JP4887293B2 - 基板処理装置、基板の製造方法、半導体装置の製造方法、及び基板処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウエハやガラス基板等を処理するための基板処理装置や、その装置を用いて基板を処理する工程を有する基板の製造方法または半導体装置の製造方法に関する。
従来、基板を処理するための基板処理装置として、縦型熱処理装置が広く用いられている。例えば、この種の基板処理装置において、加熱領域に配設された熱電対により温度を検出し、熱電対の検出出力に基づいてヒータの温度を制御し、加熱領域の温度を均一に保持するものが公知となっている（例えば特許文献１）。
しかしながら、加熱領域を強制冷却して反応空間内の温度を降下させる処理を行う際、すなわち急冷処理の際に温度制御が正確に行われないという問題があった。
この原因は、急冷処理において、ブロアを用いて反応容器（反応管）外側に冷却用エアの流れを作ることにより反応容器内を冷却していたため、反応容器に対して熱容量の小さな熱電対が冷却用エアの流れを受けて反応容器内よりも早く冷却されてしまい、実際の反応容器内温度と熱電対の測定温度とに差異が生じていたためと考えられる。
また、熱電対が熱膨張等による他の部材との接触や外的な応力などで、根元部や胴部で折れてしまうことがあった。
この原因は、急冷処理において、ブロアを用いて反応容器（反応管）外側に冷却用エアの流れを作ることにより反応容器内を冷却していたため、反応容器に対して熱容量の小さな熱電対が冷却用エアの流れを受けて反応容器内よりも早く冷却されてしまい、実際の反応容器内温度と熱電対の測定温度とに差異が生じていたためと考えられる。
また、熱電対が熱膨張等による他の部材との接触や外的な応力などで、根元部や胴部で折れてしまうことがあった。
本発明の目的は、上記従来の問題点を解消し、反応管内の温度制御を正確に行うことができる基板処理装置、基板の製造方法及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の第１の特徴とするところは、基板を処理する反応管と、前記反応管内の基板を加熱するヒータと、前記反応管外部に冷却用の流体を流通させる流路と、前記反応管周辺の温度を検出する熱電対と、を有し、前記熱電対は保護管で覆われた状態で前記冷却用の気体を流通させる流路内に設けられ、前記保護管の外部には前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮るカバーが設けられ、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理装置にある。
好ましくは、前記開口部により前記熱電対の測温接点が位置する前記保護管の先端部は露出しており、前記保護管は前記露出した先端部が前記反応管の外側面と対向するように配置される。好ましくは、前記冷却用の流体は前記反応管の外側面と平行に流れるように構成される。
また、好ましくは、前記保護管は、その管軸が、前記冷却用の流体の流れと直角となるように配置される。好ましくは、前記保護管は、その管軸が、前記反応管の管軸と直角となるように配置される。好ましくは、前記保護管は、その管軸が、水平となるように配置される。好ましくは、前記保護管と前記カバーとの間には空間が設けられる。好ましくは、前記カバーは、前記保護管の側面の少なくも一部を覆うように構成されている。好ましくは、前記カバーは、前記保護管の側面の全体を覆うように構成されている。
好ましくは、前記カバーは、アルミナ、ジルコニアまたは炭化珪素製である。
本発明の第２の特徴とするところは、反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板の製造方法にある。
本発明の第３の特徴とするところは、反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される半導体装置の製造方法にある。
本発明の第４の特徴とするところは、反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理方法にある。
本発明の第４の特徴とするところは、反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理方法にある。
本発明によれば、冷却用の流体の保護管に向かう流れを遮るように保護管の外部にカバーを設けたことにより、冷却用の流体の影響が軽減され、反応管内の温度制御を正確に行うことができる。
１０ 基板処理装置
１２ 筐体
１４ ポッドステージ
１６ ポッド
１８ ポッド搬送装置
２０ ポッド棚
２２ ポッドオープナ
２４ 基板枚数検知器
２６ 基板移載機
２８ ノッチアライナ
３０ 基板支持具（ボート）
３２ アーム（ツィーザ）
４０ 反応炉
４２ 反応管
４３ 反応容器
４４ アダプタ
４６ ヒータ
４６ａ ヒータ素線
４６ｂ 断熱材
４６ｃ 冷却用エア取り入れ口
４８ 炉口シールキャップ
５０ 第２の断熱部材
５２ 第１の断熱部材
５４ 基板
５６ ガス供給口
５７ 本体部
５８ 支持部
５９ ガス排気口
６０ ガス導入管
６２ 排気管
６４ ガス導入経路
６６ ノズル
７０ 冷却用エア
７２ 冷却用エア流路
７４ 排気口
７６ 排気路
７８ ラジエータ
８０ ブロア
８２ 熱電対
８４ 制御装置
８６ 保護管
８８ カバー部材
９０ 開口部
９２ 穴
９４ 根元部分
９６ 第１の鍔部
９８ 第２の鍔部
１００ 固定具
１０２ 固定プレート
１２ 筐体
１４ ポッドステージ
１６ ポッド
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９８ 第２の鍔部
１００ 固定具
１０２ 固定プレート
次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る基板処理装置１０の一例を示す。この基板処理装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。この筺体１２の正面側には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚の基板が収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。
図１に、本発明の実施形態に係る基板処理装置１０の一例を示す。この基板処理装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。この筺体１２の正面側には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚の基板が収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。
筺体１２内の正面側であって、ポッドステージ１４に対向する位置には、ポッド搬送装置１８が配置されている。また、このポッド搬送装置１８の近傍には、ポッド棚２０、ポッドオープナ２２及び基板枚数検知器２４が配置されている。ポッド棚２０はポッドオープナ２２の上方に配置され、基板枚数検知器２４はポッドオープナ２２に隣接して配置される。ポッド搬送装置１８は、ポッドステージ１４とポッド棚２０とポッドオープナ２２との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２２は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、この蓋が開けられたポッド１６内の基板枚数が基板枚数検知器２４により検知される。
さらに、筺体１２内には、基板移載機２６、ノッチアライナ２８及び基板支持具３０（ボート）が配置されている。基板移載機２６は、例えば５枚の基板を取り出すことができるアーム（ツイーザ）３２を有し、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２２の位置に置かれたポッド１６、ノッチアライナ２８及び基板支持具３０間で基板を搬送する。ノッチアライナ２８は、基板に形成されたノッチまたはオリフラを検出して基板のノッチまたはオリフラを一定の位置に揃えるものである。
さらに、筺体１２内の背面側上部には反応炉４０が配置されている。この反応炉４０内に、複数枚の基板を装填した基板支持具３０が搬入され熱処理が行われる。
図２に反応炉４０の一例を示す。この反応炉４０は、炭化珪素（ＳｉＣ）製の反応管４２を有する。この反応管４２は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしており、開放された下端部はフランジ状に形成されている。この反応管４２の下方には反応管４２を支持するよう石英製のアダプタ４４が配置される。このアダプタ４４は上端部と下端部が開放された円筒形状をしており、開放された上端部と下端部はフランジ状に形成されている。アダプタ４４の上端部フランジの上面に反応管４２の下端部フランジの下面が当接している。反応管４２とアダプタ４４により反応容器４３が形成されている。また、反応容器４３のうちアダプタ４４を除いた反応管４２の周囲には、反応管４２内の基板を加熱するヒータ４６が配置されている。
反応管４２とアダプタ４４により形成される反応容器４３の下部は、基板支持具３０を挿入するために開放され、この開放部分（炉口部）は炉口シールキャップ４８がＯリングを挟んでアダプタ４４の下端部フランジの下面に当接することにより密閉されるようにしてある。炉口シールキャップ４８は基板支持具３０を支持し、基板支持具３０と共に昇降可能に設けられている。炉口シールキャップ４８と基板支持具３０との間には、石英製の第１の断熱部材５２と、この第１の断熱部材５２の上部に配置された炭化珪素（ＳｉＣ）製の第２の断熱部材５０とが設けられている。基板支持具３０は、多数枚、例えば２５〜１００枚の基板５４を水平状態で隙間をもって多数段に支持し、反応管４２内に装填される。
１２００℃以上の高温での処理を可能とするため、反応管４２は炭化珪素（ＳｉＣ）製としてある。このＳｉＣ製の反応管４２を炉口部まで延ばし、この炉口部をＯリングを介して炉口シールキャップでシールする構造とすると、ＳｉＣ製の反応管４２を介して伝達された熱によりシール部まで高温となり、シール材料であるＯリングを溶かしてしまうおそれがある。Ｏリングを溶かさないようＳｉＣ製の反応管４２のシール部を冷却すると、ＳｉＣ製の反応管４２が温度差による熱膨張差により破損してしまう。そこで、反応容器４３のうちヒータ４６による加熱領域をＳｉＣ製の反応管４２で構成し、ヒータ４６による加熱領域から外れた部分を石英製のアダプタ４４で構成することで、ＳｉＣ製の反応管からの熱の伝達を和らげ、Ｏリングを溶かすことなく、また反応管４２を破損することなく炉口部をシールすることが可能となる。また、ＳｉＣ製の反応管４２と石英製のアダプタ４４とのシールは、双方の面精度を良くすれば、ＳｉＣ製の反応管４２はヒータ４６の加熱領域に配置されているため温度差が発生せず、等方的に熱膨張する。よって、ＳｉＣ製の反応管４２下端部のフランジ部分は平面を保つことができ、アダプタ４４との間に隙間ができないので、ＳｉＣ製の反応管４２を石英製のアダプタ４４に載せるだけでシール性を確保することができる。
アダプタ４４には、アダプタ４４と一体にガス供給口５６とガス排気口５８とが設けられている。ガス供給口５６にはガス導入管６０が、ガス排気口５８には排気管６２がそれぞれ接続されている。アダプタ４４の内壁は反応管４２の内壁よりも内側にあり（突出しており）、アダプタ４４の側壁部（肉厚部）には、ガス供給口５６と連通し、垂直方向に向かうガス導入経路６４が設けられ、その上部にはノズル取付孔が上方に開口するように設けられている。このノズル取付孔は、反応管４２の内部におけるアダプタ４４の上端部フランジ側の上面に開口しており、ガス供給口５６及びガス導入経路６４と連通している。このノズル取付孔にはノズル６６が挿入され固定されている。すなわち、反応管４２内部におけるアダプタ４４の反応管４２の内壁よりも内側に突出した部分の上面にノズル６６が接続され、このアダプタ４４の上面によりノズル６６が支持されることとなる。この構成により、ノズル接続部は熱で変形しにくく、また破損しにくい。また、ノズル６６とアダプタ４４の組立て、解体が容易になるというメリットもある。ガス導入管６０からガス供給口５６に導入された処理ガスは、アダプタ４４の側壁部に設けられたガス導入経路６４、ノズル６６を介して反応管４２内に供給される。なお、ノズル６６は、反応管４２の内壁に沿って基板配列領域の上端よりも上方（基板支持具３０の上端よりも上方）まで延びるように構成される。
また、上述したヒータ４６はヒータ素線４６ａ及び断熱材４６ｂから構成されている。ヒータ４６の断熱材４６ｂは、反応炉４０の上部および側部に設けられ、ヒータ素線４６ａは、反応炉４０の側部に設けられた断熱材４６ｂの内側に配設されている。ヒータ４６は複数、例えば５つのゾーンに分割されている。また、反応炉４０の側部に設けられたヒータ４６には、冷却用エア取り入れ口４６ｃ（図３に示す）が設けられている。この冷却用エア取り入れ口４６ｃは、図示しない冷却用エア供給源と後述する冷却用エア流路７２とを連通し、均等な分布となるように所定の数設けられている。なお、冷却用エア供給源を設けることなく、反応炉４０の上方に設けられた後述するブロア８０で反応炉４０の周囲の雰囲気を引くことにより、周囲のエアが流通するようにしてもよい。
また、反応管４２外部には冷却用の流体を流通させる流路が設けられている。具体的には、反応管４２とヒータ４６との間に冷却用の流体としての冷却用エア（空気）７０を流通させるための冷却用エア流路７２が、反応管４２を全体的に包囲するように形成されている。なお、冷却用の流体としては、空気の他に窒素（Ｎ２）などを用いるようにしてもよい。また、反応炉４０の上部に設けられた断熱材４６ｂの中央部には、冷却用エア７０を冷却用エア流路７２から排出するための排気口７４が形成されており、この排気口７４は排気路７６に連通している。さらに排気路７６の下流方向にはラジエータ（熱交換器）７８、ブロア８０が配設されている。冷却用エア７０は、冷却用エア取り入れ口４６ｃ、冷却用エア流路７２、排気口７４および排気路７６を介し、ラジエータ７８により熱が除去されてブロア８０により排気されるようになっている。このように、冷却用エア流路７２は、冷却用エア７０が反応管４２の外側面を平行に流れるように構成されている。
上述した反応炉４０の冷却用エア流路７２には、反応管４２周辺の温度を検出する複数（例えば５つ）の熱電対８２が設けられている。具体的には、これらの熱電対８２は、各ヒータゾーンに対応するように垂直方向の複数の位置（例えば５箇所）に配置され、反応管４２の外壁近傍の雰囲気温度を検出するようになっている。これらの熱電対８２は、ヒータ４６（ヒータ素線４６ａ及び断熱材４６ｂ）の外部からこのヒータ４６を貫通するように反応炉４０内部に向かって差し込まれ、先端部（温度検知部である測温接点（熱接点））が反応管４２の外壁近傍に配置されている。
また、基板処理装置１０には制御装置８４が設けられている。この制御装置８４には、上述したヒータ４６（ヒータ素線４６ａ）及び熱電対８２がそれぞれ接続されている。熱電対８２は、温度検出結果を制御装置８４に送信し、制御装置８４は、この熱電対８２によって検出された温度によってヒータ４６をフィードバック制御するようになっている。すなわち、制御装置８４は、ヒータ４６の目標温度と熱電対８２より検出された温度との差を求めて、差がある場合にはこの差を解消させるフィードバック制御を実行するようになっている。なお、制御装置８４は、この他、基板処理装置を構成する各部の動作制御をも行う。
次に、上述したように構成された基板処理装置１０の作用、すなわち上述の基板処理装置１０を用いて、例えば基板の製造工程もしくは半導体装置の製造工程の一工程として基板を処理する方法について説明する。
なお、以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作は、制御装置８４により制御される。
まず、ポッドステージ１４に複数枚の基板５４を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されている基板５４の枚数を検知する。
なお、以下の説明において、基板処理装置１０を構成する各部の動作は、制御装置８４により制御される。
まず、ポッドステージ１４に複数枚の基板５４を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されている基板５４の枚数を検知する。
次に、基板移載機２６により、ポッドオープナ２２の位置にあるポッド１６から基板５４を取り出し、ノッチアライナ２８に移載する。このノッチアライナ２８においては、基板５４を回転させながら、ノッチを検出し、検出した情報に基づいて複数枚の基板５４のノッチを同じ位置に整列させる。次に、基板移載機２６により、ノッチアライナ２８から基板５４を取り出し、基板支持具３０に移載する（基板移載工程）。
このようにして、１バッチ分の基板を基板支持具３０に移載すると、例えば６００℃程度の温度に設定された反応炉４０内（反応容器４３内）に複数枚の基板５４を装填した基板支持具３０を搬入し、炉口シールキャップ４８により反応炉４０内を密閉する（基板搬入工程）。次に、炉内温度を熱処理温度まで昇温させて（昇温工程）、ガス導入管６０からガス導入口５６、アダプタ４４側壁部に設けられたガス導入経路６４、及びノズル６６を介して反応管４２内に処理ガスを導入する。処理ガスには、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、ジクロロエチレン（Ｃ２Ｈ２Ｃｌ２、略称ＤＣＥ）等が含まれる。基板５４を熱処理する際、基板５４は例えば１２００℃程度以上の処理温度に加熱される（基板処理工程）。
基板５４の熱処理が終了すると、例えば炉内温度を処理温度から６００℃程度の温度まで降温する。この炉内温度を降温する際に、例えば炉内を急速に冷却するときは、冷却用エア７０を図示しない冷却用エア供給源より冷却用エア取り入れ口４６ｃを介して冷却用エア流路７２に供給し、排気口７４及び排気路７６を介し、ラジエータ７８により熱を除去し、ブロア８０により炉外に排気する。なお、冷却用エア供給源を設けない場合は、ブロア８０により反応管４２周囲の雰囲気を引くことにより、反応炉４０外部のエアを、冷却用エア取り入れ口４６ｃを介して冷却用エア通路７２内に取り込み、排気口７４、排気路７６を介し、ラジエータ７８により熱を除去し、ブロア８０を介して炉外に排気することとなる。すなわち、反応管４２周辺に風（冷却用エア７０）の流れをつくり、反応炉４０内すなわち反応管４２内を急速に冷却する。このとき、後述する保護管８２で覆われた熱電対８２により反応管４２周辺の温度を検出しつつ反応管４２内の温度を降温する（降温工程）。
炉内温度を降温した後、熱処理後の基板５４を支持した基板支持具３０を反応炉４０から搬出し（基板搬出工程）、基板支持具３０に支持された全ての基板５４が冷えるまで、基板支持具３０を所定位置で待機させる（基板冷却工程）。次に、待機させた基板支持具３０の基板５４が所定温度まで冷却されると、基板移載機２６により、基板支持具３０から基板５４を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する（基板回収工程）。次に、ポッド搬送装置１８により、基板５４が収容されたポッド１６をポッド棚２０、またはポッドステージ１４に搬送して一連の処理が完了する。
炉内温度を降温した後、熱処理後の基板５４を支持した基板支持具３０を反応炉４０から搬出し（基板搬出工程）、基板支持具３０に支持された全ての基板５４が冷えるまで、基板支持具３０を所定位置で待機させる（基板冷却工程）。次に、待機させた基板支持具３０の基板５４が所定温度まで冷却されると、基板移載機２６により、基板支持具３０から基板５４を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する（基板回収工程）。次に、ポッド搬送装置１８により、基板５４が収容されたポッド１６をポッド棚２０、またはポッドステージ１４に搬送して一連の処理が完了する。
次に、上述した熱電対８２について図３に基づいて詳細に説明する。
図３（ａ）においては、便宜上、熱電対８２は、複数あるうちの１つだけを示している。
図３（ａ）に示すように、熱電対８２は保護管８６で覆われた状態で冷却用エア７０を流通させる冷却用エア流路７２に設けられている。この保護管８６はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなり、先端部が閉塞され後端部が開放された円筒形状に形成され、その管軸が反応管４２の管軸と略直角となるように配置されている。
図３（ａ）においては、便宜上、熱電対８２は、複数あるうちの１つだけを示している。
図３（ａ）に示すように、熱電対８２は保護管８６で覆われた状態で冷却用エア７０を流通させる冷却用エア流路７２に設けられている。この保護管８６はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなり、先端部が閉塞され後端部が開放された円筒形状に形成され、その管軸が反応管４２の管軸と略直角となるように配置されている。
また、保護管８６の外部にはカバー部材８８が設けられている。このカバー部材８８は、例えばアルミナからなり、少なくとも保護管８６の側面の全体を覆うように構成されている。カバー部材８８は、保護管８６よりも大きな径を有する円筒形状に形成されていることから、保護管８６とカバー部材８８との間には空間が形成され、この構成により、これら保護管８６とカバー部材８８との間に気体（空気）の層が形成される。
図３（ｂ）に示すように、カバー部材８８の先端部は開放されている（先端開放型）。すなわち、カバー部材８８の先端部には開口部９０が設けられており、この開口部９０は、上述した冷却用エア流路７２を流れる冷却用の流体すなわち冷却用エア７０の流れに対して垂直な方向に向くように形成されている。カバー部材８８は、開口部９０が反応管４２の外側面と対向するように配置されている。また、開口部９０により熱電対８２の温測接点が位置する保護管８６の先端部は露出しており、保護管８６は露出された先端部が反応管４２の外側面と対向するように配置されている。
これら熱電対８２、保護管８６及びカバー部材８８は、冷却用の流体（冷却用エア７０）を流通させる流路内すなわち冷却用エア流路７２に設けられており、カバー部材８８により冷却用エア７０の保護管８６に向かう流れを遮るように構成されている。したがって、保護管８６は、その管軸が反応管４２の管軸と略直角となるよう、すなわちその管軸が水平となるように配置にされている。
また、図３（ｃ）に示すように、カバー部材８８は、このカバー部材８８の先端部に開口部９０を有さない、すなわち先端部が閉塞されている形状としてもよい（先端封止型）。
図４に先端開放型における熱電対８２、保護管８６及びカバー部材８８の取り付け構造が示されている。
図４に示すように、断熱材４６ｂの側壁にはカバー部材８８を通す穴９２が設けられている。カバー部材８８の根元部分９４、すなわち開口部９０が設けられた先端部とは反対側の端部には鍔部（フランジ部）９６が設けられている。この鍔部９６は、カバー部材８８を断熱材４６ｂの外側から該断熱材４６ｂの穴９２に挿入し、該カバー部材８８を所定の位置に設置した際に断熱材４６ｂの外壁に当接するように配置される。また、保護管８６の根元部分にも鍔部（フランジ部）９８が設けられている。この鍔部（フランジ部）９８は、保護管８６をカバー部材８８の内部に挿入し、該保護管８６を所定の位置に設置した際にカバー部材８８の鍔部９６に当接するように配置される。カバー部材８８の鍔部９６と保護管８６の鍔部９８とにはボルト等の固定具１００を通す貫通孔が設けられており、これらカバー部材８８及び保護管８６は、固定プレート１０２を介して固定具１００により固定されるようになっている。なお、熱電対（熱電対の素線）８２は保護管８６の根元部分において保護管８６に取り付けられている。
図４に示すように、断熱材４６ｂの側壁にはカバー部材８８を通す穴９２が設けられている。カバー部材８８の根元部分９４、すなわち開口部９０が設けられた先端部とは反対側の端部には鍔部（フランジ部）９６が設けられている。この鍔部９６は、カバー部材８８を断熱材４６ｂの外側から該断熱材４６ｂの穴９２に挿入し、該カバー部材８８を所定の位置に設置した際に断熱材４６ｂの外壁に当接するように配置される。また、保護管８６の根元部分にも鍔部（フランジ部）９８が設けられている。この鍔部（フランジ部）９８は、保護管８６をカバー部材８８の内部に挿入し、該保護管８６を所定の位置に設置した際にカバー部材８８の鍔部９６に当接するように配置される。カバー部材８８の鍔部９６と保護管８６の鍔部９８とにはボルト等の固定具１００を通す貫通孔が設けられており、これらカバー部材８８及び保護管８６は、固定プレート１０２を介して固定具１００により固定されるようになっている。なお、熱電対（熱電対の素線）８２は保護管８６の根元部分において保護管８６に取り付けられている。
このように、冷却用エア７０の保護管８６に向かう流れを遮るように保護管８６の外部にカバー部材８８を設けたことにより、冷却用エア７０の影響を軽減させることができる。すなわち、保護管８６をカバー部材８８で覆うことにより、保護管８６が冷却用エア流路７２を流通する冷却用エア７０の流れを直接受けないようにすることができる（冷却用エア７０の流れによる風が保護管８６に直接衝突しないようにすることができる）。また、例えばアルミナ製のカバー部材８８を設けることにより、熱電対８２（及び保護管８６）の熱容量を増大させることができる。これにより、熱電対８２（及び保護管８６）が反応管４２内の温度よりも早く温度低下してしまうことを防ぐことができる。したがって、保護管８６にカバー部材８８を設けて反応管４２内の温度制御を行うことで、温度変化率の大きいイベント、例えば炉内を急速に冷却する際などにおいても熱電対８２の応答性を向上させることができ、もって反応管４２内の温度制御を正確に行うことができる。
また、保護管８６とカバー部材８８との間に形成される空気の層は断熱層となり、断熱効果をもたらす。すなわち、この空気の層により、炉内の熱が熱電対８２及び保護管８６を伝導して根元部へ逃げて炉外に放出することを抑制し、昇温時や温度安定時における炉内の温度低下や、熱電対８２による検出温度の低下を防ぐことができる。さらに、カバー部材８８の形状が先端封止型の場合においては、この断熱層内の空気の流れが少ないことから、より高い断熱効果を得ることができる。
また、カバー部材８８の形状が先端開放型の場合においては、先端部が開放されて反応管４２の近傍にあり、且つ先端部以外の側面はカバー部材で覆われているので、冷却用エア７０の保護管８６に向かう流れを遮ることができるとともに、反応管４２からの輻射熱（放射熱）や熱伝達による熱（反応管４２から反応管４２外部の空気への熱伝達による熱）をより的確に熱電対８２に伝えることができ、反応管４２内の温度と熱電対８２の検出温度との差を小さくすることができる。すなわち反応管４２内の温度に対する熱電対８２の応答性をより向上させることができる。
また、保護管８６にカバー部材８８を設けることにより、熱電対８２及び保護管８６を保護することができ、熱電対８２の根元部や胴部の折れ等を防止し、もって熱電対８２の安全性および寿命を向上することができる。
次に、本実施例におけるカバー部材を有する熱電対の応答性について、下記の実験結果（図５）に基づいて説明する。
図５は、降温時における炉内の測定温度を示し、反応管内の温度に対する各熱電対（後述）の応答性を表すグラフである。
反応管内の基板に熱電対を設置し、該反応管内の温度を測定した（図５の反応管内温度）。また、反応管周辺に保護管を有する熱電対（従来型）、保護管およびカバー部材（先端開放型）を有する熱電対、保護管およびカバー部材（先端封止型）を有する熱電対を設置し反応管周辺の温度を測定した。
反応管周辺に設置された従来型の熱電対によりヒータの温度制御を行い、９００℃から６００℃まで降温レート３０℃／ｍｉｎの条件で降温試験を行った。
図５に示すように、反応管内の温度は、制御温度（従来型の熱電対）に対して高い温度を示している。また、先端開放型のカバー部材を有する熱電対および先端封止型のカバー部材を有する熱電対においても、反応管内の温度に対して一定の温度差はあるものの制御温度（従来型の熱電対）に対して高い温度を示す結果となった。一方、従来型の熱電対は、冷却用エアの流れを受けることにより、最も低い温度を示す結果となったと考えられる。すなわち、カバー部材（先端開放型および先端封止型）を有する熱電対は、従来型の熱電対と比較して、反応管内の温度により近い温度を示している。このことから、カバー部材を有する熱電対、すなわち冷却用エアの保護管に向かう流れを遮った状態で反応管周辺の温度を検出する場合においては、冷却用のエアの影響が軽減されていることが分かる。
また、先端開放型のカバー部材を有する熱電対は、先端封止型のカバー部材を有する熱電対と比較すると、反応管内の温度により近い温度を示している。この結果より、先端開放型のカバー部材は、先端封止型のカバー部材よりも反応管内の温度に対する応答性が良いことが分かる。
なお、カバー部材８８の材質としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の他、ジルコニア（ＺｒＯ２）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が例示される。なお、カバー部材８８が設置される箇所の温度がある程度低い場合（例えば１０００℃程度以下の場合）には酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いることもできる。
次に、本発明の第１の変形例を図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。
本発明の第１の変形例におけるカバー部材８８の断面形状は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、円形状、矩形状及び三角形状に形成されている。このように、カバー部材８８の断面形状は、保護管８６の側面全体を覆う形態であればよく、矩形や三角形のように多角形状としてもよい。
本発明の第１の変形例におけるカバー部材８８の断面形状は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、円形状、矩形状及び三角形状に形成されている。このように、カバー部材８８の断面形状は、保護管８６の側面全体を覆う形態であればよく、矩形や三角形のように多角形状としてもよい。
次に、本発明の第２の変形例を図６（ｄ）〜（ｈ）に基づいて説明する。
本発明の第２の変形例におけるカバー部材８８の断面形状は、図６（ｄ）〜（ｈ）に示すように、冷却用エア７０の流れを直接受ける保護管８６側面の下方部分のみを覆うような形状、すなわち冷却用エア７０の流れを直接受ける側と反対側である保護管８６の上方部分の少なくとも一部を開放するような形状に形成されている。例えば図６（ｄ）〜（ｇ）に示す形態においては、カバー部材８８が保護管８６の底部と側部とを覆う形状となっている。また、例えば図６（ｈ）に示す形態においては、カバー部材８８が保護管８６の底部のみを覆う形状となっている。このように、カバー部材８８は保護管８６の側面の少なくとも一部を覆うように構成されてもよい。カバー部材８８をこのような形状としても、冷却用エア７０の流れが保護管８６に直接衝突しないようにすることができる。
本発明の第２の変形例におけるカバー部材８８の断面形状は、図６（ｄ）〜（ｈ）に示すように、冷却用エア７０の流れを直接受ける保護管８６側面の下方部分のみを覆うような形状、すなわち冷却用エア７０の流れを直接受ける側と反対側である保護管８６の上方部分の少なくとも一部を開放するような形状に形成されている。例えば図６（ｄ）〜（ｇ）に示す形態においては、カバー部材８８が保護管８６の底部と側部とを覆う形状となっている。また、例えば図６（ｈ）に示す形態においては、カバー部材８８が保護管８６の底部のみを覆う形状となっている。このように、カバー部材８８は保護管８６の側面の少なくとも一部を覆うように構成されてもよい。カバー部材８８をこのような形状としても、冷却用エア７０の流れが保護管８６に直接衝突しないようにすることができる。
なお、保護管８６の底部と側部とを覆う図６（ｄ）〜（ｇ）の形態は、保護管８６の底部のみを覆う図６（ｈ）の形態よりも、開放した部分から保護管８６に回り込む冷却用エア７０の影響を抑制することができる。なお、保護管８６の側面全体を覆う形態（例えば上記実施形態及び第１の変形例の図６（ａ）〜（ｃ）の形態）であれば、保護管８６の側面から保護管８６に回り込む冷却用エア７０の影響を無くすことができる。また、保護管８６の底部と側部とを覆う図６（ｄ）〜（ｇ）の形態は、保護管８６の底部のみを覆う図６（ｈ）の形態よりも高い断熱効果を得ることができる。さらに、保護管８６の側面全体を覆う図６（ａ）〜（ｃ）の形態は、保護管８６の底部と側部とを覆う図６（ｄ）〜（ｇ）の形態よりも高い断熱効果を得ることができる。
なお、第１の変形例、第２の変形例は先端開放型、先端封止型のいずれにも適用できる。
なお、第１の変形例、第２の変形例は先端開放型、先端封止型のいずれにも適用できる。
次に、本発明の第３の変形例を図７に基づいて説明する。
第３の変形例は、先端開放型のカバー部材をさらに改良したものである。
本発明の第３の変形例におけるカバー部材８８の開口部９０は、図７（ａ）に示すように、保護管８６の直径とほぼ同じ大きさ、もしくは、図７（ｂ）に示すように、保護管８６の直径よりも小さくなっている。このように、開口部９０は、保護管８６の直径に近づけても（保護管８６の直径と同等としても）よいし、保護管８６の直径よりも小さくしてもよい。これにより、冷却用エア７０が開口部９０から周り込むのを抑制できるので、先端開放型カバー部材８８の利点を活かしつつ冷却用エア７０の影響をより受けにくくすることができ、また、より高い断熱効果を得ることができる。
なお、図７（ｂ）の形態は図７（ａ）の形態よりも開放部９０から保護管８６に回り込む冷却用エア７０の影響を抑制することができる。
第３の変形例は、先端開放型のカバー部材をさらに改良したものである。
本発明の第３の変形例におけるカバー部材８８の開口部９０は、図７（ａ）に示すように、保護管８６の直径とほぼ同じ大きさ、もしくは、図７（ｂ）に示すように、保護管８６の直径よりも小さくなっている。このように、開口部９０は、保護管８６の直径に近づけても（保護管８６の直径と同等としても）よいし、保護管８６の直径よりも小さくしてもよい。これにより、冷却用エア７０が開口部９０から周り込むのを抑制できるので、先端開放型カバー部材８８の利点を活かしつつ冷却用エア７０の影響をより受けにくくすることができ、また、より高い断熱効果を得ることができる。
なお、図７（ｂ）の形態は図７（ａ）の形態よりも開放部９０から保護管８６に回り込む冷却用エア７０の影響を抑制することができる。
なお、上記実施形態の説明にあっては、熱処理装置として、複数の基板を熱処理するバッチ式のものを用いたが、これに限定するものではなく、枚葉式のものであってもよい。
本発明は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハの一種であるＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウエハの製造工程の一工程に適用することができる。
即ち、ＳＩＭＯＸにおいては、まずイオン注入装置等により単結晶シリコンウエハ内へ酸素イオンをイオン注入する。その後、酸素イオンが注入されたウエハを上記実施形態の熱処理装置を用いて、例えばＡｒ、Ｏ２雰囲気のもと、１３００℃〜１４００℃、例えば１３５０℃以上の高温でアニールする。これらの処理により、ウエハ内部にＳｉＯ２層が形成された（ＳｉＯ２層が埋め込まれた）ＳＩＭＯＸウエハが作製される。
また、ＳＩＭＯＸウエハの他，水素アニールウエハの製造工程の一工程に本発明を適用することも可能である。この場合、ウエハを本発明の熱処理装置を用いて、水素雰囲気中で１２００℃程度以上の高温でアニールすることとなる。これによりＩＣ（集積回路）が作られるウエハ表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。
また、この他、エピタキシャルウエハの製造工程の一工程に本発明を適用することも可能である。
以上のような基板の製造工程の一工程として行う高温アニール処理を行う場合であっても、本発明を用いることにより、冷却用の気体の影響が軽減され、反応管内の温度制御を正確に行うことができる。
本発明は、半導体装置の製造工程にも適用することも可能である。
特に、比較的高い温度で行う熱処理工程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。
このような半導体デバイスの製造工程の一工程としての熱処理工程を行う場合においても、本発明を用いることにより、冷却用の気体の影響が軽減され、反応管内の温度制御を正確に行うことができる。
特に、比較的高い温度で行う熱処理工程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。
このような半導体デバイスの製造工程の一工程としての熱処理工程を行う場合においても、本発明を用いることにより、冷却用の気体の影響が軽減され、反応管内の温度制御を正確に行うことができる。
Claims (13)
- 基板を処理する反応管と、
前記反応管内の基板を加熱するヒータと、
前記反応管外部に冷却用の流体を流通させる流路と、
前記反応管周辺の温度を検出する熱電対と、を有し、
前記熱電対は保護管で覆われた状態で前記冷却用の気体を流通させる流路内に設けられ、
前記保護管の外部には前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮るカバーが設けられ、
前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理装置。 - 請求項１の基板処理装置において、前記開口部により前記熱電対の測温接点が位置する前記保護管の先端部は露出しており、前記保護管は前記露出した先端部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理装置。
- 請求項２の基板処理装置において、前記冷却用の流体が前記反応管の外側面と平行に流れるように構成される基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記保護管は、その管軸が、前記冷却用の流体の流れと直角となるように配置される基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記保護管は、その管軸が、前記反応管の管軸と直角となるように配置される基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記保護管は、その管軸が、水平となるように配置される基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記保護管と前記カバーとの間には空間が設けられる基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記カバーは、前記保護管の側面の少なくも一部を覆うように構成されている基板処理装置。
- 請求項３の基板処理装置において、前記カバーは、前記保護管の側面の全体を覆うように構成されている基板処理装置。
- 請求項１の基板処理装置において、前記カバーは、アルミナ、ジルコニアまたは炭化珪素製である基板処理装置。
- 反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、
基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、
処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、
前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板の製造方法。 - 反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、
基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、
処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、
前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される半導体装置の製造方法。 - 反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内で基板を加熱して処理する工程と、
基板を処理した後に前記反応管外部に冷却用の流体を流通させるとともに、前記冷却用の流体を流通させる流路内に設けられ保護管で覆われた熱電対により前記反応管周辺の温度を検出しつつ、前記反応管内の温度を降温する工程と、
処理後の基板を前記反応管内から搬出する工程と、を有し、
前記保護管の外部にはカバーが設けられ、前記反応管内の温度を降温する工程では、前記カバーにより前記冷却用の流体の前記保護管に向かう流れを遮った状態で前記反応管周辺の温度を検出し、前記カバーの先端部には開口部が設けられ、前記カバーは前記開口部が前記反応管の外側面と対向するように配置される基板処理方法。
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