(57)【要約】【課題】雰囲気を一定に保って半導体を処理する半導体処理室の雰囲気を大容量でスループットを低下させることなく置換し、定常時などには精度良く処理ガスを導入して雰囲気を常に適切に管理することができる半導体処理装置を提供する。【解決手段】雰囲気を一定に保って半導体を処理する半導体処理室を備え、前記半導体処理室の雰囲気調整を行うため半導体処理室に接続された真空排気系および処理ガス導入系を有し、前記処理ガス導入系には、大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備える。大容量のガスを供給する際には、大容量マスフローコントローラによって大容量ガスをスループットを低下させることなく導入でき、定常時などには、大流量マスフローコントローラの精度の悪い領域を使うことなく、小容量ガスの流量を精度良く制御して導入できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気を一定に保って半導体を処理する半導体処理室を備え、前記半導体処理室の雰囲気調整を行うため半導体処理室に接続された真空排気系および処理ガス導入系を有し、前記処理ガス導入系には、大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えることを特徴とする半導体処理装置。
【請求項２】
半導体を搬出入するためのロードロック室と、該ロードロック室と前記半導体処理室とを連通させる搬送室とを備え、真空排気系および処理ガス導入系は、雰囲気調整を行うため前記ロードロック室および搬送室に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体処理装置。
【請求項３】
前記処理ガス導入系は、複数のガス導入系を有し、該複数のガス導入系から導入される複数のガスの混合が可能になっており、前記複数のガス導入系にそれぞれ大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体処理装置。
【請求項４】
前記複数のガス導入系が窒素ガス供給系と酸素ガス導入系であることを特徴とする請求項３記載の半導体処理装置。
【請求項５】
前記半導体処理室がレーザアニール処理室であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体にレーザアニールなどの処理を行う際に、雰囲気を適切に管理して半導体処理室内で半導体の処理を良好に行うことができる半導体処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光によるアモルファスシリコン膜の結晶化装置において、ポリシリコンの表面の突起を低減すること等を目的として大気の影響を除去して結晶化に最適な雰囲気を制御している。通常アニール処理をする雰囲気は窒素等の不活性ガス、真空等が良いとされているが、積極的に少量の酸素を混合した方がアニール処理後の特性が改善するとの報告もあり、その方法として次のものがある。
（イ）半導体用基板を搬入出するためのロードロック室と、半導体薄膜が形成された半導体基板にレーザによるアニール処理を行うアニール室と、前記ロードロック室と前記アニール室を真空もしくは所定のガス雰囲気下で連通する搬送室から構成され、ロードロック室を基板搬入時に真空引きした後に、真空保持もしくは所定のガスを導入し、アニール室の雰囲気を維持したまま処理する（特許文献１参照）。
（ロ）絶縁基板上に形成された非晶質の半導体膜をレーザアニール法によって結晶化する多結晶半導体膜の製造装置において、レーザビームを非晶質半導体膜に照射するときに、ビーム照射される基板の表面の雰囲気を制御できる局所シールドをレーザビーム周囲に設ける（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６４４０７号公報
【特許文献２】特開２００２−９３７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の前者の技術では、真空チャンバを有する装置においては各チャンバを真空引きした後に、照射に適したガス雰囲気に置換する必要があるが、予め或る酸素濃度に混合されたガスを接続する必要があるなど、任意の調整を機器側で実施することが難しい。別の方法としては、後者の従来技術に示すように、局所シールタイプのアニール装置で、照射雰囲気近傍に酸素濃度を管理されたガスを流す方法が一般的であり、この場合、照射雰囲気のガス流速均一性等によっては照射の均一性に影響が発生するため、真空チャンバで酸素濃度を管理する必要がある。このため、真空チャンバを有する装置を大幅に改造することなく、後付で実現できる機器が求められる。装置は雰囲気置換時に数百Ｌ／ｍｉｎの流量を流し、置換後の定常時は数Ｌ／ｍｉｎの流量を維持している。酸素濃度精度はマスフローの流量精度に依存するが、使用する流量が１００倍程度異なる関係上、酸素濃度や流量を下げて使用する場合にマスフローの分解能が不足し、設定した流量で高精度にチャンバ内の酸素濃度を管理することが難しいという問題がある。
【０００４】
この発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、半導体処理室の雰囲気をスループットに影響することなく、単純な構成で高精度に維持することができる半導体処理装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
すなわち、本発明の半導体処理装置のうち、第１の本発明は、雰囲気を一定に保って半導体を処理する半導体処理室を備え、前記半導体処理室の雰囲気調整を行うため半導体処理室に接続された真空排気系および処理ガス導入系を有し、前記処理ガス導入系には、大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えることを特徴とする。
【０００６】
第２の本発明の半導体処理装置は、前記第１の本発明において、半導体を搬出入するためのロードロック室と、該ロードロック室と前記半導体処理室とを連通させる搬送室とを備え、真空排気系および処理ガス導入系は、雰囲気調整を行うため前記ロードロック室および搬送室に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
第３の本発明の半導体処理装置は、前記第１または第２の本発明において、前記処理ガス導入系は、複数のガス導入系を有し、該複数のガス導入系から導入される複数のガスの混合が可能になっており、前記複数のガス導入系にそれぞれ大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えることを特徴とする。
【０００８】
第４の本発明の半導体処理装置は、前記第３の本発明において、前記複数のガス導入系が窒素ガス供給系と酸素ガス導入系であることを特徴とする。
【０００９】
第５の本発明の半導体処理装置は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記半導体処理室がレーザアニール処理室であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の半導体処理装置によれば、雰囲気を一定に保って半導体を処理する半導体処理室を備え、前記半導体処理室の雰囲気調整を行うため半導体処理室に接続された真空排気系および処理ガス導入系を有し、前記処理ガス導入系には、大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えるので、大容量のガスを供給する際には、大容量マスフローコントローラによって大容量ガスをスループットを低下させることなく導入することができ、定常時などには、大流量マスフローコントローラの精度の悪い領域を使うことなく、小容量ガスの流量を精度良く供給することが可能になる効果がある。また、広範囲の濃度を精度良く管理することができる。
【００１１】
また、前記処理ガス導入系が、複数のガス導入系を有し、該複数のガス導入系から導入される複数のガスの混合が可能になっており、前記複数のガス導入系にそれぞれ大容量マスフローコントローラと小容量マスフローコントローラとを備えるものとすれば、混合ガスについて混合比を適切に制御した上で、大容量混合ガスをスループットを低下させることなく各室に導入できるとともに、小容量ガスを流量、混合比とともに精度良く制御して供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施形態を図１、２に基づき説明する。
この実施形態では、半導体処理装置としてレーザアニール処理装置について説明する。
レーザアニール処理装置は、ロードロック室５、搬送室７、半導体処理室であるアニール処理室８の３つのチャンバを有しており、各室は、ゲート４−２、４−３の開閉によって必要時に開通可能になっている。
また、ロードロック室５の前段には、基板収納部３が配置され、該基板収納部３とロードロック室５との間にはゲート４−１が設けられている。基板収納部３内には、複数の基板１を収納したカセット２と、カセット２内の基板１を取り出し、開かれたゲート４−１を通してロードロック室５に該基板１を引き渡す搬送ロボット６−１を備えている。ロードロック室５内には、図示しない回転装置などを備え、前記搬送ロボット６−１によって基板収納室３から導入された基板１を前記搬送室７に搬送するように待機させることができる。
【００１３】
搬送室７には、ゲート４−２が開けられたロードロック室５内の基板１を取り出し、ゲート４−３が開けられた前記アニール処理室８に該基板１を引き渡す搬送ロボット６−２を備えている。アニール処理室８では、半導体１を載置するステージ１０と、該ステージ１０を必要に応じて、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に移動させる移動台９を有している。
【００１４】
アニール処理室８の外部には、レーザ光発振部１１を有しており、該レーザ光発振部１１から発振されたレーザ光１３をアニール処理室８内に導く光学系１２が設けられている。
【００１５】
なお、アニール処理室８で処理した基板１は、上記とは逆に、アニール処理室８から搬送室７、ロードロック室５を経て外部に搬出することができる。
【００１６】
また、各室では、図２に詳細に示すように、真空ポンプ１４−１、１４−２、１４−３と、排気開閉弁２３−９、２３−１０、２３−１１を設けた真空排気路１５−１、１５−２、１５−３が接続されており、これら真空排気路１５−１、１５−２、１５−３、排気開閉弁２３−９、２３−１０、２３−１１、真空ポンプ１４−１、１４−２、１４−３によって真空排気系が構成されている。
【００１７】
さらに、各室には以下で説明する処理ガス導入系が接続されている。
すなわち各室には、導入開閉弁２３−５、２３−６、２３−７を介して処理ガス導入路２５−１、２５−２、２５−３が接続されている。処理ガス導入路２５−１、２５−２、２５−３は、処理ガス混合導入路２４が分岐したものである。処理ガス混合導入路２４の上流側では、窒素ガス導入路２０と酸素ガス導入路２１とが設けられており、窒素ガス導入路２０は下流側で窒素ガス大流量導入路２０−１と窒素ガス小流量導入路２０−２に分岐し、酸素ガス導入路２１は下流側で酸素ガス大流量導入路２１−１と酸素ガス小流量導入路２１−１に分岐しており、これら大流量導入路および小流量導入路はいずれも下流側で前記処理ガス混合導入路２４の上流端に合流している。
【００１８】
上記窒素ガス大流量導入路２０−１には窒素ガス大流量マスフローコントローラ２２−１と窒素ガス導入開閉弁２３−１が介設され、窒素ガス小流量導入路２０−２には窒素ガス小流量マスフローコントローラ２２−２と窒素ガス導入開閉弁２３−２が介設されている。
また、上記酸素ガス大流量導入路２１−１には酸素ガス大流量マスフローコントローラ２２−３と酸素ガス導入開閉弁２３−３が介設され、酸素ガス小流量導入路２１−２には酸素ガス小流量マスフローコントローラ２２−４と酸素ガス導入開閉弁２３−４が介設されている。なお、それぞれのマスフローコントローラの構成は特に限定されるものではなく、既知のもので構成することができ、結果的に大流量域の流量または小流量域の流量を制御できるものであればよい。なお、大流量、小流量の違いは相対的なものであり、半導体処理室などで必要とされる流量域に応じてそれぞれ適宜選定されるものであり、互いに異なる流量域となる。
【００１９】
処理ガス混合導入路２４には、バッファタンク２４−１、三方弁２３−１２が介設されており、さらにバッファタンク２４−１の下流側かつ三方弁２３−１２の上流側で処理ガス混合導入路２４に酸素濃度計２６−１が接続されている。また、前記アニール処理室８にも開閉弁２３−８を介して酸素濃度計２６−２が接続されている。
上記三方弁２３−１２の一ポートには排気路２７が接続され、他のポートは下流に伸張する処理ガス混合導入路２４が接続されている。
【００２０】
上記レーザアニール処理装置では、雰囲気の調整に際しては、各室に関する排気開閉弁２３−９、２３−１０、２３−１１を開いて、排気ポンプ１４−１、１４−２、１４−３を動作させることで各室を真空排気路１５−１、１５−２、１５−３を通して真空引きすることができる。そして、各室の雰囲気を置換する際には、大容量で処理ガスを導入する。雰囲気の置換後、定常時には、雰囲気を一定に保つために小流量の処理ガスを導入し続ける。
上記処理ガスの導入時の処理ガス導入系の制御内容について以下に説明する。
【００２１】
先ず、大流量で処理ガスを混合して導入する場合、小流量側にある窒素ガス導入開閉弁２３−２と酸素ガス導入開閉弁２３−４を閉じ、大流量側にある窒素ガス導入開閉弁２３−１と酸素ガス導入開閉弁２３−３を開く。そして、大流量側にある窒素ガス大流量マスフローコントローラ２２−１および酸素ガス大流量マスフローコントローラ２２−３によって窒素ガスと酸素ガスの流量が制御され、窒素ガスと酸素ガスとがバッファタンク２４−１等を介して所望の混合比で混合され、処理ガス導入路２５−１、２５−２、２５−３を通して各室に効率よく大流量で導入される。上記処理ガスの混合においては、窒素ガス、酸素ガスの流量を調整することにより任意の酸素濃度に調整することができる。この際に、三方弁２３−１２において排気路２７側のポートは閉じられている。各室では、導入開閉弁２３−５、２３−６、２３−７の開閉によって所望の室に処理ガスを導入することができる。
【００２２】
なお、処理ガスを導入する初期や、混合比を変更する場合には、混合比が適切になっていない状態が考えられるため、処理ガス導入系内のガスを新たに導入する混合ガスで上記排気路２７などを通して排気し、酸素濃度が管理された状態になってから、各室に導入するのが望ましい。酸素濃度の管理は、例えば、混合ガスを排気路２７から混合された処理ガスを排気しつつ酸素濃度計２６−１で処理ガスの酸素濃度を測定することにより行うことができる。これにより事前に目的の酸素濃度に達しているか確認・調整することができる。また酸素濃度計２６−１の出力をフィードバックし、常時最適な流量を維持させることも可能である。
【００２３】
ここで、大流量のマスフローコントローラによって、例えば窒素２００ＳＬＭ、酸素１０ＳＬＭの最大流量を確保するものとすると、最大５％の酸素濃度を含んだ窒素ガスを各チャンバに導入することができる。
【００２４】
一方、各室が定常状態になって小流量の処理ガスを導入する場合には、大流量側にある窒素ガス導入開閉弁２３−１、酸素ガス導入開閉弁２３−３を閉じ、小流量側にある窒素ガス導入開閉弁２３−２、酸素ガス導入開閉弁２３−４を開く。そして、小流量側にある窒素ガス小流量マスフローコントローラ２２−２と酸素ガス小流量マスフローコントローラ２２−４によって、窒素ガスと酸素ガスの流量が小流量で制御され、それぞれバッファタンク２４−１等を介して所望の混合比で混合され、各室に少量かつ所定の混合比で精度良く導入される。この際にも上記処理ガスの混合においては、窒素ガス、酸素ガスの流量を調整することにより任意の酸素濃度に精度良く調整することができる。  例えば、大流量時と同じ流量比で小流量となる組み合わせとなる様、窒素５ＳＬＭ、酸素２５０ＳＣＣＭを選定することで、雰囲気安定のために導入する５ＳＬＭ程の小流量で酸素濃度精度を確保することができる。
また、小流量で処理ガスを各室に導入する場合も、処理ガスを導入する初期や、混合比を変更する場合には、酸素濃度が管理された状態になってから、各室に導入するのが望ましい。
【００２５】
次に各室での置換動作について具体的に説明する。
本装置立上時、ロードロック室５、搬送室７、アニール室８の３つのチャンバについて、初期状態はそれぞれの真空ポンプ１４−１、１４−２、１４−３によって真空引きされた後に、導入開閉弁２３−５、２３−６、２３−７を介してアニール処理をする雰囲気ガスが導入される。この際に、事前に流量調整された窒素ガス大流量マスフローコントローラ２２−１、酸素ガス大流量マスフローコントローラ２２−３の窒素ガス導入開閉弁２３−１、酸素ガス導入開閉弁２３−３を開放し、各室まで酸素濃度管理されたガスが大気圧まで導入される。
【００２６】
大気圧到達後は大流量の窒素ガス導入開閉弁２３−１、酸素ガス導入開閉弁２３−３を閉じ、小流量の窒素ガス導入開閉弁２３−２と酸素ガス導入開閉弁２３−４を開いて窒素小流量マスフローコントローラ２２−２と酸素小流量マスフローコントローラ２２−４とで窒素ガスと酸素ガスを所定の小流量で制御しつつ導入し、各室内を定常状態とする。立上完了後はアニール処理室８の酸素濃度を均一に保つため、ロードロック室５に基板１が投入された後、混入した空気を取り除くため真空ポンプ１５−１により真空引きする。
【００２７】
その後ロードロック室５に対し、大流量の窒素ガス導入開閉弁２３−１、酸素ガス導入開閉弁２３−３を開放し、窒素ガス大流量マスフローコントローラ２２−１、酸素ガス大流量マスフローコントローラ２２−３によって所定の酸素濃度に管理されたガスが大気圧まで導入される。その後、大流量の窒素ガス導入開閉弁２３−１、酸素ガス導入開閉弁２３−３を閉める。この段階で、小流量の窒素ガス導入開閉弁２３−２、酸素ガス導入開閉弁２３−４を開け、窒素ガス小流量マスフローコントローラ２２−２、酸素ガス小流量マスフローコントローラ２２−４によって小流量の処理ガスを導入しつつ、定常となった状態にて基板１を搬送室７に搬送し、アニール処理室８まで搬送することができる。以上を繰り返すことにより、アニール処理室８は常に高精度の酸素濃度管理の状態に維持される。
【００２８】
なお、上記実施形態では、処理ガスとして混合ガスを導入する場合に好適なものであるとして説明をしたが、本発明では、混合ガスではなく、単独のガスを導入する場合にも適用が可能であり、この場合にスループットを低下させることなく精度良くガスを導入できる効果がある。
【００２９】
また、この実施形態では、処理内容としてアモルファス膜半導体をレーザ光によりアニール処理するものを説明したが、本発明としては、処理内容がこれに限定されるものではなく、高精度な雰囲気において半導体の処理が必要なものにおいて適用が可能である。また、半導体の種別においても特に限定をされるものではない。
【００３０】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは当然に適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態のレーザニール処理装置を示す正面概略図である。
【図２】同じく、処理ガス導入系を詳細に示す平面概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    基板
５    ロードロック室
７    搬送室
８    アニール処理室
１４−１、１４−２、１４−３  真空ポンプ
２０    窒素ガス導入路
２０−１  窒素ガス大流量導入路
２０−２  窒素ガス小流量導入路
２１    酸素ガス導入路
２１−１  酸素ガス大流量導入路
２１−２  酸素ガス小流量導入路
２２−１  窒素ガス大流量マスフローコントローラ
２２−２  窒素ガス小流量マスフローコントローラ
２２−３  酸素ガス大流量マスフローコントローラ
２２−４  酸素ガス小流量マスフローコントローラ
２３−１  窒素ガス導入開閉弁
２３−２  窒素ガス導入開閉弁
２３−３  酸素ガス導入開閉弁
２３−４  酸素ガス導入開閉弁
【図１】
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【図２】
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