JP4246804B2 - 加熱・加圧処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間等方圧プレス(HIP)処理、高圧ガス酸化・窒化などの処理や、超臨界状態の流体を用いて洗浄処理を行うための高圧ガス処理装置、すなわち被処理物が固体でバッチ処理となるような場合に用いられる加熱・加圧処理装置に関するものである。とくに、Siウェーハなどの板状の被処理物を、短サイクルで一枚ずつ処理を行なうための装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
Si半導体すなわちULSIの製造プロセスは、近年ウェーハを1枚ずつを数分のサイクルタイムで処理するいわゆる枚葉式が生産性の観点や品質管理の観点から主流となりつつある。一方、バッチ式で高圧ガスを用いた最も工業的に普及しているプロセスはHIP法(熱間等方圧プレス法)であるが、このHIP法は小形の装置で短時間に処理をおこなっても1サイクル3〜5時間かかるのが、通例である。
【0003】
枚葉式の半導体の処理に高圧ガスを利用したプロセスを適用するには、時間の短サイクル化が大きな課題である。処理プロセス自体は加圧・加熱などの工程が占める時間割合が大きいものの、被処理品であるSiウェーハの出し入れにかかる時間も非常に大きな比率を占めることとなる。
ちなみに、通常のHIP法に用いられるHIP装置では、サイクル全体が数時間以上のオーダであることから、被処理品の出し入れの時間も数10分のオーダで行われていても支障は少ない。
【0004】
しかしながら、Siウェーハなどを枚葉式で処理する高圧の装置には、HIP装置のような時間がかかる被処理品の出し入れの機構は採用しがたく、このため、配線膜の加圧埋込み用の装置として図6に示すような装置が提案されている(特表平7−502376)。
この特表平7−502376には、図6で示すように「複数の外皮部分(高圧容器構成部材)100,101と、該外皮部分100,101を押圧して当接させるための第1手段102,103と、該外皮部分100,101は第1手段102,103によって押圧して当接される時にワークピースWのための封入空間104を形成するような形状をなしており、前記ワークピースWを高圧力にさらすことによって前記ワークピースWを処理するために前記内部空間104に大気圧以上の加圧ガスを供給する第2手段105とを有するとともに、前記圧力容器の排気を行なう手段106を含む処理システム」が提案されている。
【0005】
すなわち、本従来技術について図6を参照して説明すると、ワークピース(Siウェーハ)を収納する封入空間104を形成する高圧容器部分101,102がワークピースWのほぼ側方で分割され、かつ、狭い分割空間による通路107を介してワークピースWが側方に出し入れするように構成されており、薄い板状の被処理品を1枚ずつ高圧ガスで短時間で出し入れするには好適の構造をしている。
このような形態で高圧容器を開閉する構造とした場合の大きな課題は、分割部のガスシール構造であるが、本従来技術では、特殊なシール構造部を前記の第1手段(ガス圧および油圧ラム)により押し付けることにより達成している。
【0006】
とくに、ガス圧により高圧容器部材を押圧する場合には、「第1手段が複数の前記外皮部分の1つを動かすためのアクチュエータ103を含み、前記第2手段105が前記アクチュエータ103の作動のために、前記アクチュエータに前記加圧ガスを供給するように配置されること」が提案されている。これはこの加圧ガスを供給する第1手段のラムの受圧面積をワークピースを封入する空間の軸方向の断面積より大きくすることにより、前記シール部分が加圧ガスによる処理を実施している間は、常に封入空間部のシール部が押し付けられている状態になっていることを意味しているものと考えられる。
【0007】
なお、図6において、110はヨークであり、円筒形に形成されていてその上下にねじ込まれた上・下プラグ111,112を有している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように図6を参照して概説した特表平7−502376に示された従来の技術は、Siウェーハのような板状の被処理品を高圧のガスを用いて枚葉式処理を行なうには好適な構造をしているといえるが、下記のような問題点がある。
(1):室温近傍で処理を行なう場合には良いが、高温で処理を行なう場合には、高圧容器内部にヒータ等の熱源が収納されるために、シール部分の温度が上昇し、長期間あるいは多数回のサイクルで処理を行なうと、シールの安定性が損なわれる。これを回避するため、前記従来の技術ではシール構造に金属主体の特殊なものを採用している。
【0009】
すなわち、内部空間104のシール109は、外皮部分101の上方に形成したリップを外側に動かし、シール面において外皮部分100にしっかりと押付け、該シールの強さは封入空間104の上昇した圧力に比例して高くなるようにリップを変形するものであった(公報第4頁右上欄末行〜左下欄5行目参照)。
しかし、このリップの変形によるシールであると、多数回のサイクルで処理を行なう場合、該リップが塑性変形してしまい、この塑性変形が発生すれば最早シール機能が発揮できないという課題がある。
【0010】
また、リップが塑性変形すると該リップが外皮部分101と一体であることから、シール機能を確保するには外皮部分自体を交換しなければならないという課題がある。
(2):前述従来の技術では、複数の容器構成部材(外皮部分)100,101を当接させるため油圧アクチュエータ102とガス圧アクチュエータ103という2つの押圧手段(第1手段)を備えており、これでは、油圧アクチュエータ102と、もう一つのガス圧アクチュエータ103ともに処理室(内部空間)104内とほぼ同等の大きな圧力が発生し、圧力漏れ等のトラブル発生の確率が高くなり装置の信頼性の低下を招くばかりか、安全の観点でも好ましいとは言えない。
(3):さらに、前記従来の技術では、例として、処理空間104内のガスが弁108を介して、アクチュエータ103に流入するようになされており、処理空間104の軸方向断面積より大きな受圧面積をもつアクチュエータ103には高圧容器を密閉させる力が発生するよう構成されているが、このことは使用後のガスがアクチュエータ103の内部を通過することを意味しており、これでは、アクチュエータ内シール部材の摩耗等に起因する粉塵等を回収ガス中に巻き込むこととなり、ガスの再使用には問題が残る。
【0011】
すなわち処理回数が少なければガスを使い捨てすること(非回収形)も許容されるが、生産用の場合には経済性の観点から強制回収形が差圧回収形等の回収形を採用するので、このときには粉塵等を回収ガス中に混入し、これが処理空間に移送されるとコンタミネーションを起こすおそれがある。
本発明は、Siウェーハなどの板状の被処理品を枚葉式で高圧ガス処理を行なうための装置における操業上に係る、シール性の確保、安全性の確保、経済性の向上を目的として、上記した複数の問題点(課題)を解決すべくなされたものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス雰囲気下で板状の被処理品を熱間等方圧プレス処理、高圧ガス酸化・窒化の処理、超臨界状態の流体を用いた洗浄処理のうちのいずれかの加熱・加圧処理する加熱・加圧処理装置において、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、請求項1に係る本発明は、処理を行なう容器が容器軸方向で少なくとも2つ以上に分割されている容器構成部材で構成されており、該容器構成部材の分割部に交換自在として樹脂製もしくは超弾性金属材料のシールリングを備え、前記容器構成部材は前記シールリングを介して分割部が密封されたとき前記被処理品のための処理空間を形成する形状部分を有しており、更に、前記容器構成部材には前記シールリングのための冷却手段を備え、前記分割部の密封を確保するため前記容器構成部材を容器軸方向に押圧する押圧手段を備えているとともに前記被処理品を処理するため処理空間に加圧ガスを導入するガス導入手段の導入部材を前記容器の軸心上に備え、前記導入部材を挟む両側に処理空間で被処理品を処理する際の前記容器および押圧手段の容器軸方向に作用する軸力を担持する窓枠形状のプレスフレームを備え、前記プレスフレームは前記導入部材を挟む両側において互いに遠近自在とされていて前記容器の両端面に対して係脱自在であることを特徴とするものであり、このような構成を採用したことにより、容器構成部材の分割部における密封性は確実となり処理空間に導入されたガスの漏れは防止されるのである。
【0013】
シールリングとしては処理時における分割部における隙間の拡大に対する追随性にすぐれた弾性体をシールリングに用いるのがよく、この弾性体という点ではゴム系統を含めた樹脂がもっとも弾性的な特性、すなわち大きな変位に対しても追随できる特性を持っているのでよい。ただし、欠点として、耐熱性に乏しいことから、耐熱性のすぐれたシリコン樹脂あるいは、フッ素樹脂系のものを採用できるがこれでも 300℃程度が常用の限界である。
【0014】
そこで、本発明では、このような比較的耐熱性に優れた樹脂製のシールリングを用いるとともに、上側容器構成部材、下側容器構成部材のいずれかもしくは両方に冷却水を導入してシールリング部分の温度が使用している樹脂の耐熱温度以下に保持するように構成しているのである。
勿論、シールリングとしては上記した樹脂に限定されるものではなく、例えば、ニッケル・チタン合金、銅・亜鉛合金等の超弾性金属材料を採用できる。
また、シールリングはこれが交換自在であることから、該シールリングによる密封性が劣化等したときには、該シールリングだけを交換することで足り、容器構成部材ごとの交換の必要性はないのである。
【0015】
また、処理空間で被処理品を処理する際の容器および押圧手段の容器軸方向に作用する軸力を担持する窓枠形状のプレスフレームを備えた構成を採用することにより、全体としてコンパクト且つ安全性にすぐれた装置を提供することが可能となる。すなわち、窓枠型のプレス枠体では、コラム(柱)部分の断面積を調整することにより、軸方向の伸びをほぼ任意に選定することが可能で、且つ応力レベルを調整することにより、1000kgf/cm2 を越えるような高圧力を利用する場合に対しても、10,000,000回以上の使用にたえるような疲労評価を含めた設計を行なうことができる。
【0016】
更に、本発明では、ガス導入手段の導入部材が容器の軸心上に備えられ、この導入部材を挟む両側に前記プレスフレームが備えられ、該プレスフレームは導入部材を挟む両側において互いに遠近移動自在とされていて容器の両端面に対して係脱自在である構成を採用することにより、数分/サイクルといった短サイクルでの高温高圧ガス処理を行なう際に、必須となる高圧ガスの高速供給時に発生する高圧ガス処理空間内での温度の乱れを、軸対称にすることが可能となり、被処理品の温度分布の管理が容易となる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳述する。
圧力容器の内部に高圧ガスが充填されて、高温高圧処理が行われている工程の本発明に係る加熱・加圧処理装置を平面図で示している図1(A)および側断面図で示している図1(B)並びに図1(B)の要部を拡大して示している図1(C)において、圧力容器1は円筒形状であって、容器軸方向で少くとも2つ以上に分割されている容器構成部材(以下、上側部材2,下側部材3という)で構成されており、その分割部には、Siウェーハ等の板状被処理品4のための処理空間5を形成するための形状部分6A,6Bが上・下側部材2,3を容器軸方向に凹入することで形成されている。
【0018】
処理空間5には、下側部材3の部分6B上に下断熱構造物7Bが載設してあり、この構造物7B上に加熱要素であるヒータ8が備えられているとともに、上側部分2の部分6Aには上断熱構造物7Aが備えられ、これら断熱構造物7A,7Bによって過度の熱が散逸しないようにされていて、上断熱構造物7Aは断面倒立コップ形状とされて上側部材2に支持されている。
処理空間5の外周を取り囲んで分割部には、シールリング9が交換自在として備えられており、このシールリング9のための冷却手段10が備えられている。
【0019】
図2に示すように、上・下側部材2,3は昇降用アクチュエータ11の動作で分割部から上・下に解離自在であり、この解離状態において、処理空間5に被処理品4を搬入する通路12が形成され、この通路12はその外周が真空チャンバ13によって取囲まれており、該チャンバ13には、被処理品4の搬送口14が備えられているとともに、上・下側部材2,3の容器軸方向の動きに追従し、かつ、真空度を確保するために、チャンバ13と下側部材3とは伸縮自在なベローズ周壁15で接続されて容器1内で加熱・加圧処理しているとき、上側部材2および下側部材3には、高圧ガスの圧力により容器の円周方向の応力と軸方向の荷重が発生する。円周方向の応力については各容器の径方向の肉厚を最適設計することにより決定される。上側部材2および下側部材3に発生する荷重(軸力)は、コッタ16、耐圧板17、押圧手段であり、ガス導入孔18Aを有するガス圧ラム18を介して最終的に窓枠型のプレスフレーム19により支持される。実際には、この軸方向の荷重は、上側部材2と下側部材3の分割面で両容器を解離する方向に作用する。また、この荷重はプレスフレーム19のコラム部19Aを引き伸ばすとともにコッタ16とプレスフレーム19における上プラテンと下ボトムに挟まれた空間の部材を圧縮する方向に作用する。このため、上下部材2,3の分割面には解離しがちな力が常に発生している。
【0020】
これらの力により、分割面が解離しはじめ、シールリング9が接触しなくなると、高圧ガス空間の高圧ガスが外部に漏れ出して所期の高温高圧処理は実施不可能となる。
この解離による高圧ガスの漏れを防止するための方策の一つは、両部材2,3の解離時の隙間の拡大に対する追随性にすぐれた弾性体をシールリング9に用いることである。弾性体という点ではゴム系統を含めた樹脂がもっとも弾性的な特性、すなわち大きな変位に対しても追随できる特性を持っている。ただし、欠点として、耐熱性に乏しく、耐熱性のすぐれたシリコン樹脂あるいは、フッ素樹脂系のものでも 300℃程度が常用の限界である。本発明では、このような比較的耐熱性に優れた樹脂性のシールリング9を用いるとともに、上側部材2および、下側部材3のいずれかもしくは両方に冷却水を導入する冷却手段10を備えることでシールリング部分の温度が上昇しても使用している樹脂の耐熱温度以下に保持するように構成している。
【0021】
また、二つめの方策として、上述の軸方向の荷重に対して、上側部材2と下側部材3を分割面で常に密着させるためのガス圧ラム18を用いている。このガス圧ラム18には基本的に上記高圧ガス処理空間5に充填されるガスと同じ圧力のガスを導入する。このため、常に、容器の分割面を密着させておくためには、このガス圧ラム18の受圧面積を、高圧ガス処理空間5のシールリング部分の外径で規定される面積よりも大きく設計されている。
このような設計とすることにより、ガス圧が供給されている限り、常に上側および下側部材2,3よりなる容器1は分割面で密着した状態が維持され、前記の弾性体である樹脂製シールリング9のシール作用との相乗効果により高圧ガス処理空間5内部の高圧ガスが分割面から外部に漏出することが防止できる。
【0022】
なお、これらの方策とともに、窓枠状のプレス枠体(プレスフレーム)19を組み合せることにより、全体としてコンパクト且つ安全性にすぐれた装置を提供することが可能となる。すなわち、窓枠型のプレス枠体では、コラム(柱)部分の断面積を調整することにより、軸方向の伸びをほぼ任意に選定することが可能で、且つ応力レベルを調整することにより、1000kgf/cm2 を越えるような高圧力を利用する場合に対しても、10,000,000回以上の使用にたえるような疲労評価を含めた設計を行なうことができる。
【0023】
また、このプレスフレーム19の形状を図1(A)(B)および図2に示したように、2枚に分割して2枚のフレームの間、すなわち、高圧容器の中心軸部分に、圧媒ガスの供給・排出孔20Aを有するガス導入手段20を設ける設計を行なうことが推奨される。このような配置とすることにより、数分/サイクルといった短サイクルでの高温高圧ガス処理を行なう際に、必須となる高圧ガスの高速供給時に発生する高圧ガス処理空間内での温度の乱れを、軸対称にすることが可能となり、被処理品の温度分布の管理が容易となる。
【0024】
すなわち、ガス導入手段20の導入部材20Bが容器1の軸心上に備えられ、この導入部材20Bを挟む両側に窓枠形状のプレスフレーム19が備えられ、該プレスフレーム19は導入部材20Bを挟む両側において互いに遠近移動自在とされていて容器1の両端面に対して係脱自在である構成を採用しているのである。
なお、図1(B)および図2では、アクチュエータ21の作動側方に短距離摺動させるだけで噛み合い構造となるコッタ16を用いており、通常の運転時における被処理物の取出し時における上側部材2と下側部材3の分割(開口)は、このコッタ16をずらして噛み合う状態とした後、下側部材3昇降用アクチュエータ11を駆動して下側部材3を下方に押し下げることにより行なう。図2にこの状態を示す。高圧容器が分割面で開口した状態で、真空チャンバに結合されたロボットアーム型の搬送装置(図示せず)のアームを図の左側から挿入して被処理物であるウェーハを受渡しする。このとき、ガス圧ラムにはガス圧はない状態に設定される。
【0025】
プレスフレーム19は、レール22の上にフレーム台車23を介して置かれていること
で係脱自在であるが、これらフレーム19の開閉(係脱)は前記のシールリング9の交換や、高圧ガス処理空間5内部のヒータ等の消耗部材の交換、あるいは、処理空間内部でウェーハが破損した場合に上側高圧容器を上方に取り外して作業を行なうために、設けられたものである。
したがって、プレスフレームの保持方法などは、本図に制約されるものではなく、2つのフレームが下部あるいは側方でヒンジにより固定された構成であっても差し支えなく、図3にはピボット24を支点に開閉する揺動型のプレスフレーム19を示している。
【0026】
また、プレスフレーム19を採用するとき、このフレーム19をコラム形(上プラテンと下ボトムをコラムで結合したもの)、巻線形等任意であり、更には、図6の従来例で示したように、プレスフレームで軸力を担持するのではなく、上・下側部材2,3にプラグをネジ込んでこのプラグを含んで軸力を担持したものであってもよい。
更に、上述した実施の形態では下側部材3の分割面に、図1(C)で示すようにシールリング溝9Aを形成し、この溝9Aにシールリング9を交換自在に嵌入しているが、このシールリング溝9Aは内外複数個のリング溝と構成することも可能であり、上側部材2の分割面に備えたものでも良いが、前述したようにシールリング9の交換容易性からは下側部材3に備えることが望ましい。
【0027】
上下側部材2,3のいずれか一方若しくは双方にシールリング9を交換自在に備えたとき、このシールリング9を取り囲んで冷却水の通路10Aを図1(C)のように一重ではなく複数とすることも可能である。
図4および図5を参照すると、上・下側部材2,3における分割部の密封を確保するため両部材を容器軸方向に押圧するひとつの押圧手段はガス圧力を利用したラム18であり、該ラム18への圧媒ガスの供給・回収ラインL1,L2に、供給側から回収側へのガス流れを許容し、逆方向のガス流れを阻止する逆止弁V1,V2を備えている構成と、前記のガス加圧ラム18からの回収ラインL2又は回収容器25に回収ガス中の粉塵を除去するフィルタF2〜F4又を備えている本発明の好ましい実施の形態が示されている。
【0028】
すなわち、ガス圧縮機26の駆動で供給する高圧ガスの流れる方向を常に一方向になるように、配管系を構成することにより、ガス圧ラム18内に供給されたガスがラム内部のガスシールリングの摩耗により発生した摩耗粉などの粉塵(パーティクル)を含んでいても、高圧ガス処理空間5に移送され、コンタミネーションを起こすのを防止することが可能となる。具体的には、図4に示すように、高圧ガス処理空間5およびガス圧ラム18へのガスの供給源を同一とし、ガス圧ラム18の配管系にのみ常に供給側から排出側にしかガスが流れないような逆止弁V1,V2を設けることである。この場合、図4の例のように、逆止弁V1,V2はガス圧ラムの入口側と出口側との両側に設けることも可能であるが、1個しか設けない場合には、出口側に設けることが推奨される。さらに、この場合には図4のように本体の高圧ガス処理空間5へのガス供給用の配管と真空ポンプ27を有する放出(回収)用の配管は別個に設けてガス圧ラムからガスが本体容器に逆流することがないようにすることが好ましい。
【0029】
これらの配置とすることにより、常に高圧ガス処理空間よりもガス圧ラム内の圧力を高くする状態が形成され、結果として、前記の両容器の分割面に作用する力を補償することが可能となる。
また、大量に製品を処理する場合には、ガスを回収して再使用することとなるが、この場合にも、ガス圧ラム18内で発生した摩耗粉等の粉塵の除去が重要となる。このためには、適度な開口径を持つフィルタを併用することが必須となる。
【0030】
本発明では、本体の高圧ガス処理空間5へのガス供給回路L1にフィルタF1を設けるのに加えて、図4に併せ示したようにガス圧ラム18から回収用のボンベ25へのガスの帰還回路L2にこのフィルタF2,F3を設けることにより、回収ガスの再利用を可能としている。フィルタは図のようにガス圧ラムからの帰還もしくは回収回路はもちろん、符号F4で示すように本体の高圧ガス処理空間5からのガス回収回路L3にも設けることが好ましい。とくに、前述のように、ガス圧ラム18の配管系に逆止弁V1,V2を設けた場合の、逆止弁V2の抵抗と同様フィルタのガス流れに対する抵抗の問題を回避するため、フィルタF2,F3を収めるフィルタ容器はなるべく大きくなして、フィルタ部分でのガス通過断面積を大きくして、ガスの流速を低く抑えることが、フィルタの差圧による破損防止の観点から好ましい。フィルタ容器を大きくすることと同様の考え方として図5に示すようにガス回収容器25の内部にフィルタF3を装着して流速が小さい状態で、微細な粒子を捕捉できる大面積のフィルタを用いることも推奨される。
【0031】
なお、図4および図5において、28はチャンバ用真空ポンプ、29〜31は圧力計、32は開閉弁,33はガス補充用ガスボンベを示している。
また、図4および図5ではガスの回収手段として差圧回収形を例示しているが、これは強制回収形であっても良いこと勿論である。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば図6を参照して概説した従来の技術による加熱・加圧処理装置の持つ問題点が解消可能となり、数分といった短サイクルでかつ 1,000,000回を越えるような実際の工業生産に使用可能な装置の供給が可能となる。今後、Siウェーハの微細化に伴い、高圧力を利用した加圧埋め込み処理を初めとしてプロセスの普及が期待されているが、本発明はこれらの工業的な利用に資するところ極めて大きいと考える。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る加熱・加圧処理装置の実施の形態の処理中を示し、(A)は平面図、(B)は側断面図、(C)は(B)の要部拡大図である。
【図2】 本発明に係る加熱・加圧形態の解放中を示す側断面図である。
【図3】 本発明に係る加熱・加圧処理装置の他の実施の形態を示す要部の平面図である。
【図4】 本発明に係る加熱・加圧処理装置におけるガス供給・回収ラインの概念図である。
【図5】 本発明に係る加熱・加圧処理装置におけるガス供給ラインの他の態様を示す概念図である。
【図6】 従来の技術の構成図である。
【符号の説明】
1 圧力容器
2 上側容器構成部材
3 下側容器構成部材
5 処理空間 9 シールリング
10 冷却手段
18 押圧手段(ガス圧ラム)
20 ガス導入手段
20B 導入部材
Claims (1)
- ガス雰囲気下で板状の被処理品を熱間等方圧プレス処理、高圧ガス酸化・窒化の処理、超臨界状態の流体を用いた洗浄処理のうちのいずれかの加熱・加圧処理する加熱・加圧処理装置において、
処理を行なう容器が容器軸方向で少なくとも2つ以上に分割されている容器構成部材で構成されており、
該容器構成部材の分割部に交換自在として樹脂製もしくは超弾性金属材料のシールリングを備え、
前記容器構成部材は前記シールリングを介して分割部が密封されたとき前記被処理品のための処理空間を形成する形状部分を有しており、
更に、前記容器構成部材には前記シールリングのための冷却手段を備え、
前記分割部の密封を確保するため前記容器構成部材を容器軸方向に押圧する押圧手段を備えているとともに前記被処理品を処理するため処理空間に加圧ガスを導入するガス導入手段の導入部材を前記容器の軸心上に備え、
前記導入部材を挟む両側に処理空間で被処理品を処理する際の前記容器および押圧手段の容器軸方向に作用する軸力を担持する窓枠形状のプレスフレームを備え、
前記プレスフレームは前記導入部材を挟む両側において互いに遠近自在とされていて前記容器の両端面に対して係脱自在である
ことを特徴とする加熱・加圧処理装置。
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