JP7189345B2 - 断熱構造体、基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法およびプログラム - Google Patents

Description

本開示は、断熱構造体、基板処理装置、半導体装置の製造方法、基板処理方法およびプログラムに関する。

半導体装置（デバイス）の製造工程における基板（ウェハ）の熱処理では、例えば縦型基板処理装置が使用されている。縦型基板処理装置では基板保持具によって複数の基板を垂直方向に配列して保持し、基板保持具を処理室内に搬入する。その後、処理室外に設置された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、基板に対して薄膜形成処理等が行われる。

特開２０１８－４９８５３号公報 国際公開第２０１６／１３５８７６号パンフレット 国際公開第２０１９／０５３８０７号パンフレット

上述のような縦型基板処理装置においては、炉外への熱放出量の大きい処理室の下部にサブヒータを設置して、処理室外に設置されたメインヒータとサブヒータの両方から基板を加熱する場合がある。

しかしながら、このようにサブヒータを設けた場合、サブヒータによる昇温がメインヒータに追従しないと、処理室の温度を安定させるのに時間を要していた。また、サブヒータは、基板中心を加熱するため、基板面内の温度分布が不均一となることがある。

本開示は、処理室下部の断熱性能を向上させて、処理室内の温度安定時間を短縮する技術を提供することを目的とする。

本開示の一態様によれば、
熱処理炉の温度勾配を伴う炉口付近に配置される断熱構造体であって、
金属製の遮熱材と、前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板を複数備え、
前記複数の断熱板が、それぞれ互いに間隔を空けて配置されてなる断熱構造体を有する技術が提供される。

本開示によれば、処理室下部の断熱性能を向上させて、処理室内の温度安定時間を短縮することができる技術が提供される。

本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型炉の概略構成図であり、炉内部を縦断面図で示す図である。 本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置のキャップヒータ及びその周辺部を示す縦断面図である。 本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置のキャップヒータを示す斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の断熱構造体を説明するための斜視図である。 （Ａ）は、本開示の実施形態で好適に用いられる断熱構造体を構成する断熱板を示す上面図であって、（Ｂ）は、本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の断熱板を示す縦断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本開示の実施形態で好適に用いられる断熱板の構成を説明するための縦断面図である。 本開示の実施形態で好適に用いられる基板処理装置のコントローラの概略構成図であり、コントローラの制御系をブロック図で示す図である。

以下、本開示の一実施形態について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態において、基板処理装置１は、半導体集積回路の製造における熱処理工程を実施する縦型熱処理装置として構成され、炉２を備えている。炉２は、円筒形状の電気炉であり、保持板としてのヒータベース２Ａに支持されることにより、基板処理装置１の設置床に対して垂直に据え付けられている。炉２の内面側には、炉内を均一に加熱するために、第１ヒータとしてのヒータ３が設けられる。ヒータ３は、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。

炉２の内側に、反応容器（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、例えば赤外線を透過する石英（ＳｉＯ₂）或いは黒体に近い炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料で構成され、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。反応管４の外方には、ガス供給空間（供給ダクト）４Ａとガス排気空間（排気ダクト）４Ｂが対面するように外側へ突出して形成されている。また、反応管４の下端には外側へ突出したフランジ部４Ｃが形成される。フランジ部４Ｃは、蓋１９側の相手側部材であるマニホールド５とシール部材としてのＯリング５Ａを介して接続される。

反応管４の中空部には、処理室６が形成されている。処理室６は、後述するボート２１によってウェハ７を収容可能に構成されている。処理室６とガス供給空間４Ａおよびガス排気空間４Ｂとは反応管４（内壁）によって区分されている。

マニホールド５は、円筒形状で金属製であり、反応管４の下端を支えるように設けられる。マニホールド５の内径は、反応管４の内径（フランジ部４Ｃの内径）よりも大きく形成されている。これにより、反応管４の下端（フランジ部４Ｃ）と反応管４の下端（一端）に設けられた蓋１９との間に後述する円環状の空間を形成することができる。

ガス供給空間４Ａ内には、１本以上のノズル８が設けられている。ノズル８には、処理ガス（原料ガス）を供給するガス供給管９がマニホールド５を貫通してそれぞれ接続されている。それぞれのガス供給管９の流路上には、上流方向から順に、流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０および開閉弁であるバルブ１１が設けられている。バルブ１１よりも下流側では、不活性ガスを供給するガス供給管１２がガス供給管９に接続されている。ガス供給管１２には、上流方向から順に、ＭＦＣ１３およびバルブ１４が設けられている。主に、ガス供給管９、ＭＦＣ１０、バルブ１１により、処理ガス供給系である処理ガス供給部が構成される。また、ガス供給管１２、ＭＦＣ１３、バルブ１４により、不活性ガス供給系である不活性ガス供給部が構成される。また、ガス供給管１２、ＭＦＣ１３、バルブ１４を処理ガス供給部（処理ガス供給系）に含めて考えてもよい。

ノズル８は、ガス供給空間４Ａ内に、反応管４の下部から立ち上がるように設けられている。ノズル８の側面や上端には、ガスを供給する１ないし複数のガス供給孔８Ａが設けられている。反応管４の中心を向くように開口したガス供給孔８Ａは、ウェハ７に向けてガスを噴射することができる。ガス供給空間４Ａと処理室６との間の内壁には、横長の供給スリット４Ｅが、ウェハ７に対応する間隔で垂直方向に複数段設けられている。

ガス排気空間４Ｂと処理室６との間の内壁には、第１排気部（第１排気口）としての横長の排気スリット４Ｆが供給スリット４Ｅに対応するように垂直方向に複数段設けられている。反応管４の下端付近には、ガス排気空間４Ｂに連通する排気ポート４Ｄが形成されている。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が接続されている。ガス排気空間４Ｂの下方の内壁（ガス排気空間４Ｂと処理室６の間の壁）には、排気口４Ｇが形成される。また、フランジ部４Ｃにも、処理室６とガス排気空間４Ｂ下端とを連通させる排気口４Ｈが形成される。排気口４Ｇ、４Ｈは、主に後述のパージガスを排気するように機能する。

排気管１５には、処理室６内の圧力を検出する圧力検出器（圧力計）としての圧力センサ１６および圧力調整器（圧力調整部）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が接続されている。ＡＰＣバルブ１７は、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る。更に、真空ポンプ１８を作動させた状態で、圧力センサ１６により検出された圧力情報に基づいて弁開度を調節することで、処理室６内の圧力を調整することができるように構成される。主に、排気管１５、ＡＰＣバルブ１７、圧力センサ１６により、排気系が構成される。真空ポンプ１８を排気系に含めて考えてもよい。

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、例えばステンレスやニッケル基合金等の金属で構成され、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１９Ａが設けられている。

また、マニホールド５の底フランジより内側の蓋１９上面には、蓋１９を保護するカバープレート２０が設置されている。カバープレート２０は、例えば、石英、サファイヤ、またはＳｉＣ等の耐熱耐蝕性材料で構成され、円盤状に形成されている。カバープレート２０は、機械的強度が要求されないため、薄い肉厚で形成されうる。カバープレート２０は、蓋１９と独立して用意される部品に限らず、蓋１９の内面にコーティングされた或いは内面が改質された、窒化物等の薄膜或いは層であってもよい。カバープレート２０はまた、円周の縁からマニホールド５の内面に沿って立ち上がる壁を有しても良い。

基板保持具としてのボート２１は、複数枚、例えば２５～２００枚のウェハ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。そこではウェハ７は、一定の間隔を空けて配列させる。ボート２１は、例えば石英やＳｉＣ等の耐熱性材料からなる。反応管４は、ボート２１を安全に搬入出可能な最小限の内径を有することが望ましい場合がある。

処理室６内のボート２１の下部であって排気管１５が接続される位置には断熱構造体２２が配設されている。断熱構造体２２は、上下方向の熱の伝導或いは伝達が小さくなるような構造を有し、通常、内部に空洞を有する。また、詳細には後述するが、断熱構造体２２は、上方向からの輻射熱を反応管４下部に逃がさないような構造を有している。また、断熱構造体２２の内部はパージガスによってパージされうる。

蓋１９の処理室６と反対側には、ボート２１を回転させる回転機構２３が設置されている。回転機構２３には、パージガスのガス供給管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、主にこれらにより、パージガス供給部が構成される。このパージガスの１つの目的は、回転機構２３の内部（例えば軸受け）を、処理室６内で用いられる腐食性ガスなどから守ることである。パージガスは、回転機構２３から軸に沿って排出され、断熱構造体２２内に導かれる。

ボートエレベータ２７は、反応管４の外部下方に垂直に備えられ、蓋１９を昇降させる昇降機構（搬送機構）として動作する。これにより、蓋１９に支えられたボート２１およびウェハ７が、処理室６内外に搬入出される。

反応管４の外壁には、温度検出器２８が設置されている。温度検出器２８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２８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、ＭＦＣ１０，１３，２５、バルブ１１，１４，２６、圧力センサ１６、ＡＰＣバルブ１７、真空ポンプ１８、ヒータ３、後述する第２ヒータとしてのサブヒータであるキャップヒータ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に断熱構造体２２及び回転機構２３の断面が示される。回転機構２３は、上端が開口し下端が閉塞した略円筒形状に形成されたケーシング（ボディ）２３Ａを備えており、ケーシング２３Ａは蓋１９の下面にボルトで固定される。ケーシング２３Ａの内部では、内側から順に、円筒形状の内軸２３Ｂと、内軸２３Ｂの直径よりも大きな直径の円筒形状に形成された外軸２３Ｃが、同軸に設けられる。そして、外軸２３Ｃは、内軸２３Ｂとの間に介設された上下で一対の内側ベアリング２３Ｄ、２３Ｅと、ケーシング２３Ａとの間に介設された上下で一対の外側ベアリング２３Ｆ、２３Ｇとによって回転自在に支承されている。一方、内軸２３Ｂは、ケーシング２３Ａと固定され、回転不能になっている。

内側ベアリング２３Ｄおよび外側ベアリング２３Ｆの上、つまり処理室６側には、真空と大気圧の空気とを隔てる磁性流体シール２３Ｈ、２３Ｉが設置されている。外軸２３Ｃは、電動モータ（不図示）等によって駆動される、ウオームホイール或いはプーリ２３Ｋが装着される。

内軸２３Ｂの内側には、サブヒータ支柱３３が、垂直に挿通されている。サブヒータ支柱３３は、石英製のパイプであり、その上端において処理室６内にてウェハ７を下方から加熱するサブヒータとしてのキャップヒータ３４を同心に保持する。サブヒータ支柱３３は、内軸２３Ｂの上端位置において耐熱樹脂で形成された支持部２３Ｎによって支持される。更に下方において、サブヒータ支柱３３は、内軸２３Ｂ又はケーシング２３Ａに接続された真空用継手２３Ｐによって、その外面と内軸２３Ｂとの間がＯリングを介して密封される。

フランジ状に形成された外軸２３Ｃの上面には、下端にフランジを有する円筒形状の回転軸３６が固定されている。回転軸３６の空洞を、サブヒータ支柱３３が貫いている。回転軸３６の上端部には、サブヒータ支柱３３を貫通させる貫通穴が中心に形成された円盤形状の回転台３７が、カバープレート２０と所定の間隔を空けて固定されている。

回転台３７は、例えば、ステンレス等の金属で形成されている。回転台３７の上面には、複数の断熱板４０を保持する断熱板保持具３８と、円筒形状のカバー（キャップ）３９が同心に載置され、ネジ等によって固定されている。

キャップヒータ３４は、ボート２１の下方であって、ボート２１よりも蓋１９側寄りに設置され、反応管４内を加熱する。

キャップヒータ３４は、図２及び図３に示すように、ウェハ７やカバー３９のいずれの直径よりも小径のトーラス状に形成されており、ウェハ７と平行になるようにサブヒータ支柱３３により接続支持されている。それらの内部には、コイル状の抵抗発熱体である発熱体３４Ｂを構成するヒータ素線がそれぞれ挿入されている。発熱体３４Ｂは、例えば、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金、二珪化モリブデン、タングステン等により形成される。

キャップヒータ３４は独立のリード線を有し、独立に通電されうる。キャップヒータ３４は、断熱構造体２２内の上端付近に配置される。また、キャップヒータ３４の下方には、複数の断熱板４０が配置される。そして、キャップヒータ３４は、その周囲にあるカバー３９の上面や断熱板４０Ａ、ボート２１の最下段にあるウェハ７（ボトムウェハ）を加熱する。キャップヒータ３４は、炉口からの熱逃げを補償するような加熱を行って断熱構造体２２の見かけの断熱性を非常に高いものとすることと、ボトムウェハの面内温度分布を均一化することの、２つの機能を果たす。前者はウェハ７間の温度均一化に寄与している。昇温過程においてこの加熱を行うことで、温度安定化した定常状態における温度分布（温度勾配分布）に近づけることができ、ヒータ３の温度制御の収束が速くなる。

図２に示すように、フランジ部４Ｃの上面、つまりマニホールド５と反対側の面には、所定の放射率を有する熱吸収体５６が設けられている。熱吸収体５６は、好ましくは、Ｏリング５Ａの耐熱温度における黒体放射のピーク波長と、反応管４の中心部温度における黒体放射のピーク波長との間の少なくとも一部の波長域において、１に近い（つまり黒体に近い）放射率を有する。熱吸収体５６は、反応管４の体内に入射した光が多重反射などによってＯリング５Ａに到達する前に、フランジ部４Ｃ付近で輻射熱を吸収する。これによりフランジ部４Ｃとマニホールド５の間のＯリング５Ａが熱から保護される。熱吸収体５６は、フランジ部４Ｃに密着されることが望ましく、弾性を有する薄いシートとして形成されうる。熱吸収体５６は、フランジ部４Ｃをマニホールド５に押さえつけるバッキングプレート（不図示）と、フランジ部４Ｃの間に、クッションとして挟み込まれてもよい。

また、フランジ部４Ｃの上方であって、炉２の蓋１９側の端と、蓋１９との間の反応管４の外周面には、断熱クロス５１が設置される。また、断熱クロス５１の外側には、遮熱シート５３が巻かれている。断熱クロス５１と遮熱シート５３により、反応管４の外から内への輻射熱の侵入を防いで炉内温度を安定させることができる。これは、異なる温度で運用されうる他の反応管４が隣接して配置されている場合に有用である。また、ボトムウェハ等の温度が下がり易い箇所の炉内の熱逃げが防止され、断熱性能を向上させることができ、温度安定時間を短縮させることができる。

遮熱シート５３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）等の高反射率（低放射率）の金属製のシートである。シートの表面は鏡面状に平坦とすると、垂直放射率を小さくできる。シートは、赤外線を透過しない程度の厚さの金属フィルムと、樹脂フィルムとの積層体でもよい。シートは１重以上巻いてもよい。

次に、断熱構造体２２の構成について、図を用いて説明する。

断熱構造体２２は、断熱保持具３８、カバー３９および複数の断熱板４０により構成され、回転台３７に載置される。断熱構造体２２は、処理室６内のボート２１と蓋１９との間の、温度勾配を伴う炉口付近に配置される。より具体的には、断熱構造体２２の反応管４の奥側の端が、炉２の蓋１９側の端よりも、反応管４の奥側に配置されるのが好ましい。

断熱板保持具３８は、中心にサブヒータ支柱３３を貫通させる空洞を有する円筒形状に構成される。断熱板保持具３８は、断熱板４０の配列軸と略同軸に設けられ、複数の円盤状の断熱板４０を保持する。断熱板保持具３８の円筒部３８Ａには、断熱板４０を保持する鍔状の保持部３８Ｄが複数設けられている。また、断熱板保持具３８の下端には、外向きフランジ形状の足３８Ｃを有する。足３８Ｃは、その下端において回転台３７に当接する。断熱保持具３８は、石英等の耐熱性材料で形成されうる。

断熱板保持具３８には、複数の断熱板４０が、それぞれ互いに間隔を空けて配置される。つまり、断熱構造体２２は、複数の断熱板４０が、それぞれ互いに間隔を空けて配置されてなる。

一方、断熱体保持具３８の上端は、そこからサブヒータ支柱３３が突き出させるように開口し、パージガスの供給口３８Ｂを構成している。

断熱板保持具３８とサブヒータ支柱３３との間に、断熱構造体２２内の上部にパージガスを供給するパージガス供給路として、円環状の断面を有する第１流路が形成される。

供給孔３８Ｂから供給されたパージガスは、断熱板保持具３８とカバー３９の内壁との間の空間である第２流路を下向きに流れて、カバー３９の下端に複数設けられた排気孔２２Ａからカバー３９外へ排気される。

カバー３９の上端は、平坦な板で閉じており、そこにボート２１が設置される。カバー３９の上端は凸状に形成されている。言い換えれば、カバー３９の上面の外周には全周にわたって段差が形成されており、この段差にボート２１のリング状の底板が嵌合する。このような構成とすることにより、キャップヒータ３４を回転させることなく、カバー３９およびボート２１を回転させることが可能となる。

カバー３９上面の段差よりも上の部分は、ボート２１の荷重がかからないため、薄い肉厚で任意の形状に形成することができ、例えばボトムウェハの加熱量を調整するような成形、或いは不透明化を施すことができる。

カバー３９は、石英もしくはセラミックス製であって、断熱板４０の配列軸と略同軸に設けられ、複数の断熱板４０の側面及び上面を覆うよう構成されている。また、カバー３９の側面には、筒状の側部遮熱材５４が埋め込まれている。側部遮熱材５４は、例えばシート状に構成される。具体的には、モリブデン（Ｍｏ）シート、白金（シート）等の金属製シートや、アルミナ（ＡｌＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ）等のセラミックスシートがある。好ましくは、Ｍｏシートで構成される。更に好ましくは、側部遮熱材５４の表面は鏡面に構成される。表面を鏡面に構成することで、反射率を向上させることができ、遮熱効果を向上させることが可能となる。

断熱板保持具３８の保持部３８Ｄには、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、断熱板４０として断熱板４０Ａと断熱板４０Ｂが、同軸に設置されている。断熱板４０Ａや断熱板４０Ｂは、断熱板保持具３８に所定の間隔で保持されている。断熱板４０Ａは、断熱板保持具３８の最上段である、キャップヒータ３４が配置される側に保持され、その下方に断熱板４０Ｂが保持される。

断熱板４０Ｂには長孔形状の切欠部４０Ｃが半径方向に切設されている。切欠部４０Ｃの幅は、断熱板保持具３８の保持部３８Ｄに保持されるように保持部３８Ｄの外径よりも小さく、断熱板保持具３８の円筒部３８Ａを逃げ得るように円筒部３８Ａの外径よりも若干大きく設定されており、切欠部４０Ｃの長さは断熱板４０Ｂの半径よりも幅の分だけ長くなるように設定されている。そして、保持部３８Ｄ上にそれぞれ挿入された状態において、各段の断熱板４０Ｂの切欠部４０Ｃは互いに重なり合わないように周方向に互いにずらされている。このように各段の断熱板４０Ｂの切欠部４０Ｃが周方向にずらされていることにより、各段の断熱板４０Ｂの切欠部４０Ｃの悪影響が軽減されている。また各段の貫通孔５０Ａ（後述）が、一直線上に配置しなくなるので、貫通孔５０Ａを透過した光線が、下段の断熱板４０Ｂで反射されやすくなり、断熱性が向上する。

断熱板４０Ａには、断熱板４０Ａの中心に孔４０Ｄが形成されている。孔４０Ｄの径は、断熱板保持具３８の保持部３８Ｄに保持されるように保持部３８Ｄの外径よりも小さく設定されている。断熱板４０Ａには断熱板４０Ｂのような切欠部４０Ｃを形成せずに、円形の孔４０Ｄを形成することにより、ボトムウェハへの加熱を均一化することができる。孔４０Ｄの内径は、キャップヒータ３４の内径よりも小さい（例えば半分以下）。

断熱板４０Ａ，４０Ｂは、カバー３９内に収容可能なようにウェハ７の直径よりも小さく、キャップヒータ３４の外径よりも大きい（例えば１．５倍以上の）直径の円盤形状に形成される。断熱板４０Ａ，４０Ｂは、断熱構造体２２内に適切な垂直方向の温度勾配を形成する。断熱板４０Ａは、ヒータ３およびキャップヒータ３４からの輻射熱を反射し、断熱板４０Ａよりも上方の熱をその場に閉じ込めるとともに、ボート２１の最下段に置かれたウェハ７の面内温度分布を平坦化する役割も担っている。

本例では、断熱板４０Ｂの枚数を断熱板４０Ａの枚数以上とした。このように、上方に断熱板４０Ａを設置し、下方に断熱板４０Ｂを設置することにより、断熱板４０Ａにてキャップヒータ３４からの輻射熱を反射して断熱する。そして、断熱板４０Ｂによって上方の断熱板４０Ａ，４０Ｂから輻射された或いは透過した光線を、ウェハ７から離れたところで反射し、断熱することにより、ウェハ７の温度応答性を改善する事ができ、昇温時間を短縮することができる。なお、断熱板４０Ａと断熱板４０Ｂの数や配置は上述に限らず、断熱構造体２２を通過する熱流束を最小化するように、最適化されうる。

次に、本開示の実施形態で好適に用いられる断熱構造体２２を構成する断熱板４０の構成について、断熱板４０Ｂを例にして図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を用いて説明する。なお、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、断熱板４０Ｂの一部を模式的に示した縦断面図である。

断熱板４０Ｂは、遮熱材５０と、１対の封止板５２Ａ，５２Ｂと、で構成される。封止板５２Ａ，５２Ｂは、同径の円盤形状であって、協働して封止部材となる。遮熱材５０は、封止板５２Ａ，５２Ｂのいずれよりも薄く、封止板５２Ａ，５２Ｂの外径より若干小さく設定されている。

遮熱材５０は、例えばシート状に構成される。具体的には、モリブデン（Ｍｏ）シート、白金（シート）等の金属製シートや、アルミナ（ＡｌＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ）等のセラミックスシートがある。好ましくは、Ｍｏシートで構成される。更に好ましくは、遮熱材５０の表面は鏡面に構成される。表面を鏡面に構成することで、反射率を向上させることができ、遮熱効果を向上させることが可能となる。また、遮熱材５０には、表裏面の間を連通させる角形状の貫通孔５０Ａが複数形成されている。なお、貫通孔５０Ａは円形状であってもよい。

封止板５２Ａ，５２Ｂは、石英もしくはセラミックス製の耐熱耐蝕性材料で構成され、自重で撓まない剛性および１気圧以上の圧力差に耐える強度を有する。封止板５２Ａ，５２Ｂの少なくとも一方には、遮熱材５０の貫通孔５０Ａの対応する位置に、それぞれ貫通孔５０Ａと同形状で貫通孔５０Ａより若干小さい突起５８Ａ，５８Ｂが形成されている。また、封止板５２Ａ，５２Ｂの少なくとも一方には、切欠部４０Ｃを含む縁の全周に亘って突起５８Ａ，５８Ｂと同じ高さの側壁５９Ａ，５９Ｂが設けられる。突起５８Ａ，５８Ｂは互いに位置を合せて規則的に（例えば格子状）に配置され、その形成密度は、０．１～１０ｃｍ^-2から選ぶことができる。

断熱板４０Ｂは、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、一対の封止板５２Ａ，５２Ｂが、遮熱材５０を挟み込むように形成されている。具体的には、断熱板４０Ｂは、貫通孔５０Ａに、封止板５２Ａ，５２Ｂの突起５８Ａ，５８Ｂのいずれかを挿通させ、真空引きをしながら熱処理を施して接合させることにより、側壁５９Ａ，５９Ｂ、突起５８Ａ，５８Ｂがそれぞれ互いに接合されて形成される。このとき、遮熱材５０は、封止板５２Ａ，５２Ｂと溶着される必要はなく、その両面には真空の断熱層が形成されうる。一対の封止板５２Ａ，５２Ｂを一体化させる接合には、熱処理（溶着）、レーザ溶接、真空接合等を用いることができる。また溶着後に真空引きしてもよく、その場合、封止板５２Ａ，５２Ｂのどちらかには封じ切り用の細管が垂直に突出し、封じ切り後も臍として残る。図４のように積載する際は、積層間隔を臍の高さの２倍以上とすれば、隣接する断熱板４０Ｂの切欠部４０Ｃの向きを臍の位置に合わせることで、臍との接触を避けることができる。

つまり、断熱板４０Ｂは、一対の封止板５２の間に形成された真空の空洞６０内に遮熱材５０が配置され、空洞６０内には一対の封止板５２の間を橋渡しする柱が所定のパターンで配置されることで、強度が維持される。封止板５２Ａ，５２Ｂの表面は、ファイヤーポリッシュ等によって鏡面若しくは十分に光学的に平坦とすることができ、内部は透明若しくは不透明とすることができる。気泡等によって不透明化すると、強度が低下するものの、輻射の透過及び伝導による熱流束を小さくすることができる。突起５８Ａ，５８Ｂ（柱）や側壁５９Ａ，５９Ｂを透過する輻射を抑えるため、これらの部分だけ、断熱板４０Ｂの外側表面をサンドブラスト面としたり、内部を不透明化することができる。また遮熱材５０は、封止板５２Ａ，５２Ｂのいずれとも面で癒着することなく、点で接触しうる。例えば両面にエンボス加工が施された遮熱材５０は、下向きの突起の先端による点接触で、空洞６０の底である封止板５２Ｂから支持される。

なお、断熱板４０Ａ及びカバー３９の側面にも同様に、内部に真空の空洞が形成され、それぞれの空洞内に遮熱材５０又は側部遮熱材５４が配置される。

このように、内部に真空の空洞６０が形成され、空洞６０内に遮熱材５０を備えた断熱板４０は、内部に空洞６０が形成されていない断熱板と比較して、厚み方向の熱伝導が抑制されるので、１枚当たりの断熱性能が向上する。また、カバー３９の側面に側部遮熱材５４を設けることにより、断熱構造体２２の内外の断熱性が高まるほか、断熱板４０間の断熱性も形態係数の低減により改善される。また側部遮熱材５４の断熱板４０Ａよりも上の部分は、キャップヒータ３４から輻射熱を反射させ、処理室６下部に逃がさず、ウェハ７に反射させることができる。

図７に示すように、コントローラ２９は、ＭＦＣ１０，１３，２５、バルブ１１，１４，２６、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等の各構成と電気的に接続され、それらを自動制御する。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る。Ｉ／Ｏポート２１８は、上述の各構成に接続されている。コントローラ２９には、例えばタッチパネル等との入出力装置２２２が接続されている。

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１の動作を制御する制御プログラムや、処理条件に応じて基板処理装置１の各構成に成膜処理等を実行させるためのプログラム（プロセスレシピやクリーニングレシピ等のレシピ）が読み出し可能に格納されている。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。

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２２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２１６からレシピを読み出し、レシピに沿うように各構成を制御する。

コントローラ２９は、外部記憶装置（例えば、ＵＳＢメモリやメモリカード等の半導体メモリ、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク、ＨＤＤ）２２４に持続的に格納された上述のプログラムを、コンピュータにインストールすることにより構成することができる。記憶装置２１６や外部記憶装置２２４は、コンピュータ読み取り可能な有体の媒体として構成されている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。なお、コンピュータへのプログラムの提供は、外部記憶装置２２４を用いず、インターネットや専用回線等の通信手段を用いて行ってもよい。

次に、上述の基板処理装置１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、ノズル８を２本以上設け、ノズル８ａから第１の処理ガス（原料ガス）としてヘキサクロロジシラン（ＨＣＤＳ）ガスを、ノズル８ｂから第２の処理ガス（反応ガス）としてアンモニア（ＮＨ₃）ガスをそれぞれ供給し、ウェハ７上にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜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の各構成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内のウェハ７に対してＨＣＤＳガスを供給する工程と、処理室６内からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程と、処理室６内のウェハ７に対してＮＨ₃ガスを供給する工程と、処理室６内からＮＨ₃ガス（残留ガス）を除去する工程と、を所定回数（１回以上）繰り返すことで、ウェハ７上にＳｉＮ膜を形成する。本明細書では、この成膜シーケンスを、便宜上、以下のように表記する：

（ＨＣＤＳ→ＮＨ₃）×ｎ ⇒ ＳｉＮ

（ウェハチャージおよびボートロード）
複数枚のウェハ７がボート２１に装填（ウェハチャージ）されると、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、蓋１９は、Ｏリング１９Ａ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。ウェハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ２６を開き、カバー３９内へ少量のパージガスが供給されうる。

（圧力調整）
処理室６内、すなわち、ウェハ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、圧力センサ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。カバー３９内へのパージガス供給及び真空ポンプ１８の作動は、少なくともウェハ７に対する処理が終了するまでの間は維持する。

（昇温）
処理室６内から酸素等が十分排気された後、処理室６内の昇温が開始される。処理室６が成膜に好適な所定の温度分布となるように、温度検出器２８が検出した温度情報に基づきヒータ３及びキャップヒータ３４への通電具合がフィードバック制御される。ヒータ３及びキャップヒータ３４による処理室６内の加熱は、少なくともウェハ７に対する処理（成膜）が終了するまでの間は継続して行われる。キャップヒータ３４への通電期間は、ヒータ３による加熱期間と一致させる必要はない。例えば成膜が開始される直前において、キャップヒータ３４の温度は、成膜温度と同温度に到達し、マニホールド５の内面温度は１８０℃以上（例えば２６０℃）に到達していることが望ましい。直前に加熱したほうが、Ｏリング１９Ａが高温に晒される時間が短くなり、寿命が延びうる。

また、回転機構２３によるボート２１およびウェハ７の回転を開始する。回転機構２３により、回転軸３６、回転台３７、カバー３９を介してボート２１が回転されることで、キャップヒータ３４は回転させずにウェハ７を回転させる。これにより加熱のむらが低減される。回転機構２３によるボート２１およびウェハ７の回転は、少なくとも、ウェハ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。

（成膜）
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、ステップ１～４を繰り返し実行する。なお、ステップ１を開始する前に、バルブ２６を開き、パージガスの供給を増加させてもよい。

［ステップ１：原料ガス供給工程］
ステップ１では、処理室６内のウェハ７に対し、ＨＣＤＳガスを供給する。バルブ１１ａを開くと同時にバルブ１４ａを開き、ガス供給管９ａ内へＨＣＤＳガスを、ガス供給管１２ａ内へＮ₂ガスを流す。ＨＣＤＳガスおよびＮ₂ガスは、それぞれＭＦＣ１０ａ、１３ａにより流量調整され、ノズル８ａを介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウェハ７に対してＨＣＤＳガスを供給することにより、ウェハ７の最表面上に、第１の層として、例えば、１原子層未満から数原子層の厚さのシリコン（Ｓｉ）含有膜が形成される。

［ステップ２：原料ガス排気工程］
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。このとき、ＡＰＣバルブ１７は開いたままとして、真空ポンプ１８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。また、バルブ１４ａを開いたままとして、供給されたＮ₂ガスは、ガス供給管９ａ、ノズル処理室６内をパージする。

［ステップ３：反応ガス供給工程］
ステップ３では、処理室６内のウェハ７に対してＮＨ₃ガスを供給する。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ガスおよびＮ₂ガスは、それぞれＭＦＣ１０ｂ、１３ｂにより流量調整され、ノズル８ｂを介して処理室６内へ供給され、排気管１５から排気される。ウェハ７に対して供給されたＮＨ₃ガスは、ステップ１でウェハ７上に形成された第１の層、すなわちＳｉ含有層の少なくとも一部と反応する。これにより第１の層は窒化され、ＳｉおよびＮを含む第２の層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと変化（改質）される。

［ステップ４：反応ガス排気工程］
第２の層が形成された後、バルブ１１ｂを閉じ、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。そして、ステップ２と同様の処理手順により、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ガスや反応副生成物を処理室６内から排出する。

以上の４つのステップを非同時に、すなわち、オーバーラップさせることなく行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、ウェハ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。なお、上述のサイクルは複数回繰り返すのが好ましい。

上述のシーケンスの処理条件としては、例えば、
処理温度（ウェハ温度）：２５０～７００℃、
処理圧力（処理室内圧力）：１～４０００Ｐａ、
ＨＣＤＳガス供給流量：１～２０００ｓｃｃｍ、
ＮＨ₃ガス供給流量：１００～１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ₂ガス供給流量（ノズル）：１００～１００００ｓｃｃｍ、
Ｎ₂ガス供給流量（回転軸）：１００～５００ｓｃｃｍ、
が例示される。それぞれの処理条件を、それぞれの範囲内のある値に設定することで、成膜処理を適正に進行させることが可能となる。

ＨＣＤＳ等の熱分解性ガスは、石英よりも金属の表面において副生成物の膜を形成しやすい場合がある。ＨＣＤＳ（及びアンモニア）に晒された表面は、特に２６０℃以下のときにＳｉＯ、ＳｉＯＮなどが付着しやすい。

（パージおよび大気圧復帰）
成膜処理が完了した後、バルブ１４ａ、１４ｂを開き、ガス供給管１２ａ、１２ｂからＮ₂ガスを処理室６内へ供給し、排気管１５から排気する。これにより、処理室６内の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、残留する原料や副生成物が処理室６内から除去（パージ）される。その後、ＡＰＣバルブ１７が閉じられ、処理室６内の圧力が常圧になるまでＮ₂ガスが充填される（大気圧復帰）。

（ボートアンロードおよびウェハディスチャージ）
ボートエレベータ２７により蓋１９が下降され、マニホールド５の下端が開口される。そして、処理済のウェハ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）。処理済のウェハ７は、ボート２１より取出される。

本実施形態では、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（ａ）断熱板４０内部に真空の空洞が形成され、空洞内に高反射率の遮熱材を埋め込むことにより、輻射熱を反射させて、処理室内の断熱性能を向上させることができる。
（ｂ）よって、処理室内の温度安定時間を短縮することができ、ウェハ面内均一性を向上させることができる。
（ｃ）具体的には、キャップヒータ３４の下部に内部に真空の空洞が形成され、空洞内に遮熱材５０を埋め込んだ断熱板４０を配置することで、キャプヒータ３４の輻射熱を炉内に留めて、処理室６下部の熱逃げを抑制することができる。
（ｄ）また、断熱板４０を覆うカバー３９の側面に側部遮熱材５４を設けることにより、キャップヒータ３４の輻射熱を処理室６下部に逃がさず、ウェハ７に反射させることができる。
（ｅ）また、反応管４の炉口付近に、断熱クロス５１を巻き、さらに遮熱シート５３で覆うことにより、ボトムウェハ等の温度が下がり易い箇所の断熱性能を向上させることができ、処理室内の温度安定時間を短縮させることができる。また、外部から炉内への輻射熱を反射して炉内温度を安定させることができる。
（ｆ）また、フランジ部４Ｃの上面に熱吸収体５６を設けることにより、フランジ部４Ｃ付近の輻射熱が吸収され、フランジ部４Ｃとマニホールド５の間のシール部材を保護することができる。
（ｇ）また、従来と同等の枚数で断熱性能を向上させることができる。また、従来と同等の断熱性能を維持しようとした場合には、断熱板４０の枚数を減らすことが可能となる。
なお当業者であれば、上述の実施形態における石英カバーの遮熱材は、最も上段の断熱板より上に配置し、それより下は不要或いは不透明石英で代替できることを理解するであろう。

また、当業者は、断熱板４０の空洞６０内に複数の遮熱材５０を積層して設けられうることを理解するであろう。

以上、本開示の実施形態を具体的に説明したが、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。

１ 基板処理装置
２ 炉
３ ヒータ
４ 反応管
６ 処理室
７ ウェハ（基板）
２１ ボート（基板保持具）
２２ 断熱構造体
２９ コントローラ
３４ キャップヒータ（サブヒータ）
４０ 断熱板
５０ 遮熱材
５１ 断熱クロス
５２ 封止板
５３ 遮熱シート
５４ 側部遮熱材
５６ 熱吸収体

Claims (16)

1. 熱処理炉の温度勾配を伴う炉口付近に配置される断熱構造体であって、
   金属製の遮熱材と、前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板を複数備え、
   前記複数の断熱板が、それぞれ互いに間隔を空けて配置されてなる断熱構造体。
2. 前記封止部材は１対の封止板で構成され、前記１対の封止板は、前記１対の封止板の全周において互いに接続される請求項１記載の断熱構造体。
3. 前記複数の断熱板におけるそれぞれの前記遮熱材は、表裏面の間を連通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記１対の封止板は、前記１対の封止板の全周及び前記貫通孔の中において互いに接続される請求項２記載の断熱構造体。
4. 前記１対の封止板は、円盤状に形成され、前記遮熱材は前記１対の封止板のいずれよりも薄く形成される請求項２又は３記載の断熱構造体。
5. 前記複数の断熱板におけるそれぞれの前記遮熱材は、鏡面の表面を有する請求項１記載の断熱構造体。
6. 前記複数の断熱板におけるそれぞれの前記遮熱材は、前記空洞内で前記１対の封止板と面接触しないように支持される請求項２記載の断熱構造体。
7. 前記複数の断熱板におけるそれぞれの前記遮熱材は、規則的に配置された複数の前記貫通孔を有する請求項３記載の断熱構造体。
8. 前記１対の封止板は、自重で撓まないような剛性を有し、少なくとも前記互いに接続される部分を除き、鏡面の表面を有する請求項２記載の断熱構造体。
9. 前記複数の断熱板におけるそれぞれの前記遮熱材は、エンボス加工が施される請求項６記載の断熱構造体。
10. 前記複数の断熱板の配列軸と略同軸に設けられ、前記複数の断熱板を保持する断熱板保持具と、
    前記配列軸と略同軸に設けられ、前記複数の断熱板を覆う、石英もしくはセラミックス製の筒状のカバーと、を更に備え、
    前記カバーは、筒状の側部遮熱材が埋め込まれた側面を有する請求項１記載の断熱構造体。
11. 内部で基板を処理する筒形の処理容器と、
    前記処理容器内で前記基板を保持する基板保持具と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器外に設置され、前記処理容器内を加熱する筒形の第１ヒータと、
    前記処理容器の一端に配置される蓋と、
    前記基板保持具よりも前記蓋側寄りに設置され、前記処理容器内を加熱する第２ヒータと、
    前記第１ヒータの前記蓋側の端と、前記蓋との間において、前記処理容器の外周に設置される断熱クロスと、
    前記断熱クロスの外側に巻かれる遮熱シートと、
    前記蓋と前記基板保持具との間に設置された断熱構造体と、を備え、
    前記断熱構造体は、金属製の遮熱材と、前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板を、互いに間隔を空けて複数配置して構成され、
    前記断熱構造体の前記蓋から遠い端は、前記第１ヒータの前記蓋側の端よりも、前記処理容器の奥側に配置される
    基板処理装置。
12. 前記処理容器は、少なくとも前記第１ヒータに囲まれた部分が、赤外線を透過する材料で形成された反応管によって構成され、
    前記反応管は、前記蓋側の相手側部材とシール部材を介して接続するフランジ部を有し、
    前記フランジ部の、前記蓋側の相手側部材と反対側の面に、所定の放射率を有する熱吸収体を備えた請求項１１記載の基板処理装置。
13. 前記遮熱材および前記遮熱シートは、モリブデン製である請求項１１又は１２記載の基板処理装置。
14. 金属製の遮熱材と前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板が、間隔を空けて配置されてなる断熱構造体を、熱処理炉の温度勾配を伴う炉口付近に配置する工程と、
    前記熱処理炉内に処理すべき基板を配置する工程と、
    前記断熱構造体により断熱しながら、熱処理炉を加熱する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
15. 金属製の遮熱材と前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板が、間隔を空けて配置されてなる断熱構造体を、熱処理炉の温度勾配を伴う炉口付近に配置する工程と、
    前記熱処理炉内に処理すべき基板を配置する工程と、
    前記熱処理炉内を真空排気する工程と、
    前記断熱構造体により断熱しながら、熱処理炉を加熱する工程と、
    を有する基板処理方法。
16. 金属製の遮熱材と前記遮熱材の表裏各面を覆う石英もしくはセラミックス製の封止部材とを有し、前記封止部材の内部に構成された真空の空洞に前記遮熱材が配置された断熱板が、間隔を空けて配置されてなる断熱構造体を、熱処理炉の温度勾配を伴う炉口付近に配置する手順と、
    前記熱処理炉内に処理すべき基板を配置する手順と、
    前記熱処理炉内を真空排気する手順と、
    前記断熱構造体により断熱しながら、熱処理炉を加熱する手順と、
    を基板処理装置のコンピュータに実行させるプログラム。

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