JP5281759B2

JP5281759B2 - 基板処理装置、コントローラおよび半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5281759B2
Application number: JP2007142438A
Authority: JP
Inventors: 久志吉田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP2008300445A

Description

本発明は基板処理装置に係り、特に、排気を止めた処理室内で可燃性ガスによる基板処理を行った後、処理室内の残留可燃性ガスを排気するようにした基板処理装置、コントローラおよび半導体装置の製造方法に関する。

可燃性ガスを一且ガス溜めに溜めた後、可燃性ガスをガス溜めから炉内に供給し、基板に成膜を行った後、炉内の残留ガスをポンプにて排気するシステムを備えた基板処理装置が知られている。

このような基板処理装置では、炉内の残留ガスをポンプにて排気する際、ガスの溜め量次第では瞬間的にポンプ２次側でガスの爆発下限界（燃焼を起こす最低濃度）を超えてしまうという問題があった。

そこで、従来は、ガス溜めに供給するレシピに定めるガス量を、装置オペレータが、ポンプ２次側でのガス濃度を意識したガスの流量及び供給時間となるように設定することにより、上記のような問題が起こるのを回避していた。

しかしながら、上述したような装置オペレータに頼る可燃性ガス供給方式を採用すると、装置オペレータが危険のリスクを背負うことになるため、改善の余地があった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、安全かつ信頼性の高い基板処理装置、コントローラおよび半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから処理室内に供給し、前記処理室内で基板処理を行った後、前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプにて排気するように構成された基板処理装置において、
前記可燃性ガスを前記ガス溜めに供給するための供給経路を開閉するバルブと、
前記バルブを介して前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御手段と、
前記流量制御手段の流量モニタ信号を使って、前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスのガス量を積算し、その積算量が、前記残留可燃性ガスを前記処理室内から排気する際における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量を超えたとき、前記バルブを閉じるよう制御するコントローラと、
を備えた基板処理装置が提供される。
また、本発明の他の態様によれば、
可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから処理室内に供給し、前記処理室内で基板処理を行った後、前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプにて排気するように構成された基板処理装置が備えるコントローラであって、
前記可燃性ガスを前記ガス溜めに供給するための供給経路を開閉するバルブと、
前記バルブを介して前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御手段と、に接続され、
前記流量制御手段から流量モニタ信号を入力される流量モニタ電圧部と、
前記流量モニタ電圧部が得た前記流量モニタ信号により前記ガス溜めに供給された前記可燃性ガスのガス量を積算するガス溜め内流量積算部と、
前記ガス溜め内流量積算部が積算した積算量と、前記残留可燃性ガスを前記処理室内から排気する際における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量と、を比較する比較部と、
前記比較部が、前記積算値は前記所定の限界値の濃度に対応する前記ガス量を超えていないと判定した場合には、前記バルブに開命令を出し、前記積算量は前記所定の限界値の濃度に対応する前記ガス量を超えたと判定した場合には、前記バルブに閉命令を出すバルブ開閉命令部と、を備えるコントローラが提供される。
また、本発明の更に他の態様によれば、
可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから基板を収容した処理室内に前記可燃性ガスを供給する工程と、
前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプで排気する工程と、
を有し、
前記可燃性ガスを供給する工程では、前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスのガス量を積算し、その積算量が、前記残留可燃性ガスを前記処理室内から排気する際における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量を超えないように、前記可燃性ガスを前記ガス溜めに溜める半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、安全かつ信頼性の高い基板処理装置、コントローラおよび半導体装置の製造方法を提供できる。

以下、本発明に係る基板処理装置の一実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明を実施するための最良の形態において、基板処理装置は、一例として、半導体装置（ＩＣ）の製造方法における処理工程を実施する半導体製造装置として構成されている。尚、以下の説明では、基板処理装置として基板に酸化、拡散処理やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理などを行う縦型の装置（以下、単に処理装置という）を適用した場合について述べる。図８は、本発明に適用される一実施の形態の処理装置の斜透視図として示されている。

図８に示されているように、シリコン等からなるウエハ（基板）２００を収納したウエハキャリアとしてのカセット１１０が使用されている本実施の形態の処理装置１０１は、筐体１１１を備えている。筐体１１１内側にはカセットステージ（基板収容器受渡し台）１１４が設置されている。カセット１１０はカセットステージ１１４上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、カセットステージ１１４上から搬出されるようになっている。
カセットステージ１１４は、工程内搬送装置によって、カセット１１０内のウエハ２００が垂直姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。カセットステージ１１４は、カセット１１０を筐体後方に右回り縦方向９０°回転し、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向くように動作可能となるよう構成されている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部には、カセット棚（基板収容器載置棚）１０５が設置されており、カセット棚１０５は複数段複数列にて複数個のカセット１１０を保管するように構成されている。カセット棚１０５にはウエハ移載機構１２５の搬送対象となるカセット１１０が収納される移載棚１２３が設けられている。
また、カセットステージ１１４の上方には予備カセット棚１０７が設けられ、予備的にカセット１１０を保管するように構成されている。
カセットステージ１１４とカセット棚１０５との間には、カセット搬送装置（基板収容器搬送装置）１１８が設置されている。カセット搬送装置１１８は、カセット１１０を保持したまま昇降可能なカセットエレベータ（基板収容器昇降機構）１１８ａと搬送機構としてのカセット搬送機構（基板収容器搬送機構）１１８ｂとで構成されており、カセットエレベータ１１８ａとカセット搬送機構１１８ｂとの連続動作により、カセットステージ１１４、カセット棚１０５、予備カセット棚１０７との間で、カセット１１０を搬送するように構成されている。

カセット棚１０５の後方には、ウエハ移載機構（基板移載機構）１２５が設置されており、ウエハ移載機構１２５は、ウエハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウエハ移載装置（基板移載装置）１２５ａおよびウエハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウエハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂとで構成されている。ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂは、耐圧筐体１１１の右側端部に設置されている。これら、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびウエハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウエハ移載装置１２５ａのツイーザ（基板保持体）１２５ｃをウエハ２００の載置部として、ボート（基板保持具）１３０に対してウエハ２００を装填（チャージング）および脱装（ディスチャージング）するように構成されている。

筐体１１１の後部上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。
処理炉２０２の下方にはボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降機構としてのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設けられ、ボートエレベータ１１５の昇降台に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。
ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１５０枚程度）のウエハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

図８に示されているように、カセット棚１０５の上方には、清浄化した雰囲気であるクリーンエアを供給するよう供給ファン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１
３４ａが設けられておりクリーンエアを前記筐体１１１の内部に流通させるように構成されている。
また、図８に模式的に示されているように、ウエハ移載装置エレベータ１２５ｂおよびボートエレベータ１１５側と反対側である筐体１１１の左側端部には、クリーンエアを供給するよう供給フアンおよび防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４ｂが設置されており、クリーンユニット１３４ｂから吹き出されたクリーンエアは、ウエハ移載装置１２５ａ、ボート２１７を流通した後に、図示しない排気装置に吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気されるようになっている。

次に、上述した処理装置の動作について説明する。
図８に示されているように、カセット１１０がカセットステージ１１４に供給される。カセットステージ１１４の上にウエハ２００が垂直姿勢であって、カセット１１０のウエハ出し入れ口が上方向を向くように載置される。その後、カセット１１０は、カセットステージ１１４によって、カセット１１０内のウエハ２００が水平姿勢となり、カセット１１０のウエハ出し入れ口が筐体後方を向けるように、筐体後方に右周り縦方向９０°回転させられる。
次に、カセット１１０は、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７の指定された棚位置へカセット搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、カセット棚１０５ないし予備カセット棚１０７からカセット搬送装置１１８によって移載棚１２３に移載されるか、もしくは直接移載棚１２３に搬送される。

カセット１１０が移載棚１２３に移載されると、ウエハ２００はカセット１１０からウエハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウエハ出し入れ口を通じてピックアップされ、移載室１２４の後方にあるボート２１７に装填（チャージング）される。ボート２１７にウエハ２００を受け渡したウエハ移載装置１２５ａはカセット１１０に戻り、次のウエハ２００をボート２１７に装填する。

予め指定された枚数のウエハ２００がボート２１７に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０２の下端部が、炉口シャッタ１４７によって、開放される。続いて、ウエハ２００群を保持したボート２１７はシールキャップ２１９がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、処理炉２０２内へ搬入（ローディング）されていく。

ローディング後は、処理炉２０２にてウエハ２００に任意の処理が実施される。
処理後は、上述の逆の手順で、ウエハ２００およびカセット１１０は筐体１１１の外部へ払出される。

図９は、本実施の形態で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を縦断面で示し、図１０は本実施の形態で好適に用いられる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉２０２部分を横断面で示す。

本実施の形態で用いられる基板処理装置は制御部であるコントローラ２８０を備え、コントローラ２８０により基板処理装置および処理炉を構成する各部の動作等が制御される。

加熱装置（加熱手段）であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９にはボート支持台である石英キャップ２１８を介して基板保持手段
であるボート２１７が立設され、石英キャップ２１８はボートを保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

処理室２０１へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給経路としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここでは第１のガス供給管２３２ａからは流量制御装置（流量制御手段）である第１のマスフローコントローラ２４１ａ（第１のＭＦＣ２４１ａ）及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７を介して処理室２０１に反応ガスが供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御装置（流量制御手段）である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ（第２のＭＦＣ２４１ｂ）、開閉弁である第２のバルブ２４３ｂ、タンク等からなるガス溜め２４７、及び開閉弁である第３のバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に反応ガスが供給されている。

処理室２０１はガスを排気するガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。また、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。

処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられており、そのバッファ室２３７のウエハ２００と隣接する壁の端部にはガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。この第１のガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。この第１のガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。

そしてバッファ室２３７の第１のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３には複数のガスを供給する供給孔である第２のガス供給孔２４８ｂが設けられている。この第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本実施の形態においては、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。このように構成することで、第２の各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスをバッファ室２３７に噴出させている。
そして、バッファ室２３７内において、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスの粒子速度差が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理室２０１に噴出させている。よって、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各第１のガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。

さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する第１の電極である第１の棒状電極２６９及び第２の電極である第２の棒状電極２７０が上部より下部にわたって電極を保護する保護管である電極保護管２７５に保護されて配設され、この第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０のいずれか一方は整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の棒状電極２６９及
び第２の棒状電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

この電極保護管２７５は、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、電極保護管２７５の内部は外気（大気）と同一雰囲気であると、電極保護管２７５にそれぞれ挿入された第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、電極保護管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の棒状電極２６９又は第２の棒状電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。

さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔２４８ｃを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。

第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積はガス供給部２４９内と処理室２０１内の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
本実施の形態においては、第３のガス供給孔２４８ａの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ２８０は、第１、第２のＭＦＣ２４１ａ、２４１ｂ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、第１、第２のＭＦＣ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、第１〜第３のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、第４のバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。

ところで、未反応可燃性ガス、例えば未反応ＤＣＳ（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ジクロルシラン）ガスが真空ポンプ２４６の２次側で空気と混合し、燃焼現象を起こすことは廃ガス処理やＣＶＤ装置の立ち上げなどでよく経験するところである。未反応ＤＣＳガスの量が少ないうちは、燃焼エネルギーも小さく爆発音のみで済むが、流出するＤＣＳガスの量を増大するにつれて物理的被害も大きくなる。
例えばＤＣＳを使用する減圧ＣＶＤ装置において、処理炉２０２内及びガス排気管２３１のＤＣＳガス抜きを行う際、希釈用Ｎ_２を流しながら少量ずつ排気する場合には問題は
ない。現に、このような作業ではＤＣＳガスをＮ_２で２％以下の濃度になるように希釈しながら廃棄することになっている。しかし、多量のＤＣＳガスを排気系に流すと、真空ポンプ２４６内で爆発現象が起き、真空ポンプ２４６の損傷とガス排気管２３１の破裂が発生することがある。
このことは、可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後、ガス溜めから炉内に供給し、成膜を行った後、炉内の残留ガスを真空ポンプにて排気するシステムを備えた基板処理装置にあっては、多量の残留ガスがガス排気管に流れるので、特に問題となる。
したがって、多量のＤＣＳがガス排気管に流れ込む場合でも、装置オペレータによる真空ポンプ２４６の２次側でのガス濃度を意識したガスの流量及び供給時間の設定に頼ることなく、爆発を有効に防止できることが要請されている。

次に、このような可燃性ガスをガス排気管から廃棄する場合に、ガス排気管における爆発を有効に防止することが可能な基板処理装置の一実施の形態について図２を用いて説明する。

本発明の好ましい態様では、流量制御手段の流量モニタ信号を使って、ガス溜めにバルブを介して供給される可燃性ガスのガス量を積算し、その積算量に応じてバルブを閉じるよう制御するコントローラを備えるようにした。
コントローラは、ガス溜めに供給される可燃性ガスのガス量の積算量が、排気の際に、ポンプの２次側での可燃性ガスの爆発下限界を超えてしまう値に達する前に、前記バルブを閉じるよう制御する。このようにガス溜に溜めるガス量を自動制御することによって、オペレータの設定値に頼ることなく、安全かつ信頼性の高い基板処理装置を得ることができるようにした。

図２に示す処理炉２０２の基本的構成は、図９に関連して説明した処理炉２０２に対応する構成要素と同じである。図９と異なる点は、２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂのうち、ガス溜め２４７を経由しない第１のガス供給管２３２ａを省略し、ガス溜め２４７を経由する第２のガス供給管２３２ｂに設けられる第２のＭＦＣ２４１ｂにＭＦＣ制御コントローラ１０を設け、さらに、第２のガス供給管２３２ｂにパージガス用の第３のガス供給管２３２ｃが設けられている点である。

図９と一部説明が重複するが、ここで図２の説明をする。処理炉２０２の供給側には既述した第２のガス供給管２３２ｂが接続され、処理炉２０２側より、第３のバルブ２４３ｃ、ガス溜め２４７、第２のバルブ２４３ｂ、第６のバルブ２４３ｆ、第２のＭＦＣ２４１ｂ、第５のバルブ２４３ｅが順に接続配管されている。これにより、第２のガス供給管２３２ｂはＤＣＳを一旦ガス溜め２４７に溜めた後、ガス溜め２４７から処理炉２０２内に供給できるように構成されている。

更に、不活性ガスＮ_２を処理室２０１に供給するための第３のガス供給管２３２ｃが、第２のガス供給管２３２ｂの第２のバルブ２４３ｂと第６のバルブ２４３ｆとの間に接続されている。第３のガス供給管２３２ｃには、第２のガス供給管２３２ｂに接続されている側より第７のバルブ２４３ｇ、第３のＭＦＣ２４１ｃが順次接続配管されている。これにより、第３のガス供給管２３２ｃは、ガス溜め２４７を経由してＮ_２ガスを処理室２０１内に供給できるように構成されている。

処理室２０１の排気側には、ガスを排気するガス排気管２３１が接続され、ガス排気管２３１に接続されている側より第４のバルブ２４３ｄ、真空ポンプ２４６、除害装置（図示せず）が順次接続配管されている。これにより、ガス排気管２３１は、処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に圧力調整できるように構成されている。

次に第２のＭＦＣ２４１ｂ及びこれを制御するＭＦＣ制御コントローラ１０について説明する。なお、ＭＦＣ制御コントローラ１０は、既述したコントローラ２８０のガス流量制御部内に設けられている。
ＭＦＣ制御コントローラ１０は、ガス溜め２４７に供給されるガス積算量が、ＤＣＳを排気する際、真空ポンプ２４６の２次側でのＤＣＳの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えたとき、強制的にバルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂを閉じるように構成されている。
ここで、所定の限界値を、ＤＣＳの爆発下限界そのものとせずに、ＤＣＳの爆発下限界よりも低く設定したのは、安全を見込んであるからである。真空ポンプ２４６の２次側でのＤＣＳの爆発下限界は４％である。従って、所定の限界値は、例えば２％とか１％とかの値である。既述したように、ＤＣＳ廃棄作業ではＤＣＳガスをＮ_２で２％以下の濃度になるように希釈しながら廃棄することになっているが、上述した所定の限界値はこれを満たしている。

ＭＦＣ制御コントローラ１０の制御対象となる第２のＭＦＣ２４１ｂは、図示していないが、流量制御部と、流量モニタ部と、流量制御弁とを備えており、流量制御部は、外部より入力される流量設定信号と流量モニタ部で得られた流量モニタ信号とを比較して、両信号の値が一致するように、上記流量制御弁の弁開度を制御することにより、ガスの流量を制御するように構成されている。一般に流量モニタ部から出力される流量モニタ信号及び外部より入力される流量設定信号は共に電圧値である。

また、ＭＦＣ制御コントローラ１０は、第２のＭＦＣ２４１ｂへ流量設定信号を出力する流量設定電圧部１１と、第２のＭＦＣ２４１ｂから流量モニタ信号を入力される流量モニタ電圧部１２と、ガス溜め内流量積算部１３と、比較部１４と、バルブ開閉命令部１５とを備えており、流量モニタ電圧よりガス溜め２４７に供給されたガス量を積算し、その積算量と、排気の際、真空ポンプ２４６の２次側でのガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えてしまうことになるガス溜め２４７の溜め量とを比較し、上記積算量が前記所定の限界値を超えてしまう値に達していない場合、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂにバルブ開命令を出し、上記積算量が前記所定の限界値を超えた場合、強制的にバルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂに閉命令を出すように構成されている。

次にＡＬＤ法による成膜例について、図９により、半導体デバイスの製造工程の一つである、ＤＣＳ及びＮＨ_３（アンモニア）ガスを用いてＳｉＮ（窒化珪素）膜を成膜する例で説明する。特に、ＤＣＳを一旦ガス溜め２４７に溜めた後、ガス溜め２４７から炉内に供給し、成膜を行った後、処理室２０１内の残留ＤＣＳガスを真空ポンプ２４６にて排気する動作フローについては、図１〜図７を用いて説明する。

ＣＶＤ法の中の１つであるＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となる処理ガスを１種類ずつ交互に基板（ウエハ）上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。

利用する化学反応は、例えばＳｉＮ膜形成の場合ＡＬＤ法ではＤＣＳとＮＨ_３を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う）。

まず成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理室２０１に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。ここでは、３つのステップを（ステップ１）〜（ステップ３）として説明し、各ステップ中におけるＤＣＳ系のステップについて
は、（ステップ１）中では（ＳＴＥＰ１＿）、（ステップ２）中では（ＳＴＥＰ２＿）、（ステップ３）中では（ＳＴＥＰ３＿）としてそれぞれ説明する。

（ステップ１）
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ_３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを並行して流す。

まずコントローラ２８０により、第１のガス供給管２３２ａに設けた第１のバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けた第４のバルブ２４３ｄを共に開けて、第１のガス供給管２３２ａから第１のＭＦＣ２４３ａにより流量調整されたＮＨ_３ガスをノズル２３３の第２のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加してＮＨ_３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。

ＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、コントローラ２８０により、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａの範囲内の所定値に維持する。第１のＭＦＣ２４１ａで制御するＮＨ_３の供給流量は１〜１０ｓｌｍの範囲内の所定値に維持する。ＮＨ_３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７温度はウエハが３００〜６００℃の範囲内の所定値になるように設定してある。ＮＨ_３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。

このＮＨ_３をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、コントローラ２８０により、第２のガス供給管２３２ｂの上流側の第２のバルブ２４３ｂを開け、下流側の第３のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これにより第２、第３のバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ_３をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ_３は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ_３はウエハ２００上の下地膜などの表面部分と表面反応（化学吸着）する。

ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ_３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室２０１の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。

上述したガス溜め２４７にＤＣＳを溜めるに際しては、次のような２つの（ＳＴＥＰ１１）、（ＳＴＥＰ１２）を踏む。

（ＳＴＥＰ１１）
図１に示すように、コントローラ２８０は、全てのバルブ２４３ｂ〜２４３ｇに閉命令を出している。これにより全てのバルブ２４３ｂ〜２４３ｇは閉じている。また、このとき、ガス溜め２４７内は真空になっており、ガスは未供給状態である。また、処理室２０１内の残留ガスはＮ_２ガスを用いて排除された状態にある。

（ＳＴＥＰ１２）
図２に示すように、コントローラ２８０のＭＦＣ制御コントローラ１０は、バブル２４３ｂ、２４３ｅ、２４３ｆに開命令を出す。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｅ、２４
３ｆは開く。バルブ２３４ｄは閉じたままであるから、排気が止められた状態でＤＣＳ（例えば希釈率０％）がガス溜め２４７に供給される。ガス供給時の第２のＭＦＣ２４１ｂの流量モニタ電圧値を積算してガス溜め２４７ヘのガス溜め量を算出する。

（ステップ２）
ステップ２では、コントローラ２８０により、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ_３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定量のＤＣＳが溜まったら上流側の第２のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ_３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ_２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ_３を排除する効果が高まる。

ここで、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスは１．５×１０^−３ｍ^３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３容積１００ｌ（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は処理室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
また、ガス溜め２４７内にＤＣＳを閉じ込めておく所定量は、ガス溜２４７内に溜められたＤＣＳが、後に処理室２０１から残留ガスとして排気される際、真空ポンプ２４６の２次側において、ＤＣＳの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えないガス濃度となるガス量とする。

上述した所定量となるようにＤＣＳを溜めるために、次のような（ＳＴＥＰ２１）を踏む。

（ＳＴＥＰ２１）
図３に示すように、コントローラ２８０は、上記積算量が真空ポンプ２４６の２次側でのガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えてしまう値に達するまでは、ガス溜め２４７へのＤＣＳの供給は継続させる。したがってバルブ２４３ｂ、２４３ｅ、２４３ｆへの開命令は継続される。
コントローラ２８０による上述した積算値が真空ポンプ２４６の２次側で爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えた場合、コントローラ２８０はバルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂに閉命令を出して、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂを強制的に閉じる。これにより、ガス溜め２４７に一旦溜められるガス量は、後に処理室２０１内の残留ガスとして真空ポンプ２４６にて排気される際、瞬間的にせよ真空ポンプ２４６の２次側でのガスの爆発下限界を超えることがないガス濃度となるような量に制御される。

（ステップ３）
ステップ３では、コントローラ２８０により、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄを閉じて排気を止める。第２のガス供給管２３２ｂの下流側の第３のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１の第４のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ_３の供給時と同じく、３００〜６００℃の範囲内の所望の温度で維持される。

ＡＬＤ装置では、ガスはウエハ２００の表面部分に化学吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時
間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施の形態では、第４のバルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。

ＤＣＳの供給により、ウエハ２００の表面に化学吸着したＮＨ_３とＤＣＳとが表面反応（化学吸着）して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。処理室２０１内を排気してＮＨ_３ガスを除去してからＤＣＳを供給するので、ＮＨ_３とＤＣＳとはウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ_３とのみ有効に反応させることができる。
成膜後、コントローラ２８０により、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後の残留ガスを排除する。また、この時にはＮ_２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が高まる。また第２のバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。

上述したＤＣＳの処理室２０１への供給、残留ガスの排除、及びガス溜め２４７へのＤＣＳの供給開始は、つぎのような（ＳＴＥＰ３１）〜（ＳＴＥＰ３４）を踏む。

（ＳＴＥＰ３１）
図４に示すように、コントローラ２８０は、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂが閉の状態で、バルブ２４３ｃを開いて、処理室２０１内にＤＣＳを送り込む。これにより処理室２０１内は所定量のＤＣＳで充満される。

（ＳＴＥＰ３２）
図５に示すように、コントローラ２８０は、ガスを反応炉内へ送り込んだ後、バルブ２４３ｄを閉じる。反応炉内へのＤＣＳの供給により、ウエハ２００の表面に薄膜、例えばＳｉＮ膜が成膜される。

（ＳＴＥＰ３３）
図６に示すように、コントローラ２８０は、設定した排気量となるようバルブ２４３ｄの圧力弁を開き、真空ポンプ２４６により処理室２０１内の残溜ガスを排気する。この排気の際、予めガス溜め２４７の溜め量が抑制され、この抑制された量のＤＣＳが処理室２０１内に送り込まれているため、処理室２０１から排気されるガスの濃度が、真空ポンプ２４６の２次側で爆発下限界を超えることはない。
排気完了後、コントローラ２８０のＭＦＣ制御コントローラ１０は、流量モニタ電圧をリセットし、ガス溜め内流量積算値をリセットする。このリセットにより比較部１４における、その積算量と、真空ポンプ２４６の２次側でのガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値を超えるガス溜め２４７の溜め量との比較結果は、上記積算量が真空ポンプ２４６の２次側でのガスの爆発下限界よりも低く設定した所定の限界値より小さくなるため、バルブ２４３ｅ、２４３ｆ、２４３ｂが開可能となる。

（ＳＴＥＰ３４）
図７に示すように、コントローラ２８０のＭＦＣ制御コントローラ１０はバルブ２４３ｇ、２４３ｂ、２４３ｃに開命令を与える。これにより第３のＭＦＣ２４１ｃにより流量制御されたＮ_２ガスがガス溜め２４７を経由して処理室２０１内に供給され、残留するガスが処理室２０１から排除される。

上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。

上述したように、本実施の形態によれば、処理室内の残留ガスを真空ポンプにて排気する際、ポンプ２次側のガス濃度をガスの爆発下限値以下に抑えることができるよう、ガスのガス溜め溜め量を抑制するようにしたので、瞬間的にポンプ２次側でガスの爆発下限界を超えてしまうことがなくなる。また、ガス抜きを行う際、希釈用Ｎ_２を流しながら少量ずつ排気する必要もなくなる。従って、装置の安全かつ信頼性を向上できる。その結果、装置オペレータがポンプ２次側でのガス濃度を意識したガスの流量及び供給時間の設定しなくてもよくなる。すなわち、オペレータが危険のリスクを背負うことが無くなる。

なお、上述した実施の形態では、本発明を縦型の基板処理装置に適用する場合を説明したが、本発明はこのようなバッチ式の基板処理装置だけでなく、枚葉式の基板処理装置にも適用することができる。また、本発明はＡＬＤ法による成膜に限定されず、ＣＶＤ法による成膜にも適用可能である。

本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、ガス未供給時を示した動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、ガス溜めへのガス供給時を示した動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、ガス溜めへのガス供給終了の動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、反応炉へのガス供給時の動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、成膜時の動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、排気時の動作フロー図である。本発明の一実施の形態における処理炉を説明するための概略構成図であり、パージ時の動作フロー図である。本発明の一実施の形態における基板処理装置の斜視透視図である。本発明の一実施の形態における縦型の基板処理炉の構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図である。本発明の一実施の形態における縦型の基板処理炉の構成図であり、処理炉部分を横断面で示した図である。

符号の説明

１２流量モニタ電圧部
１３ガス溜め内流量積算部
２４７ガス溜め
２０１処理室
２０２処理炉
２４６真空ポンプ
２３２ｂ第２のガス供給管（供給経路）
２４３ｂ、２４３ｅ、２４３ｆバルブ
２４１ｂ第２のＭＦＣ（流量制御手段）
２８０コントローラ
ＤＣＳ可燃性ガス

Claims

可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから処理室内に供給し、前記処理室内で基板処理を行った後、前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプにて排気するように構成された基板処理装置において、
前記可燃性ガスを前記ガス溜めに供給するための供給経路を開閉するバルブと、
前記バルブを介して前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御手段と、
前記流量制御手段の流量モニタ信号を使って、前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスのガス量を積算し、その積算量が、前記残留可燃性ガスを前記処理室内から排気する際における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した、所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量を超えたとき、前記バルブを閉じるよう制御するコントローラと、
を備えた基板処理装置。
前記可燃性ガスとはＤＣＳガスであり、
前記所定の限定値の前記可燃性ガスの濃度とは４％未満の濃度である請求項１に記載の基板処理装置。
可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから処理室内に供給し、前記処理室内で基板処理を行った後、前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプにて排気するように構成された基板処理装置が備えるコントローラであって、
前記可燃性ガスを前記ガス溜めに供給するための供給経路を開閉するバルブと、
前記バルブを介して前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスの流量を制御する流量制御手段と、に接続され、
前記流量制御手段から流量モニタ信号を入力される流量モニタ電圧部と、
前記流量モニタ電圧部が得た前記流量モニタ信号により前記ガス溜めに供給された前記可燃性ガスのガス量を積算するガス溜め内流量積算部と、
前記ガス溜め内流量積算部が積算した積算量と、前記残留可燃性ガスを前記処理室内から排気する際における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した、所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量と、を比較する比較部と、
前記比較部が、前記積算値は前記所定の限界値の濃度に対応する前記ガス量を超えていないと判定した場合には、前記バルブに開命令を出し、前記積算量は前記所定の限界値の濃度に対応する前記ガス量を超えたと判定した場合には、前記バルブに閉命令を出すバルブ開閉命令部と、を備えたコントローラ。
可燃性ガスを一旦ガス溜めに溜めた後前記ガス溜めから基板を収容した処理室内に前記可燃性ガスを供給する工程と、
前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプで排気する工程と、
を有し、
前記可燃性ガスを前記ガス溜めに溜める工程では、前記ガス溜めに供給される前記可燃性ガスのガス量を積算し、その積算量が、前記処理室内の残留可燃性ガスをポンプで排気する工程における前記ポンプの２次側での前記可燃性ガスの爆発下限界よりも低く設定した、所定の限界値の濃度に対応する、前記ガス溜めに一旦溜めた前記可燃性ガスのガス量を超えないように、前記可燃性ガスの供給を制御する半導体装置の製造方法。
前記可燃性ガスとはＤＣＳガスであり、
前記所定の限定値の前記可燃性ガスの濃度とは４％未満の濃度である請求項４に記載の半導体装置の製造方法。