WO2024142528A1 - 温度制御方法、半導体装置の製造方法、および基板処理装置並びにプログラム - Google Patents

温度制御方法、半導体装置の製造方法、および基板処理装置並びにプログラム Download PDF

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Definitions

  • This disclosure relates to a temperature control method, a method for manufacturing a semiconductor device, and a substrate processing apparatus and program.
  • a temperature control method having a process temperature setting process for controlling the heating inside a reaction tube and the cooling inside the reaction tube to set the temperature of a substrate placed inside the reaction tube to a preset process temperature, the process temperature setting process having a heating process for supplying a predetermined electric power and raising the temperature of a heater wire placed outside the reaction tube to a temperature higher than the process temperature, and a cooling gas supply process for supplying a cooling gas toward the reaction tube.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1 is a diagram illustrating a configuration of a control device in a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure, and a relationship between the control device and a semiconductor manufacturing apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a hardware configuration of a control computer in the substrate processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a heating unit and a reaction tube containing a substrate.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of temperature control performed during substrate processing in the substrate processing apparatus 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between substrate temperature and heater output. 13 is a graph showing the relationship between heater output and time according to a modified example of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of a process related to temperature in a film forming process according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a diagram showing temperature changes in a furnace in the flowchart shown in FIG. 8 .
  • the heating device 12 further includes a cylindrically shaped side wall portion 32 as an insulating portion, and an upper wall portion 33 as an insulating portion formed to cover the upper end of the side wall portion 32.
  • an openable and closable valve 39a is provided near the cooling gas supply port 36. Also, an openable and closable valve 39b is provided near the quenching gas exhaust port 42 and the duct 50.
  • the first to fourth substrate temperature sensors 27-1, 27-2, 27-3, and 27-4 in the processing chamber 24 are disposed in the temperature adjustment parts 72-1, 72-2, 72-3, and 72-4, which are heat generating areas of the heating device 12, respectively, and measure the temperatures of the substrates 18 corresponding to the temperature adjustment parts 72-1, 72-2, 72-3, and 72-4, respectively.
  • the first to fourth reaction tube temperature sensors 70-1, 70-2, 70-3, and 70-4 are disposed in the cylindrical space 34 in correspondence with the temperature adjustment parts 72-1, 72-2, 72-3, and 72-4, respectively, and measure the temperature distribution inside the cylindrical space 34.
  • they since they are disposed near the reaction tube 16, they are configured to be able to measure the temperature of the reaction tube 16.
  • the flow rate sensor 64 measures the flow rate of gas supplied into the reaction tube 16 through the gas introduction nozzle.
  • the pressure regulator 66 adjusts the pressure inside the reaction tube 16.
  • the pressure sensor 68 measures the pressure inside the reaction tube 16.
  • the supply of power to the heater wire 30a is stopped, so that the temperature of the heater wire 30a returns from a temperature higher than the processing temperature to the original temperature, i.e., the temperature is lowered, before the temperature inside the reaction tube 16 reaches the processing temperature. This makes it possible to suppress overshooting, which is an excessive increase in temperature, and to stabilize the processing temperature.

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Abstract

低温度域での昇温速度の向上を実現することができる。 反応管内の加熱と反応管内への冷却を制御して、反応管内に配置される基板の温度を予め設定した処理温度にする処理温度設定工程を有する温度制御方法であって、処理温度設定工程は、一定の電力を供給し、反応管の外部に配置されたヒータ素線の温度を処理温度よりも高くする昇温工程と、反応管に向けて冷却ガスを供給する冷却ガス供給工程と、を有する。

Description

温度制御方法、半導体装置の製造方法、および基板処理装置並びにプログラム
　本開示は、温度制御方法、半導体装置の製造方法、および基板処理装置並びにプログラムに関する。
　半導体装置の製造工程の一工程として、ウエハ(以後、基板ともいう)上に所定の処理が行われる（例えば特許文献１-３参照）。これらの文献には、ウエハを処理する処理温度に制御する技術が記載されている。近年は、ウエハを処理する温度が低下傾向である。低温で温度制御に用いられるヒータ素線の温度は低いため、主に長波長の輻射が放射される。この長波長の輻射が反応管に吸収されウエハの昇温速度の低下に繋がることがある。
特開２０００-１８１５４９号公報 国際公開２０１８-１００８２６号公報 特開２０１４-２０９５６９号公報
　本開示は、低温度域での昇温速度の向上を実現することができる技術を提供する。
　本開示の一態様によれば、反応管内の加熱と反応管内への冷却を制御して、前記反応管内に配置される基板の温度を予め設定した処理温度にする処理温度設定工程を有する温度制御方法であって、前記処理温度設定工程は、所定の電力を供給し、前記反応管の外部に配置されたヒータ素線の温度を前記処理温度よりも高くする昇温工程と、前記反応管に向けて冷却ガスを供給する冷却ガス供給工程と、を有する技術が提供される。
　本開示によれば、低温度域での昇温速度を向上させることができる。
本開示の実施形態に係る基板処理装置を示す断面図である。 図１に示す基板処理装置の2Ａ－2Ａ線断面図である。 図１に示す基板処理装置の2Ｂ－2Ｂ線断面図である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置における制御装置の構成と、制御装置と半導体製造装置との関係を模式的に示す図である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置における制御用コンピュータのハードウェア構成を示す図である。 加熱部と基板を収容した反応管を示す断面図である。 本開示の実施形態に係る基板処理装置１０で行われる基板処理時に行う温度制御の一例を示す図である。 基板温度とヒータ出力との関係を示すグラフである。 本開示の変形例に係るヒータ出力と時間の関係を示すグラフである。 本開示の実施形態に係る成膜処理のうち温度に関する処理の一例を示すフローチャートを示す図である。 図８に示したフローチャートにおける炉内の温度変化を示す図である。
　以下、本開示の一態様について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において用いられる図面は、いずれも模式的なものであり、図面に示される各要素の寸法の関係、各要素の比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率は必ずしも一致していない。また、各図において、同一構成には同一符号を付している。
　本実施形態に係る基板処理装置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はボートキャップ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内には図示しないガス導入管が連通され、ガス導入管には図外の反応ガス供給源が接続されている。また、反応管１６内にはガス排気管５６が連通され、処理室２４の排気を行っている。
　ヒータユニットとしての加熱装置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、図１に示すように、加熱部３０を少なくとも有する構成となっている。加熱部３０は、図示しない断熱材部と該断熱材部の炉内空間１４側にヒータ素線３０ａを備えている。
　また、加熱装置１２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、を更に有している。
　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との間には冷却ガス通路としての円筒空間３４が形成されている。そして、側壁内層３２ｂの内側に加熱部３０が設けられ、加熱部３０の内側が後述する発熱部を含む発熱領域となっている。炉内空間１４と円筒空間３４とは、吹出孔３５を介して連通している。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。
　炉内空間１４と連通する急冷排気口４０が、冷却ガス供給口３６の略水平方向の中央部分に設けられている。
　また、図２Ｂに示されているように、冷却ガス供給口３６下方の側壁内層３２ｂには、円筒空間３４と炉内空間１４とを連通する吹出孔３５が所要の分布で複数形成されており、図１に示すように円筒空間３４と炉内空間１４とを略水平に連通している。すなわち、吹出孔３５を介して円筒空間３４から炉内空間１４へ冷却ガスを吹出し、反応管１６を冷却可能に構成されている。
　吹出孔３５は、図１に示すように水平方向に形成されているが、この形態に限定されない。例えば、急冷排気口４０へ向けるように傾斜をつけてもよい。
　図２Ａに示すように、上壁部３３には、円形の急冷排気口４０が形成されており、この急冷排気口４０は加熱装置１２の中心軸上に位置している。また、上壁部３３の上方側面には、急冷ガス排出口４２が形成され、急冷排気口４０に連通している。
　又、急冷ガス排出口４２は、ダクト５０に接続されて、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。
　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、冷却ガス通路としての円筒空間３４を介して、急冷ガス排出口４２から冷却ガスを排出することができる。ここで、排気ファン５４を作動させ、冷却ガスが急冷ガス排出口４２を介して排出されると、炉内空間１４が負圧となり、冷却ガス供給口３６から低温の冷却ガスが吸引される。冷却ガス供給口３６から吸引された低温の冷却ガスは、円筒空間３４、及び吹出孔３５を介して冷却ガスが炉内空間１４の反応管１６に向けて吹き出され、反応管１６の冷却が行われる。本実施形態の排気ファン５４、急冷ガス排出口４２、吹出孔３５、円筒空間３４、冷却ガス供給口３６等が本開示の冷却機構の一例である。
　図１に示すように、反応管１６内には、ボート２０と共に回転可能に設けられ、基板１８の温度を検知する検知部(第１検知部)２７が設けられている。検知部２７は、例えば、ボート２０に多段に保持されている基板１８と基板１８との間にその測定部が配置されている。また、検知部２７は、４つの温度センサを備え、上端から順に第１の基板温度センサ２７－１、第２の基板温度センサ２７－２、第３の基板温度センサ２７－３、第４の基板温度センサ２７－４が備えられている。また、反応管１６近傍には、第２検知部としての第１～４の反応管温度センサ７０－１，７０－２，７０－３，７０－４が設けられている。図１において、これらの温度センサは４つ設けられているが、この数に限定されず、膜種やプロセス条件に応じて適宜センサの数は変更可能される。なお、基板温度センサ（第１検知部）２７、反応管温度センサ（第２検知部）７０と称することがある。ここで、第１基板温度センサ２７は、第１の基板温度センサ２７－１、第２の基板温度センサ２７－２、第３の基板温度センサ２７－３、第４の基板温度センサ２７－４の総称である。更に、図示されていないが、第３検知部として加熱部３０近傍に温度センサが設けられている。
　図３は、制御装置６０の構成と、制御装置６０と基板処理装置１０との関係を模式的に示す図である。図３に示すように、処理室２４は、基板温度センサ２７と、反応管温度センサ７０と、ガス流量調整器６２と、流量センサ６４と、圧力調整装置６６と、圧力センサ６８を有する。
　図３に示すように、処理室２４の第１～４の基板温度センサ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４のそれぞれは、加熱装置１２の発熱領域としての温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４のそれぞれに配設され、温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４のそれぞれに対応する基板１８の温度を測定する。
　第１～４の反応管温度センサ７０－１，７０－２，７０－３，７０－４のそれぞれは、円筒空間３４に、温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４に対応して配設され、円筒空間３４の内部の温度分布を測定する。また、本実施形態の場合、反応管１６近傍に設けられている為、反応管１６の温度を測定することが可能に構成されている。
　ガス流量調整器６２は、不図示のガス導入ノズルを介して反応管１６内に導かれるガスの流量を調節する。
　流量センサ６４は、ガス導入ノズルを介して反応管１６内に供給されるガスの流量を測定する。
　圧力調整装置６６は、反応管１６内の圧力を調整する。
　圧力センサ６８は、反応管１６内の圧力を測定する。
（制御装置）
　制御装置６０は、温度制御装置７４と、本開示の電力供給部の一例としてヒータ駆動装置７６と、流量制御装置７８と、圧力制御装置８０とを有する。
　制御装置６０は、これらの構成部分により、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。
　温度制御装置７４は、第１～４の基板温度センサ２７－１、２７－２、２７－３、２７－４それぞれにより測定される温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４それぞれの基板１８温度が、制御用コンピュータ８２により温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４それぞれに対して設定された温度になるように、ヒータ駆動装置７６－１、７６－２、７６－３、７６－４それぞれが温度調整部分７２－１，７２－２，７２－３，７２－４それぞれに供給する電力を制御する。本実施形態のヒータ駆動装置７６を加熱部に加えてもよく、また、ヒータ駆動装置７６及びヒータ素線３０ａが、本開示の加熱機構の一例である。
　流量制御装置７８は、流量センサ６４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、ガス流量調整器６２を制御して、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、圧力調整装置６６を制御して、処理室２４の反応管１６内の圧力を制御する。
　［ハードウェア構成］
　図４は、制御用コンピュータ８２の構成を示す図である。
　制御用コンピュータ８２は、ＣＰＵ８４およびメモリ８６などを含むコンピュータ本体８８と、通信ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）９０と、記録装置９２と、表示・入力装置９４とを有する。つまり、制御用コンピュータ８２は一般的なコンピュータとしての構成部分を含んでいる。
　ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｅｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）は、操作部の中枢を構成し、記録装置９２に記憶された制御プログラムを実行し、表示・入力装置９４からの指示に従って、記録装置９２に記録されているレシピ（例えば、プロセス用レシピ）を実行する。
　また、ＣＰＵの動作プログラム等を記憶する記録媒体９６として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ハードディスク等が用いられる。ここで、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＣＰＵのワークエリアなどとして機能する。
　本開示の実施形態において、制御用コンピュータ８２を例に挙げて説明したが、これに限らず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納したフレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢ等の記録媒体９６から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行することもできる。
　また、通信回線、通信ネットワーク、通信システム等の通信ＩＦ９０を用いてもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
　例えば、記録装置９２に記憶された制御プログラムは、反応管１６内の加熱部３０による加熱、及び反応管１６を冷却する冷却ガスを供給する上記排気ファン５４等の冷却機構による反応管１６への冷却を制御して、反応管１６内の基板１８の温度を処理温度にすることが可能に構成される制御部としての制御用コンピュータ８２を備えた基板処理装置１０で実行されるプログラムである。このプログラムにより、制御用コンピュータ８２に、加熱部３０に一定の電力を供給し、加熱部３０に含まれるヒータ素線３０ａの温度を処理温度よりも高くする手順と、排気ファン５４等の冷却機構に反応管１６に向けて冷却ガスを供給させる手順と、が実行される。
　これにより、ヒータ素線３０ａに所定の電力が加えられ、ヒータ素線３０ａが基板１８の処理温度よりも高くすることができ、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長のうち短波長の割合を多くすることができる。さらに、冷却機構から反応管１６に向けて冷却ガスが供給され、ヒータ素線３０ａに電力を加えつつ、反応管１６を冷却することができる。
　次に、図６Ａを用いて基板処理装置１０で行われる基板処理時に行う温度制御の一例について説明する。
　図６Ａは、各部（ヒータ素線３０ａ、反応管１６、基板１８、ボート２０）の温度変化を示すグラフ、ヒータ出力（即ち、ヒータ素線３０ａの出力）の変化を示すグラフ、及びブロア周波数（排気ファン５４のモータ回転数）を示すグラフである。
　本実施形態の温度制御では、一例として、図６Ａに示すように、ボート２０に保持された基板１８を炉内へ配置（ボートロード終了）した後、反応管１６内を効率よく加熱し、反応管１６内の基板１８の温度の昇温レート、言い換えれば昇温速度を向上させるようにフィードバック制御が行われる。最初に、図６Ａにおける温度制御の概略を説明する。
　工程（１）(昇温工程)
　先ず、基板１８をボートアンロード完了時の温度から安定目標温度（処理温度）まで昇温させる場合に、ヒータ素線３０ａを素早く高温とするために、ヒータ素線３０ａが高出力（一例として、フルパワー（加熱部３０の最大出力））となるように制御を行い、所定時間高出力以上を維持する。例えば、ヒータ素線３０ａをフルパワーの電力で一定出力とする。
　高出力の電力とは、加熱部３０の最大出力に限らず、基板１８を処理ガス等で処理する処理温度の維持よりも大きな電力であって、その電力の値は予め装置に設定されているものである。
　なお、本明細書における処理温度とは、基板１８の温度のことを意味するが、反応管１６内に形成される処理室２４の温度のことを意味する場合もある。
　ここで、加熱部３０を高出力以上に所定時間維持すると、ヒータ素線３０ａの温度が予め設定された温度（第１設定温度）まで上昇するように構成されている。この設定温度は、少なくとも基板１８の温度が処理温度を上回ることがない（オーバシュートが発生しない）温度に決定される。設定温度についての詳細は後述する。
　ところで、加熱部３０のヒータ素線３０ａの温度は、ヒータ素線３０ａに供給する電力によって容易、かつ迅速に制御できるが、一方、反応管１６は、ヒータ素線３０ａのように温度制御を行って迅速にその温度を変更することが困難である。言い換えれば、反応管１６からの二次輻射（比較的長波長の赤外線が多い）を制御することは困難である。
　したがって、反応管１６の温度をなるべく上昇させないために少なくとも工程（１）では、冷却ガスを供給して反応管１６を冷却しながら基板１８の加熱を実施する。即ち、本実施形態では、ヒータ素線３０ａを高出力とし、制御し易いヒータ素線３０ａからの一次輻射（比較的短波長が多い）を基板１８に付与し、反応管１６からの二次輻射を抑制するために、ヒータ素線３０ａによる基板１８の加熱中に、反応管１６の冷却を行っている。反応管１６の冷却は、前述したように、排気ファン５４を作動させ、冷却ガスを反応管１６に向けて吹出孔３５から吹き出すことで効率的に行うことができる。
　このように、ヒータ素線３０ａに所定の電力を加え、ヒータ素線３０ａの温度を基板１８の処理温度よりも高くすることにより、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長のうち短波長(例えば、４μｍより小さい波長)の割合を多くすることができる。さらに、反応管１６に向けて冷却ガスを供給すること、即ち、冷却ガス供給工程により、ヒータ素線３０ａに電力を加えつつ、反応管１６からの長波長の二次輻射を抑制するように反応管１６を冷却することができる。したがって、反応管１６からの長波長の二次輻射を抑制し、反応管１６を透過する短波長の輻射波の量を多くすることができるため、反応管１６内を効率よく加熱することができ、反応管１６内の基板１８温度の昇温レート、言い換えれば昇温速度を向上させことができる。
　工程（２）(調整工程)
　工程（１）後、基板１８の温度が安定目標温度（処理温度）に到達するように調整する工程であり、具体的には、ヒータ素線３０ａへの電力供給が調整される。例えば、電力供給量を零にしてもよい。また、ブロア周波数が調整され、基板１８の温度が処理温度近傍になると、ブロア周波数が抑えられ、冷却ガスの供給が調整される。これにより、ヒータ素線３０ａおよびブロア周波数の両方をフィードバック制御することにより、基板１８の温度がオーバシュートすることなく処理温度に収束するように制御される。
　工程（３）(安定化工程)　　
　工程（２）後に、基板１８の温度が処理温度に達した後に、基板１８の温度を安定目標温度に安定させるようにフィードバック制御にて温度制御（基板１８の温度を測定しヒータ素線３０ａの出力を制御）を行う。なお、工程（３）においても、低温の冷却ガスの供給を継続して反応管１６を冷却しながら温度制御を行うことができる。つまり、ブロアをオンにして冷却ガスを供給してもよい。
　なお、上記工程（１）、（２）において、基板１８の昇温をフィードバック制御しながら実施することで、周囲環境の変動要因にも追従することができる。例えば、工程（１）のようにヒータ素線３０ａの出力が高出力となるよう温度設定値を指定すると、変動要因が影響したとしてもフィードバック制御とすることでヒータ素線３０ａを高出力とする時間が調節される。工程（２）では基板１８の目標安定温度を温度設定値としてフィードバック制御することで、基板１８の温度が目標安定温度に到達するまでの待機時間が調節される。
　なお、基板１８を加熱するヒータ素線３０ａは、複数のゾーン（複数の発熱領域）に分けて制御を行うことができる。本温度制御方式に関しても工程（１）、（２）、（３）はゾーン毎にそれぞれ独立して制御を行うことで、ボート２０に置かれた複数の基板１８に対し、温度が均等になる様に制御することも可能である。
（温度制御の補足）
　基板１８の温度を調整する調整工程では、冷却ガスの供給量とヒータ素線３０ａに供給する電力とを調整して基板１８を処理温度に制御することで、反応管１６内に配置される基板１８の温度の昇温レートが向上され、反応管１６内の温度が昇温開始から処理温度に安定されるまでの時間を短縮することができる。これにより、例えば、短時間で基板温度を処理温度に安定させることができる。
　図６Ａに示すように、ヒータ素線３０ａによる加熱、即ち昇温工程と、反応管１６を冷却する冷却ガス供給工程とを同時に開始することで、昇温工程よりも冷却ガス供給工程の開始を遅くした場合に比較して、基板１８の温度の昇温レートを向上することができ、且つ短時間で基板温度を処理温度に安定させることができる。
　そして、昇温工程におけるヒータ素線３０ａに対する所定の電力の供給を、フルパワーで行うことで、フルパワーで行わない場合に比較して、基板１８に対して短波長の輻射による加熱を迅速に行うことができる。
　昇温工程におけるヒータ素線３０ａに対する所定の電力の供給を、ヒータ素線３０ａの温度が処理温度よりも高い設定温度になるまで継続することで、反応管１６内を効率よく加熱することができ、例えば、反応管１６内の基板１８温度の昇温レートを向上させことができる。
　図６Ａに示すように、昇温工程におけるヒータ素線３０ａの温度が処理温度よりも高い設定温度になってから、一定の電力から電力を低下させることで、ヒータ素線３０ａの温度を、反応管１６内の温度が処理温度になる前に、処理温度よりも高い温度から元の温度に戻すこと、即ち、温度を低下させることができる。これにより、図６Ｂに示すように、温度が過剰に高くなるオーバシュート（上側のグラフ線で示す）を抑制することができ、処理温度を安定化することができる。
　昇温工程におけるヒータ素線３０ａの温度が処理温度よりも高い設定温度になると、ヒータ素線３０ａへの電力の供給が停止されるので、ヒータ素線３０ａの温度は、反応管１６内の温度が処理温度になる前に、処理温度よりも高い温度から元の温度に戻る、即ち、温度低下される。これにより、温度が過剰に高くなるオーバシュートを抑制することができ、処理温度を安定化することができる。
　昇温工程におけるヒータ素線３０ａに対する所定の電力の供給は、ヒータ素線３０ａの温度が処理温度よりも高い設定温度になるまで継続させるが、設定温度は、ヒータ素線の輻射波から短波長を得られるように設定すること、即ち、ヒータ素線３０ａを基板１８の処理温度よりも高くすることが好ましい。このため、短波長の輻射波で、反応管１６内(特に基板１８)を効率よく加熱することができ、例えば、反応管１６内の基板１８温度の昇温レートを向上させことができる。
　ヒータ素線３０ａの設定温度は、４５０℃以上に設定することが好ましい（但し、必須ではない）。ヒータ素線３０ａの温度が４５０℃未満であれば、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長のうち短波長(例えば、４μｍより小さい波長)が十分得られないことがある。そうすると、ヒータ素線３０ａから輻射された長波長の赤外線が反応管１６に吸収され、反応管１６が加熱される一方、反応管１６内に配置されている基板１８が十分加熱されないことがある。
　これに対して、ヒータ素線３０ａの温度が４５０℃以上になると、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長のうち短波長の割合が増えてくる。この短波長の輻射波は反応管１６を透過し反応管１６内に配置される基板１８に吸収されるため昇温効率を向上に寄与させることができる。更に、ヒータ素線３０ａの温度が、例えば、８００℃以上になると、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長の多くが短波長となる。このように、ヒータ素線３０ａの温度を上昇させることにより短波長の赤外線を多く放射させ、放射された短波長の赤外線が反応管１６を透過し反応管１６内に配置される基板１８に吸収されるため昇温効率を向上させることができる。
　ヒータ素線３０ａに対する一定の電力の供給時間は、処理温度に応じて決定することができる。ヒータ素線３０ａの温度を処理温度より高い状態で反応管１６内の温度を昇温させると、例えば、ヒータ素線３０ａからの赤外線のうち、短波長の赤外線の割合を多くすることができ、この短波長の赤外線が反応管１６を透過し反応管１６内に配置される基板１８に吸収され昇温効率を向上させることができる。また、ヒータ素線３０ａの温度は、処理温度よりも高い設定温度から元の温度、例えば、処理温度まで低下させることができる。
　このように、ヒータ素線３０ａに対する一定の電力の供給時間を、処理温度に応じて決定することで、昇温効率と温度安定化との両立が可能となる。
　冷却ガス供給工程における冷却ガスの供給量は、ヒータ素線３０ａの温度が設定温度になるまで制御することができる。これにより、ヒータ素線３０ａの温度が設定温度になるまで反応管１６が冷却されて、ヒータ素線３０ａの温度が設定温度になるまで反応管１６からの長波長の赤外線の輻射が抑制される。
　冷却ガス供給工程における冷却ガスの供給量は、ヒータ素線３０ａの温度がボートロード完了時の温度から処理温度になるまで制御することができる。これにより、ヒータ素線３０ａの温度が設定温度になる前から反応管１６を冷却することができ、ヒータ素線３０ａの温度が処理温度よりも高い設定温度になっても反応管１６からの長波長の赤外線の輻射を抑制することができる。
　冷却ガス供給工程における冷却ガスの供給量は、反応管１６内の温度が処理温度になってから減少させることができる。これにより、基板１８の温度が過剰に高くなるオーバシュートを抑制することができ、処理温度を安定化することができる。
　反応管１６内の温度を昇温させる開始時期と、反応管１６内の温度が処理温度に到達した時期におけるヒータ素線３０ａの温度と処理温度とを同じにすることで、反応管１６からの長波長の二次輻射を抑制し、反応管１６を透過する短波長の輻射波の量を増やすことができ、反応管１６内を効率よく加熱することができる。
　処理温度を、反応管１６内に基板１８が配置されていない状態（例えば、ボート２０に保持された基板１８を炉内へ配置する前の待機状態）で保持されるヒータ素線３０ａの待機温度よりも低くすることができる。これにより、反応管１６内に基板１８が配置されていない状態で保持されるヒータ素線３０ａの待機温度よりも低いような低温領域のプロセスにおける温度制御において、ヒータ素線３０ａの温度を、ヒータ素線３０ａから輻射される種々の波長のうち短波長、例えば、４μｍより小さい波長の割合を多くできる。これにより、例えば、ヒータ素線３０ａからの短波長の割合が多い赤外線を反応管１６に透過させ、反応管１６内の基板温度の昇温レートを向上させることができる。
　図７では、フィードバック制御をせずにヒータ素線３０ａを所定時間高出力とし、その後、ヒータ素線３０ａを零として所定時間維持した後、フィードバック制御する例を示す。そして、基板１８の温度が安定目標温度を上回る（許容した範囲以上）場合は、加熱部３０の出力を高出力とする時間（所定時間）を短くし、基板１８の温度が安定目標温度を下回る場合は、加熱部３０の出力を高出力とする時間（所定時間）を長くするように制御され、最適な所定時間が決定される。なお、ブロア出力は一定である。
　また、図６Ａでは、工程(I)を高出力一定、工程(II)を低出力一定(図７では電力ゼロの例)にする例を示す。図６Ａによれば、工程(I)、工程(II)の時間を設定するだけで、ある程度の知識と技量があるオペレータであれば、簡単に最適な所定時間が導き出せることができる。なお、工程(III)からフィードバック制御が実行されるが、本実施形態のように、工程(II)の途中から加熱部３０、または、加熱部３０およびブロアをフィードバック制御してもよい。
　以下に、図８、及び図９を用いて基板処理装置１０で行われる成膜処理の一例について説明する。本一例は、待機温度Ｔ０＜目標温度Ｔ１とする場合の一例である。
　ステップＳ１は、炉内の温度を比較的低い温度Ｔ０に安定させる処理である。ステップＳ１では、基板１８はまだ炉内に挿入されていない。
　ステップＳ２は、ボート２０に保持された基板１８を炉内へ挿入する処理である。基板１８の温度は、この時点で炉内の温度Ｔ０より低いので、基板１８を炉内へ挿入した結果、炉内の温度は一時的にＴ０より低くなるが、温度制御装置７４等により炉内の温度は若干の時間を経て再び温度Ｔ０に安定する。
　ステップＳ３は、温度Ｔ０から基板１８に成膜処理を施すための目標温度Ｔ１まで、徐々に炉内の温度を上昇させる処理である。
　ステップＳ４は、基板１８に成膜処理を施すために炉内の温度を目標温度Ｔ１で維持して安定させる処理である。
　ステップＳ５は、成膜処理終了後に温度Ｔ１から再び比較的低い温度Ｔ０まで徐々に炉内の温度を下降させる処理である。
　ステップＳ６は、成膜処理が施された基板１８をボート２０と共に炉内から引き出す処理である。
　成膜処理を施すべき未処理の基板１８が残っている場合には、ボート２０上の処理済の基板１８が未処理の基板１８と入れ替えられ、これらステップＳ１～Ｓ６の一連の処理が繰り返される。
　ステップＳ１～Ｓ６の処理は、いずれも目標温度に対し、炉内温度が予め定められた微小温度範囲にあり、且つ予め定められた時間だけその状態が続くといった安定状態を得た後、次のステップへ進むようになっている。あるいは、最近では、一定時間での基板１８の成膜処理枚数を大きくすることを目的として、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６等においては安定状態を得ずして次のステップへ移行することも行われている。
　ここで、ステップＳ３(昇温)、ステップＳ５(降温)は必須ではなく、待機温度Ｔ０と目標温度Ｔ１(処理温度)が異なるため、実施される。従い、待機温度Ｔ０と目標温度Ｔ１(処理温度)が同じ場合、ステップＳ３(昇温)、ステップＳ５(降温)は省略される。また、待機温度Ｔ０よりも目標温度Ｔ１が低い場合、ステップＳ３(昇温)を省略することができる。
［その他の実施形態］
　本開示は、半導体製造装置だけでなくＬＣＤ装置のようなガラス基板を処理する装置にも適用することができる。例えば、ヒータ素線でガラス基板を加熱して処理する装置等においても、本開示と同様の効果を得ることができる。
　また、本開示は、半導体製造技術、特に、被処理基板を処理室に収容して加熱装置によって加熱した状態で処理を施す熱処理技術に関し、例えば、半導体集積回路装置（半導体装置、半導体デバイス）が作り込まれる半導体基板に酸化処理や拡散処理、イオン打ち込み後のキャリア活性化や平坦化のためのリフローやアニール及び熱ＣＶＤ反応による成膜処理などに使用される基板処理装置に利用して有効なものに適用することができる。
　本明細書において用いる「基板」という用語は、基板そのものを意味する場合や、基板とその表面上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。
２０２２年１２月２６日に出願された日本国特許出願２０２２－２０９０６７号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
　本発明は、 複数の基板保持具を有し、 この基板保持具に保持した基板を処理する基板処理装置に適用できる。特に、基板を低温で処理する基板処理装置に適用できる。
１６　　　反応管１８　　　基板

Claims (18)

  1. 　反応管内の加熱と反応管内への冷却を制御して、前記反応管内に配置される基板の温度を予め設定した処理温度にする処理温度設定工程を有する温度制御方法であって、
    　前記処理温度設定工程は、
    　一定の電力を供給し、前記反応管の外部に配置されたヒータ素線の温度を前記処理温度よりも高くする昇温工程と、
    　前記反応管に向けて冷却ガスを供給する冷却ガス供給工程と、
    　を有する温度制御方法。
  2. 　更に、前記冷却ガスの供給量と前記電力とを調整して前記基板の温度を前記処理温度に制御する調整工程を有する、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  3. 　前記昇温工程と前記冷却ガス供給工程は同時に開始される、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  4. 　前記調整工程と前記冷却ガス供給工程は同時に実行される、
    　請求項２に記載の温度制御方法。
  5. 　前記昇温工程における前記一定の電力の供給は、前記ヒータ素線の温度が前記処理温度よりも高い設定温度になるまで継続される、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  6. 　前記昇温工程における前記ヒータ素線の温度が前記処理温度よりも高い設定温度になると、前記一定の電力から供給される電力を低下させるように制御されている、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  7. 　前記昇温工程における前記ヒータ素線の温度が前記処理温度よりも高い設定温度になると、前記電力の供給が停止される、
    　請求項６に記載の温度制御方法。
  8. 　前記設定温度は、前記ヒータ素線の輻射波から短波長を得られるように設定されている、
    　請求項５に記載の温度制御方法。
  9. 　前記調整工程が終わる前に、前記ヒータ素線の温度が前記処理温度に低下するよう設定されている、
    　請求項２に記載の温度制御方法。
  10. 　前記一定の電力の供給時間は、前記処理温度に応じて決定される、
    　請求項５に記載の温度制御方法。
  11. 　前記冷却ガス供給工程における前記冷却ガスの供給量は、前記ヒータ素線の温度が前記処理温度よりも高い設定温度になるまで制御される、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  12. 　前記冷却ガス供給工程における前記冷却ガスの供給量は、前記ヒータ素線の温度が前記処理温度よりも高い設定温度になる前から前記処理温度になるまで制御される、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  13. 　前記冷却ガス供給工程における前記冷却ガスの供給量は、前記反応管内の温度が前記処理温度近傍になると、減少される、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  14. 　反応管内の温度を昇温させる開始時期と、前記反応管内の温度が前記処理温度に到達した時期における前記ヒータ素線の温度と前記処理温度とが同じである、
    　請求項１に記載の温度制御方法。
  15. 　前記処理温度は、前記反応管内に前記基板が配置されていない状態で保持される前記ヒータ素線の待機温度よりも低い、
    　請求項１４に記載の温度制御方法。
  16. 　請求項１に記載の温度制御方法により前記基板の温度を処理温度にする工程を有し、
    　前記処理温度を維持しつつ、前記反応管内に配置される前記基板を処理する、
    　半導体装置の製造方法。
  17. 　加熱部による反応管内の加熱、及び前記反応管を冷却する冷却ガスを供給する冷却機構による前記反応管への冷却を制御して、前記反応管内の基板の温度を処理温度にすることが可能に構成される制御部を備えた基板処理装置で実行されるプログラムであって、
    　前記加熱部に所定の電力を供給し、前記加熱部に含まれるヒータ素線の温度を前記処理温度よりも高くする手順と、前記冷却機構に前記反応管に向けて冷却ガスを供給させる手順と、
    　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。
  18. 　内部に基板が配置される反応管と、
    　前記反応管内の前記基板を加熱する加熱部と、前記加熱部に電力を供給する電力供給部と、を有する加熱機構と、
    　前記反応管に冷却ガスを供給する冷却機構と、
    　前記反応管内の加熱と前記反応管への冷却を制御して、前記反応管内の前記基板の温度を処理温度にすることが可能なように構成される制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、前記電力供給部により所定の電力を供給し、前記加熱部に含まれるヒータ素線の温度を前記処理温度よりも高くする処理と、前記冷却機構により前記反応管に向けて前記冷却ガスを供給させる処理と、を少なくとも実行することが可能に構成されている、
    　基板処理装置。
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