(57)【要約】【課題】  本発明は、製造プロセスにおける排気ガス成分を冷却・液化し回収することで再利用を可能とし、有毒、有益なガスを廃棄することなく使用できるようにすること、この回収方法を真空排気系と合わせることにより、排気システムのメンテナンス頻度を激減させることを目的とする。【解決手段】  ガス回収装置において、チャンバの排気ライン下流に配された、チャンバからの排気ガス中の１又は２以上の排気ガス成分を吸着させるための吸着筒又は直接分解させるための反応筒と、該排気ガス成分と反応し得るガスを該吸着筒又は反応筒の上流に導入するための手段と、該吸着筒又は反応筒からの排気ガスを液化回収させるための冷却筒とを有する。  また、真空装置において、チャンバ内に常に何らかのガスを流し続けていることを特徴とする真空排気方法、及び真空排気ポンプとチャンバの間に、ガスを導入するための手段を設けたことを特徴とする真空排気装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを導入するための手段、ガスを排出するための真空排気装置、真空を保持するためのチャンバからなる真空装置において、チャンバ内に常に何らかのガスを流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項２】
前記チャンバ内に、プロセスガスを流しているとき以外は常にＮ2あるいはＡｒを流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項３】
真空排気ポンプとチャンバの間に、ガスを導入するための手段を設けたことを特徴とする真空排気装置。
【請求項４】
真空排気ポンプとチャンバの間に設けたガス導入部より常に何らかのガスを流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項５】
真空排気ポンプとチャンバの間に設けたガス導入部より常にＮ2或いはＡｒを流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項６】
チャンバ内に特殊材料ガスを流している際、真空排気ポンプとチャンバの間に設けたガス導入部より常にＮ2、Ａｒ、或いはＨ2を流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項７】
チャンバを大気から真空引きする際、チャンバ内に常に何らかのガスを流し続けていることを特徴とする真空排気方法。
【請求項８】
真空排気ポンプがターボ分子ポンプと何らかのバックポンプからなる真空排気装置において、ターボ分子ポンプとバックポンプの間にガスを導入するための手段を設けたことを特徴とする真空排気装置。
【請求項９】
ターボ分子ポンプとバックポンプの間に設けたガス導入部より、常に何らかのガスを流していることを特徴とする真空排気方法。
【請求項１０】
ターボ分子ポンプとバックポンプの間に設けたガス導入部より、常にＮ2あるいはＡｒを流していることを特徴とする請求項９記載の真空排気方法。
【請求項１１】
チャンバ内に特殊材料ガスを流している際、ターボ分子ポンプとバックポンプの間のガス導入部より、常にＮ2、Ａｒ或いはＨ2を流していることを特徴とする真空排気方法。
【請求項１２】
チャンバを大気から真空引きする際、前記ターボ分子ポンプとバックポンプの間のガス導入部より、常にＮ2あるいはＡｒを流していることを特徴とする真空排気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊材料ガスを用いた製造プロセスにおける超高清浄な雰囲気下で製造プロセスを行うための真空排気装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特殊材料ガスを用いた種々のプロセスにおいて、排気ガス成分のうち、ラジカル等の、反応が未反応の成分或いは反応が完全でない排気ガス成分が排気ライン内表面に付着・堆積するという問題があり、現在、定期的なメンテナンスが必要となっている。
【０００３】
排気ガス処理装置として従来使用されていた方式としては、乾式、湿式、燃焼式の除外装置がある。
【０００４】
燃焼式の除外装置では可燃性ガスを燃焼させて除外し、その後、水に接触させて溶解するものは溶解させる。湿式の除外装置では水によって溶解されるガスを除外する。しかし、この２つの方法では、その溶液の処理も行う必要があり、また、燃焼させてしまっては、資源の再利用は全くできない。
【０００５】
乾式の除外装置では、吸着材をもちいて、有害なガスを吸着させて除外を行う。この場合も、吸着材の処理を行う必要がある。
【０００６】
また、これら回収方法が確立されていないばかりか、真空排気方法にも排気ガスがポンプ内を逆拡散し、再びプロセス空間に戻ってしまうという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、製造プロセスにおける排気ガス成分を冷却・液化し回収することで再利用を可能とし、有毒、有益なガスを廃棄することなく使用できるようにすることを目的する。また、この回収方法を真空排気系と合わせることにより、排気システムのメンテナンス頻度を激減させることも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、堆積の原因となる未反応、或いは完全に反応していない排気ガス成分を吸着、分解させ、ガスとすることで堆積の発生が抑制され、更にガスを冷却することで液化し、液体の状態で有害、有益なガスの回収が行えることを見出した。すなわち、本発明は、ガス回収装置において、チャンバの排気ライン下流に配された、チャンバからの排気ガス中の１又は２以上の排気ガス成分を吸着させるための吸着筒又は直接分解させるための反応筒と、該排気ガス成分と反応し得るガスを該吸着筒又は反応筒の上流に導入するための手段と、該吸着筒又は反応筒からの排気ガスを液化回収させるための冷却筒とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明者らは、排気ラインの適当な箇所よりガスを適量流すことにより、排気ガスの逆拡散が抑制されることを見出した。すなわち、本発明は、ガスを導入するための手段、ガスを排出するための真空排気装置、真空を保持するためのチャンバからなる真空装置において、チャンバ内に常に何らかのガスを流し続けていることを特徴とする真空排気方法、及び真空排気ポンプとチャンバの間に、ガスを導入するための手段を設けたことを特徴とする真空排気装置であることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について述べる。
＜ガス回収装置＞
本発明のガス回収装置の概要を、図１に示される実施例中のガス回収装置を例に用いて説明する。
【００１１】
図中に示されるように本発明のガス回収装置はプロセスチャンバの排気ラインの下流に配された、排気ガス成分の吸着・反応筒、排気ガス成分を液化回収させるための冷却筒で構成される。
【００１２】
尚、図１の例は真空プロセスであるが、本発明のガス回収装置は常圧においても適用できる。
【００１３】
本発明のガス回収装置の概要は以下の通りである。プロセスチャンバから排気された排気ガスは排気ラインを通り排気ガス成分の吸着筒・反応筒に導入される。
【００１４】
吸着筒・反応筒に導入される際、排気ライン上流側よりに反応ガスが添加される。反応ガスは本発明が適用されるプロセスにより異なるが、例えば、Ｆ2、Ｃｌ2等が挙げられる。反応ガスは、連続的に流しても良いし、間欠的でも良い。
【００１５】
反応ガスの流量はガスの種類によっても異なるが、１０〜６００ｃｃ／ｍｉｎが好ましく２０〜４００ｃｃ／ｍｉｎがより好ましい。
【００１６】
吸着筒・反応筒を図２に示す。吸着筒・反応筒については構造は同じであり、筒上の筺体に、パンチングプレートを数段重ねたもの、若しくは金属、セラミックスのボールを充填したもので、排気ガスと筒の衝突回数を増やし、熱伝導を良くする。
【００１７】
吸着筒・反応筒における反応例は以下の通りである。
【００１８】
ＣmＦn*（ラジカル）  ＋  Ｆ2  →  ＣＦ4  ＋  Ｃ2Ｆ6
ＣmＦn（ポリマー）  ＋  Ｆ2  →  ＣＦ4  ＋  Ｃ2Ｆ6
ＳｉＨ2*（ラジカル）  ＋  Ｃｌ2  →  ＳｉＣｌ4
ＳｉＨ2（ポリマー）  ＋  Ｃｌ2  →  ＳｉＣｌ4
排気ガス成分吸着筒・反応筒を経たガスは液化・回収のための冷却筒に導入される、ここで熱交換器にて固体とはならない温度で液化冷却され回収される。冷却筒は一段又は多段に設置することができる。冷却筒は複数のガスの液化のため複数の温度域に設定される。温度域は、一段の冷却筒中を複数の温度域に設定することも可能であり、また多段の冷却筒を複数の温度域に設定することも可能である。
【００１９】
温度域設定は、本発明が適用されるプロセスにより異なるが、例えば、以下のような設定が可能である。
【００２０】
エッチングプロセスの場合
第１段目の冷却筒      −５℃〜−４０℃
第２段目の冷却筒      −８６℃〜−９０℃
第３段目の冷却筒      −１２８℃〜−１８４℃
エピタキシャルプロセスの場合
第１段目の冷却筒      ０℃〜−６０℃
第２段目の冷却筒      −９０℃〜−１００℃
チャンバからの排気ラインにおいては、チャンバと冷却筒間の一部或いは全部の内表面温度を１００℃〜２００℃に昇温することにより、配管の内表面に排気ガス成分付着・堆積を防ぐことができる。
【００２１】
排気ガス中の一酸化炭素除外するための反応筒が設けられる場合には、冷却筒の後段に設置される。反応筒の概要を図３に示す。一酸化炭素は反応筒内において、Ｏ2を添加し触媒により完全酸化され二酸化炭素となる。触媒としては酸化銅、酸化鉄、酸化ニッケル、白金等が挙げられる。一酸化炭素の反応は次の通りである。
【００２２】
２ＣＯ  ＋  Ｏ2  →  ＣＯ2
本発明の実施態様例を以下に示す。
【００２３】
（実施態様例１）
図１はシリコンウェハのエッチングプロセスの際の排気ガスを液化回収するときの実施態様例である。
【００２４】
本例においては、ＣＯ，Ａｒ，Ｏ2，Ｃ4Ｆ8を流通しながら、真空ポンプで排気することにより一定の圧力に保った状態で、プラズマによりガスを励起してシリコンウェハのエッチング加工を行う。
【００２５】
励起されたガスはラジカルの状態で浮遊するため、低温の箇所があるとそこに堆積する。そのため、反応ガスを用いてガスとして反応させたのち液化・回収が行われる。
【００２６】
システムは図１に示されるように、真空ポンプ、吸着筒・分解筒、冷却筒、一酸化炭素の反応筒で構成される。
【００２７】
エッチングプロセスの条件は、既存のＤＲＡＭデバイスを用い、ＣＯ：１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ：３００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ2：５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃ4Ｆ8：１５０ｃｃ／ｍｉｎの合計６００ｃｃ／ｍｉｎのガス流量で行った。
【００２８】
プロセスチャンバからの排気ガスの組成としては、ＣＯ：７％、Ａｒ：４２％、Ｏ2：３．５％、Ｃ4Ｆ8：１．４％、ＳｉＦ4：０．０１％、ＣＦ4：０．７％、ＣＯ2：７％、Ｃ2Ｆ6：０．７％、Ｃ2Ｆ4：３８％であり、全流量は約７１５ｃｃ／ｍｉｎであった。
【００２９】
この排気ガスに対し、Ｆ2ガスを２０ｃｃ／ｍｉｎで添加し、反応塔を３００℃に加熱して、完全に反応させ、液化、回収が可能なガスとした。この吸着・反応塔を２系統設け、そのうちのどちらか１系統を排気ラインに交互に接続しラジカルを吸着させ、排気系に接続していないときにＦ2ガスを導入し、吸着・反応塔を３００℃に加熱し、ラジカルを完全に反応させ、液化、回収可能なガスとしてもよい。
【００３０】
このとき、Ｆ2ガス流量を少なくとも排気ガス中に含まれるＣ2Ｆ4より多い流量とすることで反応性が高く、液化回収することが危険なＣ2Ｆ4をより安定なフッ素化物にすることが可能である。排気ガス中に、Ｃ2Ｆ4以外にＦ2と反応する他のガスが含まれている場合には他のガスより消費される量を加算分Ｆ2ガスをさらに多く流せばよい。
【００３１】
吸着・反応塔の後に、冷却筒３塔を連続して配置し、それぞれ−２０℃、−８８℃、−１５０℃になるように冷却を行った。
【００３２】
−２０℃に設定した１段目の冷却筒で捕捉された液体をガスにしたときの体積比は、沸点−５．８℃のＣ4Ｆ8：１００％であった。
【００３３】
−８８℃に設定した２段目の冷却筒で補足された液体をガスにしたときの体積比は、沸点が−８６℃のＳｉＦ4：０．０７％、沸点−７８．５℃のＣＯ2：２７％、沸点−７６．３℃のＣ2Ｆ4：７１％、沸点−７８．１５℃のＣ2Ｆ6：１．６％であった。
【００３４】
−１５０℃に設定した３段目の冷却筒で補足された液体をガスにしたときの体積比は、Ｃ2Ｆ4：９５．２％、沸点−１２７．９℃のＣＦ4：３．４％、Ｃ2Ｆ6：１．４％であった。
【００３５】
冷却筒から放出されてくるガスの組成は、Ａｒ：８０％、ＣＯ：１３．３％、Ｏ2：６．７％、ＣＦ4：０．１３％であった。
【００３６】
フロロカーボンに対する捕捉効率は９８．３％であり、非常に効率よくガスを液体として回収することができた。
【００３７】
また、従来は、真空ポンプ・排気系配管を室温にしておくと、内表面に未反応ガス成分の付着・堆積がおこり、配管が塞がってしまうため、２週間ごとにポンプのメンテナンスが必要であったが、このとき真空ポンプ・排気系配管の内表面を全て１５０℃に昇温したことによりポンプのトラブルを１年間全く起こすことなく、高効率で回収できた。
【００３８】
一酸化炭素を酸化させるための白金触媒を用いた反応塔は、冷却筒の後段に設置され、Ｏ2を５０ｃｃ／ｍｉｎで添加し、３００℃に加熱して反応を行った。その後の排気ガスの組成はＡｒ：７４．９％、Ｏ2：１２．５％、ＣＦ4：０．１２％、ＣＯ2：１２．５％となり、排気ガス中の有害物質を液化回収、もしくは完全酸化により無害化することができた。
【００３９】
（実施態様例２）
図４にＳｉ−Ｅｐｉ（エピタキシャル）成長プロセスの際の排気ガスを液化、回収するときの実施態様例を示す。
【００４０】
本プロセスはＳｉＨＣｌ3，Ｈ2を用いて行う。本プロセスではプラズマは使用せず高温に加熱することにより反応させるため、反応が完全でないもの、未反応のものは反応館内、排気系に堆積する。そのため、反応ガスを用いてガスとして反応させたのち液化・回収が行われる。
【００４１】
システムは図２に示されるように、真空ポンプ、吸着筒・反応筒、冷却筒、燃焼式の除外装置で構成される。
【００４２】
プロセスはＨ2アニーリングと成膜で構成され、プロセスとプロセスの間に
ＨＣｌによるクリーニングを行う。
【００４３】
実際の成膜プロセスではキャリアガスとしてＨ2、１０Ｌ／ｍｉｎを流通し、ＳｉＨＣｌ3を５ｇ／ｍｉｎ（８６０ｃｃ／ｍｉｎ）で供給する。組成比では、７．９％含有されていることとなる。
【００４４】
反応筒の直前にＣｌ2ガスを４００ｃｃ／ｍｉｎで供給し、未反応のもの、反応が完全でないものを、完全に反応させ、ＳｉＣｌ4、ＨＣｌのみにする。冷却筒は２段を直列に配置し、それぞれ、−２０℃、−１００℃になるように冷却を行った。
【００４５】
−２０℃に設定した１段目の冷却筒では、沸点５７．６℃のＳｉＣｌ4が捕捉され、回収液のガス組成は、９９％ＳｉＣｌ4であった。
【００４６】
−１００℃に設定した２段目の冷却筒では、沸点−８５．３℃のＨＣｌが捕捉される。
【００４７】
回収液のガス組成は９７％ＨＣｌであった。
【００４８】
液化回収装置を通過するガスの組成はＨ2：１００％であり、これは燃焼式の除外装置で燃焼する。
【００４９】
ＨＣｌクリーニングの際はＨＣｌガスを５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2を１０Ｌ／ｍｉｎで流通する。
【００５０】
排気ガスの組成は、６８．５％Ｈ2、３０．８％ＨＣｌ、０．７％ＳｉＣｌ4であった。
【００５１】
１段目の冷却筒で、ＳｉＣｌ4が液化・回収され、回収液のガス組成は９９％ＳｉＣｌ4であった。
【００５２】
２段目の冷却筒で、ＨＣｌが液化・回収され、回収液のガス組成は１００％ＨＣｌであった。
【００５３】
液化回収装置を通過するガスの組成はＨ2、１００％であり、これは燃焼式の除外装置で燃焼する。
【００５４】
成膜プロセス、クリーニングプロセスどちらの排ガスについても、Ｈ2以外のガスは放出することなく、回収することができる。
【００５５】
＜真空排気方法及び装置＞
次に、排気ガス成分のポンプ内逆拡散現象の抑制のための真空排気方法及び装置を説明する。
【００５６】
図５に示すガス排気系において、例えば、Heをターボ分子ポンプの排気側に入れたときの、チャンバ内の不純物レベルとポンプ上流より流す窒素ガス流量との関係を図６に示す。不純物レベルとは、チャンバ内の全てのガス成分における不純物の割合である。ここで、Ｈｅガス流量は４００ｓｃｃｍであった。図4に示すように、ポンプ上流よりガスを流すことにより、チャンバ内の清浄度を著しく向上できた。ここでは、ポンプ上流より流すガスが窒素であるが、窒素の替わりに、Ａｒ，Ｈ2，Ｏ2等、いかなるガスを流しても同様の結果が得られた。
【００５７】
チャンバ内にいかなる時も、すなわち、プロセス時のみならず、基板の搬送時など常にガスを流し続けることにより、チャンバ内の清浄度を格段に向上させることができた。プロセスを行っていないときに窒素ガスを２０ｓｃｃｍ流した場合と、流さない場合とで、高濃度シリコン基板上にＡｌを成膜しその接触抵抗を測定した。窒素を流し続けていた場合の接触抵抗は１×１０-9Ωｃｍ2と非常に低かったのに対し、窒素を流していない場合、３×１０-7Ωｃｍ2と２桁以上大きかった。これは、ポンプを通しての不純物の逆拡散によりＡｌとシリコン界面に不純物が堆積したためである。
【００５８】
このような効果は、ターボ分子ポンプ特有の現象ではなく、バックポンプにもあてはまる。
【００５９】
図７にスクリューポンプの場合について示す。バックポンプからの逆拡散は特にプロセスへの悪影響が大きい。従って、バックポンプの上流から常に何らかのガスを流すことにより高品質な膜形成等、製造プロセスを大幅に向上できる。また、チャンバ内を真空にしたい場合には、ターボ分子ポンプとバックポンプの間に何らかのガスを流すことにより、超高清浄なプロセス空間が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のガス回収装置により、従来は廃棄していた排気ガスを、回収、再利用することが可能となる。
【００６１】
また、本発明の真空排気方法及び装置より、排気ガス成分のポンプ内逆拡散現象の抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のガス回収装置を有するシステム例である。
【図２】本発明のガス回収装置の吸着筒・反応筒を構造を示す図である。
【図３】本発明の一酸化炭素の反応筒の構造を示す図である。
【図４】本発明のガス回収装置を有するシステム例である。
【図５】本発明の真空排気装置例である。
【図６】チャンバ内の不純物レベルとポンプ上流より流す窒素ガス流量との関係を示す図である。
【図７】チャンバ内の不純物レベルとポンプ上流より流す窒素ガス流量との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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