JP2008172061A

JP2008172061A - 温度制御システム、基板処理装置、及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008172061A
Application number: JP2007004445A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ishizu; 秀雄石津; Masayuki Suzuki; 雅行鈴木
Original assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Current assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP5087283B2

Abstract

【課題】ヒータの分割部の詳細な温度制御ができ、ヒータの応答性と容易な温度傾斜制御結果を得ることができ、外乱の影響を受けにくい安定温度制御を行うことができる温度制御システム、基板処理装置、及び半導体製造装置を提供する
【解決手段】基板処理装置１００は、ウェーハ２００を処理する処理室２０１と、処理室２０１内の基板を加熱する複数のゾーンに分割されたヒータＨとを有し、ヒータＨは、上部及び下部が他の部分より細かくゾーン分分割され、上部よりも下部が細かくゾーン分割されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度制御システム、基板処理装置、及び半導体処理装置の製造方法に関し、特に、縦型加熱機構を持つ半導体製造装置の縦型ヒータを用いたダミーレス化を行う温度制御に用いられ、温度の制御がプロセスウェーハに与える影響を補う温度制御システム、基板処理装置、及び半導体製造装置に関する。

従来の縦型ヒータを持つ基板処理装置では、ヒータの加熱部分を垂直方向に３分割または、４分割等、複数に分割してヒータを制御し、それぞれに温度制御用熱電対を設け、所定の温度になるように分割した各ヒータの電力を制御している（特許文献１）。

特開２００３−１０９９６２号公報

温度制御システム、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関し、近年のウェーハ熱処理プロセスにおいて、縦型装置の場合、プロセスウェーハが規定枚数に満たない場合などは、フィルダミーウェーハと呼ばれるダミーウェーハを投入することで対応している。そして、ウェーハの大口径化に伴い、COO（Cost Of Ownership）低減のため、フィルダミーウェーハの削減が求められている。ダミーレス処理は、プロセスウェーハの投入数の変化に対応すべく開発されてきた技術である。ダミーレス処理を実施するためには、本来ダミーウェーハがあるべき領域の温度を補償し、必要温度を確保する方法として、温度の縦方向温度に対し、縦方向の温度傾斜を設定し、見かけ上プロセスウェーハに対しての温度がダミーウェーハがある状態と同じような環境を整える必要がある。

しかしながら、従来の温度制御システム、半導体処理装置及び半導体装置の製造方法では、基板処理装置が、ヒータ縦方向のヒータ分割数が均熱長確保を主眼において設計されているため、分割部の長さがダミーレス処理に向いていないと言う構造的な問題点があった。また、ヒータ内部の均熱長を長く取るためには、ヒータ寸法を長くして有効寸法を確保するために装置の高さが高くなると言う課題があった。

本発明は、このような課題を解決しようとしてなされたもので、ヒータの構造を見直し、熱の対流の影響とヒータ外部に逃げていく熱の影響を最小限に押さえ、ヒータの構造上の欠陥を補うことで、基板処理装置の高さが高くなりにくくすることができるとともに、基板処理装置のヒータの分割部の詳細な温度制御ができ、ヒータの応答性と容易な温度傾斜制御結果を得ることができ、外乱の影響を受けにくい安定温度制御を行うことができる温度制御システム、基板処理装置、及び半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴とするところは、複数のゾーンに分割されたヒータと、前記ヒータにより加熱される領域の温度を制御する制御部と、を有し、前記ヒータは、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されていることを特徴とする温度制御システムにある。

また、本発明の第２の特徴とするところは、基板を処理する処理室と、この処理室内の基板を加熱する複数のゾーンに分割されたヒータと、を有し、前記ヒータは、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されていることを特徴とする基板処理装置にある。

また、本発明の第３の特徴とするところは、複数のゾーンに分割され、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されたヒータにより加熱された処理室内に基板を搬入する工程と、前記処理室内で前記ヒータにより基板を加熱して処理する工程と、処理後の基板を前記処理室から搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

本発明によれば、基板処理装置の高さが高くなりにくくすることができるとともに、基板処理装置のヒータの分割部の詳細な温度制御ができ、ヒータの応答性と容易な温度傾斜制御結果を得ることができ、外乱の影響を受けにくい安定温度制御を行うことができる温度制御システム、基板処理装置、及び半導体製造装置を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の実施形態を図面を用いて説明する。
本発明を実施するための最良の形態において、基板処理装置１００は、一例として、半導体装置（IC）の製造方法における処理工程を実施する半導体製造装置として構成されて
いる。尚、以下の説明では、基板処理装置１００として基板に酸化、拡散処理やＣＶＤ処理などを行う縦型の装置（以下、単に処理装置という）を適用した場合について述べる。図１は、本発明に適用される基板処理装置１００の平面透視図として示されている。また、図２は、図１に示す基板処理装置１００の側面透視図である。

図１及び２に示されているように、シリコン等からなるウェーハ（基板）２００を収納したウェーハキャリアとしてフープ（基板収容器。以下ポッドという。）１１０が使用され
ている本発明の基板処理装置１００は、筐体１１１を備えている。筐体１１１の正面壁１１１ａの正面前方部にはメンテナンス可能なように設けられた開口部としての正面メンテナンス口１０３が開設され、この正面メンテナンス口１０３を開閉する正面メンテナンス扉１０４、１０４がそれぞれ建て付けられている。

筐体１１１の正面壁１１１ａにはポッド搬入搬出口（基板収容器搬入搬出口）１１２が筐体１１１の内外を連通するように開設されており、ポッド搬入搬出口１１２はフロントシャッタ（基板収容器搬入搬出口開閉機構）１１３によって開閉されるようになっている。ポッド搬入搬出口１１２の正面前方側にはロードポート（基板収容器受渡し台）１１４が設置されており、ロードポート１１４はポッド１１０を載置されて位置合わせするように構成されている。ポッド１１０はロードポート１１４上に工程内搬送装置（図示せず）によって搬入され、かつまた、ロードポート１１４上から搬出されるようになっている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部における上部には、回転式ポッド棚（基板収容器載置棚）１０５が設置されており、回転式ポッド棚１０５は複数個のポッド１１０を保管するように構成されている。すなわち、回転式ポッド棚１０５は垂直に立設されて水平面内で間欠回転される支柱１１６と、支柱１１６に上下四段の各位置において放射状に支持された複数枚の棚板（基板収容器載置台）１１７とを備えており、複数枚の棚板１１７はポッド１１０を複数個宛それぞれ載置した状態で保持するように構成されている。

筐体１１１内におけるロードポート１１４と回転式ポッド棚１０５との間には、ポッド搬送装置（基板収容器搬送装置）１１８が設置されており、ポッド搬送装置１１８は、ポッド１１０を保持したまま昇降可能なポッドエレベータ（基板収容器昇降機構）１１８ａと搬送機構としてのポッド搬送機構（基板収容器搬送機構）１１８ｂとで構成されており、ポッド搬送装置１１８はポッドエレベータ１１８ａとポッド搬送機構１１８ｂとの連続動作により、ロードポート１１４、回転式ポッド棚１０５、ポッドオープナ（基板収容器蓋体開閉機構）１２１との間で、ポッド１１０を搬送するように構成されている。

筐体１１１内の前後方向の略中央部における下部には、サブ筐体１１９が後端にわたって構築されている。サブ筐体１１９の正面壁１１９ａにはウェーハ２００をサブ筐体１１９内に対して搬入搬出するためのウェーハ搬入搬出口（基板搬入搬出口）１２０が一対、垂直方向に上下二段に並べられて開設されており、上下段のウェーハ搬入搬出口１２０、１２０には一対のポッドオープナ１２１、１２１がそれぞれ設置されている。

ポッドオープナ１２１はポッド１１０を載置する載置台１２２、１２２と、ポッド１１０のキャップ（蓋体）を着脱するキャップ着脱機構（蓋体着脱機構）１２３、１２３とを備えている。ポッドオープナ１２１は載置台１２２に載置されたポッド１１０のキャップをキャップ着脱機構１２３によって着脱することにより、ポッド１１０のウェーハ出し入れ口を開閉するように構成されている。

サブ筐体１１９はポッド搬送装置１１８や回転式ポッド棚１０５の設置空間から流体的に隔絶された移載室１２４を構成している。移載室１２４の前側領域にはウェーハ移載機構（基板移載機構）１２５が設置されており、ウェーハ移載機構１２５は、ウェーハ２００を水平方向に回転ないし直動可能なウェーハ移載装置（基板移載装置）１２５ａ及びウェーハ移載装置１２５ａを昇降させるためのウェーハ移載装置エレベータ（基板移載装置昇降機構）１２５ｂとで構成されている。これら、ウェーハ移載装置エレベータ１２５ｂ及びウェーハ移載装置１２５ａの連続動作により、ウェーハ移載装置１２５ａのツイーザ（基板保持体）１２５ｃをウェーハ２００の載置部として、ボート（基板保持具）２１７に対してウェーハ２００を装填（チャージング）及び脱装（ディスチャージング）するように構成されている。

また、図１に示されているように移載室１２４のウェーハ移載装置エレベータ１２５ｂ側と反対側である右側端部には、清浄化した雰囲気若しくは不活性ガスであるクリーンエア１３３を供給するよう供給フアン及び防塵フィルタで構成されたクリーンユニット１３４が設置されており、ウェーハ移載装置１２５ａとクリーンユニット１３４との間には、ウェーハの円周方向の位置を整合させる基板整合装置としてのノッチ合わせ装置１３５が設置されている。

クリーンユニット１３４から吹き出されたクリーンエア１３３は、ノッチ合わせ装置１３５及びウェーハ移載装置１２５ａに流通された後に、図示しないダクトにより吸い込まれて、筐体１１１の外部に排気がなされるか、若しくはクリーンユニット１３４の吸い込み側である一次側（供給側）にまで循環され、再びクリーンユニット１３４によって、移載室１２４内に吹き出されるように構成されている。

移載室１２４の後側領域には、大気圧未満の圧力（以下、負圧という。）を維持可能な
機密性能を有する筐体（以下、耐圧筐体という。）１４０が設置されており、この耐圧筐
体１４０によりボート２１７を収容可能な容積を有するロードロック方式の待機室であるロードロック室１４１が形成されている。

耐圧筐体１４０の正面壁１４０ａにはウェーハ搬入搬出開口（基板搬入搬出開口）１４２が開設されており、ウェーハ搬入搬出開口１４２はゲートバルブ（基板搬入搬出口開閉機構）１４３によって開閉されるようになっている。耐圧筐体１４０の一対の側壁にはロードロック室１４１へ窒素ガスを給気するためのガス供給管１４４と、ロードロック室１４１を負圧に排気するための排気管１４５とがそれぞれ接続されている。

ロードロック室１４１上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は炉口ゲートバルブ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。耐圧筐体１４０の正面壁１４０ａの上端部には、炉口ゲートバルブ１４７を処理炉２０２の下端部の開放時に収容する炉口ゲートバルブカバー（図示省略）が取り付けられている。

また、図１に示されているように、耐圧筐体１４０にはボート２１７を昇降させるためのボートエレベータ（基板保持具昇降機構）１１５が設置されている。ボートエレベータ１１５に連結された連結具としてのアーム１２８には蓋体としてのシールキャップ２１９が水平に据え付けられており、シールキャップ２１９はボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。ボート２１７は複数本の保持部材を備えており、複数枚（例えば、５０枚〜１２５枚程度）のウェーハ２００をその中心を揃えて垂直方向に整列させた状態で、それぞれ水平に保持するように構成されている。

次に、本発明の処理装置の動作について説明する。
図１及び２に示されているように、ポッド１１０がロードポート１１４に供給されると、ポッド搬入搬出口１１２がフロントシャッタ１１３によって開放され、ロードポート１１４の上のポッド１１０はポッド搬送装置１１８によって筐体１１１の内部へポッド搬入搬出口１１２から搬入される。

搬入されたポッド１１０は回転式ポッド棚１０５の指定された棚板１１７へポッド搬送装置１１８によって自動的に搬送されて受け渡され、一時的に保管された後、棚板１１７から一方のポッドオープナ１２１に搬送されて載置台１２２に移載されるか、若しくは直接ポッドオープナ１２１に搬送されて載置台１２２に移載される。この際、ポッドオープナ１２１のウェーハ搬入搬出口１２０はキャップ着脱機構１２３によって閉じられており、移載室１２４にはクリーンエア１３３が流通され、充満されている。例えば、移載室１２４にはクリーンエア１３３として窒素ガスが充満することにより、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下と、筐体１１１の内部（大気雰囲気）の酸素濃度よりも遥かに低く設定されている。

載置台１２２に載置されたポッド１１０はその開口側端面がサブ筐体１１９の正面壁１１９ａにおけるウェーハ搬入搬出口１２０の開口縁辺部に押し付けられるとともに、そのキャップがキャップ着脱機構１２３によって取り外され、ポッド１１０のウェーハ出し入れ口が開放される。また、予め内部が大気圧状態とされていたロードロック室１４１のウェーハ搬入搬出開口１４２がゲートバルブ１４３の動作により開放されると、ウェーハ２００はポッド１１０からウェーハ移載装置１２５ａのツイーザ１２５ｃによってウェーハ出し入れ口を通じてピックアップされ、ノッチ合わせ装置１３５にてウェーハを整合した後、ウェーハ搬入搬出開口１４２を通じてロードロック室１４１に搬入され、ボート２１７へ移載されて装填（ウェーハチャージング）される。ボート２１７にウェーハ２００を受け渡したウェーハ移載装置１２５ａはポッド１１０に戻り、次のウェーハ２００をボート２１７に装填する。

この一方（上段または下段）のポッドオープナ１２１におけるウェーハ移載装置１２５によるウェーハのボート２１７への装填作業中に、他方（下段または上段）のポッドオープナ１２１には回転式ポッド棚１０５ないしロードポート１１４から別のポッド１１０がポッド搬送装置１１８によって搬送され、ポッドオープナ１２１によるポッド１１０の開放作業が同時進行される。

予め指定された枚数のウェーハ２００がボート２１７に装填されると、ウェーハ搬入搬出開口１４２がゲートバルブ１４３によって閉じられ、ロードロック室１４１は排気管１４５から真空引きされることにより、減圧される。ロードロック室１４１が処理炉２０２内の圧力と同圧に減圧されると、処理炉２０２の下端部が炉口ゲートバルブ１４７によって開放される。このとき、炉口ゲートバルブ１４７は炉口ゲートバルブカバー（図示省略）の内部に搬入されて収容される。

続いて、シールキャップ２１９がボートエレベータ１１５の昇降台１６１によって上昇されて、シールキャップ２１９に支持されたボート２１７が処理炉２０２内へ搬入（ローディング）されて行く。

ローディング後は、処理炉２０２にてウェーハ２００に任意の処理が実施される。
処理後は、ボートエレベータ１１５によりボート２１７が引き出され、さらに、ロードロック室１４１内部を大気圧に復圧させた後にゲートバルブ１４３が開かれる。その後は、ノッチ合わせ装置１３５でのウェーハの整合工程を除き、概上述の逆の手順で、ウェーハ２００及びポッド１１０は筐体１１１の外部へ払い出される。

図３は、本発明の実施の形態で好適に用いられる基板処理装置１００の処理炉２０２の概略構成図であり、図１のａ−ａ線断面図として示されている。図４は、本発明の実施形態で用いられるヒータＨの概略構成図である。図３に示されているように、処理炉２０２は加熱機構としてのヒータＨを有する。ヒータＨは円筒形状であり、保持板としてのヒータベース２５１に支持されることにより垂直に据え付けられている。

図３及び４に示すように、ヒータＨは複数のゾーンに分割されている。本実施形態においては、ヒータＨは、上から順にＵ（Ｕｐｐｅｒ）ゾーンＨ１、ＣＵ（ＣｅｎｔｅｒＵｐｐｅｒ）ゾーンＨ２、ＣＬ（ＣｅｎｔｅｒＬｏｗｅｒ）ゾーンＨ３、Ｌ（Ｌｏｗｅｒ）ゾーンＨ４の４つのゾーンに分割されており、さらに最上部のＵゾーンＨ１及び最下部のＬゾーンＨ４は、さらに細かく分割されている。つまり最上部のＵゾーンＨ１及び最下部のＬゾーンＨ４は、他の部分であるＣＵゾーンＨ２、ＣＬゾーンＨ３よりも細かく分割されている。本実施形態においては、例えば５つのゾーンに分割されている。具体的には、ＵゾーンＨ１は、上から順に小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、Ｈ１ｅの５つのゾーンに分割されており、ＬゾーンＨ４は、上から順に小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅの５つのゾーンに分割されている。

最上部のＵゾーンＨ１の各小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、Ｈ１ｅのゾーン長をＬ１とし、最下部のＬゾーンＨ４の各小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅのゾーン長Ｌ４とし、ＣＵゾーンＨ２のゾーン長Ｌ２とし、ＣＬゾーンＨ３のゾーン長Ｌ３とした場合、Ｌ１及びＬ４は、Ｌ２及びＬ３よりも短くなっている（Ｌ１、Ｌ４＜Ｌ２、Ｌ３）。さらに、Ｌ１とＬ４とを比較すると、Ｌ４がＬ１よりも短くなっている（Ｌ４＜Ｌ１）。

ヒータＨの内側には、ヒータＨと同心円状に反応管としてのプロセスチューブ２０３が配設されている。プロセスチューブ２０３は内部反応管としてのインナーチューブ２０４と、その外側に設けられた外部反応管としてのアウターチューブ２０５とから構成されている。インナーチューブ２０４は、例えば石英（ＳｉＯ_２）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。インナーチューブ２０４の筒中空部には処理室２０１が形成されており、基板としてのウェーハ２００を後述するボート２１７によって水平姿勢で垂直方向に多段に整列した状態で収容可能に構成されている。アウターチューブ２０５は、例えば石英又は炭化シリコン等の耐熱性材料からなり、内径がインナーチューブ２０４の外径よりも大きく上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されており、インナーチューブ２０４と同心円状に設けられている。

アウターチューブ２０５の下方には、アウターチューブ２０５と同心円状にマニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス等からなり、上端及び下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５に係合しており、これらを支持するように設けられている。尚、マニホールド２０９とアウターチューブ２０５との間にはシール部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９がヒータベース２５１に支持されることにより、プロセスチューブ２０３は垂直に据え付けられた状態となっている。プロセスチューブ２０３とマニホールド２０９により反応容器が形成される。

後述するシールキャップ２１９にはガス導入部としてのノズル２３０が処理室２０１内に連通するように接続されており、ノズル２３０にはガス供給管２３２が接続されている。ガス供給管２３２のノズル２３０との接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）２４１を介して図示しない処理ガス供給源や不活性ガス供給源が接続されている。ＭＦＣ２４１には、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

マニホールド２０９には、処理室２０１内の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１は、インナーチューブ２０４とアウターチューブ２０５との隙間によって形成される筒状空間２５０の下端部に配置されており、筒状空間２５０に連通している。排気管２３１のマニホールド２０９との接続側と反対側である下流側には圧力検出器としての圧力センサ２４５及び圧力調整装置２４２を介して真空ポンプ等の真空排気装置２４６が接続されており、処理室２０１内の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。圧力調整装置２４２及び圧力センサ２４５には、圧力制御部２３６が電気的に接続されており、圧力制御部２３６は圧力センサ２４５により検出された圧力に基づいて圧力調整装置２４２により処理室２０１内の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。シールキャップ２１９はマニホールド２０９の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。シールキャップ２１９は例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。シールキャップ２１９の上面にはマニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられる。シールキャップ２１９の処理室２０１と反対側には、後述するボート２１７を回転させる回転機構２５４が設置されている。回転機構２５４の回転軸２５５はシールキャップ２１９を貫通して、ボート２１７に接続されており、ボート２１７を回転させることでウェーハ２００を回転させるように構成されている。シールキャップ２１９はプロセスチューブ２０３の外部に垂直に設備された昇降機構としてのボートエレベータ１１５によって垂直方向に昇降されるように構成されており、これによりボート２１７を処理室２０１に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構２５４及びボートエレベータ１１５には、駆動制御部２３７が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

基板保持具としてのボート２１７は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウェーハ２００を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。尚、ボート２１７の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる円板形状をした断熱部材としての断熱板２１６が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータＨからの熱がマニホールド２０９側に伝わりにくくなるよう構成されている。

プロセスチューブ２０３内には、温度検出器としての温度センサ２６３が設置されている。ヒータＨと温度センサ２６３には、電気的に温度制御部２３８が接続されており、温度センサ２６３により検出された温度情報に基づきヒータＨへの通電具合を調整することにより処理室２０１内の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。

プロセスチューブ２０３全体の温度を検出する温度センサ２６３とは別に、ヒータＨの各ゾーンには、それぞれ、ヒータの温度制御に用いられ、例えば熱電対からなる温度センサＴＣが設けられている。すなわち、図４に示すように、ＵゾーンＨ１における小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、Ｈ１ｅには、温度センサＴＣ１−１、ＴＣ１−２、ＴＣ１−３、ＴＣ１−４、ＴＣ１−５が、それぞれ設けられ、ＣＵゾーンＨ２、ＣＬゾーンＨ３には、温度センサＴＣ２、ＴＣ３がそれぞれ設けられ、ＬゾーンＨ４における小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅには、温度センサＴＣ４−１、ＴＣ４−２、ＴＣ４−３、ＴＣ４−４、ＴＣ４−５がそれぞれ設けられている。そして、これらの温度センサＴＣは、ぞれぞれが温度制御部２３８に電気的に接続されている。

温度センサＴＣは、それぞれが各領域（ゾーン）の中心位置に設置されていて、それぞれが各領域の中心位置の温度を検出するようになっている。例えば、温度センサＴＣ１−１は、ヒータＨのゾーンＨ１の領域の中心位置に設置されていて、ゾーンＨ１の領域の中心位置の温度を検出する。

ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、操作部、入出力部をも構成し、基板処理装置全体を制御する主制御部２３９に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９はコントローラ２４０として構成されている。

次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ＣＶＤ法によりウェーハ２００上に薄膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ２４０により制御される。

複数枚のウェーハ２００がボート２１７に装填（ウェーハチャージ）されると、図３に示されているように、複数枚のウェーハ２００を保持したボート２１７は、ボートエレベータ１１５によって持ち上げられてヒータＨによって加熱された処理室２０１に搬入（ボートローディング）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０ｂを介してマニホールド２０９の下端をシールした状態となる。

処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節装置２４２が、フィードバック制御される。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータＨによって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように温度センサ２６３、温度センサＴＣが検出した温度情報に基づきヒータＨへの通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート２１７が回転されることで、ウェーハ２００が回転される。

次いで、処理ガス供給源から供給され、ＭＦＣ２４１にて所望の流量となるように制御されたガスは、ガス供給管２３２を流通してノズル２３０から処理室２０１内に導入される。導入されたガスは処理室２０１内を上昇し、インナーチューブ２０４の上端開口から筒状空間２５０に流出して排気管２３１から排気される。ガスは処理室２０１内を通過する際にウェーハ２００の表面と接触し、この際に熱ＣＶＤ反応によってウェーハ２００の表面上に薄膜が堆積（デポジション）される。

予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室２０１内が不活性ガスに置換されるとともに、処理室２０１内の圧力が常圧に復帰される。

その後、ボートエレベータ１１５によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されるとともに、処理済のウェーハ２００がボート２１７に保持された状態でマニホールド２０９の下端からプロセスチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。その後、処理済のウェーハ２００はボート２１７より取り出される（ウェーハディスチャージ）

尚、一例まで、本実施の形態の処理炉にてウェーハを処理する際の処理条件としては、例えば、窒化シリコン膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）の成膜においては、処理温度６５０〜８００℃、処理圧力１０〜５００Ｐａ、第１処理ガス（ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２））流量１００〜５００ｓｃｃｍ、第２処理ガス（アンモニア（ＮＨ_３））流量５００〜５０００ｓｃｃｍが例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウェーハに処理がなされる。

また、例えば、ＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜としてのＳｉＯ_２膜の成膜においては、処理温度７００〜８００℃、処理圧力２０〜５００Ｐａ、第１処理ガス（ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２））流量１００〜５００ｓｃｃｍ、第２処理ガス（亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ））流量８００〜５０００ｓｃｃｍが例示され、それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値で一定に維持することでウェーハに処理がなされる。

次に、上述にヒータＨを含む加熱システム、すなわち温度制御システムについて説明する。温度制御システムは、ヒータＨと、各温度センサＴＣと、コントローラ２４０の温度制御部２３８とを基本構成としている。

図５には、温度制御部２３８が示されている。図５に示されるように、温度制御部２３８は、温度設定指令器２５０を有する。温度設定指令器２５０には、温度センサＴＣ１−１、ＴＣ１−２、ＴＣ１−３、ＴＣ１−４、ＴＣ１−５、ＴＣ２、ＴＣ３、ＴＣ４−１、ＴＣ４−２、ＴＣ４−３、ＴＣ４−４、及びＴＣ４−５からの検出結果が入力される。例えば、各温度センサＴＣとして、熱電対を用いた場合、温度設定指令器２５０に各温度センサＴＣから熱起電力が温度設定指令器２５０に入力される。尚、図５では、温度センサＴＣ１−１、ＴＣ１−２、ＴＣ１−３、ＴＣ１−４、及びＴＣ１−５のみを図示し、他の温度センサの図示を省略している。

また、温度設定指令器２５０には、温度設定部２５２からの設定温度が入力される。温度設定部２５２は、例えば操作パネル等からなり、例えば操作者が操作パネルを操作することにより設定温度を、指令として温度設定指令器２５０に出力する。

また、温度設定指令器２５０には、各温度センサＴＣに対応するＰＩＤ演算器２５４が接続されている。各ＰＩＤ演算器２５４には、温度設定指令器２５０を介して、温度設定部２５２で設定された温度及び温度センサＴＣで検出した温度が入力される。図５においては、温度センサＴＣ１−１、ＴＣ１−２、ＴＣ１−３、ＴＣ１−４、及びＴＣ１−５に対応するＰＩＤ演算器２５４−１、２５４−２、２５４−３、２５４−４、及び２５４−５のみを図示し、他のＰＩＤ演算器の図示を省略しているが、温度センサＴＣ２、ＴＣ３、ＴＣ４−１、ＴＣ４−２、ＴＣ４−３、ＴＣ４−４、及びＴＣ４−５に対応するＰＩＤ演算器も温度設定指令器２５０には接続されている。

ＰＩＤ演算器２５４には、例えば、サイリスタからなり、各温度センサＴＣと各ＰＩＤ演算器２５４に対応する電力制御器２５６が、それぞれ接続されている。各電力制御器２５６には、各温度センサＴＣから入力された温度と温度設定部２５２から指令された温度とに基づいて、各ＰＩＤ演算器が計算した結果をもとにＰＩＤ演算器から指令が入力される。各電力制御器２５６には、商業電源等の電源２５８が接続されていて、電源２５８からヒータＨの各ゾーンへの電力の供給がなさる。

電力制御器２５６には、各温度センサＴＣに対応するヒータＨが、それぞれ接続されている。各温度センサＴＣと対応する各ヒータＨとは、対応するヒータＨの温度を各温度センサＴＣが検出するとの関係になっている。例えば、温度センサＴＣ１−１と対応するヒータＨ１ａの温度を、温度センサＴＣ１−１が検出する。ヒータＨには、各電力制御器２５６から、各ＰＩＤ演算器２５４の指令に基づいて電力の供給がなされる。図５では、温度センサＴＣ１−１、ＴＣ１−２、ＴＣ１−３、ＴＣ１−４、及びＴＣ１−５に対応するヒータＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、及びＨ１ｅのみが示され、他のヒータの図示を省略しているが、ヒータＨ２、Ｈ３、Ｈ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、及びＨ４ｅ（図４参照）も、それぞれ対応するＰＩＤ演算器２５４に接続されている。

以上のように構成された温度制御部２３８では、ヒータＨの各ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃ、Ｈ１ｄ、Ｈ１ｅ、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、及びＨ４ｅごとに、温度センサＴＣによって温度の検出がなされ、これらの検出した温度と温度設定部２５２で設定された温度とに基づいて、ＰＩＤ演算器２５４で計算された値をもとに、電力制御器２５６がヒータＨの各ゾーンに供給する電力の制御を行う。すなわち、ヒータＨは、細かく分割されたゾーンごとに温度検出がなされ、細かく分割されたゾーンごとに温度制御がなされる。

したがって、例えば、ヒータＨをゾーンＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４というように大まかなゾーンに分ける構成を用いる場合と比較して、ヒータＨの最上部のゾーンＨ１、及びヒータＨの最下部のゾーンＨ４を細分化し、細分化された領域ごとに温度制御をしているため、良好な最適な温度分布を得ることができ、縦型加熱用ヒータの構造上の欠点である、最上部及び最下部の温度の不安定さを解決することができる。

温度設定指令器２５０は、上述のようにヒータＨの各ゾーン温度制御を行うために用いられ、制御方式としてバイアス制御方式を用いている。この実施形態では、温度設定指令器２５０としてバイアス制御方式を用いるものが採用されているが、マスタースレーブ制御方式、バイアス制御方式、ダイレクト制御等の複数制御方式を切替え、個別選択して、最適な温度勾配を実現するための制御方式を組み合わせて選択することができるものを採用しても良い。

以下、バイアス制御方式を用いる本実施形態に制御について具体的に説明する。例えば、ヒータＨのゾーンＨ１の温度を制御するには、まず、ゾーンＨ１全体の温度設定値（基準）の設定がなされる。例えば、ゾーンＨ１全体の温度設定値（基準）が、１０００℃と設定され、この基準値が分割してＰＩＤ演算器２５４−１、２５４−２、２５４−３、２５４―４、２５４−５に入力される。

ヒータＨのゾーンＨ１の現在温度をＴＣ１−３で測定した結果、温度設定値（１０００℃）との間に偏差があった場合、この偏差分を計算し、ＰＩＤ演算器５−３へ出力がなされる。ＰＩＤ演算器５−３は、温度設定値と測定値とに偏差がなくなるように、電力制御器２５６−３に指令を出し、電力制御器２５６−３は、電源２５８からの電力をヒータＨのゾーンＨ１ｃに与えて温度を制御する。

この際、ヒータＨ１のゾーンＨ１ｃに対して、例えは、ゾーンＨ１ａは１０℃高く、ゾーンＨ１ｂは５℃高く、ゾーンＨ１ｄは５℃低く、ゾーンＨ１ｅは１０度低くとの温度傾斜がある温度設定をする場合は、温度設定部２５２を用いて、バイアスを加えるか、又は減じる処理がなされる。すなわち、温度設定部２５２によりバイアスＢ１〜Ｂ４が加算、又は減算されることで、基準温度に対する温度設定値の入力がなされ、所望の温度勾配がついた状態となる。

以上で説明したように、本発明を実施することによりこれまで困難であった縦型ヒータを持つ半導体製造装置の縦型加熱用ヒータの分割部の詳細な温度制御機能が向上し、従来にないヒータの応答性と容易な温度傾斜制御結果が得られ、外乱の影響を受けにくい安定したヒータ内温度制御システムを提供することができる。すなわち、ヒータ上部、下部については、中間部に比べて熱の逃げが、発生しやすい環境下にあり、炉内の温度分布をヒータ全長に対して、なるべく長く取ろうとした場合、上部、下部の温度分布コントロールが決め手となる。その部分が細分化されていることで、ウェーハ、有り／無し、あるいは、ウェーハのローディング時に細かい温度調節ができることで、速やかな温度制御と、リカバリ特性の向上が期待できる。

また、ヒータ全長が必要均熱長に対して長くなる縦型加熱機構の構造上の欠点を補い、ヒータ全長が短くても長い均熱長を提供することが可能となる。さらに、縦型装置の場合、ヒータを縦方向に設置する構造上、ヒータ上部は筐体の構造と物理的な温度の対流現象からヒータ下部よりは安定した温度が得やすい環境にあるが、ヒータ下部は元々の構造から温度が逃げやすい構造であり、熱的な応答を早くしないと、温度分布がずれたり、ウェーハのローディングによる温度変化したりが著しい。そこで、図６と、先述の図４とに示すように、ヒータ上部よりヒータ下部をより細分化することで、温度コントロールを容易にすることが可能となる。

図６には、本発明の実施形態に用いられるヒータＨの他の例が示されている。図６では、最上部のＵゾーンＨ１および最下部のＬゾーンＨ４は、他の部分であるＣＵゾーンＨ２、ＣＬゾーンＨ３よりも細かく分割されており、更に最上部のＵゾーンＨ１よりも最下部のＬゾーンＨ４の方が細かくゾーン分割されている。具体的には、最上部のＵゾーンＨ１は、３つの小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃに分割されており、最下部のＬゾーンＨ４は、５つの小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅに分割されている。尚、最下部のＬゾーンＨ４の各小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅのゾーン長Ｌ４、最上部のＵゾーンＨ１の各小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃのゾーン長Ｌ１は、ＣＵゾーンＨ２のゾーン長Ｌ２、ＣＬゾーンＨ３のゾーン長Ｌ３よりも短く、更に最下部のＬゾーンＨ４の各小ゾーンＨ４ａ、Ｈ４ｂ、Ｈ４ｃ、Ｈ４ｄ、Ｈ４ｅのゾーン長Ｌ４は、最上部のＵゾーンＨ１の各小ゾーンＨ１ａ、Ｈ１ｂ、Ｈ１ｃのゾーン長Ｌ１よりも短くなっている（Ｌ４＜Ｌ１＜Ｌ２、Ｌ３）。これにより、ダミーレス処理に対応したハイコストパフォーマンス、ハイスループットの縦型加熱機構を持つ半導体製造装置を提供できる

本発明は、温度制御システム、基板処理装置、及び半導体処理装置の製造方法に関し、特に、縦型加熱機構を持つ半導体製造装置の縦型ヒータを用いたダミーレス化を行う温度制御に用いられ、温度の制御がプロセスウェーハに与える影響を補う温度制御システム、基板処理装置、及び半導体製造装置利用することができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す平面透視図である。本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す側面透視図である。本発明の実施形態に係る基板処理装置の処理炉を示し、図１のａ−ａ線断面図である。本発明の実施形態に用いられるヒータを示す断面図である。本発明の実施形態に用いられる温度制御部を示すブロック図である。本発明の実施形態に用いられるヒータの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１００基板処理装置
２００ウェーハ
２０１処理室
２３８温度制御部
２４０コントローラ
Ｈヒータ

Claims

複数のゾーンに分割されたヒータと、
前記ヒータにより加熱される領域の温度を制御する制御部と、
を有し、
前記ヒータは、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されていることを特徴とする温度制御システム。
基板を処理する処理室と、
この処理室内の基板を加熱する複数のゾーンに分割されたヒータと、
を有し、
前記ヒータは、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されていることを特徴とする基板処理装置。
複数のゾーンに分割され、上部及び下部が他の部分よりも細かくゾーン分割され、前記上部よりも前記下部が細かくゾーン分割されたヒータにより加熱された処理室内に基板を搬入する工程と、
前記処理室内で前記ヒータにより基板を加熱して処理する工程と、
処理後の基板を前記処理室から搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。