JP6651591B1 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレイクフィルタを用いたベントの時間を短縮する技術を提供する。【解決手段】基板処理装置１は、複数の基板７を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具２１と、上端を閉塞する天井と、下方に基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、基板保持具を収容する反応管４と、反応管の周囲に設けられ、その内部を加熱する加熱機構３と、反応管内で基板保持具に保持された複数の基板に対して処理ガスを提供するガス供給機構と、反応管内と流体連通し、反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気するガス排出機構と、反応管内でガス供給機構からガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、基板よりも下流の位置に設けられ、排気ガスから熱を受け取るとともに、供給された不活性ガスを反応管内に放出するブレイクフィルタ３１と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置（デバイス）の製造工程において、基板処理装置を用いて、基板を所定の温度及び雰囲気の下で処理し、薄膜の形成や改質等が行われる。例えば縦型基板処理装置では、所定枚数の基板を垂直方向に配列して基板保持具に保持し、基板保持具を処理室内に装入し、処理室の周囲に設置された炉ヒータによって基板を加熱した状態で処理室内に処理ガスを導入して、基板に対して成膜処理等が行われる。

代表的な成膜方法の１つであるLP-CVDでは、処理室は、真空ポンプによって減圧され、成膜が終了すると、Ｎ₂ガス等が導入されて大気圧に復帰する（これをベントと呼ぶ）。ベントには、パーティクルの巻き上げを防ぐため、処理室内に設けたブレイクフィルタ（ディフューザとも呼ぶ）がしばしば用いられる。ブレイクフィルタは、導入されるガスからパーティクルを除去するとともに、ガス供給管の断面よりも広い表面から、穏やかにガスを放出する。

特開平１１−０２９８６９号公報 特開２００２−３７３８９０号公報 特開平１１−１８１５６８号公報 特許第３１４７３２５号公報

縦型基板処理装置の処理室に上述のブレイクフィルタを設けた場合、設ける場所によっては温度が低いため、副生成物がブレイクフィルタに付着することがある。ベント時に付着したパーティクルが巻き上げられないよう、ブレイクフィルタから供給するＮ₂ガスの流量が制限され、大気戻しに時間がかかっていた。

なお、副生成物の付着を防止するためにブレイクフィルタから常時パージする方法も考えられるが、成膜中にＮ₂ガスが反応室内に拡散して、ウエハ間で膜厚にばらつきが生じてしまう。

本開示は、ブレイクフィルタを用いたベントの時間を短縮する技術を提供する。

本開示の一態様によれば、基板処理装置が、複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、上端を閉塞する天井と、下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する反応管と、前記反応管の周囲に設けられ、その内部を加熱する加熱機構と、前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板に対して処理ガスを提供するガス供給機構と、前記反応管内と流体連通し、前記反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気するガス排出機構と、前記反応管内で前記ガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、前記基板よりも下流の位置に設けられ、前記排気ガスから熱を受け取るとともに、供給された不活性ガスを前記反応管内に放出するブレイクフィルタと、を備える技術が提供される。

本開示によれば、ブレイクフィルタを用いたベントの時間を短縮することができる。

基板処理装置のコンセプト図。 実施形態に係る基板処理装置の縦断面図。 実施形態に係る基板処理装置のコントローラ２６のブロック図。 実施形態に係る基板処理装置の反応管４の横断面図。 実施形態に係る基板処理装置のフランジ部４Ｃの斜視図。 実施形態に係る基板処理装置の縦断面図。 実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャート。

図１に、本開示の一側面に係る基板処理装置のコンセプトが示される。ブレイクフィルタは、反応室の排気側に配置される。ここは、反応管内で加熱された高温の排気ガスから熱を受けるため、高温状態であり、ブレイクフィルタへの副生成物の付着が抑制される。更にこの場所は、プロセスガスの流れにおいて、基板よりも下流に当たるため、このブレイクフィルタから少量のパージガスを流しても、基板への拡散はほとんどない。このため、ブレイクフィルタを常時Ｎ２パージして、副生成物の付着を更に抑制することできる。また、ブレイクフィルタが設けられる周囲は、高温のため副生成物の付着が少なく、大流量でベントをしても、パーティクルの巻上げが抑えられる。更に、反応室とＡＰＣバルブの間の空間を通ったガスが反応室に逆流しないように、ＡＰＣバルブはわずかな開度を維持するか、反応室とＡＰＣバルブの間にバイパス流路を設け微小流量流れを維持するようにすると、更に効果的である。

以下では、いくつかの例示的な実施形態を示す添付の図面を参照して、様々な例示的な実施形態をより詳細に説明する。しかしながら、本開示の概念は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載された例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、当業者が発明を実施することができるようにするために、十分網羅的で完全な記述として提供される。

［基板処理装置の構成］
図２に示すように、本実施形態において、基板処理装置１は、集積回路の製造方法における熱処理工程を実施する縦型熱処理装置（バッチ式縦型炉装置）として構成されている。

処理炉２は第１加熱手段（加熱機構）としての炉体（以下、ヒータと称する）であるヒータ３を有する。ヒータ３は円筒形状であり、垂直に据え付けられている。ヒータ３はその内側を加熱するとともに、後述するようにガスを熱で活性化（励起）させる活性化機構（励起部）としても機能する。

ヒータ３の内側には、真空容器（処理容器）を構成する反応管４が配設されている。反応管４は、例えば石英（ＳｉＯ₂）等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。下端の開口には、外周側に突出したフランジ（リップ）部４Ｃが形成され、Ｏリング１９Ａを介してマニホールド（インレット）５と接続される。マニホールド５は、両端にフランジを有する短い筒状に形成され、前記反応管４と同一軸に配置され、反応管４を支持することができる。

反応管４の筒中空部は、処理室６を形成する。処理室６は、基板としてのウエハ７を、後述するボート２１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。ボート２１によって保持されるウエハ７が収容される空間を処理領域と呼び、それより下方の空間を断熱領域と呼ぶ。ホットウォール型として構成された反応管４の処理領域内は、均等な温度となる。

反応管４の外壁には、内部にそれぞれ空間を有する供給バッファ６Ａと排気バッファ６Ｂが、互いに対面する位置に形成されている。供給バッファ６Ａと排気バッファ６Ｂの突出した部分は、反応管４の外壁を構成し、供給バッファ６Ａ及び排気バッファ６Ｂによって覆われた、反応管４の円筒の一部は、それぞれ仕切り部４Ａおよび仕切り部４Ｂを構成する。供給バッファ６Ａの内部のガス供給空間は、反応管４の外壁と仕切り部４Ａにより画成され、下端において処理室６と連通する。一方、排気バッファ６Ｂの下端はフランジ部４Ｃによって閉塞され、下端付近に設けられた排気ポート４Ｄを通じて外部と連通する。そのため、排気バッファ６Ｂの内部のガス排気空間は、反応管４の外壁と仕切り部４Ｂとフランジ部４Ｃにより画成される。

仕切り部４Ａには、ウエハ７の間隔と同じ間隔で、処理室６とガス供給空間とを流体連通させる横長スリット状のガス供給口４Ｆが、処理領域のウエハ７の表面に対応して複数設けられている。

仕切り部４Ｂには、ウエハ７の間隔と同じ間隔で、処理室６とガス排気空間とを流体連通させる横長スリット状のガス排気口４Ｅ（第１排気口）が、処理領域のウエハ７に対応して複数設けられている。ガス排気口４Ｅは、排気バッファ６Ｂとほぼ同一幅の複数列の開口で構成され、処理領域に高さ方向に重なる位置に設けられている。また、ガス排気口４Ｅは、ガス供給口４Ｆに対応する位置（処理領域に対向する位置、すなわち、処理領域に対面する位置）に設けられている。

仕切り部４Ｂのガス排気口４Ｅの下方には、第２排気部（第２排気口）としての副排気口４Ｇが形成されている。副排気口４Ｇは、断熱領域内の位置、あるいは断熱部と対面する位置に形成されている。副排気口４Ｇは横長の長方形状に形成され、その開口面積はガス排気口４Ｅの一つのスリットの開口面積よりも大きく、ガス排気口４Ｅの開口総面積よりも小さい。ガス排気口４Ｅ及び副排気口４Ｇは、処理室６と排気バッファとを連通させるように形成され、処理室６内の処理領域及び断熱領域の雰囲気をそれぞれ排気する。断熱領域に副排気口４Ｇを設けることにより、断熱部２２の周囲を流れた軸パージガス（後述）が処理領域に拡散することが抑制される。本例の反応管４は、排気ポート４Ｄやフランジ部４Ｃの一部を除く全体が透明石英で構成されうる。ここで透明石英は、サンドブラストやマイクロクラック、気泡等の、光を散乱させる加工が施されていない石英を意味する。

ガス供給空間内には、石英等の耐熱性材料からなるノズル８ａ、８ｂ、８ｃが設けられる。ノズル８ａの下端には、ガス供給管９ａが接続されている。ガス供給管９ａ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）１０ａおよび開閉弁であるバルブ１１ａが設けられている。ガス供給管９ａのバルブ１１ａよりも下流側には、不活性ガスを供給するガス供給管１２ａが接続されている。ガス供給管１２ａには、上流方向から順に、ＭＦＣ１３ａおよびバルブ１４ａが設けられている。ノズル８ｂ、８ｃに対しても、同様の処理ガス供給系や不活性ガス供給系が設けられる。以下では、ノズル８ａ、８ｂ、８ｃを総称してノズル８と呼ぶ。

主にガス供給管９ａ、ＭＦＣ１０ａ、バルブ１１ａにより、処理ガス供給系が構成され、ガス供給管１２ａ、ＭＦＣ１３ａ、バルブ１４ａにより、不活性ガス供給系が構成される。なお不活性ガス供給系を処理ガス供給系に含めて考えてもよい。また、ノズル８ａ、８ｂ、ガス供給口４Ｆ、供給バッファ６Ａにより、ガス供給機構が構成される。なお処理ガス供給系及び不活性ガス供給系をガス供給機構に含めて考えてもよい。

ノズル８は、ガス供給空間に、反応管４の下部より上方に向かって、ウエハ７の配列に沿って設けられている。このときノズル８は、ウエハ７の側方においてウエハ７が配列方向と平行となる。本例のノズル８は、処理領域の全域に亘ってガスを供給するように、側面に複数のガス吐出孔８Ｈが形成されている。ガス吐出孔８Ｈは、ウエハ７の配置間隔と同じ間隔で、反応管４の中心を向くようにそれぞれ開口させることができる。これによって、ガス吐出孔８Ｈからガス供給口４Ｆを通り抜ける直線的な経路で、個々のウエハ７に向けてガスを供給することができる。

排気ポート４Ｄには、処理室６内の雰囲気を排気する排気管１５が接続される。また、排気管１５には、処理室６内の圧力を検出する圧力検出器（圧力検出部）としての真空計１６および開閉弁としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ１７を介して、真空排気装置としての真空ポンプ１８が接続されており、これらを総称して排気系と呼ぶ。排気管１５は、排気ガスの成分の固形化を防ぐため、図示しないヒータによって周囲を加熱されうる。

ＡＰＣバルブ１７は、コントローラ２９によって開度が制御され、真空ポンプ１８を作動させた状態で弁を開閉することで、処理室６内の真空排気および真空排気停止を行うことができ、更に、真空ポンプ１８を作動させた状態で、真空計１６により検出された圧力情報に基づいて弁開度を連続的に調節することで、処理室６内の圧力を目標値に保つこと（定圧制御）ができるように構成されている。ガス排気口４Ｅ、副排気口４Ｇ、排気バッファ６Ｂ、排気ポート４Ｄ、排気系、及び後述の副排気バルブ３７によって、ガス排出機構が構成される。

マニホールド５の下方には、マニホールド５の下端開口を気密に閉塞可能な炉口蓋体としての蓋１９が設けられている。蓋１９は、金属によって円盤状に形成されている。蓋１９の上面には、マニホールド５の下端と当接するシール部材としてのＯリング１９Ｂが設けられている。また、蓋１９の上面のうちＯリング１９Ｂより内側領域には、蓋１９を覆って保護するシールキャッププレート２０が設置されている。

蓋１９は、マニホールド５の下端に垂直方向下側から当接されるように構成されており、反応管４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２７によって垂直方向に昇降される。ボートエレベータ２７は、ウエハ７をボート２１ごと、処理室６内から出し入れする搬送装置（搬送機構）として機能する。

基板保持具としてのボート２１は、例えば５〜２００枚のウエハ７を、水平姿勢で、かつ、互いに中心を揃えた状態で垂直方向に整列させて多段に支持するように、すなわち、間隔を空けて配列させるように構成されている。ボート２１は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる。

ボート２１と蓋１９の間には断熱部２２が設けられる。断熱部２２は、例えば円筒形状に形成され、あるいは円板状の断熱板が複数枚上下に配列されて、構成される。本例の断熱部２２は、フランジ４Ｃより上の部分のほぼ全てが、透明石英もしくは遠赤外線に対して透明な半導体ウエハ等で構成されうる。

回転機構２３は、蓋１９の外側に気密に設けられ、蓋１９を貫通する回転軸２３Ａによって断熱部２２を回転可能に支える。回転軸２３Ａは、磁性流体によってシールされる。回転機構２３には、主にシールを保護するための軸パージガスを供給するガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４には、上流方向から順に、ＭＦＣ２５およびバルブ２６が設けられている。主に、ガス供給管２４、ＭＦＣ２５、バルブ２６により、パージガス供給系であるパージガス供給部が構成される。パージガス供給部は、断熱領域の下方位置から上方に向けて軸パージガスを供給するよう構成される。例えば、軸パージガスは、蓋１９を通り抜けた後、断熱部２２とシールキャッププレート２０の間や、マニホールド５の内周、断熱部２２の外周を流れ、副排気口４Ｇから排出される。

外管４Ａの外壁には、温度検出器２８が設置されている。温度検出器２７は、上下に並んで配列された複数の熱電対によって構成されうる。温度検出器２７により検出された温度情報に基づきヒータ３への通電具合を調整することで、処理室６内の温度が所望の温度分布となる。

コントローラ２９は、基板処理装置１全体を制御するコンピュータであり、ＭＦＣ１０，１３、バルブ１１，１４、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、ヒータ３、キャップヒータ３４、温度検出器２８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等と電気的に接続され、それらから信号を受け取ったり、それらを制御したりする。

図２に示すように、コントローラ２９は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２１２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８を備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２１４、記憶装置２１６、Ｉ／Ｏポート２１８は、内部バス２２０を介して、ＣＰＵ２１２とデータ交換可能なように構成されている。コントローラ２９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２２２や、サムメモリ等の外部記憶装置２２４が接続されうる。

記憶装置２１６は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶装置２１６内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、後述する基板処理の手順や条件等が記載されたプロセスレシピ等が、読み出し可能に格納されている。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ２９に実行させ、所定の結果を得ることが出来るように組み合わされたものであり、プログラムとして機能する。以下、このプロセスレシピや制御プログラム等を総称して、単に、プログラムともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、プロセスレシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。ＲＡＭ２１４は、ＣＰＵ２１２によって読み出されたプログラムやデータ等が一時的に保持されるメモリ領域（ワークエリア）として構成されている。

Ｉ／Ｏポート２１８は、上述のＭＦＣ１０ａ，１３ａ，２５、バルブ１１ａ，１４ａ，２６、真空計１６、弁コントローラ２９、真空ポンプ１８、ヒータ３、温度検出部２８、回転機構２３、ボートエレベータ２７等に接続されている。

ＣＰＵ２１２は、記憶装置２１６から制御プログラムを読み出して実行すると共に、入出力装置２７からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からプロセスレシピを読み出すように構成されている。ＣＰＵ２１２は、読み出したプロセスレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ１０ａ，１３ａ，２５による各種ガスの流量調整動作、バルブ１１ａ，１４ａ，２６の開閉動作、弁コントローラ２９によるＡＰＣバルブ１７の開閉および圧力調整動作、真空ポンプ１８の起動および停止、温度検出部２８に基づくヒータ３の温度調整動作、回転機構２３によるボート２１の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ２７によるボート２１の昇降動作等を制御するように構成されている。

図３に反応管４の断面図が示される。反応管４の供給バッファ６Ａは、仕切り板４１によって、３つのノズル室に分割され、各ノズル室に、ノズル８ａ〜８ｃがそれぞれ設置されている。ノズル室の周方向の幅は、ノズル室の容積が、いくつかの種類のノズルを安全に設置するのに必要な最小限の容積となるよう、設計されうる。仕切り板４１の下端は、処理領域よりも下方のフランジ４Ｃ付近まで伸びているが、フランジ４Ｃの下端までは達していない（図１参照）。排気バッファ６Ｂは、仕切り板４２によって、同様に３つの空間に分割される。仕切り板４１の下端は、処理領域よりも下方へ伸びているが、副排気口４Ｇの上端までは達していない。

排気バッファ６Ｂの周方向の幅は、必要な排気速度が得られるよう、適宜拡大することができる。例えば、反応管４の外周のうち供給バッファ６Ａが占める部分以外を全て排気バッファ６Ｂとすることができ、その場合反応管４は完全な２重管構造となる。

ノズル８ａ〜８ｃの側面には、反応管４の中心方向を向いて開口したノズル孔８Ｈがそれぞれ設けられている。また反応管４の内周面とウエハ７との隙間に、ボート２１の３本の柱が位置している。反応管４の内径は、ボート２１を安全に回転あるいは搬入出可能な最小限の内径を有することが望ましい。本例では、ボートに載せられたウエハ７の端と、反応管４の内周との間の距離は、２５ｍｍ以下もしくはウエハ７の直径の８％以下に設定されている。このような反応管４を用いると、ノズル８から吐出したガスの大半は、各ウエハ７の端から端へ横断するように、各ウエハ７の隙間をウエハ７の表面に平行に流れる。

再び図１に戻り、ブレイクフィルタ３１は、排気バッファ６Ｂの下端を閉塞しているフランジ４Ｃに設けた穴４４に、埋設される。この場所は、反応管４の外壁もしくはマニホールド５の内周面よりも炉心寄りにあり、ヒータ３からの輻射熱や排気ガスからの伝熱によって、高温になる。なおマニホールド５の上端面の温度は、Ｏリング１９Ａを保護するために３００℃以下に制限されるが、ブレイクフィルタ３１はマニホールド５よりも更に高温になる。ブレイクフィルタ３１は、サファイア、シリカ、炭化ケイ素等の微粒子を焼結成型した、多孔質の素材で構成され、その上面と下面の間で、ガスが流通可能になっている。ブレイクフィルタ３１はその構造から、バルクに比べて輻射熱を吸収しやすく、断熱性（蓄熱性）が高い。なおフランジ４Ｃとの間に熱膨張率の違いがある場合、ブレイクフィルタ３１はフランジ４Ｃの穴４４に隙間嵌めされうる。

ベント管３２は、大気復帰に用いるＮ₂ガス（ベントガス）を、反応管４内に導入し、ブレイクフィルタ３１の下面に供給する。ベント管３２の上端の開口は、ブレイクフィルタ３１の下面を丁度覆うような形状に形成されうる。ベント管３２をニッケル合金製のパイプで構成した場合、ベント管３２の上端は、ブレイクフィルタ３１の下面外周とのロウ付けに接合されてもよく、或いは固定されたブレイクフィルタ３１の下面とわずかな隙間を隔てて向かい合わせて配置してもよい。ベント管３２の反応管４内の部分は、ブレイクフィルタ３１と同一もしくは同系の素材によって、ブレイクフィルタ３１と一体に構成することもできる。

ベント管３２には、処理室４の外において上流方向から順に、ＭＦＣ３３およびバルブ３４が設けられている。主に、ベント管３２、ＭＦＣ３３、バルブ３４により、ブレイクフィルタ３１にＮ₂ガスを供給するベントガス供給部が構成される。供給されるＮ₂ガスは、酸素や水蒸気の濃度が十分低いものであり、例えば酸素濃度は１０ppm以下であることが望ましい。

副排気バルブ３７は、ＡＰＣバルブ１７と並列に設けられ、ＡＰＣバルブ１７を迂回する細い開閉可能は排気経路を構成する。この排気経路のコンダクタンスは、成膜処理中にＡＰＣバルブが全閉したときに、ベントガス（及び軸パージガス）の流量と略同じかそれ以上の流量が流れるように設計される。このようにすると、それらのガスが、処理領域に流入することを抑制できる。なお、成膜処理中にＡＰＣバルブの開度の下限を適切に設定できる場合、副排気バルブ３７は不要である。

図４に反応管４のフランジ部４Ｃの斜視図が示される。フランジ部４Ｃは、反応管４の円筒部分に比べ肉厚に形成される。排気ポート４Ｄは、フランジ部４Ｃを反応管４の半径方向に貫く孔として、形成される。ブレイクフィルタ３１は、排気ポート４Ｄの途中から下方へと貫通する穴４４に、装填される。穴４４の上側は曲面に開口しているが、平板状のブレイクフィルタ３１の上面は穴４４から突出しない。ブレイクフィルタ３１は、それを取り囲むフランジ部４Ｃが、排気ガスに晒される排気バッファ６Ｂの底や排気ポート４Ｄと一体化しているため、それらと熱的に結合している。フランジ部４Ｃは、不透明石英で構成してもよい。

［変形例］
図５に、変形例に係る基板処理装置１０１が示される。なお変形例の説明の中で特に言及しない構成は、基板処理装置１と同一であり、同一の符号を付して説明を省略する。変形例では、反応管１０４は、ベルジャー形状の１重管であり、蓋１９と当接する肉厚のリップ（フランジ）部１０４Ｃから、処理ガス等が導入されるリップインレット型となっている。つまり、リップ部１０４Ｃには、放射状に複数の貫通孔が設けられ、ノズル８ａ等の基部（下端の水平部分）が挿入される。ノズル８ａとリップ部１０４Ｃ、及びノズル８ａと１２ａとの接続は、シール継手１０５を介して行われる。

ブレイクフィルタ１３１は、筒状に形成され、その下端が排気ポート４Ｄの空洞の下端よりも高くなり、その上端が処理領域の下端よりも低くなるように、ベント管１３２の先端に取り付けられる。ブレイクフィルタ１３１は、ノズル８ａから排気ポート４Ｄへ流れる処理ガスの流路上にあって、ウエハ７よりも下流の位置に設けられ、好ましくは排気ポート４Ｄの開口の延長上もしくは開口の近傍に設けられる。ベント管１３２は、ブレイクフィルタ１３１と一体に形成されており、輻射熱を吸収しやすくするために、内周側が不透明化されうる。変形例の構成では、ブレイクフィルタ１３２は、高温となる排気ポート４Ｄから直接的に熱を受け取れないが、その代わり、より温度の高い、処理領域（ヒータ３）に近い位置に配置され、ベントガスを主に水平方向に放散させる。なお、反応管４の内周面よりも炉心寄りに設けられている点は先の実施形態と同じである。

このような構成により、ブレイクフィルタ１３１は、成膜に深刻な影響を与えることなく、ベントガスを常時流出させることができ、また輻射熱や伝熱を受け取って、副生成物の付着を抑えるために必要な高い温度に保持することができ、低温になりやすい炉口部（リップ部１０４Ｃの内周やシールキャッププレート２０）からのパーティクルの巻上げを防ぐことができる。なお、図５では、排気ポート４Ｄはリップ部１０４Ｃよりも上に設けられているが、リップ部１０４Ｃの下に配置された排気専用のマニホールドに設けてもよい。またこの変形例の一部の構成を図１の基板処理装置１に適用してもよく、例えばブレイクフィルタ１３１を、基板処理装置１の穴４４から、上方の排気バッファ６Ｂ内へ貫くように設けてもよい。

［基板処理装置を用いた基板処理方法］
次に、上述の基板処理装置１又は１０１を用い、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に膜を形成する処理（以下、成膜処理ともいう）のシーケンス例について説明する。ここでは、基板としてのウエハ７に対して、第１の処理ガス（原料ガス）と第２の処理ガス（反応ガス）とを交互に供給することで、ウエハ７上に膜を形成する例について説明する。

以下、図７を参照して、原料ガスとしてヘキサクロロジシラン（Ｓｉ₂Ｃｌ₆、略称：ＨＣＤＳ）ガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、ウエハ７上にシリコンリッチなシリコン窒化膜（以下、ＳｉＮ膜ともいう）を形成する例について説明する。なお、以下の説明において、基板処理装置１を構成する各部の動作はコントローラ２９により制御される。

本実施形態における成膜処理では、処理室６内のウエハ７に対してＨＣＤＳガスを供給する工程（Ｓ９４１）と、処理室６内からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程（Ｓ９４２）と、処理室６内のウエハ７に対してＮＨ₃ガスを供給する工程（Ｓ９４３）と、処理室６内からＮＨ₃ガス（残留ガス）を除去する工程（Ｓ９４４）と、を非同時に行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことで、ウエハ７上にＳｉＮ膜を形成する。

本明細書において「ウエハ」という用語は、「ウエハそのもの（ベアウエハ）」の他、「ウエハとその表面に形成された所定の層や膜等との積層体（複合体）」を意味する。同様に「ウエハの表面」とという用語は、「ウエハそのものの表面」を意味する場合や、「ウエハ上に形成された所定の層や膜等の表面、すなわち、積層体としてのウエハの最表面」を意味する場合がある。「基板」という用語の解釈も、「ウエハ」と同様である。

（Ｓ９０１：ウエハチャージおよびボートロード）
最初に、装置のスタンバイの状態が解除され、複数枚のウエハ７がボート２１に装填（ウエハチャージ）され、そのボート２１はボートエレベータ２７によって処理室６内に搬入（ボートロード）される。このとき、コントローラ２６は、ＭＦＣ２５に所定の小流量（例えば５０ｓｃｃｍ以下）を設定し、バルブ２６を開けるように制御する。回転機構２３から少量のＮ₂ガス（軸パージガス）が流出する。搬入が終わると、蓋１９は、Ｏリング１９Ｂを介してマニホールド５の下端を気密に閉塞（シール）した状態となる。なお、ウエハチャージする前のスタンバイの状態から（つまり常時）、バルブ２６やバルブ１４を開とし、パージガスの供給を開始しても良い。バルブ２６からの軸パージガスは、ウエハチャージ中に外部より巻き込まれるパーティクルが断熱部２２に付着することを抑制し、バルブ１４からのパージガスは、空気等の気体がノズル内に逆流することを抑制することができる。

（Ｓ９０２：圧力調整）
処理室６内、すなわち、ウエハ７が存在する空間が所定の圧力（真空度）となるように、真空ポンプ１８によって真空排気（減圧排気）される。この際、処理室６内の圧力は、真空計１６で測定され、この測定された圧力情報に基づきＡＰＣバルブ１７が、フィードバック制御される。真空ポンプ１８は、少なくともウエハ７に対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。またコントローラ２６は、ＭＦＣ３３に所定の小流量（例えば５０ｓｃｃｍ以下）を設定し、バルブ３４と副排気バルブ３７を開けるように制御する。これにより、ブレイクフィルタ３１から少量のＮ₂ガス（ベントガス）が放出する。ベントガスや軸パージガスは、副排気バルブ３７やＡＰＣバルブ１７から排気される。なお、ベントガスは、少なくとも固形副生成物を生じさせる処理ガスが処理室６内を流れる間は放出され続けることが望ましく、常時放出してよい。

（Ｓ９０３：温度調整）
また、処理室６内のウエハ７が所定の温度となるように、ヒータ３によって処理室６内が加熱される。この際、処理室６内が所定の温度分布となるように、温度検出部２８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。ヒータ３による処理室６内の加熱は、少なくともウエハ７に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。

（Ｓ９０４：成膜処理）
処理室６内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、次の４つのサブステップ、すなわち、ステップＳ９４１、Ｓ９４２、Ｓ９４３及びＳ９４４を順次実行する。なおこの間、回転機構２３により、回転軸６０を介してボート２１が回転されることで、ウエハ７が回転される。

（Ｓ９４１：原料ガス供給）
このステップでは、処理室６内のウエハ７に対し、ＨＣＤＳガスを供給し、ウエハ７の最表面上に、第１の層として、シリコン（Ｓｉ）含有層を形成する。具体的には、バルブ１１ａを開き、ガス供給管９ａ内へＨＣＤＳガスを流す。ＨＣＤＳガスは、ＭＦＣ１０ａにより流量調整され、ノズル８ａのガス吐出孔８Ｈ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口４Ｆを介して処理室６内の処理領域へ供給され、ガス排気口４Ｅ、排気バッファ６Ｂ、排気ポート４Ｄを介して排気管１５から排気される。また同時にバルブ１４ａを開き、ガス供給管１２ａ内へＮ₂ガスを流す。Ｎ₂ガスは、ＭＦＣ１３ａにより流量調整され、ノズル８ａのガス吐出孔８Ｈ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口４Ｆを介してＨＣＤＳガスと一緒に処理室６内の処理領域へ供給され、ガス排気口４Ｅ、排気バッファを介して排気管１５から排気される。

このとき、コントローラ２６は、第１圧力を目標圧力とする定圧制御を行う。ただしステップＳ９４１の初期では、目標圧力に比べ処理室圧力がかなり低いため、ＡＰＣバルブ１７は全閉となることがある。しかし定圧制御外の副排気バルブ３７は開いたままであり、ここを通ってベントガスや軸パージガスのほぼ全量が真空ポンプ１８へ排出される。あるいはＡＰＣバルブ１７が全閉せず常に微小流量流れるように運用してもよい。

（Ｓ９４２：原料ガス排気）
第１の層が形成された後、バルブ１１ａを閉じ、ＨＣＤＳガスの供給を停止するとともに、ＡＰＣバルブ１７を全開にする制御を行う。これにより、処理室６内を真空排気し、処理室６内に残留する未反応もしくは第１の層の形成に寄与した後のＨＣＤＳガスを処理室６内から排出する。このとき、処理室６の温度に近い温度の排気ガスが、排気ポート４Ｄを通過し、排気ポート４Ｄ及び付近に熱が伝達される。この結果、成膜処理の間、ブレイクフィルタ３１は十分高温に保たれる。なお、バルブ１４ａを開いたままとして、処理室６内へ供給されたＮ₂ガスに、残留ガスをパージさせてもよい。ノズル８ａからのパージガスの流量は、排気経路中で低蒸気圧ガスの分圧を飽和蒸気圧よりも下げるように、或いは、反応管４内での流速が拡散速度に打ち勝つ速度になるように設定され、通常、少量のベントガスや軸パージガスに比べて格段に大きい。

（Ｓ９４３：反応ガス供給）
ステップＳ９４２が終了した後、処理室６内のウエハ７、すなわち、ウエハ７上に形成された第１の層に対してＮＨ₃ガスを供給する。熱で活性化されたＮＨ₃ガスは、ステップ１でウエハ７上に形成された第１の層（Ｓｉ含有層）の少なくとも一部と反応し、ＳｉおよびＮを含む第２の層（シリコン窒化層）へと変化（改質）させる。バルブ１１ｂ，１４ｂの開閉制御を、ステップ１におけるバルブ１１ａ，１４ａの開閉制御と同様の手順で行う。ＮＨ₃ガスは、ＭＦＣ１０ｂにより流量調整され、ノズル８のガス吐出孔８Ｈ、ガス供給空間２４Ａ、ガス供給口４Ｆを介して処理室６内の処理領域へ供給され、ガス排気口４Ｅ、排気バッファを介して排気管１５から排気される。このとき、コントローラ２６は、第２圧力を目標圧力とする定圧制御を行う。

（Ｓ９４４：反応ガス排気）
第２の層が形成された後、バルブ３０ａを閉じ、ＮＨ₃ガスの供給を停止するとともに、目標圧力を０とする定圧制御（つまり全開制御）を行う。これにより、処理室６内を真空排気し、処理室６内に残留する未反応もしくは第２の層の形成に寄与した後のＮＨ₃ガスを処理室６内から排出する。このとき、ステップＳ９４２と同様に、所定量のＮ₂ガスをパージガスとして処理室６内へ供給することができる。

（Ｓ９４５：所定回数実施）
上述したＳ９４１からＳ９４４のステップを時間的にオーバーラップさせることなく順次行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、ウエハ７上に、所定組成および所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる。Ｓ９４１やＳ９４３で形成される第１及び第２の層の厚さは、必ずしも自己限定的ではなく、その場合、安定した膜質を得るために、ガスに曝露される間のガス濃度や時間は、高い再現性でもって精密に制御される必要がある。なお、反復されるサイクル内で、Ｓ９４１とＳ９４２、またはＳ９４３とＳ９４４を、更に複数回反復して実施してもよい。

（Ｓ９０５：降温）
このステップでは、必要に応じ、成膜処理の間続けられていたステップＳ９０３の温度調整が停止しもしくはより低い温度に設定し直され、処理室６内の温度が徐々に下げられる。

（Ｓ９０６：ベント）
処理室６内が大気圧になるまで、ブレイクフィルタから不活性ガスが導入される。コントローラ２６は、ＭＦＣ３３に所定の大流量（例えば２ｓｌｍ以上）を設定し、バルブ３４を開けるように制御する。大気圧に達すると、ＭＦＣ３３に所定の小流量（例えば５０ｓｃｃｍ以下）を設定し、もしくはバルブ３４を閉じるように制御する。なおステップＳ９０５とＳ９０６は並行して行ったり、開始順序を入れ替えたりしてもよい。

（Ｓ９０７：ボートアンロードおよびウエハディスチャージ）
ボートエレベータ２７により蓋１９がゆっくりと下降され、マニホールド５の下端が開口される。そして、処理済のウエハ７が、ボート２１に支持された状態で、マニホールド５の下端から反応管４の外部に搬出される（ボートアンロード）。処理済のウエハ７は、図示しない移載機によってボート２１より取出される（ウエハディスチャージ）。

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。当業者は、上述の実施形態を、減圧下での基板の熱処理に広く適用できる。例えば本開示は、ホットウォール反応管に限られず、ランプ加熱や誘導加熱によるコールドウォール管に適用でき、図１のような２重管、図２のようなバッファ（ダクト）付き管、図５のような１重管を含む、様々な形状の反応管に対して適用できる。

１，１０１：基板処理装置、 ２：処理炉、 ３：ヒータ、 ４：反応管、 ４Ｄ：排気ポート、 １７：ＡＰＣバルブ、 １８：真空ポンプ、 ２６：コントローラ、 ３１，１３１：ブレイクフィルタ、 ３２，１３２：ベント管、 ３３：ＭＦＣ、 ３７：副排気バルブ

Claims (9)

1. 複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、
   上端を閉塞する天井と下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する処理容器を構成する反応管と、
   前記反応管の周囲に設けられ、その内部を加熱する加熱機構と、
   前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板に対して処理ガスを提供するガス供給機構と、
   前記反応管内と流体連通し、前記反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気するガス排出機構と、
   前記反応管内で前記ガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、前記基板よりも下流の位置に設けられ、前記排気ガスから熱を受け取るとともに、供給された不活性ガスを前記反応管内に放出するブレイクフィルタと、を備え、
   前記処理容器は、前記開口の周囲に、前記反応管の外壁よりも内側に伸びたフランジ部を有し、
   前記ガス排出機構は、前記フランジ部の上に前記フランジ部と連続的に形成された排気ポートを有し、
   前記ブレイクフィルタは、前記排気ポートの近傍の前記フランジ部に設けられる基板処理装置。
2. 前記処理容器は、前記反応管と同一軸の筒状に形成され、前記反応管の前記開口に接続するマニホールドを備え、
   前記ブレイクフィルタは、前記マニホールドの内周面よりも内側に設けられる請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記基板保持具を直接または間接に保持するとともに前記マニホールドの下端開口を塞ぐ蓋と、
   前記蓋を貫通する回転軸で前記基板保持具を回動させる回転機構と、を更に備える請求項２に記載の基板処理装置。
4. 前記ブレイクフィルタは、少なくとも副生成物を生じさせる処理ガスをガス供給機構が供給している間、所定量の不活性ガスを放出し続け、
   前記ガス排出機構は、前記ブレイクフィルタが所定量の不活性ガスを放出している間、前記所定量以上の排気流量を維持するように構成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の基板処理装置。
5. 前記フランジ部は、前記ガス排出機構の底若しくは前記排気ポートと熱的に結合している請求項１に記載の基板処理装置。
6. 複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、
   上端を閉塞する天井と下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する処理容器を構成する反応管と、
   前記反応管の周囲に設けられ、その内部を加熱する加熱機構と、
   前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板に対して処理ガスを提供するガス供給機構と、
   前記反応管内と流体連通し、前記反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気するガス排出機構と、
   前記反応管内で前記ガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、前記基板よりも下流の位置に設けられ、前記排気ガスから熱を受け取るとともに、供給された不活性ガスを前記反応管内に放出するブレイクフィルタと、を備え、
   前記ガス排出機構は、下端を画成するフランジ部と、前記フランジ部と連続的に形成された排気ポートと、を有し、
   前記ブレイクフィルタは、前記排気ポートの近傍において前記フランジ部を貫通する穴に装填される基板処理装置。
7. 複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具と、
   上端を閉塞する天井と下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口とを備え、前記基板保持具を収容する処理容器を構成する反応管と、
   前記反応管の周囲に設けられ、その内部を加熱する加熱機構と、
   前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板に対して処理ガスを提供するガス供給機構と、
   前記反応管内と流体連通し、前記反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気するガス排出機構と、
   前記反応管内で前記ガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、前記基板よりも下流の位置に設けられ、前記排気ガスから熱を受け取るとともに、供給された不活性ガスを前記反応管内に放出するブレイクフィルタと、を備え、
   前記反応管は、前記開口の外周側に突出したフランジ部を有し、
   前記ガス排出機構は、前記反応管の下端付近に設けられ、前記反応管の外部と連通する排気ポートを含み、
   前記ブレイクフィルタは、前記フランジ部を貫通する穴に挿入されるベント管の先端に取り付けられて、前記排気ポートの前記反応管内への開口の近傍において前記排気ポートの延長上に配置される基板処理装置。
8. 基板保持具によって所定の間隔で配列されて保持された複数の基板を、上端が天井で閉塞され下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口を有する反応管に収容する工程と、
   前記反応管の周囲に設けた加熱機構によって、その内部を加熱する工程と、
   ガス供給機構が、前記反応管内で前記基板保持具に保持された前記複数の基板に対して処理ガスを提供する工程と、
   前記反応管内と流体連通するガス排出機構が、前記開口の周囲で前記反応管の外壁よりも内側に伸びたフランジ部上に前記フランジ部と連続的に形成された排気ポートから、前記反応管内の雰囲気を排気ガスとして排気する工程と、
   前記反応管によって構成される処理容器内で前記ガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって、前記基板よりも下流の位置にある、前記排気ポートの近傍の前記フランジ部に設けられたブレイクフィルタが、前記排気ガスから熱を受け取って加熱される工程と、前記ブレイクフィルタから、不活性ガスを前記反応管内に放出し、反応管内を大気圧に復帰させる工程と、を備える半導体装置の製造方法。
9. 複数の基板を所定の間隔で配列されて保持する基板保持具を収容する反応管であって、
   上端を閉塞する天井と、
   下方に前記基板保持具を出し入れ可能な開口と、
   前記開口の周囲に、前記反応管の外壁よりも内側に伸びたフランジ部と、
   前記反応管内と流体連通するガス排気口と、前記フランジ部の上に前記フランジ部と連続的に形成された排気ポートと、を備え、前記反応管内の雰囲気を前記ガス排気口及び排気バッファを通じて排気ポートから外部に排気するガス排出機構と、
   不活性ガスを前記反応管内に放出するブレイクフィルタを、前記反応管内でガス供給機構から前記ガス排出機構へのガスの流れの途中にあって前記基板よりも下流の位置にある、前記排気ポートの近傍の前記フランジ部に、排気ガスから熱を受け取ることが可能なように装填する穴と、を備える反応管。

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