(57)【要約】  【課題】基板処理作業における加熱工程において基板処理容器内の基板の各部位に温度のバラツキが存在し更に処理ガス中に不純物が混在するために基板界面の仕上がり状態にバラツキが発生した。また、処理作業後の冷却工程においても基板の各部位に温度のバラツキが発生した。このため、素子の特性変化及び基板の膜厚に変動が発生していた。【解決手段】  初めに加熱手段を起動して被処理基板を収容した容器内部の温度を均一に上昇し、次いで、容器内部の温度が所定温度になったとき加圧手段を起動して容器内部へ反応ガスを供給して不純物を除去し、その後、温度及び圧力を処理条件まで上昇し、容器内部の温度及び圧力を所定の値に保持したまま所定時間処理作業を継続し、処理作業終了後容器内部の温度を温度分布を制御しながら降下し、その後に容器内部圧力を降下する諸工程により基板処理を行なう高精度高圧基板処理方法。  【選択図】          図１
2005302887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
初めに加熱手段を起動して被処理基板を収容した容器内部の温度を上昇すること、
次いで、容器内部の温度が所定温度になったとき加圧手段を起動して容器内部へ反応ガスを供給すること、
その後、温度及び圧力を処理条件まで上昇すること、
容器内部の温度及び圧力を所定の値に保持したまま所定時間処理作業を継続すること、
処理作業終了後容器内部の温度を温度分布を制御しながら降下すること、
その後に容器内部圧力を降下すること、
の諸工程により基板処理を行なう高精度高圧基板処理方法。
【請求項２】
請求項１において、加熱手段を起動して容器内部の予備加熱が終了後、加圧手段を起動して容器内部へ反応ガスを供給し容器内部を加圧することを特徴とする請求項１に記載の高精度高圧基板処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、容器内部へ反応ガスを供給することにより容器内部圧力を所定圧力まで上昇し、容器内部から不純物ガス排気を行なうこと、
その後、更に容器内部へ反応ガスを供給することにより容器内部の加圧を継続すること、
温度及び圧力を反応開始条件値まで上昇すること、
容器内部の温度及び圧力が上記所望の反応開始条件に達したときに温度及び圧力の上昇を停止すること、
この状態を維持したまま、温度と圧力とを一定の値に所定時間だけ保持し基板処理を行なうこと、
当該基板処理が終了した後は、初めに圧力容器内の温度を温度分布を制御しながら少なくとも処理反応を起さなくなる温度までは降下すること、
当該容器内部の圧力降下を開始すること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の高精度高圧基板処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３において、容器内部の温度が容器内部の圧力に対する反応ガスの飽和温度以上のとき、容器内部が何れの位置においても実質的に同一の温度を提供しかつ容器内部が反応ガスで加圧されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の高精度高圧基板処理方法。
【請求項５】
高精度高圧基板処理装置であって、
圧力容器１２と、
該圧力容器内に配置されており内部に基板１３を処理するための基板処理室１４を画定している反応容器１５と、
反応容器内を加熱する加熱手段１６、１６ａと、
反応容器１５内にあって基板の上方及び下方にある石英ガラス板１７、１７ａと、
反応容器内にあって、少なくとも基板の下方位置、側方位置及び上方位置に配置されている温度制御センサー１８、１８ａ、１８ｂと、
反応容器内へ反応流体を供給するための反応流体供給導管手段１９と、
反応容器内の圧力を制御する圧力制御手段１９ａと、
反応容器１５と圧力容器１２との間の空間から外部へ連通する導管１９ｂと、
圧力容器１２及び反応容器１５内に連通し弁装置２２、２３を有しているガス給排気用管２０、２１と、
を有している高精度高圧基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には液晶用ガラス基板やシリコンウエハー等に酸化膜等を生成するため若しくは所望の熱処理を施すための高圧基板処理方法に関し、より詳細には、液晶用ガラス基板やシリコンウエハー等に酸化膜等を生成するための処理工程を改善することにより高品質な成膜加工を可能とする、アニール処理を施しかつ成膜処理を施すための新規な高精度高圧基板処理方法及びその方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
液晶用ガラス基板やシリコンウエハー等をアニール処理する場合、該液晶用ガラス基板やシリコンウエハー等の表面を６００℃又はそれ以上の温度まで加熱して表面を酸化してそこに酸化膜を形成する方法は知られている。しかしこの方法においては軟化点が低いソーダガラスでは高温加熱に耐えることが出来ずガラス表面が溶解することがある。そこでソーダガラスの代わりに軟化点が高い石英ガラスの使用が求められている。しかしながら、石英ガラスは一般に高価であり経済的でない。そこで、ガラス表面だけを瞬間的に酸化させることが出来るレーザーアニール方法が提案された。この方法によればソーダガラスを使用した時でもその表面が溶解するということはなく、高価な石英ガラスの使用は必ずしも必要ではない。しかしこのレーザーアニール方法は精度の高い酸化膜を形成することが困難でありガラス面上に高精度なガラス酸化膜の形成が期待出来ない。このため、最近では、特に、水蒸気を使用して酸化膜を形成するという高圧アニール水蒸気処理方法が広く採用されている。そして、この高圧アニール水蒸気処理方法を具体化するための種々の装置や方法が発表されている。
【背景技術】
【０００３】
上述の高圧アニール水蒸気処理方法に関する具体的方法として、同一出願人は先に高精密物品を真空加熱処理する方法について開示した。この方法は、所定の室内に被処理物品を配置し、室内温度と同時に室内圧力を上昇し、室内温度が所定温度に達した後、室内温度を保持し室内圧力を高圧雰囲気に維持しながら物品を定圧定温状態に保持し加熱処理を行ない、処理後室内温度を保持したまま圧力を一旦大気圧以下まで減圧し脱気処理を行ない、その後、室内圧力を再び大気圧以上まで上昇し温度を徐々に降下しながら物品を熟成処理し、室内を更に上昇した圧力状態に維持し加熱手段を不作動として物品を急冷し、その後、室内圧力を大気圧まで減圧するのである。この方法は室内及びそこに収容されているワークの温度を整えるために室内を加熱加圧し、その後、室内圧力を大気圧以下まで減圧してワーク表面からの脱気を行ない、次いで室内圧力を再度上昇し、熟成工程を経ることによりワーク全体の物理化学的に均質化が図られる効果ある（特許文献１）。
【０００４】
さらに、このような方法を具体化する装置の一例として、同一出願人は、装置内部に配置した複数の被処理物体に高温高圧アニール処理を施すための高圧アニール装置について開示した。この高圧アニール装置は、基板等を収容している反応室と、主加熱手段と、温度制御用センサーと、有しており、被処理物体と主加熱手段との間に不透明石英ガラス板を配置し、温度制御用センサーを被処理物体と不透明石英ガラス板との間に配置し、これにより反応室内に配置した物品がその配置された位置を問わず高度な処理品質を提供する高圧アニール装置について開示した（特許文献２）。
【０００５】
その後、同一出願人は、図１０に示すようなアニール装置１であって、圧力容器２と、該圧力容器内に配置されており内部にワーク３をアニール処理するためのアニール処理室４を画定しておりかつ互に封止手段により封止連結されている筒体とエンドキャップとにより構成されている反応容器５と、反応容器内を加熱する主加熱手段６及び補助加熱手段６ａと、主加熱手段６の上方にあり反応容器内においてワーク３の上下位置に設けられている石英ガラス板７、７ａと、石英ガラス板７ａとワークとの間に配置されている温度制御センサー８と、反応容器内へ純水又は酸素ガス等を供給するための反応流体供給手段９と、反応容器内の圧力を制御する圧力制御手段９ａと、を有している高精度高圧アニール装置について開示した。これらの装置においては、圧力容器内に配置した複数の被処理ワークが、当該容器内のほとんど全ての点においてほぼ均一な温度分布を得ることが出来るため、これらの装置において処理されるワークは、極めて高精度な酸化膜を提供することが出来た（特許文献３）。
【特許文献１】特許第２６４２３５６号
【特許文献２】特願２００３−２９４８９８号
【特許文献３】特願２００３−３１１６３８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
然るに、先の発明において開示した図１０に示すような装置では、図６に示すように、    反応容器内の圧力と温度との関係は、アニール処理を開始する際に反応容器内の温度と圧力の上昇をほぼ同時に開始し、所定時間後（例えば９０分後）にほぼ同時に所定のアニール処理温度（例えば６００℃）及びアニール処理圧力（例えば２ＭＰａ）に達するように調整し、その後、温度と圧力とを所定の値に所定時間（例えば６０分）だけ保持してアニール酸化反応を行った。当該酸化反応が終了後、圧力容器内の温度を下げ、次いで圧力の降下を開始した。容器内の圧力は迅速に初期圧力まで戻した。一方、容器内の温度は、上昇時間に比較してかなり長い時間をかけて初期温度まで戻していた。図６において、温度曲線が複数の曲線で示されているのは、図１０に示すアニール装置１においてワーク３を収容している反応容器５内の上方部分の温度を実線で、中間部分の温度を点線で、下方部分の温度を一点鎖線で示しているためである。即ち、この反応容器５では、高温アニール処理作業を行っている時には、容器内の上方部分、中央部分及び下方部分の全ての部分においてほぼ同一の温度分布（例えば６００℃）を提供することが出来るので、容器５内の全てのワーク３にほぼ同一の優れた品質の酸化薄膜を有するワークを生産出来る。しかしながら、容器５内の温度が所定温度に達するまでに容器内部のそれぞれの位置において温度上昇にバラツキがあった。同様に、処理作業後に反応容器５内の温度を下げる冷却工程においてもそれぞれの位置においてバラツキがあった。
【０００７】
出願人において、図６に示すプロセスにより酸化処理したワーク３に関しその処理効果について詳細に検討した。その結果、図７に示す被処理ワーク３の１隅部Ａと、中央部Ｂと、Ａと対角をなす他の隅部Cとにおける、素子の反応速度を示す電子素子の移動度を、素子の特性変化を示す各部位における単位時間毎の移動度にて検知したところ、ワークが所定の処理温度に達するまでの各部位における電子素子の移動度が大きく異なることが判明した。即ち、図８に示すように、中央部Bにおいて電子素子の移動度が最も大きく、更に同様の隅部であっても一方の隅部Cが他の隅部Aよりも大きいのである。この結果、処理済ワークの各部位における電気特性が均一でなく作業特性が微妙に異なることが判明した。このような傾向は特に基板の界面に不純物が介在するときに多くみられた。
【０００８】
更に、処理膜形成後にワーク上に形成された膜厚の分布に関し検知したところ、図９に示すように、処理済ワークの各部位（図７参照）においてその厚みが異なることが判明した。即ち、ワーク３の中央部Bが他の点に比べて膜厚が僅かに厚くそのためワークの特性に微妙な変化が生じることが判明した。これは、これまでの冷却工程においてはワークの温度が、その中央部Bが他の部分よりも高く、そのためその温度の高い中央部において反応が継続的に進み膜厚が厚くなるものと思われる。このようにこれまでの処理方法による処理では、処理加工後の製品に僅かながら性能誤差が発生することが判明した。換言すると、これまでの方法では、処理加工前の工程においては加熱加圧条件を考慮せず、単に容器内部の温度及び圧力を予め決定されている基板処理条件まで単に上昇し、その条件下で適切な酸化処理又はアニール処理を施し、処理加工後の工程においては容器内部の温度・圧力の降下条件を考慮せず単に温度及び圧力を減少するだけだったので、処理工程により膜の形成は出来たものの、しばしば、形成膜の質的均一性及び厚み寸法的均一性が十分ではないものが発生するという事実を知った。
【０００９】
出願人においてその原因について検討した結果、特に数ｎｍの薄膜形成においては反応開始初期の基板とガスの接触面（界面）の状態が電気デバイスの特性に大きく影響することが判明した。即ち、特許文献１〜３を発表する以前の反応容器では酸化処理作業を行なうときにおいて被処理基板を取り付けている位置によりその上下取り付け位置及び当該基板の面内温度を測定したところ、各位置においてワーク表面の温度差が５０℃以上もあった。そのため、容器内に配置された基板の部位によって形成される薄膜の状態が異なり、結果的に最終品質のバラツキが大きかったが、それにも拘らず該特許文献１〜３はその課題を減少した。しかし、容器内を所定の処理条件に至らしめるまでの処理作業前における加圧・加熱工程や、処理作業後の減圧・冷却工程においては、やはり被処理基板の温度差が反応容器の位置及び当該各基板の面内での温度差が５０℃以上あり、更に反応容器内には不純物ガスが未だ除去されていない状態で存在しており、このことが薄膜成形を開始する界面状態にムラを発生し、更には処理後の基板の温度差により、複数の基板を同時に処理しようとしても基板の設置位置、基板の面内部位によって出来上がった電子デバイスの特性がバラバラになったり、薄膜厚みが均一性を欠くという課題が明白になった。そこで本発明はこのような課題を解消するための基板処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の高精度高圧基板処理方法では、初めに加熱手段を起動して被処理基板を収容した容器内部の温度を上昇すること、次いで、容器内部の温度が所定温度になったとき加圧手段を起動して容器内部へ反応ガスを供給し容器内部から不純物ガスを除去すること、その後、温度及び圧力を処理条件まで上昇すること、容器内部の温度及び圧力を所定の値に保持したまま所定時間処理作業を継続すること、処理作業終了後容器内部の温度を温度分布を制御しながら降下すること、その後に容器内部圧力を降下すること、の諸工程により基板処理を行なう高精度高圧基板処理方法を開示している。更に、加熱手段を起動して容器内部の予備加熱（例えば１００℃）が終了後、加圧手段を起動して容器内部へ反応ガスを供給し容器内部を加圧することにより基板処理を行なう高精度高圧基板処理方法を開示している。
【００１１】
また、容器内部へ反応ガスを供給することにより容器室内圧力を所定圧力（例えば約０．４MPａ程度）まで上昇し容器内部から不純物ガス排気を行なうこと、その後、更に容器室内へ反応ガスを供給することにより容器室内の加圧を継続すること、温度及び圧力を反応開始条件値まで上昇すること、容器内部の温度及び圧力が上記所望の反応開始条件に達したときに温度及び圧力の上昇を停止すること、この状態を維持したまま、温度と圧力とを一定の値に所定時間だけ保持しアニール酸化反応を行なうこと、当該基板の処理反応が終了した後、初めに圧力容器内の温度をバラツキが生じないように温度分布を制御しながら少なくとも処理反応を起こさなくなる温度（約１５０℃付近）に至るまで降下すること、容器内部の圧力降下を開始すること、により基板処理を行なう高精度高圧基板処理方法を開示している。
【００１２】
こうして、本発明はこれまではあまり検討対象とされていなかった処理対象設定条件に至るまでに容器内へ反応ガスを供給して予め容器内の不純物ガスを除去することにより容器内の雰囲気を調整し、その後に更に反応ガスを容器内へ供給することにより容器圧力を所望の圧力状態とし更に温度を所定温度まで上昇するという新規な加圧加熱工程と、処理作業終了後製品取り出しまでの圧力・温度の減圧冷却の際にはじめに温度を、温度分布制御をしながら所定値まで下げ、その後に圧力を降下するという新規な減圧冷却工程とにより、薄膜成形を開始する際に界面にムラの発生が無くなり、更には処理後の基板の温度差をなくすことにより、複数の基板を同時に処理しても基板の設置位置、基板の面内部位に関係なく、出来上がった全ての製品の電子デバイスの特性が均一化され、薄膜厚みの均一性を達成することで上記課題を解消する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、処理対象設定条件に至るまでの圧力・温度の加圧加熱工程において当初から容器内へ反応ガスを供給することにより容器内の不純物ガスを予め容器内から放出しアニール処理及び酸化処理が行なわれる際には容器内における反応ガスの純度をほぼ１００％に近い状態とし、かかる状態において容器内を加圧しかつ温度分布を整えるという手法を加えることにより当該加圧加熱方法を改良しこうして薄膜成形を開始する際に予め界面特性を整えて界面にムラの発生を無くし、これにより出来上がる基板の電気素子特性の均一性を良くし、更にはアニール及び酸化処理終了後の容器内の圧力・温度の減圧冷却の際にはじめに温度を、温度分布制御を行ないながら所定値まで下げ、その後に圧力を降下するという方法により、各基板の温度差をなくし、複数の基板を同時に処理しても基板の設置位置や基板の面内部位に関係なく、出来上がった全ての製品の電子デバイス特性が均一化され、また薄膜厚みの均一性が達成される。更にこの発明によれば、高性能な電子デバイスを一度に大量に形成することが出来、その結果、製品の処理時間の短縮化をもたらし、更に、生産コストの低下をももたらした。その上、本発明は、高品質の酸化薄膜を有するワークの生産をかなり高歩留まり状態でかつ大量にしかも短時間で生産出来るのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明は、先に同一出願人が開示した真空加熱処理方法による高圧アニール方法よりも一層高品質な製品を提供することが出来るための新規な高精度高圧基板処理方法及びその新規な方法をより的確に実施するための装置について提供するものである。ここで、基板とはワークのことであり、基板処理とは基板にアニール処理を施しかつ表面を酸化処理する即ち酸化膜による成膜を施す処理を施すことをいう。以下その具体例について述べるものとする。
【００１５】
図１は、図６に対応する、本発明の高精度高圧基板処理方法に関するプロセス即ち工程の温度と圧力との関係を示している図である。また、図２は図１に示すプロセスの初期状態の一部を拡大して示している拡大図である。なお、これらの図は一具体例を示したもので、限定的なものではないことは理解されよう。前述のように、図６の場合には、初めに圧力容器内の温度と圧力との上昇を無造作に開始し、容器内の温度と圧力とがほぼ同時に所望の処理条件（例えば約６００℃及び約２ＭＰａ）に至るようにしており、その後、温度と圧力とを一定の値に所定時間だけ保持して基板のアニール酸化処理反応を行ない、当該酸化反応が終了後、圧力容器内の温度と圧力との降下を開始し、容器内の圧力を短時間で初期圧力まで戻し、一方、温度は、上昇時と同様に無造作に冷却していたので、容器内の温度はその場所により加熱時も冷却時もかなりのバラツキが発生していた。
【００１６】
これに対して、本発明においては、特に図２に示すように、初めに容器内圧力を上昇することなく、加熱手段を起動する。これは基板の温度を飽和蒸気圧温度以上に保ち、基板
に対する結露を防止するためである。このとき容器内温度が約１５０℃に至る間は、容器内部の温度はそれぞれの位置によって無造作に上昇する。しかし、その後は、図１に示すように、容器内温度は全ての位置においてほぼ均一の温度上昇を行なう。そしてそのような均一な温度上昇は容器内温度が約６００℃の反応温度に至るまで、更に処理作業が完了するまで継続するのである。一方、圧力は例えば室内温度が予備加熱温度（約１００℃程度）まで上昇したときに加圧作業を開始する。そして室内圧力が例えば約０．４MPａ程度まで上昇した後、一時、加圧作業を停止する。これは、容器内の空気その他の不純物ガスを容器外部へ放出し容器内部の反応ガス（例えば水蒸気、酸素ガス）の純度及び又は必要な混合比を出来るだけ１００％に近づけるためである。これがいわゆる不純物ガス排気工程である。
【００１７】
その後、加圧作業を継続する。容器内部が（図示の実験例では）約０．９ＭＰａ程度まで加圧されるころに、容器内部の温度は（図示の実験例では）約１９０℃程度になっており、容器内部の圧力と温度の上昇に伴って容器内部の雰囲気が高温高圧状態となり、容器内部の何れの位置においてもほぼ同一な温度分布状態を提供するようになり、それまでバラバラに上昇していた容器内各部の温度がほぼ同一の温度上昇曲線を示すようになる。このため容器内に収容されている全ての基板はどの位置においても均一に加熱されその状態を維持したまま反応開始温度（例えば約６００℃）に至る。同様に容器内の圧力も更に上昇し、反応開始圧力（例えば約２ＭＰａ）に至るのである。そして、容器内の圧力が上記所望の反応圧力に達したときに圧力上昇を停止する。また、温度が所望の反応温度に達したとき温度上昇を停止する。この状態で、温度と圧力とを一定の値に所定時間だけ保持しアニール処理及び酸化成膜作用を行なう。このような立ち上げプロセスを経ることにより、反応開始条件になったときに、第１に、基板の環境が反応ガスで加圧されかつ容器内部には不純物がほとんど存在しない状態となっており、第２に、反応容器内の温度分布が実質的に±３℃以内に制御されて反応が基板全体で一様に開始することが出来、第３に、これら２つの条件の結果、ガラス基板の界面（表面）が良好な状態下にて反応を開始することが出来るので、電気特性が優れかつ極めて均一な薄膜形成が可能となるのである。なお、上記特許文献１においては、作業中に室内圧力を大気圧以下に減圧してワーク表面からの脱気を行なう必要があるが、本件発明においては、後述する領域２において予め必要な脱気を行なっているので、かかる減圧脱気を行なう必要はなく、作業中、圧力は常時一定値に保持して置くことが出来、工程の単純化が図られている。
【００１８】
当該基板処理が終了した後は、図１に示すように、初めに圧力容器内の温度を少なくとも（図示の実験例では）約１５０℃付近に至るまでは強制的に降下した。このとき特に容器内部の位置において降下温度にバラツキが発生しないように温度分布を適切に制御しながら降下する必要がある。その後は継続して強制冷却を継続しても良いし、自然放冷してもよい。なお、自然放冷をしたときには、図１に示すように、容器内の温度はその場所に応じてバラツキが発生することが多いが、この時点では、反応が全て終了しているので、このバラツキが製品の品質に影響することはない。当該容器内温度が（図示の実験例では）約２５０℃程度まで降下した時点で容器内部の圧力降下を開始した。このとき注意すべきことは、容器内部の温度が反応温度（例えば６００℃）にある間は容器内部の圧力を反応圧力（例えば２ＭＰａ）に維持することである。このことにより、反応の後処理が確実に行なわれるのである。
【００１９】
本発明のプロセスを開示している図１についてより詳細に検討する。このプロセスにおいて使用する反応処理容器は、先に出願人が特許文献３に開示するような装置が望ましい。然るにこのような装置の処理容器内部から予め不純物ガスを抜き出し、容器内を可能な限りクリーンな状態に保つ必要が有る。なお、使用する基板も不純物を取り除くため予め洗浄処理することが望ましい。図１において、領域１は、加熱予備工程であり容器内温度を上げ始めるが圧力はそのままの状態である。このとき容器内部の各位置は無造作に温度が上昇する。領域２は、容器内の温度と圧力の上昇を図る工程であり、容器内の不純物やガスを容器内から排出する工程である。即ち、容器内温度が予備加熱温度である約１００℃まで上昇したときに容器内へ反応ガスを導入して圧力上昇を開始する。温度の上昇を継続しながら容器内圧力が例えば約０．４ＭＰａまで上昇したとき一時的に容器を開放して容器内の不純物ガスを排気する。この結果、室内温度が例えば約１５０℃まで上昇した後には容器内部の各位置の温度は収斂し、ほぼ同一の温度を呈するようになる。ここで、この上昇温度の収斂が始まる温度（約１５０℃）は実際には使用する反応ガスにより異なる値であり、実質的に容器内部の圧力に対する反応ガスの飽和温度に対応するものである。即ち、領域１及び２は被処理基板の界面から不純物を除去しかつ不要ガス即ち不純物ガスを追い出し反応ガスを容器内に充填し、容器内の反応ガスの純度及び又は必要な混合比を出来るだけ１００％に近づけるための工程で、アニール処理及び酸化処理のための前処理工程である。これまでが前処理工程における前半作業である。換言すれば、領域１及び領域２は予備加熱及び不純物ガス除去工程である。その後、更に室内温度を上げながら容器内部圧力を上昇する領域３を開始するのである。
【００２０】
領域３は、容器内圧力を所定の処理値まで上昇する工程である。即ち、室内温度を例えば約１５０℃から更に上昇し、同様にまた室内圧力を例えば約０．４ＰＭａから更に上昇する。しかして（図示の実験例では）室内温度が約１９０℃まで上昇するとき室内圧力は約０．９MPａまで上昇していた。更に温度と圧力とを上昇し、室内圧力が処理設定値である例えば約２MPａまで上昇したとき圧力上昇を停止し、容器内を当該所定設定圧力に維持する。このとき室内温度は（図示の実験例では）約４００℃程まで上昇している。領域４は、容器内温度を所定の処理設定値まで上昇する工程である。即ち、室内圧力が所望の処理設定値（例えば約２MPａ）に達して室内圧力を当該処理設定値に維持した後にも、更に室内温度の上昇を継続する。この加熱作業は室内温度が所望の処理設定値（例えば約６００℃）に達した時点で終了する。容器内温度が所望の処理設定値（約６００℃）に達した後に、暫くその温度を維持する。これらの領域３及び４は前処理工程における後半作業である。換言すれば、純度の高い反応ガスによる処理設定温度及び処理設定圧力に至るまでの加熱加圧工程である。
【００２１】
これらの前半作業及び後半作業よりなる前処理工程により、処理される基板の表面が活性化する温度まで加熱されるまでに、予め反応ガス（例えば水蒸気、酸素ガス）で容器内を満たすことにより基板表面を加圧する。その結果、容器内の上中下位置全体の温度差が約±３℃以内の誤差で加熱され、基板表面（反応面）を均一に活性化する。これにより酸化反応上良好な界面を提供することが出来るのである。この領域４は反応開始の工程であり、予め容器内を処理設定圧力まで加圧した後に所定温度まで内部温度を加熱するのである。このようなプロセスを経た後、容器内においてアニール処理及び酸化処理工程が開始する。即ち、領域１及び２のプロセスを経た状態で基板の反応面が活性化する温度まで基板を加熱することで、薄膜が成分的に均質かつ量的に均一に形成され始め、基板全体に一様な電気特性を備えた薄膜が形成出来るのである。
【００２２】
図３には、図１及び図２に示すプロセスにより形成される素子の特性変化について開示している。図３を、同様の特性変化について開示している図８と対比すると、図８においては図７に示す基板３の部位において特性変化にばらつきが発生しているが、図３においては、図７に示すと同様な、基板１３の部位において実質的な特性変化は見られない。即ち、基板全面において素子の移動度即ち反応速度が実質的に同一であり、従って、基板全面で同一の良好な電気特性を提供することが出来ることが判る。
【００２３】
領域５はアニール酸化処理工程である。即ち、基板反応面を活性化する温度及び反応ガス（例えば水蒸気、酸素ガス）で加圧されている状態を一定時間持続することで、アニール処理が施されかつ必要な膜厚を成分的に均質にかつ量的に均一に形成するのである。この持続時間は、容器内に収容されている基板へ形成する必要膜厚により異なる。この工程では、反応装置内部の温度が位置の違いを問わず全ての位置において実質的に同一の温度を示すため、全てのワークが全ての部位においてほぼ同一の厚みを有する酸化膜処理を施されることが出来るのである。
【００２４】
領域６は、領域５にて加工処理された基板を取り出す前に行なう減圧・冷却を迅速に行なうための冷却工程の前半作業領域である。具体的には領域５の環境下において基板と反応しない不活性なガス（例えば窒素、希ガス類など）を冷却ガスとして強制給気して室内温度を強制的に下降させる工程である。このとき、給気口を容器上部に設置することで容器内の上部に溜まっている高温ガスを冷却し、容器内で起こる対流を利用することで基板をその上下表面全面にて温度差が約３℃以内になるように温度分布を制御しながら冷却する。この冷却工程においては冷却作業と同時に容器内のガス排気を行なうことで基板の冷却時間を短縮する。なお、このとき注意すべきことは容器内の圧力は処理設定圧力と同等に維持しておくことである。換言すれば、室内温度が反応温度即ち処理設定温度よりも遥かに低い温度で処理反応を起こさなくなる温度（例えば約２５０℃程度）まで降下しない限り室内圧力を反応圧力即ち処理設定圧力状態に保持することである。これにより、基板へ対する皮膜の付着が更に確実となると共に、基板に形成される膜厚が全ての面において数オングストローム以内の精度で形成されるのである。
【００２５】
領域７は上記領域１〜６までの工程を経た後に必要な温度まで容器内温度を低下させると同時に、容器内圧力を降下して、容器内から処理された基板を取り出す基板取り出し工程である。容器内温度が処理反応を起こさなくなる温度（例えば約２５０℃程度）まで降下した時点で初めて容器内圧力の降下を開始する。圧力が急速に減圧することにより温度も同様に急速に冷却する。しかしながら、このとき、容器内温度が約１５０℃程度まで下降すると、容器内にはその位置により、降下温度にバラツキを発生したが、この時点ではもはや温度的にも圧力的にも反応を促進する心配はないので、このようなバラツキは製品に何の実害ももたらさないのである。なお、ここで降下温度にバラツキを発生する温度（約１５０℃）は実際には使用する反応ガスにより異なる値であり、実質的に容器内部の圧力に対する反応ガスの飽和温度に対応するものである。その後、製品は容器内から取り出される。
【００２６】
図１から明らかなように、本発明においては、領域５で示すアニール及び酸化処理工程に至るまでの前処理工程（領域１〜領域４）においても、更には領域５で示すアニール及び酸化処理工程が終了した後の後処理工程（領域６〜領域７）においても、容器内におけるワークの温度はその配置位置の違いに拘らず実質的に全ての部位において、少なくとも反応を起す温度（約６００℃）に至る以前の約１５０℃以降（領域３）及び反応を起した後に約１５０℃まで冷却する（領域７）までの間、即ち容器内部の圧力に対する反応ガスの飽和温度以上の状態にある間はバラツキがほとんどない実質的に同一の温度変化を呈している。このため、ワークのアニール酸化処理作業による効果が全てのワークにおいて同一である。こうして形成した基板上面の図７に示す各部位における膜厚を測定した結果を図４に示す。この図から明らかなように、本発明のプロセスによれば基板の何れの部位においても、その膜厚は実質的に一定値を示したのである。ちなみにシリコン酸化速度をアレニウスの式により算出すると温度幅を６００±３℃とした時、膜厚分布は±１０％となるが、本発明による処理したときの膜厚を計測してみると、図４に示す実際の膜厚分布は５％以下となり、温度分布よりも良好な値が得られたのである。これは、本発明の前処理工程と後処理工程における温度分布の改善に起因していることが分かる。
【００２７】
図５は上記プロセスを最も効率よく実施することが出来る装置の一例について開示している。この装置は、出願人が先に開示した高精度高圧アニール装置（特許文献３）の改良である。この高精度高圧基板処理装置１０は、圧力容器１２と、該圧力容器内に配置されており内部にワーク１３を処理するための基板処理室１４を画定しておりかつ互いに封止手段により封止連結されている筒体とエンドキャップとにより構成されている反応容器１５と、反応容器内を加熱する加熱手段１６、１６ａと、反応容器１５内にあってワークの上方及び下方にある石英ガラス板１７、１７ａと、反応容器内にあって、少なくともワークの下方位置、側方位置及び上方位置に配置されている温度制御センサー１８、１８ａ、１８ｂと、反応容器内へ純水や酸素ガス等の反応流体を供給するための反応流体供給導管手段１９と、反応容器内の圧力を制御する圧力制御手段１９ａと、反応容器１５と圧力容器１２との間の空間から外部へ連通する導管１９ｂと、圧力容器１２及び反応容器１５内に連通し弁装置２２、２３を有しているガス給排気用管２０、２１と、を有している。
【００２８】
図５に示す基板処理装置１０が、図１０に示すアニール装置１と異なる点は、基板処理装置１０を構成している圧力容器１２及び該圧力容器１２内に配置されている反応容器１５内に連通しているガス給排気用管２０、２１がそれぞれ弁装置２２、２３を介して接続されていることである。このガス給排気用管２０、２１には、窒素ガス、不活性ガス、希土類ガス（例えばアルゴンガス、ヘリウムガス等）等の、設定した処理条件の温度・圧力において被加工基板及び薄膜等の処理対象物に対して不活性なガスを、当該設定条件に到達するまで、及び処理後のワークの温度を均一な冷却状態に制御しかつ迅速に冷却するために圧力容器１２及び反応容器１５内へ供給することが出来るようになって点である。その他の構造に関しては、図１０に示す装置と実質的に同様な構造、作用を有しているので、それぞれに関する詳述は省略する。なお、図面上、図１０においては反応容器５の内部から外部へ連通する導管９、９ａのみが記されており、反応容器５と圧力容器２との間の空間から外部へ連通する導管が記されておらず、一方、図５においてはそれらの何れも図示されている点で異なるが、図１０においては反応容器５と圧力容器２との間の空間から下方へ連通する導管を単に省略しているだけであるのでその点に関して、両者は実質的に同一である。
【００２９】
図５に示す高精度高圧基板処理装置１０の作動について、図１のプロセス図との関連で述べる。初めに基板処理装置１０の基板処理室即ち反応容器１５の内部にワーク１３を配設する。その後、加熱手段１６、１６ａにより反応容器１５の内部の加熱を開始する。ワークに対する結露を防止するためである。容器内温度が約１００℃まで上昇したとき反応流体供給手段１９から反応容器１５内へ反応流体を導入する。純水の場合には当該純水の気化を開始する。次いで弁装置２２、２３を開放して圧力容器内を加圧しながら導管１９ａ、１９ｂから反応容器内の空気を反応ガスと置換して不純物ガスを排気する。このときの圧力は、約０．４ＭＰａである。置換が完了したなら、全ての弁手段を閉じ、容器内部の圧力を上昇し、同時に容器内部の温度を上昇する。温度と圧力とがそれぞれ６００℃、２ＭＰａ等の所定の値に達したなら、温度と圧力とをその値に維持しながら一定時間酸化アニール処理及び成膜処理作用を行なう。これらの作用が終了した後は、初めに加熱手段を切断し、弁手段２２、２３を開放しそこから常温の不活性ガスを導入して圧力容器内の温度を少なくとも約１５０℃付近、即ち容器内部の圧力に対する不活性ガスの飽和温度に至るまではバラツキが発生しないように温度分布を観察しながら冷却する。このとき、導管手段１９の弁手段を同時に調整する。なお、容器内温度が約２５０℃程度まで降下した時点で導管手段１９を開放して容器内部の圧力降下を開始する。このとき注意すべきことは、反応容器の内部と外部の圧力が常に出来るだけ等しい圧力になっていることが望ましい。反応容器がその内部と外部とで圧力バランスを取ることにより反応容器の破損を防止するためである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の高精度高圧基板処理方法及び装置では、初めに反応容器内部へ所定の処理ガスを供給することにより容器内の不純物ガスを除去しながら容器内部の圧力を所定値まで上げ、圧力をその状態に保持したまま、加熱作業を行なう。温度が所定値に達した時点でアニール処理と同時に当該処理ガスによる成膜処理が行なわれる。その後、温度を急速に下げて冷却し、最後に圧力を戻す。このようにこれまでの手順と僅かに異なる手順を経ることにより、酸化膜形成を行なう素子の特性変化が基板の全ての場所において同様の変化をし、これにより基板の全ての点で同様に優れたアニール処理及び成膜処理を施こした優れた特性を有する基板を提供出来る。更に、冷却工程を迅速に行なうことにより基板の全ての点で均一な膜厚を形成することが出来る。このため、本発明は非常に簡単な工程及び装置により非常に高精度な高圧アニール作業及び成膜処理を達成することが出来るので作業の歩留まりが上昇し、均質で高品質な基板処理作業を極めて低価格にて行なうことが可能となる。従って、多くの液晶カラーフィルターの製造、液晶ＴＦＴ基板の成形、プラズマデイスプレー材料の焼成及びそのアニール作業、有機エレクトリックルミネッセンス用基板の乾燥その他の同種の作業に最適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本件発明の基板処理工程の一例を示している図である。
【図２】図１に示す基板処理工程の一部拡大図である。
【図３】本件発明の工程を経たときの素子の特性変化を示す図である。
【図４】本件発明の工程を経たときの基板の膜厚分布を示す図である。
【図５】本件発明の基板処理工程を実施する適切な処理装置の一例を示す図である。
【図６】従来のアニール工程を示す、図１に類似する図である。
【図７】アニール加工を施した基板表面の各部位を示す図である。
【図８】従来のアニール工程による素子の特性変化を示す、図３に類似する図である。
【図９】従来のアニール工程による基板の膜厚分布を示す、図４に類似する図である。
【図１０】本件発明のアニール装置に類似する従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：高精度高圧基板処理装置            １２：圧力容器
１３：基板                              １４：基板処理室
１５：反応容器                          １６、１６ａ：加熱手段
１７：石英板                            １８、１８ａ、１８ｂ：温度制御センサー
１９：反応流体供給導管                  １９ａ：圧力制御手段
１９ｂ：導管                            ２０、２１：ガス給排気用管
２２、２３：弁装置
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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