(57)【要約】  【課題】  ウエハ昇温時における反応管内の熱電対による検出温度が目標温度に対してオーバーシュートするのを抑制し、ウエハの昇温速度を向上させることができる基板処理装置を提供する。  【解決手段】  基板を収容し処理する処理室を形成する反応容器と、前記反応容器を囲うように設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、前記加熱手段と前記反応容器との間に形成される空間内のガスを排出するための排気手段と、前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、前記加熱手段および前記排気手段のうち少なくとも一方を、前記温度検出手段による検出温度が所定の温度範囲内になるように、前記温度検出手段による検出温度の温度勾配に基づいて制御する制御手段とを備えてなる。  【選択図】  図１
2006222327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を収容し処理する処理室を形成する反応容器と、
前記反応容器を囲うように設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段と前記反応容器との間に形成される空間内のガスを排出するための排気手段と、
前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、
前記加熱手段および前記排気手段のうち少なくとも一方を、前記温度検出手段による検出温度が所定の温度範囲内になるように、前記温度検出手段による検出温度の温度勾配に基づいて制御する制御手段と
を備えてなることを特徴とする基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理装置に関し、特に、被処理基板を処理室に収容してヒータによって加熱した状態で処理を施す熱処理技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、縦型基板処理装置においては、被処理基板としてのウエハは石英製の反応管に収容された状態で、該反応管の外部に設けられた加熱手段により加熱され、ウエハに所望の処理が施されるようになっている。この反応管の内部には熱電対（温度検出手段、制御ＴＣに相当）が設置され、加熱手段による加熱量は熱電対による検出温度をもとに温度制御手段により制御されるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかしながら、ウエハ昇温時、熱電対の検出する温度が目標温度まで達した後、加熱手段の出力が停止されるように加熱手段を制御するが、熱電対は目標温度を越えてしまい、オーバーシュートが発生する場合がある。図７は、熱電対の検出する温度にて加熱手段を制御している状態でウエハに温度検出手段を取り付け、ウエハの温度を検出したときの温度変化を示す図である。同図より、熱電対の検出する温度がオーバーシュートしはじめてから、ウエハの昇温レートが低くなってしまっていることが分かる。すなわち、ウエハが目標温度に到達し、目標温度に安定するまでの時間が長くなってしまっている。
【特許文献１】特開２００４−１１９６６８号公報  （第４―６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
オーバーシュートが発生している期間は加熱手段による加熱作用が停止されるため、ウエハの昇温速度が熱電対の昇温速度に比べて遅い場合、ウエハが目標温度に到達する前にウエハの加熱作用が減少してしまう結果、ウエハ昇温時間（ウエハ温度安定化時間）が長くなる（すなわち、ウエハ温度の昇温レートが低くなり、スループットが低下する）という問題があった。
【０００５】
また、ウエハ加熱時、昇温レートの値によっては（特に小さな昇温レートの場合）、反応管に蓄積された熱の移動によりその分、熱電対（ウエハ）が余計に加熱され、熱電対の検出する温度の昇温レートが、設定した昇温レートを越えてしまうことで、ヒータ出力を停止するように制御するため、この期間ウエハは加熱手段により加熱されず、その結果として、ウエハの昇温時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ウエハ昇温時における反応管内の熱電対による検出温度が目標温度に対してオーバーシュートするのを抑制し、ウエハの昇温速度を向上させることができる基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明に係る基板処理装置は、基板を収容し処理する処理室を形成する反応容器と、前記反応容器を囲うように設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、前記加熱手段と前記反応容器との間に形成される空間内のガスを排出するための排気手段と、前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、前記加熱手段および前記排気手段のうち少なくとも一方を、前記温度検出手段による検出温度が所定の温度範囲内になるように、前記温度検出手段による検出温度の温度勾配に基づいて制御する制御手段とを備えてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上に詳述したように本発明によれば、ウエハ昇温時における反応管内の熱電対による検出温度が目標温度に対してオーバーシュートするのを抑制し、ウエハの昇温速度を向上させることができる基板処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は本実施の形態による基板処理装置の全体構成を示す縦断面図であり、図２は本実施の形態による基板処理装置における処理室周辺の詳細を示す縦断面図である。
【００１１】
同図に示すように、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ＣＶＤ装置（バッチ式縦形ホットウォール形減圧ＣＶＤ装置）１０として構成されている。
【００１２】
図１に示されたＣＶＤ装置（基板処理装置）１０は、中心線が垂直になるように縦に配されて支持された縦形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アウタチューブ（反応管に相当）１２とインナチューブ１３とから構成されている。アウタチューブ１２は、基板を収容し処理する処理室を形成する役割を有し、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。
【００１３】
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おり、インナチューブ１３の筒中空部はボートによって長く整列した状態に保持された複数枚のウエハが搬入される処理室１４を実質的に形成している。インナチューブ１３の下端開口はウエハを出し入れするための炉口１５を実質的に構成している。したがって、インナチューブ１３の内径は取り扱うウエハの最大外径（例えば、直径３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。
【００１４】
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マニホールド１６によって気密封止されており、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の交換等のために、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ＣＶＤ装置の筐体２に支持されることにより、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。
【００１５】
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は、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の最下端部に連通し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。
【００１６】
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１５に連通するように接続されており、ガス導入管２２にはガス流量コントローラ２４によって制御される原料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。ガス導入管２２によって炉口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。
【００１７】
マニホールド１６には下端開口を閉塞するシールキャップ２５が垂直方向下側から当接され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が挿通されて回転自在に支承されており、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によって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が垂直に立脚されて支持されている。
【００１８】
ボート３１は上下で一対の端板３２、３３と、両端板３２と３３との間に架設されて垂直に配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配されて互いに対向して開口するように刻設されている。ボート３１は三本の保持部材３４の保持溝３５間にウエハ１を挿入されることにより、複数枚のウエハ１を水平に且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。ボート３１と回転軸３０との間には断熱キャップ部３６が配置されている。断熱キャップ部３６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ことにより、ボート３１の下端を炉口１５の位置から適当な距離だけ離間させるように構成されている。断熱キャップ部３６の上側には下側サブヒータユニット３７が設置されており、下側サブヒータユニット３７はボート３１に保持されたウエハ１を下側から加熱するように構成されている。
【００１９】
プロセスチューブ１１の外側にはヒータユニット４０が設置されている。ヒータユニット４０はプロセスチューブ１１を全体的に被覆する熱容量の小さい断熱槽４１を備えており、断熱槽４１はＣＶＤ装置の筐体２に垂直に支持されている。
【００２０】
断熱槽４１の内側にはプロセスチューブ１１内を加熱する（反応容器を囲うように設けられ、基板を加熱する）加熱手段としてのＬ管形ハロゲンランプ（以下、加熱ランプという。）４２が複数本、周方向に等間隔に配置されて同心円に設備されている。
【００２１】
加熱ランプ４２はカーボンやタングステン等のフィラメントが石英（ＳｉＯ2）のＬ管によって被覆され、管内が不活性ガスまたは真空雰囲気に封止されて構成されている。加熱ランプ４２のＬ管の一端部は短く形成されており、この短い方の端部にはランプ駆動装置４４に電気的に接続するコネクタ４２ａが雄形に形成されている。
【００２２】
各加熱ランプ４２のコネクタ４２ａはプロセスチューブ１１の上部および下部（処理中のウエハ１のある高さよりも上部および下部）にそれぞれ配置されており、コネクタ４２ａの介在による発熱量の低下が回避されている。
【００２３】
加熱ランプ４２群は、長さが異なる複数規格のものが組み合わされて配置されており、熱の逃げ易いプロセスチューブ１１の上部および下部の発熱量が増加するように構成されている。
【００２４】
断熱槽４１の天井面の下側における中央部には直管形ハロゲンランプ（以下、天井加熱ランプという。）４３が複数本、互いに平行で両端を揃えられて敷設されており、天井加熱ランプ４３群はボート３１に保持されたウエハ１群をプロセスチューブ１１の上方から加熱するように構成されている。
【００２５】
天井加熱ランプ４３はカーボンやタングステン等のフィラメントが石英（ＳｉＯ2）の直管によって被覆され、管内が不活性ガスまたは真空雰囲気に封止されて構成されている。
【００２６】
加熱ランプ４２群、天井加熱ランプ４３群およびキャップ加熱ランプ群は加熱ランプ駆動装置４４に接続されており、加熱ランプ駆動装置４４は温度コントローラ４５によって制御されるように構成されている。インナチューブ 1３の内側にはカスケード熱電対４６が垂直方向に敷設されており、カスケード熱電対４６はインナチューブ 1３内における検出温度を温度コントローラ４５に送信するようになっている。温度コントローラ４５はカスケード熱電対４６からの計測温度によって加熱ランプ駆動装置４４をフィートバック制御するようになっている。すなわち、温度コントローラ４５は加熱ランプ駆動装置４４の目標温度とカスケード熱電対４６の計測温度との誤差を求めて、誤差がある場合には誤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。また、温度コントローラ４５は加熱ランプ４２群をゾーン制御するように構成されている。
【００２７】
加熱ランプ４２群の外側には円筒形状に形成されたリフレクタ（反射板）４７がプロセスチューブ１１と同心円に設置されており、リフレクタ４７は加熱ランプ４２群からの熱線をプロセスチューブ１１の方向に全て反射させるように構成されている。リフレクタ４７はステンレス鋼板に石英（ＳｉＯ2）をコーティングして形成された材料のように耐酸化性、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた材料によって構成されている。
【００２８】
リフレクタ４７の外周面には、冷却水配管４８が螺旋状に敷設されており、冷却水配管４８はリフレクタ４７を４００℃以下に冷却するように設定されている。リフレクタ４７は４００℃を超えると、酸化等によって劣化し易くなるが、リフレクタ４７を４００℃以下に冷却することにより、リフレクタ４７の耐久性を向上させることができるとともに、リフフレクタ４７の劣化に伴うパーティクルの発生を抑制することができる。また、断熱槽４１の内部の温度を低下させる際に、リフレクタ４７を冷却することにより、冷却効果を向上させることができる。
【００２９】
図２に示されているように、断熱槽４１の天井面には円板形状に形成された天井リフレクタ４９がプロセスチューブ１１と同心円に設置されており、天井リフレクタ４９は天井加熱ランプ４３群からの熱線をプロセスチューブ１１の方向に全て反射させるように構成されている。天井リフレクタ４９も耐酸化性、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた材料によって構成されている。
【００３０】
天井リフレクタ４９の上面には冷却水配管５０が蛇行状に敷設されており、冷却水配管５０は天井リフフレクタ４９を４００°Ｃ以下に冷却するように設定されている。天井リフレクタ４９は４００℃を超えると、酸化等によって劣化し易くなるが、天井リフレクタ４９を４００℃以下に冷却することにより、天井リフレクタ４９の耐久性を向上させることができるとともに、天井リフレクタ４９の劣化に伴うパーティクルの発生を抑制することができる。また、断熱槽４１の内部の温度を低下させる際に、天井リフレクタ４９を冷却することにより、冷却効果を向上させることができる。
【００３１】
図２に示されているように、断熱槽４１とプロセスチューブ１１との間には冷却ガスとしての冷却エアを流通させる冷却エア通路５１が、プロセスチューブ１１を全体的に包囲するように形成されている。断熱槽４１の下端部には冷却エアを冷却エア通路５１に供給する給気管５２が、複数箇所（例えば、１０箇所）に接続されており、給気管５２に供給された冷却エアは冷却エア通路５１の全周に拡散するようになっている。
【００３２】
断熱槽４１の天井壁の中央部には冷却エアを冷却エア通路５１から排出する排気口５３が開設されており、排気口５３には排気制御部（排気制御手段）１０１によりその排気動作が制御される排気手段１００が接続されている。具体的に、排気手段１００は、例えばブロワ等から構成されている。
【００３３】
断熱槽４１の天井壁の排気口５３の下側には、排気口５３と連通するバッファ部５４が大きく形成されており、バッファ部５４の底面における周辺部にはサブ排気口５５が複数個、バッファ部５４と冷却エア通路５１とを連絡するように開設されている。
【００３４】
ＣＰＵ９１は、装置全体における種々の処理を制御する役割を有しており、上述の温度コントローラ４５および排気制御部１０１と通信可能に接続されている。ここでは、ＣＰＵ９１、温度コントローラ４５および排気制御部１０１により、本実施の形態による基板処理装置における制御部（制御手段）が構成されている。本実施の形態による基板処理装置における制御部は、加熱手段および排気手段のうち少なくとも一方を、温度検出手段による検出温度が所定の温度範囲内になるように、温度検出手段による検出温度の温度勾配に基づいて制御する。
【００３５】
複数のサブ排気口５５（本実施の形態においては４箇所）は、冷却エア通路５１の略直上にそれぞれ配置されている。これらサブ排気口５５により、冷却エア通路５１を効率よく排気することができる。また、断熱槽４１の下端部に給気管５２を複数設けることにより、より広範囲に効率のよい排気冷却が可能となる。また、サブ排気口５５を断熱槽４１の天井壁の周辺部（周縁部）に配置することにより、天井加熱ランプ４３を断熱槽４１の天井面の中央部に敷設することができるとともに、天井加熱ランプ４３を排気流路から退避させて排気流による応力や化学反応を防止することにより、天井加熱ランプ４３の劣化を抑制することができる。
【００３６】
リフレクタ４７の内周には冷却ガスとしての冷却エアを冷却エア通路５１に供給するノズル５６が複数本、周方向に等間隔に配置されて垂直方向に廷在するように敷設されており、各ノズル５６には複数個の噴射口５７が冷却エアを断熱槽４１の中心に向けて半径方向へ噴射するようにそれぞれ開設されている。ノズル５６はステンレス鋼管に石英（ＳｉＯ2）をコーティングして形成された材料のように耐酸化性、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた材料によって構成されており、ノズル５６の耐久性が向上されているとともに、劣化に伴うパーティクルの発生を抑制するようになっている。
【００３７】
ノズル５６には送風機や流量調整弁および圧力調整弁等から構成された冷却エア供給装置５８が接続されており、冷却エア供給装置５８は冷却エア制御コントローラ５９によって制御されるように構成されている。複数本のノズル５６からの冷却エアの噴射量を冷却エア供給装置５８によって制御することにより、冷却エア通路５１による冷却能力を調整することができるようになっている。また、各ノズル５６それぞれに冷却エア供給装置５８を設けることにより、冷却エア通路５１の冷却能力をゾーン制御することができる。例えば、冷却エア通路５１の低温になる側に位置したノズル５６群の冷却エアの噴射量をその他の領域に比べて大きくすることにより、冷却エア通路５１を全体的に均一に冷却することができる。
【００３８】
各ノズル５６はプロセスチューブ１１内（ウエハ１等）に向けて加熱ランプ４２の発する熱線を遮らないように各加熱ランプ４２の間に配列されている。また、噴射口５７は加熱ランプ４２に冷却エアを吹き付けないように径方向の中心向きに開設されている。これにより、冷却エアの吹き付けによる加熱ランプ４２の破損や劣化が防止されている。さらに、断熱槽４１の天井面の下側には天井ノズル６０が蛇行状に敷設されており、天井ノズル６０には複数個の噴射口６１が冷却エアを垂直方向下向きに噴射するように開設されている。
【００３９】
次に、本実施の形態による基板処理装置におけるＩＣの製造方法の成膜工程について説明する。
【００４０】
図１に示されているように、予め指定された枚数のウエハ１がボート３１に装填されると、ウエハ１群を保持したボート３１はシールキャップ２５がボートエレベータ２６によって上昇されることにより、インナチューブ１３の処理室１４に搬入（ボートローディング）されて行き、シールキャップ２５に支持されたままの状態で処理室１４に存置される。上限に達したシールキヤップ２５はマニホールド １６に押接することにより、プロセスチューブ１１の内部をシールした状態になる。
【００４１】
続いて、プロセスチューブ 1 1の内部が排気管１８によって排気されるとともに、加熱ランプ４２群および天井加熱ランプ４３群によって温度コントローラ４５のシーケンス制御の目標温度に加熱される。加熱ランプ４２群および天井加熱ランプ４３群の加熱によるプロセスチューブ１１の内部の実際の上昇温度と、加熱ランプ４２群および天井加熱ランプ４３群のシーケンス制御の目標温度との誤差は、カスケード熱電対４６の計測結果に基づくフィードバック制御によって補正される。また、ボート３１がモータ２９によって回転される。
【００４２】
プロセスチューブ１１の内圧および温度、ボート３１の回転が全体的に一定の安定した状態になると、プロセスチューブ１１の処理室１４には原料ガスがガス供給装置２３によってガス導入管２２から導入される。ガス導入管２２によって導入された原料ガスは、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。処理室１４を流通する際に、原料ガスが所定の処理温度に加熱されたウエハ１に接触することによる熱ＣＶＤ反応により、ウエハ１にはＣＶＤ膜が形成される。
【００４３】
ちなみに、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）が成膜される場合の処理条件の一例は、次の通りである。処理温度は７００〜 ８００℃、原料ガスとしてのＳｉＨ2Ｃｌ2の流量は０．１〜 ０．５ＳＬＭ（スタンダード・リットル毎分）、 ＮＨ3の流量は０．３〜５ＳＬＭ、処理圧力は２０〜１００Ｐａである。
【００４４】
ここで、ＣＶＤ反応時においても冷却エアをノズル５６群によって、噴射し続けることにより、アウタチューブ１２の温度を所定の温度に保つようにしてもよい。これにより、特に、降温時間（熱容量が大きいアウタチューブ１２を予め熱を保たせなくすることにより）を短縮することができる。また、冷却エアがノズル５６群により噴射されアウタチューブ１２を所定の温度（例えば、１５０℃程度）に加熱ランプ４２群および天井加熱ランプ４３群、キャップ加熱ランプによる加熱中でも保つようにしてもよい。
【００４５】
所定の処理時間が経過すると、処理ガスの導入が停止された後に、窒素ガス等のパージガスがプロセスチューブ１１の内部にガス導入管２２から導入されるとともに、冷却エアがノズル５６群、天井ノズル６０および給気管５２から供給されてサブ排気口５５、バッファ部５４および排気口５３から排気されることにより、冷却エア通路５１に流通される。冷却エア通路５１における冷却エアの流通により、ヒータユニット４０の全体が冷却されるために、プロセスチューブ１１の温度は大きいレート（速度）をもって急速に下降することになる。この際、断熱槽４１は熱容量が通例に比べて小さく設定されているので、急速に冷却することができる。
【００４６】
なお、冷却エア通路５１は処理室１４から隔離されているので、冷媒として冷却エアを使用することができる。但し、冷却効果をより一層高めるためや、エア内の不純物による高温下での腐蝕を防止するために、窒素ガス等の不活性ガスを冷媒ガスとして使用することを妨げるものではない。
【００４７】
処理室１４の温度が所定の温度に下降すると、シールキャップ２５に支持されたボート３１はボートエレベータ２６によって下降されることにより、処理室１４から搬出（ボートアンローディング）される。
【００４８】
以降、前記作用が繰り返されることにより、ＣＶＤ装置１０によってウエハ１に対する成膜処理が実施されて行く。
【００４９】
続いて、本実施の形態による基板処理装置における処理の詳細について説明する。
【００５０】
反応管の材質を例えば石英製とした場合、石英は加熱手段の赤外線等を吸収しやすい材質であり、さらに、処理室を形成する反応容器である反応管は、非常に大きな体積をもつことになり、熱容量が非常に大きい部材となるため、前述のように、反応管を冷却エア（冷却ガス）等にて冷却していない限り、ウエハ昇温後、熱電対が目標温度に達し昇温プロセスが終了した時点では特に、反応管には多量の熱量が蓄積された状態になってしまう。さらに、反応管は熱電対よりもヒータ（加熱手段）に近い場所に位置している場合にあっては、ヒータの熱エネルギを熱電対より近い位置で直接受けることになり、さらに大きな熱量が蓄積されることになる。
【００５１】
このような場合、熱電対が目標温度に達し昇温プロセスが終了したとしても、その後、反応管に蓄積された熱が放出され、熱電対の温度が上昇し、オーバーシュートを引き起こすことになる。
【００５２】
したがって、反応管に熱量が蓄積されないよう、抑制しながら加熱手段により加熱すれば、昇温プロセス終了後の反応管からの熱伝導を抑制し、熱電対のオーバーシュートを抑制すれば、オーバーシュート期間中のヒータ出力が停止することを抑制することになり、その結果、ウエハの昇温時間が短縮されることになる。
【００５３】
一方、反応管の温度（熱量）を冷やしすぎると、反応管が周辺の温度を奪うことになり、結果的には、熱電対の検出する温度に悪影響をおよぼすことになる。したがって、反応管の温度は、反応管内の温度と大差ないよう所望の温度範囲とするよう制御することにより、最適に制御することができる。
【００５４】
本実施の形態による基板処理装置は、ウエハ１の降温速度を向上させるために、ウエハ降温時に反応管１２と炉壁４７との間に冷却ガスを導入しながら、排気手段１００により冷却ガスを天井壁の排気口５３を介して排気することで、処理室内に蓄積された熱を排出し、ウエハの降温速度を向上させる。
【００５５】
また、本実施の形態では、ウエハ加熱時に、反応管１２と炉壁４７との間の雰囲気（加熱手段と反応容器との間に形成される空間内）を、排気手段１００を用いて排気することにより、反応管１２における過剰な熱量の蓄積および温度上昇を抑制しながらウエハを加熱するので、カスケード熱電対４６におけるオーバーシュートの発生を防止し、ウエハの昇温時間の短縮を図ることができる。
【００５６】
本実施の形態で使用する加熱手段４２（ランプヒータ）は、主に赤外線による輻射熱によりウエハ１を加熱するものであり、輻射熱は加熱対象であるウエハ１のみならず、反応管１２などにも吸収されその温度を上昇させる。本実施の形態では、反応管１２に吸収された熱を反応管１２の周囲の雰囲気を排気することで取り除き、反応管１２の過剰な温度上昇を抑制しつつウエハ１を加熱することにより、カスケード熱電対４６（及び、ウエハ１）のオーバーシュートを防止しつつ、ウエハの昇温速度の向上を実現する。
【００５７】
本実施の形態では、昇温開始直後から排気手段１００による排気を行っているので、熱容量が大きく制御性の悪い反応管１２に余分な熱量が蓄積されることがなく、従来のように熱電対の測定する昇温レートが設定した昇温レートを越えることも防止できるので、ヒータの出力停止を防止し、ウエハの昇温時間を短縮することができる。
【００５８】
また、反応管１２の周囲の雰囲気の排気を、昇温工程中のみならず、昇温工程終了後の安定化工程中にも行うことにより、カスケード熱電対４６のオーバーシュートをさらに抑制することができる。例えば、昇温レートの設定が高い場合（単位時間あたりの赤外線の輻射量が大きい場合）、反応管１２に吸収される輻射熱が、排気作用による放出量を上回ることがあり、反応管１２の温度が目標の温度よりも高くなってしまう場合がある。このような場合、排気手段１００による排気を昇温工程終了と同時に停止させてしまうと、反応管１２に蓄積されている熱量の熱伝導によりカスケード熱電対４６（ウエハ１）がオーバーシュートを引き起こすおそれがある。
【００５９】
よって、本実施の形態では、反応管周囲の雰囲気の排気を、加熱中のみならず、安定化工程中にも行う構成とすることにより、カスケード熱電対４６（及び、ウエハ１）のオーバーシュートの発生をさらに抑制することを可能としている。
【００６０】
また、排気手段１００による雰囲気の排気を停止する場合は、排気手段１００による排気量を徐々に減少させるように制御しつつ停止すれば、反応管の温度熱量を適切なものとすることができ、反応管１２からカスケード熱電対４６への熱伝導を適切な量とすることができ、カスケード熱電対４６（及び、ウエハ１）の昇温時間（安定化時間）をさらに短縮することができる。
【００６１】
ウエハ加熱終了後、カスケード熱電対４６（ウエハ１）の温度が安定している場合、排気作用による熱放出量と加熱作用による熱供給量とが釣り合っている状態であるため、急に排気手段１００を停止させれば、この釣り合い状態が崩れ、カスケード熱電対４６の温度変化を引き起こし、その結果、ウエハ温度の安定化時間が増大する。
【００６２】
したがって、排気手段１００による排気量を徐々に減少させて停止すれば、この釣り合うタイミングを徐々に変化させる事ができるので、カスケード熱電対４６の温度変化を防止でき、カスケード熱電対４６（及び、ウエハ１）の温度安定化時間（昇温時間）を短縮することができる。
【００６３】
また、排気手段１００による排気量は、熱電対により検出された温度情報とレシピ内容に基づいて制御することで、反応炉の大きさや構成により異なる反応炉の昇降温特性を考慮することなく、反応炉毎に最適な排気量の設定を行うことができる（詳細は後述）。
【００６４】
以下、本実施の形態における具体的な制御方法について説明する。
【００６５】
図３（ａ）は、従来の基板処理装置における反応管内の熱電対の温度変化を示す図である。同図において、期間Ａはウエハの昇温期間、期間Ｂは熱電対の温度が目標温度を越えており且つ温度が上昇している期間、期間Ｃは熱電対の温度が目標温度を越えており且つ温度が下降している期間、期間Ｄは熱電対の温度が目標温度を下回っており且つ温度が下降している期間、期間Ｅは熱電対の温度が目標温度を下回っており且つ温度が上昇している期間をそれぞれ示している。
【００６６】
図３（ａ）に示すように、従来の基板処理装置では、期間Ａでウエハの昇温を行った後、オーバーシュートを起こしている。オーバーシュートを起こしている期間中（Ｂ，Ｃ）、温度コントローラ４５は制御対象である熱電対の温度を下げるために加熱を停止しているので、その温度は徐々に低下する。やがて、熱電対の温度は目標温度を下回る（アンダーシュート；Ｄ，Ｅ）ようになり、温度コントローラ４５はヒータを制御し、加熱を始める。しかし、熱電対の温度はすぐに上昇しないので、熱電対の温度はしばらくの間、目標温度を下回った後、上昇を始める。やがて、温度は目標温度に達しヒータ出力は停止されるが、反応管の熱容量が大きいため、再びオーバーシュート（Ｂ，Ｃ）を引き起こすこととなる。従来の基板処理装置では、このような周期的な温度変化を何度か繰り返しつつ収束するため、温度安定化時間が長くなってしまう。
【００６７】
そこで、本実施の形態による基板処理装置は、排気手段１００による排気量を図３（ｂ）に示すように制御することで、熱電対の温度（ウエハの温度）のオーバーシュートおよびアンダーシュートの発生を抑制し、温度安定化時間を短縮させる構成となっている。すなわち、期間Ａでの排気量を基準排気量とし、その他の期間（期間Ｂ〜期間Ｅ）の排気量は基準排気量から増減させるようにしている。
【００６８】
具体的には、熱電対の温度が目標温度を越えており、温度が上昇している期間（期間Ｂ）は、オーバーシュート量を減らすために、排気量を増加させる。また、熱電対の温度が目標温度を越えており、温度が下降している期間（期間Ｃ）は、排気量を基準排気量に戻す。また、熱電対の温度が目標温度を下回っており、温度が下降している期間（期間Ｄ）は、排気量を減少（又は停止）させ、温度のアンダーシュート量を減らす。熱電対の温度が目標温度を下回っており、温度が上昇している期間（期間Ｅ）は反応管に余分な熱量が蓄積されるのを防止するために、基準排気量にて排気を行うことで、オーバーシュートを抑制する。
【００６９】
なお、昇温中において、現在の状態が、期間Ａ〜期間Ｅの内のいずれであるかの判別は、プロセスレシピおよび熱電対による温度情報に基づいて行うことができる。まず、「期間Ａ」は、プロセスレシピからの情報に基づいて判別することができる。また「期間Ｂ〜期間Ｅ」は、プロセスレシピからの情報が温度安定化時間であるか否か、及び温度変化量を時間微分した結果（傾き）といった情報に基づいて判別することができる。
【００７０】
また、排気手段１００による排気量を増減させる量を、温度情報の微分値（傾き）だけでなく、２次微分値（加速度）をも考慮して決定するようにすることもできる。例えば、図３（ａ）に示すＸ点の時の排気量については、温度安定化時間で熱電対の温度がオーバーシュートして、なお増加している（微分値が正）期間であり、その増加量が大きい（二次微分値も大きい）ので、排気量を増量させ、オーバーシュートの早期解消を目指す。また、図３（ａ）に示すＹ点の時の排気量については、温度安定化時間で熱電対の温度がオーバーシュートして、減少している（微分値が負）期間であり、その減少量が小さい（二次微分値が小さい）ので、排気量の減少量を少なめにし、冷却し過ぎによるアンダーシュートを防止する。
【００７１】
排気手段１００による排気は、温度安定化時間が過ぎた後の温度安定中（基板処理中も含む）も継続して行うようにしても良い。すなわち、基板処理温度が低い場合（例えば、１００〜４００℃程度）の温度安定時には、ヒータ出力は殆ど出力されていない状態（ヒータ出力（ＯＮ）状態と停止（ＯＦＦ）状態の繰り返し）で釣り合っているため、処理室温度を下げたい場合にヒータ出力をＯＦＦにしたとしても処理室温度がなかなか下がらない（温度制御時間が長くなる）。そこで、温度安定時にも排気手段１００による排気を行えば、排気手段１００による熱排出量を補う分、ヒータ出力が常時余計に出力されるようになり、この状態で温度を安定化させるようになるため、処理室温度を下げたい場合にヒータ出力をＯＦＦにすれば、この常時余計に出力されていたヒータ出力分がなくなり、処理室温度が速やかに下げることができる（温度制御時間が短くなる）。
【００７２】
また、排気手段１００により反応管１２と炉壁（リフレクタ）４７との間の雰囲気を排気している間に、反応管１２と炉壁４７との間の空間に冷却ガスを導入すれば、雰囲気内の熱量をより多く排出できるので、熱容量の大きな反応管に貯えられる熱量をさらに抑制することができ、カスケード熱電対４６（ウエハ１）の温度制御性（応答性）を向上させることができる。また前述の排気手段１００による排気量を増減させる量を温度情報の微分値や２次微分値によって決定する際に、反応管１２と炉壁４７との間の空間に導入する冷却ガス量をも合わせて決定し、排気手段１００と同様な制御を行えば、よりいっそう温度制御性を向上させることができる。
【００７３】
加熱手段４２としては、カンタルやモリブデン（Ｍｏ）を使用した金属線ヒータや、ランプヒータを使用することができる。加熱手段４２としてランプヒータを用いれば、制御性が良く、ウエハを短時間で目標温度まで昇温できる。すなわち、従来の金属線による加熱手段に比べてランプヒータは応答性が速いので、ウエハ温度が目標値を下回る場合であっても、ランプヒータに出力を与えれば、すぐにウエハを加熱することができる。又、加熱手段そのものの熱容量が小さいので、ウエハ温度が目標値を上回った場合であっても、加熱手段の出力を停止（減少）させれば、すぐに温度を低下させることができる。このように、加熱手段として、ランプヒータを使用すれば、温度制御性が良く、ウエハを短時間で目標温度に昇温することができる。
【００７４】
また、ランプヒータとして、カーボンをヒータ素線に用いたカーボンランプヒータを使用すれば、昇温時間をさらに短縮することができる。すなわち、カーボンランプヒータは主に赤外線による輻射加熱を行うものであり、従来の金属線ヒータのように主に加熱効率の悪い（遅い）熱伝導を主とする加熱を使用するものに比べて、加熱対象物をすばやく加熱することができる。さらに、カーボンランプヒータから輻射される赤外線波長は２．０〜２．５μｍ程度のウエハ及び石英に良く吸収される波長であるため、ウエハ及び石英反応管の両方を同時に昇温し、ウエハ及び反応管の両方を早く目標温度に昇温することができる。仮に、加熱手段から輻射される赤外線の波長領域がウエハのみに吸収される波長であれば、最初にウエハ温度のみが上昇し、その後、ウエハから反応管への熱伝導が生じる事で処理室全体の温度が上昇するという複雑な昇温工程を経るため、ウエハ温度の制御性が悪化する。また、逆に、加熱手段から輻射される赤外線の波長領域が石英（反応管）にのみ吸収される波長であれば、ウエハは反応管からの熱伝導による加熱される構成となり、やはりウエハ温度の制御性が悪化する。
【００７５】
したがって、ウエハと石英（反応管）とを同時に昇温できるカーボンランプヒータを用い、反応管の過剰な昇温を抑えながらウエハを加熱することで、ウエハ（熱電対）のオーバーシュートを抑制しながらウエハおよび処理室内を早く目標温度に昇温することができる。
【００７６】
図４に、本実施の形態による基板処理装置でウエハを昇温した場合の熱電対の温度変化を示す。図４では従来のような熱電対で検出される温度のオーバーシュート（図７参照）が防止されていることが分かる。
【００７７】
図５は、従来の基板処理装置において金属線ヒータ（カンタル）を使用した反応炉を用いた場合の熱電対、及びウエハ温度の変化を示す図であり、１５０℃に安定させた反応炉に対して（室温の）ウエハを挿入し、熱電対の最終到達温度が１５０℃になるようにヒータを制御した場合の温度変化を示している。
【００７８】
図６は本実施の形態による基板処理装置において金属線ヒータ（カンタル）を使用した反応炉を用いた場合の熱電対、及びウエハ温度の変化を示す図であり、予め排気手段１００を動作させた状態で１５０℃に安定させた反応炉に対して（室温の）ウエハを挿入し、熱電対の最終到達温度が１５０℃になるようにヒータを制御した場合の温度変化を示している。
【００７９】
図５および図６から、本実施の形態による基板処理装置では、反応管周囲の雰囲気を排気しているので、加熱効率の悪い熱伝導による加熱よりも、加熱効率の良い輻射による加熱が主な加熱手段となっているため、リカバリ時間としてのウエハ温度安定時間（温度安定化時間）が従来の基板処理装置に比べて短縮されていることが分かる。
【００８０】
なお、図６においてウエハ温度の最終到達温度が、図５におけるウエハ温度の最終到達温度よりも高くなっているのは、排気手段のＯＮ作用により、反応管が冷やされ、それによって反応管に近い場所に位置するカスケード熱電対も冷やされることにより、ヒータの出力がアップしたためであると考えられる。図５および図６から、本実施の形態による基板処理装置では、ウエハ温度が最終到達温度になるまでの時間（目標温度を中心とした所定の誤差範囲内（所定の温度範囲内）の温度になるまでの時間）が、従来の基板処理装置よりも早くなっている（ウエハの昇温速度が向上している）ことが分かる。
【００８１】
この他、制御目標温度と実際の熱電対での検出温度との差に基づいて排気手段１００による排気量を増減させる構成とすることもできる。例えば、制御目標温度と熱電対の温度との差が、大きい場合は排気量を増加させ、小さい場合は排気量を減少させるように制御すれば、熱電対での検出温度の目標温度に対するオーバーシュート量を減少させることができるとともに、ウエハ温度の安定化時間の短縮に寄与することができる。
【００８２】
なお、上述の実施の形態では、Ｃｕアニール炉への適用例を示したが、これに限られるものではなく、例えばラージバッチの半導体製造装置、高温アニール炉およびＣＶＤ炉のうちのいずれかに適用してもよい。
【００８３】
また本発明は、縦型の基板処理装置に限らず、枚葉型の基板処理装置や横型の基板処理装置になどにも適用可能であることは言うまでもない。
【００８４】
以上のように、本発明は、被処理基板を処理室に収容してヒータ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（半導体デバイス）が作り込まれる半導体ウエハ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関するものであり、本実施の形態によれば、基板を収容し処理する処理室を形成する反応容器と、該反応容器を囲うように設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、該加熱手段と前記反応容器との間に形成される空間と、該空間を排気口から排気する排気手段と、前記処理室内に配置される温度検出手段と、該温度検出手段の検知する検出値を基に前記加熱手段ないし／および前記排気手段の出力値を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記温度検出手段の検出する温度が所望の温度範囲内になるように前記加熱ないし／および前記排気手段の出力値を前記温度検出手段の検出する温度の温度勾配に応じて制御することを特徴とする基板処理装置を提供することができる。
【００８５】
また、本実施の形態によれば、基板を収容し処理する処理室を形成する反応容器と、該反応容器を囲うように設けられ、前記基板を加熱する加熱手段と、該加熱手段と前記反応容器との間に形成される空間と、該空間を排気口から排気する排気手段と、前記反応容器の近傍に配置される温度検出手段と、該温度検出手段の検知する検出値を基に前記加熱手段ないし／および前記排気手段の出力値を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記反応容器が所望の温度範囲内になるように前記加熱手段ないし／および前記排気手段の出力値を制御することを特徴とする基板処理装置を提供することができる。
【００８６】
また、上述のような構成の基板処理装置において、前記排気手段の出力値は、前記温度検出手段の検出する温度が前記所望の温度範囲より高い温度で検出された場合において、温度勾配が正の場合は、前記出力値を下げるように制御し、前記温度勾配が負の場合は、前記出力値を前記所望の温度範囲内時の出力値となるように制御し、前記温度検出手段の検出する温度が前記所望の温度範囲より低い温度で検出された場合において、温度勾配が負の場合は、前記出力値を上げるように制御し、前記温度勾配が正の場合は、前記出力値を前記所望の温度範囲内時の出力値となるように制御する構成とすることもできる。
【００８７】
また本実施の形態によれば、ウエハを収容し処理する処理室を形成する反応管と、前記反応管を覆うように設けられ、前記ウエハを加熱する加熱手段と、前記加熱手段を覆うように設けられる炉壁と、前記反応管と前記炉壁との間の雰囲気を排気する排気手段と、前記処理室内の温度を測定する温度検出手段と、少なくとも前記温度検出手段による検出値をもとに前記加熱手段と前記排気手段の出力値を制御する制御手段とを有し、少なくとも前記ウエハの加熱処理を行う場合、前記排気手段にて前記反応管と前記炉壁との間の雰囲気を排気しながら行う基板処理装置であって、前記排気手段の出力値は、前記検出値と制御値との差に応じて増減することを特徴とする基板処理装置を提供することができる。
【００８８】
このような構成の基板処理装置において、前記排気手段にて前記反応管と前記炉壁との間の雰囲気を排気するのは、ウエハ加熱時と、前記ウエハ加熱終了後（ウエハ温度安定化時間に入って）数分間であることを特徴とする構成とすることもできる。
【００８９】
また、上述のような構成の基板処理装置において、さらに前記反応管と前記炉壁との間に冷却ガスを供給するガス供給手段とを有し、前記排気手段にて前記反応管と前記炉壁との間の雰囲気を排気する場合は、前記ガス供給手段から冷却ガスを噴出させながら行う構成とすることもできる。
【００９０】
また、上述のような構成の基板処理装置において、前記加熱手段は、ランプヒータであることが好ましい。ここで、当該ランプヒータは、カーボンランプヒータであることが望ましい。
【００９１】
上述のように、本実施の形態によれば、反応管内に設けた熱電対（ひいてはウエハ）の温度のオーバーシュートを防止するので、ウエハの昇温時間が短縮され、基板処理装置のスループットを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本実施の形態による基板処理装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本実施の形態による基板処理装置における処理室周辺の詳細を示す縦断面図である。
【図３】反応管内の熱電対の温度変化と排気手段による排気量の制御との関係について説明するための図である。
【図４】本実施の形態による基板処理装置でウエハを昇温した場合の熱電対の温度変化を示す図である。
【図５】従来の基板処理装置において金属線ヒータ（カンタル）を使用した反応炉を用いた場合の熱電対、及びウエハ温度の変化を示す図である。
【図６】本実施の形態による基板処理装置において金属線ヒータ（カンタル）を使用した反応炉を用いた場合の熱電対、及びウエハ温度の変化を示す図である。
【図７】熱電対の検出する温度にて加熱手段を制御している状態でウエハに温度検出手段を取り付け、ウエハの温度を検出したときの温度変化を示す図である。
【符号の説明】
【００９３】
１１  プロセスチューブ、１２  アウタチューブ、１３  インナチューブ、４６  カスケード熱電対、１００  排気手段、１０１  排気制御部、９１  ＣＰＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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