JP2006303414A

JP2006303414A - 基板処理システム

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Publication number: JP2006303414A
Application number: JP2005280964A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Konno; 義和金野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】排気系の排気用ポンプ下流側の排気経路に、副生成物が付着することを防止出来る基板処理システムを提供する。
【解決手段】基板処理装置は、ウェハを処理する処理室２０１を形成する反応管２０３と、処理室２０１内のウェハを加熱するヒータ２０７と、処理室２０１に複数の処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室２０１内のガスを排気する排気系１０とを備える。排気系１０は、排気管２３１及び排気管２３１を介して処理室２０１内のガスを排気する真空ポンプ２４６と、排気管２０及び排気管２０により真空ポンプ２４６からの排気ガスを除害処理をする除害装置３０と、加熱された不活性ガスを供給する加熱ガス供給ユニット４０，５０とを有し、加熱ガス供給ユニット４０，５０から真空ポンプ２４６の排気口付近の筐体内、三方弁３２の上流側近傍の排気管２０に加熱された不活性ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のガスを処理室内に供給して、半導体ウェハ等の基板に成膜等の処理を行なう基板処理システムに係り、特に処理室内の雰囲気を排気する排気系に付着堆積する副生成物の低減を図った基板処理システムに関する。

基板処理システム、例えば半導体製造装置にあっては、半導体基板を処理する処理室と、複数の処理ガスを処理室に供給するガス供給手段と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、処理室内の基板を加熱するヒータとを備えている。排気系の排気管には、真空ポンプ（排気手段）が設けられると共に、真空ポンプの下流側の排気管は、排気ガスを除害処理する除害装置に接続されている。

基板処理方法には、通常、複数の処理ガスを同時に供給するＣＶＤ法が採用されている。このＣＶＤ法を用いた半導体製造装置（ＣＶＤ装置という）では、複数のガスを同時に供給する処理法であるため、排気系には複数のガスが共存しており、副生成物が付着し易くなる。排気系に副生成物が付着すると、排気管や真空ポンプなどのメンテナン頻度が増加し、メンテナンス費用が増加するばかりでなく、装置稼働率が低下してしまう。このため、従来、排気系に、室温の状態の不活性ガス（副生成物昇華用のガス）を導入して、副生成物の付着を防止する提案がある。

しかしながら、上記従来技術では、室温の状態の不活性ガスを供給しているため、排気系を流れる不活性ガスを含む排気ガスは、排気管等との接触により徐々に低温化し、排気系に副生成物が付着するという問題があった。殊に、設備レイアウト上、真空ポンプと除害装置との間の排気管が非常に長くなる場合に大きな問題となる。真空ポンプと除害装置との間の排気管が長くなる場合は、例えば、多数の半導体製造装置の排気ガスを、１台の除害装置で共通に処理するシステムにおいて、除害装置に対して距離の遠い半導体製造装置がでてくる場合である。

ところで、基板処理法には、ＣＶＤ法の他に、複数のガスを交互に供給する処理方法、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法がある。このＡＬＤ法では、ＣＶＤ法とは異なり、複数のガスが排気系で共存することがないので、本来排気系に副生成物が付着しないはずである。しかし、真空ポンプの排気口側、及びそれより下流側の排気系では、ガス圧が比較的に高く排出作用も弱くなるので、前の処理で使用したガスが残留し次のガスと混合して反応ガスを生成することがあり、ＡＬＤ法であっても、排気系に副生成物が付着することになる。

特に、上述したように、真空ポンプと除害装置との間の排気管が長くなる場合などに、排気ガス温度が低下すると、排気経路のガスが流れにくく滞留しやすい箇所・部分では、その内壁に副生成物が付着堆積し、排気経路の詰まりが発生することになる。

本発明の課題は、複数のガスを処理室内に供給して基板に処理を行なう基板処理システムにおいて、排気系の排気用ポンプ下流側の排気経路に、副生成物が付着することを防止できる基板処理システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の基板処理システムは、基板を収容する処理室と、前記処理室内の基板を加熱する加熱手段と、前記処理室に所望のガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排気するポンプを含む排気系と、前記排気系の一部であって、前記ポンプの下流側に設けられ排気ガスの除害処理を行う除害処理部とを備え、前記ポンプと前記除害処理部との間の排気経路において、排気コンダクタンスが大きく変化する箇所の上流側近傍から、加熱された不活性ガスを供給することを特徴とする。

排気経路の排気コンダクタンスが大きく変化する箇所・部分では、排気ガスの流れが乱されたり阻害されたりして、その箇所・部分又はその近傍に、排気ガスの滞留・淀みが生じ易い。従って、ポンプと除害処理部との間の排気経路が長い場合などに、排気ガスが排気管等との接触により徐々に低温化すると、排気系のポンプ下流側（２次側）の背圧は比較的に高いこともあって、上記排気ガスの滞留・淀みが生じ易い部分では、排気管等の内壁に副生成物が付着堆積してしまう。

そこで、本発明では、ポンプと除害処理部との間の排気経路中の、排気コンダクタンスが大きく変化する箇所の上流側近傍から、室温状態より加熱されて昇温・高温化された不活性ガスを供給している。昇温・高温化された不活性ガスは、排気経路を流れる排気ガスの温度を瞬時に上げることができるので、不活性ガス供給部の下流側の、上記排気ガスの滞留・淀みが生じ易い部分の排気ガス温度が上昇し、その部分の内壁に副生成物が付着堆積するのを防止ないし大幅に低減することができる。
更に、不活性ガスの供給によって、上記滞留・淀みが生じ易い部分の排気ガスの流れが改善され、副生成物の付着が低減されることになる。

また、本発明は、上述したように、排気ガスの滞留・淀みが生じ易い部分に的確に対応して、加熱された不活性ガスを供給しているので、比較的に少量の不活性ガスによって有効に効率よく副生成物の付着を防止することができる。

排気経路の排気コンダクタンスが大きく変化する箇所とは、経路の方向変化、経路形状の変化、合流、分流、経路内の障害物などがある箇所・部分である。具体的には、排気経路の開閉・開度制御・切替等を行うバルブ（三方弁、二方弁など）、排気経路を方向変換させるエルボ部・ベンド部、排気経路を分岐・集合させるティー部・Ｙ（ワイ）部や配管集合部（マニホールドなど）、排気経路を縮径または拡径させる配管径変換部・径違い継手部、排気経路の流れの障害となる段差部、排気経路に設置される各種機器などが挙げられる。

本発明によれば、排気系の排気用ポンプ下流側の排気経路に、副生成物が付着することを防止できる。したがって、排気系の排気管や除害処理部などのメンテナン頻度を低減することができ、メンテナンス費用を削減できるばかりでなく、システム稼働率を向上できる。

以下に本発明に係る基板処理システムの一実施形態として、縦型の処理炉を備えた半導体製造装置について説明する。

図３に示すように、装置の筐体１０１内の前面側には、外部との間で基板収納容器（基板保持具）としてのカセット１００の授受を行うカセットステージ（保持具授受部材）１０５が設けられている。カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００を載置するカセット棚１０９が設けられると共に、カセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には、基板としてのウェハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を、処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１に取り付けられた昇降部材１２２の先端部には、蓋体としてのシールキャップ２１９が取り付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウェハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウェハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウェハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウェハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働により、カセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９には、ウェハ移載機１１２の搬送対象となるウェハ２００が収納されたカセット１００が載置される移載棚１２３があり、ウェハ２００が移載に供されるカセット１００は、カセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウェハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び前記移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により、移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウェハ２００を移載する。

ボート２１７に所定枚数のウェハ２００が移載されると、ボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウェハ２００が加熱されると共に、図示省略のガス供給管から処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウェハ２００に処理がなされる。

処理炉２０２の下部には排気管２３１が接続され、排気管２３１は真空ポンプ２４６に接続されており、真空ポンプ２４６により処理炉２０２内の処理後の残留ガス（排気ガス）は真空排気される。真空ポンプ２４６の排気口には排気管２０を介して除害装置３０が設けられており、真空ポンプ２４６から排気されてきた排気ガスは除害装置３０によって除害処理されて大気中に排出されるようになっている。

ウェハ２００への処理が完了すると、ウェハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。尚、炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

次に、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ＣＶＤ法の中の１つである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ＤＣＳ（ジクロルシラン、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）とＮＨ_３（アンモニア）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１オングストローム／サイクルとすると、２０オングストロームの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）

この成膜処理を図４及び図５を用いて具体的に説明する。図４は、本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉（処理炉部分を縦断面で示した）の概略構成図であり、図５は本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉（処理炉部分を横断面で示した）の概略構成図である。

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の反応管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て、反応管２０３内部に処理室２０１が形成される。少なくとも、これらヒータ２０７、反応管２０３及びシールキャップ２１９により処理炉２０２が形成されている。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が水平姿勢で反応管２０３の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には、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が設けられている。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を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。また、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を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。

処理炉２０２は、ガスを排気する排気管である排気管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。上述した排気管２３１、第４のバルブ２４３ｄ、真空ポンプ２４６等から排気系が構成される。

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が形成されており、バッファ室２３７のウェハ２００と隣接する区画壁の一端部側には、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には、第１のガス供給孔２４８ａが設けられた一端部側とは反対の他端部側には、ノズル２３３が、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。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のが良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって次第に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。

本実施の形態において、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積および開口ピッチを上流側から下流側にかけて調節することで、まず、各第２のガス供給孔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。更に、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に一旦導入することで、各第２のガス供給孔２４８ｂから噴出・導入された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不活性ガスでパージして、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ている。

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に複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とは異なるガス種を分担して供給する供給部である。

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、ガス供給部２４９の下部には第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に出し入れ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が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ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつ排気管２３１から排気する。ＮＨ_３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ＮＨ_３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ_３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。ＮＨ_３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ＮＨ_３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ＮＨ_３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、ＮＨ_３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ＮＨ_３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、ＮＨ_３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、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ＮＨ_３を処理炉２０２から排除する。また、この時にはＮ_２等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留ＮＨ_３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^−３ｍ^３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積に対する必要なガス溜め２４７の容積を、これらの容積比として考えると、反応管２０３の容積が１００ｌ（リットル）の場合においては、ガス溜め２４７の容積は１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の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、排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止め、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秒に設定し、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ＮＨ_３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ＮＨ_３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Ｎ_２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処理で必要なステップであるＮＨ_３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ＮＨ_３ガスを除去してから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ＮＨ_３とのみ有効に反応させることができる。

ところで、上述したように、処理室に複数の処理ガスを交互に供給しつつ排気してウェハを処理するＡＬＤ法による処理炉においては、排気系の真空ポンプの２次側の排気管路では、排気作用が弱く排気ガスが滞留し易くなるので、複数のガスが合流接触して反応副生成物が排気管路に析出付着し、この反応副生成物が堆積することにより排気管路が詰まってしまうおそれがある。このため、処理炉を停止して排気管等を洗浄するなどのメンテナンスを頻繁に行う必要があった。この排気管路の詰まりは、特に、真空ポンプの２次側の排気管路中の、排気コンダクタンスが大きく変わって排気ガスの滞留・淀みが生じやすい箇所において、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、真空ポンプの下流側（２次側）の排気管路中の、排気コンダクタンスが大きく変わって排気ガスの滞留・淀みが生じやすい箇所（バルブ等）の上流側近傍の排気管路から、加熱された不活性ガスを供給して、排気管路に反応副生成物が形成されないようにした。以下、これを説明する。

図１に、本発明の実施の形態にかかる縦型の処理炉を備えた基板処理装置の排気系の概略構成図を示す。

ＡＬＤ法により基板（ウェハ）の処理を行う基板処理装置は、ウェハを処理する処理室２０１が内部に形成される反応管２０３と、反応管２０３の外側を覆うように設けられ、処理室２０１内のウェハを加熱する加熱手段としてのヒータ２０７と、処理室２０１に複数の処理ガスを交互に供給する処理ガス供給手段（図示せず）と、処理室２０１内のガスを排気する真空ポンプ２４６及び排気ガスの除害処理をする除害装置３０を有する排気系１０とを備えている。

排気系１０の排気管は、反応管２０３下部の排気ポートと真空ポンプ２４６の吸気口との間に配設されたポンプ系の排気管２３１と、真空ポンプ２４６の排気口と除害装置３０の本体部分である除害処理部としての燃焼室３１との間に配設された除害装置系の排気管２０とを有する。また、排気系１０は、加熱された不活性ガスを排気系１０に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４０，５０を備えている。

加熱ガス供給ユニット４０，５０は、不活性ガスを加熱する加熱手段と、加熱手段で加熱して高温になった不活性ガス、例えばＮ_２を排気系１０に供給するガス供給配管４１，５１とを有する。不活性ガスを高温に加熱する加熱手段としては、ランプ加熱器の他に、抵抗加熱器、プラズマ加熱器等がある。

除害装置は、排気ガスに含まれる有害物質を、燃焼させたり、触媒に通して中和させたり、溶媒に溶かし込んだりして、無害化したり除去したりするものである。この実施形態の除害装置３０は、燃焼式のもので、排気管２０から三方弁３２を経由して燃焼室３１に導入された排気ガスを、燃焼室３１の火炎によって燃焼除害するよう構成されている。燃焼室３１にはバーナー等の燃焼器（図示せず）が設けられ、この燃焼器に燃料とエアーが供給されて火炎が形成されるようになっている。
なお、除害装置３０には、上述した構成の燃焼室３１を備えた燃焼除害モジュールが複数設けられており、他の処理炉からの排気ガスは、除害装置３０の他の燃焼除害モジュールに導入されて除害処理されるようになっている。また、燃焼除害モジュールには、燃焼室３１から排出される燃焼除害後のガスを更に洗浄・冷却・中和などを行うスクラバが設けられる場合がある。

図２は、三方弁３２の概略構造を示す縦断面図である。三方弁３２は、図示のように、Ｔポート型のボールバルブで、入力ポート３４、出力ポート３５及びバイパスポート３６を有するバルブ本体３３と、同じくＴ字状の通路３８が形成されたボール状（球状）の弁体３７とを有する。弁体３７には、図示省略の弁軸がバルブ本体３３を貫通して取り付けられており、この弁軸の作動により弁体３７が回転してポートの切換が行われる。
図２（ａ）は、通常の基板処理時の弁体３７の位置を示し、弁体３７によりバイパスポート３６は閉じられ、真空ポンプ２４６から排気管２０を通って三方弁３２に送られてきた排気ガスは、三方弁３２の入力ポート３４から出力ポート３５へとストレートに流れ、除害装置３０の燃焼室３１内に流入する。また、図２（ｂ）は、除害装置３０がトラブルを起こしたときなどの緊急時の弁体３７の位置を示し、弁体３７により出力ポート３５は閉じられ、真空ポンプ２４６からの排気ガスは、三方弁３２の入力ポート３４からバイパスポート３６へと流れ、バイパスライン（図１のバイパス管３９）を通って除害装置３０の他の処理炉の燃焼除害モジュールに、あるいはスクラバ（スクラバが設けられている場合には）に送られる。

真空ポンプ２４６の吸気口側（１次側）に設けた排気管２３１内は、真空ポンプ２４６の排出作用が有効に働いているため、前の処理で使用した処理ガスが残留しにくく、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の排気口側（２次側）及びそれより下流側の排気管２０内は、排出作用が弱くなるので、前の処理で使用した処理ガスが残留し、次の処理ガスと混合する。従って、ＡＬＤ処理であっても、真空ポンプ２４６の排気口側、及びそれより下流側の排気管２０には、副生成物が付着し易くなる。

そこで、まず、この実施形態では、加熱ガス供給ユニット４０のガス供給配管４１を真空ポンプ２４６の排気口付近の筐体に接続して、加熱された高温の不活性ガスを、真空ポンプ２４６の排気口付近の筐体内に供給している。これにより、真空ポンプ２４６の排気口及びその下流の排気管２０内を流れる排気ガスの温度を高めることができ、真空ポンプ２４６の排気口側の筐体内、及びその下流側の排気管２０への副生成物の付着を防止することができる。また、真空ポンプ２４６の吸気口側ないしその上流側ではなく、真空ポンプ２４６の排気口付近に不活性ガスを導入しているので、真空ポンプ２４６の背圧が上がらず、真空ポンプ２４６の排気能力の低下を抑制でき、したがって、排気速度の低下によるスループットの低下や到達圧力の低下が生じない。

なお、真空ポンプ２４６は、通常、ブースタポンプとして機能する一段目の上流側真空ポンプと、メインポンプとして機能する二段目の下流側真空ポンプとからなる二段構成になっている。この場合には、加熱ガス供給ユニット４０のガス供給配管４１を、二段目の下流側真空ポンプの排気口付近の筐体に接続して、下流側真空ポンプの排気口付近の筐体内に加熱された高温の不活性ガスを供給するようにする。

確かに、加熱ガス供給ユニット４０から真空ポンプ２４６の排気口付近の筐体内への高温の不活性ガスの供給により、真空ポンプ２４６排気口付近から下流へと排気管２０内を流れる排気ガスの温度は高くなる。しかし、排気管２０の配管長が長くなると、排気ガスの温度は下流へと流れるにつれて排気管２０との接触により徐々に低下し、排気ガスの滞留・淀みが生じ易い部分があると、副生成物が付着堆積してしまう。なお、排気管２０経路の外周には、外部への放熱を抑えるために、断熱効果の高いシリコンスポンジなどの保温材（図示せず）が巻き付けられているが、排気管２０の低温化は避けられない。また、排気管２０に配管加熱ヒータを装着して加熱することも考えられるが、排気管２０内を流れる排気ガスの圧力は低いため排気ガスに熱が伝わりにくく、排気ガスの加熱昇温には不十分である。

そこで、この実施形態では、更に、排気管２０の管路中の、排気ガスが流れにくく滞留・淀みが生じやすい箇所の上流側近傍に、加熱された高温の不活性ガスを供給するようにする。具体的には、加熱ガス供給ユニット５０のガス供給配管５１を三方弁３２の上流側近傍の排気管２０に接続して、高温の不活性ガスを供給している。供給された高温の不活性ガスは、排気管２０の排気ガスと混合し、瞬時に排気ガス温度は上昇するので、三方弁３２やその近傍の排気管２０内壁に副生成物が付着堆積することを防止できる。したがって、排気系１０の排気管２０や除害装置３０などのメンテナン頻度を低減することができると共に、メンテナンス費用を削減でき、さらに、システム稼働率を向上できる。

また、不活性ガスが供給されて排気管２０管路を流れることによって、三方弁３２近傍の滞留・淀みが生じ易い部分の排気ガスの流れが改善され、副生成物の付着が低減される効果もある。従って、例えば、加熱ガス供給ユニットのガス供給配管を排気管２０に対して直角に取り付けるのではなく、滞留・淀みが生じ易い部分に向けて不活性ガスが噴出されるように、排気管２０に対して斜めに加熱ガス供給ユニットのガス供給配管を接続するようにしても良い。

排気経路の排気コンダクタンスが大きく変化する箇所では、排気ガスの流れが乱されたり阻害されたりして、その箇所又はその近傍に、排気ガスの滞留・淀みが生じ易い。そこで、排気管２０管路のコンダクタンスよりも小さい（場合によっては大きい）コンダクタンスを有する箇所・部分をなくしたり改良したりするのが望ましいが、構造上や設備レイアウト上などの理由で、どうしてもコンダクタンスが小さい箇所・部分は存在する。例えば、図１に示す排気管２０のエルボ部２１はコンダクタンスが小さく、排気ガスの滞留・淀みが生じ易い。従って、エルボ部２１を流れる排気ガスの温度が、副生成物の固着（付着）を開始する温度に近い場合には、エルボ部２１付近にもう一つ加熱ガス供給ユニットを設けて、エルボ部２１の上流側近傍の排気管２０にも、高温の不活性ガスを供給するようにする。なお、エルボ部２１と三方弁３２との距離が近い場合には、高温の不活性ガスを、エルボ部２１の上流側近傍の排気管２０からのみ供給する構成としても良い。

加熱ガス供給ユニット４０，５０から供給する高温の不活性ガスの温度としては、副生成物にもよるが、例えばジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）及びアンモニア（ＮＨ_３）を原料として用いたシリコン窒化膜生成時に発生する塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）の場合には、約１５０℃とするのがよい。これは、ＮＨ_４Ｃｌの場合、固着（付着）が開始する固着開始温度は、各蒸気圧下で、１０^１Ｐａ：１１５℃、１０^２Ｐａ：１５０℃、１０^３Ｐａ：２００℃、１０^４Ｐａ：２６５℃、１０^５Ｐａ：３５０℃という理由などからである。また、加熱ガス供給ユニット４０，５０から供給する不活性ガスの流量を例示すれば、１００ｓｌｍ程度である。この加熱された不活性ガスは、ウェハ処理時には、常時流すようにするが、例えば、不活性ガスの一部を溜めて置き、これを成膜処理のサイクルなどに合わせて一度に供給し、一時的に多量の不活性ガスが流れるようにしても良い。

ところで、ポンプ下流側の排気管系に副生成物(反応生成物)が付着して排気管系に詰まりが生じてきた場合、真空ポンプの背圧が高くなり、真空ポンプの負荷が過大となって真空ポンプが壊れてしまうおそれがあるので、真空ポンプを緊急停止するようにシステム設定されている。その他にも装置のトラブルなど緊急時の場合には、真空ポンプを停止してシステムの復旧を図っている。

上記緊急時の場合には、装置内や排気管２３１，２０内に滞留（存在）している、処理室(反応室)２０１での基板への膜付処理に寄与しなかった未反応ガスを除害装置３０へと排出すべく、除害装置３０側のポンプ（図示省略）により吸引排気を行うが、停止した真空ポンプ２４６は排気コンダクタンスが極めて小さく流れ難いため、図６に示すように、真空ポンプ２４６を迂回して設けられたベント配管７０を通じて、除害装置３０に未反応ガスを流すという提案がある。
定常運用時には、上記実施形態と同様に、処理室２０１内で基板への膜付処理に寄与しなかった未反応ガスは、そのまま排気管２３１から真空ポンプ２４６に入り、真空ポンプ２４６を経由し排気管２０を通じて除害装置３０に流れる。

ベント配管７０は、真空ポンプ２４６の上流側の排気管２３１と真空ポンプ２４６の下流側の排気管２０との間に接続されており、ベント配管７０には、その上流側から開閉弁７１と逆止弁７２とが設けられ、更に逆止弁７２の下流側には、不活性ガスとしてのＮ_２ガスを供給するガス供給配管６１が接続されている。排気管２０からベント配管７０に未反応ガスが逆流するのを防ぐために、定常運用時に、ガス供給配管６１からベント配管７０に常時、室温状態のＮ_２ガスが供給され、ベント配管７０から排気管２０へとＮ_２ガスが流れるようになっている。また、ベント配管７０が接続された排気管２３１接続部の下流側（真空ポンプ２４６の上流側）には、排気管２３１管路を開閉する開閉弁８０が設けられている。定常運用時には、開閉弁８０は開に、開閉弁７１は閉にされ、緊急時には、開閉弁８０は閉に、開閉弁７１は開に制御される。

しかしながら、図６の構成では、定常運用時、ベント配管７０から真空ポンプ２４６排気口側の排気管２０に常時、室温状態のＮ_２ガスが流入するので、排気管２０内を流れる未反応ガスが、室温のＮ_２ガスの流入によって、ガス温度の低下やガスの流れが阻害されるため、ベント配管７０と排気管２０との接続口(接続部)付近に反応生成物が付着し、排気管２０の閉塞を招いていた。

そこで、図７に示す本発明の実施形態では、ガス供給配管６１にＮ_２ガスを加熱する加熱手段を有する加熱ガス供給ユニット６０を設けて、加熱ガス供給ユニット６０により加熱されたＮ_２ガスをベント配管７０に供給するようにしている。これにより、排気管２０内を流れる未反応ガスの温度を高めることができ（少なくとも温度低下を防止でき）、排気管２０への反応生成物の付着を防止でき、排気管系の閉塞を防ぐことができる。

また、図６の構成では、同図に一部拡大示するように、ベント配管７０が排気管２０に対して直角に接続されており、排気管２０内をこれに沿って流れる未反応ガス流に対してＮ_２ガスがほぼ直交して流入するので、未反応ガスの流れが阻害されて滞留が生じ、ベント配管７０と排気管２０との接続口付近に反応生成物が付着し易い。

そこで、図７の実施形態では、同図に一部拡大示するように、ベント配管７０からのＮ_２ガスが排気管２０の下流側に向けて流れ込むように、ベント配管７０が排気管２０に対して斜めに傾斜させて接続されている。このため、Ｎ_２ガスによって排気管２０内の未反応ガスの流れが阻害されることが少なくなり、排気管２０のガスの流れが改善され滞留を防ぐことができるため、排気管２０のベント配管７０接続口付近に反応生成物が付着しなくなる。

本発明の実施の形態にかかる縦型の処理炉を備えた基板処理装置の排気系の概略構成図である。図１の三方弁の動作を説明するための縦断面図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉を備えた半導体製造装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉（処理炉部分を縦断面で示した）の概略構成図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉（処理炉部分を横断面で示した）の概略構成図である。縦型処理炉を備えた基板処理装置の排気系の概略構成図である。本発明の他の実施形態にかかる縦型処理炉を備えた基板処理装置の排気系の概略構成図である。

符号の説明

１０排気系
２０排気管
３０除害装置（除害処理部）
３１燃焼室
３２三方弁
４０加熱ガス供給ユニット
４１ガス供給配管
５０加熱ガス供給ユニット
５１ガス供給配管
６０加熱ガス供給ユニット
７０ベント配管
２００ウェハ（基板）
２０１処理室
２０７ヒータ（加熱手段）
２３１排気管
２４６真空ポンプ（ポンプ）

Claims

基板を収容する処理室と、
前記処理室内の基板を加熱する加熱手段と、
前記処理室に所望のガスを供給するガス供給手段と、
前記処理室内の雰囲気を排気するポンプを含む排気系と、
前記排気系の一部であって、前記ポンプの下流側に設けられた、排気ガスの除害処理を行う除害処理部と、を備え、
前記ポンプと前記除害処理部との間の排気経路において、排気コンダクタンスが大きく変化する箇所の上流側近傍から、加熱された不活性ガスを供給することを特徴とする基板処理システム。