直接排出することができない。
この水素混合窒素ガスは少なくとも４％以下の水素濃度に下げることによって爆発の危険性がなくなるので、この水素混合窒素ガスは４％以下の水素濃度に下げることによって一般廃棄ガス設備に直接排出することが可能になる。
通常、真空ポンプの二次側は５０〜１００リットル毎分の窒素ガスによって希釈されて排気されており、仮に、水素ガスが２０％混合した水素混合窒素ガスを排気しても、排気流量が５〜１０リットル毎分であれば、排気ガス中の水素濃度は、真空ポンプの二次側で２％以下となるので、一般廃棄ガス設備に直接排気することができる。
しかし、水素混合窒素ガスの排気流量が制御されずに真空ポンプに流れ込み、真空ポンプの二次側に排出されると、真空ポンプの二次側での水素濃度が水素の爆発範囲に入る可能性がある。
このため、水素アニール装置において処理室内の水素ガスを窒素ガスを使用して別の排気ラインに一度排出し、この排気ラインに設置された燃焼装置において、水素を燃焼させることにより水または水蒸気化させ、その後に、処理室内に残留している水素濃度が充分低いレベルになってから、処理室を真空ポンプを備えた排気ラインによって真空排気し、処理室から水素成分を完全に排出する方法が、実施されている。

しかしながら、前述した従来の水素アニール装置においては、水素アニールステップが終了してから処理室内の水素ガスを完全に排出するまでに長時間（例えば、４０分以上）が浪費されるために、ウエハが必要以上に高温状態で維持されることによるプロセス特性（所謂サーマルバジェット）の劣化を招くという問題点や、水素アニール工程全体としてのスループットが低下するという問題点、がある。

本発明の目的は、水素アニール工程の安全を確保しつつ、その品質およびスループットを向上させることができる基板処理装置を提供することにある。

本願が開示する発明のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）基板を熱処理する処理室と、
前記処理室内に水素ガスまたは重水素ガスを供給する供給管と、
前記処理室内を排気する排気ラインと、
前記排気ラインに設けられ排気ガスの流量を制御するガス流量コントローラと、
を備えていることを特徴とする基板処理装置。
（２）水素アニール終了後に、水素アニールに使用された水素ガスを排気流量をガス流量コントローラによって制御しながら、排気ラインによって排気するとともに、不活性ガスを排気ラインに流すことを特徴とする半導体装置の製造方法。

前記（１）によれば、水素ガスまたは重水素ガスの濃度を安全な濃度以下にガス流量コントローラによって制御して、排気ラインによって直接排気することにより、水素アニールステップ後の排気ステップ時間を短縮することができるので、水素アニール工程の安全を確保しつつ、その品質およびスループットを向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、図１および図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置は、水素アニール装置（バッチ式縦形ホットウオール形常圧アニール装置）１０として構成されている。この水素アニール装置１０はＩＣの製造方法におけるメタル配線の自然酸化膜除去や酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理等を実施するものとて構成されている。

図１および図２に示された水素アニール装置１０は、ロードロック方式（ゲートバルブ等の隔離バルブを用いて処理室と予備室とを隔離し、処理室への空気の流入を防止したり、温度や圧力等の外乱を小さくして処理を安定化させる方式）の熱処理装置として構成されている。
すなわち、水素アニール装置１０は少なくとも大気圧および大気圧未満（減圧）の気密を維持可能な略直方体の気密室を形成する箱形状に構築された筐体１１を備えており、筐体１１の気密室はロードロック方式の予備室であって、ボートが処理室への搬入搬出に対して待機する待機室１２を構成している。
図２に示されているように、待機室１２の正面壁にはウエハ搬入搬出口１３が開設されており、ウエハ搬入搬出口１３はゲートバルブ１４によって開閉されるように構成されている。

図２に示されているように、待機室１２のウエハ搬入搬出口１３側にはウエハ移載室筐体１５が隣接して構築されており、ウエハ移載室筐体１５はウエハ移載室１６を形成している。ウエハ移載室筐体１５のウエハ搬入搬出口１３の反対側には前側のウエハ搬入搬出口１７が開設されており、前側のウエハ搬入搬出口１７はゲートバルブ１８によって開閉されるように構成されている。
ウエハ移載室１６にはウエハ移載装置（wafer transfer equipment )１９が設置されている。ウエハ移載装置１９は複数枚または一枚のツィーザ２０を備えており、ウエハ１を保持したツィーザ２０を三次元的に移動させることにより、複数枚または一枚のウエハ１をウエハ搬入搬出口１３から待機室１２へ搬入して、後記するボートに移載するように構成されている。

図１に示されているように、待機室１２には送りねじ軸装置によって構成されたボートエレベータ２１が設置されている。すなわち、ボートエレベータ２１は待機室１２に垂直に立脚されて回転自在に支承された送りねじ軸２２と、待機室１２の外部に設置されて送りねじ軸２２を回転駆動するモータ２３と、送りねじ軸２２に噛合されて送りねじ軸２２の回転に伴って昇降する昇降台２４と、昇降台２４に水平に突設された支持アーム２５とを備えている。
支持アーム２５の先端部にはシールキャップ２７がベース２６を介して水平に支持されている。シールキャップ２７はプロセスチューブ３５の外径と略等しい円盤形状に構築されている。

シールキャップ２７の中心線上には、円筒形状に形成されたボート２９が垂直に立脚されて、断熱キャップ２８を介して支持されるようになっている。断熱キャップ２８はボート２９をシールキャップ２７から持ち上げることにより、ボート２９を温度制御が不安定なボート搬入搬出口の付近から離間させるようになっている。ボート２９は複数枚のウエハ１を中心を揃えて水平に整列させた状態で保持することができるように構成されている。

図１および図２に示されているように、待機室１２の天井壁にはマニホールド設置口３０が開設されており、待機室１２の天井壁の上には、ヒータユニット３１がマニホールド設置口３０を被覆するように垂直に設置されている。
ヒータユニット３１はステンレス鋼板等によって形成されたケース３２と、断熱材によって円筒形状に形成されてケース３２内に据え付けられた断熱槽３３と、電気抵抗発熱体等によって形成されて断熱槽３３の内周面に敷設されたヒータ３４とを備えている。
ヒータ３４は温度コントローラ（図示せず）によってシーケンス制御およびフィードバック制御されるように構成されている。

ヒータ３４の内側にはプロセスチューブ３５が、マニホールド設置口３０に同心円に配置されている。プロセスチューブ３５は石英が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ３５の筒中空部によって処理室３６が形成されており、処理室３６はボート２９によって略水平姿勢で垂直方向に整列した状態に保持された複数枚のウエハを収容することができるように構成されている。
なお、プロセスチューブ３５の内径は取り扱うべきウエハの最大外径（例えば、３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。

マニホールド設置口３０には、プロセスチューブ３５と同径の円筒形状に形成されたマニホールド３７が同心円に配されて設置されており、プロセスチューブ３５はマニホールド３７の上に載置された状態で、筐体１１の天井壁に垂直に支持されている。
図１および図２に示されているように、ボート２９が処理室３６から搬出されている時には、マニホールド３７の下端開口（炉口）は、炉口ゲートバルブであるシャッタ３８によって閉塞されるように構成されている。

図１に示されているように、マニホールド３７には処理室３６内を排気する処理室用排気管３９が接続されており、処理室用排気管３９にはメイン排気ライン４０の一端（上流側端）が接続されている。
メイン排気ライン４０の他端（下流側端）は真空ポンプ４１に接続されており、メイン排気ライン４０の途中には可変流量制御弁（ガス流量コントローラ）４２と止め弁４３とが処理室用排気管３９側から配置されて介設されている。メイン排気ライン４０の真空ポンプ４１と止め弁４３との間には、処理室用窒素ガス供給装置５１や待機室用窒素ガス供給装置５３および専用の窒素ガス供給装置（図示せず）から窒素ガスが供給されるようになっている。
メイン排気ライン４０にはスロー排気ライン４４が止め弁４３を迂回するように接続されており、スロー排気ライン４４の途中には止め弁４５が、メイン排気ライン４０の止め弁４３と並列に介設されている。

マニホールド３７には処理室３６内に水素ガスまたは重水素ガス（以下、水素ガスという。）を供給する水素ガス供給管４６が挿通されて支持されており、水素ガス供給管４６の内側端にはノズル４７の下端が接続されており、ノズル４７は垂直に立脚されて、上端のガス吹出口が処理室３６内の上端部に配置された状態になっている。

水素ガス供給管４６の外側端には水素ガス供給ライン４８の一端が接続されており、水素ガス供給ライン４８の他端は、水素ガスを供給するための水素ガス供給装置４９に接続されている。
水素ガス供給ライン４８の途中には窒素ガス供給ライン５０の一端が接続されており、窒素ガス供給ライン５０の他端は、窒素ガスを供給するための処理室用窒素ガス供給装置５１に接続されている。

図１に示されているように、筐体１１には待機室１２内に不活性ガスを供給する待機室用供給管５２が接続されており、待機室用供給管５２には不活性ガスとしての窒素ガスを供給するための待機室用窒素ガス供給装置５３が接続されている。
また、筐体１１には待機室１２内を排気する待機室用排気管５４が接続されている。待機室用排気管５４には真空ポンプや制御弁等によって構成された待機室用排気装置５５が接続されている。

図１に示されているように、水素アニール装置１０はパーソナルコンピュータやパネルコンピュータ等によって構築されたコントローラ６０を備えており、コントローラ６０にはメイン排気ライン４０の可変流量制御弁４２、止め弁４３、スロー排気ライン４４の止め弁４５、水素ガス供給装置４９、処理室用窒素ガス供給装置５１、待機室用窒素ガス供給装置５３および待機室用排気装置５５が接続されている。
コントローラ６０は後述するような作用を実行するように構成（プログラミング）されている。

次に、前記構成に係る水素アニール装置を使用して、メタル配線の自然酸化膜を除去する水素アニール工程を説明する。

これから処理すべき複数枚のウエハ１は、ウエハ移載装置１９のツィーザ２０によって掬い取られて、待機室１２において待機しているボート２９に図１および図２に示されているように移載される。
この際には、プロセスチューブ３５の処理室３６はシャッタ３８によって閉塞されている。
また、処理室３６内および待機室１２内には窒素ガスが、窒素ガス供給ライン５０および待機室用供給管５２からそれぞれ供給されつつ、処理室３６内および待機室１２内が処理室用排気管３９のメイン排気ライン４０および待機室用排気管５４によってそれぞれ排気されている。すなわち、処理室３６内および待機室１２内は窒素ガスによって予めパージされている。

所定の枚数のウエハ１が装填されると、待機室１２内への窒素ガスの供給と排気とがサイクリックに実行される。
その後に、待機室１２内が待機室１２内への窒素ガスの供給によって大気圧に戻されるとともに、待機室１２内の窒素ガスパージが実行される。待機室１２内が大気圧に復帰した後には、待機室１２内に窒素ガスが待機室用供給管５２を通じて供給されつつ、待機室１２内の排気が待機室用排気管５４によって実行される。
なお、待機室１２については少なくとも後述する水素アニールステップ後のウエハ１のボート２９からのディスチャージが完了するまで、この状態を維持する。

待機室１２内の窒素ガスパージ終了後に、ボート２９はボートエレベータ２１によって上昇されることにより、プロセスチューブ３５の処理室３６内に搬入（ボートローディング）される。このとき、処理室３６内の温度は予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃に維持されている。
なお、この際に、処理室３６内および待機室１２内には窒素ガスが窒素ガス供給ライン５０および待機室用供給管５２によってそれぞれ供給されつつ、処理室３６内および待機室１２内が待機室用排気管５４によってそれぞれ排気される。

そして、図３に示されているように、ボート２９が処理室３６内に完全に搬入されると、マニホールド３７の下端開口がシールキャップ２７によって気密封止される。
この状態で、ボート２９は処理室３６に存置される。

ボートローディング後に、処理室３６内には窒素ガスが窒素ガス供給ライン５０を通じて供給されつつ、処理室３６内が処理室用排気管３９のスロー排気ライン４４によって排気される。
その後に、窒素ガス供給ライン５０を通じた窒素ガスの供給が停止され、処理室用排気管３９のメイン排気ライン４０によりメインバキュームされる。
所定の時間経過後に、リークチエックされる。

メインバキュームの開始とともに、昇温ステップが開始される。
メインバキュームおよびリークチェックは昇温ステップと並行して行われる。
処理室３６内の温度が所定の処理温度である１００〜５００℃に達すると、温度は一定に維持される。

リークチェック後に、処理室用窒素ガス供給装置５１がコントローラ６０によって制御されることにより、窒素ガスが処理室３６内に窒素ガス供給ライン５０から水素ガス供給管４６およびノズル４７を経由して供給され、処理室３６内が窒素ガスパージされる。

処理室３６内が窒素ガスパージされ、温度が安定すると、メイン排気ライン４０の可変流量制御弁４２や処理室用窒素ガス供給装置５１および水素ガス供給装置４９がコントローラ６０によって制御されることにより、水素ガスが水素ガス供給管４６からノズル４７を経由して処理室３６内に供給される。
処理室３６内にノズル４７の上端の吹出口から供給された水素ガスは、処理室３６内を流下して処理室用排気管３９によって排気される。
なお、水素アニールステップの処理条件は、例えば、次の通りである。
処理温度は１００〜５００℃、圧力は１００００Ｐａ以上、水素ガスの流量は１〜１５ｓｌｍ（スタンダード・リットル毎分）、窒素ガス中の水素ガスの濃度は１０〜２０％、である。

予め設定された水素アニールステップの処理時間が経過すると、処理室３６内の温度は予め設定された降温ステップの温度シーケンスをもって降温されて行く。
そして、処理室３６の温度が予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃になると、一定に維持される。

水素アニールステップの実施後に、１０〜２０％濃度の水素混合窒素ガスは、図３に示されているように、メイン排気ライン４０に介設された可変流量制御弁４２によって排気流量を１０リットル毎分以下に制御されながら、処理室用排気管３９およびメイン排気ライン４０を通じて真空ポンプ４１によって排気される。
この際、真空ポンプ４１には１００リットル毎分の窒素ガスが、例えば、処理室用窒素ガス供給装置５１や待機室用窒素ガス供給装置５３や専用の窒素ガス供給装置（図示せず）から直接的に供給される。
この真空ポンプ４１への窒素ガスの供給により、処理室３６を真空排気する真空ポンプ４１の二次側の水素混合窒素ガスの濃度は、爆発の危険がない２％以下となる。
したがって、真空ポンプ４１の二次側から吐出される排気ガス（２％以下の水素混合窒素ガス）は、一般廃棄ガス設備に直接的に排出することができる。

処理室３６の温度が予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃になると、ボートアンローディングステップが開始される。
なお、前述したように、待機室１２内には窒素ガスが待機室用供給管５２を経由して待機室用窒素ガス供給装置５３によって常に供給されているので、アンローディングステップ開始前に、待機室１２内は窒素ガス雰囲気に維持されている。
ボート２９の下降に際しては、処理室３６内の圧力は待機室１２の圧力と窒素ガスパージによって均衡される。

処理済みのウエハ１を支持したボート２９が待機室１２に搬出されると、処理室３６はシャッタ３８によって閉塞される（図１および図２参照）。
その後、処理済みのウエハ１がボート２９からウエハ移載装置１９によって脱装（ディスチャージング）される。このときも、待機室１２内には窒素ガスが待機室用供給管５２を通じて供給されつつ、待機室１２内が待機室用排気管５４を通じて排気される。

本実施の形態によれば、次の効果を得ることができる。

1) 真空ポンプの二次側の水素混合窒素ガスの濃度を２％以下に抑制しつつ、水素アニールに使用した水素混合窒素ガスを真空ポンプによって直接的に排気することにより、水素の爆発を防止しつつ、水素アニール終了後にボートを処理室から短時間でボートアンローディングすることができる。

2) 水素アニール終了後にボートを処理室から短時間でボートアンローディングすることにより、水素アニールのプロセス性能の低下を防止することができる。

3) 水素アニール終了後にボートを処理室から短時間でボートアンローディングすることにより、水素アニール装置の総処理時間を短縮することができるので、水素アニール装置および水素アニール工程のスループットを向上させることができる。

4) 真空ポンプの二次側の水素混合窒素ガスの濃度を２％以下に抑制しつつ、水素アニールに使用した水素混合窒素ガスを真空ポンプによって直接的に排気することにより、水素アニール装置内に水素ガス燃焼システムを設置せずに済むために、水素アニール装置の構成が簡単になり、水素アニール装置の製造コストを低減させることができる。

5) 真空ポンプの二次側の水素混合窒素ガスの濃度を２％以下に抑制しつつ、水素アニールに使用した水素混合窒素ガスを真空ポンプによって直接的に排気することにより、一般廃棄ガス設備を簡略化することができるので、排気設備全体としてのコストを低減させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、水素ガス供給管と窒素ガス供給管とは、共用するように構成するに限らず、別々に構成してもよい。

処理室用窒素ガス供給装置と待機室用窒素ガス供給装置とは、共用するように構成してもよい。

本発明は、メタル配線の自然酸化膜を除去する場合について適用するに限らず、酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理のような水素ガスまたは重水素ガスを使用する熱処理全般に適用することができる。

本発明は、バッチ式縦形ホットウオール形水素アニール装置に限らず、水素ガスまたは重水素ガスを使用する熱処理装置全般に適用することができる。

さらには、本発明は、ウエハの熱処理に限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、ＳＯＧ（システム・オン・ガラス）、光ディスクおよび磁気デスク等の熱処理にも適用することができる。

本発明の一実施の形態である水素アニール装置のボートローディング前を示す正面断面図である。 その側面断面図である。 排気ステップ時を示す正面断面図である。

符号の説明

１…ウエハ（基板）、１０…ホットウオール形水素アニール装置（半導体製造装置）、１１…筐体、１２…待機室（予備室）、１３…ウエハ搬入搬出口、１４…ゲートバルブ、１５…ウエハ移載室筐体、１６…ウエハ移載室、１７…ウエハ搬入搬出口、１８…ゲートバルブ、１９…ウエハ移載装置、２０…ツィーザ、２１…ボートエレベータ、２２…送りねじ軸、２３…モータ、２４…昇降台、２５…支持アーム、２６…ベース、２７…シールキャップ、２８…断熱キャップ、２９…ボート、３０…マニホールド設置口、３１…ヒータユニット、３２…ケース、３３…断熱槽、３４…ヒータ、３５…プロセスチューブ、３６…処理室、３７…マニホールド、３８…シャッタ、３９…処理室用排気管、４０…メイン排気ライン、４１…真空ポンプ、４２…可変流量制御弁、４３…止め弁、４４…スロー排気ライン、４５…止め弁、４６…水素ガス供給管、４７…ノズル、４８…水素ガス供給ライン、４９…水素ガス供給装置、５０…窒素ガス供給ライン、５１…処理室用窒素ガス供給装置、５２…待機室用供給管、５３…待機室用窒素ガス供給装置、５４…待機室用排気管、５５…待機室用排気装置、６０…コントローラ。

Claims (1)

1. 基板を熱処理する処理室と、
   前記処理室内に水素ガスまたは重水素ガスを供給する供給管と、
   前記処理室内を排気する排気ラインと、
   前記排気ラインに設けられ排気ガスの流量を制御するガス流量コントローラと、
   を備えていることを特徴とする基板処理装置。

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