JP2020047911A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】炉口部の温度ムラを小さくして、炉口部への副生成物の付着を抑制することが可能な技術を提供する。【解決手段】所定の間隔で配列された複数の基板を保持する基板保持具と、上端を閉塞する天井と、下端を開口する開口部と、を備え、開口部を介して基板保持具を出し入れ可能に収容する、鉛直方向に延びた筒状の反応管と、反応管の下端に接続され、外周面に複数のガス導入ポートを備える筒状のインレットフランジと、インレットフランジの下端開口を、基板保持具を出し入れ可能に塞ぐ蓋部と、インレットフランジに、ガス導入ポートを避けて設けられる複数のヒータ要素と、インレットフランジもしくはヒータ要素のいずれかと熱的に結合され、温度を検出する温度センサと、配設されたヒータ要素を温度センサの数に対応したグループ数にグループ化し、対応する温度センサにより検出された検出温度に基づいて、各グループのヒータ要素への供給電力をそれぞれ独立に制御する温度制御器と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法及びプログラムに関する。

半導体装置の製造工程に於ける基板処理を行う基板処理装置として、縦型基板処理装置がある。縦型基板処理装置では、複数枚の基板を多段に積層させて保持した状態で、処理室内に挿入し、複数枚の基板を一括して処理する様になっている。

分解し難い原料ガスを使用する高温プロセスを実行する場合、処理室下部の炉口部も高温となる為、炉口部に設けられたＯリング等のシール部材の耐熱温度を超える可能性がある。この為、炉口部に冷却水路を設け、冷却水路内に冷却水を流通させることで、シール部材を耐熱温度範囲内に維持することがある。

一方で、炉口部の温度が低下した場合、ガスの反応副生成物が炉口部に付着し、パーティクル発生の原因となる。そのため従来では、炉口部に対する反応副生成物の付着を抑制する為の手段として、炉口部の全周にヒータを設けて炉口部の温度が低下しすぎないようにすることがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１２６７８４号公報

しかし、炉口部には、排気の熱を受けるガスの排気口が設けられている。そのため、炉口部の全周を均一に加熱したとしても、排気口付近が高温となり、排気口側と排気口の反対側とで温度ムラが生じてしまう。具体的には、排気口付近の温度を検出してヒータを制御した場合、排気口の反対側の温度が低すぎてしまい、排気口の反対側付近の温度を検出してヒータを制御した場合、排気口側の温度が高すぎてしまい、ヒータの破損等の部品破壊が発生する可能性が高くなる。

そして、炉口部の排気口側と排気口の反対側とで温度ムラが生じてしまうと、局所的に加熱されずに低い温度の場所ができてしまい副生成物が付着してしまうことになる。

本開示の一態様によれば、
所定の間隔で配列された複数の基板を保持する基板保持具と、
上端を閉塞する天井と、下端を開口する開口部と、を備え、前記開口部を介して前記基板保持具を出し入れ可能に収容する、鉛直方向に延びた筒状の反応管と、
前記反応管の下端に接続され、外周面に複数のガス導入ポートを備える筒状のインレットフランジと、
前記インレットフランジの下端開口を、前記基板保持具を出し入れ可能に塞ぐ蓋部と、
前記インレットフランジに、前記ガス導入ポートを避けて設けられる複数のヒータ要素と、
前記インレットフランジもしくは前記ヒータ要素のいずれかと熱的に結合され、温度を検出する温度センサと、
配設された前記ヒータ要素を前記温度センサの数に対応したグループ数にグループ化し、対応する前記温度センサにより検出された検出温度に基づいて、各グループの前記ヒータ要素への供給電力をそれぞれ独立に制御する温度制御器と、
を備える技術が提供される。

本開示によれば、炉口部の温度ムラを小さくして、炉口部への副生成物の付着を抑制することができる。

基板処理装置の縦型処理炉の概略を示す縦断面図である。 インレットフランジ周辺を示す縦断面図である。 インレットフランジの筒部における横断面図である。 インレットフランジを加熱するヒータ要素を示す斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は反応管の排気管周辺を示す斜視図であって、（Ｃ）は排気管の下部に配置されるシール部材周辺の構成を説明するための図である。 基板処理装置の炉口部への冷却水の供給系を示す図である。 温度制御器の動作を説明するためのブロック図である。 インレットフランジの変形例を示す図である。 ヒータ要素の変形例を示す図である。

以下、本開示の一実施形態について、図１〜８を参照しながら説明する。基板処理装置１は半導体装置の製造工程において使用される装置の一例として構成されている。

基板処理装置１は、上端を閉塞する天井を備えた鉛直方向に延びた円筒状の反応管２と、反応管２の外周に設置された加熱手段としてのヒータ（電気炉）３とを備える。反応管２は、例えば石英（ＳｉＯ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等により形成される。温度検出器４は、反応管２の内壁に沿って立設される。

反応管２の下端開口部には、後述するインレットフランジ（マニホールド）５が、Ｏリング等のシール部材６を介して連結され、反応管２の下端を支持している。インレットフランジ５は、例えばステンレス等の金属により形成される。反応管２とインレットフランジ５とで処理容器７が形成される。処理容器７の内部には、基板としてのウエハＷを処理する処理室８が形成される。

また、反応管２は、外周方向（半径方向）に突出する様に、供給バッファ室２Ａと排気バッファ室２Ｂとがそれぞれ対向して形成されている。供給バッファ室２Ａは、上下に延びる隔壁によって複数の空間に区画されている。供給バッファ室２Ａの各区画には、ノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃ（後述）がそれぞれ設置される。供給バッファ室２Ａ及び排気バッファ室２Ｂと処理室８との境界壁は、供給バッファ室２Ａ等が設けられていない箇所に於ける反応管２の内径と同じ内径に形成され、それによりウエハＷの周囲がウエハＷと同心の壁によって囲まれる。境界壁には、その両側を連通させる複数のスリットが設けられる。供給バッファ室２Ａの下方には、ノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃを挿脱する為の開口部２Ｅが形成されている。開口部２Ｅは、供給バッファ室２Ａと略同じ幅に形成されている。なお開口部２Ｅをどのような形状にしたとしても、開口部２Ｅとノズル２３ａ、ノズル２３ｂ、ノズル２３ｃの基部との間の間隙をなくすことは難しい為、該間隙を通じて供給バッファ室２Ａの内外をガスが流通しうる。

処理室８は、所定の間隔で配列された複数枚、例えば２５〜１５０枚のウエハＷを垂直に棚状に保持する基板保持具としてのボート１４を内部に収納する。ボート１４は例えば石英やＳｉＣ等により形成され、ボート１４は断熱構造体１５の上方に支持される。ボート１４と断熱構造体１５とにより基板保持体が構成される。

断熱構造体１５の外形は円柱状となっており、蓋部９を貫通する回転軸１３によって支持される。回転軸１３は、蓋部９の下方に設置された回転機構１６に接続される。回転軸１３の蓋部９を貫通した部分には、例えば磁性流体シールが設けられており、回転軸１３は反応管２の内部を気密にシールした状態で回転可能に構成されている。回転軸１３が回転されることにより、断熱構造体１５とボート１４が一体に回転される。蓋部９は昇降機としてのボートエレベータ１７により上下方向に駆動される。ボートエレベータ１７により、基板保持体及び蓋部９が一体に昇降され、反応管２の開口部を介してボート１４が搬入出される。すなわち、反応管２は、開口部を介してボート１４を出し入れ可能に収容し、蓋部９は、インレットフランジ５の下端開口を、ボート１４を出し入れ可能に密封するように構成されている。

基板処理装置１は、基板処理に使用される処理ガスとして原料ガス、反応ガスや不活性ガスを処理室８内に供給するガス供給機構１８を有している。ガス供給機構１８が供給する処理ガスは、成膜される膜の種類に応じて選択される。本実施形態では、ガス供給機構１８は、原料ガス供給部、反応ガス供給部、不活性ガス供給部、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部を含む。

原料ガス供給部は、ガス供給管１９ａを具備している。ガス供給管１９ａには、上流方向から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２１ａ及び開閉弁であるバルブ２２ａが設けられている。ガス供給管１９ａの下流端は、インレットフランジ５の筒部（側壁）を貫通するノズル２３ａに接続されている。ノズル２３ａは、反応管２内に反応管２の内壁に沿って上下方向に立設し、ボート１４に保持されるウエハＷに向って開口する複数の供給孔が形成されている。ノズル２３ａの供給孔を介して、ウエハＷに対して原料ガスが供給される。

以下、同様の構成にて、反応ガス供給部からは、ガス供給管１９ｂ、ＭＦＣ２１ｂ、バルブ２２ｂ、ノズル２３ｂを介して反応ガスがウエハＷに対して供給される。不活性ガス供給部からは、ガス供給管１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ、ＭＦＣ２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ、バルブ２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃを介してウエハＷに対して不活性ガスが供給される。

第１パージガス供給部は、ガス供給管１９ｆを具備している。ガス供給管１９ｆには、上流方向から順にＭＦＣ２１ｆ及びバルブ２２ｆが設けられている。ガス供給管１９ｆの下流端は、回転軸１３の周囲に形成された中空部２４に接続されている。中空部２４は、磁性流体シールにより軸受けの手前でシールされ、上端、即ち反応管２の内部に開放されている。又、中空部２４から保護プレート１２の上面まで連通した空間が形成され、該空間は断熱構造体１５と保護プレート１２との間に形成された間隙４１と連続しており、第１パージガス流路を形成している。こうして第１パージガス供給部から供給された第１パージガス２８は、間隙４１をパージしながら、炉口部である処理容器７下方に対して供給される。つまり、第１パージガス２８は、上流に於いて回転軸１３の周囲をパージし、下流では炉口部のノズル２３ａ〜２３ｃ付近をパージした後、最終的に反応管２の下端に形成された排気口２６より排出される。尚、パージガスとしては、原料ガスや反応ガスと反応しないガスであればよい。

第２パージガス供給部は、ガス供給管１９ｇを具備している。ガス供給管１９ｇには、上流方向から順にＭＦＣ２１ｇ及びバルブ２２ｇが設けられている。ガス供給管１９ｇの下流端は、蓋部９を貫通し、蓋部９の上面に第２パージガス供給口が形成される。従って、第２パージガス供給口は、蓋部９の上面に形成され、第２パージガス流路２７に開口する。第２パージガス供給口の開口位置は、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃの近傍である。バルブ２２ｇから第２パージガス供給口の間のガス供給管１９ａには、ベローズ管の様なフレキシブルな配管が用いられる。第２パージガス流路２７は環状又は略環状（ループ状）であり、保護プレート１２の下面に同心に形成されている。第２パージガス流路２７内に供給された第２パージガス４９は、全周に亘った第２パージガス流路２７内を流通する。この時、第２パージガス流路２７の外周側では、保護プレート１２と蓋部９との間に隙間４６が形成されている（図２参照）。従って、第２パージガス４９は、第２パージガス流路２７を流通する過程で、蓋部９の上面をパージしつつ隙間４６より水平方向に流出する。

排気バッファ室２Ｂの外壁に形成された排気口２６には、排気管３２が取付けられている。排気管３２には、処理室８内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての圧力センサ３３、及び圧力調整器（圧力調整部）としてのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）バルブ３４を介して、真空排気装置としての真空ポンプ３５が接続されている。この様な構成により、処理室８内の圧力を処理に応じた処理圧力とすることができる。排気管３２は、ノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃと対向する位置に設置される。

回転機構１６、ボートエレベータ１７、ガス供給機構１８のＭＦＣ２１ａ〜２１ｇ、バルブ２２ａ〜２２ｇ及びＡＰＣバルブ３４には、これらを制御するコントローラ３６が接続される。コントローラ３６は、例えばＣＰＵを備えたマイクロプロセッサ（コンピュータ）を有し、基板処理装置１の動作を制御する様に構成される。コントローラ３６には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置３７が接続されている。

コントローラ３６には、記憶媒体としての記憶部３８が接続されている。記憶部３８には、基板処理装置１の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて基板処理装置１の各構成部に処理を実行させるプログラム（レシピとも言う）が、読出し可能に格納される。

記憶部３８は、コントローラ３６に内蔵された記憶装置（ハードディスクやフラッシュメモリ）であってもよいし、可搬性の外部記録装置（磁気テープ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ）であってもよい。又、コンピュータへのプログラムの提供は、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。プログラムは、必要に応じて入出力装置３７からの指示等にて記憶部３８から読出され、読出されたレシピに従った処理をコントローラ３６が実行することで、基板処理装置１はコントローラ３６の制御のもと、所望の処理を実行する。

また、コントローラ３６には、インレットフランジ５の外周面に設置された加熱手段（加熱機構）としてのヒータ５０を制御する温度制御器６０が接続されている。温度制御器６０は、コントローラ３６からレシピに応じた目標温度や補償値（後述）が設定される。例えば、一連の基板処理の中で少なくとも、問題となる副生成物を発生させうるガスが供給され、或いは、処理室８に充満している間、その副生成物がインレットフランジ５に付着することを抑制しうる温度に設定される。

次に、インレットフランジ５及びその周辺部の構成について、図２〜図６に基づいて説明する。

インレットフランジ５は、筒状に形成され、反応管２の下端に接続される。また、インレットフランジ５の下端開口であって、インレットフランジ５の反応管２に接続される側の反対側の開口は、ボート１４を出し入れ可能に蓋部９が塞ぐよう構成されている。

また、インレットフランジ５は、上端において反応管２と気密に接続する上フランジ５ａと、下端において蓋部９と気密に接続する下フランジ５ｂと、上フランジ５ａと下フランジ５ｂを接続する筒部５ｃと、で構成されている。

上フランジ５ａは、外周方向に突出する外フランジ５ａ−１と、内周方向に突出する内フランジ５ａ−２とで構成されている。外フランジ５ａ−１は外部管としての反応管２（供給バッファ室２Ａ及び排気バッファ室２Ｂの外壁を含む）を支持する。内フランジ５ａ−２は内部管（の一部分）としての供給バッファ室２Ａ及び排気バッファ室２Ｂの内壁を支持する。内フランジ５ａ−２には、排気バッファ室２Ｂに連通する孔５ａ−３が形成されている。内フランジ５ａ−２は、後述の熱伝導を高めるため、インレットフランジ５に溶接されうる。また、外フランジ５ａ−１の上面には、Ｏリング等のシール部材６が設置され、シール部材６により反応管２と外気とが気密にシールされる。

また、インレットフランジ５の下端開口部（処理容器７の下端開口部）は、円盤状の蓋部９によって開閉される。蓋部９の上面には、Ｏリング等のシール部材１１が設置され、シール部材１１により反応管２と外気とが気密にシールされる。

上フランジ５ａには、反応管２の下端フランジ（ｌｉｐ）を、上フランジ５ａに押さえつける金属製のクランプ２５が、ボルトで取り付けられる。クランプ２５は全体として周状となるよう分割して構成されうる。薄い耐熱樹脂製の弾性部材５８は、上フランジ５ａとクランプ２５の間にクッションとして設けられうる。クランプ２５の内部は、区分的に全周にわたって埋め込まれた冷却水路２５ａが形成されている。冷却水路２５ａは、反応管２の開口部を冷却することで、シール部材６の温度上昇を抑制し、シール部材６の温度を耐熱温度内に維持する。クランプ２５は実際には、２乃至３個の円弧状部材から構成され、設置後に冷却水路２５ａが連結されうる。尚、冷却水路２５ａは、外フランジ５ａ−１内に設けてもよい。

また、図３に示されているように、インレットフランジ５の外周面であって、筒部５ｃの外周面に３つのガス導入ポート５１ａ，５１ｂ，５１ｃを備える。筒部５ｃの高さは、ガス導入ポート５１ａ，５１ｂ，５１ｃが有するコネクタの最大の直径と、略等しいかそれよりも低く設定される。つまり、インレットフランジ５は、製作もしくは組立可能な限界付近まで薄型化されている。ガス導入ポート５１ａ，５１ｂ，５１ｃには、それぞれガス供給管１９ａ，１９ｂ，１９ｅが装着される。また、ガス導入ポート５１ａ，５１ｂ，５１ｃのインレットフランジ５の内周面側には、それぞれノズル２３ａ，２３ｂ，２３ｃが装着される。各ノズル２３の両脇には、それらを支えるブラケット部材がフランジ内周面から中心に向かって突出して設けられる。

また、インレットフランジ５の外周面であって、筒部５ｃの外周面（側面）には、インレットフランジ５を外側から電気加熱するヒータ５０が設けられている。ヒータ５０は、ストラット（突っ張り棒）５３によって、インレットフランジ５の外周面に押し当てられている。図４は、ヒータ５０を構成するヒータ要素５０ａ〜５０ｆをインレットフランジ５から取外した状態を示している。

ヒータ５０は、全体としては略円筒状に形成され、ガス導入ポート５１ａ〜５１ｃを避けながら配設される。ヒータ５０は、６つのヒータ要素５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆで構成され、各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆの断面が円弧状に形成されている。つまり、各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆは、配管類等のガス導入ポート５１ａ，５１ｂ，５１ｃ等を避けて、インレットフランジ５の外周面に沿って、インレットフランジ全周を複数に分割して配設されている。各ヒータ要素は、２〜３個のストラット５３によって、断熱性の押し当て板を介して押し当てられうる。なお、本実施形態においては、ヒータ要素５０ｄとヒータ要素５０ｅの間にガス導入ポート５１ａ〜５１ｃが配置されるよう構成されている。また、各ヒータ要素５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆそれぞれの間には、空隙５０ｇが設けられる。

各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆとして、例えば抵抗線を、２枚のポリイミド絶縁板で挟み込んだ構造のフレキシブルヒータや、円弧状金属ブロックに棒状カートリッジヒータを埋め込んだものが用いられる。また、その一部または全部が、筒部５ｃに直接埋め込まれてもよい。なお、ガス導入ポート５１ａ〜５１ｃの周辺には、ジャケットヒータやリボンヒータ等（不図示）およびその温度調整用の温度センサが別途設けられうる。ヒータ要素は、インレットフランジ５の外周面からの熱放散を補うものと考えることができ、通常、ヒータ３から熱を受け取るインレットフランジ５の内周面の方が高温である。フレキシブルヒータの常用温度の上限は２８０℃程度であるが、内周面を、副生成物付着下限温度（３００〜３５０℃）より高く保つのには十分である。

また、排気管３２が上部に配置される排気口側であるヒータ要素５０ｂ周辺のインレットフランジ５の外周面には、温度センサ５２ａが設けられている。温度センサ５２ａは、排気口下方に設けられたヒータ要素５０ｂ付近で、インレットフランジ５の外周面に接触させて設けられる。また、ガス導入ポート５１ａ〜５１ｃ側であるヒータ要素５０ｅ周辺のインレットフランジ５の外周面には、温度センサ５２ｂが設けられている。温度センサ５２ｂは、ヒータ要素５０ｅ周辺であって、ガス導入ポート５１ａ〜５１ｃ周辺の温度を検出する。

なお、温度センサ５２ａと温度センサ５２ｂは、排気口下方付近以外の場所でそれぞれインレットフランジ５もしくはヒータ要素５０ｂを除くヒータ要素のいずれかと熱的に結合されていればよい。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、排気管３２周辺の構成を示す模式図である。

排気管３２の排気口２６の根元には、反応管２との接続を容易にし、強度を高めるための肉盛り部５４が形成されている。排気管３２をなるべく低温の位置で反応管２と接続するため、肉盛り部５４の下端は、反応管２の下端フランジと接続するほど、下端に接近している。従って、図２に示した構造とは異なる構造が用いられうる。本例では、排気口２６付近に、専用の冷却ブロック５６を設ける。肉盛り部５４は、排気管３２の直下の両端では下端フランジと分離するように強度的に問題ない程度の切欠き部５５を設ける。そして、この切欠き部５５に、冷却水が循環可能な冷却ブロック５６から伸びる、ステンレス鋼などの金属で構成した舌部５７が部分的に入り込む形状としている。この舌部５７により、排気管３２からの熱がシール部材６へ伝わることを抑制する。なお切欠き部５５と舌部５７の間にも、弾性部材が設けられうる。この弾性部材は、熱伝達を高めるように構成されうる。

つまり、本実施形態においては、排気管３２の下辺に隣接して設けられた冷却ブロック５６や舌部５７や上述した冷却水路２５ａ等の冷却器によって、ヒータ３からの加熱や排気ガスからの伝熱による、反応管２の排気口下部分のシール部材６の温度上昇を効率よく抑えることができる。

図６に示されるように、基板処理装置１には、付帯設備として、冷却水路２５ａや冷却ブロック５６等の冷却器に冷却水を供給する供給系が備えられている。供給系には、水源として、市水又は所定の温度に冷却された循環冷却水が接続されている。バルブ４１及びバルブ４２は、レシピに基づいたコントローラ３６からの指令に従って、冷却水路２５ａ及び冷却ブロック５６への冷却水の供給量を制御する。通常、ほぼ一定の水圧又は流量の水が供給系に供給されており、バルブ４１及びバルブ４２は単に開閉することで、略一定の冷却水が冷却器に流通するように構成されている。レシピは、一連の基板処理の中で、排気管３２が過熱するときだけ、冷却ブロック５６の冷却水の流量が大きくなるように定義されうる。

ここで、インレットフランジ５を均一に加熱すると、ガスを供給するガス導入ポート５１ａ〜５１ｃ付近に比べて、排気の熱を受けるガスの排気口付近は高温となり、反応管２の炉口部の円周方向において温度ムラが生じてしまう。つまり、舌部５７は、シール部材６の保護が目的であり、排気の熱の影響を完全に取り去るものではなく、それだけでインレットフランジ５の温度ムラを無くすことはできない。

また、上述したヒータ要素５０ａ〜５０ｆのそれぞれに温度センサを設けて温度調整した場合には、制御構成が複雑になってしまう。また、このようにした場合には、本実施形態に比べて、温度センサの数を増やさなければならない。

本実施形態では、上述した図４に示したように、インレットフランジ５の外周面に配設するヒータ５０を６個のヒータ要素５０ａ〜５０ｆに周方向に分割し、ヒータ要素５０ａ〜５０ｆを２個のグループにグループ化する。そして、温度制御器６０が、各グループに設置された温度センサ５２ａ，５２ｂにより検出された検出温度に基づいて、２個のグループ毎に独立して、ヒータ要素５０ａ〜５０ｆへの供給電力を制御することにより、必要な箇所に必要な加熱が可能となり、反応管２の炉口部の円周方向の温度ムラが低減され、加熱されにくい領域を積極的に加熱させることが可能となる。

そして、円周方向全体に適正な温度に加熱することで、副生成物の付着を防止することが可能となる。なお、ヒータ要素５０ａ〜５０ｆに、温度に応じて抵抗値（発熱量）が変化する自己制御ヒータ（オートトレースヒータ）を用いた場合、グループ内の温度ムラの低減も期待できる。

次に、本実施形態における各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆを制御する温度制御器６０の動作について図７に基づいて説明する。

各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆは、温度が高くなりやすい排気管３２付近のヒータ要素５０ａ、５０ｂのグループ１と、グループ１以外のヒータ要素５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆのグループ２の２つのグループにグループ化されている。

グループ１のヒータ要素５０ａとヒータ要素５０ｂは、電気的に直列又は並列に接続され、インレットフランジ５の外周面における単位長さ当たりの発熱量が等しくなるよう構成されている。また、グループ２のヒータ要素５０ｃ〜５０ｆは、電気的に直列又は並列に接続され、同様に単位長さ当たりの発熱量が等しくなるよう構成されている。なお、この外周面における長さは、ヒータ要素５０ａ等のそのものの長さではなく、ヒータ要素５０ａ等が分担すべきインレットフランジ５の外周面の長さであり、その端は、例えば両隣のヒータ要素との間隙の中央まで及ぶ。また、各グループにおいて並列接続させる場合には、各ヒータ要素の抵抗値を、長さに反比例させるようにする。

温度制御器６０は、グループ１の領域に設置された温度センサ５２ａにより検出された検出温度に基づいて、グループ１のヒータ要素５０ａ、５０ｂへの供給電力を制御する。また、温度制御器６０は、グループ２の領域に設置された温度センサ５２ｂにより検出された検出温度（制御量）に基づいて、グループ２のヒータ要素５０ｃ〜５０ｆへの供給電力（操作量）を制御する。すなわち、温度制御器６０は、グループ毎に独立して、各グループへの供給電力をそれぞれフィードバック制御するように構成されている。ここで、独立した制御とは、少なくともグループ毎に制御量と操作量が存在することであり、制御中にグループ間でそれらが互いに影響されないことを意味するものではない。

具体的には、温度制御器６０は、温度センサ５２ａで検出した温度（制御量）と第１設定温度（目標値）Ｔ_p1とが一致するようにＰＩＤ制御を行い、グループ１のヒータ要素５０ａ、５０ｂへの供給電力を制御する。また、温度制御器６０は、温度センサ５２ｂで検出した温度と第２設定温度Ｔ_p2とが一致するようにＰＩＤ制御を行い、グループ２のヒータ要素５０ｃ〜５０ｆへの供給電力を制御する。

つまり、インレットフランジ５に配設される６個のヒータ要素を、排気口付近のグループとそれ以外のグループの２個のグループにグループ化して、それぞれのグループの領域に設けた２個の温度センサによりそれぞれ検出された検出温度に基づいて、グループ毎に独立して、各ヒータ要素への供給電力をそれぞれフィードバック制御するように構成されている。なお、温度センサ５２ａ、５２ｂは、それぞれのグループのヒータ要素が配置されている領域であればよく、好ましくは各グループの中央付近等に、インレットフランジ５に熱的に結合するように設ける。

また、外乱として、排気による加熱、冷却水路２５ａや冷却ブロック５６等の冷却器等の冷却水の流量等が含まれる。従来の問題の１つは、温度センサ５２ａや温度センサ５２ｂが測定する温度が、副生成物が付着するインレットフランジ５の内側の温度ではなく、外側の温度であるために、インレットフランジ５の内外の温度差（偏差）が外乱によって変動しても、それをキャンセルできない点である。ここで本実施形態の温度制御器６０は更に、これらの外乱に基づいて、各グループへの供給電力をそれぞれフィードフォワード制御するように構成されている。つまり、排気管３２からの排気の状態や冷却水路２５ａ等の冷却の状態に基づいて、各グループの所定の設定温度をそれぞれ補償し、各温度センサ５２ａ，５２ｂによる検出温度が、補償された設定温度と一致するように、グループ毎に独立して、各ヒータ要素への供給電力をそれぞれ制御する。具体的には、排気による加熱に応じてグループ１の設定温度を低くしたり、さらに冷却水の流量が多い場合には、設定温度を低くしすぎないようにする。

例えば、本実施形態では、冷却水路２５ａによる水冷の流量Ｆ_chn及び冷却ブロック５６による水冷の流量Ｆ_blkや、見込まれる排気からの加熱量に比例して、排気口側のグループ１の設定温度を下げることができる。或いは、水冷流量に比例してグループ１及びグループ２の設定温度を上げることができる。排気からの加熱量は、処理温度（ウエハＷが配置される領域の温度）、単位時間当たりに供給される反応性ガスのモル量及び反応発熱（吸熱）量から算出される、排気温度と排気流量（モル量）に基づいて見積もられる。コントローラ３６は、このような加熱量を計算を行うか、或いは所定の処理レシピに対して予め計算或いは実測により求めた補償量を保持し、処理の際に、温度制御器６０に補償量として設定する。温度制御器６０は与えられた加熱量と設定温度から設定補償量を算出するか、単に与えられた補償量を用いて、設定温度を補償する。

一例として、温度制御器６０は、補償量が含められた第１設定温度及び第２設定温度として、以下を用いることができる。
Ｔ_p1＝Ｔ_prv−ａ₁×Ｔ_fun＋ｂ₁×Ｆ_chn
Ｔ_p2＝Ｔ_prv−ａ₂×Ｔ_fun＋ｂ₂×Ｆ_blk−ｃ×Ｆ_exh
ここで、Ｔ_prvは、副生成物の付着等を予防できるインレットフランジ５の内面温度、Ｔ_funは、処理室８内（ウエハＷ）の温度、Ｆ_exhは、排気の流量であり、ａ₁、ａ₂、ｂ₁、ｂ₂、ｃは正の比例定数である。

また、温度センサのいずれか一方が断線した場合には、断線していない温度センサを用いてヒータ要素５０ａ〜５０ｆへの供給電力を制御するように切り替えるよう構成されている。

次に、上述の基板処理装置１を用い、ウエハＷ上に膜を形成する処理（成膜処理）について説明する。ここでは、ウエハＷに対して、原料ガスとしてＤＣＳ（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂：ジクロロシラン）ガスと、反応ガスとしてＮＨ₃（アンモニア）ガスとを供給することで、ウエハＷ上にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を形成する例について説明する。尚、以下の説明に於いて、基板処理装置１を構成する各部の動作は、コントローラ３６により制御される。

（ウエハチャージ及びボートロード）
複数枚のウエハＷがボート１４に装填（ウエハチャージ）されると、ボート１４はボートエレベータ１７によって処理室８内に搬入（ボートロード）され、反応管２の下部以降は蓋部９によって気密に閉塞（シール）された状態となる。この時、第１パージガス供給部から、第１パージガス２８としてＮ₂ガスを間隙４１を介してノズル２３ａ〜２３ｃの基部に供給する。又、第２パージガス供給部から、第２パージガス４９としてＮ₂ガスを、第２パージガス流路２７を介して隙間４６に供給する。更に、第１パージガス２８から分岐された第３パージガス２９が、筒体３９の内周面内に供給される。第１パージガス２８、第２パージガス４９の供給は、少なくとも成膜処理が完了する迄継続される。また、蓋部９がインレットフランジ５に当接する前に、バルブ４１、４２が開いていない場合には、開とされる。

（圧力調整及び温度調整）
処理室８内が所定の圧力（真空度）となる様に、真空ポンプ３５によって真空排気（減圧排気）される。処理室８内の圧力は、圧力センサ３３で測定され、測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ３４がフィードバック制御される。又、処理室８内のウエハＷが所定の処理温度となる様に、ヒータ３によって加熱される。この際、処理室８が所定の温度分布となる様に、温度検出器４が検出した温度情報に基づきヒータ３への通電具合がフィードバック制御される。又、回転機構１６によるボート１４及びウエハＷの回転を開始する。

又この時、各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆにより、インレットフランジ５は、例えば設定温度である２７０℃に加熱される。この際、インレットフランジ５の各領域に配置したヒータ要素が設定温度となる様に、温度制御器６０によって各グループのヒータ要素５０ａ〜５０ｆへの通電具合がフィードバック制御される。設定温度は、例えば副生成物の分圧が、設定温度における飽和蒸気圧を超えないように、より好ましくは飽和蒸気圧よりも所定量だけ低くなるように設定されうる。副生成物は１つとは限らず、塩化アンモニウム、クロロシランポリマー等が含まれうる。なお、この各ヒータ要素５０ａ〜５０ｆへの加熱は、少なくとも成膜処理が完了する迄継続される。

（成膜処理）
［原料ガス供給工程］
処理室８内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、処理室８内のウエハＷに対してＤＣＳガスを供給する。ＤＣＳガスは、ＭＦＣ２１ａにて所望の流量となる様に制御され、ガス供給管１９ａ及びノズル２３ａを介して処理室８内に供給される。この時、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部から炉口部に対してＮ₂ガスが供給されている。これにより、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部と周辺部を第１パージガス２８で集中的にパージできると共に、それ以外の部分を第２パージガス４９でパージし、炉口部の原料ガス濃度を希釈できる。尚、この工程に於いて、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部によるＮ₂ガスの供給を一時的に増加させてもよい。

［原料ガス排気工程］
次に、ＤＣＳガスの供給を停止し、真空ポンプ３５により処理室８内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部から、不活性ガスとしてＮ₂ガスを処理室８内に供給してもよい（不活性ガスパージ）。この排気工程では、ＡＰＣバルブ３４が一時的に全開となり、排気口２６には大流量で高温の排気が流れうる。この間、コントローラ３６は、冷却ブロック５６へ十分な冷却水が供給されるようにバルブ４２を制御するとともに、設定温度を下げるような補償値を温度制御器６０に与えることができる。

［反応ガス供給工程］
次に、処理室８内のウエハＷに対してＮＨ₃ガスを供給する。ＮＨ₃ガスは、ＭＦＣ２１ｂにて所望の流量となる様に制御され、ガス供給管１９ｂ及びノズル２３ｂを介して処理室８内に供給される。この時、第１パージガス供給部、第２パージガス供給部から炉口部に対してＮ₂ガスが供給されている。これにより、ノズル２３ａ〜２３ｃの基部と周辺領域を集中的にパージできると共に、その他の部分についてもパージでき、炉口部に於ける反応ガス濃度を希釈することができる。

［反応ガス排気工程］
次に、ＮＨ₃ガスの供給を停止し、真空ポンプ３５により処理室８内を真空排気する。この時、不活性ガス供給部からＮ₂ガスを処理室８内に供給してもよい（不活性ガスパージ）。また、原料ガス排気工程と同様に、冷却水や設定温度が制御されうる。

上述した４つの工程を行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことにより、ウエハＷ上に、所定組成及び所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる。

（ボートアンロード及びウエハディスチャージ）
所定膜厚の膜を形成した後、不活性ガス供給部からＮ₂ガスが供給され、処理室８内がＮ₂ガスに置換されると共に、処理室８の圧力が常圧に復帰される。その後、ボートエレベータ１７により蓋部９が降下され、ボート１４が反応管２から搬出（ボートアンロード）される。その後、処理済ウエハＷは、ボート１４より取出される（ウエハディスチャージ）。

ウエハＷにＳｉＮ膜を形成する際の処理条件としては、例えば下記が例示される。
処理温度（ウェーハ温度）：３００℃〜７００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１Ｐａ〜４０００Ｐａ、
ＤＣＳガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
ＮＨ₃ガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ₂ガス：１００ｓｃｃｍ〜１００００ｓｃｃｍ、
それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内の値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることができる。なお成膜処理は、ウエハＷ上にＳｉＮ膜を形成するものに限定されず、例えば、ウエハＷ上にＳｉＯ₂膜、ＳｉＯＮ膜等を形成する場合にも好適に適用できる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本開示は上述の実施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変更可能である。

例えば、上記実施形態では、６個のヒータ要素を２個のグループにグループ化し、グループ毎に独立して、各ヒータ要素への供給電力を制御する構成について説明したが、これに限らず、６個のヒータ要素を２以上の例えば３個のグループにグループ化し、グループ毎に独立して、各ヒータ要素への供給電力を制御する場合にも適用できる。具体的には、図８に示すように、温度が高くなりやすい排気管３２付近のヒータ要素５０ａ，５０ｂのグループ１と、グループ１以外のヒータ要素５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆをヒータ要素５０ｃ，５０ｄのグループ２と、ヒータ要素５０ｅ，５０ｆのグループ３に分けて、３個のグループの領域にそれぞれ温度センサ５２ａ，５２ｂ，５２ｃを配設する。そして、３個の温度センサにより検出された検出温度に基づいて、各グループのヒータ要素への供給電力を制御するようにしてもよい。

すなわち、排気ガスの不均一（非対称）な流れや、インレットフランジ５に設けられた配管類等からの熱逃げ、冷却水路２５ａや冷却ブロック５６等の詰まり等のその他の温度ムラの原因に応じて、複数のグループにグループ化して、制御をすることができる。この場合、温度センサやヒータ要素の一部が断線したり、故障した場合であっても、他の温度センサやヒータ要素を用いて制御することが可能となる。

また、図９に示すように、ヒータ５０は、周方向だけでなく高さ方向にも分割されうる。そして複数のヒータ要素を独立に制御することにより、インレットフランジ５の内周面を、高さ方向においても均一に、或いは所望の温度分布となるよう、加熱することができる。

また、ヒータ５０は、半径方向にも分割されうる。例えば、筒部５ｃの外周面に密着させて設けられる内側ヒータ要素と、内側ヒータ要素の外側に断熱層を介して設けられる外側ヒータ要素とによる、２重構成を用いることができる。外側ヒータ要素は、断熱層内の温度勾配を低減し、断熱層を通って放散される熱量を減少させる。内側ヒータ要素に求められる発熱量は小さいため、安価に構成することができる。

また、ヒータ５０は、インレットフランジ５の内周面を均一な温度に加熱するものに限定されない。例えば、設定温度は、各グループに対応するインレットフランジ５の内周面における副生成物の分圧が、飽和蒸気圧を超えないように決定することができる。つまり開口部２Ｅからの距離や、第１パージガス２８、第２パージガス４９の流量に依存して、副生成物の分圧は変化しうるため、分圧が高い位置では温度も高くなるように、設定することができる。分圧は、副生成物の付着の状況から経験的に推定できる。
また、補償値や冷却水量の制御は、成膜等の基板処理中に行うものに限らず、反応管２内のガスクリーニングを行う際にも、好適に実施されうる。この時の設定温度は、エッチング反応が満遍なく起こるように、均一に与えられうる。或いは、除去すべき堆積物の膜厚が大きい位置では温度も高くなるように、設定することができる。

なお、上記実施形態では、コントローラ３６が予め取得した補償量を用いる例を述べたが、レシピの中で副生成物の付着に決定的な補償量が１つのみである場合、この補償量に相当するような単位発熱量の違いをヒータ５０に付与することによっても、温度ムラを効果的に抑制しうる。つまり、排気口２６の発熱量が他よりも低くなるような発熱量分布を有するヒータ５０を構成すればよい。自己制御ヒータは、この目的に使用できる。

１ 基板処理装置
２ 反応管
５ インレットフランジ
８ 処理室
１４ ボート（基板保持具）
２６ 排気口
３２ 排気管
３６ コントローラ
６０ 温度制御器

Claims (6)

1. 所定の間隔で配列された複数の基板を保持する基板保持具と、
   上端を閉塞する天井と、下端を開口する開口部と、を備え、前記開口部を介して前記基板保持具を出し入れ可能に収容する、鉛直方向に延びた筒状の反応管と、
   前記反応管の下端に接続され、外周面に複数のガス導入ポートを備える筒状のインレットフランジと、
   前記インレットフランジの下端開口を、前記基板保持具を出し入れ可能に塞ぐ蓋部と、
   前記インレットフランジに、前記ガス導入ポートを避けて設けられる複数のヒータ要素と、
   前記インレットフランジもしくは前記ヒータ要素のいずれかと熱的に結合され、温度を検出する温度センサと、
   配設された前記ヒータ要素を前記温度センサの数に対応したグループ数にグループ化し、対応する前記温度センサにより検出された検出温度に基づいて、各グループの前記ヒータ要素への供給電力をそれぞれ独立に制御する温度制御器と、
   を備える基板処理装置。
2. 前記ヒータ要素は、前記インレットフランジの外周面に沿って配設され、前記ヒータ要素の数は、Ｍ（Ｍは３以上の整数）個であり、
   前記温度センサの数は、Ｎ（Ｎは２以上かつＭより小さい整数）個であり、
   前記温度制御器は、前記Ｎ個の温度センサの検出温度が、所定の設定温度と一致するように前記ヒータ要素への供給電力をそれぞれ制御する請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記インレットフランジは、上端において前記反応管と気密に接続する上フランジと、下端において前記蓋部と気密に接続する下フランジと、前記上フランジと前記下フランジを接続する筒部と、を有し、
   前記上フランジ又は前記上フランジに接続され前記反応管の開口部を前記上フランジに固定するクランプは、区分的に全周にわたって埋め込まれた冷却水路を有し、前記筒部の高さは、前記複数のガス導入ポートが有するコネクタの最大の直径と、略等しいかそれよりも低く設定され、
   前記Ｍ個のヒータ要素は、前記グループ毎に直列又は並列に接続され、単位長さ当たりの発熱量が等しい、請求項１の基板処理装置。
4. 前記反応管は、前記開口部付近において、内部のガスを排出する排気管を有し、前記排気管の少なくとも下辺に隣接して前記排気管を冷却する冷却器を更に備えた、請求項３の基板処理装置。
5. 筒状の反応管の下端に接続される筒状のインレットフランジに、ガス導入ポートを避けながら設けられた複数のヒータ要素が、前記インレットフランジもしくは前記ヒータ要素のいずれかと熱的に結合されて温度を検出する温度センサの数に対応した数のグループにグループ化されており、前記温度センサにより検出された検出温度に基づいて、グループ毎に独立して、前記ヒータ要素への供給電力をそれぞれ制御する工程と、
   前記インレットフランジの下端開口から、基板保持具に保持された複数の基板を前記反応管の中に搬入し、前記下端開口を蓋で塞ぐ工程と、
   所定の温度まで加熱した前記反応管の内部に、前記ガス導入ポートからガスを供給する工程と、を有する
   半導体装置の製造方法。
6. 筒状の反応管の下端に接続される筒状のインレットフランジに、ガス導入ポートを避けながら設けられた複数のヒータ要素を、前記インレットフランジもしくは前記ヒータ要素のいずれかと熱的に結合されて温度を検出する温度センサの数に対応した数のグループにグループ化し、前記温度センサにより検出された検出温度に基づいて、グループ毎に独立して、前記ヒータ要素への供給電力をそれぞれ制御する手順と、
   前記インレットフランジの下端開口から、基板保持具に保持された複数の基板を前記反応管の中に搬入し、前記下端開口を蓋で塞ぐ手順と、
   所定の温度まで加熱した前記反応管の内部に、前記ガス導入ポートからガスを供給する手順と、
   をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。

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