JP4410472B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体製造装置および半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造技術、特に、基板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の熱処理(thermal treatment )に使用される熱処理装置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(furnace )が、広く使用されている。バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置(以下、バッチ式熱処理装置という。)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ユニットとを備えており、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、ヒータユニット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。
【0003】
従来のこの種のバッチ式熱処理装置においては、複数の加熱ゾーンをヒータユニットの長さ方向に設定するとともに、各加熱ゾーンの温度を各熱電対によってそれぞれ測定することにより、ボートによって長く整列されて保持されたウエハ群の全長にわたって所望の温度分布に制御することが実施されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、従来のこの種のバッチ式熱処理装置においては、ヒータユニットのヒータ素線が発熱する実際の温度を測定するための熱電対の測温接点は、ヒータユニットの断熱槽とプロセスチューブとの間の隙間に配置されており、熱電対はアルミナ製の保護管によって被覆されている(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−260294号公報
【特許文献2】
実用新案登録第2510965号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の熱電対が複数の加熱ゾーンをそれぞれ測温するように構成されたヒータユニットにおいては、熱電対の測温が他の加熱ゾーンの輻射熱の影響を受けるという温度干渉の問題点がある。
【0007】
また、熱電対の測温接点が断熱槽とプロセスチューブとの間の隙間に配置されていると、熱電対が発熱部から輻射熱により加熱される一方断熱部への放熱により、測温の応答性が低下するという問題点がある。
【0008】
本発明の目的は、熱電対の測温の温度干渉の問題点を解決し、さらに、測温の応答性の問題点を解決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。
【0009】
【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第一の手段は、基板を処理する処理室を形成した処理容器と、断熱槽およびヒータ素線を有し前記処理容器の外部に設置され前記処理室を加熱するヒータユニットとを備えている半導体製造装置において、
前記断熱槽における前記ヒータ素線の幅内でかつ外周側には前記ヒータ素線の温度を測定する熱電対の測温接点が位置されていることを特徴とする。
第一の手段によれば、熱電対の測温接点が断熱槽におけるヒータ素線の幅内でかつ外周側に配置されているために、熱電対は他の加熱ゾーンによる輻射熱の影響を回避することができる。
【0010】
前記した課題を解決するための第二の手段は、前記測温接点には、少なくとも前記ヒータ素線の幅内の大きさの被測温部材が固定されていることを特徴とする。第二の手段によれば、熱電対は被測温部材の温度を測定することにより、ヒータ素線の現在の実際の温度を応答性よく計測することができる。
【0011】
前記した課題を解決するための第三の手段は、基板が処理室に搬入される工程と、断熱槽における前記ヒータ素線の幅内でかつ外周側に測温接点が位置する熱電対によって、前記ヒータ素線の温度が測定され、その測温データに基づいて設定温度に安定させる制御が実行される工程と、前記処理室に処理ガスが流されて前記基板が処理される工程と、前記処理室から前記基板を搬出する工程と、を備えている半導体製造方法、である。
前記した手段によれば、熱電対の測温接点が断熱槽におけるヒータ素線の幅内でかつ外周側に配置されているために、熱電対の測温は他のヒータ素線による輻射熱の影響を回避することができ、かつまた、熱電対は被測温部材の温度を測定することにより、基板の現在の実際の温度を応答性よく計測することができる。したがって、熱電対の測温結果に基づいてヒータ素線をフィードバック制御するコントローラは、基板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。
【0012】
【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。
【0013】
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バッチ式熱処理装置(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。
【0014】
図1に示されているバッチ式熱処理装置10は、処理室を形成する処理容器として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(基板)1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1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1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。
【0015】
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がバッチ式熱処理装置の筐体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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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の内径よりも若干大きめの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。
【0019】
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。
【0020】
図1に示されているように、プロセスチューブ11の外側には断熱槽31と、複数段のヒータ素線32と、温度コントローラ33とを備えたヒータユニット30が設置されている。すなわち、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素線32が複数、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、繊維状または球状のアルミナやシリカ等の断熱材が使用されてバキュームファーム法の成形型によっ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、バッチ式熱処理装置の筐体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。ヒータ素線32は鉄−クロム−アルミニウム合金やモリブデンシリサイド(MoSi2 )等の電気抵抗発熱体が使用されて、発熱面積が大きくなるように波形形状に形成されて短尺の円筒形状に丸められおり、断熱槽31の内周面に垂直方向に互いに平行に配列されて取付具(図示せず)によってそれぞれ吊持されている。垂直方向に並んだ複数段のヒータ素線32群は上側から順に、第一加熱ゾーン32a、第二加熱ゾーン32b、第三加熱ゾーン32cおよび第四加熱ゾーン32dを構成しており、これら加熱ゾーン32a〜32d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。
【0021】
図1に示されているように、断熱槽31における第一加熱ゾーン32a、第二加熱ゾーン32b、第三加熱ゾーン32cおよび第四加熱ゾーン32dの中央部に対応する部位には、各貫通孔34がそれぞれ径方向に水平に開設されており、各貫通孔34は各加熱ゾーン32a〜32dにおけるヒータ素線32の幅内でかつ外周側である真裏に対向するように配置されている。各貫通孔34には第一加熱ゾーン32a、第二加熱ゾーン32b、第三加熱ゾーン32cおよび第四加熱ゾーン32dにおけるヒータ素線32の温度をそれぞれ測定する第一熱電対35a、第二熱電対35b、第三熱電対35cおよび第四熱電対35dがそれぞれ挿入されている。以下、区別する必要がない場合には、熱電対35とする。図2に示されているように、熱電対35は保護管36に挿入されて固定ブロック37によって水平に固定されている。保護管36はアルミナが使用されて貫通孔34よりも若干小径の円筒形状に形成されており、断熱槽31の外部から貫通孔34に挿入されて断熱槽31の外面で据え付けられている。熱電対35は温度コントローラ33に電気的に接続されて、温度計測結果を温度コントローラ33に送信するようになっている。温度コントローラ33は第一熱電対35a、第二熱電対35b、第三熱電対35cおよび第四熱電対35dからの計測温度に基づいて第一加熱ゾーン32a、第二加熱ゾーン32b、第三加熱ゾーン32cおよび第四加熱ゾーン32dの各ヒータ素線32をそれぞれ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は各加熱ゾーン32a〜32dの目標温度と各熱電対35a〜35dの計測温度との誤差をそれぞれ求めて、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それぞれ実行するようになっている。
【0022】
図2に示されているように、熱電対35の測温接点である熱接点38にはヒータ素線32の幅内の大きさの被測温部材40が固定されている。被測温部材40はシリコンでもよいし、放射率に温度依存性を持つシリコン(Si)よりも温度依存性の少ない炭化シリコン(SiC)やアルミナを使用して形成してもよい。また、ヒータ素線32と同じ温度依存性を持つもので形成してもよい。被測温部材40は表面積が大で体積(熱容量)が小の直方体形状に形成されており、輻射熱線を面に対して直角に受けるように配置されている。熱電対35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。なお、被測温部材が、シリコン(Si)を含む材料で形成される場合には、その表面に酸化被膜を生成することで、白金線との反応による低融点化合物を形成し、起電力や機械的強度の低下を抑制することができる。熱接点38は被測温部材40の一主面に当接されて、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39によって固定されている。熱電対35の熱接点38に固定された被測温部材40は貫通孔34の内部におけるヒータ素線32の真裏に近接する位置に配置されており、被測温部材40は保護管36に被覆されずにヒータ素線32の裏面に直接的に臨んでいる。断熱槽31の貫通孔34に対向する位置にはヒータ素線32の貫通孔34に対向した部分を被覆するカバー41が設置されている。なお、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。
【0023】
図1に示されているように、マニホールド16の筒壁の一箇所には細長い保護管42がボート21に干渉しないように水平に挿入されて固定されL字形状に立ち上がり上下方向に長く敷設されており、細長い保護管42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。細長い保護管42には四本の熱電対43a、43b、43c、43dが纏めて封入されており、四本の熱電対43a〜43dの測温接点である熱接点44a〜44dの高さは四箇所の加熱ゾーン32a〜32dの高さにそれぞれ対応するように設定されている。四本の熱電対43a、43b、43cおよび43d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43a〜43d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43a〜43dからの計測温度に基づいて各加熱ゾーン32a〜32d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は各加熱ゾーン32a〜32dの目標温度と各熱電対43a〜43d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。
【0024】
次に、前記構成に係るバッチ式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。
【0025】
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。
【0026】
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の内部がヒータ素線32の各加熱ゾーン32a〜32d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、ヒータ素線32の各加熱ゾーン32a〜32dにおける加熱(出力)による実際の上昇温度と、各加熱ゾーン32a〜32dのシーケンス制御の目標温度(入力)との誤差は、各熱電対(以下、外部熱電対という。)35a〜35d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。また、ヒータ素線32の各加熱ゾーン32a〜32d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、各加熱ゾーン32a〜32dのシーケンス制御の目標温度との誤差は、各熱電対(以下、内部熱電対という。)43a〜43d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。
【0027】
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。
【0028】
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、加熱ゾーン32a〜32d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℃〜200℃低い温度)に降下されて行く。この際においても、ヒータ素線32の各加熱ゾーン32a〜32dによるプロセスチューブ11の内部の実際の下降温度と、各加熱ゾーン32a〜32dのシーケンス制御の目標温度との誤差は、各外部熱電対35a〜35dおよび各内部熱電対43a〜43d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。
【0029】
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。
【0030】
以上の作用が繰り返されることにより、バッチ式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。
【0031】
ところで、図3に示されている外部熱電対35’のように、熱接点38’の部分が貫通孔34から突出している場合には、他の加熱ゾーンの輻射熱線45やプロセスチューブ11での反射熱線46およびプロセスチューブ11からの輻射熱線47等が外部熱電対35’の測温接点である熱接点38’に照射するために、外部熱電対35’の測温が他の加熱ゾーンやプロセスチューブ11の輻射熱の影響を受けるという問題点がある。すなわち、外部熱電対は他の加熱ゾーンの加熱の影響を受けることにより、自分の加熱ゾーンの温度を誤って測定してしまう。
【0032】
しかし、本実施の形態においては、図2に示されているように、外部熱電対35の測温接点である熱接点38の部分は貫通孔34の内部に配置されていることにより、他の加熱ゾーンの輻射熱線45やプロセスチューブ11での反射熱線46およびプロセスチューブ11からの輻射熱線47等が熱接点38に照射するのを防止することができるので、外部熱電対35の測温が他の加熱ゾーンの輻射熱の影響を受けるのを防止することができる。すなわち、外部熱電対は他の加熱ゾーンの影響を受けないために、自分の加熱ゾーンの温度だけを正確に測定することができる。
【0033】
しかも、本実施の形態においては、図2に示されているように、断熱槽31の貫通孔34に対向する位置にはヒータ素線32の貫通孔34に対向した部分を被覆するカバー41が設置されていることにより、カバー41が他のゾーンの輻射熱線45やプロセスチューブ11での反射熱線46およびプロセスチューブ11からの輻射熱線47等を遮蔽して熱接点38に照射するのを防止するので、外部熱電対35の測温が他の加熱ゾーンの輻射熱の影響を受けるのを確実に防止することができる。なお、カバー41は充分な熱容量を有し、カバー41自体が他の加熱ゾーンからの熱輻射によって温度が容易に変化しないか、たとえ変化があっても断熱槽31の温度と同等となるように熱伝導が妨げられない構造に構成することが望ましい。また、カバー41の表面に熱線を反射する反射膜を形成することも好ましい。
【0034】
ちなみに、外部熱電対35の測温接点である熱接点38の部分は貫通孔34の内部に配置されていることにより、他の加熱ゾーンの干渉を防止することができるので、カバー41は省略することもできる。
【0035】
ところで、図3に示されているように、外部熱電対35’の熱接点38’がアルミナが使用されて形成された保護管36’の頭部によって被覆されている場合ににおいては、熱接点38’は保護管36’の頭部が加熱され始めた温度変化を測定することになるために、外部熱電対35’の測温の応答性が低下するという問題点がある。
【0036】
しかし、本実施の形態においては、図2に示されているように、保護管36の頭部が切除されて、外部熱電対35の測温接点である被測温部材40が露出されていることにより、被測温部材40にはヒータ素線32の熱輻射が直接照射するので、外部熱電対35はヒータ素線32の温度を応答性よく測定することができる。ここで、被測温部材40の熱特性はヒータ素線32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40の温度はヒータ素線32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40には外部熱電対35の熱接点38が固定されているため、外部熱電対35は被測温部材40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、外部熱電対35は被測温部材40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、ヒータ素線32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、外部熱電対35の測温結果に基づいて各加熱ゾーン32a〜32dをフィードバック制御する温度コントローラ33は、各加熱ゾーン32a〜32d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。なお、被測温部材40の熱特性はシリコンや炭化シリコンのそれと同等または近似させてもよい。
【0037】
しかも、外部熱電対35は被測温部材40の近傍に配置した固定ブロック37によって固定されていることにより、被測温部材40の位置ずれを防止することができるので、位置ずれによる測定誤差の発生を防止することができる。
【0038】
なお、図4に示されているように、石英(SiO2 )によって頭部を有する円筒形状に形成された保護管36Aにより、外部熱電対35の測温接点である被測温部材40を被覆した実施の形態においても、外部熱電対35はヒータ素線32の温度を応答性よく測定することができる。すなわち、被測温部材40を被覆した石英はヒータ素線32の発光(熱線)の波長を透過するので、被測温部材40にはヒータ素線32の熱輻射が直接照射することになり、外部熱電対35はヒータ素線32の温度を応答性よく測定することができる。ちなみに、保護管36、36Aからの熱の逃げによる外部熱電対35の測温精度の低下を防止するために、保護管36、36Aの直径や肉厚等は極力小さく設定したり、不透明石英などの熱伝導を抑制する部材を使用したり、することが望ましい。
【0039】
図5は本発明の第二の実施の形態である枚葉式熱処理装置を示す正面断面図、図6はその平面図、図7は図5のVII部の詳細を示す拡大断面図である。
【0040】
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熱処理装置として構成されている。
【0041】
図5および図6に示されているように、枚葉式熱処理装置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。そして、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。
【0042】
図5および図6に示されているように、プロセスチューブ51の外側には断熱槽61と、複数のヒータ素線62と、温度コントローラ63とを備えたヒータユニット60が設置されている。すなわち、プロセスチューブ51は断熱槽61によって全体的に被覆されており、断熱槽61の内側にはプロセスチューブ51の内部を加熱するヒータ素線62が複数、プロセスチューブ51の周囲を包囲するように設備されている。断熱槽61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、繊維状または球状のアルミナやシリカ等の断熱材が使用されてバキュームファーム法の成形型によってプロセスチューブ51の外径よりも大径で長さが同程度の角筒形状に形成されている。ヒータ素線62は鉄−クロム−アルミニウム合金やモリブデンシリサイド(MoSi2 )等の電気抵抗発熱体が使用されて、発熱面積が大きくなるように波形形状に形成されて短尺の角筒形状に成形されており、断熱槽61の内周面に敷設されている。複数のヒータ素線62群は内側から順に、中央加熱ゾーン62a、中間加熱ゾーン62bおよび周辺加熱ゾーン62cを構成しており、これら加熱ゾーン62a〜62cは温度コントローラ63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。
【0043】
図5に示されているように、断熱槽61における中央加熱ゾーン62a、中間加熱ゾーン62bおよび周辺加熱ゾーン62cの中央部に対応する部位には、各貫通孔64がそれぞれ垂直に開設されており、各貫通孔64は各加熱ゾーン62a〜62cにおけるヒータ素線62の幅内でかつ外周側である真裏に対向するように配置されている。各貫通孔64には中央加熱ゾーン62a、中間加熱ゾーン62bおよび周辺加熱ゾーン62cにおけるヒータ素線62の温度をそれぞれ測定する中央熱電対65a、中間熱電対65bおよび周辺熱電対65cがそれぞれ挿入されている。以下、区別する必要がない場合には、熱電対65とする。
【0044】
図7に示されているように、熱電対65は保護管66に挿入されて固定ブロック67によって平行に固定されている。保護管66はアルミナが使用されて貫通孔64よりも若干小径の円筒形状に形成されており、断熱槽61の外部から貫通孔64に挿入されて断熱槽61の外面に据え付けられている。熱電対65は温度コントローラ63に電気的に接続されて、温度計測の結果を温度コントローラ63に送信するようになっている。温度コントローラ63は中央熱電対65a、中間熱電対65bおよび周辺熱電対65cからの計測温度に基づいて中央加熱ゾーン62a、中間加熱ゾーン62bおよび周辺加熱ゾーン62cの各ヒータ素線62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63は各加熱ゾーン62a〜62cの目標温度と各熱電対65a〜65cの計測温度との誤差をそれぞれ求めて、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それぞれ実行するようになっている。
【0045】
図7に示されているように、熱電対65の測温接点である熱接点68にはヒータ素線62の幅内の大きさの被測温部材70が固定されている。被測温部材70はシリコンで形成してもよいし、放射率に温度依存性を持つシリコン(Si)よりも温度依存性の少ない炭化シリコン(SiC)やアルミナを使用して形成してもよい。また、ヒータ素線62と同じ温度依存性を持つもので形成してもよい。被測温部材40は表面積が大で体積(熱容量)が小の直方体形状に形成されており、輻射熱線を面に対して直角に受けるように配置されている。熱電対65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。熱接点68は被測温部材70の一主面に当接されて、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69によって固定されている。熱電対65の熱接点68に固定された被測温部材70は貫通孔64の内部におけるヒータ素線62の真裏に対向する位置には配置されており、被測温部材70は保護管66に被覆されずにヒータ素線62の裏面に直接的に臨んでいる。断熱槽61の貫通孔64に対向する位置にはヒータ素線62の貫通孔64に対向した部分を被覆するカバー71が設置されている。
【0046】
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72a、72b、72c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72a、72b、72c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72a、72bには二本の熱電対73a、73bが一本宛それぞれ封入されており、中央の保護管72cには三本の熱電対73c、73d、73eが纏めて封入されている。五本の熱電対73a、73b、73c、73d、73eは温度コントローラ63にそれぞれ接続されており、各熱電対73a、73b、73c、73d、73eは温度計測結果を温度コントローラ63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63は各熱電対73a、73b、73c、73d、73eからの計測温度に基づいてヒータユニット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63はヒータ素線62の目標温度と各熱電対73a、73b、73c、73d、73e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。
【0047】
次に、前記構成に係る枚葉式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。
【0048】
被処理基板であるウエハ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。
【0049】
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、温度コントローラ63のシーケンス制御の目標温度(例えば、600℃〜1200℃)にヒータユニット60によって加熱される。この際、温度コントローラ63の目標温度とヒータ素線62の実際の上昇温度との誤差は、断熱槽61に配置された熱電対(以下、外部熱電対という。)65a〜65cの測温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、ヒータユニット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ユニット60のシーケンス制御の目標温度との誤差は、処理室52に挿入された熱電対(以下、内部熱電対という。)73a、73b、73c、73d、73e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。
【0050】
処理室52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。
【0051】
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、ヒータユニット60の加熱作用が温度コントローラ63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℃〜200℃低い温度)に降温されて行く。
【0052】
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。
【0053】
以上の作用が繰り返されることにより、枚葉式熱処理装置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。
【0054】
本実施の形態においても、図7に示されているように、外部熱電対65の測温接点である熱接点68の部分は貫通孔64の内部に配置されていることにより、他の加熱ゾーンの輻射熱線45やプロセスチューブ51での反射熱線46およびプロセスチューブ51からの輻射熱線47等が熱接点68に照射するのを防止することができるので、外部熱電対65の測温が他の加熱ゾーンの輻射熱の影響を受けるのを防止することができる。すなわち、外部熱電対は他の加熱ゾーンの影響を受けないために、自分の加熱ゾーンの温度だけを正確に測定することができる。
【0055】
しかも、本実施の形態においても、図7に示されているように、断熱槽61の貫通孔64に対向する位置にはヒータ素線62の貫通孔64に対向した部分を被覆するカバー71が設置されていることにより、他のゾーンの輻射熱線45やプロセスチューブ51での反射熱線46およびプロセスチューブ51からの輻射熱線47等がヒータ素線62の貫通孔64に対向した部分を被覆するカバー71に遮蔽されることにより、熱接点68に照射するのを防止することができるので、外部熱電対65の測温が他の加熱ゾーンの輻射熱の影響を受けるのを確実に防止することができる。
【0056】
また、本実施の形態においても、図7に示されているように、保護管66の頭部が切除されて、外部熱電対65の測温接点である被測温部材70が露出されていることにより、被測温部材70にはヒータ素線62の熱輻射が直接照射するので、外部熱電対65はヒータ素線62の温度を応答性よく測定することができる。ここで、被測温部材70の熱特性はヒータ素線62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70の温度はヒータ素線62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70には外部熱電対65の熱接点68が固定されているため、外部熱電対65は被測温部材70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、外部熱電対65は被測温部材70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、ヒータ素線62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、外部熱電対65の測温結果に基づいて各加熱ゾーン62a〜62cをフィードバック制御する温度コントローラ63は、各加熱ゾーン62a〜62c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。外部熱電対65は被測温部材70の近傍に配置した固定ブロック67によって固定されていることにより、被測温部材70の位置ずれを防止することができるので、位置ずれによる測定誤差の発生を防止することができる。なお、被測温部材70の熱特性はシリコンや炭化シリコンのそれと同等または近似させてもよい。
【0057】
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。
【0058】
例えば、図8に示されているように、保護管は先端部のみが透明石英部36aによって形成され、その他の部分が不透明石英部36bによって形成された不透明保護管36Bによって構成してもよい。この不透明保護管36Bによれば、貫通孔34からの熱の放出を防止することができる。さらに、不透明保護管36Bの外側にカバー41Bを設置すると、放熱をより一層防止することができる。なお、37Bは不透明保護管36Bを固定する固定パイプである。
【0059】
また、図9に示されているように、保護管はエルボ管形状に屈曲されたエルボ形保護管36Cによって構成してもよい。このエルボ形保護管36Cは断熱ブロック37Cによって保持した状態で断熱槽31にモジュールとして設置することができる。なお、モジュール化することにより、着脱が容易となる。このエルボ形保護管36Cは断熱ブロック37Cによって被覆されているので、外部熱電対35の外部への熱の逃げによる温度低下はあるものの被測温部材40とは充分な距離があるので、測温に影響が及ばない。エルボ形保護管36Cのヒータ素線32と平行になる垂直部分は、ヒータ素線32に加熱されるのに充分な長さを有しているために、ヒータ素線32の温度を正確に測定することができる。また、図8に示されているように、先端部のみを透明石英によって形成し、その他の部分を不透明石英としてもよい。また、熱の放出を防止するように不透明石英部にカバーを設置してもよい。
【0060】
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。
【0061】
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、光ディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【0062】
本発明は、バッチ式熱処理装置および枚葉式熱処理装置に限らず、ヒータユニットを備えた半導体製造装置全般に適用することができる。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、熱電対の測温に対する他の加熱ゾーンの温度干渉を防止し、さらに、測温の応答性の低下を防止することができる。
【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部の詳細を示す拡大断面図であり、(b)は被測温部材の一部切断側面図、(c)は(b)のc−c線に沿う断面図、(d)は(b)のd−d線に沿う断面図である。
【図3】温度干渉を説明するための比較例を示す拡大断面図である。
【図4】外部熱電対の他の実施の形態を示す拡大断面図である。
【図5】本発明の第二の実施の形態である枚葉式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】図5のVII部の詳細を示す拡大断面図である。
【図8】外部熱電対の保護管の他の実施の形態を示す図2(a)に相当する拡大断面図である。
【図9】外部熱電対の保護管の別の他の実施の形態を示す図2(a)に相当する拡大断面図である。
【符号の説明】
1…ウエハ(基板)、2…筐体、10…バッチ式熱処理装置(半導体製造)、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、30…ヒータユニット、31…断熱槽、32…ヒータ素線、32a〜32d…加熱ゾーン、33…温度コントローラ、34…貫通孔、35、35a〜35d…外部熱電対、36…保護管、37…固定ブロック、38a〜38d…熱接点(測温接点)、39…接着材層、40…被測温部材、41…カバー、42…細長い保護管、43a〜43d…内部熱電対、44a〜44d…熱接点、45…他の加熱ゾーンの輻射熱線、46…プロセスチューブでの反射熱線、47…プロセスチューブからの輻射熱線、50…枚葉式熱処理装置(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…ヒータユニット、61…断熱槽、62…ヒータ素線、62a〜62c…加熱ゾーン、63…温度コントローラ、64…貫通孔、65a〜65c…外部熱電対、66…保護管、67…固定ブロック、68…熱接点(測温接点)、69…接着材層、70…被測温部材、71…カバー、72a〜72c…保護管、73a〜73d…内部熱電対。
Claims (3)
- 基板を処理する処理室を形成した処理容器と、断熱槽および該断熱槽の内側にヒータ素線を有し前記処理容器の外部に設置され前記処理室を加熱するヒータユニットとを備えている半導体製造装置において、
前記断熱槽には貫通孔が開設されており、
前記貫通孔の内部であって、前記ヒータ素線の幅内でかつ外周側の前記ヒータ素線からの輻射熱線が照射する位置に、前記ヒータ素線の温度を測定する熱電対の測温接点が設けられていることを特徴とする半導体製造装置。 - 前記測温接点には、少なくとも前記ヒータ素線の幅内の大きさの被測温部材が固定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。
- 断熱槽および該断熱槽の内側にヒータ素線を有するヒータユニットの内部に設けられた処理室に基板が搬入される工程と、
前記断熱槽に開設された貫通孔の内部であって、前記ヒータ素線の幅内でかつ外周側の前記ヒータ素線からの輻射熱線が照射する位置に測温接点が設けられている熱電対によって、前記ヒータ素線の温度が測定され、その測温データに基づいて設定温度に安定させる制御が実行される工程と、
前記処理室に処理ガスが流されて前記基板が処理される工程と、
前記処理室から前記基板を搬出する工程と、
を備えている半導体製造方法。
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