JP2010245422A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応炉内圧力の制御を正確に行うことを可能とする半導体製造装置を提供する。
【解決手段】排気管８６のマニホールドとの接続側と反対側である下流側には、処理室から排気されたガスを冷却するガス冷却体９０および圧力調整装置９２を介して真空ポンプ等の真空排気装置９４が接続されている。また、圧力センサ９６は、ガス冷却体９０の上流側に設けられている。このようにして、処理室内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気するように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体製造装置に関する。

従来、半導体製造装置の反応炉内の圧力は、自動圧力制御装置（ＡＰＣ：Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）によって制御されている。反応ガスは、反応炉を通過後、ガス冷却体において冷却され、ＡＰＣを通過し排気される。ＡＰＣは圧力センサを装備しており、この圧力センサはガス冷却体の下流の圧力を監視している。圧力センサによって検出された圧力値は、ＡＰＣを制御するＡＰＣ制御部へ送られる。この値に基づいて、所定の設定値となるようにＡＰＣ内のバルブ開度が調節され、反応炉内の圧力が制御される。

しかし、反応ガスがガス冷却体を通過する際に圧力損失が生じるため、このガス冷却体の上流にある反応炉側と下流にあるＡＰＣ側とでは圧力が異なる。このため、ＡＰＣにより設定された圧力と反応炉内の圧力に差が生じる反応炉内圧力シフトが起こる。さらに、反応炉内に導入される反応ガスの流量によって、ガス冷却体を通過する際に損失する圧力は異なる。このため、反応炉内に導入される反応ガスの流量の変動に伴い、反応炉内の圧力が変化し、反応炉内圧力を一定に保つことができない。
また、反応炉内圧力シフトにより、反応炉内の圧力が設定値より大きくなるため、反応ガスが漏洩するおそれが増す等、装置の安全性が低下する。さらに、腐食性ガスを用いた場合、漏洩による腐食のおそれが増し、装置の信頼性が低下する。

特許文献１では、装置を繰り返して使用する場合においても、反応室内の圧力の制御を正確に行うことを可能とするために、反応ガス吸気側であるガス導入部の反応室内の圧力を測定可能な箇所に設置された校正用圧力検出器を具備する半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法が開示されている。

特開２００４−６３９６８号公報

本発明は、反応室内の圧力の制御を正確に行うことを可能とする半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体製造装置は、基板を処理する処理室と、前記処理室から気体を排気する排気管と、前記排気管に設けられ前記気体を冷却する冷却部と、前記処理室と前記冷却部との間で、前記排気管内の圧力を測定する圧力検出器とを有する。

本発明によれば、反応室内の圧力の制御を正確に行うことを可能とする半導体製造装置を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる半導体製造装置の斜透視図である。 本発明の一実施形態に用いられる処理炉４０の概略構成図である。 本発明の一実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図である。 本発明の一実施形態に用いられるコントローラ１１６の構成のブロック図である。 炉内に導入するガス流量と、処理室７２内部及び圧力調整装置９２部での相対圧力の関係を示し、図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置１０を用いた場合を示し、図５（ｂ）は、比較形態を用いた場合を示す。 本発明の第２実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図である。 本発明の第３実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図である。 本発明の第４実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図である。

[第１実施形態]
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態としての半導体製造装置１０の斜透視図を示す。この半導体製造装置１０は、バッチ式縦型半導体製造装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。筺体１２の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で、基板としてのウエハ１４の収納容器としてのカセット１６の授受を行う、保持具授受部材としてのカセットステージ１８が設けられ、このカセットステージ１８の後側には、昇降手段としてのカセットエレベータ２０が設けられ、このカセットエレベータ２０には搬送手段としてのカセット移載機２２が取り付けられている。また、カセットエレベータ２０の後側には、カセット１６の載置手段としてのカセット棚２４が設けられている。カセット棚２４には、後述するウエハ移載機５２の搬送対象となるカセット１６が収納される移載棚２６が設けられている。カセットステージ１８の上方には、予備カセット棚２８が設けられており、この予備カセット棚２８の上方には、クリーンユニット３０が設けられ、クリーンエアを筺体１２の内部に流通させるように構成されている。

筺体１２の後部上方には、処理炉４０が設けられている。処理炉４０の下方には、ウエハ１４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４２、このボート４２を処理炉４０に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ４４が設けられている。ボートエレベータ４４に取り付けられた昇降部材４６の先端部には、蓋体としてのシールキャップ４８が取り付けらており、ボート４２を垂直に支持している。ボートエレベータ４４とカセット棚２４の間には、昇降手段としての移載エレベータ５０が設けられ、この移載エレベータ５０には基板搬送手段としてのウエハ移載機５２が取り付けられている。ウエハ移載機５２には、例えば５枚のウエハ１４を取出すことができるアーム（ツイーザ）５４が備えられている。ボートエレベータ４４の近傍には、開閉機構をもち処理炉の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ５６が設けられている。

カセットエレベータ２０、カセット移載機２２、移載エレベータ５０およびウエハ移載機５２には、搬送制御部５８が電気的に接続されている（図４参照）。搬送制御部５８は、カセット１６またはウエハ１４を所望のタイミングにて所定の箇所へ搬送するよう制御するように構成されている。

次に、処理炉４０について図２乃至図４に基づいて詳細に説明する。図２は、処理炉４０の概略構成図であり、縦断面図として示す。図３は、処理炉４０及びその周辺構造の概略図を示す。図４は、コントローラ１１６の構成のブロック図を示す。

図２に示されているように、処理炉４０は加熱機構としてのヒータ６２を有する。ヒータ６２は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース６４に支持されることにより垂直に据え付けられている。

ヒータ６２の内側には、このヒータ６２と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ６６が配設されている。プロセスチューブ６６は内部反応管としてのインナーチューブ６８と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウターチューブ７０とから構成されている。インナーチューブ６８は、例えば石英（ＳｉＯ_２ ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。インナーチューブ６８の筒中空部には反応室としての処理室７２が形成されており、ウエハ１４をボート４２によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。アウターチューブ７０は、例えば石英または炭化シリコン等の耐熱性材料からなり、内径がインナーチューブ６８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、インナーチューブ６８と同心円状に設けられている。

アウターチューブ７０の下方には、このアウターチューブ７０と同心円状にマニホールド７４が配設されている。マニホールド７４は、例えばステンレス等からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド７４は、インナーチューブ６８とアウターチューブ７０に係合しており、これらを支持するように設けられている。なお、マニホールド７４とアウターチューブ７０との間にはシール部材としてのＯリング７６ａが設けられている。マニホールド７４がヒータベース６４に支持されることにより、プロセスチューブ６６は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ６６とマニホールド７４により反応容器が形成される。

シールキャップ４８にはガス導入部としてのノズル７８が処理室７２内に連通するように接続されており、ノズル７８にはガス供給管８０が接続されている。ガス供給管８０のノズル７８との接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）８２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。ＭＦＣ８２には、ガス流量制御部８４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よう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

マニホールド７４には、処理室７２内の雰囲気を排気する排気管８６が設けられている。排気管８６は、インナーチューブ６８とアウターチューブ７０との隙間によって形成される筒状空間８８の下端部に配置されており、この筒状空間８８に連通している。排気管８６のマニホールド７４との接続側と反対側である下流側には、処理室から排気されたガスを冷却するガス冷却体９０および圧力調整装置９２を介して真空ポンプ等の真空排気装置９４が接続されている。また、圧力検出器としての圧力センサ９６が、ガス冷却体９０の上流側に設けられている。このようにして、処理室７２内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気するように構成されている。圧力調整装置９２および圧力センサ９６には、圧力制御部９８が電気的に接続されており、圧力制御部９８は、圧力センサ９６により検出された圧力に基づいて圧力調整装置９２により処理室７２内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。また、排水を行う排水管１００が、ガス冷却体９０の下流に分岐して接続されている。

マニホールド７４の下方には、このマニホールド７４の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ４８が設けられている。シールキャップ４８は、マニホールド７４の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ４８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。シールキャップ４８の上面にはマニホールド７４の下端と当接するシール部材としてのＯリング７６ｂが設けられる。シールキャップ４８の処理室７２と反対側には、ボートを回転させる回転機構１０２が設置されている。回転機構１０２の回転軸１０４はシールキャップ４８を貫通して、ボート４２に接続されており、ボート４２を回転させることでウエハ１４を回転させるように構成されている。シールキャップ４８はプロセスチューブ６６の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ４４によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート４２を処理室７２に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構１０２及びボートエレベータ４４には、駆動制御部１０６が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

ボート４２は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウエハ１４を水平姿勢でか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ように構成されている。なお、ボート４２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１０８が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ６２からの熱がマニホールド７４側に伝わりにくくなるよう構成されている。

プロセスチューブ６６内には、温度検出器としての温度センサ１１０が設置されている。ヒータ６２と温度センサ１１０には、電気的に温度制御部１１２が接続されており、温度センサ１１０により検出された温度情報に基づきヒータ６２への通電具合を調整することにより処理室７２内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

搬送制御部５８、ガス流量制御部８４、圧力制御部９８、駆動制御部１０６、温度制御部１１２は、操作部、入出力部をも構成し、半導体製造装置１０全体を制御する主制御部１１４に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部８４、圧力制御部９８、駆動制御部１０６、温度制御部１１２、主制御部１１４はコントローラ１１６として構成されている。

次に、半導体製造装置１０を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ＣＶＤ法によりウエハ１４上に薄膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明において、半導体製造装置１０を構成する各部の動作はコントローラ１１６により制御される。

ウエハ１４が装填されたカセット１６は、図示しない外部搬送装置から前記カセットステージ１８にウエハ１４が上向きの姿勢で搬入され、ウエハ１４が水平姿勢となるようにカセットステージ１８へ搬送される。カセット１６は、カセットエレベータ２０の昇降動作、横行動作及びカセット移載機２２の進退動作、回転動作の協働により、カセットステージ１８からカセット棚２４又は予備カセット棚２８に搬送される。

処理炉４０へ移載されるウエハ１４が収納されたカセット１６は、カセットエレベータ２０及びカセット移載機２２により、移載棚２６に搬送され収納される。カセット１６が移載棚２６に搬送されると、ウエハ移載機５２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ５０の昇降動作の協働により、ウエハ１４は移載棚２６から降下状態にあるボート４２へ搬送される。

複数枚のウエハ１４がボート４２に装填（ウエハチャージ）されると、図２に示されているように、複数枚のウエハ１４を保持したボート４２は、ボートエレベータ４４によって持ち上げられて処理室７２に搬入（ボートローディング）される。この状態で、シールキャップ４８はＯリング７６ｂを介してマニホールド７４の下端をシールした状態となる。

処理室７２内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置９４によって真空排気される。この際、処理室７２内の圧力は、圧力センサ９６で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調整装置９２が、フィードバック制御される。ここで、圧力センサ９６は、ガス冷却体９０の上流側の圧力を測定するように設けられているため、このガス冷却体９０による圧力損失を受けずに処理室７２内の圧力が測定される（図３参照）。

また、処理室７２内が所望の温度となるようにヒータ６２によって加熱される。この際、処理室７２内が所望の温度分布となるように、温度センサ１１０が検出した温度情報に基づきヒータ６２への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構１０２により、ボート４２が回転されることで、ウエハ１４が回転される。

次いで、処理ガス供給源から供給され、ＭＦＣ８２にて所望の流量となるように制御されたガスは、ガス供給管８０を流通してノズル７８から処理室７２内に導入される。導入されたガスは処理室７２内を上昇し、インナーチューブ６８の上端開口から筒状空間８８に流出して排気管８６から排気される。ガスは処理室７２内を通過する際にウエハ１４の表面と接触し、この際に熱ＣＶＤ反応によってウエハ１４の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。

予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室７２内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室７２内の圧力が常圧に復帰される。

その後、ボートエレベータ４４によりシールキャップ４８が下降されて、マニホールド７４の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ１４がボート４２に保持された状態でマニホールド７４の下端からプロセスチューブ６６の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
その後、ウエハ１４は、上述した動作と逆の手順により、ボート４２から移載棚２６のカセット１６に搬送される。カセット１６はカセット移載機２２により移載棚２６からカセットステージ１８に搬送され、図示しない外部搬送装置により筺体１２の外部に搬出される。
なお、炉口シャッタ５６は、ボート４２が降下状態にある際、処理炉４０の下面を塞ぎ、外気が処理炉４０内に侵入するのを防止する。

なお、例えば、本実施の形態の処理炉にてウエハを処理する際の処理条件として、熱酸化膜の成膜においては、処理温度５００〜１３５０℃、処理圧力（相対圧）−３００〜＋３００Ｐａ、ガス種を酸素、ガス供給流量１０００〜５００００ｓｃｃｍが挙げられ、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エハ１４に処理がなされる。

図５は、炉内に導入するガス流量と、処理室７２内部及び圧力調整装置９２部での相対圧力の関係を示す。図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置１０を用いた場合を示し、図５（ｂ）は、比較形態を用いた場合を示す。比較形態は、圧力センサ９６が、ガス冷却体９０の下流に設けられたものであり、圧力センサ９６が、ガス冷却体９０の上流に設けられている本発明の一実施形態と、この点で異なっている。

図５（ａ）に示すように、本発明の一実施形態を用いた場合は、ガス導入量が変動しても、処理室７２内部の圧力が一定に保たれている。なお、ガス冷却体９０を通過することで圧力損失が生じるため、このガス冷却体９０の下流にある圧力調整装置９２部での圧力は、この圧力調整装置９２によって設定された圧力よりも減少したものとなっている。
一方、図５（ｂ）に示すように、比較形態を用いた場合は、ガス導入量の増加に伴い、処理室７２内部の圧力が増加している。なお、ガス冷却体９０を通過し圧力損失が生じた後の圧力に基づき、圧力調整装置９２が圧力を設定しているため、ガス冷却体９０の下流にある圧力調整装置９２部での圧力の変動は少ない。このように、本発明の一実施形態を用いた場合は、処理室７２内の圧力制御性能が向上される。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態を示す。図６は、第２実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図を示す。この実施形態では、圧力センサ９６は、配管１２０を通り排気管８６へ案内される。配管１２０は、材質として耐熱性のあるものが用いられ、圧力調整装置９２が処理炉４０からの熱に晒されない距離を確保できる程度の適切な長さに調整される。また、配管１２０は、この配管１２０内に結露がつまることのない程度の適切な内径に調整される。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態を示す。図７は、第３実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図を示す。この実施形態では、配管１２０内を圧力センサ９６側から排気管８６方向へＮ_２ガスが常時流れるように構成されている。このため、配管１２０内の結露等によるつまりが防止される。

[第４実施形態]
次に、本発明の第４実施形態を示す。図８は、第４実施形態に用いられる処理炉４０及びその周辺構造の概略図を示す。この実施形態では、配管１２０の近傍に配管ヒータ１２２が設けられている。このため、配管１２０が配管ヒータ１２２によって加熱されることにより、結露によるつまりが防止される。

１０ 半導体製造装置
１４ ウエハ
１６ カセット
４０ 処理炉
４２ ボート
７２ 処理室
９０ ガス冷却体
９２ 圧力調整装置
９６ 圧力センサ
１１６ コントローラ

Claims (1)

1. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室から気体を排気する排気管と、
   前記排気管に設けられ前記気体を冷却する冷却部と、
   前記処理室と前記冷却部との間で、前記排気管内の圧力を測定する圧力検出器と
   を有する半導体製造装置。
   

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