JP2001060555A

JP2001060555A - 基板処理方法

Info

Publication number: JP2001060555A
Application number: JP11234108A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Suzaki; 健一寿崎
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェハが減圧反応ガス雰囲気の反応室で加熱
処理される減圧ＣＶＤ装置において、反応室を閉じて大
気圧に維持する大気圧維持状態時に、乱流の発生を防止
し、シール部分からのＮ₂ガス漏れに起因してパーティ
クル、あるいはＮＨ₄Ｃｌ等の汚染物質の混入がないよ
うにする。【解決手段】反応室３に連通する主排気ライン１６
に、その主排気弁１８をバイパスさせる副排気ライン２
１を設ける。副排気ライン２１には、反応室３内の圧力
が大気圧になったとき開く副排気弁２２と、反応室３内
を流れる気流が層流化するように排気流量を調整できる
ニードル弁２３を設ける。大気圧維持状態時、ニードル
弁２３で導入量と排気量とのバランスを取ることによ
り、大気圧を維持して反応室３内に層流を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板処理方法に係り、特
に減圧ＣＶＤ装置を使った半導体製造方法に好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】減圧ＣＶＤ装置では、図３に示すよう
に、シャッタ１１または製品ウェハの装填されていない
ボート１２の炉口蓋９によって反応室３の炉口部１０を
閉じたうえで、反応室３内にＮ₂を導入して反応室内圧
力を大気状態に維持する工程がある。この工程では、大
気状態に維持するためにマスフローコントローラ（ＭＦ
Ｃ）２７で適量に制御したＮ₂ガスを反応性ガス導入ラ
イン１５を介して反応室３の下部から導入し反応室３内
を昇圧する。他方、主排気ライン１６に設けた圧力検出
器２５で反応室３内の圧力を監視して、反応室３内の圧
力が大気圧になると過加圧防止ライン（大気圧ベンドラ
イン）３１に設けた仕切弁３２が開き、反応室３内の圧
力が大気圧以上となると逆止弁３３が作動してＮ₂ガス
を排気する。この導入と排気のバランスを保って反応室
３内を大気状態に維持するようになっている。

【０００３】反応室３の下部からＮ₂ガスが導入されて
いる時のＮ₂ガスの流れは、点線矢印で示すように、反
応室３の下部→反応室３の上部→外部反応管１と内部反
応管２との間の空間８→過加圧防止ライン３１を通り、
反応室３内では規則正しい層流となるのが好ましい。こ
こで層流とするためには、（１）リークイベント時、適
量の不活性ガスを反応室に常時導入する必要がある（不
活性ガスを流すことは必須であるが、流量の限定は必須
ではない）、（２）反応室内の圧力を７６０Torr／１０
１，０８０Ｐａの大気圧に維持するべく排気する必要が
ある、の２点であるが、上述した従来のものでは、層流
とはならず乱流となってしまう。その理由は、

【０００４】（１）過加圧防止ライン３１の仕切弁３２
の２次側にある逆止弁３３の動作圧が統一されていない
こと（例えば、０．０７ｋｇｆ／ｃｍ²のものと０．０
２３ｋｇｆ／ｃｍ²のものがある）、逆止弁に０．０７
ｋｇｆ／ｃｍ²のものと０．０２３ｋｇｆ／ｃｍ²のもの
があると、排気能力よりもガス導入量が多くなったり、
ガス導入量よりも排気能力が大きくなったりする場合が
起こり得る。また過加圧防止ライン３１を客先ユーティ
リティ（システム運用に際し外部的に必要とする電源、
冷却水など）へ接続して排気するやり方では、客先の排
圧が変り、反応室へのＮ₂流量を１台１台調整しなけれ
ば、層流が形成されるかどうか分らない。更には層流で
あるかどうかは実際に処理基板へのパーティクル付着量
を測定してみなければ分らない。このため、反応室内の
圧力を大気圧に維持するべく排気できない。

【０００５】（２）過加圧防止ライン３１の主排気ライ
ン１６に対するつなぎ込み位置の指定がないこと、装置
の据付け工程で、現場で場所を確認し、配管形状等を決
めて組み立てることになるため、位置指定されていて予
め配管形状等を決めておく場合に比べて、過加圧防止ラ
イン３１の機能を十分に発揮できない。このため適量の
不活性ガスを反応室に常時導入することができない。

【０００６】（３）客先のユーティリティに応じて、つ
なぎ込み先での排圧のバラツキがあること、排圧のバラ
ツキがあると反応室内を大気圧に維持することが難し
い。等である。

【０００７】なお、（１）では手間がかかると共に調整
のための費用もかかるという問題もあり、（２）では装
置の据付け工程で、現場で場所を確認し、配管形状等を
決めて組み立てることになるため、装置製造工数が上が
るという問題もある。

【０００８】Ｎ₂ガスの流れが層流とならない場合は、
反応性ガス導入ライン１５が挿入されているインレット
フランジ６とシャッタ１１または炉口蓋９との間のＯリ
ング７のシール部分から実線矢印で示すようにＮ₂ガス
が漏れる。またＮ₂ガスの流れが層流になっていない場
合、インレットフランジ６の上部（排気通路側となる空
間８側）内壁に付着したＮＨ₄Ｃｌ、あるいはガス排気
口５と主排気ライン１６の継手部（低温部）内壁に付着
したＮＨ₄Ｃｌがヒータ３０の熱により徐々に昇華し、
塩素成分が反応室３の上部によどむことになる。

【０００９】ここでガス漏れとよどみとの関係を説明す
ると、Ｎ₂ガスが漏れるということは、反応室３内が過
加圧な状態が進行して、過加圧の限界を越えた状態であ
る。この状態では排気量よりもガス導入量の方が多く、
排気される方向とは無関係に運動できるガスができる。
よってガスのよどみという現象が起きる。

【００１０】前述した塩素成分の量は大気状態維持時間
に比例し、増加する塩素成分が多い場合（すなわち装置
の大気状態維持時間が長い場合）、製品シリコンウェハ
を装填したボート１２の挿入時にウェハ表面に吸着し
て、窒化膜成膜後、レンズ効果により成膜パーティクル
またはヘイズとしてカウントされる。表１に、２回の装
置テストを行ったときの大気状態維持時間と成膜パーテ
ィクルの関係を示す。装置の大気状態維持時間が長い程
成膜パーティクルが多いことが分る。

【００１１】

【表１】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の装置で
は、大気状態維持時に、圧力検出器２５が反応室３を大
気圧と検知し、あるいは逆止弁３３でＮ₂ガスを漏出さ
せて反応室３を大気圧に維持している状態でも、逆止弁
３３の動作圧の不統一、過加圧防止ライン３１のつなぎ
込み位置、つなぎ込み先での排圧のバラツキなどに起因
して、反応室３内のＮ₂ガスの流れは層流とはならず、
乱流が発生する。そのためＮ₂ガスが反応室３から漏れ
たり、主排気ライン１６の内壁等に付着していたパーテ
ィクル、あるいはインレットフランジ等に残留していた
ＮＨ₄Ｃｌが反応室３に混入し、ウェハＷの汚染の原因
となるという問題があった。

【００１２】本発明の課題は、大気圧維持状態時、ガス
導入量とのバランスを取りながら排気流量を制御して反
応室内気流を層流化することによって、上述した従来技
術の問題点を解消して、不活性ガスの漏れがなく、パー
ティクルあるいはＮＨ₄Ｃｌ等の汚染物質の混入がない
ようにした基板処理方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ボートの挿入
されていない反応室をシャッタで閉じるか、もしくは製
品基板の装填されていないボートを前記反応室へ挿入し
て前記ボートの炉口蓋で閉じて、前記反応室を大気状態
に維持する工程を含む基板処理方法において、前記反応
室を大気状態に維持する際、前記反応室内に不活性ガス
を導入し、前記反応室の圧力が大気圧になったとき、主
排気ラインに並列に設けた副排気ラインから排気し、そ
の排気量を前記反応室の圧力変動がないように流量制御
するようにした基板処理方法である。

【００１４】大気状態維持工程とは、反応室をシャッタ
で閉じるか、製品基板の装填されていないボートで閉じ
た状態にして、反応室内を大気圧に維持する工程をい
う。この大気圧状態維持工程のとき、主排気ラインに並
列に設けた副排気ラインにより、反応室内に導入された
不活性ガスの排気流量を圧力変動のないように制御しな
がら排気する。そうすると反応室によどみのない層流が
形成される。層流化により反応室内のパーティクルが低
減し、大気状態にある反応室内が清浄に維持される。ま
た不活性ガスがシール部より漏れたりすることがなくな
る。

【００１５】本発明の方法の実現手段としては、不活性
ガスを常時流せないうえ大気圧検知が不揃いな過加圧防
止ラインを排し、その代りに主排気ラインに副排気ライ
ンをスロー排気ラインとは別に設ける。副排気ラインに
は開閉弁と流量制御弁を設ける。反応室内を大気圧維持
状態とする時、反応室内に不活性ガスを導入して昇圧す
る。圧力検出器で反応室内の圧力を検出し、大気圧にな
った時、副排気ラインに設けた開閉弁を開いて副排気ラ
インから不活性ガスを排気する。これで反応室内を大気
圧状態に制御する。さらに副排気ラインに設けた流量制
御弁で排気流量を制御して適量の不活性ガスを反応室内
に常時流すようにする。これにより反応室内に流れる不
活性ガスを層流化できる。

【００１６】

【実施の形態】以下に本発明の実施の形態を、縦形炉か
らなる減圧ＣＶＤ装置を例にとって説明する。減圧ＣＶ
Ｄ装置は、ウェハが減圧反応ガス雰囲気の反応室で加熱
処理してウェハ表面に窒化膜等の薄膜を形成するもので
ある。

【００１７】図１中、１は外部反応管、２は外部反応管
１内に設けられ反応室３を区画形成する内部反応管であ
る。外部反応管１の下端に、ガス導入口４とガス排気口
５とを設けたインレットフランジ６がＯリング７を介し
て気密に設けられる。外部反応管１と内部反応管２との
間にはガス排気口５に連通する円筒状の空間８が形成さ
れ、円筒状空間８の下端をインレットフランジ６に設け
た支持部６ａで閉塞して、空間８をガス排気口５への排
気通路とする。

【００１８】反応室３には下方からボート１２が装入、
引出し可能となっており、ボート１２には水平姿勢で多
段に製品ウェハＷが装填されるようになっている。また
ボート１２はボートキャップ１３を介して炉口蓋９に載
置され、炉口蓋９はボート１２を装入状態で反応室３の
炉口部１０となるインレットフランジ６の下部開口を閉
塞可能としている。炉口蓋９は図示しないボートエレベ
ータにより昇降可能である。また、ボート１２の引出し
後に下部開口を閉塞するものとして炉口シャッタ１１が
設けられる。炉口蓋９または炉口シャッタ１１はＯリン
グ７を介してインレットフランジ６の下部開口を気密に
閉塞する。

【００１９】インレットフランジ６のガス導入口４に反
応性ガス導入ライン１５が連通し、円筒状空間８の下端
のガス排気口５には、主排気ライン１６が連通され、主
排気ライン１６には真空ポンプ１７が接続されている。
主排気ライン１６の途中には主排気弁１８が設けられ、
開閉弁としての主排気弁１８をバイパスするスロー排気
ライン１９が主排気ライン１６に並列接続され、スロー
排気ライン１９に開閉弁としての補助弁２０が設けられ
る。

【００２０】従来の過加圧防止ライン（図３の符号３
１）を削除し、代りにＮ₂ガスパージするための副排気
ライン２１を主排気ライン１６と並列接続し、副排気ラ
イン２１に開閉弁としての副排気弁２２および流量制御
弁としてのニードル弁２３を設ける。副排気弁２２はノ
ーマルオープン弁となっており、停電時には反応室３内
が過加圧となるのを防止している。またニードル弁２３
を設けることで副排気ライン２１に流れるガスの排気流
量を調整できるようになっている。この副排気ライン２
１は、スロー排気ライン１９のように大気圧から真空引
きをする時の荒引きには使用せず、反応室３内が大気圧
（７６０Torr／１０１，０８０Ｐａ）になった状態で使
用する反応室３内のパージ用ライン（Ｎ₂気流層流化ラ
イン）とする。また主排気弁１８、補助弁２０、副排気
弁２２の上流側の主排気ライン１６に圧力検出器２５が
接続されている。

【００２１】ここで、副排気ライン２１を荒引きに使用
しない理由は、逆に言えば荒引に使用するスロー排気ラ
イン１９では適量のＮ₂ガスを供給できないからであ
る。すなわち、スロー排気ライン１９は、できるだけ排
気時間を早めることを意図しているので、Ｎ₂ガスパー
ジする時にも用いれば、パージＮ₂ガスの供給量を多く
しなければ反応室内を７６０Torr／１０１，０８０Ｐａ
に維持できないし、パージＮ₂ガスの供給量が多過ぎる
と逆にパーティクル巻き上げの原因になる。そこで適量
のＮ₂ガスが供給できるように、副排気ライン２１をス
ロー排気ライン１９とは別に設けているのである。

【００２２】前記副排気弁２２は、圧力検出器２５が大
気圧（７６０Torr／１０１，０８０Ｐａ）を検出したと
き開となるように設定しておく。ニードル弁２３は、圧
力検出器２５の圧力値が増減しないように弁開度を調整
して、反応室３内を減圧から大気圧へと戻すメインリー
クイベントで使用するＮ₂ガス流量を反応室３内に導入
する。ここに導入するＮ₂ガス流量の適量値としては１
〜１０ＳＬＭ／ｍｉｎ、更に好適には２〜３ＳＬＭ／ｍ
ｉｎである。

【００２３】成膜工程では、製品ウェハＷを装填された
ボート１２が加熱された反応室３内に装入され、炉口蓋
９が炉口部１０を閉塞し、主排気弁１８、副排気弁２２
が閉塞、スロー排気ライン１９の補助弁２０を開いた状
態で、真空ポンプ１７によりスロー排気ライン１９を介
して緩やかに反応室３内を真空排気する。反応室３が所
要の圧力まで低下すると、主排気弁１８を開いて主排気
ライン１６を介して排気する。反応室３が所定の圧力に
到達し、またウェハＷの温度が安定すると、反応性ガス
導入ライン１５より反応性ガスを導入して、ウェハＷの
加熱処理を行って成膜する。

【００２４】加熱処理による成膜完了後、反応室３に不
活性ガスを流入させ、ガスパージする。次に主排気弁１
８、補助弁２０を閉じ、反応性ガス導入ライン１５より
更に不活性ガスＮ₂を流入し、反応室３内を大気圧まで
昇圧する。圧力検出器２５により大気圧であることが検
出されると副排気弁２２が開く。反応室３内が大気圧以
上となるとニードル弁２３より副排気ライン２１を介し
てＮ₂を排気する。

【００２５】また、大気圧であることが確認されると図
示しないボートエレベータによりボート１２が引出され
る。ボート１２が引出された状態で、炉口部１０は炉口
シャッタ１１により閉塞される。炉口シャッタ１１によ
り炉口部１０が閉塞された状態は図３により示されてい
る。なおシャッタ１１で閉塞する代りに製品ウェハＷが
装填されていないボート１２を反応室３へ挿入し炉口蓋
９により閉塞してもよい。空のボート１２の炉口蓋９で
閉塞された状態は図１と実質的に同じである。なお、ボ
ート１２には製品ウェハ以外のウェハ、例えばモニタウ
ェハが装填されていてもよい。

【００２６】シャッタ１１または炉口蓋９で閉塞後、装
置は大気状態維持工程に入る。この大気状態維持工程時
は、上述した適量のＮ₂ガスが反応性ガス導入ライン１
５より反応室３の下部から導入され、反応室３を大気圧
まで昇圧する。

【００２７】主排気ライン１６に設けた圧力検出器２５
により反応室３内が大気圧（７６０Torr／１０１，０８
０Ｐａ）であることが検出されると、副排気弁２２が開
いて副排気ライン２１はＮ₂気流層流化ラインとなる。
このときニードル弁２３は、主排気ライン１６に設けた
圧力検出器２５の圧力値を常時監視して、その圧力値が
上記大気圧になるように開度が調整される。したがって
逆止弁で過加圧防止を行っていたものと比べて、逆止弁
の動作圧の不統一、過加圧防止ラインのつなぎ込み位
置、つなぎ込み先での排圧のバラツキなどに影響される
ことがなく、上記ニードル弁２３の開度調整により、真
空ポンプ１７により引かれる排気ガス流量が、反応室３
内に導入されるＮ₂ガス流量と同量となるように制御さ
れ、導入量と排気量のバランスが保たれる。その結果、
大気圧維持状態時に反応室３内に導入したＮ₂ガスは層
流となって副排気ライン２１から排気され、反応室３内
は大気圧に維持される。また層流となるので、インレッ
トフランジ６とシャッタ１１または炉口蓋９との間のＯ
リング７のシール部分からのＮ₂ガスの漏れもなくな
る。

【００２８】上記実施形態によれば、主排気ライン１６
から過加圧防止ラインを外し、代りに副排気弁２２及び
ニードル弁２３を設けた副排気ライン２１を設け、大気
圧維持状態時、圧力検出器２５の検出値に応じて開度調
整されるニードル弁２３により反応室３を大気圧に維持
するようにしたので、過加圧防止ラインに起因する乱流
の発生を有効に防止できる。また反応室内の気流を層流
化させることにより、主排気ライン１６の内壁等に付着
していたパーティクル、あるいは残留したＮＨ ₄Ｃｌ等
の副生成物に起因する製品ウェハＷの汚染を低減でき
る。その結果、装置の大気状態維持時間に影響されず、
常時パーティクルレベルを低水準で維持することがで
き、シリコンウェハ表面に吸着されるパーティクルまた
はヘイズのカウント量を表１の１時間並みに低下させる
ことができる。

【００２９】また、上記実施形態によれば、予め配管設
計ができるので、従来の過加圧防止ラインのように据付
けに手間がかかったり、調整のための費用がかかるとい
う問題もなく、さらには装置の据付け工程で、現場で場
所を確認し、配管形状等を決めて組み立てるというよう
なことがないため、装置製造工数を低減できる。

【００３０】なお、上述した実施の形態では、副排気ラ
イン２１にニードル弁２３を設けた場合について説明し
たが、排気流量調整を可能とする手段であれば、他の手
段を用いてもよい。図２は排気流量調整手段として、ニ
ードル弁２３に代えてマスフローコントローラ２６を取
り付けたものである。マスフローコントローラ２６の開
度については、反応室３内を減圧から大気圧へと戻すメ
インリークイベントで使用するＭＦＣ２７のＮ₂ガス流
量の設定信号と同じ設定値をＭＦＣ２６に与える。この
設定により反応室内から排気ラインへ抜けるＮ₂ガス気
流の層流化が実現する。

【００３１】なお、上記実施の形態は縦型炉について説
明したが、横型反応炉を有する半導体製造装置にも同様
に実施可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、圧力変動のないように
ガス導入、排気されるので、反応室によどみのない層流
が形成される。このため大気状態にある反応室が清浄に
維持されるので、基板処理時に製品ウェハに付着するパ
ーティクルを低減でき、製造される半導体素子の品質向
上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の基板処理方法を実施するための減圧
ＣＶＤ装置の概略断面図である。

【図２】他の実施形態の基板処理方法を実施するための
減圧ＣＶＤ装置の概略断面図である。

【図３】従来例による減圧ＣＤＶ装置の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

３反応室９炉口蓋１１シャッタ１２ボート１６主排気ライン２１副排気ライン２３ニードル弁（流量制御弁）Ｗ製品ウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボートの挿入されていない反応室をシャッ
タで閉じるか、もしくは製品基板の装填されていないボ
ートを前記反応室へ挿入して前記ボートの炉口蓋で閉じ
て、前記反応室を大気状態に維持する工程を含む基板処
理方法において、前記反応室を大気状態に維持する際、前記反応室内に不活性ガスを導入し、前記反応室の圧力が大気圧になったとき、主排気ライン
に並列に設けた副排気ラインから排気し、その排気量を前記反応室の圧力変動がないように流量制
御するようにした基板処理方法。