JP2014216489A - 排気ガス冷却装置、基板処理装置、基板処理方法、半導体装置の製造方法および基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱処理後の排ガスを効率よく冷却することができる技術を提供する。
【解決手段】
排気されたガスが流れる排気流路と、前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁とを備え、前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される排気ガス冷却装置。
【選択図】図8
【解決手段】
排気されたガスが流れる排気流路と、前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁とを備え、前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される排気ガス冷却装置。
【選択図】図8
Description
本発明は、排気ガス冷却装置、基板処理装置、基板処理方法、半導体装置の製造方法および基板の製造方法に関し、特に、基板を加熱しつつ処理するための排気ガス冷却装置、基板処理装置、基板処理方法、半導体装置の製造方法および基板の製造方法に適用して有効な技術に関する。
SiC(炭化ケイ素)は、Si(シリコン)に比べ、絶縁耐圧や熱伝導性が高いことなどから、特にパワーデバイス用素子材料として注目されている。その一方で、SiCは、不純物拡散係数が小さいことなどから、Siに比べ、単結晶基板や半導体装置(半導体デバイス)の製造が難しいことが知られている。例えば、Si基板上にSiからなるエピタキシャル膜を成膜する温度(成膜温度)が900〜1200℃程度であるのに対し、SiC基板上にSiCからなるエピタキシャル膜を成膜する温度(成膜温度)は1500〜1800℃程度であり、成膜を行うための基板処理装置の耐熱構造等に技術的な工夫が必要となる。
例えば、SiC基板上に、SiCで形成されるエピタキシャル膜(SiCエピタキシャル膜)を成膜するために、複数の基板を効率的に処理し得るバッチ式の基板処理装置として、複数の基板を垂直方向(縦方向)に積層した状態で保持するボートを備えた、いわゆるバッチ式縦型基板処理装置が知られている。
このようなバッチ式縦型基板処理装置を用いてSiCエピタキシャル膜を成膜する工程では、複数のSiC基板を保持しているボートを処理炉内の処理室に搬入した後、例えば処理室の外側に設けられた誘導コイルに高周波電力を供給し、処理室の加熱体を誘導加熱することで、ボートに保持されているSiC基板を所定温度に加熱する。また、SiC基板を加熱するとともに、処理室内に設けられたガス供給ノズルから各SiC基板に向けて反応ガスを供給する。これにより、ボートに保持されている各SiC基板が反応ガスに曝されることで、各SiC基板上に一度に効率よくSiCエピタキシャル膜を成膜することができる。
また、SiC基板を用いた半導体装置の製造工程では、あるバッチ式縦型基板処理装置を用いてSiC基板上にSiCエピタキシャル膜を成膜した後、SiCエピタキシャル膜が成膜されたSiC基板を、別のバッチ式縦型基板処理装置(アニール処理用の基板処理装置)を用いてアニール処理することがある。アニール処理用の基板処理装置でも、複数のSiC基板を保持しているボートを処理炉内の処理室に搬入した後、処理室に不活性ガスを供給している状態で、処理室の外側に設けられた誘導コイルに高周波電力を供給し、処理室の加熱体を誘導加熱することで、ボートに保持されているSiC基板を所定温度に加熱する。これにより、各SiC基板を一度に効率よくアニール処理することができる。
特開2007−66934号公報(特許文献1)には、上記したバッチ式縦型基板処理装置による基板処理方法であって、基板を処理室に搬入し、処理室内で基板にアニール処理を施し、アニール処理後の基板を処理室から搬出する技術が記載されている。
SiCエピタキシャル膜が形成されたSiC基板をアニール処理(熱処理)する時の処理室内の温度(処理温度)は、1600〜2200℃程度であり、1500〜1800℃程度であるSiCエピタキシャル膜の成膜温度よりもさらに高い。そのため、熱処理後の排ガスの温度も高温となり、排気配管の温度も上がり、後段に設置されている各種計測機器やシール部材の耐熱温度を超える恐れがあるという問題がある。
本発明の目的は、熱処理後の排ガスを効率よく冷却することができる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明における排気ガス冷却装置は、排気されたガスが流れる排気流路と、
前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁とを備え、
前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される
ものである。
前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁とを備え、
前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される
ものである。
また、本発明における基板処理装置は、基板を処理する処理室と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを排気する排気配管と、
前記排気配管に接続され、排気されたガスが流れる排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有する排気ガス冷却装置と、を備え、
前記排気ガス冷却装置の複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成されるものである。
前記処理室内にガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを排気する排気配管と、
前記排気配管に接続され、排気されたガスが流れる排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有する排気ガス冷却装置と、を備え、
前記排気ガス冷却装置の複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成されるものである。
さらに、本発明における基板処理方法は、
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
さらに、本発明における半導体装置の製造方法は、
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
さらに、本発明における基板の製造方法は、
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有するものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
熱処理後の排ガスを効率良く冷却でき、排気配管後段の部材を熱から保護することができる。更に、圧力損失を小さくしつつ、高い冷却効率を実現することができる。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
(実施の形態1)
<基板処理装置の概略構成>
本発明を実施するための実施の形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置の製造方法に含まれる基板処理工程を実施する半導体製造装置、または、例えば半導体基板からなる基板の製造方法に含まれる基板処理工程を実施する基板製造装置として構成されている。以下の説明では、例えば、SiCで構成される半導体基板としての基板(ウェハ)にアニール処理(熱処理)を行う縦型の基板処理装置に、本発明の技術的思想を適用した場合について述べる。特に、本発明を実施するための実施の形態では、複数の基板を一度に処理するバッチ方式の基板処理装置を対象にして説明する。
<基板処理装置の概略構成>
本発明を実施するための実施の形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置の製造方法に含まれる基板処理工程を実施する半導体製造装置、または、例えば半導体基板からなる基板の製造方法に含まれる基板処理工程を実施する基板製造装置として構成されている。以下の説明では、例えば、SiCで構成される半導体基板としての基板(ウェハ)にアニール処理(熱処理)を行う縦型の基板処理装置に、本発明の技術的思想を適用した場合について述べる。特に、本発明を実施するための実施の形態では、複数の基板を一度に処理するバッチ方式の基板処理装置を対象にして説明する。
まず、本実施の形態1における基板処理装置について、図面を参照しながら説明する。
図1は、実施の形態1における基板処理装置の概略構成を示す斜視図である。
図1は、実施の形態1における基板処理装置の概略構成を示す斜視図である。
半導体製造装置としての基板処理装置10は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筐体11を有する。基板処理装置10には、例えばSiC基板としてのウェハ12(後述する図2参照)を収納する基板収容器(ウェハキャリア)として、フープ(FOUP、以下、ポッドと称す)13が使用される。筐体11の正面側には、ポッドステージ14が配置されており、ポッドステージ14にポッド13が搬送される。ポッド13には、例えば25枚のウェハ12が収納され、蓋が閉じられた状態でポッドステージ14にセットされる。
筐体11内の正面であって、ポッドステージ14に対向する位置には、ポッド搬送装置15が配置されている。また、ポッド搬送装置15の近傍にはポッド収納棚16、ポッドオープナ17および基板枚数検知器18が配置されている。ポッド収納棚16は、ポッドオープナ17の上方に配置されており、ポッド13が複数個載置された状態で、ポッド13を保持するように構成されている。基板枚数検知器18は、ポッドオープナ17に隣接して配置されており、ポッド搬送装置15は、ポッドステージ14とポッド収納棚16とポッドオープナ17との間でポッド13を搬送する。ポッドオープナ17は、ポッド13の蓋を開けるものであり、基板枚数検知器18は、蓋を開けられたポッド13内のウェハ12の枚数を検知するようになっている。
筐体11内には、基板移載機19、基板保持具としてのボート20が配置されている。
基板移載機19は、アーム(ツイーザ)21を有し、図示しない駆動手段により昇降可能かつ回転可能な構造となっている。アーム21は、例えば一度に最大5枚のウェハ12を取出すことができ、ポッドオープナ17の位置に置かれたポッド13とボート20との間でウェハ12を搬送する。
基板移載機19は、アーム(ツイーザ)21を有し、図示しない駆動手段により昇降可能かつ回転可能な構造となっている。アーム21は、例えば一度に最大5枚のウェハ12を取出すことができ、ポッドオープナ17の位置に置かれたポッド13とボート20との間でウェハ12を搬送する。
ボート20は、例えばカーボングラファイト等の耐熱性材料で構成されており、複数枚のウェハ12を水平姿勢で、かつ互いに中心を揃えた状態に整列させて縦方向に積上げ、保持するように構成されている(後述する図2参照)。
筐体11内の背面側上部には処理炉(反応炉)30が配置されている。処理炉30内には、複数枚のウェハ12(後述する図2参照)を保持しているボート20が搬入され、熱処理が行われる。
基板処理装置10を構成する各部は、コントローラ80(後述する図2参照)と電気的に接続されており、コントローラ80は、基板処理装置10を構成する各部の動作を制御するように構成されている。
<処理炉の構成>
次に、本実施の形態1における処理炉の構成について、図面を参照しながら説明する。
図2は、実施の形態1における処理炉の概略構成を示す縦断面図である。
次に、本実施の形態1における処理炉の構成について、図面を参照しながら説明する。
図2は、実施の形態1における処理炉の概略構成を示す縦断面図である。
図2に示すように、本実施の形態1における処理炉30は、最も外側に筐体31を有しており、この筐体31の内部に反応管32が配置されている。反応管32は、例えば、石英などから構成されている。
反応管32の開口側(図2下方側)には、マニホールド33が設けられている。このマニホールド33は、例えば、ステンレス材料などからなり、上方側および下方側が開口した形状に形成されている。マニホールド33は、反応管32を支持し、マニホールド33と反応管32との間には、シール部材としてのOリング(図示せず)が設けられている。
これにより、反応管32、およびマニホールド33の内部に供給されたガスが外部に漏洩するのを防止している。マニホールド33は、その下方側に設けられた保持体(図示せず)に支持されており、これにより反応管32は、地面(図示せず)に対して垂直に据え付けられた状態となっている。ここで、反応管32およびマニホールド33により、処理室(反応室)34が形成されている。
これにより、反応管32、およびマニホールド33の内部に供給されたガスが外部に漏洩するのを防止している。マニホールド33は、その下方側に設けられた保持体(図示せず)に支持されており、これにより反応管32は、地面(図示せず)に対して垂直に据え付けられた状態となっている。ここで、反応管32およびマニホールド33により、処理室(反応室)34が形成されている。
処理室34の内部には、ウェハ12を保持しているボート20が搬入され、処理室34において、ボート20に保持されているウェハ12へのアニール処理が行われるようになっている。すなわち、処理室34は、ボート20に保持されているウェハ12を処理するためのものである。ボート20はシールキャップ23上に配置され、このシールキャップ23によって処理室34が密閉されるように構成されている。また、図3を用いて後述するように、シールキャップ23には、回転機構61が設けられており、この回転機構61の回転軸62はシールキャップ23を貫通してボート20に接続されている。
ボート20は、ウェハ12またはウェハホルダ(図示せず)に搭載されたウェハ12を、各々のウェハの主面が水平になるように、かつ、各々のウェハの中心が平面視で一致するように、垂直方向(縦方向)に積層した状態で保持している。すなわち、ボート20は、ウェハ12を保持する保持部として機能する。また、ウェハホルダはウェハ12を載置することで異なる径の装置においても処理可能とするウェハ載置具として機能する。なお、ボート20の下方側には、例えば、積層グラファイト板等の耐熱性材料により円柱形状に形成された断熱部材としてのボート断熱部22が設けられ、後述する加熱体35からの熱が、処理室34の下方側に伝達しにくくなっている。
処理室34の内部には、加熱体(被誘導体、発熱体)35が形成されている。加熱体35は、上方側が閉塞されて下方側が開口された円筒形状に形成されている。これにより、加熱体35内に供給されるガスを封止でき、かつ処理室34の上方側への放熱を抑制できる。加熱体35は、例えば、カーボングラファイトから形成されており、ボート20を囲むように設けられている。
また、反応管32の外側には、例えばアルミナなどのセラミック材からなり、円筒形状を有する支持部材36が設けられており、支持部材36の内周側には、誘導コイル37が巻かれている。誘導コイル37は高周波電源38に接続されており、この高周波電源38が誘導コイル37に例えば10〜200kWの高周波電力を例えば10〜100kHzの周波数で供給することにより、誘導コイル37に高周波電流が流れる。
誘導コイル37に高周波電流が流れると、処理炉30の内部に高周波電磁界が発生し、発生した高周波電磁界により被誘導体である加熱体35に渦電流が流れる。加熱体35に渦電流が流れることでジュール熱が発生し、発生したジュール熱により、加熱体35が加熱(誘導加熱)されて昇温される。その結果、昇温された加熱体35からの輻射熱により、処理室34が加熱され、処理室34に搬入されているボート20、および、ボート20に保持されているウェハ12が加熱される。すなわち、ボート20が処理室34に搬入されている状態で、ボート20に保持されているウェハ12は、加熱部として機能する誘導コイル37および加熱体35により周囲から加熱される。
例えば加熱体35と反応管32との間など、加熱体35の近傍には、例えば熱電対からなり、処理室34内の温度を検出する温度センサ39が設けられている。
高周波電源38および温度センサ39には、コントローラ80(図2参照)の温度制御部82(後述する図4参照)が電気的に接続されている。温度制御部82は、温度センサ39により測定された温度の測定値に基づいて、高周波電源38により誘導コイル37へ供給される高周波電力を制御することで、処理室34内の温度を制御する。
反応管32と加熱体35との間には、たとえば、誘導加熱されにくいカーボンフェルトなどで形成された断熱材42が設けられている。断熱材42は、反応管32および加熱体35と同様に、上方側が閉塞され下方側が開口された円筒形状に形成されている。断熱材42は、例えば1500〜2000℃程度に加熱された加熱体35からの熱が、例えば反応管32など、断熱材42の外側に配置された部材に熱伝達されることを抑制するためのものである。このように、断熱材42を反応管32内に設けることで、加熱体35が例えば1500〜2000℃程度に加熱されている場合に、反応管32の温度を例えば1000℃程度以下に下げることができる。なお、断熱材42の周囲には、断熱材42を支持するための断熱材ケーシング42aが、例えば、石英で形成されている。
誘導コイル37の外周側には、処理室34内の熱が外部に伝達されるのを抑制するために、例えば水冷構造の外側断熱壁43が設けられている。外側断熱壁43は円筒形状に形成され、処理室34および支持部材36を包囲するよう配置されている。さらに、外側断熱壁43の外周側には、誘導コイル37へ通電することで発生する高周波電磁界が、外部に漏洩するのを防止するための磁気シール44が設けられている。磁気シール44においても、上方側が閉塞され下方側が開口された円筒形状に形成されている。図2に示す例では、筐体31が磁気シール44を兼ねた構造としている。
加熱体35と各ウェハ12との間には、複数の第1ガス供給口45aを備えた第1ガス供給ノズル(ガスノズル)45が設けられている。また、加熱体35と断熱材42との間には、複数の第2ガス供給口46aを備えた第2ガス供給ノズル(ガスノズル)46が設けられている。
第1ガス供給ノズル45は、例えば、カーボングラファイト等で中空パイプ状に形成され、その先端側は加熱体35の上方側まで延在しており、各第1ガス供給口45aは各ウェハ12の側面に向けられている。第1ガス供給ノズル45の基端側は、例えば、石英等により中空パイプ状に形成された基端部45bに接続されている。基端部45bは、マニホールド33を貫通しつつ、当該マニホールド33に溶接等により固定されている。
第2ガス供給ノズル46も、第1ガス供給ノズル45と同様に、例えば、カーボングラファイト等で中空パイプ状に形成され、その先端側は加熱体35の上方側まで延在しており、各第2ガス供給口46aは断熱材42に向けられている。第2ガス供給ノズル46の基端側は、例えば、石英等により中空パイプ状に形成された基端部46bに接続されている。基端部46bは、マニホールド33を貫通しつつ、当該マニホールド33に溶接等により固定されている。
第1ガス供給ノズル45および第2ガス供給ノズル46は、いずれも、不活性ガスからなる第1ガス、または、第1ガスと同一の第2ガスを、切り替えて、又は同時に供給するようになっている。
第1ガス、第2ガスとして、例えばアルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスを用いることができる。
以下では、第1ガス、第2ガスとして、Arガスを供給する例について説明する。しかし、第1ガス、第2ガスとしては、Arガスに限定されず、例えば窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、クリプトン(Kr)ガス、キセノン(Xe)ガスなど各種の不活性ガスを用いることができる。また、アニール処理の目的によっては、不活性ガスに、酸素(O2)ガス、水素(H2)ガスなど他の各種のガスを混合したものを用いることもできる。さらに、第1ガス、第2ガスは同一のガスを用いても良いし、異なるガスを用いても良い。
以下では、第1ガス、第2ガスとして、Arガスを供給する例について説明する。しかし、第1ガス、第2ガスとしては、Arガスに限定されず、例えば窒素(N2)ガス、ヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、クリプトン(Kr)ガス、キセノン(Xe)ガスなど各種の不活性ガスを用いることができる。また、アニール処理の目的によっては、不活性ガスに、酸素(O2)ガス、水素(H2)ガスなど他の各種のガスを混合したものを用いることもできる。さらに、第1ガス、第2ガスは同一のガスを用いても良いし、異なるガスを用いても良い。
第1ガス供給ノズル45は、基端部45bを介して第1ガスライン47に接続されている。第2ガス供給ノズル46は、基端部46bを介して第2ガスライン48に接続されている。第1ガスライン47は、流量制御器(流量制御部)としてのMFC(Mass Flow Controller)49aおよびバルブ50aを介して、処理室34に第1ガスを供給する供給部としてのガス源51aに接続されている。第2ガスライン48は、流量制御器(流量制御部)としてのMFC49cおよびバルブ50cを介して、処理室34に第2ガスを供給する供給部としてのガス源51cに接続されている。ガス源51a、51cには、例えばArガスが充填されている。
MFC49a、49cおよびバルブ50a、50cは、コントローラ80(図2参照)のガス流量制御部83(後述する図4参照)に電気的に接続されている。ガス流量制御部83は、MFC49a、49cおよびバルブ50a、50cを制御することで、第1ガス供給ノズル45および第2ガス供給ノズル46の各々から供給される第1ガスおよび第2ガスの各々の流量を、所定の流量に制御することができる。
処理室34内の雰囲気を排気するために、マニホールド33には、ガス排気口52が設けられている。ガス排気口52は、ガス排気管53に接続されている。ガス排気管53の下流側には、圧力調整器としてのAPC(Auto Pressure Controller)バルブ54を介して、真空ポンプ等の真空排気装置55が接続されている。ガス排気管53のAPCバルブ54よりも上流側の部分には、処理室34内の圧力を測定するための圧力センサ56が設けられている。
圧力センサ56およびAPCバルブ54には、コントローラ80(図2参照)の圧力制御部84(後述する図4参照)が電気的に接続されている。圧力制御部84は、圧力センサ56により測定された圧力の測定値に基づいて、APCバルブ54の開度を制御し、処理室34内のガスを、ガス排気口52、ガス排気管53およびAPCバルブ54を介して真空排気装置55から外部に所定量排気することで、処理室34内の圧力を制御する。
また、処理室34内、または、図示しないものの、ガス排気管53のAPCバルブ54よりも上流側の部分には、処理室34内の酸素濃度を測定するための酸素濃度センサ57が設けられている。酸素濃度センサ57には、コントローラ80(図2参照)の測定部85(後述する図4参照)が電気的に接続されている。測定部85は、酸素濃度センサ57により、処理室34内の酸素濃度を測定し、酸素濃度の測定値が、予め決定された上限値よりも小さいか否かを判定することで、処理室34内のリークの有無を判断する。
<処理炉周辺の構成>
次に、本実施の形態1における処理炉周辺の構成について、図面を参照しながら説明する。図3は、実施の形態1における処理炉周辺の構成を示す図である。
次に、本実施の形態1における処理炉周辺の構成について、図面を参照しながら説明する。図3は、実施の形態1における処理炉周辺の構成を示す図である。
処理炉30の下方には、予備室としてのロードロック室24が設けられている。また、処理室34にボート20が搬入された状態では、処理炉30の下部には、処理炉30の下端開口を気密に閉塞するための炉口蓋体としてシールキャップ23が設けられている。
シールキャップ23は、例えばステンレス等の金属製であり、円盤状に形成されている。シールキャップ23の上面には、処理炉30の下端と当接するシール材としてのOリング(図示せず)が設けられている。シールキャップ23には回転機構61が設けられており、この回転機構61の回転軸62は、シールキャップ23を貫通してボート20に接続されている。これにより、処理炉30は、回転軸62を介してボート20を回転させることで、ウェハ12を回転させ、ウェハ12を均一に処理できるように構成されている。
シールキャップ23は、処理炉30の外側に昇降機構として設けられた、後述する昇降モータ63により、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20を処理炉30に対して搬入または搬出することが可能となっている。回転機構61および昇降モータ63には、後述する駆動制御部86が電気的に接続されており、駆動制御部86は、回転機構61および昇降モータ63が所定動作をするように制御する。
予備室としてのロードロック室24の外面には、下基板64が設けられている。この下基板64には、昇降台65とスライド自在になっているガイドシャフト66および昇降台65と螺合するボール螺子67が設けられている。また、下基板64に設けられたガイドシャフト66およびボール螺子67の上端には、上基板68が設けられている。ボール螺子67は、上基板68に設けられた昇降モータ63によって回転され、ボール螺子67が回転することにより、昇降台65が昇降するようになっている。
昇降台65には中空の昇降シャフト69が設けられ、昇降台65と昇降シャフト69の連結部は気密となっており、この昇降シャフト69は昇降台65とともに昇降するようになっている。昇降シャフト69は、ロードロック室24の天板70を貫通しており、昇降シャフト69が貫通する天板70の貫通孔は、昇降シャフト69が天板70と接触することがないように、充分な隙間が形成されている。
ロードロック室24と昇降台65との間には、昇降シャフト69の周囲を覆うように伸縮性を有する中空伸縮体としてベローズ71が設けられており、このベローズ71によりロードロック室24が気密に保たれるようになっている。ベローズ71は、昇降台65の昇降量に対応できる充分な伸縮量を有しており、ベローズ71の内径は昇降シャフト69の外径に比べて充分に大きく、伸縮の際にベローズ71と昇降シャフト69が接触することがないように構成されている。
昇降シャフト69の下端には、昇降基板72が水平に固着され、この昇降基板72の下面にはOリング等のシール部材を介して駆動部カバー73が気密に取付けられている。昇降基板72と駆動部カバー73により駆動部収納ケース74が構成されており、この構成により、駆動部収納ケース74の内部は、ロードロック室24内の雰囲気と隔離される。
駆動部収納ケース74の内部には、ボート20の回転機構61が設けられ、この回転機構61の周辺は、冷却機構75によって冷却されるようになっている。回転機構61には、回転機構61に電力を供給するための電力ケーブル76が、昇降シャフト69の上端から中空部を通り、回転機構61に導かれて接続されている。また、冷却機構75およびシールキャップ23には、それぞれ冷却水流路77が形成されている。さらに、冷却水配管78が昇降シャフト69の上端から中空部を通り、冷却水流路77に導かれて接続されている。
処理炉周辺が上記したように構成されている場合において、昇降モータ63が駆動され、ボール螺子67が回転することで、昇降台65および昇降シャフト69を介して駆動部収納ケース74が昇降する。そして、駆動部収納ケース74が上昇することにより、昇降基板72に気密に設けられているシールキャップ23が処理炉30の開口部である炉口79を閉塞し、ウェハ処理が可能な状態となる。また、駆動部収納ケース74が下降することにより、シールキャップ23とともにボート20が下降し、ウェハ12を外部に搬出できる状態となる。
<制御部の構成>
続いて、本実施の形態1における基板処理装置のコントローラの構成について、図面を参照しながら説明する。図4は、実施の形態1における基板処理装置を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
続いて、本実施の形態1における基板処理装置のコントローラの構成について、図面を参照しながら説明する。図4は、実施の形態1における基板処理装置を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
図4において、本実施の形態1におけるコントローラ80は、主制御部(制御部)81、温度制御部82、ガス流量制御部83、圧力制御部84、測定部85および駆動制御部86を有している。主制御部(制御部)81は、温度制御部82、ガス流量制御部83、圧力制御部84、測定部85および駆動制御部86と電気的に接続されており、主制御部(制御部)81は、温度制御部82、ガス流量制御部83、圧力制御部84、測定部85および駆動制御部86を制御するように構成されている。
温度制御部82は、例えば、図2に示す高周波電源38および温度センサ39と電気的に接続されている。そして、温度制御部82は、温度センサ39によって測定された温度の測定値に基づいて、高周波電源38が誘導コイル37へ供給する高周波電力を制御することで、処理室34内の温度を所定の温度に制御するように構成されている。
ガス流量制御部83は、例えば、図2に示すMFC49a、49cおよびバルブ50a、50cと電気的に接続されている。そして、ガス流量制御部83は、MFC49a、49cの流量設定値およびバルブ50a、50cの開閉状態を制御することで、各ガス源51a、51cから供給されるガスの流量を所定の流量に制御するように構成されている。
圧力制御部84は、例えば、図2に示すAPCバルブ54および圧力センサ56と電気的に接続されている。そして、圧力制御部84は、圧力センサ56によって測定された圧力の測定値に基づいて、APCバルブ54の開度を制御することで、処理室34内の圧力を所定の圧力に制御するように構成されている。
測定部85は、例えば図2に示す酸素濃度センサ57と電気的に接続されている。そして、測定部85は、酸素濃度センサ57により処理室34内の酸素濃度を測定し、酸素濃度の測定値が、予め決定された上限値よりも小さいか否かを判定する。
駆動制御部86は、例えば、図3に示す回転機構61および昇降モータ63と電気的に接続されている。そして、駆動制御部86は、回転機構61および昇降モータ63が所定の動作をするように制御可能に構成されている。
以上のようにして、本実施の形態1における基板処理装置10がコントローラ80の主制御部(制御部)81によって制御される。
<基板処理工程>
続いて、この基板処理装置10を使用した基板処理工程について、図面を参照しながら説明する。
続いて、この基板処理装置10を使用した基板処理工程について、図面を参照しながら説明する。
図5は、実施の形態1の基板処理装置を使用した基板処理工程の一部を示すプロセスフロー図である。図6は、実施の形態1の基板処理工程における、処理室内の圧力、処理室内の温度および高周波電源により供給される高周波電力の時間変化を示すグラフである。
図6において、横軸は時間の経過を表しており、縦軸は、処理室内の圧力、処理室内の温度および高周波電力を表している。また、図6では、処理室内の圧力、処理室内の温度および高周波電力を示すグラフの上方に、一連の基板処理工程のうち対応する工程を示している。なお、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は、コントローラ80の主制御部(制御部)81(図4参照)により制御される。
図6において、横軸は時間の経過を表しており、縦軸は、処理室内の圧力、処理室内の温度および高周波電力を表している。また、図6では、処理室内の圧力、処理室内の温度および高周波電力を示すグラフの上方に、一連の基板処理工程のうち対応する工程を示している。なお、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作は、コントローラ80の主制御部(制御部)81(図4参照)により制御される。
まず、あらかじめ、アニール処理するためのウェハ12を準備する(準備工程、図5のステップS11)。
このステップS11(準備工程)では、例えば、本実施の形態1のアニール処理用の基板処理装置に代え、成膜処理用の基板処理装置を用いる。成膜処理用の基板処理装置のうちガスの供給に関係する部分以外の部分については、本実施の形態1のアニール処理用の基板処理装置と同様にすることができる。一方、成膜処理用の基板処理装置としてSiCエピタキシャル膜を成膜する基板処理装置を用いた場合には、例えばArガスなどの不活性ガスに加え、Si原子含有ガスとして例えばモノシラン(SiH4)ガス、Cl原子含有ガスとして例えば塩化水素(HCl)ガス、C原子含有ガスとして例えばプロパン(C3H8)ガス、還元ガスとして例えば水素(H2)ガスを供給可能である。
このような成膜処理用の基板処理装置において、例えばSiC基板としてのウェハをボートに移載して保持し、ウェハを保持しているボートを処理室に搬入する。次いで、処理室内の温度を、ウェハにSiCエピタキシャル膜を成膜する温度(成膜温度)まで上昇させる。次いで、処理室内に、SiCエピタキシャル膜の成膜に寄与するSi原子含有ガス(SiH4ガス)、Cl原子含有ガス(HClガス)、C原子含有ガス(C3H8ガス)および還元ガス(H2ガス)を供給することで、ウェハ上に、SiCエピタキシャル膜を成膜する。その後、処理室内の温度を下降させ、処理室に不活性ガスを供給して処理室内の圧力を大気圧にし、ボートを処理室から搬出する。そして、搬出されたボートからウェハを取り出すことにより、SiCエピタキシャル膜が形成されたSiC基板からなるウェハ12を準備する。なお、Si原子含有ガスとCl原子含有ガスとして、SiH4ガスとHClガスの代わりに、SiCl4ガスを供給してもよい。
次に、準備されたウェハ12を、アニール処理用の基板処理装置に搬送する。そして、搬送されたウェハ12をボート20に移載して保持する(保持工程、図5のステップS12)。
このステップS12(保持工程)では、まず、ポッドステージ14に複数枚のウェハ12を収納したポッド13がセットされると、ポッド搬送装置15によりポッド13をポッドステージ14からポッド収納棚16へ搬送し、ストックする(図1参照)。次に、ポッド搬送装置15により、ポッド収納棚16にストックされたポッド13をポッドオープナ17に搬送してセットし、このポッドオープナ17によりポッド13の蓋を開き、基板枚数検知器18により、ポッド13に収納されているウェハ12の枚数を検知する(図1参照)。そして、基板移載機19により、ポッドオープナ17の位置にあるポッド13からウェハ12を取出し、ボート20に移載する(図1参照)。これにより、ウェハ12がボート20に装填され、ボート20によりウェハ12が保持される。
次に、ウェハ12を保持しているボート20を処理室34に搬入(ロード)する(搬入工程、図5および図6のステップS13)。
このステップS13(搬入工程)では、ウェハ12を保持しているボート20は、昇降モータ63による昇降台65および昇降シャフト69の昇降動作により処理室34に搬入(ボートローディング)される(図3参照)。このとき、シールキャップ23は、Oリング(図示せず)を介してマニホールド33の下端をシールしている。また、処理室34に搬入されたボート20は、回転機構61により、回転軸62を介して所定の回転速度で回転される。
図6に示すように、ステップS13(搬入工程)における処理室34内の温度、すなわち、ボート20を処理室34に搬入する時の処理室34内の温度は、例えば500〜800℃程度の温度(搬入温度)T1(図6参照)になるように制御される。この搬入温度T1は、後述するステップS16(後述する熱処理工程)における処理室34内の温度、すなわち、ウェハ12をアニール処理(熱処理)する時の処理室34内の温度(後述する処理温度T2)よりも低い。また、処理室34内の温度は、温度センサ39により測定され、測定された温度の測定値に基づいて、温度制御部82により、高周波電源38が誘導コイル37に供給する高周波電力が制御される。高周波電源38が誘導コイル37に高周波電力を供給することにより処理室34内を加熱する動作の詳細については、後述するステップS15(昇温工程)において説明する。
また、図6に示すように、ステップS13(搬入工程)における処理室34内の圧力は、大気圧Patmである。
次に、処理室34にリークが発生していないことを確認(リーク確認)し、処理室34内の酸素(O2)ガスの濃度を確認(酸素濃度確認)する(リーク確認工程となる酸素濃度確認工程、図5および図6のステップS14)。
このステップS14(リーク確認工程となる酸素濃度確認工程)では、まず、例えばバルブ50a、50cを閉じ、APCバルブ54を開いた状態で、処理室34内の圧力が、大気圧Patmから、例えば0〜1000Pa程度であって大気圧Patmよりも低い圧力Pvacまで減少(減圧)するように、真空排気装置55により処理室34を真空排気する。このとき、処理室34内の圧力は、圧力センサ56によって測定され、測定された圧力の測定値に基づいて、圧力制御部84により、APCバルブ54の開度が制御される。
処理室34内が大気圧Patmから所定の圧力Pvacまで減少(減圧)した後、MFC49aおよびバルブ50aを制御することにより、ガス源51aから処理室34に第1ガス(Arガス)を供給する。具体的には、MFC49aおよびバルブ50aを制御するとともに、APCバルブ54を制御することにより、第1ガス(Arガス)は、第1ガスライン47を介して第1ガス供給ノズル45に流通し、第1ガス供給口45aより処理室34に供給される。処理室34に供給された第1ガス(Arガス)は、加熱体35の内側を通り、ガス排気口52からガス排気管53を通って排気される。このようにして、処理室34内の圧力を、圧力Pvacから大気圧Patmと略等しい圧力まで増加(増圧、復圧)させる。そして、処理室34内の圧力が大気圧Patmと略等しい圧力まで増加(増圧、復圧)した状態で、処理室34にリークが発生していないことを確認(リーク確認)し、処理室34内の酸素ガスの濃度を確認(酸素濃度確認)する。
リーク確認は、例えば、以下のように行うことができる。例えば、バルブ50a、50cおよびAPCバルブ54を閉じ、処理室34の内部を封じた状態で、圧力センサ56により処理室34内の圧力を測定し、測定された圧力の測定値の時間経過に伴う変化量が、例えば予め決定された上限値よりも小さいか否かを判定する。そして、圧力の測定値の変化量が、予め決定された上限値よりも小さいと判定されたときに、処理室34においてリークが発生していないことを確認したものとする。
酸素濃度確認は、例えば、以下のように行うことができる。例えば、バルブ50a、50cおよびAPCバルブ54を閉じ、処理室34の内部を封じた状態で、酸素濃度センサ57により酸素濃度を測定し、測定された酸素濃度の測定値が、予め決定された上限値よりも小さいか否かを判定する。そして、酸素濃度の測定値が、予め決定された上限値よりも小さいと判定されたときに、酸素濃度を確認したものとする。
また、時間を短縮したい場合には、酸素濃度確認をもって、リーク確認とすることができる。すなわち、酸素濃度確認を行うことで、処理室34においてリークが発生していないことを確認することができる。
なお、前述したように、第1ガスとしては、Arガスに限定されず、例えばN2ガス、Heガス、Neガス、Krガス、Xeガスなど各種の不活性ガスを用いることができる。また、アニール処理の目的によっては、不活性ガスに、O2ガス、H2ガスなど他の各種のガスを混合したものを用いることもできる。(以下の工程においても同様)。
また、アニール処理の目的によっては、リーク確認および酸素濃度確認のいずれか一方のみを行い、他方を行わないようにすることもできる。
さらに、リーク確認および酸素濃度確認を行う際の処理室34内の圧力は、圧力Pvacよりも高い圧力であればよく、大気圧Patmと略等しい圧力に限定されない。
次に、処理室34内の温度を、ボート20を処理室34に搬入する時の温度(搬入温度)T1から、ウェハ12をアニール処理(熱処理)する時の温度まで上昇(昇温)させる(昇温工程、図5および図6のステップS15)。
このステップS15(昇温工程)では、まず、MFC49aおよびバルブ50aを制御することにより、ガス源51aから第1ガス(Arガス)を供給する。具体的には、MFC49aおよびバルブ50aを制御するとともに、APCバルブ54を制御することにより、第1ガス(Arガス)は、第1ガスライン47を介して第1ガス供給ノズル45に流通し、第1ガス供給口45aより処理室34に供給される。処理室34に供給された第1ガス(Arガス)は、加熱体35の内側を通り、ガス排気口52からガス排気管53を通って排気される。このようにして、処理室34内の圧力を、大気圧Patmよりも低い圧力、例えば100〜100000Pa程度の圧力(第1圧力)P1に制御する。また、処理室34内の圧力は、圧力センサ56によって測定され、測定された圧力の測定値に基づいて、APCバルブ54の開度が制御される。
なお、ステップS15(昇温工程)を開始する前に、処理室34内の圧力を第1圧力P1に制御し始めてもよい。例えば、ステップS14(リーク確認工程となる酸素濃度確認工程)において、リーク確認および酸素濃度確認が終了した後、処理室34内の圧力を減少させ始めてもよい。図6では、ステップS14(リーク確認工程となる酸素濃度確認工程)において、処理室34内の圧力を第1圧力P1に制御し始める例を示している。
次に、処理室34内の圧力が第1圧力P1に制御されている状態で、処理室34内の温度を、前述した搬入温度T1から、後述するステップS16(熱処理工程)においてウェハ12をアニール処理(熱処理)する時の温度(処理温度)T2(図6参照)まで、上昇(昇温)させる。処理温度T2は、例えば1500〜2000℃程度である。
冷却水配管78に冷却水を流通させるなど冷却機構75を動作させた状態で、処理炉30内の少なくとも加熱体35を誘導加熱し、加熱体35からの輻射熱によって、処理室34内のボート20に保持されている各ウェハ12を加熱する。具体的には、高周波電源38が誘導コイル37に高周波電力を供給することで、誘導コイル37に高周波電流が流れ、流れる高周波電流により処理炉30内に高周波電磁界が発生し、発生した高周波電磁界により被誘導体である加熱体35に渦電流が発生する。加熱体35に渦電流が流れることでジュール熱が発生し、発生したジュール熱により、加熱体35が加熱(誘導加熱)されて昇温される。その結果、昇温された加熱体35からの輻射熱により、処理室34の内部が加熱され、処理室34に搬入されているボート20に保持されているウェハ12が加熱される。すなわち、高周波電源38が誘導コイル37に高周波電力を供給することで、ボート20に保持されているウェハ12が加熱される。
なお、ステップS15(昇温工程)においても、処理室34内の温度は、温度センサ39により測定され、測定された温度の測定値に基づいて、温度制御部82が、高周波電源38により誘導コイル37へ供給される高周波電力を制御することで、処理室34内の温度が制御されるように構成しても良い。
次に、ウェハ12をアニール処理(熱処理)する(熱処理工程、図5および図6のステップS16)。
このステップS16(熱処理工程)では、処理室34内の温度が処理温度T2まで上昇した後、ステップS15(昇温工程)に引き続き、処理室34内の圧力が第1圧力P1に制御され、処理室34内の温度が処理温度T2に制御されている状態で、ウェハ12をアニール処理(熱処理)する。
次に、ウェハ12を保持しているボート20を処理室34から搬出(アンロード)する(搬出工程、図5のステップS18)。
このステップS18(搬出工程)では、昇降モータ63によりシールキャップ23を下降させる。このとき、マニホールド33の下端が開くとともに、処理済みのウェハ12がボート20に保持されている状態で、ボート20がマニホールド33の下端から処理室34の外部に搬出(ボートアンローディング)される。そして、ボート20に保持されているウェハ12が冷却されるまで、ボート20を所定位置にて待機させる。待機させたボート20のウェハ12が所定温度まで冷却されると、基板移載機19により、ボート20からウェハ12を取出し、ポッドオープナ17にセットされている空のポッド13に搬送して収納する。その後、ポッド搬送装置15によりウェハ12が収納されたポッド13をポッド収納棚16、またはポッドステージ14に搬送する。このようにして、基板処理装置10の一連の作動が完了する。
SiCエピタキシャル膜が成膜されたSiC基板としてのウェハのアニール処理(熱処理)においては、前述したように、処理温度T2は、例えば1500〜2000℃程度の高温であり、搬出開始温度T4(搬出温度T1)は、例えば500〜800℃程度以下の低温であり、処理温度T2と搬出開始温度T4(搬出温度T1)との温度差は、例えば700〜1500℃程度以上である。そのため、処理室内の温度を処理温度T2から搬出開始温度T4(搬出温度T1)まで下降(降温)させるための時間(冷却時間)t3として例えば100分程度の時間を要することがあり、冷却時間が長いことが、単位時間当たりのウェハの処理枚数(スループット)を低下させる要因となっている。
特にアニール処理の場合には、前述のように、処理温度が高温となり、大量のキャリアガスは必要とはされないものの、アニール処理終了後に炉内の降温速度を上げようとすれば、大量の冷却ガスを流す必要がある。その場合にも、排気されるガスは高温となって排出される。高温のままガスが排気されると、排気配管の温度も上昇し、排気配管の後段に設置されている各種計測器やシール部材の耐熱温度を超える懸念がある。従って、この大量の排気ガスを十分に冷却する必要がある。そこで、本発明においては、排気配管の一部にガス冷却装置を配置し、排ガスの温度を低くするような構成とした。
図7、図8にガス冷却機構を示す。ガス冷却機構100は、冷却ユニットとして反応炉32の排気口と排気配管の間に設けられる場合と、排気配管内に予め設けられている場合との両方の構成を取ることが可能であって、その材質は熱伝導率の高い材質(SUS等)で構成され、上板101、下板102を有し、前記上板101、下板102からガス流入方向に対して略90度(垂直方向)に設けられた複数の冷却壁103、ガス流入方向と略同じ方向(水平方向)に向けて設けられた導風溝105から構成されている。なお、複数の冷却壁103のうちで、ガスが流入されてくる上流側に設けられた冷却壁104の厚みを他の冷却壁より厚くしている。また、上板101、下板102、冷却壁103には、図示しないがパイプを配置し、パイプ内に冷却水を流して低温状態としている。
このように、熱交換の効率を高めるには、熱交換面積を大きくする事、且つガスの温度分布をなくすために流路断熱面積を小さくすること(すなわち、熱交換面積/流路断面積の比を大きくすること)、また、低温側の配管温度をなるべく下げることが重要である。本実施形態の構造では、複数の冷却壁103によりガス流路を蛇行させ、さらに導風溝105を付けることにより、熱交換面積/流路断面積の比を大きくしている。好適には、図7に図示するようにガス冷却機構100の複数の冷却壁103の内で、最上流側の冷却壁104を厚くする形状が望ましく、このように構成することで最も高温のガスが最上流側の冷却壁104と衝突して熱交換するので、壁の温度が上がり易く、熱伝導を促進することが可能である。
すなわち、ガス冷却機構100が有する複数の熱交換用の冷却壁103のうち、冷却壁103に排気ガスが衝突する面積(衝突面積、受圧面積)が最大となる冷却壁104に、最大の横断面幅となる厚みを設けることで冷却効率を向上させることが可能となる。
図8は、ガス冷却機構100を設置した場合の排気ガス温度を示している。2000℃から降温する際に、Arを100L流すことを想定し、排気配管流入温度は1000℃とすると、本実施形態の場合は60℃程度となる。これに対し、図9には、冷却機構を設置しない場合を示すが、1000℃で排気配管53に流入したガスは、900℃程度までしか冷却されないことが明らかである。
本発明における、ガス冷却機構による圧力損失および冷却効果を見積もる手順を以下に示す。
まず、各部寸法とパラメータ、熱の移動を図10に示す近似モデルで考える。
はじめに、圧力損失を見積もる。圧力損失ヘッドを管摩擦損失ヘッドで表すと以下のようになる。
まず、各部寸法とパラメータ、熱の移動を図10に示す近似モデルで考える。
はじめに、圧力損失を見積もる。圧力損失ヘッドを管摩擦損失ヘッドで表すと以下のようになる。
このとき、本発明のように矩形断面の管の摩擦損失の式は、ダルシー・ワイスバッハの式を変形して以下のようになる。
ただし、流路長、周長、断面積は以下の通りである。
数式1〜5を用いることにより、各部寸法を与えた際の入口圧力と出口圧力の差が求められ、ガス冷却機構の構造が圧力損失に及ぼす影響を見積もることができる。
次に、ガス冷却機構による冷却効果を見積もる。図に示すように熱の移動を考えた場合、以下の数式が成り立つ。
次に、ガス冷却機構による冷却効果を見積もる。図に示すように熱の移動を考えた場合、以下の数式が成り立つ。
ただし、熱伝達率は以下の通りである。
ガス冷却機構100の各部寸法およびガス入口温度を与えたとき、数式6〜14を用いれば、ガスの出口温度を求めることができる。すなわち、ガス冷却機構100の構造が冷却効果に及ぼす影響を見積もることができる。
以上のように圧力損失と冷却効果を見積もることによってガス冷却機構の構造を決定することが可能となる。
流体を流したとき、一般的に圧力損失と交換熱量の大きさは比例するが、本発明のような熱交換器では圧力損失を抑えながら交換熱量を大きくすることが要求される。このような場合に上述の手法で圧力損失と交換熱量を見積もることにより、要求を満たす効率的な構造を決めることができる。
<本実施の形態1の主要な特徴と効果>
高温の排ガスを冷却するために、排気配管にガス冷却機構を設け、排気ガスの流路の最上流側に設けられた熱交換用の壁の厚さが最大となるようにすることにより、より一層のガス冷却を実現できるという効果を奏する。
高温の排ガスを冷却するために、排気配管にガス冷却機構を設け、排気ガスの流路の最上流側に設けられた熱交換用の壁の厚さが最大となるようにすることにより、より一層のガス冷却を実現できるという効果を奏する。
なお、本発明は上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言うまでもない。
例えば、上記実施の形態では、排気ガスの流路の最上流側に設けられた熱交換用の壁の厚さが最大となるように排気配管にガス冷却機構を設けて説明したが、これに限らず、排気流路である排気配管断面積が1/2以下となる(すなわち、排気ガスが熱交換用の冷却壁に衝突する面積が1/2以上となる)ように設けられた冷却壁のうち、最上流側の冷却壁の横断面幅が、最も厚くなる構成としても良い。
例えば、上記実施の形態では、排気ガスの流路の最上流側に設けられた熱交換用の壁の厚さが最大となるように排気配管にガス冷却機構を設けて説明したが、これに限らず、排気流路である排気配管断面積が1/2以下となる(すなわち、排気ガスが熱交換用の冷却壁に衝突する面積が1/2以上となる)ように設けられた冷却壁のうち、最上流側の冷却壁の横断面幅が、最も厚くなる構成としても良い。
本発明の好ましい主な態様を以下に付記する。
〔付記1〕
排気されたガスが流れる排気流路と、
前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁と、を備え、
前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される排気ガス冷却装置。
排気されたガスが流れる排気流路と、
前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁と、を備え、
前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される排気ガス冷却装置。
〔付記2〕
基板を処理する処理室と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを排気する排気配管と、
前記排気配管に接続され、排気されたガスが流れる排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有する排気ガス冷却装置と、を備え、
前記排気ガス冷却装置の複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される基板処理装置。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを排気する排気配管と、
前記排気配管に接続され、排気されたガスが流れる排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有する排気ガス冷却装置と、を備え、
前記排気ガス冷却装置の複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される基板処理装置。
〔付記3〕
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板処理方法。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板処理方法。
〔付記4〕
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
〔付記5〕
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板の製造方法。
基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板の製造方法。
〔付記6〕
付記1に記載の排気ガス冷却装置において、前記冷却壁の段数は前記排気ガス冷却装置の入口圧力と出口圧力との差において決定する排気ガス冷却装置。
付記1に記載の排気ガス冷却装置において、前記冷却壁の段数は前記排気ガス冷却装置の入口圧力と出口圧力との差において決定する排気ガス冷却装置。
〔付記7〕
付記1に記載の排気ガス冷却装置において、前記冷却壁は前記排気流路の断面積が半分以下となるように設けられた最上流の冷却壁が最大の横断面幅を有する排気ガス冷却装置。
付記1に記載の排気ガス冷却装置において、前記冷却壁は前記排気流路の断面積が半分以下となるように設けられた最上流の冷却壁が最大の横断面幅を有する排気ガス冷却装置。
本発明は、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。
10…基板処理装置、11…筐体、12…ウェハ、24…ロードロック室、30…処理炉(反応炉)、30a…処理炉(反応炉)、31…筐体、32…反応管、33…マニホールド、34…処理室(反応室)、35…加熱体(被誘導体)、36…支持部材、37…誘導コイル、38…高周波電源、39…温度センサ、42…断熱材、42a…断熱材ケーシング、43…外側断熱壁、44…磁気シール、45…第1ガス供給ノズル、45a…第1ガス供給口、45b…基端部、46…第2ガス供給ノズル、46a…第2ガス供給口、46b…基端部、47…第1ガスライン、48…第2ガスライン、49a、49c…MFC、50a、50c…バルブ、51a、51c…ガス源、52…ガス排気口、53…ガス排気管、80…コントローラ、86…駆動制御部 、100…排気ガス冷却装置、103(104)…冷却壁、105…導風溝
Claims (5)
- 排気されたガスが流れる排気流路と、
前記排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁とを備え、
前記複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される排気ガス冷却装置。 - 基板を処理する処理室と、
前記処理室内にガスを供給するガス供給部と、
前記ガス供給部から供給されたガスを排気する排気配管と、
前記排気配管に接続され、排気されたガスが流れる排気流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有する排気ガス冷却装置と、を備え、
前記排気ガス冷却装置の複数の冷却壁のうち、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の横断面幅が最も厚く構成される基板処理装置。 - 基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する複数の冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板処理方法。 - 基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 基板を処理室に搬送する工程と、
前記処理室内に所定のガスを供給し前記基板を処理するガス供給工程と、
前記ガス供給工程によって供給されたガスを排気配管に排気するとともに、前記排気配管に接続され、排気ガス流路を蛇行させるように配置され、前記排気されたガスを冷却する冷却壁を有し、前記排気されたガスが衝突する面積が最大となる冷却壁の幅が他の冷却壁の幅より厚い冷却壁を有する排気ガス冷却装置によって排気ガスが冷却されるガス排気工程と、
を有する基板の製造方法。
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