JP2007250696A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排気管と接続されたガス導入口55aから基板処理済みガスが導入され、この基板処理済みガスに含まれる成分を除去する排気トラップは、前記ガス導入口55aからの前記基板処理済みガスの導入方向に略垂直な邪魔板59と、前記ガス導入口55aから導入された前記基板処理済みガスを前記邪魔板59の方向へ流れるように整流するとともに、前記邪魔板59に衝突後の基板処理済みガスが通る基板処理済みガス流路の大きさを異ならせるように配置される複数の整流板(第1整流板60A、第2整流板60B、第3整流板60C)とを有する。
【選択図】図4
Description
図示されるように、この基板処理装置1の基板処理室3は、石英製の反応管4によって有天筒状に区画されており、この反応管4の下部に接続されたガス供給管13から基板処理室3に基板処理ガスを導入する。また、反応管4の下部にはガス排出管14が接続されていて前記基板処理室3内での反応により生成された基板処理済みガス等が排気されるようになっており、ガス排出管14には、排気管231を介して減圧排気装置としての真空ポンプ11が接続されている。また、排気管231には、真空ポンプ11より上流側に排気トラップ8が設けられていて、この排気トラップ8により、前記反応管4、すなわち、前記基板処理室3から排出される基板処理済みガスから残留成分が除去されるようになっている。前記排気管231には、前記排気トラップ8の着脱等のため、排気トラップ8を中心としてその上流側に上流側バルブ9が設けられ、下流側に下流側バルブ10が設けられている。さらに、ガス排出管14、排気管231には、反応管4より排気される基板処理済みガス中の残留成分、すなわち、反応副生成物等の付着を防止して全量、排気トラップ8に供給するために、配管用ヒータ16が取り付けられている。この配管用ヒータ16は、例えば、リボンヒータ等の面状ヒータからなり反応管4との接続部から排気トラップ8までが加熱範囲となるように排気管231及びガス排出管14に巻き付けられる。
例えば、基板処理ガスとしてSiH2Cl2とNH3との混合ガスを基板処理室3に供給した場合には、基板処理室3内で下式(1)の反応が生じ、基板23の表面には反応生成物であり成膜成分であるSi3N4(窒化珪素)が堆積する。
図11に示すように、排気トラップ8のケーシング8aは、前記排気管231の外径よりも径大な外管8bと、この外管8b内に二重管的に挿入された内管8cと、これら外管8b、内管8cの両端部に取り付けられた端板8d,8eとで構成される。ケーシング8aには、外管8bと内管8cを半径方向に貫通して内管8c内に連通するガス導入管55が溶接により固着され、端板8eにはこれを厚み方向に貫通して内管8c内に連通するガス排出管56が、溶接により固着されている。
また、排気トラップ8の外管8bには、外管8bと内管8cとの間を冷却室(ジャケット室)8fとして内管8cの内面に反応副生成物等を析出させるため、外管8bに冷却水導入管19と冷却水排出管20とが接続されている。
さらに、内管8cと同様に冷却面によって反応副生成物等を除去するために、トラップ本体17が内管8c内に内蔵されている。このトラップ本体17は、図10に示すように、端板17bに取り付けられており、端板17bの取り付け、取り外しにより、内管8cから着脱する構造となっている。
前記端板17bは、カップリング(JIS)によって前記排気トラップ8の一端部のテーパーフランジ18aに着脱可能なテーパーフランジとなっている。スパイラル形状は、直線な管と比較して表面積が大きく反応副生成物等との接触機会が多いので、冷却による析出により、より多くの反応副生成物等を回収できるという利点がある。
そこで、排気トラップ8内での基板処理済みガスの流れをシミュレーションし、その原因を分析することとした。結果を図14に示す。なお、図14において、矢印の方向はガスの流れ方向を示し、矢印の長さは速さを示している。矢印が長くなるほど基板処理済みガスの流速は速く、短くなると遅くなる。
(1)ガス導入管55から排気トラップ8内に基板処理済みガスを導入した場合、基板処理済みガスの流れは、ケーシング8aの内管8cとの接続部近傍でまず一方の端板8d側へ方向を変え、この後、スパイラルチューブ17aの入口で反対側へ方向を変えた後、ガス排出管56との接続部近傍で再び方向を変えて下流側の排気管(以下、下流側排気管という)231bに排出されていく。
(2)基板処理済みガスの速さは、ガス導入管55と内管8cとの接続部近傍及びスパイラルチューブ17aの入口側で遅く、流れとしてはよどんでいる。
このシミュレーションの結果(1)及び(2)と、(a)反応副生成物等は、一度、析出するとその析出面により析出しやすいという性質があること、(b)冷却面に対する接触時間(滞留時間)が増加すると、その分、反応副生成物等の析出量が増加し、逆に、接触時間が減少すると反応副生成物等の析出量も減少すること、を合わせて思料すると、従来の排気トラップ8においては、排気トラップ8のガス導入管55と内管8cとの接続部近傍及びスパイラルチューブ17aの入口側の流速がかなり遅く接触時間(滞留時間)が長いために、基板処理済みガスに含まれている反応副生成物等の殆どがこの二箇所で析出してしまい、スパイラルチューブ17aの下流側では、反応副生成物等を回収する能力があっても反応副生成物等の捕集に対して実質的に関与することができなかったものと推定される。
なお、この種の排気トラップの関連技術としては、水冷管と捕集部材とでカートリッジを構成したものが知られている(特許文献1)。
そこで、詰りを生じ難くして排気トラップ全体で反応副生成物等が捕集されるようにするために、解決すべき技術的課題が生じるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
さらに、「基板処理済みガスを排出する第1の排気管と、前記第1の排気管から導入される基板処理済みガスに含まれる成分を除去する排気トラップと、前記排気トラップから基板処理済みガス中の成分を除去したガスを排気する第2の排気管」という表現には、排気管に排気トラップを介設した形態も含まれるものとする。
排気トラップ内において、基板処理済みガスの流れ方向の前方には、流れ方向と略垂直な邪魔板が存在し、さらに、この邪魔板に衝突した基板処理済みガスは、複数の整流板によって形成される大きさの異なる基板処理済みガス流路を通ることとなるので、基板処理済みガスは、この大きさの異なる流路において流速が遅くなり、その結果、基板処理済みガスに含まれている反応副生成物等が邪魔板及び各整流板に堆積する。
このようにすると、第1の手段と同様に、基板処理済みガス中の反応副生成物等が邪魔板及び複数の整流板に捕集される。
排気トラップ内の邪魔板及び複数の整流板によって反応副生成物等が捕集されることで、排気トラップの局部的な詰りが防止されるので、詰りを生じ難くして排気トラップ全体で反応副生成物等を捕集することができる。
なお、本実施形態において、数量、材質、材料、形状についてはこれによって本発明が特定されない限り単なる例示に過ぎない。
図1は減圧CVD処理炉(以下、処理炉という)の縦断面図である。処理炉200の外管(以下、アウターチューブ)205は、例えば、石英(SiO2)等の耐熱性材料で構成されており、上端が閉塞され、下端に開口する開口部を有する円筒状に形成されている。また、内管(以下、インナーチューブという)204は、上端及び下端の両端に開口部を有する円筒状に形成され、アウターチューブ205内に同心円状に配置される。アウターチューブ205とインナーチューブ204とは互いに筒状空間250を区画する。インナーチューブ204の上部開口から上昇したガスは、前記筒状空間250を通過して排気管231から排気される。
(1)Si3N4膜の成膜においては、
ウエハ温度(600〜800 ℃)、
ガス種、供給量は、
SiH2Cl2(流量:0.05〜0.2 l/min)、
NH3(流量:0.5〜2 l/min)、
処理圧力は(30〜500 Pa)であり、
付着物はNH4Cl(塩化アンモニウム)である。
(2)また、Si(O2CH)4膜(正珪酸四エチル;TEOS)の成膜においては、
ウエハ温度(600〜750 ℃)、
ガス種、供給量は、
O2(流量:0.001〜0.01 l/min)、
TEOS(流量:0.1〜0.5 l/min)、
処理圧力は(50〜200 Pa)である。
図2に示すように、排気トラップ49のケーシング本体52は筒状に形成され、このケーシング本体52の軸方向の一端部には、複数の爪クランプ62により端板53が取り付けられている。また、ケーシング本体52の他端部には、端板54を介して基板処理済みガス等の浄化後のガスを排出するためにガス排出管56が取り付けられ、ケーシング本体52の外周部略中央部には、基板処理済みガス等を導入するためにガス導入管55が取り付けられている。ガス導入管55の上流側の端部には、前記上流側排気管(第1の排気管)231aに接続するためにテーパーフランジ15が固着され、ガス排出管56の下流側の端部には前記下流側排気管(第2の排気管)231bに接続するためにテーパーフランジ15が固着されている。そして、一方の端板53には取り扱いを容易にするため取手63が設けられている。
図5、図6に示すように、前記冷却管58は、前記一方の端板53に並設する二本の配管部材58a,58aと、これら配管部材58a,58aの内側に且つ所定高さ低位に配置された二本の配管部材58b,58bと、配管部材58a,58aの先端部と配管部材58b,58bの先端部とを連結する継手管58c,58d(図6(a)参照)と、配管部材58b,58bの後端部同士を連結する継手管58e(図6(c)参照)とから構成されている。
なお、配管部材58a,58aの先端部と配管部材58b,58bの先端部との連結には、図3、図5及び図6(a)に示すように二本一組の継手管58c,58dが用いられているがL字管を用いるようにしてもよい。
冷却管58の外側二本の配管部材58a,58aのうち一方は、冷却水導入管として、また、他方は冷却水排出管としてそれぞれチラーユニット等の冷却媒体循環装置に接続される。
そして、この邪魔板59は、前記ケーシング本体52に対して、配管部材58aを中心にガス導入管55側と反対側に且つ凹面59aがガス導入管55から半径方向に導入する基板処理済みガスの流れ方向に対して略垂直となるように、前記外側二本の配管部材58a,58aに固定されている。この結果、冷却管58にチラー水、冷却水等の冷却媒体を流すと、邪魔板59が冷却され、冷却管58の周囲及び邪魔板59の周囲に、基板処理済みガスを冷却するための冷却雰囲気が形成されるので、基板処理済みガスは、これらの冷却雰囲気を横断する際に冷却され、基板処理済みガスに含まれる反応副生成物等は、主として、冷却管58の表面、邪魔板59の凹面59aに析出する。
また、図4に示されるように、前記邪魔板59の端板53側の端面と端板53との間には流路72が形成され、そして、ガス排出管56への基板処理ガスの吹き抜けを防止するために、前記邪魔板59のガス排出管56側に区画壁68が設けられると共に、区画壁68にガス排出管56の少なくとも上半分を覆うように半円形断面の区画壁69が固着されている。
ガス排出管56は、凹面59aと反対側面である邪魔板59の裏面とケーシング本体52の内面との間に形成された流路74から残留副生成物を除去した後の清浄な排気ガスを下流に排出すべく区画壁69側と反対側の略下半分が切除されている。
ここで、この第1整流板60Aと凹面59aとで囲まれる空間が、特許請求の範囲にいう「基板処理済みガス流路」に相当しており、以下、この流路を、第1流路73という。また、この第1整流板60Aは、図4に示すように、邪魔板59の長手方向に沿って等間隔で5枚設けられている。そして、これら5枚の第1整流板60Aのセットは、ガス導入口55aに対向する位置に配置されている。
ここで、この第2整流板60Bと凹面59aとで囲まれる空間が、特許請求の範囲にいう「基板処理済みガス流路」に相当しており、以下、この流路を、第2流路74という。また、図4に示すように、この第2整流板60Bは、邪魔板59の長手方向に沿って等間隔で3枚設けられている。そして、これら3枚の第2整流板60Bのセットは、前記した5枚の第1整流板60Aのセットよりも端板53側の位置に配置され、これら各セット間の間隔は、各第1整流板60Aの間隔や各第2整流板60Bの間隔と略同じ間隔となっている。
ここで、この第3整流板60Cと凹面59aとで囲まれる空間が、特許請求の範囲にいう「基板処理済みガス流路」に相当しており、以下、この流路を、第3流路75という。また、図4に示すように、この第3整流板60Cは、邪魔板59の長手方向に沿って等間隔で4枚設けられている。そして、これら4枚の第3整流板60Cのセットは、前記した3枚の第2整流板60Bのセットよりも端板53側の位置に配置され、これら各セット間の間隔は、各整流板60A,60B,60Cの間隔と略同じ間隔となっている。
従って、邪魔板59の凹面59aに沿って流れる基板処理済みガスは、この実施の形態では、上流側から下流側に向かって大、中、小の三段階に調節され、流速と反比例する基板処理済みガスの凹面59a上での滞留時間は、上流側から下流側に向かって小、中、大の三段階に調節される。
減圧CVD処理により発生した基板処理済みガスには、反応に関与しなかった未反応成分と、反応によって生成された一次生成物と、一次生成物同士の二次反応(副反応)による反応副生成物等が含まれる。
例えば窒化ケイ素の成膜の場合、反応ガスとしてジクロルシラン(SiH2Cl2)及びアンモニア(NH3)の混合ガスを用いた場合には、加熱により下記の反応が起り、窒化ケイ素がウエハW表面に堆積する。
NH3+HCl→NH4Cl
前記したように排気トラップ49よりも上流側は、配管用ヒータ16により加熱され(図10参照)、所定の温度に保温されているため、冷却により塩化アンモニウムが付着してしまうことはない。
また、反応副生成物等を含む高温の基板処理済みガスは、上流側排気管231aを通過して排気トラップ49のガス導入管55からケーシング本体52内に導入されるが、ガス導入管55及びケーシング本体52は、従来のように冷却構造とはなっておらず、基板処理済みガスは、速度エネルギが高く高温な状態であるので、基板処理済みガス中の反応副生成物等は、ガス導入管55及びガス導入口55aに付着せずに、そのままケーシング本体52内に導入された後、整流板60A,60B,60Cで整流され、この後、冷却管58と邪魔板59とによって形成された冷却雰囲気を横断して邪魔板59に衝突することになる。ここで、整流板60A,60B,60Cを設置していない場合は、(1)基板処理済みガスの流速が必要以上に高くなってしまうので、第一段階での冷却が不十分となってしまい、冷却管58や邪魔板の凹面59aでの残留副生成物の回収量が減少する、(2)邪魔板59や前記冷却雰囲気に対して基板処理済みガスの流れを整流することができないので、邪魔板全体で残留副生成物等を捕捉することが困難となる等の不具合が発生してしまう虞がある。
そこで、整流と凹面59a上での速度調節のため、図8に示すように、ガス導入口55aと邪魔板59との間で、且つ邪魔板59寄りに、同じ大きさの複数のCリング状の整流板160を邪魔板59の長手方向に間隔を隔てて配置し、図9の流れのシミュレーション図に示すように、凹面59a上での基板処理済みガスの流速を一定とすることが想定される。
しかし、このようにしても、凹面59a上での流速が速過ぎる場合には、上流側から下流側に到達するまでの時間が短く滞留時間が短くなってしまうので、結果的に、凹面59a全体での反応副生成物等の回収量が減少してしまう虞がある。また、流速の速い状態で端板53に衝突してしまうので、反応副生成物等が端板53に堆積しやすくなってしまう。反応副生成物等は厚くなると亀裂が生じ、突発的に剥がれ落ちてしまう。この剥がれ落ちた反応副生成物等が下流側に設けられた真空ポンプ等に急激に負荷をかけて故障の原因となってしまう虞がある。
このため、邪魔板59に衝突した後の基板処理済みガスは、各整流板60A,60B,60C付近で段階的に減速された後、大きさが順次縮小される各流路73〜75を順次通過することとなり、凹面59全面に反応副生成物等をほぼ均等に析出させることが可能となる。なお、前記第1整流板60A、第2整流板60B、及び第3整流板60Cは、オリフィスとしての機能を有するものではない。
基板処理済みガスの減速、冷却、析出の過程を詳述すると、本実施の形態では次のようになる。
(3)第2段階の反応副生成物等の回収の後は、基板処理済みガスは、第3整流板60Cとの衝突により、第4段階の減衰を受け、減速後、第3流路75の冷却雰囲気と、邪魔板59の凹面59aによる第4段階の冷却を受ける。このとき、基板処理済みガスの流速は第2段階よりも低下しており、第3流路75での滞留時間が増加している。この結果、第1流路73と同等量の残留副生成物等が、下流側である第3流路75に面する凹面59a、冷却管58、第3整流板60Cの表面に析出する(第3段階の残留副生成物等の回収)。
(4)第2段階の反応副生成物等の回収後、基板処理済みガスの流速は、十分に減速されているので、この基板処理済みガスは、その後、端板53にほとんど衝突することなく、流路72,70を通って外部に排気される。
(5)従って、仮に端板53が冷却されている場合でも、端板53に残留副生成物等が付着することがない。
(6)経時的に、反応副生成物等が邪魔板59側から成長し、各整流板60,60の流路71に閉塞が発生した場合、基板処理済みガスは、図4に示す端板53側の第3整流板60Cとケーシング本体52との間の流路72に沿ってケーシング本体52内を横断し、さらに、邪魔板59の背面とケーシング本体52の内面との間の流路70に沿ってガス排出管56から排出される。そしてこのような過程において、第3整流板60C、邪魔板59の背面が冷却面となって反応副生成物等が析出する。このため、このような場合でも、排気トラップ49としての反応副生成物等に対する捕集機能が保持される。
(7)また、ケーシング本体52は冷却されておらず、基板処理済みガスからの伝熱によって暖められているので、ケーシング本体52の内面に反応副生成物等が析出してしまうこともない。従って、前記流路71が反応副生成物等の成長によって閉塞された場合でも反応副生成物等を捕集する排気トラップ49としての信頼性が保持される。
なお、基板処理装置の生産性を維持するため、装置、ガス種等の変更があった場合や冷却管等の排気トラップ49それ自体のメンテナンスが必要な場合においては、別の排気トラップ49に交換、変更することは当然になされるものである。
また、第1整流板60A〜第3整流板60Cによって、基板処理済みガスの速度、温度を段階的に調節する説明をしたが、これらの内周面と凹面59aとの間に、流速及び滞留時間を調節するための整流板のセットを配置するようにしてもよい。
また、ガス導入口55aを邪魔板59の長手方向の中央に臨ませて形成する場合は、第1整流板60Aのセットを邪魔板59の長手方向の中央に配置し、第2整流板60Bのセット、第3整流板60Cのセットを、第1整流板60Aのセットを挟んで、それぞれ下流側に配置してもよいし、その下流側に、基板処理済みガスの流速、温度、滞留時間に基づいて、実施形態と同様に整流板のセットを配置するようにしてもよい。このようにしても図9で説明したように同じ大きさの整流板160を配置する場合と比較して、凹面59a全体で反応副生成物等を一様に回収することができる。
さらに、前記邪魔板59の凹面に、孔を少なくとも1以上形成することで、基板処理済みガスが凹面59a側に流れるようにしてもよい。
(B)整流板60A,60B,60Cは、邪魔板59に衝突後の基板処理済みガスの流れ方向に対し、上流側より下流側の基板処理済みガス流路の大きさを小さくするように設けられている。
(C)排気トラップ49の第2の排気管(上流側排気管231a)側にはガス排気口55cが設けられ、ガス導入口55aとガス排気口55cとの間には、区画壁68,69が設けられ、この区画壁68,69のガス排気口55c側とは略反対側に整流板60A,60B,60Cが設けられている。
(D)ガス導入口55aと邪魔板59との間には冷却管58が設けられ、この冷却管58はガス導入口55aと邪魔板59との間の空間において邪魔板59寄りに設けられている。
(E)基板処理装置は、基板処理室3と、この基板処理室3に基板処理ガスを供給するガス供給管232と、前記基板処理室3から基板処理済みガスを排気する第1の排気管(上流側排気管231a)と、この第1の排気管(上流側排気管231a)と接続されたガス導入口55aから基板処理済みガスが導入され、この基板処理済みガスに含まれる成分を除去する排気トラップ49と、排気トラップ49のガス排気口55cから基板処理済みガス中の成分を除去したガスを排気する第2の排気管(下流側排気管231b)とを備え、前記排気トラップ49には、前記ガス導入口55aからの前記基板処理済みガスの導入方向に略垂直な邪魔板59と、前記ガス導入口55aと前記邪魔板59との間に邪魔板59の平行方向に大きさを異ならせて配置される複数の整流板(第1整流板60A〜第3整流板60C)とが設けられている。
(1)基板処理済みガスの流通を妨げるような局部的な閉塞を防止することが可能となり、排気トラップ49のメンテナンス周期を従来よりも長くすることができる。
(2)メンテナンス周期が長くなるので、半導体装置の生産性を向上することができる。
(3)さらに、冷却管58は、ガス導入口55aから離れた邪魔板寄りに設置されていてガス導入口55a付近によどみを生じさせることがなく、また、ガス導入管及びケーシング本体は、従来のように冷却されることがないので、ガス導入口55aに反応副生成物等の析出による詰りが発生することがない。
なお、整流板60A〜60Cは、基板処理済みガスに抵抗を与えて減衰するものであるので、同一面内に平面があり、且つその平面の延長線が邪魔板59の凹面59aに向けられていればよい。
また、前記ケーシング本体52、邪魔板59、冷却管58、整流板60A〜60Cの材質は、耐食性、熱伝導率、耐熱性のよいSUS304、SUS316で形成するのが好ましい。
なお、端板53に対する残留副生成物の付着を防止することで端板53のメンテナンス性を向上する場合、邪魔板59を端板53側に適宜、延出し、邪魔板59の端板53側の端部に第1整流板60Cのセットから適宜離間させて区画壁を設け、区画壁と端板53との間に流路72を形成するようにしてもよい。
このように、本発明は、種々の改変が可能であり、本発明はこの改変された発明に及ぶことは当然である。
3 基板処理室
49 排気トラップ
55 ガス導入管
55a ガス導入口
55c ガス排気口
56 ガス排出管
59 邪魔板
59a 凹面
60 整流板
60A 第1整流板
60B 第2整流板
60C 第3整流板
65 フランジ
68 区画壁
73 第1流路(基板処理済みガス流路)
74 第2流路(基板処理済みガス流路)
75 第3流路(基板処理済みガス流路)
231 排気管
231a 上流側排気管(第1の排気管)
231b 下流側排気管(第2の排気管)
232 ガス供給管
Claims (2)
- 基板処理室と、
前記基板処理室に基板処理ガスを供給するガス供給管と、
前記基板処理室から基板処理済みガスを排気する第1の排気管と、
前記第1の排気管と接続されたガス導入口から基板処理済みガスが導入され、この基板処理済みガスに含まれる成分を除去する排気トラップと、
前記排気トラップから基板処理済みガス中の成分を除去したガスを排気する第2の排気管とを備え、
前記排気トラップには、
前記ガス導入口からの前記基板処理済みガスの導入方向に略垂直な邪魔板と、
前記ガス導入口から導入された前記基板処理済みガスを前記邪魔板の方向へ流れるように整流するとともに、前記邪魔板衝突後の基板処理済みガスが通る基板処理済みガス流路の大きさを異ならせるように配置される複数の整流板とを有することを特徴とする基板処理装置。 - 基板処理室に基板処理ガスを供給しながら前記基板処理室から基板処理済みガスを排気して基板処理室内に収容されている基板を処理し、前記基板処理済みガスを、排気トラップに導入させ、この排気トラップ内にて前記基板処理済みガスに含まれる成分を除去するに際し、
前記排気トラップのガス導入口から導入されてくる前記基板処理済みガスを、前記ガス導入口からの前記基板処理済みガスの導入方向に略垂直な邪魔板と、前記ガス導入口から導入された前記基板処理済みガスを前記邪魔板の方向へ流れるように整流するとともに、前記邪魔板衝突後の基板処理済みガスが通る流路の大きさを異ならせるように配置される複数の整流板とに接触させて基板処理済みガス中の成分を除去するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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