KR102109147B1 - 쿨링 유닛, 단열 구조체, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

쿨링 유닛, 단열 구조체, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 존간의 가열 및 냉각 제어의 응답성을 개선하는 구성을 제공한다. 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 해당 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 버퍼부에 저류된 가스를 반응관을 향해서 분출하도록 설치되는 개구부를 구비한 구성에 의해, 존의 상하 방향의 길이 비율에 따라서 흡기관에 도입되는 가스의 유량을 설정함으로써, 제어 밸브를 개폐시켜 개구부로부터 반응관을 향해서 분출되는 가스의 유량 및 유속이 조정되는 구성이 제공된다.

Description

쿨링 유닛, 단열 구조체, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{COOLING UNIT, HEAT INSULATING STRUCTURE, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 쿨링 유닛, 단열 구조체 및 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
기판 처리 장치의 일례로서, 반도체 제조 장치가 있고, 또한 반도체 제조 장치의 일례로서, 종형 장치가 있는 것이 알려져 있다. 종형 장치에서는, 복수의 기판(이하, 웨이퍼라고도 함)을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지부로서의 보트를, 기판을 보유 지지한 상태에서 반응관 내의 처리실에 반입하여, 복수의 존(zone)에서 온도 제어하면서 기판을 소정의 온도에서 처리하는 것이 행하여지고 있다. 지금까지, 종래 히터의 온도 제어에서는 강온 시에 히터 오프로 하고 있었지만, 최근 몇년간, 냉각 기구로부터 냉각 가스를 공급하여, 기판 처리 후의 강온 특성을 적극적으로 향상시키는 것이 행하여지고 있다.
특허문헌 1은, 개폐 밸브를 개폐함으로써, 성막 시와 강온 시와 온도 리커버리 시 각각에서 냉각 가스의 흐름을 변경하는 기술을 개시한다. 또한, 특허문헌 2는, 분출 구멍의 수나 배치를 바꿈으로써 히터 각 부의 강온 속도를 설정하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 상술한 쿨링 유닛 구성에서의 냉각 가스 유량의 제어로는, 급속 냉각 중, 반응관을 균일하게 냉각할 수 없기 때문에, 존별 강온 속도의 변화가 상이하여, 존간의 온도 이력에 차를 발생시킨다는 문제가 있었다.
일본 특허 공개 제2014-209569호 공보 국제 공개 2008/099449호 공보
본 발명의 목적은, 존간의 가열 제어 및 냉각 제어의 응답성을 개선하는 구성을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 해당 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 버퍼부에 저류된 가스를 반응관을 향해서 분출하도록 설치되는 개구부를 구비한 구성에 의해, 존의 상하 방향의 길이 비율에 따라 흡기관에 도입되는 가스의 유량을 설정함으로써, 제어 밸브를 개폐시켜 개구부로부터 반응관을 향해서 분출되는 가스의 유량 및 유속이 조정되는 구성이 제공된다.
본 발명에 따른 구성에 의하면, 존간의 가열 및 냉각 제어의 응답성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치를 도시하는 일부 절단 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치의 정면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 처리 중 온도에 관한 처리의 일례를 나타내는 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 흐름도에서의 로내의 온도 변화를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치의 주요 구성부를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시한 주요 구성부의 일부를 확대한 도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 단열 구조체의 전개도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 쿨링 유닛의 유속을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 쿨링 유닛의 존간의 유량을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 냉각 존 분할과 가열 영향 범위를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 균열장(均熱長) 분포를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 제어용 컴퓨터의 하드웨어 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를 도면에 입각해서 설명한다.
본 실시 형태에서, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)는, 반도체 장치의 제조 방법에서의 성막 공정을 실시하는 처리 장치(10)로서 구성되어 있다.
도 1에 도시된 기판 처리 장치(10)는, 지지된 종형의 반응관으로서의 프로세스 튜브(11)를 구비하고 있고, 프로세스 튜브(11)는 서로 동심원에 배치된 아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)로 구성되어 있다. 아우터 튜브(12)는 석영(SiO2)이 사용되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 일체 성형되어 있다. 이너 튜브(13)는 상하 양단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 이너 튜브(13)의 통 중공부는 후기하는 보트가 반입되는 처리실(14)을 형성하고 있고, 이너 튜브(13)의 하단 개구는 보트를 출납하기 위한 노구(15)를 구성하고 있다. 후술하는 바와 같이, 보트(31)는 복수매의 웨이퍼를 길게 정렬한 상태로 보유 지지하도록 구성되어 있다. 따라서, 이너 튜브(13)의 내경은 취급하는 웨이퍼(1)의 최대 외경(예를 들어, 직경 300mm)보다도 커지도록 설정되어 있다.
아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)의 사이의 하단부는, 대략 원통형으로 구축된 매니폴드(16)에 의해 기밀 밀봉되어 있다. 아우터 튜브(12) 및 이너 튜브(13)의 교환 등을 위해서, 매니폴드(16)는 아우터 튜브(12) 및 이너 튜브(13)에 각각 착탈 가능하게 설치되어 있다. 매니폴드(16)가 CVD 장치의 하우징(2)에 지지됨으로써, 프로세스 튜브(11)는 수직으로 설치된 상태로 되어 있다. 이후, 도에서는 프로세스 튜브(11)로서 아우터 튜브(12)만을 나타내는 경우도 있다.
아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)의 간극에 의해 배기로(17)가, 횡단면 형상이 일정 폭의 원형 링 형상으로 구성되어 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 매니폴드(16)의 측벽의 상부에는 배기관(18)의 일단이 접속되어 있고, 배기관(18)은 배기로(17)의 최하단부와 통하는 상태로 되어 있다. 배기관(18)의 타단에는 압력 컨트롤러(21)에 의해 제어되는 배기 장치(19)가 접속되어 있고, 배기관(18) 도중에는 압력 센서(20)가 접속되어 있다. 압력 컨트롤러(21)는 압력 센서(20)로부터의 측정 결과에 기초하여 배기 장치(19)를 피드백 제어하도록 구성되어 있다.
매니폴드(16)의 하방에는 가스 도입관(22)이 이너 튜브(13)의 노구(15)와 통하도록 배치되어 있고, 가스 도입관(22)에는 원료 가스나 불활성 가스를 공급하는 가스 공급 장치(23)가 접속되어 있다. 가스 공급 장치(23)는 가스 유량 컨트롤러(24)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 가스 도입관(22)으로부터 노구(15)에 도입된 가스는, 이너 튜브(13)의 처리실(14) 내를 유통해서 배기로(17)를 통해 배기관(18)에 의해 배기된다.
매니폴드(16)에는 하단 개구를 폐색하는 시일 캡(25)이 수직 방향 하측으로부터 접하도록 되어 있다. 시일 캡(25)은 매니폴드(16)의 외경과 대략 동등한 원반 형상으로 구축되어 있고, 하우징(2)의 대기실(3)에 설비된 보트 엘리베이터(26)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(26)는 모터 구동의 이송 나사축 장치 및 벨로우즈 등에 의해 구성되어 있고, 보트 엘리베이터(26)의 모터(27)는 구동 컨트롤러(28)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 시일 캡(25)의 중심선 상에는 회전축(30)이 배치되어 회전 가능하게 지지되어 있고, 회전축(30)은 구동 컨트롤러(28)에 의해 제어되는 모터로서의 회전 기구(29)에 의해 회전 구동되도록 구성되어 있다. 회전축(30)의 상단에는 보트(31)가 수직으로 지지되어 있다.
보트(31)는 상하 한 쌍의 단부판(32, 33)과, 이들 사이에 수직으로 가설된 3개의 보유 지지 부재(34)를 구비하고 있고, 3개의 보유 지지 부재(34)에는 다수의 보유 지지 홈(35)이 길이 방향으로 등간격으로 새겨져 있다. 3개의 보유 지지 부재(34)에 있어서 동일한 단에 새겨진 보유 지지 홈(35, 35, 35)끼리는, 서로 대향해서 개구되도록 되어 있다. 보트(31)는 3개의 보유 지지 부재(34)의 동일단의 보유 지지 홈(35) 사이에 웨이퍼(1)가 삽입됨으로써, 복수매의 웨이퍼(1)를 수평이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태로 정렬시켜 보유 지지하도록 되어 있다. 보트(31)와 회전축(30)의 사이에는 단열 캡부(36)가 배치되어 있다. 회전축(30)은 보트(31)를 시일 캡(25)의 상면으로부터 들어 올린 상태로 지지함으로써, 보트(31)의 하단을 노구(15)의 위치로부터 적당한 거리만큼 이격하도록 구성되어 있다. 단열 캡부(36)는 노구(15)의 근방을 단열하도록 되어 있다.
프로세스 튜브(11)의 외측에는, 가열 장치로서의 히터 유닛(40)이 동심원에 배치되어, 하우징(2)에 지지된 상태로 설치되어 있다. 가열 장치(40)는 케이스(41)를 구비하고 있다. 케이스(41)는 스테인리스강(SUS)이 사용되어 상단 폐색이고 하단 개구의 통 형상, 바람직하게는 원통 형상으로 형성되어 있다. 케이스(41)의 내경 및 전체 길이는 아우터 튜브(12)의 외경 및 전체 길이보다도 크게 설정되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 가열 장치(40)의 상단측이 하단측에 걸쳐서, 복수의 가열 영역(가열 제어 존)으로서, ７개의 제어 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)으로 분할되어 있다.
케이스(41) 내에는 본 발명의 일 실시 형태인 단열 구조체(42)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에 관한 단열 구조체(42)는, 통 형상, 바람직하게는 원통 형상으로 형성되어 있고, 그 원통체의 측벽부(43)가 복수층 구조로 형성되어 있다. 즉, 단열 구조체(42)는 측벽부(43) 중 외측에 배치된 측벽 외층(45)과, 측벽부 중 내측에 배치된 측벽 내층(44)을 구비하고, 측벽 외층(45)과 측벽 내층(44)의 사이에는, 상기 측벽부(43)를 상하 방향에서 복수의 존(영역)으로 격리하는 구획부(105)와, 해당 구획부(105)와 인접하는 구획부(105)의 사이에 설치되는 버퍼부로서의 환형 버퍼(106)를 구비한다.
또한, 버퍼부(106)는, 그 길이에 따라서 슬릿으로서의 구획부(106a)에 의해 복수로 분할되도록 구성되어 있다. 즉, 존의 길이에 따라서 버퍼부(106)를 복수로 분할하는 구획부(106a)가 설치된다. 본 명세서에서는, 구획부(105)를 제1 구획부(105), 구획부(106a)를 제2 구획부(106a)라고도 한다. 또한, 구획부(105)를 복수의 냉각 존으로 격리하는 격리부라고 해도 된다. 상술한 제어 존(CU, C, CL, L1, L2)과 버퍼부(106)가 각각 대향하도록 설치되어, 각 제어 존의 높이와 버퍼부(106)의 높이가 대략 동일한 구성으로 되어 있다. 한편, 그 위의 제어 존(U1, U2)의 높이와 이들 제어 존에 대향하는 버퍼부(106)의 높이가 상이하게 구성되어 있다. 구체적으로는, 제어 존(U1, U2)에 대향하는 버퍼부(106)의 높이가 각각의 존 높이에 비해 낮게 구성되어 있으므로, 각각의 제어 존에 냉각 에어(90)를 효율적으로 공급할 수 있다. 이에 의해, 제어 존(U1, U2)에 공급되는 냉각 에어(90)와 다른 제어 존에 공급되는 냉각 에어(90)를 동등하게 할 수 있어, 제어 존(U1, U2)에서도 제어 존(CU, C, CL, L1, L2)과 동등한 온도 제어를 행할 수 있다.
특히, 배기 덕트(82)측의 내측 공간(75)을 가열하는 제어 존(U1)에 대향하는 버퍼부(106)의 높이가 각각의 존 높이의 1/2보다 낮게 구성되어 있으므로, 제어 존(U1)에 냉각 에어(90)를 효율적으로 공급할 수 있다. 이에 의해, 가장 배기측에 가까운 제어 존(U1)에서도 다른 제어 존과 동등한 온도 제어를 행할 수 있다.
또한, 가장 상부에 배치되어 있는 구획부(105)는, 보트(31)의 기판 처리 영역보다 높고 프로세스 튜브(11)의 높이보다 낮은 위치(이너 튜브(13)의 높이와 대략 동일한 위치)이며, 2번째로 상부에 배치되어 있는 구획부(105)는, 보트(31)의 상단부에 적재된 웨이퍼(1)와 대략 동일한 높이 위치이기 때문에, 프로세스 튜브(11)의 배기측(웨이퍼(1)가 적재되지 않는 부분)에 냉각 에어(90)를 효율적으로 닿게 할 수 있어, 보트(31)의 기판 처리 영역에 상당하는 프로세스 튜브(11)와 마찬가지로 냉각할 수 있다. 결과로서, 프로세스 튜브(11) 전체를 균등하게 냉각할 수 있는 구성으로 되어 있다.
또한, 각 존에 역확산 방지부로서의 체크 댐퍼(104)가 설치되어 있다. 그리고, 이 역확산 방지체(104a)의 개폐에 의해 냉각 에어(90)가 가스 도입로(107)를 통해서 버퍼부(106)에 공급되도록 구성되어 있다. 그리고, 버퍼부(106)에 공급된 냉각 에어(90)는, 도 2에서는 도시하지 않은 측벽 내층(44) 내에 설치된 가스 공급 유로(108)를 흘러, 해당 가스 공급 유로(108)를 포함하는 공급 경로의 일부인 개구부로서의 개구 구멍(110)으로부터 냉각 에어(90)를 내부 공간(75)에 공급하도록 구성되어 있다.
또한, 도시하지 않은 가스원으로부터 냉각 에어(90)가 공급되지 않을 때는, 이 역확산 방지체(104a)가 덮개가 되어, 내부 공간(75)의 분위기가 역류하지 않도록 구성되어 있다. 이 역확산 방지체(104a)가 개방되는 압력을 존에 따라서 변경하도록 구성해도 된다. 또한, 측벽 외층(45)의 외주면과 케이스(41)의 내주면의 사이는, 금속의 열팽창을 흡수하도록 블랭킷으로서의 단열 천(111)이 설치되어 있다.
그리고, 버퍼부(106)에 공급된 냉각 에어(90)는, 도 2에서는 도시하지 않은 측벽 내층(44) 내에 설치된 가스 공급 유로(108)를 흘러, 개구 구멍(110)로부터 냉각 에어(90)를 내부 공간(75)에 공급하도록 구성되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 단열 구조체(42)의 측벽부(43)의 상단측에는 천장부로서의 천장벽부(80)가 내측 공간(75)을 폐쇄하도록 덮여 있다. 천장벽부(80)에는 내측 공간(75)의 분위기를 배기하는 배기 경로의 일부로서의 배기구(81)가 환형으로 형성되어 있고, 배기구(81)의 상류측단인 하단은 내측 공간(75)과 통하고 있다. 배기구(81)의 하류측단은 배기 덕트(82)에 접속되어 있다.
이어서, 기판 처리 장치(10)의 동작에 대해서 설명한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 미리 지정된 매수의 웨이퍼(1)가 보트(31)에 장전되면, 웨이퍼(1)군을 보유 지지한 보트(31)는 시일 캡(25)이 보트 엘리베이터(26)에 의해 상승됨으로써, 이너 튜브(13)의 처리실(14)에 반입(보트 로딩)되어 간다. 상한에 달한 시일 캡(25)은 매니폴드(16)에 압접됨으로써, 프로세스 튜브(11)의 내부를 시일한 상태가 된다. 보트(31)는 시일 캡(25)에 지지된 그대로의 상태로 처리실(14)에 존치된다.
계속해서, 프로세스 튜브(11)의 내부가 배기관(18)에 의해 배기된다. 또한, 온도 컨트롤러(64)가 시퀀스 제어함으로써 측벽 발열체(56)에 의해 프로세스 튜브(11)의 내부가 목표 온도로 가열된다. 프로세스 튜브(11)의 내부의 실제 상승 온도와, 온도 컨트롤러(64)의 시퀀스 제어의 목표 온도의 오차는, 열전쌍(65)의 계측 결과에 기초하는 피드백 제어에 의해 보정된다. 또한, 보트(31)가 모터(29)에 의해 회전된다.
프로세스 튜브(11)의 내압 및 온도, 보트(31)의 회전이 전체적으로 일정한 안정된 상태가 되면, 프로세스 튜브(11)의 처리실(14)에는 원료 가스가 가스 공급 장치(23)에 의해 가스 도입관(22)으로부터 도입된다. 가스 도입관(22)에 의해 도입된 원료 가스는, 이너 튜브(13)의 처리실(14)을 유통해서 배기로(17)를 통해 배기관(18)에 의해 배기된다. 처리실(14)을 유통할 때, 원료 가스가 소정의 처리 온도로 가열된 웨이퍼(1)에 접촉함으로 인한 열 CVD 반응에 의해, 웨이퍼(1)에 소정의 막이 형성된다.
소정의 처리 시간이 경과하면, 처리 가스의 도입이 정지된 후에, 질소 가스 등의 퍼지 가스가 프로세스 튜브(11)의 내부에 가스 도입관(22)으로부터 도입된다. 동시에, 냉각 가스로서의 냉각 에어(90)가 흡기관(101)으로부터 역확산 방지체(104a)를 통해서 가스 도입로(107)에 공급된다. 공급된 냉각 에어(90)는 버퍼부(106) 내에서 일시적으로 저류되고, 복수개의 개구 구멍(110)으로부터 가스 공급 유로(108)를 통해서 내측 공간(75)에 분출된다. 개구 구멍(110)으로부터 내측 공간(75)에 분출된 냉각 에어(90)는, 배기구(81) 및 배기 덕트(82)에 의해 배기된다.
냉각 에어(90)의 흐름에 의해, 히터 유닛(40) 전체가 강제적으로 냉각되기 때문에, 단열 구조체(42)는 프로세스 튜브(11)와 함께 급속하게 냉각되게 된다. 또한, 내측 공간(75)은 처리실(14)로부터 격리되어 있기 때문에, 냉각 가스로서 냉각 에어(90)를 사용할 수 있다. 그러나, 냉각 효과를 보다 한층 높이기 위해서나, 에어 내의 불순물에 의한 고온 하에서의 측벽 발열체(56)의 부식을 방지하기 위해서, 질소 가스 등의 불활성 가스를 냉각 가스로서 사용해도 된다.
처리실(14)의 온도가 소정의 온도로 하강하면, 시일 캡(25)에 지지된 보트(31)는 보트 엘리베이터(26)에 의해 하강됨으로써, 처리실(14)로부터 반출(보트 언로딩)된다.
이후, 상기 작용이 반복됨으로써, 기판 처리 장치(10)에 의해 웨이퍼(1)에 대한 성막 처리가 실시되어 간다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 제어부로서의 제어용 컴퓨터(200)는, CPU(Central Precessing Unit)(201) 및 메모리(202) 등을 포함하는 컴퓨터 본체(203)와, 통신부로서의 통신 IF(Interface)(204)와, 기억부로서의 기억 장치(205)와, 조작부로서의 표시·입력 장치(206)를 갖는다. 즉, 제어용 컴퓨터(200)는 일반적인 컴퓨터로서의 구성 부분을 포함하고 있다.
CPU(201)는, 조작부의 중추를 구성하고, 기억 장치(205)에 기억된 제어 프로그램을 실행하고, 조작부(206)로부터의 지시에 따라, 기억 장치(205)에 기록되어 있는 레시피(예를 들어, 프로세스용 레시피)를 실행한다. 또한, 프로세스용 레시피는, 도 3에 도시하는 후술하는 스텝 S1부터 스텝 S6까지의 온도 제어를 포함하는 것은 물론이다.
또한, CPU(201)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체(207)로서, ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 등이 사용된다. 여기서, RAM(Random Access Memory)은 CPU의 워크 에어리어 등으로서 기능한다.
통신 IF(204)는, 압력 컨트롤러(21), 가스 유량 컨트롤러(24), 구동 컨트롤러(28), 온도 컨트롤러(64)(이들을 통합해서 서브컨트롤러라고도 함)와 전기적으로 접속되어, 각 부품의 동작에 관한 데이터를 주고받을 수 있다. 또한, 후술하는 밸브 제어부(300)와도 전기적으로 접속되어, 멀티 쿨링 유닛을 제어하기 위한 데이터의 교환을 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 제어용 컴퓨터(200)를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정하지 않고, 통상의 컴퓨터 시스템을 사용해서 실현 가능하다. 예를 들어, 범용 컴퓨터에, 상술한 처리를 실행하기 위한 프로그램을 저장한 CDROM, USB 등의 기록 매체(207)로부터 당해 프로그램을 인스톨함으로써, 상술한 처리를 실행할 수도 있다. 또한, 통신 회선, 통신 네트워크, 통신 시스템 등을 각각 포함하는 통신 IF(204)를 사용해도 된다. 이 경우, 예를 들어 통신 네트워크의 게시판에 당해 프로그램을 게시하고, 네트워크를 통해서 반송파에 중첩해서 제공해도 된다. 그리고, 이렇게 제공된 프로그램을 기동하여, OS(Operating System)의 제어 하에서, 다른 애플리케이션 프로그램과 마찬가지로 실행함으로써, 상술한 처리를 실행할 수 있다.
이어서, 도 3 및 도 4를 사용해서 기판 처리 장치(10)에서 행하여지는 성막 처리의 일례에 대해서 설명한다. 도 4에 기재되어 있는 부호 S1 내지 S6은, 도 3의 각 스텝 S1 내지 S6이 행하여지는 것을 나타내고 있다.
스텝 S1은, 로내의 온도를 비교적 낮은 온도 T0으로 안정시키는 처리이다. 스텝 S1에서는, 기판(1)은 아직 로내에 삽입되어 있지 않다.
스텝 S2는, 보트(31)에 보유 지지된 기판(1)을 로내에 삽입하는 처리이다. 기판(1)의 온도는, 이 시점에서 로내의 온도 T0보다 낮으므로, 기판(1)을 로내에 삽입한 결과, 로내의 온도는 일시적으로 T0보다 낮아지지만, 후술하는 온도 제어 장치(74) 등에 의해 로내의 온도는 약간의 시간을 거쳐서 다시 온도 T0으로 안정된다. 예를 들어, 온도 T0이 실온인 경우, 본 스텝은 생략되어도 되며, 필수 공정은 아니다.
스텝 S3은, 온도 T0부터 기판(1)에 성막 처리를 실시하기 위한 목표 온도 T1까지, 히터 유닛(40)에 의해 로내의 온도를 상승시키는 처리이다.
스텝 S4는, 기판(1)에 성막 처리를 실시하기 위해서 로내의 온도를 목표 온도 T1로 유지해서 안정시키는 처리이다.
스텝 S5는, 성막 처리 종료 후에 후술하는 쿨링 유닛(280) 및 히터 유닛(40)에 의해 온도 T1부터 다시 비교적 낮은 온도 T0까지 서서히 로내의 온도를 하강시키는 처리이다. 또한, 히터 유닛(40)을 오프로 하면서 쿨링 유닛(280)에 의해 처리 온도 T1부터 온도 T0까지 급속하게 냉각할 수도 있다.
스텝 S6은, 성막 처리가 실시된 기판(1)을 보트(31)와 함께 로내로부터 꺼내는 처리이다.
성막 처리를 실시해야 할 미처리의 기판(1)이 남아있는 경우에는, 보트(31) 상의 처리가 끝난 기판(1)이 미처리의 기판(1)과 교체되어, 이들 스텝 S1 내지 S6의 일련의 처리가 반복된다.
스텝 S1 내지 S6의 처리는, 모두 목표 온도에 대하여, 로내 온도가 미리 정해진 미소 온도 범위에 있고, 또한 미리 정해진 시간만큼 그 상태가 계속되는 안정 상태를 얻은 후, 다음 스텝으로 진행하도록 되어 있다. 또는, 최근에는, 일정 시간에서의 기판(1)의 성막 처리 매수를 크게 할 것을 목적으로, 스텝 S1, S2, S5, S6 등에서는 안정 상태를 얻지 않고 다음 스텝으로 이행하는 것도 행하여지고 있다.
도 5는 본 실시 형태에서의 멀티 쿨링 유닛으로서의 쿨링 유닛(냉각 장치)(100)을 설명하기 위한 도시 예이다. 또한, 아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)를 생략하고 프로세스 튜브(11)로 하나의 구성으로 나타내고, 가열 장치(40)에 관한 구성은 생략되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 냉각 장치(100)는, 상하 방향으로 복수의 냉각 존을 구비한 단열 구조체(42)와, 해당 냉각 존마다, 프로세스 튜브(11) 내를 냉각하는 냉각 가스로서의 냉각 에어(90)를 공급하는 흡기관(101)과, 흡기관(101)에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 컨덕턴스 밸브로서의 제어 밸브(102)와, 흡기관(101)에 설치되어, 단열 구조체(42)측으로부터의 분위기의 역확산을 방지하는 체크 댐퍼(104)를 구비하고 있다. 또한, 공간(75)으로부터의 분위기를 배기하는 배기구(81)와 배기 덕트(82)를 포함하는 천장벽부(80)를 냉각 장치(100)의 구성으로 해도 된다.
냉각 장치(100)는, 복수의 냉각 존마다 프로세스 튜브(11)를 냉각하는 냉각 에어(90)를 공급하는 흡기관(101)과, 흡기관(101)에 설치되는 제어 밸브(102)와, 냉각 존마다 설치된 흡기관(101)과 연통되어, 흡기관(101)으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부(106)와, 해당 버퍼부(106)에 저류되는 냉각 에어(90)를 측벽 내층(44)에 설치되는 가스 공급 유로(108)를 통해서, 프로세스 튜브(11)를 향해서 가스를 분출하는 복수의 개구 구멍(110)을 적어도 구비하고 있고, 각 냉각 존 내의 각 개구 구멍(110)으로부터 분출되는 냉각 에어(90)의 유량 및 유속을 균등하게 유지하도록 구성되어 있다.
또한, 흡기관(101)의 냉각 존간의 단면적(또는 관 직경)은, 각 냉각 존의 높이 방향의 길이의 비율에 따라서 결정되어 있다. 이에 의해, 각 냉각 존간에서의 분사 풍량의 균일화를 도모하도록 하고 있다. 또한, 흡기관(101)의 단면적은, 개구 구멍(110)의 단면적의 합계보다도 커지도록 구성되어 있다. 마찬가지로, 버퍼부(106)의 유로 단면적은, 개구 구멍(110)의 단면적의 합계보다도 커지도록 구성되어 있다. 또한, 도 5에서는, 냉각 존간의 높이 방향의 길이는 대략 동일하기 때문에, 각 냉각 존과 동일한 사이즈의 흡기관(101), 제어 밸브(102), 체크 댐퍼(104)가 설치된다.
또한, 개구 구멍(110)은, 각 냉각 존 내에서 둘레 방향 및 상하 방향으로 동일한 간격으로 형성되어 있기 때문에, 냉각 장치(100)는, 버퍼부(106)에 저류되는 냉각 에어(90)를 공간(75)에 가스 공급 유로(108)를 통해서 균등하게 분출시킬 수 있다. 또한, 각 냉각 존간의 높이 방향의 길이 비율에 따라서 흡기관(101)에 도입되는 냉각 에어(90)의 유량을 조정하고, 제어 밸브(102)를 개폐시킴으로써, 개구 구멍(110)으로부터 프로세스 튜브(11)를 향해서 분출되는 가스의 유량 및 유속을 동일하게 할 수 있다.
따라서, 보트(31)에 적재되는 제품 기판이 있는 영역의 최상단과 대략 동일한 높이부터 제품 기판이 있는 영역의 최하단까지의 각 냉각 존에 대향하는 프로세스 튜브(11)가 균등하게 냉각 에어(90)에 의해 냉각된다. 즉, 냉각 장치(100)는, 냉각 존 내, 냉각 존간을 균등하게 냉각할 수 있다.
또한, 이 체크 댐퍼(104)는, 공간(75)의 분위기가 상측의 배기구(81)로부터 배기되기 때문에, 버퍼부(106)에 냉각 에어(90)를 효율적으로 저류하도록 각 냉각 존에 설치된 버퍼부(106)의 중앙에 연통되도록 구성되어 있다. 또한, 체크 댐퍼(104)는 버퍼부(106)의 하측에 연통되도록 구성해도 된다.
또한, 흡기관(101)에는, 개구 구멍(110)으로부터 분출되는 냉각 에어(90)의 유량을 억제하는 오리피스로서의 조임부(103)가 설치되도록 구성되어 있다. 단, 이 조임부(103)는, 필요에 따라 냉각 존별로 설치된다.
예를 들어, 존별 높이 방향의 길이가 상이하고, 각 냉각 존에 도입되는 냉각 에어(90)의 유량 등이 상이한 경우, 각 냉각 존에 도입되는 냉각 에어(90)는 동일하지만, 소정의 냉각 존의 냉각 능력을 억제하기 위해 조임부(103)를 설치하여, 냉각 에어(90)의 유량 및 유속을 조정하는 경우에 설치하도록 구성되어 있다.
또한, 밸브 제어부(300)가, 제어부(200)로부터의 설정값에 기초하여, 온도 컨트롤러(64)나 열전쌍(65)으로부터의 데이터에 기초하여, 제어 밸브(102)의 개방도를 조정 가능하게 구성되어 있다. 이에 의해, 제어 밸브(102)의 개방도에 따라 각 냉각 존의 냉각 능력을 조정할 수 있으므로, 급냉 시에 있어서의 고객 시설 배기 능력의 변동 또는 부품 단체의 편차, 장치에 대한 설치 상태에 따라 발생하는 장치간 기기차를 저감할 수 있다.
복수의 가열 영역으로서의 제어 존(본 실시 형태에서는, U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)을 갖는 가열 장치(40)에 사용되는 단열 구조체(42)는, 원통 형상으로 형성된 측벽부(43)를 갖고, 해당 측벽부(43)가 복수층 구조로 형성되어 있고, 측벽부(43)를 상하 방향에서 복수의 냉각 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)으로 격리하는 구획부(105)와, 측벽 내층(44)과 측벽 외층(45)의 사이의 원통형의 공간이며, 상하 방향에서 인접하는 구획부(105) 사이의 공간으로 구성된 환형 버퍼로서의 버퍼부(106)와, 존마다 측벽부(43)의 복수층 중 외측에 배치된 측벽 외층(45)에 설치되어, 버퍼부(106)와 연통하는 가스 도입로(107)와, 냉각 존마다 측벽부(43)의 복수층 중 내측에 배치된 측벽 내층(44)에 설치되어, 버퍼부(106)와 연통하는 가스 공급 유로(108)와, 측벽 내층(44)의 내측에 설치되는 공간(75)과, 냉각 존마다 가스 공급 유로(108)로부터 공간(75)에 냉각 에어(90)를 분출하도록, 측벽 내층(44)의 둘레 방향 및 상하 방향으로 동일한 간격으로 형성되는 개구 구멍(110)을 구비한 구성이다.
도 6은, 도 5에 도시하는 단열 구조체(42)와 체크 댐퍼(104)의 접속 상태의 확대도이다. 여기에서는, 도 5에 도시하는 CL존을 확대한 도이다. 또한, 측벽 내층(44)에 설치된 가스 공급 유로(108) 및 개구 구멍(110)은 생략되어 있다.
측벽 외층(45)과 측벽 내층(44)의 사이에 구획부(105)가 설치되고, 이 구획부(105)끼리의 공간에 버퍼부(106)가 설치된다. 그리고, 이 버퍼부(106)는, 구획부(106a)에 의해 상측의 영역과 하측의 영역으로 분할되도록 구성되어 있다. 이 구획부(106a)가 설치되기 때문에, 버퍼부(106) 내에서 발생하고 있던 대류의 발생을 억제할 수 있다. 이것은 도시하지 않은 측벽 발열체(56)와 수냉 재킷의 온도 차에 의해 단열 구조체(42), 요컨대 버퍼부(106) 내에서 대류가 발생하고 있었다. 특히, 급냉 기능을 미사용 시에 온도 차는 냉각 존의 상하에서 약 1℃ 정도 있었다. 또한, 도 6에 도시하는 제3 구획부로서의 구획부(106b)는, 가스 도입로(107)와 버퍼부(106)를 연통하는 도입구로서의 흡기부(113)를 2개로 구획하는 것이다. 이 구획부(106b) 및 흡기부(113)의 상세는 후술한다.
가스 도입로(107)를 통해서 체크 댐퍼(104)가 설치되어 있다. 체크 댐퍼(104) 및 역확산 방지체(104a)의 재질은, SUS이기 때문에, 히터 유닛(40)에 사용되는 단열재에 접속되므로, 열 내성을 고려해서 구성되어 있다. 또한, 케이스(41)와 측벽 외층(45)의 사이에는 열팽창을 흡수하기 위한 단열 천(111)이 설치되어 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 역확산 방지체(104a)가 개방된 상태에서, 냉각 에어(90)가 버퍼부(106)에 일단 저류되고, 도시하지 않은 가스 공급 유로(108)를 통해서 공간(75)에 공급된다. 한편, 냉각 에어(90) 미사용 시는, 역확산 방지체(104a)가 폐쇄되어, 도시하지 않은 흡기관(101)과 단열 구조체(42)의 사이의 대류를 방지하고 있다.
또한, 개구 구멍(110)은, 가스 도입로(107)와 대향하는 위치를 피하도록 형성되어 있어, 가스 도입로(107)로부터 공급된 냉각 에어(90)가 버퍼부(106)를 통해서 개구 구멍(110)으로부터 공간(75) 내에 직접 도입되지 않고, 가스 도입로(107)로부터 공급된 냉각 에어(90)는 버퍼부(106)에 일시적으로 저류되도록 구성되어 있다.
이에 의해, 가스 도입로(107)에 도입된 냉각 에어(90)를 버퍼부(106)에서 일시적으로 저류하여, 각 개구 구멍(110)에 걸리는 가스 공급 압력이 동일해지도록 구성되어 있다. 따라서, 버퍼부(106)에 형성된 각 개구 구멍(110)으로부터 동일한 유량 및 동일한 유속의 냉각 에어(90)가 분출되도록 구성되어 있다.
또한, 각 존에서의 2개의 흡기부(113)의 유로 단면적 및 버퍼부(106)의 유로 단면적을 개구 구멍(110)의 유로 단면적의 합계보다도 크게 하고 있다. 이에 의해, 역확산 방지체(104a)를 개방해서 도입된 냉각 에어(90)가 흡기부(113)를 통해서 공급되므로 버퍼부(106)에서 저류되기 쉬워, 개구 구멍(110)으로부터 냉각 에어(90)가 동일한 유량 및 동일한 유속으로 공급되도록 구성되어 있다.
도 7은 측벽 내층(44)의 전개도이다. 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 구획부(105)에 의해 복수의 냉각 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)으로 격리되고 있고, 개구 구멍(110)은, 상하 방향(높이 방향)과 가로 방향(둘레 방향)으로 적당한 위치에 배치되어 있다. 개구 구멍(110)은 각 존에 대하여 상하 방향으로 복수단 배치되고, 가로 방향으로는, 복수개 배치되어 있다. 구체적으로는, 각 존의 상하 방향의 길이에 따라, 버퍼부(106)에 형성되는 개구 구멍(110)의 열의 수가 결정되면서, 개구 구멍(110)은, 각 열에 있어서 둘레 방향으로 대략 균등하게 형성되어 있다. 또한, 각 존은 둘레 방향으로 복수 에어리어(A, B, C, … W, X)가 구성되고, 어떤 하나의 존 내에서, 각 에어리어 내에서는 높이 방향으로 지그재그로 배치되어 있다. 또한, 개구 구멍(110)은, 전체 존 내에서 상하 방향과 가로 방향으로 동일한 간격으로 대략 균등하게 배치되어 있다.
각 냉각 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)의 둘레 방향으로는, 각각 12개의 개구 구멍(110)이 배치되어 있다. U1존, U2존, L2존은, 각각 높이 방향으로 개구 구멍(110)이 2열 형성되고, CU존, C존, CL존, L1존은, 각각 높이 방향으로 개구 구멍(110)이 4열 형성되어 있다. 따라서, U1존, U2존, L2존은, 개구 구멍(110)이 각각 24개 형성되고, CU존, C존, CL존, L1존은, 각각 개구 구멍(110)이 48개 형성되고, 이에 의해, 각 존에 각각 U1존(U2, L2존)과 C존과 나머지 각 존의 각각에 공급하는 흡기관(101)에 도입되는 유량비가 각각 U1존(U2, L2존):C존(CU, CL, L1존)=1:2=개구 구멍(110)이 24개:개구 구멍(110)이 48개)로 결정되어 있다.
또한, 개구 구멍(110)은, 가스 도입로(107)와 버퍼부(106)의 경계에 설치되는 흡기부(113)가 설치되어 있는 위치를 피하도록 각각 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 흡기부(113)에 대향하고 있지 않는 위치라면, 개구 구멍(110)을 형성할 수가 있다. 또한, 개구 구멍(110)으로부터 분출된 냉각 에어(90)가 측벽 발열체(56)를 피해서 분출되도록 배치되어 있다. 열전쌍(65)은 개구 구멍(110)으로부터 분출된 냉각 에어(90)가 직접 닿는 것을 피할 뿐만 아니라, 냉각 에어(90)의 영향을 받지 않도록 바람막이용 블록(112)에 덮여 있다. 또한, 도 7에서는 개구 구멍(110)의 크기가 상이하지만 모식적인 도면이며, 각 개구 구멍(110)의 개구 단면적은, 대략 동일한 사이즈로 형성되어 있다.
도 7의 좌측에 도시되는 제어 존(본 실시 형태에서는, U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)과 도 7의 우측에 도시되는 냉각 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)은 동일한 수이며, 각각 CU존, C존, CL존, L1존, L2존까지는 동일한 유로 단면적을 갖는다. 바꾸어 말하면, 각각의 CU존, C존, CL존, L1존, L2존은, 상하의 구획부(105) 사이에 둘러싸인 영역과 일치하고 있다. 그러나, U1존과 U2존의 유로 단면적은 제어 존이 더 크게 구성되어 있다. 이에 의해, 복수의 냉각 존 중 상측의 영역(U1존과 U2존)은, 복수의 제어 존 중 상측의 제어 존(U1존과 U2존)보다도 상하 방향의 길이가 짧게 구성된다. 바꾸어 말하면, 상하의 구획부(105) 사이에 둘러싸인 영역과 일치하는 냉각 존(U1존과 U2존)은, 제어 존(U1존과 U2존)보다 하측으로 어긋난 구성으로 되어 있다. 이 제어 존의 상측 영역(U1존과 U2존)과 냉각 존의 상측 영역(U1존과 U2존)의 배치 위치에 대한 상세는 후술한다. 또한, 냉각 존의 U1존과 U2존은 L2존과 동일한 유로 단면적으로 되어 있다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, U1존과 U2존과 L2존의 유로 단면적이 작고, 이들 이외의 냉각 존(예를 들어 C존)의 유로 단면적이 크게 구성되어 있다. C존에 있어서, 버퍼부(106)를 상측의 영역과 하측의 영역으로 분할하는 구획부(106a)가 설치되어 있다. 상측과 하측으로 각각 분할된 영역은, 예를 들어 U1존(U2존과 L2존)과 동일한 유로 단면적이 되도록 구성되어 있다. 또한, C존과 마찬가지로 유로 단면적이 큰 CU존, CL존, L1존 각각의 존에 대해서도 마찬가지로 구획부(106a)에 의해 상하의 영역으로 분할되어 있다. 이와 같이, 구획부(106a)에 의해, 냉각 존 모두에 설치되는 영역이 대략 동일한 유로 단면적으로 되기 때문에, 냉각 존의 높이 방향의 길이에 비례한 냉각 에어(90)를 흡기관(101)에 공급함으로써, 가스 도입로(107)를 지난 냉각 에어(90)를 흡기부(113)로부터 각 버퍼부(106) 내에 골고루 퍼지게 할 수 있다.
또한, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 단열 구조체(42)에 대한 냉각 에어(90)의 도입구인 흡기부(113)는 직사각형의 형상을 하고 있다. 이 흡기부(113)는 구획부(106b)로 2개의 에어리어로 분할되어 있고, 구획부(106b)에 의해 분할된 2개의 에어리어의 높이는 각각 114mm이다. 또한, 이 높이는, U1존과 U2존과 L2존의 버퍼부(106)의 높이와 대략 동일하다. 따라서, U1존과 U2존과 L2존에 냉각 에어(90)를 흡기관(101)에 공급함으로써, 버퍼부(106) 내에 설치되는 구획부(106b)에 의해, 흡기관(101)으로부터 버퍼부(106)에 공급되는 가스의 방향이 균일하게 결정되므로, 흡기부(113)로부터 도입되는 냉각 에어(90)를 각 버퍼부(106) 내에 골고루 퍼지게 할 수 있다.
2개의 흡기부(113)로 분할하기 위해서 구획부(106b)가 각 냉각 존에 설치되어 있고, 특히, U1존과 U2존과 L2존에서는, 구획부(106b)에 의해 냉각 에어(90)의 흐름 방향이 둘레 방향으로 결정된다. 이에 의해, 버퍼부(106) 내에 설치되는 구획부(106b)에 의해, 가스 도입로(107)를 지난 가스를 버퍼부(106) 내에서 둘레 방향으로 효율적으로 골고루 퍼지게 할 수 있다. 또한, 이 효과를 증가시키기 위해서, 흡기부(113)에 대하여 흡기관(101)을 경사지게 해서 접속하도록 해도 된다.
이와 같이, 개구 구멍(110)이 각 냉각 존에 따라서 배치되고, 버퍼부(106) 내에 구획부(106a) 및/또는 구획부(106b)를 설치하고 있으므로, 냉각 존의 높이 방향의 길이에 비례한 냉각 에어(90)를 흡기관(101)에 공급함으로써, 각 냉각 존 내에서 개구 구멍(110)으로부터 동일한 유량 및 동일한 유속의 냉각 에어(90)를 프로세스 튜브(11)를 향해서 공급할 수 있다. 또한, 각 냉각 존간에서도 개구 구멍(110)으로부터 동일한 냉각 에어(90)의 유량 및 유속을 공급하도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 각 냉각 존에 대향하는 위치에 설치되는 프로세스 튜브(11)를 효율적으로 냉각할 수 있어, 예를 들어 급냉 시(예를 들어, 상술한 강온 스텝 S5)에 존 내 및 존간에서 온도 편차를 작게 할 수 있다.
따라서, 결정된 유량의 냉각 에어(90)가 각 냉각 존의 흡기관(101)에 도입되면, 역확산 방지체(104a)를 개방해서 도입된 냉각 에어(90)가, 흡기부(113)을 통해서 버퍼부(106)에 저류된다. 특히, 본 실시 형태에 의하면, 냉각 존에 따라서 버퍼부(106) 내에 구획부(106a, 106b)를 적절히 설치하여, 냉각 에어(90)가 버퍼부(106) 내에 효율적으로 골고루 퍼짐으로써, 각 개구 구멍(110)에 걸리는 공급 압력이 동일해지도록 구성되어 있다. 따라서, 가스 공급 유로(108)을 통해서 개구 구멍(110)으로부터 전체 존 내, 전체 존간에서 동일한 유량 및 유속의 냉각 에어(90)를 공급할 수 있으므로, 프로세스 튜브(11)를 균등하게 냉각할 수 있다. 또한, 냉각 에어(90)의 유량은, 제어 밸브(102)의 조정 가능한 범위의 유량이 바람직하다. 이에 의해, 치밀하게 각 존에 도입되는 냉각 에어(90)의 유량을 제어할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 가스 공급 유로(108)를 통해서 개구 구멍(110)으로부터 전체 존 내, 전체 존간에서 동일한 유량 및 유속의 냉각 에어(90)를 공급할 수 있으므로, 프로세스 튜브(11)를 균등하게 냉각할 수 있다. 또한, 냉각 에어(90)의 유량은, 제어 밸브(102)의 조정 가능한 범위의 유량이 바람직하다. 이에 의해, 치밀하게 각 존에 도입되는 냉각 에어(90)의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 개구 구멍(110)은, 가스 도입로(107)와 대향하는 위치를 피하도록 형성되어, 개구 구멍(110)으로부터 분출된 냉각 에어(90)가 측벽 발열체(56)를 피하도록 배치되어 있는 것은 물론이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제어 존의 수와 냉각 존의 수가 일치하도록 구획부(105)가 배치되게 구성되어 있다. 이에 의해, 제어 존의 수와 냉각 존의 수를 동일하게 함으로써 가열과 냉각의 연속적인 제어가 가능하게 되고, 특히, 제어 존(U1, U2)에 대한 냉각 존(U1, U2)의 배치 위치를 연구하여, 승강온 시의 온도 리커버리 시간의 단축을 도모할 수 있다. 단, 이 형태에 한정되지 않고, 제어 존의 수와 존의 수가 임의로 설정되는 것을 부정하는 것은 아니다.
본 실시 형태에서는, 제어 존(U1, U2)에 대향하는 냉각 존(U1, U2)의 높이가 각각의 존 높이에 비해 낮게 구성되어 있으므로, 각각의 제어 존에 냉각 에어(90)를 효율적으로 공급할 수 있다. 이에 의해, 제어 존(U1, U2)에 공급되는 냉각 에어(90)와 다른 제어 존에 공급되는 냉각 에어(90)를 동등하게 할 수 있어, 제어 존(U1, U2)에서도 제어 존(CU, C, CL, L1, L2)과 동등한 온도 제어를 행할 수 있다.
이렇게 본 실시 형태에서, 배기측에 가깝게 냉각 에어(90)를 효율적으로 공급하는 것이 어려운 제어 존(U1, U2)에 대향하는 냉각 존(U1, U2)을 하측으로 어긋나게 함으로써, 제어 존(U1, U2)에 대향하는 도시하지 않은 내측 공간(75)과 다른 제어 존에 대향하는 도시하지 않은 내측 공간(75)과 마찬가지의 온도 제어 특성을 유지할 수 있어, 존 간의 가열 및 냉각 제어의 응답성을 개선할 수 있다.
(실시예)
이어서, 도 8 내지 도 12 각각을 사용하여, 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛(100)을 검증한 일 실시예에 대해서 설명한다.
도 8은, 도 7에 도시하는 C존에서의 각각의 개구 구멍(110)으로부터 분출될 때의 냉각 에어(90)의 분사 풍속(유속)을 비교한 표를 나타낸다. 온도는 실온에서 C존의 흡기관(101)에 2.0m3/min의 냉각 에어(90)를 공급했을 때의 개구 구멍(110)의 유속을 측정한 결과이다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 각 개구 구멍(110)으로부터 분사되는 속도를 대략 동일하게 할 수 있다. 여기서, 도 7에 도시하는 바와 같이, a는 C존의 최상 영역, b는 C존의 위에서부터 2번째의 영역, c는 C존의 위에서부터 3번째의 영역, d는 C존의 위에서부터 4번째(최하)의 영역을 각각 나타낸다.
도 9는 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛의 가스 도입로(107)의 풍량을 측정한 결과이다. 각 존의 풍량은 존 높이에 비례한 풍량으로 되어 있다. 이때, 개구 구멍(110)의 1개당 풍량(평균 풍량)은 0.04 내지 0.05m3/min으로 되어 있고, 전체 존에서 각 개구 구멍(110)으로부터 분사되는 속도를 대략 동일하게 할 수 있다.
도 10은 가열 영향(온도 간섭 행렬 데이터)을 확인한 결과를 나타내는 것이다. 구체적으로는, 존마다 설정 온도(실시예에서는 600℃)를 5℃ 정도 증가시키고, 그때의 온도 영향 범위를 확인한 결과를 겹쳐서 표시한 것이며, 예를 들어 U1존의 파형이라면, 예를 들어 도면 중 U1+5로 표기하고 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, U1존 및 U2존의 가열 영향 범위는, 각각의 가열 존 분할 위치보다도 하측으로 어긋나 있다. 본 실시 형태에서, 이 U1존 및 U2존의 가열 영향 범위의 어긋남에 맞춰서, 냉각 존(U1, U2)이 배치되어 있으므로, U1존 및 U2존의 가열 존에 대향하는 프로세스 튜브(11)에 냉각 에어(90)를 공급할 수 있다.
또한, 냉각 장치(100)의 배기계는 상방에 설치되어 있기 때문에, 특히, U1존 및 U2존에서, 냉각 장치(100)에 의한 냉각 영향 범위는 가열 존 분할 위치보다도 상측으로 어긋나는 경향이 있기 때문에, 냉각 존(U1, U2)은 가열 존(U1, U2)보다도 하측으로 어긋나는 위치에 배치되어 있다. 예를 들어, 상술한 도 7에 도시하는 복수의 냉각 존은, 이러한, 가열 영향 범위 및 냉각 영향 범위의 어긋남을 고려해서 냉각 존 분할을 행하고 있고, 이에 의해, 냉각 에어(90)에 의한 냉각 효과를 향상시키고 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 냉각 장치(100)의 냉각 존은 제품 기판을 포함하는 각종 기판이 있는 영역(보트(31)의 기판 처리 영역)에 대향하는 위치에 개구 구멍(110)뿐만 아니라, 프로세스 튜브(11)의 상측(보트(31)의 기판 처리 영역의 상측)에 대향하는 위치에 개구 구멍(110)을 형성하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 프로세스 튜브(11) 전체에 공급되는 냉각 에어(90)의 유량 및 유속을 동등하게 할 수 있어, 결과적으로, 존 내 및 존간에서 온도 편차를 작게 할 수 있다.
도 11은 쿨링 유닛(100)을 사용하지 않을 때에 600℃로 안정시켰을 때의 각 존의 온도 분포를 비교한 것이다. 이에 의해, 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛(100)에 의하면, 웨이퍼간의 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 이하에 기재된 효과를 발휘한다.
(a) 본 실시 형태에 따르면, 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 해당 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 해당 버퍼부에 저류된 가스를 반응관을 향해서 분출하도록 설치되는 개구부를 구비하고, 존의 상하 방향의 길이 비율에 따라, 흡기관에 도입되는 가스의 유량을 설정함으로써, 제어 밸브를 개폐시켜 개구부로부터 반응관을 향해서 분출되는 가스의 유량 및 유속이 조정되도록 구성되어 있으므로, 반응관을 균등하게 냉각할 수 있다.
(b) 본 실시 형태에 따르면, 흡기관에 로내로부터의 분위기의 역확산을 방지하는 역확산 방지부를 설치하였기 때문에, 냉각 가스를 미사용인 경우에 역확산이 방지되므로, 가열 장치(40)에 의한 열에 의한 영향을 억제할 수 있다.
(c) 본 실시 형태에 따르면, 냉각 존마다 설치되는 흡기관의 유로 단면적 및 버퍼부의 유로 단면적은, 냉각 존마다 형성되는 개구 구멍의 단면적의 합계보다 크게 구성되어 있으므로, 각 냉각 존에 설치된 흡기관에 공급되는 냉각 가스의 유량을 조정함으로써, 각 개구 구멍으로부터 분출되는 냉각 가스의 유량 및 유속을 냉각 존 내에서 균등하게 할 수 있다. 또한, 가스 공급압을 각 개구 구멍에서 대략 동일하게 함으로써 냉각 존 내뿐만 아니라 냉각 존간에서 균등하게 할 수 있으므로, 반응관을 균등하게 냉각할 수 있다.
(d) 본 실시 형태에 따르면, 흡기관에 유량을 줄이는 조임부가 설치되면, 흡기관의 직경이 너무 커서 유량을 억제할 필요가 있는 경우에, 흡기관으로부터 공급되는 유량을 줄일 수 있다.
(e) 본 실시 형태에서의 단열 구조체에 의하면, 원통 형상으로 형성된 측벽부를 갖고, 해당 측벽부가 복수층 구조로 형성되어 있고, 측벽부를 상하 방향에서 복수의 영역으로 격리하는 구획부와, 측벽부 내에서 인접하는 구획부의 사이에 설치되는 버퍼부와, 측벽부의 복수층 중 외측에 배치된 외층에 설치되어, 버퍼부와 연통하는 가스 도입로와, 측벽부의 복수층 중 내측에 배치된 측벽 내층에 설치되어, 버퍼부와 연통하는 가스 공급 유로와, 가스 공급 유로로부터 측벽 내층의 내측의 공간에 냉각 가스를 분출하도록 설치되는 개구부를 구비하고 있으므로, 각 영역에 설치된 흡기관에 공급되는 냉각 가스의 유량을 조정함으로써, 각 영역 내에서 둘레 방향 및 높이 방향으로 설치된 각 개구부로부터 분출되는 냉각 가스의 유량 및 유속을 균등하게 할 수 있다.
(f) 본 실시 형태에 따르면, 냉각 존(U1, U2)의 높이를 가열 존(U1, U2)보다도 하측으로 어긋나게 하여, 보트(31)의 기판 처리 영역에 대향하는 반응관뿐만 아니라 보트(31)의 기판 처리 영역의 상측 영역의 반응관에 냉각 가스를 균등하게 공급할 수 있으므로, 냉각 존 내뿐만 아니라 냉각 존간에서 냉각 가스를 균등하게 닿게 할 수 있어, 반응관 전체를 균등하게 냉각할 수 있다. 이에 의해, 가열 존(U1, U2)의 온도 제어성을 향상시킬 수 있다.
(g) 본 실시 형태에 따르면, 냉각 존(U1, U2)의 높이를 가열 존(U1, U2)보다도 하측으로 어긋나게 함으로써, 프로세스 튜브(11) 전체에 공급되는 냉각 가스의 유량 및 유속을 동등하게 할 수 있어, 반응관 전체를 균등하게 냉각할 수 있으므로, 제어 존간의 가열 및 냉각 제어의 응답성을 개선할 수 있다.
(h) 또한, 본 실시 형태에 따르면, 각 냉각 존에서 각 개구 구멍에 걸리는 공급 압력을 동일하게 하기 때문에, 개구 구멍으로부터 냉각 가스가 동일한 유량 및 동일한 유속으로 공급됨과 함께, 각 제어 존의 온도 제어 특성을 유지시키도록 구성되어 있으므로, 존간의 가열 및 냉각 제어의 응답성을 개선할 수 있고, 결과적으로, 기판의 온도 리커버리 시간 및 기판의 면내 온도 균일성이 개선되어, 급속 승온 능력의 향상이 달성된다. 또한, 급냉 시의 온도 편차를 각 존에서 대략 균등하게 할 수 있으므로, 기판간의 온도 균일성이 개선된다.
또한, 본 발명은 반도체 제조 장치뿐만 아니라 LCD 장치와 같은 유리 기판을 처리하는 장치에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 제조 기술, 특히, 피처리 기판을 처리실에 수용해서 가열 장치에 의해 가열한 상태에서 처리를 실시하는 열처리 기술에 관한 것으로, 예를 들어 반도체 집적 회로 장치(반도체 디바이스)가 내장되는 반도체 웨이퍼에 산화 처리나 확산 처리, 이온 도핑 후의 캐리어 활성화나 평탄화를 위한 리플로우나 어닐 및 열 CVD 반응에 의한 성막 처리 등에 사용되는 기판 처리 장치에 이용해서 유효한 것에 적용할 수 있다.
1 : 기판(웨이퍼) 10 : 기판 처리 장치
11 : 반응관(프로세스 튜브) 14 : 처리실(로내 공간)
40 : 가열 장치(히터 유닛) 100 : 쿨링 유닛(냉각 장치)

Claims (14)

  1. 상하 방향으로 복수의 제어 존을 갖는 가열 장치의 주위를 덮도록 설치되고,
    상기 제어 존의 수와 일치하도록 복수의 존으로 분할하는 제1 구획부와, 상기 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 상기 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 상기 버퍼부에 저류된 가스를 상기 반응관을 향해서 분출하도록 설치되는 개구부를 포함하고,
    상측의 상기 제어 존에 대향하는 상측의 상기 존에 있어서, 상기 제어 존의 높이보다 상기 존의 높이가 낮아지도록, 상측의 상기 제1 구획부를 하측으로 어긋나게 해서 구성되어 있는 쿨링 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡기관에는, 로내로부터의 분위기의 역확산을 방지하는 역확산 방지부가 설치되도록 구성되어 있는, 쿨링 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡기관에는, 상기 개구부로부터 분출되는 냉각 가스의 유량을 억제하는 조임부가 설치되도록 구성되어 있는 쿨링 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 존마다 설치되는 상기 흡기관의 유로 단면적 및 상기 버퍼부의 유로 단면적은, 상기 존마다 설치되는 상기 개구부의 단면적의 합계보다 크게 구성되는 쿨링 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부는, 상기 존마다 제2 구획부가 설치되고,
    상기 제2 구획부는, 상기 흡기관으로부터 상기 버퍼부에 공급되는 가스의 방향을 결정하도록 구성되어 있는 쿨링 유닛.
  6. 상하 방향으로 복수의 제어 존을 갖는 가열 장치의 주위를 덮도록 설치되고, 원통 형상으로 형성된 측벽부를 갖고, 해당 측벽부가 복수층 구조로 형성된 단열 구조체로서, 상기 측벽부를 상하 방향에서 복수의 존으로 격리하는 제1 구획부와, 상기 측벽부 내에서 인접하는 제1 구획부의 사이에 설치되는 버퍼부와, 상기 존마다 상기 측벽부의 복수층 중 외측에 배치된 외층에 설치되어, 상기 버퍼부와 연통하는 가스 도입로와, 상기 존마다 상기 측벽부의 복수층 중 내측에 배치된 내층에 설치되어, 상기 버퍼부와 연통하는 가스 공급 유로와, 상기 내층의 내측에 설치되는 공간과, 상기 존마다 상기 가스 공급 유로로부터 상기 공간에 냉각 가스를 분출하도록 설치되는 개구부를 포함하고,
    상측의 상기 제어 존에 대향하는 상측의 상기 존에 있어서, 상기 제어 존의 높이보다 상기 존의 높이가 낮아지도록, 상측의 상기 제1 구획부를 하측으로 어긋나게 해서 구성되어 있는 단열 구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼부의 유로 단면적은, 상기 존마다 설치되는 상기 개구부의 유로 단면적의 합계보다 크게 형성되는 단열 구조체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 개구부는, 상기 가스 도입로와 상기 버퍼부를 연통하는 도입구에 대향하는 위치를 피하도록 설치되는 단열 구조체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼부는, 상기 존마다 설치되는 제2 구획부가 설치되고,
    상기 제2 구획부는, 상기 버퍼부 내를 흐르는 가스의 방향을 결정하도록 구성되어 있는 단열 구조체.
  10. 상하 방향으로 복수의 제어 존을 갖는 가열 장치와,
    상기 제어 존의 수와 일치하도록 복수의 존으로 분할하는 제1 구획부와, 상기 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 상기 존 내에 설치되어, 상기 반응관을 향해서 가스를 분출하는 개구부와, 상기 존마다 상기 흡기관과 연통되어, 상기 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 상측의 상기 제어 존에 대향하는 상측의 상기 존에 있어서, 상기 제어 존의 높이보다 상기 존의 높이가 낮아지도록, 상측의 상기 제1 구획부를 하측으로 어긋나게 해서 구성되어 있는 쿨링 유닛을 포함하는 기판 처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 버퍼부는, 상기 존마다 설치되는 제2 구획부가 설치되고,
    상기 제2 구획부는, 상기 버퍼부 내를 흐르는 가스의 방향을 결정하도록 구성되어 있는 기판 처리 장치.
  14. 기판을 반응관 내로 장입하는 공정과,
    상기 반응관 내의 온도를 소정 온도로 유지하도록, 상하 방향으로 복수의 제어 존을 갖는 가열 장치를 제어하면서 상기 기판을 처리하는 공정을 갖고,
    상기 기판을 처리하는 공정에서는,
    상기 제어 존의 수와 일치하도록 복수의 존으로 분할하는 제1 구획부와, 상기 존마다 설치되어, 반응관을 냉각하는 가스를 공급하는 흡기관과, 상기 흡기관에 설치되어, 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브와, 상기 존 내에 설치되어, 상기 반응관을 향해서 가스를 분출하는 개구부와, 상기 존마다 상기 흡기관과 연통되어, 상기 흡기관으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저류하는 버퍼부와, 상측의 상기 제어 존에 대향하는 상측의 상기 존에 있어서, 상기 제어 존의 높이보다 상기 존의 높이가 낮아지도록, 상측의 상기 제1 구획부를 하측으로 어긋나게 해서 구성되어 있는 쿨링 유닛에 의해 냉각함과 함께 상기 가열 장치를 제어하면서, 상기 소정 온도보다도 낮은 온도로 강온하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
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