WO2002095086A1 - Systeme de refroidissement par fluide de refroidissement et dispositif de traitement equipe de ce systeme de refroidissement - Google Patents
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Description
明 細 書 冷却液による冷却機構および冷却機構を備えた処理装置 技 術 分 野
本発明は、 加熱手段によって昇温される部材を冷却するための冷却液による冷 却機構、 および、 そのような冷却機構を備えて半導体ウェハ等に処理ガスによる 成膜等の処理を施す処理装置に関する。 背 景 技 術
一般に、 半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ゥ ェハに対して、 成膜処理、 エッチング処理、 酸化処理、 拡散処理等の各種の処理 が行われる。
この場合、 例えば或る種の処理では、 処理容器内に処理ガスを導入するための シャワーへッドの表面等に反応副生成物が付着することは避けられない。 そして、 この種の反応副生成物は、 処理時にパーティクル等の発生原因となる。 そこで、 処理容器を大気開放することなく反応副生成物を除去するために、 シャワーへッ ド部等を加熱することで、 反応副生成物を昇華させることが定期的ないし不定期 に行われている。
このことを図 3を参照して説明する。 図 3は従来の半導体ウェハ処理装置を示 す模式図である。 図 3に示すように、 この処理装置は、 下部に設けた排気口 2か ら真空引き可能になされた処理容器 4を有している。 この処理容器 4中には、 抵 抗加熱ヒ一夕 6を有するサセプ夕 8が設けられ、 その上面に半導体ウェハ Wを載 置するようになっている。
この処理容器 4の天井板 1 4には、 多数のガス噴出口 1 0を有するシャワーへ ッド 1 2が取り付けられている。 このシャワーへヅド 1 2は、 成膜ガスなどの処 理ガスを処理容器 4内へ導入するためのものである。 このシャワーへヅド 1 2に は、 必要に応じてこれを加熱するための抵抗加熱式のへヅ卞ヒー夕 1 6が埋め込 まれている。 また、 天井板 1 4には、 必要時に上記シャワーヘッド 1 2を間接的
に冷却するための冷却パイプ 1 8が埋め込まれている。 この冷却パイプ 1 8には、 ポンプ 2 0によって冷却水等の冷却液 Cが流されるようになつている。
さて、 このような処理装置において、 或る程度のウェハ枚数を処理 （例えば成 膜処理） すると、 シャワーヘッド 1 2の表面に昇華性の反応副生成物が付着する。 そこで、 へヅドヒ一夕 1 6に通電して、 反応副生成物が昇華する温度 (例えば 1 6 0 °C程度） までシャワーヘッド 1 2を昇温させ、 この温度を所定の時間維持す る。 そして、 反応副生成物を昇華させた後に、 直ちに通常の処理 （例えば成膜処 理） を行うために、 シャワーヘッド 1 2を降温させる。 すなわち、 冷却パイプ 1 8に冷却液を流して、 シャワーへヅド 1 2を成膜処理が行える温度 （例えば 6 0 °C程度） まで間接的に冷却する。
ところで、 処理のスループヅトを上げるためには、 シャワーへヅド 1 2の温度 を迅速に所定の温度まで降温させて、 直ちに成膜処理を開始する必要がある。 し かし、 上記のような装置では、 シャワーヘッド 1 2を取り付ける天井板 1 4の冷 却パイプ 1 8に冷却液を流して、 シャワーへヅド 1 2を間接的に冷却するので、 冷却に要する時間が長く （例えば 2 0分以上） 、 スループット低下の原因となつ ている。
この場合、 冷却パイプ 1 8を天井板 1 4ではなくシャワーへッド 1 2自体に通 して、 シャワーヘッド 1 2を直接的に冷却することも考えられる。 しかし、 その 場合には、 高温状態のシャワーへヅド 1 2によって冷却パイプ 1 8内の冷却液が 急激に加熱されて蒸気化し、 圧力が急上昇してしまう。 その結果、 急上昇した圧 力が、 冷却液系統、 すなわち冷却パイプ 1 8に接続された配管やポンプ 2 0に直 接的に加わり、 これらに損傷を与える恐れがある。
そこで、 冷却液系統に圧力による損傷を与えることなく、 シャワーヘッド等の 冷却すべき部材を迅速に降温させることのできるような冷却機構を備えた処理装 置が望まれる。 発 明 の 開 示
本発明は、 以上のような点に着目してなれたものであり、 第 1の観点からは、 加熱手段によって昇温される部材を冷却するための冷却機構において、 前記部材
内を通る冷却流路を有する冷却液用の主流路と、 前記部材を迂回するように前記 主流路に接続されたバイパス流路と、 前記部材の昇温時には前記冷却流路の冷却 液の流れを停止し、 前記部材の降温時には、 前記冷却流路と前記バイパス流路の 両者へ冷却液を流すよう、 冷却液の流れを制御する冷却液制御システムとを備え たことを特徴とする冷却機構を提供する。
例えば、 前記冷却液制御システムは、 前記主流路における、 前記バイパス流路 との分岐部と、 前記冷却流路の入口側との間に介設された入口開閉弁と、 前記主 流路における、 前記バイパス流路との合流部と、 前記冷却流路の出口側との間に 介設された出口開閉弁と、 前記バイパス流路に介設されたバイパス開閉弁と、 前 記入口開閉弁、 前記出口開閉弁および前記バイパス開閉弁を制御する弁制御器と を有する。
その場合、 前記主流路における、 前記冷却流路の入口側と前記入口開閉弁との 間、 および前記冷却流路の出口側と前記出口開閉弁との間の少なくとも一方に、 圧カリリーフ弁が接続されていることが好ましい。
また、 本発明は、 第 2の観点からは、 被処理体を収納する処理容器と、 この処 理容器内に処理ガスを導入するためのシャワーへヅドと、 このシャワーへヅドを 昇温させるための加熱手段と、 前記シャワーへッドを通る冷却流路を有する冷却 液用の主流路と、 前記シャワーへッドを迂回するように前記主流路に接続された バイパス流路と、 前記シャワーへッドの昇温時には前記冷却流路の冷却液の流れ を停止し、 前記シャワーヘッドの降温時には、 前記冷却流路と前記バイパス流路 の両者へ冷却液を流すよう、 冷却液の流れを制御する冷却液制御システムとを備 えたことを特徴とする処理装置を提供する。
この処理装置においては、 前記バイパス流路は、 前記シャワーヘッドから熱的 に分離されていることが好ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明による冷却機構を備えた処理装置の一実施形態を示す模式図。 図 2は、 図 1に示す冷却機構の動作を （A) 通常処理時、 （B ) シャワーへヅ ド昇温時、 （C ) シャワーヘッド降温時に分けて説明する図。
図 3は、 従来の冷却機構を備えた処理装置を示す模式図である。 発明の実施の形態
以下に、 本発明による冷却機構を備えた処理装置の一実施形態として、 半導体 ウェハに成膜処理等の処理を行うための装置について、 添付図面を参照して説明 する。
図 1に示す処理装置 2 2は、 例えばアルミニウム等により円筒状に成形された 処理容器 2 4を有している。 この処理容器 2 4内には、 上面に被処理体としての 半導体ウェハ Wを載置するためのサセプ夕 2 6が底部より起立させて設けられて いる。 このサセプ夕 2 6には、 ウェハ Wの加熱源として抵抗加熱ヒー夕 2 8が内 蔵されている。 尚、 抵抗加熱ヒー夕 2 8に代えて、 加熱ランプを用いるようにし てもよい。
また、 処理容器 2 4の底部には、 排気口 3 0が設けられている。 この排気口 3 0には、 図示しない真空ポンプ等が介設された排気系が接続されており、 処理容 器 2 4内の雰囲気を真空引きできるようになつている。 処理容器 2 4の側壁には、 開閉可能なゲートバルブ 3 2が設けられている。 このゲートバルブ 3 2を介して、 処理容器 2 4に対して半導体ウェハ Wを搬出入するようになっている。
処理容器 2 4の天井部は、 開閉可能になされた、 例えばアルミニウム製の天井 板 3 4によって密閉されている。 この天井板 3 4の下面側に、 処理容器 2 4内へ 処理ガスを導入するためのシャワーへヅド 3 6が取り付けられている。 このシャ ヮ一へヅ ド 3 6は、 例えばアルミニウムで短円筒状に形成されたシャワーへヅ ド 本体 3 8を有している。 この本体 3 8の内部には、 ガス拡散室 4 0が形成さてい る。 このガス拡散室 4 0に連通させてガス導入口 4 2が形成され、 所定の処理ガ スがガス拡散室 4 0内へ導入されるようになっている。 尚、 使用するガス種に応 じて、 このガス導入口 4 2も複数個設けられる。
そして、 このシャワーヘッド本体 3 8の底面 （サセプ夕 2 6との対向面） には、 処理ガスを処理空間 Sへ供給するための、 ガス拡散室 4 0に連通した多数のガス 噴出口 4 4が設けられている。 尚、 ガス拡散室 4 0内に、 ガスを拡散させるため の拡散孔を有する拡散板を設けるようにしてもよい。
また、 シャワーへヅ ド本体 3 8の側壁には、 シャワーへヅ ド 3 6を昇温させる ための加熱手段として、 棒状の抵抗加熱式へッドヒータ 4 6が周方向に所定間隔 で多数本埋め込-まれている。 各ヘッドヒー夕 4 6は、 天井板 3 4を貫通して、 シ ャヮ一へッド本体 3 8の側壁内を略垂直に延びている。 これらのへッドヒ一夕 4 6により、 必要に応じてシャワーへヅ ド本体 3 8を直接加熱し得るようになって いる。 尚、 ヘッドヒータとして、 棒状のヒー夕に代えて、 シースヒータをシャヮ —へッド本体 3 8にリング状に埋め込むようにしてもよい。
そして、 このシャワーヘッド 3 6に関連して、 本発明の特徴とする冷却機構 4 8が設けられている。 この冷却機構 4 8は、 シャワーヘッド本体 3 8の側壁を周 方向に貫いて螺旋状に延びる冷却流路 5 0を有している。 このシャワーへッド 3 6における冷却流路 5 0の入口側と出口側とには、 それそれ入口側流路 5 2と出 口側流路 5 4とが接続されている。 これらの冷却流路 5 0、 入口側流路 5 2およ び出口側流路 5 4により、 冷却液用の主流路が構成されている。 ここでは冷却液 として冷却水を用いることができる。 各流路 5 2、 5 4には、 それそれ入口開閉 弁 V 1と出口開閉弁 V 2とが介設されている。 また、 入口側流路 5 2には、 冷却 水を送水する送水ポンプ 5 6が介設されている。
主流路には、 シャワーヘッド 3 6の冷却流路 5 0を迂回するようにして、 シャ ヮ一へッド 3 6から熱的に分離されたバイパス流路 5 6が接続されている。 具体 的には、 バイパス流路 5 6は、 入口側流路 5 2のにおける入口開閉弁 V Iと送水 ポンプ 5 6との間の部分と、 出口側流路 5 4における出口開閉弁 V 2の下流側の 部分とを連絡するように接続されている。 そして、 このバイパス流路 5 6の上流 側には、 その開閉を行うバイパス開閉弁 V 3が介設されている。 各開閉弁 V I〜 V 3と、 それらの開閉を制御する弁制御器 5 8とで、 冷却液制御システム 6 0が 構成されている。 この冷却液制御システム 6 0により、 シャワーヘッド 3 6の
(へヅ ドヒータ 4 6による） 昇温時には、 冷却流路 5 0への冷却水の供給を停止 し、 シャワーヘッド 3 6の降温時には、 冷却流路 5 0とバイパス流路 5 6の両者 へ冷却水を流すように制御される。
そして、 出口側流路 5 4における、 冷却流路 5 0の出口側と出口開閉弁 V 2と の間に、 圧力リリーフ弁 V 4が （分岐管を介して） 接続されている。 このリリー
フ弁 V 4により、 上記シャワーへッド 3 6の昇温時に、 冷却流路 5 0内の圧力が 設定圧力以上になった時にこれを開放できるようになつている。 リリーフ弁 V 4 の開放圧力は、 ポンプ 5 6による冷却水の送水圧よりも高く、 例えば 2 k g/ c m2程度に設定される。 尚、 このリリーフ弁 V 4に代えて、 或いは当該リリーフ弁 V 4に加えて、 入口側流路 5 2における、 冷却流路 5 0の入口側と入口開閉弁 V 1との間にリリーフ弁を接続してもよい。
また、 入口側流路 5 2における冷却流路 5 0の入口側と入口開閉弁 V Iとの間 に、 冷却流路 5 0内の圧力をモニタするための圧力計 6 4が接続されている。 次に、 以上のように構成された本実施形態の処理装置の'動作について、 図 2も 参照して説明する。
まず、 通常処理時には、 処理容器 2 4内のサセプ夕 2 6上にウェハ Wを載置す る。 そして、 サセプ夕 2 6上のウェハ Wをヒ一夕 2 8により所定の処理温度に維 持する。 また、 シャワーヘッド 3 6から処理容器 2 4内に所定の処理ガスを供給 すると共に、 処理容器 2 4内の雰囲気を排気して所定の処理圧力を維持しながら 処理を行う。
例えば、 ウェハ表面上にタングステン膜を堆積させる成膜処理を例にとれば、 処理ガスとして W F 6ガスと S i H4、 H 2、 A r、 Ν 2等のガスを用い、 処理温度 としてウェハ Wを 4 1 0〜4 5 0 °C程度に維持し、 また、 処理圧力は 1 0 6 6 6 〜4 0 0 0 0 P a程度に維持する。
この時、 シャワーヘッド本体 3 8の冷却流路 5 0に、 図 2 (A) に示すように 冷却水 Cを流して、 このシャワーヘッド本体 3 8を例えば 6 0 °C程度の一定温度 に維持する。 これにより、 シャワーヘッド本体 3 8に反応副生成物等が付着し難 く、 安定した処理が行われるようにする。 この場合、 弁制御器 5 8は、 図 2
(A) に示すように、 入口開閉弁 V 1および出口開閉弁 V 2はそれそれ開状態に するが、 バイパス開閉弁 V 3は閉状態にしてバイパス流路 5 6に冷却水を流さな いようにする。
さて、 このようにして或る程度の枚数のウェハに対して成膜処理等の処理を連 続的に行うと、 上記シャワーへッド本体 3 8の底面側には反応副生成物が少しず つではあるが堆積して行く。 そして、 この反応副生成物の堆積量が、 パーテイク
ル発生防止の見地から除去すべき量までに至ることになる。
そこで、 この堆積した反応副生成物の除去操作を、 例えばウェハを所定枚数処 理する毎に定期的に、 或いは不定期に行うことになる。 そのためには、 シャワー へ、 J、 ド本体 3 8の温度を反応副生成物の昇華温度まで昇温させる。 例えば反応副 生成物が T i F x (xは正の整数） である場合は、 1 6 0 °C程度の温度で容易に 昇華により除去することができる。
この昇温時には、 図 2 (B ) に示すように、 入口開閉弁 V Iおよび出口開閉弁 V 2を共に閉状態として、 シャワーへッド本体 3 8の冷却流路 5 0における冷却 水の流れを停止する。 これと同時に、 バイパス流路 5 6のバイパス開閉弁 V 3を 開状態にして、 バイパス流路 5 6に冷却水 Cを流す。 すなわち、 シャワーヘッド 本体 3 8の冷却流路 5 0を迂回させるようにして、 バイパス流路 5 6に冷却水 C を流す。 これと同時に、 シャワーヘッド本体 3 8に埋め込んであるヘッドヒー夕 4 6 (図 1 ) に十分な電力を投入して、 シャワーヘッド本体 3 8を上記昇華温度 (例えば 1 6 0 °C) まで昇温させる。 この状態を所定の時間維持することにより、 シャワーへッド本体 3 8の底面側に付着していた反応副生成物を昇華させて飛ば してしまう。 尚、 処理容器 2 4内の雰囲気は真空引きされているので、 昇華した 反応副生成物の気体は容器外へ排出されることになる。
このシャワーヘッド本体 3 8の昇温中には、 冷却流路 5 0内に閉じ込められて いる冷却水が加熱されて蒸気化し、 冷却流路 5 0内の圧力を上昇させる。 そして、 冷却流路 5 0内の圧力が一定以上になると、 圧カリリーフ弁 V 4が自動的に開動 作して圧力を逃がすように作用する。 従って、 冷却流路 5 0内の圧力が過度に昇 圧するのを防止することができる。
このようにして、 反応副生成物の除去操作が完了したならば、 スループット向 上のために、 次のウェハ Wに対する成膜処理へ直ちに移行する。 そのため、 例え ば 1 6 0 °Cの高温状態になっているシャワーへッド本体 3 8を、 成膜処理が可能 な温度、 例えば 6 0 °Cまで可能な限り迅速に冷却する。
そのためには、 図 2 ( C ) に示すように、 バイパス開閉弁 V 3を開状態に維持 したまま、 入口開閉弁 V Iと出口開閉弁 V 2を共に開状態とする。 これにより、 バイパス流路 5 6のみならず冷却流路 5 0にも冷却水 Cを流し、 シャワーへッド
本体 3 8を一気に冷却する。
この場合、 例えば 1 6 0 °Cの高温状態になっているシャワーへッド本体 3 8の 冷却流路 5 0内へ冷却水が流入すると、 初期には冷却水が急激に加熱されて蒸気 化する。 これにより、 冷却流路 5 0内の圧力が急上昇し、 この圧力が、 冷却水 C の流れ方向下流側だけでなく上流側にも遡って行こうとする。
しかし、 ここではバイパス流路 5 6が閧状態となっているので、 この急激に上 昇した圧力が蒸気と共にバイパス流路 5 6へ抜けて行く。 しかも、 バイパス流路 5 6には冷却水が流れているので、 この冷却水により蒸気が効率的に冷却凝縮さ れて圧力が低下して行くことになる。 このようにして、 バイパス流路 5 6で圧力 を逃がすことで、 過大な圧力上昇を防止することが可能となる。 また、 冷却流路 5 0内を上流側へ向かう蒸気圧が緩和されるので、 冷却流路 5 0内の冷却水の流 れはほとんどストップすることがなくなる。 従って、 シャワーヘッド本体 3 8を 迅速に所定の温度まで冷却することが可能となる。
この場合も、 冷却流路 5 0内の圧力が過度に上昇すれば、 図 2 ( B ) に説明し た場合と同様に、 圧カリリーフ弁 V 4が開動作するのは勿論である。
このように、 本実施形態によれば、 冷却液系統に圧力による損傷を与えること なく、 シャワーへヅド本体 3 8を迅速に降温させることができる。 そして、 反応 副生成物の除去操作を行った後、 迅速に次の成膜処理へ移行することができるの で、 処理のスループットを向上させることができる。
実際に、 従来装置を用いて冷却を行ったところ、 シャワーへッドを 1 6 0 °Cか ら 6 0 °Cまで降温させるのに 2 0分程度を要した。 これに対して、 本実施形態の 装置による場合は、 同様の降温に 3分程度要しただけであり、 送水ポンプや配管 等の冷却液系統に損傷を与えることなく、 従来より大幅に迅速な降温が可能であ ることが判明した。
尚、 上記実施形態における処理温度や反応副生成物の昇華温度は一例を示した に過ぎず、 これらに限定されないのは勿論である。 また、 ここでは冷却液として 冷却水を用いたが、 冷却液としては、 例えばフロリナ一ト （fluorinert：商標） 等 のフッ素系不活性液体、 エチレングリコール水溶液等も用いることもできる。 ま た、 ここでは成膜処理の冷却機構を例にとって説明したが、 本発明はこれに限定
されない。 すなわち、 本発明は、 加熱手段によって昇温される部材 （例えばサセ プ夕を含む） を冷却するための冷却液による冷却機構を備えた任意の処理装置 (例えばプラズマ処理装置を含む） に適用可能である。 また、 被処理体としては、 半導体ウェハに限定されず、 L C D基板、 ガラス基板等にも適用することができ る o
Claims
請 求 の 範 囲
1 - 加熱手段によって昇温される部材を冷却するための冷却機構において、 前記部材内を通る冷却流路を有する冷却液用の主流路と、
前記部材を迂回するように前記主流路に接続されたバイパス流路と、
前記部材の昇温時には前記冷却流路の冷却液の流れを停止し、 前記部材の降温 時には、 前記冷却流路と前記バイパス流路の両者へ冷却液を流すよう、 冷却液の 流れを制御する冷却液制御システムと
を備えたことを特徴とする冷却機構。
2 . 前記冷却液制御システムは、
前記主流路における、 前記バイパス流路との分岐部と、 前記冷却流路の入口側 との間に介設された入口開閉弁と、
前記主流路における、 前記バイパス流路との合流部と、 前記冷却流路の出口側 との間に介設された出口開閉弁と、
前記バイパス流路に介設されたバイパス開閉弁と、
前記入口開閉弁、 前記出口開閉弁および前記バイパス開閉弁を制御する弁制御 器と
を有することを特徴とする請求項 1記載の冷却機構。
3 . 前記主流路における、 前記冷却流路の入口側と前記入口開閉弁との間、 お よび前記冷却流路の出口側と前記出口開閉弁との間の少なくとも一方に、 圧カリ リーフ弁が接続されている、 ことを特徴とする請求項 2記載の冷却機構。
4 . 被処理体を収納する処理容器と、
この処理容器内に処理ガスを導入するためのシャワーヘッドと、
このシャワーへヅドを昇温させるための加熱手段と、
前記シャワーヘッドを通る冷却流路を有する冷却液用の主流路と、
前記シャワーへヅドを迂回するように前記主流路に接続されたバイパス流路と、 前記シャワーへッドの昇温時には前記冷却流路の冷却液の流れを停止し、 前記 シャワーへヅドの降温時には、 前記冷却流路と前記バイパス流路の両者へ冷却液 を流すよう、 冷却液の流れを制御する冷却液制御システムと
を備えたことを特徴とする処理装置。
5 . 前記冷却液制御システムは、
前記主流路における、 前記バイパス流路との分岐部と、 前記冷却流路の入口側 との間に介設された入口開閉弁と、
前記主流路における、 前記バイパス流路との合流部と、 前記冷却流路の出口側 との間に介設された出口開閉弁と、
前記バイパス流路に介設されたバイパス開閉弁と、
前記入口開閉弁、 前記出口開閉弁および前記バイパス開閉弁を制御する弁制御 器と
を有することを特徴とする請求項 4記載の処理装置。
6 . 前記主流路における、 前記冷却流路の入口側と前記入口開閉弁との間、 お よび前記冷却流路の出口側と前記出口開閉弁との間の少なくとも一方に、 圧カリ リ一フ弁が接続されている、 ことを特徴とする請求項 5記載の処理装置。
7 . 前記パイパス流路は、 前記シャワーヘッドから熱的に分離されている、 こ とを特徴とする請求項 4記載の処理装置。
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