JP2018107182A - 基板処理装置および基板処理方法、ならびに基板処理システム - Google Patents

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Abstract

【課題】垂直方向に多段に配置した状態の複数の基板に対し、均一性の高い処理を行う。
【解決手段】基板処理装置１００は、ベース部材１と、ベース部材１上に固定して設けられ、複数の被処理基板Ｗを垂直方向に多段に保持する基板保持部材３と、基板保持部材３に保持された複数の被処理基板Ｗにそれぞれ対向するように設けられ、被処理基板Ｗに対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレート３１と、基板保持部材３と一体に設けられ、処理ガスを複数のシャワープレート３１に導入するガス導入部材６と、ベース部材１に密着されることにより処理室を画成する処理容器２２と、処理室内の被処理基板Ｗを加熱する加熱装置２４と、ベース部材１の開口部１１を介して処理室内を排気する排気機構５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直方向に多段に配置した状態の複数の被処理基板に対し処理を行う基板処理装置および基板処理方法、ならびに基板処理システムに関する。
例えば、半導体デバイス装置の製造において、被処理基板である半導体ウエハ（ウエハ）に対して拡散処理、アニール処理、成膜処理、酸化処理等の処理を行う場合には、縦型の石英製の処理容器内に、複数のウエハを垂直方向に多段に配置した石英製のボートを下方から搬入し、処理容器内に挿入されたガスインジェクターにより処理容器内に処理ガスを導入するととともに、処理容器の周囲に設けられたヒータにより基板を加熱して処理を行う、バッチ式の縦型熱処理装置が広く用いられている（例えば特許文献１）。
また、このようなバッチ式の縦型熱処理装置においては、処理ガスを処理容器内の複数のウエハに均一に供給する観点から、基板の配置方向に延在され、各ウエハに対応する位置に複数のガス吐出孔を有するガスインジェクターを用いる技術も用いられている（例えば特許文献２）。
特許第３５４３９９６号公報 特開２００６−１３４９０号公報
しかしながら、近時、半導体デバイスの微細化および構造の複雑化が益々進み、特許文献２のガスインジェクターを用いても十分な均一性が得られなくなっている。
特に、表面に高アスペクト比のトレンチが形成されているウエハに所定の膜を成膜する場合、高い膜厚均一性とカバレッジが求められているが、特許文献２の技術では対応が困難である。
したがって、本発明は、垂直方向に多段に配置した状態の複数の基板に対し、均一性の高い処理を行うことができる基板処理装置および基板処理方法、ならびに基板処理システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、被処理基板に所定の処理を施す基板処理装置であって、開口部を有するベース部材と、前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構とを有することを特徴とする基板処理装置を提供する。
第１の観点において、前記排気機構は、前記ベース部材にゲートバルブを介して接続されたターボ分子ポンプと、粗引き用の真空ポンプとを有することが好ましい。
前記処理容器と前記加熱装置とを一体的に、前記処理容器と前記ベース部材を密着して前記処理室を画成する処理位置と、前記基板保持部材の上方の退避位置との間で昇降させる昇降機構と、前記基板保持部材に対して被処理基板の移載を行う移載機構とをさらに有し、前記処理容器と前記加熱装置とが処理位置にあるときに、所定の基板処理を行い、前記処理容器と前記加熱装置とが退避位置にあるときに、前記移載機構により、前記基板保持部材に対する被処理基板の移載を行うものとすることができる。
前記複数のシャワープレートは、前記基板保持部材の一部として設けられ、前記基板保持部材は、垂直方向に多段に設けられた前記複数のシャワープレートと、前記複数のシャワープレートを支持する複数の支柱と、前記シャワープレートの上面に設けられた、前記被処理基板を支持する基板支持部とを有し、前記各シャワープレートは、その下方のシャワープレートの上面に支持された被処理基板に処理ガスを吐出するように構成することができる。この場合に、前記複数の支柱の少なくとも一つが前記ガス導入部材として構成することができる。
前記シャワープレートは、前記ガス導入部材からの処理ガスが導入され、下方の被処理基板の中心部に対応する中央部まで延びるガス導入路と、前記ガス導入路に繋がり、ほぼ被処理基板に対応する大きさを有するガス拡散空間と、前記ガス拡散空間から下方の被処理基板に向けて処理ガスをシャワー状に吐出する複数のガス吐出孔とを有する構成とすることが好ましい。また、前記シャワープレートは、前記ガス導入部材からの処理ガスが導入され、導入されたガスを拡散させるガス拡散空間と、前記ガス拡散空間から下方の被処理基板に向けて処理ガスをシャワー状に吐出する複数のガス吐出孔とを有する構成であってもよい。
前記ガス導入部材には、処理ガス供給機構の処理ガス供給源から所定の処理ガスが供給される構成とすることができる。このとき、前記ガス導入部材には、処理ガスをプラズマ化するリモートプラズマ源が接続されており、前記リモートプラズマ源により生成された活性種が前記ガス導入部材および前記シャワープレートを介して被処理基板に供給される構成とすることができる。
前記処理室内にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構をさらに有してもよい。
本発明の第２の観点は、開口部を有するベース部材と、前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構とを有する基板処理装置を用いた基板処理方法であって、前記処理容器および前記加熱装置を前記基板保持部材の上方へ退避させ、前記基板保持部材に複数の被処理基板を移載する工程と、前記処理容器および前記加熱装置を下降させ、前記処理容器を前記ベース部材に密着させて、前記処理室を画成する工程と、前記処理室を真空引きする工程と、前記ガス導入部材から前記複数のシャワープレートに導入された処理ガスを、その下方にそれぞれ設けられた被処理基板に対しシャワー状に供給して所定の処理を行う工程と、処理後に前記処理室内を大気圧に戻す工程と、前記処理容器および前記加熱装置を前記基板保持部材の上方へ退避させ、前記基板保持部材の処理後の被処理基板を搬出する工程とを有することを特徴とする基板処理方法を提供する。
本発明の第３の観点は、開口部を有するベース部材と、前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構と、前記処理容器と前記加熱装置とを一体的に、前記処理容器と前記ベース部材を密着して前記処理室を画成する処理位置と、前記基板保持部材の上方の退避位置との間で昇降させる昇降機構とを有する基板処理部を複数有し、前記複数の基板処理部の前記基板保持部材に対して被処理基板の移載を行う共通の移載装置をさらに有することを特徴とする基板処理システムを提供する。
上記第３の観点において、前記基板処理部のうち、前記処理容器と前記加熱装置とが処理位置にあるものについては基板処理を行い、前記処理容器と前記加熱装置とが退避位置にあるものについては前記移載装置により前記基板保持部材に対する被処理基板の移載を行うようにすることができる。
本発明によれば、処理ガスが、基板保持部材と一体になったガス導入部材を通ってシャワープレートに導入され、シャワープレートのガス吐出孔から直接被処理基板の配置領域に均一に吐出されるので、被処理基板には上方から処理ガスが均一に供給され、被処理基板に対して従来よりも格段に均一性の高い処理を行うことができる。また、本発明の基板処理装置を成膜装置として適用する場合には、被処理基板の上方のシャワープレートから被処理基板表面にガス流が供給されるため、トレンチのような凹部にも十分に処理ガスが供給され、カバレッジ性能を高くすることができるといった効果も奏する。
本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１の基板処理装置において、容器ユニットを上昇させた状態を示す図である。 図１の基板処理装置に用いられるウエハボートの詳細構造を示す縦断面図である。 図１の基板処理装置に用いられるウエハボートの詳細構造を示す水平断面図である。 ウエハボートのガス導入部に供給するガスの一部をリモートプラズマ源によりプラズマ化する例を示す水平断面図である。 図１の基板処理装置にプラズマ生成機構を設けた例を示す断面図である。 図１の基板処理装置を適用した基板処理システムを示す平面図である。 シャワープレートの他の例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜基板処理装置の構成＞
最初に、本発明の一実施形態に係る基板処理装置の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略構成を示す断面図である。
本実施形態の基板処理装置は、縦型熱処理装置として構成され、基板処理として、例えば、アニール処理、酸化処理、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や原子層堆積法（ＡＬＤ法）等による成膜処理、サーマルエッチング（Ｄｅｐｏ−Ｅｔｃｈ−Ｄｅｐｏ）、化学的酸化物除去処理（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ；ＣＯＲ）等に適用可能である。
本実施形態の基板処理装置１００は、固定ベース部材としてマニホールド１を有しており、マニホールド１の上に保温筒２を介して、複数枚、例えば５〜５０枚の半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）Ｗを垂直方向に多段に配置可能なウエハ保持部材としてのウエハボート３が固定された状態で配置されている。ウエハボート３の側方には、ウエハボート３に対するウエハＷの移載を行うための移載装置４が昇降および接離可能に設けられている。
マニホールド１の中央には、排気のための開口部１１が形成されており、マニホールド１の下方には、ゲートバルブ１２を介してターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１３が接続されている。また、ターボ分子ポンプ１３の下方には配管１５を介して粗引き用の補助ポンプとしてロータリーポンプ等の通常の真空ポンプ１４が接続されている。これらターボ分子ポンプ１３と真空ポンプ１４により排気機構５が構成される。開口部１１の径はターボ分子ポンプ１３に適合した直径を有している。
マニホールド１には開口部１１に繋がるように水平に設けられた排気路１６を有しており、排気路１６にはバイパス配管１７の一端が接続されている。バイパス配管１７の他端は配管１５に接続されている。バイパス配管１７にはマニホールド側の第１バルブ１８ａと、配管１５側の第２バルブ１８ｂが設けられている。また、配管１５のターボ分子ポンプ１３直下部分には、第３バルブ１８ｃが設けられている。配管１５には０Ｔｏｒｒ〜大気圧まで測定できる第１真空計（ＶＧ１）１９ａが設けられており、バイパス配管１７の第１バルブ１８ａの上流側には、高真空用の第２真空計（ＶＧ２）１９ｂ、および反応室内のガスを分析するためのサンプリングポート１９ｃが設けられている。
ターボ分子ポンプ１３は、タービン型の翼をもつロータ（動翼）、およびステータ（固定翼）からなる分子ポンプであり、分子流領域において排気速度が一定で、連続したガス排気が可能で、１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒという通常の真空ポンプよりも高真空領域に到達させることができる。ただし、ターボ分子ポンプ１３は大気から直接真空引きを行うことができないので、最初はゲートバルブ１２および第３バルブ１８ｃを閉じ、第１バルブ１８ａ、第２バルブ１８ｂを開けて、バイパス配管１７を介して補助ポンプである真空ポンプ１４により所定の真空度まで真空引きを行い、所定の真空度に達した後はゲートバルブ１２および第３バルブ１８ｃを開け、第１バルブ１８ａおよび第２バルブ１８ｂを閉じてターボ分子ポンプ１３により高真空まで真空引きを行う。粗引きの時の真空度は第１真空計１９ａでモニタすることができ、ターボ分子ポンプ１３を作動させた際の高真空状態の真空度は第２真空計１９ｂでモニタすることができる。ターボ分子ポンプ１３を作動させた際の真空度は、ロータの回転数により制御することができる。
ウエハボート３はガス導入部材（ガスインジェクター）と一体となっている。具体的には、ウエハボート３は、垂直方向に延びる複数の支柱を有しており、そのうちの少なくとも一つがウエハＷの配置位置に処理ガス等のガスを導入するガス導入部材６を構成している。ガス導入部材６はマニホールド１に設けられたガス流路２０および配管２１を介してガス供給機構７に接続されている。複数のガスを供給する場合は、ガス供給機構７は複数のガス供給源を有しており、それに対応した数の配管２１およびガス流路２０を有し、複数のガス導入部材６が、それぞれ複数のガス流路２０に接続される。配管２１にはマスフローコントローラ等の流量制御器およびバルブ（いずれも図示せず）が設けられている。供給されるガスの少なくとも１つがプラズマ化されて、プラズマ処理を行えるようになっていてもよい。
ウエハボート３はガス導入部材６と一体的に設けられているため、回転しない。
ウエハボート３の周囲には、処理に際して、内部に密閉空間の処理室を画成するように有天井の円筒状の処理容器２２が配置される。処理容器２２の下端にはフランジ２２ａが形成されており、フランジ２２ａとマニホールド１との間は、シールリング２３を介して密閉可能となっている。処理容器２２の外周にはウエハＷを加熱するためのヒータ２４が設けられ、さらにその外側には、処理容器２２およびヒータ２４を支持し、水冷ジャケットおよび断熱材（いずれも図示せず）を有する筐体２５が設けられている。処理容器２２、ヒータ２４、筐体２５は一体となっており容器ユニット８を構成している。
処理容器２２の材質としては、石英やＳｉＣを好適に用いることができる。また、加熱温度やヒータ２４の配置等によっては、金属（アルミニウム等）も可能である。処理容器２２の厚さは、要求される真空度に応じて適宜変更することができる。より高い真空度が求められる場合には、シールリング２３を２重にしたり、シールリングの代わりにガスケットを用いたりすることもできる。
ヒータ２４としては抵抗加熱のものを用いることができ、材質としては、カーボン、セラミック、金属（タングステン）を用いることができる。また、ランプ加熱であってもよい。本例ではヒータ２４が円筒状の処理容器の周囲に円周状に設けられた例を示しているが。処理容器２２が角筒状でその４面にヒータ２４を配置してもよい。また、ヒータ２４の配置位置は、処理容器２２の周囲に限らず、ボトムヒータ等を用いてもよい。
容器ユニット８は、昇降機構２６により、図１のような、容器ユニット８を下降させて、処理容器２２とマニホールド１により密閉空間である処理室を構成する処理位置と、図２のような、移載装置４によりウエハボート３に対してウエハの移載を行うことが可能となるようなウエハボート３の上方の退避位置との間で昇降可能となっている。
基板処理装置１００は制御部９を有している。制御部９は、基板処理装置１００の各構成部、例えば、移載装置４、バルブ類、流量制御器であるマスフローコントローラ、昇降機構２６、ヒータ電源、ポンプ１３，１４の駆動機構等を制御する。制御部９は、ＣＰＵ（コンピュータ）を有し、上記制御を行う主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置を有している。記憶装置には、基板処理装置１００で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが格納された記憶媒体がセットされ、主制御部は、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいて基板処理装置１００により所定の処理が行われるように制御する。
＜ウエハボートの詳細＞
次に、ウエハボート３について詳細に説明する。
図３はウエハボートの詳細構造を示す縦断面図、図４はその水平断面図である。
ウエハボート３は、複数のウエハＷを垂直方向に多段に支持するとともに、複数のウエハＷにそれぞれ対向するように、複数のシャワープレート３１を有している。ウエハボート３は、複数のシャワープレート３１を支持する複数の支柱３２を有し、そのうちの少なくとも一つがガス導入部材６となっている。ガス導入部材６は内部に垂直方向に延びる主ガス流路３３が形成されており、主ガス流路３３は、各シャワープレート３１にガスを供給するための分岐流路（処理ガス導入路）３４に繋がっている。分岐流路３４はウエハＷの中心部に対応するシャワープレート３１の中央まで延び、その下に形成されたウエハＷにほぼ対応する直径を有する円形状のガス拡散空間３５に繋がっている。シャワープレート３１の底面には、ガス拡散空間３５で拡散された処理ガスを吐出する複数のガス吐出孔３６が形成されている。
ウエハＷは、シャワープレート３１の上面に支持部材３７により支持されており、ウエハＷには、その上方の対向するシャワープレート３１の複数のガス吐出孔３６から吐出された処理ガスが供給される。
このように、ガス供給機構７からの処理ガスが、ウエハボート３の構成部品である支柱３２を利用したガス導入部材６内の主ガス流路３３を通流し、主ガス流路３３、分岐流路３４、ガス拡散空間３５および複数のガス吐出孔３６を介して、ウエハＷに直接シャワー状に供給されるのでウエハＷに対して極めて均一に処理ガスの供給を行うことができる。
図４は、ウエハボート３の支柱３２が４本で、その内の３つがガス導入部材６として機能する場合を示し、３つのガス導入部材６のそれぞれに、第１ガス供給源４１、第２ガス供給源４２、第３ガス供給源４３が接続されており、３つの処理ガスが供給される例を示している。もちろん、ガス供給源の数およびガス導入部材６の数は、処理に必要とされる処理ガスの数だけあればよく、その数は問わない。また、支柱３２の数も４本に限るものではなく、必要とする処理ガスの数が多い場合には、それに合わせてガス導入部材６として用いる支柱３２の数を増やしてもよい。なお、通常、処理ガスの一つとしてパージガスが供給されるが、パージガスはシャワープレート３１を介さずに直接処理室内に導入されるようにしてもよい。
本実施形態の基板処理装置１００は、活性種による処理を含む場合にも適用可能であり、図５の例では、３つのガス導入部材６のそれぞれに、第１ガス供給源４１、第２ガス供給源４２、第３ガス供給源４３が接続され、第２ガス供給源４２は、リモートプラズマ源４４に接続されている。リモートプラズマ源４４は、第２ガス供給源４２からの処理ガスをプラズマ化し、ガス導入部材６を介してプラズマ（ラジカル）をウエハＷに供給する。リモートプラズマ源４４のプラズマ生成方式は問わず、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、マイクロ波プラズマ等種々の方法を用いることができる。
図６に示すように、処理容器２２に隣接してプラズマ生成機構４５を設け、処理容器２２内でプラズマを生成してプラズマ処理を行うようにしてもよい。プラズマ生成機構４５は、容器ユニット８とともに昇降する。プラズマ生成機構４５についてもプラズマ生成方式は問わず、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、マイクロ波プラズマ等種々の方法を用いることができる。
＜基板処理装置の動作＞
次に、以上のように構成された基板処理装置の動作について説明する。
最初に、容器ユニット８を上昇させた図２の状態で、移載装置４によりウエハボート３にウエハＷを移載する。
ウエハボート３へのウエハＷの移載が完了した時点で、容器ユニット８を下降させ、図１のように処理容器２２のフランジ２２ａとマニホールド１とをシールリング２３により密着し、処理室を形成する。
次いで、ゲートバルブ１２および第３バルブ１８ｃを閉じ、第１バルブ１８ａおよび第２バルブ１８ｂを開いた状態で、バイパス配管１７を介して補助ポンプである真空ポンプ１４で所定の真空度まで真空引きした後、第１バルブ１８ａおよび第２バルブ１８ｂを閉じ、ゲートバルブ１２および第３バルブ１８ｃを開けて、ターボ分子ポンプ１３により１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒ程度の高真空状態とする。このとき、ターボ分子ポンプ１３のロータの回転数により、真空度を調整する。
その後、パージガスにより処理室内をパージし、引き続きガス供給機構７から配管２１およびマニホールド１内のガス流路２０を介して所定の処理ガスを、ウエハボート３の支柱３２に形成されたガス導入部材６に供給する。供給された処理ガスは、ガス導入部材６の内部の主ガス流路３３を通って、複数のウエハＷにそれぞれ対向して設けられたシャワープレート３１の分岐流路３４に導入され、ガス拡散空間３５およびガス吐出孔３６を介してウエハＷに向けて吐出され、ウエハＷに所定の処理が施される。
この際の処理温度は、基板処理に応じて、例えば２００〜１０００℃の間で適宜設定される。
本実施形態の基板処理装置においては、適用する処理に応じて適宜の処理ガスを用いることができる。例えば、アニール処理を行う場合は、Ａｒ、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２を用いることができる。また、酸化処理を行う場合は、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏを用いることができる。さらに、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤで例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜を成膜する場合は、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、テトラクロシラン（ＳｉＣｌ４）、六塩化二ケイ素（Ｓｉ２Ｃｌ６）等の無機シリコン化合物や、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、ビスターシャリブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）等の有機シリコン化合物を用いることができる。また、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤでＳｉやＧａＮ等のエピタキシャル膜を形成する場合は、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）やシラン系化合物等を用いことができる。また、ＣＶＤやＡＬＤにより、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの酸化膜、ＨｆＮ，ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の窒化膜、ＺｒＡｌＯ、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＳｉＯＮ等の上記化合物を組み合わせた複合膜等を成膜することができ、この場合は、これら膜に応じた原料ガス（プリカーサ）および反応ガス（酸化ガスや窒化ガス）を用いることができ、ＣＶＤの場合は同時に供給し、ＡＬＤの場合は、これらをシーケンシャルに供給するとともに、これらを供給した後は、処理室内のパージを行う。
例えば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＨｆＯ２膜を成膜する場合は、原料ガスとして、テトラキスジメチルアミノハフニウム（Ｈｆ（ＮＣＨ３）２）４：ＴＤＭＡＨ）のような有機ハフニウム化合物や、塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）等が用いられ、反応ガスとしては、Ｏ３ガス、Ｈ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＮＯ２ガス、ＮＯガス、Ｎ２Ｏガス、またはＯ２ガスのプラズマ等の酸化剤が用いられる。
このように、ガス供給機構７から供給された処理ガスが、ウエハボート３と一体になったガス導入部材６、具体例としてはウエハボート３の構成部品である支柱３２で構成されたガス導入部材６を通ってシャワープレート３１に導入され、シャワープレート３１のガス吐出孔３６から直接ウエハ配置領域に均一に吐出されるので、ウエハＷには上方から処理ガスが均一に供給され、ウエハボート３が回転しないにもかかわらず、ウエハＷに対して従来よりも格段に均一性の高い処理を行うことができる。
特に、ウエハボート３に設けられたシャワープレート３１は、ガス導入部材６から導入された処理ガスを、分岐流路３４でウエハボート３１の中央まで導き、中央からガス拡散空間３５を経てガス吐出孔３６からウエハＷに吐出するようにしたので、吐出孔３６から吐出される処理ガスの量や圧力をより均一にすることができ、処理の均一性をより高いものとすることができる。
従来の縦型熱処理装置は、ウエハＷが多段に搭載されたウエハボートを処理容器内に挿入し、ウエハボートを回転させながら、ウエハボートとは別個に設けられたガスインジェクターのガス吐出口から処理ガスを導入するようになっており、処理ガスは、ウエハＷの表面に対して平行なガス流（クロスフロー）となる。このため、ウエハボートを回転させても、ウエハＷの中心部に処理ガスが到達し難く、また、ウエハＷに形成されたデバイス形状の微細化および構造の複雑化が進んでいるため、ウエハＷに対して均一にガス供給することが困難となりつつある。
これに対して、本実施形態では、ウエハボート３と一体のガス導入部材６からシャワープレート３１のガス吐出孔３６を介して、ウエハＷの上方からシャワー状に処理ガスを供給するので、ウエハＷに対して極めて均一に処理ガスを供給することができる。
特に、高アスペクト比のトレンチが形成されたウエハＷに所定の膜をＣＶＤやＡＬＤにより成膜する場合に、均一な処理ガス供給による膜厚の均一性の他、ウエハＷ上方のシャワープレート３１からウエハＷ表面にガス流が供給されるため、トレンチのような凹部にも十分に処理ガスが供給され、カバレッジ性能を高くすることができるといった効果も奏する。中でも、本質的に均一性およびカバレッジ性能が高いとされるＡＬＤの場合に、より高い効果を得ることができる。
また、本実施形態の基板処理装置１００は、ガス導入部材６がウエハボート３と一体的に設けられているため、ウエハボート３はマニホールド１とともに固定的に設けられている。このため、処理容器２２やヒータ２４を有する容器ユニット８を昇降するようにしてウエハＷの移載に対応するようにしている。
このような構造の場合、従来のように、処理容器の下方からウエハボートの出し入れをする必要がないため、処理容器２２の底部を塞ぐマニホールド１の開口部１１を介して排気を行うことができる。そこで、本実施形態では、マニホールド１の開口部１１をターボ分子ポンプ１３に適合した直径にし、マニホールド１にゲートバルブ１２を介するのみで直接ターボ分子ポンプ１３を接続するようにした。このため、ターボ分子ポンプ１３により、処理室内を１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒといった高真空にすることができる。また、ターボ分子ポンプ１３は、ロータの回転数で処理室の圧力制御を行うことができるので、圧力制御性が高い。
従来の縦型熱処理装置は、ウエハボートを処理容器の底部から挿入する構造であったため、底部から排気はできない。このため、従来の装置では、例えば処理容器の側面等の底部以外の部分から通常の真空ポンプで排気していた。この場合、高真空ターボ分子ポンプを用いても処理容器から離れた部分に設けざるを得ず、ターボ分子ポンプの性能を十分に発揮することが困難であった。したがって、従来は、ウエハＷの処理を１０−３Ｔｏｒｒ以上の低真空で処理を行わざるを得なかった。
このため、従来は、反応副生成物（特にＨ２Ｏ）を短時間で十分に排気することができないという問題や、Ｏ３やプラズマ（ラジカル・イオン）で処理する場合に、これらの平均自由行程が短く、ライフタイムが短いという問題があった。また、複雑で深いパターンが存在する場合に、蒸気圧が小さい原料では、パターンの最深部まで到達し難いという問題もあった。
これに対して、本実施形態では、マニホールド１の開口部１１に直接ターボ分子ポンプ１３を設置して処理室内を底部から排気するので、処理室内を１０−５〜１０−６Ｔｏｒｒという高真空にすることができ、上記問題を解消することができる。
例えば、反応副生成物を短時間で十分排気することができることにより、特にＡＬＤにより処理性能を高めることができる。また、Ｏ３やプラズマ（ラジカル・イオン）のライフタイムが長くなることにより、これらによる処理性を高めることができるとともに、リモートプラズマによってもラジカルやイオンを失活させずにウエハに到達させることができる。さらに、パターンの最深部まで到達し難く、従来適用が困難であった低蒸気圧原料が適用可能となる。例えばＡＬＤによりＨｉｇｈ−ｋ膜であるＨｆＯ２膜を成膜する場合に、蒸気圧が低い塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）を適用することができる。
また、アニール処理や酸化処理は、高温で実施されるが、ターボ分子ポンプ１３を高温仕様とすることにより、１０００℃まで使用することができ、アニール処理や酸化処理にも十分に対応することができる。また、今まで枚葉式装置で行っていた高温での高真空アニールがこのような縦型のバッチ式装置で可能となり、さらに他のガスを供給するようにすることにより、高真空アニール処理前後の付加的な処理にも対応することができる。
また、このような縦型の基板処理装置での処理、特にＡＬＤ成膜には大容量の排気が必要であるが、ターボ分子ポンプ１３として高背圧対応のものを用いることにより対応可能である。
さらに、本実施形態の基板処理装置１００をエッチングに用いる場合、特に、微細凹部をボイドレスで埋め込むために行われるＤｅｐｏ−Ｅｔｃｈ−Ｄｅｐｏプロセスのエッチングの場合は、エッチングレートの制御性が高いことが求められるが、ターボ分子ポンプ１３は圧力制御性が高いため、エッチングレートの制御性を高くすることができる。
さらにまた、このようにターボ分子ポンプ１３により高真空処理が可能なことにより、熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤによりエピタキシャル膜を形成する際に、高品質な膜を得ることができる。
以上のようにして、基板処理装置１００において適宜の処理を行った後、処理室内にパージガスを導入して処理室内をパージするとともに、処理室内を大気圧に戻す。次いで、容器ユニット８を退避位置まで上昇させ、移載装置４により処理後のウエハＷを搬出する。
＜基板処理システム＞
以上のような基板処理装置１００のうち、ウエハボート３、ガス導入部材６、排気機構５、容器ユニット８を１つの基板処理部とし、これら基板処理部を複数配置し、これらに共通の移載装置４および共通のガス供給機構７を設けることによりクラスタータイプの処理システムを構成することができる。
図７は、このような基板処理システム３００の要部を示す平面図である。本例では、ウエハボート３、ガス導入部材６、排気機構５、容器ユニット８を有する基板処理部２００を４つ配置した例を示している。このような基板処理システム３００を構築することにより、より効率の良い基板処理を行うことができる。なお、ガス供給機構７は各セットに個別に有していてもよい。
このような基板処理システム３００では、基板処理部２００は、昇降機構により容器ユニット８を昇降可能であり、複数の基板処理部２００のうち、容器ユニット８が処理位置にあるものについてはウエハ処理を行い、容器ユニット８が退避位置にあるものについてはウエハボート３に対して移載装置４によりウエハＷの移載を行うようにすることができる。
＜他の適用＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、ウエハボート３に設けられたシャワープレート３１は、ガス導入部材６から導入された処理ガスを分岐流路３４でシャワープレート３１の中央まで導き、中央からガス拡散空間３５を経てガス吐出孔３６から吐出するようにしたが、図８に示すように、ガス導入部材６から直接ガス拡散空間３５に処理ガスを導入するシャワープレート３１′としてもよい。この場合は、上記実施形態よりも処理ガスの均一性は若干低下するが、シャワープレートを薄くできるというメリットがある。
また、上記実施形態では、ウエハボート３の支柱３２をウエハ導入部材６として用いた例を示したが、これに限らず、ウエハ導入部材がウエハボートと一体となっていればよい。
さらに、上記実施形態では、ウエハボート３はベース部材であるマニホールドに固定され、ウエハは回転しないが、ウエハをターンテーブル等に支持させてウエハを回転するようにしてもよい。
さらにまた、上記実施形態では、シャワープレートをウエハボートの一部として設けたが、シャワープレートをウエハボートと別個に設けてもよい。
さらにまた、上記実施形態では被処理基板として半導体ウエハを例にとって示したが、これに限らず、ガラス基板やセラミックス基板等他の基板でも適用可能なことはいうまでもない。
１；マニホールド（ベース部材）
２；保温筒
３；ウエハボート
４；移載装置
５；排気機構
６；ガス導入部材
７；ガス供給機構
８；容器ユニット
９；制御部
１１；開口部
１２；ゲートバルブ
１３；ターボ分子ポンプ
１４；真空ポンプ
１７；バイパス配管
２２；処理容器
２２ａ；フランジ
２３；シールリング
２４；ヒータ
２５；筐体
２６；昇降機構
３１，３１′；シャワープレート
３２；支柱
３４；分岐流路
３５；ガス拡散空間
３６；ガス吐出孔
４１，４２，４３；ガス供給源
４４；リモートプラズマ源
４５；プラズマ生成機構
１００；基板処理装置
２００；基板処理部
３００；基板処理システム
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）

Claims (17)

  1. 被処理基板に所定の処理を施す基板処理装置であって、
    開口部を有するベース部材と、
    前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、
    前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、
    前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、
    前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、
    前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、
    前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構と
    を有することを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記排気機構は、前記ベース部材にゲートバルブを介して接続されたターボ分子ポンプと、粗引き用の真空ポンプとを有することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記処理容器と前記加熱装置とを一体的に、前記処理容器と前記ベース部材を密着して前記処理室を画成する処理位置と、前記基板保持部材の上方の退避位置との間で昇降させる昇降機構と、
    前記基板保持部材に対して被処理基板の移載を行う移載機構と
    をさらに有し、
    前記処理容器と前記加熱装置とが処理位置にあるときに、所定の基板処理を行い、前記処理容器と前記加熱装置とが退避位置にあるときに、前記移載機構により、前記基板保持部材に対する被処理基板の移載を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板処理装置。
  4. 前記複数のシャワープレートは、前記基板保持部材の一部として設けられ、前記基板保持部材は、垂直方向に多段に設けられた前記複数のシャワープレートと、前記複数のシャワープレートを支持する複数の支柱と、前記シャワープレートの上面に設けられた、前記被処理基板を支持する基板支持部とを有し、前記各シャワープレートは、その下方のシャワープレートの上面に支持された被処理基板に処理ガスを吐出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 前記複数の支柱の少なくとも一つが前記ガス導入部材として構成されていることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。
  6. 前記シャワープレートは、前記ガス導入部材からの処理ガスが導入され、下方の被処理基板の中心部に対応する中央部まで延びるガス導入路と、前記ガス導入路に繋がり、ほぼ被処理基板に対応する大きさを有するガス拡散空間と、前記ガス拡散空間から下方の被処理基板に向けて処理ガスをシャワー状に吐出する複数のガス吐出孔とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  7. 前記シャワープレートは、前記ガス導入部材からの処理ガスが導入され、導入されたガスを拡散させるガス拡散空間と、前記ガス拡散空間から下方の被処理基板に向けて処理ガスをシャワー状に吐出する複数のガス吐出孔とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  8. 前記ガス導入部材には、処理ガス供給機構の処理ガス供給源から所定の処理ガスが供給されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  9. 前記ガス導入部材には、処理ガスをプラズマ化するリモートプラズマ源が接続されており、前記リモートプラズマ源により生成された活性種が前記ガス導入部材および前記シャワープレートを介して被処理基板に供給されることを特徴とする請求項８に記載の基板処理装置。
  10. 前記処理室内にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  11. 開口部を有するベース部材と、
    前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、
    前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、
    前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、
    前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、
    前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、
    前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構と
    を有する基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
    前記処理容器および前記加熱装置を前記基板保持部材の上方へ退避させ、前記基板保持部材に複数の被処理基板を移載する工程と、
    前記処理容器および前記加熱装置を下降させ、前記処理容器を前記ベース部材に密着させて、前記処理室を画成する工程と、
    前記処理室を真空引きする工程と、
    前記ガス導入部材から前記複数のシャワープレートに導入された処理ガスを、その下方にそれぞれ設けられた被処理基板に対しシャワー状に供給して所定の処理を行う工程と、
    処理後に前記処理室内を大気圧に戻す工程と、
    前記処理容器および前記加熱装置を前記基板保持部材の上方へ退避させ、前記基板保持部材の処理後の被処理基板を搬出する工程と
    を有することを特徴とする基板処理方法。
  12. 前記排気機構として、前記ベース部材にゲートバルブを介して接続されたターボ分子ポンプと、粗引き用の真空ポンプとを有するものを用い、前記ターボ分子ポンプにより前記処理室を高真空にして基板処理を行うことを特徴とする請求項１１に記載の基板処理方法。
  13. 前記ガス導入部材には、リモートプラズマ源によりプラズマ化された処理ガスが供給され、前記リモートプラズマ源により生成された活性種が前記ガス導入部材および前記シャワープレートを介して被処理基板に供給されることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の基板処理方法。
  14. 前記処理室内にプラズマを生成して被処理基板に対してプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の基板処理方法。
  15. 開口部を有するベース部材と、
    前記ベース部材上に固定して設けられ、複数の被処理基板を所定間隔で垂直方向に多段に保持する基板保持部材と、
    前記基板保持部材に保持された前記複数の被処理基板にそれぞれ対向するように設けられ、下方の被処理基板に対し処理ガスをシャワー状に供給する複数のシャワープレートと、
    前記基板保持部材と一体に設けられ、前記処理ガスを前記複数のシャワープレートに導入する少なくとも一つのガス導入部材と、
    前記ベース部材に密着可能に設けられ、前記ベース部材に密着されることにより前記基板保持部材の配置空間を処理室として画成する処理容器と、
    前記処理室内の被処理基板を加熱する加熱装置と、
    前記ベース部材の前記開口部を介して前記処理室内を排気する排気機構と、
    前記処理容器と前記加熱装置とを一体的に、前記処理容器と前記ベース部材を密着して前記処理室を画成する処理位置と、前記基板保持部材の上方の退避位置との間で昇降させる昇降機構と
    を有する基板処理部を複数有し、
    前記複数の基板処理部の前記基板保持部材に対して被処理基板の移載を行う共通の移載装置をさらに有することを特徴とする基板処理システム。
  16. 前記基板処理部のうち、前記処理容器と前記加熱装置とが処理位置にあるものについては基板処理を行い、前記処理容器と前記加熱装置とが退避位置にあるものについては前記移載装置により前記基板保持部材に対する被処理基板の移載を行うことを特徴とする請求項１５に記載の基板処理システム。
  17. 前記各基板処理部の前記排気機構は、前記ベース部材にゲートバルブを介して接続されたターボ分子ポンプと、粗引き用の真空ポンプとを有することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の基板処理システム。
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