JP2005243735A

JP2005243735A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2005243735A
Application number: JP2004048453A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Sato; 武敏佐藤; Masanori Sakai; 正憲境; Nobuhito Shima; 信人嶋
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP4364670B2

Abstract

【課題】複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する基板処理装置において、排気手段内部への副生成物付着を有効に防止する。
【解決手段】基板処理装置は、複数の処理ガスを交互に供給して基板としてのウェハ２００を処理する処理室２０１と、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気系２５０とを備える。排気系２５０は、排気手段２４６と不活性ガス供給手段３０とから構成される。排気手段２４６は、排気口２３と、処理室２０１側の雰囲気に接続される吸気口２２とを含む筐体２１と、筐体２１内であって、吸気口２２と排気口２３との間に設けられ吸気口２２側の雰囲気を排気口２３側へ移送する移送手段２４とを有する。不活性ガス供給手段３０は、不活性ガスを流すガス供給配管３２と、この途中に設けられて不活性ガスを所定温度に加熱する加熱手段３１を有して、高温の不活性ガスを真空ポンプ２４６の下流側に供給するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の処理ガスを処理室内に交互に供給して、基板に成膜等の処理を行なう基板処理装置に係り、特に処理室内の雰囲気を排気する排気系の改善を図ったものに関する。

基板処理装置、例えば半導体製造装置にあっては、それを構成する処理炉は、半導体基板を処理する処理室を内部に有するチャンバと、複数の処理ガスを処理室に供給するガス導入手段と、処理室内の雰囲気を排気する排気系と、チャンバ内の基板を加熱するヒータとを備えている。基板処理方法には、通常、複数の処理ガスを同時に供給するＣＶＤ法が採用されている。

このＣＶＤ法を用いた半導体製造装置（ＣＶＤ装置という）では、その排気系として、複数段の真空ポンプを有する排気手段が採用されている。排気手段は、真空ポンプ内部に室温の状態で不活性ガスを供給している。これは、軸封用の他、真空ポンプ後段に接続した排気管内部での副生成物付着を防ぐためである。排気系に副生成物が付着すると、排気手段及び排気管のメンテナン頻度が増加し、メンテナンス費用が増加するはかりでなく、装置稼働率が低下するため、これを回避する必要がある。

ＣＶＤ装置では、基板処理方法が、複数のガスを同時に供給する処理法であるため、処理室から排気管、真空ポンプに至る部分で複数のガスが共存しており、副生成物が付着し易くなる。従って、処理室から排気管全体、及び全ての真空ポンプ内（下流側真空ポンプの前段である吸気口側、後段である排気口側を含む）に、不活性ガス（副生成物昇華用のガス）を導入し、副生成物の付着を防止している。

しかしながら、所定の真空度を達成するための排気手段は、背圧がある程度の真空度を有していなければ、排気能力が低下してしまう。したがって、排気手段の吸気口側にガスを導入すれば、排気手段の背圧が上がり、排気手段の排気能力が低下し、その結果、排気速度の低下によるスループット低下や到達圧力の低下が生じるという問題があった。

また、排気手段内に供給する不活性ガスは、流量を増加させることにより排気手段の排気口側での副生成物付着量を低減することが可能である。しかし、従来は、室温の状態で不活性ガスを供給しているため、不活性ガスの流量を増加させると、排気手段内部内壁の低温化を招き、排気手段自体の内部に副生成物が付着するという問題が発生していた。
現在、これらの問題の有効な解決策はまだ見つかっていない。

ところで、基板処理法には、ＣＶＤ法の他に、複数のガスを交互に供給する処理方法、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Depositin）法がある。このＡＬＤ法では、ＣＶＤ法とは異なり、複数のガスが排気系で共存することがないので、本来排気系に副生成物が付着しないはずである。しかし、排気手段の排気口側、及びそれより下流側の排気系の雰囲気は排出作用が弱くなるので、排気手段の排気口側では処理ガスが残留して複数のガスが混合することがあり、ＡＬＤ法であっても、排気手段内に副生成物が付着し得るのである。

そこで、ＡＬＤ法を用いた半導体製造装置（以下、ＡＬＤ装置）に、前述したＣＶＤ装置で採用されている従来の排気系をそのまま適用して、副生成物の付着を抑制することが考えられる。すなわち、処理室から排気管全体、及び全ての排気手段内に、不活性ガスを導入して、副生成物の付着を防止するのである。しかしながら、そうすると、ＣＶＤ装置の排気系で問題となっているスループットや到達圧力の低下、及び排気手段内部内壁の低温化を回避できない。

本発明の課題は、複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する基板処理装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、スループットや到達圧力の低下、及び排気手段内部内壁の低温化を回避しながら、排気手段内部への副生成物付着を有効に防止することが可能な基板処理装置を提供することである。

本発明者等は、特に複数の処理ガスを交互に供給する場合には、副生成物が付着しやすい箇所が、排気手段の全体ではなく、排気手段の排気口側、及びそれより下流側の排気系である点に着目し、この排気口付近から不活性ガスを供給すれば、排気手段の背圧が上がらず、排気手段の排気能力も低下しないという知見を得た。また、常温ではなく高温の不活性ガスを供給すれば、排気手段内部内壁の低温化を招かないという知見を得て、本発明に到った。

第１の発明は、複数の処理ガスを交互に供給するガス導入部を備えて内部に配置された基板を処理する処理室と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気系とを備えた基板処理装置であって、前記排気系は、前記処理室側の雰囲気を吸気する吸気口及び吸気した雰囲気を排気する排気口を有する筐体と、前記筐体内であって、前記吸気口と前記排気口との間に設けられ吸気口側の雰囲気を排気口側へ移送する移送手段とを有する排気手段と、前記排気口付近の前記筐体内に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段とを備えたことを特徴とする基板処理装置である。

複数の処理ガスを交互に供給する処理方法を用いた基板処理装置では、基板への不純物の混入を避けるため真空下で行われるが、真空を得るために排気手段を使用している。排気手段は、吸気口と排気口を有する筐体と、吸気口側の雰囲気を排気口側へ移送する移送手段とを有している。移送手段の周囲の雰囲気を排気口側に移送することで、吸気口側の雰囲気を排気口から排気している。

本発明は、この排気手段の排気作用の低い排気口付近の筐体内に、加熱した不活性ガスを供給するため、特に複数の処理ガスを交互に供給する処理方法において、排気口側の筐体内で付着しやすい副生成物を有効に昇華させることができる。したがって、排気系への副生成物の付着を防止することができる。

また、本発明は、排気手段の吸気口ではなく、排気口付近にガスを導入させるので、
排気手段の背圧が上がらず、排気手段の排気能力の低下を抑制できる。したがって、排気速度の低下によるスループット低下や到達圧力の低下が生じない。

また、本発明は、高温の活性ガスを供給しているので、副生成物付着量をより低減させるために不活性ガスの流量を増加しても、排気手段の筐体内内壁の低温化を招くことがなく、排気手段自体の内部に副生成物が付着するという問題も発生しない。

複数の処理ガスとしては、例えば、基板上にＳｉＮ膜を成膜する場合においては、ＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、ＮＨ₃、不活性ガス（Ｎ₂など）が挙げられる。複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する方法としては、代表的なものとしてＡＬＤ法が挙げられるが、複数の処理ガスを交互に供給する方法であって、複数の処理ガスが混合すると成膜するものであれば、ＡＬＤ法以外の方法も含まれる。基板としてはシリコンウェハが挙げられる。処理室としては、複数の基板を一括処理するバッチ炉や、一枚ないし少数の基板を処理する枚葉炉を挙げることができる。排気手段としては、真空ポンプが挙げられる。基板処理装置としては半導体製造装置が挙げられる。移送手段としては、ロータ、スクリューなどが挙げられる。不活性ガスとしては、Ｎ₂ガスが挙げられる。高温の不活性ガスの温度としては、副生成物にもよるが、例えば塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）であれば、１２０℃以上であることが好ましい。不活性ガス供給手段としては、抵抗加熱器やランプ加熱器、プラズマ加熱器を設けた不活性ガス供給路が挙げられる。また、排気口付近の筐体内とは、特に副生成物が付着しやすい箇所をいう。

第２の発明は、第１の発明において、高温の不活性ガスは、排気口付近の筐体内であって、前記移送手段と前記排気口との間の筐体内に供給することを特徴とする基板処理装置である。

移送手段を有する排気手段には、排気口側から吸気口側に向かう循環流が生じているので、排気手段の排気口付近に、加熱した不活性ガスを導入すれば、不活性ガスの一部が循環流れに乗って、排気手段全体を加熱できる。従って、高温の不活性ガスを、
移送手段と排気口との間の筐体内に供給すると、循環流れを利用して筐体を温めることができるので、筐体内の副生成物の付着を抑えることができる。

第３の発明は、第１及び第２の発明において、前記排気手段は、複数段の排気装置からなり、前記排気装置のうち最も圧力が高い部分の排気を行っている排気装置に対して高温の不活性ガスを供給することを特徴とする基板処理装置である。

複数段の排気装置のうち、処理室から最も圧力が高い部分の排気を行っている排気装置（ここでは、下流側排気装置という）の吸気口側までの区間の雰囲気は、排気装置による排気作用が有効に働いているため、前の処理で使用した処理ガスが残留しにくく、それゆえ、ＡＬＤ処理では、この区間に副生成物が付着する虞はない。しかし、下流側排気装置排気口側、及びそれより下流側の排気系の雰囲気は、排出作用が弱くなるので、前の処理で使用した処理ガスが残留し、次のガスと混合する。従って、ＡＬＤ処理であっても、下流側排気装置の排気口側、及びそれより下流側の排気系には、副生成物が付着し易くなる。この点で、特に本発明は、下流側排気装置に対して高温の不活性ガスを供給することで、下流側排気装置の排気口側を加熱し、副生成物の付着を防止している。

本発明によれば、複数の処理ガスを交互に供給して基板を処理する基板処理装置において、スループットや到達圧力の低下、及び排気手段筐体内壁の低温化を回避しながら、排気手段内部への副生成物付着を有効に防止することができる。したがって、排気装置や排気管のメンテナン頻度を低減することができ、メンテナンス費用を低減できるはかりでなく、装置稼働率向上にも寄与できる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図３、図４において本発明が適用される基板処理装置の一例である半導体製造装置についての概略を説明する。

筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、該カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、該カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、前記カセットエレベータ１１５の後側には、前記カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共に前記カセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。前記予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを前記筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。

前記筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、該処理炉２０２の下方には基板としてのウェハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を該処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、該ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられ該ボート２１７を垂直に支持している。前記ボートエレベータ１２１と前記カセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、該移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウェハ移載機１１２が取りつけられている。又、前記ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち前記処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

前記ウェハ２００が装填された前記カセット１００は、図示しない外部搬送装置から前記カセットステージ１０５に該ウェハ２００が上向き姿勢で搬入され、該ウェハ２００が水平姿勢となるよう該カセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、前記カセット１００は、前記カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及び前記カセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働により前記カセットステージ１０５から前記カセット棚１０９又は前記予備カセット棚１１０に搬送される。

前記カセット棚１０９には前記ウェハ移載機１１２の搬送対象となる前記カセット１００が収納される移載棚１２３があり、前記ウェハ２００が移載に供される該カセット１００は前記カセットエレベータ１１５、前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３に移載される。

前記カセット１００が前記移載棚１２３に移載されると、前記ウェハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び前記移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により該移載棚１２３から降下状態の前記ボート２１７に前記ウェハ２００を移載する。

前記ボート２１７に所定枚数の前記ウェハ２００が移載されると前記ボートエレベータ１２１により該ボート２１７が前記処理炉２０２に挿入され、前記シールキャップ２１９により前記処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された前記処理炉２０２内では前記ウェハ２００が加熱されると共に処理ガスが該処理炉２０２内に供給され、前記ウェハ２００に処理がなされる。

前記ウェハ２００への処理が完了すると、該ウェハ２００は上記した作動の逆の手順により、前記ボート２１７から前記移載棚１２３の前記カセット１００に移載され、該カセット１００は前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３から前記カセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により前記筐体１０１の外部に搬出される。尚、前記炉口シャッタ１１６は、前記ボート２１７が降下状態の際に前記処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が該処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

前記カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

まず、本発明の実施の形態にて行った、ウェハ等の基板へのプロセス処理例としてＣＶＤ法の中の１つであるＡＬＤ法を用いた成膜処理について、簡単に説明する。

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）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、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。

即ち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ジクロルシラン）とＮＨ₃（アンモニア）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。）

図５は、本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図６は本実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウェハ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、このヒータ２０７、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、前記石英キャップ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は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウェハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。前記ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウェハ２００を所定の温度に加熱する。

そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての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からは流量制御手段である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、更に後述する処理炉２０２内に形成されたバッファ室２３７を介して処理炉２０２に反応ガスが供給され、第２のガス供給管２３２ｂからは流量制御手段である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁である第２のバルブ２４３ｂ、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を介して処理炉２０２に反応ガスが供給されている。

処理炉２０２はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１により第４のバルブ２４３ｄを介して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。尚、この第４のバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理炉２０２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。上述したガス排気管２３１、第４のバルブ２４３ｄ、真空ポンプ２４６等から排気系２５０が構成される。

処理炉２０２を構成している反応管２０３の内壁とウェハ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ェハ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のウェハ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ェハ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と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、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、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、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噴出させる。そしてこの各第２のガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、前記ガスの流速差の均一化を行うこととした。

すなわち、バッファ室２３７において、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理炉２０２に噴出する。この間に、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た。

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法による成膜においてウェハ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と同様にウェ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の開口面積はバッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、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。

反応管２０３内の中央部には複数枚のウェハ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１２１は、第１、第２のマスフローコントローラ２４１ａ、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のマスフローコントローラ２４１ａ、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。

次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ₃ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。

まず成膜しようとするウェハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。

［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ₃ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まず第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のマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ₃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ＮＨ₃をプラズマ：励起し、活性種として処理炉２０２に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ₃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、第４のバルブ２４３ｄを適正に調整して処理炉２０２内圧力を１０〜１００Ｐａとする。第１のマスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ₃の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ₃をプラズマ励起することにより得られた活性種にウェハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７温度はウェハが３００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ₃は反応温度が高いため、上記ウェ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、このためウェハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。

このＮＨ₃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、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、処理炉２０２内に流しているガスはＮＨ₃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、ＮＨ₃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ＮＨ₃はウェハ２００上の下地膜と表面反応する。

［ステップ２］
ステップ２では、第１のガス供給管２３２ａの第１のバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ₃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に所定圧、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、処理炉２０２を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ₃を処理炉２０２から排除する。また、この時にはＮ₂等の不活性ガスを処理炉２０２に供給すると、更に残留ＮＨ₃を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理炉２０２との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３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は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。

［ステップ３］
ステップ３では、処理炉２０２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が処理炉２０２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、処理炉２０２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。このときのウェハ温度はＮＨ₃の供給時と同じく、３００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ₃とＤＣＳとが表面反応して、ウェハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、第４のバルブ２４３ｄを開けて処理炉２０２を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理炉２０２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炉２０２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ェハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。

ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。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、処理炉２０２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。

また、本実施の形態では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ処理で必要なステップであるＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理炉２０２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。また、処理炉２０２内を排気してＮＨ₃ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウェハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウェハ２００に吸着しているＮＨ₃とのみ有効に反応させることができる。

ところで、ＡＬＤ法に使用する複数のガスは、それぞれ単独では基板以外（処理室内壁や排気管内、ポンプ内）には成膜しないが、複数の処理ガスが混合すると成膜するという性質を持っている。従って、処理室に第１のガスを供給したあとは、処理室内を真空排気及びＮ₂パージして、処理室から第１のガスを完全に排出した後、第２のガスを処理室内に供給するようにしている。

ＡＬＤ処理などの基板処理炉では、ウェハへの不純物の混入を避けるため真空下で行われる。真空を得るためには、図１及び図２に示すように、排気系２５０に複数段の排気装置として真空ポンプ１０、２０を使用し、客先の排気ライン（排気管）２３１から、順次処理室２０１に向かって、圧力Ｐを下げる方式を採用している（Ｐ₁＜Ｐ₂＜Ｐ₃（≒大気圧））。

ここに図１は、不活性ガス供給手段３０が設けられた排気系２５０のブロック図である。処理室２０１は、複数の処理ガスＡ、Ｂを交互に供給してウェハ２００を処理する。処理室２０１内の雰囲気を排気する排気系２５０は、真空ポンプ２４６と不活性ガス供給手段３０とから構成される。
真空ポンプ２４６は、ブースタポンプとして機能する上流側真空ポンプ１０と、メインポンプとして機能する下流側真空ポンプ２０とからなる２段構成になっている。
不活性ガス供給手段３０は、不活性ガス供給路としてのガス供給配管３２と、加熱手段３１とを有し、この加熱手段３１で加熱して高温になった不活性ガス、例えばＮ₂を下流側真空ポンプ２０に供給するようになっている。なお、不活性ガスを高温に加熱する加熱手段３１としては、抵抗加熱器の他に、ランプ加熱器、プラズマ加熱器等がある。

また、図２は実施の形態による排気手段を概略断面で示した構成図である。
上流側真空ポンプ１０及び下流側真空ポンプ２０は、処理室内への油（ポンプ内機構の密閉用、潤滑用の油）の逆拡散を防止するため、ドライポンプを使用している。

上流側真空ポンプ１０は、ロータリ式のポンプであって、排気口１３と、処理室側の雰囲気に接続される吸気口１２とを含む筐体１１と、筐体１１内であって、吸気口１２と排気口１３との間に設けられ、吸気口１２側の雰囲気を排気口１３側へ移送する移送手段１４とから構成される。移送手段１４は、高速回転する一対のロータ１５から構成されて、その表面に衝突した気体分子に運動量を与え、一対のロータ１５間の雰囲気を順次排気口１３側に輸送することで、吸気口１２側の雰囲気を排気するようになっている。

下流側真空ポンプ２０は、スクリューロータ式のポンプであって、排気口２３と、処理室側の雰囲気に接続される吸気口２２とを含む筐体２１と、筐体２１内であって、吸気口２２と排気口２３との間に設けられ吸気口２２側の雰囲気を排気口２３側へ移送する移送手段２４とから構成される。ここで移送手段２４は、高速回転する一対のスクリューロータ２５から構成され、その表面に衝突した気体分子に運動量を与え、一対のスクリューロータ２５間の雰囲気を順次排気口１３側に輸送することで、吸気口１２側の雰囲気を排気するようになっている。

不活性ガス供給手段３０は、下流側真空ポンプ２０の排気口２３付近の筐体２１に接続されて、加熱手段３１からの高温の不活性ガスが、排気口２３付近の筐体２１内に供給されるようになっている。

処理室から下流側真空ポンプ２０の吸気口２２側ないしポンプ前段２７までの区間の雰囲気は、上流側真空ポンプ１０及び下流側真空ポンプ２０による排気作用（真空ポンプ及びＮ₂パージによる排出作用）が有効に働いているため、前の処理で使用した処理ガスが残留しにくく、それゆえ、ＡＬＤ処理では、この区間に副生成物が付着する虞はない。しかし、下流側真空ポンプ２０の排気口２３側及びその下流の排気管２３１内の雰囲気は、排出作用が弱くなるので、前の処理で使用した処理ガスが残留し、次のガスと混合する。従って、ＡＬＤ処理であっても、下流側真空ポンプ２０の後段２６及びその下流の排気管２３１内には、副生成物が付着し易くなる。

本発明は実施の形態のように、基板処理がＡＬＤ処理の時に、特に有効である。すなわち、実施の形態では、下流側真空ポンプ２０の排気口２３付近に加熱した不活性ガスを供給することで、下流側真空ポンプ２０の排気口２３及びその下流の排気管２３１内を加熱している。したがって、排気口２３側の筐体２１内で付着しやすい副生成物を有効に昇華させることができ、排気系２５０への副生成物の付着を防止することができる。なお、下流側真空ポンプ２０の排気口２３付近ではなく、下流側真空ポンプ２０の下流にある排気管２３１へ、加熱した不活性ガスを供給した場合には、下流側真空ポンプ２０の後段２６の筐体２１内及びその付近の排気管２３１内は加熱されないので、下流側真空ポンプ２０の後段の筐体２１内及びその付近の排気管２３１内に副生成物が付着してしまうことになる。したがって、下流側真空ポンプ２０の排気口２３付近のみにガスを導入させることが重要である。

また、実施の形態では、下流側真空ポンプ２０の吸気口２２ではなく、排気口２３付近にガスを導入させるので、下流側真空ポンプ２０の背圧が上がらず、下流側真空ポンプ２０の排気能力の低下を抑制できる。したがって、排気速度の低下によるスループット低下や到達圧力の低下が生じない。

また、実施の形態では、高温の活性ガスを供給しているので、副生成物付着量をより低減させるために不活性ガスの流量を増加しても、下流側真空ポンプ２０の筐体２１内内壁の低温化を招くことがなく、下流側真空ポンプ２０自体の内部に副生成物が付着するという問題も発生しない。

また、下流側真空ポンプ２０内の雰囲気は、吸気口２２から排気口２３へ向かう一方向の流れのみでなく、排気口２３側の雰囲気の一部が吸気口２２側に戻る循環流れが生じている。通常、真空ポンプ内では、かき出される大量の分子と逆流する分子とが存在する。この総和が排気量となる。また、分子の逆流が、排気口側の雰囲気の一部が吸気口側に戻る循環流れとなる。この逆流する分子が熱エネルギーを持っていれば、真空ポンプの吸気口側も加熱することが可能になる。
下流側真空ポンプ２０内には、このような循環流が生じているので、下流側真空ポンプ２０の排気口２３付近の筐体２１内部に加熱した不活性ガスを導入すれば、不活性ガスの一部が循環流れ（矢印Ｒ）に乗って、下流側真空ポンプ２０全体を加熱できる。従って、本来ならば、下流側真空ポンプ２０の筐体２１内で排気作用が徐々に低下することが原因で、筐体２１内にガスが残留する可能性が大きくなり、その結果、複数のガスが共存し、副生成物が発生しやすくなるが、前述した循環流れを利用して筐体２１を温めることができるので、筐体２１内の副生成物の付着を有効に抑えることができる。

また、実施の形態のように、不活性ガスを事前に加熱した後に下流側真空ポンプ２０内部に供給した場合、下流側真空ポンプ２０後段の排気管２３１へ供給されるガスの温度は、より高くなり、副生成物付着防止効果は上昇する。すなわち、ガスを事前に加熱し、この加熱したガスを下流側真空ポンプ２０内部に供給すると、真空ポンプ２０内で圧縮されることにより昇温されて（圧縮熱）、さらにガス温度が高くなる。通常のポンプでは、２０℃のＮ₂が１００℃程度に加熱されて排出される。したがって、真空ポンプ内部でのＮＨ₄Ｃｌ付着防止という点から、ガスを事前に加熱することが重要である。

ここで、下流側真空ポンプ２０に供給する不活性ガスＮ₂の最適な加熱温度を検討する。前述した副生成物の代表例として、塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）の場合を例にとって説明する。ＮＨ₄Ｃｌは、ＤＣＳ（ジクロルシラン：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）及びアンモニア（ＮＨ₃）を原料として用いたシリコン窒化膜生成時に発生する。
副生成物がＮＨ₄Ｃｌの場合、１２０℃で１０Ｐａ以下、１６０℃で１００Ｐａ以下、２００℃で１０００Ｐａ以下の条件下では、副生成物の固着（付着）は発生しない。また、真空ポンプの吸気口での圧力として、１０〜１００Ｐａの範囲で使用する場合、１６０℃以上に不活性ガスを加熱することにより、副生成物付着は発生しない。また、１２０℃でも、圧力が１０〜１００Ｐａの範囲であれば、副生成物の固着開始温度との差が小さいため、付着量を少量に押えることが可能になる。なお、固着開始温度は、ＮＨ₄Ｃｌの場合、各蒸気圧下で、１０¹Ｐａ：１１５℃、１０²Ｐａ：１５０℃、１０³Ｐａ：２００℃、１０⁴Ｐａ：２６５℃、１０⁵Ｐａ：３５０℃である。
なお、上述した温度１６０℃、２００℃、１２０℃は、真空ポンプの圧縮熱によって上昇するが、圧縮熱が加わるとしても、元の温度が高いので上昇温度幅は小さく、ポンプ内部でそれぞれ２００℃、２２０℃、１８０℃程度に上昇するものと考えられる。

上述した結果から、不活性ガス加熱温度は、１６０℃以上であれば固着量が完全にゼロになるので最も好ましいが、１２０℃でも、固着量はゼロとはならないが、従来よりも副生成物の固着量を大幅に低減することが可能である。したがって、不活性ガス加熱温度は１２０℃以上とすることが好ましい。このように、不活性ガスを１２０℃以上に加熱した後に真空ポンプ内部に供給すると、真空ポンプ及びそれより下流の排気管のメンテナン頻度を低減することが可能となり、メンテナンス費用を低減できるはかりでなく、装置稼働率向上にも寄与することができる。

また、真空ポンプ内に供給する不活性ガス流量を増加させることにより真空ポンプの排気口側での副生成物付着量を一層低減することが可能であるが、その流量を例示すれば、１００ｓｌｍ程度である。

また、実施の形態では、下流側真空ポンプに高温の不活性ガスを供給するようにしたが、排気能力が低下しない程度の流量であれば、下流側真空ポンプ２０に代えて、または下流側真空ポンプに２０加えて上流側真空ポンプ１０の排気口１３付近の筐体１１内に高温の不活性ガスを供給するようにしてもよい。

本発明の実施の形態にかかる基板処理装置の排気系のブロック図である。実施の形態にかかる排気手段を概略断面で示した図である。実施の形態にかかる基板処理装置を示す斜示図である。実施の形態にかかる基板処理装置を示す断面図である。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示した図。本発明の実施の形態にかかる縦型の基板処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示した図。

符号の説明

２１筐体
２２吸気口
２３排気口
２４移送手段
３０不活性ガス供給手段
２００ウェハ（基板）
２０１処理室
２４６真空ポンプ（排気手段）
２５０排気系

Claims

複数の処理ガスを交互に供給するガス導入部を備えて内部に配置された基板を処理する処理室と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気系とを備えた基板処理装置であって、前記排気系は、
前記処理室側の雰囲気を吸気する吸気口及び吸気した雰囲気を排気する排気口を有する筐体と、前記筐体内であって、前記吸気口と前記排気口との間に設けられ吸気口側の雰囲気を排気口側へ移送する移送手段とを有する排気手段と、
前記排気口付近の前記筐体内に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と
を備えたことを特徴とする基板処理装置。