JP3955340B2 - 高温高圧ガス処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄板状の製品を高温高圧ガス雰囲気下で処理するための装置に関するものであって、とくに短サイクルで製品の処理を行うために、被処理品の挿入・取り出し作業を短時間で行うことを可能とする高温高圧ガス処理装置に関するものである。また、近年シリコン半導体のＡｌ配線膜の下部のビアホール等に形成される気孔を高温下で高圧ガス圧力により潰して消滅させる技術が、配線の微細化の要請の中で注目されており、本装置はとくにこのような目的の処理に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温高圧のガス雰囲気下で種々の材料を処理する方法としては、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ法）が良く知られており、工業的には、金属鋳造品の気孔状の欠陥の修復、粉末焼結体中の残留気孔の除去、粉末材料の高密度焼結、金属やセラミックスの拡散接合等に用いられている。このＨＩＰ法では、以上のような利用方法を組み合わせたような利用も可能で、金属部材の表面に公知の蒸着法等により被膜を形成した後、ＨＩＰ処理を施して被膜の下の空隙部を潰すと同時に拡散接合させて、密着強度を高めることも提案され（特開昭５４−３３２３２号公報、特開昭５９−５０１７７号公報）、実験的に行われている。このＨＩＰ法に用いられる装置は、熱間静水圧プレス装置（ＨＩＰ装置）として知られ、５００台を越える装置が稼働している。通常用いられるＨＩＰ装置は、ネジ蓋式あるいはプレスフレーム式の円筒状の高圧容器の内部に抵抗加熱方式の電気炉が組み込まれた構造となっている。被処理品は下蓋もしくは上蓋を取り外して、高圧容器内部を大気に開放して、下方もしくは上方に取り出す方式が採用されている。処理後、被処理品の温度がある程度高い間に、被処理品をＨＩＰ装置から取り出して効率的に処理する目的で、大気による酸化が問題となるような場合には、被処理品を大気に晒さずに、真空中もしくは不活性ガス中でハンドリングするような装置が提案されている（特公昭６３−６０３０８号公報参照）。
【０００３】
これら、いわゆるＨＩＰ装置では、小物の被処理品の場合には、１バッチで多量に処理することにより、ＨＩＰ処理のコストを下げる考え方で操業され、大きな被処理品、たとえば直径数１０ｃｍ長さ１ｍといった被処理品の場合には、前述にように温度が高い状態で高圧容器から取り出してサイクルタイムを短縮してコストダウンを図る方式が用いられる。しかし、サイクルタイムとしては、短いものでも、製品を装入してから取り出しまで１時間程度を必要としている。
【０００４】
前述のシリコン半導体（ウェーハ）上のＡｌ配線膜の欠陥除去に、ＨＩＰ装置を適用することも、もちろん可能であるが、とくに、Ａｌ配線膜を付与するスパッタリング工程後、真空中で、高温高圧ガス雰囲気下で処理する装置に移送して連続的に処理を行うことが、形成されたＡｌ配線膜の強化による変質防止の観点から好ましい。既述した特公昭６３−６０３０８号公報に示された装置を用いれば、真空若しくは不活性ガス雰囲気で移送可能であるが、基本的にスパッタリングの工程は時間にして数分のオーダであり、Ａｌ配線膜を形成したシリコンウェーハを何枚かまとめたロットで処理を行う形態とならざるを得ず、このためには、ハンドリング等が煩雑となる。
【０００５】
最近、このシリコンウェーハのＡｌ配線膜下の気孔の除去処理を、ウェーハ１枚１枚について、スパッタリング工程と連動させて、高温高圧ガス雰囲気下で処理することが提案されている（特開平７−１９３０６３号公報）。また、この特許公開公報および同じ出願人による別件公表特許公報、特表平７−５０２３７６号公報にはこの高圧下での処理に使用される装置に関する提案がなされている。
【０００６】
この装置は、圧力容器が複数の外皮部材から構成され、これらを他の手段で押し付けて密閉して高圧ガス処理空間を形成した構造で、高圧ガスを供給するシステム、圧力容器を真空排気する手段を具備したものである。
また、被処理品であるウェーハを出し入れする高圧容器の開口部は、略円板状に形成された高圧ガス空間を輪切りにするように設けられ、この部分に高圧ガスのシールをするために、テーパ面の端部を前記の押し付ける手段により締め付ける方法が採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング法のような成膜法と同時平行的に高温高圧のガスによる処理を行い、この前後における板状被処理品の真空中での移送を行うためには、この装置のように、高圧容器を輪切りにするような形態で開口して被処理品を出し入れすることが移送時間短縮の観点から有効である。
【０００８】
しかし、このためには、この部分を高圧処理時に気密に保持することが重要で、かつ、大量の被処理品を連続的に安定して、また、安全に処理できなければならない。
既述した従来技術では、この気密に保持するために、前述のような押し付ける手段として、処理に用いるのと同じレベルの圧力の高圧ガスにより駆動されるアクチュエータを用い、アクチュエータの受圧面積を処理室の受圧面積より大きくした構造を用いて通常時は常に、開口部に締め付け力が発生する構成となっている。ここで、弁によりアクチュエータ側のガスが漏れてアクチュエータ側の荷重が下がっても開口部は締め付けられた状態が保持されるとされているが、アクチュエータ側のガスが高速で漏れた場合には、この弁の開口面積が十分なければ、十分な流量のガスが流れず大きな圧力差が発生して、開口部が開くという危険性がある。
【０００９】
また、この開口部のシールについても、円環状部材のエッジ部を相手部材に押し付けて気密性を維持する方法が提案されているが、この円環状部材の選択が難しく、耐熱性や低アウトガスの材料である金属を用いると、毎回の処理時における締め付けによりエッジ部が塑性変形すると同時に加工硬化を生じてくり返し使用に耐えられないという問題がある。
【００１０】
そこで本発明は、上述した従来技術の課題を解決することが目的である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱ヒータを有する高圧容器内で被処理品を加熱して高圧ガス雰囲気の条件で処理する装置において、前述の目的を達成するために、次の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明では、前記高圧容器は、容器軸方向に少なくとも２つ以上に分割されかつ少なくともひとつに冷却手段を有する容器構成部材からなっており、
前記高圧容器内で被処理品を処理するとき該高圧容器の容器軸方向に作用する荷重を担持するフレームを備え、
被処理品の挿入・取り出しのため高圧容器の容器構成部材を容器軸方向に移動するためのアクチュエータを備え、
前記容器構成部材の容器軸方向の移動時に形成される被処理品の挿入・取り出し部に嵌合されているシール手段を備え、
前記高圧容器の容器軸方向に作用する荷重を前記フレームに伝達する抜き差し自在なコッタ手段を備えていることを特徴とするものである（請求項１）。
【００１２】
また、本発明では、前記高圧容器はその容器軸方向が垂直方向とされており、前記フレームは窓枠形とされており、前記シール手段は面シールと軸シールを組合せてリティナリングに装着されていることが望ましい（請求項２）。
更に、本発明では、被処理品が、熱伝導率が高くかつ熱容量の大きな金属製の蓄熱部材の上に配置され、電気抵抗加熱式のヒータにより前記蓄熱部材の温度を制御することが望ましい（請求項３）。
【００１３】
また、本発明では、真空雰囲気下での被処理品の挿入・取り出し時に高圧容器の開口部および被処理品を真空に保持する真空チャンバが高圧容器開口部を含む外面に装着されていることが望ましい（請求項４）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を作用とともに説明する。
本発明に係る装置を模式的に示している図１において、高圧容器１の内部には、処理対象物であるシリコンウェーハ１０を所定の温度に加熱保持するためのヒータ１１、該ヒータ１１からの放熱を抑制して、高圧容器１や図３に示したシール部材１２Ａ，１２Ｂの過熱を抑制するための断熱部材１３等が収納されている。高圧容器１は容器軸方向で２つ以上に分割されており、本実施例では上側容器構成部材２と下側容器構成部材３とから構成されている。上側容器構成部材２は水冷溝４Ａを設けた冷却板４が装着されており、下側容器構成部材３にも同様に水冷用の水の通路５が設けられており、ヒータ１１の発熱による高圧容器１、とくにシール部材１２Ａ，１２Ｂの過熱を防止する作用を持つ。とくに、シール部材１２Ａ，１２Ｂは、本装置での処理が比較的短サイクル、たとえば数分／回の頻度で行われ、その都度、大気圧以下の圧力から１０００ｋｇｆ／ｃｍ² 前後の圧力に加圧・減圧がくり返されることに加えて、毎回被処理品を出し入れするために開放されることから、くり返し運転に対する寿命が問題となる。シール部材１２Ａ，１２Ｂには耐熱性のフッ素ゴムやシリコンゴム、テフロンなどの樹脂系の材料が用いられることから、その温度が２００℃以下の温度で用いられることが好ましい。
【００１５】
この本体容器１の開閉は、上述のように上側容器構成部材２と下側容器構成部材３の分割面で行われ、図１の例では、下側容器構成部材３を容器軸方向つまり下方に下げることにより行われる。高圧容器１内部に圧力媒体であるＡｒガス等の高圧のガスが充填されている時には、図１に示したごとく、この高圧ガスによる容器軸方向（上下方向）の荷重は、上側耐圧板６、下側耐圧板７、コッタ部材８を介して、窓枠状にくり抜かれたプレスフレーム９によって支持されている。容器を開ける際には、コッタ部材８を側方にスライドさせることにより、下側容器構成部材３を下側耐圧板７とともに空気圧アクチュエータ１４により押し下げることが可能となるように構成されている（図２参照）。本図のコッタ部材８はスライド方向に多数の凹凸部８Ａを形成して、コッタ部材の移動距離を短くしているが、厚板状のコッタ部材を全面に亘ってスライドさせる構造でも良い。
【００１６】
上側容器構成部材２と下側容器構成部材３の分割面のシールは、図３に示したように、シールリング１２Ａ，１２Ｂを装着したリティナリング１７が上側容器構成部材２の内面もしくは下側容器構成部材３の内面に装着された構造で達成される。
高圧容器１内部のガス圧力がＰの時、このリティナリング１７には直径Ｄａに相当する面積に作用する圧力Ｐによる力と、直径Ｄｂに相当する面積に作用する圧力Ｐによる力の差分の力が働いて面シール機能を果たしているシールリング１２Ａの密着性が高くなるように構成されている。実際に高圧容器１の内部に１０００ｋｇｆ／ｃｍ² ものガス圧力が充填されている際には、後述するプレスフレーム９の伸びや、初期に存在したコッタ部材８とプレスフレーム９との間の隙間がなくなるために、上側容器構成部材２と下側容器構成部材３の分割面に１ｍｍ前後の隙間が生じるが、このリティナリング１７が上下に移動することにより、面シール部の気密性が損なわれることはない。
【００１７】
高圧容器１の内部のガス圧力により発生する容器軸方向、本例では上下方向の荷重は、被処理品であるシリコンウェーハの寸法が直径３０ｃｍのように大形化すると、前述のように、数１００トンレベルにも達することから、この荷重を支持する構造は非常に重要である。とりわけ、数分／回の短サイクルでかつ何万枚ものウェーハを処理するとなると、疲労寿命に関する配慮が不可欠となる。圧力容器の軸方向の荷重の支持には古くからネジが用いられてきているが、ネジ構造では、ネジ山の底部での応力集中の問題は回避できないこと、ネジ山すべてが均一に荷重を分担保持するような理想的な状態には必ずしもならないことから、破壊を防止するには大きな安全係数を乗じることが必要でネジ部分が巨大化する。
【００１８】
このような場合に安全を優先的に考えた荷重の支持構造として、鋼板を窓状にくり抜いたプレスフレームを用いることが最適である。プレスフレームは、一体型のものや、厚さ方向に幾つかに分割したものが用いられている。本発明による装置の場合には、ウェーハの出し入れ時には内部を高真空に排気する必要性があり、このための真空排気ポート１８と弁１９がほぼ容器の中央部に装着されることから、図１に示したように、高圧容器１の中心軸部分に空間を設けて、２分割にしたプレスフレームを用いるのが好適である。
【００１９】
図１に示した構造の場合、通常の運転時の被処理品の出し入れには、コッタ部材８を移動させるだけで下側容器構成部材３を下げて行えることから、プレスフレーム９を移動させる必要はない。ただし、リティナリング１７に装着されたシールリング１２Ａ，１２Ｂの交換時には、上側容器構成部材２を上方に開ける必要があるため、プレスフレーム９を側方に移動させる必要が生じる。図１の装置では、２枚のプレスフレーム９Ａ，９Ｂが下端部でヒンジ２１により支持されており、上側容器構成部材２を開ける際にはこのヒンジ２１で傾斜させることにより、上側に上側容器構成部材２を持ち上げるための空間を形成し、図４に示したように、上側容器構成部材２を持ち上げて容器を開けることが可能である。
【００２０】
処理対象物であるシリコンウェーハの加熱および温度の保持には、前述のように、ヒータが用いられる。ヒータにはジュール熱を利用した通常の抵抗加熱方式のヒータが簡便であるので推奨されるが、短サイクルでの操業のためには、高圧ガスの注入を短時間すなわち高速でガスを注入することが必要で、高速で高圧のガスを閉空間に注入するとガスの運動エネルギーが静止時に熱エネルギーに変換されて内部の温度が上昇する。この影響を防止し、かつシリコンウェーハ全面に亘って温度の分布が発生するのを防止するため、ヒータで直接被処理品を加熱するよりも、被処理品を熱容量が大きく、かつ熱伝導に優れた材料からなる蓄熱部材３２で取り囲まれた状態として間接的に加熱することが推奨される。図３はそのようなヒータ等の配置例を示したものである。ここで、ヒータ材料には、シリコンカーバイド、シリコンカーバイドで被服した黒鉛、モリブデン、タングステンなど耐熱金属などが、シリコンウェーハのコンタミ防止や、パーティクル発生の防止の観点から推奨される。
【００２１】
図３において、加熱処理室３０は、分割された容器構成部材２，３のそれぞれの合わせ面に形成した室要素３０Ａ，３０Ｂによって構成されており、第１室要素３０Ａには、石英、アルミナ等からなる断熱板１３Ａが嵌着され、該断熱板１３Ａ上に、円環形でウェーハ１０を押し上げるピン３１Ｂの付いたリフタ３１板状のヒータ及び蓄熱部材３２が装着されている。
【００２２】
第２室要素３０Ｂには、真空引きポート１８が形成されていて、倒立コップ形のＳＵＳ３０４等からなる断熱カバー１３Ｂ、石英等からなる断熱体１３Ｃ等を介して被処理品１０のクランプ３３が装着され、被処理品１０はクランプ３３と蓄熱部材３２によって処理時には挟持され、処理後には、図２および図４に示すように開放可能である。
【００２３】
その他、図３において、１１Ａはヒータ電極プラグ、３１Ａはリフタ弾発手段、３２Ａは蓄熱部材３２の熱電対、３２Ｂは同じく熱電対コーンを示している。
また、以上の説明から明らかなように、処理が短サイクルで行われることから、被処理品は本装置に装入される前にある程度の温度に予熱されていることが望ましく、また、処理後の被処理品も室温に温度が下がる以前に取り出されて次の工程に移送される。したがって、高圧容器１を空けた際に空気に触れると被処理品が酸化されたりする問題があり、これを回避するために、高圧容器１の開口部、すなわち前述の高圧容器１の分割面は真空中に保持されねばならない。図１に示した真空チャンバ２２はこの目的で装着されたもので、高圧容器の外側を覆うように配置されている。
【００２４】
下側容器構成部材３の下方への移動時も内部を真空に保持するために、下側容器構成部材３と真空チャンバ２２は伸縮自在な筒形ベローズ２３により結合される。
この真空チャンバ２２には、処理品を他の真空容器等から搬送するため、真空状態を保持しつつ開閉可能なゲート弁付きの搬送口が設けられている。
【００２５】
なお、処理の途中で高圧容器１から高圧のガスが真空チャンバ２２内に漏れた場合に真空チャンバ２２が破損するのを防止するため、真空チャンバ２２には、バネ式の安全弁が装着される。さらに、大量の高圧ガスが漏れた場合に対応するために、真空チャンバ２２とベローズの固定部（当然Ｏ−リング等のシール部材を含む）をバネを併用したボルト止めとし、真空チャンバ内の圧力が外部（大気）の圧力より高くなった場合には、この部分が開口して漏れた高圧ガスを大気に放出する構造を採用することが推奨される。
【００２６】
以上の実施例では高圧容器１は、その容器軸方向を垂直方向（上下方向）として２つに分割しているが、容器軸方向を水平方向とすることもでき、分割個数は２以上であっても良い。
また、アクチュエータ１４は空気圧の他、油圧式でもよく、更に、モータ駆動によるものでも良い。更に、フレームはヒンジ式の他、台車方式でも、又、観音開き式であっても良い。また、リティナリング１７は、第２室要素３０Ｂに嵌合したものでもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、１枚１枚のシリコンウェーハにスパッタリング法によりアルミ合金製配線膜を形成した後、スパッタリング装置から、ウェーハの搬送室を介してそのまま、高圧ガスにより配線膜下の気孔状欠陥を除去する処理を行い、その後さらにスパッタリング法によりチタンナイトライド製の光反射防止膜を形成する工程へと、連続的に処理を行うことが可能となる。
【００２８】
とくに、処理が短サイクルで、かつ連続的に大量に処理を行う場合の高圧ガス処理における高圧容器部のシールの確実性を確保し、また、１００万回レベルでの操業にも安全に対応できる本発明による装置は、今後のシリコンウェーハの微細加工時に欠陥のない半導体素子を生産するための工業的な要請に応えうるものとして、半導体製造に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示し、処理中の模式的な断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態を示し、処理後の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施の形態を示し、ヒータ部分の詳細図である。
【図４】本発明の実施の形態を示し、フレームを開放したときの模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 高圧容器
２ 上側容器構成部材
３ 下側容器構成部材
８ コッタ
９ プレスフレーム
１１ ヒータ
１２Ａ シール部材
１２Ｂ シール部材

Claims (4)

1. 加熱ヒータを有する高圧容器内で被処理品を加熱して高圧ガス雰囲気の条件で処理する装置において、
   前記高圧容器は、容器軸方向に少なくとも２つ以上に分割されかつ少なくともひとつに冷却手段を有する容器構成部材からなっており、
   前記高圧容器内で被処理品を処理するとき該高圧容器の容器軸方向に作用する荷重を担持するフレームを備え、
   被処理品の挿入・取り出しのため高圧容器の容器構成部材を容器軸方向に移動するためのアクチュエータを備え、
   前記容器構成部材の容器軸方向の移動時に形成される被処理品の挿入・取り出し部に嵌合されているシール手段を備え、
   前記高圧容器の容器軸方向に作用する荷重を前記フレームに伝達する抜き差し自在なコッタ手段を備えていることを特徴とする高温高圧ガス処理装置。
2. 前記高圧容器はその容器軸方向が垂直方向とされており、前記フレームは窓枠形とされており、前記シール手段は面シールと軸シールを組合せてリティナリングに装着されていることを特徴とする請求項１記載の高温高圧ガス処理装置。
3. 被処理品が、熱伝導率が高くかつ熱容量の大きな金属製の蓄熱部材の上に配置され、電気抵抗加熱式のヒータにより前記蓄熱部材の温度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の高温高圧ガス処理装置。
4. 真空雰囲気下での被処理品の挿入・取り出し時に高圧容器の開口部および被処理品を真空に保持する真空チャンバが高圧容器開口部を含む外面に装着さ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高温高圧ガス処理装置。

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