JP2007266439A - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室内に配置され、温度制御に使用される温度検出手段の着脱を行った場合でも、安定した処理均一性を確保することができる基板処理装置および基板処理方法を提供する。
【解決手段】処理室内の温度を検出する熱電対８ａ〜８ｄを収容する保護管８５に位置規制手段を設ける。また、保護管８５は、位置合わせ手段２１を用いて、処理室に対する保護管８５の軸周りの取り付け方向が常に同一方向となるように固定される。これにより、保護管８５内での熱電対８ａ〜８ｄの位置変動量が縮小され、熱電対８ａ〜８ｄを処理室内に再現性よく配置することができる。上記位置規制手段は、例えば、保護管８５内部を軸方向に沿って複数の空間に区分する仕切板９１により構成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は処理室内に設置された半導体基板等の基板を、所定温度下で処理する基板処理装置および基板処理方法に関する。

半導体装置の製造工程では、酸化工程、成膜工程、拡散工程等において、加熱雰囲気下で半導体基板の処理を行う基板処理装置が使用されている。この種の装置として、複数枚の基板を収容し、同時に処理する処理炉を装備した基板処理装置がある。処理炉は、石英チューブ等からなる処理室と、当該石英チューブを加熱するヒータを備える。処理室内の温度は温度検出手段により計測される。温度検出手段が検出した基板近傍の温度に基づいて、例えば、処理室内に均一な温度分布が形成されるようにヒータの発熱量が制御される（例えば、特許文献１等参照）。

このような、処理室内の温度を制御する方法として、内部温度制御法、外部温度制御法、および、加重平均温度制御法等が一般に使用されている。内部温度制御法は、処理室内に挿入した熱電対（以下、内部熱電対という。）により検出された温度に基づいて、処理室内の温度が設定温度と一致するようにヒータの発熱量を調整する。外部温度制御法は、ヒータに取り付けた熱電対（以下、外部熱電対という。）により検出された温度に基づいて、処理室内の温度が設定温度と一致するようにヒータの発熱量を調整する。外部温度制御法の場合、基板処理に先立って校正データが取得される。すなわち、処理室内に校正用の熱電対（プロファイル熱電対）が挿入され、外部熱電対で検出された温度と処理室内の温度との関係が取得される。このプロファイル熱電対には、上記内部熱電対が使用されることもある。加重平均温度制御法は、内部熱電対により検出された温度と外部熱電対により検出された温度との加重平均値が設定温度と一致するようにヒータの発熱量を調整する。ここで、加重平均値は、以下の式（１）により取得される。なお、式（１）中のαは、０＜α＜１を満足する任意の定数である。
（内部熱電対測定値×α）＋｛外部熱電対測定値×（１−α）｝ ・・・式（１）
いずれの制御方法においても、基板の処理ばらつきを低減するために、処理室内の温度を設定温度に正確に測定することが求められている。

図２３は、上述の基板処理装置の１種である減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を示す概略構成図である。図２３に例示する減圧ＣＶＤ装置は、下端が開放された鉛直軸心を有する円筒鐘形のアウターチューブ２を備える。アウターチューブ２は石英等からなり、アウターチューブ２の外周には互いに独立して制御可能な複数個の環状のヒータ１が垂直方向に沿って配置されている。図２３の例では、上方側から順にヒータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの４個が配置されている。

アウターチューブ２の下端は、半導体基板４が載置されるボート６とともに昇降するキャップ１２により気密封止されている。キャップ１２、アウターチューブ２により気密された空間が反応室（処理室）を構成している。

アウターチューブ２の下部側面には、排気管１３が接続されている。排気管１３はバルブ９を介して真空ポンプ１０に連結されている。アウターチューブ２内には、鉛直軸心を有する円筒状のインナーチューブ３が配設されている。インナーチューブ３の下部側面には、アウターチューブ２の側面を通じてガス導入管５が接続されている。ガス導入管５よりインナーチューブ３内に導入された原料ガスは、インナーチューブ３の上端からアウターチューブ２とインナーチューブ３との間の空間を経由して排気管１３に排出される。処理対象の半導体基板４は水平を保った状態で鉛直方向に一定の間隔でボート６に載置される。ボート６はキャップ１２に支持された状態で、インナーチューブ３内に収納される。

各ヒータ１ａ〜１ｄには、外部熱電対７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）が配設されている。ここでは、各ヒータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの温度が、対応する外部熱電対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄによりそれぞれ直接検出される。また、インナーチューブ３内には、外部熱電対７に対応する内部熱電対８がキャップ１２に立設されている。内部熱電対１８は熱電対８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを備えている。各熱電対８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、各外部熱電対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの取り付け高さと略同一高さにおけるに温度を測定する。各外部熱電対７ａ〜７ｄ、および各熱電対８ａ〜８ｄの出力信号は、温度検出器１１において温度に変換される。

図２４は、図２３の内部熱電対８を拡大して示す縦断面図である。また図２５は、図２４に示す線Ｘ−Ｘにおける横断面図である。各熱電対８ａ〜８ｄは、ボート６等が接触して切断等が発生することを防止するため、石英等からなる円筒状の保護管８５の内部に配置されている。各熱電対８ａ〜８ｄは、それぞれ絶縁物で被覆されており、反応室内で異なる位置（高さ）での温度測定が可能となるように互いに異なる長さに形成されている。各熱電対８ａ〜８ｄ先端の測温部８１ａ〜８１ｄは、それぞれ各外部熱電対７ａ〜７ｄと対向する位置に配置される。

半導体基板４はボート６に載置された状態でヒータ１により所定温度に加熱されたインナーチューブ３内に挿入され、アウターチューブ２が密閉される。アウターチューブ２の密閉が完了すると、真空ポンプ１０によりアウターチューブ２内の圧力が減圧される。このとき、ヒータ１の加熱によりアウターチューブ２内は一定温度に保持される。反応室の温度は、例えば上述の外部温度制御法により、アウターチューブ２内が所定温度となるようにヒータ１の発熱量が調整される。すなわち、反応室内に挿入した内部熱電対８により予め取得した校正データ（外部熱電対で検出された温度と反応室内の温度との関係）に基づいて各外部熱電対７ａ〜７ｄの検出温度が所定温度となるように、各ヒータ１ａ〜１ｄの発熱量が調整される。その状態でインナーチューブ３内にガス導入管５から原料ガスを導入することにより、半導体基板４上に原料ガスに応じた膜が堆積される。
特開２００３−７７８４３号公報

従来の内部熱電対８では、図２４および図２５に示したように、保護管８５内の各熱電対８ａ〜８ｄは、水平面内で互いに異なる位置にある。このため、反応室の洗浄、あるいは、熱電対の定期校正や交換等の装置メンテナンスの際に、内部熱電対８を一旦取り外して、再度反応室内に組み戻す場合、メンテナンスの前後で各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄが完全に同一の位置に配置されるとは限らない。すなわち、反応室に対する保護管８５の取り付け方により、熱電対８ａの水平位置は、図２６に示すように、外部熱電対７ａから最も離れた位置Ａと、最も近づいた位置Ｂとの間ｄ₁内で変動する。

また、内部熱電対８を交換する場合、当然、同一構造を有する内部熱電対８に交換される。しかしながら、従来構造の内部熱電対８では、各熱電対８ａ〜８ｄは、保護管８５内で自身の剛性のみで起立しているため、保護管８５内での各熱電対８ａ〜８ｄの相対的な位置関係が異なるという個体差が生じやすい。このため、内部熱電対８の交換前と交換後とで、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄが完全に同一の位置に配置されるとは限らない。

例えば、径が１０ｍｍ程度の石英管により保護管８５が構成されている場合、各熱電対８ａ〜８ｄは、上述の理由により最大８ｍｍ程度の水平方向への位置ズレを生じ得る。減圧ＣＶＤ装置において成膜が行われるとき、処理内は放射平衡状態にあり、概ね均一な温度分布になっている。しかしながら、ヒータ１がアウターチューブ２の外周に設置されているため、厳密には反応室の中心部と外縁部とでは僅かながら温度に違いが生じている。このため、メンテナンス前後でインナーチューブ３の中心から各熱電対８ａ〜８ｄまでの距離が変動した場合、同一の温度分布を計測した場合であっても、各熱電対８ａ〜８ｄが測定する温度が異なってしまう。したがって、メンテナンス前後で各熱電対８ａ〜８ｄにより測定された温度に基づいて同一の設定温度および同一の成膜時間で成膜した場合、異なる膜厚の膜が形成されてしまう。

最近の半導体装置の製造工程では、化学的機械研磨工程における高精度の平坦化や、フォトリソグラフィ工程における浅い焦点深度等に対応するため、半導体基板上に形成する膜の膜厚を高精度に管理することが必要となっている。このため、内部熱電対８を着脱するメンテナンスを行った後には、メンテナンス前と同等の膜厚分布が得られるように、各ヒータ１ａ〜１ｄの発熱量（設定温度）を微調整する成膜テストが複数回にわたって実施されている。このような、成膜テストは多大な時間を必要とするため、装置の稼働時間が低下するという問題が生じている。一方、各ヒータ１ａ〜１ｄの発熱量の微調整を実施しない場合には、膜厚ばらつきが発生したときに、温度分布の変化により成膜レートが変化したのか、他の要因で成膜レートが変化したのかを区別できず、工程が管理できない。また、膜厚ばらつきにより、半導体装置の製造歩留まりが低下するという問題も生じる。

本発明は上記従来の問題点を鑑みて提案されたものであって、処理室内に配置され、温度制御に使用される温度検出手段の着脱を行った場合でも、安定した処理均一性を確保することができる基板処理装置および基板処理方法を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために本発明は以下の手段を採用している。まず、本発明は、内部に設置された基板を所定温度で処理する処理室と、前記処理室内の温度を検出する手段とを備えた基板処理装置を前提としている。そして、本発明に係る基板処理装置は、上記温度検出手段が、処理室に着脱可能に設けられた管状容器を備える。管状容器内には、管状容器の軸方向に沿って、管状容器内の互いに異なる位置に複数の測温素子が配置される。また、上記管状容器内には、上記各測温素子の測温部の位置を規制する手段が設けられる。

本構成によれば、各測温素子の測温部の位置が管状容器内で規制されているため、温度測定手段を着脱した場合でも、各測温素子の測温部を処理室内に再現性よく配置することができる。このため、処理室内の温度を再現性よく測定することができ、温度測定手段を処理室から一旦分離し、その後に再装着した場合であっても、その着脱の前後で調整を行うことなしに、同様の基板処理結果を安定して得ることができる。上記温度検出手段は、処理室に対する上記管状容器の軸周りの向きを、特定方向に位置合わせする手段をさらに備えることが好ましい。

上記位置規制手段は、例えば、上記管状容器の内部を、軸方向に沿った複数の空間に区分する仕切板により構成することができる。この場合、測温素子は各空間に配置される。このとき、各空間にそれぞれ１つの測温素子を配置してもよい。この構成では、測温素子の測温部の位置変動量は上記各空間内に制限される。

また、上記位置規制手段は、上記管状容器の軸方向に沿った複数の貫通孔を有する支持部材、または上記管状容器の軸方向に沿った複数の貫通孔を有する複数の板状体により構成することもできる。この場合、測温素子は各貫通孔を通じて管状容器内に配置される。この構成では、測温素子の測温部の位置変動量は貫通孔により貫通孔内に制限される。

さらに、上記位置規制手段は、上記管状容器の軸方向に沿って配置された複数の管状体により構成することができる。各管状体には、それぞれ１つの測温素子が収納される。この構成では、測温素子の位置変動量は管状体内に制限される。

加えて、上記位置規制手段は、上記管状容器の軸方向に沿って配置された柱状部材と、当該柱状部材と上記複数の測温素子とを束ねる手段とにより構成することも可能である。この場合、各測温素子は、少なくとも上記測温部あるいはその近傍が上記柱状部材に当接する状態で束ねられた状態で管状容器内に配置される。

なお、上記処理室が管状である場合、上記管状容器は処理室の軸方向に沿って配置することができる。以上のような基板処理装置を用いて基板を処理することで、基板処理を再現性よく実施することができる。

本発明によれば、処理室内に測温素子を再現性よく配置することができるため、処理室内の温度を再現性よく測定することができる。このため、処理室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。

また、本発明によれば、異なる温度測定手段間で、測温素子の配置ばらつきを最小限にとどめることができる。このため、温度測定手段を交換した場合であっても、処理室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、減圧ＣＶＤ装置として本発明を具体化している。

図１は本実施形態における減圧ＣＶＤ装置の概略構成図である。本発明が適用される減圧ＣＶＤ装置は、図２３に示した従来の減圧ＣＶＤ装置と基本的な構造は同一である。すなわち、処理室（以下、反応室という。）が、下端が開放された鉛直軸心を有する円筒状鐘形のアウターチューブ２と、半導体基板４が載置されるボート６とともに昇降するキャップ１２により気密された空間として構成される。アウターチューブ２は石英等からなり、アウターチューブ２の外周には互いに独立して温度制御、あるいは発熱量制御が可能な複数個の環状のヒータ１が垂直方向に沿って配置される。図１の例では、上方側から順にヒータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの４個が配置されている。

アウターチューブ２内には、石英等からなる鉛直軸心を有する円筒状インナーチューブ３が配設されている。なお、インナーチューブ３は、その軸心がアウターチューブ２の軸心と一致する状態に配置されている。インナーチューブ３の下部側面には、アウターチューブ２の側面を通じてガス導入管５が接続されている。ガス導入管５よりインナーチューブ３内に導入された原料ガスは、インナーチューブ３の上端からアウターチューブ２とインナーチューブ３との間の空間を経由してアウターチューブ２の下部側面の排気管１３から、バルブ９、真空ポンプ１０を通じて排出される。処理対象の半導体基板４は水平を保った状態で鉛直方向に一定の間隔でボート６に載置される。ボート６は石英等からなり、キャップ１２に支持された状態で、インナーチューブ３内に収納される。

各ヒータ１ａ〜１ｄの温度は、各ヒータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにそれぞれ配設された外部熱電対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄにより検出される。また、インナーチューブ３内には、外部熱電対７に対応する内部熱電対１８がキャップ１２を通じて挿入されている。内部熱電対１８は４本の熱電対８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを備えている。各熱電対８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、各外部熱電対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの取り付け高さと略同一高さにおけるに温度を測定する。外部熱電対７ａ〜７ｄ、および熱電対８ａ〜８ｄの出力信号は、温度検出器１１に入力され温度に変換される。当該温度は、図示しないヒータコントローラに入力され、当該温度に基づいてヒータ出力が上述の内部温度制御法、外部温度制御法、あるいは加重平均温度制御法等により調整される。なお、内部熱電対１８は、キャップ１２に対して着脱可能に設けられている。本実施形態では、内部熱電対１８は、キャップ１２に設けた図示しない貫通孔に所定長さ挿入された状態でキャップ１２に固定されている。

図２は、図１の内部熱電対１８の縦断面図である。また図３は、図２に示す線Ｙ１−Ｙ１における横断面図である。従来の内部熱電対８と同様に、各熱電対８ａ〜８ｄは、ボート６等が接触して切断等が発生することを防止するため、石英等からなる円筒状の保護管８５（管状容器）の内部に配置されている。本実施形態では、保護管８５は、各熱電対の水平方向の位置を規制する位置規制手段として、その内部を軸方向に沿った複数の空間に区分する仕切板９１を備える。ここでは、仕切板９１は、保護管８５の内部を４つの空間に区分している。各空間には絶縁物で被覆された熱電対８ａ〜８ｄが１本ずつ収容されている。仕切板９１は、保護管８５の内面に固定可能であり、かつ成膜時の反応室内温度により変質することのない材質であれば任意の材質を使用することができる。例えば、仕切板９１は石英で構成することができる。

仕切板９１は保護管８５の一端から他端まで連続して設けられている。したがって、各熱電対８ａ〜８ｄの収納スペースは、仕切板９１を備えない従来の内部熱電対８と比較して狭くなっている。このため、各熱電対８ａ〜８ｄ先端の測温部８１ａ〜８１ｄは、図４に示すように、仕切板９１によって水平方向にほとんど位置が変動せず、ほぼ固定される。例えば、径が１０ｍｍ程度の石英管により保護管８５が構成されている場合、各熱電対８ａ〜８ｄの水平方向の位置変動量ｄ₂は２ｍｍ程度になる。なお、各熱電対８ａ〜８ｄは互いに異なる長さに形成され、各熱電対の測温部８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄは、それぞれ各外部熱電対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと対向する位置に配置される。また、各熱電対８ａ〜８ｄは保護管８５の同一端から引き出され、直接あるいは補償導線を介して、温度検出器１１に接続されている。

また、内部熱電対１８は、反応室に対する保護管８５の軸周りの方向を位置合わせする固定位置目印２１（位置合わせ手段）を備えている（図１参照）。このため、仕切板９１で区分された空間に挿入する熱電対８ａ〜８ｄの相対的な位置関係を固定することができる。また、固定位置目印２１を熱電対８ａ〜８ｄの保護管８５内の配置に応じた方向に一致させて内部熱電対１８をキャップ１２に固定することにより、アウターチューブ２（インナーチューブ３）の中心およびヒータ１に対して常に同一の位置関係で熱電対８ａ〜８ｄを反応室に取り付けることができる。固定位置目印２１は、例えば、内部熱電対１８をキャップ１２に固定したときに、キャップ１２よりも下方に露出する保護管８５の外側面に設けることができる。本実施形態では、図２に示すように、熱電対８ｃが収納される空間に対応する保護管８５の外側面に保護管８５の軸心に沿った直線状の固定位置目印２１を設けている。当該固定位置目印２１により、内部熱電対１８は、熱電対８ａが反応室の中心側に位置する状態でキャップ１２に固定されている。

上記構成の減圧ＣＶＤ装置において、半導体基板４はボート６に載置された状態でヒータ１により所定温度に加熱された反応室（インナーチューブ３）内に挿入され、アウターチューブ２が密閉される。アウターチューブ２の密閉が完了すると、真空ポンプ１０によりアウターチューブ２内の圧力が減圧される。このとき、ヒータ１の加熱により反応室内は一定温度に保持される。反応室の温度は、例えば上述の内部温度制御法、外部温度制御法、あるいは、加重平均温度制御法により、アウターチューブ２内が所定温度となるようにヒータ１の出力が制御される。ここでいう制御とはヒータパワーを上下させることである。その状態でインナーチューブ３内にガス導入管５から原料ガスを導入することにより、半導体基板４上に原料ガスに応じた膜が堆積される。

上述のように、本実施形態では、各熱電対８ａ〜８ｄが仕切板９１に区分された比較的狭い領域に挿入されているため、保護管８５内での各熱電対８ａ〜８ｄの相対的な位置関係の変動が従来に比べて小さい。また、固定位置目印２１を備えているため、メンテナンス等により内部熱電対１８を一旦取り外し、その後に再装着する場合に、減圧ＣＶＤ装置に対して保護管８５の軸周りの方向を毎回同一となるように取り付けることができる。このため、熱電対８ａ〜８ｄを、常に、反応室内の同一位置に配置することができる。以上のことにより、内部熱電対１８（あるいは、プロファイル熱電対）により反応室内の温度を再現性よく取得することができ、再現性のよい基板処理結果を安定して得ることができる。

図５は、上述の従来構造の３つの内部熱電対を順に減圧ＣＶＤ装置に取り付け、内部温度制御法により温度制御を行った場合の反応室内の温度分布を示す図である。なお、図５において、横軸はインナーチューブ３の直径方向に沿った位置に対応し、縦軸は設定温度と現実の温度との差分を示している。各曲線４１、４２、４３は、それぞれ異なる内部熱電対を装着したときの温度分布を示している。各曲線４１、４２、４３を取得する際の、設定温度は全て同一である。各データを取得した減圧ＣＶＤ装置は、曲線４１に対応する内部熱電対８を装着した状態で、半導体基板が所望の設定温度となるようにヒータ１の校正がなされているため、曲線４１は設定温度に近い温度分布になっている。

図５に示すように、インナーチューブ３の直径方向の温度分布、すなわち、反応室内の水平方向における温度分布は、中央部ではほぼ均一である。また、周縁部では温度変化が大きくヒータ１に近づくにつれて温度は上昇する。また、従来構造の内部熱電対８では、その個体差により、反応室中央部の温度が０．５度程度変化していることが理解できる。これは、内部熱電対８が反応室の外縁部に配置されていることに加え、従来構造の内部熱電対８では、保護管８５内での各熱電対８ａ〜８ｄの位置が確定できないことと、内部熱電対８を減圧ＣＶＤ装置に装着する際に、反応室に対する保護管８５の軸回りの方向を確定できないことに起因する。すなわち、反応室内で温度測定位置が、温度分布の変動が比較的大きい位置において水平方向に変動するのである。このため、内部熱電対のみを交換し、そのままの状態で反応室内が設定温度になるようにヒータパワーを制御した曲線４２、４３は、各熱電対８ａ〜８ｄの温度測定位置が変動しているため、反応室中央部の温度が曲線４１と異なってしまう。

以上のような内部熱電対の個体差による温度分布の変動は、反応室内の水平方向だけでなく垂直方向にも発生する。図６（ａ）は、従来構造の２つの内部熱電対を順に減圧ＣＶＤ装置に取り付けて内部温度制御法により温度制御を行った場合の、異なる垂直方向の位置における反応室内の温度分布を示す図である。図６（ａ）において、縦軸は、反応室内の垂直方向の位置（チューブ内面間位置）に対応する。すなわち、位置Ｔはインナーチューブ３の上部、位置Ｃはインナーチューブ３の中央部、位置Ｂはインナーチューブ３の下部を示している。また、縦軸に沿って、垂直方向の各位置における反応室内の水平方向の温度分布を示している。一方、図６（ｂ）は、反応室中央部の垂直方向の温度分布を示す図である。図６（ｂ）において、縦軸が温度に対応し、横軸がチューブ面間位置に対応する。なお、図６（ａ）、図６（ｂ）では、当該データを取得した減圧ＣＶＤ装置は、実線で示す曲線に対応する内部熱電対８を装着した状態で、設定温度が得られるようにヒータ１の校正がなされている。このため、図６（ｂ）に曲線５１として示すように、反応室中央部の垂直方向の温度分布は、ほぼ均一になっている。

図６（ａ）に示すように、従来構造の内部熱電対８では、その交換により、保護管８５内で熱電対８ａ〜８ｄの温度測定位置が変動するため、反応室の垂直方向の各位置で、図５に示した温度分布の変化が生じる。このため、内部熱電対のみを交換し、校正を行うことなく同一の設定温度でヒータパワーを制御すると、反応室中央部の垂直方向の温度分布は、図６（ｂ）に曲線５２として示すように、温度の変化が大きくなる。このような状態では同一バッチ内の半導体基板４間で堆積膜の膜厚ばらつきが発生してしまう。

これに対し、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置の反応室内の水平方向の温度分布を図７に示す。各曲線６１、６２は、異なる内部熱電対１８を装着したときの温度分布を示している。図７に示すように、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置では、４本の熱電対８ａ〜８ｄの設置位置が、反応室の中心位置に対して固定できるため、反応室中央部の温度変動を０．１℃程度に抑制できていることが理解できる。したがって、反応室の垂直方向の温度分布もほとんど変動しない。このように、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置では、内部熱電対のみを交換し、そのままの状態で反応室内が設定温度になるようにヒータパワーを制御した場合であっても、反応室内の温度分布を再現することができる。

上記では、反応室内を一定温度に保持する定常状態における効果について説明したが、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置では、反応室内を所定温度に変化させる過渡的な状態においても同様の効果を得ることができる。一般に、加熱雰囲気下で基板の処理を行う基板処理装置では、半導体基板を反応室内に挿入した後、所定の基板処理温度まで昇温し、基板処理後、処理温度と室温の中間温度まで下降させる。減圧ＣＶＤ装置では、温度が定常状態になった後、膜の堆積が開始される。このため、定常状態で均一な温度分布が得られればよい。しかしながら、加熱雰囲気下で半導体基板に不純物の拡散させる基板処理装置では、上記過渡的状態の温度分布も半導体装置の特性を変動させる要因となるため、温度分布を再現性よく形成できることが要求される。

図８は、図１に示した減圧ＣＤＶ装置において、昇温中の反応室内の水平方向の温度分布を示す図である。また、図９は、降温中の反応室内の水平方向の温度分布を示す図である。図８および図９において、縦軸は特定の基準温度と、実際の反応室内の温度との差分に対応し、横軸は反応室内の水平方向の位置に対応する。図８に示すように、昇温時はヒータ１が加熱を行うため、ヒータ１に近い外縁部も温度が中央部の温度に比べて高くなる。また、図９に示すように、降温時は反応室の外縁部周辺から冷却されるため、外縁部の温度が中央部の温度に比べて低くなる。

図８および図９において、実線で示す曲線７１、８１は、上記仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用して反応室内の温度が定常状態になったときに設定温度となるように校正を行った後、反応室内の温度を昇降温した場合の温度分布である。また、破線で示す曲線７２、８２は、内部熱電対１８のみを従来構造の内部熱電対８に交換し、同一の条件で反応室内の温度を昇降温した場合の温度分布である。また、点線で示す曲線７３、８３は、内部熱電対１８のみを、同一構造を有する他の内部熱電対１８に交換し、同一の条件で反応室内の温度を昇降温した場合の温度分布である。図８、図９より、仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用することで、昇温中、あるいは降温中のような過渡的な状況下でも、従来に比べて熱電対を交換した場合の反応室内の温度変動幅が小さくなることが理解できる。

さらに、図１０は、一定期間（あるいは、一定の処理時間）減圧ＣＶＤ装置を使用した後に、内部熱電対を交換し、校正を行うことなくＣＶＤ装置で成膜処理を続けた場合のシリコン窒化膜の成膜レート変動を示す図である。図１０において、縦軸は成膜レートに対応し、横軸は成膜回数に相当する。図１０より、内部熱電対を交換するごとに成膜レートが不連続に変化することが理解できる。しかしながら、図中に白四角で示す従来構造の内部熱電対８を使用した場合より、図中に黒丸で示す仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用した場合の方が不連続部における変動幅が小さいことが理解できる。すなわち、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置によれば、内部熱電対１８を交換した後に同一の条件で成膜を行った場合、成膜レートを再現することができ、膜均一性を確保することができる。具体的には、図１０において、従来の減圧ＣＶＤ装置により成膜されたシリコン窒化膜の膜厚均一性が±６．５％であるのに対し、本実施形態の減圧ＣＶＤ装置により成膜されたシリコン窒化膜の膜厚均一性は±３．０％である。

以上説明したように、本実施形態によれば、反応室内に熱電対を再現性よく配置することができるため、反応室内の温度を再現性よく測定することができる。このため、当該熱電対を使用して温度制御を行うことにより、反応室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。また、異なる内部熱電対間で、熱電対の配置ばらつきを最小限にとどめることができる。このため、内部熱電対を交換した場合であっても、処理室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。

ところで、上記では、保護管８５内に仕切板９１を設けることで、熱電対８ａ〜８ｄの位置を規制した。しかしながら、熱電対の位置規制手段は、仕切板９１に限定されるものではなく、他の構成によっても実現可能である。図１１は、他の構成を有する位置規制手段を備えた内部熱電対２８を示す縦断面図である。また、図１２は図１１に示す線Ｙ２−Ｙ２における横断面図であり、図１３は図１１に示す線Ｙ３−Ｙ３における横断面図である。

図１１〜図１３に示す事例では、位置規制手段が、保護管８５の軸方向に沿った複数（ここでは４個）の貫通孔９３を有する支持部材９２により構成されている。熱電対８ａ〜８ｄは、各貫通孔９３を通じて、外部熱電対７ａ〜７ｄと対向する位置に配置される。すなわち、各貫通孔９３は、保護管８５の下端から、配置されるべき熱電対の先端あるいは先端付近の長さにわたって形成されている。図１１の例では、各熱電対８ａ〜８ｄの先端である測温部８１ａ〜８１ｄが保護管５１内に露出し、各熱電対８ａ〜８ｄの他の部分は支持部材９２の貫通孔９３内に配置されている。なお、支持部材９２は、保護管８５の内面に固定可能であり、かつ成膜時の反応室内温度により変質することのない材質であれば任意の材質を使用することができる。例えば、碍子や石英等を使用することができる。他の構成は上述の内部熱電対１８と同様である。

この構成では、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄの位置変動量は貫通孔９３内に制限される。したがって、本構成の内部熱電対２８を使用した場合にも、仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用した場合と同様の効果を得ることができる。

また、上記支持部材９２は一体で形成される必要はなく、貫通孔を備えた複数の板状体により構成することもできる。図１４は、複数の板状体により構成された位置規制手段を備えた内部熱電対３８を示す縦断面図である。また、図１５は図１４に示す線Ｙ４−Ｙ４における横断面図であり、図１６は図１４に示す線Ｙ５−Ｙ５における横断面図である。

図１４〜図１６に示す事例では、位置規制手段が、保護管８５の軸方向に沿った複数（ここでは４個）の貫通孔９５を有する板状体９４により構成されている。各板状体９４は例えば、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄが配置されるべき位置の近傍（保護管８５の下端側）に配置されている。また、各板状体９４は、各板状体９４が備える貫通孔９５が保護管８５の軸方向から見て重なる状態で、保護管８５に固定されている。各熱電対８ａ〜８ｄは、各貫通孔９５を通じて、外部熱電対７ａ〜７ｄと対向する位置に配置される。なお、板状体９４は、保護管８５の内面に固定可能であり、かつ成膜時の反応室内温度により変質することのない材質であれば任意の材質を使用することができる。例えば、碍子や石英等を使用することができる。他の構成は上述の内部熱電対１８と同様である。

この構成では、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄの位置変動量は貫通孔９５内に制限される。したがって、本構成の内部熱電対３８を使用した場合にも、仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用した場合と同様の効果を得ることができる。

さらに、上記位置制限手段は、保護管８５の軸方向に沿って配置された複数の管状体により構成することができる。図１７は、複数の板状体により構成された位置規制手段を備えた内部熱電対４８を示す縦断面図である。また、図１８は図１７に示す線Ｙ６−Ｙ６における横断面図であり、図１９は図１７に示す線Ｙ７−Ｙ７における横断面図である。

図１７〜図１９に示す事例では、保護管８５内に軸方向に沿った複数（ここでは４個）の碍子や石英等からなる管状体９６が配置されている。各管状体９６は例えば、保護管８５の下端で各熱電対８ａ〜８ｄが配置されるべき位置に上述の板状体等を用いて固定されている。各管状体９６には、それぞれ１本の熱電対が収容され、各測温部８１ａ〜８１ｄが外部熱電対７ａ〜７ｄと対向する位置に配置される。なお、各管状体は、少なくとも収容される熱電対の保護管８５の下端から測温部までの距離以上の長さを有している。他の構成は上述の内部熱電対１８と同様である。

この構成では、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄの位置変動量は管状体９６内に制限される。したがって、本構成の内部熱電対４８を使用した場合にも、仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用した場合と同様の効果を得ることができる。

加えて、上記位置規制手段は、保護管８５の軸方向に沿って配置された柱状部材と、当該柱状部材と各熱電対８ａ〜８ｄとを束ねる束ね手段とにより構成することもできる。図２０は、複数の板状体により構成された位置規制手段を備えた内部熱電対５８を示す縦断面図である。また、図２１は図２０に示す線Ｙ８−Ｙ８における横断面図であり、図２２は図２０に示す線Ｙ９−Ｙ９における横断面図である。

図２０〜図２２に示す事例では、保護管８５の軸方向に沿って碍子や石英等からなる柱状部材９７が配置されている。図２１に示すように、柱状部材９７は側面に各熱電対８ａ〜８ｄが当接する凹部を備えている。例えば、柱状部材９７は、最長の熱電対８ａと同等の長さの板状体を十字型に組み合わせることにより形成される。各熱電対８ａ〜８ｄは、上記凹部に当接する状態で金線９８により柱状部材９７固定され、保護管８５内に収容される。各熱電対８ａ〜８ｄは、少なくとも測温部８１ａ〜８１ｄ、あるいはその近傍が柱状部材９７に当接する状態で束ねられ管状容器内に配置される。なお、柱状部材９７は保護管８５の軸上に配置され、保護管８５の下端部等で保護管８５に固定される。他の構成は上述の内部熱電対１８と同様である。

この構成では、各熱電対８ａ〜８ｄの測温部８１ａ〜８１ｄが柱状部材９７に固定されている。したがって、本構成の内部熱電対５８を使用した場合にも、仕切板９１を備えた内部熱電対１８を使用した場合と同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、処理室内に測温素子を再現性よく配置することができるため、処理室内の温度を再現性よく測定することができる。このため、当該温度測定手段を使用して温度制御を行うことにより、処理室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。また、本発明によれば、異なる温度測定手段間で、測温素子の配置ばらつきを最小限にとどめることができる。このため、温度測定手段を交換した場合であっても、処理室内の温度分布を安定して再現することができ、基板に対する処理ばらつきを低減することができる。

なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば上述の実施形態では、測温素子として熱電対を使用したが、白金測温抵抗体等の他の測温素子を用いることも可能である。また、測温素子は４つに限るものではなく任意の数でよい。また、上記では処理室に対する管状容器の軸周りの方向の位置合わせ手段として、線状の目印を採用したが、軸回りの方向の位置合わせが可能であれば任意の構造を採用できる。例えば、保護管の外面に設けられた突部や凹部により位置合わせ手段を構成することもできる。この場合、上記突部や凹部を係止する係止部をキャップに設けてもよい。

さらに、上記では、本発明を減圧ＣＶＤ装置に適用した事例を説明したが、他のＣＶＤ装置、熱酸化処理装置、熱拡散処理装置等の加熱雰囲気下で基板処理を行うあらゆる基板処理装置に適用することが可能である。以上のような基板処理装置を用いて基板を処理することで、再現性よく基板処理を実施することができる。

本発明は、加熱雰囲気下の基板処理を再現性よく実施することができ、ＣＶＤ装置、熱酸化処理装置、熱拡散処理装置等の基板処理装置として有用である。

本発明の一実施形態における減圧ＣＶＤ装置の概略構成図 本発明の一実施形態における内部熱電対の縦断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の拡大縦断面図 従来の減圧ＣＶＤ装置における水平方向の温度分布を示す図 従来の減圧ＣＶＤ装置における垂直方向の温度分布を示す図 本発明の一実施形態の減圧ＣＶＤ装置における水平方向の温度分布を示す図 本発明の一実施形態の減圧ＣＶＤ装置における昇温時の水平方向の温度分布を示す図 本発明の一実施形態の減圧ＣＶＤ装置における降温時の水平方向の温度分布を示す図 本発明の一実施形態の減圧ＣＶＤ装置の成膜レートの変動を示す図 本発明の一実施形態における内部熱電対の変形例の縦断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の他の変形例の縦断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の他の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対の他の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のさらに他の変形例の縦断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のさらに他の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のさらに他の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のまたさらに他の変形例の縦断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のまたさらに他の変形例の横断面図 本発明の一実施形態における内部熱電対のまたさらに他の変形例の横断面図 従来の減圧ＣＶＤ装置の概略構成図 従来の内部熱電対の縦断面図 従来の内部熱電対の横断面図 従来の内部熱電対の拡大縦断面図

符号の説明

１ ヒータ
２ アウターチューブ
３ インナーチューブ
４ 半導体基板
６ ボート
７ 外部熱電対
８ 内部熱電対（プロファイル熱電対）
２１ 固定位置目印（位置合わせ手段）
１８、２８、３８、４８、５８ 内部熱電対
８５ 保護管（管状容器）
９１ 仕切板
９２ 支持部材
９３ 貫通孔
９４ 板状体
９５ 貫通孔
９６ 管状体
９７ 柱状部材
９８ 金線（束ね手段）

Claims (10)

1. 内部に設置された基板を所定温度で処理する処理室と、前記処理室内の温度を検出する手段とを備えた基板処理装置において、
   前記温度検出手段が、
   前記処理室に着脱可能に設けられる管状容器と、
   前記管状容器の軸方向に沿って、前記管状容器内の互いに異なる位置に配置された複数の測温素子と、
   前記管状容器内に設けられ、前記各測温素子の測温部の位置を規制する手段と、
   を備えたこと特徴とする基板処理装置。
2. 前記温度検出手段が、前記処理室に対する前記管状容器の軸周りの向きを、特定方向に位置合わせする手段をさらに備えた請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記位置規制手段が、前記管状容器の内部を、軸方向に沿った複数の空間に区分する仕切板からなり、前記各空間に前記測温素子が配置された請求項１または２記載の基板処理装置。
4. 前記各空間にそれぞれ１つの前記測温素子が配置された請求項３記載の基板処理装置。
5. 前記位置規制手段が、前記管状容器の軸方向に沿った複数の貫通孔を有する支持部材、または前記管状容器の軸方向に沿った複数の貫通孔を有する複数の板状体からなり、前記測温素子が前記各貫通孔を通じて配置された請求項１または２記載の基板処理装置。
6. 前記位置規制手段が、前記管状容器の軸方向に沿って配置された複数の管状体からなり、前記各管状体にそれぞれ１つの前記測温素子が収容された請求項１または２記載の基板処理装置。
7. 前記位置規制手段は、前記管状容器の軸方向に沿って配置された柱状部材と、当該柱状部材と前記複数の測温素子とを束ねる手段とからなり、少なくとも前記複数の測温素子の測温部あるいはその近傍が前記柱状部材に当接して束ねられた状態で前記測温素子が配置された請求項１または２に記載の基板処理装置。
8. 前記処理室が管状であり、前記管状容器が当該処理室の軸方向に沿って配置された請求項１から７のいずれかに記載の基板処理装置。
9. 前記基板処理装置が、ＣＶＤ装置、熱酸化処理装置、または熱拡散処理装置である請求項１から８のいずれかに記載の基板処理装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の基板処理装置を用いて基板を処理することを特徴とする基板処理方法。
    
    

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