JP2012256897A - 断熱構造体、加熱装置、加熱システム、基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱構造体やプロセスチューブ全体を均一に急冷可能とする。
【解決手段】縦置きの加熱装置に使用される断熱構造体４２であって、円筒形状に形成された側壁部４３を有し、該側壁部４３が内外複数層構造に形成されており、該側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層４４の上部に設けられる冷却ガス供給口７４と、前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層４５と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路４７と、前記側壁内層の内側に設けられる空間７５と、前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔７８と、前記側壁内層の内周面の前記吹出孔の対向する位置に設けられ、前記冷却ガス通路側から前記空間側に向けて開口面積が広くなるように形成される切欠部７９と、を有する断熱構造体。
【選択図】図２

Description

本発明は、断熱構造体、加熱装置、加熱システム、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
詳しくは、急冷技術に関する。
本発明は、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法に使用されるＣＶＤ装置や拡散装置、酸化装置およびアニール装置等の熱処理装置（furnace ）に利用して有効なものに関する。

ＩＣの製造方法において、半導体素子を含む集積回路が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）や酸化シリコンおよびポリシリコン等のＣＶＤ膜を形成するのに、バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置が広く使用されている。
バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置（以下、ＣＶＤ装置という。）は、ウエハが搬入されるインナチューブおよびインナチューブを取り囲むアウタチューブから構成されて縦形に設置されたプロセスチューブと、プロセスチューブによって形成された処理室に処理ガスとしての成膜ガスを供給するガス供給管と、処理室を真空排気する排気管と、プロセスチューブ外に敷設されて処理室を加熱するヒータユニットと、ボートエレベータによって昇降されて処理室の炉口を開閉するシールキャップと、シールキャップの上に垂直に設置されて複数枚のウエハを保持するボートと、を備えている。
そして、複数枚のウエハがボートによって垂直方向に整列されて保持された状態で処理室に下端の炉口から搬入（ボートローディング）され、シールキャップによって炉口が閉塞された状態で、処理室に成膜ガスがガス供給管から供給されるとともに、ヒータユニットによって処理室が加熱されることにより、ウエハの上にＣＶＤ膜が堆積される。

従来のこの種のＣＶＤ装置としては、ヒータユニットとプロセスチューブとの間の空間に冷却エアを流通させる冷却エア通路がプロセスチューブを全体的に包囲するように形成されており、プロセスチューブの炉口付近に対向する冷却エア通路下端部に給気ダクトが接続されているものがある。例えば、特許文献１参照。
特開２００５−１８３８２３号公報

しかしながら、給気ダクトが冷却エア通路の下端部に接続されたＣＶＤ装置においては、給気ダクトから冷却エア通路に導入された冷却エアは、ヒータユニットおよびプロセスチューブの熱を吸収しながら冷却エア通路を上昇して行くために、プロセスチューブの上部では冷却効果が充分に奏されない。
その結果、プロセスチューブ上下間の温度勾配は急峻になるために、プロセスチューブの温度が所期の値に到達する迄の時間が長くなってしまう。
また、プロセスチューブ上下間の温度勾配が急峻になると、ボート上部に保持されたウエハの温度履歴とボート下部に保持されたウエハの温度履歴との差が大きくなるために、ボート上部に保持された処理済みウエハの膜質と、ボート下部に保持された処理済みウエハの膜質とに差が発生してしまう。

本発明の目的は、このような問題点を解決するものであり、断熱構造体やプロセスチューブ全体を均一に急冷することができる断熱構造体、加熱装置、加熱システム、基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
縦置きの加熱装置に使用される断熱構造体であって、
円筒形状に形成された側壁部を有し、該側壁部が内外複数層構造に形成されており、
該側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口と、
前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、
前記側壁内層の内側に設けられる空間と、
前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔と、
を有する断熱構造体。

前記手段によれば、最も冷えた状態の冷却ガスを最も熱の篭もり易い断熱構造体上部に供給することができるため、断熱構造体を全体的に均一に冷却することができる。

本発明の一実施の形態であるＣＶＤ装置を示す一部切断正面図である。 主要部を示す正面断面図である その平面断面図である。 本発明の一実施の形態である断熱構造体の主要部を示しており、（ａ）は内側から見た展開図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う平面断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に沿う側面断面図である。 同じくノズルの部分を示しており、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う平面断面図である。 ノズルの配置を示す展開図である。 衝突噴流による熱伝達率を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、図１および図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法における成膜工程を実施するＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置）１０として構成されている。

図１および図２に示されたＣＶＤ装置１０は、中心線が垂直になるように縦に配されて支持された縦形のプロセスチューブ１１を備えており、プロセスチューブ１１は互いに同心円に配置されたアウタチューブ１２とインナチューブ１３とから構成されている。
アウタチューブ１２は石英（ＳｉＯ2 ）が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。
インナチューブ１３は上下両端が開口した円筒形状に形成されている。インナチューブ１３の筒中空部は後記するボートが搬入される処理室１４を形成しており、インナチューブ１３の下端開口はボートを出し入れするための炉口１５を構成している。
後述するように、ボートは複数枚のウエハを長く整列した状態で保持するように構成されている。したがって、インナチューブ１３の内径は取り扱うウエハの最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。

アウタチューブ１２とインナチューブ１３との間の下端部は、略円筒形状に構築されたマニホールド１６によって気密封止されている。アウタチューブ１２およびインナチューブ１３の交換等のために、マニホールド１６はアウタチューブ１２およびインナチューブ１３にそれぞれ着脱自在に取り付けられている。
マニホールド１６がＣＶＤ装置の筐体２に支持されることによって、プロセスチューブ１１は垂直に据え付けられた状態になっている。

アウタチューブ１２とインナチューブ１３との隙間によって排気路１７が、横断面形状が一定幅の円形リング形状に構成されている。
図１に示されているように、マニホールド１６の側壁の上部には排気管１８の一端が接続されており、排気管１８は排気路１７の最下端部に通じた状態になっている。
排気管１８の他端には圧力コントローラ２１によって制御される排気装置１９が接続されており、排気管１８の途中には圧力センサ２０が接続されている。
圧力コントローラ２１は圧力センサ２０からの測定結果に基づいて排気装置１９をフィードバック制御するように構成されている。

マニホールド１６の下方にはガス導入管２２がインナチューブ１３の炉口１５に通じるように配設されており、ガス導入管２２には原料ガス供給装置および不活性ガス供給装置（以下、ガス供給装置という。）２３が接続されている。ガス供給装置２３はガス流量コントローラ２４によって制御されるように構成されている。
ガス導入管２２から炉口１５に導入されたガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。

マニホールド１６には下端開口を閉塞するシールキャップ２５が垂直方向下側から接するようになっている。シールキャップ２５はマニホールド１６の外径と略等しい円盤形状に構築されており、筐体２の待機室３に設備されたボートエレベータ２６によって垂直方向に昇降されるように構成されている。
ボートエレベータ２６はモータ駆動の送りねじ軸装置およびベローズ等によって構成されており、ボートエレベータ２６のモータ２７は駆動コントローラ２８によって制御されるように構成されている。
シールキャップ２５の中心線上には回転軸３０が配置されて回転自在に支持されており、回転軸３０は駆動コントローラ２８によって制御されるモータ２９により回転駆動されるように構成されている。
回転軸３０の上端にはボート３１が垂直に支持されている。

ボート３１は上下で一対の端板３２、３３と、これらの間に垂直に架設された三本の保持部材３４とを備えており、三本の保持部材３４には多数の保持溝３５が長手方向に等間隔に刻まれている。三本の保持部材３４において同一の段に刻まれた保持溝３５、３５、３５同士は、互いに対向して開口するようになっている。
ボート３１は三本の保持部材３４の同一段の保持溝３５間にウエハ１を挿入されることにより、複数枚のウエハ１を水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。
ボート３１と回転軸３０との間には断熱キャップ部３６が配置されている。
回転軸３０はボート３１をシールキャップ２５の上面から持ち上げた状態に支持することにより、ボート３１の下端を炉口１５の位置から適当な距離だけ離すように構成されている。断熱キャップ部３６は炉口１５の近傍を断熱するようになっている。

プロセスチューブ１１の外側には、縦置きの加熱装置としてのヒータユニット４０が同心円に配置されて、筐体２に支持された状態で設置されている。
ヒータユニット４０はケース４１を備えている。ケース４１はステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されて上端閉塞で下端開口の筒形状、好ましくは円筒形状に形成されている。ケース４１の内径および全長はアウタチューブ１２の外径および全長よりも大きく設定されている。

ケース４１内には本発明の一実施の形態である断熱構造体４２が設置されている。
本実施の形態に係る断熱構造体４２は、筒形状好ましくは円筒形状に形成されており、その円筒体の側壁部４３が内外二重の複数層構造に形成されている。すなわち、断熱構造体４２は側壁部４３のうち外側に配置された側壁外層４４と、側壁部のうち内側に配置された側壁内層４５とを備えている。

図３に示されているように、円筒体である側壁外層４４の外径はケース４１の内径より小さく設定されており、側壁外層４４の外周面とケース４１の内周面との間にはそれぞれの全周に沿って隙間４６が形成されている。
側壁外層４４の内径は円筒体である側壁内層４５の外径より大きく設定されており、側壁外層４４の内周面と側壁内層４５の外周面との間に形成される隙間によって冷却ガス通路４７が形成されている。
側壁外層４４の内周面には上端から下端まで達するように複数（図３においては、１２本）の区画壁４８が側壁外層４４の円周方向に沿って等間隔に配置されている。各区画壁４８は側壁外層４４の径方向内側に突き出しており、その先端面は側壁内層４５の外周面に接している。したがって、冷却ガス通路４７は複数の区画壁４８によって複数（図３においては、１２箇所ある空間）に区画されていることで、それぞれ冷却ガス通路空間４９を形成している。複数の冷却ガス通路空間４９の水平方向の流路断面積はそれぞれ複数の区画壁４８の水平方向の断面積それぞれより大きく形成されている。

側壁内層４５は断熱ブロック５０が複数個、垂直方向に積み重ねられることで一つの円筒体として構築されている。
断熱ブロック５０は短尺の中空円筒形状として略ドーナツ型で形成されている。断熱ブロック５０は好ましくは、繊維状または球状のアルミナやシリカ等の材料が用いられる。例えば、絶縁材（insulating material ）としても機能する断熱材が使用されて、バキュームフォーム法の成形型によって一体成形されている。
断熱ブロック５０の下端部の内周側には、結合雄部（凸部）５２が断熱ブロック５０の内周の一部を円形リング形状に切り欠かれた状態に形成されている。また、断熱ブロック５０の上端部の外周側には、結合雌部（凹部）５３が断熱ブロック５０の外周の一部を円形リング形状に切り欠かれた状態に形成されている。
断熱ブロック５０の上端部の内周側には、内側方向に突き出た突出部５１ａが形成されている。
一つの断熱ブロック５０の結合雄部５２と他の断熱ブロック５０の結合雌部５３とが上下に重なり合うことにより、結合される。これにより、隣り合う上下の断熱ブロック５０の突出部５１ａ間に、発熱体を取り付けるための取付溝（凹部）５４が側壁内層４５の内周面を円形リング状に切り欠かれた状態となるように、一定深さ一定高さに形成されることになる。取付溝５４はそれぞれの断熱ブロック５０に対し一つずつ対応し、一つの閉じた円形状となっている。

図４（ｂ）に示されているように、取付溝５４の内周面には鎹（かすがい）形状の保持具５５が複数個、周方向に略等間隔に取り付けられている。この複数個の保持具５５によって発熱体５６が位置決めされ、かつ、保持されている。
取付溝５４はその上下方向の幅が円筒形状の側壁内層４５の外径方向（円筒の中心と反対方向）すなわち溝底５４ａに近づくに従って漸次狭くなるように形成されている。
すなわち、取付溝５４の上下に位置する突出部５１ａの側壁同士すなわち、一対の側壁にはテーパ面５４ｂ、５４ｃが形成されており、両テーパ面５４ｂ、５４ｃ間の距離は取付溝５４の溝底５４ａに近づくほど小さくなっている。

発熱体５６は発熱材料であればどのような材料でもよいが、好ましくは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金やＭＯＳｉ2 およびＳｉＣ等の抵抗発熱材料が使用されるとよい。
発熱体５６は、図４（ａ）に示されているように、断面が長方形で形成された平板状に形成されており、上側波部５６ａと上側隙間５６ｃおよび下側波部５６ｂと下側隙間５６ｄがそれぞれ交互に形成されて、波形状になっている。これらはプレス加工やレーザ切断加工等によって一体成形される。
発熱体５６は断熱ブロック５０の内周に沿って、環状すなわち円形リング形状に設けられている。
発熱体５６が形成する円形リング形状の外径は、取付溝５４の内径（内周面の直径）よりも若干だけ小径である。また、発熱体５６が形成する円形リング形状の内径は、突出部５１ａの内径より若干だけ大径である。
なお、取付溝５４と発熱体５６の断面の長辺が平行となるように発熱体５６は配置されている。

以上の構成により、円形リング形状をした発熱体５６の環状部５７が形成される。
発熱体５６の環状部５７は断熱ブロック５０の取付溝５４毎に設けられている。
すなわち、環状部５７は、突出部５１ａにより、上下に隣合う他の発熱体５６の環状部５７と隔離されて設けられている。
図４（ａ）（ｂ）に示されているように、複数個の保持具５５、５５が上側隙間５６ｃの下端から下側隙間５６ｄの上端に至るまで跨がるようにそれぞれ配置され、取付溝５４から断熱ブロック５０内に所定の長さだけ挿入される。このようにして、取付溝５４の内周面から離された状態で発熱体５６は保持されている。

図３および図４に示されているように、環状部５７の両端には一対の給電部５８、５８が、円形リング形状の円周方向とは直角に半径方向外向きにそれぞれ屈曲されて形成されている。
一対の給電部５８、５８の先端部には一対の接続部５９、５９が互いに逆方向となるように、給電部５８、５８の延在方向とは直角にそれぞれ屈曲されて形成されている。
一対の給電部５８、５８に対応する断熱ブロック５０には、一対の挿入溝６０、６０がそれぞれ形成されている。両挿入溝６０、６０は取付溝５４内周面から半径方向に断熱ブロック５０の外周面にかけて達するように形成されている。
両給電部５８、５８は両挿入溝６０、６０にそれぞれ挿入されている。
上段の一対の接続部５９、５９のうち一方の接続部５９には給電端子６１が溶接されており、他方の接続部５９には渡り線６２の上端部が溶接されている。渡り線６２の下端部は隣接する直ぐ下段の一方の接続部５９に接続されている。

図１に示されているように、発熱体５６は発熱体駆動装置６３に接続されており、発熱体駆動装置６３は温度コントローラ６４によって制御されるように構成されている。
ヒータユニット４０の側壁部には処理室１４の温度を計測する熱電対６５が複数本、上下方向に間隔を置いて配されて、それぞれ径方向に挿入されている。各熱電対６５は計測結果を温度コントローラ６４にそれぞれ送信するようになっている。
温度コントローラ６４は熱電対６５からの計測温度によって発熱体駆動装置６３をフィードバック制御するようになっている。
かつまた、温度コントローラ６４は複数の発熱体５６を一つの制御範囲として一つの制御ゾーンを構成し、該制御ゾーンを複数の制御ゾーン例えば四つの制御ゾーンを構成するように接続されている。

図２に示されているように、ケース４１の上部、すなわち上端外周面にはダクト７１が環状に配管されている。ダクト７１の外周面には冷却ガスを供給する冷却ガス導入口７２が開けられており、冷却ガス導入口７２には冷却ガスを供給する給気管７３が接続されている。
側壁外層４４のダクト７１に対向する位置には冷却ガス供給口７４が複数個、円周方向に均等に配置されて設けられている。複数個の冷却ガス供給口７４は複数個の区画壁４８を避けるように冷却ガス通路４７に対向する位置にそれぞれ配置されている。
すなわち、複数個の冷却ガス供給口７４は冷却ガス通路４７の複数個の冷却ガス通路空間４９それぞれに対応するように配置されており、それぞれが連通している。

側壁内層４５より内側にはプロセスチューブ１１を設置するための空間（以下、内側空間という。）７５が形成されている。
側壁内層４５には、円柱状に開孔された支持孔７６（図５参照）が冷却ガス供給口７４より下方となる位置に複数個設けられている。各支持孔７６には側壁内層４５の材料とは別体の絶縁部材として円筒形状のノズル７７がそれぞれ挿入されている。
図５に示されているように、ノズル７７の中空部により、冷却ガス通路４７から内側空間７５へ冷却ガスを吹き出す吹出孔７８が形成されている。
なお、支持孔７６には側壁内層４５の外周面側に段状に凹面７６ａが設けられている。また、ノズル７７には、凹面７６ａに嵌合するように凸面７７ａが設けられている。すなわち、ノズル７７が支持孔７６に確実に嵌め込まれるように、移動防止部が設けられている。これにより、ノズル７７が冷却ガスの流れに従って内側空間７５側に移動しないようにしている。
好ましくは、ノズル７７は側壁内層４５の材料よりもアルミナ成分の含有率の高いセラミック材によって形成されると、耐久性に優れてよい。
さらに、好ましくは、ノズル７７は、側壁内層４５の材料よりも高い密度を有する材料とすると、耐久性に優れてよい。
さらに、好ましくは、ノズル７７は、高い硬度を有する材料とすると、耐久性に優れてよい。
さらに、好ましくは、ノズル７７は、側壁内層４５の材料よりも高い曲げ強度を有する材料とすると、耐久性に優れてよい。

図５に示されているように、好ましくはノズル７７は断熱ブロック５０の突出部５１ａにそれぞれ配置されるとよい。
突出部５１ａには、ノズル７７の吹出孔７８が対向する位置に切欠部７９が形成されている。切欠部７９は冷却ガス通路空間４９側から内側空間７５側に向けて漸次開口面積が広くなるようにテーパ形状に形成されている。

図６は断熱構造体４２の展開図である。
図６に示されているように、吹出孔７８を形成するノズル７７は冷却ガス通路空間４９に対し列状に配置されており、複数列ずつ設けられている。ノズル７７は冷却ガス通路空間４９の円周方向中央より両方の区画壁４８、４８の側にそれぞれ偏って列状に設けられている。
ノズル７７は冷却ガス通路空間４９に対し２列設けられている。
複数本のノズル７７の吹出孔７８の開口断面積は、略同じサイズで形成されている。
複数本のノズル７７は区画壁４８が設けられている位置を避けるように、冷却ガス通路４７に対向する位置にそれぞれ設けられている。
また、複数本のノズル７７は吹出孔７８から吹出された冷却ガスが発熱体５６を避けて吹き出されるように配置されている。
ノズル７７は円周方向に略均等に設けられた複数の冷却ガス通路空間４９のうち一対の給電部５８、５８近傍の冷却ガス通路空間４９に最も多く配置されている。

図２および図６に示されているように、本実施の形態では、複数の制御ゾーンとして、ヒータユニットの上端側が下端側にかけて、五つの制御ゾーンＵ、ＣＵ、Ｃ、ＣＬ、Ｌに分割されている。
複数の制御ゾーンのうち最上段の制御ゾーンに設けられた複数のノズル７７の吹出孔７８の総開口面積より、 複数の制御ゾーンのうち最下段の制御ゾーンに設けられた複数のノズル７７の吹出孔７８の総開口面積が大きく設定されている。
本実施の形態では、最上段の制御ゾーンＵより、最下段の制御ゾーンＬに設けられた吹出孔７８の総開口面積が大きく設定されている。
複数の制御ゾーンが４段以上設けられた場合においては、４段以上の制御ゾーンのうち最上段から２段の制御ゾーンに設けられた複数のノズル７７の吹出孔７８の総開口面積よりも、４段以上の制御ゾーンのうち最下段から２段の制御ゾーンに設けられた複数のノズル７７の吹出孔７８の総開口面積が大きく設定されている。
本実施の形態では、一段目の制御ゾーンＵおよび二段目の制御ゾーンＣＵより、四段目の制御ゾーンＣＬおよび五段目の制御ゾーンＬに設けられた吹出孔７８の総開口面積が大きく設定されている。
複数の制御ゾーンのうち最上段の制御ゾーンに設けられたノズル７７の吹出孔７８の衝突噴流量より、 複数の制御ゾーンのうち最下段の制御ゾーンに設けられたノズル７７の吹出孔７８の衝突噴流量が大きく設定されている。
本実施の形態では、最上段の制御ゾーンＵより、最下段の制御ゾーンＬに設けられた吹出孔７８の衝突噴流量が大きく設定されている。
複数の制御ゾーンが４段以上設けられた場合においては、４段以上の制御ゾーンのうち最上段から２段の制御ゾーンに設けられたノズル７７の吹出孔７８の衝突噴流量より、４段以上の制御ゾーンのうち最下段から２段の制御ゾーンに設けられたノズル７７の吹出孔７８の衝突噴流量が大きく設定されている。
本実施の形態では、一段目の制御ゾーンＵおよび二段目の制御ゾーンＣＵより、四段目の制御ゾーンＣＬおよび五段目の制御ゾーンＬに設けられたノズル７７の吹出孔７８の衝突噴流量が大きく設定されている。
図２および図６に示されているように、吹出孔７８は少なくとも、ボート３１に載置される製品ウエハがある領域ＡＲの最上段と略同じ高さから製品ウエハがある領域ＡＲの最下段まで、設けられている。

図１および図２に示されているように、断熱構造体４２の側壁部４３の上端側には天井部としての天井壁部８０が内側空間７５を閉じるように被せられている。
天井壁部８０には内側空間７５の雰囲気を排気する排気経路の一部としての排気孔８１が形成されており、排気孔８１の上流側端である下端は内側空間７５に通じている。
排気孔８１の下流側端は排気ダクト８２に接続されている。

前記構成に係るＣＶＤ装置によるＩＣの製造方法における成膜工程を説明する。

図１に示されているように、予め指定された枚数のウエハ１がボート３１に装填されると、ウエハ１群を保持したボート３１はシールキャップ２５がボートエレベータ２６によって上昇されることにより、インナチューブ１３の処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行く。
上限に達したシールキャップ２５はマニホールド１６に押接することにより、プロセスチューブ１１の内部をシールした状態になる。ボート３１はシールキャップ２５に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。

続いて、プロセスチューブ１１の内部が排気管１８によって排気される。
また、温度コントローラ６４がシーケンス制御することで側壁発熱体５６によってプロセスチューブ１１の内部が、目標温度に加熱される。
プロセスチューブ１１の内部の実際の上昇温度と、温度コントローラ６４のシーケンス制御の目標温度との誤差は、熱電対６５の計測結果に基づくフィードバック制御によって補正される。
また、ボート３１がモータ２９によって回転される。

プロセスチューブ１１の内圧および温度、ボート３１の回転が全体的に一定の安定した状態になると、プロセスチューブ１１の処理室１４には原料ガスがガス供給装置２３によってガス導入管２２から導入される。
ガス導入管２２によって導入された原料ガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。
処理室１４を流通する際に、原料ガスが所定の処理温度に加熱されたウエハ１に接触することによる熱ＣＶＤ反応により、ウエハ１にはＣＶＤ膜が形成される。

所定の処理時間が経過すると、処理ガスの導入が停止された後に、窒素ガス等のパージガスがプロセスチューブ１１の内部にガス導入管２２から導入される。
同時に、冷却ガスとしての冷却エア９０が給気管７３から冷却ガス導入口７２に供給される。供給された冷却エア９０は環状のダクト７１内で全体的に拡散し、複数個の冷却ガス供給口７４から冷却ガス通路４７の複数個の冷却ガス通路空間４９に流れ込む。
各冷却ガス通路空間４９に流れ込んだ冷却エア９０は各冷却ガス通路空間４９を流下し、各冷却ガス通路空間４９に配置されたノズル７７の吹出孔７８から内側空間７５にそれぞれ吹き出す。
吹出孔７８から内側空間７５に吹き出した冷却エア９０は排気孔８１および排気ダクト８２によって排気される。

以上の冷却エア９０の流れにより、ヒータユニット４０全体が強制的に冷却されるために、断熱構造体４２はプロセスチューブ１１と共に大きいレート（速度）をもって急速に冷却されることになる。
なお、内側空間７５は処理室１４から隔離されているために、冷却ガスとして冷却エア９０を使用することができる。
しかし、冷却効果をより一層高めるためや、エア内の不純物による高温下での発熱体の腐蝕を防止するために、窒素ガス等の不活性ガスを冷却ガスとして使用してもよい。

処理室１４の温度が所定の温度に下降すると、シールキャップ２５に支持されたボート３１はボートエレベータ２６によって下降されることにより、処理室１４から搬出（ボートアンローディング）される。

以降、前記作用が繰り返されることにより、ＣＶＤ装置１０によってウエハ１に対する成膜処理が実施されて行く。

なお、アウタチューブ１２およびヒータユニット４０の温度は処理温度以上に維持する必要がないばかりでなく、処理温度未満に下げることがかえって好ましいために、前述した成膜ステップにおいては、冷却エア９０が内側空間７５に流通されることにより、アウタチューブ１２およびヒータユニット４０を強制的に冷却される。
この冷却により、例えば、シリコン窒化膜であればＮＨ4 Ｃｌの付着を防止することができる１５０℃程度にアウタチューブ１２の温度を維持することができる。

ところで、通常、断熱構造体４２は熱体流等の作用により、上端側が下側端より熱が高くなり易い。そのため、例えば、冷却エア９０が冷却ガス通路４７の下端部に供給される場合には、冷却エア９０は断熱構造体４２の熱を吸収しながら冷却ガス通路４７を上昇して行くために、断熱構造体４２の上部で所望の冷却効果が得られず、結果的にプロセスチューブ１１の上部では冷却効果が充分に奏されないことになる。

本実施の形態においては、冷却エア９０は冷却ガス通路４７の上端部に冷却された新鮮な状態で供給されるため、最も温度上昇が大きい上端部側を冷却された冷却エア９０によって冷却することができる。
その後、断熱構造体４２の熱を吸収しつつ冷却ガス通路４７の各冷却ガス通路空間４９を下降して行くために、冷却エア９０は徐々に熱上昇し、下降するに従って徐々に冷却効果が小さくなる。
しかし、断熱構造体４２は、下端側に近づくに従って蓄積された熱量が少ないため、冷却エア９０の冷却効果が少ないことで、かえって、断熱構造体４２全体的に均一に冷却することができる。
また、冷却ガス通路４７の各冷却ガス通路空間４９を断熱構造体４２を冷却しながら流下した冷却エア９０は、各冷却ガス通路空間４９に配置されたノズル７７の吹出孔７８から径方向内向きに吹き出してプロセスチューブ１１のアウタチューブ１２の表面に衝突噴流（図７参照）の状態で吹き当たるので、アウタチューブ１２すなわちプロセスチューブ１１を全体的に均一に冷却することができる。

ここで、衝突噴流による熱伝達率を、図７を参照して説明する。
室温および大気中での衝突噴流による熱伝達率ｈは次式（１）で表される。
ｈ＝Ｎｕ・λ／ｄ・・・（１）
式（１）中、λは空気の熱伝導率である。ｄは吹出孔７８の口径である。Ｎｕはヌセルト数である。
したがって、熱伝達率ｈはヌセルト数Ｎｕに依存する。
ヌセルト数Ｎｕは、吹出孔の口径ｄ、吹出孔からアウタチューブ１２までの距離Ｌの関係の場合、 次式（２）のような関係にある。
Ｎｕ＝α・Ｒｅ^1/2 ・Ｐｒ ^2/5・・・（２）
式（２）中、Ｒｅはレイノズル数、Ｐｒはプラントル数である。プラントル数Ｐｒは室温での空気の物性値であり、プラントル数Ｐｒ＝０．７１とする。
レイノズル数Ｒｅは次式（３）で表すことができる。
レイノズル数：Ｒｅ＝Ｕ・Ｌ／ν・・・（３）
式（３）中、Ｕは吹出孔からの噴流の流速、νは室温での空気の動粘係数であり。
式（３）のレイノズル数Ｒｅから、熱伝達率ｈは吹出孔からの噴流の流速Ｕの平方根に比例することになる。
流速Ｕは噴流の軌道の圧力差から計算することができ、吹出孔の吹き出す側（上流側）と吹き出される側（下流側）との間の圧力差が大きい程、流速Ｕは大きくなる。
そこで、 最適な熱伝達率ｈの分布を考えることにより、 最適な吹出孔の数を推測することができる。
本実施の形態においては、冷却ガスは側壁上部に設けられている冷却ガス供給口７４から冷却ガス通路空間４９に流れ込み、その後、冷却ガス通路空間４９を下側に向いて冷却ガスが流れる。上側の吹出孔７８の数が少なくされているので、冷却ガス通路空間４９は上側の吹出孔７８の総開口面積より充分大きくなり、下側に向いた冷却ガスの流れは維持され易く、冷却ガス通路空間４９の上側より下側の方が圧力が大きくなる。そのため、冷却ガス通路空間４９の下側の一つの吹出孔７８から吹き出される冷却ガスの衝突噴流量を大きくすることができる。

前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。

（１）最も冷えた状態の冷却ガスを最も熱の篭もり易い断熱構造体の上部に冷却ガスを導入することにより、効果的に熱交換することができる。

（２）断熱構造体の上端部から冷却ガスを流すことにより、断熱構造体の下端部から冷却ガスを流すのに比べ、 冷却ガスの流路を長くすることができるので、断熱構造体と効果的に熱交換することができる。

（３）ヒータユニットに冷却ガスを導入する冷却ガス導入口では放熱が激しい。特に、処理室内でウエハを処理している最中にプロセスチューブを冷却するように冷却ガスを流すと、
局所的に温度が下がってしまうため、ウエハの処理状態に悪影響を及ぼしてしまう。また、冷却ガス導入口をヒータユニットの下部に設ける場合、冷却ガス導入口による放熱に加え、ヒータユニットの下端部にあるヒータユニットの開口部や炉口の影響を防ぐよう、ボートとシールキャップとの間に断熱筒や断熱板を設ける放熱対策が一般的に実施されているが、それでも足りず、
放熱してしまう。そのため、この放熱した熱を補うために、ヒータユニットの下部に配置された発熱体に過度に電力が供給される状態すなわち過負荷状態が頻繁になり易く断線し易くなってしまう。
本実施の形態においては、ヒータユニットに冷却ガスを流す冷却ガス導入口を上端部に配置したので、 最も熱の篭もり易い断熱構造体上部を効果的に冷却することができ、
しかも、下部に配置された発熱体の過負荷状態を解消することができる。

（４）冷却ガス通路を区画壁により複数の冷却ガス通路空間に区画することにより、断熱構造体を円周に沿って均等に冷却することができる。

（５）冷却ガス通路を区画する区画壁の断面積よりも冷却ガス通路空間の断面積を大きくすることにより、 さらに効果的に断熱構造体と熱交換させることができる。

（６）吹き出し速度を変化させると、吹出孔の口径によっては吹出孔から吹出された冷却ガスがプロセスチューブとの衝突時の衝突噴流によって熱伝導率がばらつくことになってしまうが、
複数の吹出孔の口径を全て略同じとすることにより、冷却効率を制御し易くでき、 複雑な制御を必要とせずに効果的に冷却することができる。

（７）複数の吹出孔の口径を全て略同じとすることにより、複数の吹出孔が加工し易くなり、また、吹出孔とプロセスチューブとの距離を一定とすることにより、
最適な熱伝達率の分布や最適な吹出孔の数を設定し易くなる。

（８）吹出孔を少なくともボートに載置される製品ウエハがある領域の最上段と略同じ高さから製品ウエハがある領域の最下段まで設けることにより、製品ウエハ領域を効果的に冷却することができる。

（９）吹出孔を冷却ガス供給口よりも下方に設けることにより、吹出孔からの冷却ガスの吹出し量や速度をより均等に制御することができる。

（１０）吹出孔のサイズが異なるサイズになってしまうと、吹出孔から吹き出される冷却ガスの流量が変わってしまい、プロセスチューブ全体の冷却バランスが崩れてしまうが、吹出孔を断熱構造体とは別体のノズルによって構成することにより、冷却ガスの吹き出しの影響によって断熱構造体の崩れ易い部分に吹出孔を形成する場合に比べて、流路や口径等が変化するのを未然に防止することができる。

（１１）セラミック製のノズルを断熱構造体の発熱体取付溝と面一にすることにより、発熱体の熱膨張によって発熱体が変形して、セラミック製のノズルと緩衝することで発熱体がさらに変形したり断線したりする事故を防止することができる。

（１２）吹出孔から吹出された冷却ガスがプロセスチューブとの衝突時の衝突噴流速度を断熱構造体の下部を上部に比べて速くすることにより、冷却ガスが冷却ガス通路を通過することにより暖まった冷却ガスでも下部側を効果的に冷却することができる。

（１３）２列の吹出孔を冷却ガス通路空間の中心より区画壁側にそれぞれ偏って配置することにより、冷えにくい区画壁周辺で冷却ガスの流れを大きくすることができ、区画壁周辺を効率よく冷却することができる。
好ましくは、 吹出孔は少なくともそれぞれの区画壁近傍に１列ずつ設けるとよい。

（１４）一つの冷却ガス通路空間に対して複数列の吹出孔を配置することにより、吹出孔をより広範囲に設けることができ、 より均一に処理室内やプロセスチューブを冷却することができる。

（１５）吹出孔とプロセスチューブからの距離を一定に保ち、吹出孔の口径を同じサイズとすることにより、衝突噴流による熱伝達率を調整し易くすることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、冷却ガスを流す方式は、断熱構造体の排気孔から排気装置（ブロア等) によって強制的に排気（吸引）する方式であってもよいし、冷却ガス導入口から供給ファンによって強制的に供給する（押し込む）方式でもよい。

前記実施の形態においては、ＣＶＤ装置について説明したが、酸化・拡散装置やアニール装置等の基板処理装置全般に適用することができる。

被処理基板はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

本願において開示される発明のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）縦置きの加熱装置に使用される断熱構造体であって、
円筒形状に形成された側壁部を有し、該側壁部が内外複数層構造に形成されており、
該側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口と、
前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、
前記側壁内層の内側に設けられる空間と、
前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔と、
を有する断熱構造体。
（２）前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられており、前記冷却ガス通路が該複数の区画壁によって複数に区画されている前記（１）の断熱構造体。
（３）前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられており、前記冷却ガス通路が該複数の区画壁によって複数の冷却ガス通路空間に区画されており、該複数の冷却ガス通路空間の断面積それぞれは前記区画壁それぞれの断面積より大きく形成されている前記（１）の断熱構造体。
（４）前記吹出孔は前記冷却ガス通路が前記区画壁で区画された複数の冷却ガス通路空間それぞれに複数列ずつ設けられている前記（２）の断熱構造体。
（５）前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられており、前記冷却ガス通路が該複数の区画壁によって複数の冷却ガス通路空間に区画されており、前記吹出孔は前記冷却ガス通路空間の円周方向中央より該冷却ガス通路空間を形成する両方の区画壁の側にそれぞれ偏って列状に設けられている前記（１）の断熱構造体。
（６）前記吹出孔は前記冷却ガス通路が前記区画壁で区画された複数の冷却ガス通路空間に対し２列ずつ設けられている前記（２）の断熱構造体。
（７）前記複数の吹出孔の開口断面積はそれぞれ略同じサイズで形成されている前記（１）の断熱構造体。
（８）前記区画壁が円周方向に略均等に複数配置されている前記（２）（３）の断熱構造体。
（９）前記複数の吹出孔は前記区画壁が設けられている位置を避けるように前記冷却ガス通路に対向する位置にそれぞれ複数設けられる前記（２）の断熱構造体。
（１０）前記ガス供給口は前記区画壁が設けられている位置を避けるように前記冷却ガス通路に対向する位置に設けられる前記（２）の断熱構造体。
（１１）前記側壁内層の内周に沿った環状形状の環状部と、該環状部の端部に設けられた一対の給電部とを有している発熱体が上下方向に複数設けられ、
前記複数の発熱体のうちの隣接する前記給電部同士が接続されて形成される制御ゾーンが上下方向に複数設けられており、 前記吹出孔が吹出された冷却ガスが前記発熱体を避けて吹出されるように配置されている前記（２）の断熱構造体。
（１２）前記複数の制御ゾーンのうち最上段の制御ゾーンに設けられた前記複数の吹出孔の総開口面積より、 前記複数の制御ゾーンのうち最下段の制御ゾーンに設けられた前記複数の吹出孔の総開口面積が大きく設定されている前記（１１）の断熱構造体。
（１３）前記複数の制御ゾーンを４段以上有し、 前記複数の制御ゾーンのうち最上段から２段の制御ゾーンに設けられた前記複数の吹出孔の総開口面積よりも、前記複数の制御ゾーンのうち最下段から２段の制御ゾーンに設けられた前記複数の吹出孔の総開口面積が大きく設定されている前記（１１）の断熱構造体。
（１４）前記複数の制御ゾーンのうち最上段の制御ゾーンに設けられた前記吹出孔の衝突噴流量より、 前記複数の制御ゾーンのうち最下段の制御ゾーンに設けられた前記吹出孔の衝突噴流量が大きく設定されている前記（１１）の断熱構造体。
（１５）前記複数の制御ゾーンを４段以上有し、 前記複数の制御ゾーンのうち最上段から２段の制御ゾーンに設けられた前記吹出孔の衝突噴流量より、前記複数の制御ゾーンのうち最下段から２段の制御ゾーンに設けられた前記吹出孔の衝突噴流量が大きく設定されている前記（１１）の断熱構造体。
（１６）前記吹出孔は前記側壁内層とは別体の絶縁部材の中空部によって形成されており、該絶縁部材は前記側壁部に支持されている前記（１）の断熱構造体。
（１７）前記吹出孔は前記側壁内層とは別体の略円筒形状の絶縁部材によって形成されており、該絶縁部材は略円形の支持孔に支持されている前記（１）の断熱構造体。
（１８）前記絶縁部材が、前記空間側に移動しないように移動防止部を有している前記（１６）の断熱構造体。
（１９）前記絶縁部材が、 前記側壁部の材料よりも高い密度を有する材料によって形成されている前記（１６）（１７）（１８）の断熱構造体。
（２０）前記絶縁部材が、 前記側壁部の材料よりも高い硬度を有する材料によって形成されている前記（１６）（１７）（１８）の断熱構造体。
（２１）前記絶縁部材が、 前記側壁部の材料よりも高い曲げ強度を有する材料によって形成されている前記（１６）（１７）（１８）の断熱構造体。
（２２）前記絶縁部材が、 前記側壁部の材料よりもアルミナ成分の含有率の高いセラミック材によって形成されている前記（１６）（１７）（１８）の断熱構造体。
（２３）前記側壁内層は内周面に発熱体を収納するための円筒形状に形成された取付溝を上下方向に複数有し、 該複数の発熱体が前記複数の取付溝内にそれぞれ収納されるように設けられており、前記複数の絶縁部材が前記複数の取付溝を形成する内側突出し部に配置されている前記（１１）の断熱構造体。
（２４）前記内側突出し部は前記絶縁部材が配置される箇所を前記取付溝の底面と同じ面まで抉られており、 前記絶縁部材が前記側壁内層外周面から前記側壁内層取付溝の底面と同じ面まで配置されている前記（２３）の断熱構造体。
（２５）前記冷却ガス供給口は、円周方向に均等に複数設けられている前記（１）の断熱構造体。
（２６）前記側壁部の上端側に天井部が備えられており、該天井部には前記空間から前記冷却ガスを排気するための排気孔が設けられている前記（１）の断熱構造体。
（２７）前記冷却ガス供給口に前記冷却ガスを供給する環状のダクトを有し、該ダクトに冷却ガスを供給する冷却ガス導入口を有する前記（２５）の断熱構造体。
（２８）前記（１）の断熱構造体を備える加熱装置。
（２９）前記（２８）の加熱装置の排気孔に接続され、 該排気孔の下流側に設けられる排気装置を備える加熱システム。
（３０）前記（２８）の加熱装置と、 該加熱装置の内部で基板を処理する処理室とを備える基板処理装置。
（３１）前記（２９）の加熱装置システムと、 該加熱装置の内部で基板を処理する処理室とを備える基板処理装置。
（３２）前記（３０）の基板処理装置を用いて処理する半導体装置の製造方法であって、 前記加熱装置の発熱体が基板を加熱するステップと、前記排気装置が前記加熱装置内を冷却するステップとを有する半導体装置の製造方法。

１…ウエハ（基板）、２…筐体、３…待機室、１０…ＣＶＤ装置（基板処理装置）、１１…プロセスチューブ、１２…アウタチューブ、１３…インナチューブ、１４…処理室、１５…炉口、１６…マニホールド、１７…排気路、１８…排気管、１９…排気装置、２０…圧力センサ、２１…圧力コントローラ、２２…ガス導入管、２３…ガス供給装置、２４…ガス流量コントローラ、２５…シールキャップ、２６…ボートエレベータ、２７…モータ、２８…駆動コントローラ、２９…モータ、３０…回転軸、３１…ボート、３２、３３…端板、３４…保持部材、３５…保持溝、３６…断熱キャップ部、３７…下側サブヒータユニット、４０…ヒータユニット、４１…ケース、４２…断熱構造体、４３…側壁部、４４…側壁外層、４５…側壁内層、４６…隙間、４７…冷却ガス通路、４８…区画壁、４９…冷却ガス通路空間、５０…断熱ブロック、５１…本体、５１ａ…突出部、５２…結合雄部（凸部）、５３…結合雌部（凹部）、５４…取付溝、５５…保持具、５６…発熱体、５７…環状部、５８…給電部、５９…接続部、６０…挿入溝、６１…給電端子、６２…渡り線、６３…発熱体駆動装置、６４…温度コントローラ、６５…熱電対、７１…ダクト、７２…冷却ガス導入口、７３…給気管、７４…冷却ガス供給口、７５…内側空間（空間）、７６…支持孔、７６ａ…凹面、７７…ノズル（絶縁部材）、７７ａ…凸面、７８…吹出孔、７９…切欠部、８０…天井壁部、８１…排気孔、８２…排気ダクト、９０…冷却エア（冷却ガス）。

Claims (11)

1. 縦置きの加熱装置に使用される断熱構造体であって、
   円筒形状に形成された側壁部を有し、該側壁部が内外複数層構造に形成されており、
   該側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口と、
   前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路と、
   前記側壁内層の内側に設けられる空間と、
   前記冷却ガス通路から前記空間へ冷却ガスを吹出すように、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔と、
   前記側壁内層の内周面の前記吹出孔の対向する位置に設けられ、前記冷却ガス通路側から前記空間側に向けて開口面積が広くなるように形成される切欠部と、
   を有する断熱構造体。
2. 前記側壁外層と前記側壁内層との間に複数の区画壁が円周方向に沿って設けられており、前記冷却ガス通路が該複数の区画壁によって複数に区画されている請求項１の断熱構造体。
3. 前記複数の吹出孔の開口断面積はそれぞれ略同じサイズで形成されている請求項１の断熱構造体。
4. 前記区画壁が円周方向に略均等に複数配置されている請求項２の断熱構造体。
5. 前記吹出孔は前記側壁内層とは別体の絶縁部材の中空部によって形成されており、該絶縁部材は前記側壁部に支持されている請求項１の断熱構造体。
6. 前記側壁部の上端側に天井部が備えられており、該天井部には前記空間から前記冷却ガスを排気するための排気孔が設けられている請求項１の断熱構造体。
7. 請求項１の断熱構造体を備える加熱装置。
8. 請求項７の加熱装置の排気孔に接続され、 該排気孔の下流側に設けられる排気装置を備える加熱システム。
9. 請求項７の加熱装置と、 該加熱装置の内部で基板を処理する処理室とを備える基板処理装置。
10. 請求項８の加熱装置システムと、 該加熱装置の内部で基板を処理する処理室とを備える基板処理装置。
11. 基板をプロセスチューブに搬入する工程と、
    円筒形状で内外複数層構造に形成された側壁部を有する断熱構造体の前記側壁部の複数層のうちの外側に配置された側壁外層の上部に設けられる冷却ガス供給口から、前記側壁部の複数層のうちの内側に配置された側壁内層と前記側壁外層との間に設けられる冷却ガス通路へ冷却ガスを供給するとともに、前記側壁内層の前記冷却ガス供給口より下方に設けられる複数の吹出孔から前記側壁内層の内周面の前記吹出孔の対向する位置に設けられて前記冷却ガス通路側から前記側壁内層の内側に設けられる空間側に向けて開口面積が広くなるように形成される切欠部を介して前記冷却ガスを吹出すことで前記空間内に配置された前記プロセスチューブを冷却する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。