JP4451653B2

JP4451653B2 - 基板処理装置および半導体の製造方法

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Publication number: JP4451653B2
Application number: JP2003431985A
Authority: JP
Inventors: 豊手操; 文一竹内
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005191346A

Description

本発明は、半導体製造技術、特に、被処理基板を処理室に収容してヒータによって加熱
した状態で処理を施す熱処理技術に関し、例えば、半導体集積回路装置（簡単に半導体装
置とも呼ぶ）が作り込まれる半導体ウエハに酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキ
ャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理など
に使用される基板処理装置（真空処理装置とも呼ぶ）に利用して有効なものに係わる。

基板処理装置、例えば半導体製造装置の真空処理装置の一例を図４示す。

図４において、１００は真空処理装置、１０は反応室、１４はウエハ、２５はエアバル
ブ、４２はメイン排気バルブ、５２はメイン排気ライン、５３は排気ライン、５４は大気
圧ベントライン、５６は逆止弁、７１はメカニカルブースタポンプ、７２はドライポンプ
を示している。ウエハの熱処理時等に反応室１０内に供給されたガスは、メイン排気ライ
ン５２を介してメカニカルブースタポンプ７１、ドライポンプ７２により排気ライン５３
へ排気されるようになっている。

また、反応室１０を大気圧で維持する場合には、不活性ガスを反応室１０内に供給し、大
気圧ベントライン５４のエアバルブ２５、逆止弁５６を介して排気ライン５３へ前記不活
性ガスを排出し、真空処理装置１００内に不活性ガスの流れを形成している。

このように真空処理装置１００内に不活性ガスの流れを形成することで、ウエハの処理に
よって反応室１０内やメイン排気ライン５２などの排気経路に付着した副生成物が脱離し
たとしても、速やかに排出され、反応室１０内は清浄な状態で維持されるようになってい
る。
特開平１１−１１１７２６号公報

上述のような従来の真空処理装置１００においては、反応室１０を大気圧で維持する場
合、反応室１０内の圧力が排気ライン５３の圧力より低くなると排気経路内の汚染された
雰囲気が反応室１０内に逆流するので、これを防止するため逆止弁５６が設けられている
。

しかし、一般に、逆止弁５６は、その構造上、反応室１０側の圧力と排気ライン５３側の
圧力との間に、ある一定の圧力差（動作圧）がなければ開かないようになっている。従っ
て、反応室１０側の圧力と排気ライン５３側の圧力との差が動作圧に満たないような僅か
なものであるとき、例えば反応室１０がウエハ搬入出時など大気圧雰囲気と連通されてい
る場合などは、逆止弁５６が開かず、反応室１０から排気ライン５３へ向けた不活性ガス
の流れが形成できなくなる。既述のように、反応室１０から排気ライン５３へ向けた不活
性ガスの流れが形成できなくなると、ウエハの処理によって反応室１０内やメイン排気ラ
イン５２などの排気経路に付着した副生成物が脱離して逆流し、反応室１０内が汚染され
るという問題を生じる。また、ウエハ処理にＤＣＳ（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）などの腐食性ガス
を用いた場合、反応室１０、排気経路に付着した腐食成分が逆流し、反応室１０下部など
にある金属部品が腐食されるという問題を生じる。

上記課題を解決するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするもので
ある。すなわち、本発明は請求項１に記載のように基板を処理する処理室と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、前記処理室と前記排気手段とを連結するメイン排気ラインと、を有する基板処理装置であって、前記メイン排気ラインに設けられた第１の圧力計と、前記第１の圧力計の下流に、前記メイン排気ラインを分岐するように設けられた大気ベントラインと、前記分岐よりさらに下流のメイン排気ラインに設けられたメインバルブと、前記大気ベントラインに設けられた、前記基板処理装置の非常停止時若しくは停電時に閉となる第１のバルブと、前記第１のバルブの下流に設けられた逆止弁と、前記逆止弁をバイパスするように設けられた、前記基板処理装置の非常停止時若しくは停電時に閉となる第２のバルブと、前記逆止弁の下流に設けられた第２の圧力計と、を備えることを特徴とする基板処理装置とするものである。

本発明によれば、基板を処理する処理室と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段
と、前記処理室と前記排気手段とを連結するメイン排気ラインと、前記第１の圧力計の下
流に設けられ前記メイン排気ラインを分岐するように設けられた大気ベントラインと、前
記分岐よりさらに下流のメイン排気ラインに設けられたメインバルブとを有する基板処理
装置において、前記大気ベントラインに第１のバルブを設け、前記第１のバルブの下流に
逆止弁を設け、前記逆止弁をバイパスするように第２のバルブを設けるとしたので、処理
室側の圧力と排気ライン側の圧力との間の圧力差（動作圧）が少なく、逆止弁が閉じてい
るような場合であっても、前記第２のバルブを介して処理室内の雰囲気が排出されるので
、処理室内に汚染物質が逆流してくることはない。また、例え基板処理に腐食性のガスを
用いたとしても、反応室１０下部の金属部品を腐食させることもない。

図３において本発明が適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての
概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としての
カセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ
、該カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設
けられ、該カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取り
つけられている。前記カセットエレベータ１１５の後側には、前記カセット１００の載置
手段としてのカセット棚１０９が設けられ、該カセット棚１０９はスライドステージ１２
２上に横行可能に設けられている。又、前記カセット棚の上方には前記カセット１００の
載置手段としてのバッファカセット棚１１０が設けられている。更に、前記バッファカセ
ット棚１１０の後側にはクリーンユニット１１８が設けられ、クリーンエアを前記筐体１
０１の内部を流通させるように構成されている。

前記筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられる。この処理炉２０２内には
、ウエハ２００に所定の処理を行う処理室２０１が形成されている。該処理炉２０２の下
側には、半円筒形状の気密室としてのロードロック室１０２が仕切弁としてのゲートバル
ブ２４４により連接され、該ロードロック室１０２の前面には前記カセット棚１０９と対
向する位置に仕切手段としてのロードロックドア１２３が設けられている。前記ロードロ
ック室１０２内には、基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手
段としてのボート２１７を、前記処理室２０１に昇降させる昇降手段としてのボートエレ
ベータ１２１が内設され、該ボートエレベータ１２１には蓋体としてのシールキャップ２
１９が取りつけられ該ボート２１７を垂直に支持している。前記ロードロック室１０２と
前記カセット棚１０９との間には図示しない昇降手段としての移載エレベータが設けられ
、該移載エレベータには搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。

以下、基板処理装置における一連の動作を説明する。図示しない外部搬送装置から搬送
された前記カセット１００は、前記カセットステージ１０５に載置され、該カセットステ
ージ１０５で該カセット１００の姿勢を９０°変換され、更に、前記カセットエレベータ
１１５の昇降動作、横行動作及び、前記カセット移載機１１４の進退動作の協働により前
記カセット棚１０９又は、前記バッファカセット棚１１０に搬送される。

前記ウエハ移載機１１２により前記カセット棚１０９から前記ボート２１７へ前記ウエ
ハ２００が移載される。前記ウエハ２００を移載する準備として、前記ボート２１７が前
記ボートエレベータ１２１により降下され、前記ゲートバルブ２４４により前記処理室２
２０１が閉塞され、更に前記ロードロック室１０２の内部に前記パージノズル２３４から
窒素ガス等のパージガスが導入される。前記ロードロック室１０２が大気圧に復圧された
後、前記ロードロックドア１２３が開かれる。

前記水平スライド機構１２２は前記カセット棚１０９を水平移動させ、移載の対象とな
る前記カセット１００を前記ウェハ移載機１１２に対峙する様に位置決めする。前記ウェ
ハ移載機は昇降動作、回転動作の協働により前記ウェハ２００を前記カセット１００より
前記ボート２１７へと移載する。前記ウェハ２００の移載はいくつかの前記カセット１０
０に対して行われ、前記ボート２１７へ所定枚数ウェハの移載が完了した後、前記ロード
ロックドア１２３が閉じられ、前記ロードロック室１０２が真空引きされる。

真空引きが完了後に前記ガスパージノズル２３４よりガスが導入され、前記ロードロッ
ク室１０２内部が大気圧に復圧されると前記ゲートバルブ２４４が開かれ、前記ボートエ
レベータ１２１により前記ボート２１７が前記処理室２０１内に挿入され、該ゲートバル
ブ２４４が閉じられる。尚、真空引き完了後に前記ロードロック１０２内部を大気圧に復
圧させず大気圧未満の状態で前記ボート２１７を前記処理室２０１内に挿入しても良い。
前記処理室２０１内で前記ウェハ２００に所定の処理が為された後、処理室２０１内をパ
ージガスで置換し、更に前記ゲートバルブ２４４が開かれた後に前記ロードロックドア１
２３が開かれる。

処理後の前記ウェハ２００は上記した作動の逆の手順により前記ボート２１７から前記
カセット棚１０９を経て前記カセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装
置により搬出される。

前記カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

図２に示した減圧ＣＶＤ処理炉について説明する。
外管（以下アウターチューブ２０５）は例えば石英（ＳｉＯ２）等の耐熱性材料からなり
、上端が閉塞され、下端に開口を有する円筒状の形態である。内管（以下インナーチュー
ブ２０４）は、上端及び下端の両端に開口を有する円筒状の形態を有し、アウターチュー
ブ２０５内に同心円状に配置されている。アウターチューブ２０５とインナーチューブ２
０４の間の空間は筒状空間２５０を成す。インナーチューブ２０４の上部開口から上昇し
たガスは、筒状空間２５０を通過して排気ライン２３１から排気されるようになっている
。

アウターチューブ２０５およびインナーチューブ２０４の下端には、例えばステンレス等
よりなるマニホールド２０９が係合され、このマニホールド２０９にアウターチューブ２
０５およびインナーチューブ２０４が保持されている。このマニホールド２０９は保持手
段（以下ヒータベース２５１）に固定される。アウターチューブ２０５の下端部およびマ
ニホールド２０９の上部開口端部には、それぞれ環状のフランジが設けられ、これらのフ
ランジ間には気密部材（以下Ｏリング２２０）が配置され、両者の間が気密にシールされ
ている。

マニホールド２０９の下端開口部には、例えばステンレス等よりなる円盤状の蓋体（以下
シールキャップ２１９）がＯリング２２０を介して気密シール可能に着脱自在に取付けら
れている。シールキャップ２１９には、ガスの供給管２３２が貫通するよう設けられてい
る。これらのガスの供給管２３２により、処理用のガスがアウターチューブ２０５内に供
給されるようになっている。これらのガスの供給管２３２はガスの流量制御手段（以下マ
スフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１）に連結されており、ＭＦＣ２４１はガス流量制
御部に接続されており、供給するガスの流量を所定の量に制御し得る。

マニホールド２０９の上部には、圧力調節器（例えばＡＰＣ、Ｎ２バラスト制御器があり
、以下ここではＡＰＣ２４２とする）及び、排気手段（以下真空ポンプ２４６）に連結さ
れたガスの排気ライン２３１が接続されており、アウターチューブ２０５とインナーチュ
ーブ２０４との間の筒状空間２５０を流れるガスを排出し、アウターチューブ２０５内を
ＡＰＣ２４２により圧力を制御することにより、所定の圧力の減圧雰囲気にするよう圧力
検出手段（以下圧力センサ２４５）により検出し、圧力制御部により制御する。

シールキャップ２１９には、回転手段（以下回転軸２５４）が連結されており、回転軸２
５４により、基板保持手段（以下ボート２１７）及びボート２１７上に保持されている基
板（以下ウエハ２００）を回転させる。又、シールキャップ２１９は昇降手段（以下ボー
トエレベータ１１５）に連結されていて、ボート２１７を昇降させる。回転軸２５４、及
びボートエレベータ１１５を所定のスピードにするように、駆動制御部により制御する。

アウターチューブ２０５の外周には加熱手段（以下ヒータ２０７）が同心円状に配置され
ている。ヒータ２０７は、アウターチューブ２０５内の温度を所定の処理温度にするよう
温度検出手段（以下熱電対２６３）により温度を検出し、温度制御部により制御する。

図２に示した処理炉による減圧ＣＶＤ処理方法の一例を説明すると、まず、ボートエレベ
ータ１１５によりボート２１７を下降させる。ボート２１７に複数枚のウエハ２００を保
持する。次いで、ヒータ２０７により加熱しながら、アウターチューブ２０５内の温度を
所定の処理温度にする。ガスの供給管２３２に接続されたＭＦＣ２４１により予めアウタ
ーチューブ２０５内を不活性ガスで充填しておき、ボートエレベータ１１５により、ボー
ト２１７を上昇させてアウターチューブ２０５内に移し、アウターチューブ２０５の内部
温度を所定の処理温度に維持する。アウターチューブ２０５内を所定の真空状態まで排気
した後、回転軸２５４により、ボート２１７及びボート２１７上に保持されているウエハ
２００を回転させる。同時にガスの供給管２３２から処理用のガスを供給する。供給され
たガスは、アウターチューブ２０５内を上昇し、ウエハ２００に対して均等に供給される
。

減圧ＣＶＤ処理中のアウターチューブ２０５内は、排気ライン２３１を介して排気され、
所定の真空になるようＡＰＣ２４２により圧力が制御され、所定時間減圧ＣＶＤ処理を行
う。

このようにして減圧ＣＶＤ処理が終了すると、次のウエハ２００の減圧ＣＶＤ処理に移る
べく、アウターチューブ２０５内のガスを不活性ガスで置換するとともに、圧力を常圧に
し、その後、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させて、ボート２１７及
び処理済のウエハ２００をアウターチューブ２０５から取出す。アウターチューブ２０５
から取出されたボート２１７上の処理済のウエハ２００は、未処理のウエハ２００と交換
され、再度前述同様にしてアウターチューブ２０５内に上昇され、減圧ＣＶＤ処理が成さ
れる。

次に、図１を用いて本発明における基板処理装置の排気部３００について説明する。尚、
図４、３、２中と同様にものには同符号を付し詳細な説明を省略する。

２００はウエハ、２０１は処理室、２０２は処理炉、２１７はボートである。３００は処
理室２０１内の雰囲気を排出するための排気部を指してしている。前記排気部３００は、
メイン排気ライン５２、スロー排気ライン５１、スロー排気バルブ４１、メイン排気バル
ブ４２、ＡＰＣ２４２、真空ポンプ２４６、排気ライン５３、第１のバルブ２５、第２の
バルブ３０３、逆止弁５６、大気圧ベントライン５４、第１の圧力計３０１、第２の圧力
計３０２、バイパスライン３０４などから構成されてる。

図１に示されているように、メイン排気ライン５２は処理室２０１と排気手段である真
空ポンプ２４６とを連結し、真空ポンプ２４６により排出された雰囲気は、排気ライン５
３を通じて図示しない顧客の排気設備に排出される。また、メイン排気ライン５２の上流
（処理室２０１側）から下流側（排気ライン５３側）に向かって、順に、第１の圧力計３
０１、メイン排気バルブ４２、ＡＰＣ２４２が設けられている。また、メイン排気バルブ
４２をバイパスするようにスロー排気ライン５１が設けられ、前記スロー排気ライン５１
にスロー排気バルブ４１が設けられて、処理室２０１内を真空排気する際の急激な圧力変
化を抑制するようになっている。

排気部３００には、また、メイン排気バルブ４２、ＡＰＣ２４２、真空ポンプ２４６を
バイパスするように大気圧ベントライン５４が設けられ、この大気圧ベントラインには上
流から下流に向かって、順に、第１のバルブ２５，逆止弁５６，第２の圧力計３０２が設
けられている。さらに、排気部３００には、第１のバルブ２５、逆止弁５６をバイパスす
るようバイパスライン３０４が設けられ、前記バイパスライン３０４に第２のバルブ３０
３が設けられている。

スロー排気バルブ４１、メイン排気バルブ４２、第１のバルブ２５、第２のバルブ３０
３は、それぞれ、ＮＣバルブ、ＮＣバルブ、ＮＯバルブ、ＮＣバルブで構成され、圧力制
御部からの信号により、開閉することができる。また、第１の圧力計３０１、第２の圧力
計３０２により検出された、処理室近傍のメイン排気ライン５２の圧力、排気ライン５３
の圧力値は、圧力制御部に伝えられるようになっている。尚、ＮＣバルブはＮｏｒａｍａ
ｌｌｙＣｌｏｓｅバルブの略で、装置非常停止時、停電時はバルブが閉となる性質を持
ったバルブであり、ＮＯバルブはＮｏｒａｍａｌｌｙＯｐｅｎバルブの略で、非常停止
時、停電時はバルブが開となる性質を持ったバルブのことである。

次に、本発明における排気部３００を用いた処理室２０１内を大気圧にて保持する場合
の動作の順序を、処理室２０１で基板処理が終了した所から説明する。

はじめに、(1)処理室２０１内に供給している処理ガスを停止する。(2)スロー排気バル
ブ４１を開いたのちメイン排気バルブ４２を開き、処理室２０１内の雰囲気を排気する（
このとき、第１のバルブ２５と第２のバルブ３０３は閉じられた状態である）。(3)スロ
ー排気バルブ４１、メイン排気バルブ４２を閉じて、処理室２０１の真空排気を停止する
。(4)反応室２０１内に不活性ガス（例えば窒素ガス）を供給し処理室２０１を大気圧に
戻す。(5)第１の圧力計３０１の圧力値が０．５ｋＰａ（ゲージ圧）以上を検出したこと
を確認すると、(6)第１のバルブ２５を開く。(7)前記(6)で第１のバルブ２５が開かれて
から１０秒経過し、且つ、第２の圧力計３０２が−０．３ｋＰａ（ゲージ圧）以下を検出
すると、(8)第２のバルブ３０３を開く。(9)ボート２１７を下降させて、処理済みウエハ
を搬出する。尚、ゲージ圧とは、大気圧（厳密には装置周辺の大気圧）との差を示してい
る。つまり、例えば、ゲージ圧で０．５ｋＰａとは、大気圧＋０．５ｋＰａの絶対圧力の
ことを示している。

尚、上記実施例において、第２のバルブ３０３を開にする条件として、第１の圧力計３
０１が０．５ｋＰａ以上、第２の圧力計が−０．３ｋＰａ以下としたのは、処理室２０１
から排気ライン５３へ向かう圧力勾配を確認し、排気ライン５３から処理室２０１への汚
染物質の逆流を防止するためである。また、第１の圧力計３０１の検出値を０．５ｋＰａ
以上、第２の圧力計の検出値を−０．３ｋＰａ以下という数値に設定したのは、大気圧付
近での圧力センサの接点チャタリングによる不安定な作動を防止するため、バルブの作動
圧力として僅かなオフセットを加えたためである。

次に、第１のバルブ２５をＮＯバルブ、第２のバルブ３０３をＮＣバルブとした理由を説明する。仮に、第２のバルブ３０３をＮＯバルブとすると、装置非常停止時、停電時、第２のバルブ３０３は開となり処理室２０１に排気ライン５３の汚染された雰囲気が逆流する虞がある。従って、第２のバルブ３０３はＮＣバルブである必要がある。また、装置非常停止時、停電時には、汚染された外部雰囲気が処理室２０１内に侵入しないよう処理室２０１には不活性ガス（例えば窒素ガス）が供給され、処理室２０１内を陽圧に保つようにしているため、仮に第１のバルブ２５をＮＣバルブとすると、反応室２０１内が過加圧となり、アウターチューブ２０５が破損する虞がある。従って、第１のバルブ２５をＮＯバルブとする必要がある。尚、この観点から考えると、バイパスライン３０４は、逆止弁５６のみをバイパスするように設けてもよいことは明かである。

本発明が適用される基板処理装置の排気部の概略図本発明の基板処理装置の反応炉を示す概略図本発明の基板処理装置を示す概略図従来の真空処理装置の排気部を示す概略図

符号の説明

２５第１のバルブ
４１スロー排気バルブ
４２メイン排気バルブ
５１スロー排気ライン
５２メイン排気ライン
５３排気ライン
５４大気圧ベントライン
５６逆止弁
２００ウエハ
２０１処理室
２０２処理炉
２１７ボート
３００排気部
３０１第１の圧力計
３０２第２の圧力計
３０３第２のバルブ
３０４バイパスライン

Claims

基板を処理する処理室と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、
前記処理室と前記排気手段とを連結するメイン排気ラインと、を有する基板処理装置であって、
前記メイン排気ラインに設けられた圧力計と、
前記圧力計の下流に、前記メイン排気ラインを分岐するように設けられた大気ベントラインと、
前記分岐よりさらに下流のメイン排気ラインに設けられたメインバルブと、
前記大気ベントラインに設けられた、前記基板処理装置の非常停止時、停電時に開となる第１のバルブと、
前記第１のバルブの下流の大気ベントラインに設けられた逆止弁と、
前記大気ベントラインに接続され、少なくとも前記逆止弁をバイパスするバイパスラインと、
前記バイパスラインに設けられた、前記基板処理装置の非常停止時、停電時に閉となる第２のバルブと、
を備えることを特徴とする基板処理装置。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、
前記処理室と前記排気手段とを連結するメイン排気ラインと、
前記メイン排気ラインに設けられた圧力計と、
前記圧力計の下流に、前記メイン排気ラインを分岐するように設けられた大気ベントラインと、
前記分岐よりさらに下流のメイン排気ラインに設けられたメインバルブと、
前記大気ベントラインに設けられた第１のバルブと、
前記第１のバルブの下流の大気ベントラインに設けられた逆止弁と、
前記大気ベントラインに接続され、少なくとも前記逆止弁をバイパスするバイパスラインと、
前記バイパスラインに設けられた第２のバルブと、を備える基板処理装置を用いて処理する半導体の製造方法であって、
基板を前記処理室へ移す工程と、
前記メイン排気ラインに設けられたメインバルブを開き、前記処理室の雰囲気を排気して減圧雰囲気にし、前記処理室で基板を処理する工程と、を有し、
前記基板を処理する工程では、前記基板処理装置の非常停止時、停電時に、前記第１のバルブを開くとともに前記メインバルブおよび前記第２のバルブを閉じる工程を有する半導体の製造方法。