KR100590131B1 - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

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오까베쯔네유끼
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도쿄 엘렉트론 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 열처리 장치는, 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와, 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와, 상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고, 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와, 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부를 구비한다. 상기 처리 가스 도입부, 상기 치환용 가스 도입부 및 상기 배기부에는 제어부가 접속되어 있다. 제어부는 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하고, 다음에 상기 처리 가스 도입부 및 상기 치환용 가스 도입부를 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하는 동시에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 높게 하고, 다음에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하도록 되어 있다.
열처리 장치, 피처리체, 반응 용기, 처리 가스 도입부, 치환용 가스 도입부, 배기부

Description

열처리 장치 및 열처리 방법 {HEAT TREATING METHOD AND HEAT TREATING DEVICE}
본 발명은 피처리체에 대하여 처리 가스를 공급하면서 열처리를 행하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 프로세스의 하나로 감압 CVD(Chemical vapor diposition) 처리라고 칭하는 방법에 의해 피처리체 상에 성막(成膜)을 행하는 프로세스가 있다. 이와 같은 성막 프로세스를 행하는 장치로서, 예를 들어 도9에 도시한 바와 같은 수직형 열처리 장치가 사용되고 있다. 이 수직형 열처리 장치는 피처리체에 배치(batch)식으로 열처리를 행하는 것이다. 구체적으로는, 수직형 열처리 장치는 석영제의 내관(11) 및 외관(12)의 이중관으로 이루어지는 원통형의 반응관(10)을 구비하고 있다. 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하 웨이퍼라 한다)(W)를 다수 보유 지지하는 웨이퍼 보트(13)가 반응관(10)의 하방측으로부터 반응관(10) 내에 반입된다. 반응관(10) 내부는 배기관(14)을 거쳐서 도시하지 않는 진공 펌프에 의해 진공 배기되고, 감압 분위기로 된다. 한편, 반응관(10) 내에는 처리 가스가 도입된다. 반응관(10)의 측 주위를 도시하지 않는 히터가 둘러싸고 있다. 그 히터에 의한 가열에 의해 웨이퍼(W)의 성막 처리가 행해진다.
성막 처리가 예를 들어 질화규소막의 성막 처리인 경우, 처리 가스로서는 예를 들어 암모니아(NH3) 가스 및 디클로로실란(SiH2Cl2)이 사용된다. 이 경우 가스 공급계를 간단하게 설명한다. 암모니아 가스는 가스 공급원(15a)으로부터 가스관(16a)을 거쳐서, 디클로로실란 가스는 가스 공급원(15b)으로부터 가스관(16b)을 거쳐서 반응관(10) 내에 각각 공급되도록 되어 있다. 또한, 외관(12)의 보수 사이클을 길게 하기 위해, 내관(11)과 외관(12) 사이에 퍼지 가스인 질소 가스가 가스 공급원(15c)으로부터 가스관(16c)을 거쳐서 공급되도록 되어 있다. 도면 부호 Vc1 및 부호 Vc2는 밸브이며, Mc는 유량 조절부이다. 또한, 가스관(16a)에는 상류측으로부터 차례로 밸브(Va1), 유량 조절부(Ma) 및 밸브(Va2)가 개재 설치되어 있다. 가스관(16b)에는 마찬가지로 밸브(Vb1), 유량 조절부(Mb) 및 밸브(Vb2)가 개재 설치되어 있다.
그런데, 상기 처리 가스는 유독하다. 따라서, 성막 처리 종료 후에 처리 완료 웨이퍼(W)가 반응관(10)으로부터 즉시 취출되면, 반응관(10) 내부 및 이에 연통하는 처리 가스 공급용의 가스관(16a, 16b) 내에 남아 있는 유독 처리 가스가 외부로 유출해 버릴 우려가 있다. 이 때문에, 성막 처리 종료 후, 질소 가스가 가스 공급원(15c)으로부터 치환 가스(퍼지 가스)로서 가스관(16a, 16b)에 유동하여 잔존하는 처리 가스를 질소 가스로 치환할 수 있도록 되어 있다.
구체적으로는, 가스관(16c)이 유량 조절부(Mc)의 상류에서 분기로(17a, 17b, 18a, 18b)의 4개로 분기되고 있다. 분기로(17a, 18a)는 가스관(16a)의 유량 조절부(Ma)에 대한 상류측과 하류측에 접속되고, 분기로(17b, 18b)는 가스관(16b)의 유량 조절부(Mb)에 대한 상류측과 하류측에 접속되어 있다. 분기로(17a)에는 밸브(Va3)가, 분기로(17b)에는 밸브(Vb3)가, 분기로(18a)에는 상류측으로부터 차례로 유량 조절부(Md) 및 밸브(Vd4)가, 분기로(18b)에는 상류측으로부터 차례로 유량 조절부(Me) 및 밸브(Vb4)가 각각 개재 설치되어 있다.
이상에서와 같이, 처리 가스 공급용 가스관(16a, 16b)에 대하여, 질소 가스의 공급이 각각 2개의 라인에 의해 행해지도록 되어 있다. 그 이유는, 처리 가스의 유량 조절 범위가 작고, 유량 조절부(Ma, Mb)의 최대 유량이 작기 때문이다. 즉, 분기로(18a, 18b)는 질소 가스의 유량을 확보하기 위해 설치되어 있는 것이다.
처리 가스를 제거하는 방법으로서, 본 발명자는 예를 들어 도10에 도시하는 방법을 검토하고 있다. 우선, 성막 프로세스가 종료된 시각(t1)에 있어서, 가스관(16a, 16b) 내부로의 모든 가스의 공급이 정지된다. 이에 의해, 그때까지의 프로세스 압력 13.3 Pa(0.1 torr)이 0.133 Pa까지 감압되도록 처리 가스가 배기로(15)측으로 배출된다. 그러나, 처리 가스가 배출되는 속도는 서서히 저하되게 된다. 이 때문에, 반응관(10) 내의 압력을 원래의 프로세스 압력까지 일단 상승시켜 질소 가스 분자와 처리 가스 분자의 충돌 확률을 높이기 위해, 가스관(16a, 16b)으로의 질소 가스의 공급이 개시된다(t2 시점). 이에 의해, 반응관(10) 내에 잔류하는 처리 가스의 희석율은 1.0 × 10-2까지 저하된다. 그런 후, 한꺼번에 감 압하도록 처리 가스가 배기로(14)측으로 배출된다(t3 시점). 그리고, 재차 가스관(16a, 16b)으로의 질소 가스의 공급이 개시되면(t4 시점), 처리 가스의 잔존 농도는 1.0 × 10-4 정도가 된다. 이와 같은 승강압을 반복함으로써, 반응관(10) 내의 처리 가스의 희석율이 안전 기준치 이하인, 예를 들어 1.0 × 10-14까지 저하된다.
그러나, 이와 같은 희석 처리에는, 예를 들어 30분 가까이나 긴 시간이 걸린다. 이는, 열처리 장치 본체로부터 이격된 장소에 동력 사용계가 설치되고, 그 내부에 가스 공급 유니트가 설치되어 있기 때문이다. 즉, 가스 공급 유니트로부터 열처리 장치 본체에 이르기까지의 이동 배관이 길기 때문에, 이 부분에 잔존하고 있는 처리 가스를 추출하려면 긴 시간이 걸리는 것이다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 성막 프로세스가 종료되고 나서 웨이퍼(W)를 반출할 때까지 긴 시간이 걸리고, 작업 처리량 저하의 요인의 하나로 되고 있었다.
본 발명은 이와 같은 사정을 기초로 하여 이루어진 것이며, 그 목적은 피처리체에 대하여 처리 가스를 공급해서 열처리를 행하는 열처리 장치 및 열처리 방법에 있어서, 피처리체의 반입으로부터 반출에 이르기까지 소용 시간을 단축할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명은 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와, 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와, 상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입 부와 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부와, 상기 처리 가스 도입부, 상기 치환용 가스 도입부 및 상기 배기부에 접속되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하고, 다음에 상기 처리 가스 도입부 및 상기 치환용 가스 도입부를 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하는 동시에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 높게 하고, 다음에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응실 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하도록 되어 있는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치이다.
이와 같은 특징에 따르면, 반응 용기의 가스 치환 처리를 단시간에 종료시킬 수 있고, 신속하게 피처리체의 반출 공정으로 이행할 수 있다.
바람직하게는, 상기 처리 가스 도입부는 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 유로와, 상기 반응 용기의 근방에 설치되고 상기 처리 가스 유로의 개폐를 행하는 제1 개폐 수단을 갖고 있으며, 상기 제어부는 상기 제1 개폐 수단을 제어하도록 되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 배기부는 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기로와, 상기 배기로 중에 설치되어 상기 배기로의 개폐를 조정하여 상기 반응 용기 내의 압력을 조정하기 위한 압력 조정 수단을 갖고 있으며, 상기 제어부는 상기 압력 조정 수단을 제어하도록 되어 있다.
이 경우, 열처리 장치는 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 제1 개폐 수단에 대한 상류측 부분과 상기 배기로를, 상기 반응 용기를 우회하여 접속하는 바 이패스로와, 상기 바이패스로의 개폐를 행하는 제2 개폐 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 경우, 더욱 바람직하게는, 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 바이패스로의 접속부에 대한 상류측 부분에 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 도입부가 설치되어 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 부치환용 가스 도입부는 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 유로와, 상기 부치환용 가스 유로의 개폐를 행하는 제3 개폐 수단을 갖고 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 제2 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단에도 접속되고, 상기 제1 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하여 그 처리 가스 유로 내를 승압 상태로 하고, 다음에 상기 제2 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스 유로 내의 가스를 상기 바이패스로를 거쳐서 배기하도록 되어 있다.
이와 같은 특징에 따르면, 예를 들어 반응 용기에 대하여 피처리체의 반입 및 반출을 행하고 있는 사이에, 처리 가스 유로 내의 가스 치환 처리를 행할 수 있다. 이 때문에 작업 처리량이 향상된다.
또한, 본 발명은 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와, 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와, 상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고, 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와, 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부를 구비한 열처리 장 치를 사용하여 피처리체를 열처리하는 방법에 있어서, 열처리 종료 후에 실시되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하는 제1 감압 공정과, 상기 제1 감압 공정 후에 실시되고, 상기 처리 가스 도입부 및 상기 치환용 가스 도입부를 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하는 동시에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 높게 하는 승압 공정과, 상기 승압 공정 후에 실시되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하는 제2 감압 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
또한, 본 발명은 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와, 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와, 상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고, 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와, 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부를 구비하고, 상기 처리 가스 도입부는 상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 유로와, 상기 반응 용기의 근방에 설치되고, 상기 처리 가스 유로의 개폐를 행하는 제1 개폐 수단을 갖고 있으며, 상기 제어부는 상기 제1 개폐 수단을 제어하도록 되어 있으며, 상기 배기부는 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기로와, 상기 배기로 중에 설치되고, 상기 배기로의 개폐를 조정하여 상기 반응 용기 내의 압력을 조정하기 위한 압력 조정 수단을 갖고 있으며, 상기 제어부는 상기 압력 조정 수단을 제어하도록 되어 있으며, 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 제1 개폐 수단에 대한 상류측 부분과 상기 배기로를, 상기 반응 용기를 우회하여 접속하는 바이패스로와, 상기 바이패스로의 개폐를 행하는 제2 개폐 수단을 더 구비하고, 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 바이패스로의 접속부에 대한 상류측 부분에, 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 도입부가 설치되어 있으며, 상기 부치환용 가스 도입부는, 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 유로와, 상기 부치환용 가스 유로의 개폐를 행하는 제3 개폐 수단을 갖고 있는 열처리 장치를 사용하여 피처리체를 열처리하는 방법이며, 상기 제1 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하여 그 처리 가스 유로 내부를 승압 상태로 하는 승압 공정과, 상기 승압 공정 후에 실시되고, 상기 제2 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스 유로 내의 가스를 상기 바이패스로를 거쳐서 배기하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법이다.
도1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 일 실시예를 도시하는 개략 구성도.
도2는 도1의 반응 용기를 도시하는 종단면도.
도3은 도1의 반응 용기를 도시하는 횡단면도.
도4는 질소 가스 도입용 가스관의 선단부를 설명하는 종단면도.
도5는 도1의 열처리 장치의 작용을 설명하기 위한 설명도.
도6은 도1의 열처리 장치에 있어서, 반응 용기로부터 처리 가스를 배기하는 프로세스에 대하여 설명하기 위한 특성도.
도7은 도1의 열처리 장치의 작용을 설명하기 위한 설명도.
도8은 도1의 열처리 장치의 작용을 설명하기 위한 설명도.
도9는 종래 기술에 따른 열처리 장치를 도시하는 개략 구성도.
도10은 종래 기술에 있어서, 반응 용기로부터 처리 가스를 배기하는 프로세스에 대하여 설명하기 위한 특성도.
도1은 본 발명에 따른 열처리 장치의 일 실시예를 도시하는 전체 개략도이다. 본 실시예의 수직형 열처리 장치는 반응 용기(2)를 구비하고 있다. 도2는 반응 용기(2)를 도시하는 종단면도이다. 도2에 도시하는 반응관(21)은, 예를 들어 석영에 의해 구성된다. 이 반응관(21)은 예를 들어, 내관(22) 및 외관(23)으로 이루어지는 이중관 구조로 되어 있다. 외관(23)은 내관(22)과 동축으로 적절한 간격을 형성하도록 설치되어 있다. 외관(23)의 상단은 폐색되어 있으며, 그 하방측은 금속성의 통형체인 매니폴드(24)가 기밀하게 접속되어 있다. 한편, 내관(22)의 상단은 개방되어 있다. 내관(22)은 매니폴드(24)의 내주면에 돌출되어 형성된 지지 링(25)에 지지되어 있다.
피처리체인 웨이퍼(W)는 웨이퍼 보트(보유 지지구)(27)에 선반형으로 적재된다. 보트 엘리베이터(26)가 매니폴드(24) 하방측의 개구부로부터 웨이퍼 보트(보유 지지구)(27)를 내관(22) 내에 반입하도록 되어 있다. 내관(22)은 피처리체인 웨이퍼(W)의 열처리 분위기를 형성한다. 보트 엘리베이터(26)에는 매니폴드(24) 하방측의 개구부를 폐색하는 것이 가능한 덮개체(28)가 설치되어 있다. 또한, 단열체(29a)가 반응관(21)의 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다. 단열체(29a)의 내벽 면에는, 예를 들어 저항 가열체로 이루어지는 히터(29b)가 설치된다. 단열체(29a) 및 히터(29b)는 가열로(29)를 구성하고 있다.
매니폴드(24)에 있어서의 지지 링(25) 보다도 하방 부위를, 처리 가스나 치환 가스 등을 반응 용기(2) 내에 도입하기 위한 복수의 가스 도입관(도면에는 편의상 하나만 도시되어 있다)이 관통되고 있다. 상기 가스를 내관(22)의 내측면에 따라 공급하기 위해서 가스 도입관의 선단부는 상방으로 굴곡하고 있다. 본 실시예에 있어서는, 가스 도입관은 처리 가스 유로인 가스관(5, 6) 및 치환 가스 유로인 가스관(7)에 상당한다. 한편, 매니폴드(24)에 있어서의 지지 링(25) 보다도 상방 부위의 주위면에는 배기 포트(30)가 형성되어 있다. 또한, 내관(22) 및 외관(23)으로의 박막의 부착을 방지하기 위해, 질소 가스 도입용의 가스관(4)이 매니폴드(24)에 있어서의 지지 링(25) 보다도 상방 부위를 관통하고 있다.
배기 포트(30)에는 배기로를 이루는 배기관(3)이 기밀하게 접속되어 있다. 이 배기관(3)에는 압력 조정 수단(31)을 거쳐서 진공 펌프(32)가 접속되어 있다. 압력 조정 수단(31)은 배기관(3)의 개방도를 조정하는 적절한 수단으로 구성될 수 있다. 제어부(100)는, 반응 용기(2) 내의 압력을 측정하는 압력계(101)로부터 얻어진 압력 측정값에 따라서 압력 조정 수단(31)을 제어한다. 즉, 배기관(3)의 개방도 조정을 행하도록 되어 있다. 또한, 제어부(100)는 압력 조정 수단(31)의 제어뿐만 아니라, 본 실시예에 있어서 사용되는 모든 밸브의 제어도 행하는 것이다.
다음에, 도3을 참조하면서 내관(22)의 내측에 가스를 도입하기 위한 복수의 가스 도입관에 대하여 설명한다. 가스 도입관은 도3에 도시한 바와 같이, 예를 들 어 3개가 설치되어 있다. 그 중 2개는 처리 가스 유로를 이루는 가스관(5, 6)이며, 1개는 치환 가스 유로를 이루는 가스관(7)이다. 가스관(5, 6)은 반응 용기(2)의 근방에 설치된 밸브 유니트(51, 61)를 거쳐 각각의 선단부(50, 60)에 연통하고 있다. 각 선단부(50, 60)는 내관(22)의 내측으로 돌입하고 있다. 밸브 유니트(51)는 도1에 도시한 바와 같이, 제1 개폐 수단인 밸브(51a)와 제2 개폐 수단인 밸브(51b)를 조합한 것이다. 또한, 마찬가지로, 밸브 유니트(61)도 제1 개폐 수단인 밸브(61a)와 제2 개폐 수단인 밸브(61b)를 조합시킨 것이다.
밸브(51a, 61a)는 각각 가스관(5, 6)을 개폐하는 것이다. 밸브(51b, 61b)는 각각 가스관(5, 6)에 있어서의 상기 밸브(51a, 61a)에 대한 상류측의 부분으로부터 분기하여 배기관(3)에 합류하는(접속된) 바이패스로(52, 62)를 개폐하는 것이다. 또한, 2개의 바이패스로(52, 62)는 도중에[배기관(3)에 접속되기 전에] 합류하고, 배기관(3)의 접속점(P1)에서 접속되어 있다.
여기서, 다시 도3을 참조하면서 가스관(7)에 대하여 설명한다. 가스관(7)은 반응 용기(2)의 근방에 설치된 밸브(71)를 거쳐서 선단부(70)에 연통하고 있다. 선단부(70)는 내관(22)의 내측으로 돌입하고 있다.
밸브 유니트(51, 61) 및 밸브(71)는 예를 들어 반응 용기(2)의 근방에 설치되는 공통의 고정 부재(20)에 고정되어 있다. 또한, 여기서는 생략되어 있지만, 반응 용기(2)에는 상술한 가스관(4 내지 7) 이외에도, 예를 들어 내벽에 부착된 부착물을 제거하기 위한 클리닝 가스 도입관 등도 내관(22)의 내측으로 돌입하여 설치될 수 있다.
그런데, 예를 들어 성막 처리 종료 후에 가스관(7)으로부터 반응 용기(2) 내에 대량의 질소 가스가 도입되면, 그 질소 가스의 압력에 의해 반응 용기(2) 내의 입자가 떠올라버릴 우려가 있다. 이 때문에, 가스관(7)의 선단은 예를 들어, 일본 특허 공개 평2000-58530호 공보에 기재된 세라믹 다공질층으로 덮어져 있는 것이 바람직하다. 세라믹 다공질층은, 예를 들어 도4에 도시한 바와 같은 실리카 다공질층(9)이다. 이 실리카 다공질층(9)은 도4에 도시한 바와 같이, 상단이 폐색된 통형체로서 구성되고, 가스관(7)의 선단과 용접에 의해 고착되어 있다. 실리카 다공질층(9)의 두께는 예를 들어 10 내지 50 ㎜이다.
다음에, 도1을 참조하면서, 이미 상술한 배관계, 즉 가스관(4, 5, 6, 7)의 기단측의 구조에 대하여 설명을 행한다. 가스관(4) 및 가스관(7)은 모두 반응 용기(2) 내에 질소 가스의 공급을 행하기 위해 설치되어 있다. 이 때문에, 이들 가스관(4, 7)의 기단측은 모두 밸브(4a)를 거쳐서 질소 가스 공급원(4b)과 공통으로 접속되어 있다. 가스관(4)에 있어서의 밸브(41)와 밸브(4a) 사이에는 다른 밸브(42) 및 유량 조절부(43)가 개재 설치되어 있다. 또한, 가스관(7)에 있어서의 밸브(4a)와 밸브(71) 사이에도 밸브(72) 및 유량 조절부(73)가 개재 설치되어 있다.
가스관(5)은 예를 들어 암모니아(NH3) 가스를 공급하는 것이며, 가스관(6)은 디클로로실란(SiH2Cl2) 가스를 공급하는 것이다. 가스관(5)에 있어서의 밸브 유니트(51)에 대한 기단측은 밸브(53), 유량 조절부(54) 및 밸브(55)를 거쳐서 암모니 아 가스의 가스 공급원(56)에 접속되어 있다. 가스관(6)에 있어서의 밸브 유니트(61)에 대한 기단측은 밸브(63), 유량 조절부(64) 및 밸브(65)를 거쳐서 디클로로실란 가스의 가스 공급원(66)에 접속되어 있다. 또한, 가스관(5, 6)에는 각각 가스관(4)에 있어서의 밸브(4a)와 유량 조절부(43) 사이로부터 분기하는 부치환 가스 유로인 분기로(8a, 8b)가 접속되어 있다. 이에 의해, 가스관(5, 6)에는 질소 가스 공급원(4b)으로부터 질소 가스가 도입될 수 있도록 되어 있다.
분기로(8a)의 선단은 가스관(5)에 있어서의 유량 조절부(54)와 밸브(55) 사이의 P2점에 접속되어 있다. 분기로(8b)의 선단은 가스관(6)에 있어서의 유량 조절부(64)와 밸브(65) 사이의 P3점에 접속되어 있다. 또한, 분기로(8a)에는 제3 개폐 수단에 상당하는 밸브(81)가 개재 설치되어 있다. 또한, 분기로(8b)에도 제3 개폐 수단에 상당하는 밸브(82)가 개재 설치되어 있다. 이들 분기로(8a, 8b)는 모두, 예를 들어 열 처리 프로세스가 종료되어 밸브(55, 65)가 폐쇄된 후에, 가스관(5, 6) 내에 잔류하는 처리 가스와 질소 가스를 치환하기 위한 것이다.
다음에, 상술한 장치에 의한 작용에 대하여 질화 규소막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다. 예를 들어 150장의 웨이퍼(W)가 웨이퍼 보트(27)에 선반형으로 적재된다. 이 웨이퍼 보트(27)가 보트 엘리베이터(26)에 의해 매니폴드(24)의 하방측에 설치된 개구부로부터 내관(22) 내로 반입된다. 이 개구부는 덮개체(28)에 의해 기밀하게 밀봉된다. 다음에, 히터(29b)에 의해 반응관(21) 내부가 예를 들어 760 ℃ 정도까지 가열된다. 그리고, 배기 유량을 조절함으로써 반응관(21) 내의 압력이 예를 들어 133 × 10-1 Pa(1.0 × 10-1 Torr)로 조절된다. 한편, 가스관(5) 및 가스관(6)을 거쳐서, 처리 가스인 암모니아 가스 및 디클로로실란 가스가 각각 공급되고, 웨이퍼(W)로의 성막 처리가 행해진다.
이 성막 프로세스에 있어서의 가스의 유동이, 도5에 도시되어 있다. 도5에 있어서, 통류(通流) 상태가 실선, 비통류 상태가 점선으로 표시되어 있다. 도5에 도시한 바와 같이, 가스관(5, 6) 내에는 처리 가스가 통류되고 있다. 또한, 가스관(4) 내에는 이미 상술한 바와 같이, 처리 가스의 반응에 의해 생기는 반응 생성물이 외관(23) 내벽에 부착되는 것을 방지하기 위해 질소 가스가 통류된다. 한편, 가스관(7)은 도면에 도시한 바와 같이, 밸브(72)를 폐쇄하고 있기 때문에 질소 가스의 통류는 없다. 또한, 밸브(81) 및 밸브(82)도 폐쇄되어 있기 때문에 분기로(8a, 8b)에 있어서의 각 밸브(81, 82)의 하류측에도 질소 가스는 통류되지 않는다. 또한, 성막 프로세스 시에는 가스가 통류되는 가스관(5, 6) 중 어느 것에 있어서도 밸브 유니트(51, 61)에 있어서의 분기로측의 밸브(51b, 61b)가 폐쇄되어 있다. 이 때문에, 진공 펌프(32)의 흡인력은 반응관(21) 측에만 미치고 있다. 이 때, 제어부(100)는 반응 용기(2) 내를 이미 상술한 프로세스 압력, 예를 들어 133 × 10-1 Pa(1.0 × 10-1 Torr)로 유지되도록 압력 조정 수단(31)을 제어하고 있다.
이어서, 도6 내지 도8을 참조하면서, 성막 프로세스 종료 후에 반응 용기(2) 내부 및 가스관(5, 6) 내부에 잔류하는 처리 가스를 배출하는 공정에 대하여 설명한다. 도6은 반응 용기(2)에 있어서의 내부 압력의 시간 경과 변화를 도시하는 동 시에, 처리 가스의 잔존 농도(희석율)를 더불어 표시한 특성도이다. 도6에 도시하는 바와 같이, t1 시점에 있어서, 성막 프로세스가 종료되면 밸브(55, 65)가 폐쇄되어 가스관(5, 6)으로의 처리 가스의 통류가 정지된다. 또한, 밸브(51a, 61a)가 폐쇄되는 동시에 압력 조정 수단(31)이 전부 개방된다(도7 참조). 이에 의해, 반응 용기(2) 내부는 급격히 감압 상태로 이행된다. 이 때, 반응 용기(2) 내의 압력은 예를 들어 133 × 10-3 Pa(1.0 × 10-3 Torr)로 유지된다.
다음에, t2 시점에 있어서, 일단 압력 조정 수단(31)이 폐쇄되고, 밸브(71)가 개방되어 가스관(7)으로부터의 질소 가스의 도입이 개시된다. 그런 후, 치환 가스와 반응 용기(2) 내에 잔류하는 처리 가스를 치환하면서[반응 용기(2)로부터 배기는 계속되고 있다] 반응 용기(2) 내의 압력을 성막 프로세스 이상의 압력까지 높인다. 이 승압 공정은 반응 용기(2) 내에 질소 가스를 도입하여 반응 용기(2) 내의 압력을 높이고 잔존하는 처리 가스 분자와 질소 가스 분자의 충돌 확률을 높이는 것을 목적으로 하여 행해진다. 이에 의해, 나중에 행하는 감압 공정시에 있어서, 보다 많은 처리 가스가 배출될 수 있다. 이 승압 공정에 있어서, 가스관(7)으로부터의 질소 가스는 반응 용기(2) 내에 한꺼번에 유입된다. 여기서, 가스관(7)의 가스 출구에 실리카 다공질층(9)이 제공되어 있으면, 질소 가스는 균일하게 확산되어 반응 용기(2) 내의 입자를 떠올리는 일 없이 대유량으로 도입된다. 반응 용기(2) 내부는 예를 들어 133 × 102 Pa까지 승압되고, 처리 가스의 희석율은 예를 들어 1.0 × 10-2 가 된다.
처리 가스와 치환하기에 충분한 양의 질소 가스가 도입되는 시간, 예를 들어 5분 정도, 상기 승압된 압력 상태가 유지된 후, t3 시점에 있어서, 압력 조정 수단(31)이 해제된다. 이에 의해, 예를 들어 먼저 행한 첫번째 감압 공정시와 동일한 133 × 10-3 Pa까지 반응 용기(2) 내부가 감압된다. 이에 의해, 처리 가스는 질소 가스와 함께 배기된다. 이와 같은, 승강압을 반복함으로써 반응 용기(2) 내의 처리 가스의 희석율이 예를 들어 반응 용기(2)를 개방하는 것이 가능한 안전 희석율 이하의, 예를 들어 1.0 × 10-14 정도까지 저하된다. 그 후, 압력 조정 수단(31)이 폐쇄된 상태에서 가스관(7)으로부터 질소 가스를 반응 용기(2) 내에 도입하여 반응 용기(2) 내부가 대기압까지 복귀된다. 그 후, 웨이퍼 보트(27)가 하강된다. 또한, 이 감압 상태를 유지하는 시간은 예를 들어 5분 정도이다.
반응 용기(2) 내에 잔류하는 처리 가스의 희석율이 안전 희석율 이하의, 예를 들어 1.0 × 10-14까지 저하된 후, 상기 반응 용기(2) 내부가 대기압으로 복귀되기 시작할 때, 이에 병행하여 처리 가스 공급용의 가스관(5, 6) 내에 잔류하는 처리 가스를 질소 가스와 치환하는 작업이 개시된다. 즉, 반응 용기(2) 측에서는 웨이퍼 보트(27)의 하강 및 웨이터 보트(27)로부터의 웨이퍼(W)의 반출 등을 행하면서 동시에 가스관(5, 6) 내의 처리 가스의 치환 처리가 행해진다.
구체적으로는, 도8에 도시한 바와 같이, 도7의 상태에서 밸브(71)가 폐쇄되고, 반응 용기(2)로의 질소 가스의 공급이 정지된다. 한편, 밸브(81) 및 밸브(82)가 개방되고, 질소 가스가 분기로(8a, 8b)로부터 가스관(5, 6)으로 도입된다. 이 때, 밸브 유니트(51, 61)에서는 밸브(51a, 51b) 및 밸브(61a, 61b)의 양쪽이 폐쇄되어 있으며, 바이패스로(52, 62)와 가스관(5, 6) 사이에는 통류(연통)하고 있지 않다. 이 때문에, 상류측으로부터 공급되는 질소 가스의 압력에 의해, 가스관(5) 내부 및 가스관(6) 내부는 한꺼번에 가압된다. 그리고, 관내 압력이 예를 들어 2기압까지 상승된 시점에서 밸브(51b, 61b)가 개방되고, 가스관(5, 6)과 바이패스로(52, 62)가 연통된다. 이에 의해, 관 내부에 잔류하는 처리 가스는 질소 가스와 함께 배기관(3) 측으로 유출된다. 이 질소 가스 도입에 의한 가압과 배기를 반복하는 가스관(5, 6)에 있어서의 승강압 공정은 처리 가스 농도가 일정치로 저하될 때까지 반복된다.
상술한 실시예에 의하면, 처리 가스 공급용 가스관(5, 6)의 각각의 반응 용기(2)의 근방 위치에 제1 개폐 수단인 밸브(51a, 61a)가 설치되어 있다. 이 때문에, 성막 프로세스 종료 후에 내부의 처리 가스를 배출해야 할 공간이 분리되고, 우선 반응 용기(2) 내부가 감압 상태가 되고, 이어서, 가스관(7)으로부터 반응 용기(2) 내에 질소 가스가 도입되어 반응 용기(2) 내부가 열처리 시의 압력보다도 높은 압력이 되고, 그 후, 재차 반응 용기(2) 내부가 감압 상태가 된다. 이에 의해, 반응 용기(2) 내의 가스 치환 처리가 단시간에 종료되어 신속하게 웨이퍼(W)의 반출 공정으로 이행할 수 있다. 열처리 종료 후, 반응 용기 내의 처리 가스 농도가 안전 기준치 이하로 되기까지의 시간은, 예를 들어 종래 기술의 항목에서 상술한 도9에 도시하는 장치를 사용한 시퀀스로는 약 25분이었지만, 본 실시예에 있어서의 시퀀스에서는 약 15분이었다.
또한, 본 실시예에 의하면, 웨이퍼(W)의 이동 적재를 행하고 있는 사이에 처리 가스 유로인 가스관(5, 6)의 가스 치환 처리가 행해진다. 이 때문에, 가스관(5, 6)에 있어서의 가스 치환 처리의 시간에 대해서는 작업 처리량에 영향을 주는 일이 없다. 또한, 가스관(5, 6)의 잔류 가스를 제거해 두는 것은 다음의 열처리를 양호하게 행하기 위해 유효하다.
또한, 분리된 처리 가스 유로의 가스 치환 처리에 대해서는 가스 치환해야 할 영역 내에 대량의 치환 가스가 도입되어 그 영역 내부가 승압되고 단시간에 처리 가스와 치환 가스의 분자끼리 충돌하는 확률이 높아지고, 그런 후, 급격하게 그 승압 상태가 감압 상태로 이행된다. 이 때문에, 통상적으로 진공 해제를 할 때에 비해, 처리 가스의 치환을 단시간에 완료시킬 수 있다. 또는, 이와 같은 승강압을 반복함으로써 그 효과가 한층 높아진다.
또한, 열처리 후에 밸브(51a, 61a)가 개방된 상태로 우선 진공 해제가 행해지기고 나서 밸브(51a, 61a)를 폐쇄하는 동시에 치환 가스를 반응 용기(2) 내에 도입하여 열처리시의 압력 보다도 높게 하는 공정이 실시되어도 좋다.
또한, 상술한 실시예에서는 반응 용기(2)에 이중관 구조의 것을 사용하도록 했지만, 본 발명은 예를 들어 단관(單管)으로 이루어지는 반응 용기를 사용한 장치에도 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와,
    상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와,
    상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와,
    상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부와,
    상기 처리 가스 도입부, 상기 치환용 가스 도입부 및 상기 배기부에 접속되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하고, 다음에 상기 처리 가스 도입부 및 상기 치환용 가스 도입부를 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하는 동시에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 높게 하고, 다음에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하도록 되어 있는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 처리 가스 도입부는,
    상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 유로와,
    상기 반응 용기의 근방에 설치되고 상기 처리 가스 유로의 개폐를 행하는 제1 개폐 수단을 갖고 있으며,
    상기 제어부는 상기 제1 개폐 수단을 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배기부는,
    상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기로와,
    상기 배기로 중에 설치되고 상기 배기로의 개폐를 조정하여 상기 반응 용기 내의 압력을 조정하기 위한 압력 조정 수단을 갖고 있으며,
    상기 제어부는 상기 압력 조정 수단을 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 제1 개폐 수단에 대한 상류측 부분과 상기 배기로를, 상기 반응 용기를 우회하여 접속하는 바이패스로와,
    상기 바이패스로의 개폐를 행하는 제2 개폐 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 바이패스로의 접속부에 대한 상류측 부분에, 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 도입부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 부치환용 가스 도입부는,
    상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 유로와,
    상기 부치환용 가스 유로의 개폐를 행하는 제3 개폐 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단에도 접속되고, 상기 제1 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하여 상기 처리 가스 유로 내부를 승압 상태로 하고, 다음에 상기 제2 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스 유로 내의 가스를 상기 바이패스로를 거쳐서 배기하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와,
    상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와,
    상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고, 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와,
    상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부를 구비한 열처리 장치를 사용하여 피처리체를 열처리하는 방법이며,
    열처리 종료 후에 실시되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하는 제1 감압 공정과,
    상기 제1 감압 공정 후에 실시되고, 상기 처리 가스 도입부 및 상기 치환용 가스 도입부를 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하는 동시에 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 높게 하는 승압 공정과,
    상기 승압 공정 후에 실시되고, 상기 배기부를 제어하여 상기 반응 용기 내의 압력을 열처리시 보다도 낮게 하는 제2 감압 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  9. 피처리체가 반입 및 반출되는 반응 용기와,
    상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입부와,
    상기 처리 가스 도입부와는 별개로 설치되고, 상기 반응 용기 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 치환용 가스 도입부와,
    상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기부를 구비하고,
    상기 처리 가스 도입부는,
    상기 반응 용기 내에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 유로와,
    상기 반응 용기의 근방에 설치되고, 상기 처리 가스 유로의 개폐를 행하는 제1 개폐 수단을 갖고 있으며,
    상기 제어부는 상기 제1 개폐 수단을 제어하도록 되어 있으며,
    상기 배기부는, 상기 반응 용기 내의 가스를 배출하기 위한 배기로와, 상기 배기로 중에 설치되고, 상기 배기로의 개폐를 조정하여 상기 반응 용기 내의 압력 을 조정하기 위한 압력 조정 수단을 갖고 있으며,
    상기 제어부는 상기 압력 조정 수단을 제어하도록 되어 있으며,
    상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 제1 개폐 수단에 대한 상류측 부분과 상기 배기로를, 상기 반응 용기를 우회하여 접속하는 바이패스로와,
    상기 바이패스로의 개폐를 행하는 제2 개폐 수단을 더 구비하고,
    상기 처리 가스 유로에 있어서의 상기 바이패스로의 접속부에 대한 상류측 부분에, 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 도입부가 설치되어 있으며,
    상기 부치환용 가스 도입부는, 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하기 위한 부치환용 가스 유로와, 상기 부치환용 가스 유로의 개폐를 행하는 제3 개폐 수단을 갖고 있는, 열처리 장치를 사용하여 피처리체를 열처리하는 방법이며,
    상기 제1 개폐 수단 및 상기 제3 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스의 도입을 정지하여 상기 처리 가스 유로 내에 치환용 가스를 도입하여 상기 처리 가스 유로 내를 승압 상태로 하는 승압 공정과,
    상기 승압 공정 후에 실시되고, 상기 제2 개폐 수단을 제어하여 상기 처리 가스 유로 내의 가스를 상기 바이패스로를 거쳐서 배기하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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