JP4647359B2 - 基板処理装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理装置および成膜方法に関し、特に、シリコン基板やガラス基板に薄膜を形成したり、エッチング加工を行う基板処理装置および成膜方法に関する。

従来の基板処理装置について説明する。
図１は減圧下で被処理基板を処理する基板処理装置の排気システムの構成を説明するための概略縦断面図であり、図２は、図１の部分拡大概略縦断面図である。

基板処理装置は、処理炉２０２と、排気システム１とを備えている。処理炉２０２は図示しない基板搬送装置、基板処理室等で構成され、処理炉２０２は排気配管１６を通してブースタポンプ２及びメインポンプ３で構成される排気システム１に連結されている。処理炉２０２、ブースタポンプ２、メインポンプ３は制御装置３２１で制御される。

ブースタポンプ２は、ブースタポンプ排気室４、ブースタポンプモータ１１、回転軸１７、ブースタポンプギア側ベアリング７、ブースタポンプモータ側ベアリング８、図示しない電源、制御系などで構成される。

回転軸１７はブースタポンプモータ１１に連結され排気室４内部の排気機構を回転させることによりガスを排気する構造になっている。

回転軸１７はブースタポンプギア側ベアリング７及びブースタポンプモータ側ベアリング８によって回転可能に保持されている。不活性ガス供給配管１５が、ブースタポンプギア側ベアリング７及びブースタポンプモータ側ベアリング８に不活性ガスを供給するように設けられている。不活性ガス供給配管１５には流量調整用のニードルバルブ２１が設けられている。

図２に示すように、ベアリング８が設けられているベアリング室１３には、不活性ガスがニードル弁で流量調節されて供給され、ベアリング８に反応性ガスが接触して腐食させないようにできる構造になっている。ベアリング７についても同じである。

メインポンプ３も同様に、メインポンプ排気室５、メインポンプモータ１２、回転軸１８、メインポンプギア側ベアリング９、メインポンプモータ側ベアリング１０、図示しない電源、制御系などで構成される。

回転軸１８はメインポンプモータ１２に連結され排気室５内部の排気機構を回転させることによりガスを排気する構造になっている。

回転軸１８はメインポンプギア側ベアリング９及びメインポンプモータ側ベアリング１０によって回転可能に保持されている。不活性ガス供給配管１５が、ブースタポンプギア側ベアリング９及びブースタポンプモータ側ベアリング１０に不活性ガスを供給するように設けられている。不活性ガス供給配管１５には流量調整用のニードルバルブ２２、２３が設けられている。ベアリング部にはベアリング９、１０に反応性ガスが接触して腐食させないように不活性ガスをニードル弁で調節して供給できる構造になっている。

次に、本発明の基板処理装置を用いて好適に行われる動作をＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)による窒化膜の成膜を例にして説明する。

図３はＡＬＤよって窒化膜を成膜する際の流れを示したタイミングチャートである。
図示しない基板処理室に搬送機構で被処理基板を搬送し、基板処理室全体を４００℃に加熱し、ブースタポンプ２及びメインポンプ３を動作させ、基板処理室を減圧状態にした後１ＳＬＭのＤＣＳ（ジクロルシラン：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を１０秒間供給する。
その後、基板処理室に残留するＤＣＳを１０秒間不活性ガスを供給しながら排気した後活性化した５ＳＬＭのアンモニア（ＮＨ_３）を１０秒間供給する。
その後、基板処理室内に残留するアンモニアを１０秒間不活性ガスを供給しながら排気する。
この４つの操作を１サイクルとして繰り返すことにより、被処理基板に窒化膜を形成して行く。

ＡＬＤによる成膜では上記１サイクルの工程で約１Åの窒化膜を形成することができるため、例えば５００Åの窒化膜を形成する場合は上記工程を５００サイクル程度実施する

ＡＬＤによる窒化膜形成は上記のようにＤＣＳとアンモニアを排気工程を挟んで交互に導入して行うが、それぞれのガスを導入する際基板処理室及び排気システムの内部の圧力が急激に上昇する。この関係を図４に示す。

図４に示すように、反応性ガスを導入して基板処理する工程では、上記のように反応性ガスを交互に供給するため基板処理室及び排気系内部の圧力がパルス的に変動する。

ガス供給直後は、ブースタポンプ２及びメインポンプ３の排気室４、５の圧力が急激に上昇するため、図５に示すように、排気室４、５とベアリング室１３との圧力差によって反応性ガスが不活性ガスの流れに逆らってベアリング室側に入り込みベアリングを腐食させたり、反応副生成物を付着させたりすることによってベアリングの動作に悪影響を与える。

この状態でＡＬＤによる成膜を長時間継続するとベアリングが回転不可能となり回転軸１７、１８がベアリング部でロックしてしまう。

これを防ぐには、反応性ガス導入時に排気室の圧力が上昇してもベアリング側に反応性ガスが流入しない程度の不活性ガスをベアリング側に供給する必要があるが、この不活性ガスの供給量を増やすと排気システムの排気能力が低下し、到達真空度が悪化する。

即ち、到達真空度は、基板処理室や排気配管のガス漏洩を確認する際（リークチェック工程）、基準値を設けて運用される。

例えば減圧下で窒化膜を成膜する装置の場合、到達圧力は１Ｐａ以下にすることが一般的であるが、この到達圧力を確保できるベアリング側の不活性ガスの流量は僅かで、このリークチェック時の不活性ガスの流量では、処理時（膜堆積時）の反応性ガスのベアリング側への流入を防ぐことが困難である。

従って、本発明の主な目的は、到達真空度を確保しつつ、膜生成用ガスが真空ポンプの回転軸やベアリングに与える影響を防止または抑制できる基板処理装置および成膜方法を提供することにある。

本発明によれば、
基板を収容する処理室と、
前記処理室内に所望の複数の膜生成用ガスを供給する第１供給手段と、
前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、
前記真空ポンプの回転軸保持部材に不活性ガスを供給する第２供給手段と、 前記複数の膜生成用ガスを互いに前記処理室内にて混合させることなく、前記処理室に対しそれぞれ交互に供給、排出している膜堆積工程の間は、前記複数の膜生成用ガスを使用しないその他の工程の時と比べ、前記真空ポンプの回転軸保持部材に供給する不活性ガスの量を増加させるように、前記第２供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、本発明によれば、
基板を収容する処理室と、前記処理室内に所望の複数の膜生成用ガスを供給する供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、を備える基板処理装置を使用する成膜方法であって、
前記複数の膜生成用ガスを互いに前記処理室内にて混合させることなく、前記処理室に対しそれぞれ交互に供給、排出すると共に、前記真空ポンプの回転軸保持部材に不活性ガスを第１の量で供給する膜堆積工程と、
前記膜堆積工程以外の工程であって、前記複数の膜生成用ガスを前記処理室に供給せず、前記真空ポンプの回転軸保持部材に前記不活性ガスを前記第１の量より小さい第２の量で供給する工程と、
を備えることを特徴とする成膜方法が提供される。

好ましくは、前記膜堆積工程以外に、少なくとも処理室を減圧下として実行されるリークチェック工程を有し、前記膜堆積工程時の真空ポンプの回転軸への不活性ガスの供給量を、リークチェック時の不活性ガスの量よりも増加させる。

本発明によれば、到達真空度を確保しつつ、膜生成用ガスが真空ポンプの回転軸やベアリングに与える影響を防止または抑制できる基板処理装置および成膜方法が提供される。

本発明の好ましい実施例では、ポンプのベアリング部に供給する不活性ガスの量を制御可能とし、反応性ガスを排気する間は不活性ガスの供給量を増加させ、ガス漏洩等の確認を行うために到達圧力を下げる必要がある場合は、ベアリング部への不活性ガスの供給量を減らすことにより上記課題を解決している。

不活性ガスの供給量を増加させることにより、ポンプの回転軸部が反応性ガス及び反応副生成物によりダメージを受けることが抑制される。不活性ガスとしては、好ましくは、窒素が用いられる。

次に、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
図６は、減圧下で被処理基板を処理する本発明の好ましい実施例の基板処理装置の排気システムの構成を説明するための概略縦断面図である。従来例と同じ構成品には同じ番号をつけてある。

基板処理装置は、処理炉２０２と、排気システム１とを備えている。処理炉２０２は図示しない基板搬送装置、基板処理室等で構成され、処理炉２０２は排気配管１６を通してブースタポンプ２及びメインポンプ３で構成される排気システム１に連結されている。処理炉２０２、ブースタポンプ２、メインポンプ３は制御装置３２１で制御される。

ブースタポンプ２は、ブースタポンプ排気室４、ブースタポンプモータ１１、回転軸１７、ブースタポンプギア側ベアリング７、ブースタポンプモータ側ベアリング８、図示しない電源、制御系などで構成される。

回転軸１７はブースタポンプモータ１１に連結され排気室４内部の排気機構を回転させることによりガスを排気する構造になっている。

回転軸１７はブースタポンプギア側ベアリング７及びブースタポンプモータ側ベアリング８によって回転可能に保持されている。不活性ガス供給配管１５が、ブースタポンプギア側ベアリング７及びブースタポンプモータ側ベアリング８に不活性ガスを供給するように設けられている。不活性ガス供給配管１５には流量調整用のマスフローコントローラ３１が設けられている。

図２に示すように、ベアリング８が設けられているベアリング室１３には、不活性ガスがマスフローコントローラ３１で流量調節されて供給され、膜堆積工程の間は、膜生成用ガスを使用しないその他の工程の時と比べ、ブースタポンプモータ１１の回転軸１７へ供給する不活性ガスの量を増加させることにより、ＡＬＤ法による膜堆積工程の間であっても、ベアリング８に反応性ガスが接触して腐食させないようにできる構造になっている。ベアリング７についても同じである。

メインポンプ３も同様に、メインポンプ排気室５、メインポンプモータ１２、回転軸１８、メインポンプギア側ベアリング９、メインポンプモータ側ベアリング１０、図示しない電源、制御系などで構成される。

回転軸１８はメインポンプモータ１２に連結され排気室５内部の排気機構を回転させることによりガスを排気する構造になっている。

回転軸１８はメインポンプギア側ベアリング９及びメインポンプモータ側ベアリング１０によって回転可能に保持されている。不活性ガス供給配管１５が、ブースタポンプギア側ベアリング９及びブースタポンプモータ側ベアリング１０に不活性ガスを供給するように設けられている。不活性ガス供給配管１５には流量調整用のマスフローコントローラ３２、３３が設けられている。ベアリング部にはベアリング９、１０に反応性ガスが接触して腐食させないように不活性ガスをマスフローコントローラ３２、３３で調節して供給できる構造になっている。

特に、膜堆積工程の間は、膜生成用ガスを使用しないその他の工程の時と比べ、メインーポンプモータ１２の回転軸１８へ供給する不活性ガスの量を増加させることにより、ＡＬＤ法による膜堆積工程の間であっても、ベアリング９、１０に反応性ガスが接触して腐食させないようにできる構造になっている。

なお、メインポンプモータ側ベアリング９はメインポンプの排気口に近く、到達圧力に影響をほとんど与えないため充分な不活性ガスを常時供給しても問題ない。このため、マスフローコントローラ３３を必ずしも用いる必要はなく、ニードル弁でもよい。

なお、マスフローコントローラ３１、３２、３３は制御装置３２１で制御される。

次に本発明の好ましい実施例の動作をＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)による窒化膜の成膜を例にして説明する。

図７は本発明の好ましい実施例を用いてＡＬＤによる窒化膜を成膜する際の流れを示したタイミングチャートである。

図示しない基板処理室に図示しない搬送機構で被処理基板であるシリコンウエハを搬送し、基板処理室全体を４００℃に加熱し、ブースタポンプ２及びメインポンプ３を動作させ、基板処理室を減圧状態にした後１ＳＬＭのＤＣＳ（ジクロルシラン：ＳｉＨ_２Ｃｌ_２ ）を１０秒間供給する。その後基板処理室に残留するＤＣＳを不活性ガスを供給しながら１０秒間排気した後活性化した５ＳＬＭのアンモニア（ＮＨ_３）を１０秒間供給する。その後基板処理室内に残留するアンモニアを不活性ガスを流しながら１０秒間排気する。この４つの操作を１サイクルとして繰り返すことにより、被処理基板に窒化膜を形成するのは従来例と同様である。

本発明の好ましい実施例では、この一連の成膜工程の間は、マスフローコントローラ３１、３２、３３を制御装置３２１の制御信号により制御して、ブースタポンプ２及びメインポンプ３の回転軸１７、１８を回転可能に保持するために各ベアリングへの不活性ガスの供給量を増加させ、反応性ガス供給時に排気室の圧力が急激に上昇してもベアリング側に反応性ガスが流入するのを防止している。

なお、反応性ガスを導入する堆積工程の後においても、しばらくの間ポンプ軸部に不活性ガスを流し続けるのは、多少余計に不活性ガスを流さないと、反応性ガスが残る可能性があるからである。

また、ＡＬＤと一般的なＣＶＤとでは、ポンプの回転軸に連通する空間の圧力変動の頻度に違いがある。ＡＬＤは、１バッチに、数十〜数百回の圧力変動があるが、ＣＶＤでは、１バッチにせいぜい１〜２回くらいである。またＡＬＤでは、ガス切替え、パージが頻繁に且つ短い時間で行われるため、ガス供給（圧力高）、パージ（圧力低）毎に回転軸へのＮ_２等の不活性ガス供給量を切換える（可変させる）と制御が出来なくなる問題がある。すなわち、ガス供給毎にＮ_２等の不活性ガス供給量を可変させると、増量の時のロスタイムがあるので、上手く制御できないという問題がある。よって、ガス切替え毎でなく、堆積毎のまとまりでＮ_２等の不活性ガス供給量を増加させている。

以上説明したように、本発明の好ましい実施例によれば、ポンプ回転軸を保持するためのベアリングへの反応性ガスの接触が抑制され、ベアリングの腐食及び反応副生成物の付着によるベアリングも劣化が著しく抑制される。

次に、図８、図９を参照して本実施例の基板処理装置の概略を説明する。

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、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、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。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方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を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３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。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下側を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。

ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。

ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
なお、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。

従来の基板処理装置を説明するための概略断面図である。 本発明の好ましい実施例および従来の基板処理装置を説明するための概略部分拡大断面図である。 ＡＬＤ法によって窒化膜を成膜する際の流れを示すタイミングチャートである。 反応性ガスの交互供給と、基板処理室及び排気系内部の圧力変動との関係を説明するための図である。 回転軸ベアリングへの反応性ガスの逆流を説明するための概略部分断面図である。 本発明の好ましい実施例の基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施例を用いてＡＬＤによる窒化膜を成膜する際の流れを示したタイミングチャートである。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略斜示図である。 本発明の好ましい実施例に係る基板処理装置を説明するための概略縦断面図である。

符号の説明

１…排気システム
２…ブースタポンプ
３…メインポンプ
４…ブースタポンプ排気室
５…メインポンプ排気室
７…ブースタポンプギア側ベアリング
８…ブースタポンプモータ側ベアリング
９…メインポンプギア側ベアリング
１０…メインポンプモータ側ベアリング
１１…ブースタポンプモータ
１２…メインポンプモータ
１３…ベアリング室
１５…不活性ガス供給配管
１６…排気配管
１７、１８…回転軸
２１〜２３…ニードルバルブ
３１〜３３…マスフローコントローラ
２００…ウエハ
２０２…処理炉
３２１…制御装置

Claims (2)

1. 基板を収容する処理室と、
   前記処理室内に所望の複数の膜生成用ガスを供給する第１供給手段と、
   前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、
   前記真空ポンプの回転軸保持部材に不活性ガスを供給する第２供給手段と、 前記複数の膜生成用ガスを互いに前記処理室内にて混合させることなく、前記処理室に対しそれぞれ交互に供給、排出している膜堆積工程の間は、前記複数の膜生成用ガスを使用しないその他の工程の時と比べ、前記真空ポンプの回転軸保持部材に供給する不活性ガスの量を増加させるように、前記第２供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 基板を収容する処理室と、前記処理室内に所望の複数の膜生成用ガスを供給する供給手段と、前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、を備える基板処理装置を使用する成膜方法であって、
   前記複数の膜生成用ガスを互いに前記処理室内にて混合させることなく、前記処理室に対しそれぞれ交互に供給、排出すると共に、前記真空ポンプの回転軸保持部材に不活性ガスを第１の量で供給する膜堆積工程と、
   前記膜堆積工程以外の工程であって、前記複数の膜生成用ガスを前記処理室に供給せず、前記真空ポンプの回転軸保持部材に前記不活性ガスを前記第１の量より小さい第２の量で供給する工程と、
   を備えることを特徴とする成膜方法。

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