WO2023105821A1 - 天井ヒータ、半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

天井ヒータ、半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置 Download PDF

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WO2023105821A1
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ceiling heater
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忍 杉浦
哲也 小杉
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株式会社Kokusai Electric
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    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base

Definitions

  • the present disclosure relates to a ceiling heater, a semiconductor device manufacturing method, a substrate processing method, and a substrate processing apparatus.
  • Patent Documents 1 to 3 As one step in the manufacturing process of a semiconductor device, a process of forming a film on a substrate placed in a processing vessel while heating the inside of the processing vessel by a heater is sometimes performed (for example, Patent Documents 1 to 3). 3).
  • An object of the present disclosure is to provide a technology capable of suppressing deformation of a heating element.
  • a ceiling heater provided above the reaction tube, a disk-shaped substrate; a heating element continuously spread over the base material over a plurality of regions obtained by dividing a circle centered at the center of the base material into sectors; each of the heat generating elements laid out in the plurality of areas is connected to the heat generating elements in adjacent areas at one predetermined point;
  • the base material has grooves corresponding to the shape of the heat generating element, walls are formed by portions other than the portions where the grooves are provided, and two areas adjacent to each other are respectively spread over the heat generating element.
  • deformation of the heating element can be suppressed.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a control device in a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. FIG. 4 is a flow diagram showing a substrate processing process in one embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram showing a mounting state of a ceiling heater in one embodiment of the present disclosure
  • 5 is an enlarged sectional view showing a part of the ceiling heater shown in FIG. 4
  • FIG. FIG. 4 is a top view showing the heating element of the ceiling heater in one embodiment of the present disclosure
  • Fig. 4A is a top view of a substrate of a ceiling heater in an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a top view showing the lid member of the ceiling heater in one embodiment of the present disclosure
  • Fig. 3A is a top view of a ceiling heater in accordance with an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 10 is an enlarged view showing the periphery of the folded portion of the heating element arranged on the outermost periphery of the ceiling heater shown in FIG. 9
  • FIG. 10 is a top view showing a modification of the ceiling heater in one embodiment of the present disclosure
  • the substrate processing apparatus 10 includes a cylindrical heating device 12, a cylindrical reaction tube 16 accommodated inside the heating device 12 with a furnace space 14, and a target to be processed in the reaction tube 16. and a boat 20 as a substrate holder for holding the substrate 18 of.
  • the boat 20 can load the substrates 18 in a horizontal state with gaps in multiple stages, and holds a plurality of substrates 18 in the reaction tube 16 in this state.
  • the boat 20 is placed on an elevator (not shown) via a cap 22, and can be raised and lowered by this elevator. Accordingly, loading and unloading of the substrates 18 into and out of the reaction tube 16 is performed by the operation of the elevator.
  • the reaction tube 16 forms a processing chamber 24 for accommodating the substrate 18.
  • a gas introduction pipe 26 is communicated with the reaction tube 16, and gas pipes 61a, 61b, and 61c are connected to the gas introduction pipe 26.
  • Mass flow controllers (MFC) 62a, 62b, 62c as flow rate controllers and valves 64a, 64b, 64c as on-off valves are installed in the gas pipes 61a, 61b, 61c in this order from upstream.
  • a gas exhaust pipe 56 is connected to the inside of the reaction tube 16 to exhaust the inside of the processing chamber 24 .
  • a pressure sensor 68, an APC valve 66 as a pressure regulator, and a vacuum pump 65 as a vacuum device are installed in the gas exhaust pipe 56 in this order from the upstream side.
  • the heating device 12 has a cylindrical shape, and is a side heat generating part serving as a side heating part for heating the furnace space 14 from the side inside the heat insulating structure having a structure in which a plurality of heat insulating bodies are stacked.
  • the furnace further includes a side heater 30 and a ceiling heater 31 serving as an upper heating section for heating the furnace space 14 from above.
  • the ceiling heater 31 is arranged below the upper wall portion 33 of the heat insulating structure and above the reaction tube 16 .
  • the side heater 30 is divided into a plurality of zones in the substrate loading direction, for example, four zones 30-1 to 30-4 from the top.
  • the side heater 30 is configured so that the heating temperature can be individually controlled in each divided zone. Details of the ceiling heater 31 will be described later.
  • the heat insulating structure has a side wall portion 32 as a heat insulating portion formed in a cylindrical shape, and an upper wall portion 33 as a heat insulating portion formed so as to cover the upper end of the side wall portion 32 .
  • the sidewall portion 32 is formed in a multi-layer structure, and is composed of a sidewall outer layer 32a formed on the outer side of the plurality of layers of the sidewall portion 32 and a sidewall inner layer 32b formed on the inner side of the plurality of layers.
  • a cooling gas passage 34 which is a cylindrical space, is formed between the side wall outer layer 32a and the side wall inner layer 32b.
  • a side heater 30 is provided inside the side wall inner layer 32b, and the inside of the side heater 30 serves as a heat generating region.
  • the side wall portion 32 has a structure in which a plurality of heat insulators are laminated, it is needless to say that the structure is not limited to such a structure.
  • a cooling gas supply port 36 is formed in the upper portion of the side wall outer layer 32a. Further, the upper wall portion 33 is formed with a quenching gas discharge port 42 that communicates with the furnace space 14 .
  • a cooling gas discharge port 43 is formed in the lower portion of the side wall outer layer 32a. The quenching gas outlet 42 and the cooling gas outlet 43 are connected to exhaust pipes 45a and 45b, respectively, and merged at a duct 50. As shown in FIG. A radiator 52 and an exhaust fan 54 are connected to the duct 50 from the upstream side, and the heated cooling gas in the heating device 12 is discharged outside the device via the duct 50, the radiator 52 and the exhaust fan 54. .
  • a valve 39a that can be opened and closed is provided near the cooling gas supply port 36 and the duct 38a.
  • a valve 39b that can be opened and closed is provided in the vicinity of the quenching gas discharge port 42 and the duct 50.
  • a valve 39c that can be opened and closed is provided in the vicinity of the cooling gas outlet 43 and the duct 38b.
  • the supply of cooling gas is controlled by opening/closing the valve 39a and ON/OFF of the exhaust fan 54, and the cooling gas passage 34 is closed and opened by opening/closing the valve 39b or the valve 39c and ON/OFF of the exhaust fan 54.
  • the cooling gas is discharged from the quenching gas discharge port 42 or the cooling gas discharge port 43, respectively.
  • the zones 30-1, 30-2, 30-3 and 30-4 of the side heater 30 are respectively provided with first temperature sensors 27-1, 27-2, 27-3 and 27-4 are installed.
  • a second temperature sensor 28 is installed in the ceiling heater 31 .
  • third temperature sensors 29-1, 29-2, 29-3, and 29-4 are installed inside the processing chamber .
  • the third temperature sensor may be installed only when acquiring a profile when starting up the apparatus, and may be removed from the processing chamber 24 during the film forming process.
  • the control device 60 includes the first temperature sensors 27-1, 27-2, 27-3, 27-4, the second temperature sensor 28, the third temperature sensors 29-1, 29-2, 29-3, 29-4, MFC 62a, 62b, 62c, valves 64a, 64b, 64c, APC valve 66, pressure sensor 68, and other constituent parts set temperature, pressure and flow rate set values from control computer 82
  • Each component of the semiconductor manufacturing apparatus as the substrate processing apparatus 10 is controlled based on the following.
  • the temperature control device 74 controls the heater driving devices 76-1 to 76-4 so that the temperatures measured by the first temperature sensors 27-1 to 27-4 are the temperatures set by the control computer 82. Each controls the power supplied to each of the zones 30-1 through 30-4 of the side heater 30 respectively. Further, the temperature measured by the first temperature sensor 27-1 and the second temperature sensor 28 becomes the desired temperature set by the control computer 82, specifically the temperature of the upper substrate. Thus, heater drivers 76-1 and 76-5 control the power supplied to zone 30-1 and ceiling heater 31, respectively.
  • the flow control device 78 controls the MFCs 62a to 62c and the valves 64a to 64c so that the gas flow rate value measured by the flow rate sensor becomes equal to the gas flow rate value set by the control computer 82. It controls the flow rate of gas introduced into the reaction tube 16 of the processing chamber 24 .
  • the pressure control device 80 controls the APC valve 66 and the like so that the pressure inside the reaction tube 16 measured by the pressure sensor 68 becomes equal to the pressure value set by the control computer 82, thereby increasing the pressure in the processing chamber 24. Control pressure.
  • a substrate processing method which is one step of a semiconductor device manufacturing process that is a semiconductor device manufacturing method, is processed.
  • An outline of the processing steps will be described with reference to FIG.
  • This substrate processing step is, for example, one step for manufacturing a semiconductor device.
  • the operation and processing of each part constituting the substrate processing apparatus are controlled by the control device 60.
  • SiN silicon nitride
  • Si source gas which is a liquid Si-containing source gas at room temperature
  • NH 3 ammonia
  • a predetermined film may be formed in advance on the substrate 18, or a predetermined pattern may be formed in advance on the substrate 18 or the predetermined film.
  • Substrate loading step S102 First, the substrates 18 are loaded into the boat 20 and carried into the processing chamber 24, and the substrate loading step S102 is performed.
  • a film forming step S104 for forming a thin film on the surface of the substrate 18 is performed.
  • the film formation process sequentially executes the following four steps.
  • steps 1 to 4 the side heater 30 heats the substrate 18 to a predetermined temperature.
  • the upper part of the reaction tube 16 is heated to a predetermined set temperature by a ceiling heater 31, which will be described later in detail.
  • the predetermined set temperature is appropriately set according to the raw material gas.
  • a Si source gas is supplied into the processing chamber 24 . Specifically, it is as follows.
  • the valve 64a provided in the gas pipe 61a and the APC valve 66 provided in the gas exhaust pipe 56 are both opened, and the Si raw material gas whose flow rate is adjusted by the MFC 62a is passed through the gas introduction pipe 26. While being supplied into the processing chamber 24 from the gas supply hole provided, the gas is exhausted from the gas exhaust pipe 56 . At this time, the pressure inside the processing chamber 24 is kept at a predetermined pressure. A thin film containing silicon (Si) is formed on the surface of the substrate 18 by supplying the Si source gas. [Step 2] In step 2, the valve 64a is closed to stop the supply of the Si raw material gas into the processing chamber 24. As shown in FIG.
  • APC valve 66 of gas exhaust line 56 is left open and process chamber 24 is evacuated by vacuum pump 65 to remove residual gas from process chamber 24 .
  • the valve 64c provided in the gas pipe 61c is opened to supply an inert gas such as N 2 whose flow rate is adjusted by the MFC 62c into the processing chamber 24, thereby purging the residual gas in the processing chamber 24.
  • FIG. [Step 3] In step 3, NH 3 gas is supplied into the processing chamber 24 .
  • Both the valve 64b provided in the gas pipe 61b and the APC valve 66 provided in the gas exhaust pipe 56 are opened to allow the NH 3 gas whose flow rate is adjusted by the MFC 62b to pass through the gas introduction pipe 26.
  • Step 4 the interior of the processing chamber 24 is purged again with an inert gas.
  • the valve 64b is closed to stop the supply of NH3 gas into the processing chamber 24.
  • APC valve 66 of gas exhaust line 56 is left open and process chamber 24 is evacuated by vacuum pump 65 to remove residual gas from process chamber 24 .
  • the valve 64c provided in the gas pipe 61c is opened to supply an inert gas such as N2 whose flow rate is adjusted by the MFC 62c into the processing chamber 24 to purge residual gas in the processing chamber 24.
  • a SiN film having a predetermined thickness is formed on the substrate 18 by repeating steps 1 to 4 as one cycle.
  • the processing gas is supplied to the processing chamber 24 while being heated by at least the side heater 30 and the ceiling heater 31 .
  • at least the ceiling heater 31 continues to heat the upper portion of the reaction tube 16 to maintain a predetermined set temperature.
  • FIG. 3 Structure of Ceiling Heater Next, details of the ceiling heater 31 will be described with reference to FIGS. 4 to 10.
  • FIG. The ceiling heater 31 provided above the reaction tube 16 will be described below.
  • the ceiling heater 31 is provided substantially horizontally above the reaction tube 16 .
  • the ceiling heater 31 is fixed in a suspended state by a support portion 101 provided on the upper wall portion 33 of the heating device 12 .
  • a power feeding portion 103 provided on the upper wall portion 33 of the heating device 12 is connected to a substantially central portion of the ceiling heater 31 .
  • the outer diameter of the ceiling heater 31 is formed to be larger than the outer diameter of the substrate 18 .
  • the ceiling heater 31 includes an electrically insulating disk-shaped base material 98, a heating element 100 that is an electric heating wire, and an electrically insulating cover member 102.
  • the heating element 100 is housed in a groove 98a formed in the base material 98.
  • the base material 98 does not have an opening below the heating element 100 and can substantially support the entire bottom surface of the heating element 100 and keep it flat. With such a configuration, even if the heat generating element 100 is plastically deformed while allowing the heat generating element 100 to move within the groove 98a due to thermal expansion, the heat generating element 100 hangs downward, and the reaction tube is deformed. 16 can be prevented.
  • the heating element 100 is configured so that it meanders outward from the center in a region divided into a plurality of fan shapes, and each circular arc is formed concentrically.
  • An end portion 104 of the heating element 100 positioned at the center of the ceiling heater 31 is a power supply end portion for connecting a power supply line, and is connected to the power supply portion 103 respectively.
  • the heating element 100 is spread over the base material 98 continuously over a plurality of areas obtained by dividing an imaginary circle centered at the center of the base material 98 into sectors. Specifically, the heating element 100 is continuously meanderingly placed on the base material 98 in regions A1 to A8 obtained by dividing a circle A, which is a virtual circle centered at the center of the base material 98, into eight fan-shaped areas. It is designed to be covered. The regions A1 to A8 are formed by equally dividing the circle A into eight sectors. The heating element 100 extends in the circumferential direction in each of the regions A1 to A8, and is formed to meander by folding back at the circumferential end of each region.
  • the meandering patterns in areas A1-A2, areas A3-A4, areas A5-A6 and areas A7-A8 are coincident except for end 104 and have four-fold rotational symmetry around the center of circle A, which is an imaginary circle. be. That is, the heating element 100 has rotational symmetry.
  • the heating element 100 draws a semicircle starting from one of the end portions 104 and then folds it radially outward to form a semicircle with a larger diameter than the semicircle before folding, forming a region A1. again radially outward at the circumferential ends of the . Then, an arc having a central angle of 45 degrees or less with a larger diameter than the semicircle before folding is drawn, and then folded radially outward again at the end of the region A1 in the circumferential direction to make the diameter larger than the arc before folding. Circular arcs with a central angle of 45 degrees or less are drawn, and are repeatedly folded back radially outward at the circumferential end of the region A1, forming concentric circles meandering radially outward within the region A1. .
  • the central angle with a larger diameter than the circular arc before folding is larger than 45 degrees and the central angle is 90 degrees.
  • the central angle is 90 degrees.
  • it folds radially inward in an arc within 100 degrees.
  • an arc having a center angle of 45 degrees or less with a diameter smaller than that of the arc before folding is drawn, and the circular arc is repeatedly folded radially inward at the circumferential end portion of the region A2, while repeating the radially inward in the region A2. It is formed concentrically while meandering in one direction.
  • the heating element 100 when the heating element 100 is folded back so as to reach the arc on the center side of the circle A, it draws an arc with a center angle larger than 45 degrees and within 90 degrees, which is smaller in diameter than the arc before folding. Then, the region A3 is folded radially outward at the end portion in the circumferential direction opposite to the region A2, and an arc having a central angle of 45 degrees or less with a larger diameter than the arc before folding is drawn to form the region A3. It is formed concentrically while meandering outward in the radial direction within the area A3 while repeating folding back at the circumferential end.
  • the heating element 100 is folded so as to approach the outermost circular arc on the circumference side of the circle A in the area A3, the heating element 100 is radially inward in the area A4 similarly to the heating element 100 in the area A2. It is formed concentrically while meandering radially inward in the area A4 while repeating folding at the circumferential end of the area A4.
  • the heating element 100 is folded back so as to reach the arc on the center side of the circle A in the area A4, the heating element 100 is radially outward in the area A5 in the circumferential direction of the area A5 similarly to the heating element 100 in the area A3. It is formed in concentric circles meandering radially outward within the region A5 while repeating folding back at the ends.
  • the heating element 100 is folded so as to approach the outermost circular arc on the circumference side of the circle A in the area A5, the heating element 100 is radially inward in the area A6 similarly to the heating element 100 in the area A2. It is formed concentrically while meandering radially inward in the area A6 while repeating folding back at the circumferential end of the area A6.
  • the heating element 100 when the heating element 100 is folded back so as to reach the arc on the center side of the circle A in the area A6, the heating element 100 extends radially outward in the area A7 in the circumferential direction of the area A7, similarly to the heating element 100 in the area A3. It is formed in concentric circles meandering radially outward within the region A7 while repeating folding back at the ends.
  • the heating element 100 is folded so as to approach the outermost circular arc on the circumference side of the circle A in the area A7, the heating element 100 is radially inward in the area A8 similarly to the heating element 100 in the area A2. It is formed in a concentric circle while meandering radially inward in the area A8 while repeating folding back at the circumferential end of the area A8. After drawing a concentric semicircle in parallel to the end of the region A6 on the side of the region 5 in the circumferential direction, it is folded again in the inner diameter direction, and a semicircle with a smaller diameter than the outer circle is drawn on the side of the region A1 of the region A8. A concentric semicircle is drawn to the circumferential end at the other end of end 104 .
  • the heating element 100 is formed so as to connect the two ends 104 with a single stroke.
  • the heating element 100 can generally have a constant cross-sectional area so that the current density is uniform.
  • the heating element 100 is made of a plate-like material, it can have a substantially constant width.
  • the cross-sectional area of the folded portion 100a or the like may be increased or decreased.
  • the heating element 100 in this embodiment is configured to have a plurality of folded portions 100a, which are folded portions, on the same circumference.
  • the folded positions of the folded portions 100a of the heating elements 100 in each region are aligned in the radial direction and adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the maximum angle of the central angle of the section in which the heating elements 100 are continuously formed in an arc shape is configured to be 90 degrees or less.
  • each heating element 100 spread in each of the areas A1 to A8 is configured to be connected to the heating element 100 in the adjacent area at a predetermined point on the circumference side or the center side of the circle A.
  • the heat generating elements 100 are separated from the heat generating elements 100 in adjacent regions by a predetermined interval.
  • the heating element 100 extends in the circumferential direction in each of the fan-shaped regions A1 to A8, and is folded radially outward or inward at the circumferential ends in each of the regions A1 to A8.
  • Each circular arc is formed concentrically while repeatedly meandering. In this way, by folding back within a plurality of fan-shaped regions, the amount and direction of displacement due to thermal expansion of the heating element become close to each other between the inner side and the outer side of the folded portion 100a, and the deformation of the heating element 100 is suppressed. be done.
  • the greatest elongation due to thermal expansion and plastic deformation occurs because the regions are connected on the circumference of the circle A, and the length of the arc in each region of the circle A is the outermost circular arc having a length approximately twice the length.
  • the outermost circular arc should be allowed to expand about twice as much as the arc when arranged on the circumference of the circle A in each region.
  • the allowable elongation at other locations of the heating element 100 is set to be smaller than or equal to the allowable elongation in the section of the arc one outside. The heating element 100 set in this manner moves in the groove 98a by extension.
  • the heating elements 100 in the two areas connected by the outermost arc may move away from each other. does not spread. That is, the extension of each outermost circular arc affects only locally and they are symmetrical with respect to the center of the circle A, so displacement and deformation of the heating element 100 as a whole are suppressed.
  • the base material 98 has a groove 98a corresponding to the shape of the heating element 100, and a wall 98b is formed at a location other than the location where the groove 98a is provided.
  • the back surface (lower surface) of the surface of the substrate 98 on which the grooves 98a are formed and the surface on which the reaction tubes 16 are installed is formed in a flat plate shape.
  • the base material 98 has a transparent or opaque interior and is made of, for example, synthetic quartz or alumina, and the inner surface of the groove 98a is roughened.
  • the lid member 102 has eight arms 102a radially extending from the center.
  • the lid member 102 is made of synthetic quartz, for example.
  • the heating elements 100 are housed in the grooves 98a of the base material 98 and covered, and the lid member 102 is mounted thereon. That is, the heating element 100 is simply placed on the bottom of the groove 98a. Then, the base material 98 and the cover member 102 are fixed by screwing on the outer peripheral side of the heating element 100 .
  • each arm portion 102a is arranged along the boundary between the adjacent regions between the heating elements 100 in the adjacent regions and between the folded portions 100a. That is, the folded portions 100a of adjacent regions are sandwiched and held between the base material 98 and the lid member 102 (arm portion 102a). In other words, at least a part of the base material 98 and the heating element 100 is open.
  • the cover member 102 that can prevent the folded portion 100a from protruding from the groove 98a and coming into contact with the heating element 100 in the adjacent region can be made lightweight.
  • the interval D1 between the folded portions 100a of adjacent regions is configured to be wider than the width D2 of the wall 98b separating the two regions. That is, it is set so that D1>D2.
  • the distance D3 between the wall 98b separating the regions and the folded portion 100a of the heating element 100 closest to the circumference is configured to be longer than the amount of extension due to plastic deformation of the heating element 100 closest to the circumference. It is This amount of elongation is obtained empirically as it occurs in normal use over the expected service life.
  • the distance between the side portion of the heating element 100 that is laid out so as to extend in the circumferential direction in each region and the wall 98b is the same as the side portion of the heating element 100 on the center side of the circle A and the wall
  • the distance D5 between the side portion of the heating element 100 on the circumferential side of the circle A and the wall 98b is longer than the distance D4 between the wall 98b. That is, it is set so that D4 ⁇ D5.
  • the peripheral portion of the substrate 18 is actively heated, and the substrate 18 is heated. Due to the effect of heat dissipation in the central part, the heating is especially insufficient in the central part. As a result, the in-plane temperature distribution varies, and the in-plane temperature uniformity deteriorates. That is, when the substrate 18 is heated only by the side heater 30, the in-plane temperature distribution of the substrate 18 mounted on the upper part of the boat 20 sometimes becomes a concave distribution in which the temperature in the central portion is low.
  • an iron-based alloy can be used as the material of the heating element, but such a heating element is plastically deformed (elongated) by repeating temperature rise and temperature drop.
  • This plastic deformation is considered to be due to the fact that at least part of the cross section of the heating element is annealed while being subjected to tensile stress during the cooling process. To go. It should be noted that while the number of repetitions is small, it may not expand or contract. Elongation can occur without an external force, so it is difficult to completely suppress it. For this reason, if the heating element stretched to the limit that can be accommodated in the base material thermally expands while being partially restrained on the base material, buckling occurs such that the unconstrained portion of the heating element protrudes from the base material. It happened. This buckling is also plastic deformation, and it gets worse as the elongation progresses. That is, the problem was to improve the durability of the ceiling heater.
  • each of the plurality of fan-shaped regions is formed so as to be folded back at the ends in the circumferential direction, and the length of the arc on the same circumference is shortened. This reduces the amount of elongation per arc, suppresses deformation of the heating element, and prevents the heating element from popping out of the groove formed in the base material.
  • the temperature above the reaction tube 16 can be stabilized, and the uniformity of the film thickness can be improved.
  • the ceiling heater 31 in the above embodiment can be modified as in the following modifications. Unless otherwise described, the configuration of the modified example is the same as the configuration of the above-described embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the ceiling heater 110 in the modified example differs from the above-described ceiling heater 31 in the shape of the heating element and the substrate that accommodates the heating element.
  • the cover member 102 is indicated by a dashed line in order to facilitate understanding of the shapes of the heating element and the base material.
  • the ceiling heater 110 is configured so that the heating element 100 is divided into two. That is, two heat generating elements, a first heat generating element 100-1 and a second heat generating element 100-2, are used as the heat generating element 100.
  • the base material 112 has grooves 112a corresponding to the shapes of the first heating element 100-1 and the second heating element 100-2, and walls 112b are formed at locations other than the locations where the grooves 112a are provided. .
  • the first heating element 100-1 and the second heating element 100-2 are configured to be accommodated in the grooves 112a, respectively.
  • the first heating element 100-1 and the second heating element 100-2 extend in the circumferential direction within the fan-shaped regions A1 to A8, and are folded back at the circumferential ends of each region so as to be laid out in a meandering manner. is formed in
  • the first heat generating element 100-1 extends in the circumferential direction within the regions A1 to A8 with the center of the base material 112 as the starting point of the end portion 104, similarly to the above-described ceiling heater 31. While repeating folding at the directional ends, it is laid down to about half the radius of the base material 112 in each region, and the end point of the other end part 104 is arranged at the center of the base material 112 .
  • the second heat generating element 100-2 extends in the circumferential direction within the areas A1 to A8 with the starting point of the end portion 104a in one of the areas on the outer peripheral side of the first heat generating element 100-1. While repeating the folding back at the circumferential ends, the end point of the other end portion 104a is arranged at a position facing the end portion 104a, which is spread all the way to the outer peripheral side of the base material in each region. At this time, the two end portions 104a are partitioned by the wall 112b, the two end portions 104a are not adjacent to the folded portion 100a, and are arranged on the inner peripheral side of the second heating element 100-2.
  • the second temperature sensor 28 is configured to measure the temperature of both the first heating element 100-1 and the second heating element 100-2.
  • the temperature sensor 28 independently measures the temperature of the first heating element 100-1 and the temperature of the second heating element 100-2. -2 can be controlled independently.
  • the temperature distribution of the ceiling heater can be a convex distribution or a concave distribution.
  • the amount of electric power applied to the second heating element 100-2 can be at least greater than the amount of electric power applied to the first heating element 100-1, the temperature distribution of the ceiling heater can be made concave.
  • the temperature distribution of the ceiling heater during temperature rise can be a convex distribution.
  • the temperature controllability of the upper substrate can be improved, and the surface-to-surface temperature uniformity of the upper substrate can be improved.
  • the temperature stabilization time of the substrate can be shortened, and the productivity can be improved.
  • substrate processing apparatus 18 substrate 30 side heater 31 ceiling heater 98 base material 100 heating element 102 lid member

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Abstract

発熱体の変形を抑制する。　反応管の上方に設けられる天井ヒータであって、円板状の基材と、基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、基材は、発熱体の形状に対応する溝を有し、溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている。

Description

天井ヒータ、半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置
　本開示は、天井ヒータ、半導体装置の製造方法、基板処理方法及び基板処理装置に関する。
　半導体装置の製造工程の一工程として、処理容器内をヒータにより加熱しながら、処理容器内に載置された基板上に膜を形成する処理が行われることがある（例えば特許文献１～特許文献３参照）。
特開２００４－３２７５２８号公報 国際公開第２０１８／１００８５０号パンフレット 国際公開第２０２０／１４５１８３号パンフレット
　本開示は、発熱体の変形を抑制可能な技術を提供することを目的とする。
　本開示の一態様によれば、
　反応管の上方に設けられる天井ヒータであって、
　円板状の基材と、
　前記基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して前記基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、
　前記複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、
　前記基材は、前記発熱体の形状に対応する溝を有し、前記溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている天井ヒータを用いる、
　技術が提供される。
　本開示によれば、発熱体の変形を抑制することができる。
本開示の一実施形態における基板処理装置を示す縦断面図である。 本開示の一実施形態における基板処理装置における制御装置の構成を示す模式図である。 本開示の一実施形態における基板処理工程を示すフロー図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータの取り付け状態を示す図である。 図４に示す天井ヒータの一部を示す拡大断面図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータの発熱体を示す上面図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータの基材を示す上面図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータの蓋部材を示す上面図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータを示す上面図である。 図９に示す天井ヒータの最外周に配置される発熱体の折り返し部周辺を示す拡大図である。 本開示の一実施形態における天井ヒータの変形例を示す上面図である。
（１）基板処理装置の構成
　以下、実施形態について、図面を用いて説明する。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。
　基板処理装置１０は、図１に示すように、円筒状の加熱装置１２と、加熱装置１２の内部に炉内空間１４をもって収容された円筒状の反応管１６と、反応管１６内に処理対象の基板１８を保持する基板保持具としてのボート２０とを備えている。ボート２０は基板１８を水平状態で隙間をもって多段に装填でき、この状態で複数枚の基板１８を反応管１６内で保持する。ボート２０はキャップ２２を介して図外のエレベータ上に載置されており、このエレベータにより昇降可能となっている。したがって、基板１８の反応管１６内への装填および反応管１６からの取り出しはエレベータの作動により行われる。
　また、反応管１６は基板１８を収容する処理室２４を形成しており、反応管１６内にはガス導入管２６が連通され、ガス導入管２６にはガス配管６１ａ，６１ｂ，６１ｃが接続されている。ガス配管６１ａ，６１ｂ，６１ｃには、それぞれ上流から順に流量制御器としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２ａ，６２ｂ，６２ｃ、開閉弁としてのバルブ６４ａ，６４ｂ，６４ｃが設置されている。また、反応管１６内にはガス排気管５６が連通され、処理室２４内の排気を行っている。ガス排気管５６には、上流側から順に圧力センサ６８、圧力調整装置としてのＡＰＣバルブ６６、真空装置としての真空ポンプ６５が設置されている。
　加熱装置１２は、円筒形状であって、複数の断熱体が積層された構造の断熱構造体の内側に、側方から炉内空間１４を加熱する側方加熱部としての側方発熱部である側部ヒータ３０と、上方から炉内空間１４を加熱する上方加熱部としての上方発熱部である天井ヒータ３１を更に有する構成となっている。天井ヒータ３１は、断熱構造体の上壁部３３下方であって、反応管１６上方に配置されている。側部ヒータ３０は基板装填方向に複数に分割されており、例えば上から４つのゾーン３０－１～３０－４に分割されている。側部ヒータ３０は、分割された各ゾーンで個別に加熱温度を制御可能に構成されている。天井ヒータ３１の詳細については後述する。
　断熱構造体は、円筒形状に形成された断熱部としての側壁部３２と、側壁部３２の上端を覆うように形成された断熱部としての上壁部３３と、を有している。側壁部３２は複数層構造に形成され、側壁部３２の複数層のうち外側に形成された側壁外層３２ａと、複数層のうち内側に形成された側壁内層３２ｂから構成される。側壁外層３２ａと側壁内層３２ｂとの間には円筒空間である冷却ガス通路３４が形成されている。そして、側壁内層３２ｂの内側に側部ヒータ３０が設けられ、側部ヒータ３０の内側が発熱領域となっている。尚、側壁部３２は、複数の断熱体が積層された構造であるが、このような構造に限定されないのはいうまでもない。
　側壁外層３２ａの上部には、冷却ガス供給口３６が形成されている。また、上壁部３３には、炉内空間１４に連通する急冷ガス排出口４２が形成されている。また、側壁外層３２ａの下部には、冷却ガス排出口４３が形成されている。急冷ガス排出口４２及び冷却ガス排出口４３は、排気管４５ａ、４５ｂにそれぞれ接続されて、ダクト５０で合流される。ダクト５０には、上流側からラジエータ５２及び排気ファン５４が接続されており、これらダクト５０、ラジエータ５２及び排気ファン５４を介して加熱装置１２内の熱せられた冷却ガスが装置外へ排出される。
　ここで、冷却ガス供給口３６及びダクト３８ａの近傍には、開閉可能な弁３９ａが設けられている。また、急冷ガス排出口４２及びダクト５０の近傍には、開閉可能な弁３９ｂが設けられている。また、冷却ガス排出口４３及びダクト３８ｂの近傍には、開閉可能な弁３９ｃが設けられている。そして、弁３９ｂ、３９ｃをダクト５０又はダクト３８ｂ近傍に配置することにより、未使用時の排出口におけるダクトからの対流の影響を少なくし、ダクト周辺での基板内温度均一性を良好にすることができる。
　更に、弁３９ａの開閉及び排気ファン５４のＯＮ／ＯＦＦにより冷却ガスの供給が操作され、弁３９ｂ又は弁３９ｃの開閉及び排気ファン５４のＯＮ／ＯＦＦにより冷却ガス通路３４を閉鎖及び開放して、急冷ガス排出口４２又は冷却ガス排出口４３からそれぞれ冷却ガスを排出する。
　図２に示すように、側部ヒータ３０の各ゾーン３０－１、３０－２、３０－３、３０－４には、それぞれ温度検出器としての第１温度センサ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４が設置されている。また、天井ヒータ３１には、第２温度センサ２８が設置されている。また、第３温度センサ２９－１、２９－２、２９－３、２９－４が処理室２４内に設置される。第３温度センサは装置立ち上げの際のプロファイル取得時のみに設置し、成膜処理時には処理室２４内から取り外しされていても良い。
　次に、制御装置６０の構成について説明する。図２に示すように、制御装置６０は、第１温度センサ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４、第２温度センサ２８、第３温度センサ２９－１、２９－２、２９－３、２９－４、ＭＦＣ６２ａ，６２ｂ，６２ｃ、バルブ６４ａ，６４ｂ，６４ｃ、ＡＰＣバルブ６６、圧力センサ６８等の構成部分により、制御用コンピュータ８２から設定された温度および圧力・流量の設定値に基づいて基板処理装置１０としての半導体製造装置の各構成部分を制御するよう構成されている。
　温度制御装置７４は、第１の温度センサ２７－１～２７－４それぞれにより測定される温度が、制御用コンピュータ８２により設定された温度になるように、ヒータ駆動装置７６－１～７６－４それぞれが側部ヒータ３０の各ゾーン３０－１～３０－４それぞれに供給する電力を制御する。また、第１の温度センサ２７－１および第２の温度センサ２８により測定される温度が、制御用コンピュータ８２により設定された温度、具体的には、上部の基板の温度が所望の温度となるように、ヒータ駆動装置７６－１、７６－５それぞれがゾーン３０－１と天井ヒータ３１に供給する電力を制御する。
　流量制御装置７８は、流量センサが測定するガスの流量の値が、制御用コンピュータ８２により設定されるガス流量の値に等しくなるように、ＭＦＣ６２ａ～６２ｃ、バルブ６４ａ～６４ｃをそれぞれ制御して、処理室２４の反応管１６内に導入されるガスの流量を制御する。圧力制御装置８０は、圧力センサ６８が測定する反応管１６内部の圧力が、制御用コンピュータ８２により設定される圧力の値に等しくなるように、ＡＰＣバルブ６６等を制御して、処理室２４の圧力を制御する。
（２）基板処理工程
　次に、半導体製造装置としての基板処理装置を使用して、半導体装置の製造方法である半導体装置の製造工程の一工程であり、基板を処理する基板処理方法である基板処理工程の概略について図３を用いて説明する。この基板処理工程は、例えば、半導体装置を製造するための一工程である。なお、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や処理は、制御装置６０により制御される。
　ここでは、基板１８に対して、第１の処理ガス（原料ガス）と第２の処理ガス（反応ガス）とを交互に供給することで、基板１８上に膜を形成する例について説明する。以下、原料ガスとして常温で液体のＳｉ含有原料ガスであるＳｉ原料ガスを用い、反応ガスとしてＮ含有原料ガスであるＮＨ３（アンモニア）ガスを用いて基板１８上に薄膜としてＳｉＮ（シリコン窒化）膜を形成する例について説明する。なお、例えば、基板１８上には、予め所定の膜が形成されていてもよく、また、基板１８又は所定の膜には予め所定のパターンが形成されていてもよい。
（基板搬入工程Ｓ１０２）
　まず、基板１８をボート２０に装填し、処理室２４内へ搬入し、基板搬入工程Ｓ１０２を行う。
（成膜工程Ｓ１０４）
　次に、基板１８の表面上に薄膜を形成する成膜工程Ｓ１０４を行う。成膜工程は次の４つのステップを順次実行する。なお、ステップ１～４の間は、側部ヒータ３０により、基板１８を所定の温度に加熱しておく。また、詳細には後述する天井ヒータ３１により、反応管１６の上方を所定の設定温度に加熱する。所定の設定温度は、原料ガスに応じて適宜設定される。
［ステップ１］
　ステップ１では、Ｓｉ原料ガスを処理室２４内に供給する。具体的には次の通りである。まず、ガス配管６１ａに設けられたバルブ６４ａとガス排気管５６に設けたＡＰＣバルブ６６を共に開けて、ＭＦＣ６２ａにより流量調節されたＳｉ原料ガスをガス導入管２６に通し、ガス導入管２６に形成されたガス供給孔から処理室２４内に供給しつつ、ガス排気管５６から排気する。この際、処理室２４内の圧力を所定の圧力に保つ。Ｓｉ原料ガスの供給により、基板１８の表面にシリコン（Ｓｉ）を含有した薄膜を形成する。
［ステップ２］
　ステップ２では、バルブ６４ａを閉めて処理室２４内へのＳｉ原料ガスの供給を止める。ガス排気管５６のＡＰＣバルブ６６は開いたままにし、真空ポンプ６５により処理室２４を排気し、残留ガスを処理室２４から排除する。また、ガス配管６１ｃに設けられたバルブ６４ｃを開けて、ＭＦＣ６２ｃにより流量調節されたＮ２等の不活性ガスを処理室２４内に供給し、処理室２４内の残留ガスをパージする。
［ステップ３］
　ステップ３では、ＮＨ３ガスを処理室２４内に供給する。ガス配管６１ｂに設けられたバルブ６４ｂとガス排気管５６に設けられたＡＰＣバルブ６６を共に開けて、ＭＦＣ６２ｂにより流量調節されたＮＨ３ガスをガス導入管２６に通し、ガス導入管２６に形成されたガス供給孔から処理室２４に供給しつつ、ガス排気管５６から排気する。また、処理室２４の圧力を所定の圧力に調整する。ＮＨ３ガスの供給により、Ｓｉ原料ガスが基板１８の表面に形成したＳｉ薄膜とＮＨ３ガスが反応して、基板１８上にＳｉＮ膜が形成される。
［ステップ４］
　ステップ４では、再び不活性ガスによる処理室２４内のパージを行う。バルブ６４ｂを閉めて、処理室２４内へのＮＨ３ガスの供給を止める。ガス排気管５６のＡＰＣバルブ６６は開いたままにし、真空ポンプ６５により処理室２４を排気し、残留ガスを処理室２４から排除する。また、ガス配管６１ｃに設けられたバルブ６４ｃを開けて、ＭＦＣ６２ｃにより流量調節されたＮ２等の不活性ガスを処理室２４内に供給し、処理室２４内の残留ガスをパージする。
　上記ステップ１～４を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことにより基板１８上に所定膜厚のＳｉＮ膜を形成する。
（基板搬出工程Ｓ１０６）
　次に、ＳｉＮ膜が形成された基板１８が載置されたボート２０を、処理室２４から搬出する。
　本実施形態によれば、少なくとも側部ヒータ３０と天井ヒータ３１により加熱した状態で処理室２４に処理ガスを供給する構成となっている。つまり、ステップ１～４のサイクルを複数回繰り返している間、少なくとも、天井ヒータ３１は反応管１６の上方を加熱し続けており、所定の設定温度を保つようにしている。
（３）天井ヒータの構成
　次に、天井ヒータ３１の詳細について、図４～図１０を用いて説明する。以下において、反応管１６の上方に設けられる天井ヒータ３１を用いて説明する。
　図４に示すように、天井ヒータ３１は、反応管１６上方に略水平に設けられる。天井ヒータ３１は、加熱装置１２の上壁部３３に設けられた支持部１０１により吊り下げられた状態で固定される。天井ヒータ３１の略中央部には、加熱装置１２の上壁部３３に設けられた給電部１０３が接続される。天井ヒータ３１の外径は基板１８の外径以上に形成されている。
　図５に示すように、天井ヒータ３１は、電気絶縁性を有する円板状の基材９８と、電熱素線である発熱体１００と、電気絶縁性を有する蓋部材１０２を備える。発熱体１００は、基材９８に形成された溝９８ａ内に収容される。基材９８は、発熱体１００の下方に開口を有せず、発熱体１００の底面全体を実質的に支え、平坦に保つことができる。このような構成により、発熱体１００の熱膨張に伴う溝９８ａ内での移動を許容しつつ、発熱体１００が塑性変形を起こした場合であっても、発熱体１００が下方へ垂れ、反応管１６と接触してしまうのを防止することができる。
　図６に示すように、発熱体１００は、中心から外方に向けて複数の扇形状に分割した領域内において蛇行し、各円弧が同心円状に形成されるように構成されている。天井ヒータ３１の中心に位置する発熱体１００の端部１０４は給電線を接続する給電端部であり、それぞれ給電部１０３に接続される。
　発熱体１００は、基材９８の中央を中心とする仮想円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して基材９８上に敷き詰められる。具体的には、発熱体１００は、基材９８の中央を中心とする仮想円である円Ａを扇形状に８分割した領域Ａ１～Ａ８内において蛇行するように連続して基材９８上に敷き詰められるよう構成されている。領域Ａ１～Ａ８は、円Ａを扇形状に８つに等分割することにより形成される。発熱体１００は、それぞれの領域Ａ１～Ａ８内において円周方向に延び、各領域の円周方向の端部で折り返して蛇行するように形成される。領域Ａ１～Ａ２、領域Ａ３～Ａ４、領域Ａ５～Ａ６および領域Ａ７～Ａ８における蛇行のパターンは、端部１０４を除いて一致し、仮想円である円Ａの中心の周りで４回回転対称である。すなわち、発熱体１００は、回転対称性を有する。
　具体的には、発熱体１００は、端部１０４の一方を始点として、半円を描いた後に径方向外向きに折り返し、折り返し前の半円よりも径を大きくした半円を描いて領域Ａ１の円周方向端部で径方向外向きに再び折り返す。そして、折り返し前の半円よりも径を大きくした中心角が４５度以内の円弧を描いて領域Ａ１の円周方向端部で径方向外向きに再び折り返し、折り返し前の円弧よりも径を大きくした中心角が４５度以内の円弧を描いて領域Ａ１の円周方向端部で径方向外向きに再び折り返すことを繰り返しながら領域Ａ１内において径方向外向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、円Ａの円周側であって最外周の円弧に差し掛かるように折り返されると、折り返し前の円弧よりも径を大きくした中心角が４５度より大きく中心角が９０度以内の円弧を描いて、領域Ａ２の、領域Ａ１とは反対側の円周方向端部で、径方向内向きに折り返す。そして、折り返し前の円弧よりも径を小さくした中心角が４５度以内の円弧を描いて領域Ａ２の円周方向端部で径方向内向きに再び折り返すことを繰り返しながら領域Ａ２内において径方向内向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、円Ａの中心側の円弧に差し掛かるように折り返されると、折り返し前の円弧よりも径を小さくした中心角が４５度より大きく中心角が９０度以内の円弧を描いて、領域Ａ３の、領域Ａ２とは反対側の円周方向端部で径方向外向きに折り返し、折り返し前の円弧よりも径を大きくした中心角が４５度以内の円弧を描いて領域Ａ３の円周方向端部で再び折り返すことを繰り返しながら領域Ａ３内において径方向外向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、領域Ａ３における円Ａの円周側であって最外周の円弧に差し掛かるように折り返されると、領域Ａ２における発熱体１００と同様に領域Ａ４内において径方向内向きに領域Ａ４の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら領域Ａ４内において径方向内向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、領域Ａ４における円Ａの中心側の円弧に差し掛かるように折り返されると、領域Ａ３における発熱体１００と同様に領域Ａ５内において径方向外向きに領域Ａ５の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら領域Ａ５内において径方向外向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、領域Ａ５における円Ａの円周側であって最外周の円弧に差し掛かるように折り返されると、領域Ａ２における発熱体１００と同様に領域Ａ６内において径方向内向きに領域Ａ６の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら領域Ａ６内において径方向内向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、領域Ａ６における円Ａの中心側の円弧に差し掛かるように折り返されると、領域Ａ３における発熱体１００と同様に領域Ａ７内において径方向外向きに領域Ａ７の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら領域Ａ７内において径方向外向きに蛇行しつつ同心円状に形成される。
　そして、発熱体１００は、領域Ａ７における円Ａの円周側であって最外周の円弧に差し掛かるように折り返されると、領域Ａ２における発熱体１００と同様に領域Ａ８内において径方向内向きに領域Ａ８の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら領域Ａ８内において径方向内向きに蛇行しつつ同心円状に形成され、中心側の円弧まで内向きに折り返された後は、外側の円と平行に領域Ａ６の領域５側の円周方向端部まで同心円状の半円を描いた後に再び内径方向に折り返して、外側の円よりも径を小さくした半円を領域Ａ８の領域Ａ１側の円周方向端部まで同心円状の半円を描いて端部１０４の他方の終点となる。
　このように、発熱体１００は２つの端部１０４の間を一筆書きで結ぶように形成される。発熱体１００は一般的に、電流密度が一様になるよう、一定の断面積を有しうる。発熱体１００が板状の材料から形成された場合、実質的に一定の幅を有しうる。ただし電流密度又は上昇温度の均一性を改善するため或いは寿命を延ばすために、折り返し部１００ａ等における断面積を増減させても良い。本実施形態における発熱体１００は、同一円周上に折り返し箇所である折り返し部１００ａが複数か所、有するように構成されている。また、各領域内の発熱体１００のそれぞれの折り返し部１００ａの折り返し位置が径方向で一致し、周方向で隣り合うように構成されている。
　また、発熱体１００が円弧状に連続して形成される区間の中心角の最大角度は、９０度以下となるよう構成されている。また、各領域Ａ１～Ａ８内において敷き詰められるそれぞれの発熱体１００は、隣接する領域の発熱体１００と、円Ａの円周側又は中心側の、所定の一箇所で接続されるよう構成されている。また、発熱体１００は、隣接する領域の発熱体１００と、所定の間隔で隔てられている。
　このように、発熱体１００は、扇形状の領域Ａ１～Ａ８内でそれぞれ円周方向に延び、それぞれの領域Ａ１～Ａ８内の円周方向端部で径方向外向き又は内向きに折り返すことを繰り返して蛇行するようにしながら、それぞれの円弧が同心円状に形成されるように構成されている。このように、複数の扇形状の領域内で折り返すように構成することにより、折り返し部１００ａの内側と外側で発熱体の熱膨張による変位の量や向きが近くなり、発熱体１００の変形が抑えられる。
　このようなパターンの形成された発熱体１００において、熱膨張や塑性変形による伸長が最も大きいのは、各領域間を円Ａの円周上で接続され、円Ａの各領域での円弧の長さの約２倍の長さを有する最外周側の円弧である。最外周円弧は、各領域内で円Ａの円周上に配置された場合の円弧の伸長量の約２倍以上の伸長量が許容されるべきである。また、発熱体１００のその他の箇所における伸長許容量は、一つ外側の円弧の区間における伸長許容量よりも小さいか等しくなるように設定される。このように設定された発熱体１００は、伸長によって溝９８ａの中を移動する。特に最外周円弧の伸長に伴って、最外周円弧により接続される２つの領域の発熱体１００が互いに離れる方向に移動しうるが、この移動は当該２つの領域内で収束し、他の領域には波及しない。つまりそれぞれの最外周円弧の伸長は局所的にのみ影響し、またそれらは円Ａの中心を基準にして対称であるので、発熱体１００全体の変位や変形が抑えられる。
　図７に示すように、基材９８は、発熱体１００の形状に対応する溝９８ａを有し、溝９８ａが設けられている箇所以外の箇所により壁９８ｂが形成されている。また、基材９８の溝９８ａが形成されている面の裏面（下面）であって、反応管１６が設置される側の面は、平板状に形成されている。また、基材９８は、内部が透明または不透明であって、例えば合成石英、アルミナ等により構成され、溝９８ａの内側表面が粗面化されている。
　図８に示すように、蓋部材１０２は、中心から放射状に延びる８本の腕部１０２ａを有する。蓋部材１０２は、例えば合成石英により構成される。
　そして、図９に示すように、基材９８の溝９８ａ内に発熱体１００が収容されて敷き詰められ、その上に蓋部材１０２が装着される。つまり発熱体１００は、溝９８ａの底に単に置かれている。そして、基材９８と蓋部材１０２とが、発熱体１００の外周側でビス止めされて固定される。このとき、それぞれの腕部１０２ａは、隣り合う領域の発熱体１００の間であって、折り返し部１００ａの間の、隣り合う領域の境界に沿って配置される。すなわち、隣り合う領域の折り返し部１００ａが、基材９８と蓋部材１０２（腕部１０２ａ）との間に挟まれて保持される。つまり、基材９８と発熱体１００の上方は少なくとも一部が開放される。これにより、折り返し部１００ａが溝９８ａから飛び出して、隣り合う領域の発熱体１００に接触することを防ぐことができる蓋部材１０２を軽量に構成することができる。
　ここで、図１０に示すように、隣り合う領域の折り返し部１００ａの間隔Ｄ１は、２つの領域間を隔てている壁９８ｂの幅Ｄ２よりも広くなるよう構成されている。すなわち、Ｄ１＞Ｄ２となるように設定されている。また、各領域間を隔てる壁９８ｂと最も円周側の発熱体１００の折り返し部１００ａとの間の距離Ｄ３は、最も円周側の発熱体１００の塑性変形による伸長量よりも長くなるよう構成されている。この伸長量は想定する耐用年数における通常の使用で生じるものとして、経験的に得られる。また、各領域内で円周方向に延びるように敷き詰められる発熱体１００の側部と壁９８ｂとの間の距離は、非加熱状態において、円Ａの中心側の発熱体１００の側部と壁９８ｂとの間の距離Ｄ４よりも、円Ａの円周側の発熱体１００の側部と壁９８ｂとの間の距離Ｄ５の方が長くなるよう構成されている。すなわち、Ｄ４＜Ｄ５となるように設定されている。これにより、昇温と降温との繰り返しにより、発熱体が伸長しても、基材９８を構成する壁９８ｂに当たらない程度の空間が確保される。
　ここで、ボート２０の上部に載置された基板１８は側部ヒータ３０のみで加熱される場合（天井ヒータ３１ＯＦＦの場合）、基板１８の周辺部が積極的に加熱され、また、基板１８の中央部の熱逃げの影響により、特に、中央部における加熱が不足する。これにより、面内温度分布にばらつきが生じてしまい、面内温度均一性が悪化することがあった。すなわち、側部ヒータ３０のみで基板１８を加熱した場合、ボート２０上部に載置された基板１８の面内温度分布は中央部の温度が低い凹分布となることがあった。
　また、発熱体の材料として鉄系合金が用いられうるが、このような発熱体は、昇温と降温の繰り返しにより発熱体が塑性変形（伸長）される。この塑性変形は、降温過程で発熱体の断面の少なくとも一部で引張応力を受けながらアニールされることに起因していると考えられ、伸長量は昇温と降温を繰り返す回数に応じて蓄積していく。なお繰り返す回数が少ない間は、伸長しない或いは逆に収縮することもなる。伸長は外力が無くとも起こりえるため、完全に抑制することが難しい。このため、基材に収容できる限界まで伸長した発熱体は、基材上に部分的に拘束された状態で熱膨張すると、発熱体の拘束されていない部分が基材から飛び出すような座屈が発生してしまうことがあった。この座屈も塑性変形であり、伸長の進展とともに悪化していく。すなわち、天井ヒータの耐久性を向上させることが課題であった。
　本開示によれば、複数の扇形状の領域内においてそれぞれ円周方向端部で折り返すように形成し、同一円周上の円弧の長さを短くした。これにより、１つの円弧当たりの伸長量が小さくなり、発熱体の変形が抑制され、発熱体が基材に形成された溝から飛び出すことを抑制することができる。
　また、反応管１６の上方に天井ヒータ３１を設けることにより、反応管１６の上方における温度の安定化を図ることができ、成膜膜厚の均一性を向上させることができる。
　すなわち、発熱体の塑性変形による浮き上がり等の好ましくない変形を防止して、発熱体の接触、短絡や断線を抑制し、天井ヒータ３１の長寿命化を実現することができる。
（４）変形例
　上述の実施形態における天井ヒータ３１は、以下に示す変形例のように変形することができる。特に説明がない限り、変形例における構成は、上述した実施形態における構成と同様であり、説明を省略する。
（変形例）
　上述した天井ヒータ３１の変形例を、図１１を用いて説明する。
　変形例における天井ヒータ１１０は、上述した天井ヒータ３１と、発熱体と、発熱体を収容する基材の形状が異なる。図１１においては、発熱体と基材の形状を分かり易くするため、蓋部材１０２を破線で示している。
　天井ヒータ１１０では、発熱体１００を２分割にするよう構成される。すなわち、発熱体１００として第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２の２つの発熱体を用いる。基材１１２は、第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２の形状に対応する溝１１２ａを有し、溝１１２ａが設けられている箇所以外の箇所により壁１１２ｂが形成されている。第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２は、溝１１２ａ内にそれぞれ収容されるように構成されている。第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２は、扇形状の領域Ａ１～Ａ８内において円周方向に延び、各領域の円周方向端部で折り返して蛇行するように敷き詰められるように形成されている。
　第１発熱体１００－１は、基材１１２中央の中心を端部１０４の始点として、上述した天井ヒータ３１と同様に、領域Ａ１～Ａ８内において、円周方向に延び、各領域の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら、各領域内の基材１１２の半径の半分程度まで敷き詰められて、基材１１２中央の中心に他方の端部１０４の終点を配置する。
　第２発熱体１００－２は、第１発熱体１００－１の外周側のいずれかの領域内を端部１０４ａの始点として、領域Ａ１～Ａ８内において、円周方向に延び、各領域の円周方向端部で折り返すことを繰り返しながら、各領域内の基材の外周側まで敷き詰められて、端部１０４ａと対向する位置に、他方の端部１０４ａの終点を配置する。この時、２つの端部１０４ａは、壁１１２ｂに仕切られ、２つの端部１０４ａは、折り返し部１００ａと隣り合わない位置であり、第２発熱体１００－２における内周側に配置される。
　この時、第２の温度センサ２８は、第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２の両方の温度を測定できるように構成されている。温度センサ２８は第１発熱体１００－１の温度と第２発熱体１００－２の温度とを独立に測定し、ヒータ駆動装置７６－５は第１発熱体１００－１および第２発熱体１００－２を独立して制御できるように構成されている。
　このような構成により、上述した実施形態における天井ヒータ３１による効果に加えて、第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２とで印加電力を異ならせることができるため、第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２の発熱量を異ならせることができる。これにより、天井ヒータの温度分布を凸状分布としたり凹状分布としたりすることができる。例えば、第２発熱体１００－２に印加する電力量を少なくとも第１発熱体１００－１に印加する電力量よりも大きくすることで、天井ヒータの温度分布を凹状分布とすることができる。
　また、第１発熱体１００－１と第２発熱体１００－２とで印加電力を異ならせることができるため、温度昇温時の天井ヒータの温度分布を凸状分布とすることができる。これにより、基板の昇温段階から天井ヒータをＯＮとすることで、より上部の基板の温度制御性を向上させることができ、上部の基板の面間温度均一性を向上させることができる。これにより、基板の温度安定時間を短縮させることができ、生産性を向上させることができる。
　以上、本開示の実施形態及び変形例を具体的に説明した。しかしながら、本開示は上述の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
　例えば、上述の実施形態及び変形例では、１つ又は２つの発熱体を用いる場合を例にして説明したが、これに限らず３つ以上の発熱体を用いる場合にも、好適に適用できる。
　また、上述の実施形態及び変形例では、発熱体１００が、８つの扇形状に分割した各領域内において蛇行するようにして敷き詰められる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、複数の扇形状に分割した各領域内において蛇行するようにすればよく、８以上の扇形状に分割した各領域内において蛇行するようにして敷き詰められる場合にも、好適に適用できる。
　また、上述の実施形態では、基板１８上にＳｉＮ膜を形成する工程の一例について説明したが、本開示はこれに限定されず、天井ヒータ３１を用いて膜を形成、改質或いはエッチングする場合に、好適に適用できる。
　複数枚の被処理体を一括して処理する縦型の処理装置に適用される。
１０　　基板処理装置
１８　　基板
３０　　側部ヒータ
３１　　天井ヒータ
９８　　基材
１００　発熱体
１０２　蓋部材

Claims (19)

  1. 　反応管の上方に設けられる天井ヒータであって、
    　円板状の基材と、
    　前記基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して前記基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、
    　前記複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、
    　前記基材は、前記発熱体の形状に対応する溝を有し、前記溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている、
    　天井ヒータ。
  2. 　前記発熱体は、それぞれの領域内において円周方向に延び、当該領域の円周方向の端部で折り返して蛇行するように敷き詰められる請求項１記載の天井ヒータ。
  3. 　前記発熱体は、隣接する領域の発熱体と、前記円の円周側又は中心側で接続される請求項１記載の天井ヒータ。
  4. 　前記領域間を隔てる壁と最も円周側の前記発熱体との間の距離は、前記最も円周側の発熱体の塑性変形による伸長量よりも長くなるよう構成されている請求項１に記載の天井ヒータ。
  5. 　前記領域間を隔てる壁と最も円周側の前記発熱体との間の距離は、前記最も円周側の発熱体の塑性変形による伸長量よりも長くなるよう構成されている請求項３に記載の天井ヒータ。
  6. 　前記基材又は前記発熱体の上方は少なくとも一部が開放されている請求項１記載の天井ヒータ。
  7. 　前記複数の領域の境界に沿って放射状に延びる腕部を有する蓋部材をさらに備え、
    　前記発熱体が折り返す箇所である折り返し部が、前記基材と前記蓋部材との間に保持される請求項１記載の天井ヒータ。
  8. 　前記複数の領域は、前記基材の中央を中心とする円を８以上の扇形状に分割することにより形成される請求項１記載の天井ヒータ。
  9. 　前記発熱体が円弧状に連続して形成される区間の中心角の最大角度は９０度以下である請求項１記載の天井ヒータ。
  10. 　前記領域内で円周方向に延びるように敷き詰められる発熱体の側部と、前記基材の前記壁との間の距離は、前記円の中心側よりも円周側の方が長くなるよう構成されている請求項２記載の天井ヒータ。
  11. 　前記基材は、透明な石英を含む請求項１記載の天井ヒータ。
  12. 　前記溝は、粗面化された底を有する請求項１記載の天井ヒータ。
  13. 　前記基材は、前記発熱体の底面全体を実質的に支えることが可能に構成される請求項１記載の天井ヒータ。
  14. 　前記基材及び前記蓋部材は、電気絶縁性を有する請求項７記載の天井ヒータ。
  15. 　前記発熱体は、回転対称性を有する請求項２記載の天井ヒータ。
  16. 　前記発熱体は、回転対称性を有する請求項３記載の天井ヒータ。
  17. 　反応管の上方に設けられる天井ヒータであって、円板状の基材と、前記基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して前記基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、前記複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、前記基材は、前記発熱体の形状に対応する溝を有し、前記溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている、前記天井ヒータの発熱量を制御して、前記反応管内の基板を加熱する工程と、
    　前記基板に処理ガスを供給して、前記基板を処理する工程と、
    　を備える半導体装置の製造方法。
  18. 　反応管の上方に設けられる天井ヒータであって、円板状の基材と、前記基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して前記基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、前記複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、前記基材は、前記発熱体の形状に対応する溝を有し、前記溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている、前記天井ヒータを制御して、前記反応管内の基板を加熱する工程と、
    　前記基板に処理ガスを供給して、前記基板を処理する工程と、
    　を備える基板処理方法。
  19. 　反応管と、
    　前記反応管の上方に設けられる円板状の基材と、前記基材の中央を中心とする円を扇形状に分割した複数の領域に亘って連続して前記基材上に敷き詰められた発熱体と、を備え、前記複数の領域内において敷き詰められたそれぞれの発熱体は、隣接する領域の発熱体と、所定の一箇所で接続され、前記基材は、前記発熱体の形状に対応する溝を有し、前記溝が設けられている箇所以外の箇所により壁が形成され、互いに隣接する２つの領域内においてそれぞれ敷き詰められた発熱体の間隔は、当該２つの領域間を隔てている壁の幅よりも広くなるよう構成されている、天井ヒータと、
    を備える基板処理装置。
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