JP6916920B1 - 基板処理装置、治具、半導体装置の製造方法および基板処理装置の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保護管の金属汚染を低減する基板処理装置、治具及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板処理装置において、基板を処理する処理容器１１と、処理容器内１１に、保護管２１を有する温度測定器２０を上向きに挿通させる開口を形成する、金属製のポート１９と、ポート１９の開口の内面を覆い、且つ、処理容器１１の内側からポート１９に装着可能な筒形状に形成される、非金属製の治具３１と、を有する。ポート１９に挿入された治具３１は、ポート１９に温度測定器２０が装着されるときに、温度測定器２０とともに上下移動が可能である。【選択図】図６

Description

本開示は、基板処理装置、治具および半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置（ＩＣ等）の製造において、基板を熱処理するため、バッチ式縦形熱処理装置が広く使用されている。従来のこの種の熱処理装置の処理炉においては、上端が閉塞し下端が開放された略円筒形の縦型反応管の内部に、複数枚のウエハを搭載したボートを下方から挿入し、反応管の外側を囲むように設けられたヒータにより、ボート上のウエハを熱処理する。ボート上において、複数枚のウエハは、水平姿勢、かつ互いにウエハの中心を揃えた状態で多段に積層されて保持される。

また、上述の熱処理装置においては、反応管の内部に保護管に収納して構成される熱電対を配置して反応管内部の温度を計測し、その計測温度に基づいてヒータをフィードバック制御している。反応管の内部に配置される熱電対は、反応管の開口を閉じるシールキャップに設けられたポートの下方から挿入して、反応管に突出して固定される。

特開２０１４−６７７６６号公報

シールキャップに設けられたポートから熱電対を挿入する際に、熱電対の保護管の先端や側面とポートの金属面とが擦れ、保護管に金属が付着し、付着した金属により金属汚染が発生するおそれがある。

本開示の課題は、保護管の金属汚染を低減する技術を提供することである。

本開示によれば、基板を処理する処理容器と、前記処理容器内に、保護管を有する温度測定器を上向きに挿通させる開口を形成する、金属製のポートと、前記ポートの前記開口の内周面を覆い、且つ、前記処理容器の内側から前記ポートに装着可能な筒形状に形成される、非金属製の治具と、を有し、前記ポートに挿入された前記治具は、前記ポートに前記温度測定器が装着されるときに、前記温度測定器とともに上下移動可能に構成された技術が提供される。

本開示によれば、保護管の金属汚染を低減することが可能である。

本開示の実施形態における基板処理装置の垂直断面図である。 本開示の実施形態におけるプロフィール熱電対を示す縦断面図である。 （ａ）本開示の実施形態における治具を示す斜視図である。（ｂ）は図２に示すプロフィール熱電対の取付部を説明する図である。 図３（ａ）に示す治具を図３（ｂ）に示す取付部に装着した状態を示す図である。 図４に示す取付部に図２に示すプロフィール熱電対を挿入開始した状態を示す図である。 図４に示す取付部に図２に示すプロフィール熱電対を装着した状態を示す図である。

本開示の実施形態として、半導体装置の製造工程の１工程としての熱処理による基板処理工程を実施する基板処理装置の構成例について図１を用いて説明する。

基板処理装置１は、処理炉１０の内側に備える処理容器としての反応管１１にシリコンウエハ等の基板１００を収容し、この基板１００を所定の雰囲気下で所定の温度に加熱して薄膜を形成する。処理炉１０は、反応管１１と、反応管１１の外周に設けられ、炉軸方向に複数に分割された加熱部としてのヒータユニット１２と、を備えている。反応管１１は、一端が開口した中空状をなし、第二開口としての炉口１８が蓋としてのシールキャップ（ベース）１３により閉止される。反応管１１内には処理対象の基板１００がボート１４に支持されて収容され、減圧下でヒータユニット１２により加熱して基板１００に薄膜を形成する。ヒータユニット１２は、コントローラ１７に接続され、コントローラ１７により制御されて反応管１１内を加熱する。

複数の加熱ゾーンに分割されたヒータユニット１２には、それぞれ温度測定器としてのヒータ熱電対１５が、シールキャップ１３には温度測定器としてのプロファイル熱電対２０が設けられ、ヒータ熱電対１５およびプロファイル熱電対２０がコントローラ１７に接続される。なお、図１において図示されていないが、上の三つのヒータ熱電対１５はコントローラ１７に接続されている。

ヒータ熱電対１５で測定されたヒータユニット１２付近の測定温度と設定温度とに応じて、コントローラ１７で制御されるサイリスタ１６によりヒータユニット１２の各加熱ゾーンへの電力供給を制御して、反応管１１の内部の温度分布が一定になるようにしている。なお、図１において図示されていないが、上の三つのヒータユニット１２は、一番下のヒータユニット１２と同様にコントローラ１７で制御されるサイリスタに接続されている。

プロファイル熱電対２０は、シールキャップ１３に設けられた開口を貫通して反応管１１内に突出して設けられ、反応管１１の内部の温度を測定する。プロファイル熱電対２０は、例えば、保護管２１内に複数の絶縁管により保護された四対の熱電対素線２２ａ，２２ｂをそれぞれ配索して構成される。保護管２１は、石英、ＳｉＣ（炭化珪素）、アルミナあるいはセラミック等の高耐熱性材料から構成される。

保護管２１は先端が閉止、基端が開口し、また、基端側に外径が拡径した大径部２１ａと、先端と大径部２１ａとの間に設けられる小径部２１ｂと、小径部２１ｂから大径部２１ａに径が徐々に拡大するテーパー部２１ｃ、とが形成される。基端開口がテフロンキャップ２８で閉止される。なお、反応管１１内の温度を１０００℃以上とするようなかなりの高温条件下で用いる場合には、耐熱性の高いＳｉＣやアルミナで保護管２１を形成するのが好ましい。保護管２１から引き出された熱電対素線２２ａ，２２ｂは、可撓性の絶縁被覆２８により保護され、端子台（コネクタ）２７により中継されて補償導線２９と接続される。補償導線２９は、端子コネクタ２６でコントローラ１７と接続される。

このように構成されたプロファイル熱電対２０は、その保護管２１がシールキャップ１３に設けた金属製のポート１９から反応管１１内に炉軸方向に挿入され、反応管１１内のボート１４に沿うようにセッティングされ、ポート１９で保護管２１の下部が固定される。この保護管２１の内部に通された複数組の熱電対素線２２ａ，２２ｂは、反応管１１の外部に設けたヒータユニット１２によって加熱される反応管１１のボート１４付近の温度を複数のゾーン毎に測定する。

このような反応管１１内に基板１００を支えた石英製のボート１４が搬入される。ボート１４の下部に設けられてボート１４を支持するシールキャップ１３が反応管１１の炉口１８を閉塞して、反応管１１内を気密にする。反応管１１内に挿入した基板１００を反応管１１の外側に設けられるヒータユニット１２によりゾーン毎に加熱するとともに、ガス供給口（図示略）よりプロセスガスを供給して流通させ、排気口（図示略）より排気することにより基板１００に膜を形成する。

ところで、プロファイル熱電対２０は、ゾーン分割された反応管１１内の各ゾーン温度を校正するためのものであって、薄膜の形成等の製造運転時に反応管１１内のボート１４付近の温度を目標とする温度に設定するために、ヒータユニット１２に埋め込んだ各ヒータ熱電対１５の測定温度と比較される設定温度を調整するようになっている。

一例として、薄膜の形成の製造運転に先立って、コントローラ１７は、反応管１１をヒータユニット１２により加熱し、反応管１１外側の温度をヒータ熱電対１５により測定すると共に、反応管１１内の上下方向の温度分布をプロファイル熱電対２０により測定し、ヒータ熱電対１５およびプロファイル熱電対２０の測定データから校正データを予め作成することができる。コントローラ１７は、反応管１１内を均一に加熱するために、プロファイル熱電対２０の測定温度に対応する目標値（管内設定温度）を全て同じにして、ヒータユニット１２をゾーン毎に制御する。そして制御が収束し、定常状態となったときに、ヒータ熱電対１５の温度を取得し、ヒータ熱電対１５に対応する目標値（ヒータ設定温度）として記憶する。これを複数の設定温度について行うと、管内設定温度をヒータ設定温度に変換するテーブルが得られる。このテーブルを用いれば、ヒータ熱電対１５の温度を、ヒータ設定温度に近づける制御によって、プロファイル熱電対２０無しに、反応管１１内を均一に加熱することができる。

コントローラ１７は、より高度な多変量モデル予測制御を行うために、ステップ応答等の処理炉１０の熱特性を、プロファイル熱電対２０を用いて取得しうる。変換テーブルの取得を含むこのような測定を校正と呼び、校正により得られるデータを校正データと呼ぶ。この場合、基板処理装置１の運用に際しては、プロファイル熱電対２０を取り去ってポート１９部分の開口を塞ぎ、ヒータ熱電対１５のみで温度を測定する。そして、このヒータ熱電対１５の測定温度を校正データに基づいて反応管１１内部の温度データに修正し、この修正したデータによりヒータユニット１２を制御する。一方、校正は装置の据付や保守の際に網羅的に行われることが多いが、運用中に部分的な校正を行うこともできる。

プロファイル熱電対２０の取り付けについて図３から図６を用いて説明する。図３（ｂ）に示すように、シールキャップは、石英製の円盤状のキャップ（ベース）１３ａと、キャップ１３ａの底面に接触して保持する金属製のキャップ受け１３ｂを有する。キャップ１３ａには、開口としての円形の孔１３ｃが設けられると共にキャップ受け１３ｂには、金属製のポート１９が設けられている。ポート１９は、上下方向に伸び、一端がキャップ受け１３ｂの下面に接続された管部１９ａと、管部１９ａの一端側に設けられた締結部としての継手１９ｂと、で構成されている。管部１９ａの内側の空間は、キャップ受け１３ｂの上面側に連通している。孔１３ｃは、キャップ１３ａに、管部１９ａと同心に形成され、反応管１１内にプロファイル熱電対２０を上向きに挿通させる開口１９ｃを構成している。管部１９ａは、挿通方向において一定の直径を有する円管である。管部１９ａの内径は孔１３ｃの径よりも小さい。継手１９ｂの外周部には、プロファイル熱電対２０を締結するために、袋ナット（ユニオンナット）と締結される雄ネジやフランジ等が設けられうる。継手１９ｂの内周には、プロファイル熱電対２０との間を気密にシールするための後述のＯリング３２に対応して、テーパー面若しくは段差が設けられうる。

図３（ａ）に示すように、治具３１は石英等の非金属により筒形状に形成され、図３（ｂ）に示すように、ポート１９の開口１９ｃの内面を覆い、シールキャップ１３の上方の反応管１１側からポート１９に装着可能である。治具３１は、管部１９ａの内側に隙間嵌めされる筒状部３１ａと、筒状部３１ａの一端に管部１９ａの内側の形状よりも大きく形成された係止部３１ｂを有する。例えば、筒状部３１ａは、挿通方向において一定の直径を有する円管であり、筒状部３１ａの外径は管部１９ａの内径よりも小さく構成されている。係止部３１ｂは、挿通方向において一定の直径を有する円管であり、係止部３１ｂの外径は管部１９ａの内径よりも大きく構成されている。

係止部３１ｂの下面はキャップ受け１３ｂ或いはポート１９の上面と当接するように構成されている。これにより、治具３１は下に抜け落ちない。治具３１は筒状部３１ａの長さはポート１９の管部１９ａと同程度である。治具３１の筒状部３１ａおよび係止部３１ｂの内径はプロファイル熱電対２０の保護管２１よりも大きく、保護管２１の大径部２１ａの外径よりも小さく構成されている。係止部３１ｂの挿通方向の長さは、キャップ１３ａの挿通方向の長さよりも長く構成されている。なお、係止部３１ｂが反応管１１と接触する恐れがある場合、係止部３１ｂの一部を切り欠いてもよい。

まず、図４に示すように、治具３１がキャップ１３ａの孔１３ｃの上方からポート１９に挿入される。これにより、開口１９ｃ（管部１９ａ）の内面が治具３１で覆われる。治具３１の筒状部３１ａがポート１９に挿入され、係止部３１ｂによってポート１９に係止されたときに、筒状部３１ａのポート１９に挿入される側の先端（下端）の上下方向の位置はポート１９の管部１９ａの下端と同じか下端よりも下に位置する。

次に、図５に示すように、保護管２１は、ポート１９の下方から治具３１の筒状部３１ａ内に挿入され、反応管１１内に突出するように上方に押し込まれる。この際、ポート１９の管部１９ａおよびシールキャップ１３の孔１３ｃの内面が治具３１で覆われているので、ポート１９およびシールキャップ１３に擦れることはない。

その後、図６に示すように、ポート１９に挿入された治具３１は、ポート１９にプロファイル熱電対２０が装着されるときに、保護管２１の太さが拡大するテーパー部２１ｃに当接することによってプロファイル熱電対２０とともに持ち上げられ、治具３１の係止部３１ｂが孔１３ｃから離脱するとともに筒状部３１ａの一部がポート１９の管部１９ａの内面から離脱する。固定位置まで挿入されたプロファイル熱電対２０は継手１９ｂによってポート１９に締結される。このときテーパー部２１ｃに設けられたＯリング３２によりプロファイル熱電対２０と継手１９ｂの間の気密性を保つことができる。この場合Ｏリング３２なお大気圧に近い条件で校正が行われるような場合、Ｏリング３２及び継手１９ｂに設けたテーパー面は必須ではない。このように、ポート１９にプロファイル熱電対２０が装着されるときに、治具３１は、筒状部３１ａの一部が開口であるポート１９の管部１９ａの内面から離脱しつつ、他の一部が管部１９ａの内面に留まる。

装置を運用する際は、図３〜図６に示したキャップ１３ａに代えて、孔１３ｃを有しないキャップを用いることができ、これによって炉口における金属の露出を完全になくすことができる。或いは、孔１３ｃを塞ぐ非金属製の栓を装着してもよい。なおシールキャップ１３は、気密を維持するキャップと機械的な強度を担保するキャップ受けとに分離したものに限らず、金属で一体に形成されてもよい。その場合、シールキャップ１３に溶接によって接続されたポート１９は、継手１９ｂに装着された気密性の蓋によって完全に閉塞することができる。

なお、本開示は上述した各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に変更が可能であることはいうまでもない。例えば、大径部２１ａやテーパー部２１ｃは、小径部２１ｂ（プロファイル熱電対２０）と一体に形成されるものに制限されず、フェルール等の様態で別体に用意されるものも含む。ポート１９への装着時に大径部２１ａと同様に機能し、プロファイル熱電対２０と一体に固定されるフェルールは、大径部２１ａを構成しているとみなすことができる。また、プロファイル熱電対２０は、運用時に撤去されるものに限らず、運用中も治具３１と共に反応管１１内に残され、それによって測定された内部温度が高精度の温度制御に利用されてもよい。

また、上述した実施形態では、処理がウエハに施される場合について説明したが、処理対象はウエハ以外の基板であってもよく、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あるいは磁気ディスク等であってもよい。
また、本開示は、半導体製造装置だけでなく、ＬＣＤ製造装置のようなガラス基板を処理する装置や、他の基板処理装置にも適用できる。基板処理の処理内容は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、酸化膜、窒化膜、金属含有膜等を形成する成膜処理だけでなく、露光処理、リソグラフィ、塗布処理等であってもよい。

１：基板処理装置
１１：反応管（処理容器）
１９：ポート
２０：プロファイル熱電対（温度測定器）
２１：保護管
３１：治具

Claims (13)

1. 基板を処理する処理容器と、
   前記処理容器内に、保護管を有する温度測定器を上向きに挿通させる開口を形成する、金属製のポートと、
   前記ポートの前記開口の内周面を覆い、且つ、前記処理容器の内側から前記ポートに装着可能な筒形状に形成される、非金属製の治具と、を有し、
   前記ポートに挿入された前記治具は、前記ポートに前記温度測定器が装着されるときに、前記温度測定器とともに上下移動可能に構成される、基板処理装置。
2. 前記ポートに挿入された前記治具は、前記ポートに装着され前記温度測定器によって持ち上げられたときに、前記治具の一部が前記開口の内面から離脱しつつ、他の一部が前記開口の内面に留まる請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記治具の内径は、前記保護管の外径よりも大きい請求項２記載の基板処理装置。
4. 前記治具の長さは、前記保護管の長さよりも小さい請求項３記載の基板処理装置。
5. 前記ポートに挿入された前記治具は、前記ポートに装着された前記保護管の太さが拡大する部分に当接することによって前記温度測定器とともに持ち上げられる請求項１又は２記載の基板処理装置。
6. 前記基板を搬入出するために前記処理容器の下方に設けられる第二開口を閉じる蓋を更に備え、
   前記ポートは、上下方向に伸び、一端が前記蓋に接続され、その内側に前記開口を構成する管部と、前記管部の他端に接続され、装着される前記温度測定器を前記保護管の太さが拡大する部分において固定する締結部と、と有する請求項２記載の基板処理装置。
7. 前記管部は、挿通方向において一定の直径を有する円管であり、
   前記治具は、前記管部の内側に隙間嵌めされる筒状部と、前記筒状部の一端に前記開口の内側の形状よりも大きく形成された係止部を有し、前記ポートに挿入され前記係止部によって前記開口に係止されたときに、前記ポートに挿入される側の先端が、前記ポートの前記管部と前記締結部の接続位置に対応するか、前記接続位置よりも前記締結部側に位置する請求項６記載の基板処理装置。
8. 前記基板を搬入出するために前記処理容器の下方に設けられる第二開口を閉じる蓋を更に備え、
   前記蓋は、石英製の円盤状のキャップと、前記キャップの底面に接触して保持する金属製のキャップ受けとを有し、前記ポートは前記キャップ受けに設けられ、前記キャップは、前記ポートに対応する位置に前記治具の係止部より大きな孔を有する請求項１又は２記載の基板処理装置。
9. 前記保護管の太さが拡大する部分はテーパー形状を有する請求項３記載の基板処理装置。
10. 前記締結部は、保護管の太さが拡大する部分との間で、Ｏリングによって気密性が維持される請求項６記載の基板処理装置。
11. 基板を処理する処理容器内に、保護管を有する温度測定器を上向きに挿通させる開口を形成する、金属製のポートに挿入される、非金属製の治具であって、
    前記ポートの前記開口の内面を覆い、且つ、前記処理容器の内側から前記ポートに装着可能な筒形状に形成された係止部を有し、
    前記ポートに前記温度測定器が装着されるときに、前記温度測定器とともに上下移動可能に構成される、治具。
12. 基板を処理する処理容器と、前記処理容器内に、保護管を有する温度測定器を上向きに挿通させる開口を形成する、金属製のポートと、を有する基板処理装置の処理容器に基板を搬入する工程と、
    前記ポートの前記開口の内面を覆う筒形状に形成され、前記処理容器の内側から前記ポートに挿入された非金属製の治具を通して、前記ポートに装着された前記温度測定器によって測定された温度に基づいて、処理容器のヒータを制御する工程と、
    前記ヒータによって加熱された基板を処理する工程と、を備え、
    前記ポートに挿入された前記治具は、前記ポートに前記温度測定器が装着されるときに、前記温度測定器とともに上下移動可能に構成される、半導体装置の製造方法。
13. 基板を処理する処理容器の内部に、保護管を有するプロファイル温度測定器を上向きに挿通させる開口を形成する金属製のポートに、前記ポートの前記開口の内周面を覆い且つ前記処理容器の内側から前記ポートに装着可能な筒形状に形成される、非金属製の治具が装着された基板処理装置を用意する工程と、
    前記ポートに前記プロファイル温度測定器を装着し、前記治具が記温度測定器とともに押し上げられた状態とする工程と、
    コントローラが、処理容器をヒータにより加熱し、処理容器外側の温度をヒータ温度測定器により測定すると共に、処理容器内の上下方向の温度分布をプロファイル熱電対により測定し、前記ヒータ温度測定器および前記プロファイル温度測定器の測定データから校正データを作成する工程と、を備える基板処理装置の校正方法。

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