JP4675388B2 - 被処理体の処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理型である被処理体の処理装置に関し、特に、反応副生成物の昇華に起因するパーティクルの被処理体への付着を防止することができる被処理体の処理装置に関する。

一般に縦型熱処理装置は、石英等から形成された円筒状の反応管（リアクタ）と、ヒータと、ウエハボートに載置された被処理体である半導体基板（ウエハ）を反応管内にロードし、処理後のウエハボートを反応管内からアンロードするローディング機構と、反応管内に処理ガスを供給するガス供給配管と、反応管内のガスを排気する排気配管とを備えている。
処理対象の半導体基板は、ウエハボートに載置されて反応管にロードされ、加熱下で、反応管に処理ガスが供給され、半導体基板と処理ガスが反応して又は処理ガス同士が反応して、半導体基板表面に成膜処理がなされる。成膜処理終了後、ウエハボードが反応管からアンロードされ、半導体基板がウエハボートから引き出され、この半導体基板は、次の工程に搬送される。

縦型熱処理装置には、成膜処理を行う際に反応副生成物が付着する。特に、反応管の下部に設けられたマニホールド部及び排気部近傍は、ウエハボートが配置される成膜処理領域に比べて温度が低いため、反応副生成物が付着してしまう。

付着した反応副生成物は、ウエハボートの反応管内へのローディング及びアンローディング時に半導体基板に吸着し、パーティクル発生の要因の１つとなっている。例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）の成膜中には、塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）が反応管内の低温部分で固化する。この塩化アンモニウムが、半導体基板のローディング時に昇華し、半導体基板に吸着すると、その後の成膜工程で、この塩化アンモニウムが種となって、基板表面にパーティクルが形成されると考えられている。また、昇華した塩化アンモニウムと雰囲気中の水分とが反応して形成されるパーティクルが半導体基板に吸着し欠陥を引き起こすとも考えられている。
このため、高品質の半導体装置を高歩留まり率で製造することが困難な場合がある。
従来の縦型熱処理装置の構成では、反応管内での反応副生成物の生成を完全に防止する事は困難であり、その改善が望まれている。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、反応管内のパーティクルの発生を抑え、且つ、高品質の半導体装置等を高歩留まり率で製造することができる被処理体の処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の被処理体の処理装置は、
複数の被処理体を収納し、処理を施すための反応管と、
前記反応管内に、被処理体をロードし、処理済みの被処理体をアンロードするローディング機構と、
前記反応管に接続され、該反応管内のガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路に接続され、前記反応管内のガスを排気するための排気手段と、
前記排気通路中に配置され、この排気通路を開閉するメインバルブと、
前記メインバルブを跨いで、排気通路同士を接続すると共に上記排気通路のガス流量よりも少ない流量で、前記反応管内のガスを排気するためのバイパス路と、
前記バイパス路中に配置されて、該バイパス路を開閉するバイパスバルブと、
前記排気通路の前記反応管と前記メインバルブとの間に接続され、被処理体のロードの動作中に、前記バイパス路のガス流量よりも少ない流量で前記反応管内のガスを排気するための排気ラインと、
前記排気ライン中に配置され、該排気ラインを開閉する排気ラインバルブと、
前記排気ライン中の前記排気ラインバルブの下流側に配置されたダンパと、
装置の各部を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、被処理体のロード動作時に、前記排気ラインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、該開いた状態の排気ラインバルブを介して、大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏの圧力差で前記反応管内のガスを排気する、
ことを特徴とする。

前記制御手段は、
前記排気ラインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して前記反応管内のガスを排気しながら、前記ローディング機構を制御して被処理体をローディングし、
ローディング完了後、前記反応管内が第１の圧力に達するまで、前記排気手段を制御して、前記排気ラインバルブを介して、前記反応管内のガスを排気し、
前記反応管内が前記第１の圧力に達した後、前記バイパスバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、前記バイパスバルブを介して、前記反応管内のガスを排気し、
前記反応管内が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力に達した後、前記メインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、前記メインバルブを介して、前記反応管内のガスを排気してもよい。

前記被処理体の処理装置は、前記反応管内にＮＨ_３ガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスとを供給して、被処理体にＳｉＮ膜を形成する装置であり、
前記制御手段は、例えば、被処理体のロード動作時に、前記バイパスバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、反応副生成物であるＮＨ_４Ｃｌの昇華ガスが前記被処理体に流れることを防止する。

本発明よれば、被処理対象の反応管へのロード及びアンロード時に、反応管内のガスを吸引するので、反応管内のパーティクルや昇華ガスが被処理対象に付着し、欠陥を形成することがない。
また、スロー排気用に設けられているスロー排気管と並列にさらに細い配管を配置して排気を行うので、設備の負担を大きくする必要がない。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の実施の形態にかかる縦型熱処理装置の構成を示す。
この縦型熱処理装置は、図１に示すごとく長手方向が垂直方向に向けられた円筒状の反応管１１を備えている。反応管１１は、耐熱材料、例えば、石英よりなる下端開口の外筒１２と、外筒１２内にその内壁に適宜離間されて同心円状に収容された上下端開口の内筒１３とから構成された二重管構造を有する。

反応管１１内には、石英等よりなるウエハボート（熱処理用ボート）１４が設けられている。ウエハボート１４には、被処理体である半導体基板（半導体ウエハ）１５が垂直方向に所定の間隔で積層されて収容されている。

反応管１１の周辺部には、反応管１１を囲むように形成された、抵抗発熱体等よりなる加熱用ヒータ１６が設けられている。

外筒１２及び内筒１３の下部には、外筒１２及び内筒１３を支持するステンレス製のマニホールド１７が設けられている。
マニホールド１７の上端部には、フランジ１８が環状に形成されており、外筒１２の下端部に形成されたフランジ１９と、弾性部材よりなるＯリング２０を介して、気密封止可能に構成されている。また、内筒１３の下端部はマニホールド１７の内壁より内方に突出して形成された支持部２１に載置されている。

マニホールド１７の一側面部には、熱処理部（上方）に向けて曲折りされた石英等からなる第１と第２のガス供給管３１、４１がシール部材を介して挿通されている。

第１のガス供給管３１には、接合部３２を介して第１のガス配管３３が接続されている。第１のガス配管３３はガス流量を調整するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３４とガスの流れを制御するバルブＶＢ１を介して第１のガス源３５に接続されている。第１のガス源３５は、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）のガス源である。また、第１のガス配管３３は、ＭＦＣ３４とバルブＶＢ３を介して窒素ガス源３６にも接続されている。

第２のガス供給管４１には、接合部４２を介して第２のガス配管４３が接続されている。第２のガス配管４３はガス流量を調整するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４４とガスの流れを制御するバルブＶＢ２を介して第２のガス源４５に接続されている。また、第２のガス配管４３は、ＭＦＣ４４とバルブＶＢ４を介して窒素ガス源４６にも接続されている。

マニホールド１７の下端部の開口部には円盤状の蓋体５１が弾性部材よりなるＯリング５２を介して気密封止可能に設けられている。蓋体５１の上面には保温筒５３が配置され、保温筒５３の上にウエハボート１４が載置されている。蓋体５１は、蓋体５１の上面に載置されている保温筒５３及びウエハボート１４を反応管１に搬入・搬出（ロード・アンロード）するために上下方向に移動する昇降機構５４に取り付けられている。

マニホールド１７の他側面部には、排気管６１が接続されている。排気管６１は、ステンレス等からなり、接合部６２を介して、径φが５０〜２００mm程度の排気配管６３に接続されている。
排気配管６３（６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）は、メインバルブＭＶとトラップＴＲＰを順次介して真空ポンプＶＰに接続されている。
トラップＴＲＰは、ディスクトラップ、水トラップ等からなり、排気ガス中の粒子を吸着する。
真空ポンプＶＰは、１５０００〜２００００リットル／分程度の排気容量を有する。

メインバルブＭＶを跨いで（メインバルブＭＶと並列に）、排気配管６３同士（６３ａと６３ｂ）を接続するバイパス管（いわゆるスローバキュームライン）６４とサブバイパス管６５とが配置されている。

バイパス管６４は、反応管１１内の排気を行う際に、排気当初、排気を徐々に行って、半導体基板１５が動いたり、反応副生成物を巻き上げたりすることを防止するためのいわゆるスロー排気のために設けられている。バイパス管６４の流量（排気流量面積）は排気配管６３の排気流量（排気流量面積）よりも十分小さく設定されている。このバイパス管６４は、例えば、ステンレス等からなり、径が１０mm〜３０mm程度で、バイパスバルブ（スローバキュームバルブ）ＳＶを備える。

サブバイパス管６５は、反応管１１にウエハボート１４をロード（搬入）又はアンロード（搬出）する際に、反応管１１内を僅かに排気するために設けられている。
サブバイパス管６５は、管路の一部をバイパス管６４と共用している。このサブバイパス管６５は、ステンレス等からなり、その流量（流量面積）はバイパス管６４の排気流量（流量面積）よりも小さく、例えば、径が３mm〜１０mm程度に形成されており、ニードルバルブＮＶと、このニードルバルブＮＶに直列に設けられたサブバルブＳＳＶとを備える。
ニードルバルブＮＶは、バルブの両端の圧力差が予め定められた値、例えば、大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏ（−０．０５〜−０．７ｋＰａ）となるように、その開度が予め調整されている。また、サブバルブＳＳＶは、サブバイパス管６５を開閉する。

次に、この縦型熱処理装置の動作を、シリコン窒化膜Ｓｉ_３Ｎ_４を成膜する場合を例に、各バルブの開閉のタイミングを示す図３のタイミングチャートを参照して説明する。

なお、加熱用ヒータ１６、マスフローコントローラ３４，４４、バルブＶＢ１〜ＶＢ４，ＭＶ，ＳＶ，ＳＳＶ、ガス源３５，３６，４５，４６、昇降機構５４、オートプレッシャーコントローラ（図示せず）、真空ポンプＶＰは、これらを制御するためのコントローラ（図示せず）に接続されている。コントローラは、この縦型熱処理装置の各部の温度、圧力等を図示せぬセンサにより測定し、以下に説明する一連の処理を各部に制御信号等を供給することにより、自動的に制御する。

まず、図２に示すように、昇降機構５４が下げられている状態において、半導体基板１５が載置されたウエハボート１４が、保温筒５３の上に載置される。
このとき、加熱用ヒータ１６を約７００〜８００℃程度に加熱しておく。

次に、真空ポンプＶＰを起動すると共にサブバルブＳＳＶを開いて、反応管１１内のガスの排気を開始し、排気しながら、昇降機構５４を上昇させて、蓋体５１及びウエハボート１４を上方に移動させ、これによりウエハボート１４を反応管１１内にロードする。
このとき、反応管１１の内部と排気配管６３内（又はニードルバルブの流入側と流出側）との圧力の差が大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏ、望ましくは、−１０〜−５０mmＨ_２Ｏ（−０．１〜−０．５ｋＰａ）程度となるように、サブバルブＳＳＶを開けてニードルバルブの開度を調整する。
この圧力差により、反応管１１内のガスが排気され、図４に概念的に示すように、反応副生成物の昇華ガス、昇華ガスと雰囲気中の水分とが反応して形成された粒子、その他の浮遊粒子が排気配管６３を介して排気される。
また、圧力差が小さく、排気が比較的穏やかであるため、反応管１１内のガスが乱れることがなく、付着物を巻き上げることもない。このため、これらの昇華ガスや粒子は、ローディング中の半導体基板１５に吸着されることなく、排気配管６３を介してトラップＴＲＰに捕捉される。

ウエハボート１４の反応管１１内へのローディングが完了し、マニホールド１７の下端部に形成されたフランジ２２と蓋体５１がＯリング５２を介して気密状態に達しても、しばらくは、そのままの状態で排気が継続される。
反応管１１内の圧力が２０Torr程度まで低下すると、バイパスバルブＳＶを開き（この時点で、サブバルブＳＳＶを閉じてもよい）、さらに、排気を継続する。
反応管１１内の圧力が５Torr程度まで低下すると、メインバルブＭＶを開き（この時点で、バイパスバルブＳＶとサブバルブＳＳＶとを閉じてもよい）、反応管１１内を所定圧力、例えば、４〜５×１０^−３Torrまで減圧する。

このように、バルブＳＳＶ、ＳＶ、ＭＶを順次開いて、徐々に排気容量を大きくすることにより、反応管１１内の圧力変動を穏やかなものとし、排気が進行して処理対象の半導体基板１５の動きやパーティクルの巻上が起きない状態になった時点で主排気が行われる。

反応管１１内の圧力が所定値に達すると、バルブＶＢ１とＶＢ２を開いて第１のガス源３５よりＮＨ_３を、第２のガス源４５よりＳｉＨ_２Ｃｌ_２を反応管１１内に供給すると共に加熱用ヒータ１６により半導体基板１５の温度を６００〜７００℃に調整する。
この間、メインバルブＭＶを開いたまま排気を続け、オートプレッシャーコントロールにより、反応管内の圧力を０．２〜０．４Torrに制御した状態で、所定時間、例えば、２時間維持して半導体基板１５にＳｉ_３Ｎ_４を成膜処理する。

この成膜処理の間も、マニホールド１７や排気管６１近傍等の比較的低温の部分等に塩化アンモニウムＮＨ_４Ｃｌが固着する。

成膜処理が完了した後、バルブＶＢ１とＶＢ２を閉じ、反応ガスの供給を停止し、真空ポンプＶＰにより、反応管１１内を再び、４〜５×１０^−３Torrまで減圧する。

続いて、メインバルブＭＶを閉じ、バルブＶＢ３とＶＢ４を開いて、窒素ガス源３６，４６から反応管１１内に窒素ガスを供給し、反応管１１内を常圧状態（大気圧）に戻す。
ここで、全てのバルブＶＢ１〜ＶＢ４、ＭＶ，ＳＶ，ＳＳＶを閉じた状態とし、所定の時間、例えば、１５分間放置して冷却する。

その後、サブバルブＳＳＶを開き、ニードルバルブＮＶを介して、反応管１１内の圧力（大気圧）に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏ、望ましくは、−１０〜−５０mmＨ_２Ｏ程度の圧力差にて反応管１１内のガスを吸引しながら、昇降機構５４を駆動して、図２に示すように、ウエハボート１４を反応管１１から下降させてアンロードし、半導体基板１５を搬送可能な状態にする。

ウエハボート１４のアンロード時に、反応管１１の低温部などに付着しているＮＨ_４Ｃｌが、熱処理後の高温の半導体基板１５が近傍を通る際に昇華し、昇華ガスが雰囲気中の水分と反応してパーティクルが生成されることがある。しかし、このようなアンロード方法を採用することより、図４に模式的に示すように、昇華ガスやパーティクルが穏やかに吸引され、半導体基板１５に付着することなく排出される。

以上説明したように、この実施の形態によれば、半導体基板１５のロード動作時及びアンロード動作時に、反応管１１内のガスを大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏ、望ましくは、−１０〜−５０mmＨ_２Ｏ程度の圧力差で穏やかに排気する。従って、反応副生成物の昇華ガス及び昇華ガスに起因するパーティクル、さらに、反応副生成物のパーティクル及び一般のパーティクルを排気し、これらが半導体基板１５に吸着され、成膜を阻害する等の欠陥を形成する事態を防止できる。

また、スロー排気用のバイパス管６４とは別に、サブバイパス管６５を形成したことにより、真空ポンプＶＰを用いて、ロード／アンロード時の排気、スロー排気、及び主排気を実施できる。

この発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、バイパス管６４とサブバイパス管６５の一部を共通にしたが、バイパス管６４とサブバイパス管６５を完全に別体の構成としてもよい。
また、上記実施の形態においては、サブバイパス管６５に開閉バルブＳＳＶとニードルバルブＮＶとを直列に配置したが、開閉及び開度をフィードバック制御等により適当に制御できるならば、ニードルバルブＮＶだけを配置してもよい。

上記実施の形態においては、バイパス管６４とサブバイパス管６５を排気配管６３ａと６３ｂを接続するように配置したが、ウエハボート１４のロード及びアンロード時に、反応管内のガスを排気できるならば、バイパス管６４とサブバイパス管６５の接続・配置は任意に変更可能である。例えば、図５に示すように、バイパス管６４とサブバイパス管６５を、排気配管６３ａと６３ｃとを接続するように配置してもよい。この構成によれば、バイパス管６４とサブバイパス管６５を通過したガスはトラップＴＲＰを通過することがなく、流路のコンダクタンスが高く、流量の制御等が容易である。

また、上記実施の形態においては、サブバルブＳＳＶ及びニードルバルブＮＶを備えるサブバイパス管６５をメインバルブＭＶに並列に配置することにより、ウエハボート１４のロード／アンロード時の排気を行ったが、他の構成を用いてこの排気を行うことも可能である。
例えば、図６に概略を示すように、反応管１１とメインバルブＭＶとの間に、バルブＶＢ５とダンパーＤＡＭを配置し、いわゆる工場排気７２につながる、排気ライン７１を配置してもよい。この排気ライン７１は、バルブＶＢ５がオンされたとき、ダンパーＤＡＭにより緩和されて、大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏの圧力差で反応管１１内を排気する。

この構成において、ウエハボート１４のロード／アンロード時には、メインバルブＭＶとバイパスバルブ（スロー排気バルブ）ＳＶが閉じられ、バルブＶＢ５が開かれ、反応管１１内のガスが大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏ程度の圧力差で排気される。従って、図４に模式的に示す例と同様に、反応副生成物の昇華ガスやパーティクルが半導体基板１５に付着する事態を防止できる。

上記実施の形態においては、シリコン窒化膜を成膜する場合を例に、この発明を説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されず、様々な成膜処理及び他の処理に応用可能である。
被処理対象も半導体基板又はウエハに限定されず、ガラス基板、サファイア基板等、任意の物体を被処理対象とできる。

本発明の実施の形態にかかる成膜装置（半導体製造装置）の構造を示す図である。 図１の成膜装置から熱処理用ウエハボートを取り出した状態を示す図である。 図１及び図２に示す成膜装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 反応管内のパーティクルが排気される様子を模式的に示す図である。 この発明の成膜装置の変形例を示す図である。 この発明の成膜装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１１ 反応管
１２ 外筒
１３ 内筒
１４ ウエハボート
１５ 半導体基板
１６ 加熱用ヒータ
１７ マニホールド
３１、４１ ガス供給管
３５，４５ ガス源
５１ 蓋体
５４ 昇降機構
６１ 排気管
６３ 排気配管
６４ バイパス管
６５ サブバイパス管

Claims (3)

1. 複数の被処理体を収納し、処理を施すための反応管と、
   前記反応管内に、被処理体をロードし、処理済みの被処理体をアンロードするローディング機構と、
   前記反応管に接続され、該反応管内のガスを排出するための排気通路と、
   前記排気通路に接続され、前記反応管内のガスを排気するための排気手段と、
   前記排気通路中に配置され、この排気通路を開閉するメインバルブと、
   前記メインバルブを跨いで、排気通路同士を接続すると共に上記排気通路のガス流量よりも少ない流量で、前記反応管内のガスを排気するためのバイパス路と、
   前記バイパス路中に配置されて、該バイパス路を開閉するバイパスバルブと、
   前記排気通路の前記反応管と前記メインバルブとの間に接続され、被処理体のロードの動作中に、前記バイパス路のガス流量よりも少ない流量で前記反応管内のガスを排気するための排気ラインと、
   前記排気ライン中に配置され、該排気ラインを開閉する排気ラインバルブと、
   前記排気ライン中の前記排気ラインバルブの下流側に配置されたダンパと、
   装置の各部を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、被処理体のロード動作時に、前記排気ラインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、該開いた状態の排気ラインバルブを介して、大気圧に対して−５〜−７０mmＨ_２Ｏの圧力差で前記反応管内のガスを排気する、
   ことを特徴とする被処理体の処理装置。
2. 前記制御手段は、
   前記排気ラインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して前記反応管内のガスを排気しながら、前記ローディング機構を制御して被処理体をローディングし、
   ローディング完了後、前記反応管内が第１の圧力に達するまで、前記排気手段を制御して、前記排気ラインバルブを介して、前記反応管内のガスを排気し、
   前記反応管内が前記第１の圧力に達した後、前記バイパスバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、前記バイパスバルブを介して、前記反応管内のガスを排気し、
   前記反応管内が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力に達した後、前記メインバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、前記メインバルブを介して、前記反応管内のガスを排気する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の被処理体の処理装置。
3. 前記被処理体の処理装置は、前記反応管内にＮＨ_３ガスとＳｉＨ_２Ｃｌ_２ガスとを供給して、被処理体にＳｉＮ膜を形成する装置であり、
   前記制御手段は、被処理体のロード動作時に、前記バイパスバルブを開くとともに、前記排気手段を制御して、反応副生成物であるＮＨ_４Ｃｌの昇華ガスが前記被処理体に流れることを防止する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の被処理体の処理装置。

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