JP7190888B2 - 配管加熱装置及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、配管加熱装置及び基板処理装置に関する。
固体原料気化装置におけるガス供給系の配管の露出部にリボンヒータを取り付け、気化ガスの凝結を起こさない所定の温度に加熱する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２－３５９２３８号公報
本開示は、ガス配管の均熱性を向上できる技術を提供する。
本開示の一態様による配管加熱装置は、ガス配管に設置されるセンサと、前記ガス配管における前記センサが設置される領域を除いて前記ガス配管を覆うように螺旋状に配置される発熱部を有する加熱手段と、前記ガス配管の外周面を覆い、前記ガス配管の外周面と前記センサとの間に取り付けられ、前記ガス配管よりも熱伝導率が高い材料により形成された熱伝導部材と、を有する。
本開示によれば、ガス配管の均熱性を向上できる。
一実施形態の基板処理装置の構成例を示す概略図 一実施形態の配管加熱装置の一例の概略構成を示す側面図 図２の配管加熱装置の縦断面図 図２の配管加熱装置の横断面図 一実施形態の配管加熱装置による効果の説明図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
〔基板処理装置〕
一実施形態の配管加熱装置を基板処理装置に適用した構成例について説明する。図１は、一実施形態の基板処理装置の構成例を示す概略図である。
図１に示されるように、基板処理装置は、原料ガス供給装置１０と、成膜処理部７０と、配管加熱装置１２０と、制御部１５０と、を備える。原料ガス供給装置１０は、成膜処理部７０に原料ガスを供給する。成膜処理部７０は、基板であるウエハＷに対して原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法等による成膜を行う。配管加熱装置１２０は、基板処理装置に設けられている種々のガス配管を加熱する。制御部１５０は、原料ガス供給装置１０、成膜処理部７０及び配管加熱装置１２０の各部の動作を制御する。なお、明細書中においては、キャリアガスと、キャリアガスと共に流れる（気化した）原料と、を併せたガスを原料ガスと称する。
原料ガス供給装置１０は、常温で固体又は液体の原料を収容する原料容器１２を有する。原料容器１２の周囲には、ヒータ１４が設けられている。ヒータ１４は、原料容器１２内の固体又は液体の原料を適宜の温度に加熱して原料を気化させる。一実施形態では、原料は固体原料であり、六塩化タングステン（ＷＣｌ６）である。原料は、ＷＣｌ６に限定されず、低蒸気圧原料であってよく、例えば五塩化タングステン（ＷＣｌ５）、五塩化モリブデン（ＭｏＣｌ５）、四塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ４）、五塩化タンタル（ＴａＣｌ５）、ドデカカルボニル三ルテニウム（Ｒｕ３（ＣＯ）１２）であってもよい。
原料容器１２内には、キャリアガス供給管２０の下流側の端部及び原料ガス供給管３０の上流側の端部が挿入されている。キャリアガス供給管２０の上流側の端部には、キャリアガスの供給源であるキャリアガス供給源２２が設けられている。キャリアガスは、例えば窒素（Ｎ２）ガス等の不活性ガスであってよい。キャリアガス供給管２０には、上流側からマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４、バルブＶ２１、バルブＶ２２がこの順序で設けられている。ＭＦＣ２４は、キャリアガス供給管２０を通流するキャリアガスの流量を制御する。
一方、原料ガス供給管３０には、上流側からバルブＶ３１、バルブＶ３２、マスフローメータ（ＭＦＭ）３２、貯留部３４、バルブＶ３３がこの順序で設けられている。ＭＦＭ３２は、原料ガス供給管３０を通流する原料ガスの流量を測定する。貯留部３４は、原料ガスを一時的に貯留し、短時間で必要な原料ガスを供給する。バルブＶ３３は、ＡＬＤの際にガスの供給及び停止を切り替えるためのバルブであり、例えば高速で開閉可能なＡＬＤバルブである。ＡＬＤバルブは、０．５秒以下の間隔で開閉可能であることが好ましく、０．０１秒以下の間隔で開閉可能であることがより好ましい。貯留部３４には、その内部のガスの圧力を測定する圧力計３６が設けられている。圧力計３６は、例えばキャパシタンスマノメータであってよい。なお、原料ガス供給管３０の下流側の端部付近は、後述の反応ガスやパージガスも流れることから、ガス供給流路７８として示している。
原料ガス供給管３０におけるバルブＶ３２とＭＦＭ３２との間の位置には、希釈ガスを供給する希釈ガス供給管４０の下流側の端部が合流している。希釈ガス供給管４０の上流側の端部には、希釈ガスの供給源である希釈ガス供給源４２が設けられている。希釈ガスは、例えばＮ２ガス等の不活性ガスであってよい。なお、希釈ガスはオフセットガスとも称される。希釈ガス供給管４０には、上流側からマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４４、バルブＶ４１がこの順序で設けられている。
キャリアガス供給管２０におけるバルブＶ２１とバルブＶ２２との間の位置と、原料ガス供給管３０におけるバルブＶ３１とバルブＶ３２との間の位置とを接続するように、バイパス管６０が設けられている。バイパス管６０は、キャリアガス供給源２２からキャリアガス供給管２０に供給されるキャリアガスを、原料容器１２を経由することなく原料ガス供給管３０に供給する流路である。バイパス管６０には、バルブＶ６１が設けられている。バルブＶ２２，Ｖ３１を閉じてバルブＶ２１，Ｖ６１，Ｖ３２を開くことにより、キャリアガス供給源２２から供給されるキャリアガスがキャリアガス供給管２０及びバイパス管６０を経て、原料ガス供給管３０に供給される。これにより、原料ガス供給管３０をパージできる。また、ＭＦＣ２４との流量測定値のずれを最小限にするため、ＭＦＭ３２を校正できる。さらに原料容器１２を経由した場合と原料容器１２を経由しない場合との差分を測定することで、原料ガスの供給量を精度よく測定できる。
成膜処理部７０は、処理容器７２と、載置台７４と、ガス導入部７６と、を有する。処理容器７２は、その内部を減圧可能な真空容器である。載置台７４は、処理容器７２内に設けられており、ウエハＷを水平に保持する。載置台７４は、ヒータ７４ａを有する。ヒータ７４ａにより、ウエハＷが所定の温度に加熱される。ガス導入部７６は、原料ガス等を処理容器７２内に導入する。ガス導入部７６には、ガス供給流路７８が接続され、原料ガス供給装置１０から供給されるガスが、ガス導入部７６を介して、処理容器７２内に供給される。また、処理容器７２には、排気管８０を介して、排気機構８２が接続されている。排気管８０には、処理容器７２内の圧力を調整する圧力調整部８４が設けられている。圧力調整部８４は、例えば圧力調整バルブ８４ａと、バルブ８４ｂとを有する。
また、ガス供給流路７８には、還元ガス供給流路９０及びパージガス供給流路１００が合流している。
還元ガス供給流路９０は、処理容器７２内に、原料ガスを還元する還元ガスを供給する。還元ガスは、例えば水素（Ｈ２）ガスであってよい。還元ガス供給流路９０の上流側の端部には、還元ガスの供給源である還元ガス供給源９２が設けられている。また、還元ガス供給流路９０には、不活性ガス供給流路９４が合流している。不活性ガス供給流路９４の上流側の端部には、不活性ガスを供給する供給源である不活性ガス供給源９６が設けられている。不活性ガスは、例えばＮ２ガスであってよい。還元ガス供給流路９０には、上流側からバルブＶ９１、バルブＶ９２がこの順序で設けられている。不活性ガス供給流路９４には、バルブＶ９４が設けられている。
パージガス供給流路１００は、パージガスを供給する。パージガスは、例えばＮ２ガス等の不活性ガスであってよい。パージガス供給流路１００の上流側の端部には、パージガスの供給源であるパージガス供給源１０２が設けられている。パージガス供給流路１００には、バルブＶ１００が設けられている。
また、原料ガス供給管３０における貯留部３４の下流側には、エバック配管１１０が接続されている。エバック配管１１０は、一端が原料ガス供給管３０に接続され、他端が排気管８０に接続された流路を形成する。言い換えると、エバック配管１１０は、原料ガス供給管３０と排気管８０とを処理容器７２を経由することなく接続する流路を形成する。エバック配管１１０には、バルブＶ１１１が設けられている。バルブＶ１１１を開き、バルブＶ３３を閉じることにより、原料ガス供給管３０を通流する原料ガスを、処理容器７２を経由することなく、エバック配管１１０を介して排気管８０に流れて排気機構８２により排気される。
配管加熱装置１２０は、基板処理装置に設けられている種々のガス配管を加熱する。ガス配管としては、例えばキャリアガス供給管２０におけるＭＦＣ２４の下流側、原料ガス供給管３０、希釈ガス供給管４０におけるバルブＶ４１の下流側、バイパス管６０、及びエバック配管１１０が挙げられる。
制御部１５０は、原料ガス供給装置１０の各部の動作、例えばバルブＶ２１、Ｖ２２、Ｖ３１、Ｖ３２、Ｖ３３、Ｖ４１、Ｖ６１、Ｖ１１１の開閉動作、ＭＦＣ２４及びＭＦＣ４４の動作を制御する。また、制御部１５０は、成膜処理部７０の各部の動作、例えば、バルブＶ９１、Ｖ９２、Ｖ９４、Ｖ１００の開閉動作、圧力調整部８４の動作を制御する。また、制御部１５０は、配管加熱装置１２０の各部の動作、例えば後述するヒータ電源１２２の動作を制御する。
制御部１５０は、例えばコンピュータであってよい。基板処理装置の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。
〔配管加熱装置〕
次に、配管加熱装置１２０について、原料ガス供給管３０を加熱する部分を例に挙げて説明する。ただし、別のガス配管、例えばキャリアガス供給管２０、希釈ガス供給管４０、バイパス管６０、エバック配管１１０を加熱する部分についても、以下に説明する原料ガス供給管３０を加熱する部分と同様であってよい。
図２は、一実施形態の配管加熱装置１２０の一例の概略構成を示す側面図である。図３は、図２の配管加熱装置１２０の縦断面図であり、図２における一点鎖線III－IIIにおいて切断した断面を示す。図４は、図２の配管加熱装置１２０の横断面図であり、図２における一点鎖線IV－IVにおいて切断した断面を示す。
配管加熱装置１２０は、リボンヒータ１２１と、ヒータ電源１２２と、熱伝導部材１２３と、サーマルスイッチ１２４と、を有する。
リボンヒータ１２１は、加熱手段の一例であり、発熱部１２１ａと、リード線１２１ｂと、を有する。発熱部１２１ａは、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４を配置する領域を除いて、原料ガス供給管３０を覆うように螺旋状に巻き付けられている。発熱部１２１ａは、ヒータ電源１２２から電流が供給されることで発熱するニクロム線等の抵抗発熱体と、抵抗発熱体を被覆するガラスクロス等の被覆材と、を有する。リード線１２１ｂは、一端が発熱部１２１ａの抵抗発熱体と接続され、他端がヒータ電源１２２と接続されている。加熱手段としてリボンヒータ１２１を利用することで、低コストで原料ガス供給管３０を加熱できる。なお、リボンヒータ１２１は、テープヒータとも称される。
ヒータ電源１２２は、リード線１２１ｂを介して発熱部１２１ａの抵抗発熱体に電流を供給する。ヒータ電源１２２が供給する電流は、制御部１５０により制御される。
熱伝導部材１２３は、原料ガス供給管３０の外周面とサーマルスイッチ１２４との間に取り付けられている。熱伝導部材１２３は、原料ガス供給管３０よりも熱伝導率が高い材料により形成されている。熱伝導部材１２３の材料としては、例えば原料ガス供給管３０の材料がステンレス（ＳＵＳ）である場合、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等を利用できる。熱伝導部材１２３は、原料ガス供給管３０をクランプするクランプ部材であることが好ましい。これにより、工具を使用することなく、原料ガス供給管３０に熱伝導部材１２３を取り付けることができる。原料ガス供給管３０の軸方向における熱伝導部材１２３の長さＬ１は、図３に示されるように、隣接する発熱部１２１ａ間の距離Ｌ２よりも長いことが好ましい。これにより、隣接する発熱部１２１ａからの熱が熱伝導部材１２３を介して原料ガス供給管３０における発熱部１２１ａが巻き付けられていない領域に伝達するので、原料ガス供給管３０の均熱性が向上する。そのため、原料ガスが原料ガス供給管３０内を通流する際に再固化することを抑制できる。その結果、原料ガスの再固化に起因するパーティクルの発生を防止できる。
サーマルスイッチ１２４は、原料ガス供給管３０の外周面における発熱部１２１ａが巻き付けられていない領域に、熱伝導部材１２３を介して設置されている。これにより、サーマルスイッチ１２４は、発熱部１２１ａの温度ではなく、原料ガス供給管３０の温度を感知できる。サーマルスイッチ１２４は、リボンヒータ１２１と直列接続されており、所定の温度以上になるとヒータ電源１２２からリボンヒータ１２１への電力の供給を遮断する。なお、サーマルスイッチ１２４は、センサの一例であり、サーマルスイッチ１２４の代わりに別のセンサ、例えば原料ガス供給管３０の温度を測定する温度センサが設置されていてもよい。
ところで、原料ガス供給管３０の均熱性を向上させるために、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４が設置される領域を含む全ての領域にリボンヒータ１２１を配置することも考えられる。しかしながら、この場合、サーマルスイッチ１２４が原料ガス供給管３０の温度ではなくリボンヒータ１２１の発熱部１２１ａの温度を感知する。そのため、原料ガス供給管３０が所定の温度以上に到達していない場合であっても、発熱部１２１ａが所定の温度以上に到達している場合、サーマルスイッチ１２４がオフしてヒータ電源１２２からリボンヒータ１２１への電流の供給が遮断される誤検知が生じる。
また、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４が設置されていない領域にリボンヒータ１２１を配置しない場合には、上記の誤検知を防止できる。しかしながら、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４が設置されていない領域にリボンヒータ１２１が配置されていないため、当該領域の温度が周囲の温度よりも低くなり、原料ガス供給管３０の均熱性が低下する。
これに対し、一実施形態の配管加熱装置１２０によれば、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４が設置される領域を除いて原料ガス供給管３０を覆うようにリボンヒータ１２１の発熱部１２１ａが配置されている。また、原料ガス供給管３０の外周面とサーマルスイッチ１２４との間に、原料ガス供給管３０よりも熱伝導率が高い材料により形成された熱伝導部材１２３が取り付けられている。これにより、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４が設置された領域に向かって、当該領域の周囲からの熱が熱伝導部材１２３を介して伝達するので、原料ガス供給管３０の均熱性が向上する。そのため、原料ガスが原料ガス供給管３０を通流する際に再固化することを抑制できる。その結果、原料ガスの再固化に起因するパーティクルの発生を防止できる。
なお、上記の例では、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４を設置する領域に熱伝導部材１２３を取り付ける場合を説明したが、熱伝導部材１２３は、例えば２つのリボンヒータ１２１の繋ぎ目やリボンヒータ１２１の端部等に取り付けてもよい。これにより、２つのリボンヒータ１２１の繋ぎ目やリボンヒータ１２１の端部等におけるガス配管の温度低下を抑制できるので、ガス配管の均熱性がより向上する。
〔評価結果〕
次に、一実施形態の配管加熱装置１２０の効果を確認するために実施した評価について説明する。
まず、原料ガス供給管３０の外周面に、図２～図４に示されるように、熱伝導部材１２３の一例であるアルミホイルを介してサーマルスイッチ１２４を配置し、サーマルスイッチ１２４を避けるようにリボンヒータ１２１を取り付けた。続いて、原料ガス供給管３０を１８０℃に加熱し、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４を配置した領域Ｐ３とサーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０とを含む１０箇所の温度を測定した。
また、比較のために、原料ガス供給管３０の外周面に熱伝導部材１２３の一例であるアルミホイルを配置することなくサーマルスイッチ１２４を配置し、サーマルスイッチ１２４を避けるようにリボンヒータ１２１を取り付けた。続いて、原料ガス供給管３０を１８０℃に加熱し、原料ガス供給管３０におけるサーマルスイッチ１２４を配置した領域Ｐ３とサーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０とを含む１０箇所の温度を測定した。
図５は、一実施形態の配管加熱装置による効果の説明図であり、アルミホイルを設けた場合（図５において菱形印で示す。）と設けていない場合（図５において三角印で示す。）の領域Ｐ１～Ｐ１０における温度［℃］を示す。
図５に示されるように、アルミホイルを配置した場合、サーマルスイッチ１２４を配置した領域Ｐ３における温度は１６８．１℃であり、サーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０における温度は１７４．１～１９１．８℃であった。これに対し、アルミホイルを配置していない場合、サーマルスイッチ１２４を配置した領域Ｐ３における温度は１５２．４℃であり、サーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０における温度は１７４．０～１９１．２℃であった。
これらの結果から、熱伝導部材１２３の一例であるアルミホイルを配置することにより、サーマルスイッチ１２４を配置した領域の温度が、サーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０と略同等の温度となることが分かる。一方、熱伝導部材１２３の一例であるアルミホイルを配置していない場合、サーマルスイッチ１２４を配置した領域の温度が、サーマルスイッチ１２４を配置していない領域Ｐ１～Ｐ２，Ｐ４～Ｐ１０の温度と比較して大きく低下していることが分かる。すなわち、原料ガス供給管３０の外周面とサーマルスイッチ１２４との間に熱伝導部材１２３を配置することにより、原料ガス供給管３０にサーマルスイッチ１２４を配置した場合であっても、原料ガス供給管３０の均熱性を向上できると言える。
なお、上記の実施形態において、原料ガス供給装置１０は原料ガス供給手段の一例であり、排気管８０、排気機構８２及び圧力調整部８４は排気手段の一例である。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１０ 原料ガス供給装置
２０ キャリアガス供給管
３０ 原料ガス供給管
４０ 希釈ガス供給管
６０ バイパス管
７２ 処理容器
８０ 排気管
８２ 排気機構
１１０ エバック配管
１２０ 配管加熱装置
１２１ リボンヒータ
１２１ａ 発熱部
１２３ 熱伝導部材
１２４ サーマルスイッチ
１５０ 制御部

Claims (8)

  1. ガス配管に設置されるセンサと、
    前記ガス配管における前記センサが設置される領域を除いて前記ガス配管を覆うように螺旋状に配置される発熱部を有する加熱手段と、
    前記ガス配管の外周面を覆い、前記ガス配管の外周面と前記センサとの間に取り付けられ、前記ガス配管よりも熱伝導率が高い材料により形成された熱伝導部材と、
    を有する、
    配管加熱装置。
  2. 前記熱伝導部材は、前記ガス配管をクランプするクランプ部材である、
    請求項１に記載の配管加熱装置。
  3. 前記ガス配管は、その内部に固体又は液体の原料を気化させた原料ガスを通流させる配管である、
    請求項１又は２に記載の配管加熱装置。
  4. 前記センサは、所定の温度以上になると前記発熱部への電力の供給を遮断するサーマルスイッチである、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の配管加熱装置。
  5. 前記加熱手段は、リボンヒータであり、
    前記発熱部は、抵抗発熱体を含む、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の配管加熱装置。
  6. 前記ガス配管の材料はステンレスであり、前記熱伝導部材の材料はアルミニウムである、
    請求項１乃至５のいずれか一項に記載の配管加熱装置。
  7. 基板を処理する処理容器と、
    前記処理容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給管を有する原料ガス供給手段と、
    前記原料ガス供給管を加熱する配管加熱装置と、
    を備え、
    前記配管加熱装置は、
    前記原料ガス供給管に設置されるセンサと、
    前記原料ガス供給管における前記センサが設置される領域を除いて前記原料ガス供給管を覆うように螺旋状に配置される発熱部を有する加熱手段と、
    前記原料ガス供給管の外周面を覆い、前記原料ガス供給管の外周面と前記センサとの間に取り付けられ、前記原料ガス供給管よりも熱伝導率が高い材料により形成された熱伝導部材と、
    を有する、
    基板処理装置。
  8. 基板を処理する処理容器と、
    前記処理容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給管を有する原料ガス供給手段と、
    前記処理容器内を排気する排気管を有する排気手段と、
    一端が前記原料ガス供給管に接続され、他端が排気管に接続されたエバック配管と、
    前記原料ガス供給管及び前記エバック配管の少なくともいずれかのガス配管を加熱する配管加熱装置と、
    を備え、
    前記配管加熱装置は、
    前記ガス配管に設置されるセンサと、
    前記ガス配管における前記センサが設置される領域を除いて前記ガス配管を覆うように螺旋状に配置される発熱部を有する加熱手段と、
    前記ガス配管の外周面を覆い、前記ガス配管の外周面と前記センサとの間に取り付けられ、前記ガス配管よりも熱伝導率が高い材料により形成された熱伝導部材と、
    を有する、
    基板処理装置。
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