JP4247020B2

JP4247020B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4247020B2
Application number: JP2003080695A
Authority: JP
Inventors: 天和山口; 敏光宮田; 一彦工藤; 孝夫菱沼
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004006737A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造技術、特に、被処理物を処理室に収容してヒータによって加熱した状態で処理を施す熱処理技術に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）が作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニールおよび熱ＣＶＤ反応による成膜処理等（以下、熱処理という。）に使用される熱処理装置（furnace ）に利用して有効なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣの製造方法におけるウエハの熱処理には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置（以下、ホットウオール形熱処理装置という。）が、広く使用されている。ホットウオール形熱処理装置は、ウエハが搬入される処理室を形成するインナチューブおよびこの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、プロセスチューブの外部に敷設されてプロセスチューブ内を加熱するヒータとを備えており、複数枚のウエハがボートによって長く整列されて保持された状態でインナチューブ内に下端の炉口から搬入（ボートローディング）され、ヒータによって処理室内が加熱されることにより、ウエハに熱処理が施されるように構成されている。このようなホットウオール形熱処理装置においては、プロセスチューブとボートとの間にプロファイル熱電対（以下、熱電対という。）を配置してウエハ近傍の温度を計測し、この計測結果に基づいてヒータをフィードバック制御することにより、熱処理を適正に制御することが行われている。
【０００３】
この熱電対による温度制御の方法においては、ウエハ近傍の温度を測定しているため、熱電対の測定温度にはウエハの実際の温度と差が発生するという問題点があり、また、ヒータの高速の昇温および降温時には熱電対の測温の応答性の悪さから、コントローラの複雑な補正や温度追従性の遅延が問題となる。そこで、このようなウエハの実際の温度と熱電対の測定温度との差を解消する方法として、熱電対の測温部（熱接点）をウエハに固定し、この熱電対付きのウエハを複数枚ずつボートに装填することにより、ボートに装填されたウエハの実際の温度を測定する方法が、提案されている（例えば、特開平１１−１１１６２３号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電対の測温部をウエハに固定するウエハの実際の温度を測定する方法においては、製品となるウエハ（以下、プロダクトウエハという。）の一回に処理可能な枚数が減少するか、または、プロダクトウエハの一回に処理可能な枚数の減少を回避する場合にはプロセスチューブやボートおよびヒータを長く設定することになるため、ＩＣの製造コストが増加する等の問題点がある。また、ウエハに測温部を固定した熱電対はボート周りに引き回す状態になるため、メンテナンス時等にボートがシールキャップから取り外される際に、その取り外し作業に時間が浪費されたり、熱電対の引回し状態が不適正であると、処理ガスや熱がウエハに伝達されるのを妨害したりするという問題点がある。さらに、熱電対の引回し作業の煩わしさを回避するために、熱電対を固定したウエハはボートに存置しておきたいが、熱電対を固定したウエハにはバッチ処理毎に処理ガスの生成物や未生成物が堆積して行くため、熱電対を固定したウエハとプロダクトウエハとの間には徐々に温度差が発生してしまうという問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、従来の技術のこれらの問題点を解決し、被処理物の現在の実際の温度を応答性よく計測することによって熱処理を適正に実行することができる半導体製造技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するための手段は、熱特性が被処理物と同等または近似であり最大外径が被処理物よりも小さく、かつ、厚さが被処理物と同等の被測温部材が、処理室の温度を測定する熱電対の熱接点に固定されていることを特徴とする。
【０００７】
前記した手段によれば、被測温部材の熱特性が被処理物のそれと同等または近似していることにより、被測温部材の温度は被処理物の温度に追従することになるため、熱電対は被測温部材の温度を測定することにより、被処理物の現在の実際の温度を応答性よく計測することになる。つまり、熱電対の測温結果に基づいてヒータをフィードバック制御するコントローラは、被処理物の現在の実際の温度に基づいてヒータを応答性よくフィードバック制御することができるため、熱処理を適正に実行することができる。他面、熱電対は被処理物自体に固定されるのではなく被測温部材に固定され、かつ、その被測温部材は被処理物よりも外径が小さく設定されているため、被測温部材は被処理物に関わらず任意に配置することができるとともに、熱電対は任意に配線することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
【０００９】
本実施の形態において、図１に示されているように、本発明に係る半導体製造装置は、ＩＣの製造方法における熱処理工程を実施するホットウオール形熱処理装置（バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置）１０として構成されている。
【００１０】
図１に示されているホットウオール形熱処理装置１０は、中心線が垂直になるように縦に配されて固定的に支持された縦形のプロセスチューブ１１を備えている。プロセスチューブ１１はインナチューブ１２とアウタチューブ１３とから構成されており、インナチューブ１２は石英ガラスまたは炭化シリコン（ＳｉＣ）が使用されて円筒形状に一体成形され、アウタチューブ１３は石英ガラスが使用されて円筒形状に一体成形されている。インナチューブ１２は上下両端が開口した円筒形状に形成されており、インナチューブ１２の筒中空部はボートによって長く整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室１４を形成している。インナチューブ１２の下端開口はウエハを出し入れするための炉口１５を構成している。したがって、インナチューブ１２の内径は取り扱うウエハの最大外径（例えば、三百ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。
【００１１】
アウタチューブ１３は内径がインナチューブ１２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、インナチューブ１２にその外側を取り囲むように同心円に被せられている。インナチューブ１２とアウタチューブ１３との間の下端部は多段の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おり、マニホールド１６はインナチューブ１２およびアウタチューブ１３の交換等のためにインナチューブ１２およびアウタチューブ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がホットウオール形熱処理装置の筐体２に支持されることにより、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。
【００１２】
マニホールド１６の側壁の上部には排気管１７が接続されており、排気管１７は排気装置（図示せず）に接続されてプロセスチューブ１１の内部を排気し得るようになっている。排気管１７はインナチューブ１２とアウタチューブ１３との間に形成された隙間に連通した状態になっており、インナチューブ１２とアウタチューブ１３との隙間によって排気路１８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。排気管１７がマニホールド１６に接続されているため、排気管１７は円筒形状の中空体を形成されて垂直に延在した排気路１８の最下端部に配置された状態になっている。
【００１３】
また、マニホールド１６の側壁の下部にはガス導入管１９がインナチューブ１２の炉口１５に連通するように接続されており、ガス導入管１９には原料ガス供給装置やキャリアガス供給装置およびパージガス供給装置（いずれも図示せず）が接続されている。ガス導入管１９によって炉口１５に導入されたガスはインナチューブ１２の処理室１４を流通して排気路１８を通って排気管１７によって外部へ排気される。
【００１４】
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２０が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２０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、プロセスチューブ１１の外部に垂直に設備されたボートエレベータ（図示せず）によって垂直方向に昇降されるように構成されている。シールキャップ２０の中心線上にはボート２１が垂直に立脚されて支持されるようになっている。
【００１５】
ボート２１は上下で一対の端板２２、２３と、両端板２２と２３との間に架設されて垂直に配設された三本の保持部材２４とを備えており、三本の保持部材２４には多数条の保持溝２５が長手方向に等間隔に配されて互いに対向して開口するように刻設されている。ボート２１は三本の保持部材２４の保持溝２５間にウエハ１の周辺部をそれぞれ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２１とシールキャップ２０との間には内部に断熱材（図示せず）が封入された断熱キャップ部２６が配置されており、断熱キャップ部２６はボート２１をシールキャップ２０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２１の下端を炉口１５の位置から適当な距離だけ離間させるように構成されている。
【００１６】
図１に示されているように、プロセスチューブ１１の外側は断熱槽３１によって全体的に被覆されており、断熱槽３１の内側にはプロセスチューブ１１の内部を加熱するヒータ３２が、アウタチューブ１３の周囲を包囲するように同心円に設備されている。断熱槽３１はステンレス鋼等の薄板から円筒形状に形成されたカバーの内部にガラスウール等の断熱材が封入されて、プロセスチューブ１１の外径よりも大径で長さが同程度の円筒形状に形成されており、ホットウオール形熱処理装置の筐体２に支持されることによって垂直に据え付けられている。ヒータ３２はニクロム線等の線形の電気抵抗体によって形成されて、断熱槽３１の内周面に螺旋状に巻装されている。ヒータ３２は上側から順に、第一ヒータ部３２ａ、第二ヒータ部３２ｂ、第三ヒータ部３２ｃ、第四ヒータ部３２ｄおよび第五ヒータ部３２ｅに五分割されており、これらヒータ部３２ａ〜３２ｅは温度コントローラ３３によって互いに連携および独立してシーケンス制御されるように構成されている。
【００１７】
図１に示されているように、シールキャップ２０の外周辺部の一箇所には保護管３４がボート２１に干渉しないように上下方向に貫通されて垂直に固定されており、ボート２１の処理室１４への搬入時には、保護管３４はインナチューブ１２の内周面とボート２１の外周面との間に位置する状態になっている。保護管３４には五本の熱電対３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄおよび３５ｅが纏めて封入されている。五本の熱電対３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄおよび３５ｅは温度コントローラ３３にそれぞれ接続されており、各熱電対３５ａ〜３５ｅは温度計測結果を温度コントローラ３３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３３は各熱電対３５ａ〜３５ｅからの計測温度に基づいて各ヒータ部３２ａ〜３２ｅをフィードバック制御するようになっている。すなわち、温度コントローラ３３は各ヒータ部３２ａ〜３２ｅの目標温度と各熱電対３５ａ〜３５ｅの計測温度との誤差を求めて、誤差がある場合には誤差を解消させるフィードバック制御を実行するようになっている。
【００１８】
五本の熱電対３５ａ〜３５ｅの測温点である熱接点３６ａ〜３６ｅの高さは五箇所のヒータ部３２ａ〜３２ｅの高さにそれぞれ対応するように設定されており、五つの熱接点３６ａ〜３６ｅには半導体または不導体の一例であってウエハと熱特性が同等または近似する材料であるシリコンが使用されて縦横厚さが３ｍｍ×６ｍｍ×１ｍｍに形成された被測温部材４０ａ〜４０ｅがそれぞれ固定されている。熱電対と被測温部材との関係や固定構造を、最上段のヒータ部３２ａに対応した熱電対３５ａを代表にして図２を主に使用して説明する。
【００１９】
本実施の形態においては、熱電対３５ａの熱電対素線としては白金線と白金・ロジウム線とが使用されている。図１に示されているように、熱電対３５ａの受信器３７ａは保護管３４の外部に配置されており、受信器３７ａには熱電対３５ａの測温結果を温度コントローラ３３に送信する電気配線３８ａが接続されている。図２に示されているように、保護管３４の内部におけるヒータ部３２ａに対向する位置には熱電対３５ａの熱接点３６ａに固定された被測温部材４０ａが配置されている。熱接点３６ａは被測温部材４０ａのヒータ部３２ａに対向する側の面とは反対側であるボート２１側の面における中央部に当接されて、アルミナ（セラミック）接着材等の耐熱性を有する接着材からなる接着材層３９ａによって固定されている。
【００２０】
被測温部材４０ａの熱特性は被処理物であるウエハ１の温度変化に良好に応答ないしは追従して温度変化するようにウエハ１の熱特性と同等または近似されている。ウエハと同等または近似する温度応答性ないしは温度追従特性を持たせる被測温部材４０ａの熱特性としては、次の三つが必要である。第一は比熱と密度の積である。被測温部材４０ａの温度をヒータ温度にまで上昇させるのに必要な流入熱量は次の1)式、ウエハ１への同様の流入熱量は2)式の通りになる。式中、ｃは被測温部材を表し、ｗはウエハを表しており、Ｑは熱量、Ｍは質量、Ｃは比熱、Ｔｈはヒータ温度、Ｔは温度の上昇量、Ｖは体積、ρは密度、である。
Ｑｃ＝Ｍｃ×Ｃｃ×（Ｔｈ−Ｔｃ）＝Ｖｃ×ρｃ×Ｃｃ×（Ｔｈ−Ｔｃ）…1)
Ｑｗ＝Ｍｗ×Ｃｗ×（Ｔｈ−Ｔｗ）＝Ｖｗ×ρｗ×Ｃｗ×（Ｔｈ−Ｔｗ）…2)
1)式と2)式とにおいて、温度条件が同一であり、単位体積当たりの被測温部材への流入熱量Ｑｃ／Ｖｃとウエハへの流入熱量Ｑｗ／Ｖｗとが等しいと、次の3)式が成立する。
ρｃ×Ｃｃ＝ρｗ×Ｃｗ・・・3)
ここで、被測温部材とウエハとはヒータからのふく射を同じように受けるので、単位表面積当りの流入熱量は両者で等しい。したがって、被測定物とウエハの厚さが同等であると、体積当りの流入熱量が両者で等しく、前記のＱｃ／Ｖｃ＝Ｑｗ／Ｖｗの関係が成立する。
この3)式から、被測温部材４０ａの比熱と密度の積がウエハ１のそれと同一であり、かつ、厚さが同等であればよく、被測温部材４０ａの体積とウエハ１の体積とを同一に設定しなくても済むことになる。
第二は放射率（吸収率）である。ふく射交換の式は次の4)式で一般的に知られている。
Ｑ＝Ａ₁ Ｘ₁₂σ（Ｔ₁ ⁴ −Ｔ₂ ⁴ ）・・・4)
式中、
Ｘ₁₂＝１／｛１／ε₁ ＋（１／ε₂ −１）×Ａ₁ ／Ａ₂ ｝
Ｑは熱量、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔ₁ 、Ｔ₂ は物体温度、Ａ₁ 、Ａ₂ は２物体の面積、ε₁ 、ε₂ は２物体の放射率、である。
この4)式を、被測温部材と、単位面積当りのウエハとの２つ式を立て、ヒータ温度（Ｔｈ）がある温度のときにＱは等しいことから、次の5)式が成立する。
εｃ＝εw ・・・5)
つまり、被測温部材と単位面積当りのウエハの放射率は同等もしくは近似しなければならない。
また、吸収率については、キルヒホッフの法則（ある物体のある温度での、同一波長の放射線に対して、吸収（α）と放射（ε）は等しい）により、吸収率が決まれば、放射率も決まるので、どちらか一方を定義すればよい。
第三は熱伝導率である。
熱伝導率は次の式6)で求められることが一般的に知られている。
Ｑ＝λ（ΔＴ／Δｘ）×Ａ・・・6)
式中、Ｑは熱量、λは熱伝導率、ΔＴは温度変化量、Δｘは物体内部間の距離、Ａは熱の通過する面積である。
例えば、被測温部材のλが極端に小さい（熱伝導率が悪い）と、熱電対の熱接点（測温部）に熱が伝わりにくく、その結果、制御の応答性が悪くなる。逆に、被測温部材のλが極端に大きいと、実際のウエハの温度よりも被測温部材の温度が上昇してしまい、熱電対は高めの温度を示すことになる（安定時は一緒の温度を示す。）。つまり、熱伝導率は同等もしくは近似している必要がある。
本実施の形態においては、被測温部材４０ａはウエハ１を構成する材料と同一であるシリコンによって形成されていることにより、比熱と密度の積、放射率（吸収率）、熱伝導率がウエハ１と同一になるため、被測温部材４０ａはその体積を小さく設定してもウエハ１の温度変化に良好に応答ないしは追従して温度変化することになる。
【００２１】
次に、前記構成に係るホットウオール形熱処理装置を使用した場合の本発明の一実施の形態であるＩＣの製造方法の熱処理工程を説明する。
【００２２】
図１に示されているように、複数枚のウエハ１を整列保持したボート２１はシールキャップ２０の上にウエハ１群が並んだ方向が垂直になる状態で載置され、ボートエレベータによって差し上げられてインナチューブ１２の炉口１５から処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行き、シールキャップ２０に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。
【００２３】
プロセスチューブ１１の内部が排気管１７によって排気されるとともに、プロセスチューブ１１の内部がヒータ３２の各ヒータ部３２ａ〜３２ｅによって温度コントローラ３３のシーケンス制御の目標温度（例えば、６００〜１２００℃）に加熱される。この際、ヒータ３２の各ヒータ部３２ａ〜３２ｅの加熱によるプロセスチューブ１１の内部の実際の上昇温度と、各ヒータ部３２ａ〜３２ｅのシーケンス制御の目標温度との誤差は、各熱電対３５ａ〜３５ｅの測温結果に基づくフィードバック制御によってそれぞれ補正される。
【００２４】
ここで、本実施の形態においては、各被測温部材４０ａ〜４０ｅの熱特性がウエハ１のそれと同等または近似していることにより、被測温部材４０ａ〜４０ｅの温度はウエハ１の温度変化に良好な応答性をもって追従する。他方、被測温部材４０ａ〜４０ｅには各熱電対３５ａ〜３５ｅの熱接点３６ａ〜３６ｅが固定されているため、各熱電対３５ａ〜３５ｅは被測温部材４０ａ〜４０ｅの温度変化に良好な応答性をもって追従する。したがって、各熱電対３５ａ〜３５ｅは各被測温部材４０ａ〜４０ｅの温度変化を良好な応答性をもって追従することにより、ウエハ１の温度変化を良好な応答性をもって追従して計測することになる。つまり、各熱電対３５ａ〜３５ｅの測温結果に基づいて各ヒータ部３２ａ〜３２ｅをフィードバック制御する温度コントローラ３３は、ウエハ１の現在の実際の温度に基づいて各ヒータ部３２ａ〜３２ｅを良好な応答性をもってフィードバック制御することになる。
【００２５】
しかも、各熱接点３６ａ〜３６ｅの固定側の面と反対側の面が一本の保護管３４の内部において各ヒータ部３２ａ〜３２ｅの側に正対して取り付けられていることにより、被測温部材４０ａ〜４０ｅは各ヒータ部３２ａ〜３２ｅの輻射熱を直角に受ける状況になるため、ウエハ１の温度変化により一層良好な応答性をもって追従することができる。
【００２６】
ちなみに、被測温部材をウエハと平行（ヒータとは直角）になるように配置した場合には、被測温部材のウエハに対する温度追従性は本実施の形態に係る場合に比べて低下することが実験によって究明された。これは、ボートの上のウエハはヒータの輻射熱を上面と下面との両面から直接的に得るのに対して、被測温部材の片面は熱接点を固定するために形成された熱伝導率の低い接着材層を介して間接的に輻射熱を受けることにより、ウエハの温度よりも低い温度になってしまうためと、考察される。
【００２７】
ここで、図３は温度コントローラの制御による温度上昇特性を示すグラフであり、（ａ）は従来例の場合を示しており、（ｂ）は本実施の形態に係る場合を示している。図３において、横軸には時間（分）が取られており、縦軸には処理室のウエハの周辺部の代表温度が取られている。図３は５５０℃のスタンバイ温度から８００℃の処理温度まで約５０℃／分で上昇させる場合を示しており、（ａ）および（ｂ）の実験の条件は熱電対を除いて同一である。ちなみに、スタンバイ温度は処理温度よりも低い１５０℃〜３００℃に設定するのが一般的であるが、最近では、スタンバイ温度を処理温度よりも高く設定してボートの処理室への搬入後にスタンバイ温度から処理温度に降下させる熱処理工程も、提案されている。
【００２８】
図３（ａ）に示されているように、約５０℃／分のような高速昇温下においては、従来例の場合には熱電対の温度がウエハの実際の温度よりも低くなるため、ウエハの温度がヒータの目標温度を超えるオーバーシュート現象が起き、かつまた、オーバーシュートした温度から目標温度に達するまでに時間を要してしまう。したがって、従来例の場合には熱処理の開始時点が遅延してしまい、結局、熱処理工程全体としての時間が長くなってしまう。
【００２９】
これに対して、本実施の形態に係る場合においては、前述した通り、熱電対の温度がウエハの温度と略同一の温度になるため、図３（ｂ）に示されているように、オーバーシュート現象は最小限度に抑制される。したがって、本実施の形態によれば、目標温度に対して安定するまでの時間を短縮させることにより、熱処理の開始時点を早めることができ、その結果、熱処理工程全体としての時間を短縮することができる。
【００３０】
以上の温度制御によって処理室１４の全体が予め設定された処理温度に安定すると、処理ガスが処理室１４へガス導入管１９から導入される。処理室１４に導入された処理ガスは処理室１４を上昇した後にインナチューブ１２の上端開口から排気路１８へ流れ込み、排気路１８を通じて排気管１７から排気される。処理ガスは処理室１４を流れる際に、ウエハ１群に接触することによりウエハ１の表面に熱処理を施す。
【００３１】
熱処理がウエハ１群に実施されて予め設定された熱処理時間が経過すると、ヒータ部３２ａ〜３２ｅの加熱作用が温度コントローラ３３のシーケンス制御によって停止されて、プロセスチューブ１１の内部の温度が予め設定されたスタンバイ温度（例えば、処理温度よりも１５０℃〜３００℃低い温度）に降下されて行く。この際においても、ヒータ３２の各ヒータ部３２ａ〜３２ｅによるプロセスチューブ１１の内部の実際の下降温度と、各ヒータ部３２ａ〜３２ｅのシーケンス制御の目標温度との誤差は、各熱電対３５ａ〜３５ｅの測温結果に基づくフィードバック制御によってそれぞれ補正される。ここでも、各熱電対３５ａ〜３５ｅはウエハ１の温度変化を良好な応答性をもって計測するため、温度コントローラ３３はウエハ１の現在の実際の温度に基づいて各ヒータ部３２ａ〜３２ｅを良好な応答性をもってフィードバック制御する。
【００３２】
そして、予め設定されたスタンバイ温度になるか、または、予め設定された降温時間が経過すると、シールキャップ２０が下降されて炉口１５が開口されるとともに、ボート２１に保持された状態でウエハ１群が炉口１５からプロセスチューブ１１の外部に搬出（ボートアンローディング）される。
【００３３】
以上の作用が繰り返されることにより、ホットウオール形熱処理装置による熱処理がウエハ１にバッチ処理されて行く。
【００３４】
前記実施の形態によれば、次の効果が得られる。
【００３５】
1) 熱特性がウエハのそれと同等または近似した被測温部材に熱電対の熱接点を固定することにより、熱電対はウエハの温度をウエハの温度変化に良好な応答性をもって計測することができるため、熱電対の測温結果に基づいてヒータをフィードバック制御する温度コントローラはウエハの現在の実際の温度に基づいてヒータを良好な応答性をもってフィードバック制御することができ、その結果、ホットウオール形熱処理装置は熱処理を適正に実行することができる。
【００３６】
2) 熱接点の固定側の面と反対側の面をヒータに正対して取り付けることにより、被測温部材はヒータの輻射熱を直角に受けることができるため、熱電対はウエハの温度をより一層良好な応答性をもって計測することができる。
【００３７】
3) 熱電対を被処理物であるウエハに固定するのではなく被測温部材に固定することにより、ホットウオール形熱処理装置における一回に処理可能なプロダクトウエハの枚数が減少するのを防止することができるため、ＩＣの製造方法における熱処理工程の生産性の低下を防止することができる。
【００３８】
4) 熱電対をウエハに固定するのではなく被測温部材に固定することにより、ウエハを保持するボートから熱電対を独立して配線することができるため、熱電対の配線レイアウトの自由度や熱電対のメンテナンス性を高めることができる。
【００３９】
5) 処理ガスやヒータの熱のウエハへの伝達を妨害しないように、被測温部材および熱電対をプロセスチューブの内部にレイアウトすることにより、処理ガスやヒータの熱をウエハに適正に伝達させることができるため、ホットウオール形熱処理装置の熱処理精度や信頼性を高めることができる。
【００４０】
6) 被測温部材の縦横寸法をウエハの直径よりも小さく設定することにより、被測温部材のレイアウトの自由度を高めることができ、シールキャップに固定された保護管であっても配設することができる。
【００４１】
7) 小さな被測温部材をシールキャップに固定された保護管に配設することにより、被測温部材は処理室に対して搬入搬出される状況になるため、被測温部材に堆積する処理ガスの反応生成物や未反応生成物を除去するメンテナンス作業を処理室からの搬出時に定期的または不定期的に簡単に実施することができ、その結果、被測温部材とウエハとの間に温度差が発生するのを未然に防止することができる。
【００４２】
図４は本発明の第二の実施の形態に係る被測温部材の取付構造を示す一部省略斜視図である。
【００４３】
本実施の形態が前記実施の形態と異なる点は、複数本の熱電対３５ａ、３５ｂ・・・が一本の保護柱４１の外周面にそれぞれ敷設され、各固定リング４２によってそれぞれ固定されている点である。
【００４４】
本実施の形態においても、被測温部材４０ａ、４０ｂ・・・が各ヒータ部３２ａ、３２ｂ・・・の輻射熱を直角に受けてウエハ１の温度変化により一層良好な応答性をもって追従することができる状況になるように設定するため、被測温部材４０ａ、４０ｂ・・・の各熱接点３６ａ、３６ｂ・・・の固定側の面と反対側の面を各ヒータ部３２ａ、３２ｂ・・・に向けることが望ましい。
【００４５】
図５は本発明の第三の実施の形態である枚葉式ホットウオール形熱処理装置を示す正面断面図、図６は平面断面図である。
【００４６】
本実施の形態においては、本発明に係る半導体製造装置は、ＩＣの製造方法における熱処理工程を実施する枚葉式ホットウオール形熱処理装置として構成されている。
【００４７】
図５および図６に示されているように、枚葉式ホットウオール形熱処理装置５０はウエハ１を収容可能な平面視が長方形の処理室５２を構成したプロセスチューブ５１を備えており、プロセスチューブ５１は石英ガラスまたは炭化シリコンが使用されて高さの低い直方体形状に形成されて、筐体（図示せず）に水平に支持されている。プロセスチューブ５１の四枚の側壁のうち互いに正対する一対の側壁は開口されており、両開口には炉口フランジ５３と炉端フランジ５４とがそれぞれ固定されている。炉口フランジ５３にはウエハ１を処理室５２に搬入搬出するための炉口５５が開設されており、炉口５５はゲートバルブ５６によって開閉されるようになっている。炉口フランジ５３には処理ガスを導入するためのガス導入管５７が炉口５５に連通するように接続されており、炉端フランジ５４には処理室５２を排気するための排気管５８が接続されている。炉端フランジ５４はキャップ５４ａによって閉塞されている。つまり、ガス導入管５７から供給された処理ガスは処理室５２を流れて、排気管５８によって排気されるようになっている。処理室５２の底面にはウエハ置き台５９が載置されており、ウエハ置き台５９はウエハ１を一枚ずつ水平に保持するように構成されている。プロセスチューブ５１の外側にはヒータ６０が処理室５２を均一または所定の温度分布に加熱するように敷設されており、ヒータ６０は温度コントローラ６１によってシーケンス制御およびフィードバック制御されるようになっている。
【００４８】
図６に示されているように、炉端フランジ５４のキャップ５４ａには三本の保護管６２ａ、６２ｂ、６２ｃが水平面で隣合うように並べられてそれぞれ水平方向に挿入されて固定されており、三本の保護管６２ａ、６２ｂ、６２ｃの挿入側先端部はウエハ置き台５９に保持されたウエハ１の真下において、ウエハ１の周辺部の三箇所にそれぞれ位置するようになっている。両端の保護管６２ａ、６２ｂには二本の熱電対６３ａ、６３ｂが一本宛それぞれ封入されており、中央の保護管６２ｃには三本の熱電対６３ｃ、６３ｄ、６３ｅが纏めて封入されている。五本の熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅは温度コントローラ６１にそれぞれ接続されており、各熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅは温度計測結果を温度コントローラ６１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６１は各熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅからの計測温度に基づいてヒータ６０をフィードバック制御するようになっている。すなわち、温度コントローラ６１はヒータ６０の目標温度と各熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅの計測温度との誤差を求めて、誤差がある場合には誤差を解消させるフィードバック制御を実行するようになっている。
【００４９】
図６に示されているように、三本の保護管６２ａ、６２ｂ、６２ｃには五つの被測温部材６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄ、６５ｅが、ウエハ１の中心とその中心を起点とする十字形のウエハ１の周辺部における四つの交差点とにそれぞれ対向するように配置されており、五つの被測温部材６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄ、６５ｅには五本の熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅの熱接点６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、６４ｅがそれぞれ固定されている。熱電対と被測温部材との関係や固定構造は前記実施の形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００５０】
次に、前記構成に係る枚葉式ホットウオール形熱処理装置を使用した場合の本発明の一実施の形態であるＩＣの製造方法の熱処理工程を説明する。
【００５１】
被処理物であるウエハ１はウエハ移載装置（図示せず）によってハンドリングされて処理室５２へ炉口５５から搬入され、図５および図６に示されているように、ウエハ置き台５９の上に載置される。
【００５２】
炉口５５がゲートバルブ５６によって閉じられた後に、処理室５２が排気管５８によって排気されるとともに、ヒータ６０によって温度コントローラ６１のシーケンス制御の目標温度（例えば、６００〜１２００℃）に加熱される。この際、ヒータ６０の加熱による処理室５２の内部の実際の上昇温度とヒータ６０のシーケンス制御の目標温度との誤差は、各熱電対６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅの測温結果に基づくフィードバック制御によってそれぞれ補正される。
【００５３】
本実施の形態においても、各被測温部材６５ａ〜６５ｅの熱特性がウエハ１のそれと同等または近似していることにより、各被測温部材６５ａ〜６５ｅの温度はウエハ１の温度変化に良好な応答性をもって追従する。他方、各被測温部材６５ａ〜６５ｅには各熱電対６３ａ〜６３ｅの熱接点６４ａ〜６４ｅが固定されているため、各熱電対６３ａ〜６３ｅは被測温部材６５ａ〜６５ｅの温度変化に良好な応答性をもって計測する。したがって、各熱電対６３ａ〜６３ｅは各被測温部材６５ａ〜６５ｅの温度変化を良好な応答性をもって追従することによって、ウエハ１の温度変化を良好な応答性をもって追従して計測することになる。つまり、各熱電対６３ａ〜６３ｅの測温結果に基づいてヒータ６０をフィードバック制御する温度コントローラ６１は、ウエハ１の現在の実際の温度に基づいてヒータ６０を良好な応答性をもってフィードバック制御することになる。
【００５４】
また、前記実施の形態と同様に、各熱接点６４ａ〜６４ｅの固定側の面と反対側の面が各保護管６２ａ、６２ｂ、６２ｃの内部においてヒータ６０の側に正対して取り付けられていることにより、各被測温部材６５ａ〜６５ｅはヒータ６０の輻射熱を直角に受けることができるため、ウエハ１の温度変化に良好な応答性をもって追従することができる。
【００５５】
以上の温度制御によって処理室５２の全体が予め設定された処理温度に安定すると、処理ガスが処理室５２へガス導入管５７から導入される。処理室５２に導入された処理ガスは処理室５２を流下した後に排気管５８から排気される。処理ガスは処理室５２を流れる際に、ウエハ１群に接触することによりウエハ１の表面に熱処理を施す。
【００５６】
熱処理がウエハ１群に実施されて予め設定された熱処理時間が経過すると、ヒータ６０の加熱作用が温度コントローラ６１のシーケンス制御によって停止されて、処理室５２の温度が予め設定されたスタンバイ温度（例えば、処理温度よりも１５０℃〜３００℃低い温度）に降温されて行く。
【００５７】
そして、予め設定されたスタンバイ温度になるか、または、予め設定された降温時間が経過すると、炉口５５がゲートバルブ５６によって開口され、ウエハ１がウエハ置き台５９からウエハ移載装置によってピックアップされ処理室５２の外部に搬出される。
【００５８】
以上の作用が繰り返されることにより、枚葉式ホットウオール形熱処理装置５０による熱処理がウエハ１に枚葉処理されて行く。本実施の形態における効果は、前記実施の形態と同様である。
【００５９】
図７は保護管３４の内部における熱電対３５ａ〜３５ｅの熱接点３６ａ〜３６ｅに被測温部材を固定する図１に示された実施の形態の変形例である第四の実施の形態を示している。
【００６０】
本実施の形態においては、熱電対の熱接点に固定する被測温部材を二つ用い熱接点を挟むようにして形成している。すなわち、保護管３４の内部におけるヒータ部３２ａに対向する位置には、熱電対３５ａの熱接点３６ａに固定された第一の被測温部材７０ａが配置されている。第二の被測温部材７１ａはヒータ部３２ａに対向する側の面とは反対側であるボート２１側の面に配置されている。熱接点３６ａは両被測温部材７０ａ、７１ａそれぞれの中央部に当接されて、アルミナ（セラミック）接着材等の耐熱性を有する接着材からなる接着材層７９ａによって固定されている。本実施の形態によれば、第一の被測温部材７０ａが各ヒータ部３２ａの輻射熱を直角に受ける状況になり、さらに、第二の被測温部材７１ａがヒータ部３２ａに対向する側の面と反対側であるボート２１側の輻射熱を直角に受ける状況になるので、ウエハ１の温度変化により一層良好な応答性をもって追従することができる。熱接点３６ｂ〜３６ｅについても同様である。
【００６１】
なお、図８（ａ）に示されているように、第一の被測温部材７０ａは第二の被測温部材７１ａに対して略平行に熱接点３６ａに固定してもよい。また、図８（ｂ）に示されているように、第一の被測温部材７０ａと第二の被測温部材７１ａ同士は一部が接触するように熱接点３６ａに固定してもよい。
【００６２】
図９は図４に示された第二の実施の形態の別の実施の形態を示している。本実施の形態においては、第一の被測温部材８０ａ、８０ｂ・・・の各接点３６ａ、３６ｂ・・・の固定側の面と反対側の面が各ヒータ部３２ａ、３２ｂ・・・に向けられ、第二の被測温部材８１ａ、８１ｂ・・・の各接点３６ａ、３６ｂ・・・の固定側の面と反対側の面が各ヒータ部３２ａ、３２ｂ・・・に向けられている。本実施の形態によれば、第一の被測温部材８０ａ、８０ｂ・・・が各ヒータ部３２ａ、３２ｂの輻射熱を直角に受ける状況になり、さらに、第二の被測温部材８１ａ、８１ｂ・・・がヒータ部３２ａに対向する側の面と反対側であるボート２１側の輻射熱を直角に受ける状況になるので、ウエハ１の温度変化により一層良好な応答性を持って追従することができる。なお、図８（ａ）に示されているように、第一の被測温部材８０ａは第二の被測温部材８１ａに対して略平行に熱接点３６ａに固定してもよい。また、図８（ｂ）に示されているように、第一の被測温部材８０ａと第二の被測温部材８１ａ同士は一部が接触するように熱接点３６ａに固定してもよい。
【００６３】
図１０および図１１は図５および図６に示された枚葉式ホットウオール形熱処理装置において、熱電対の熱接点に固定する被測温部材を二つ使用した場合を示す実施の形態を示している。本実施の形態によれば、第一の被測温部材９０ａ〜９０ｅはヒータ６０の側に正対して取り付けられることにより、各熱接点６４ａ〜６４ｅはヒータ６０の輻射熱を直角受けることができ、第二の被測温部材９１ａ〜９１ｅはヒータ６０に対向する側の面とは反対側であるウエハ１側の面に配置されることにより、第二の被測温部材９１ａ〜９１ｅはウエハ１側の輻射熱を受けることができるので、ウエハ１の温度変化により一層良好な応答性をもって追従することができる。なお、図８（ａ）に示されているように、第一の被測温部材９０ａは第二の被測温部材９１ａに対して略平行に熱接点３６ａに固定してもよい。また、図８（ｂ）に示されているように、第一の被測温部材９０ａと第二の被測温部材９１ａ同士は一部が接触するように熱接点３６ａに固定してもよい。
【００６４】
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。
【００６５】
例えば、熱電対は処理室のウエハの近傍に配置するに限らず、インナチューブとアウタチューブとの間やプロセスチューブとヒータとの間に配置してもよい。
【００６６】
また、熱電対はヒータを貫通してヒータ内に挿入してもよい。
【００６７】
熱電対を敷設するための保護管や保護柱は直線形状に形成するに限らず、Ｌ字形状等に形成してもよい。
【００６８】
熱電対の熱接点と被測温部材との固定手段としては、接着法を使用するに限らず、溶接法や圧接法等を使用してもよい。
【００６９】
熱処理は酸化処理や拡散処理および拡散だけでなくイオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローおよびアニール処理等に限らず、成膜処理等の熱処理であってもよい。
【００７０】
被処理物はウエハに限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【００７１】
本発明は、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置および枚葉式ホットウオール形熱処理装置に限らず、バッチ式横形ホットウオール形熱処理装置や縦形および横形ホットウオール形減圧ＣＶＤ装置等の熱処理装置全般並びに半導体製造装置全般に適用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒータによる被処理物の現在の実際の温度を適正に計測することによって温度制御を適正に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置を示す正面断面図である。
【図２】（ａ）は図１のａ部の詳細図であり、（ｂ）は被測温部材の一部切断側面図、（ｃ）は一部切断背面図、（ｄ）は一部切断平面図である。
【図３】温度コントローラの制御による温度上昇特性を示すグラフであり、（ａ）は従来例の場合を示し、（ｂ）は本実施の形態に係る場合を示している。
【図４】本発明の第二の実施の形態に係る被測温部材の取付構造を示す一部省略斜視図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態である枚葉式ホットウオール形熱処理装置を示す正面断面図である。
【図６】その平面断面図である。
【図７】本発明の第四の実施の形態を示しており、（ａ）は図１のａ部に相当する詳細図、（ｂ）は被測温部材の一部切断側面図、（ｃ）は（ｂ）におけるｃ−ｃ断面矢視図、（ｄ）は一部切断平面図である。
【図８】被測温部材の別の実施の形態をそれぞれ示す各一部切断側面図である。
【図９】本発明の第五の実施の形態を示しており、図４に相当する一部省略斜視図である。
【図１０】本発明の第六の実施の形態である枚葉式ホットウオール形態処理装置を示す正面断面図である。
【図１１】その平面断面図である。
【符号の説明】
１…ウエハ（基板）、２…筐体、１０…ホットウオール形熱処理装置（バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置）、１１…プロセスチューブ、１２…インナチューブ、１３…アウタチューブ、１４…処理室、１５…炉口、１６…マニホールド、１７…排気管、１８…排気路、１９…ガス導入管、２０…シールキャップ、２１…ボート、２２、２３…端板、２４…保持部材、２５…保持溝、２６…断熱キャップ部、３１…断熱槽、３２…ヒータ、３２ａ〜３２ｅ…ヒータ部、３３…温度コントローラ、３４…保護管、３５ａ〜３５ｅ…熱電対、３６ａ〜３６ｅ…熱接点（測温部）、３７ａ…受信器、３８ａ…電気配線、３９ａ…接着材層、４０ａ〜４０ｅ…被測温部材、４１…保護柱、４２…固定リング、５０…枚葉式ホットウオール形熱処理装置（熱処理装置、半導体製造）、５１…プロセスチューブ、５２…処理室、５３…炉口フランジ、５４…炉端フランジ、５４ａ…キャップ、５５…炉口、５６…ゲートバルブ、５７…ガス導入管、５８…排気管、５９…ウエハ置き台、６０…ヒータ、６１…温度コントローラ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ…保護管、６３ａ〜６３ｅ…熱電対、６４ａ〜６４ｅ…熱接点、６５ａ〜６５ｅ…被測温部材、７０ａ、８０ａ、８０ｂ…第一の被測温部材、７１ａ、８１ａ、８１ｂ…第二の被測温部材、７９ａ…接着材層、９０ａ〜９０ｅ…第一の被測温部材、９１ａ〜９１ｅ…第二の被測温部材。

Claims

比熱と密度の積と熱放射率と熱伝導率とが被処理物と同等または近似であり、最大外径が被処理物よりも小さい被測温部材が、処理室の温度を測定する熱電対の熱接点に固定されており、
前記被測温部材は前記処理室を加熱するヒータと前記被処理物との間に、前記熱電対と前記被測温部材との固定面と反対側の面が前記ヒータの側を向くように配置されていることを特徴とする半導体製造装置。
前記処理室に保護管が配置され、複数の前記被測温部材および前記熱電対が前記保護管内に収納されており、前記複数の被測温部材それぞれは前記熱電対と前記被測温部材との固定面と反対側の面が、前記ヒータが複数に分割されたヒータ部の側をそれぞれ向くように配置されていることを特徴とする請求項１の半導体製造装置。
前記被測温部材は前記保護管の管軸と平行方向に縦長に形成されている請求項２の半導体製造装置。
被処理物が処理室に搬入される工程と、
前記処理室が昇温される工程と、
前記被処理物と同等または近似する比熱と密度の積と熱放射率と熱伝導率とを有し最大外径が被処理物よりも小さい被測温部材が、熱電対の熱接点に固定されており、前記被測温部材が前記処理室を加熱するヒータと前記被処理物との間に、前記熱電対と前記被測温部材との固定面と反対側の面が前記ヒータの側を向くように配置されている前記熱電対によって、前記処理室の温度が測定されて前記ヒータが制御され、前記処理室に処理ガスが流されて前記被処理物が処理される工程と、
前記処理室を降温する工程と、
前記処理室から前記被処理物を搬出する工程と、
を備えている半導体製造方法。