JP5498640B2

JP5498640B2 - 窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法と洗浄装置

Info

Publication number: JP5498640B2
Application number: JP2005299884A
Authority: JP
Inventors: 靖福田; 由章杉森; 修康富田; 隆折田; 仲男阿久津
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: JP2007109928A

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物半導体を製造する窒化物半導体製造装置を構成するウエハートレーなどの部品が窒化物半導体などで汚染された時に、この部品を洗浄する方法とその装置に関する。

窒化物半導体製造装置（以下、「半導体製造装置」という。）では、ウエハー上にＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物を堆積させて半導体を製造するが、この過程で、半導体製造装置内のウエハー上に堆積すべきＧａＮなどの半導体薄膜が、ウエハーを保持するウエハートレーやガス流路など、ウエハー以外の各種部品に付着する。
ウエハー以外の部品に付着したＧａＮなどの半導体薄膜は、不要な汚染物となり、窒化物半導体を製造する上で障害になるので、適宜汚染部品を洗浄して汚染物を除去する必要がある。

この汚染部品の洗浄方法として、通常、水素洗浄と燐酸洗浄が併行して行われている。
水素洗浄は、主としてウエハートレーに付着した汚染物を除去するもので、ウエハートレーを１０００℃以上の高温に保持しつつ半導体製造装置内に水素を通気して行う。１０００℃以上にするのは、汚染物と水素との反応生成物を揮発除去するためである。

燐酸洗浄は、ガス流路を構成するフローチャネル等に付着した汚染物を除去するもので、フローチャネル等の流路形成部品を半導体製造装置から取り外し、別の場所で、前記流路形成部品を加熱した燐酸に浸漬して洗浄するものである。

また、特開平６−１２４８９４号公報には、クリーニング室内に汚染部品を収め、ハロゲン系ガスとアルゴンとの洗浄ガスを導入し、クリーニング室内でプラズマを発生させて、汚染物を除去する洗浄方法が開示されている。
酸化ケイ素を主体とする汚染物の除去については、特開２０００２−１６４３３５号公報に開示がある。
特開２００２−１６４３３５号公報特開平６−１２４８９４号公報

しかしながら、水素洗浄ではウエハートレーを１０００℃以上の高温に保持するため、ウエハートレーが熱変形してしまう怖れがあった。一方、燐酸洗浄では有毒な燐酸蒸気下で洗浄することになるので作業者が危険であった。
また、ハロゲン系ガスとアルゴンとの洗浄ガスをプラズマ状態として洗浄する方法では、洗浄後の部品にハロゲン系物質が残留することがあり、この残留ハロゲン系物質が半導体製造装置部品を腐食させ、正常な半導体の製造を阻害する恐れがある。

よって、本発明における課題は、窒化物半導体を製造する際、半導体製造装置を構成する各種部品が上記汚染物で汚染された場合に、この汚染部品を部品の損傷、腐食を来すことなく、しかも作業者が安全に作業することができる洗浄方法および清浄装置を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、窒化物半導体製造装置内の、窒化物半導体であるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物で汚染された部品を、シリカ製の反応室において、塩素を窒素で希釈した混合ガスである第１の洗浄ガスと５００〜１０００℃で接触させて前記汚染物質を除去し、前記部品に残留している塩素系物質に対して、水素ガスと希釈ガスとの混合ガスである第２の洗浄ガスを５００〜１０００℃で接触させて反応させることで除去することを特徴とする窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法である。

前記第１の洗浄ガスの塩素系ガス濃度を５体積％以上とすることが好ましい。
請求項２にかかる発明は、前記第１の洗浄ガスとの接触と第２の洗浄ガスとの接触がバッチ処理方式にて行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法である。

請求項３にかかる発明は、前記第１の洗浄ガスとの接触と第２の洗浄ガスとの接触が通気処理方式にて行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法である。
請求項４にかかる発明は、前記第２の洗浄ガスと汚染された部品との接触が、５００〜１０００℃で行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法である。

請求項５にかかる発明は、第１洗浄ガス導入管と第２洗浄ガス導入管と排出ガス排出管とを有するシリカ製の反応室と、
この反応室内に収めた、窒化物半導体製造装置内の、窒化物半導体であるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物で汚染された洗浄対象部品を５００〜１０００℃の温度に保持できる加熱手段と、
第１洗浄ガス導入管に、前記洗浄対象部品と５００〜１０００℃で接触する塩素を窒素で希釈した混合ガスである第１の洗浄ガスを送り込む第１洗浄ガス供給源と、
第２洗浄ガス導入管に、前記洗浄対象部品に残留している塩素系物質と５００〜１０００℃で接触することで反応して除去する水素ガスと希釈ガスの混合ガスである第２の洗浄ガスを送り込む第２洗浄ガス供給源を備えたことを特徴とする窒化物半導体製造装置部品の洗浄装置である。

本発明方法によると、汚染された部品の汚染物は、第１の洗浄ガスに含まれる塩素系ガスと反応して反応生成物を生じ、該反応生成物は５００℃以上の温度で生成するので直ちに気化し、これにより汚染物が除去され、汚染された部品は清浄になる。その後、部品が第２の洗浄ガスと接触することで、部品に残留している塩素系物質が除去され、部品に塩素系物質が残ることがない。
また、従来の水素洗浄のように１０００℃以上の高温にする必要がないので、ウエハートレーなどの部品が熱変形せず、また、従来の燐酸洗浄のような有毒な環境下での洗浄ではないので作業者の安全が確保できる。
しかも、２種類の洗浄方法を使い分ける従来方法に比べ、本発明方法は一つの洗浄方法で洗浄できるメリットもある。

また、本発明装置によれば、反応室内の密閉された空間内において、第１および第２の洗浄ガスと汚染部品に接触させて洗浄するので、作業者は安全に洗浄作業を行なうことができる。

図１は、本発明の洗浄装置の一例を示すものである。
この例の洗浄装置は、汚染された部品を収納するシリカなどの耐熱性材料で作られた反応室１と、この反応室１内に第１の洗浄ガスを導入する第１洗浄ガス導入管２と、同じく反応室１内に第２の洗浄ガスを導入する第２洗浄ガス導入管３と、反応室１内で生じた排ガスを排出する排ガス排出管４と、反応室１内を５００℃〜１０００℃の温度に保持できる一対のヒーター５、５（加熱手段）と、このヒーター５、５の出力を調整して反応室１内に収められた汚染部品の温度を５００〜１０００℃の範囲で一定に保持する温度調整器６から構成され、反応室１の底部には洗浄対象となる汚染部品７を載置する台８が配置されている。

第１の洗浄ガスは、塩素、塩化水素などの塩素系ガスを充填した容器９と希釈ガスを充填した容器１０から供給され、適宜両ガスが流量調節弁１１，１１により混合されて第１の洗浄ガスとなりガス導入弁１６、１６を通り、第１洗浄ガス導入管２を介して反応室１内に導入されるようになっている。

第２の洗浄ガスは、水素、メタンなど水素系ガスを充填した容器１２と希釈ガスを充填した容器１３から供給され、適宜両ガスが流量調節弁１４，１４により混合されて第２の洗浄ガスとなりガス導入弁１６、１６を通り、第２洗浄ガス導入管３を介して反応室１内に導入されるようになっている。

また、排ガス排出管４は、排出弁１７を介して真空ポンプ１５に接続されており、これにより反応室１内を真空減圧状態とすることができるようになっている。さらに、真空ポンプ１５は、図示しない排ガス除害処理装置に接続されており、反応室１から排出される各種ガスが無害化されたのち、大気中に排出されるようになっている。
なお、ヒーター５は、発熱線、ランプ加熱など汚染部品を加熱可能なものなら何でも良く、個数も２つに限らず任意で良い。

次に、この洗浄装置を用いて汚染された部品を洗浄する方法について説明する。本発明の洗浄方法には、バッチ処理方式と通気処理方式とがあり、初めにバッチ処理方式によるものを説明する。
バッチ処理方式とは、後述のように、第１の洗浄ガスを反応室１内に封入状態として所定時間処理し、ついで反応室１内の気体をパージしたのち、第２の洗浄ガスを所定時間封入状態として反応を行うものである。
まず、半導体製造装置から汚染された部品７を取り外して反応室１の台８の上に載置した後、反応室１を密閉する。

次いで、ヒーター４を作動させて反応室１内の汚染部品を５００〜１０００℃の温度に加熱した後、真空ポンプ１７を作動させ、反応室１内を減圧状態にしたのち、排出弁１７を閉じ、ガス導入弁１６、１６を開いて第１洗浄ガス導入管２から第１の洗浄ガスを反応室１内に導入する。その後、ガス導入弁１６、１６を閉じ、第１の洗浄ガスを反応室１内に封入した状態とする。

この際の第１の洗浄ガスとしては、塩素系ガスを希釈ガスで希釈した混合ガスが用いられる。塩素系ガスとしては、Ｃｌ_２（塩素）、ＨＣｌ、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、ＳｉＨ_３Ｃｌ、ＢＣｌ_３、ＣＨＣｌ_３、ＣＨ_２Ｃｌ_２、ＣＨ_３Ｃｌ等の分子内に塩素を含む化合物の１種または２種以上の混合物が用いられるが、価格、反応性等を考慮すると塩素が特に好ましい。

希釈ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気などの塩素系ガスと反応しない任意のガスの１種または２種以上の混合ガスを用いることができる。第１の洗浄ガス中の塩素系ガス濃度は５体積％以上とされる。塩素系ガス濃度が５体積％未満でも汚染物は第１の洗浄ガス中の塩素系ガスと反応するが、反応速度が遅くなり実用性に乏しくなる。

一方、塩素系ガス濃度を高くしすぎると、部品自体が腐食する怖れがあるが、封入するガス量が少なくて済み、塩素系ガス濃度は高いほうが洗浄性能は高まるので、１００体積％が好ましい。

この時、汚染部品を５００℃以上の温度で接触させるのは、汚染物と第１の洗浄ガスとの反応によって生成された反応生成物を気化して排出するためである。５００℃未満の温度でも反応生成物を気化できるが、揮発速度が遅くなるので洗浄方法としては実用的でない。また、接触時の温度を１０００℃以下としたのは、汚染された部品の熱変形を防止する観点から定めたもので、１０００℃以上の温度でも熱変形を起こさない部品であれば１０００℃以上にしても良い。

第１の洗浄ガスの封入を所定時間継続すると、汚染部品に付着した汚染物は第１の洗浄ガスに含まれる塩素系ガスと反応し、反応物が生成されるが、この反応物は直ちに蒸発して揮発性の排ガスとなり、反応室１内を漂う。

その後、排出弁１７を開けて第１の洗浄ガスおよび排ガスを排ガス排出管４から排出した後、再び真空ポンプ１５を作動させて、反応室１内を減圧状態とし、排出弁１７を閉じる。ついで、ガス導入弁１６、１６を開けて、第２の洗浄ガスを第２洗浄ガス導入管３から反応室１内に導入し、封入する。

第２の洗浄ガスには、水素、メタン、エタンなどの分子内に水素を含む水素系ガスとこれを希釈するアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスからなる希釈ガスとの混合ガスが用いられる。水素系ガスとしては、反応性の点で水素が最も好ましい。

第２の洗浄ガス中の水素系ガスの濃度は、１０〜１００体積％とされ、１０体積％未満では部品に残留している塩素系ガスを十分に除去することができない。一方、水素系ガス濃度は高い方が洗浄性能は高まるので、１００体積％が好ましい。
第２の洗浄ガスと部品との接触温度は、５００〜１０００℃の範囲とされ、５００℃未満では、残留している塩素系物質の除去が不十分となり、１０００℃を越えると部品が熱変形を生じる。

この第２の洗浄ガスと部品との接触により、先の第１の洗浄ガスとの接触の際に部品に付着して残留している塩素系ガスに起因する塩素系物質が第２の洗浄ガス中の水素系ガスと反応し、塩化水素ガス等となって部品から除去され、この塩化水素ガス等は、反応室１内を漂う。その後、排出弁１７を開けて第２の洗浄ガスおよび塩化水素ガス等を排ガス排出管４から排出する。ついで、反応室１内に窒素等を導入して部品を室温まで冷却する。

次に、本発明の通気処理方式による洗浄方法を説明する。
この通気処理方法とは、反応室１内に、第１の洗浄ガスを所定時間流し続け、ついで第２の洗浄ガスを所定時間流し続ける方法である。この方式で用いられる第１および第２の洗浄ガスは、先のバッチ処理方式のものと同じであり、反応温度、反応時間も原則同様でよい。

まず、汚染部品７を反応室１の台８に載せ、反応室１を密閉する。ついで、真空ポンプ１５を作動させて反応室１内の気体をパージする。こののち、ヒーター５、５を作動させて、反応室１内の汚染部品７の温度を５００〜１０００℃とし、第１洗浄ガス導入管２から第１の洗浄ガスを反応室１内に所定の流量で所定時間流し続ける。

この第１の洗浄ガスの導入により、部品７に付着している汚染物は、第１の洗浄ガスに含まれる塩素系ガスと反応し、揮発性の排ガスとなって部品７から離脱し、この排ガスは、第１の洗浄ガスに同伴されて、反応室１から排ガス排出管４を経て系外に排出される。

第１の洗浄ガスを所定時間流したのち、第１の洗浄ガスの導入を停止し、これと同時に第２の洗浄ガスを第２洗浄ガス導入管３から反応室１内に流し始める。この際の部品の温度は、５００〜１０００℃とされる。
第２の洗浄ガスを所定時間流したのち、第２の洗浄ガスの導入を停止する。

第２の洗浄ガスの導入により、部品に付着している塩素系物質が水素系ガス中の水素と反応し、塩化水素ガス等となって部品から離脱し、このガスは、排ガス排出管４から排出される。ついで、反応室１内に窒素等を導入して部品７を室温まで冷却する。

このように、本発明の洗浄方法では、第１の洗浄ガスの導入により部品に付着しているＧａＮなどの窒化物半導体からなる汚染物が除去され、第２の洗浄ガスの導入により部品に付着して残留している塩素系物質が除去されることになる。
このため、部品には、塩素系物質が残ることがなくなり、この塩素系物質によって部品が腐食することもなくなる。
さらに、この塩素系物質が部品から飛散し、窒化物半導体の成膜時の膜中に混入することもなく、良質の窒化物半導体膜を得ることもできる。

また、本発明の洗浄方法では、半導体製造装置自体に上記第１および第２の洗浄ガスを導入しても良いが、装置自体の損傷が生じないようにする必要がある。

以下具体例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
洗浄装置として、図１に記載の構成のものを使用した。
反応室として、内寸法で直径３０ｃｍ、横１００ｃｍの円筒型のものを用い、第１の洗浄ガスと第２の洗浄ガスを導入した。模擬サンプルとして、サファイア基板上に膜厚が既知の窒化ガリウム、窒化ガリウムアルミニウムの結晶を成膜したものを用いた。

（例１、バッチ処理方式）
膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を成膜したサファイア基板を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、窒素の導入を停止して、反応室１内を減圧状態としてから、塩素７０リットルを封入して０．５時間の処理を行った。その後、封入ガスを排出して窒素４２ｓｌｍを流し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

ついで、このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で測定したところ、１．５ａｔｏｍｉｃ％であった。
さらに、このサファイア基板を反応室内に戻し、封入ガスを水素７０リットルとして０．５時間、温度８００℃で反応させたのち、室温に冷却した。
このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度を同様にして測定したところ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下（Ｎ．Ｄ．）であった。

（例２、バッチ処理方式）
膜厚１．０μｍのＡｌＧａＮ結晶を成膜したサファイア基板を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、窒素の導入を停止し、反応室内を減圧状態としてから塩化水素７０リットルを封入して０．５時間の処理を行った。その後、封入ガスを排出してから窒素４２ｓｌｍを流し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＡｌＧａＮ膜厚を測定した結果、ＡｌＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

ついで、このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で測定したところ、０．８０ａｔｏｍｉｃ％であった。
さらに、このサファイア基板を反応室内に戻し、封入ガスを水素ガス７０リットルとして０．５時間、温度８００℃で反応させたのち、室温に冷却した。
このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度を同様にして測定したところ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下（Ｎ．Ｄ．）であった。

（例３、通気処理方式）
膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を成膜したサファイア基板を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が８００℃に到達した後、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋塩素２１ｓｌｍ（塩素系ガス濃度５０体積％）として、０．５時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍとし、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、ＳＥＭにより処理前後のＧａＮ膜厚を測定した結果、ＧａＮ膜は全て除去されており、サファイア基板のみが残った。

ついで、このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で測定したところ、１．４ａｔｏｍｉｃ％であった。
さらに、このサファイア基板を反応室内に戻し、導入ガスを窒素２１ｓｌｍ＋水素２１ｓｌｍ（水素系ガス濃度５０体積％）として０．５時間、温度８００℃で流したのち、室温に冷却した。
このサファイア基板表面に残留している塩素原子濃度を同様にして測定したところ、０．１ａｔｏｍｉｃ％以下（Ｎ．Ｄ．）であった。

（従来例１）
サファイア基板上に成膜した膜厚３．０μｍのＧａＮ結晶を反応室内に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が９００℃に到達した後、導入ガスを水素４２ｓｌｍとして１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応室内温度が室温となるまで冷却した。
サファイア基板を取り出し、処理後のＧａＮ膜厚をＳＥＭで測定した結果、膜厚は３．０μｍであり、ＧａＮの除去はできなかった。

（従来例２）
ＧａＮ結晶を成膜した直径５ｃｍの石英ガラスを反応室に設置し、窒素４２ｓｌｍを供給しながら昇温した。反応室内温度が１０００℃に達した後、導入ガスを水素４２ｓｌｍとして、１．０時間の処理を行った。その後、導入ガスを窒素４２ｓｌｍに戻し、反応炉内温度が室温となるまで冷却した。この処理を３０回おこなったのち、石英ガラスの反りを測定した結果、１５０ミクロンの反りが観察された。

上記バッチ処理方式での例１と通気処理方式での例３を比較すると、塩素の使用量が、例１では７０リットルであるのに対して、例３では２１ｓｌｍ×３０分＝６３０リットルとなり、バッチ処理方式では、塩素ガスの使用量を通気処理方式のものの１／９に抑えることが可能である。

本発明の洗浄装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・反応室、２・・第１洗浄ガス導入管、３・・第２洗浄ガス導入管３、４・・排出ガス排出管、５・・ヒータ、９・・容器、１０・・容器、１１・・流量調節弁

Claims

窒化物半導体製造装置内の、窒化物半導体であるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物で汚染された部品を、シリカ製の反応室において、塩素を窒素で希釈した混合ガスである第１の洗浄ガスと５００〜１０００℃で接触させて前記汚染物質を除去し、
前記部品に残留している塩素系物質に対して、水素ガスと希釈ガスとの混合ガスである第２の洗浄ガスを５００〜１０００℃で接触させて反応させることで除去することを特徴とする窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法。
前記第１の洗浄ガスとの接触と第２の洗浄ガスとの接触がバッチ処理方式にて行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法。
前記第１の洗浄ガスとの接触と第２の洗浄ガスとの接触が通気処理方式にて行われることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法。
前記第２の洗浄ガスと汚染された部品との接触が、５００〜１０００℃で行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体製造装置部品の洗浄方法。
第１洗浄ガス導入管と第２洗浄ガス導入管と排出ガス排出管とを有するシリカ製の反応室と、
この反応室内に収めた、窒化物半導体製造装置内の、窒化物半導体であるＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる汚染物で汚染された洗浄対象部品を５００〜１０００℃の温度に保持できる加熱手段と、
第１洗浄ガス導入管に、前記洗浄対象部品と５００〜１０００℃で接触する塩素を窒素で希釈した混合ガスである第１の洗浄ガスを送り込む第１洗浄ガス供給源と、
第２洗浄ガス導入管に、前記洗浄対象部品に残留している塩素系物質と５００〜１０００℃で接触することで反応して除去する水素ガスと希釈ガスの混合ガスである第２の洗浄ガスを送り込む第２洗浄ガス供給源を備えたことを特徴とする窒化物半導体製造装置部品の洗浄装置。