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CN109494172A - 冷却单元、绝热结构体、基板处理装置、以及半导体装置的制造方法 - Google Patents

冷却单元、绝热结构体、基板处理装置、以及半导体装置的制造方法 Download PDF

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CN109494172A CN201811011991.8A CN201811011991A CN109494172A CN 109494172 A CN109494172 A CN 109494172A CN 201811011991 A CN201811011991 A CN 201811011991A CN 109494172 A CN109494172 A CN 109494172A
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Abstract

本发明涉及冷却单元、绝热结构体、基板处理装置、以及半导体装置的制造方法，提供使区域间的加热和冷却控制的响应性改善的结构。构成为具备：设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体的吸气管；设置于该吸气管并对气体的流量进行调整的控制阀；使从吸气管供给的气体暂时地贮留的缓冲部；以及，设置为使在缓冲部贮留的气体朝向反应管吹出的开口部，由此提供通过按照区域的上下方向的长度比率来设定向吸气管导入的气体的流量，从而使控制阀开闭来调整从开口部朝向反应管喷出的气体的流量和流速的结构。

Description

冷却单元、绝热结构体、基板处理装置、以及半导体装置的制 造方法
技术领域
本发明涉及冷却单元、绝热结构体、基板处理装置、以及半导体装置的制造方法。
背景技术
已知，作为基板处理装置的一例有半导体制造装置，此外，作为半导体制造装置的一例有立式装置。在立式装置中，将作为以多层保持多个基板(以下也称为晶圆)的基板保持部的晶舟，以保持有基板的状态搬入反应管内的处理室，在多个区域进行温度控制，并以预定的温度对基板进行处理。以往在加热器的温度控制中，降温时是将加热器关闭，近年来则是从冷却机构供给冷却气体，积极地提高基板处理后的降温特性。
专利文献1公开的技术，是通过使开闭阀开闭而在成膜时、降温时、温度恢复时分别变更冷却气体的流动。另外，专利文献2记载了一种技术，是通过改变吹出孔的数量、配置来设定加热器各部的降温速度。但是，在上述的冷却单元结构中，无法通过冷却气体流量的控制在急速冷却中使反应管均匀地冷却，因此降温速度会随着区域的变化而不同，并导致区域间的温度变化过程出现差异。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－209569号公报
专利文献2：国际公开2008/099449号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明的目的是提供一种使区域间的加热控制及冷却控制的响应性改善的结构。
用于解决课题的方案
根据本发明的一个方案，构成为具备：设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体的吸气管；设置于该吸气管并对气体的流量进行调整的控制阀；使从吸气管供给的气体暂时地贮留的缓冲部；以及设置为使在缓冲部贮留的气体朝向反应管吹出的开口部，由此提供一种通过按照区域的上下方向的长度比率来设定向吸气管导入的气体的流量，从而使控制阀开闭来调整从开口部朝向反应管喷出的气体的流量和流速的结构。
发明的效果
根据本发明的结构，能够改善区域间的加热和冷却控制的响应性。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的基板处理装置的局部剖切主视图。
图2是本发明一实施方式的基板处理装置的正面剖视图。
图3是表示在本发明实施方式的成膜处理中与温度有关的处理的一例的流程图。
图4是表示图3所示流程图中的炉内温度变化的图。
图5是表示本发明一实施方式的基板处理装置的主要构成部的图。
图6是将图5所示主要构成部的一部分放大的图。
图7是本发明实施方式的基板处理装置中的绝热结构体的展开图。
图8是表示本发明实施方式的基板处理装置中的冷却单元的流速的图。
图9是表示本发明实施方式的基板处理装置中的冷却单元的区域间的流量的图。
图10是表示本发明实施方式的基板处理装置中的冷却区域分割和加热影响范围的图。
图11是表示本发明实施方式的基板处理装置中的均热长度分布的图。
图12是表示本发明实施方式的基板处理装置中的控制用计算机的硬件结构的图。
图中：
1—基板(晶圆)；10—基板处理装置；11—反应管(处理管)；14—处理室(炉内空间)；40—加热装置(加热单元)；100—冷却单元(冷却装置)。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。
在本实施方式中，如图1及图2所示，本发明的基板处理装置10构成为实施半导体装置制造方法中的成膜工序的处理装置10。
图1所示的基板处理装置10具备作为被支承的纵型的反应管的处理管11，处理管11由彼此呈同心圆配置的外管12和内管13构成。外管12使用石英(SiO2)一体成形为上端封闭而下端开口的圆筒形状。内管13形成为上下两端开口的圆筒形状。内管13的筒中空部形成了供后述的晶舟搬入的处理室14，内管13的下端开口构成了用于使晶舟出入的炉口15。如后述的那样，晶舟31构成为能够将多张晶圆以长且整齐排列的状态保持。因此设定为内管13的内径比进行处理的晶圆1的最大外径(例如直径为300mm)大。
外管12与内管13之间的下端部通过歧管16而气密地密封，该歧管16构成为大致圆筒形状。为了进行外管12和内管13的更换等，歧管16分别可自由装卸地安装于外管12和内管13。歧管16被CVD装置的框体2支承，因此处理管11为垂直安放的状态。以下图中有时仅示出外管12作为处理管11。
排气路17因外管12与内管13的间隙而构成为横截面形状具有恒定宽度的圆形环形状。如图1所示，在歧管16的侧壁的上部连接有排气管18的一端，且为排气管18连通排气路17的最下端部的状态。在排气管18的另一端连接有排气装置19，该排气装置19通过压力控制器21进行控制，在排气管18的中途连接有压力传感器20。压力控制器21构成为基于来自压力传感器20的测定结果来对排气装置19进行反馈控制。
在歧管16的下方以与内管13的炉口15连通的方式配设有气体导入管22，在气体导入管22连接有供给原料气体、惰性气体的气体供给装置23。气体供给装置23构成为通过气体流量控制器24进行控制。从气体导入管22导入炉口15的气体，在内管13的处理室14内流动并在通过排气路17之后通过排气管18进行排气。
歧管16从垂直方向下侧连接使下端开口封闭的密封盖25。密封盖25构成为外径与歧管16大致相同的圆盘形状，且构成为能够通过在框体2的待机室3设置的晶舟升降机26沿着垂直方向升降。晶舟升降机26由电动机驱动的输送螺旋轴装置和波纹管等构成，晶舟升降机26的电动机27通过驱动控制器28进行控制。旋转轴30配置在密封盖25的中心线上且自由旋转地被支承，旋转轴30构成为能够通过旋转机构29进行旋转驱动，该旋转机构29作为电动机通过驱动控制器28进行控制。在旋转轴30的上端垂直地支承有晶舟31。
晶舟31具备上下一对的端板32、33和在它们之间垂直地架设的三个保持部件34，在三个保持部件34沿着长度方向等间隔地刻划出多个保持槽35。在三个保持部件34中，刻设于同一段的保持槽35、35、35之间以彼此相对的方式开口。晶舟31通过在三个保持部件34的同一段的保持槽35间插入晶圆1而能够将多张晶圆1以水平且彼此中心一致的状态整齐排列进行保持。在晶舟31与旋转轴30之间配置有绝热盖部36。旋转轴30构成为将晶舟31以从密封盖25的上表面抬起的状态进行支承，从而能够使晶舟31的下端从炉口15的位置离开适当的距离。绝热盖部36能够使炉口15的附近绝热。
在处理管11的外侧呈同心圆状配置有作为加热装置的加热单元40且以被框体2支承的状态设置。加热装置40具备壳体41。壳体41使用不锈钢(SUS)形成为上端封闭而下端开口的筒形状并优选为圆筒形状。壳体41的内径和全长设定为比外管12的外径和全长大。另外，在本实施方式中，作为多个加热区域(加热控制区域)，从加热装置40的上端侧到下端侧分割为七个控制区域U1、U2、CU、C、CL、L1、L2。
在壳体41内设有本发明一实施方式的绝热结构体42。本实施方式的绝热结构体42形成为筒形状并优选为圆筒形状，且该圆筒体的侧壁部43形成为多层结构。即，绝热结构体42具备在侧壁部43中配置于外侧的侧壁外层45、以及在侧壁部中配置于内侧的侧壁内层44，在侧壁外层45与侧壁内层44之间具备：将所述侧壁部43在上下方向隔离为多个区域(zone)的分隔部105、在该分隔部105与相邻的分隔部105之间设置的作为缓冲部的环状缓冲器106。
另外，缓冲部106构成为按照其长度利用作为槽口的分隔部106a分割为多个。即，按照区域的长度来设置将缓冲部106分割为多个的分隔部106a。在本说明书中，也将分隔部105称为第一分隔部105并将分隔部106a称为第二分隔部106a。另外，也可以将分隔部105称为隔离成多个冷却区域的隔离部。前述的控制区域CU、C、CL、L1、L2与缓冲部106分别相对地设置，且构成为各控制区域的高度与缓冲部106的高度大致相同。另一方面，构成为其中的上方的控制区域U1、U2的高度不同于与这些控制区域相对的缓冲部106的高度。具体而言，是构成为与控制区域U1、U2相对的缓冲部106的高度低于各区域的高度，因此能够高效地向各控制区域供给冷却空气90。由此，能够使向控制区域U1、U2供给的冷却空气90与向其它控制区域供给的冷却空气90为同等程度，在控制区域U1、U2也能够进行与控制区域CU、C、CL、L1、L2同等的温度控制。
特别是由于构成为与对排气管82侧的内侧空间75进行加热的控制区域U1相对的缓冲部106的高度低于各区域高度的1/2，因此能够高效地向控制区域U1供给冷却空气90。由此，在最靠近排气侧的控制区域U1也能够进行与其它控制区域同等的温度控制。
另外，配置于最上部的分隔部105处于比晶舟31的基板处理区域高且比处理管11的高度低的位置(与内管13的高度大致相同的位置)，以第二顺序配置于上部的分隔部105处在与晶舟31的上端部所载置的晶圆1大致相同的高度位置，因此能够高效地使冷却空气90到达处理管11的排气侧(未载置晶圆1的部分)，并能够与相当于晶舟31的基板处理区域的处理管11同样地进行冷却。结果是构成为能够使处理管11整体均匀地冷却。
另外，在各区域设有作为逆扩散防止部的风挡104。并且构成为，通过该逆扩散防止体104a的开闭而将冷却空气90经由气体导入路107向缓冲部106供给。并且构成为，供给至缓冲部106的冷却空气90在图2未图示的侧壁内层44内设置的气体供给流路108内流动，并从包含该气体供给流路108在内的供给路径的一部分即作为开口部的开口孔110将冷却空气90向内部空间75供给。
另外，在从未图示的气体源供给冷却空气90时，该逆扩散防止体104a成为盖，且构成为内部空间75的环境气体不会逆流。也可以构成为使该逆扩散防止体104a的开启压力按照区域进行变更。另外，在侧壁外层45的外周面与壳体41的内周面之间设有作为橡皮布的绝热布111以吸收金属的热膨胀。
并且构成为，供给至缓冲部106的冷却空气90在图2未图示的侧壁内层44内设置的气体供给流路108内流动，并从开口孔110将冷却空气90向内部空间75供给。
如图1及图2所示，在绝热结构体42的侧壁部43的上端侧覆盖有作为顶板部的顶板壁部80以封闭内侧空间75。在顶板壁部80呈环状形成有作为对内侧空间75的环境气体进行排气的排气路径的一部分的排气口81，且排气口81的上游侧端即下端与内侧空间75连通。排气口81的下游侧端与排气管82连接。
接下来，对基板处理装置10的动作进行说明。
如图1所示，将预先指定的张数的晶圆1装填于晶舟31之后，保持有多张晶圆1的晶舟31通过晶舟升降机26使密封盖25上升，从而向内管13的处理室14搬入(晶舟装载)。到达上限的密封盖25压接于歧管16，从而使处理管11的内部成为密封状态。晶舟31以被密封盖25支承的状态存放于处理室14。
接着，处理管11的内部通过排气管18进行排气。另外，温度控制器64进行定序控制，从而利用侧壁发热体56将处理管11的内部加热至目标温度。对于处理管11内部的实际的上升温度与温度控制器64的定序控制的目标温度的误差，通过基于热电偶65的计测结果的反馈控制来进行校正。另外，晶舟31通过电动机29进行旋转。
当处理管11的内压及温度、晶舟31的旋转整体上达到恒定的稳定状态时，通过气体供给装置23从气体导入管22向处理管11的处理室14导入原料气体。通过气体导入管22导入的原料气体在内管13的处理室14内流动并在通过排气路17之后通过排气管18进行排气。在处理室14中流动时，利用原料气体与加热至预定的处理温度的晶圆1接触而产生的热CVD反应在晶圆1形成预定的膜。
在经过预定的处理时间之后，停止处理气体的导入，之后从气体导入管22向处理管11的内部导入氮气等净化气体。同时，将作为冷却气体的冷却空气90从吸气管101经由逆扩散防止体104a向气体导入路107供给。所供给的冷却空气90在缓冲部106内暂时地贮留，并从多个开口孔110经由气体供给流路108向内侧空间75吹出。从开口孔110向内侧空间75吹出的冷却空气90通过排气口81及排气管82进行排气。
由于通过冷却空气90的流动对加热单元40整体强制地进行冷却，因此绝热结构体42会与处理管11一起急速地冷却。另外，由于内侧空间75与处理室14隔离，因此能够将冷却空气90用作冷却气体。但是，为了进一步提高冷却效果、防止空气内的杂质在高温下对侧壁发热体56的腐蚀，也可以将氮气等惰性气体用作冷却气体。
当处理室14的温度下降至预定的温度，则被密封盖25支承的晶舟31通过晶舟升降机26下降，从而被从处理室14搬出(晶舟卸载)。
之后通过重复所述作用，利用基板处理装置10实施对晶圆1的成膜处理。
如图12所示，作为控制部的控制用计算机200具有：包含CPU(Central ProcessingUnit：中央处理单元)201及存储器202等在内的计算机主体203、作为通信部的通信IF(Interface：接口)204、作为存储部的存储装置205、作为操作部的显示/输入装置206。即，控制用计算机200包含作为一般的计算机的构成部分。
CPU201构成操作部的中枢，执行在存储装置205中存储的控制程序，按照来自操作部206的指示，执行存储装置205中记录的处置方案(例如工艺用处置方案)。另外，工艺用处置方案当然包括图3所示之后述的步骤S1到步骤S6的温度控制。
另外，作为存储CPU201的动作程序等的记录介质207，可采用ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory：电可擦除可编程只读存储器)、闪存、硬盘等。在此，RAM(Random Access Memory：随机存储器)作为CPU的工作区等发挥功能。
通信IF204与压力控制器21、气体流量控制器24、驱动控制器28、温度控制器64(有时也将这些统称为子控制器)电连接，能够收发与各部件的动作有关的数据。另外，也与后述的阀控制部300电连接，能够收发用于控制多用冷却单元的数据。
在本发明的实施方式中，虽然以控制用计算机200为例进行了说明，但是不限于此，能够使用通常的计算机系统实现。例如，从存储有用于执行上述处理的程序的CDROM、USB等记录介质207将该程序安装到通用计算机中，从而也能够执行上述处理。另外，也可以使用分别包含通信线路、通信网络、通信系统等的通信IF204。在此情况下，例如可以在通信网络的公告板上公开该程序，经由网络叠加于载波来提供。并且，启动这样提供的程序，在OS(Operating System：操作系统)的控制下，与其它应用程序同样地执行，从而能够执行上述的处理。
接下来，参照图3及图4来说明基板处理装置10进行的成膜处理的一例。图4中的符号S1～S6表示图3的各步骤S1～S6的执行。
步骤S1是使炉内的温度稳定于比较低的温度T0的处理。在步骤S1中，基板1还没有被插入炉内。
步骤S2是将晶舟31所保持的基板1插入炉内的处理。基板1的温度在此时点低于炉内的温度T0，因此将基板1插入炉内的结果是，炉内的温度会暂时地低于T0，但是炉内的温度将通过后述的温度控制装置74等在经过若干时间之后再次稳定于温度T0。例如在温度T0为室温的情况下可以省略本步骤即并非必要工序。
步骤S3是利用加热单元40使炉内的温度从温度T0上升至用于对基板1实施成膜处理的目标温度T1的处理。
步骤S4是为了对基板1实施成膜处理而使炉内的温度稳定维持于目标温度T1的处理。
步骤S5是在成膜处理结束后利用后述的冷却单元280及加热单元40使炉内的温度从温度T1再次逐渐下降至比较低的温度T0的处理。另外，也能够将加热单元40关断并利用冷却单元280从处理温度T1急速地冷却至温度T0。
步骤S6是将实施了成膜处理的基板1与晶舟31一起从炉内抽出的处理。
在有需要实施成膜处理的未处理的基板1残留的情况下，将晶舟31上的完成了处理的基板1与未处理的基板1交换，重复进行该步骤S1～S6的一系列的处理。
步骤S1～S6的处理都是在相对于目标温度获得使炉内温度在预定的微小温度范围内且以预定的时间持续该状态的稳定状态之后转入下一步骤。或者，最近，为了增加恒定时间内的基板1的成膜处理张数，也有在步骤S1、S2、S5、S6等中未获得稳定状态即转入下一步骤的方案。
图5是对本实施方式中的作为多用冷却单元的冷却单元(冷却装置)100进行说明的图示例。另外，省略了外管12和内管13而与处理管11以一个结构表示，并省略了与加热装置40有关的结构。
如图5所示，冷却装置100具备：在上下方向具备多个冷却区域的绝热结构体42；向每个该冷却区域供给作为使处理管11内冷却的冷却气体的冷却空气90的吸气管101；设置于吸气管101而作为对气体的流量进行调整的传导阀的控制阀102；设置于吸气管101而防止从绝热结构体42侧的环境气体的逆扩散的风挡104。另外，也可以将包含对来自空间75的环境气体进行排气的排气口81和排气管82的顶板壁部80作为冷却装置100的结构。
冷却装置100至少具备：向多个冷却区域分别供给使处理管11冷却的冷却空气90的吸气管101；设置于吸气管101的控制阀102；与设置于每个冷却区域的吸气管101连通且暂时地贮留从吸气管101供给的气体的缓冲部106；使在该缓冲部106贮留的冷却空气90经由设置于侧壁内层44的气体供给流路108朝向处理管11喷出的多个开口孔110，且构成为从各冷却区域内的各开口孔110喷出的冷却空气90的流量和流速保持均匀。
另外，吸气管101的冷却区域间的截面积(或管径)按照各冷却区域的高度方向的长度的比率来确定。由此，能够使各冷却区域间的喷射风量均一化。并且构成为，吸气管101的截面积比开口孔110的截面积之和大。同样地构成为，缓冲部106的流路截面积比开口孔110的截面积之和大。另外，在图5中，冷却区域间的高度方向的长度大致相同，因此在各冷却区域设置相同尺寸的吸气管101、控制阀102、风挡104。
另外，开口孔110在各冷却区域内沿着周向及上下方向以相同的间隔设置，因此冷却装置100能够使在缓冲部106贮留的冷却空气90经由气体供给流路108向空间75均匀地吹出。此外，按照各冷却区域间的高度方向的长度比率来调整向吸气管101导入的冷却空气90的流量，并使控制阀102开闭，从而能够使从开口孔110朝向处理管11喷出的气体的流量及流速相同。
因此，与从存在载置于晶舟31的产品基板的区域的最上层大致相同的高度到存在产品基板的区域的最下层的各冷却区域相对的处理管11利用冷却空气90均匀地进行冷却。即，冷却装置100能够使冷却区域内、冷却区域间均匀地冷却。
另外，该风挡104为了将空间75的环境气体从上侧的排气口81排气而构成为与以在缓冲部106高效地贮留冷却空气90的方式设置于各冷却区域的缓冲部106的中央连通。并且构成为，风挡104与缓冲部106的下侧连通。
并且构成为，在吸气管101设有作为节流孔的节流部103，该节流部103抑制从开口孔110喷出的冷却空气90的流量。但是，该节流部103可根据需要设置于每个冷却区域。
例如，在每个区域的高度方向的长度不同、导入各冷却区域的冷却空气90的流量等不同的情况下，虽然导入各冷却区域的冷却空气90相同，但是为了抑制预定的冷却区域的冷却能力而设置节流部103，对冷却空气90的流量及流速进行调整。
并且构成为，阀控制部300能够基于来自控制部200的设定值并基于来自温度控制器64、热电偶65的数据，对控制阀102的开度进行调整。由此，能够利用控制阀102的开度来调整各冷却区域的冷却能力，因此能够降低急冷时的顾客设备排气能力的波动或者部件单体的偏差、装置因设置情况发生的装置间机械误差。
在具有作为多个加热区域的控制区域(在本实施方式中为U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)的加热装置40中使用的绝热结构体42，具有形成为圆筒形状的侧壁部43，该侧壁部43形成为多层结构，且该绝热结构体42构成为具备：将侧壁部43在上下方向隔离为多个冷却区域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)的分隔部105；在侧壁内层44与侧壁外层45之间的圆筒状的空间即在上下方向相邻的分隔部105间的空间构成的作为环状缓冲器的缓冲部106；在每个区域中设置于在侧壁部43的多个层中的外侧配置的侧壁外层45并与缓冲部106连通的气体导入路107；在每个冷却区域中设置于在侧壁部43的多个层中的内侧配置的侧壁内层44并与缓冲部106连通的气体供给流路108；在侧壁内层44的内侧设置的空间75；以在每个冷却区域从气体供给流路108向空间75吹出冷却空气90的方式在侧壁内层44的周向及上下方向以相同的间隔设置的开口孔110。
图6是图5所示的绝热结构体42与风挡104的连接状态的放大图。在此，是将图5所示的CL区域放大了的图。另外，省略了在侧壁内层44设置的气体供给流路108及开口孔110。
在侧壁外层45与侧壁内层44之间设置分隔部105，在该分隔部105之间的空间设置缓冲部106。并且构成为，该缓冲部106通过分隔部106a被分割为上侧的区域和下侧的区域。由于设置该分隔部106a，从而能够抑制在缓冲部106内发生的对流。其起因于未图示的侧壁发热体56与水冷套的温度差而在绝热结构体42、简而言之缓冲部106内发生的对流。尤其是在未使用急冷功能时，温度差在冷却区域的上下约为1℃。另外，图6所示的作为第三分隔部的分隔部106b将作为连通气体导入路107与缓冲部106的导入口的吸气部113分隔为两部分。对于该分隔部106b及吸气部113将在后面详述。
经由气体导入路107设有风挡104。由于风挡104及逆扩散防止体104a的材质为不锈钢(SUS)，并且与用于加热单元40的绝热材连接，因此考虑了热耐性而构成。另外，在壳体41与侧壁外层45之间设有用于吸收热膨胀的绝热布111。
如图6所示，在逆扩散防止体104a开启的状态下，冷却空气90先在缓冲部106贮留，然后经由未图示的气体供给流路108向空间75供给。另一方面，在不使用冷却空气90时，逆扩散防止体104a关闭，防止在未图示的吸气管101与绝热结构体42之间发生对流。
另外，开口孔110设置为避开了与气体导入路107相对的位置，且构成为不是从气体导入路107供给的冷却空气90经由缓冲部106从开口孔110直接导入空间75内，而是从气体导入路107供给的冷却空气90在缓冲部106暂时地贮留。
由此，使导入气体导入路107的冷却空气90在缓冲部106暂时地贮留，且构成为各开口孔110的气体供给压力相同。因此构成为，从设置于缓冲部106的各开口孔110吹出相同流量及相同流速的冷却空气90。
此外，各区域的两个吸气部113的流路截面积以及缓冲部106的流路截面积大于开口孔110的流路截面积的总和。由此，使得通过开启逆扩散防止体104a而导入的冷却空气90经由吸气部113进行供给而容易在缓冲部106贮留，且构成为以相同流量及相同流速从开口孔110供给冷却空气90。
图7是侧壁内层44的展开图。如图7所示，利用分隔部105隔离成多个冷却区域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)，且开口孔110在上下方向(高度方向)和横向(周向)配置于适当的位置。开口孔110相对于各区域在上下方向配置有多层，且在横向配置有多个。具体而言，是按照各区域的上下方向的长度来确定设置于缓冲部106的开口孔110的列数，且开口孔110在各列中沿着周向大致均匀地设置。另外，各区域在周向构成有多个片区(A、B、C、···W、X)，且在某个区域内在各片区内在高度方向曲折地配置。另外，开口孔110在全部区域内在上下方向和横向以相同的间隔大致均匀地配置。
在各冷却区域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)的周向分别配置有12个开口孔110。U1区域、U2区域、L2区域分别在高度方向设有两列开口孔110，CU区域、C区域、CL区域、L1区域分别在高度方向设有四列开口孔110。因此，U1区域、U2区域、L2区域分别设有24个开口孔110，CU区域、C区域、CL区域、L1区域分别设有48个开口孔110，由此，在各区域分别向供给至U1区域(U2，L2区域)与C区域以及剩余各区域的吸气管101导入的流量比确定为U1区域(U2、L2区域)：C区域(CU、CL、L1区域)＝1：2＝(开口孔110为24个：开口孔110为48个)。
另外，开口孔110分别设置为避开了设有在气体导入路107与缓冲部106的边界设置的吸气部113的位置。换言之，只要是不与吸气部113相对的位置便能够设置开口孔110。并且配置为从开口孔110吹出的冷却空气90以避开侧壁发热体56的方式吹出。热电偶65不仅避免了与从开口孔110吹出的冷却空气90直接接触，而且被避风用的遮挡部112覆盖以避免冷却空气90的影响。另外，图7是开口孔110的尺寸不同的示意图，各开口孔110的开口截面积形成为大致相同的尺寸。
图7的左侧所示的控制区域(在本实施方式中为U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)与图7的右侧所示的冷却区域(U1、U2、CU、C、CL、L1、L2)数量相同，且CU区域、C区域、CL区域、L1区域、L2区域分别具有相同的流路截面积。换言之，CU区域、C区域、CL区域、L1区域、L2区域分别与在上下的分隔部105间围成的区域一致。但是，U1区域与U2区域的流路截面积构成为控制区域较大。由此，多个冷却区域中的上侧的区域(U1区域和U2区域)构成为与多个控制区域中的上侧的控制区域(U1区域和U2区域)相比上下方向的长度较短。换言之，与在上下的分隔部105间围成的区域一致的冷却区域(U1区域和U2区域)构成为比控制区域(U1区域和U2区域)偏向下侧。对于该控制区域的上侧区域(U1区域和U2区域)与冷却区域的上侧区域(U1区域和U2区域)的配置位置将在后面详细说明。另外，冷却区域的U1区域和U2区域的流路截面积与L2区域相同。
如图7所示构成为，U1区域、U2区域、L2区域的流路截面积较小，此外其它的冷却区域(例如C区域)的流路截面积较大。在C区域设有将缓冲部106分割为上侧的区域和下侧的区域的分隔部106a。被分割为上侧和下侧的各区域例如构成为流路截面积与U1区域(U2区域和L2区域)相同。另外，对于与C区域同样地流路截面积较大的CU区域、CL区域、L1区域，也同样地利用分隔部106a分割为上下的区域。这样，通过分隔部106a使在冷却区域设置的全部区域为大致相同的流路截面积，因此能够通过向吸气管101供给与冷却区域的高度方向的长度成比例的冷却空气90，使在气体导入路107内流动的冷却空气90从吸气部113遍及至各缓冲部106内。
另外，如图7所示，冷却空气90朝向绝热结构体42的导入口即吸气部113形成为长方形的形状。该吸气部113通过分隔部106b分割为两个片区，通过分隔部106b分割而成的两个片区的高度分别为114mm。另外，该高度与U1区域、U2区域、L2区域的缓冲部106的高度大致相同。因此，通过在U1区域、U2区域、L2区域向吸气管101供给冷却空气90，并利用在缓冲部106内设置的分隔部106b，而将从吸气管101向缓冲部106供给的气体的朝向确定为一致，从而能够使从吸气部113导入的冷却空气90遍及至各缓冲部106内。
为了分割成两个吸气部113，在各冷却区域设有分隔部106b，特别是在U1区域、U2区域、L2区域，利用分隔部106b将冷却空气90的流动方向确定为周向。由此，能够利用在缓冲部106内设置的分隔部106b使在气体导入路107内流动的气体沿着周向高效地遍及至缓冲部106内。另外，为了增强该效果，也可以使吸气管101相对于吸气部113倾斜地连接。
这样，由于开口孔110与各冷却区域对应地进行配置且在缓冲部106内设有分隔部106a和/或分隔部106b，因此能够通过向吸气管101供给与冷却区域的高度方向的长度成比例的冷却空气90，从而在各冷却区域内从开口孔110将相同流量及相同流速的冷却空气90朝向处理管11供给。另外，在各冷却区域间也能够调整为从开口孔110供给流量、流速相同的冷却空气90。由此，能够使在与各冷却区域相对的位置设置的处理管11高效地冷却，例如在急冷时(例如、上述的降温步骤S5)减小区域内以及区域间的温度偏差。
因此，当所确定的流量的冷却空气90被导入各冷却区域的吸气管101时，通过开启逆扩散防止体104a而导入的冷却空气90将经由吸气部113在缓冲部106贮留。特别是根据本实施方式，通过按照冷却区域在缓冲部106内适当地设置分隔部106a、106b，且冷却空气90高效地遍及至缓冲部106内，从而构成为各开口孔110的供给压力相同。因此，能够经由气体供给流路108从开口孔110在全区域内、全区域间供给流量、流速相同的冷却空气90，从而能够使处理管11均匀地冷却。另外，优选冷却空气90的流量为控制阀102能够调整的范围的流量。由此，能够精细地控制导入各区域的冷却空气90的流量。
因此，在本实施方式中，能够经由气体供给流路108从开口孔110在全区域内、全区域间供给流量、流速相同的冷却空气90，从而能够使处理管11均匀地冷却。另外，优选冷却空气90的流量为控制阀102能够调整的范围的流量。由此，能够精细地控制导入各区域的冷却空气90的流量。
另外，开口孔110设置为避开了与气体导入路107相对的位置，且配置为从开口孔110吹出的冷却空气90避开了侧壁发热体56。
另外，在本实施方式中构成为，以控制区域的数量与冷却区域的数量一致的方式来配置分隔部105。由此，通过使控制区域的数量与冷却区域的数量相同，从而能够进行加热和冷却的连续控制，特别是通过研究冷却区域U1、U2相对于控制区域U1、U2的配置位置，能够使升降温时的温度恢复时间缩短。但是并不限定于该方式，控制区域的数量和区域的数量可以任意地设定。
在本实施方式中构成为，与控制区域U1、U2相对的冷却区域U1、U2的高度低于各区域的高度，因此能够向各控制区域高效地供给冷却空气90。由此，能够使向控制区域U1、U2供给的冷却空气90与向其它控制区域供给的冷却空气90相同，在控制区域U1、U2也能够进行与控制区域CU、C、CL、L1、L2同等的温度控制。
这样，在本实施方式中，通过使与接近排气侧而难以高效地供给冷却空气90的控制区域U1、U2相对的冷却区域U1，U2偏向下侧，从而能够使与控制区域U1、U2相对的未图示的内侧空间75和与其它控制区域相对的未图示的内侧空间75维持同样的温度控制特性，改善区域间的加热和冷却控制的响应性。
(实施例)
接下来，参照图8至图12对验证了本实施方式的冷却单元100的一个实施例进行说明。
图8示出了从图7所示的C区域的各开口孔110喷出时的冷却空气90的喷射风速(流速)的比较表。其是温度为室温且向C区域的吸气管101供给2.0m3/min的冷却空气90时的开口孔110的流速测定结果。这样，根据本实施方式，能够使从各开口孔110喷射的速度大致相同。在此，如图7所示，a是C区域的最上方的区域、b是C区域的从上方起第二顺序的区域、c是从C区域的上方起第三顺序的区域、d是从C区域的上方起第四顺序(最下方)的区域。
图9是本实施方式的冷却单元的气体导入路107的风量测定结果。各区域的风量是与区域高度成比例的风量。此时，开口孔110的平均每一个的风量(平均风量)为0.04～0.05m3/min，且在全部区域使从各开口孔110喷射的速度大致相同。
图10表示加热影响(温度干涉矩阵数据)的确认结果。具体而言，在每个区域使设定温度(在实施例中为600℃)增加约5℃，并叠加了此时的温度影响范围的确认结果进行表示，例如如果是U1区域的波形，则例如在图中记为U1+5。如图10所示，U1区域及U2区域的加热影响范围比各加热区域分割位置偏向下侧。在本实施方式中，对应于该U1区域及U2区域的加热影响范围的偏移来配置冷却区域U1、U2，从而能够向与U1区域和U2区域的加热区域相对的处理管11供给冷却空气90。
另外，由于冷却装置100的排气系统设置于上方，特别是在U1区域和U2区域具有冷却装置100的冷却影响范围比加热区域分割位置偏向上侧的倾向，因此冷却区域U1、U2配置于比加热区域U1、U2偏向下侧的位置。例如，前述的图7所示的多个冷却区域是考虑到了这种加热影响范围和冷却影响范围的偏移来进行冷却区域分割的，由此使冷却空气90的冷却效果提高。
此外，如图2所示构成为，冷却装置100的冷却区域不仅在与存在包含产品基板在内的各种基板的区域(晶舟31的基板处理区域)相对的位置设置开口孔110，而且在与处理管11的上侧(晶舟31的基板处理区域的上侧)相对的位置设置开口孔110。由此，能够使向处理管11整体供给的冷却空气90的流量、流速相等，结果是，能够在区域内、区域间减小温度偏差。
图11是在不使用冷却单元100时稳定于600℃时的各区域的温度分布的比较图。由此，采用本实施方式的冷却单元100，能够使晶圆间的温度均一性提高。
根据以上所述的本实施方式可收到以下所述的效果。
(a)根据本实施方式，具备：设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体的吸气管；设置于该吸气管并对气体的流量进行调整的控制阀；使从吸气管供给的气体暂时地贮留的缓冲部；以及设置为将在该缓冲部贮留的气体朝向反应管吹出的开口部，且构成为，通过按照区域的上下方向的长度比率来设定向吸气管导入的气体的流量，从而使控制阀开闭来调整从开口部朝向反应管喷出的气体的流量和流速，因此能够使反应管均匀地冷却。
(b)根据本实施方式，在吸气管设置扩散防止部以防止来自炉内的环境气体的逆扩散，因此能够在未使用冷却气体的情况下防止逆扩散，从而抑制加热装置40的热的影响。
(c)根据本实施方式，构成为设置于每个冷却区域的吸气管的流路截面积以及缓冲部的流路截面积比设置于每个冷却区域的开口孔的截面积之和大，因此能够通过调整向设置于各冷却区域的吸气管供给的冷却气体的流量，从而使从各开口孔喷出的冷却气体的流量、流速在冷却区域内均匀。此外，通过使气体供给压力在各开口孔大致相同，从而不仅能够在冷却区域内均匀，而且能够在冷却区域间均匀，因此能够使反应管均匀地冷却。
(d)根据本实施方式，若在吸气管设置对流量进行节流的节流部，则能够在吸气管的直径过大而需要抑制流量的情况下，对从吸气管供给的流量进行节制。
(e)根据本实施方式的绝热结构体，其具有形成为圆筒形状的侧壁部，该侧壁部形成为多层结构，所述绝热结构体具备：使侧壁部在上下方向隔离为多个区域的分隔部；在侧壁部内设置于相邻的分隔部之间的缓冲部；设置于在侧壁部的多个层中的外侧配置的外层并与缓冲部连通的气体导入路；设置于在侧壁部的多个层中的内侧配置的侧壁内层并与缓冲部连通的气体供给流路；设置为从气体供给流路向侧壁内层的内侧的空间吹出冷却气体的开口部，因此能够通过调整向设置于各区域的吸气管供给的冷却气体的流量，从而在各区域内使从设置于周向及高度方向的各开口部喷出的冷却气体的流量和流速均匀。
(f)根据本实施方式，使冷却区域U1、U2的高度比加热区域U1、U2向下侧偏移，不仅能够向与晶舟31的基板处理区域相对的反应管均匀地供给冷却气体，而且能够向晶舟31的基板处理区域的上侧区域的反应管均匀地供给冷却气体，因此不仅能够在冷却区域内使冷却气体均匀地流通，而且能够在冷却区域间使冷却气体均匀地流通，使反应管整体均匀地冷却。由此，能够使加热区域U1、U2的温度控制性提高。
(g)根据本实施方式，通过使冷却区域U1、U2的高度比加热区域U1、U2向下侧偏移，从而能够使向处理管11整体供给的冷却气体的流量、流速相等，使反应管整体均匀地冷却，从而能够改善控制区域间的加热和冷却控制的响应性。
(h)另外，根据本实施方式，构成为，在各冷却区域使各开口孔的供给压力相同，因此能够从开口孔以相同的流量、流速供给冷却气体，并且维持各控制区域的温度控制特性，因此，能够改善区域间的加热和冷却控制的响应性，结果是，基板的温度恢复时间和基板的面内温度均一性得到改善，急速升温能力提高。另外，能够使急冷时的温度偏差在各区域大致均匀，从而改善基板间的温度均一性。
另外，本发明不仅能够适用于半导体制造装置，而且也能够适用于对LCD装置等的玻璃基板进行处理的装置。
另外，本发明涉及半导体制造技术，尤其涉及将被处理基板收容于处理室并在利用加热装置进行了加热的状态下实施处理的热处理技术，可有效地应用于基板处理装置，例如是对制作半导体集成电路装置(半导体器件)的半导体晶圆实施的氧化处理、扩散处理、还有，以在离子注入后的载体活性化、平坦化为目的回流、退火以及利用热CVD反应的成膜处理等所使用的基板处理装置。

Claims (14)

1.一种冷却单元，其特征在于，具备：
吸气管，其设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体；
控制阀，其设置于所述吸气管并对气体的流量进行调整；
缓冲部，其暂时贮留从所述吸气管供给的气体；以及
开口部，其设置为朝向所述反应管吹出所述缓冲部中贮留的气体，
所述冷却单元构成为通过按照所述区域的上下方向的长度比率来设定向所述吸气管导入的气体的流量，从而使所述控制阀开闭来调整从所述开口部朝向所述反应管喷出的所述气体的流量和流速。
2.根据权利要求1所述的冷却单元，其特征在于，
在所述吸气管设置扩散防止部，该扩散防止部防止来自炉内的环境气体的逆扩散。
3.根据权利要求1所述的冷却单元，其特征在于，
在所述吸气管设置节流部，该节流部抑制从所述开口部喷出的冷却气体的流量。
4.根据权利要求1所述的冷却单元，其特征在于，
设置于每个所述区域的所述吸气管的流路截面积以及所述缓冲部的流路截面积比设置于每个所述区域的所述开口部的截面积之和大。
5.根据权利要求1所述的冷却单元，其特征在于，
所述缓冲部在每个所述区域设有分隔部，
所述分隔部确定从所述吸气管向所述缓冲部供给的气体的朝向。
6.一种绝热结构体，其具有形成为圆筒形状的侧壁部，该侧壁部形成为多层结构，所述绝热结构体的特征在于，具备：
第一分隔部，其将所述侧壁部在上下方向上隔离为多个区域；
缓冲部，其在所述侧壁部内设置于相邻的第一分隔部之间；
气体导入路，其在每个所述区域设置于在所述侧壁部的多个层中的外侧配置的外层并与所述缓冲部连通；
气体供给流路，其在每个所述区域设置于在所述侧壁部的多个层中的内侧配置的内层并与所述缓冲部连通；
空间，其设置于所述内层的内侧；以及
开口部，其在每个所述区域设置为从所述气体供给流路向所述空间吹出冷却气体。
7.根据权利要求6所述的绝热结构体，其特征在于，
所述缓冲部的流路截面积形成为比设置于每个所述区域的所述开口部的流路截面积之和大。
8.根据权利要求6所述的绝热结构体，其特征在于，
所述开口部设置为避开了与连通所述气体导入路和所述缓冲部的导入口相对的位置。
9.根据权利要求6所述的绝热结构体，其特征在于，
所述缓冲部设有在每个所述区域设置的第二分隔部，
所述第二分隔部确定在所述缓冲部内流动的气体的朝向。
10.一种基板处理装置，其特征在于，具备：
吸气管，其设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体；
控制阀，其设置于所述吸气管并对气体的流量进行调整；
开口部，其设置于所述区域内并朝向所述反应管喷出气体；
缓冲部，其在每个所述区域与所述吸气管连通并暂时贮留从所述吸气管供给的气体；以及
冷却单元，其构成为通过按照所述区域的高度方向的长度比率来设定向所述吸气管导入的气体的流量，从而使所述控制阀开闭来调整从所述开口部朝向反应管喷出的气体的流量和流速。
11.根据权利要求10所述的基板处理装置，其特征在于，
还具备在上下方向上具有多个控制区域的加热装置，
以所述控制区域的数量与所述区域的数量一致的方式来配置第一分隔部。
12.根据权利要求11所述的基板处理装置，其特征在于，
所述区域形成于上下的所述第一分隔部间，
在与上侧的所述控制区域相对的上侧的所述区域，以所述区域的高度比所述控制区域的高度低的方式，使上侧的所述第一分隔部向下侧偏移。
13.根据权利要求10所述的基板处理装置，其特征在于，
所述缓冲部设有在每个所述区域设置的第二分隔部，
所述第二分隔部确定在所述缓冲部内流动的气体的朝向。
14.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，具有：
将多张基板以保持于基板保持部件的状态装入反应管的工序；
以将所述反应管内的温度维持于预定温度的方式控制加热装置并对所述基板进行处理的工序；
一边通过具备吸气管、控制阀、开口部、缓冲部的冷却单元进行冷却并控制所述加热装置，一边降温至比所述预定温度低的温度的工序，其中，所述吸气管设置于每个区域并供给使反应管冷却的气体，所述控制阀设置于所述吸气管并对气体的流量进行调整，所述开口部设置于所述区域内并使气体朝向所述反应管喷出，所述缓冲部在每个所述区域与所述吸气管连通并暂时贮留从所述吸气管供给的气体，所述冷却单元构成为通过按照所述区域的高度方向的长度比率来设定向所述吸气管导入的气体的流量，从而使所述控制阀开闭来调整从所述开口部朝向所述反应管喷出的气体的流量和流速；以及
将保持有处理完成的所述基板的所述基板保持部件从所述反应管搬出的工序。
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