JP4788315B2 - 気相エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の反応炉を有する気相エピタキシャル成長装置に関し、詳しくは複数の反応炉から排気される廃棄ガスを処理するスクラバを有する気相エピタキシャル成長装置に関する。

ウエーハに例えばシリコン単結晶層を気相エピタキシャル成長させる場合、一般に図３に示すような気相エピタキシャル成長装置３０１が用いられる。図３は、従来の気相エピタキシャル成長装置の概略図であり、例えば、積層するシリコン単結晶の原料となる原料ガスやキャリアガスを供給する原料ガス供給装置３０４と、エアー等をパージするためのパージガスを供給するパージガス供給装置３０６と、内部でウエーハにエピタキシャル成長させるための反応炉３０２と、反応炉３０２から排出される廃棄ガスを処理するためのスクラバ３０３を具備している。

図３に示すように、この従来の気相エピタキシャル成長装置３０１では、反応炉３０２とスクラバ３０３が一対一で対応しており、各反応炉３０２ごとにスクラバ３０３が設けられている。しかしながら、このように反応炉３０２ごとにスクラバ３０３が配置された構成であると、この気相エピタキシャル成長装置３０１の規模が大きくなり、占有スペースが大きくなるとともに、設置するスクラバの分だけコストがかかってしまい、生産性が低下するという問題がある。特に、近年エピタキシャルウエーハの径が大型化するにつれて、枚葉式の反応炉が増えており、１反応炉当りの排ガス量がバッチ方式にくらべ相対的に少ないので、１反応炉ごとに１スクラバを設けることは、コスト的に現実味がなくなってきている。

上記のような構成に対し、例えば特許文献１に開示されているように、各反応炉ごとではなく、図４に示すように複数の反応炉４０２からの廃棄ガスを処理するスクラバ４０３（集合スクラバ）を有する気相エピタキシャル成長装置４０１が挙げられる。このような気相エピタキシャル成長装置４０１であれば、一つのスクラバにつき複数の反応炉からのガスをまとめて処理することができるので、上述したような例えば占有スペースやコスト面の問題を緩和することが可能である。

しかし、図４に示すように、スクラバに複数の反応炉からの廃棄ガスを処理させる装置の場合、図３のような反応炉とスクラバが一対一の構成の場合に比べて、反応炉１台に生じたトラブルが他の反応炉に影響を及ぼす可能性が高く、リスクが高くなってしまう。

例えば、上記複数の反応炉のうち、ある反応炉で気相エピタキシャル成長を行い、別の反応炉において、ウエーハの交換や、ウォールデポの除去等のメンテナンスにより反応を停止している場合、この停止している別の反応炉から、操業中の反応炉やスクラバにエアーが流れ込んで混入してしまうことが考えられる。このようにして、エアーと反応炉内等の可燃性ガスやエピタキシャル反応の副生成物（発火性を有する積層物等）とが混合してしまうと安全面での問題が生じてしまう。

さらに、例えば配管が反応副生成物の積層により詰まってしまった場合、反応炉内の圧力が異常に上昇し、その結果反応炉が破損してしまう可能性がある。

特開平１０−２１４７８８号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、操業中と操業停止中の反応炉が混在していても、ウエーハの気相エピタキシャル成長や反応炉のメンテナンス等を安全にかつ効率良く行うことができる気相エピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、ウエーハに気相エピタキシャル成長を施すための複数の反応炉と、該複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのスクラバを備えた気相エピタキシャル成長装置であって、前記複数の反応炉はそれぞれ、少なくとも、互いに独立して設けられた３つのガス排気ラインと接続されており、第一ガス排気ラインは前記スクラバに接続されて前記複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのものであり、第二ガス排気ラインは前記反応炉内のエアーをパージするためのものであり、第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力を開放するためのものであり、前記第一ガス排気ラインおよび第二ガス排気ラインは排気および排気停止を切り替えるためのバルブを備えていて、該バルブの切り替えにより、それぞれの反応炉ごとに、前記第一ガス排気ラインおよび前記第二ガス排気ラインのいずれか一方のみを通してガスを排気するものであり、前記第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力が所定値以上に達したときに自動的に開となる圧抜き用弁を備えたものであることを特徴とする気相エピタキシャル成長装置を提供する（請求項１）。

このように、本発明の気相エピタキシャル成長装置では、複数の反応炉がそれぞれ、少なくとも、互いに独立して設けられた３つのガス排気ラインと接続されている。第一ガス排気ラインは前記スクラバに接続されて前記複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのものであり、第二ガス排気ラインは前記反応炉内のエアーをパージするためのものであり、第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力を開放するためのものである。

そして、前記第一ガス排気ラインおよび第二ガス排気ラインは排気および排気停止を切り替えるためのバルブを備えていて、該バルブの切り替えにより、それぞれの反応炉ごとに、前記第一ガス排気ラインおよび前記第二ガス排気ラインのいずれか一方のみを通してガスを排気するものであるので、例えば気相エピタキシャル成長を行っている反応炉やスクラバ中の廃棄ガスに、操業停止中の反応炉からのエアーが混入するのを防止することができ安全に操業できる。

また、前記第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力が所定値以上に達したときに自動的に開となる圧抜き用弁を備えたものであるので、反応炉内の圧力が異常に上昇したときに圧抜き用弁により自動的に圧抜きが行われるので、反応炉等が破損するのを効果的に防止することができ、操業中の安全性も高まる。
なお、上記所定値は、気相エピタキシャル成長に使用する反応炉や原料ガス等に応じて適宜設定することができる。

上記本発明は前記複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのスクラバを備えているので、上記の占有スペースやスクラバ等の設備投資によるコスト増を抑制することができる。このため、ウエーハにエピタキシャル成長を効率良く、生産性高く低コストで施すことが可能である。

このとき、前記圧抜き用弁はマノメータであるのが好ましい（請求項２）。
このように、前記圧抜き用弁がマノメータであれば、反応炉内で異常に高まった圧力を逃がし、反応炉等の破損を効果的に防止することができるものをコストをかけずに構成することが可能である。

さらに、前記反応炉と前記第一ガス排気ラインと前記第二ガス排気ラインとは、三方弁により接続されたものであるのが好ましい（請求項３）。
このように、前記反応炉と前記第一ガス排気ラインと前記第二ガス排気ラインとが、三方弁により接続されたものであれば、より確実に、第一ガス排気ラインおよび第二ガス排気ラインのいずれか一方のみを通して、反応炉からのガスを排気することが可能である。このため、より確実に反応炉やスクラバで廃棄ガスとエアーが混合することがなく、安全性をさらに向上することができる。

また、前記バルブの開閉を自動制御するシステムを具備するものであるのが好ましい（請求項４）。
このように、前記バルブの開閉を自動制御するシステムを具備するものであれば、人の手を介さずにバルブの開閉を自動的に行うので、より正確にバルブの切り替えを行うことが可能である。

このような本発明の気相エピタキシャル成長装置であれば、複数の反応炉に対応したスクラバを備えているので低コストで効率良くウエーハに気相エピタキシャル成長を施すことができるとともに、操業中の反応炉やスクラバ等の廃棄ガスと、停止中の反応炉からのエアーが混合するのを確実に防止することができる。また、操業中の反応炉内の圧力の異常な上昇により反応炉等が破損するのを効果的に防止することが可能である。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来の気相エピタキシャル成長装置において、反応炉とスクラバとが一対一で構成されたものでは、装置の占有スペースが大きくなり、設備にかかるコスト等が増加してしまい、生産効率が低下してしまう。また、従来の複数の反応炉に対応したスクラバを備えた気相エピタキシャル成長装置では、反応炉１台に生じたトラブルが他の反応炉に影響を及ぼす可能性が高く、リスクが高くなってしまう。

例えば気相エピタキシャル成長を停止し、メンテナンス中の反応炉からエアーが進入し、操業中の別の反応炉あるいはスクラバにまで上記エアーが達してしまい、原料ガスや廃棄ガスにエアーが混入してしまう可能性が挙げられる。特に、原料ガスや廃棄ガスに可燃性ガスが含まれる場合、安全面で問題が生じてしまう。
また、例えば配管等が反応炉内で生じた副生成物の積層によって詰まってしまった場合、廃棄ガスがスクラバへと流れず、反応炉内の圧力が異常に上昇してしまい、反応炉が破損してしまうという問題があった。

そこで、本発明者らが気相エピタキシャル成長装置について鋭意研究を行ったところ、複数の反応炉に対応したスクラバを備えた気相エピタキシャル成長装置において、それぞれの反応炉が、少なくとも、互いに独立して設けられた第一から第三の３つのガス排気ラインと接続されており、廃棄ガスを処理するための第一ガス排気ラインとエアーをパージするための第二ガス排気ラインに備えられたバルブの切り替えにより、第一ガス排気ラインおよび第二ガス排気ラインのいずれか一方のみを通してガスを排気するものであれば、例えばある反応炉から進入したエアーが、別の反応炉やスクラバ中の廃棄ガスに混入するのを防止することができることを発見した。

また、反応炉内の圧力を開放するための第三ガス排気ラインが反応炉内の圧力が所定値以上に達したときに自動的に開となる圧抜き用弁を備えたものであれば、反応炉内の異常な圧力上昇による反応炉等の破損を効果的に防止することが可能であることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を参照して具体的に説明する。
図１および図２は、本発明に従う気相エピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。図１に示すように、本発明の気相エピタキシャル成長装置１は複数の反応炉２を有しており、この複数の反応炉２からの廃棄ガスを処理するよう集合スクラバ３が設置された構成となっている。このような構成であるため、設置するスクラバ３の数を抑え、スペースやコストの無駄を省き、効率良く生産性高く低コストでウエーハに気相エピタキシャル成長を行うことが可能である。
なお、スクラバ３は、複数の反応炉からの廃棄ガスを受け入れるものであれば、その数は一つに限定されるものではなく、複数あっても良い。例えば、使用する原料ガスに対応してスクラバ３を複数設け、反応炉２で発生した異なる廃棄ガスを別々に処理するような構成とすることもできる。また、反応炉の設置台数に応じ、スクラバの処理能力に従い、スクラバの数を決めればよい。

反応炉２としては、例えば石英製のものを用いることができるが、特に限定されない。また、スクラバ３も例えば充填物の入ったものや多孔板を配置したもの等を用いることができ、限定されるものではない。複数の反応炉２から排気されてくる廃棄ガスを十分に処理することのできるものであれば良く、廃棄ガスの種類や量に応じて適当なものを設置することができる。反応炉２もスクラバ３も、従来使用していたものを設置することができる。

また、上記反応炉２には、気相エピタキシャル成長を行うときに反応炉２内に導入する原料ガスやキャリアガスを供給する装置４及びエアー等をパージするためのガスを供給する装置６が接続されていて、この原料ガス供給装置４及びパージガス供給装置６とそれぞれの反応炉２との間にはバルブ５が設けられており、反応炉２ごとにガスの供給の切り替えを行えるようになっている。

そして、それぞれの反応炉２には、少なくとも、下記のような互いに独立して設けられた３つのガス排気ライン（７、８、９）が接続されている。それぞれのガス排気ラインには窒素等の不活性ガスを流しておくと良い。
まず、第一のガス排気ライン７は、反応炉２から排気された廃棄ガスを処理するためのものであり、反応炉２とスクラバ３とを接続している。すなわち、廃棄ガスを反応炉２からスクラバ３に送る流路となっている。

次に、第二のガス排気ライン８は、反応炉２内のエアーをパージするためのラインである。このラインは上記の第一ガス排気ライン７が接続するスクラバ３とは接続せず、外部へと開放されている。
また、第三のガス排気ライン９は、反応炉２内の圧力を開放するためのものである。この第三ガス排気ライン９には、反応炉２内の圧力が所定値以上に達したときに自動的に開となる圧抜き用弁１１が備えられているため、例えば廃棄ガスが流れる第一ガス排気ライン７が閉塞してしまって、反応炉２内の圧力が上昇して前記所定値以上の異常な値をとったときに、上記弁１１が開き、該異常な圧力を開放し、反応炉２やライン等が圧力により破損するのを効果的に防止することが可能である。また、通常時は、第一ガス排気ライン７や第二ガス排気ライン８における詰まり状況をモニタする役割を果たすことができ、日常点検や管理に有効である。

この圧抜き用弁１１としては、例えばマノメータ１４が挙げられる。マノメータ１４であれば、コストをかけずに効果的に異常に高まった圧力を逃すことが可能な構成にできる。マノメータ１４は例えばＵ字管形や傾斜形等あるが、特に限定されるものではなく、前記所定値以上の異常な圧力が反応炉２内にかかったときに圧を逃すことができるものであれば良い。また、マノメータ１４に入れる液は前記所定値に応じて適宜選択することができる。例えば真空オイルとして使われるものが好適である。
なお、所定値に関しては、上述したように、例えば反応炉２の材質や原料ガスの流量、気相エピタキシャル成長時の設定温度、成長速度等の実験条件などに応じて適宜設定することができる。

また、図１に示す例では、この第二ガス排気ライン８および第三ガス排気ライン９において、反応炉２と接続する側とは反対側の端は外部へと開放されているが、必要に応じて上記の第一ガス排気ライン７が接続するスクラバ３とは異なるスクラバを新たにそれぞれ設け、該スクラバを通して外部に排気することもできる。

次に、上記の第一ガス排気ライン７と第二ガス排気ライン８の関係について述べる。
上記両ライン７、８には排気および排気停止を切り替えるためのバルブ１０が備えられている。そして、これらの第一ガス排気ライン７のバルブ１０’ａと第二ガス排気ライン８のバルブ１０’ｂによって、いずれか一方のみを通してガスを排気するようになっている。

例として、図２を参照として説明する。この気相エピタキシャル成長装置１’において、ある反応炉２’が操業中であり、また別の反応炉２”がウエーハの出し入れや炉のメンテナンス等で反応を停止している場合について述べる。この停止中の反応炉２”では、エアーパージ用の第二ガス排気ライン８のバルブ１０”ｂが開となっており、廃棄ガス処理用の第一ガス排気ライン７のバルブ１０”ａは閉の状態になっている。また、上記操業中の反応炉２’の両ライン７、８のバルブ１０’ａ、１０’ｂはその逆の状態となっている。このため、停止中の反応炉２”から入り込んだエアーが第一ガス排気ライン７を通りスクラバ３に進入することがないし、第二ガス排気ライン８を通って上記操業中の反応炉２’内に進入することもなく、エアーと廃棄ガスが混入するのを防止できる。また、廃棄ガスが操業中の反応炉２’から第一ガス排気ライン７を通って停止中の反応炉２”に進入することもない。気相エピタキシャル成長を行うとき、例えばキャリアガスとして水素等を用いたり、廃棄ガス中に可燃性ガスが含まれていたりするので、エアーと混ざるのを防止するのは安全性において重要である。このように、気相エピタキシャル成長を行うとともに、他の反応炉でメンテナンス等の作業を同時にかつ安全に行うことができる。

また、図１に示すように、これらのバルブの開閉を自動制御することができるようコンピュータ１３が配置されており、両ライン７、８に設けたバルブ１０’ａ、１０’ｂの一方が開のときは他方が閉になるよう連動して開閉を制御することができるようになっている。このようなシステムであれば、人の手を介さずにバルブ１０の開閉をコンピュータ１３によって自動的に行うことができるので、人による操作ミスをなくし、正確にバルブ１０の切り替えをすることができ、安全性をより高めることが可能である。

さらには、図２に示すように、反応炉２’あるいは反応炉２”と第一ガス排気ライン７と第二ガス排気ライン８とが三方弁１２’、１２”により接続されたものであると、一層安全に作業を行うことができる気相エピタキシャル成長装置１’となる。三方弁１２’、１２”により接続することで、閉塞してしまうことなく、より確実に、反応炉２’あるいは反応炉２”から、第一ガス排気ライン７および第二ガス排気ライン８のいずれか一方にのみガスを流すことができる。

また、この三方弁１２’、１２”の接続向きがコンピュータ１３により制御され、反応炉２’あるいは反応炉２”やガス供給装置４の動作と連動しているとより良い。例えば、インターロック機能により、三方弁１２’、１２”によって反応炉２’あるいは反応炉２”とエアーパージ用の第二ガス排気ライン８とが接続されている場合、原料ガス供給装置４、反応炉２’あるいは反応炉２”から水素等の可燃性ガスなどを流すことができないようにし、このような可燃性ガスとエアーとが混じるのを未然に防止することができるようにシステムを構築することができる。また、反応炉２’あるいは反応炉２”からの信号により、三方弁１２’、１２”の向きが切り替わるようなシステムを構築しても良い。例えば気相エピタキシャル成長前の反応炉２’あるいは反応炉２”内のエアーを抜くプリパージ完了の信号が反応炉２’あるいは反応炉２”から発せられると、それに従い、それまで反応炉２’あるいは反応炉２”から第二ガス排気ライン８に接続されていた三方弁１２’、１２”の向きを変え、第一ガス排気ライン７に接続するシステムが考えられる。このような反応炉２’あるいは反応炉２”や原料ガス供給装置４等と連動する制御は、当然、各ラインに設けられたバルブ１０に対して行うことも可能である。

以上のような気相エピタキシャル成長装置１、１’であれば、上述したように、一つのスクラバ３につき複数の反応炉２からの廃棄ガスを処理するので効率が良く、生産性が高い。反応炉２やスクラバ３等において、廃棄ガスとエアーが混じることがなく、ある反応炉２’でウエーハに気相エピタキシャル成長を行う一方で、別の反応炉２”を停止してメンテナンス等の作業を、安全かつ同時進行で行うことができる。また、反応炉２内の圧力が異常に高まったときに、圧抜きするためのライン９を備えているため、装置の破損を効果的に防ぐことができて安全である。

次に、このような気相エピタキシャル成長装置１、１’を用い、ウエーハにシリコン単結晶層を気相エピタキシャル成長させる工程について述べる。一例として、図２の気相エピタキシャル成長装置１’を用いた場合で、反応炉２’においてウエーハに気相エピタキシャル成長を行い、同時に別の反応炉２”のメンテナンスを行う場合について述べる。

反応炉２’において、まず、サセプタ上にウエーハを載置した後、反応炉２’を閉じてプリパージを行う。このとき、コンピュータ１３の制御により第一ガス排気ライン７のバルブ１０’ａは閉じられ、第二ガス排気ライン８のバルブ１０’ｂ、第三ガス排気ライン９のバルブ１０’ｃは開となっている。また、この時三方弁１２’により反応炉２’から第二ガス排気ライン８に接続されている。パージガス供給装置６より窒素等の不活性ガスを流し、反応炉２’内のエアーを第二ガス排気ライン８を通してパージするとともに、反応炉２’内を不活性ガスで満たす。反応炉２’内が不活性ガスで十分に満たされると、反応炉２’よりプリパージ完了信号が発せられ、この完了信号に伴い、三方弁１２’の接続向きが自動的に切り替わり、反応炉２’から第一ガス排気ライン７へとつながる。同時にバルブ１０’ａ、１０’ｂが自動的に切り替わり、バルブ１０’ａが開、バルブ１０’ｂが閉となる。

次に、反応炉２’を例えばランプヒータ等により加熱し、原料ガス供給装置４より原料ガスとして例えばトリクロロシラン、キャリアガスとして水素を反応炉２’に供給する。そして反応炉２’内でウエーハに気相エピタキシャル成長を行い、ウエーハ表面にシリコン単結晶層を積層することができる。
このとき、反応炉２’から排出される廃棄ガスは第一ガス排気ライン７を通してスクラバ３に送られ、排ガス処理が行われた後、外部に排気される。

そして、所望の厚さにシリコン単結晶層を積層した後、原料ガス、キャリアガスの供給や加熱を停止し、再度不活性ガスを供給して反応炉２’内を不活性ガスで満たす。この後、三方弁１２’およびバルブ１０’ａ、１０’ｂを切り替えて、反応炉２’を第二ガス排気ライン８とつなぎ、ウエーハの取り出し、交換を行う。

また、例えば操業中に第一ガス排気ライン７が、反応により生じた副生成物等で詰まった場合、反応炉２’や配管内の圧が高まるが、所定値以上に達すると、マノメータ１４中のシリコーンオイル中を廃棄ガスがバブリングして通り抜け、窒素等の不活性ガスとともに第三ガス排気ライン９より排気される。これにより、操業中に生じた異常な圧力を開放することができ、安全に気相エピタキシャル成長を行うことが可能である。

一方で、反応炉２”はメンテナンス中であり、コンピュータ１３の制御により第二ガス排気ライン８のバルブ１０”ｂ、第三ガス排気ライン９のバルブ１０”ｃは開であり、第一ガス排気ライン７のバルブ１０”ａは閉となっており、三方弁１２”により反応炉２”と第二ガス排気ライン８とが接続されている。このため、反応炉２”から入り込んだエアーは第二ガス排気ライン８よりパージされて、反応炉２’から排気される廃棄ガスと混じることなく、またスクラバ３を通らずに外部に排気される。また、反応炉２’から排気された廃棄ガスが第一ガス排気ライン７を介して反応炉２”の方向に流れてきても、バルブ１０”ａや三方弁１２”により流れが阻止され、エアーと混じるのを確実に防ぐことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。 本発明の気相エピタキシャル成長装置の他の一例を示す概略図である。 従来の気相エピタキシャル成長装置の一例を示す概略図である。 従来の気相エピタキシャル成長装置の他の一例を示す概略図である。

符号の説明

１、１’…本発明の気相エピタキシャル成長装置、
２、２’、２”、３０２、４０２…反応炉、
３、３０３、４０３…スクラバ、
４、３０４、４０４…原料ガス供給装置、
５、１０、１０’ａ、１０’ｂ、１０’ｃ、１０”ａ、１０”ｂ、１０”ｃ…バルブ、
６、３０６、４０６…パージガス供給装置、 ７…第一ガス排気ライン、
８…第二ガス排気ライン、 ９…第三ガス排気ライン、
１１…圧抜き用弁、 １２’、１２”…三方弁、 １３…コンピュータ、
１４…マノメータ、 ３０１、４０１…従来の気相エピタキシャル成長装置。

Claims (4)

1. 少なくとも、ウエーハに気相エピタキシャル成長を施すための複数の反応炉と、該複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのスクラバを備えた気相エピタキシャル成長装置であって、前記複数の反応炉はそれぞれ、少なくとも、互いに独立して設けられた３つのガス排気ラインと接続されており、第一ガス排気ラインは前記スクラバに接続されて前記複数の反応炉から排気された廃棄ガスを処理するためのものであり、第二ガス排気ラインは前記反応炉内のエアーをパージするためのものであり、第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力を開放するためのものであり、前記第一ガス排気ラインおよび第二ガス排気ラインは排気および排気停止を切り替えるためのバルブを備えていて、該バルブの切り替えにより、それぞれの反応炉ごとに、前記第一ガス排気ラインおよび前記第二ガス排気ラインのいずれか一方のみを通してガスを排気するものであり、前記第三ガス排気ラインは前記反応炉内の圧力が所定値以上に達したときに自動的に開となる圧抜き用弁を備えたものであることを特徴とする気相エピタキシャル成長装置。
2. 前記圧抜き用弁はマノメータであることを特徴とする請求項１に記載の気相エピタキシャル成長装置。
3. 前記反応炉と前記第一ガス排気ラインと前記第二ガス排気ラインとは、三方弁により接続されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相エピタキシャル成長装置。
4. 前記バルブの開閉を自動制御するシステムを具備するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の気相エピタキシャル成長装置。

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