JP7117398B2 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法およびヒータユニット - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法およびヒータユニット Download PDF

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Description

本開示は、基板処理装置、半導体装置の製造方法およびヒータユニットに関する。
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、複数枚のウェ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、ボート上のウェハを熱処理する。ボート上において、複数枚のウェハは、水平姿勢、かつ互いにウェ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、ヒータの近傍に熱電対（ヒータ熱電対、スパイク熱電対とも言う。）を配置して加熱側の温度を計測し、ウェハもしくは反応管の近傍に熱電対（カスケード熱電対、プロファイル熱電対とも言う。）を配置して被加熱体の温度を計測し、それら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。また、ヒータの近傍に熱電対（以下、過熱検知熱電対という。）を配置してヒータの異常加熱を検出し、強制的にヒータ電源を遮断するなどして装置保護を行っている。
さらに、熱処理装置では、基板を処理する処理シーケンスの実行中に、熱電対が故障した場合、フェイルセーフの思想から、２つの近傍に配置されたヒータ熱電対と過熱検知熱電対を切替え可能に設け、一方の熱電対が故障した場合には、一方の熱電対の代替えとして他方の熱電対を用いて、他方の熱電対の測定温度をそのまま、一方の熱電対のときに設定した設定温度と一致するように制御させるようにした装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平１０－２７０４５４号公報
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、２つの熱電対は比較的近傍に配置されているとはいえ測定箇所が異なるため、一方の熱電対の代替えとして他方の熱電対の測定温度をそのまま設定温度となるように制御すると、本来温度制御したい一方の熱電対の測定温度と設定温度とに食い違いが発生することとなり、安定な温度制御の継続を行うことが困難になる。
本開示の課題は、温度センサとしての熱電対が故障した場合でも、温度制御の安定継続が可能な構成を提供することにある。
本開示に係る一態様によれば、
基板を内部に収容する反応室と、
前記反応室の周囲を覆うように設けられる炉体と、
前記炉体の内部もしくは内側に設けられる発熱体と、
前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる第１温度センサと、
その測温点が前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
前記反応室の内部もしくは外側であって前記第１温度センサの測温点よりも前記基板に近く且つ前記発熱体から遠い位置に設けられる第３温度センサと、
前記第３温度センサが検知する温度が所定の目標に一致するように、前記第１温度センサの温度を参照しながら前記発熱体の発熱量を制御する温度調節器と、
を備え、
前記温度調節器は、前記第１温度センサの異常を検知すると、前記第１温度センサの温度に代えて前記第２温度センサの温度を参照して、前記発熱量の制御を続けることが可能な構成が提供される。
上記の構成により、温度制御の安定継続が可能になる。
本開示の実施形態における基板処理装置の斜透視図である。 本開示の実施形態における処理炉の垂直断面図である。 本開示の実施形態における処理炉と熱電対を示す図である。 図３の処理炉の水平断面図である。 本開示の実施形態における温度検出具の構造を示す図である。 図５の円Ａの部分の拡大断面図である。 図５の温度検出具の絶縁管の先端を示す図であり、（ａ）は図６のＢ方向からの側面図であり、（ｂ）は図６と同じ方向からの側面図である。 温度検出具４００の先端を示す図である。 図８の温度検出具の絶縁管の先端を示す図であり、（ａ）は図８のＢ方向からの側面図であり、（ｂ）は図８と同じ方向からの側面図である。 図３の温度制御部のＰＩＤ制御について説明する図である。
（実施形態）
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。
図１は、本開示の実施形態における基板処理装置の斜透視図である。図１に示すように、実施形態に係る基板処理装置１０は、筐体１０１を備え、シリコン等からなる基板であるウェハ２００を筐体１０１内外へ搬送するために、ウェハキャリア（基板収容器）としてカセット（ポッド、ＦＯＵＰとも言う）１１０が使用される。
筐体１０１の正面前方側にはカセットステージ１０５が設置されている。カセット１１０は、筐体１０１外の工程内搬送装置（図示せず）によって、カセットステージ１０５上に搬入、載置され、また、カセットステージ１０５上から筐体１０１外へ搬出される。
筐体１０１内の前後方向における略中央部には、カセット棚１１４が設置されている。カセット棚１１４は、複数個のカセット１１０を保管する。カセット棚１１４の一部として、移載棚１２３が設けられ、移載棚１２３には、後述するウェハ移載機構１１２の搬送対象となるカセット１１０が収納される。
カセットステージ１０５とカセット棚１１４との間には、カセット搬送装置１１５が設置されている。カセット搬送装置１１５は、カセットステージ１０５、カセット棚１１４、移載棚１２３の間で、カセット１１０を搬送する。
カセット棚１１４の後方には、ウェハ移載機構１１２が設置されている。ウェハ移載機構１１２は、ウェハ２００を移載棚１２３上のカセット１１０内からピックアップして、後述するボート（基板保持具）２１７へ装填（チャージング）したり、ウェハ２００をボート２１７から脱装（ディスチャージング）して、移載棚１２３上のカセット１１０内へ収納したりすることができる。
筐体１０１の後側上方には、処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ１１６により開閉可能なように構成されている。処理炉２０２の構成については後述する。
処理炉２０２の下方には、ボート２１７を昇降させて処理炉２０２内外へ搬送する機構としてのボートエレベータ１２１が設置されている。ボートエレベータ１２１には、昇降台としてのアーム１２２が設置されている。アーム１２２上には、シールキャップ２１９が水平姿勢で設置されている。シールキャップ２１９は、ボート２１７を鉛直に支持するとともに、ボートエレベータ１２１によりボート２１７が上昇したときに、処理炉２０２の下端部を気密に閉塞する蓋体として機能するものである。ボート２１７の構成については後述する。
（処理炉の構成）
次に、実施形態における処理炉２０２の構成について、図２を用いて説明する。図２は、基板処理装置の処理炉の垂直断面図である。この実施形態においては、処理炉２０２は、バッチ式縦形ホットウオール形の熱処理炉として構成されている。
（反応管）
処理炉２０２は、その内側に、縦形の反応管２２２を備えている。反応管２２２は、上端が閉塞され下端が開口された略円筒形状をしており、開口された下端が下方を向くように、かつ、筒の中心軸（管軸）が鉛直になるように縦向きに配置されている。
反応管２２２内には、基板保持具としてのボート２１７によって水平姿勢で多段に積層された複数枚のウェハ２００を収容して処理する反応室としての処理室２０４が形成される。反応管２２２の内径は、ウェハ２００群を保持するボート２１７の最大外径よりも大きくなるように設定されている。
反応管２２２は、本例では、石英（ＳｉＯ２）や炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性の高い材料によって、略円筒形状に一体成形されている。
反応管２２２の下端部は、その水平断面が略円形リング形状であるマニホールド２０６によって気密に封止されている。反応管２２２は、その保守点検作業や清掃作業のために、マニホールド２０６に着脱自在に取り付けられている。マニホールド２０６が筐体１０１に支持されることにより、反応管２２２は、筐体１０１に鉛直に据え付けられた状態になっている。マニホールド２０６の下端開口は、ウェハ２００群を保持したボート２１７を出し入れするための炉口２０５を構成している。
（基板保持具）
マニホールド２０６には、マニホールド２０６の下端開口を閉塞するシールキャップ２１９が、鉛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２１９は反応管２２２の外径と同等以上の外径を有する円盤形状に形成されており、反応管２２２の外部に鉛直に設備されたボートエレベータ１２１によって、前記円盤形状を水平姿勢に保った状態で鉛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２１９上には、ウェハ２００を保持する基板保持具としてのボート２１７が鉛直に支持されるようになっている。ボート２１７は、上下で一対の端板と、両端板間に渡って鉛直に設けられた複数本、本例では３本のウェハ保持部材（ボート支柱）とを備えている。端板及びウェハ保持部材は、例えば、石英（ＳｉＯ２）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性の高い材料から構成される。
各ウェハ保持部材には、水平方向に刻まれた多数条の保持溝が、長手方向にわたって等間隔に設けられている。各ウェハ保持部材は、保持溝が互いに対向し、各ウェハ保持部材の保持溝の鉛直位置（鉛直方向の位置）が一致するように設けられている。ウェハ２００の周縁が、複数本のウェハ保持部材における同一の段の保持溝内に、それぞれ挿入されることにより、複数枚（例えば、５０～１５０枚程度）のウェハ２００は、水平姿勢、かつ互いにウェハの中心を揃えた状態で鉛直方向に多段に積層されて保持される。
また、ボート２１７とシールキャップ２１９との間には、保温筒２１０が設けられている。保温筒２１０は、例えば、石英（ＳｉＯ２）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱性材料から構成されている。保温筒２１０によって、後述するヒータユニット２０８からの熱が、マニホールド２０６側に伝わるのを抑止する。
シールキャップ２１９の下側（処理室２０４と反対側）には、ボート２１７を回転させるボート回転機構２３７が設けられている。ボート回転機構２３７のボート回転軸は、シールキャップ２１９を貫通してボート２１７を下方から支持している。ボート回転軸を回転させることにより、処理室２０４内にてウェハ２００を回転させることが可能となる。シールキャップ２１９は、上述のボートエレベータ１２１によって鉛直方向に昇降されるように構成されており、これにより、ボート２１７を処理室２０４内外に搬送することが可能となっている。
ボート回転機構２３７及びボートエレベータ１２１は、制御部２８０に電気的に接続されている。制御部２８０は、ボート回転機構２３７及びボートエレベータ１２１が所望のタイミングにて所望の動作をするように制御する。
（ヒータユニット）
反応管２２２の外部には、反応管２２２内を全体にわたって均一または所定の温度分布に加熱する炉体としてのヒータユニット２０８が、反応管２２２を包囲するように設けられている。ヒータユニット２０８は、断熱材等で筒状又は箱状に構成された炉体と、炉体の内周面付近に設けられる発熱体２０９とで構成され、基板処理装置１０の躯体２０９に支持されることにより鉛直に据え付けられる。発熱体２０９は、例えば、カーボンヒータ等の抵抗加熱ヒータにより構成され、本例では炉体の内面に露出されている。
（ガス供給系）
ガス供給系について、図２を用いて説明する。図２に示すように、処理室２０４内に処理ガスを供給するガスノズル２２４が、シールキャップ２１９を鉛直方向に貫通して設けられている。なお、ガスノズル２２４は、マニホールド２０６を水平方向に貫通するように設けてもよい。ガスノズル２２４には、処理ガス供給機構２２６が接続されている。処理ガス供給機構２２６は、上流から順に、処理ガスを供給する処理ガス供給源、流量制御装置としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）、及び開閉バルブを有する。主にガスノズル２２４から処理ガス供給部が構成される。なお、処理ガス供給機構２２６を処理ガス供給部に含めて考えることもできる。
処理ガス供給機構２２６のＭＦＣや開閉バルブは、制御部２８０に電気的に接続されている。制御部２８０は、処理室２０４内に供給するガスの種類が所望のタイミングにて所望のガス種となるよう、また、供給するガスの流量が所望のタイミングにて所望の流量となるよう、ＭＦＣ及び開閉バルブを制御する。
（ガス排気系）
マニホールド２０６の側壁の一部には、処理室２０４内の雰囲気を排気する排気管２３１が接続されている。排気管２３１には、上流から順に、圧力検出器としての圧力センサ２３６、圧力調整器としてのＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ２３２が設けられている。ＡＰＣバルブ２３２の下流には、排気管２３３を介し、真空排気装置としての真空ポンプ２３４が接続されている。主に排気管２３１により、反応管２２２内からガスを排気する排気部が構成される。なお、ＡＰＣバルブ２３２、真空ポンプ２３４を、排気部に含めて考えることもできる。
ＡＰＣバルブ２３２および圧力センサ２３６は、制御部２８０に電気的に接続されている。制御部２８０は、処理室２０４内の圧力が所望のタイミングにて所望の圧力となるように、圧力センサ２３６により検出された圧力値に基づいてＡＰＣバルブ２３２の開度を制御する。
（コントローラ）
制御部（コントローラ）２８０は、図示しない操作部や入出力部を備え、基板処理装置１０の各構成部と電気的に接続されており、基板処理装置１０の各構成部を制御する。制御部２８０は、成膜等のプロセスの制御シーケンスを時間軸で示したレシピに基づく温度制御や圧力制御、流量制御および機械駆動制御を指令する。
（温度検出装置）
実施形態における温度検出装置の概略について、図３、４を参照しながら説明する。図３は、実施形態における処理炉と熱電対を示す垂直断面図である。図４は、図３の処理炉の、リブ２１１部分における水平断面図である。
図３に示すように、第１温度センサとしてのヒータ熱電対５１ａ～５１ｈおよび第２温度センサとしての過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈを含む温度検出具３００ａ～３００ｈは、ヒータユニット２０８を水平方向に貫通し、先端がリブ２１１から突出するように、ヒータユニット２０８に設けられている。ヒータ熱電対５１ａ～５１ｈおよび過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈの各熱電対接合部（以下、単に接合部ともいう。）は、測温点であり、反応管２２２の外側側面に対向している。このとき、これらの接合部は、ウェハ２００又は反応管２２２との距離よりも発熱体２０９又は炉体内面との距離の方が小さい。ヒータ熱電対５１ａ～５１ｈおよび過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈの各素線は、ヒータユニット２０８の外側に延びており、温度制御部２８２に接続されている。温度検出具３００ａ～３００ｈを代表させる場合は、温度検出具３００と称す。ヒータ熱電対５１ａ～５１ｈを代表させる場合は、ヒータ熱電対５１と称し、過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈを代表させる場合は、過熱検知熱電対５３と称す。
また、図３に示すように、第３温度センサとしてのカスケード熱電対５２ａ～５２ｇは、反応管２２２とボート２１７との間に設けられた保護管６２内に収容されている。保護管６２は、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性の高い材料によって、円管形状に形成され、上端は閉じられ、下端に開口部を有し、鉛直方向に延在するように設置されている。なお、カスケード熱電対５２ｈを含む温度検出具４００ｈは、反応管２２２の上方に設けられている。
ヒータユニット２０８は、複数の加熱ゾーンに分割されており、図３の例では７つのゾーンに分割されている。反応管２２２の側面の周囲には、炉体の最上部側のヒータ（Ｕ１ゾーンヒータ）２０８ａと、Ｕ１ゾーンヒータ２０８ａの直ぐ下のヒータ（Ｕ２ゾーンヒータ）２０８ｂと、Ｕ２ゾーンヒータ２０８ｂの直ぐ下のヒータ（ＣＵゾーンヒータ）２０８ｃと、ＣＵゾーンヒータ２０８ｃの直ぐ下のヒータ（Ｃゾーンヒータ）２０８ｄと、Ｃゾーンヒータ２０８ｄの直ぐ下のヒータ（ＣＬゾーンヒータ）２０８ｅと、ＣＬゾーンヒータ２０８ｅの直ぐ下のヒータ（Ｌ１ゾーンヒータ）２０８ｆと、最下部側のヒータ（Ｌ２ゾーンヒータ）２０８ｇと、が炉体の内面上に露出させて設けられている。各加熱ゾーンの発熱体である抵抗加熱ヒータは他の加熱ゾーンから独立していて個別に制御される。温度検出具３００の貫通孔をリブ２１１上に設けたことで、各ゾーンにおいて、温度検出具３００の先端（接合部）と、上下の発熱体との距離を、一定にすることが容易となる。更には、必要に応じて、温度検出具３００の先端と、発熱体の蛇行パターンとの位置関係を、複数のゾーンに亘って揃えることができる。なお温度検出具３００の貫通孔によって、リブ２１１は途切れうる。また、あるゾーンの発熱体の段数が奇数である場合、ゾーンの中心よりも上又は下にずれた位置に配置されうる。
また、反応管２２２の上方には、炉体の天井２０８ｔの内面から浮かせてヒータ（Ｓｕｂ－Ｕゾーンヒータ）２０８ｈが設けられている。天井２０８ｔは断熱材および排気口を有する。各ゾーンのヒータ２０８ａ～２０８ｇに炉体の外面側から冷却空気が流入し内面側に流入して、反応管２２２とヒータユニット２０８との間の空間を経て、天井２０８ｔの排気口から排出されるよう構成されている。
ヒータ熱電対５１ａ、カスケード熱電対５２ａおよび過熱検知熱電対５３ａは、処理炉２０２のＵ１ゾーンヒータ２０８ａの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｂ、カスケード熱電対５２ｂおよび過熱検知熱電対５３ｂは、Ｕ２ゾーンヒータ２０８ｂの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｃ、カスケード熱電対５２ｃおよび過熱検知熱電対５３ｃは、ＣＵゾーンヒータ２０８ｃの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｄ、カスケード熱電対５２ｄおよび過熱検知熱電対５３ｄは、Ｃゾーンヒータ２０８ｄの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｅ、カスケード熱電対５２ｅおよび過熱検知熱電対５３ｅは、ＣＬゾーンヒータ２０８ｅの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｆ、カスケード熱電対５２ｆおよび過熱検知熱電対５３ｆは、Ｌ１ゾーンヒータ２０８ｆの温度検出用であり、ヒータ熱電対５１ｇ、カスケード熱電対５２ｇおよび過熱検知熱電対５３ｇは、Ｌ２ゾーンヒータ２０８ｇの温度検出用である。ヒータ熱電対５１ｈ、カスケード熱電対５２ｈおよび過熱検知熱電対５３ｈは、Ｓｕｂ－Ｕゾーンヒータ２０８ｈの温度検出用である。一般的に、ヒータ熱電対５１、カスケード熱電対５２、過熱検知熱電対５３は、対応するゾーンの高さ方向の範囲内（例えば中央付近）で、リブ２１１上の位置に取り付けられるが、ヒータ熱電対５１ａ等は、Ｕ１ゾーンの下端付近に設けられ、ヒータ熱電対５１ｇ等は、Ｌ２ゾーンの上端付近に設けられる。
ヒータ熱電対５１ａ～５１ｈの計測温度は、分割された要素（加熱ゾーン）ごとに独立にまたは連携してフィードバック制御され、ヒータ熱電対５１ａ～５１ｈの計測温度を参照しつつ、カスケード熱電対５２ａ～５２ｈの計測温度と目標温度との誤差が小さくなるように、ヒータユニット２０８の発熱量が制御される。
なお、ヒータ熱電対５１ａ～５１ｅを用いずに過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈを用いて、カスケード熱電対５２ａ～５２ｈの計測温度を参照しつつ、過熱検知熱電対５３ａ～５３ｈの計測温度と目標温度との誤差が小さくなるように、ヒータユニット２０８の発熱量を制御することも可能である。
次に、実施形態における温度検出具の構造を、図５～７を用いて説明する。図５は、実施形態における温度検出具の構造を示す断面図である。図６は、図５の円Ａの部分の拡大断面図である。図７は、温度検出具３００の絶縁管３１２の先端を示す図であり、図７（ａ）は図６のＢ方向からの側面図であり、図７（ｂ）は図６と同じ方向からの側面図である。
図３に示すように、Ｕ１ゾーンヒータ２０８ａ～Ｌ２ゾーンヒータ２０８ｇに対応する温度検出具３００ａ～３００ｇは、温度検出具３００ａ～３００ｇの先端がヒータユニット２０８の炉体（より正確にはリブ２１１）の内面から所定量突出するように同じ長さに構成される。Ｓｕｂ－Ｕゾーンヒータ２０８ｈに対応する温度検出具３００ｈは、炉体であるヒータユニット２０８の外周から反応管２２２の管軸に垂直に天井２０８ｔ内に挿通され温度検出具３００ｈの先端が反応管２２２の外側で反応管２２２の管軸上に位置するように、温度検出具３００ａ～３００ｇよりも保護管３１３が長く構成されている。保護管３１３の先端は天井２０８ｔ内の断熱材から露出して設置されている。
図５に示すように、温度検出具３００は、ヒータ熱電対５１、過熱検知熱電対５３と、絶縁管３１２と、保護管３１３と、を備える。保護管３１３は、再結晶アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライトやステンレス等の耐熱性の高い材料により円筒形状に形成られ、一端は閉じられ、他端は開口部を有する。再結晶アルミナは、１０００℃以下の発熱体からの赤外線を良く透過することが知られる。
図６、７に示すように、絶縁管３１２は保護管３１３に挿通可能な外径と４つの内部孔３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃ，３１２ｄを有する一定断面の棒状に形成され、一端において、４つの内部孔３１２ａ，３１２ｂ，３１２ｃ，３１２ｄを、左右に隣り合う２組の内部孔３１２ａ，３１２ｃと内部孔３１２ｂ，３１２ｄとに分離するようにすり割り加工により溝３１２ｅが横方向に形成されている。絶縁管３１２は、例えばアルミナ製であり、内部孔３１２ａ～３１２ｄは熱電対素線をそれぞれ挿通可能な内径の孔である。溝３１２ｅは、内部孔３１２ａ～３１２ｄを、溝の内側に露出させるのに十分な幅を有する。
ヒータ熱電対５１は、熱電対接合部２３ａと、熱電対接合部２３ａで接合された２本の熱電対素線２１ａ，２２ａを有する。例えば、熱電対素線２１ａはプラス線であり、その材質は白金ロジウムである。熱電対素線２１ｂはマイナス線であり、その材質は白金である。ヒータ熱電対５１の熱電対素線２１ａ，２２ａが、１組の内部孔３１２ａ，３１２ｂのそれぞれに挿通され、ヒータ熱電対５１の熱電対接合部２３ａを、溝３１２ｅの内側で近接させて保持されている。
過熱検知熱電対５３は、熱電対接合部２３ｂと、該熱電対接合部２３ｂで接合された２本の熱電対素線２１ｂ，２２ｂを有する。例えば、熱電対素線２１ｃはプラス線であり、その材質は白金ロジウムである。熱電対素線２１ｄはマイナス線であり、その材質は白金である。過熱検知熱電対５３の熱電対素線２１ｂ，２２ｂが、１組の内部孔３１２ｃ，３１２ｄのそれぞれに挿通され、過熱検知熱電対５３の熱電対接合部２３ｂを、溝３１２ｅの内側で近接させて保持されている。つまり、ヒータ熱電対５１と過熱検知熱電対５３は、それらの熱電対接合部から伸びる熱電対素線が、溝の間を架け渡すようにして、左右に並んで設けられる。これにより上下（管軸）方向に温度勾配があっても、両者は同じ温度を検出できる。また保護管３１３の先端から熱電対接合部２３ａ及び２３ｂまでのＢ方向の距離は、略等しく、保護管３１３の先端がリブから突出する長さの略半分になるように設定されうる。例えば、突出する長さが１１ｍｍであれば、５．５ｍｍに設定される。
Ｓｕｂ－Ｕゾーンヒータ２０８ｈに対応する温度検出具３００ｈは、保護管３１３、熱電対素線２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂの長さを除いて、温度検出具３００と同様の構造である。
このように、ヒータ熱電対５１および過熱検知熱電対５３は、その熱電対接合部２３ａ，２３ｂが、保護管３１３の先端内部空間にある。また、その熱電対素線２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂが、絶縁管３１２の４孔にそれぞれ挿通され、絶縁管３１２の先端とは反対側の端面から、ヒータユニット２０８の外面へと引き出され、コネクタ３１４に接続される構成になっている。絶縁管３１２や保護管３１３は、熱容量を小さくするために細く構成することが好ましく、例えばそれぞれの外径は６mm以下、４mm以下とすることができる。
次に、実施形態におけるカスケード熱電対５２ｈを有する温度検出具４００の構造を、図８、９を用いて説明する。図８は、温度検出具４００の先端を示す図である。図９は、温度検出具４００の絶縁管４１２の先端を示す図であり、図９（ａ）は図８のＢ方向からの側面図であり、図９（ｂ）は図８と同じ方向からの側面図である。
温度検出具４００は温度検出具３００と同様な構造である。ただし、温度検出具４００は温度検出具３００よりも長く形成されている。温度検出具４００は、ヒータユニット２０８の外周から反応管２２２の管軸に垂直に挿通され、保護管４１３ｈの先端が反応管２２２の管軸上にあって温度検出具３００ｈの先端と反応管２２２の上端の間に位置する。
絶縁管４１２は、絶縁管３１２と同様に、保護管４１３に挿通可能な外径と４つの内部孔４１２ａ，４１２ｂ，４１２ｃ，４１２ｄを有する一定断面の棒状に形成され、一端において、四つの内部孔４１２ａ，４１２ｂ，４１２ｃ，４１２ｄを隣り合う２組の内部孔４１２ａ，４１２ｃと内部孔４１２ｂ，４１２ｄとに分離するようにすり割り加工により溝４１２ｅが形成されている。
カスケード熱電対５２ｈは、ヒータ熱電対５１と同様に、熱電対接合部２３ｈと、該熱電対接合部２３ｈで接合された２本の熱電対素線２１ｈ，２２ｈを有する。例えば、熱電対素線２１ｈはプラス線であり、その材質は白金ロジウムである。熱電対素線２１ｈはマイナス線であり、その材質は白金である。カスケード熱電対５２ｈの熱電対素線２１ｈ，２２ｈが、１組の内部孔４１２ａ，４１２ｂのそれぞれに挿通され、カスケード熱電対５２ｈの熱電対接合部２３ｈを、溝４１２ｅの内側で近接させて保持されている。なお、内部孔４１２ｃ，４１２ｄには熱電対素線は挿通されていない。
（本実施形態に係る基板処理動作）
次に、本実施形態に係る基板処理動作を、ＩＣの製造方法における成膜工程を例にして説明する。この基板処理動作は、コントローラ２８０により制御される。まず、ウェハチャージングステップにおいて、ウェハ２００はボート２１７に装填される。複数枚のウェハ２００は、ボート２１７におけるチャージング状態において、その中心を揃えられて互いに平行かつ水平、多段に積載され、整列されている。
次に、ボートローディングステップにおいて、複数枚のウェハ２００を積載、保持したボート２１７は、処理室２０４に搬入（ボートローディング）される。続いて、減圧ステップにおいて、排気管２３１を介して真空ポンプ２３４により、反応管２２２の内部が所定の真空度に減圧されるとともに、昇温ステップにおいて、温度検出装置により測定した温度に基づき、ヒータユニット２０８により反応管２２２の内部が所定の温度に昇温される。
次に、成膜ステップにおいて、ボート２１７が回転されつつ、所定の原料ガスが、ガスノズル２２４に供給され、処理室２０４に導入される。処理室２０４に導入された原料ガスは、反応管２２２内に流出して、マニホールド２０６に開設された排気管２３１から排気される。成膜ステップにおいて、温度検出装置により測定した温度に基づき、ヒータユニット２０８により反応管２２２の内部が所定の温度に維持される。このようにして、ウェハ２００の表面に接触しながら上下で隣合うウェハ２００とウェハ２００との間の空間を平行に流れて行く原料ガスによって、ウェハ２００の表面が成膜される。
以上のようにして所望の成膜処理がなされた後に、原料ガスの供給が停止され、不活性ガスにより、処理室２０４内が大気圧に復帰される。また、温度検出装置により測定した温度に基づき、反応管２２２の内部が所定の温度に降温される。その後、ボートアンローディングステップにおいて、シールキャップ２１９が下降されることによって処理室２０４の下端が開口され、ボート２１７に保持された状態で処理済みのウェハ２００群が処理室２０４から外部に搬出（ボートアンローディング）される。
上述した昇温動作、温度維持動作、降温動作は、ヒータ熱電対５１およびカスケード熱電対５２により測定した温度に基づき、該測定温度が目標温度にとなるよう、コントローラ２８０の温度制御部２８２の温度調節器により制御、例えばＰＩＤ制御が行われる。図１０は温度制御部２８２の温度調節器のＰＩＤ制御について説明する図である。
図１０に示すように、ヒータユニット２０８は抵抗加熱ヒータ５２０による加熱と空気による冷却によって温度制御が行われる。すなわち、抵抗加熱ヒータへの電力量およびＡＰＣバルブ５１３の開度によって温度制御が行われる。
温度制御部２８２の温度調節器２８２ａは、主制御部であるコントローラ２８０から入力される温度設定値とカスケード熱電対５２からの温度の偏差を出力する第１の減算器５０１と、第１の減算器５０１の出力に応じてＰＩＤ演算して、ヒータ熱電対５１からの測定温度が追従すべき値を指示する第１のＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）５０２と、第１のＰＩＤ演算部（ＰＩＤ１）５０２の出力とヒータ熱電対５１からの温度の偏差を出力する第２の減算器５０３と、第２の減算器５０３の出力に応じてＰＩＤ演算して、電力調整器５１１への操作量を指示する第２のＰＩＤ演算部（ＰＩＤ２）５０４と、を備える。電力調整器５１１は指示された操作量に応じた電力を抵抗加熱ヒータ５２０に供給する。
また、温度調節器２８２ａは、テーブル５０５に格納されたヒータ温度設定値と第２の減算器５０３の偏差を出力する第３の減算器５０６と、第３の減算器５０６の出力に応じてＰＩＤ演算して、演算部５０８への制御値を出力する第３のＰＩＤ演算部（ＰＩＤ３）５０７と、第３のＰＩＤ演算部（ＰＩＤ３）５０７の出力をＡＰＣバルブ５１３の開度に変換する演算部５０８と、を備える。ヒータ温度設定値よりヒータ熱電対の温度が高い（温度偏差設定より大きい）場合、温度偏差設定になるように第３のＰＩＤ演算部５０７で制御演算し、演算部５０８は制御演算結果を空冷（Intake風量（バルブ開度））に変換して出力する。演算部５０８の出力によってＡＰＣバルブドライバ５１２が制御され、ＡＰＣバルブドライバ５１２によってＡＰＣバルブ５１３の開度が制御されて、ヒータユニット２０８の空冷量が制御される。
基板処理装置１０においては、ヒータユニット２０８と反応管２２２の間にヒータ熱電対５１を配置してヒータユニット２０８近傍の温度を計測し、同時に反応管２２２の内部にカスケード熱電対５２を配置して反応管２２２内部の温度を計測し、それらの計測温度に基づいて、温度制御部２８２の温度調節器２８２ａは反応管２２２内部の温度を所望の目標温度となるようにヒータユニット２０８をフィードバック制御している。ヒータユニット２０８は複数のゾーンに分割されており、各一つのゾーンに対し、一つのヒータ熱電対５１を用いて温度制御している。
更に本実施形態では、制御量であるヒータ温度を測定する手段として、ヒータ熱電対５１と過熱検知熱電対５３とを、選択的に第２の減算器５０３に接続する切替器５０９と、少なくともヒータ熱電対５１の状態に基づいて切替器５０９を制御する切替制御器（断線判定器）５１０と、過熱検知熱電対５３の検出温度が異常に高温であること検知した場合に、電力調整器５１１に対してヒータ電力を遮断させる信号を出力する過熱保護器５１４を有する。なお、ヒータ熱電対５１と過熱検知熱電対５３からの信号は、切替器５０９等に入力される前もしくは後に、周知の冷接点補償、線形化、アナログデジタル変換等が為され、また冷接点補償回路には、バーンアウト検出用回路が設けられうる。
切替器５０９は、ヒータ熱電対５１と過熱検知熱電対５３からの信号を合成（平均化）するように構成された回路において、一方の熱電対からの接続を切断することによっても実現されうる。
切替制御器５１０は、ヒータ熱電対５１の検出温度を監視し、バーンアウト検出用回路によって断線時に現れる、所定の第１しきい値より高い温度又は電圧、或いは振動（ノイズ）を検知すると、過熱検知熱電対５３からの信号を選択するように切替器５０９を制御する。
過熱保護器５１４は、過熱検知熱電対５３の検出温度を監視し、通常の使用では到達することが無いようなヒータユニット２０８の温度（例えば８００℃）に対応する、所定の第２しきい値より高い温度等を所定時間以上連続して検知すると、上述の遮断させる信号を出力する。ここで、第２しきい値は、第１しきい値よりも低い。過熱保護器５１４が想定する熱電対のショートモードの故障は、オープンモードの故障よりも頻度が低い。従って、過熱保護器５１４は、更にヒータ熱電対５１が正常（例えば、検出温度が、冷接点よりも高温である第３しきい値から第２しきい値の間）であり、過熱検知熱電対５３の検出温度が第１しきい値より高い場合、上述の遮断させる信号を出力せず、代わりに制御部２８０にアラームを出力するように構成することができる。これにより過熱検知熱電対５３の断線による不必要な強制遮断を避けることができる。
このように基板処理装置１０では、ヒータ熱電対５１が断線した場合など使用不能になった場合に、過熱検知熱電対５３に切り替えて温度制御を継続するバックアップ機能を具備している。切り替えの基準（使用しているヒータ熱電対５１又は過熱検知熱電対５３が正常かどうか）には他のものが用いられてよく、ヒータ熱電対５１と過熱検知熱電対５３に所定以上の温度差があると、高い温度を示す熱電対が断線したと判断してもよく、第２の減算器５０３の出力（内部ループの誤差信号）等が所定時間以上連続して所定値を超えたことによって判断してもよい。温度制御に用いる熱電対を、ヒータ熱電対５１から過熱検知熱電対５３に切り替えて制御を続行したとしても、それらの熱電対が設けられる位置の違いがないので、位置の違いによって測定温度が異なることがなく、ヒータ出力の変動（正常値に戻るための変動は除く）を防ぐことができる。
実施形態によれば、次の（Ａ１）～（Ａ２）の少なくとも一つの効果を得ることができる。
（Ａ１）ヒータユニットに挿通させて保護管を設け、その中にヒータ熱電対および過熱検知熱電対を配置したので、過熱検知熱電対の温度特性を、ヒータ熱電対の温度特性に近づけることができる。これにより、ヒータ熱電対が断線等により使用できない場合も、過熱検知熱電対に切り替えて温度計測が可能となる。
（Ａ２）１本の絶縁管に４つの内部孔を設け、該内部孔に１対のヒート熱電対および１対の過熱検知熱電対を挿通し、その絶縁管１本のみを１つの保護管内に配置したので、保護管の外径を小さくできる。これにより、ヒータユニットに保護管を設置することが容易となる。
なお、本開示は上述した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。
実施形態では、ヒータ熱電対５１が断線した場合に、過熱検知熱電対５３に切り替えて温度制御を継続する例について説明したが、さらに第３の熱電対を熱的に一体に設け、ヒータ熱電対５１及び過熱検知熱電対５３の両方が断線した場合に、第３の熱電対に切り替えるようにしてもよい。
また、実施形態では、温度制御部２８２はＰＩＤ制御する例を説明したが、ヒータの温度であるヒータ温度、および、処理室内の温度である炉内温度のうち少なくともいずれか一つの温度データの基準温度と、該基準温度に制御されたヒータへの定常状態での電力供給値と、ヒータ温度、および、炉内温度のうち少なくともいずれか一つの温度データの予測温度を予測する予測モデルを記憶する予測モデル記憶領域と、を備え、温度データ及び電力供給値を取得し、予測モデルを使用して所定の方程式を作成すると共に、該方程式に基づき基準温度と予測温度とのズレが最小となるような解を演算することにより、ヒータに出力される電力供給値を最適にするよう制御するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、ホットウオール型のバッチ装置について例示したが、コールドウオール型や、枚葉或いは多枚葉装置（にも適用可能である。つまり第１温度センサ及び第２温度センサが、第３温度センサよりも加熱手段の近くに（加熱手段により熱的に結合して）設けられ、或いは、第３温度センサが第１温度センサ及び第２温度センサよりも被加熱体（基板）の近くに設けられるような装置において、適用できる。
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、酸化や窒化等の改質、表面処理（トリートメント）、アニール、エッチング、レジストの焼き締めやアッシング等の各種の熱処理であってもよい。
１０…基板処理装置
５１…ヒータ熱電対（第１温度センサ）
５２…カスケード熱電対（第３温度センサ）
５３…過熱検知熱電対（第２温度センサ）
２０４…処理室（反応室）
２０８…ヒータユニット（炉体）
２８２…温度制御部（温度調節器、過熱保護器）
５２０…抵抗加熱ヒータ（発熱体）

Claims (19)

  1. 基板を内部に収容する反応室と、
    前記反応室の周囲を覆うように設けられる炉体と、
    前記炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーンの少なくとも１つに設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管内で近接させて保持する温度検出具と、
    を備え、
    前記温度検出具は、前記炉体の外周から前記反応室の中心軸に垂直に挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で管軸上に位置するように構成された基板処理装置。
  2. 前記反応室は一端に開口部を有する反応管内に形成され、複数の基板を内部に収容する請求項１記載の基板処理装置。
  3. 前記反応室の内部もしくは外側であって前記第１温度センサの測温点よりも前記基板に近く且つ前記発熱体から遠い位置に設けられる第３温度センサと、
    前記第３温度センサが検知する温度が所定の目標に一致するように、前記第１温度センサの温度を参照しながら前記発熱体の発熱量を制御する温度調節器と、を更に備え、
    前記温度調節器は、前記第１温度センサの異常を検知すると、前記第１温度センサの温度に代えて、対応する前記第２温度センサの温度を参照して、前記発熱量の制御を続けることが可能なように構成された請求項１記載の基板処理装置。
  4. 前記第２温度センサの温度が異常に高いときに、対応するゾーンの前記発熱体の発熱量を低下させる過熱保護器を、更に備える請求項３記載の基板処理装置。
  5. 前記第３温度センサは、前記複数のゾーン毎に設けられ、
    前記温度調節器は、前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の発熱量を制御する請求項３記載の基板処理装置。
  6. 基板を内部に収容する反応室と、
    前記反応室の周囲を覆うように設けられる炉体と、
    前記炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーン毎に設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管の先端の内側で近接させて保持する温度検出具と、
    を備え、
    前記複数のゾーンの一つのゾーンに設けられる前記温度検出具は、前記炉体の外周から前記反応室の中心軸に向かって挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で中心軸上に位置するように構成された基板処理装置。
  7. 前記複数の温度検出具のそれぞれの保護管は、その先端が前記炉体の内側に届くように前記炉体を水平方向に貫通して設けられる請求項６記載の基板処理装置。
  8. 前記第３温度センサはカスケード温度センサである請求項５記載の基板処理装置。
  9. 前記温度検出具は、
    前記保護管に挿通可能な外径と４つの内部孔を有する一定断面の棒状に形成され、一端において、前記４つの内部孔を隣り合う２組の内部孔に分離するようにすり割り加工された絶縁管と、
    前記炉体を貫通させて設けられる前記保護管と、
    を有して、前記第１温度センサの素線と前記第２温度センサの素線とが、２組の孔のそれぞれに挿通され、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、前記すり割りの内側で近接させて保持する請求項６記載の基板処理装置。
  10. 前記発熱体の内、反応管の周囲に対応するゾーンの発熱体は、前記炉体の内面上に露出させて設けられ、前記反応管の開口部側の端と反対の端に対応するゾーンの発熱体は、前記反対の端に面する炉体の内面から浮かせて設けられ、
    前記温度検出具の内、前記反応管の周囲に対応するゾーンの温度検出具は、保護管の先端が前記炉体の内面から所定量突出するように同じ長さに構成され、前記反対の端に対応するゾーンの温度検出具は、前記炉体の外周から前記反応管の管軸に垂直に挿通され保護管の先端が前記反応管の外側で前記管軸上に位置するように、他の温度検出具よりも保護管が長く構成された請求項６に記載の基板処理装置。
  11. 前記複数のゾーンの内、少なくとも前記開口部側の端とは反対の端に対応するゾーンに設けられ、前記反応室の内部もしくは外側であって前記第１温度センサの測温点よりも前記基板に近く且つ前記発熱体から遠い位置に測温点が配置される第３温度センサと、
    前記開口部側の端とは反対の端に対応するゾーンの前記第３温度センサの測温点をカスケード用保護管内に保持するカスケード温度検出具と、
    前記第３温度センサが検知する温度が所定の目標に一致するように、前記第１温度センサの温度を参照しながら前記発熱体の発熱量を制御する温度調節器と、更に備え、
    前記カスケード温度検出具は、前記炉体の外周から反応管の管軸に垂直に挿通され、前記カスケード用保護管の先端が前記管軸上にあって、対応するゾーンの温度検出具の先端と前記反応管の前記反対の端の間に位置するように構成された請求項１０記載の基板処理装置。
  12. 前記カスケード温度検出具は、
    前記温度検出具の保護管と異なる材質で構成された前記カスケード用保護管と、
    前記保護管に挿通可能な外径と４つの内部孔を有する一定断面の棒状に形成され、一端においてすり割り加工された絶縁管と、
    を有して、前記開口部側の端と反対の端に対応するゾーンの前記第３温度センサの素線が、前記４つの内部孔の内の２つに挿通され、前記第３温度センサの測温点を保持する請求項１１記載の基板処理装置。
  13. 基板を内部に収容する反応室の内部に基板を収容する工程と、
    前記反応室の周囲を覆うように設けられる炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられた発熱体によって、前記反応室内を加熱する工程と、
    前記炉体の内部もしくは内側に設けられる発熱体と、
    前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる第１温度センサと、
    その測温点が前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記反応室の内部もしくは外側であって前記第１温度センサの測温点よりも前記基板に近く且つ前記発熱体から遠い位置に設けられる第３温度センサと、
    を備える基板処理装置を準備する工程と、
    前記第３温度センサが検知する温度が所定の目標に一致するように、前記第１温度センサの温度を参照しながら前記発熱体の発熱量を制御して前記反応室内を加熱する工程と、
    前記反応室内へ処理ガスを供給し、前記基板を処理する工程と、を備え、
    前記加熱する工程では、
    前記複数のゾーン毎に前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する前記第１温度センサの少なくとも１つの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記炉体の外周から前記反応室の中心軸に垂直に挿通され、保護管の先端が前記反応室の外側で管軸上に位置するように、前記複数のゾーンの少なくとも１つに設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、前記保護管内で近接させて保持する温度検出具と、が用いられ、
    前記第１温度センサの異常を検知すると、前記第１温度センサの温度に代えて前記第２温度センサの温度を参照して、前記発熱量の制御を続ける半導体装置の製造方法。
  14. 反応室の周囲を覆うように設けられる炉体と、
    前記炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーンの少なくとも１つに設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管内で近接させて保持する温度検出具と、を備え、
    前記温度検出具は、前記炉体の外周から前記反応室の中心軸に垂直に挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で管軸上に位置するように構成されているヒータユニット。
  15. 反応室の周囲を覆うように設けられる炉体と、
    前記炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーン毎に設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管の先端の内側で近接させて保持する温度検出具と、を備え、
    前記複数のゾーンの一つのゾーンに設けられる前記温度検出具は、前記炉体の外周から前記反応室の中心軸に向かって挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で中心軸上に位置するように構成されているヒータユニット。
  16. 更に、４つの内部孔を有する一定断面の棒状に形成されるとともに一端においてすり割り加工され、複数の前記保護管内にそれぞれ設けられる絶縁管を有する請求項１５記載のヒータユニット。
  17. 前記第１温度センサの素線と前記第２温度センサの素線とが、前記４つの内部孔にそれぞれに挿通され、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点が、前記すり割りの内側で近接させて保持される請求項１６のヒータユニット。
  18. 炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーンの少なくとも１つに設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管内で近接させて保持する温度検出具と、を備え、
    前記温度検出具は、前記炉体の外周から反応室の中心軸に垂直に挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で管軸上に位置するように構成されているヒータユニットにより、前記反応室に配置された基板を加熱して処理する工程を有する半導体装置の製造方法。
  19. 炉体の内部もしくは内側に、複数のゾーンに分割して設けられる発熱体と、
    前記複数のゾーン毎に、前記発熱体の近傍に測温点が位置するように設けられる複数の第１温度センサと、
    その測温点が対応する少なくとも１つの前記第１温度センサの測温点と近接するように配置される第２温度センサと、
    前記複数のゾーン毎に設けられ、対応する前記第１温度センサ及び前記第２温度センサのそれぞれの測温点を、保護管の先端の内側で近接させて保持する温度検出具と、を備え、
    前記複数のゾーンの一つのゾーンに設けられる前記温度検出具は、前記炉体の外周から反応室の中心軸に向かって挿通され、前記保護管の先端が前記反応室の外側で前記中心軸上に位置するように構成されているヒータユニットにより、前記反応室に配置された基板を加熱して処理する工程を有する半導体装置の製造方法。
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