JP2019021910A - 基板処理装置、基板保持具及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の面内温度偏差の低減と面内温度リカバリ時間の短縮との両立を図ることができる技術を提供する。【解決手段】複数枚の基板及び断熱板を保持する基板保持具と、前記基板保持具が収容される反応管と、前記基板保持具に保持された基板を加熱する加熱部と、を有する基板処理装置であって、前記基板保持具は、前記基板が保持される基板処理領域と前記断熱板が保持される断熱板領域に区別され、前記断熱板領域の上層部に該上層部以外の断熱板領域に保持される断熱板よりも反射率の高い断熱板が保持されるよう構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、基板処理装置、基板保持具及び半導体装置の製造方法に関する。

基板処理装置の一例として、半導体製造装置があり、さらに半導体製造装置の一例として、縦型装置があることが知られている。縦型装置では、複数の基板を多段に基板保持具に保持した状態で処理室内に搬入し、基板を加熱した状態で処理室内に処理ガスを供給して基板上に膜を形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

従来から、上述した加熱処理においてサーマルバジェット（熱履歴）の低減が要求され、急速昇温後の基板の面内温度偏差を低減するために、基板の下部に板状の断熱材(以後、断熱板という)を複数枚設置し、反応管の炉口部の断熱を行っている。

しかし、断熱板の枚数が少ないと基板保持具の下方に保持された基板の面内温度偏差が悪化し、断熱板の枚数が多いと基板保持具の下方に保持された基板の面内温度が安定する面内温度リカバリ時間が長くなってしまう。

特開２０１４−０６７７６６号公報

本発明の目的は、基板の面内温度偏差の低減と面内温度リカバリ時間の短縮との両立を図ることができる構成を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
複数枚の基板及び断熱板を保持する基板保持具と、基板保持具が収容される反応管と、基板保持具に保持された基板を加熱する加熱部と、を有する構成であって、
基板保持具は、基板が保持される基板処理領域と断熱板が保持される断熱板領域に区別され、断熱板領域の上層部に該上層部以外の断熱板領域に保持される断熱板よりも反射率の高い断熱板が保持される構成が提供される。

本発明によれば、基板の面内温度偏差の低減と面内温度リカバリ時間の短縮との両立を図ることができる技術を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る基板処理装置を示す一部切断正面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置の正面断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理装置におけるコントローラのハードウェア構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板保持具の断熱板領域周辺を示す図である。 本発明の一実施形態に係る移載装置により基板保持具に基板を移載する動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る基板処理工程のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る基板保持具の断熱板領域周辺の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板保持具の断熱板領域周辺の変形例を示す図である。 複数枚の断熱板を組み合わせて行った実験例を説明する図である。 図９の組み合わせでそれぞれ基板処理を行なった場合の実験結果を示す図であって、基板の保持位置と基板面内温度偏差の関係を示す図である。 図９の組み合わせでそれぞれ基板処理を行なった場合の実験結果を示す図であって、基板の保持位置と基板面内温度リカバリ時間の関係を示す図である。 複数枚の断熱板を組み合わせて構成された断熱板領域であり、他の実験例で使用した断熱板領域を示す図である。 図１２で示す断熱部を用いたときの時間と基板の温度特性を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、図１及び図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置は、ＩＣの製造方法における成膜工程を実施するバッチ式縦型装置として構成されている。

図１に示された基板処理装置１０は、支持された縦形の反応管としてのプロセスチューブ１１を備えており、プロセスチューブ１１は互いに同心円に配置された外管としてのアウタチューブ１２と内管としてのインナチューブ１３とから構成されている。アウタチューブ１２は石英（ＳｉＯ₂）が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に一体成形されている。インナチューブ１３は上下両端が開口した円筒形状に形成されている。インナチューブ１３の筒中空部は後記する基板保持具としてのボート３１が搬入される処理室１４を形成しており、インナチューブ１３の下端開口はボート３１を出し入れするための炉口部１５を構成している。後述するように、ボート３１は複数枚の基板１(以後、ウエハともいう)を長く整列した状態で保持するように構成されている。したがって、インナチューブ１３の内径は取り扱う基板１の最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。

アウタチューブ１２とインナチューブ１３との間の下端部は、略円筒形状に構築された炉口フランジ部としてのマニホールド１６によって気密封止されている。アウタチューブ１２およびインナチューブ１３の交換等のために、マニホールド１６はアウタチューブ１２およびインナチューブ１３にそれぞれ着脱自在に取り付けられている。マニホールド１６が基板処理装置１０の筐体２に支持されることによって、プロセスチューブ１１は垂直に据え付けられた状態になっている。以後、図ではプロセスチューブ１１としてインナチューブ１３を省略する場合もある。

アウタチューブ１２とインナチューブ１３との隙間によって排気路１７が、横断面形状が一定幅の円形リング形状に構成されている。図１に示されているように、マニホールド１６の側壁の上部には排気管１８の一端が接続されており、排気管１８は排気路１７の最下端部に通じた状態になっている。排気管１８の他端には圧力コントローラ２１によって制御される排気装置１９が接続されており、排気管１８の途中には圧力センサ２０が接続されている。圧力コントローラ２１は圧力センサ２０からの測定結果に基づいて排気装置１９をフィードバック制御するように構成されている。

マニホールド１６の下方にはガス導入管２２がインナチューブ１３の炉口部１５に通じるように配設されており、ガス導入管２２には原料ガス供給装置、反応ガス供給装置および不活性ガス供給装置（以下、ガス供給装置という。）２３が接続されている。ガス供給装置２３はガス流量コントローラ２４によって制御されるように構成されている。ガス導入管２２から炉口部１５に導入されたガスは、インナチューブ１３の処理室１４内を流通して排気路１７を通って排気管１８によって排気される。

マニホールド１６には下端開口を閉塞する蓋体としてのシールキャップ２５が垂直方向下側から接するようになっている。シールキャップ２５はマニホールド１６の外径と略等しい円盤形状に構築されており、筐体２の待機室３に設備されたボートカバー３７に保護されたボートエレベータ２６によって垂直方向に昇降されるように構成されている。ボートエレベータ２６はモータ駆動の送りねじ軸装置およびベローズ等によって構成されており、ボートエレベータ２６のモータ２７は駆動コントローラ２８によって制御されるように構成されている。シールキャップ２５の中心線上には回転軸３０が配置されて回転自在に支持されており、回転軸３０は駆動コントローラ２８によって制御されるモータ２９により回転駆動されるように構成されている。回転軸３０の上端にはボート３１が垂直に支持されている。

ボート３１は上下で一対の端板３２，３３と、これらの間に垂直に架設された三本の保持部材３４とを備えており、三本の保持部材３４には多数の保持溝３５が長手方向に等間隔に刻まれている。三本の保持部材３４において同一の段に刻まれた保持溝３５同士は、互いに対向して開口するようになっている。ボート３１は三本の保持部材３４の同一段の保持溝３５間に基板１を挿入されることにより、複数枚の基板１を水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。また、三本の保持部材３４の同一段の保持溝３９間に断熱板１２０，１２２を挿入されることにより、複数枚の断熱板１２０，１２２を水平にかつ互いに中心を揃えた状態に整列させて保持するようになっている。

つまり、ボート３１は、複数枚の基板１が保持される端板３２から端板３８間の基板処理領域と、複数枚の断熱板１２０，１２２が保持される端板３８から端板３３間の断熱板領域とを区別するように構成され、基板処理領域の下方に断熱板領域が配置されるよう構成されている。端板３８と端板３３の間に保持される断熱板１２０，１２２により断熱部３６が構成される。

回転軸３０はボート３１をシールキャップ２５の上面から持ち上げた状態に支持するように構成されている。断熱部３６は、炉口部（炉口空間）１５に設けられ、炉口部１５を断熱するよう構成されている。

図２に示すように、プロセスチューブ１１の外側には、加熱部としてのヒータユニット４０が同心円に配置されて、筐体２に支持された状態で設置されている。これにより、ヒータユニット４０は、ボート３１に保持される基板処理領域内の基板１を加熱するよう構成される。ヒータユニット４０はケース４１を備えている。ケース４１はステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されて上端閉塞で下端開口の筒形状、好ましくは円筒形状に形成されている。ケース４１の内径および全長はアウタチューブ１２の外径および全長よりも大きく設定されている。

図２に示すように、ケース４１内には本発明の一実施の形態である断熱構造体４２が設置されている。本実施の形態に係る断熱構造体４２は、筒形状好ましくは円筒形状に形成されており、その円筒体の側壁部４３が複数層構造に形成されている。すなわち、断熱構造体４２は側壁部４３のうち外側に配置された側壁外層(以後、外層ともいう)４５と、側壁部のうち内側に配置された側壁内層(以後、内層ともいう)４４とを備え、外層４５と内層４４の間には、側壁部４３を上下方向で複数のゾーン(領域)に隔離する仕切部１０５と、該仕切部と隣り合う仕切部の間に設けられる環状のダクトとして構成されるバッファ部としての環状バッファ１０６と、を備える。

また、図２に示すように、ケース４１には、各ゾーンに拡散防止部としてのチェックダンパ１０４が設けられている。チェックダンパ１０４には、逆拡散防止体１０４ａが設けられ、この逆拡散防止体１０４ａの開閉により冷却エア９０がガス導入路１０７を介してバッファ部１０６に供給されるように構成されている。図示しないガス源から冷却エア９０が供給されないときには、この逆拡散防止体１０４ａが蓋となり、内部空間(以後、空間ともいう)７５の雰囲気が逆流しないように構成されている。この逆拡散防止体１０４ａの開く圧力をゾーンに応じて変更するよう構成してもよい。また、外層４５の外周面とケース４１の内周面との間は、金属の熱膨張を吸収するブランケットとしての断熱布１１１が設けられている。

そして、バッファ部１０６に供給された冷却エア９０は、内層４４内に設けられたガス供給流路１０８を流れ、該ガス供給流路１０８を含む供給経路の一部としての開口部としての開口穴１１０から冷却エア９０を空間７５に供給するように構成されている。尚、図２では、ガス供給系及び排気系が省略されている。

図１および図２に示されているように、断熱構造体４２の側壁部４３の上端側には天井部としての天井壁部８０が空間７５を閉じるように被せられている。天井壁部８０には空間７５の雰囲気を排気する排気経路の一部としての排気孔８１が環状に形成されており、排気孔８１の上流側端である下端は内側空間７５に通じている。排気孔８１の下流側端は排気ダクト８２に接続されている。

図３に示すように、制御部としての制御用コンピュータであるコントローラ２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｅｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０１およびメモリ２０２などを含むコンピュータ本体２０３と、通信部としての通信ＩＦ（Ｉｎｔｅｒ ｆａｃｅ）２０４と、記憶部としての記憶装置２０５と、操作部としての表示・入力装置２０６とを有する。つまり、コントローラ２００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。

ＣＰＵ２０１は、操作部の中枢を構成し、記憶装置２０５に記憶された制御プログラムを実行し、表示・入力装置２０６からの指示に従って、記憶装置２０５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。尚、プロセス用レシピは、図６に示す後述するステップＳ１からステップＳ９までの温度制御を含むのは言うまでもない。

また、一時記憶部としてのメモリ２０２は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等であり、特に、ＲＡＭは、ＣＰＵ２０１のワークエリアなどとして機能する。

通信部２０４は、圧力コントローラ２１、ガス流量コントローラ２４、駆動コントローラ２８、温度コントローラ６４(これらをまとめてサブコントローラということもある)と電気的に接続されている。コントローラ２００は、この通信部２０４を介してサブコントローラと各部品の動作に関するデータをやり取りすることができる。ここで、サブコントローラは、本体２０３を少なくとも有する構成であり、コントローラ２００と同様な構成であってもよい。

本発明の実施形態において、コントローラ２００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ＵＳＢ等の外部記録媒体２０７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ＩＦ２０４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。

図４は、基板処理装置１０の断熱部３６（断熱板領域）周辺の拡大図である。尚、図４では、ガス供給系や排気系は省略してある。また、図４に示すように断熱板１２０，１２２は、後述する基板１がボート３１に装填されるウエハチャージ（基板搬入）工程前に、予めボート３１の下部に配置され、断熱板領域が形成される。

ボート３１の断熱板領域には、反射率の異なる複数枚の断熱板１２０，１２２が保持されている。断熱板１２０は、断熱板１２２と比較して反射率の高いものである。断熱板１２０は、少なくとも断熱板領域の最も一番上（最上端）に設けられるよう構成すればよい。また、本実施形態によれば、断熱板１２０は、断熱板領域の最上端に一枚または、断熱板領域の上端側に複数枚設けられることにより、断熱板領域の上層部を構成する。

また、断熱板１２２よりも反射率の高い複数枚の断熱板により上層部を形成する場合、反射率は同じでなくてもよく、更に、断熱板領域の最上端の断熱板の反射率が一番高く、最上端から下側に向けて設けられる断熱板の反射率が徐々に小さくなるように構成してもよい。また、断熱板領域の最上端の断熱板の反射率が一番高く、最上端から下側に向けて設けられる複数枚の断熱板の反射率が徐々に小さくなるように構成してもよい。

図４に示すように、側面（側方）に発熱体５６が配置される断熱板領域の高温部には、複数枚の断熱板１２０を配置することにより上層部を構成するのが好ましい。また、側面（側方）に発熱体５６が配置されない断熱板領域の低温部には、断熱板１２２を配置することにより、下層部を構成するようにしてもよい。言い換えれば、図４に示すように、断熱板領域内の基板処理領域側に、断熱板領域内の炉口部１５側に保持される断熱板１２２より反射率の高い断熱板１２０を配置することにより、上層部が形成されると共に、複数枚の断熱板１２２で下層部が形成される。

更に、言い換えれば、断熱板領域の上層部は、該上層部に保持される断熱板１２０の側面（側方）にヒータユニット４０が配置される領域であり、断熱板領域の下層部は、該下層部に保持される断熱板１２２の側面（側方）にヒータユニット４０が配置されない領域であるよう構成されている。すなわち、断熱板領域の上層部は、ヒータユニット４０が上層部に保持される断熱板１２０の側面を水平に取り囲む領域であり、断熱板領域の下層部は、ヒータユニット４０が下層部に保持される断熱板１２２の側面を水平に取り囲まない領域であるよう構成されている。

更に、図４において、断熱板１２０よりも反射率が低く、断熱板１２２より反射率が高い断熱板を、断熱板１２０により形成される上層部と断熱板１２２により形成される下層部の間に設け、断熱板領域を３層構造にしてもよい。

本実施形態によれば、ヒータユニット４０（または発熱体５６）は、処理室１４を囲繞するように設けられており、基板１は側方から加熱される。このため、特に、処理室１４下方の基板１の中心部が加熱され難く、又、温度が下がり易く、処理室１４の昇温に時間が掛かり、リカバリ時間（温度安定時間）が長くなる傾向であったが、上述のように断熱板領域の上層部に反射率の高い断熱板１２０を配置することにより、低減することができた。

つまり、本実施形態によれば、断熱板領域の上端側に反射率の高い断熱板１２０を配置することにより上層部を形成すると、断熱板１２０を通過する放射エネルギーが減少し、ボート３１の下方であって、断熱板領域上方の基板１中心部付近の受熱量を増加させることができる。これにより、処理室１４下方の基板中心部の温度の低下によって発生する面内温度偏差を低減することが可能となる。

図５に示すように、移載装置１２５は、主に、基板１を載置して搬送する支持部としてのツイーザ１２６と、基板１を移載する位置を検出する検知部３００と、ツイーザ１２６と検知部３００とを作動させる機構部３０２から構成される。

機構部３０２は、移載装置１２５の台座として水平方向に回転自在に構成されている。

ツイーザ１２６は、ツイーザ１２６の移動方向を固定する固定部３０４に装着され、固定部３０４が機構部３０２上を摺動し、ツイーザ１２６が移動される。また、機構部３０２が水平方向に回転されることで、ツイーザ１２６が回転される。ツイーザ１２６は、例えばＵ字形状を有しており、複数枚（本実施形態においては５枚）、垂直方向等間隔に水平に取り付けられている。

すなわち、移載装置１２５の固定部３０４が、機構部３０２上を前後方向に摺動され、機構部３０２の回転によりツイーザ１２６が水平方向（後述する左右方向）に回転され、不図示の移載装置エレベータにより、移載装置１２５が上下方向に移動される。

検知部３００は、基板１の位置を光学的に検知するセンサであり、この検知された検知情報が位置情報として記憶装置２０５に記憶される。また、表示・入力装置２０６からの動作命令がコントローラ２００に入力されるとともに、コントローラ２００で得られたステータスや駆動コントローラ２８で得られたエンコーダ値が記憶装置２０５に入力されて記憶される。このエンコーダ値は移載装置１２５及び移載装置エレベータの駆動モータが発生するパルス数であり、これによって移載装置１２５の移動距離（すなわち、ツイーザ１２６の移動距離）を検出しつつ動作制御を行うことができる。

コントローラ２００は、記憶装置２０５に記憶された位置情報及びエンコーダ値に基づいて駆動コントローラ２８に動作指示を与え、移載装置１２５や移載装置エレベータを動作させる。つまり、移載装置１２５は、図５に示すように、ボート３１の基板処理領域の保持溝３５の位置情報を取得し、ボート３１の基板処理領域に基板１を移載するよう駆動コントローラ２８により制御される。

また、例えば後述する図９に示すような断熱板の種類や位置情報に関する情報と、ボート３１の断熱板領域の保持溝３５の位置情報に基づき、移載装置１２５により断熱板領域の上層部に断熱板１２０を移載させたり、断熱板領域の下層部に断熱板１２２を移載させたりするよう構成してもよい。

次に、上述の基板処理装置１０を用い、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、基板上に膜を形成する処理（以下、成膜処理ともいう）のシーケンス例について説明する。

以下、原料ガスとしてヘキサクロロジシラン（Ｓｉ₂Ｃｌ₆、略称：ＨＣＤＳ）ガスを用い、反応ガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、基板１上にシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜、以下、ＳｉＮ膜ともいう）を形成する例について説明する。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コントローラ２００及びサブコントローラにより制御される。

本実施形態における成膜処理では、処理室１４の基板１に対してＨＣＤＳガスを供給する工程と、処理室１４からＨＣＤＳガス（残留ガス）を除去する工程と、処理室１４の基板１に対してＮＨ₃ガスを供給する工程と、処理室１４からＮＨ₃ガス（残留ガス）を除去する工程と、を非同時に行うサイクルを所定回数（１回以上）行うことで、基板１上にＳｉＮ膜を形成する。

また、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：ステップＳ１）
駆動コントローラ２８により移載装置１２５及び移載装置エレベータを動作させて、ボート３１の基板処理領域に複数枚の基板１が保持されて装填（ウエハチャージ）される。尚、ボート３１の断熱板領域には、既に、複数枚の断熱板１２０，１２２が保持されて装填されている。本実施例では、断熱板領域の下層部に断熱板１２２を、断熱板領域の上層部に下層部の断熱板１２２よりも反射率の高い断熱板１２０が保持されている。

そして、基板１と断熱板１２０，１２２が保持されたボート３１は、駆動コントローラ２８によりボートエレベータ２６を動作させてプロセスチューブ１１内に装入され、処理室１４に搬入（ボートロード）される。このとき、シールキャップ２５は、不図示のＯリングを介してインナチューブ１３の下端を気密に閉塞（シール）した状態となる。

（圧力調整および温度調整：ステップＳ２）
処理室１４が所定の圧力（真空度）となるように、圧力コントローラ２１によって排気装置１９が制御される。この際、処理室１４の圧力は、圧力センサ２０で測定され、この測定された圧力情報に基づき排気装置１９が、フィードバック制御される。排気装置１９は、少なくとも基板１に対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。

また、処理室１４の基板１が所定の温度となるように、ヒータユニット４０によって加熱される。この際、温度コントローラ６４により処理室１４が所定の温度分布となるように、熱電対６５が検出した温度情報に基づきヒータユニット４０への通電具合がフィードバック制御される。ヒータユニット４０による処理室１４の加熱は、少なくとも基板１に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。

また、モータ２９によるボート３１および基板１の回転を開始する。具体的には、駆動コントローラ２８によりモータ２９を回転させると、ボート３１が回転されるに伴い、基板１が回転される。このモータ２９の回転によるボート３１および基板１の回転は、少なくとも、基板１に対する処理が終了するまでの間は継続して行われる。

＜成膜処理＞
処理室１４内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、次の４つのステップ、すなわち、ステップＳ３〜Ｓ６を順次実行する。

（原料ガス供給：ステップＳ３）
このステップでは、処理室１４の基板１に対し、ＨＣＤＳガスを供給する。

このステップでは、ガス導入管２２から処理室１４に導入されたＨＣＤＳガスが、ガス流量コントローラ２４によって流量制御され、インナチューブ１３の処理室１４を流通して排気路１７を通って排気管１８から排気される。このとき、同時に、ガス導入管２２内へＮ₂ガスを流す。Ｎ₂ガスは、ガス流量コントローラ２４により流量調整され、ＨＣＤＳガスと一緒に処理室１４へ供給され、排気管１８から排気される。基板１に対してＨＣＤＳガスを供給することにより、基板１の最表面上に、第１の層として、例えば１原子層未満から数原子層の厚さのシリコン（Ｓｉ）含有層が形成される。

（パージガス供給：ステップＳ４）
第１の層が形成された後、ＨＣＤＳガスの供給を停止する。このとき、排気装置１９により処理室１４を真空排気し、処理室１４に残留する未反応もしくは第１の層の形成に寄与した後のＨＣＤＳガスを処理室１４から排出する。このとき、Ｎ₂ガスの処理室１４への供給を維持する。Ｎ₂ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室１４に残留するガスを処理室１４から排出する効果を高めることができる。

（反応ガス供給：ステップＳ５）
ステップＳ４が終了した後、処理室１４の基板１、すなわち、基板１上に形成された第１の層に対してＮＨ₃ガスを供給する。ＮＨ₃ガスは熱で活性化されて基板１に対して供給されることとなる。

このステップでは、ガス導入管２２から処理室１４に導入されたＮＨ₃ガスが、ガス流量コントローラ２４によって流量制御され、インナチューブ１３の処理室１４を流通して排気路１７を通って排気管１８から排気される。このとき、同時に、ガス導入管２２内へＮ₂ガスを流す。Ｎ₂ガスは、ガス流量コントローラ２４により流量調整され、ＮＨ₃ガスと一緒に処理室１４へ供給され、排気管１８から排気される。このとき、基板１に対してＮＨ₃ガスが供給されることとなる。基板１に対して供給されたＮＨ₃ガスは、ステップＳ３で基板１上に形成された第１の層、すなわちＳｉ含有層の少なくとも一部と反応する。これにより第１の層は、ノンプラズマで熱的に窒化され、第２の層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと変化させられる（改質される）。

（パージガス供給：ステップＳ６）
第２の層が形成された後、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。そして、ステップＳ４と同様の処理手順により、処理室１４に残留する未反応もしくは第２の層の形成に寄与した後のＮＨ₃ガスや反応副生成物を処理室１４から排出する。このとき、処理室１４に残留するガス等を完全に排出しなくてもよい点は、ステップＳ４と同様である。

（所定回数実施：ステップＳ７）
上述した４つのステップを非同時に、すなわち、同期させることなく行うサイクルを所定回数（ｎ回）行うことにより、基板１上に、所定膜厚のＳｉＮ膜を形成することができる。なお、上述のサイクルを１回行う際に形成される第２の層（ＳｉＮ層）の厚さを所定の膜厚よりも小さくし、第２の層（ＳｉＮ層）を積層することで形成されるＳｉＮ膜の膜厚が所定の膜厚になるまで、上述のサイクルを複数回繰り返すのが好ましい。

（パージおよび大気圧復帰：ステップＳ８）
成膜処理が完了した後、ガス導入管２２からＮ₂ガスを処理室１４へ供給し、排気管１８から排気する。Ｎ₂ガスはパージガスとして作用する。これにより、処理室１４がパージされ、処理室１４に残留するガスや反応副生成物が処理室１４から除去される（パージ）。同時に、冷却ガスとしての冷却エア９０がチェックダンパ１０４を介してガス導入路１０７に供給される。供給された冷却エア９０はバッファ部１０６内で一時的に溜められ、複数個の開口穴１１０からガス供給流路１０８を介して空間７５に吹出す。そして、開口穴１１０から空間７５に吹き出した冷却エア９０は排気孔８１および排気ダクト８２によって排気される。その後、処理室１４の雰囲気が不活性ガスに置換され（不活性ガス置換）、処理室１４の圧力が常圧に復帰される（大気圧復帰）。

（基板搬出：ステップＳ９）
駆動コントローラ２８によりボートエレベータ２６を下降させることによりシールキャップ２５が下降され、プロセスチューブ１１の下端が開口される。そして、処理済の基板１が、ボート３１に支持された状態で、プロセスチューブ１１の下端からプロセスチューブ１１の外部に搬出される（ボートアンロード）。処理済の基板１は、ボート３１より取出される（ウエハディスチャージ）。

ここで、基板１をボート３１に装填する（ウエハチャージ）前に所定の断熱板をボート３１に装填する工程（準備工程）を半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程に含むようにしてもよい。

以下に、本実施形態の断熱部３６の変形例について図７及び図８に基づいて説明する。

＜変形例１＞
図７は、変形例１に係る断熱部４６（断熱板領域）周辺の拡大図である。
変形例１に係る断熱部４６は、基板面内温度リカバリ時間を重視したい場合に用いる。

変形例１に係る断熱部４６は、上述した断熱板１２０と同じ材質（同じ反射率）であって、断熱板１２０よりも厚さ(熱容量)の小さい複数枚の断熱板１２４で構成される。つまり、断熱板領域に上述した断熱板１２０と同様に反射率が高く、上述した断熱板１２０よりも厚さの小さい断熱板１２４を配置する。

断熱板１２４の厚さの合計は、上述した実施形態の断熱部３６の断熱板１２０と断熱板１２２の組み合わせの厚さの合計の半分程となっている。つまり、断熱板の厚さの影響を反射率で補うことで面内温度偏差は上述した実施形態の断熱部３６と同等を維持しながら、基板の面内温度リカバリ時間を４５％程度短縮可能とすることができる。

＜変形例２＞
図８は、変形例２に係る断熱部６６（断熱板領域）周辺の拡大図である。
変形例２は、基板面内温度偏差を重視したい場合に用いる。

変形例２に係る断熱部６６は、厚さと反射率の異なる断熱板を組み合わせて用いる。具体的には、側面に発熱体５６が配置される断熱板領域には、側面に発熱体５６が配置されない断熱板領域の断熱板１２２に比べて厚さが小さく反射率の高い複数枚の断熱板１２４を配置することにより上層部を構成する。また、図４と同様に、側面に発熱体５６が配置されない断熱板領域には、断熱板１２２を配置することにより、下層部を構成するようにしてもよい。

つまり、本実施形態によれば、基板処理領域側に保持される断熱板１２４の厚さを、基板処理領域の反対側に保持される断熱板１２２の厚さよりも小さくすると共に、基板処理領域側に保持される断熱板１２４の反射率を、基板処理領域の反対側に保持される断熱板１２２の反射率よりも高くすることにより、断熱板１２４を通過する放射エネルギーが減少し、ボート３１の下方であって、断熱板領域上方の基板１中心部付近の受熱量を増加させることができる。

また、図８によれば、断熱板領域において、反射率の高い断熱板１２４の枚数は、反射率の低い断熱板１２２の枚数よりも多く配置されている。また、断熱板領域において、厚さが薄い断熱板１２４の枚数が、厚さの大きい断熱板１２２の枚数よりも多く配置されている。

また、図８によれば、断熱板領域内の基板処理領域側に保持される断熱板１２４間の距離が基板処理領域の反対側に保持される断熱板１２２間の距離（間隔）よりも狭くなるよう配置されている。

このように、断熱板１２２より厚さが小さく反射率が高い断熱板領域の断熱板１２４間の間隔を断熱板１２２間の間隔よりも小さくすることにより、上層部を形成する断熱板１２４の枚数を断熱板１２２の枚数よりも増やすことで更に基板中心付近の受熱量が上述した実施形態の断熱部３６を用いた場合よりも増加し、基板面内温度偏差の低減及び基板面内温度リカバリ時間の短縮が可能となる。

以下、図９〜図１１に実験例を説明するが、本発明はこれらの実験例により限定されるものではない。

＜実験例＞
図９に示すように、比較例では、断熱部として４ｍｍの断熱板１２２を１３枚用いた。また、実施例１では、図４に示す上述した本実施形態に係る断熱部３６を用いて、具体的には、断熱板領域に４ｍｍの断熱板１２０を８枚配設し上層部を形成し、断熱板領域に４ｍｍの断熱板１２２を５枚配設し、下層部を形成した。また、実施例２では、図７に示す変形例１に係る断熱部４６を用いて、断熱板領域に２ｍｍの断熱板１２４を１３枚配設した。また、実施例３では、図８に示す変形例２に係る断熱部６６を用いて、断熱板領域に２ｍｍの断熱板１２４を１６枚配設し上層部を形成し、断熱板領域に４ｍｍの断熱板１２２を５枚配設し、下層部を形成した。

図９に示す反射率「大」の断熱板１２０，１２４は、例えば、８０％以上の光や熱を反射するように構成されており、反射率「中」の断熱板１２２は、例えば、４０％程度の光や熱を反射するように構成されている。

図１０は、図９に示す実施例１〜実施例３と比較例における断熱部を用いて、上述した基板処理工程を行った場合の炉内温度８００℃での基板１のボート３１の保持位置と基板面内温度偏差の関係を示した図である。図１０に示されるように、実施例１と実施例３のように反射率の異なる断熱板を組み合わせて用いることで、ボート３１下方の基板の面内温度偏差ΔＴを比較例の断熱部を用いた場合の２分の１から３分の１程度まで改善できることが確認された。また、実施例２の薄く反射率の高い断熱板を用いることにより、ボート３１下方の基板の面内温度偏差ΔＴを比較例の断熱部を用いた場合の２分の１程度まで改善でき、基板処理領域を大きくすることができることが確認された。つまり、基板処理領域のピッチ拡大による成膜均一性の向上等の効果を得ることができることが確認された。

図１１は、図９に示す実施例１〜実施例３と比較例における断熱部を用いて、上述した基板処理工程を行った場合の炉内温度を８００℃に昇温後の基板１のボート３１の保持位置と基板面内温度リカバリ時間との関係を示す図である。

図１１に示されるように、実施例２の薄く反射率の高い断熱板や、実施例１，３の反射率の異なる断熱板を組み合わせて用いることにより、ボート３１下方に配置された基板の面内温度リカバリ時間が比較例の断熱部を用いた場合と比べて最大４５％短縮され、処理に要する時間が短縮されることが確認された。

＜他の実験例＞
以下、図１２及び図１３により他の実施例について説明する。装置構成については同じであるため説明は省略し、ボート３１の断熱板領域(断熱部)に特化して説明する。図１２に示すように、ＡからＤの４パターンについて温度測定を行った。ここで、図では、断熱板が９枚となっているが、実施例１等に合せて１３枚としてもよく、この枚数に限定されないのは言うまでもない。尚、断熱部において上述の実施例と異なる点は、熱や光を吸収する黒色の断熱板(黒色断熱板)１２８を用いる点である。この他の実施例では、断熱材の最適な配置、材質、厚み(熱容量)を検討した。ここで、断熱板１２８は、断熱板１２２，１２４と比較して、厚さ１ｍｍ〜４ｍｍで数％〜十数％程度の光や熱を反射するように構成される。例えば、室温では、断熱板１２８の反射率が厚さ４ｍｍで２〜３％程度であり、厚さ２ｍｍで約８％、厚さ１ｍｍで約１８％である。また、断熱板１２８は、熱放射率が、６００℃以上で７０％程度となり、１０００℃以上で８０％程度となることが分かっている。

図１２に示すように、パターンＡでは、断熱部として２ｍｍの断熱板１２４と４ｍｍの黒色断熱板１２８を(１枚毎に)交互に配置することにより形成し、パターンＢでは、断熱板領域に４ｍｍの黒色断熱板１２８を複数枚(ここでは４枚)配設し、断熱板領域に２ｍｍの断熱板１２４を複数枚(ここでは５枚)配設し形成した。パターンＣでは、上述の実施例２と同様に、断熱板領域に２ｍｍの断熱板１２４を９枚配設し、パターンＤは、上述の比較例と同様の断熱板１２２を９枚配設した。

なお、パターンＢでは、黒色断熱板１２８が配設された領域を上層部とし、断熱板１２４が配設された領域を下層部としてもよい。また、各パターン(パターンＡ〜パターンＤ)において、側面（側方）に発熱体５６が配置される断熱板領域の高温部を上層部とし、側面（側方）に発熱体５６が配置されない断熱板領域の低温部を下層部とする構成としてもよい。

図１３は、図１２に示すパターンＡからパターンＤにおける断熱部を用いて、Ｎ２雰囲気で炉内圧力４００Ｐａを維持しつつ、初期温度を炉内温度４００℃とし、目標温度を炉内温度７４０℃としたときの基板１の温度依存性の解析結果の例を示すものである。縦軸が基板温度(℃)、横軸が時間(秒)である。ここで、基板温度は、基板１面内の平均温度である。なお、基板１の位置は、ボート３１の保持部材３４に刻設された保持溝３５のうち、断熱板領域に一番近い保持溝３５(スロット１ともいう)から５番目に近い保持溝３５(スロット５)の間の所定位置であり、本実施例では、ボート３１の保持部材３４に刻設された保持溝３５のうち、最も断熱板領域に近いスロット１である。

図１３において、上述の実施例２に相当するパターンＣと上述の比較例に相当するパターンＤを比較すると、パターンＣでは、断熱材の厚みを小さくした高反射率断熱材１２４の方が炉内温度を高温に保持すると共に、昇温時間が早いことが分かる。

次に図１３において、パターンＣと、該パターンＣから高反射率石英の上部分(断熱板領域の最上部から断熱板４枚分)を輻射熱の吸収が高い黒色断熱材を用いたものに変更した断熱板１２８に変更したパターンＢとを比較すると、断熱板領域の上部で効率よく輻射を吸収するため基板１の温度をより早くより高温にすることができることがわかる。つまり、黒色断熱板１２８を利用することにより、断熱板領域の上部で蓄熱することができ、熱逃げが生じにくく、基板処理領域の下部に近いところであっても基板１を効率よく加熱することができるためである。

更に図１３において、パターンＢと、高反射率の断熱材の間に黒色断熱材を挟み込んだパターンＡの構造とを比較すると昇温時間と高温保持能力が高くなった。断熱板領域で効率よく輻射を吸収するため基板１の温度をより早くより高温にすることができることがわかる。言い換えると、パターンＢの場合、黒色断熱板１２８が断熱板領域の上部にしかないため、断熱板領域の下部の熱逃げを抑制することができない。一方、パターンＡでは、断熱板１２４と黒色断熱板１２８を１枚ずつ交互に配置することにより断熱板領域全体での熱逃げを抑制することができる。さらに、パターンＡは、黒色断熱板１２８の室温近くでは反射率が低く、高温になるにつれて熱放射率が上昇する特性が、断熱板領域全体で最も効率良く影響しているので、昇温時間と高温保持能力を向上させることができているといえる。

図１３に示すように、断熱板１２４と黒色断熱板１２８を１枚ずつ交互に配置するパターンＡでは、目標温度の７４０℃で保持することができることが分かる。更に、昇温時間に関しても初期温度４００℃から７００℃までの昇温時間をパターンＢより短くすることができる。また、パターンＣ及びパターンＤが、基板温度７００℃に到達できなかったのに対して、パターンＡ及びパターンＢは、基板温度７００℃に到達している。

このように、本実施形態によれば、光や熱の輻射を吸収できる断熱部材(本実施例では黒色断熱材)１２８を用いることにより、断熱板領域(炉口部)から熱逃げを抑制し、効率よく基板処理領域下部の基板１に熱を供給することができる。つまり、反射率の高い断熱板１２４と黒色断熱材１２８を組み合わせることで、基板１の昇温時間及び目標温度での保持時間を制御することができる。

本実施形態によれば、基板保持具は、基板が保持される基板処理領域と断熱板が保持される断熱板領域に区別され、断熱板領域において、反射率の大きい断熱板と光を吸収する黒色断熱板が適宜組合せられ、保持されるよう構成されている。特に、断熱板領域において、反射率の大きい断熱板と光を吸収する黒色断熱板が交互に保持されるよう構成されているので、処理基板の目標温度までの昇温時間及び目標温度の保持を精度よく制御することができる。

また、本実施形態によれば、光や熱の輻射を吸収できる黒色断熱材１２８を用いることにより、断熱板領域(炉口部)から熱逃げを抑制し、効率よく基板処理領域下部の基板１に熱を供給することができ、目標温度(例えば、７４０℃)までの到達時間(昇温時間)を改善することができる。更に、黒色断熱板１２８の高温になるにつれて熱放射率が大きくなる特性と反射率が大きい断熱板と適宜組合せることにより、目標温度(例えば、７４０℃)での保持時間を維持させることができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態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、断熱板領域の熱履歴を抑える為に断熱材領域の温度を意図的に下げたい場合などもある。その場合は意図的に断熱板の熱容量をあげる、もしくは反射率の悪い材料を選択することで断熱材領域の温度コントロールが可能である。

例えば、上述の実施形態では、ボート３１の基板処理領域に基板１を載置し、ボート３１の断熱板領域に複数枚の断熱板１２０〜１２４を載置する構成について説明したが、これに限らず、ボート３１の下方に断熱板１２０〜１２４を保持する断熱板保持具をボート３１とは別体で設ける構成にも適用することができる。

また、上述の実施形態では、ＳｉＮ膜を形成する例について説明したが、膜種は特に限定されない。例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ膜）、金属酸化膜等の酸化膜等の種々の膜種に適用することができる。

また、上述の実施形態では、基板処理装置について説明したが、半導体製造装置全般に適用することができる。また、半導体製造装置に限らずＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）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。

１ 基板（ウエハ）、１０ 基板処理装置、１１ プロセスチューブ（反応管）、１４ 処理室、３１ ボート（基板保持具）、３６，４６，６６ 断熱部、４０ ヒータユニット（加熱部）、５６ 発熱体、１２０，１２２，１２４，１２８ 断熱板、２００ コントローラ

Claims (12)

1. 複数枚の基板及び断熱板を保持する基板保持具と、前記基板保持具が収容される反応管と、前記基板保持具に保持された基板を加熱する加熱部と、を有する基板処理装置であって、
   前記基板保持具は、前記基板が保持される基板処理領域と前記断熱板が保持される断熱板領域に区別され、前記断熱板領域の上層部に該上層部以外の断熱板領域に保持される断熱板よりも反射率の高い断熱板が保持されるよう構成されている基板処理装置。
2. 前記基板保持具は、前記断熱板領域内における前記基板処理領域側に保持される断熱板の反射率を、前記基板処理領域側の反対側に保持される断熱板の反射率より高くするよう構成される請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記基板保持具は、前記断熱板領域の上層部に該上層部以外の前記断熱板領域に保持される断熱板よりも厚さの小さい断熱板を有するよう構成される請求項１記載の基板処理装置。
4. 前記基板保持具は、前記断熱板領域の上層部に保持される断熱板の断熱板間の距離が、該上層部以外の前記断熱板領域に保持される断熱板の断熱板間の距離よりも狭くなるよう構成される請求項１記載の基板処理装置。
5. 前記基板保持具は、前記断熱板領域において、反射率が高い断熱板の枚数は反射率が低い断熱板の枚数よりも多く設けられる請求項４記載の基板処理装置。
6. 前記基板保持具は、前記断熱板領域において、厚さが小さい断熱板の枚数は厚さが大きい断熱板の枚数よりも多く設けられる請求項３記載の基板処理装置。
7. 前記断熱板領域の上層部は、前記断熱板の側面に前記加熱部が配置される領域であり、前記断熱板領域の下層部は、前記断熱板の側面に前記加熱部が配置されない領域であるよう構成されている請求項１記載の基板処理装置。
8. 前記基板保持具は、前記断熱板領域の上層部は、熱や光を吸収する黒色断熱板が設けられる請求項１記載の基板処理装置。
9. 前記基板保持具は、前記厚さが小さい断熱板は反射率が大きく、前記厚さが大きい断熱板は黒色断熱板である請求項６記載の基板処理装置。
10. 複数枚の基板及び断熱板を保持する基板保持具と、前記基板保持具に保持された基板を加熱する加熱部と、を有する基板処理装置であって、
    前記基板保持具は、前記基板が保持される基板処理領域と前記断熱板が保持される断熱板領域に区別され、前記断熱板領域において、反射率の大きい断熱板と光を吸収する黒色断熱板が交互に保持されるよう構成されている基板処理装置。
11. 基板が保持される基板処理領域と複数の断熱板が保持される断熱板領域とで構成され、
    前記断熱板領域の上層部に該上層部以外の断熱板領域に保持される断熱板よりも反射率の高い断熱板が保持されるよう構成されている基板保持具。
12. 基板が保持される基板処理領域と複数の断熱板が保持される断熱板領域に区別されるよう構成される基板保持具であって、前記断熱板領域の上層部に該上層部以外の断熱板領域に保持される断熱板よりも反射率の高い断熱板が保持される基板保持具に、複数枚の基板を保持させる工程と、
    前記複数枚の基板を保持した前記基板保持具を反応管内に装入する工程と、
    前記反応管内の前記基板を加熱しつつ、前記基板を処理する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。