(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段によって昇温される部材を冷却するための冷却機構において、
前記部材内を通るように設けた冷媒用の冷却流路と、
前記冷却流路の入口側と出口側に接続されると共に途中に圧力リリーフ弁が設けられた冷媒流路と、
前記部材を迂回するように前記冷媒流路に接続されたバイパス通路と、
前記冷媒の流れを制御する冷媒流制御手段とを備え、
前記部材は、前記加熱手段によって、前記冷却流路内の冷媒が蒸気化する温度まで昇温され、
前記冷媒流制御手段は、前記部材の昇温時には前記冷却流路への冷媒の供給を停止して、前記部材の降温時には前記冷却流路と前記バイパス通路とへ冷媒を流すよう、冷媒の流れを制御する、ことを特徴とする冷却機構。
【請求項２】
前記冷媒流制御手段は、前記冷媒流路に介設された入口開閉弁及び出口開閉弁と、前記バイパス通路に介設されたバイパス開閉弁と、前記入口開閉弁、前記出口開閉弁及び前記バイパス開閉弁をそれぞれ制御する弁制御部とよりなることを特徴とする請求項１記載の冷却機構。
【請求項３】
前記バイパス通路は、前記部材より離れて熱的に分離されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却機構。
【請求項４】
シャワーヘッド部から処理ガスを処理容器内に導入して被処理体に対して処理を施す処理装置において、
前記シャワーヘッド部に請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却機構を設けたことを特徴とする処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却機構及び半導体ウエハ等に所定の処理を施す処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路を製造するためにはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理等の各種の処理が行われる。
この場合、例えば或る種の処理では、処理容器に設けたシャワーヘッド部の表面等に反応副生成物が付着することは避けられず、この種の反応副生成物は、パーティクル等の発生原因となることから処理容器（チャンバー）内を大気開放することなく定期的、或いは不定期的にこの反応副生成物を除去するために、シャワーヘッド部等を加熱してこれらを昇華させて除去することが行われている。
【０００３】
この状態を図３を参照して説明する。図３は従来の枚葉式の処理装置を示す概略構成図である。図３に示すように、この処理装置は、下部に設けた排気口２から真空引き可能になされた処理容器４を有しており、この中には、加熱ヒータ６を有するサセプタ８が設けられて、この上面に半導体ウエハＷを載置するようになっている。
この処理容器４の天井部には、多数のガス噴出口１０を有するシャワーヘッド部１２が天井板１４に取り付けて設けられており、成膜ガスなどの処理ガスを処理容器４内へ導入するようになっている。また、このシャワーヘッド部１２には、必要に応じてこれを加熱するためのヘッド加熱ヒータ１６が埋め込まれている。また、上記天井板１４には、上記シャワーヘッド部１２を必要時に間接的に冷却するための冷却パイプ１８が埋め込まれており、これに送水ポンプ２０でもって冷却水を流すようになっている。
【０００４】
さて、このような処理装置において、或る程度のウエハ枚数を、例えば成膜処理すると、このシャワーヘッド部１２の表面に昇華性の反応副生成物が付着するので、これを除去するために、ヘッド加熱ヒータ１６に通電してこれを反応副生成物が昇華する温度、例えば１６０℃程度まで昇温し、この温度を所定の時間維持する。そして、反応副生成物を昇華させた後に、直ちに通常の処理、例えば成膜処理を行うために、冷却パイプ１８に冷却水を流して天井板１４に取り付けられているシャワーヘッド部１２を成膜処理が行える温度、例えば６０℃程度まで間接的に冷却するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、製品のスループットを上げるためには上記シャワーヘッド部１２の温度を迅速に所定の温度まで冷却して、直ちに成膜処理を開始する必要があるが、上装置例の場合には、シャワーヘッド部１２を取り付けている天井板１４に冷却パイプ１８を設け、これに冷却水を流してシャワーヘッド部１２を間接的に冷却するようにしていることから、冷却に要する時間がかなり長くなり、例えば２０分以上も要してしまい、スループット低下の原因となっていた。
この場合、この冷却パイプ１８を天井板１４ではなくて、シャワーヘッド部１２に取り付けて、これを直接的に冷却することも考えられるが、この場合には、高温状態になっているシャワーヘッド部１２によって冷却パイプ１８内の冷却水が急激に加熱されて蒸気化して、圧力が急上昇し、この結果、急上昇した圧力が冷却パイプ１８に接続されている配管系や送水ポンプ２０に直接的に加わり、これらに損傷を与える恐れが発生するので、採用することができない。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、配管系や送水ポンプに圧力的な損傷を与えることなくシャワーヘッド部等を迅速に冷却することができる冷却機構及び処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、加熱手段によって昇温される部材を冷却するための冷却機構において、前記部材内を通るように設けた冷媒用の冷却流路と、前記冷却流路の入口側と出口側に接続されると共に途中に圧力リリーフ弁が設けられた冷媒流路と、前記部材を迂回するように前記冷媒流路に接続されたバイパス通路と、前記冷媒の流れを制御する冷媒流制御手段とを備え、前記部材は、前記加熱手段によって、前記冷却流路内の冷媒が蒸気化する温度まで昇温され、前記冷媒流制御手段は、前記部材の昇温時には前記冷却流路への冷媒の供給を停止して、前記部材の降温時には前記冷却流路と前記バイパス通路とへ冷媒を流すよう、冷媒の流れを制御する、ことを特徴とする冷却機構である。
これにより、装置の冷却時に冷媒を冷媒用の流路とバイパス通路に流すことにより、装置の流路内の冷媒が急激に蒸気化して圧力が上昇しても、この圧力はバイパス通路側に伝達してここで蒸気は冷却凝縮されて圧力が緩和されることになるので、配管系や送水ポンプ等に圧力的損傷を与えることなく装置を迅速に冷却することが可能となる。
【０００７】
本発明の関連技術は、シャワーヘッド部から所定の処理ガスを処理容器内に導入して被処理体に対して所定の処理を施す処理装置において、前記シャワーヘッド部に設けられた冷却媒体を流すための冷却流路と、前記冷却流路に接続された冷媒流路と、前記冷媒流路に設けられた圧力リリーフ弁と、前記冷却流路を迂回するように前記冷媒流路に接続されたバイパス通路と、前記シャワーヘッド部を加熱するヘッド加熱手段と、前記シャワーヘッド部の昇温時には前記冷却流路への冷却媒体の供給を停止し、降温時には前記冷却流路と前記バイパス通路へ共に冷却媒体を流すようにする冷媒流制御手段とを備えたことを特徴とする処理装置である。
これにより、シャワーヘッド部の冷却時に冷媒を冷却流路とバイパス通路に流すことにより、シャワーヘッド部の冷却流路内の冷媒が急激に蒸気化して圧力が上昇しても、この圧力はバイパス通路側に伝達してここで蒸気は冷却凝縮されて圧力が緩和されることになるので、配管系や送水ポンプ等に圧力的損傷を与えることなくシャワーヘッド部を迅速に冷却することが可能となる。従って、直ちに所定の処理を開始することができるので、製品のスループットを向上させることが可能となる。
【０００８】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記冷媒流制御手段は、前記冷媒流路に介設されたヘッド入口開閉弁及びヘッド出口開閉弁と、前記バイパス通路に開設されたバイパス開閉弁と、前記ヘッド入口開閉弁、前記ヘッド出口開閉弁及び前記バイパス開閉弁をそれぞれ制御する弁制御部とよりなる。
また、例えば請求項３に規定するように、前記バイパス通路は、前記部材より離れて熱的に分離されている。
請求項４に規定する発明は、シャワーヘッド部から処理ガスを処理容器内に導入して被処理体に対して処理を施す処理装置において、前記シャワーヘッド部に請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却機構を設けたことを特徴とする処理装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る冷却機構及び処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る処理装置を示す構成図、図２は処理装置の冷却機構の動作を説明するための動作説明図である。図１に示すように、この枚葉式の処理装置２２は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器２４を有している。この処理容器２４内には、底部より起立させてサセプタ２６が設けられると共に、このサセプタ２６には加熱源として抵抗加熱ヒータ２８が内蔵されており、上記サセプタ２６の上面に載置した被処理体としての半導体ウエハＷを加熱し得るようになっている。尚、加熱源として、抵抗加熱ヒータ２８に代えて、加熱ランプを用いるようにしてもよい。
【００１０】
また、処理容器２４の底部には、排気口３０が設けられると共に、この排気口３０には真空ポンプ等が介設された図示しない排気系が接続されており、処理容器２４内の雰囲気を真空引きできるようになっている。そして、この処理容器２４の側壁には、開閉可能になされたゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を介してこの処理容器２４内に対して半導体ウエハＷを搬出入するようになっている。
そして、この処理容器２４の天井部は、開閉可能になされた、例えばアルミニウム製の天井板３４によって密閉されており、この天井板３４の下面側に、装置としてのシャワーヘッド部３６が取り付けられている。
【００１１】
具体的には、このシャワーヘッド部３６は、例えばアルミニウム製の円形状になされたシャワーヘッド本体３８を有しており、この内部には中空円筒体状のガス拡散室４０が形成されると共に、このガス拡散室４０に連通させてガス導入口４２が形成されており、所定の処理ガスを上記ガス拡散室４０内へ導入するようになっている。尚、使用するガス種に応じて、このガス導入口４２も複数個設けられる。
そして、このシャワーヘッド本体３８の下面であって、上記サセプタ２６の対向面には、上記ガス拡散室４０に連通する多数のガス噴出口４４が設けられており、処理ガスを処理空間Ｓへ供給し得るようになっている。尚、このガス拡散室４０内にガスを拡散させるために拡散孔を有する拡散板を設けるようにしてもよい。
【００１２】
また、このシャワーヘッド本体３８の側壁には、上記天井板３４を上下方向に貫通させてヘッド加熱手段として棒状のヘッド加熱ヒータ４６が所定の間隔で多数本埋め込まれており、必要に応じてこのシャワーヘッド本体３８を加熱し得るようになっている。尚、加熱手段として、棒状の加熱ヒータに代えて、シースヒータをリング状に埋め込むようにしてもよい。
そして、このシャワーヘッド部３６に、本発明の特徴とする冷却機構４８が設けられる。具体的には、この冷却機構４８は、上記シャワーヘッド本体３８の側壁に円形リング状に穿孔して形成された連続する冷却流路５０を有しており、これに冷媒を流し得るようになっている。すなわち、この冷却流路５０の入口側と出口側とには、それぞれ冷媒流路５２、５４が接続されている。尚、ここでは冷媒として冷却水を用いることができる。この冷媒流路５２、５４には、それぞれヘッド入口開閉弁Ｖ１とヘッド出口開閉弁Ｖ２とが介設されており、冷媒流路５２、５４の開閉を制御するようになっている。また、上流側の冷媒流路５２には、送水ポンプ５６が介設されており、冷却水を送水するようになっている。
【００１３】
そして、上記ヘッド側開閉弁Ｖ１と上記送水ポンプ５６との間の冷媒流路５２と、上記ヘッド出口開閉弁Ｖ２の下流側の冷媒流路５４とを連絡するようにして、すなわち上記シャワーヘッド部３６の冷却流路５０を迂回するようにしてバイパス通路５６が接続されている。そして、このバイパス通路５６の途中には、これの開閉を行うバイパス開閉弁Ｖ３が介設されている。これらの各開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉は、弁制御部５８により制御されることになる。ここで上記各開閉弁Ｖ１〜Ｖ３と上記弁制御部５８とで、冷媒流制御手段６０を構成しており、この冷媒流制御手段６０により、上記シャワーヘッド部３６の昇温時には上記冷却流路５０への冷却水の供給を停止し、降温時には上記冷却流路５０とバイパス通路５６へ共に冷却水を流すように制御するようになっている。
そして、上記ヘッド出口開閉弁Ｖ２よりも上流側の冷媒流路５４には、圧力リリーフ弁Ｖ４が、これより分岐させて接続されており、上記シャワーヘッド部３６の昇温時に、上記冷却流路５０内の圧力が設定圧力以上になった時にこれを開放できるようになっている。尚、この圧力リリーフ弁Ｖ４の設定圧力は、上記冷却流路５０を流れる冷却水の水圧よりも高く、例えば２ｋｇ／ｃｍ2 程度である。また、上記ヘッド入口開閉弁Ｖ１よりも下流側の冷媒流路５２には圧力計６４が設けられており、上記冷却流路５０内の圧力をモニタできるようになっている。
【００１４】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について、図２も参照して説明する。
まず、通常のプロセス時には、処理容器２４内のサセプタ２６上にウエハＷを載置し、このウエハＷを抵抗加熱ヒータ２８により所定のプロセス温度に維持しつつシャワーヘッド部３６から処理空間Ｓに向けて所定の処理ガスを供給する。そして、これと同時に、処理容器２４内の雰囲気を真空引きして所定のプロセス圧力を維持し、処理を行う。例えばプロセス処理としてウエハ表面上にタングステン膜を堆積させる場合を例にとれば、処理ガスとしてＷＦ6 ガスとＳｉＨ4 、Ｈ2 、Ａｒ、Ｎ2 ガス等を用い、プロセス温度としてウエハＷを４１０〜４５０℃程度に維持し、また、プロセス圧力は、１０６６６〜４００００Ｐａ程度に維持する。
【００１５】
この時、シャワーヘッド部３６のシャワーヘッド本体３８の冷却流路５０には、図２（Ａ）に示すように冷却水ＷＡを流して、このシャワーヘッド本体３８に反応副生成物等が付着し難く、安定した処理が行われるように、例えば６０℃程度の一定値に維持する。この場合、弁制御部５８は、図２（Ａ）に示すように、冷媒流路５２、５４に介設したヘッド入口開閉弁Ｖ１及びヘッド出口開閉弁Ｖ２はそれぞれ開状態にしてシャワーヘッド本体３８り冷却流路５２に冷却水ＷＡを流して冷却することにより、上述のようにシャワーヘッド本体３８の温度を略一定値に維持する。この時、バイパス通路５６に介設してあるバイパス開閉弁Ｖ３は閉状態にしてこれには冷却水を流していない。
【００１６】
さて、このようにして成膜処理を或る程度の枚数のウエハに対して連続的に行うと、上記シャワーヘッド本体３８の下面側には反応副生成物が僅かずつではあるが堆積し、この堆積量がパーティクル発生防止の見地より除去しなければならない量までに至ることになる。
そこで、この堆積した反応副生成物の除去操作を、例えばウエハを所定枚数処理する毎に、或いは不定期的に行うことになる。この場合、例えば上記反応副生成物はＴｉＦｘ（ｘは正の整数）よりなり、この特性は１６０℃程度の高温で容易に昇華により気化させて除去することができるので、シャワーヘッド本体３８の温度を上記した昇華温度まで昇温させる。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、ヘッド入口開閉弁Ｖ１及びヘッド出口開閉弁Ｖ２を共に閉状態としてシャワーヘッド本体３８の冷却流路５０における冷却水の流れを停止し、これと同時にバイパス通路５６のバイパス開閉弁Ｖ３を開状態にして、このバイパス通路５６に冷却水ＷＡを流す。すなわち、シャワーヘッド本体３８の冷却流路５０を迂回させるようにしてバイパス通路５６に冷却水ＷＡを流す。これと同時に、シャワーヘッド本体３８に埋め込んであるヘッド加熱ヒータ４６（図１参照）に十分な電力を投入してこのシャワーヘッド本体３８を上記した昇華温度、例えば１６０℃まで昇温し、この状態を所定の時間維持し、これによりシャワーヘッド本体３８の下面側に付着していた反応副生成物を昇華させて飛ばしてしまう。尚、処理容器２４内の雰囲気は真空引きされているので、上記昇華した気体は容器外へ排出されることになる。
【００１７】
ここで、このシャワーヘッド本体３８の昇温中には、シャワーヘッド本体３８の冷却流路５０内に閉じ込められている冷却水が加熱されて蒸気化し、この冷却流路５０内の圧力が上昇するが、この圧力が一定以上になると、圧力リリーフ弁Ｖ４が自動的に開動作してこの圧力を逃がすように作用する。従って、冷却流路５０内の圧力が過度に昇圧することを防止することができる。
このようにして、反応副生成物の除去操作が完了したならば、次の成膜処理へスループット向上のために直ちに移行するため、１６０℃の高温状態になっているシャワーヘッド本体３８を可能な限り迅速に成膜処理が可能な温度、例えば６０℃まで冷却する。
【００１８】
ここでは、図２（Ｃ）に示すように、上述のようにバイパス通路５６のバイパス開閉弁Ｖ３を開状態に維持したまま、ヘッド入口開閉弁Ｖ１とヘッド出口開閉弁Ｖ２を共に開状態として、バイパス通路５６のみならず、シャワーヘッド本体３８の冷却流路５０にも冷却水ＷＡを流し、このシャワーヘッド本体３８を一気に冷却する。
この場合、略１６０℃の高温状態になっているシャワーヘッド本体３８の冷却流路５０内へ冷却水が流入すると、初期にはこの冷却水が急激に加熱されて蒸気化し、この冷却流路５０内が高い圧力状態になろうとして、この圧力が冷却水ＷＡの流れ方向上流側へ遡って行こうとする。
【００１９】
しかしながら、ここではバイパス通路５６が開状態となっているので、この急激に上昇した蒸気圧はこのバイパス通路５６側へ抜けて行き、しかもこのバイパス通路５６には冷却水が流れているので、この冷却水により蒸気が効率的に冷却凝縮されて行くことになり、大きな圧力上昇が生ずることを防止することが可能となる。従って、この冷却流路５０内の蒸気圧はバイパス通路５６側へ流れる冷却水により緩和されるので、冷却流路５０内の冷却水の流れはほとんどストップすることがなくなり、結果的に、このシャワーヘッド本体３８を迅速に所定の温度まで冷却することが可能となる。
従って、このようにシャワーヘッド本体３８を迅速に冷却することができるので、その分、迅速に次の成膜処理へ移行することができ、製品のスループットを向上させることができる。
【００２０】
実際に、従来装置を用いて冷却を行ったところ、シャワーヘッド部を１６０℃から６０℃まで冷却するのに２０分程度を要したが、本実施例の場合には３分程度要しただけであり、送水ポンプや配管系に損傷を与えることなくシャワーヘッド部を迅速に冷却できることが判明した。
また、上述の際、冷却流路５０内の圧力が過度に上昇すれば、図２（Ｂ）に説明した場合と同様に、圧力リリーフ弁Ｖ４が開動作するのは勿論である。
尚、上記実施例におけるプロセス温度や反応副生成物の昇華温度は単に一例を示したに過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。また、ここでは冷媒として冷却水を用いたが、これに限定されず、例えばフロリナート（商品名）等も用いることができる。
また、ここでは成膜処理を例にとって説明したが、これに限定されず、本発明は、昇温と冷却を繰り返し、迅速な冷却を図るために冷媒を流すと蒸気化してしまうようなどのような処理装置にも適用でき、また、プラズマを用いたプラズマ処理装置にも適用することができる。
また、被処理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等にも適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の冷却機構及び処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
本発明によれば、装置の冷却時に冷媒を冷媒用の流路とバイパス通路に流すことにより、装置の流路内の冷媒が急激に蒸気化して圧力が上昇しても、この圧力はバイパス通路側に伝達してここで蒸気は冷却凝縮されて圧力が緩和されることになるので、配管系や送水ポンプ等に圧力的損傷を与えることなく装置を迅速に冷却することができる。
特に請求項４に規定する発明によれば、シャワーヘッド部の冷却時に冷媒を冷却流路とバイパス通路に流すことにより、シャワーヘッド部の冷却流路内の冷媒が急激に蒸気化して圧力が上昇しても、この圧力はバイパス通路側に伝達してここで蒸気は冷却凝縮されて圧力が緩和されることになるので、配管系や送水ポンプ等に圧力的損傷を与えることなくシャワーヘッド部を迅速に冷却することが可能となる。従って、直ちに所定の処理を開始することができるので、製品のスループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る処理装置を示す構成図である。
【図２】処理装置の冷却機構の動作を説明するための動作説明図である。
【図３】従来の枚葉式の処理装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
２２  処理装置
２４  処理容器
２６  サセプタ
３６  シャワーヘッド部
３８  シャワーヘッド本体
４６  ヘッド加熱ヒータ（ヘッド加熱手段）
４８  冷却機構
５０  冷却流路
５２，５４  冷媒通路
５６  バイパス通路
５８  弁制御部
６０  冷媒流制御手段
Ｖ１  ヘッド入口開閉弁
Ｖ２  ヘッド出口開閉弁
Ｖ３  バイパス開閉弁
Ｖ４  圧力リリーフ弁
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
ＷＡ  冷却水
【図１】
0004720019.tif 000002
【図２】
0004720019.tif 000003
【図３】
0004720019.tif 000004