JP2008072053A - 基板処理装置 - Google Patents

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JP2008072053A JP2006251336A JP2006251336A JP2008072053A JP 2008072053 A JP2008072053 A JP 2008072053A JP 2006251336 A JP2006251336 A JP 2006251336A JP 2006251336 A JP2006251336 A JP 2006251336A JP 2008072053 A JP2008072053 A JP 2008072053A
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幹雄 大野
Tomoshi Taniyama
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Abstract

【課題】
バイパスラインをメインバルブと一体化することで小型化、配管の簡略化でコストの低減を図ると共に、排気能力が経時的に変動しない様にしたものである。
【解決手段】
基板50を処理する処理室27と、該処理室にガスを供給するガス供給ライン34と、前記処理室を排気する排気ライン37と、該排気ラインに設けられる弁装置39とを備え、該弁装置は、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備する。
【選択図】 図1

Description

本発明はシリコンウェーハ等の基板に薄膜の生成、不純物の拡散、アニール処理、エッチング等の処理を行い、半導体装置を製造する基板処理装置に関するものである。
基板処理装置としては、基板を1枚ずつ処理する枚葉式の基板処理装置、或は基板を所定枚数一度に処理するバッチ式の基板処理装置とがあり、更にバッチ式の基板処理装置として縦型処理炉を具備する縦型基板処理装置がある。
縦型基板処理装置では上端が閉塞された反応室に多段に基板を保持した基板保持具(以下ボート)を装入し、反応ガスを供給しつつ排気し、減圧反応ガス雰囲気下で基板に、減圧CVD処理等の処理を行う。
又、基板に薄膜の生成を行う場合、反応室壁面、排気系に反応副生成物が付着堆積する。反応副生成物は、ガス流の乱れ等により剥離し、パーティクルとなって浮遊し、ウェーハ汚染の原因となる。従って、反応ガスの給排気、ボートの装入、引出しについては、気流の乱れ、逆流が生じない様に配慮されている。
例えば、反応室の排気を行う場合、排気初期は徐々に排気(スロー排気)し、反応室が所定の圧力に達した状態で本格的な通常排気を行っている。
この為、特許文献1に示す様に、排気系のメインバルブに対してバイパスライン(補助排気管)が設けられ、排気初期はバイパスラインでスロー排気され、次にメインバルブが開かれて通常排気され、排気時にガス流の乱れが生じない様になっている。
図5、図6は、メインバルブとバイパスラインとが一体に構成された弁装置1を示しており、図5中、2は反応室に連通する排気管が接続される入側排気管ポートであり、3は排気装置に連通する排気管が接続される出側排気管ポートを示している。
弁箱4内部には前記入側排気管ポート2と前記出側排気管ポート3とを連通する管路5が形成され、該管路5は上流側管路5aと下流側管路5bによりL字状となっており、前記上流側管路5aと前記下流側管路5bとの曲り部には弁座6が設けられ、該弁座6には主弁体7が気密に密着可能となっており、該主弁体7が前記弁座6から離反した状態で前記管路5が開通され、前記主弁体7が前記弁座6に密着した状態で、前記管路5が前記上流側管路5aと前記下流側管路5bとに気密に遮断される様になっている。
前記主弁体7は弁ロッド8に固着され、該弁ロッド8は前記弁箱4を摺動自在に貫通し、又前記弁ロッド8はベローズ9に覆われ、貫通部は気密にシールされている。而して、前記弁ロッド8を図示しないアクチュエータにより、図5中上方に引上げることで、前記主弁体7が前記弁座6より離反する様になっている。
前記弁箱4の前記下流側管路5bに臨接する管壁には前記上流側管路5aに連通するバイパス弁口11が穿設され、又前記下流側管路5bに連通するリーク孔12が穿設されている。又、前記管壁にはバイパスバルブ13が気密に取付けられ、該バイパスバルブ13の弁箱14は前記弁箱4の一部を構成し、前記弁箱14の内部は前記バイパス弁口11、前記リーク孔12に連通し、前記バイパス弁口11、前記リーク孔12、前記弁箱14内部によってバイパス路15が構成される。
前記バイパスバルブ13は、例えばエアシリンダ等のアクチュエータ16によって駆動される副弁体17を有し、該副弁体17にはOリング18が設けられ、前記副弁体17は前記バイパス弁口11を気密に閉塞可能となっている。又、前記副弁体17の可動部はベローズ19によって気密にシールされている。而して、前記アクチュエータ16によって前記バイパス路15を連通遮断可能であると共に前記副弁体17の前記バイパス弁口11に対する離反位置で開度が設定される。
上記弁装置1に於いて、反応室が排気される場合は、前記主弁体7が閉じられた状態で前記副弁体17が開かれてスロー排気され、次いで前記主弁体7が開かれ、前記副弁体17が閉じられて通常排気される。
上記構成の弁装置1では、前記バイパス路15の流路断面が前記副弁体17の開度によって決定される構造となっており、又前記副弁体17には閉時のシール性を確保する為、前記Oリング18が設けられている。
一般に前記Oリング18は、合成ゴム等の弾性材料であり、前記副弁体17の開閉を繰返すと、弾性力が低下し、前記副弁体17が開状態となっても、前記Oリング18が完全に復元しない(ヘタリ)様になる。この為、結果的に流路断面が変化し(大きくなり)、流路が広がって排気能力が変動するという問題が生じる。
特に、基板処理装置が基板にシリコン窒化膜を生成する場合には、排気ガスが所定温度以下になると反応副生成物が流路壁面に堆積するので、排気管、弁装置1にヒータを設けて排気管、弁装置1を加熱し所定温度以上に維持する必要がある。
この為、前記Oリング18が熱の影響を受けて劣化し易くなり、ヘタリを生じ易くなっていた。
又、バイパスラインを別系統にして別途設け、流路途中に所定の孔加工をしたオリフィスを設ける場合もあるが、この場合、配管の引回しにスペースが必要となり、又別系統としたバイパスラインにも加熱用のヒータを設けなければならず、配管作業の煩雑化、配管加熱ヒータの設置等による作業性の低下等、コストが掛る要因となっていた。
特開平7−14773号公報
本発明は斯かる実情に鑑み、バイパスラインをメインバルブと一体化することで小型化、配管の簡略化でコストの低減を図ると共に、排気能力が経時的に変動しない様にしたものである。
本発明は、基板を処理する処理室と、該処理室にガスを供給するガス供給ラインと、前記処理室を排気する排気ラインと、該排気ラインに設けられる弁装置とを備え、該弁装置は、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備する基板処理装置に係るものである。
本発明によれば、基板を処理する処理室と、該処理室にガスを供給するガス供給ラインと、前記処理室を排気する排気ラインと、該排気ラインに設けられる弁装置とを備え、該弁装置は、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備するので、前記バイパス路のコンダクタンスは、前記第2の弁体の開状態に拘らず前記オリフィス部材で決定することができ、長期に亘り安定した排気能力を確保することができるという優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
先ず、図1に於いて、基板処理装置に具備される処理炉の一例を説明する。
処理炉21は加熱機構としてのヒータ22を有する。該ヒータ22は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース23に支持されることにより垂直に据付けられている。
前記ヒータ22の内側には、該ヒータ22と同心円に反応管としてのプロセスチューブ24が配設されている。該プロセスチューブ24は内部反応管としてのインナチューブ25と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウタチューブ26とから構成されている。前記インナチューブ25は、例えば石英(SiO2 )又は炭化シリコン(SiC)等の耐熱性材料からなり、上端及び下端が開口した円筒形状である。前記インナチューブ25の内側には処理室27が画成されており、該処理室27にボート28が装入される。
前記アウタチューブ26は、例えば石英又は炭化シリコン等の耐熱性材料からなり、内径が前記インナチューブ25の外径よりも大きく上端が閉塞し、下端が開口した円筒形状に形成されており、前記インナチューブ25と同心円状に設けられている。該インナチューブ25と前記アウタチューブ26との間には筒状空間30が形成される。
前記アウタチューブ26の下方には、前記アウタチューブ26と同心円状にマニホールド29が配設され、該マニホールド29は、例えばステンレス等からなり、前記インナチューブ25、前記アウタチューブ26は前記マニホールド29によって支持されている。
尚、該マニホールド29と前記アウタチューブ26との間にはシール部材としてのOリング31が設けられている。前記マニホールド29が前記ヒータベース23に支持されることにより、前記プロセスチューブ24は垂直に据付けられた状態となっている。該プロセスチューブ24と前記マニホールド29により反応容器が形成され、該マニホールド29の下端開口部は炉口部を形成し、該炉口部はシール蓋32によって気密に閉塞される様になっている。
該シール蓋32にはガス導入部としてのノズル33が前記処理室27内に連通する様に接続されており、該ノズル33にはガス供給管34が接続されている。該ガス供給管34の上流側には、ガス流量調整器(マスフローコントローラ)35を介して図示しない処理ガス供給源や不活性ガス供給源が接続されている。前記ガス流量調整器35にはガス流量制御部36が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の量となる様所望のタイミングにて制御する様に構成されている。
前記マニホールド29には、前記処理室27内の雰囲気を排気する排気管37が連通されている。該排気管37は、前記筒状空間30の下端部に連通している。
前記排気管37には下流側に向って圧力検出器としての圧力センサ38及び弁装置39が設けられ、前記排気管37は真空ポンプ等の真空排気装置41に接続されている。
前記弁装置39及び前記圧力センサ38には、圧力制御部42が電気的に接続されており、該圧力制御部42は前記圧力センサ38により検出された圧力に基づいて前記弁装置39により前記処理室27内の圧力が所望の圧力(真空度)となる様所望のタイミングにて制御する様に構成されている。
前記炉口部を開閉する前記シール蓋32は、例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。前記シール蓋32の上面には前記マニホールド29の下端と当接するシール部材としてのOリング43が設けられる。
前記シール蓋32の下側には前記ボート28を回転させる回転機構44が設置されている。該回転機構44の回転軸45は前記シール蓋32を貫通して、前記ボート28に接続されており、該ボート28を回転可能となっている。
前記シール蓋32はボートエレベータ46に昇降可能に支持され、該ボートエレベータ46により前記ボート28は前記処理室27に装入、装脱可能となっている。前記回転機構44及び前記ボートエレベータ46には駆動制御部47が電気的に接続されており、所望の動作をする様、所望のタイミングにて制御する様に構成されている。
前記ボート28は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウェーハ50を水平姿勢で且つ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持する様に構成されている。尚、前記ボート28の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる円板形状をした断熱部材としての断熱板48が水平姿勢で多段に複数枚配置された断熱部49を構成し、前記ヒータ22からの熱が前記マニホールド29側に伝わり難くなる様になっている。
前記プロセスチューブ24内には、温度センサ51が設置され、該温度センサ51及び前記ヒータ22には、温度制御部52が電気的に接続されており、前記温度センサ51により検出された温度情報に基づき前記ヒータ22への通電具合を調整することにより前記処理室27の温度が所望の温度分布となる様所望のタイミングにて制御する様に構成されている。
前記ガス流量制御部36、前記圧力制御部42、前記駆動制御部47、前記温度制御部52及び図示しない操作部、入出力部は、基板処理装置全体を制御する主制御装置53に電気的に接続されている。
次に、上記構成に係る前記処理炉21を用いて、半導体デバイスの製造工程の1工程として、CVD法によりウェーハ50上に薄膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明に於いて、基板処理装置を構成する各部の動作は前記主制御装置53により制御される。
所定枚数のウェーハ50が前記ボート28に装填されると、該ボート28は、前記ボートエレベータ46によって前記処理室27に装入(ボートローディング)される。この状態では、前記シール蓋32は前記Oリング43を介して炉口部を気密に閉塞する。
前記処理室27が所望の圧力(真空度)となる様に前記真空排気装置41によって真空排気される。
真空排気は、先ずスロー排気され、次いで、通常排気がなされる。
この際、前記処理室27の圧力は、前記圧力センサ38で測定され、この測定された圧力に基づき前記圧力制御部42が、前記弁装置39をフィードバック制御し、スロー排気から通常排気への切換え、弁開度の調整等の制御がなされる。
又、前記処理室27が所望の温度となる様に前記ヒータ22によって加熱される。この際、前記処理室27が所望の温度分布となる様に前記温度センサ51が検出した温度情報に基づき前記ヒータ22への通電具合がフィードバック制御される。続いて、前記回転機構44により、前記ボート28が回転され、同時にウェーハ50が回転される。
次いで、図示しない処理ガス供給源から処理ガスが供給され、前記ガス流量調整器35にて所望の流量となる様に制御されたガスは、前記ガス供給管34を流通して前記ノズル33から前記処理室27に導入される。導入されたガスは前記処理室27を上昇し、前記インナチューブ25の上端開口を折返し、前記筒状空間30を流下して前記排気管37から排気される。ガスは前記処理室27を通過する際にウェーハ50の表面と接触し、この際に熱CVD反応によってウェーハ50の表面上に薄膜が堆積される。
予め設定された処理時間が経過すると、図示しない不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、前記処理室27が不活性ガスに置換されると、前記弁装置39が閉塞され、前記処理室27の圧力が常圧に復帰される。
その後、前記ボートエレベータ46により前記シール蓋32が降下され、炉口部が開口されると共に、処理済ウェーハ50が前記ボート28に保持された状態で前記処理室27から引出される。その後、処理済ウェーハ50は図示しない基板移載装置によって前記ボート28から払出される。
尚、一例迄、本実施の形態の処理炉にてウェーハを処理する際の処理条件としては、例えば、Si3 N4 膜の成膜に於いては、処理温度600〜800℃、処理圧力30〜500Pa、ガス種、ガス供給流量SiH2 Cl2 0.05〜0.2slm、NH3 0.5〜2slmが例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウェーハに処理がなされる。
次に、図2〜図4により、本実施の形態に用いられる弁装置39について説明する。
尚、図2〜図4中、図5、図6中で示したものと同等のものには同符号を付し、説明の詳細を省略する。
弁箱4内部には上流側管路5aと下流側管路5bによりL字状に構成される管路5が形成され、前記上流側管路5aと前記下流側管路5bとの曲り部には弁座6が設けられ、該弁座6には主弁体7がOリング55を介して気密に密着可能となっており、前記主弁体7が前記弁座6から離反した状態で前記管路5が開通され、前記主弁体7が前記弁座6に前記Oリング55を介して密着した状態で、前記管路5が前記上流側管路5aと前記下流側管路5bとに気密に遮断される様になっている。
前記主弁体7はベローズ9によってシールされた弁ロッド8を介してエアシリンダ等のアクチュエータ(図示せず)に連結され、該アクチュエータによって開閉動される様になっている。
前記下流側管路5bに臨接する前記弁箱4の管壁の外面には、バイパスバルブ取付け面56が形成され、該バイパスバルブ取付け面56に開口し、前記上流側管路5aに連通するバイパス弁口11が穿設され、又前記バイパスバルブ取付け面56に開口し、前記下流側管路5bに連通するリーク孔12が穿設されている。
前記バイパスバルブ取付け面56にはOリング57を介してバイパスバルブ13が気密に取付けられている。
該バイパスバルブ13の弁箱58の内部は中空となっていると共に先端にはフランジ59が形成されており、該フランジ59には前記バイパス弁口11と連通する弁孔61、前記リーク孔12と連通するバイパス孔62が穿設されている。
前記弁箱58の内部に副弁体17が収納され、該副弁体17はベローズ19で気密にシールされた弁ロッド(図示せず)を介してエアシリンダ等のアクチュエータ16によって開閉動される様になっている。前記フランジ59の前記弁孔61の周囲は前記副弁体17に対する弁座となっており、前記副弁体17はOリング18を介して前記フランジ59に押圧され、前記弁孔61を気密に閉塞する。
又、前記バイパスバルブ取付け面56と前記フランジ59間にはオリフィスプレート64が気密に挾設され、該オリフィスプレート64に穿設されたオリフィス孔65は前記弁孔61と同心となっている。尚、前記オリフィス孔65が形成する流路断面に対し、開放状態の前記副弁体17と前記フランジ59間がなす流路断面を充分大きくする。例えば、前記Oリング18が変形を生じたことによる、前記副弁体17と前記フランジ59間がなす流路断面の変動が前記オリフィス孔65の絞り効果(コンダクタンス)に変動を与えない様にする。
更に、前記オリフィス孔65について、所要のコンダクタンスが得られる径を、実験等によって確認して設定する。
前記上流側管路5aと前記下流側管路5bとは前記バイパス弁口11、前記オリフィス孔65、前記弁箱58内部、前記リーク孔12を介して連通され、前記バイパス弁口11、前記オリフィス孔65、前記弁箱58内部、前記リーク孔12は、前記主弁体7を迂回して前記上流側管路5a、前記下流側管路5bを連通するバイパス路15を形成し、前記オリフィスプレート64、前記オリフィス孔65は前記バイパス路15に設けられたオリフィスを構成する。
前記オリフィスプレート64を気密に挾設する方法としては、Oリング等のシール部材を用いてシールする方法の他、図3、図4に見られる様に、前記オリフィスプレート64自体を変形させてシールする方法もある。
該オリフィスプレート64を前記弁箱4、前記弁箱58に対して軟質材料とし、前記バイパスバルブ取付け面56に前記バイパス弁口11と同心に環状V溝66、環状ナイフエッジ67を形成し、同様に前記フランジ59の取付け面に対しても、前記環状V溝66、前記環状ナイフエッジ67を形成する。
前記オリフィスプレート64を前記バイパスバルブ取付け面56、前記フランジ59間に挾設した場合に、前記環状ナイフエッジ67が前記オリフィスプレート64に食込んで接合面がシールされる。
該オリフィスプレート64の材質としては、金属材料としては軟質で塑性変形可能なAl、Niが用いられる。
前記弁箱4、前記弁箱58を覆う様に弁加熱装置68を設ける。尚、前記弁箱4、前記弁箱58は、一体的に構成されているので、前記弁加熱装置68は前記弁箱4と前記弁箱58を一体物として加熱する様に構成されればよい。
前記弁加熱装置68としては、例えば、前記弁箱4、前記弁箱58の表面に発熱線を巻設し、更に断熱材を被覆したものであり、前記弁箱4、前記弁箱58の表面の適宜位置、少なくとも前記弁箱4について前記主弁体7と対向する部位、或は前記弁箱58について前記副弁体17に対向する位置に熱電対等の温度検出器が設けられ、該温度検出器からの温度検出信号は、前記温度制御部52乃至別途独立して設けられる温度制御器(図示せず)に送出され、該温度制御部52乃至前記温度制御器は温度検出信号に基づき前記弁箱4、前記弁箱58の内面が所定温度以上に保持される様に前記弁加熱装置68を制御する。
基板処理に対応し、前記弁装置39の作動を説明すると、前記処理室27が真空引される場合は、前記主弁体7が閉塞された状態で、先ず前記アクチュエータ16によって前記副弁体17が開放され、前記バイパス路15が開通して、スロー排気が行われる。
前記圧力センサ38によって検出される前記処理室27の圧力が所定値以下となった場合に、前記主弁体7が開放され、前記管路5が開通し、通常排気が行われる。通常排気の開始に伴い、前記副弁体17によって前記バイパス路15は閉塞されるが必要に応じ、前記副弁体17が開放され、前記バイパス路15が開通し、該バイパス路15からの排気が行われる。
基板処理が終了し、前記処理室27が不活性ガスによってガスパージされる場合は、前記主弁体7が開放状態で、不活性ガスが前記処理室27に供給されつつ排気され、所定時間後該処理室27がガスパージされた後は、前記主弁体7が閉塞され、不活性ガスによって前記処理室27が大気圧迄復圧される。又、必要に応じ、前記副弁体17が開放され、前記バイパス路15が開通し、該バイパス路15からの排気が行われる。
上記した様に、基板処理に伴い、前記Oリング18が加熱された状態で、前記副弁体17が開閉され、前記Oリング18は経時変形を生じると思われるが、前記バイパス路15のコンダクタンスは前記オリフィス孔65によって決定され、前記副弁体17と前記フランジ59間がなす流路断面の変動は排気能力に変動を与えない。而も、前記弁箱58内部より上流側に、前記オリフィス孔65を設けているので、前記弁箱58内での余計な排気ガスの淀みや対流による反応副生成物の流路壁面への堆積を防ぐことができる。
従って、長期に亘り安定した排気能力が得られ、又前記Oリング18の交換時期が長くなる。
尚、コンダクタンスの変更を行う場合は、前記オリフィス孔65の径が異なるオリフィスプレート64に交換すればよい。
上記した様に、本発明によれば、一定したバイパス路15の流路が確保でき、安定した排気能力を得ることができる。
又、バイパスラインと、メインバルブとを一体構造とすることにより、省スペース、配管の引回し、作業が改善され、配管費、及び弁加熱装置の設置に伴う費用が低減し、又弁加熱装置を小型化でき、配管加熱時でのランニングコストが低減する。
尚、上記実施の形態では、前記オリフィスプレート64は、バイパス弁口11側に設ける様に説明したが、前記リーク孔12側に設けても良い。
(付記)
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
(付記1)基板を処理する処理室と、該処理室にガスを供給するガス供給ラインと、前記処理室を排気する排気ラインと、該排気ラインに設けられる弁装置とを備え、該弁装置は、弁箱と、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備することを特徴とする基板処理装置。
(付記2)前記弁箱の外側には弁加熱装置が設けられた付記1の基板処理装置。
(付記3)基板処理装置の基板を処理する処理室を排気する排気ラインに設けられる弁装置であって、弁箱と、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備することを特徴とする弁装置。
本発明の実施の形態に係る基板処理装置に用いられる処理炉の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る基板処理装置に用いられる弁装置の断面図である。 該弁装置に於けるバイパス路部分の拡大断面図である。 該弁装置に於けるバイパス路部分の分解図である。 従来の基板処理装置に於ける弁装置の断面図である。 該弁装置のバイパス路部分の拡大図である。
符号の説明
2 入側排気管ポート
3 出側排気管ポート
4 弁箱
5 管路
7 主弁体
14 弁箱
15 バイパス路
17 副弁体
27 処理室
34 ガス供給管
37 排気管
39 弁装置
64 オリフィスプレート
65 オリフィス孔
68 弁加熱装置

Claims (1)

  1. 基板を処理する処理室と、該処理室にガスを供給するガス供給ラインと、前記処理室を排気する排気ラインと、該排気ラインに設けられる弁装置とを備え、該弁装置は、前記排気ラインを連通する管路と、該管路を開閉する第1の弁体と、該第1の弁体をバイパスするバイパス路と、該バイパス路を開閉する第2の弁体と、前記バイパス路に設けられるオリフィス部材とを具備することを特徴とする基板処理装置。
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