WO2018042552A1 - 基板処理装置、半導体装置の製造方法および記録媒体 - Google Patents

基板処理装置、半導体装置の製造方法および記録媒体 Download PDF

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WO2018042552A1
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志有 廣地
愛彦 柳沢
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株式会社日立国際電気
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    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • H05B6/806—Apparatus for specific applications for laboratory use

Definitions

  • the present invention relates to a substrate processing apparatus, a semiconductor device manufacturing method, and a recording medium.
  • a substrate in a processing chamber is heated using a heating device to change a composition or a crystal structure in a thin film formed on the surface of the substrate.
  • a modification process typified by an annealing process for repairing crystal defects or the like in the formed thin film.
  • miniaturization and high integration have been remarkable in semiconductor devices, and accordingly, a modification process to a high-density substrate on which a pattern having a high aspect ratio is formed is required.
  • a heat treatment method using microwaves has been studied.
  • the substrate may not be heated uniformly due to deformation of the substrate during the heat treatment.
  • An object of the present invention is to provide an electromagnetic heat treatment technique capable of suppressing deformation or breakage of a substrate.
  • a heating device that heats a substrate using electromagnetic waves;
  • a non-contact temperature measuring device for measuring the temperature of the substrate;
  • the temperature data is compared with an upper limit temperature and a lower limit temperature as a preset threshold value, and the temperature data is higher than the upper limit temperature, or , If the temperature data is lower than the lower limit temperature, the controller that controls to lower the output of the heating device or to turn off the power of the heating device;
  • a technique is provided.
  • A It is a figure which shows the temperature measuring method of the substrate processing apparatus used suitably by 1st embodiment in this invention, and is a figure at the time of measuring the temperature of a heat insulation board.
  • B It is a figure which shows the temperature measuring method of the substrate processing apparatus used suitably by 1st embodiment in this invention, and is a figure at the time of measuring the temperature of a board
  • FIG. 1 It is the figure which showed the relationship between the temperature change of the board
  • FIG. 1 It is a schematic block diagram of the vertical processing furnace of the substrate processing apparatus used suitably by 2nd embodiment in this invention, and is a figure which shows a processing furnace part with a longitudinal cross-sectional view.
  • the substrate processing apparatus 100 is configured as a single wafer heat treatment apparatus that performs various heat treatments on a wafer.
  • the substrate processing apparatus 100 will be described as an apparatus that performs an annealing process (modification process) using an electromagnetic wave, which will be described later.
  • a substrate processing apparatus 100 includes a case 102 as a cavity (upper container) made of a material that reflects electromagnetic waves such as metal, and a case 102 that is accommodated in the case 102 and is vertically It has a cylindrical reaction tube 103 whose upper and lower ends are open.
  • the reaction tube 103 is made of a material that transmits electromagnetic waves, such as quartz.
  • a cap flange (blocking plate) 104 made of a metal material is brought into contact with the upper end of the reaction tube 103 through an O-ring 220 as a sealing member (seal member) to close the upper end of the reaction tube.
  • a processing vessel for processing a substrate such as a silicon wafer is mainly constituted by the case 102, the reaction tube 103, and the cap flange 104.
  • the inner space of the reaction tube 103 is constituted as a processing chamber 201.
  • the processing vessel may be configured by the case 102 and the cap flange 104 without providing the reaction tube 103. In that case, the internal space of the case 102 becomes the processing chamber 201.
  • the processing vessel may be configured by the case 102 and the reaction tube 103 or the case 102 using the case 102 whose ceiling is closed without providing the cap flange 104.
  • a mounting table 210 is provided below the reaction tube 103, and a boat 217 as a substrate holder for holding a wafer 200 as a substrate is mounted on the upper surface of the mounting table 210.
  • the boat 217 holds a wafer 200 to be processed and quartz plates 101 a and 101 b as heat insulating plates placed vertically above and below the wafer 200 so as to sandwich the wafer 200 at a predetermined interval.
  • quartz plates 101a and 101b for example, a silicon plate (Si plate) or a silicon carbide plate (SiC plate) is formed of a material such as a dielectric that absorbs electromagnetic waves and heats itself.
  • a component having a function as a susceptor (also referred to as a radiation plate or a soaking plate) (not shown) that indirectly heats the plate may be placed.
  • the susceptor may be configured to be placed outside the wafer 200 and inside the quartz plate 101a and the quartz plate 101b. That is, the wafer 200 is sandwiched between susceptors, and the susceptor is sandwiched between quartz plates 101a and 101b (so as to be disposed between the wafer 200 and the quartz plate 101a, and between the wafer 200 and the quartz plate 101b). It may be configured. With this configuration, the wafer 200 can be more efficiently and uniformly heated.
  • the quartz plates 101a and 101b are the same components, and hereinafter, when there is no need to distinguish between them, the quartz plates 101a and 101b will be referred to as the quartz plate 101.
  • a protrusion (not shown) that protrudes in the radial direction of the mounting table 210 is provided on the bottom surface side of the mounting table 210.
  • the protruding portion approaches or contacts a squeezing plate 204 provided between the processing chamber 201 and the transfer space 203 described later, the atmosphere in the processing chamber 201 moves into the transfer space 203 or the transfer space 203. The atmosphere inside is prevented from moving into the processing chamber 201.
  • the case 102 as the upper container has, for example, a circular cross section and is configured as a flat hermetic container.
  • the transport container 202 as a lower container is made of, for example, a metal material such as aluminum (Al) or stainless steel (SUS), or quartz.
  • a transfer area 203 for transferring a wafer 200 such as a silicon wafer is formed below the processing container.
  • a space surrounded by the case 102 or a space surrounded by the reaction tube 103 and above the partition plate 204 is referred to as a processing chamber 201 or a reaction area 201 serving as a processing space, and is referred to as a transfer container 202.
  • the space below the partition plate may be referred to as a transport area 203 as a transport space.
  • processing chamber 201 and the transfer area 203 are not limited to be configured to be adjacent to each other in the vertical direction as in the present embodiment, but may be configured to be adjacent to each other in the horizontal direction, or may not be provided with the transfer area 203. It is good also as a structure which has only.
  • a substrate loading / unloading port 206 adjacent to the gate valve 205 is provided on the side surface of the transfer container 202, and the wafer 200 moves between a substrate transfer chamber (not shown) via the substrate loading / unloading port 206.
  • An electromagnetic wave supply unit as a heating device which will be described in detail later, is installed on the side surface of the case 102.
  • An electromagnetic wave such as a microwave supplied from the electromagnetic wave supply unit is introduced into the processing chamber 201 to heat the wafer 200 and the like. Then, the wafer 200 is processed.
  • the mounting table 210 is supported by a shaft 255 as a rotating shaft.
  • the shaft 255 passes through the bottom of the transport container 202 and is connected to a drive mechanism 267 that rotates and moves up and down outside the transport container 202.
  • a drive mechanism 267 that rotates and moves up and down outside the transport container 202.
  • the periphery of the lower end portion of the shaft 255 is covered with a bellows 212, and the inside of the processing chamber 201 and the transfer area 203 is kept airtight.
  • the mounting table 210 When the wafer 200 is transferred, the mounting table 210 is lowered so that the upper surface of the mounting table is positioned at the substrate loading / unloading port 206 (wafer transfer position), and when the wafer 200 is processed, the wafer 200 is processed as shown in FIG. It moves up to the processing position (wafer processing position) in the chamber 201.
  • a mechanism for raising and lowering the mounting table is provided. You may make it provide only the mechanism which rotates a mounting base, without providing.
  • An exhaust unit that exhausts the atmosphere of the processing chamber 201 is provided below the processing chamber 201 and on the outer peripheral side of the mounting table 210. As shown in FIG. 1, an exhaust port 221 is provided in the exhaust part. An exhaust pipe 231 is connected to the exhaust port 221, and a pressure regulator 244 such as an APC valve that controls the valve opening degree according to the pressure in the processing chamber 201 and a vacuum pump 246 are connected in series to the exhaust pipe 231. It is connected to the.
  • the pressure regulator 244 is not limited to an APC valve as long as it can receive pressure information in the processing chamber 201 (a feedback signal from a pressure sensor 245 described later) and adjust the exhaust amount.
  • the on-off valve and the pressure regulating valve may be used in combination.
  • the exhaust port 221, the exhaust pipe 231, and the pressure regulator 244 constitute an exhaust part (also referred to as an exhaust system or an exhaust line).
  • an exhaust port may be provided so as to surround the mounting table 210 so that the gas can be exhausted from the entire circumference of the wafer 200.
  • the cap flange 104 is provided with a gas supply pipe 232 for supplying a processing gas for processing various substrates such as an inert gas, a raw material gas, and a reactive gas into the processing chamber 201.
  • a mass flow controller (MFC) 241 that is a flow rate controller (flow rate control unit) and a valve 243 that is an on-off valve are provided in order from the upstream side.
  • MFC mass flow controller
  • N 2 nitrogen
  • a gas provided with an MFC as a flow controller and a valve as an on-off valve in order from the upstream direction downstream from the valve 243 of the gas supply pipe 232 A plurality of types of gases can be supplied by using a configuration in which a supply pipe is connected.
  • a gas supply pipe provided with an MFC and a valve may be installed for each gas type.
  • a gas supply system (gas supply unit) is mainly configured by the gas supply pipe 232, the MFC 241, and the valve 243.
  • an inert gas flows through the gas supply system, it is also referred to as an inert gas supply system.
  • the inert gas for example, a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, or Xe gas can be used in addition to N 2 gas.
  • the cap flange 104 is provided with a temperature sensor 263 as a non-contact type temperature measuring device.
  • a temperature sensor 263 By adjusting the output of a microwave oscillator 655, which will be described later, based on the temperature information detected by the temperature sensor 263, the substrate is heated, and the substrate temperature has a desired temperature distribution.
  • the temperature sensor 263 is configured by a radiation thermometer such as an IR (Infrared Radiation) sensor.
  • the temperature sensor 263 is installed so as to measure the surface temperature of the quartz plate 101 a or the surface temperature of the wafer 200. When the susceptor as the heating element described above is provided, the surface temperature of the susceptor may be measured.
  • the wafer temperature converted by the temperature conversion data described later that is, the estimated wafer temperature, and the temperature sensor 263 are used.
  • the temperature means the temperature obtained by directly measuring the temperature of the wafer 200 and the case where both are meant.
  • the ceiling portion (top plate) 217a of the boat 217 does not interfere with the temperature measurement.
  • the measurement hole 217b as a temperature measurement window is provided at a position facing the temperature sensor 263 of the boat top plate 217a, and the surface temperature of the quartz plate 101a is measured.
  • the measurement hole 217 b of the boat 217 and the measurement hole 105 as a measurement window are provided in the quartz plate 101 a to measure the surface temperature of the wafer 200.
  • the temperature measurement of the quartz plate 101 and the wafer 200 is performed at a preparatory stage before the substrate processing process is performed, and the transition of the temperature change between the quartz plate 101 and the wafer 200 in the substrate processing process is acquired in advance. Is preferred.
  • the temperature conversion data indicating the correlation between the temperature of the quartz plate 101 and the wafer 200 is stored in the storage device 121 c or the external storage device 123 by acquiring the transition of the temperature change between the quartz plate 101 and the wafer 200.
  • the temperature of the wafer 200 can be estimated by measuring only the temperature of the quartz plate 101, and based on the estimated temperature of the wafer 200.
  • the output of the microwave oscillator 655, that is, the heating device is controlled.
  • the means for measuring the temperature of the substrate is not limited to the radiation thermometer described above, and the temperature may be measured using a thermocouple, or the thermocouple and the non-contact thermometer are used in combination. May be.
  • a thermocouple it is necessary to place the thermocouple near the wafer 200 and perform temperature measurement. That is, since it is necessary to arrange a thermocouple in the processing chamber 201, the thermocouple itself is heated by a microwave supplied from a microwave oscillator to be described later, so that the temperature cannot be measured accurately. Therefore, it is preferable to use a non-contact type thermometer as the temperature sensor 263.
  • the temperature sensor 263 is not limited to being provided on the cap flange 104 but may be provided on the mounting table 210.
  • the temperature sensor 263 is not only directly installed on the cap flange 104 or the mounting table 210 but also indirectly measured by reflecting the radiated light from the measurement window provided on the cap flange 104 or the mounting table 210 with a mirror or the like. It may be configured to.
  • the number of temperature sensors 263 is not limited to one, and a plurality of temperature sensors may be installed.
  • Electromagnetic wave introduction ports 653-1 and 653-2 are installed on the side wall of the case 102.
  • One end of each of waveguides 654-1 and 654-2 for supplying electromagnetic waves into the processing chamber 201 is connected to each of the electromagnetic wave introduction ports 653-1 and 653-2.
  • microwave oscillators electromagnetically generating electromagnetic waves
  • the microwave oscillators 655-1 and 655-2 supply electromagnetic waves such as microwaves to the waveguides 654-1 and 654-2, respectively.
  • microwave oscillators 655-1 and 655-2 a magnetron, a klystron or the like is used.
  • the electromagnetic wave introduction ports 653-1 and 653-2, the waveguides 654-1 and 654-2, and the microwave oscillators 655-1 and 655-2 are not particularly required to be described separately.
  • the electromagnetic wave introduction port 653, the waveguide 654, and the microwave oscillator 655 will be described.
  • the frequency of the electromagnetic wave generated by the microwave oscillator 655 is preferably controlled to be in the frequency range of 13.56 MHz to 24.125 GHz. More preferably, the frequency is preferably controlled to be 2.45 GHz or 5.8 GHz.
  • the frequencies of the microwave oscillators 655-1 and 655-2 may be the same frequency, or may be installed at different frequencies.
  • the two microwave oscillators 655 are described as being disposed on the side surface of the case 102, but the present invention is not limited thereto, and one or more microwave oscillators may be provided. You may arrange
  • An electromagnetic wave supply unit (electromagnetic wave supply apparatus, microwave) mainly as a heating device is mainly constituted by the microwave oscillators 655-1 and 655-2, the waveguides 654-1 and 654-2, and the electromagnetic wave introduction ports 653-1 and 653-2.
  • a supply unit also referred to as a microwave supply device).
  • a controller 121 described later is connected to each of the microwave oscillators 655-1 and 655-2.
  • a temperature sensor 263 for measuring the temperature of the quartz plate 101 a or 101 b accommodated in the processing chamber 201 or the wafer 200 is connected to the controller 121.
  • the temperature sensor 263 measures the temperature of the quartz plate 101 or the wafer 200 by the method described above and transmits it to the controller 121.
  • the controller 121 controls the outputs of the microwave oscillators 655-1 and 655-2, and Control heating.
  • a heating control method by the heating device a method of controlling the heating of the wafer 200 by controlling a voltage input to the microwave oscillator 655, a time when the power source of the microwave oscillator 655 is turned ON, and an OFF time are set.
  • a method of controlling the heating of the wafer 200 by changing the time ratio can be used.
  • the microwave oscillators 655-1 and 655-2 are controlled by the same control signal transmitted from the controller 121.
  • the present invention is not limited to this, and the microwave oscillators 655-1 and 655-2 are individually controlled by transmitting individual control signals from the controller 121 to the microwave oscillators 655-1 and 655-2, respectively. May be.
  • the controller 121 which is a control unit (control device, control means), includes a CPU (Central Processing Unit) 121a, a RAM (Random Access Memory) 121b, a storage device 121c, and an I / O port 121d. It is configured as a computer.
  • the RAM 121b, the storage device 121c, and the I / O port 121d are configured to exchange data with the CPU 121a via the internal bus 121e.
  • an input / output device 122 configured as a touch panel or the like is connected to the controller 121.
  • the storage device 121c includes, for example, a flash memory, a HDD (Hard Disk Drive), and the like.
  • a control program for controlling the operation of the substrate processing apparatus, a process recipe describing the annealing (modification) processing procedure and conditions, and the like are stored in a readable manner.
  • the process recipe is a combination of the controller 121 that allows the controller 121 to execute each procedure in the substrate processing process described later and obtain a predetermined result, and functions as a program.
  • the process recipe, the control program, and the like are collectively referred to simply as a program.
  • the process recipe is also simply called a recipe.
  • the RAM 121b is configured as a memory area (work area) in which programs, data, and the like read by the CPU 121a are temporarily stored.
  • the I / O port 121d is connected to the above-described MFC 241, valve 243, pressure sensor 245, APC valve 244, vacuum pump 246, temperature sensor 263, drive mechanism 267, microwave oscillator 655, and the like.
  • the CPU 121a is configured to read out and execute a control program from the storage device 121c and to read a recipe from the storage device 121c in response to an operation command input from the input / output device 122 or the like.
  • the CPU 121a adjusts the flow rate of various gases by the MFC 241, the opening / closing operation of the valve 243, the pressure adjusting operation by the APC valve 244 based on the pressure sensor 245, the start and stop of the vacuum pump 246, and the temperature in accordance with the contents of the read recipe.
  • the output adjustment operation of the microwave oscillator 655 based on the sensor 263, the rotation and rotation speed adjustment operation of the mounting table 210 (or the boat 217) by the drive mechanism 267, the raising / lowering operation, and the like are controlled.
  • the controller 121 installs the above-described program stored in an external storage device (for example, a magnetic disk such as a hard disk, an optical disk such as a CD, a magneto-optical disk such as an MO, or a semiconductor memory such as a USB memory) 123 in a computer.
  • an external storage device for example, a magnetic disk such as a hard disk, an optical disk such as a CD, a magneto-optical disk such as an MO, or a semiconductor memory such as a USB memory
  • the storage device 121c and the external storage device 123 are configured as computer-readable recording media. Hereinafter, these are collectively referred to simply as a recording medium.
  • recording medium When the term “recording medium” is used in this specification, it may include only the storage device 121c alone, may include only the external storage device 123 alone, or may include both.
  • the program may be provided to the computer using a communication means such as the Internet or a dedicated line without using the external storage device 123.
  • wafer when used in this specification, it may mean the wafer itself or a laminate of the wafer and a predetermined layer or film formed on the surface thereof.
  • wafer surface when used in this specification, it may mean the surface of the wafer itself, or may mean the surface of a predetermined layer or the like formed on the wafer.
  • the phrase “form a predetermined layer on the wafer” means that the predetermined layer is directly formed on the surface of the wafer itself, a layer formed on the wafer, etc. It may mean that a predetermined layer is formed on the substrate.
  • substrate is also synonymous with the term “wafer”.
  • the atmosphere in the processing chamber 201 is controlled so that the processing chamber 201 has a predetermined pressure (for example, 10 to 102000 Pa).
  • a predetermined pressure for example, 10 to 102000 Pa.
  • the valve opening of the pressure regulator 244 is feedback-controlled based on the pressure information detected by the pressure sensor 245 so that the inside of the processing chamber 201 is set to a predetermined pressure.
  • the electromagnetic wave supply unit may be controlled as preliminary heating so as to perform heating to a predetermined temperature (S402).
  • the temperature is raised to a predetermined substrate processing temperature by the electromagnetic wave supply unit, it is preferable to raise the temperature with an output smaller than the output of the reforming step described later so that the wafer 200 is not deformed or damaged.
  • you may control so that it may transfer to inert gas supply process S403 mentioned later, after adjusting only the temperature in a furnace, without adjusting a furnace pressure.
  • the drive mechanism 267 rotates the shaft 255 and rotates the wafer 200 via the boat 217 on the mounting table 210.
  • an inert gas such as nitrogen gas is supplied through the gas supply pipe 232 (S403).
  • the pressure in the processing chamber 201 is a predetermined value in the range of 10 Pa to 102000 Pa, and is adjusted to be, for example, 101300 Pa to 101650 Pa.
  • the shaft may be rotated during the substrate loading step S401, that is, after the loading of the wafer 200 into the processing chamber 201 is completed.
  • the microwave oscillator 655 supplies the microwave into the processing chamber 201 through the above-described units.
  • the wafer 200 is heated to a temperature of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, preferably 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably And heating to a temperature of 800 ° C. or higher and 850 ° C. or lower.
  • the substrate processing is performed at a temperature at which the wafer 200 efficiently absorbs microwaves, and the speed of the modification processing can be improved.
  • the temperature of the wafer 200 is processed at a temperature lower than 100 ° C. or a temperature higher than 1000 ° C.
  • the surface of the wafer 200 is altered and it becomes difficult to absorb microwaves. In this case, it becomes difficult to heat the wafer 200. For this reason, it is desired to perform substrate processing in the above-described temperature range.
  • a standing wave is generated in the processing chamber 201 and locally on the wafer 200 (when the susceptor is mounted, the susceptor is the same as the wafer 200).
  • a heated concentration area (hot spot) that is heated by the heat and a non-heated area (non-heated area) other than that are generated, and the wafer 200 (when the susceptor is placed, the susceptor is also the same as the wafer 200) is deformed.
  • hot spots are suppressed from being generated on the wafer 200 by controlling ON / OFF of the power supply of the electromagnetic wave supply unit.
  • the temperature sensor 263 is a non-contact type temperature sensor, and deformation or breakage occurs in the wafer 200 to be measured (when the susceptor is mounted, the susceptor is also the same as the wafer 200). Then, since the position of the wafer 200 monitored by the temperature sensor and the measurement angle with respect to the wafer 200 change, the measurement value (monitor value) becomes inaccurate, and the measurement temperature changes abruptly.
  • the sudden change in the measurement temperature of the radiation thermometer accompanying such deformation or breakage of the measurement object is used as a trigger for turning on / off the electromagnetic wave supply unit.
  • an upper limit temperature and a lower limit temperature of the threshold temperature based on the substrate processing temperature are set in advance so that the substrate processing is performed at a temperature that does not exceed the upper limit of the threshold temperature and does not fall below the lower limit. It is controlled by the controller 121.
  • the upper limit of the threshold temperature is preferably set to be a temperature that is higher than the substrate processing temperature and within the substrate processing temperature + 5%
  • the lower limit of the threshold temperature is a temperature lower than the substrate processing temperature.
  • the substrate processing temperature is preferably set to be within 5%.
  • the upper limit temperature is about 866 ° C., which is + 5% of 825 ° C., and is higher than 825 ° C.
  • the lower limit temperature can be set to a temperature lower than 825 ° C. and about 783 ° C. or more, with the lower limit being about 783 ° C., which is ⁇ 5% of 825 ° C. If the upper and lower temperature setting criteria are set to be higher than + 5% or lower than ⁇ 5% of the substrate processing temperature, the amount of deformation of the wafer 200 increases, which is the worst case. In some cases, the wafer 200 may be broken.
  • the controller 121 turns off the electromagnetic wave supply unit, that is, the microwave oscillator 655.
  • the microwave oscillator 655 is turned off, the supply of microwaves is stopped, and the process waits until the temperature of the wafer 200 rises to a temperature at which the substrate can be processed.
  • the controller 121 turns on the microwave oscillator 655 at the timing B when the temperature of the wafer 200 reaches 783 ° C., which is the lower limit temperature at which the substrate can be processed, and starts heating the wafer 200 again.
  • the microwave oscillator 655 is turned off as in timing A, the heat energy of the heated concentrated portion (hot spot portion) generated in the wafer 200 by the microwave is thermally conducted in the wafer 200 surface, and the wafer 200 surface. The surface of the wafer 200 reaches a uniform temperature.
  • the temperature sensor 263 can accurately measure the temperature. As a result, the temperature returns to within the temperature range that is the original substrate processing temperature zone, and the measured temperature of the wafer 200 rises even if the microwave oscillator 655 is turned off. Since this phenomenon occurs in the same way at timing C, which will be described later, the same control can be performed for each of the upper limit temperature and the lower limit temperature.
  • the timing C at which the temperature of the wafer 200 becomes higher than the upper limit temperature is the same as the timing A at the lower limit temperature. That is, when the temperature of the wafer 200 measured by the temperature sensor 263 becomes higher than the upper limit temperature of 866 ° C., the controller 121 turns off the microwave oscillator 655. The microwave oscillator 655 is turned OFF, and the heating of the wafer 200 is stopped by stopping the supply of the microwave, and waits until the temperature of the wafer 200 falls below the upper limit temperature at which the substrate can be processed, that is, below 866 ° C. To do. Thereafter, the controller 121 turns on the microwave oscillator 655 at the timing D when the temperature of the wafer 200 becomes possible for substrate processing, and starts heating the wafer 200 again.
  • the microwave oscillator 655 By controlling the microwave oscillator 655 as described above, the wafer 200 is heated, and the amorphous silicon film formed on the surface of the wafer 200 is modified (crystallized) into a polysilicon film. That is, the wafer 200 can be uniformly modified.
  • the microwave oscillator 655 When the measured temperature of the wafer 200 is higher or lower than the above-described threshold, the microwave oscillator 655 is not turned OFF, but the wafer 200 is controlled by controlling the output of the microwave oscillator 655 to be low.
  • the temperature may be within a predetermined range. In this case, when the temperature of the wafer 200 returns to a temperature within a predetermined range, the output of the microwave oscillator 655 is controlled to be increased.
  • the upper limit temperature and the lower limit temperature are set higher or lower than the substrate processing temperature in the range of 0% to 5% or less of the substrate processing temperature, so that the wafer temporarily deformed by heating is It becomes possible to return, and it becomes possible to suppress that a wafer deform
  • the wafer temperature that is, the temperature data is lower than the upper limit temperature or higher than the lower limit temperature after the output of the heating device is lowered by the upper limit temperature or the lower limit temperature or the power supply of the heating apparatus is turned off.
  • the wafer can be heated efficiently, and the wafer processing can be performed efficiently.
  • the substrate processing apparatus in the present embodiment is not limited to the above-described aspect, and can be modified as in the following modified example.
  • the upper limit temperature and the lower limit temperature are provided as threshold values based on the substrate processing temperature.
  • the present invention is not limited to this, and the heating device is controlled based on the rate of temperature change per unit time. Also good. By configuring in this way, it becomes possible to suppress the deformation or breakage of the wafer 200 more accurately than when the upper limit temperature and the lower limit temperature are provided, and the wafer processing can be performed efficiently.
  • the second embodiment is configured as a so-called vertical batch type substrate processing apparatus capable of holding a plurality of substrates in multiple stages in the vertical direction.
  • a quartz plate 101c as a heat insulating plate is provided between the wafers 200 held in multiple stages in the vertical direction.
  • the quartz plate 101c as the heat insulating plate is not placed, but a susceptor as a heating element that is dielectrically heated by an electromagnetic wave (not shown) is placed, or both the heat insulating plate and the heating element are placed.
  • the quartz plate 101c may be configured not to be placed between the wafers 200.
  • the number of wafers 200 held on the boat 217 is described as two. However, the present invention is not limited to this. May be.
  • the process of modifying an amorphous silicon film into a polysilicon film as a film containing silicon as a main component has been described.
  • the present invention is not limited thereto, and oxygen (O), nitrogen (N),
  • the film formed on the surface of the wafer 200 may be modified by supplying a gas containing at least one of carbon (C) and hydrogen (H).
  • a hafnium oxide film (HfxOy film) as a high dielectric film is formed on the wafer 200, by supplying a microwave and heating while supplying a gas containing oxygen, the hafnium oxide film
  • the deficient oxygen can be replenished to improve the characteristics of the high dielectric film.
  • the present invention is not limited to this, but aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), niobium (Nb), lanthanum (La), cerium ( An oxide film containing a metal element containing at least one of Ce), yttrium (Y), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lead (Pb), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc.
  • the present invention can be suitably applied to the case of modifying a metal oxide film.
  • the film formation sequence described above is performed on the wafer 200 on the TiOCN film, the TiOC film, the TiON film, the TiO film, the ZrOCN film, the ZrOC film, the ZrON film, the ZrO film, the HfOCN film, the HfOC film, the HfON film, the HfO film, TaOCN film, TaOC film, TaON film, TaO film, NbOCN film, NbOC film, NbON film, NbO film, AlOCN film, AlOC film, AlON film, AlO film, MoOCN film, MoOC film, MoON film, MoO film, WOCN film
  • the present invention can be suitably applied to the case of modifying the WOC film, the WON film, and the WO film.
  • a film mainly composed of silicon doped with impurities may be heated.
  • a film mainly composed of silicon a silicon nitride film (SiN film), a silicon oxide film (SiO film), a silicon oxycarbide film (SiOC film), a silicon oxycarbonitride film (SiOCN film), a silicon oxynitride film (SiON)
  • the impurity include at least one of bromine (B), carbon (C), nitrogen (N), aluminum (Al), phosphorus (P), gallium (Ga), arsenic (As), and the like.
  • it may be a resist film based on at least one of methyl methacrylate resin (PMMA), epoxy resin, novolac resin, polyvinyl phenyl resin, and the like.
  • PMMA methyl methacrylate resin
  • epoxy resin epoxy resin
  • novolac resin polyvinyl phenyl resin
  • the present invention is not limited to this. Patterning process in the liquid crystal panel manufacturing process, patterning process in the solar cell manufacturing process, and patterning process in the power device manufacturing process.
  • the present invention can also be applied to a technique for processing a substrate.

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Abstract

電磁波を用いて基板を加熱する加熱装置と、前記基板の温度を測定する非接触式の温度測定装置と、前記温度測定装置によって測定された温度データを取得し、前記温度データと予め設定していた閾値としての上限温度と下限温度との比較を行い、前記温度データが前記上限温度よりも高い場合、または、前記温度データが前記下限温度よりも低い場合には、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとするように制御する制御部と、を有する技術を提供する。これにより、基板の変形または破損を抑制することが可能となる電磁波熱処理技術を提供することができる。

Description

基板処理装置、半導体装置の製造方法および記録媒体
　本発明は、基板処理装置、半導体装置の製造方法および記録媒体に関するものである。
　半導体装置（半導体デバイス）の製造工程の一工程として、例えば、加熱装置を用いて処理室内の基板を加熱し、基板の表面に成膜された薄膜中の組成や結晶構造を変化させたり、成膜された薄膜内の結晶欠陥等を修復するアニール処理などに代表される改質処理がある。近年の半導体デバイスにおいては、微細化、高集積化が著しくなっており、これに伴い、高いアスペクト比を有するパターンが形成された高密度の基板への改質処理が求められている。このような高密度基板への改質処理方法としてマイクロ波を用いた熱処理方法が検討されている。
特開２０１５－０７００４５
　従来のマイクロ波を用いた熱処理では、熱処理中に基板が変形してしまうことが原因で基板を均一に加熱することができない場合があった。
　本発明の目的は、基板の変形または破損を抑制することが可能となる電磁波熱処理技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、電磁波を用いて基板を加熱する加熱装置と、
前記基板の温度を測定する非接触式の温度測定装置と、
前記温度測定装置によって測定された温度データを取得し、前記温度データと予め設定していた閾値としての上限温度と下限温度との比較を行い、前記温度データが前記上限温度よりも高い場合、または、前記温度データが前記下限温度よりも低い場合には、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとするように制御する制御部と、
　を有する技術が提供される。
　本発明によれば、基板の変形または破損を抑制することが可能となる電磁波熱処理技術を提供することができる。
本発明における第一の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の枚葉型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。 （Ａ）本発明における第一の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の温度測定方法を示す図であり、断熱板の温度を測定する際の図である。（Ｂ）本発明における第一の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の温度測定方法を示す図であり、基板の温度を測定する際の図である。 本発明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る。 本発明における基板処理のフローを示す図である。 本発明における基板処理の温度変化と電磁波供給部の関係を示した図である。 本発明における第二の実施形態で好適に用いられる基板処理装置の縦型処理炉の概略構成図であり、処理炉部分を縦断面図で示す図である。
　＜本発明の第一の実施形態＞
　以下に本発明の第一の実施形態を図面に基づいて説明する。
（１）基板処理装置の構成
　本実施の形態において、本発明に係る基板処理装置１００は、ウエハに各種の熱処理を施す枚葉式熱処理装置として構成されている。本実施の形態において基板処理装置１００は後述する電磁波を用いたアニール処理（改質処理）を行う装置として説明を行う。
（処理室）
　図１に示すように、本実施形態に係る基板処理装置１００は、金属などの電磁波を反射する材料で構成されるキャビティ（上部容器）としてのケース１０２と、ケース１０２の内部に収容され、垂直方向の上下端部が開放された円筒形状の反応管１０３を有している。反応管１０３は、石英などの電磁波を透過する材料で構成される。また、金属材料で構成されたキャップフランジ（閉塞板）１０４が、封止部材（シール部材）としてのＯリング２２０を介して反応管１０３の上端と当接されて反応管の上端を閉塞する。主にケース１０２と反応管１０３、および、キャップフランジ１０４によってシリコンウエハ等の基板を処理する処理容器を構成し、特に反応管１０３の内側空間を処理室２０１として構成している。反応管１０３を設けずに、ケース１０２、キャップフランジ１０４により処理容器を構成するようにしてもよい。その場合、ケース１０２の内部空間が処理室２０１となる。また、キャップフランジ１０４を設けずに、天井が閉塞したケース１０２を用いて、ケース１０２と反応管１０３、または、ケース１０２によって処理容器を構成するようにしてもよい。
　反応管１０３の下方には載置台２１０が設けられており、載置台２１０の上面には、基板としてのウエハ２００を保持する基板保持具としてのボート２１７が載置されている。ボート２１７には、処理対象であるウエハ２００と、ウエハ２００を挟み込むようにウエハ２００の垂直方向上下に載置された断熱板としての石英プレート１０１ａ、１０１ｂが所定の間隔で保持されている。なお、石英プレート１０１ａ、１０１ｂの代わりに、例えば、シリコンプレート（Ｓｉ板）や炭化シリコンプレート（ＳｉＣ板）などの電磁波を吸収して自身が加熱される誘電体などの材質で形成し、ウエハ２００を間接的に加熱する図示しないサセプタ（輻射板、均熱板とも称する）としての機能を有した部品を載置するようにしてもよい。また、このサセプタをウエハ２００の外側であって石英プレート１０１ａと石英プレート１０１ｂの内側に載置するように構成してもよい。すなわち、ウエハ２００はサセプタに挟みこまれ、サセプタは石英プレート１０１ａ、１０１ｂに挟みこまれるように（ウエハ２００と石英プレート１０１ａ、および、ウエハ２００と石英プレート１０１ｂとの間に配置されるように）構成してもよい。このように構成することによってウエハ２００をより効率的に均一に加熱することが可能となる。本実施形態において、石英プレート１０１ａ、１０１ｂは、同一の部品であり、以後、特に区別して説明する必要が無い場合には、石英プレート１０１と称して説明する。
　載置台２１０の側壁には、載置台２１０の径方向に向かって突出した図示しない突出部が載置台２１０の底面側に設けられる。この突出部が、後述する処理室２０１と搬送空間２０３との間に設けられるしきり板２０４と接近または接触することで処理室２０１内の雰囲気が搬送空間２０３内へ移動することや、搬送空間２０３内の雰囲気が処理室２０１内へ移動することを抑制させる。
　上部容器としてのケース１０２は、例えば横断面が円形であり、平らな密閉容器として構成されている。また、下部容器としての搬送容器２０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料、または、石英などにより構成されている。処理容器の下方には、シリコンウエハ等のウエハ２００を搬送する搬送エリア２０３が形成されている。なお、ケース１０２に囲まれた空間、または、反応管１０３に囲まれた空間であって、仕切り板２０４よりも上方の空間を処理空間としての処理室２０１又は反応エリア２０１と称し、搬送容器２０２に囲まれた空間であって、仕切り板よりも下方の空間を搬送空間としての搬送エリア２０３と称する場合もある。なお、処理室２０１と搬送エリア２０３は、本実施例のように垂直方向に隣接させて構成することに限らず、水平方向に隣接させて構成したり、搬送エリア２０３を設けずに処理室２０１のみ有する構成としてもよい。
　搬送容器２０２の側面には、ゲートバルブ２０５に隣接した基板搬入搬出口２０６が設けられており、ウエハ２００は基板搬入搬出口２０６を介して図示しない基板搬送室との間を移動する。
　ケース１０２の側面には、後に詳述する加熱装置としての電磁波供給部が設置されており、電磁波供給部から供給されたマイクロ波等の電磁波が処理室２０１に導入されてウエハ２００等を加熱し、ウエハ２００を処理する。
　載置台２１０は回転軸としてのシャフト２５５によって支持される。シャフト２５５は、搬送容器２０２の底部を貫通しており、更には搬送容器２０２の外部で回転、昇降動作を行う駆動機構２６７に接続されている。駆動機構２６７を作動させてシャフト２５５及び載置台２１０を回転、昇降させることにより、ボート２１７上に載置されるウエハ２００を回転または昇降させることが可能となっている。なお、シャフト２５５下端部の周囲はベローズ２１２により覆われており、処理室２０１および搬送エリア２０３内は気密に保持されている。
　載置台２１０は、ウエハ２００の搬送時には、載置台上面が基板搬入搬出口２０６の位置（ウエハ搬送位置）となるよう下降し、ウエハ２００の処理時には図１で示されるように、ウエハ２００が処理室２０１内の処理位置（ウエハ処理位置）まで上昇する。なお、上述したように処理室２０１と搬送エリア２０３を水平方向に隣接させて構成したり、搬送エリア２０３を設けずに処理室２０１のみ有する構成とした場合には、載置台を昇降させる機構を設けずに載置台を回転させる機構のみ設けるようにしてもよい。
（排気部）
　処理室２０１の下方であって、載置台２１０の外周側には、処理室２０１の雰囲気を排気する排気部が設けられている。図１に示すように、排気部には排気口２２１が設けられている。排気口２２１には排気管２３１が接続されており、排気管２３１には、処理室２０１内の圧力に応じて弁開度を制御するＡＰＣバルブなどの圧力調整器２４４、真空ポンプ２４６が順に直列に接続されている。
　ここで、圧力調整器２４４は、処理室２０１内の圧力情報（後述する圧力センサ２４５からのフィードバック信号）を受信して排気量を調整することができるものであればＡＰＣバルブに限らず、通常の開閉バルブと圧力調整弁を併用するように構成されていてもよい。
　主に、排気口２２１、排気管２３１、圧力調整器２４４により排気部（排気系または排気ラインとも称する）が構成される。なお、載置台２１０を囲むように排気口を設け、ウエハ２００の全周からガスを排気可能に構成してもよい。また、排気部の構成に、真空ポンプ２４６を加えるようにしてもよい。
（ガス供給部）
　キャップフランジ１０４には、不活性ガス、原料ガス、反応ガスなどの各種基板処理のための処理ガスを処理室２０１内に供給するためのガス供給管２３２が設けられている。
　ガス供給管２３２には、上流から順に、流量制御器（流量制御部）であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１、および、開閉弁であるバルブ２４３が設けられている。ガス供給管２３２の上流側には、例えば不活性ガスである窒素（Ｎ２）ガス源が接続され、ＭＦＣ２４１、バルブ２４３を介して処理室２０１内へ供給される。基板処理の際に複数種類のガスを使用する場合には、ガス供給管２３２のバルブ２４３よりも下流側に、上流方向から順に流量制御器であるＭＦＣおよび開閉弁であるバルブが設けられたガス供給管が接続された構成を用いることで複数種類のガスを供給することができる。ガス種毎にＭＦＣ、バルブが設けられたガス供給管を設置してもよい。
　主に、ガス供給管２３２、ＭＦＣ２４１、バルブ２４３によりガス供給系（ガス供給部）が構成される。ガス供給系に不活性ガスを流す場合には、不活性ガス供給系とも称する。不活性ガスとしては、Ｎ２ガスの他、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いることができる。
（温度センサ）
　キャップフランジ１０４には、非接触式の温度測定装置として温度センサ２６３が設置されている。温度センサ２６３により検出された温度情報に基づき後述するマイクロ波発振器６５５の出力を調整することで、基板を加熱し、基板温度が所望の温度分布となる。温度センサ２６３は、例えばＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）センサなどの放射温度計で構成されている。温度センサ２６３は、石英プレート１０１ａの表面温度、または、ウエハ２００の表面温度を測定するように設置される。上述した発熱体としてのサセプタが設けられている場合にはサセプタの表面温度を測定するように構成してもよい。なお、本発明においてウエハ２００の温度（ウエハ温度）と記載した場合は、後述する温度変換データによって変換されたウエハ温度、すなわち、推測されたウエハ温度のことを意味する場合と、温度センサ２６３によって直接ウエハ２００の温度を測定して取得した温度を意味する場合と、その両方を意味する場合を指すものとして説明する。
　図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、温度センサ２６３を用いて石英プレート１０１ａ、ウエハ２００の表面温度を測定する場合、ボート２１７の天井部（天板）２１７ａが温度測定を妨げないように、ボート天板２１７ａの温度センサ２６３に対向する位置に温度測定窓としての測定孔２１７ｂを設け、石英プレート１０１ａの表面温度を測定する。ウエハ２００の温度を測定する場合も石英プレート１０１ａの測定と同様に、ボート２１７の測定孔２１７ｂと石英プレート１０１ａに測定窓としての測定孔１０５を設け、ウエハ２００の表面温度を測定する。これらの石英プレート１０１とウエハ２００の温度測定は基板処理工程を実施する前の準備段階で行うこととし、予め基板処理工程における石英プレート１０１とウエハ２００との温度変化の推移について取得しておくことが好ましい。このように石英プレート１０１とウエハ２００の温度変化の推移を取得することで石英プレート１０１とウエハ２００の温度の相関関係を示した温度変換データを記憶装置１２１ｃまたは外部記憶装置１２３に記憶させる。
　このように予め温度変換データを作成することによって、ウエハ２００の温度は、石英プレート１０１の温度のみを測定することで、ウエハ２００の温度を推測可能とし、推測されたウエハ２００の温度を基に、マイクロ波発振器６５５の出力、すなわち加熱装置の制御が行われる。
　なお、基板の温度を測定する手段として、上述した放射温度計に限らず、熱電対を用いて温度測定を行ってもよいし、熱電対と非接触式温度計を併用して温度測定を行ってもよい。ただし、熱電対を用いて温度測定を行った場合、熱電対をウエハ２００の近傍に配置して温度測定を行う必要がある。すなわち、処理室２０１内に熱電対を配置する必要があるため、後述するマイクロ波発振器から供給されたマイクロ波によって熱電対自体が加熱されてしまうので正確に測温することができない。したがって、非接触式温度計を温度センサ２６３として用いることが好ましい。
　また、温度センサ２６３は、キャップフランジ１０４に設けることに限らず、載置台２１０に設けるようにしてもよい。また、温度センサ２６３は、キャップフランジ１０４や載置台２１０に直接設置するだけでなく、キャップフランジ１０４や載置台２１０に設けられた測定窓からの放射光を鏡等で反射させて間接的に測定するように構成されてもよい。さらに、温度センサ２６３は１つ設置することに限らず、複数設置するようにしてもよい。
（電磁波供給部）
　ケース１０２の側壁には電磁波導入ポート６５３－１、６５３－２が設置されている。電磁波導入ポート６５３－１、６５３－２のそれぞれには処理室２０１内に電磁波を供給するための導波管６５４－１、６５４－２のそれぞれの一端が接続されている。導波管６５４－１、６５４－２それぞれの他端には処理室２０１内に電磁波を供給して加熱する加熱源としてのマイクロ波発振器（電磁波源）６５５－１、６５５－２が接続されている。マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２はマイクロ波などの電磁波を導波管６５４－１、６５４－２にそれぞれ供給する。また、マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２は、マグネトロンやクライストロンなどが用いられる。以降、電磁波導入ポート６５３－１、６５３－２、導波管６５４－１、６５４－２、マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２は、特にそれぞれを区別して説明する必要のない場合には、電磁波導入ポート６５３、導波管６５４、マイクロ波発振器６５５と記載して説明する。
　マイクロ波発振器６５５によって生じる電磁波の周波数は、好ましくは１３．５６ＭＨｚ以上２４．１２５ＧＨｚ以下の周波数範囲となるように制御される。さらに好適には、２．４５ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚの周波数となるように制御されることが好ましい。ここで、マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２のそれぞれの周波数は同一の周波数としてもよいし、異なる周波数で設置されてもよい。
　また、本実施形態において、マイクロ波発振器６５５は、ケース１０２の側面に２つ配置されるように記載されているが、これに限らず、１つ以上設けられていればよく、また、ケース１０２の対向する側面等の異なる側面に設けられるように配置してもよい。主に、マイクロ波発振器６５５―１、６５５－２、導波管６５４－１、６５４－２および電磁波導入ポート６５３－１、６５３－２によって加熱装置としての電磁波供給部（電磁波供給装置、マイクロ波供給部、マイクロ波供給装置とも称する）が構成される。
　マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２のそれぞれには後述するコントローラ１２１が接続されている。コントローラ１２１には処理室２０１内に収容される石英プレート１０１ａまたは１０１ｂ、若しくはウエハ２００の温度を測定する温度センサ２６３が接続されている。温度センサ２６３は、上述した方法によって石英プレート１０１、またはウエハ２００の温度を測定してコントローラ１２１に送信し、コントローラ１２１によってマイクロ波発振器６５５－１、６５５－２の出力を制御し、ウエハ２００の加熱を制御する。なお、加熱装置による加熱制御の方法としては、マイクロ波発振器６５５へ入力する電圧を制御することでウエハ２００の加熱を制御する方法と、マイクロ波発振器６５５の電源をＯＮとする時間とＯＦＦとする時間の比率を変更することでウエハ２００の加熱を制御する方法などを用いることができる。
　ここで、マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２は、コントローラ１２１から送信される同一の制御信号によって制御される。しかし、これに限らず、マイクロ波発振器６５５－１、６５５－２それぞれにコントローラ１２１から個別の制御信号を送信することでマイクロ波発振器６５５－１、６５５－２が個々に制御されるように構成してもよい。
（制御装置）
　図３に示すように、制御部（制御装置、制御手段）であるコントローラ１２１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）１２１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＡＭ１２１ｂ、記憶装置１２１ｃ、Ｉ／Ｏポート１２１ｄは、内部バス１２１ｅを介して、ＣＰＵ１２１ａとデータ交換可能なように構成されている。コントローラ１２１には、例えばタッチパネル等として構成された入出力装置１２２が接続されている。
　記憶装置１２１ｃ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１２１ｃ内には、基板処理装置の動作を制御する制御プログラムや、アニール（改質）処理の手順や条件等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。プロセスレシピは、後述する基板処理工程における各手順をコントローラ１２１に実行させ、所定の結果を得ることが出来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。また、プロセスレシピを、単にレシピともいう。本明細書においてプログラムという言葉を用いた場合は、レシピ単体のみを含む場合、制御プログラム単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。ＲＡＭ１２１ｂは、ＣＰＵ１２１ａ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１２１ｄは、上述のＭＦＣ２４１、バルブ２４３、圧力センサ２４５、ＡＰＣバルブ２４４、真空ポンプ２４６、温度センサ２６３、駆動機構２６７、マイクロ波発振器６５５等に接続されている。
　ＣＰＵ１２１ａは、記憶装置１２１ｃ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１２２からの操作コマンドの入力等に応じて記憶装置１２１ｃからレシピを読み出すように構成されている。ＣＰＵ１２１ａは、読み出したレシピの内容に沿うように、ＭＦＣ２４１による各種ガスの流量調整動作、バルブ２４３の開閉動作、圧力センサ２４５に基づくＡＰＣバルブ２４４による圧力調整動作、真空ポンプ２４６の起動および停止、温度センサ２６３に基づくマイクロ波発振器６５５の出力調整動作、駆動機構２６７による載置台２１０（またはボート２１７）の回転および回転速度調節動作、または、昇降動作等を制御するように構成されている。
　コントローラ１２１は、外部記憶装置（例えば、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ等の光ディスク、ＭＯ等の光磁気ディスク、ＵＳＢメモリ等の半導体メモリ）１２３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１２１ｃや外部記憶装置１２３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ている。以下、これらを総称して、単に、記録媒体ともいう。本明細書において記録媒体という言葉を用いた場合は、記憶装置１２１ｃ単体のみを含む場合、外部記憶装置１２３単体のみを含む場合、または、その両方を含む場合がある。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１２３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。
（２）基板処理工程
　次に、上述の基板処理装置１００の処理炉を用いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、例えば、基板上に形成されたシリコン含有膜としてのアモルファスシリコン膜の改質（結晶化）方法の一例について図４に示した処理フローに沿って説明する。以下の説明において、基板処理装置１００を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
　ここで、本明細書において「ウエハ」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものを意味する場合や、ウエハとその表面に形成された所定の層や膜との積層体を意味する場合がある。本明細書において「ウエハの表面」という言葉を用いた場合は、ウエハそのものの表面を意味する場合や、ウエハ上に形成された所定の層等の表面を意味する場合がある。本明細書において「ウエハ上に所定の層を形成する」と記載した場合は、ウエハそのものの表面上に所定の層を直接形成することを意味する場合や、ウエハ上に形成されている層等の上に所定の層を形成することを意味する場合がある。本明細書において「基板」という言葉を用いた場合も、「ウエハ」という言葉を用いた場合と同義である。
（基板搬入工程（Ｓ４０１））
　図１に示されているように、所定枚数のウエハ２００がボート２１７に移載されると、駆動機構２６７は、載置台２１０を上昇させることでボート２１７を反応管１０３内側の処理室２０１に搬入（ボートローディング）する（Ｓ４０１）。
 （炉内圧力・温度調整工程（Ｓ４０２））
　処理室２０１内へのボート２１７の搬入が完了したら、処理室２０１内が所定の圧力（例えば１０～１０２０００Ｐａ）となるよう処理室２０１内の雰囲気を制御する。具体的には、真空ポンプ２４６により排気しつつ、圧力センサ２４５により検出された圧力情報に基づいて圧力調整器２４４の弁開度をフィードバック制御し、処理室２０１内を所定の圧力とする。また、同時に予備加熱として電磁波供給部を制御し、所定の温度まで加熱を行うように制御してもよい（Ｓ４０２）。電磁波供給部によって、所定の基板処理温度まで昇温させる場合、ウエハ２００が変形・破損しないように、後述する改質工程の出力よりも小さな出力で昇温を行うことが好ましい。なお、大気圧下で基板処理を行う場合、炉内圧力調整を行わず、炉内の温度調整のみを行った後、後述する不活性ガス供給工程Ｓ４０３へ移行するように制御してもよい。
（不活性ガス供給工程（Ｓ４０３））
　炉内圧力・温度調整工程Ｓ４０２によって処理室２０１内の圧力と温度を所定の値に制御すると、駆動機構２６７は、シャフト２５５を回転させ、載置台２１０上のボート２１７を介してウエハ２００を回転させる。このとき、窒素ガス等の不活性ガスがガス供給管２３２を介して供給される（Ｓ４０３）。さらにこのとき、処理室２０１内の圧力は１０Ｐａ以上１０２０００Ｐａ以下の範囲となる所定の値であって、例えば１０１３００Ｐａ以上１０１６５０Ｐａ以下となるように調整される。なお、シャフトは基板搬入工程Ｓ４０１時、すなわち、ウエハ２００を処理室２０１内に搬入完了後に回転させてもよい。
（改質工程（Ｓ４０４））
　処理室２０１内を所定の圧力となるように維持すると、マイクロ波発振器６５５は上述した各部を介して処理室２０１内にマイクロ波を供給する。処理室２０１内にマイクロ波が供給されることによって、ウエハ２００が１００℃以上、１０００℃以下の温度、好適には６００℃以上、９００℃以下の温度となるように加熱し、さらに好適には、８００℃以上、８５０℃以下の温度となるように加熱する。このような温度で基板処理することによって、ウエハ２００が効率よくマイクロ波を吸収する温度下での基板処理となり、改質処理の速度向上が可能となる。換言すると、ウエハ２００の温度を１００℃よりも低い温度、または１０００℃よりも高い温度下で処理してしまうと、ウエハ２００の表面が変質してしまい、マイクロ波を吸収し難くなってしまうためにウエハ２００を加熱し難くなってしまうこととなる。このため、上述した温度帯で基板処理を行うことが望まれる。
　電磁波による加熱方式にて加熱を行う本実施形態では、処理室２０１に定在波が発生し、ウエハ２００（サセプタが載置されている場合はサセプタもウエハ２００と同様に）上に、局所的に加熱されてしまう加熱集中領域（ホットスポット）とそれ以外の加熱されない領域（非加熱領域）が生じ、ウエハ２００（サセプタが載置されている場合はサセプタもウエハ２００と同様に）が変形することを抑制するため、電磁波供給部の電源のＯＮ／ＯＦＦを制御することでウエハ２００にホットスポットが生じることを抑制している。
　ここで、上述したように温度センサ２６３は非接触式の温度センサであり、測定対象であるウエハ２００（サセプタが載置されている場合はサセプタもウエハ２００と同様に）に変形や破損が生じると、温度センサがモニタするウエハ２００の位置や、ウエハ２００に対する測定角度が変化するため、測定値（モニタ値）が不正確となり、測定温度が急激に変化してしまうこととなる。本実施形態では、このような測定対象の変形や破損に伴って放射温度計の測定温度が急激に変化することを電磁波供給部のＯＮ／ＯＦＦを行うトリガとして利用している。
　具体的には、基板処理温度を基準とした閾値温度の上限温度と下限温度を予め設定しておき、閾値温度の上限を上回らず、かつ、下限を下回らない温度で基板処理が行われるようにコントローラ１２１によって制御されている。閾値温度の上限は、基板処理温度より高い温度であって、基板処理温度＋５％以内となる温度となるように設定されることが好ましく、閾値温度の下限は、基板処理温度より低い温度であって、基板処理温度－５％以内となる温度となるように設定されることが好ましい。例えば、基板処理温度が８２５℃で処理される場合、上限温度は８２５℃の＋５％の温度である約８６６℃を上限に、８２５℃より高い温度であって、８６６℃以下の温度となるように設定でき、下限温度は８２５℃の－５％である約７８３℃を下限に、８２５℃より低い温度であって、７８３℃以上の温度となるように設定できる。仮に上限温度と下限温度の設定基準を基板処理温度の＋５％よりも高く、または－５％よりも低くなるように設定してしまうと、ウエハ２００の変形量が大きくなってしまい、最悪の場合にはウエハ２００が割れてしまう可能性がある。
　上述した上限温度と下限温度によって改質工程を行った場合、図５に示すように、温度センサ２６３によって測定されているウエハ２００の温度が図示するタイミングＡで下限温度である７８３℃よりも低い温度となったことを検知すると、コントローラ１２１は電磁波供給部、すなわちマイクロ波発振器６５５をＯＦＦにする。マイクロ波発振器６５５をＯＦＦにしてマイクロ波を供給することを停止してウエハ２００の温度が基板処理可能となる温度に昇温するまで待機する。その後、ウエハ２００の温度が基板処理可能となる下限温度の７８３℃となったタイミングＢで、コントローラ１２１がマイクロ波発振器６５５をＯＮとし、ウエハ２００を再度加熱し始める。このように、本発明では上述したタイミングＡのように測定温度が一定範囲を逸脱した場合、温度センサ２６３が正確な温度測定をできなくなっている、すなわち、ウエハ２００が変形していると判断している。したがって、タイミングＡのようにマイクロ波発振器６５５がＯＦＦになることで、マイクロ波によってウエハ２００に生じた加熱集中部分（ホットスポット部分）の熱エネルギーがウエハ２００面内で熱伝導し、ウエハ２００面内に行き渡りウエハ２００面内が均一温度となる。熱伝導によってウエハ２００が均一温度となることからウエハ２００の面内において温度差が小さくなるため、ウエハ２００の変形量も小さくなる。ウエハ２００の変形量が小さくなることで、温度センサ２６３が正確な温度を測定することが可能となる。これによって本来の基板処理温度帯である温度範囲内に温度が復帰することとなり、マイクロ波発振器６５５の電源をＯＦＦにしてもウエハ２００の測定温度が昇温することとなる。この現象は後述するタイミングＣにおいても同じように生じるため、上限温度と下限温度のそれぞれに対して同一の制御を行うことができる。
　ウエハ２００の温度が上限温度よりも高くなるタイミングＣにおいても下限温度のタイミングＡと同様である。すなわち、温度センサ２６３によって測定したウエハ２００の温度が上限温度である８６６℃よりも高くなるとコントローラ１２１がマイクロ波発振器６５５をＯＦＦとする。マイクロ波発振器６５５をＯＦＦとし、マイクロ波を供給することを停止することでウエハ２００の加熱を停止し、ウエハ２００の温度が基板処理可能となる上限温度以下、すなわち８６６℃以下に降温するまで待機する。その後、ウエハ２００の温度が基板処理可能となるタイミングＤでコントローラ１２１がマイクロ波発振器６５５をＯＮとし、ウエハ２００を再度加熱し始める。
　以上のようにマイクロ波発振器６５５を制御することによって、ウエハ２００を加熱し、ウエハ２００表面上に形成されているアモルファスシリコン膜をポリシリコン膜へと改質（結晶化）させる。すなわち、ウエハ２００を均一に改質することが可能となる。なお、ウエハ２００の測定温度が上述した閾値を超えて高くまたは低くなった場合、マイクロ波発振器６５５をＯＦＦとするのではなく、マイクロ波発振器６５５の出力を低くするように制御することでウエハ２００の温度が所定の範囲の温度となるようにしてもよい。この場合、ウエハ２００の温度が所定の範囲の温度に戻るとマイクロ波発振器６５５の出力を高くするように制御される。
　予め設定された処理時間が経過すると、ボート２１７の回転、ガスの供給、マイクロ波の供給および排気管の排気が停止する。
（搬出工程（Ｓ４０５））
　処理室２０１内の圧力を大気圧復帰させた後に、駆動機構２６７は載置台２１０を下降させることにより、炉口を開口するとともに、ボート２１７を搬送空間２０３に搬出（ボートアンローディング）する。その後ボートに載置されているウエハ２００を搬送空間２３の外部に位置する搬送室に搬出する（Ｓ４０５）。
　以上の動作が繰り返されることにより、ウエハ２００が改質処理されることとなる。
（３）本実施形態による効果
　本実施形態によれば以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。
（ａ）基板処理温度を基準に上限温度と下限温度を設定して加熱装置を制御することで、基板処理中にウエハが変形または破損することを抑制することが可能となる。
（ｂ）上限温度と下限温度を基板処理温度の０％より大きく５％以下の範囲で基板処理温度よりも高くまたは低く設定することで、加熱によって一時的に変形したウエハが基板処理後に基に戻ることが可能となり、ウエハが変形または破損することを抑制することが可能となる。
（ｃ）上限温度または下限温度によって加熱装置の出力を低くするか、または、加熱装置の電源をＯＦＦにした後に、ウエハ温度、すなわち温度データが上限温度よりも低く、または、下限温度よりも高くなった場合に加熱装置の出力を高く、または、加熱装置の電源をＯＮにすることで、ウエハを効率よく加熱することが可能となり、ウエハ処理を効率良く行うことが可能となる。
（４）第一の実施形態の変形例
　本実施形態における基板処理装置は、上述の態様に限定されず、以下に示す変形例のように変更することができる。
（変形例１）
　第一の実施形態では、基板処理温度を基準とした閾値としての上限温度と下限温度を設けたが、これに限らず、単位時間当たりの温度変化率を基準として加熱装置を制御するようにしてもよい。このように構成することによって、上限温度と下限温度を設けた場合よりも正確にウエハ２００の変形または破損を抑制することが可能となり、効率的にウエハ処理を行うことが可能となる。
　＜本発明の第二の実施形態＞
　図６に示すように第二の実施形態では、垂直方向多段に基板を複数枚保持可能な、いわゆる、縦型バッチ式の基板処理装置として構成している。このように構成した場合、垂直方向多段に保持されたウエハ２００間に断熱板としての石英プレート１０１ｃが設けられている。
　このように構成することによって、複数枚の基板処理が可能となり、基板処理効率を向上させることが可能となる。
　このとき、断熱板としての石英プレート１０１ｃを載置するのではなく、図示しない電磁波によって誘電加熱される発熱体としてのサセプタを載置したり、断熱板と発熱体の両方を載置するようにしてもよい。また、石英プレート１０１ｃをウエハ２００間に載置しないように構成してもよい。また、図６に示した本実施形態ではボート２１７に保持するウエハ２００を２枚として記載しているが、これに限らず、例えば２５枚や５０枚など多数枚のウエハ２００を処理するようにしてもよい。
　以上、本発明を実施形態に沿って説明してきたが、上述の各実施形態や各変形例等は、適宜組み合わせて用いることができ、その効果も得ることができる。
　例えば、上述の各実施形態では、シリコンを主成分とする膜として、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に改質する処理について記載したが、これに限らず、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）のうち、少なくとも１つ以上を含むガスを供給させて、ウエハ２００の表面に形成された膜を改質しても良い。例えば、ウエハ２００に、高誘電体膜としてのハフニウム酸化膜（ＨｆｘＯｙ膜）が形成されている場合に、酸素を含むガスを供給しながらマイクロ波を供給して加熱させることによって、ハフニウム酸化膜中の欠損した酸素を補充し、高誘電体膜の特性を向上させることができる。
　なお、ここでは、ハフニウム酸化膜について示したが、これに限らず、アルミニウム（Ａｌ）、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、鉛（Ｐｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の少なくともいずれかを含む金属元素を含む酸化膜、すなわち、金属系酸化膜を改質する場合においても、好適に適用可能である。すなわち、上述の成膜シーケンスは、ウエハ２００上に、ＴｉＯＣＮ膜、ＴｉＯＣ膜、ＴｉＯＮ膜、ＴｉＯ膜、ＺｒＯＣＮ膜、ＺｒＯＣ膜、ＺｒＯＮ膜、ＺｒＯ膜、ＨｆＯＣＮ膜、ＨｆＯＣ膜、ＨｆＯＮ膜、ＨｆＯ膜、ＴａＯＣＮ膜、ＴａＯＣ膜、ＴａＯＮ膜、ＴａＯ膜、ＮｂＯＣＮ膜、ＮｂＯＣ膜、ＮｂＯＮ膜、ＮｂＯ膜、ＡｌＯＣＮ膜、ＡｌＯＣ膜、ＡｌＯＮ膜、ＡｌＯ膜、ＭｏＯＣＮ膜、ＭｏＯＣ膜、ＭｏＯＮ膜、ＭｏＯ膜、ＷＯＣＮ膜、ＷＯＣ膜、ＷＯＮ膜、ＷＯ膜を改質する場合にも、好適に適用することが可能となる。
　また、高誘電体膜に限らず、不純物がドーピングされたシリコンを主成分とする膜を加熱させるようにしてもよい。シリコンを主成分とする膜としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）シリコン酸炭化膜（ＳｉＯＣ膜）、シリコン酸炭窒化膜（ＳｉＯＣＮ膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等のＳｉ系酸化膜がある。不純物としては、例えば、臭素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）などの少なくとも１つ以上を含む。
　また、メタクリル酸メチル樹脂（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、ノボラック樹脂、ポリビニルフェニール樹脂などの少なくともいずれかをベースとするレジスト膜であってもよい。
　また、上述では、半導体装置の製造工程の一工程について記したが、これに限らず、液晶パネルの製造工程のパターニング処理、太陽電池の製造工程のパターニング処理や、パワーデバイスの製造工程のパターニング処理などの、基板を処理する技術にも適用可能である。
　以上述べたように、本発明によれば、基板の変形または破損を抑制することが可能となる電磁波熱処理技術を提供することができる。
１０１ａ、１０１ｂ・・・石英プレート（石英板）
１０２・・・ケース（キャビティ）、
１０３・・・反応管、
１２１・・・コントローラ（制御部）、
２００・・・ウエハ（基板）、
２０１・・・処理室、
２１７・・・ボート（基板保持具）、
６５５・・・マイクロ波発振器。

Claims (12)

  1. 電磁波を用いて基板を加熱する加熱装置と、
    前記基板の温度を測定する非接触式の温度測定装置と、
    前記温度測定装置によって測定された温度データを取得し、前記温度データと予め設定していた上限温度と下限温度との比較を行い、前記温度データが前記上限温度よりも高い場合、または、前記温度データが前記下限温度よりも低い場合には、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとするように制御するよう構成される制御部と、
    を有する基板処理装置。
  2. 前記上限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも高い温度であって、基板処理温度＋５％以内の温度となるように設定される請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記下限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも低い温度であって、基板処理温度－５％以内の温度となるように設定される請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 　前記制御部は、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとした後に、前記温度データが前記上限温度よりも低くなるか、または、前記下限温度よりも高くなると、前記加熱装置の出力を高くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＮとするように制御するよう構成される請求項１に記載の基板処理装置。
  5. 電磁波を用いて基板を加熱する加熱装置と、前記基板の温度を測定する非接触式の温度測定装置と、少なくとも前記加熱装置と前記温度測定装置を制御する制御部と、を有する基板処理装置の処理室内に基板を搬入する工程と、
    前記加熱装置から供給された電磁波によって前記基板を加熱して処理する工程と、
    前記基板を処理する処理中に、前記温度測定装置によって測定された温度データを取得し、前記温度データと予め設定していた上限温度と下限温度との比較を行い、前記温度データが前記上限温度よりも高い場合、または、前記温度データが前記下限温度よりも低い場合には、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとするように制御する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  6. 前記上限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも高い温度であって、基板処理温度＋５％以内の温度となるように設定される請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記下限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも低い温度であって、基板処理温度－５％以内の温度となるように設定される請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記制御部は、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとした後に、前記温度データが前記上限温度よりも低くなるか、または、前記下限温度よりも高くなると、前記加熱装置の出力を高くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＮとするように制御する請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 電磁波を用いて基板を加熱する加熱装置と、前記基板の温度を測定する非接触式の温度測定装置と、少なくとも前記加熱装置と前記温度測定装置を制御する制御部と、を有する基板処理装置の処理室内に基板を搬入する手順と、
    前記加熱装置から供給された電磁波によって前記基板を加熱して処理する手順と、
    前記基板を処理する処理中に、前記温度測定装置によって測定された温度データを取得し、前記温度データと予め設定していた閾値としての上限温度と下限温度との比較を行い、前記温度データが前記上限温度よりも高い場合、または、前記温度データが前記下限温度よりも低い場合には、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとするように制御する手順と、
    をコンピュータによって前記基板処理装置に実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  10. 前記上限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも高い温度であって、基板処理温度＋５％以内の温度となるように設定される請求項９に記載の記録媒体。
  11. 前記下限温度は、前記基板を処理する基板処理温度よりも低い温度であって、基板処理温度－５％以内の温度となるように設定される請求項９に記載の記録媒体。
  12. 前記制御部は、前記加熱装置の出力を低くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＦＦとした後に、前記温度データが前記上限温度よりも低くなるか、または、前記下限温度よりも高くなると、前記加熱装置の出力を高くするか、または、前記加熱装置の電源をＯＮとするように制御する請求項９に記載の記録媒体。
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