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JP2011100820A - 基板処理装置 - Google Patents

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JP2011100820A
JP2011100820A JP2009253885A JP2009253885A JP2011100820A JP 2011100820 A JP2011100820 A JP 2011100820A JP 2009253885 A JP2009253885 A JP 2009253885A JP 2009253885 A JP2009253885 A JP 2009253885A JP 2011100820 A JP2011100820 A JP 2011100820A
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Tadashi Konya
忠司 紺谷
Naoki Matsumoto
尚樹 松本
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Hitachi Kokusai Electric Inc
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Hitachi Kokusai Electric Inc
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Abstract

【課題】バルブや継ぎ手などのガス供給系部品が密集状態であっても、むらなく安定した加熱を行うことができ、安定した状態で原料ガスを基板処理装置に供給することができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板を収容し処理を行う基板処理室と、前記基板処理室に接続され、前記基板処理室内に処理用ガスを供給するガス供給系と、前記ガス供給系を加熱する加熱手段とを備え、前記加熱手段は、前記ガス供給系の少なくとも一部を囲む加熱容器であって、加熱ガス導入口271aと加熱ガス排気口271bを有する加熱容器271と、前記加熱容器内に加熱されたガスを供給する加熱ガス供給手段272とを有する。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体ウエハ(以下、ウエハという。)等の基板を処理するための基板処理装置で使用されるガス配管の加熱技術に関し、例えば、ウエハに所望の膜を形成するために、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)などの熱処理を行う基板処理装置に利用して有効な技術に関する。
半導体ウエハの表面に薄膜を形成する場合、内部にウエハ載置部を備えた反応炉を有する基板処理装置が使用される。反応炉には原料ガス等を導入するガス配管が接続されており、原料を収納した原料供給用タンクからガス配管を経由して、原料ガスが反応炉内に導入される。
例えば、AlO(酸化アルミニウム)膜形成のため、AlCl3(三塩化アルミニウム)のような常温常圧において固体である物質を原料として使用し、外部より原料ガスとして反応炉内へ供給する場合、固体原料を収納したタンクを設け、該タンク内で原料を加熱して昇華させ、ガス配管を通して反応炉へ原料ガスとして供給するようにしている。AlCl3は、常温常圧において、約180℃で昇華する。このように、固体のAlCl3から気体のAlCl3ガスを得るには、固体のAlCl3を加熱するための加熱気化機構が必要であるとともに、気体のAlCl3ガスが固化しないように、ガス配管やガス配管の途中に設けられた開閉バルブ等を加熱するための加熱機構が必要である。
従来の加熱機構について、図6ないし図8を用いて説明する。図6ないし図8は、従来の加熱機構を示す図である。図6において、60はガス配管である。61a、61b、61c、61d、61eは、バルブ(開閉弁)である。本明細書では、61a、61b、61c、61d、61eを総称して61と表現することもある。62は、配管の継ぎ手である。63は、帯状又はひも状の形状をしたリボンヒータである。図6では、ガス配管60、バルブ61、継ぎ手62の周囲を、リボンヒータ63で巻き回しているが、図6に示すように、継ぎ手62付近の段差やバルブ61周辺などの複雑な形状の場所に施工する場合、リボンヒータ63との間の隙間64が生じるため、密着性に問題があり、温度むらが発生しやすく、加熱が不十分となる場合がある。
図7は、バルブを熱伝導率の優れたアルミブロックで覆い、ロッドヒータで加熱する場合である。図7において、図6と同じ部品は同符号で示す。71は、棒状のロッドヒータである。72は、ヒータケーブルであり、図示しない電源に接続される。73は、アルミブロックであり、ガス配管60、バルブ61、継ぎ手62、ロッドヒータ71に密着するように形状を加工している。74は、アルミブロック73を覆う保温材である。図7のやり方だと、部品が密集している部分、例えばバルブ61cには、ヒータ設置が困難となる。また、アルミブロック73を加工するコスト等も問題となる。
図8は、ガス配管やバルブ全体を熱伝導率の優れたアルミブロックで覆い、外部から面状のジャケットヒータで加熱する場合である。図8において、図6と同じ部品は同符号で示す。81は、アルミブロックであり、ガス配管60、バルブ61、継ぎ手62の形状に応じて加工している。82は、ジャケットヒータである。83は、ヒータケーブルであり、図示しない電源に接続される。図8のやり方でも、ガス配管60、バルブ61、継ぎ手62の形状が3次元的に複雑な場合、アルミブロック81の製作が困難となる。その場合、アルミブロック81の取り付けや取り外しを考慮すると、図8に示すように、アルミブロック81との間の隙間84を生じないように製作することができない場合がある。
特許文献1には、反応管に連通するガス供給系やガス排気系の配管が配管加熱装置により加熱される半導体製造装置に於いて、溝を刻設した2つの高伝熱性金属加熱ブロックにより被加熱配管を溝に嵌込んで挾持し、加熱ブロックに加熱手段を設けて加熱することが開示されている。
特開2000−252223号公報
最近は、基板処理装置を小型化するため、バルブや継ぎ手などの各部品が密集状態となり、また、加熱したい部品の形状も様々であるため、ヒータを密着して取り付けることが困難な場合が増加しており、そのため、加熱したい部品を均一に加熱できないことがある。
本発明の目的は、ガス配管やバルブの加熱が必要とされる基板処理装置等において、ガス配管やバルブの加熱を安定して行う加熱機構、該加熱機構を用いたガス供給システム、該加熱機構を用いた基板処理装置を提供することにある。
本発明の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を収容し処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室に接続され、前記基板処理室内に処理用ガスを供給するガス供給系と、
前記ガス供給系を加熱する加熱手段とを備え、
前記加熱手段は、前記ガス供給系の少なくとも一部を囲む加熱容器であって、加熱ガス導入口と加熱ガス排気口を有する加熱容器と、前記加熱容器内に加熱されたガスを供給する加熱ガス供給手段とを有することを特徴とする基板処理装置。
上記の構成によれば、バルブや継ぎ手などの各部品が密集状態であっても、むらなく安定した加熱を行うことができ、安定した状態で原料ガスを基板処理装置に供給することができる。
本発明の実施例に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。 本発明の実施例に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。 本発明の第1実施例に係る加熱機構を示す図である。 本発明の第2実施例に係る加熱機構を示す図である。 本発明の第3実施例に係る加熱機構を示す図である。 従来の加熱機構を示す図である。 従来の加熱機構を示す図である。 従来の加熱機構を示す図である。
以下、本発明の1実施形態を、図面を用いて説明する。図1は、本発明の1実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置を示す斜視図である。図2は、本発明の1実施形態に係るバッチ式縦型成膜装置の処理炉の垂直断面図である。
[基板処理装置の概略]
まず、図1、図2を参照して、本実施形態に係る基板処理装置100を概略的に説明する。図1に示すように、基板処理装置100の筐体101内部の前面側には、カセットステージ105が設けられている。カセットステージ105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。カセットステージ105の後方には、カセット搬送機115が設けられている。カセット搬送機115の後方には、カセット100を保管するためのカセット棚109が設けられる。また、カセットステージ105の上方には、カセット100を保管するための予備カセット棚110が設けられている。予備カセット棚110の上方には、クリーンユニット118が設けられている。クリーンユニット118は、クリーンエアを筐体101の内部を流通させる。
筐体101の後部上方には、処理炉(処理炉)202が設けられている。処理炉202の下方には、ボートエレベータ121が設けられている。ボートエレベータ121は、ウエハ200を搭載したボート217を、処理炉202の内と外の間で昇降させる。ボート217は、ウエハ200を水平姿勢で多段に保持する基板保持具である。ボートエレベータ121には、処理炉202の下端を塞ぐための蓋体としてのシールキャップ219が取り付けられている。シールキャップ219は、ボート217を垂直に支持する。
ボートエレベータ121とカセット棚109との間には、ウエハ200を搬送するウエハ移載機112が設けられている。ボートエレベータ121の横には、処理炉202の下端を気密に閉塞するための炉口シャッタ116が設けられている。炉口シャッタ116は、ボート217が処理炉202の外にあるときに、処理炉202の下端を閉塞することができる。
ウエハ200が装填されたカセット100は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ105に搬入される。さらに、カセット100は、カセット搬送機115により、カセットステージ105からカセット棚109または予備カセット棚110に搬送される。カセット棚109には、ウエハ移載機112の搬送対象となるカセット100が収納される移載棚123がある。ボート217に対してウエハ200が移載されるカセット100は、カセット搬送機115により移載棚123に移載される。カセット100が移載棚123に移載されると、ウエハ移載機112により、移載棚123から降下状態のボート217に、ウエハ200を移載する。
ボート217に所定枚数のウエハ200が移載されると、ボートエレベータ121により、ボート217が処理炉202内に挿入され、シールキャップ219により、処理炉202が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉202内では、ウエハ200が加熱されると共に、処理ガスが処理炉202内に供給され、ウエハ200に加熱等の処理がなされる。
ウエハ200の処理が完了すると、上記した動作の逆の手順により、ウエハ200は、ウエハ移載機112により、ボート217から移載棚123のカセット100に移載され、カセット100は、カセット搬送機115により、移載棚123からカセットステージ105に移載され、図示しない外部搬送装置により、筐体101の外部に搬出される。
ボート217が降下状態において、炉口シャッタ116は、処理炉202の下端を気密に閉塞し、外気が処理炉202内に巻き込まれるのを防止している。
[処理炉]
図1、図2に示されているように、本実施形態に係る基板処理装置100は、処理炉202を備えており、処理炉202は、石英製の反応管203を備えている。反応管203は、基板(本例ではウエハ200)を収容し、加熱処理する反応容器である。反応管203は、加熱部(本例では抵抗ヒータ207)の内側に設けられている。反応管203は、その下端開口をシールキャップ219により、気密部材(本例ではOリング220)を介して気密に閉塞される。
ヒータ207、反応管203およびシールキャップ219により、処理炉202が形成されている。また、反応管203、及びシールキャップ219により、基板処理室201が形成されている。シールキャップ219の上には、基板保持部材(ボート217)が、石英キャップ218を介して立設されている。石英キャップ218は、ボート217を保持する保持体である。ボート217は、処理炉202内に、処理炉202の下端開口から挿入される。ボート217には、バッチ処理される複数のウエハ200が、それぞれ水平姿勢で管軸方向(垂直方向)に多段に積載される。ヒータ207は、処理炉202に挿入されたウエハ200を、所定の温度に加熱する。
[ガス供給系]
図2に示すように、処理室201へは複数種類、ここでは2種類のガスを供給するガス供給系としての2本のガス供給管232a、232bが設けられている。ガス供給管232a、232bの端部は、マニホールド209の下部を貫通するように設けられている。
第1のガス供給管232aからは、第1のガス供給源240aから、流量制御手段としてのMFC(マスフローコントローラ)241a、及び開閉弁であるバルブ251aを介し、更に処理室201内に設置された多孔ノズル233を通して、処理室201に反応ガスとして例えばオゾン(O3)が供給される。オゾンガスを供給しているのは、AlO膜を成膜する場合を想定しているためであり、オゾンガスの代わりに、H2OやH2+CO2ガス等を供給しても良い。
ガス供給管232aの途中には、不活性ガス供給管232dが、バルブ251aの下流側に接続されている。不活性ガス供給管232dには、上流側から順に、不活性ガス供給源240d、MFC241d、開閉バルブ251dが設けられている。
また、第2のガス供給管232bの他端には、固体原料容器を含む加熱気化装置260が接続されており、この加熱気化装置260で昇華された原料ガスとして、例えばAlCl3ガスが、バルブ251b、及び多孔ノズル233を介して処理室201に供給される。加熱気化装置260からマニホールド209までのガス供給管232bには、原料ガスの再固化による管内壁への原料の付着を防止するため、ヒータ281が設けられ、ガス供給管232bを加熱可能としている。
また、加熱気化装置260には、不活性ガス供給管230が接続されている。不活性ガス供給管230には、上流側から順に、不活性ガス供給源240b、MFC241b、開閉バルブ252が設けられている。
ガス供給管232bの途中には、不活性ガス供給管232cが、バルブ251bの下流側に接続されている。不活性ガス供給管232cには、上流側から順に、不活性ガス供給源240c、MFC241c、開閉バルブ251cが設けられている。
上記のバルブ251a、251b、251c、251d、252は、後述する加熱容器271内に収容されている。加熱容器271には、加熱容器271内に高温ガスを導入する導入口271aと、加熱容器271内から高温ガスを排気する排気口271bが設けられている。導入口271aには、ガス配管232eが接続されており、ガス配管232eには、上流から順に、ガス供給源240e、MFC241e、ガス加熱部である熱交換器272、バルブ251eが設けられている。ガス供給源240eには、大気圧よりも高圧の不活性ガス、例えば空気や窒素ガスを用いることができる。ガス供給源240eから供給されたガスは、MFC241eにより流量を所定値に制御され、熱交換器272により所定の温度に加熱される。加熱された高温ガスは、バルブ251eを経て、加熱容器271の導入口271aから、加熱容器271内に導入される。加熱容器271内でガス配管60やバルブ61等を加熱した高温ガスは、排気口271bから排気される。
なお、上記の例では、バルブ251a、251b、251c、251d、252を加熱容器271内に収容したが、処理ガスの種類により、加熱する必要のあるバルブが異なるのは勿論である。
反応管203内の中央部には、複数枚のウエハ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はボートエレベータ機構121(図1参照)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装置(回転手段)であるボート回転機構227が設けてあり、このボート回転機構227によってボート支持台218に保持されたボート217を回転するようになっている。
[排気部]
基板処理室201には、基板処理室201内のガスを排気するガス排気管231の一端が接続されている。ガス排気管231の他端は、真空ポンプ246(排気装置)にAPC(Auto Pressure Controller)バルブ255を介して接続されている。基板処理室201内は、真空ポンプ246によって排気される。
なお、APCバルブ255は、弁の開閉により基板処理室201の排気および排気停止を行なうことができる開閉弁であり、かつまた、弁開度の調節により圧力を調整することができる圧力調整弁である。
[制御部]
コントローラ280(制御部)は、MFC241a、241b、241c、241d、241e、バルブ251a、251b、251c、251d、251e、252、APCバルブ255、ヒータ207、熱交換器272、真空ポンプ246、ボート回転機構227、ボートエレベータ121等、基板処理装置100の各構成部に電気的に接続されている。
コントローラ280は、MFC241a、241b、241c、241d、241eの流量調整、バルブ251a、251b、251c、251d、251e、252の開閉動作、APCバルブ255の開閉および圧力調整動作、ヒータ207、熱交換器272の温度調節、真空ポンプ246の起動・停止、ボート回転機構227の回転速度調節、ボートエレベータ121の昇降動作制御等、基板処理装置100の各構成部の制御を行う。
[ガス供給系加熱手段]
本実施形態のガス供給系加熱手段(加熱機構)について、第1実施例を図3を用いて説明する。図3は、第1実施例のガス供給系加熱手段を示す図である。図3において、60はガス配管である。61a、61b、61c、61d、61eは、バルブ(開閉弁)である。271は、バルブ61や配管60を加熱する加熱容器である。271aは、加熱容器271内へ高温ガスを導入する導入口である。271bは、加熱容器271内の雰囲気を排気する排気口である。271cは、加熱容器271内の雰囲気である。271dは、加熱容器271を形成するケース(筐体)である。271eは、ケース271dを覆う保温材である。272は、図2に示すガス供給源240eから供給される空気又は窒素ガス等の不活性ガスを加熱する加熱部としての熱交換器である。241eは、熱交換器272へ供給するガスの流量を制御するMFCである。251eは、開閉バルブである。232eは、図2に示すガス供給源240eからのガスを加熱容器271へ供給するガス配管である。このように、第1実施例のガス供給系加熱手段は、主に、加熱容器271、加熱部としての熱交換器272、MFC241e等を備える。
図2に示すガス供給源240eからのガスが、MFC241eで所定の流量に制御されて熱交換器272に供給されると、熱交換器272において所定の温度に加熱される。所定の温度に加熱された高温ガス(加熱ガス)が、導入口271aから加熱容器271内に導入されると、加熱容器271内の空間の雰囲気271cが加熱ガスに置き換えられて、この置き換えられた加熱ガスにより、加熱容器271内のバルブ61、継ぎ手62、配管60が所定の温度に加熱される。加熱容器271内のバルブ61、継ぎ手62、配管60を加熱することにより、温度が低下した加熱ガスは、排気口271bから排気される。
このように、第1実施例のガス供給系加熱手段では、加熱対象箇所をケースで覆い、ケース内部に、熱交換器等で加熱した高温の気体を供給するようにしているので、複雑な配管構造に対応でき、加熱対象箇所をむらなく加熱することができる。さらに、ケースを保温材で覆うことにより、安定した温度管理が可能となる。
次に、第2実施例のガス供給系加熱手段について、図4を用いて説明する。図4は、第2実施例のガス供給系加熱手段を示す図である。図4において、図3と同じ部品は同符号で示し、説明を省略する。図4において、271fは、断熱材等の素材を用いたブロックである。加熱容器271内の加熱領域(雰囲気271cの領域)が広い場合、導入口271aから導入された高温ガスは、徐々に温度が低下するが、図4に示すように、加熱容器271内にブロック271fを設置することにより、加熱容器271内の加熱領域を狭めることができ、加熱容器271内のバルブ等を効率よく加熱することができる。
なお、ブロック271fの素材は、断熱材でなくてもよいが、断熱材を用いる方が熱のロスが少ない。
次に、第3実施例のガス供給系加熱手段について、図5を用いて説明する。図5は、第3実施例のガス供給系加熱手段を示す図である。図5において、図3と同じ部品は同符号で示し、説明を省略する。図5において、271gは、アルミブロックのケースである。271hは、面状のジャケットヒータである。図5に示すように、第3実施例の加熱容器271は、アルミブロック271gで形成され、該アルミブロック271gを面状のジャケットヒータ271hで覆うとともに、前記アルミブロック271gは、加熱容器271内の雰囲気領域271cを小さくするよう凹凸を有する。このように、加熱容器271のケースを熱伝導率の優れたアルミブロック271gとし、外部からジャケットヒータ271hにより加熱することで、第1実施例の効果に加え、更に十分な加熱効果が得られる。また、ケースをアルミブロック271gとすることで、加熱容器271内の加熱領域を狭めることができ、第2実施例の効果も得ることができる。
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、本発明は、密集したバルブ構成を必要とする固体原料を用いた装置に対して有効であるが、固体原料に限らず、液体原料を用いた装置であっても、密集、あるいは複雑なバルブ構成を有する場合に有効である。また、AlO膜を形成する処理に限らず、他の薄膜を形成する処理であってもよい。
前記実施形態においては、バッチ式縦型成膜装置について説明したが、本発明は、枚葉装置にも適用することができる。
前記実施例では、ウエハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
以上の、本明細書の記載に基づき、次の発明を把握することができる。すなわち、第1の発明は、
基板を収容し処理を行う基板処理室と、
前記基板処理室に接続され、前記基板処理室内に処理用ガスを供給するガス供給系と、
前記ガス供給系を加熱する加熱手段とを備え、
前記加熱手段は、前記ガス供給系の少なくとも一部を囲む加熱容器であって、加熱ガス導入口と加熱ガス排気口を有する加熱容器と、前記加熱容器内に加熱されたガスを供給する加熱ガス供給手段とを有することを特徴とする基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、ガス供給系をむらなく十分に加熱することができ、安定した温度の原料ガスを基板処理装置に供給することが容易となる。
第2の発明は、前記第1の発明における基板処理装置であって、
前記加熱容器内に、加熱容器内の雰囲気領域を小さくするための断熱材を収容することを特徴とする基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、加熱容器内の加熱領域を狭めることができ、加熱容器内のバルブ等を効率よく加熱することができる。
第3の発明は、前記第1の発明又は第2の発明における基板処理装置であって、
前記加熱容器は、アルミブロックで形成され、該アルミブロックを面状ヒータで覆うとともに、前記アルミブロックは、加熱容器内の雰囲気領域を小さくするよう凹凸を有することを特徴とする基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、ガス供給系をむらなく十分に加熱することができ、安定した温度の原料ガスを基板処理装置に供給することが容易となり、さらに、加熱容器内の加熱領域を狭めることができ、加熱容器内のバルブ等を効率よく加熱することができる。
100…基板処理装置、200…ウエハ、201…基板処理室、202…処理炉、203…反応管、207…ヒータ、217…ボート、218…石英キャップ、219…シールキャップ、220…Oリング、227…ボート回転機構、231…ガス排気管、232a…第1のガス供給管、232b…第2のガス供給管、232c…不活性ガス供給管、232d…不活性ガス供給管、233…ノズル、240a…第1の処理ガス供給源、240b…第2の処理ガス供給源、240c…不活性ガス供給源、240d…不活性ガス供給源、240e…不活性ガス供給源、241a…マスフローコントローラ、241b…マスフローコントローラ、241c…マスフローコントローラ、241d…マスフローコントローラ、241e…マスフローコントローラ、246…真空ポンプ、247…ヒータ、251a…開閉バルブ、251b…開閉バルブ、251c…開閉バルブ、251d…開閉バルブ、251e…開閉バルブ、252…開閉バルブ、255…APCバルブ、260…加熱気化装置、271…加熱容器、271a…導入口、271b…排気口、271c…雰囲気、271d…ケース、271e…保温材、271f…ブロック、271g…アルミブロック、271h…ジャケットヒータ、272…熱交換器、280…コントローラ。

Claims (1)

  1. 基板を収容し処理を行う基板処理室と、
    前記基板処理室に接続され、前記基板処理室内に処理用ガスを供給するガス供給系と、
    前記ガス供給系を加熱する加熱手段とを備え、
    前記加熱手段は、前記ガス供給系の少なくとも一部を囲む加熱容器であって、加熱ガス導入口と加熱ガス排気口を有する加熱容器と、前記加熱容器内に加熱されたガスを供給する加熱ガス供給手段とを有することを特徴とする基板処理装置。
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