WO2005000440A1

WO2005000440A1 - トラップ装置、処理システム及び不純物除去方法

Info

Publication number: WO2005000440A1
Application number: PCT/JP2004/008759
Authority: WO
Inventors: Tomohito Komatsu
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2005-01-06
Also published as: US7488374B2; US20060144234A1; CN1723066A; JP4285108B2; KR100687942B1; CN100348288C; KR20060022277A; JP2005013866A

Abstract

　このトラップ装置は、半導体ウエハに対して所定の処理を施す処理装置１０内を真空排気するための真空ポンプ３６を有する真空排気系６に介設されて、真空排気系６内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、真空排気系６の排気通路に介設された不純物捕集容器５０と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器５０内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段６４とを備えている。

Description

明細書

トラップ装置、処理システム及び不純物除去方法

技術分野

[0001] この発明は、成膜装置等の処理装置より排出される排気ガス中のガス状の不純物を除去するトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法に関する。

背景技術

[0002] 一般に、 ICなどの集積回路や論理素子を形成するためには、半導体ウェハ、ガラス基板、 LCD基板等の表面に、所望の薄い成膜を施す行程やこれを所望のパターンにエッチングする行程が繰り返して行なわれる。

[0003] ところで、成膜工程を例にとれば、この工程にぉレ、ては、所定の処理ガス (原料ガス )を処理容器内にて反応させることによってシリコンの薄膜、シリコンの酸化物ゃ窒化物の薄膜、或いは金属の薄膜、金属の酸化物や窒化物の薄膜等を被処理体の表面に形成するが、この成膜反応と同時に余分な反応副生成物が発生し、これが排気ガスと共に排出されてしまう。また、未反応の処理ガスも排出される。

[0004] この反応副生成物や未反応の処理ガスは、そのまま大気中に放出されると環境汚染等の原因になることから、これを防止するために一般的には処理容器力延びる排気ガス系にトラップ装置を介設し、これにより排気ガス中に含まれている反応副生成物や未反応の処理ガス等を捕獲して除去するようになってレ、る。

[0005] このトラップ装置の構成は、捕獲除去すべき反応副生成物等の特性に応じて種々提案されているが、例えば常温で凝縮 (液化）、凝固（固化)する反応副生成物を除去する場合には、このトラップ装置はその一例として排気ガスの導入口と排出口を有する筐体内に多数のフィンを設けて構成されている。そして、このフィンは、排気ガスの流れる方向に対して、順次配歹してこれらのフィン間を排気ガスが通過する時に排気ガス中の反応副生成物等をフィン表面に付着させて捕獲するようになっている。また、このフィンを冷却流体等により冷却して捕獲効率を上げることも行なわれている。

[0006] ここで、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物の TiCl (四塩ィ匕チタン）を用い

4

て Ti金属膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしては TiClの他に Hガスを用い、これを Arガスの存在下にてプラズマにより活性化して水素で還元し、

2

Ti膜を半導体ウェハ表面に堆積させている。この時、反応副生成物として TiClx (X く 4)が発生し、また、未反応の TiClガスも存在し、これらの TiClxや TiCl等が排気

4 4 ガスに含まれて流出する。これらの TiClxや TiCl等は大気汚染等の原因となる不純

4

物ガスであることから、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。

[0007] ここで、上記した未反応ガスである TiClや反応副生成物である TiClx等の不純物

4

ガスは、比較的蒸気圧が高いため、上述したようにトラップ装置内を冷却していても、このトラップ装置内で完全に捕獲して除去することがかなり困難であり、十分な回収率が得られない場合があった。このため、トラップ機構よりも下流側に設けられている除害装置で、上記トラップ機構を通り抜けた不純物ガスを完全に除去して無害化するためにかなりの負担がかかり、この除害装置のランニングコストが高騰するのみならず、この除害装置自体の寿命も短くなる、といった問題があった。このような問題は、 TiClや WFや (Ta (OE) ) (ベントエトキシタンタル）などの高融点金属化合物ガス

4 6 5 2

を用いる成膜装置の共通の問題である。

[0008] また、 TiClを用いる他の成膜方法として、 TiN膜を成膜する方法が知られている。

4

すなわち、原料ガスとして高融点金属ハロゲン化合物の TiCl (四塩化チタン）を用い

4

て TiN膜を成膜する場合を例にとって説明すると、原料ガスとしては TiClの他に NH

4 ガスを用い、両ガスを反応させることによって TiN膜を半導体ウェハ表面に堆積させ

3

ている。この時、反応副生成物として NH C1や TiCl (NH ) n (nは正の整数）が発生

4 4 3

し、また、未反応の TiClガスも存在し、これらのガス成分は排気ガスに含まれて流出

4

し、上記したようなトラップ装置により捕獲されることになる。

[0009] そして、排気ガス中の含まれる不純物ガス、例えば塩素ガスをより完全に除くためにこの不純物ガスと反応する反応性ガス、例えばアンモニアガスを排気系の途中で排気ガスに混合させて不純物ガスを凝縮し易い物質、例えば塩化アンモニゥムに変換し、この塩化アンモニゥムもトラップ装置にて冷却凝縮させて捕集することにより、不純物ガスを効率的に除去する方法も提案されている（特開 2001-214272号公報）

[0010] またその他に、特開昭 62— 4405号公報に開示されているように、粉末成形品を焼結する焼結炉より排出されるワックス蒸気を含有する排気ガス中力ワックスを液化させて回収する際に、ワックストラップ装置内に小孔を有するトラップ円板を多段に配置し、上記小孔を通過する排気ガスを断熱膨張させつつ排気ガスを自冷してワックスを液化させて回収するようにした技術も開示されている。

[0011] ところで、上述したような特開 2001—214272号公報に示すような従来のトラップ装置にあっては、トラップ処理が進むにつれて捕集物が冷却フィンに付着すると、排気ガスは捕集物層を介して冷却フィンと熱交換を行うことから、排気ガスに対する冷却効率が次第に低下し、このため捕集効果も時間の経過と共に劣化して、不純物ガスを完全には除去できなくなるのみならず、メンテナンスの頻度が高くなる、といった問題があった。この場合、捕集効率の経時的劣化を防止するためには、冷却フィンの段数を多く設定することも考えられるが、この場合には装置が過度に大型化するために現実的ではない。またメンテナンス時に捕集物を冷却フィンから洗浄により除去する場合、冷却フィンが多段に形成されて全体構造が複雑なため、洗浄操作も行い難レ、、といった問題もあった。

[0012] また特開昭 62-4405号公報に示すようなトラップ装置では、捕集物が粘性のある固形物の場合には、捕集物がトラップ円板の小孔を次第に塞いでしまうのでメンテナンスの頻度が非常に高くなる、とレ、つた問題があった。

[0013] 更にこの特開昭 62— 4405号公報のトラップ装置では、単なる小孔を用いて排気ガスを断熱膨張させているので、この冷却効率はそれ程高くはなぐ従って、排気ガス中の不純物ガスを十分に捕集し切れずに、捕集効率が比較的低くなつてしまう、といつた問題もあった。

[0014] 本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。すなわち、その発明の目的は、排気ガス中からガス状の不純物を除去するために構造が簡単で、且つ捕集効率も常時高く維持することが可能なトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法を提供することにある。

[0015] 本発明者は、排気ガス中におけるガス状の不純物のトラップ方法について鋭意研究した結果、ラバルノズルを用いて断熱膨張により超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを効率的に冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固させて捕集することができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。

発明の開示

[0016] 請求項 1に係る発明は、被処理体に対して所定の処理を施す処理装置内を真空排気するための真空ポンプを有する真空排気系に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、前記真空排気系の排気通路に介設された不純物捕集容器と、断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段と、を備えたことを特徴とするトラップ装置である。

[0017] このように、ノズノレ手段により断熱膨張して超音速状態となった作動流体を吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持すること力 S可能となる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことが可能となる。

[0018] この場合、例えば請求項 2に規定するように、前記ノズル手段は、前記不純物捕集容器に対して複数個並列に設けられる。

[0019] また例えば請求項 3に規定するように、前記ノズル手段は、その流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて喉部を通過した後に次第に拡大するようになされたノズノレ本体を有する。

[0020] また例えば請求項 4に規定するように、前記ノズル本体は断面が略円形に成形された作動流体噴射口を有しており、前記作動流体噴射口の周囲を囲むようにして前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するためのリング状の排気ガス導入口が形成されている。

[0021] また例えば請求項 5に規定するように、前記ノズル本体は断面が略リング状に成形された作動流体噴射口を有しており、その中心部には前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するための略円形の排気ガス導入口が形成されている。

[0022] また例えば請求項 6に規定するように、前記排気ガス導入口へ向力う排気ガスを一時的に滞留させるための前段滞留室が設けられる。

[0023] また例えば請求項 7に規定するように、前記ノズル手段の先端部側には、前記作動流体噴射口より噴射された超音速の作動流体と前記排気ガス導入口より取り込んだ排気ガスとを混合させる混合管と、その流路面積を順次拡大させてポンプ機能を持たせた拡散管とを順次連結させている。

[0024] また例えば請求項 8に規定するように、前記混合管と前記拡散管とには、前記不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するための付着防止用加熱手段が設けられる。

[0025] これによれば、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止すること力 Sできる。

[0026] また例えば請求項 9に規定するように、前記混合ガス中における前記ガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段が設けられる。

[0027] これによれば、排気ガス中に凝縮、凝固の起点となる核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることが可能となる。

[0028] また例えば請求項 10に規定するように、前記不純物捕集容器には、前記凝縮、凝固された不純物を付着させるための不純物付着板が着脱可能に設けられる。

[0029] また例えば請求項 11に規定するように、前記ノズル手段は、ラバルノズノレである。

[0030] また例えば請求項 12に規定するように、前記作動流体は、 N、 H、 Ar、 Heの内、

2 2

いずれか 1つのガスよりなる。

[0031] また例えば請求項 13に規定するように、前記処理装置は、被処理体に対して成膜処理を施すための成膜装置である。

[0032] 請求項 14に係る発明は、上記トラップ装置を用いた処理システムであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施すための処理装置と、前記処理装置内を真空引きするために途中に真空ポンプが介設された真空排気系と、前記真空排気系に介設された請求項 1乃至 13のいずれかに記載されたトラップ装置と、を備えたことを特徴とする処理システムである。

[0033] 請求項 15に係る発明は、上記トラップ装置を用いて行われるトラップ方法を規定したものであり、すなわち被処理体に対して所定の処理を施す処理装置から排出される排気ガス中からガス状になっている不純物を除去する不純物除去方法において、前記排気ガス中に断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記排気ガスの温度を前記不純物の臨界点以下に低下させることにより前記不純物を凝縮、凝固させるようにしたことを特徴とする不純物除去方法である。

[0034] この場合、例えば請求項 16に規定するように、前記作動流体と前記排気ガスとの混合は、噴射される前記作動流体の周囲を囲むように前記排気ガスを噴射することによって行われる。

[0035] また、例えば請求項 17に規定するように、前記作動流体と前記排気ガスとの混合は、噴射される前記排気ガスの周囲を囲むように前記作動流体を噴射することによつて行われる。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]は、本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図である。

[図 2]は、本発明のトラップ装置の第 1実施例を示す断面図である。

[図 3]は、本発明のトラップ装置の第 2実施例を示す断面図である。

[図 4]は、図 3中の 1つのノズル手段を示す拡大断面図である。

[図 5]は、図 4中の A— A線矢視断面図である。

[図 6]は、本発明のトラップ装置の第 3実施例を示す断面図である。

[図 7]は、図 6中の 1つのノズル手段を示す拡大断面図である。

[図 8]は、図 7中の B-B線矢視断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0037] 以下に、この発明に係るトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。 [0038] <第 1実施例 >

図 1は本発明に係るトラップ装置が設けられる処理システムの一例を示す概略構成図、図 2は本発明のトラップ装置の第 1実施例を示す断面図である。

[0039] 本実施例では、被処理体としての半導体ウェハの表面に高融点金属化合物ガスとして高融点金属ハロゲン化合物ガスである TiClガスを用いてプラズマ CVD (chemi

4

cal Vapor Deposition)により Ti膜を成膜処理する場合を例にとって説明する。

[0040] 図 1に示すように、この処理システム 2は、半導体ウェハ Wに対して Ti膜の成膜を実際に施す処理装置 (成膜装置) 4と、この処理装置 4内の雰囲気を真空引きして排気する真空排気系 6と、この真空排気系 6に介設された本発明のトラップ装置 8とにより主に構成される。

[0041] まず、処理装置 4について説明すると、この処理装置 4は、例えばアルミニウム製の筒体状の処理容器 10を有しており、この処理容器 10は接地されている。この処理容器 10内には、底部より導電性の支柱 12を介して載置台 14が設けられており、この上面に被処理体としての半導体ウェハ Wを載置して保持するようになっている。この載置台 14は、例えば Ni等の導電性材料よりなって下部電極を兼用するものであり、内部には、半導体ウェハ Wを加熱する抵抗加熱ヒータ 16が埋め込まれている。

[0042] また、処理容器 10の天井部には、原料ガス等の必要なガスを処理容器 10内へ導入するシャワーヘッド 18が絶縁材 20を介して設けられており、このシャワーヘッド 18 には、途中に供給側開閉弁 22を介設したガス供給通路 24が接続されて、それぞれ流量制御された TiClガス、 Hガス、 Arガス等の必要なガスを供給できるようになつ

4 2

ている。尚、各ガスをそれぞれ独立した供給通路から供給するようにしてもよい。

[0043] また、このシャワーヘッド 18は、上部電極を兼ねるものであり、これには、マッチング回路 26を介して例えば 450kHzの高周波電源 28が接続されて、載置台 14とシャヮ一ヘッド 18との間に高周波によるプラズマを発生させるようになつている。尚、この高周波電源 28の周波数は 450kHzに限定されず、他の周波数を用いてもよぐ例えば 13. 56MHz等を用いてもよレヽ。

[0044] また、処理容器 10の側壁には、ウェハ Wの搬出入を行なうゲートバノレブ 30が設けられ、底部周辺部には排気口 32が設けられる。 [0045] 一方、上述のように形成された処理装置 4に接続される真空排気系 6は、上記排気口 32に接続される、例えば内径が 10cm程度のステンレス製の排気通路 34を有している。この排気通路 34には、排気ガス中のガス状の不純物を除去するための上記トラップ装置 8、処理容器 10内の雰囲気を真空引きする真空ポンプ 36及び排気ガス中に残留する不純物ガスを完全に除去する除害装置 38が、この順序で下流側に向けて順次介設されている。

[0046] また、この排気通路 34の最上流側には、この排気通路 34の流路面積を変えて処理容器 10内の圧力を制御する圧力制御弁 40が介設される。上記圧力制御弁 40の直ぐ下流側の排気通路 34には、この排気通路 34内へ流量制御されたアンモニア（ NH )ガスを注入するアンモニアガスノズル 42が設けられており、ここを流れる排気ガ

3

ス中にアンモニアガスを注入して排気ガス中に含まれる塩ィ匕水素や塩素ガスとこのァンモユアガスとを反応させて塩化アンモニゥム等を形成し得るようになってレ、る。

[0047] また上記トラップ装置 8の直ぐ上流側及び下流側の排気通路 34には、このトラップ装置 8の着脱時等にこれを排気通路 34から隔離するための開閉弁 44が、それぞれ介設されている。また上記ガス供給通路 24及び上記処理容器 10と上記トラップ装置 8との間の排気通路 34には、それぞれ図中点線で示すようにテープヒータ 46A、 46 Bが卷回されており、各通路 24、 34内を流れる不純物ガスの臨界温度ひ凝縮温度、或いは凝固温度）以上の温度に加熱して通路 24、 34内で不純物ガスが液化したり、固化したりすることを防止するようになっている。

[0048] そして本発明に係るトラップ装置 8は、図 2にも示すように、例えばアルミニウム製の箱状に成形された不純物捕集容器 50を有している。この不純物捕集容器 50の天井部にはガス入口 52が形成されており、このガス入口 52に上流側より延びてくる排気通路 34を接続して排気ガスを導入するようになっている。またこの不純物捕集容器 5 0の一側壁には、ガス出口 54が形成されており、このガス出口 54に下流側に延びる排気通路 34を接続してガス状の不純物が除去された排気ガスを下流側へ排出するようになつている。尚、上記ガス入口 52及びガス出口 54の設置位置は特に限定されない。

[0049] また上記不純物捕集容器 50の他の一側壁には、例えば開閉可能になされた開閉ドア 56となっており、メンテナンス時等の必要時にこの開閉ドア 56を開閉し得るようになっている。この開閉ドア 56は、 Oリング等のシール部材 58を介して気密に閉塞される。またこの不純物捕集容器 50内の底部の略全面には、着脱可能になされた不純物付着板 60が取り付けられており、この上面に凝縮、凝固させて例えば粘度の高い液状になった不純物、或いは凝縮、凝固した不純物 M (図 2参照）を付着させるようになっている。

[0050] そして、この不純物付着板 60に対向する不純物捕集容器 50の天井部 62には、本発明の特徴とするノズノレ手段 64が設けられている。このノズル手段 64には、作動ガス通路 66を介して作動流体として例えば Nガスを貯留する作動ガス源 68が接続さ

2

れており、所定の圧力の Nガスを上記ノズノレ手段 64に向けて供給できるようになつ

2

ている。またこの作動ガス通路 66の途中には、 Nガスの供給を制御する開閉弁 70

2

が介設されている。そして、上記ノズノレ手段 64の直ぐ上流側の作動ガス通路 66には、この作動流体中にガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段 72が設けられている。

[0051] この凝縮、凝固の起点となる核を導入する核導入手段 72としては、ここでは上記作動ガス通路 66に取り付けたガスノズノレ 72Aを有しており、このガスノズル 72Aより核として流量制御された水蒸気を導入し得るようになつている。そして上記構成により、上記ノズノレ手段 64からは、超音速状態で上記作動流体 (Nガス）を噴射し得るようにな

2

つている。この結果、断熱膨張により超音速状態となった作動流体は、不純物捕集容器 50内に吹き込まれて排気ガスと混合しつつ排気ガスを冷却し、ガス状の不純物をこの臨界点以下に冷却して凝縮、凝固し得るようになつている。

[0052] この場合、図 2に示すように上記ノズル手段 64を形成するノズノレ本体 74は、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部 74Aを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口 74Cとなっている。このようなノズノレ手段 64としては、例えばラバルノズノレを用いることができる。

[0053] 次に、以上のように構成された処理システムを用いて行なわれる不純物除去方法について説明する。 [0054] まず、 Ti膜の成膜時には、処理装置 4の処理容器 10内の載置台 14上に半導体ゥェハ Wを載置し、そして、これを所定の温度に昇温加熱維持する。これと同時に、下部電極である載置台 14と上部電極であるシャワーヘッド 18との間に高周波電圧を印加し、また、シャワーヘッド 14力 TiClガス、 Hガス、 Arガス等の所定のガスを流量

4 2

制御しつつ流し、処理空間にプラズマを立てて Ti膜の成膜を行なう。これと同時に、真空排気系 6も駆動して処理容器 10内の雰囲気を真空引きして内部を所定の圧力に維持する。

[0055] この時のプロセス条件に関しては、例えばウェハサイズが 8インチサイズと仮定すると、プロセス圧力は 665Pa ( 5Torr)、プロセス温度は 650。C程度、 TiClガスの流

4 量は 5sccm程度、 Hガスの流量は 2000sccm程度、 Arガス流量は 500sccm程度

2

である。

[0056] 上記 Ti膜の成膜反応により、 TiClガスは約 10%程度消費されるが、残りの約 90

4

%程度は未反応ガスとして、また、 TiClや TiClや HC1などの反応副生成物として

2 3

排気ガスと共に排気口 32より真空排気系 6の排気通路 34内へ流入してこれを流下し、この排気ガスは更にトラップ装置 8、真空ポンプ 36及び除害装置 38の順に順次流れて行く。ここで、上記未反応ガスや反応副生成物の内、特に TiClガスは比較的蒸

4

気圧が高いので、トラップされ難レ、が、アンモニアガスノズル 42から反応ガスとして N Hガスを排気通路 34中に導入しており、これにより、 NHガスと主に TiClガスとを反

3 3 4 応させて TiCl · 2ΝΗの錯体よりなる化合物を形成している。この錯体は、 TiClガス

4 3 4 よりもかなり蒸気圧が低ぐ例えば TiClガスは 21 · 3°Cにおいて 1300Paであるが、

4

上記錯体は 21 , 3°Cにおいて 1 X 10— ⁴Pa程度である。また、 HC1ガスも NHガスと反

3 応して NH C1ガスとなる力これも蒸気圧が低い。

4

[0057] このように、主として未反応残留ガスを、 NHガスと反応させて蒸気圧の低レ、ィ匕合

3

物に変換され、また、反応副生成物である HC1を NHガスと反応させて蒸気圧の低

3

い化合物に変換され、トラップ装置 8内で比較的捕集し易くなつている。上記錯体ゃ NH C1等よりなるガス状の不純物は排気ガス中に含まれて、トラップ装置 8のガス入

4

口 52より不純物捕集容器 50内へ導入されることになる。

[0058] ここで、この不純物捕集容器 50内へは、この天井部に設けたノズノレ手段 64より作動流体として Nガスが断熱膨張により超音速状態で吹き込まれている。この Nガス

2 2 は断熱膨張をすることにより自らは温度が低下し (これを自冷とも称す）つつ排気ガスと混合し、これによつて排気ガスを冷却するので上記ガス状の不純物は臨界点以下に冷却されて凝縮し、或いは凝固して析出し、この不純物 Mは不純物捕集容器 50 内の底部に設けた不純物付着板 60に付着して堆積することによって捕集されることになる。このようにしてガス状の不純物が除去された排気ガスは、ガス出口 54より排出されて下流側の真空ポンプ 36の方に流れて行く。

[0059] このように、圧力差を作動流体である Nガスの運動エネルギに効率的に変換して

2

超音速状態を実現できるノズル、例えばラバルノズノレを用レ、、 Nガスが断熱膨張し、

2

超音速状態となる時に自冷する冷熱によりガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させるようにしたので、ガス状の不純物を効率的に排ガス中から除去することができる。

[0060] また従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等を使用していないので、冷却効率を常時高く維持することができ、しかも、捕集された不純物が増加しても排気コンダクタンスに悪影響を与えることもない。し力も、上述したように冷却フィン等を用いていないので、トラップ装置 8の全体構成も簡単化することができる。尚、この時の作動流体の流量は、上流側の処理容器 10内の圧力制御に悪影響を与えないような流量とする。

[0061] また上記作動流体である Nガス中には、核導入手段 72より導入された水蒸気が含

2

まれているので、これが不純物捕集容器 50内で冷却されて微細な氷粒となって核として機能し、上記ガス状の不純物が過冷却されることなく上記氷粒を核として凝縮、凝固して析出することになり、この結果、不純物の捕集効率を一層高めることが可能となる。尚、上記核導入手段 72を不純物捕集容器 50に設けて、水蒸気をこの不純物捕集容器 50内に直接的に導入するようにしてもよい。この点は後述する他の実施例でも同様である。

[0062] またこのトラップ装置 8のメンテナンス時には、開閉ドア 56を取り外した後に、着脱可能になされた不純物付着板 60を不純物捕集容器 50より取り出し、この不純物付着板 60の上面に付着している不純物 Mを洗浄して除去するだけで済むので、メンテナンス作業性も大幅に向上させることができる。 [0063] 尚、この第 1実施例では、本発明の理解を容易にするために、ノズル手段 64を一基のみ設けた場合を例にとって説明したが、このノズル手段 64を複数個並列させて設けるようにし、各ノズノレ手段 64から不純物捕集容器 50内へ水蒸気が混入された作動流体を噴射して吹き込むようにしてもよい。

[0064] ぐ第 2実施例 >

次に本発明の第 2実施例について説明する。この第 2実施例では先の第 1実施例のノズル手段 64の構造を少し変更し、これを複数個並列に設けた構成となってレ、る。

[0065] 図 3はこのような本発明のトラップ装置の第 2実施例を示す断面図、図 4は図 3中の 1つのノズル手段を示す拡大断面図、図 5は図 4中の A— A線矢視断面図である。尚、図 1及び図 2に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

[0066] 図示するように、ここでは不純物捕集容器 50の前段側に処理容器 10側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室 80を有している。この前段滞留室 80の側壁の一部にガス入口 82が設けられており、このガス入口 82に上流側の排気通路 34を接続して排気ガスを流入させるようになつている。

[0067] そして、上記前段滞留室 80の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器 50の天井部 62との間には、前段滞留室 80と不純物捕集容器 50内とを連通するようにして複数、図示例では 9個の連通路 84が並列に設けられており、この連通路 84を介して前段滞留室 80内の排気ガスを不純物捕集容器 50内の方へ流すようになっている。この連通路 84は、図 4にも示すように、排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管 86と、この導入管 86に続く円筒体状の混合管 8 8と、この混合管 88に続いて排気ガスの流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管 90とにより主に構成されている。

[0068] 一方、上記前段滞留室 80内には、上記作動ガス通路 66に接続される所定の大きさの作動ガスヘッダ 92が設けられており、この作動ガスヘッダ 92内に凝縮、凝固の起点となる水蒸気が含有された作動ガスを導入するようになっている。そして、上記作動ガスヘッダ 92から、上記各連通路 84に向けて、図 2において説明したものと同様な構造のノズル手段 64が延在させて設けられている。このノズル手段 64のノズノレ本体 74の先端部は、図 4にも示すように、上記導入管 86と混合管 88との接合部に略位置されており、非接触状態になされている。

[0069] 従って、この部分において図 5にも示すように、中心部では断面が略円形の作動流体噴射口 74Cが形成され、この作動流体噴射口 74Cの周囲を囲むようにして断面が略リング状の排気ガス導入口 94が形成されることになり、この排気ガス導入口 94から排気ガスが不純物捕集容器 50内に向けて導入される。ここで上記ノズル本体 74は、前述したように、その中心に流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて、最も流路面積が狭い喉部 74Aを通過した後に次第に拡大するような形状となっており、従って、その最下端部の断面が略円形になされた作動流体噴射口 74C となっている。このようなノズノレ手段 64としては、前述したように例えばラバルノズノレを用いることができる。

[0070] このようにして、ノズル手段 64から超音速状態の作動流体を噴射するようにした結果、このノズノレ手段 64はェジェクタ一ポンプのようなポンプ機能を有することになり、排気ガス導入口 94からの排気ガスは作動ガスの噴流に押し流されて排気側に向かつて流れるようになつている。

[0071] また、この混合管 88と拡散管 90の外周壁には、例えばテープヒータのような付着防止用加熱手段 96が設けられており、これをガス状の不純物の臨界温度以上に加熱することにより、この内壁面に不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するようになっている。

[0072] この第 2実施例の場合には、基本的には第 1実施例の場合と同様な作用効果を発揮できる。例えば処理容器 10側から流れてくる排気ガスは前段滞留室 80内で全体に拡散し、各連通路 84を介して並行して不純物捕集容器 50内側へ導入されることになる。これと同時に、作動ガスヘッダ 92を介して各ノズノレ手段 64の作動流体噴出口 74Cからは、作動流体として例えば Nガスが断熱膨張により超音速状態で噴射さ

2

れる。この超音速状態の Nガスは、リング状の排気ガス導入口 94から導入される排

2

気ガスと混合管 88内にて混合されつつ拡散管 90内を拡散されて不純物捕集容器 5 0内に至り、ガス状の不純物を冷却して凝縮、凝固させ、不純物付着板 60上に不純物 Mが付着することになる。これにより、第 1実施例の場合と同様に、排気ガス中から不純物を効率的に除去することができる。特に複数個のノズル手段 64を並列に設けたので、その分、不純物の除去効率を高めることができる。

[0073] また作動流体中に例えば水蒸気のような核を混入させることにより、第 1実施例の場合と同様に、ガス状の不純物の過冷却をなくして、この不純物の除去効率を一層高めることができる。更には、従来のトラップ装置は排気コンダクタンスを低下させるように作用するのに対して、この第 2実施例では、ノズノレ手段 64はポンプ機能を発揮して作動流体噴射口 74Cの周囲に設けたリング状の排気ガス導入口 94からの排気ガスを巻き込むようにして排気側へ押し流すように作用するので、排気コンダクタンスを高めることができ、排気系に悪影響を与えることがない。また混合管 88や拡散管 90には、付着防止用加熱手段 96を設けてこれを加熱するようにしているので、この内壁面側に不純物が付着することを防止することができる。

[0074] ここで図 4に示す構成において、各部における温度、圧力、流速等の各パラメータにつレ、て検討した結果、次に示すような結果を得ることができた。

ノズノレ入口における作動流体圧力 Ρ1 : 1 · 33 X 10⁴Pa ( = 0. latm)

作動ガス源 68内の作動流体のガス温度 T1： 293K (20°C)

ノズル入口における作動流体流速 U1： 0. Om/s (超音速に比べればゼロとみなせる）

ガスの比熱比 κ : 1. 4

排気ガス導入口 94の排気ガスの圧力 Pe2 : 133Pa

排気ガス導入口 94の排気ガスの温度 Te2： 423K (150°C)

排気ガス導入口 94の排気ガスの速度 Ue2： 328. 2m/ s

排気ガス導入口 94の面積 Se : 808. 5mm²

作動流体噴射口 74Cの面積 Sn: 1155. 0mm²

混合管 88の直径 Dl : 50. Omm

拡散管 90の出口直径 D2 : 53. 9mm

[0075] 上記のように各パラメータを設定した時、以下に示すような結果を得た。

ノス、ノレ出口における圧力 Pn2 : 133Pa ( 0. 00 latm) ノズノレ出口における作動流体温度 Tn2 : 78· 6Κ (— 194. 4°C)

ノズノレ出口における作動流体速度 Un2： 656. 4m/s (超音速状態）

混合管 88の出口における圧力 P4 : 133Pa

混合管 88の出口における混合ガスの温度 T4 : 150. 8K (— 122. 2°C) 混合管 88の出口における混合ガスの速度 U4 : 413. 3m/s

拡散管 90の出口における圧力 P5 : 189. 9Pa

拡散管 90の出口における混合ガスの温度 T5 : 167. 0K (— 106. 0°C) 拡散管 90の出口における混合ガスの速度 U5： 372m/ s

以上に示したように、作動流体がノズルの出口から超音速状態で噴射された後に混合管 88、拡散管 90を経て不純物捕集容器 50内に至るまで、混合ガスの温度は非常に低くできることが確認できた。

[0076] ぐ第 3実施例 >

次に本発明の第 3実施例について説明する。この第 3実施例では先の第 2実施例のノズル手段 64の構造に関して、中心側と外周側とを逆転させた構造とし、中心側より排気ガスを流し、外周側より作動流体を噴射させるようにしたものである。

[0077] 図 6はこのような本発明のトラップ装置の第 3実施例を示す断面図、図 7は図 6中の 1つのノズル手段を示す拡大断面図、図 8は図 7中の B— B線矢視断面図である。尚、図 3乃至図 5に示す部分と同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。

[0078] 図示するように、ここでも第 2実施例と同様に、不純物捕集容器 50の前段側に処理容器 10側から流れてくる排気ガスを一時的に滞留乃至貯留するための例えばステンレス製の前段滞留室 80を有している。この前段滞留室 80の側壁の一部にガス入口 8 2が設けられており、このガス入口 82に上流側の排気通路 34を接続して排気ガスを流入させるようになつている。

[0079] そして、上記前段滞留室 80の長手方向の側壁からは略円筒状の複数の、図示例では 6本のノズノレ本体 100が不純物捕集容器 50に向けて延在させて設けられている。また前段滞留室 80と上記不純物捕集容器 50との間には、作動ガス通路 66に接続された所定の大きさの作動ガスヘッダ 92が介在させて設けられている。 [0080] そして、上記作動ガスヘッダ 92の長手方向の側壁と前記不純物捕集容器 50の天井部 62との間には、作動ガスヘッダ 92と不純物捕集容器 50内とを連通するようにして複数、図示例では 6個の連通路 102が並列に設けられており、この連通路 102を介して作動ガスヘッダ 92内の作動流体を不純物捕集容器 50内の方へ流すようになつている。この連通路 102は、図 7にも示すように、作動流体の流れ方向に沿ってその内径が順次縮径されて円錐状になされた導入管 104と、この導入管 104に続く円筒体状の混合管 106と、この混合管 106に続いて排気ガス（作動流体）の流れ方向に沿ってその内径が順次拡径された拡散管 108とにより主に構成されている。

[0081] ここで上記導入管 104と混合管 106とで、ノズル外筒 110が構成されており、このノズノレ外筒 110と上記ノズル本体 100とで、ノズノレ手段 112を形成している。具体的には、上記ノズル本体 100は、上記作動ガスヘッダ 92の一側壁を気密に貫通してへッダ内部へ揷入され、このノズル本体 100の先端部は、上記混合管 106の途中まで揷通されて非接触状態になされている。そして、上記ノズル本体 100の先端部の外周には、流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて流路面積が最も狭い喉部 100Aを通過した後に次第に拡大するような形状となる断面凸状になされた絞り部 112がリング状に形成されており、この流路を作動流体が通った時に、 X部と Y部（図 7参照）の差圧が有効に速度に変換されて低温で超音速の状態が実現できるようになっている。

[0082] 従って、図 8にも示すように、中心部では断面が略円形の排気ガス導入口 114が形成され、この排気ガス導入口 114の周囲を囲むようにして断面が略リング状の作動流体噴射口 100Cが形成されることになり、上記排気ガス導入口 114から排気ガスが不純物捕集容器 50内に向けて導入される。また、上記作動流体噴射口 100Cから作動流体が噴射される。尚、上記断面凸状の絞り部 112は、ノズル本体 100側ではなぐ混合管 106の内面側に設けるようにしてもよぐ或いは両者に設けるようにしてもよぐいずれにしても、作動流体を超音速状態で噴射できる、いわゆるラバルノズノレを形成できるならば、その形状は問わない。

[0083] この第 3実施例の場合にも、先の第 1実施例及び第 2実施例と同様な作用効果を発揮できる。すなわち、排気ガスはノズノレ本体 100の中心を通って排気ガス導入口 114 より放出され、また作動流体である N2ガスは作動ガスヘッダ 92から導入管 104内及び喉部 100Aを通ってリング状の作動流体噴射口 100Cより噴射される。この時この Nガスは断熱膨張の結果、自冷して低温で超音速の状態となって噴射されるので、

2

前述したように排気ガスを巻き込みつつガス状の不純物を凝縮、凝固することになる。この場合、第 2実施例の場合と同様に、このノズノレ手段 112はポンプ機能を発揮するので、排気コンダクタンスに悪影響を与えることを防止することができる。

[0084] 更には、この第 3実施例の場合には、排気ガスの周囲を囲むようにして作動流体である Nガスが流れることになるので、排気ガスが混合管 106の内壁面や拡散管 108

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の内壁面に直接接触することを避けることができる。従って、上記凝縮、凝固した不純物が、上記混合管 106や拡散管 108の内壁面に付着することを防止することができる。尚、この第 3実施例の場合でも、上記不純物の付着を完全に防止するために第 2実施例のように付着防止用加熱手段 96を設けるようにしてもよい。

[0085] 尚、上記各実施例においては、凝縮、凝固の起点となる核を形成するために、水蒸気を導入してこれを氷結させるようにした力 S、これに限定されず、セラミックスや石英等のパウダを用いるようにしてもよい。また作動流体に関しても Nガスに限定されず、

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Arガスや Heガス等の不活性ガス、 Hガス等を用いてもよい。

2

[0086] また成膜する膜種に関しても Ti膜に限定されず、反応副生成物や未反応物質を排気ガス中から除去する必要のある全ての成膜装置、或いは処理装置に本発明を適用すること力 Sできる。

[0087] また、上記各実施例では、被処理体として半導体ウェハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、 LCD基板等にも適用できるのは勿論である。

[0088] 以上説明したように、本発明のトラップ装置、処理システム及び不純物除去方法によれば、ノズル手段により断熱膨張し、超音速状態となった作動流体を排気ガス中に吹き込むことにより、排気ガスを冷却してガス状の不純物を凝縮、凝固して捕集させるようにしたので、冷却効率を常に高く維持することができ、従って、捕集効率も常に高く維持することができる。また、従来のトラップ装置で用いた冷却フィン等のような複雑な構造物を不要にできるので、不純物捕集容器内に凝縮、凝固により付着した例えば粘性のある捕集物を除去するメンテナンス作業を行う際に、このメンテナンス作業を迅速に、且つ容易に行うことができる。また、付着防止用加熱手段により混合管や拡散管が加熱されているので、この内壁面に不純物が例えば粘性のある固形物状になって付着することを防止することができる。さらに、排気ガス中に核を導入するようにしたので、ガス状の不純物が過冷却状態になることを防止してこの凝縮、凝固を促進することができるので、不純物の捕集効率を一層向上させることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 被処理体に対して所定の処理を施す処理装置内を真空排気するための真空ボンプを有する真空排気系に介設されて、前記真空排気系内を流れる排気ガス中に含まれるガス状の不純物を除去するためのトラップ装置において、

前記真空排気系の排気通路に介設された不純物捕集容器と、

断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に前記不純物捕集容器内で前記不純物の臨界点以下に前記排気ガスの温度を低下させるノズル手段と、

を備えたことを特徴とするトラップ装置。

[2] 前記ノズル手段は、前記不純物捕集容器に対して複数個並列に設けられることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[3] 前記ノズル手段は、その流路面積が作動流体の流れ方向に沿って次第に絞り込まれて喉部を通過した後に次第に拡大するようになされたノズル本体を有することを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[4] 前記ノズル本体は断面が略円形に形成された作動流体噴射口を有しており、前記作動流体噴射口の周囲を囲むようにして前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するためのリング状の排気ガス導入口が形成されていることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[5] 前記ノズル本体は断面が略リング状に形成された作動流体噴射口を有しており、その中心部には前記排気ガスを前記不純物捕集容器側に向けて導入するための略円形の排気ガス導入口が形成されていることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[6] 前記排気ガス導入口へ向力排気ガスを一時的に滞留させるための前段滞留室が設けられることを特徴とする請求項 4に記載のトラップ装置。

[7] 前記ノズル手段の先端部側には、前記作動流体噴射口より噴射された超音速の作動流体と前記排気ガス導入口より取り込んだ排気ガスとを混合させる混合管と、その流路面積を順次拡大させてポンプ機能を持たせた拡散管とを順次連結させて設けてレ、ることを特徴とする請求項 4に記載のトラップ装置。

[8] 前記混合管と前記拡散管とには、前記不純物が凝縮、凝固して付着することを防止するための付着防止用加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項 7に記載のトラップ装置。

[9] 前記混合ガス中における前記ガス状の不純物が凝縮、凝固する時に核となる物質を導入するための核導入手段が設けられていることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[10] 前記不純物捕集容器には、前記凝縮、凝固された不純物を付着させるための不純物付着板が着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[11] 前記ノズノレ手段はラバルノズルであることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[12] 前記作動流体は、 N、 H、 Ar、 Heの内いずれか 1つのガスよりなることを特徴とす

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る請求項 1に記載のトラップ装置。

[13] 前記処理装置は、被処理体に対して成膜処理を施すための成膜装置であることを特徴とする請求項 1に記載のトラップ装置。

[14] 被処理体に対して所定の処理を施すための処理装置と、

前記処理装置内を真空引きするために真空ポンプが設けられた真空排気系と、前記真空排気系に介設された請求項 1に記載されたトラップ装置と、

を備えたことを特徴とする処理システム。

[15] 被処理体に対して所定の処理を施す処理装置から排出される排気ガス中からガス状になってレ、る不純物を除去する不純物除去方法にぉレ、て、

前記排気ガス中に断熱膨張により超音速状態となった作動流体を吹き込んで前記排気ガスと混合させると共に、前記排気ガスの温度を前記不純物の臨界点以下に低下させることにより、前記不純物を凝縮、凝固させるようにしたことを特徴とする不純物除去方法。

[16] 前記作動流体と前記排気ガスとの混合は、噴射される前記作動流体の周囲を囲むように前記排気ガスを噴射することによって行われることを特徴とする請求項 15に記載の不純物除去方法。前記作動流体と前記排気ガスとの混合は、噴射される前記排気ガスの周囲を囲むように前記作動流体を噴射することによって行われることを特徴とする請求項 15に記載の不純物除去方法。