JP3910751B2 - 半導体ウェーハの高温高圧処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＳｉウェーハに代表されるＵＬＳＩ半導体を高温・高圧の雰囲気下で処理するための装置に関するものであり、とくに、１枚〜２５枚以下の小ロットでの半導体ウェーハを短時間で処理するための装置に関するものである。とくに、ＰＶＤ法や電解メッキ法、ＣＶＤ法などにより銅合金配線膜を形成したウェーハを不活性ガス圧により加圧処理するいわゆる配線膜の加圧埋込み法（高圧リフロープロセス）など、主として不活性ガスの圧力により、気孔を除去するような処理に用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハの製造プロセスとしてガス圧加圧処理を含むようなプロセスの例としては、ＰＶＤ法によりアルミ合金配線膜を形成したウェーハを不活性ガス圧により加圧処理するいわゆる配線膜の加圧埋込み法（高圧リフロープロセス：特開平２−２０５６７８号公報，特開平３−２２５８２９号公報，特開平７−１９３０６３号公報）が知られている。また、数１０気圧レベルまでの高圧ガスを用いる半導体の処理プロセスとしては、Ｓｉウェーハの表面を酸化させて絶縁体層を形成する高圧酸化プロセスが知られている。この場合には、処理の目的が酸化であることから、圧力媒体には必然的に酸素もしくは水が混合される。
【０００３】
前者の場合に用いられる装置としては、半導体ウェーハを一枚ずつＰＶＤ処理しては高圧処理を行ういわゆる枚葉式のクラスターツール型装置が公知であり、特開平７−１９３０６３号公報（当該公報の図６参照）に示すようにロック室２１に装入されたウェーハをコアチャンバ内の運搬アーム２２により、コアチャンバの周囲に設けられた一連の処理用モジュールに順次移動させて処理が行われる構成で、モジュールの一つとして加圧処理モジュール２５が直接コアチャンバに装着されたものが提案されている（従来技術１）。この加圧モジュールのより詳細な構造の例については、同じ出願人により、特開平７−５０２３７６号公報に示すようなものが提案されている（従来技術２）。
【０００４】
後者のプロセス用の装置、特に縦形のポート（ウェーハ積み上げ用治具）を用いて高圧ガス雰囲気下で処理するプロセス、としては特開平４−２３４１１９号公報に示すような装置が知られている（従来技術３）。この装置は、本発明の装置とは用途がまったく異なるものであるが、構成が似ているので公知装置の例として参考までに示す。この装置は、「圧力容器内と；圧力容器内にあって処理室を有する中空体であり、該圧力容器および該中空体がそれぞれ複数のウェーハを一単位として該圧力容器の下方にある位置から前記処理室内部の位置に移動させる際にウェーハを受け入れるための下開口部を有する前記中空体と；前記した開口部を閉鎖するために前記圧力容器に対し垂直に移動可能な動作手段と；前記処理室内に高圧の酸化剤を導入するために前記中空体に結合した手段と；前記圧力容器内に加圧した不活性ガスを導入するための手段と；前記処理室内の酸化剤を加熱するための手段と；前記処理室内でウェーハを処理したのち前記中空体を冷却するための手段と；前記圧力容器と前記中空体に結合して不活性ガスと酸化剤の圧力を等しくし、本体に結合して不活性ガスと酸化剤の圧力を等しくし、本質的に該不活性ガスを該酸化剤から隔離するたの手段と、を備えることを特徴とする半導体ウェーハの処置装置。」であり、被処理品であるウェーハは、数１０枚〜百数１０枚積載可能な縦形のボートに収納した状態で処理される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１，２のような枚葉式の装置については、本発明によるいわゆるバッチ式の装置とは、処理の形態が異なるため、装置の構造としての欠点よりも、処理そのものに起因する問題点の方が大きい。すなわち、ウェーハを一枚ずつ処理し、かつ同時並行的に進められるＰＶＤ処理とのサイクルタイムが同程度でなければならないという必然性から、短サイクルで、数万回／月を越えるような運転を行わねばならない。
【０００６】
このために、容器の開閉部分のシール構造や材料等を始め、各部品は非常に苛酷な状況で使用されることとなり、安全性や処理の信頼性の確保はかなり困難と言わざるをえない。とくに、配線膜の加圧埋込処理を例にとれば、近年、配線膜材料が従来のＡｌから銅に変わりつつあり、銅配線膜を加圧埋込処理する場合には、１００ＭＰａ以上、３５０〜４００℃という低温度で処理する場合には１５０ＭＰａと言った高圧力が必要となり、装置の疲労寿命の観点から、枚葉式の装置で必要とされる１，０００，０００回をこえるような十分な装置寿命を持たせることは設計的に困難という問題がある。
【０００７】
また、従来技術３の高圧酸化装置は酸化剤を導入しなければ、不活性ガスでの運転となるが、この場合、この種の装置はもともと酸化処理が目的であるため、処理物を出し入れする際に、高圧容器内部に不可避的に入り込む空気に対する配慮はなされていない。すなわち、加圧埋込処理のようにウェーハの酸化が問題となるような処理に必要な酸素の混入、すなわち空気の混入に伴う酸素の混入に対する配慮は不要であることから一切考慮されていない。したがって、完全に不活性に近い状態で運転する、とくに酸素を含まない雰囲気で運転をしようとすると、不十分といわざるを得ない。
【０００８】
以上述べたような従来技術の状況に対して、近年、ウェーハの大形化すなわち直径で８インチから１２インチに変わる傾向にあり、ロット単位で管理される半導体ウェーハのロットサイズも変わる可能性が出てきている。現在の８インチウェーハを対象とした製造プロセスでは、２５枚を１つのカセットに収納するのが標準であり、２５枚の倍数である２５枚、５０枚、１００枚を１ロットとした製品の品質管理が行われている。しかし、ウェーハが１２インチに大形化するとこの最小単位が、２５枚より小さな単位、たとえば１３枚にかわることが予想されており、とくに、少量多品種にならざるを得ないロジック系の半導体はさらに小さなロットでの生産が主流となる可能性が示唆されている。このような状況から、製造装置についても、できるだけ小さなロットで、生産量に応じて柔軟な操業が可能な装置が今後の装置の形態になる可能性が強い。
【０００９】
上述のウェーハを１枚ずつ処理する従来技術１，２はこのような要請に応えうるものではあるが、前工程のスパッタリング法による成膜装置と一体化しているため、他の成膜方法、たとえばメッキ法との組み合せには反って不都合である。このような要請には、前後の工程とは独立に操業可能であり、かつ生産量に応じて効率良く１枚〜１０枚程度の小ロットで処理を行うような形態の装置・システムが好ましいがこのようなものは未だ提案されていない。一方、従来技術３として示したような酸化処理では、酸化現象による酸化膜の形成が時間に依存するために、小ロットでも長時間を必要とするなど課題が多い。
【００１０】
このような処理時間面での制約が少ない処理に関しては、小ロットを短時間で処理して生産性を損なわないようなプロセスを構築することが可能である。金属配線膜の加圧埋め込みに代表される高温高圧ガスでの処理では、このような時間面での制約が少ないことが知られている。したがって、このような小ロットでの処理に関する要請にも対応が可能であることが要求されている。この場合、どの程度の大きさのロットまでを、いかに小さな装置で処理するかが大きな問題となる。すなわち、小さな処理容積の装置で最大限の枚数のウェーハをいかに処理するかが、重要となる。
【００１１】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、高温高圧のガスが非常に自然対流を生じ易く、均熱化しやすいという特性に着目して、比較的小ロットで処理を行うのに適した半導体ウェーハの高温高圧処理装置を提供することを目的とする。さらには、１バッチでの半導体ウェーハの処理枚数が１〜２５枚程度で、バッチ方式により高温高圧の不活性雰囲気下で処理する装置を提案するもので、とくに、処理過程やハンドリング過程における半導体ウェーハのパーティクル等による汚染など、半導体特有の技術的な問題を解決しつつ、生産性良く高圧処理を行うことを可能とするものである。
【００１２】
さらにまた、品質を損なうことなく、小さな処理容積の装置に最大限の半導体ウェーハを収納して処理を行って生産性の向上と処理コストの低減を行うためのものに関する。更に具体的には、高温高圧のガスが非常に自然対流を生じ易く、均熱化しやすいという特性と、ウェーハの積み下ろしのためのウェーハ支持治具（縦形ボート）とウェーハを積み下ろしするためのロボット（移送手段）の機構及びその寸法に着目してなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を講じた。すなわち、本発明は、ウェーハ状の半導体材料を圧力容器内の処理室に装填して、高温高圧のガス雰囲気下で処理を行う半導体ウェーハの高温高圧処理装置において、下部にウェーハを出入れするための開口を有する圧力容器と、前記下部開口を開閉するために昇降自在に設けられた下蓋と、前記下蓋上にウェーハを設置・取出しするための移送手段とを備え、前記処理室内のウェーハを加熱するためのヒータが、前記下蓋とともに昇降自在となるように当該下蓋に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
半導体ウェーハの高温高圧処理装置においては、ヒータを被処理物であるウェーハの周囲を取り囲むように圧力容器に設けることもできる。特にウェーハを上下方向に積み重ねてバッチ処理を行う場合には、各ウェーハの温度分布を一定にするために、このようにヒータを設けるのが一般には好ましいとも考えられる。ところが、本発明者らは、高圧ガスの場合は、ガスが激しい自然対流現象を生じて、温度分布に偏りが生じにくいことを見出した。本発明者らは、この特性に着目して、ヒータを下蓋に設置すればよいことに想到した。
【００１５】
すなわち、ヒータを下蓋に設けると、ヒータは圧力容器の下部に位置することになるが、熱による上昇流や高圧ガスによる激しい自然対流により圧力容器内の温度分布をほぼ均一にすることができ、比較的小ロットの場合に特に有効である。そして、下蓋は下方に昇降自在であり、その下蓋に設けられたヒータも下蓋とともに昇降自在であるから圧力容器の内外に装着・取出可能である。すなわち、下蓋を降ろせばヒータも一緒に圧力容器の外に取り出せることができ、圧力容器内にヒータがある場合に比べてヒータの保守点検が容易となる。
【００１６】
なお、ヒータを下蓋に設ける場合、ヒータを直接下蓋に設けても良いし、他の部材を介在させて間接的に設けても良い。そして、前記ヒータは、前記下蓋上（下蓋とヒータとの間に他の部材を介在させてもよい）に略円板状に配置されていると共に、その径内外方向に分割された複数のヒータ素子から構成され、各ヒータ素子に対応する測温手段を備えて各ヒータ素子を独自に制御可能に構成するのが好ましい。この場合、温度分布が一層均一になる。
また、本発明は、前記圧力容器の上蓋は、圧力容器内の処理室に高圧ガスを導入する高圧ガス導入孔と、処理室から高圧ガスを排出する高圧ガス排出孔とをそれぞれ備え、前記処理室内には、高圧ガス導入孔から導入されたガスが当該処理室内を循環して高圧ガス排出孔に流れるための流路が形成されていることを特徴とする。さらには、複数の倒立椀状部材を間隙を設けて重ねて構成した断熱構造体が前記上蓋に設けられ、当該断熱構造体の上部中央近傍の内側に前記高圧ガス導入孔に接続されたガス分散孔が形成されているものとするのが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明では、前記下蓋には、低圧時又は圧力容器内部の真空引き時に開口してガス及び内部の粉塵を放出するためのガス排出孔が別途設けられているものとするのが好ましい。さらにまた、本発明では、ガス供給装置から前記ガス分散孔の間の流路に設置されてガスの流れを制御するための塞止弁と前記ガス分散孔との間に、粉塵を捕捉するためのフィルタが設けられているものとするのが好ましい。また、本発明では、ウェーハ状の半導体材料を圧力容器内部に装填して、高温高圧のガス雰囲気下で処理を行う半導体ウェーハの高温高圧処理装置であって、圧力容器と、当該圧力容器にウェーハを設置・取出しするための移送手段とを備えた半導体ウェーハの高温高圧処理装置において、前記圧力容器は少なくとも２以上備えられていると共に、１の移送手段がそれぞれの圧力容器に対してウェーハを設置・取出し可能に構成されているものとすることができる。かかる構成を採用することで、生産量に応じた設備を省設置面積で設置することが可能となる。
【００１８】
さらに、本発明では、ウェーハ状の半導体材料を圧力容器内部に装填して、高温高圧のガス雰囲気下で処理を行う半導体ウェーハの高温高圧処理装置であって、圧力容器と、当該圧力容器にウェーハを設置・取出しするための移送手段とを備えた半導体ウェーハの高温高圧処理装置において、前記移送手段によってウェーハが移送される空間を気密性の筺体中に収納して、当該筺体内部に清浄空気を所定方向にフローさせるように構成したものとすることができる。この構成を採用することで、ウェーハの移送中におけるパーティクルによるウェーハの汚染を防止することができる。
【００１９】
なお、本発明にかかる半導体ウェーハの高温高圧処理装置の最も好ましい形態としては、ウェーハ状の半導体材料を圧力容器内の処理室に装填して、高温高圧のガス雰囲気下で処理を行う半導体ウェーハの高温高圧処理装置において、下部にウェーハを出入れするための開口を有する圧力容器と、前記下部開口を開閉するために昇降自在に設けられた下蓋と、前記下蓋上にウェーハを設置・取出しするための移送手段とを備え、前記処理室内のウェーハを加熱するためのヒータが、前記下蓋とともに昇降自在となるように当該下蓋に設けられ、前記圧力容器の上蓋は、圧力容器内の処理室に高圧ガスを導入する高圧ガス導入孔と、処理室から高圧ガスを排出する高圧ガス排出孔とをそれぞれ備え、複数の倒立椀状部材を間隙を設けて重ねて構成した断熱構造体が前記上蓋に設けられ、当該断熱構造体の上部中央近傍の内側に前記高圧ガス導入孔に接続されたガス分散孔が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
好ましくは、前記処理室内には、高圧ガス導入孔から導入されたガスが当該処理室内を循環し、ヒータより下方に位置する断熱構造体の下端部を介して高圧ガス排出孔に流れるような流路が形成されているようにするとよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態にを説明する。図１及び図２は本発明による半導体用の高温高圧処理装置１の本体部分の例を示したものである。とくに、高圧ガスが高圧容器（圧力容器）２内部に充填されて高圧の状態で運転している状態を示したものである。本体部分はプレスフレーム３を含む高圧容器２、ウェーハ移載ロボット（移送手段）４、これら全体を収納する筺体５とから構成されている。
【００２２】
高圧容器２は、上下に開口を有する高圧円筒６、上蓋７、下蓋８および上下の蓋７，８に作用する軸方向の荷重を支持するためのプレスフレーム３から構成されており、上蓋７および円筒部６で画成された空間Ｓ内に断熱構造体１０が組込まれ、下蓋８には遮熱板及び加熱用ヒータ等の電極等を収納した金属性のシールドブロック１１を介して内外２つのゾーン（ヒータ素子１３ａ，１３ｂ）に分割されたヒータ１３が絶縁材１２の上に設置されている。すなわち、ヒータ１３は、処理室内に位置しており、下蓋８の上方に設置されるウェーハ１５の下方に位置するように設けられている。なお、ヒータ１３は電気抵抗線加熱方式とされている。
【００２３】
被処理品である半導体ウェーハ１５を高圧容器２から出し入れする際には、プレスフレーム３をベースフレーム１７に設置されたレール１８上をプレスフレーム３下端に固定されたスライドブロック１９により側方に移動させ、次いで下蓋８を下蓋８昇降アクチュエータにより下方に下げる。この状態を図３及び図４に示した。半導体ウェーハ１５はプレスフレーム３の移動方向と反対側に設置されたウェーハハンドリング用のロボット４のロボットハンド２６を下蓋８上面方向に伸ばして、露出状態となったウェーハ１５を下から受けることによって保持し、ロボット４を駆動させてウェーハエレベータ上に置かれたウェーハカセット２８まで移送することによって回収される。装置１へのウェーハ１５の装填は、この逆の手順により行う。
【００２４】
ウェーハハンドリング用のロボット４は、図１〜図４では、ロボット４のアーム３０が水平面方向に回転および伸縮しかつ上下方向にも可動なものを示した。ウェーハカセット２８がカセットエレベータ上に設置された場合には、このロボットアーム３０の上下方向への移動量は、単にカセットからすくい上げる、もしくは降ろすという操作のみでその移動距離は数ｍｍで充分である。カセットエレベータを用いない場合には、ウェーハ１５のカセット２８からの出し入れに対応できるだけの上下方向の移動距離を持ったロボット４を使用する。
【００２５】
ロボットハンド２６は、アーム３０の先端部に設けられており、アルミ等の金属板もしくはアルミナ等のセラミックス板がフォーク形状に形成されてなる。このハンド部分２６でウェーハを下からすくい上げるように持ち上げて移送する。このハンド２６は、図５では２枚設けられているが、１枚でも良く、また積載時間の短縮を図るにはウェーハ積み上げのピッチと同じ間隔で３枚以上重ねたものであってもよい。図５には、装置１の本体部分を拡大して示す。高圧容器２の高圧円筒部６は内部のヒータ１３により供給された熱を系外に排熱して高圧容器の温度を室温〜百数１０℃に保持するための水冷ジャケット３２が装着されている。同じ理由から多量の熱が高圧容器上蓋７に蓄熱されることから上蓋７にも水冷用の溝を形成することも推奨される（図示せず）。高圧容器上蓋７には高圧ガス導入孔３４と、これとは独立に設けられた高圧ガス排出孔３５が設けられている。
【００２６】
この上蓋７の下側には、金属製の椀状部材３７を間隙を設けて数艘重ね合わせた構造の断熱構造１０が装着されている（詳細は後述）。また、下蓋８の上（絶縁材の上）には、前述のように半導体ウェーハ１５を加熱するためのヒータ１３，ウェーハ１５を棚板状に支持するためのウェーハ支持具３９などが配置され、下蓋８とこれら部材１３，３９の配置された空間との間に、熱が下蓋８に伝わるのを抑制するとともに、接続用の電極等を収納する金属性の前記シールドブロック１１が配置されている。
【００２７】
半導体ウェーハは、図５の左方向から出入りするロボット４のハンド２６と干渉しない位置に、１〜２５枚（図５では５枚）を円周上３〜４箇所で支持するような形態のウェーハ支持具３９の上に載置される。図５の例では、積載されるウェーハ１５の数は５枚であるが、この枚数は温度・圧力およびヒータ１３の配置により決まる均熱域が上下方向に充分に確保される場合にはさらに多くの枚数を積み上げることも可能である。下蓋８全体は、電動、空気圧駆動等の下蓋アクチュエータ４１により、上下方向に移動可能なように取り付けられている。図５はウェーハ１５を取出しもしくは装填する位置にある状態を示しており、ウェーハ１５を取出す場合には、左側のロボット４のロボットアーム３０が右方向に伸張してロボットハンド２６がウェーハ１５の下側に入る。この状態でアームごと数ｍｍ上昇させることにより、ウェーハ１５をロボットハンド２６ですくい上げる。次いでロボットアーム３０を左側へ移動させる。図１〜図４に示したような位置にウェーハカセット２８が配置されている場合には、ロボットアーム３０を９０度回転させてウェーハ１５をカセット２８に移送する。
【００２８】
図６は、装置１の本体内部の構成をさらに詳しく示したものである。前述の断熱構造体１０は、処理室内において金属性の椀状部材３７を間隙を設けて数層重ね合わせた構造となっており、高圧ガスの自然対流による放熱を効果的に抑制するように配慮されている。また、金属製であるからパーティクルの発生を抑制することができる。圧力媒体ガスとしてアルゴンを使用する場合には、この間隙は０．５〜３ｍｍ程度が効果的であり、輻射による放熱をも抑制するという観点からは、３層以上重ね合わせることが効果的である。図６の例では４層の構成となっている。層数を多くすればするほど自然対流、輻射の抑制効果が上げられるが、間隙を小さくすると金属製の椀状部材３７同士が熱膨張差により擦れるため、これに起因する粉塵（パーティクル）の発生が問題となる。
【００２９】
このような観点から、また、内部の温度が３００〜５００℃程度の場合には、厚さ０．５〜２ｍｍの椀状部材３７を３〜６層重ね合わせるのが現実的である。なお、この断熱構造体１０は、たとえば上蓋７に設けられた高圧ガス導入孔３４の容器内部側開口部にネジ込むことによって固定される。高圧ガスの導入孔３４から供給される高圧ガスは断熱構造体１０を貫通する孔を通じて処理室空間に導入されるが、図７において矢印で示すように、一旦ガスを水平面方向に分散させて吹き込む構造とすることが、高速加圧時の半導体ウェーハ１５の移動（ウェーハの踊り）を防止する観点で好ましい。
【００３０】
このガス分散孔４３は円周方向に３〜６箇所設けられる。このガス分散孔４３と処理室のウェーハ１５との間には、ガス分散と温度の乱れを防止する観点から、図示のようにガス分散板４４を配置することも推奨される。このガス分散板４４には、厚さ方向に孔を設けることによってガスの流れを意図的に調整することも可能である。下蓋８上に概円板状に配置されたヒータ１３は、図示のように内外に複数ゾーンに分割して、投入加熱を独立に制御することが推奨される。すなわち、リング状の複数のヒータ素子１３ａ，１３ｂを同軸状に配置するのが好ましい。
【００３１】
その理由は、ヒータを一つにすると、ガスの自然対流に起因する放熱の関係から、ウェーハ１５の中心で高温、外側で低温という温度分布の発生が不可避であり、この分布量が圧力や温度条件により変化する問題があるからである。この問題を解消するには、ヒータ１３を内外複数ゾーンに分割するとともに、このゾーン数に対応した測温手段４６を設けて、各ゾーンに対応した実測温度を逐次加熱電力制御装置（図示省略）に帰還させて、内外での均熱の確保を行う方法が実際的である。
【００３２】
すなわち、本実施形態では、ヒータ１３として、リング状の外側ヒータ１３ａと、この外側ヒータ１３ａの径内側において同軸状に配置されたリング状の内側ヒータ１３ｂとを備え、外側ヒータ１３ａの近傍に設けられた外側測温手段４６ａと、内側ヒータ１３ｂの近傍に設けられた内側測温手段４６ｂとを備えている。測温手段４６には、熱電対を用いるのが簡便であるが、他の測温手段を使用しても良い。
なお、図５では、ウェーハ１５は５枚収納された状態を示したが、処理する温度圧力条件によっては、上下方向に温度分布が発生することもある。このような場合、５枚のウェーハ１５のうち一番上および一番下をダミーのウェーハ１５として中央部の３枚のみ製品を入れるという使い方も推奨される。とくに下については、ヒータ１３からの直接の輻射による加熱があり、他のウェーハ１５は高圧ガスの自然対流による加熱が主体となることから、一番下のウェーハ１５は輻射遮蔽の機能を持ったすなわち赤外線を透過しやすいＳｉウェーハであれば他の材料をコーティングしてダミーとして入れることが推奨される。また、一番上については、高圧容器２からの下蓋の昇降の際等に上から粉塵（パーティクル）が落ちてくる可能性があり、これによる汚染を防止するためにもダミーとすることが推奨される。
【００３３】
なお、圧力の操作すなわち高圧ガスの供給・排出について図６および図７を参照しつつ説明する。圧力媒体である高圧ガスは、ガスボンベ（通常１５ＭＰａ）をガス源（図示せず）として、ガス圧縮機（図示せず）により供給される。金属配線膜中の気孔発生を防止する高圧アニール法などの場合の処理圧力は、７０〜２００ＭＰａの高圧のアルゴンガス等の不活性ガスが用いられる。圧縮機と本体高圧容器２の上蓋部７に設けられた高圧ガス導入孔３４との間には、通常ガスの出入りを制御（遮断・連通）させるための塞止弁４８が設けられている。実際には、ガス源から高圧容器までの経路にはこれ以外の塞止弁が複数個設置されているのが通例である。
【００３４】
これら塞止弁４８またはガス圧縮機には金属同士もしくは金属とシール部材が擦動する部分が存在するのが常であり、Ｓｉのような半導体ウェーハの処理においては、このような擦動により発生した摩耗粉などの粉塵（パーティクル）は、微細な配線構造の短絡経路発生の原因となることから、処理室内部への混入の防止が不可欠である。本発明では、高圧容器２内部のガス分散孔４３と前記塞止弁４８との間にフィルタ４９を配置して、前記の原因により発生した粉塵を処理室の直前で捕捉して混入を防止する。このフィルタ４９としては、半導体関係では、０．０１μｍ以上のパーティクルを捕捉できる性能のものを装着することが通例であり、本発明でも、このレベルのものを装着する。ただし、前記の摩耗粉には数μｍ以上の大きな粒子も含まれていることから、この０．０１μｍ用といった微細なフィルタの圧縮機側に数μｍの粒子を捕捉するフィルタを設けて２段以上にすることも推奨される。
【００３５】
フィルタの位置は図６では、高圧容器上蓋７と塞止弁４８の間の配管経路途中に配置されているが、ガス分散孔４３のすぐ外側すなわち高圧ガス導入孔３４が高圧容器２内部側に開口している部分に組込んでも良い。この場合、微細なフィルタをこの部分に、粗いフィルタは配管経路の途中といった設置の仕方がフィルタエレメントの交換などの保守の観点から好ましい。以下に実際の処理における高圧ガス等の流れについて工程順に説明する。ウェーハ１５を高圧容器２内部に装填した後、通常は、内部に入った空気を、高圧ガス排出孔３５もしくは図６の下蓋部８に示したガス排出孔５１から真空引きすることにより排出する。
【００３６】
ついで、不活性ガスを１ＭＰａ以下のレベルの圧力で供給しては排出する置換操作を行う。この場合ガスの注入は高圧ガス導入孔３４から排出は高圧ガス排出孔３５から行う。ついで、高圧ガス導入孔３４からガスを供給する。この時、高圧ガスはガス分散孔４３から水平面方向に噴出し、ガス分散板４４により処理室内部に大きな局部的な流れが生じないように流入する。同時に、ヒータ１３に通電して加熱が行われる。この加熱による高圧ガスの自然対流は、処理室内部のみで循環する流路を形成する。所定の温度圧力で保持が終了した後、ヒータ１３への通電を遮断し、高圧ガス排出孔３５に接続された配管部の塞止弁５３を開としてガスを放出する。
【００３７】
この時、高圧容器２内部のガスは、図７に示したように、断熱構造体１０と円筒部６の隙間および断熱構造体１０の上部のガス流路を通って高圧ガス排出孔３５に導かれる。上記の結果として、高圧ガスは常に一方向に流れることとなり、粉塵が発生しても、半導体ウェーハに向って逆流するようなことはなく、粉塵による汚染の防止が可能となる。実際の処理においては、とくに、数気圧の状態から真空状態となる最初の真空引きの工程での粉塵の巻き上げが問題であり、図６の下蓋８に設けたガス排出孔５１は低圧及び真空時のみ大きな開口状態とすることができる塞止弁５５を設置することが好ましい。このような構成とすることにより粉塵によるウェーハの汚染を効果的に低減することが可能である。
【００３８】
半導体ウェーハの工業的な生産工場においては、１時間に１０数枚〜５０枚の処理が行われる。以上説明した装置１では、３００〜５００℃、１００〜２００ＭＰａでの処理を行う場合、１サイクルが２０〜６０分となる。１回に２５枚装填できる構成であれば、通常の工業生産レベルとほど同じであるが、１回に１〜５枚の装填構造の場合、工業生産には能力不足となる。このような場合、以上述べた装置の高圧容器２部分を一つのモジュール６０として複数台設置して、これらにウェーハ１６を供給移動ロボット４もしくは移動装置を共通で１台としたシステムとすることが推奨される。
【００３９】
図８はこのような考え方でシステム化した装置の例を示したものである。本例では、２つの高圧モジュール６０に、４個のカセット２８からウェーハ１５を逐次取出して高圧モジュール６０に移送する装置が組み合わされたものである。高圧モジュール６０の数は生産量に応じて決定すれば良い。このような構成とすることにより生産量に応じた設備を省設置面積で設置することが可能となる。また１台の装置１を多数並べるより、カセットのハンドリングが簡素となり、全体的な生産性の向上を図ることが可能となる。
【００４０】
なお、以上の説明において、本装置１ではウェーハ１５をカセット２８から高圧容器２へ、また高圧容器２からカセット２８へ移送する際には、ウェーハ１５は大気に暴露される。この過程でパーティクルによる汚染防止のためには、ウェーハ１５の移動経路を気密性のケースで囲い、かつクリーンフィルタにより粉塵を除去した清浄な空気をフローさせる構造とすることが推奨される。以上述べた本発明の装置１では、図１〜４に示したように、プレスフレーム３を含めた全体を気密性の材料からなる筺体５に収納するように構成している。図示していないが、この場合、清浄な空気を供給するためのフィルタユニットはロボット４とカセットエレベータの設置された位置の天井部に設けられ、空気はこの方向からプレスフレーム３の方向へと一方向に流れるように構成される。
【００４１】
以上述べたように、最近のＵＬＳＩの加工の微細化に伴って、有効性が注目されつつある配線膜の加圧埋込処理など高圧の不活性ガスを利用して処理を行うに際しての、大きな課題、すなわち粉塵（パーティクル）や、雰囲気ガス中の酸素による酸化等の発生を防止する観点から、本発明の寄与するところは極めて大きい。とくに、工業生産への利用という観点から、小形軽量化が可能で、かつ生産量に応じた設備のシステム化も容易な本発明による小ロボットのバッチ式の処理装置は利用価値が高い。
【００４２】
また、配線膜でいえば、既設のＰＶＤシステムとの組合せもフレキシブルに行うことができること、高圧ガス設備を一括した部屋に収納して、安全管理を行うことができて工場の管理が容易となることなどから、配線膜の処理を中心に、ＵＬＳＩの今後の工業生産の発展に資することろきわめて大きい。続いて、前記ウェーハ支持治具３９のウェーハ１５の積み上げピッチについて、図９〜図１２を参照しつつ、述べる。なお、図９に示す装置１は、ロボット４のハンド２６が１枚とされている以外は、図５に示すものと同じである。
【００４３】
まず、現在使用されているＳｉウェーハは直径が２００ｍｍで、このような治具に積載する際のピッチとしては１／４インチ（６．３５ｍｍ）となっている。これは、このような縦形に積上げて処理を行う通常の大気圧の装置、たとえば、酸化炉、拡散炉やリフロー炉では、雰囲気が大気もしくは大気圧の不活性ガスで、あまり狭いピッチで積上げるとウェーハ間の大気もしくはこれらのガス体の熱伝導が悪くまた自然対流も生じにくいため、ある程度の隙間を確保しないと、温度分布が発生して品質確保が困難になるという問題があることによっている。
【００４４】
また、現状のウェーハ移載用のロボットを用いてウェーハを積み下ろしする際に、上下方向の移動量（ストローク）として２ｍｍ前後が必要なこと、ウェーハハンドリングロボットのハンドの厚さが１．５〜２ｍｍあることもこのようなピッチとせざるをえない要因となっている。本発明者らは、アルミおよび銅配線膜をＰＶＤ法もしくは電解メッキ法で形成した後、これら配線膜中もしくはその下部にあるコンタクトホールと称する孔の残存した気孔孔を消滅させるための３００〜５００°、７００〜２００ＭＰａのアルゴンガスを用いた高温高圧処理について実験を行った結果、とくにこのような高圧の領域では、高圧のアルゴンガスが激しい自然対流現象を生じて、ウェーハを積載する際のピッチをさらに狭くしても温度分布が発生せず、品質の確保にも問題がないことを見出した。
【００４５】
図１０に、この自然対流による見かけ上の熱伝導率の増大の様子を判定量的に、横軸に圧力値をとって示す。図１０の縦軸のＫｅ／Ｋの、Ｋはアルゴンガスの熱伝導率を、Ｋｅは自然対流により増大した見かけの熱伝導率を示す。この見かけの熱伝導率（Ｋｅ／Ｋ）の増大は、実際にはウェーハの寸法温度等も関係するが、概してアルゴンガスの場合には、３０ＭＰａ以上の圧力で急激に増大する。実際には、以下に述べるような状況で、ウェーハを処理して温度分布を調査してこの効果を調査確認した。
【００４６】
直径２００ｍｍ（厚さ０．７２５ｍｍ）のＳｉウェーハの場合、隙間が１ｍｍ（ピッチで１．７２５ｍｍ）以上あれば自然対流がかなり激しくなり始めて、１．５ｍｍ（ピッチ２．２２５ｍｍ）であれば、所定の温度圧力（３００〜５００℃、１００〜２００ＭＰａの範囲）での保持の時間が５分程度であってもウェーハ全面に亘って均熱化（中央と端部での温度差５℃以内）となる。ただし、このように隙間を狭くすると、通常のロボット４での積み下ろしが不可能であり、これについても検討を行った結果、ウェーハ１５を積み上げるピッチとしては、ウェーハ１５の厚さｔに対して４〜８倍とし、さらに積上げ時には最上段から順番に下方に積載し、降ろす際には最下段から順番に上方に向って降ろすという操作を行うことにより、常にロボット４のハンド部２６と下側のウェーハ１５が干渉することなく、積み下ろしが可能である。図９の装置１においてロボット４のハンド２６が１枚になっているのは、このような操作を行うためである。
【００４７】
なお、この時に、通常使われているロボット４のハンド２６の厚さ１．７５ｍｍ（２００ｍｍウェーハの場合）で確認作業を行った。すなわち、２００ｍｍウェーハの場合、厚さ０．７２５ｍｍに対してピッチが４ｍｍで、ロボットの上下ストロークは通常の２ｍｍとしたが、なんら問題は生じなかった。図１２に、この時の幾何学的な配置等を示す。２５枚積層用の縦形ボート（ウェーハ積載ピッチ＝４ｍｍ）である。ウェーハ積載ピッチについてはこのテストの結果２．９ｍｍ〜５．８ｍｍ（ウェーハの厚さとの比４〜８）で問題なしと判断された。ただし、ピッチとしてはウェーハの厚さｔに対して４〜７倍とするのがさらに好ましい。
【００４８】
なお、ロボット４のハンド部２６を剛性が大きく変形しにくいセラミックスにした場合、ハンド部の厚さをさらに薄く０．７〜１ｍｍとすることも可能である。実際の処理に際しては、多層に配線膜が形成された後の工程になるほど、ウェーハ自体が完全な平面状状態でなくなり、かつ高温高圧処理時の昇温により熱変形を起こしやすくなることから、余裕を見たピッチとすることが推奨される。図１１には、２００ｍｍウェーハを２５枚処理する場合について、従来のピッチ（６．３５ｍｍ）での積載高さ（図１１（ａ））と、本発明により余裕を見てピッチ４ｍｍ（ウェーハ厚さの約５．５倍）で積載した場合の高さ（図１１（ｂ））の差を示した。数値的には、６．３５ｍｍの場合全体の高さは１５３ｍｍ必要なのに対し、本発明による（４ｍｍピッチ）と９７ｍｍとなる。これは従来ピッチでは１５枚しか処理できない装置で２５枚の処理ができることと同じで、小型の装置での生産性を飛躍的（１．６７倍）に高めることが可能となる。
【００４９】
以上詳述したように、最近のＵＬＳＩの加工の微細化に伴って、有効性が注目されつつある配線膜の加圧埋込処理など高圧の不活性ガスを利用して処理を行うに際しての、大きな課題の一つ、効果でかつ大型化すると大重量化してクリーンルーム内での設置が困難となる高温高圧ガス処理装置のもつ問題に関して、本実施形態に係る装置では、小型装置での処理量の増大を品質の低下を招くことなく実現した。今後ますます重要になる生産性の向上、処理コストの低減に直接効果のある本発明が、半導体ウェーハの高温高圧処理の工業生産レベルで普及するのに大きく寄与するものと期待される。
【００５０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、比較的小さな装置で処理を行うのに適した半導体ウェーハの高温高圧処理装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 高圧容器がプレスフレームによって支持された状態の処理装置の平面図である。
【図２】 図１の正面図である。
【図３】 下蓋が下がった状態の処理装置の平面図である。
【図４】 図４の正面図である。
【図５】 処理装置の拡大正面図である。
【図６】 高圧容器の内部断面図である。
【図７】 高圧容器内のガスの流れを示す図である。
【図８】 高圧モジュールを２つ備えたシステム化された処理装置の平面図である。
【図９】 ロボットのハンドが１枚である処理装置の拡大正面図である。
【図１０】 ガスの自然対流による見掛け熱伝導の増大を示すグラフである。
【図１１】 ウェーハの積層ピッチにより積層高さが異なることを示す図であり、（ａ）が従来品であり、（ｂ）が本発明の装置である。
【図１２】 ウェーハの積層状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 高温高圧処理装置
２ 圧力容器（高圧容器）
３ プレスフレーム
４ 移送手段（ウェーハ移送ロボット）
８ 下蓋
１０ 断熱構造体
１３ ヒータ
３４ 高圧ガス導入孔
３５ 高圧ガス排出孔
３７ 椀状部材
３９ ウェーハ支持治具
４６ 測温手段
４８ 塞止弁
４９ フィルタ

Claims (7)

1. ウェーハ状の半導体材料を圧力容器内の処理室に装填して、高温高圧のガス雰囲気下で処理を行う半導体ウェーハの高温高圧処理装置において、
   下部にウェーハを出入れするための開口を有する圧力容器と、前記下部開口を開閉するために昇降自在に設けられた下蓋と、前記下蓋上にウェーハを設置・取出しするための移送手段とを備え、前記処理室内のウェーハを加熱するためのヒータが、前記下蓋とともに昇降自在となるように当該下蓋に設けられ、
   前記圧力容器の上蓋は、圧力容器内の処理室に高圧ガスを導入する高圧ガス導入孔と、処理室から高圧ガスを排出する高圧ガス排出孔とをそれぞれ備え、
   複数の倒立椀状部材を間隙を設けて重ねて構成した断熱構造体が前記上蓋に設けられ、
   当該断熱構造体の上部中央近傍の内側に前記高圧ガス導入孔に接続されたガス分散孔が形成されていることを特徴とする半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
2. 前記処理室内には、高圧ガス導入孔から導入されたガスが当該処理室内を循環し、ヒータより下方に位置する断熱構造体の下端部を介して高圧ガス排出孔に流れるような流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
3. 前記ヒータは、前記下蓋上に略円板状に配置されていると共に、その径内外方向に分割された複数のヒータ素子から構成され、各ヒータ素子に対応する測温手段を備えて各ヒータ素子を独自に制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
4. 前記下蓋には、低圧時又は圧力容器内部の真空引き時に開口してガス及び内部の粉塵を放出するためのガス排出孔が別途設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
5. ガス供給装置から前記ガス分散孔の間の流路に設置されてガスの流れを制御するための塞止弁と前記ガス分散孔との間に、粉塵を捕捉するためのフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
6. 前記圧力容器は少なくとも２以上備えられていると共に、１の移送手段がそれぞれの圧力容器に対してウェーハを設置・取出し可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。
7. 前記移送手段によってウェーハが移送される空間を気密性の筺体中に収納して、当該筺体内部に清浄空気を所定方向にフローさせるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体ウェーハの高温高圧処理装置。

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