JP2006190789A

JP2006190789A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2006190789A
Application number: JP2005000986A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Yoshida; 久志吉田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】真空ポンプの２次側の排気管から低温部を無くすことによって、排気管の配管長が長くなっても、省資源化、省エネルギー化を図りながら、反応副生成物による排気管の詰まりを抑制できるようにする。
【解決手段】基板処理装置は、基板としてのウェハ２００を処理する処理室２０１と、処理室２０１に反応ガスを交互に供給する複数の反応ガス供給手段としてのガス供給ポート２３２Ａ，２３２Ｂと、処理室２０１を排気する排気手段としての真空ポンプ２４６と、真空ポンプの一次側と処理室２０１との間に設けた第１排気管２３１と、真空ポンプ２４６の二次側に設けた第２排気管２３４とを有する。基板処理装置の第２排気管２３４に、高温の不活性ガスＮ₂を供給する不活性ガス供給手段としての加熱ガス供給ユニット２２１を設けて、第２排気管２３４に高温の不活性ガスＮ₂を供給するようになっている。加熱ガス供給ユニット２２１からは、反応性ガスを供給するレシピを実行するときのみ高温の不活性ガスを供給するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理室に反応ガスを交互に供給しつつ排気管より排気して基板を処理する基板処理装置に係り、特にその排気管内の反応副生成物の堆積を低減するための装置に関する。

基板処理装置、例えば半導体製造装置を構成する処理炉では、半導体ウェハなどの基板に成膜する方法として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法が広く採用されている。これはガス種Ａとガス種Ｂとを同時に処理室に供給し、処理室内の基板に成膜を行うものである。処理室の残留ガスは、真空ポンプにより排気管を介して、除害装置などの排ガス処理装置に流している。
図７には、そのようなＣＶＤ装置を構成するＣＶＤ処理炉の一般的な排ガス系統図を示す。

図７において、シールキャップ５で気密にされた石英製の反応管２内に、ガス種Ａ及びＢを導入して基板を処理する。ガス種Ａ及びＢは、反応管２の下部に設けられたガス導入ポート６，７より、加熱された反応管２に導入される。反応管２内に導入されたガス種Ａ及びＢは、複数の基板上に供給され、基板上に成膜する。基板上に成膜をした後、残留ガスは、反応管２の下部に設けられた排気ポート８より排気管２１、トラップ１０、排気管２２、真空ポンプ１１、排気管２３を経由して除害装置１２に送られて処理される。

このようなＣＶＤ処理炉の排ガス系内では、ガス種Ａ、Ｂが反応して生成される反応副生成物は、トラップ１０、例えば水冷トラップによって強制的に低温化させ固相に析出付着させて取り除く方法が一般的である。排気ポート８と水冷トラップ１０とを連結する排気管２１には反応副生成物が固相に析出しない温度に加熱できる配管加熱ヒータ９が装着されている。よって水冷トラップ１０より下流側の排気管２２、２３等には反応副生成物の付着は無く、反応生成物による排気管２２、２３の詰まりか起こることは無い。なお、水冷トラップ１０は定期的にメンテナンスを行う。

ところで、近年、基板に成膜する方法として、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）という方式が採用され始めた。これは、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種（またはそれ以上）の導入ガスを交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応のみを利用して成膜を行う手法である。図８に、そのようなＡＬＤ装置を構成するＡＬＤ処理炉の排ガス系統図を示す。

この手法では、例えば反応ガス種Ａをガス導入ポート６より、反応管２内部の複数枚の基板４上に供給し、基板４上に吸着させる。その後一旦、反応管２内部のガス種Ａを排気する。続いてガス種Ｂをガス導入ポート７より供給して、基板４上に吸着したガス種Ａと反応させて基板４上に成膜させる。成膜させた後、反応管２内部のガス種Ｂを排気する。このガスの切替えを供給を、繰り返し行うことによって、基板上に一原子層ずつ成膜する。

ＡＬＤ処理で用いるガスは、単独では成膜しないので、ＡＬＤ処理炉の排ガス系内では、前述した図７のＣＶＤ処理炉の排ガス系内に設けた水冷トラップ１０は必要がない。しかし、排気ポート８と真空ポンプ１１との間の排気管２４には、配管加熱ヒータ９を設ける必要がある。その理由は、ガス原料に液体有機原料を気化して用いる場合、真空ポンプ１１の１次側（上流側）で有機原料が冷却されると再液化し、排気管内に滞留し、次に供給されるガスと接触し、排気管２４内に反応副生成物が付着するおそれがある。したがって、これを防止するために、配管加熱ヒータ９を設ける必要がある。

ところで、図７又は図８の排ガス系統において、設備レイアウトによっては、真空ポンプ１１と除害装置１２との間の排気管が極めて長くなることがある。これは、多数の半導体製造装置の排ガスを、１台の除害装置１２で共通に処理する場合、除害装置１２に対して比較的近い距離に設置された半導体製造装置もあれば、比較的遠い距離に設置された半導体製造装置もでてくることによる。

排気管の配管長が長い場合でも、図７に示すＣＶＤ処理炉では、水冷トラップ１０により、排気管２２、２３等には反応副生成物の付着は無いので問題はない。しかし、図８に示すＡＬＤ処理炉では問題がある。ガス種Ａとガス種Ｂは、真空ポンプ１１の２次側（下流側）の排気管２３にて反応するおそれがあるからである。真空ポンプ１１の１次側の排気管２４は、真空ポンプ１１によってガスが抜き取られて圧力が低くなるので、ガスがほとんど存在しない。したがって、複数のガス種が反応することはない。しかし、真空ポンプ１１の２次側の排気管２３では、圧力が高く、抜き取られたガスが比較的ゆっくりと流れ、しかも配管長が長いと排気管２３内に漂うため、相前後して抜き取られた複数のガス種のうち、前に抜き取ったガス種に、後に抜き取ったガス種が追い付いて、両者が反応してしまう。

これを防止するために、排気管の全長にわたって加熱ヒータを設けることが望ましいのであるが、配管が長くなると、その全長に加熱ヒータを設けて加熱することは、経済的に高価となり難しく、結局、加熱ヒータを設けていない排気管２３が存在することが避けられない。このため、加熱ヒータを設けていない排気管２３内で、複数のガス種の反応が起こり、反応副生成物が冷却されて固化し、排気管壁に付着することになる。

上述したように、処理室に反応ガスを交互に供給しつつ排気して基板を処理する従来の基板処理装置においては、真空ポンプ１１の２次側の排気管の配管長が長くなり、また配管長が長くなって低温部が生じると、排気管の途中で複数のガス種が反応し、さらに排気管の低温部で、反応したガスが固相に析出して反応副生成物が堆積し、排気管が詰まってしまうおそれがあった。排気管が詰まると、基板処理装置を停止して、排気管を洗浄する等のメンテナンスを頻繁に行う必要があった。
なお、真空ポンプ１１と除害装置１２との間にトラップを設け、反応したガスをトラップにより強制的に低温化させて固相に析出付着させて取り除くことも考えられる。しかし、真空ポンプ１１の２次側は、処理装置が設置される工場側の排出装置による排出作用しか作用していないため、圧力が高くなり、トラップの上流側でガスが滞留してしまい、反応副生成物の堆積を助長してしまう虞がある。又、特に複数の反応ガスを交互に供給する方式では、複数の反応ガスを同時に供給する方式と異なり、いつでもどこでも反応するわけではないので、トラップによっては反応生成物を有効に取り除くことが困難である。

本発明の課題は、複数の反応ガスを交互に供給して基板を処理する装置において、上述した従来技術の問題点を解消して、排気手段の２次側の排気管の配管長が長くなっても、反応副生成物による排気管の詰まりを有効に抑制し、しかも省資源化、省エネルギー化が可能な基板処理装置を提供することにある。

本発明は、基板を処理する処理室と、前記処理室に複数の反応性ガスを交互に供給する複数の反応性ガス供給手段と、前記処理室を排気するための第１の排気管と、前記第１の排気管を介して前記処理室を排気する排気手段と、前記排気手段から排出されるガスを排気するための第２の排気管と、を有する基板処理装置であって、前記第２の排気管に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設け、前記不活性ガス供給手段から、前記反応性ガスを供給するレシピを実行するときのみ高温の不活性ガスを供給するようにしたことを特徴とする基板処理装置である。

不活性ガス供給手段から第２の排気管に高温の不活性ガスが供給されると、第２の排気管から低温部が無くなる。したがって、第２の排気管内で複数の反応ガスが反応しても、反応ガスが固相に析出して第２の排気管に付着することがなくなり、反応副生成物による第２の排気管の詰まりを防止できる。
また、不活性ガス供給手段から、反応性ガスを供給するレシピを実行するときのみ高温の不活性ガスを供給するようにしたので、反応性ガスを供給するレシピを実行するとき以外のときも供給するものと比べて、不活性ガスの消費量及び不活性ガスを高温にするためのエネルギーを抑えることができる。

ここで、本発明において、反応ガスを供給するレシピを実行するときとは、少なくとも第２の排気管内で反応副生成物が固相に析出するおそれのある期間であって、その期間に不活性ガスを高温にするために必要な加熱時間が加えられたものである。レシピを実行するとき以外の時間、例えば基板処理装置に電源を投入した状態のアイドル時間は含まない。また、高温とは、反応ガスにより生成される反応副生成物を気化させる温度である。

なお、本発明において、第２の排気管の複数箇所から高温の不活性ガスを供給することが好ましい。第２の排気管の複数箇所から高温の不活性ガスを供給すると、一箇所から供給する場合に比べて、反応ガスが有効に加熱されるので、反応副生成物による第２の排気管の詰まりを一層防止できる。この場合、不活性ガスの供給量が増加するので、不活性ガスの消費量及び不活性ガスを高温にするためのエネルギーの抑制効果が大きい。

本発明によれば、複数の反応ガスを交互に供給して基板を処理する装置において、排気管の配管長が長くなっても、反応副生成物による排気管の詰まりを有効に抑制することができ、しかも省資源化、省エネルギー化を図ることができる。

本発明の基板処理装置の構成を図面を用いて説明する。尚、以下の説明では、基板処理装置として基板にＡＬＤ処理を行なう縦型の装置（以下、単に処理装置という）に適用した場合について述べる。図３は、本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。尚、この図は透視図として描かれている。また、図４は図３に示す処理装置の側面図である。

本発明の処理装置は、シリコン等からなるウェハ（基板）２００を収納したポッド（基板収納容器）１００を、外部から筐体１０１内へ挿入するため、およびその逆に筐体１０１内から外部へ払出すためのＩ／Ｏステージ（保持具授受部材）１０５が筐体１０１の前面に付設され、筐体１０１内には挿入されたポッド１００を保管するためのカセット棚（載置手段）１０９が敷設されている。また、ウェハ２００の搬送エリアであり、後述のボート（基板保持手段）２１７のローディング、アンローディング空間となるＮ₂パージ室（気密室）１０２が設けられている。ウェハ２００に処理を行なうときのＮ₂パージ室１０２の内部は、ウェハ２００の自然酸化膜を防止するためにＮ₂ガスなどの不活性ガスが充満されるように、Ｎ₂パージ室１０２は密閉容器となっている。

上述したポッド１００としては、現在、ＦＯＵＰというタイプが主流で使用されており、ポッド１００の一側面に設けられた開口部を蓋体（図示せず）で塞ぐことで大気からウェハ２００を隔離して搬送でき、蓋体を取り去る事でポッド１００内へウェハ２００を入出させることができる。このポッド１００の蓋体を取り外し、ポッド内の雰囲気とＮ₂パージ室１０２の雰囲気とを連通させるために、Ｎ₂パージ室１０２の前面側には、ポッドオープナ（開閉手段）１０８が設けられている。ポッドオープナ１０８、カセット棚１０９、およびＩ／Ｏステージ１０５間のポッド１００の搬送は、カセット移載機１１４によって行なわれる。このカセット移載機１１４によるポッド１００の搬送空間には、筐体１０１に設けられたクリーンユニット（図示せず）によって清浄化した空気をフローさせるようにしている。

Ｎ₂パージ室１０２の内部には、複数のウェハ２００を多段に積載するボート２１７と、ウェハ２００のノッチ（又はオリエンテーションフラット）の位置を任意の位置に合わせる基板位置合わせ装置１０６と、ポッドオープナ１０８上のポッド１００と基板位置合わせ装置１０６とボート２１７との間でウェハ２００の搬送を行なうウェハ移載機（搬送手段）１１２とが設けられている。また、Ｎ₂パージ室１０２の上部にはウェハ２００を処理するための処理炉２０２が設けられており、ボート２１７はボートエレベータ（昇降手段）１１５によって処理炉２０２へローディング、又は処理炉２０２からアンローディングすることができる。

次に、実施の形態の処理装置の動作について説明する。
先ず、ＡＧＶ（自走型搬送車）やＯＨＴ（天井吊下式搬送装置）などにより筐体１０１の外部から搬送されてきたポッド１００は、Ｉ／Ｏステージ１０５に載置される。Ｉ／Ｏステージ１０５に載置されたポッド１００は、カセット移載機１１４によって、直接ポッドオープナ１０８上に搬送されるか、または、一旦カセット棚１０９にストックされた後にポッドオープナ１０８上に搬送される。ポッドオープナ１０８上に搬送されたポッド１００は、ポッドオープナ１０８によってポッド１００の蓋体を取り外され、ポッド１００の内部雰囲気がＮ₂パージ室１０２の雰囲気と連通される。

次に、ウェハ搬送機１１２によって、Ｎ₂パージ室１０２の雰囲気と連通した状態のポッド１００内からウェハ２００を取り出す。取り出されたウェハ２００は、基板位置合わせ装置１０６によって任意の位置にノッチが定まる様に位置合わせが行なわれ、位置合わせ後、ボート２１７へチャージされる（ウェハチャージ）。

ボート２１７へのウェハ２００のチャージが完了したならば、処理室２０１の炉口シャッタ１１６を開けて、ボートエレベータ１１５によりウェハ２００を搭載したボート２１７をローディングする（ボートアップ）。

ローディング後は、処理炉２０２にてウェハ２００に任意の処理が実施され（プロセス）、処理後は上述の逆の手順で、ボートダウンし、ウェハディスチャージして、ウェハ２００およびポッド１００は筐体１０１の外部へ払出される。

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法ではガス種ＡとしてＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ジクロルシラン）と、ガス種ＢとしてＮＨ₃（アンモニア）とを用いて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）。

これを図５及び図６を用いて具体的に説明する。
図５は、本実施の形態にかかる処理装置を構成する縦型の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、排気ポート２３１ａにガスを排気する排気管であるガス排気管２３１が設けられる。このガス排気管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。また、真空ポンプ２４６の二次側に第２の排気管２３４が設けられて、真空ポンプ２４６から排出されるガスを直接大気中へ、又は必要に応じて除害装置２３８を経て大気中へ排気するようになっている。

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。

本発明において、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にチャージし、ボート２１７をアップして処理炉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２４１ａ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は処理室容積の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法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。

ウェハ２００への成膜終了後は、ボート２１７をダウンして処理炉２０２から搬出し、ボート２１７からウェハをディスチャージする。

ところで、前述したように、処理室に反応ガス種Ａ、Ｂを交互に供給しつつ排気してウェハを処理するＡＬＤ処理炉においては、前述したように、真空ポンプ２４６の２次側の排気管２３４内では、複数のガス種が反応して、排気管２３４の低温部で、固相に析出して、反応副生成物が堆積し、この反応副生成物によって排気配管が詰まってしまうおそれがある。このため、処理装置を停止して排気管を洗浄する等のメンテナンスを頻繁に行う必要があった。この傾向は、特に真空ポンプ２４６の２次側の排気管２３４が長くなると、顕著であった。

そこで、本実施の形態では、これを回避するために、真空ポンプ２４６の２次側に設けた排気管２３４に、高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設け、排気管２３４内に高温の不活性ガスを供給して、排気管２３４内部で反応副生成物が形成されないようにした。以下、これを詳細に説明する。

図１に実施の形態によるガス排気系統を備えたＡＬＤ処理炉の概略図を示す。
ＡＬＤ処理炉は、ウェハ２００を処理する処理室２０１を内部に形成する反応管２０３と、反応管２０３の外周に設けられウェハ２００を加熱するヒータ２０７とを備える。また、処理室２０１に反応ガス種Ａ、Ｂを交互に供給する複数の反応ガス供給手段としてのガス供給ポート２３２Ａ、２３２Ｂと、処理室２０１を排気するための排気ポート２３１ａ、排気ポート２３１ａに接続された第１の排気管２３１と、第１の排気管２３１を介して処理室２０１を排気する排気手段としての真空ポンプ２４６と、真空ポンプ２４６の２次側から排出されるガスを排気するための第２の排気管２３４と、第２の排気管２３４を介して排気ガスの有害成分を取り除く除害装置２３８とを備える。

真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には配管加熱ヒータ２３６が装着されている。具体的には、排気ポート２３１ａと真空ポンプ２４６との間には圧力制御用のバルブ２４３ｄが設けてあり、配管加熱ヒータ２３６は、排気ポート２３１ａから圧力制御用バルブ２４３ｄまでの配管を加熱するようになっている。

また、真空ポンプ２４６の２次側の第２の排気管２３４に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段としての加熱ガス供給ユニット２２１を設け、加熱した不活性ガスを第２の排気管２３４に供給して、第２の排気管２３４内部に反応副生成物が析出しないようにしている。加熱ガス供給ユニット２２１は、真空ポンプ２４６の近傍の第２の排気管２３４に接続して、加熱された不活性ガス、例えばＮ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１ヵ所より第２の排気管２３４内に供給するようなっている。Ｎ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１ヵ所より供給するのは、最も簡便で加熱効率がよいからである。また、加熱ガス供給ユニット２２１は、基板処理装置の交流電源（図示せず）を投入すると、加熱ガス供給ユニット２２１から、高温に加熱されたＮ₂ガスが第２の排気管２３４に流れるようになっている。

ここで、ＡＬＤ成膜条件例として、原料ガス種が、ＤＣＳ，ＮＨ₃であり、成膜温度３００〜６００℃の場合、加熱ガス供給ユニット２２１から真空ポンプ２４６の２次側（下流側）の第２の排気管２３４に流す高温のＮ₂ガスの温度は、例えば約１５０〜１６０℃である。

上記実施の形態によれば、次のような効果がある。
（１）反応副生成物による第２の排気管の詰まりを有効に抑制することができる
ＡＬＤ法によるウェハ処理方法では、真空ポンプ２４６の１次側に設けた第１の排気管２３１内は、真空ポンプ２４６の排出作用により、比較的圧力が低い状態となり、各反応ガスが滞留することはないので、複数の反応ガスの混合による反応が生じない。しかし、真空ポンプ２４６の２次側に設けた第２の排気管２３４内は、基板処理装置が設置される工場側の排気手段による排気作用しか作用しないため、比較的圧力が高くなり、複数の反応ガスを交互に排気するとはいえ、排気配管長が長くなると、反応ガスＡ、Ｂの反応が起きる。また、第２の排気管２３４の排気配管長が長くなって低温部が存在すると、反応した反応ガスが冷却されて、第２の排気管２３４に反応副生成物が付着するおそれがある。このように、第２の排気管２３４の配管が長くなると、低温部にて複数のガスが反応して生成された反応副生成物が固相に堆積して、配管内部に析出する。そして、固相に堆積する反応副生成物によって第２の排気管２３４内部は加速的に閉塞され、真空ポンプ２４６の排圧エラーを引き起こし、メンテナンスをしなければならない状況が発生する。
しかし、上述したように、実施の形態によれば、加熱ガス供給ユニット２２１を設け、加熱された不活性ガスを真空ポンプ２４６の２次側の第２の排気管２３４に供給するようにしたので、第２の排気管２３４内に低温部が生じないようになる。したがって、第２の排気管２３４の排気配管長が長くなっても、低温部が生じないので、ＡＬＤ処理炉であっても、第２の排気管２３４に反応副生成物が付着するおそれがなくなり、反応副生成物による第２の排気管２３４の詰まりを有効に抑制することができる。

（２）真空ポンプの排気能力が低下しない。
不活性ガスを、真空ポンプ２４６の１次側に設けた第１の排気管２３１に供給すると、真空ポンプ２４６の排気能力が低下し、処理室内の速やかな排気ができず、速やかな排気を必要とするＡＬＤ方式の基板処理では、スループットが著しく低下するので、好ましくない。また、本来、ＡＬＤ処理で用いる反応ガスは、単独では成膜しないので、反応ガスが単独で存在する真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には、加熱した不活性ガスＮ₂を供給する必要はない。
この点で、実施の形態では、真空ポンプ２４６の１次側の第１の排気管２３１には不活性ガスを供給せず、真空ポンプ２４６の２次側に設けた第２の排気管２３４に不活性ガスを供給しているので、真空ポンプ２４６の排気能力が低下しない。

（３）不活性ガス資源の有効利用がはかれる。
真空ポンプ２４６の上流側に高温の不活性ガスＮ₂を供給し、排気される反応ガスの温度上昇を図ろうとするならば、真空ポンプ２４６の上流側は圧力が低いので、熱伝導が悪く、それゆえ多量のＮ₂を供給する必要がある。多量の不活性ガスＮ₂を真空ポンプ２４６の上流側に供給すれば、上述のように真空ポンプ２４６の排気能力が低下する。この点でも、実施の形態では、比較的圧力の高く、排気ガスへの熱伝導度が高い、真空ポンプ２４６の２次側に高温の不活性ガスＮ₂を供給するので、比較的少量の不活性ガスＮ₂を供給すれば足り、不活性ガス資源の有効利用がはかれる。

ところで、基板処理装置に交流電源を投入すると、加熱ガス供給ユニット２２１から、高温に加熱されたＮ₂ガスが第２の排気管に流れるようにして、Ｎ₂ガスを常時供給するようにすると、制御が容易であり、既存のソフトをそのまま利用できるのであるが、上述した（３）の資源の有効利用にもかかわらず、必要以上のＮ₂ガスが消費され、しかもＮ₂ガスを高温に熱するための電力が必要以上に消費されることになると考えられる。そこで、反応性ガスを供給するレシピを実行するときのみ、高温の不活性ガスＮ₂を供給するようにすれば、そのような問題を解決できる。

図２は、そのような加熱ガス供給ユニット２２１を実現するための具体的な構成図である。加熱ガス供給ユニット２２１は、熱排気口３０１を設けたハウジング３００を備える。このハウジング３００には、基板処理装置の電源となるＡＣ電源に接続されるＡＣ電源端子３０２、Ｎ₂ガスが供給されるＮ₂ガス供給口３０３、Ｎ₂ガスが排出されるＮ₂ガス排出口３０４、及び基板処理装置１０３内の作動ユニット１２０と外部接続される駆動コイル回路端子３０５ａ、３０５ｂが設けられる。

また、ハウジング３００内には、Ｎ₂ガス供給口３０３とＮ₂ガス排出口３０４とを結ぶＮ₂ガスライン３１０が設けられる。このＮ₂ガスライン３１０には、その供給口３０３から排出口３０４に向かって順次、手動バルブＨＶ、圧力を調整するレギュレータＭＰ１、エアバルブＡＶ１、及び熱交換器ＨＴが設けられる。

上記エアバルブＡＶ１は、空気またはＮ₂ガスで作動する。ここでは、電磁弁ＥＶの開閉制御により、エアバルブＡＶ１に対してＮ₂ガスを供給することによって作動させる。このＮ₂ガスはＮ₂ガスライン３１０を流れるガスの一部を利用する。すなわち、Ｎ₂ガスライン３１０の手動バルブＨＶとレギュレータＭＰ１との間に分岐ライン３１１を接続し、この分岐ライン３１１からレギュレータＭＰ２を介して取り出すようになっている。

上記熱交換器ＨＴは、Ｎ₂加熱用のランプＬＰから受ける熱をＮ₂ガスに熱交換してＮ₂ガスを加熱するようになっている。ランプＬＰは、温度センサＴＣに基づく温度調節計ＣＴＲからの出力値に応じた電力を電力調整器ＳＳＲから供給されて、熱交換器ＨＴを介してＮ₂ガスが設定温度となるように制御される。
上記ＡＣ電源端子３０２は、リレー接点ＡＡを介して電力調整器ＳＳＲに接続される。また、ＡＣ電源のＡＣをＤＣに変換してＤＣ電圧、例えば２４Ｖを出力するＤＣ電源３０８に接続され、このＤＣ電源３０８から出力されるＤＣ電圧ははリレー接点ＡＢを介して上記電磁弁ＥＶに接続される。

駆動コイル回路端子３０５ａ、３０５ｂに内部接続される駆動コイルユニット３０６は、ランプオン／オフ制御用のリレー接点ＡＡを駆動するリレー巻線ＡＡと、電磁弁（ＡＶ１駆動用）制御用のリレー接点ＡＢを駆動するリレー巻線ＡＢとの並列回路から構成される。リレー巻線ＡＡに電流が流れると、リレー接点ＡＡが閉じて、電力調整器ＳＳＲに電流が流れ、ランプＬＰが点灯して、熱交換器ＨＴが作動する。これにより、熱交換器ＨＴ内を流れるＮ₂ガスは所定温度（約１５０〜１６０℃）に加熱される。リレー巻線ＡＡと同時にリレー巻線ＡＢに電流が流れると、リレー接点ＡＢが閉じて、電磁弁ＥＶにＤＣ電圧が印加されて電磁弁ＥＶが開き、作動用のＮ₂ガスが分岐ライン３１１を介してエアバルブＡＶ１に供給されて、エアバルブＡＶ１を開く。これによりＮ₂ガスライン３１０にＮ₂ガスが流れ、高温のＮ₂ガスがＮ₂ガス排出口３０４から排出される。

上述した加熱ガス供給ユニット２２１は、基板処理装置１０３内に設けた作動ユニット１２０により作動する。作動ユニット１２０は、直流電源（＋２４Ｖ）とリレー接点ＸＸとを備える。この作動ユニット１２０は、加熱ガス供給ユニット２２１内の駆動コイルユニット３０６と接続されて、駆動コイルＡＡ及びＡＢの並列回路にリレー接点ＸＸを介して直流電源（＋２４Ｖ）が印加される作動回路を構成する。

基板処理装置１０３側では、メインコントローラ（図示せず）によりあらかじめ組み込まれた各種プロセスレシピを順を追って基板処理装置を動作させるようになっている。この各プロセスレシピごとに、作動ユニット１２０のリレー接点ＸＸをオン／オフさせるような出力信号を出すソフトを組むようにする。これにより、加熱ガス供給ユニット２２１を必要とする反応性ガスを流すレシピでのみ、高温のＮ₂ガスを流すようにする。

ここで反応性ガスを流すレシピとは、例えば、ウェハチャージ→ボートアップ→成膜→ボートダウン→ウェハディスチャージまでの一連の作業を行うレシピをいい、この一連の作業の期間がレシピの実行中となる。このレシピ実行中は、継続して高温のＮ₂ガスを流すようにする。その理由は、加熱ガス供給ユニット２２１のランプＬＰをオンしてから、Ｎ₂ガスの温度が目標の温度（約１５０〜１６０℃）に安定するまで時間がかかり（３０〜４０分）、その時間を確保するためである。

上述したように、実施の形態による加熱ガス供給ユニット２２１は、作動ユニット１２０、駆動コイルユニット３０６、ランプオン／オフ制御用のリレー接点ＡＡ、電磁弁（ＡＶ１駆動用）制御用のリレー接点ＡＢを備えて、基板処理装置１０３にＡＣ電源が供給がされた上で、基板処理装置１０３内からの前述したソフトの出力信号が出されたときに、Ｎ₂ガス加熱用のランプＬＰが点灯し、Ｎ₂ガス供給用のエアバルブＡＶ１が開くようにして、高温のＮ₂ガスを必要とするプロセスレシピを実行するときのみ、高温のＮ₂ガスを流すようにしている。したがって、ＡＣ電源供給時点で、直ちにランプＬＰが点灯し、エアバルブＡＶ１が開となる（常時、高温のＮ₂ガスが供給状態）ものと比べて、Ｎ₂ガスの省エネルギー化、ランプ加熱の省電力化を図ることができる。省エネルギー化、及び省電力化は、基板処理装置の種類や、ＡＣ電源供給時からレシピ実行までの時間（アイドル時間）にもよるが、例えば、Ｎ₂の消費量は約３０〜４０％ダウン可能であり、電力の消費量も約３０〜４０％ダウン可能である。したがって、加熱ガス供給ユニット２２１のＮ₂の消費量および電力量を大幅に抑えることができる。

なお、上述した実施の形態では、加熱ガス供給ユニット２２１は、真空ポンプ２４６の近傍の第２の排気管２３４に接続して、加熱された不活性ガス、例えばＮ₂ガスを真空ポンプ２４６の近傍の１箇所より、第２の排気管２３４内に供給するようなっている。しかし、本発明はこれに限定されない。第２の排気管２３４内の複数箇所から高温の不活性ガスを供給するようにしても良い。これによれば、一箇所から供給する場合のように、第２の排気管２３４の配管長が長くなった場合でも、第２の排気管２３４の全長にわたって、第２の排気管２３４内を有効に加熱することができる。したがって、加熱ガス供給箇所より離れるに従って、配管内部の温度が低下するということがなくなり、反応副生成物が固相に堆積して、配管内部に析出するのを有効に避けることができる。特に、このように複数箇所から高温の不活性ガスを供給するような場合においては、Ｎ₂ガス流量およびランプ消費電力が増加するので、上述した加熱ガス供給ユニット２２１を用いることにより、Ｎ₂ガスの消費量、及び電力消費の抑制の利点は大きい。

なお、上述した実施の形態では、複数の反応性ガスを交互に供給する成膜方法としてＡＬＤについて説明した、本発明はこれに限定されず、例えば、２種類以上の反応ガスを用いて、成膜、排気、改質、排気の４つの工程を１サイクルとして、これを複数回繰り返すサイクリックＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）にも適用可能である。

実施の形態による基板処理装置を構成するガス排気系統を備えた処理炉の概略図である。実施の形態による加熱ガス供給ユニットの構成図である。本発明に適用される処理装置の外観斜視図である。図３に示す処理装置の側面図である。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、処理炉部分を横断面で示した図である。ＣＶＤ法を用いた一般的な排ガス系統図である。ＡＬＤ法を用いた一般的な排ガス系統図である。

符号の説明

２００ウェハ（基板）
２０１処理室
２３２Ａ，２３２Ｂガス供給口（反応ガス供給手段）
２２１真空ポンプ（排気手段）
２３１第１の排気管
２３４第２の排気管
２２１加熱ガス供給ユニット（不活性ガス供給手段）

Claims

基板を処理する処理室と、
前記処理室に複数の反応性ガスを交互に供給する複数の反応性ガス供給手段と、
前記処理室を排気するための第１の排気管と、
前記第１の排気管を介して前記処理室を排気する排気手段と、
前記排気手段から排出されるガスを排気するための第２の排気管と、
を有する基板処理装置であって、
前記第２の排気管に高温の不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を設け、
前記不活性ガス供給手段から、前記反応性ガスを供給するレシピを実行するときのみ高温の不活性ガスを供給するようにしたことを特徴とする基板処理装置。