JP7236420B2 - 温度センサ、ヒータユニット、基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

温度センサ、ヒータユニット、基板処理装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、温度センサ、ヒータユニット、基板処理装置及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体デバイスの製造において、 ウエハ(以下、基板ともいう。)を処理するバッチ式の熱処理装置が広く使用されている。例えば、特許文献１によれば、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反応管の内部に 、複数枚の基板を搭載した基板保持具(以下、ボートともいう。)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加熱機構(以下、ヒータともいう。)により、 ボート上のウエハを熱処理する。
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（以下、ヒータ熱電対、第１熱電対(第１温度センサ)とも言う。）を配置して加熱側の温度を計測し、 ウエハもしくは反応管の近傍に熱電対（カスケード熱電対、 第２熱電対(第２温度センサ)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。ところが上述の熱処理装置を運用していく中で、ヒータの温度が高くなると、ヒータ近傍の部材の熱膨張に起因する熱応力により、ヒータの近傍に配置される熱電対(第１温度センサ)が破損することがある。
国際公開第2020/145183号公報
本開示の目的は、ヒータの温度が高くなっても破損せずにヒータの温度を測定することが可能な構成を提供することにある。
本開示の一態様によれば、開口部が設けられた取付部材に設けられる構成であって、微小空間を設けつつ開口部に貫通するよう取付部材に接続される本体部と、取付部材により隔てるように本体部にそれぞれ取り付けられ第１位置決め部と第２位置決め部と、を有し、微小空間、第１位置決め部と前記第２位置決め部により決められた範囲で、本体部を可動にする構成が提供される。
本構成によれば、ヒータの温度によらずヒータ近傍の温度を測定することができる。
本開示の実施形態に係る基板処理装置の処理炉の平面図である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置の処理炉の平面図である。 本開示の実施形態に係る温度制御系の構成の図示例である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置で行われるプロセス処理の各ステップにおける処理炉内の温度変化特性を示す一例である。 本開示の実施形態に係る装置コントローラ構成の図示例である。 本開示の実施形態に係る熱電対(温度センサ)の外観図である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置の処理炉への熱電対(温度センサ)の取付を表す図示例である。 本開示の実施形態に係る熱電対(温度センサ)の要部断面を示す一例である。 本開示の実施形態に係る熱電対(温度センサ)の先端部断面を示す一例である。 本開示の実施形態に係る熱電対(温度センサ)の接続部を示す一例である。 本開示の実施形態に係る熱電対(温度センサ)を熱処理したときの一例を示す図である。
本開示の実施形態における基板処理装置を図面により説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。
図1は基板処理装置の処理炉２０２の概略構成図であり、縦断面図として示されている。図1に示されているように、処理炉２０２は加熱機構(ヒータユニット)としてのヒータ２０６を有する。ヒータ２０６は円筒形状であり、保持板としてのヒータベース２５１に支持されることにより垂直に据え付けられている。
ヒータ２０６の内側には、ヒータ２０６と同心円状に反応管としてのプロセスチューブ２０３が配設されている。反応管２０３は、内部反応管(以後、単に内管と称する)としてのインナーチューブ２０４と、その外側に設けられた外部反応管(以後、単に外管と称する)としてのアウターチューブ２０５とから構成されている。内管２０４は、例えば石英（ＳｉＯ２ ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）等の耐熱性材料からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。内管２０４の筒中空部には処理室２０１が形成されており、ウエハ２００を後述するボート２１７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。外管２０５は、例えば石英または炭化シリコン等の耐熱性材料からなり、内径が内管２０４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、内管２０４と同心円状に設けられている。
外管２０５の下方には、外管２０５と同心円状にマニホールド２０９が配設されている。マニホールド２０９は、例えばステンレス等からなり、上端および下端が開口した円筒形状に形成されている。マニホールド２０９は、内管２０４と外管２０５に係合しており、これらを支持するように設けられている。なお、マニホールド２０９と外管２０５との間には密閉部材としてのＯリング２２０ａが設けられている。マニホールド２０９がヒータベース２５１に支持されることにより、反応管２０３は垂直に据え付けられた状態となっている。反応管２０３とマニホールド２０９により反応容器が形成される。
後述するシールキャップ２１９にはガス導入部としてのノズル２３０が処理室２０１に連通するように接続されており、ノズル２３０にはガス供給管２３２が接続されている。ガス供給管２３２のノズル２３０との接続側と反対側である上流側には、ガス流量制御器としてのＭＦＣ（マスフローコントローラ）２４１を介して図示しない処理ガス供給源や不活性ガス供給源が接続されている。ＭＦＣ２４１には、ガス流量制御部２３５が電気的に接続されており、供給するガスの流量が所望の量となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。また、ＭＦＣ２４１の上流側および下流側のうち少なくとも一方には、図示しない開閉バルブ(例えば、エアバルブ)が設けられている。
マニホールド２０９には、処理室２０１の雰囲気を排気する排気管２３１が設けられている。排気管２３１は、内管２０４と外管２０５との隙間によって形成される筒状空間２５０の下端部に配置されており、筒状空間２５０に連通している。排気管２３１のマニホールド２０９との接続側と反対側である下流側には圧力検出器としての圧力センサ２４５および圧力調整装置２４２を介して真空ポンプ等の真空排気装置２４６が接続されており、処理室２０１の圧力が所定の圧力（真空度）となるよう真空排気し得るように構成されている。圧力調整装置２４２および圧力センサ２４５には、圧力制御部２３６が電気的に接続されており、圧力制御部２３６は圧力センサ２４５により検出された圧力に基づいて圧力調整装置２４２により処理室２０１の圧力が所望の圧力となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
マニホールド２０９の下方には、マニホールド２０９の下端開口を気密に閉塞可能な蓋体としてのシールキャップ２１９が設けられている。蓋体２１９はマニホールド２０９の下端に垂直方向下側から当接されるようになっている。蓋体２１９は例えばステンレス等の金属からなり、円盤状に形成されている。蓋体２１９の上面にはマニホールド２０９の下端と当接するシール部材としてのＯリング２２０ｂが設けられる。蓋体２１９の処理室２０１と反対側には、ボートを回転させる回転機構２５４が設置されている。回転機構２５４の回転軸２５５は蓋体２１９を貫通して、後述するボート２１７に接続されており、ボート２１７を回転させることでウエハ２００を回転させるように構成されている。蓋体２１９は反応管２０３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２１５によって垂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２０１に対し搬入搬出することが可能となっている。回転機構２５４及びボートエレベータ２１５には、駆動制御部２３７が電気的に接続されており、所望の動作をするよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
ボート２１７は、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなり、複数枚のウエハ２００を水平姿勢でかつ互いに中心を揃えた状態で整列させて多段に保持するように構成されている。なおボート２１７の下部には、例えば石英や炭化珪素等の耐熱性材料からなる円板形状をした断熱部材としての断熱板２１６が水平姿勢で多段に複数枚配置されており、ヒータ２０６からの熱がマニホールド２０９側に伝わりにくくなるよう構成されている。
反応管２０３内には、炉内温度検出器としてのカスケード熱電対(第２温度センサ)２６３が設置されている。またヒータ２０６の温度検出器としてのヒータ熱電対２６４(第１温度センサ)が設置されている。ヒータ２０６とヒータ熱電対２６４とカスケード熱電対２６３には、電気的に温度制御部２３８が接続されており、カスケード熱電対２６３により検出された炉内温度情報に基づきヒータ２０６の制御目標温度を算出し、制御目標温度とヒータ熱電対２６４のヒータ温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合を調整することにより処理室２０１の温度が所望の温度分布となるよう所望のタイミングにて制御するように構成されている。
ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、基板処理装置全体を制御する主制御部２３９に電気的に接続されている。これら、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９はコントローラ２４０として構成されている。
次に、上記構成に係る処理炉２０２を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウエハ２００上に膜を形成する方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ２４０により制御される。
複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ）されると、図１に示されているように、複数枚のウエハ２００を保持したボート２１７は、ボートエレベータ２１５によって持ち上げられて処理室２０１に搬入（ボートローディング）される。
処理室２０１が所望の圧力（真空度）となるように真空排気装置２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づき圧力調節器２４２が、フィードバック制御される。また、処理室２０１が所望の温度となるようにヒータ２０６によって加熱される。この際、処理室２０１が所望の温度分布となるようにカスケード熱電対２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０６への通電具合がフィードバック制御される。続いて、回転機構２５４により、ボート２１７が回転されることで、ウエハ２００が回転される。
次いで、処理ガス供給源から供給され、ＭＦＣ２４１にて所望の流量となるように制御されたガスは、ガス供給管２３２を流通してノズル２３０から処理室２０１に導入される。導入されたガスは処理室２０１を上昇し、内管２０４の上端開口から筒状空間２５０に流出して排気管２３１から排気される。ガスは処理室２０１を通過する際にウエハ２００の表面と接触し、この際にウエハ２００の表面上に、例えば、薄膜が堆積される。
予め設定された処理時間が経過すると、不活性ガス供給源から不活性ガスが供給され、処理室２０１が不活性ガスに置換されるとともに、処理室２０１の圧力が常圧に復帰される。
その後、ボートエレベータ２１５によりシールキャップ２１９が下降されて、マニホールド２０９の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ２００がボート２１７に保持された状態でマニホールド２０９の下端からプロセスチューブ２０３の外部に搬出（ボートアンローディング）される。その後、処理済ウエハ２００はボート２１７より取出される（ウエハディスチャージ）。
次に、図５に示されているように、制御部としてのコントローラ２４０は、通信回線を介してガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８、主制御部２３９にそれぞれ接続される。ここで、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８は、主制御部２３９と構成は同じであるので、ここでは説明は省略し、以下主制御部２３９の構成に関して説明する。
主制御部としてのメインコントローラ２３９は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２３９ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２３９ｂ、記憶部としての記憶装置２３９ｃ、Ｉ／Ｏポート２３９ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ２３９ｂ、記憶装置２３９ｃ、Ｉ／Ｏポート２３９ｄは、内部バスを介して、ＣＰＵ２３９ａとデータ交換可能なように構成されている。制御部２３９には、例えばタッチパネル等で構成された操作部としての入出力装置１３１が接続されている。
記憶部２３９ｃは、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ ＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）等で構成されている。記憶部２３９ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラム、例えば、基板処理の手順や条件など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。これらプロセスレシピ等は、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ２３９に実行させ、所定の結果を得ることができ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場合がある。また、ＲＡＭ２３９ｂは、ＣＰＵ２３９ａ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２３９ｄは、上述のＭＦＣ２４１、図示しないバルブ、ＡＰＣバルブ２４２、圧力センサ２４５、真空ポンプ２４６、ヒータ２０７、第２温度センサ２６３、第１温度センサ２６４、回転機構２５４、ボートエレベータ２１５等に接続されている。
ＣＰＵ２３９ａは、記憶部２３９ｃから制御プログラムを読み出して実行すると共に、操作部１３１からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置２３９ｃからプロセスレシピを読み出すように構成されている。そして、ＣＰＵ２３９ａは、読み出したプロセスレシピに従って、ＭＦＣ２４１による各種ガスの流量調整動作、図示しないバルブ３の開閉動作、ＡＰＣバルブ２４２の開閉動作およびＡＰＣバルブ２４２による圧力センサ２４５に基づく圧力調整動作、第２温度センサ２６３、第２温度センサ２６４に基づくヒータ２０６の温度調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、回転機構２５４よるボート２１７の回転および回転速度調節動作、ボートエレベータ２１５によるボート２１７の昇降動作等を制御するように、ガス流量制御部２３５、圧力制御部２３６、駆動制御部２３７、温度制御部２３８を制御可能に構成されている。なお、温度制御部２３８による第２温度センサ２６３、第２温度センサ２６４に基づくヒータ２０６の温度調整動作の詳細は後述する。
制御部２３９は、専用のコンピュータとして構成されている場合に限らず、汎用のコンピュータとして構成されていてもよい。例えば、上述のプログラムを格納した外部記憶部としての外部記憶装置（例えば、ＵＳＢメモリ等の半導体メモリ等）１３３を用いて汎用のコンピュータにプログラムをインストールすることにより、本実施形態に係る制御部２４０を構成することができる。
コンピュータにプログラムを供給するための手段は、外部記憶部１３３を介して供給する場合に限らない。例えば、インターネットや専用回線等の通信手段を用い、外部記憶部１３３を介さずにプログラムを供給するようにしてもよい。なお、記憶部２３９ｃや外部記憶部１３３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体として構成される。以下、これらを総称して、単に記録媒体ともいう。なお、本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶部２３９ｃ単体のみを含む場合、外部記憶部１３３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。
図２により、本実施形態におけるヒータ２０６の構造を詳細に説明すると、ヒータ２０６は縦方向に複数ゾーンに分割制御可能（図２では５ゾーン分割）とするため、複数のヒータ２０６が積み重なって出来ている。これを「ヒータゾーン(加熱領域)」と呼ぶ。そしてそれぞれのヒータゾーン毎にヒータ２０６の温度を測定する「ヒータ熱電対」２６４が設置されている。アウターチューブの内側には、チューブ内部の温度を測定する「カスケード熱電対」２６３が設置されている。このカスケード熱電対２６３は１つの石英管の中にヒータゾーンの数に応じた数の熱電対(温度センサ)が収められている構造となっている。そして、その測温点はヒータゾーンに対抗した位置に設けられている。なお、図２において、ヒータ２０６は、上からＵ，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌゾーンに分割されている。また、それぞれに対応する「ヒータ熱電対」を上から２６４－１、２６４－２、２６４－３、２６４－４、２６４－５と個別に称し、「ヒータ熱電対」を総称するときは、ヒータ熱電対２６４と称する。
図３は、カスケード制御ループによる温度制御部２３８を含む温度制御系の構成図である。図３は、いわゆるカスケードＰＩＤ制御方式となっており、処理室２０１のウエハ２００近傍の温度を測定するカスケード熱電対２６３の温度を制御する「メイン温度制御部ループ」と、ヒータ２０６の温度を制御する「ヒータ温度制御部ループ」からなっている。メイン温度制御部（第１のＰＩＤ調節部）は、カスケード熱電対２６３の温度を目標値と一致させるようヒータ温度制御部への設定値を操作する。ヒータ温度制御部（第２のＰＩＤ調節部）は、ヒータ熱電対２６４の温度をメイン温度制御部（第１のＰＩＤ調節部）から設定された温度と一致するようヒータパワー出力量(図３ではＺ電力量と記載)を操作する。
図３に示すカスケード制御ループは、目標温度Ｙとカスケード熱電対２６３からの検出温度との偏差を出力する第１の加算器５０１と、第１の加算器５０１の出力レベルに応じてＰＩＤ（比例、積分、微分）演算し、ヒータ熱電対２６４からの検出温度が追従すべき値に制御する第１のＰＩＤ調節部５０２と、第１のＰＩＤ調節部５０２の出力レベルとヒータ熱電対２６４からの検出温度の偏差を出力する第２の加算器５０３と、第２の加算器５０３の出力レベルに応じてＰＩＤ演算し、ヒータ２０６へ供給する電力量Ｚを制御する第２のＰＩＤ調節部５０４によって構成されている。
図３は、図２におけるヒータ分割ゾーン（Ｕ，ＣＵ，Ｃ，ＣＬ，Ｌゾーン）のうちの何れか１つのゾーンのみのカスケード制御ループを示している。ヒータ２０６が５ゾーンに分割される場合は、図３と同様な構成のカスケード制御ループがそれぞれのゾーンごとに存在することになる。このようにして、比較的応答速度の速いヒータ熱電対２６４の検出温度と、比較的応答速度の遅いカスケード熱電対２６３の検出温度とを使用して、図３に示すようなカスケード制御ループを構成することにより、カスケード熱電対２６３の検出温度を素早くかつ安定的に目標の温度に制御できることは一般に知られている。
次に、図１の処理炉２０２で一般に使用される処理シーケンスについて図４を用いて説明する。図４はプロセス処理の各ステップにおける処理炉２０２内の温度変化の概略を示したものである。尚、図４中の符合Ｓ１～Ｓ６は、プロセス処理の各ステップＳ１～Ｓ６に対応するものである。
ステップＳ１は、処理炉２０２内の温度を比較的低い温度Ｔ０で安定させる処理である。ステップＳ１ではボート２１７はまだ処理炉２０２内の反応管２０３へ挿入されていない。ステップＳ２は、ウエハ２００を保持しているボート２１７を反応管２０３へ挿入する処理（ボートロード）である。ウエハ２００の温度は、通常、温度Ｔ０より低いので、ボート２１７を反応管２０３へ挿入した結果、処理炉２０２内の温度は一時的にＴ０より低い温度になるが、前述した温度制御によって炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。
ステップＳ３は、温度Ｔ０からウエハ２００に成膜等の処理を施すための目標温度Ｔ１まで、処理炉２０２内の温度を上昇させる処理（ランプアップ）である。ステップＳ４は、ウエハ２００に処理を施すために処理炉２０２内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。ステップＳ５は、処理終了後に目標温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで処理炉２０２内の温度を下降させる処理（ランプダウン）である。ステップＳ６は、処理が施されたウエハ２００を搭載しているボート２１７を処理室２０１から引き出す処理である。その後、ボート２１７上の処理済ウエハ２００は未処理のウエハ２００と入れ替えられる。これら一連の処理（つまり、ステップＳ１からステップＳ６）が全てのウエハ２００について施される。
通常、ステップＳ１からステップＳ６の処理は繰り返し行われるため、１つ１つのステップを短時間で行うことが生産性向上につながる。特に、ヒータ２０６の温度は、熱しやすく冷めにくい性質のため、ステップＳ５のランプダウンのステップに要する時間をいかに短縮するかが生産性向上のポイントとなる。
以下、本実施形態におけるヒータ２０６近傍に配置される第１温度センサ２６４について図６～図１０を用いて説明する。第１温度センサ２６４は、図２に示すように５ゾーンにそれぞれ設けられているが、ここでは、説明のために一つの第１温度センサ２６４について説明する。
図６に示すように、第１温度センサ２６４は、内部に熱電対素線１１０を有するアルミナ製の本体部としての絶縁性のある管(絶縁管)１０１と、第１温度センサ２６４をヒータ２０６に取り付けるための平板状の開口穴(開口部)が開いているＳＵＳ製の取付板を含む取付部材１０２と、後述するクッション性のある断熱特性や密閉性(シール性)に優れたクッション部材としての第１断熱材１０７および第２断熱材１０８と、図示しない温度制御部２３８と接続する接続部と、を含む。
本実施の形態における第１温度センサ２６４は、従来のヒータ熱電対にあった保護管を無くし、絶縁管１０１が可動する構造としている。具体的には、絶縁管１０１のある点(可動支点)を中心に上下に可動できる構成となっている。この構造に関しては後述する。また、取付板１０２の開口穴と絶縁管１０１との間に僅かな隙間(微小空間)を設けられているが、この微小空間に関しても後述する。絶縁管１０１の先端側(先端部)は、絶縁管１０１に熱電対素線１１０を通し素線先端を結合して測温部を構成した後、熱電対素線１１０(測温部)が処理炉２０２の雰囲気に露出しないようにアルミナセメントで埋め込み、接着することで固定している。
接続部は、少なくとも内部に絶縁管１０１の末端部が設けられるカバー部１０９と、図示しない温度制御部２３８に温度データを出力するコネクタ部１１１から構成されている。このカバー部１０９内において、絶縁管１０１(末端部)から出た熱電対素線１１０は、コネクタ部１１１に接続される。コネクタ部１１１までの熱電対素線１１０は、ポリイミドチューブ等の絶縁部材により被覆されることにより絶縁処理が施されている。カバー部１０９の熱電対素線１１０を囲う部分は、カバー部１０９の絶縁管１０１を囲う部分の断面積よりも大きく構成される。
図７は、図６に示す第１温度センサ２６４を処理炉２０２、具体的にはヒータ２０６に取り付けた状態を示したものである。絶縁管１０１は、セラミック製の円筒状の取付用パイプ１１３と接触しないように設けられる。また、絶縁管１０１は、ＳＵＳ製のパネル部としてのヒータカバーパネル(取付用パネル)１１４と断熱材１１２をそれぞれ貫通するように設けられ、絶縁管１０１の先端部は処理炉２０２内に設けられる。
この断熱材１１２や取付用パイプ１１３は、処理温度が高温、例えば、処理炉２０２内が１０００℃以上の高温になっても耐えられるものが選択される。また、取付用パイプ１１３は、絶縁管１０１の保護管としての役割も担う。詳細は後述するが、絶縁管１０１の先端部と発熱体１１５との接触を避けるために設けられており、絶縁管１０１の破損防止に役立っている。
第１温度センサ２６４をヒータ２０６に取り付ける際、取付用パネル１１４と取付板１０２の間の隙間を埋めるためにクッション部材が設けられる。特に、第１断熱材１０７および第２断熱材１０８の二重でクッション部材が設けられる。これは、炉内雰囲気と外気との密閉性を向上させるためである。
これら第１断熱材１０７および第２断熱材１０８は、中央部に絶縁管１０１が通るための貫通穴が設けられ、第１温度センサ２６４をヒータ２０６に固定するネジとしての固定具１１６が通る位置にも穴が開いている。
第１断熱材１０７が絶縁管１０１の先端側から挿入され、次に第２断熱材１０８が同様に本体部１０１の先端側から挿入される。そして、この状態の第１温度センサ２６４(の本体部１０１)が取付用パネル１１４の外側から取付用パイプ１１３の中に、第１断熱材１０７および第２断熱材１０８を介して、取付用パネル１１４に当接する位置まで挿入される。取付用パネル１１４にはタップが切ってあり、取付板１０２を固定具１１６で固定することにより、第１温度センサ２６４がヒータ２０６に取り付ける。
なお、第１断熱材１０７および第２断熱材１０８を絶縁管１０１に挿入する際に、アルミナセメント等の接着剤は使用されない。
後述するように絶縁管１０１の先端が上に押し上げられたとき、カバー１０９内の絶縁管１０１は下方向に下がる。そして、絶縁管１０１と共に熱電対素線１１０が下方向に下がる。このことを考慮し、図７に示すようにカバー１０９内で絶縁管１０１から露出した熱電対素線１１０に予めたわみを持たせた配線が行われている。そして、このたわみが熱電対素線１１０の動きを吸収するようになっている。
熱電対素線１１０は金属線であり、大きく曲げると曲げ癖がついてしまう。よって、図７では、熱電対素線１１０の配線にたわみを持たせることで、絶縁管１０１から熱電対コネクタ１１１までの熱電対素線１１０を長くすることができることから、第１温度センサ２６４が可動したときの曲げ癖を小さくすることができる。
図８を用いて、第１温度センサ２６４(の絶縁管１０１)の可動構造について説明する。図８に示すように、第１温度センサ２６４は、微小空間(１ｍｍより小さい隙間、例えば、０．１ｍｍ程度)を設けつつ開口穴に貫通するよう取付板１０２に接続される絶縁管１０１と、取付板１０２を中心に絶縁管１０１の先端部側に円筒状でセラミック製の第１位置決め部としてのワッシャ部１０３と、取付板１０２を中心に絶縁管１０１の末端部側に円筒状でステンレス製の第２位置決め部としてのスペーサ部１０４と、を有し、これら、微小空間、第１位置決め部１０３、第２位置決め部１０４により決められる範囲で絶縁管１０１を可動にしている。具体的には、微小空間、第１位置決め部１０３、第２位置決め部１０４により絶縁管１０１の移動を制限することが可能に構成されている。
このような構成であるため、取付板１０２と絶縁管１０１の接続される個所は、開口部が設けられる部分Ａのみにより接続されている。従い、開口部に挿入されている部分Ａの絶縁管１０１が支点(可動支点)を構成し、絶縁管１０１が上下に可動することができる。
ここで、絶縁管１０１とワッシャ部１０３、絶縁管１０１とスペーサ部１０４はそれぞれ接着剤、例えば、アルミナセメントにより固着されている。そして、絶縁管１０１に取り付けられたワッシャ部１０３とスペーサ部１０４の間にある絶縁管１０１が取付板１０２の開口部に挿入されるように構成されている。
このワッシャ部１０３の取付板１０２側の端部とスペーサ部１０４の取付板１０２側の端部の間の長さが開口部の幅(開口部の絶縁管１０１の軸心方向の長さ)より大きく構成される。また、絶縁管１０１とワッシャ部１０３およびスペーサ部１０４が取り付けられるそれぞれの部分の径が、取付板１０２に設けられる開口部の径より大きく構成される。
取付板１０２と絶縁管１０１の接続される個所は、開口部が設けられる部分のみにより接続されており、取付板１０２と絶縁管１０１の間に微小空間を持たせるように調整されている。更に、開口穴の径や幅は、後述する絶縁管１０１が上下に傾いたときに、絶縁管１０１の傾き範囲を確保する適当な径や幅に設定される。
本実施形態によれば、取付板１０２の開口部の径を絶縁管１０１の外径に対して微小空間ができる程度に極めて小さくすることにより、開口部に挿入されている部分Ａの絶縁管１０１が支点(可動支点)を構成し、絶縁管１０１はこの支点を中心に動くことが可能となる。よって、第１温度センサ２６４は、絶縁管１０１の先端部が上下に移動しても破損することなく、ヒータ２０６近傍の温度を測定することができる。
また、上述のように取付板１０２を開口部の前後から挟むように、絶縁管１０１にワッシャ部１０３とスペーサ部１０４が配置されることにより、ワッシャ部１０３とスペーサ部１０４は、絶縁管１０１が穴の厚み方向(開口部の絶縁管１０１の軸心方向)に動かないようにするためのストッパーの役割がある。また、これにより、絶縁管１０１はシーソーのように動くことが可能となる。よって、第１温度センサ２６４は、絶縁管１０１の先端部が上下に移動しても破損することなく、ヒータ２０６近傍の温度を測定することができる。
ワッシャ部１０３を構成する部品は、耐熱性を考慮し、セラミック製とし、スペーサ部１０４は、肉薄のストッパーとするため、ステンレス製とした。但し、これらの部品は、材料、サイズは制限するものではなく、使用条件に合わせて適当なものを選定すればよい。
また、ワッシャ部１０３やスペーサ部１０４を絶縁管１０１に接着剤により固定する場合、取付板１０２とは反対側の方に多く使用することが好ましい。なぜなら、開口部に挿入される部分の絶縁管１０１を可動支点として第１温度センサ２６４を可動させるように、取付板１０２の開口部と該開口部に挿入される部分の絶縁管１０１との間に設けられた微小空間が接着剤により埋められ閉塞し、第１温度センサ２６４が移動できなくなる可能性がある。更に、接着剤により、絶縁管１０１と取付板１０２が固着されると、第１温度センサ２６４が可動できない可能性がある。
また、取付板１０２とカバー１０９は、カバー１０９が取付板１０２に食い込むように溶接で取り付けられている。そして、スペーサ部１０４は、このカバー１０９内に設けられる。
ワッシャ部１０３は、第１断熱材１０７に覆われており、ワッシャ部１０３及び第１断熱材１０７は、取付板１０２に密着され、この第１断熱材１０７と密着するように絶縁管１０１を覆うように第２断熱材１０８が設けられている。具体的には、取付板１０２の開口部より処理炉２０２内側に中心にワッシャ部１０３を貫通可能な第１断熱材１０７を設け、該第１断熱材１０７の処理炉２０２内側に絶縁管１０１を貫通可能な第２断熱材１０８を第１断熱材に密着させて設けることにより、断熱材を二重にすることにより、処理炉２０２内の雰囲気と取付板１０２の外側との間の密閉性を確保している。取付用パイプ１１３を介して取付用パネル１１４は、処理炉２０２内と連通しているため、第１断熱材１０７および第２断熱材１０８は、高温でも耐久性、密閉性に優れ、かつ、第１温度センサ２６４(の本体部１０１)の可動を邪魔しない柔軟性のある部材が選択される。
図９を用いて、第１温度センサ２６４(の絶縁管１０１)の先端部について説明する。図９に示す熱電対素線１１０や測温部はアルミナセメントにより絶縁管１０１から露出していないが、説明のために図示している。
絶縁管１０１の断熱材１１２からの飛び出し量が少なくなると断熱材１１２の影響が大きくなり応答性が低下してしまう。また、加熱部としての発熱体１１５との温度差も大きくなってしまう。
そこで、図９に示すように、絶縁管１０１内には熱電対素線１１０が設けられ、絶縁管１０１の先端部に測温部が設けられる。そして、測温部を含む先端部は、ヒータ２０６の発熱体１１５よりも処理炉２０２内側に配置される。例えば、絶縁管１０１の先端は反応管２０３近傍に配置される。これにより、反応管２０３と干渉しない範囲で、絶縁管１０１が発熱体１１５よりも処理炉２０２内側に配置することで、絶縁管１０１の断熱材１１２の飛び出し量を確保し、発熱体１１５の温度に近い温度を応答性よく検出できる。
取付用パイプ１１３も絶縁管１０１と同様に発熱体１１５よりも処理炉２０２内側に配置されている。これは、発熱体１１５を長期間使用すると塑性変形により処理炉２０２内側に移動することがある。この為、取付用パイプ１１３は発熱体１１５よりも処理炉２０２内側に延伸させて設けられている。これにより、取付用パイプ１１３により発熱体１１５と絶縁管１０１が干渉することを軽減することができ、第１温度センサ２６４の破損を抑制することができる。
図１０は本体部の末端部の詳細図であり、絶縁管１０１の末端部から出た熱電対素線１１０の配線をさらに工夫した例を示す。図１０では、絶縁管１０１から出た熱電対素線１１０をスパイラル形状のように少なくとも１周巻いてからコネクタ１１１に接続するよう構成されている。
図１０に示す構成では、絶縁管１０１の末端部が下がると、絶縁管１０１の出口とコネクタ１１１の距離が伸び、その分スパイラル部を締めこむ動きをすると共にスパイラル部が下に移動するので、絶縁管１０１の末端部の熱電対素線１１０の曲げ角度が小さくなる。
これにより、第１温度センサ２６４の移動に伴う熱電対素線１１０に係る曲げ応力が小さくなるので熱電対素線１１０の断線を抑制し、長寿命化を期待することができる。
なお、図７のように絶縁管１０１の末端部から出た熱電対素線１１０にたわみを持たせているが、炉内温度が高いときに絶縁管１０１の出口の熱電対素線１１０に曲げ癖がついていると、炉内温度が下がったときに本体部１０１の先端が元の位置に戻ってこない状態になる。すると、絶縁管１０１と取付用パイプ１１３の上面とが接触することにより破損する恐れがある。
また、絶縁管１０１と取付用パイプ１１３の上面とが接触することにより取付用パイプ１１３からの押圧を受け続け、絶縁管１０１が多少元の位置に戻るときに引っ張り応力を受けて熱電対素線１１０が断線の可能性がある。
そこで、図１０に開示の工夫によれば、絶縁管１０１から出た熱電対素線１１０をスパイラル状に配線することにより、熱電対素線１１０の曲げ癖の度合いを小さくすることで、絶縁管１０１も取付用パイプ１１３と共に元の位置に戻る。このようにして、炉内温度を下げた時に、絶縁管１０１と取付用パイプ１１３の接触を回避することができる。
このように、図１０に示す構成によれば、熱電対素線１１０の曲げ癖に起因する第１温度センサ２６４の破損及び熱電対素線１１０の断線する恐れが無い。
図１１は、図４に示す各ステップ(Ｓ１～Ｓ６)で処理したときの温度Ｔ１(ステップＳ４)のときの第１温度センサ２６４を示したものである。なお、図７と同じ要素について、説明が重複する場合には省略することがある。
ヒータ２０６は、ヒータ本体部を構成する断熱材１１２と、断熱材１１２近傍に設けられる発熱体１１５と、断熱材１１２を貫通するように設けられるセラミック製の取付用パイプ１１３と、第１温度センサ２６４を取り付けるためのＳＵＳ製の取付用パネル１１４を含む。該断熱材１１２は、例えば、断熱材が積層されて構成される積層構造体を構成する。また、断熱材１１２を囲うようにＳＵＳ製のケースが取り付けられ、このケースに取付用パネル１１４が設けられる。
発熱体１１５は、炉内温度Ｔ１が高くなると上方向に移動する。そして、この移動に伴い取付用パイプ１１３を上方向に押し上げる。断熱材１１２は取付用パイプ１１３より柔らかいため、発熱体１１５により押し上げられた取付用パイプ１１３が、上側の断熱材１１２に食い込むように構成される。この押し上げられた取付用パイプ１１３が絶縁管１０１に接触しつつ押し上げるように構成される。これにより、絶縁管１０１の先端側は上方向に移動する。このとき、取付用パイプ１１３により発熱体１１５と絶縁管１０１は直接接触することが無いように構成されている。
絶縁管１０１は、絶縁管１０１に取り付けられたワッシャ部１０３およびスペーサ部１０４により制限される範囲内で移動する。ここで、絶縁管１０１は、通常、取付板１０２の開口部に挿入されている部分でのみ支持されており、この部分を可動支点としてシーソーのように傾くよう構成されている。この場合、絶縁管１０１の先端側が上方向に移動するので、絶縁管１０１の末端側は下方向に傾くよう構成されている。このように、ヒータユニットを構成する部品(断熱材１１２、取付用パイプ１１３、発熱体１１５を含む)の熱膨張による移動に伴い、絶縁管１０１は可動するので破損することは無い。
更に、絶縁管１０１の周囲を覆うように設けられている第１断熱材１０７と第２断熱材１０８は、クッション性があるので、絶縁管１０１の移動を妨げることは無い。
絶縁管１０１の末端部は下方向に傾き、末端部から伸びた熱電対素線１１０は下方向に移動するが、熱電対素線１１０にたわみを持たせるよう配線されており、絶縁管１０１の動作を妨げることは無い。つまりたわみを持たせることで熱電対素線１１０の長さを伸ばすことができる。これにより、絶縁管１０１の動作に伴う応力が低減され、熱電対素線１１０の断線を抑えることができる。
上述のように炉内温度Ｔ１が高くヒータユニットを構成する部品の熱膨張による移動が発生しても、第１温度センサ２６４は破損することが無く、ステップＳ４でウエハ２００に処理を施しているときの処理炉２０２内の温度を計測することが可能に構成される。
ここで、コネクタ部１１１は、図示しない温度制御部２３８に接続されているので、温度検出値を温度制御部２３８に出力し、温度制御部２３８は、例えば、図３に示すフィードバック制御により温度を制御することが可能に構成される。
そして、ステップＳ４が終了して炉内温度が下がった時(例えば、温度Ｔ０)、処理炉２０２内の温度が下がったとき、熱膨張で上方向に移動していた発熱体１１５は元の位置(１１５ａ)の位置に戻ろうと下がってくる。すると傾いていた取付用パイプ１１３も元の位置に戻り、絶縁管１０１も取付用パイプ１１３と共に元の位置に戻るため、絶縁管１０１と取付用パイプ１１３の接触を回避することができる。
以上、本実施形態によれば、以下(ａ)乃至(ｋ)のうち少なくとも一つの効果を奏する。
（ａ）本実施形態によれば、ヒータ熱電対２６４を貫通させるために取付板１０２に設けられた開口穴に絶縁管１０１を挿入することにより取付板１０２の開口穴で支持されているだけで、取付板１０２に動かないよう固定されていないので絶縁管１０１の先端側が上下方向に移動しても、絶縁管１０１の開口穴に対応する部分を中心に傾くことができる。よって、ヒータ熱電対２６４の破損のリスクを低減できる。
（ｂ）本実施形態によれば、取付板１０２に絶縁管１０１が接続される部分を境界にして、処理炉２０２内側にワッシャ部１０３、処理炉２０２外側にスペーサ部１０４を設けることにより、絶縁管１０１の先端側が上下方向に移動して絶縁管１０１の開口穴に対応する部分を中心に傾くときの絶縁管１０１の可動範囲を制限することができる。
（ｃ）本実施形態によれば、取付板１０２の開口部より処理炉２０２内側には、中心にワッシャ部１０３を貫通可能なクッション部材１０７と、更にクッション部材１０７の処理炉２０２内側に絶縁管１０１を貫通可能なクッション部材１０８を二重に設けられている。これにより、処理炉２０２内の雰囲気と取付板１０２との間の密閉性を確保している。
（ｄ）本実施形態によれば、絶縁管１０１、ワッシャ部１０３、スペーサ部１０４はそれぞれ取付板１０２に動かないように固定されていないので、絶縁管１０１の先端側が上下方向に移動して絶縁管１０１の開口穴に対応する部分を中心に傾くことを妨げることは無い。よって、ヒータ熱電対２６４の破損のリスクを低減できる。
（ｅ）本実施形態によれば、絶縁管１０１の末端から出た熱電対素線１１０にたわみを持たせる等、絶縁管１０１からコネクタ１１１までの距離に対して熱電対素線１１０の長さが大きくなるようにコネクタ１１１に接続しているので、絶縁管１０１の傾きによる熱電対素線１１０の熱膨張による、例えば、引っ張り応力等の熱応力を吸収することができる。これにより、熱電対素線１１０の断線を防止することができる。
（ｆ）本実施形態によれば、絶縁管１０１の末端から出た熱電対素線１１０をスパイラル形状で配線してコネクタ１１１に接続すると、熱電対素線１１０の長さが大きくなり絶縁管１０１の傾きによる熱電対素線１１０の熱応力を吸収するだけでなく、スパイラル形状の熱電対素線１１０が上下に移動して熱応力を吸収する。これにより、熱電対素線１１０の曲げ癖の度合いを小さくする構成になるため、熱電対素線１１０の破損のリスクを更に低減することができる。
（ｇ）本実施形態によれば、絶縁管１０１の末端から出た熱電対素線１１０をスパイラル形状で配線して、熱電対素線１１０の曲げ癖の度合いを小さくする構成にすることにより、ウエハ２００の処理時に絶縁管１０１の先端部が上に移動し、ウエハ２００の処理が終了したときに絶縁管１０１が元の位置に戻るため、熱電対素線１１０の断線のリスクを低減することができる。
（ｈ）本実施形態によれば、断熱材１１２を貫通するように設けられたセラミックパイプ１１３内に挿入するようにヒータ２０６に取り付けられるヒータ熱電対２６４が取り付けられる。これにより、この絶縁管１０１の先端が発熱体３１５と直接接触しないため、ヒータ熱電対２６４の破損のリスクを低減できる。
（ｉ）本実施形態によれば、ヒータ熱電対２６４の絶縁管１０１の先端部に温度を計測する測温部を有し、この絶縁管１０１の先端が反応管２０３近傍まで延伸するように構成されているので、処理炉２０２内の温度を計測することができる。
（ｊ）本実施形態によれば、処理炉２０２内が高温となり、ヒータ２０６を構成する部品(例えば、セラミックパイプ１１３、発熱体１１５)が熱膨張により (この場合は上方向に) 移動しても、ヒータ熱電対２６４が可動構造となっているので破損するリスクが低く抑えられる。
（ｋ）本実施形態によれば、熱膨張により移動したヒータ２０６を構成する部品(例えば、セラミックパイプ１１３、発熱体１１５)が、例えば、ウエハ２００の処理を終了した後、温度が低温になった時(例えば、温度Ｔ０)に、これらの部品が元の位置に戻ると共にヒータ熱電対２６４も同様に元の位置に戻る。このように、ヒータ熱電対２６４が可動構造となっているので破損するリスクが低く抑えられる。
２６４…第１温度センサ(ヒータ熱電対)

Claims (16)

  1. 一端に温度を測定する測温部が設けられ、他端に接続部が設けられる管状の本体部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記一端側に取り付けられる第１位置決め部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記他端側に取り付けられる第２位置決め部と、
    前記第１位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部と前記第２位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部との間の前記本体部と接続可能に構成される取付部材と、を有し、
    前記取付部材と接続されている部分の前記本体部を支点にして、前記取付部材、前記第１位置決め部と前記第２位置決め部により決められた範囲で前記本体部が可動に構成される温度センサ。
  2. 更に、前記取付部材は開口部を有し、
    前記本体部が前記開口部に挿入されるよう構成される請求項１記載の温度センサ。
  3. 前記第１位置決め部の前記取付部材側の端部と前記第２位置決め部の前記取付部材側の端部の間の長さが前記開口部の前記本体部の軸心方向の長さより大きく構成される請求項２記載の温度センサ。
  4. 前記本体部と前記第１位置決め部および前記本体部と第２位置決め部が取り付けられるそれぞれの部分の径が、前記取付部材に設けられる前記開口部の径より大きく構成される請求項２記載の温度センサ。
  5. 更に、前記第１位置決め部を覆うように第１断熱材が設けられ、
    前記第１位置決め部及び前記第１断熱材は、前記取付部材に密着される請求項１記載の温度センサ。
  6. 更に、前記第１断熱材と密着するように前記本体部を覆う第２断熱材が設けられる請求項５記載の温度センサ。
  7. 前記本体部、前記第１位置決め部、及び前記第２位置決め部は、前記取付け部材に固定されないように構成されている請求項１記載の温度センサ。
  8. 前記本体部、前記第１位置決め部、及び前記取付部材は、前記第１断熱材に固定されないように構成されている請求項５記載の温度センサ。
  9. 前記本体部、及び前記第１位置決め部は、前記第１断熱材に固定されないように構成されている請求項５記載の温度センサ。
  10. 前記接続部は、少なくとも前記本体部の末端部を内部に有するカバー部と、コネクタ部と、を備え、
    前記末端部から出た素線は、絶縁部材により被覆されるように構成されている請求項１記載の温度センサ。
  11. 前記末端部から前記コネクタ部までの前記素線の配線は、たわみを含むように構成されている請求項１０記載の温度センサ。
  12. 前記末端部から前記コネクタ部までの前記素線は、スパイラル状に配線されるように構成されている請求項１０記載の温度センサ。
  13. 前記本体部の内部には、前記測温部を構成する素線が連通されるように構成されている請求項１記載の温度センサ。
  14. 一端に温度を測定する測温部が設けられ、他端に接続部が設けられる管状の本体部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記一端側に取り付けられる第１位置決め部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記他端側に取り付けられる第２位置決め部と、
    前記第１位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部と前記第２位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部との間の前記本体部と接続可能に構成される取付部材と、を有し、
    前記取付部材と接続されている部分の前記本体部を支点にして、前記取付部材、前記第１位置決め部と前記第２位置決め部により決められた範囲で前記本体部が可動に構成される温度センサを有するヒータユニット。
  15. 一端に温度を測定する測温部が設けられ、他端に接続部が設けられる管状の本体部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記一端側に取り付けられる第１位置決め部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記他端側に取り付けられる第２位置決め部と、
    前記第１位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部と前記第２位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部との間の前記本体部と接続可能に構成される取付部材と、を有し、
    前記取付部材と接続されている部分の前記本体部を支点にして、前記取付部材、前記第１位置決め部と前記第２位置決め部により決められた範囲で前記本体部が可動に構成される温度センサを有するヒータユニットを備えた処理装置。
  16. 一端に温度を測定する測温部が設けられ、他端に接続部が設けられる管状の本体部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記一端側に取り付けられる第１位置決め部と、
    前記本体部の軸心方向において、前記他端側に取り付けられる第２位置決め部と、
    前記第１位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部と前記第２位置決め部が取り付けられる部分の前記本体部との間の前記本体部と接続可能に構成される取付部材と、を有し、
    前記取付部材と接続されている部分の前記本体部を支点にして、前記取付部材、前記第１位置決め部と前記第２位置決め部により決められた範囲で前記本体部が可動に構成される温度センサを有するヒータユニットにより加熱する工程を有する半導体装置の製造方法。


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