JP2002110563A - 熱処理装置のモデル生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被処理体の温度を推定する数学モデルを適切
に作成・校正可能とする。 【解決手段】 熱特性の異なる熱処理装置について、加
熱炉内の被処理体の温度を推定するための数学モデルを
予め作成しておく。新規に熱処理装置を製造する場合、
数学モデルを作成する対象の熱処理装置が、予め数学モ
デルが用意された複数の熱処理装置のいずれに類似する
かを特定する（ステップＳ２）。次に、特定した熱処理
装置用の数学モデルを用いて、被処理体の温度を推定し
つつ熱処理を実行する（ステップＳ４）。実際に形成さ
れた膜の膜厚を測定し（ステップＳ５）、これと目的値
とを比較し（ステップＳ６）、比較結果に従って、所望
の熱処理が行われるように、数学モデルを修正する（ス
テップＳ７）。この処理を繰り返すことにより、基本用
の数学モデルを校正して、個々の熱処理装置用の数学モ
デルを作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体の温度を数学モデルを用いて非接触で推定し、
推定結果に基づいて、最適な制御を行う適応制御型のバ
ッチ式熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５，５１７，５９４号公報等
には、数学モデルを使用して、半導体ウエハの温度を推
定するバッチ式熱処理装置が開示されている。従来は、
１つの熱処理装置（１機種；設計が同一の熱処理装置）
について１つの基本的な数学モデル（基本モデル）を作
成し、さらに個々の装置を実際に作動させて数学モデル
を微調整していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この手法で
は、熱処理装置の種類分だけ、基本モデルを作成しなけ
ればならず、基本モデルの設計が大変である。本発明
は、上記実状に鑑みてなされたものであり、熱処理装置
の数学モデルの設計を容易にすることをことを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の観点に係る熱処理装置のモデル生
成方法は、互いに構成が異なり、それぞれ、複数のヒー
タと、複数の温度センサを有する加熱炉とを備え、前記
温度センサの出力に基づいて前記加熱炉内の被処理体の
温度を推定し、推定した温度に従って、前記複数のヒー
タを制御する複数の熱処理装置について、前記温度セン
サの出力に基づいて前記加熱炉内の被処理体の温度を推
定するための数学モデルをそれぞれ用意し、数学モデル
を作成する対象の熱処理装置が、前記予め数学モデルが
用意された複数の熱処理装置のいずれに類似するかを特
定し、特定した熱処理装置用の数学モデルを用いて、被
処理体の温度を推定しつつ熱処理を実行し、実際に形成
された膜の膜厚と目的値とを比較し、比較結果に従っ
て、所望の熱処理が行われるように、前記数学モデルを
修正することにより、その熱処理装置用の数学モデルを
作成する、ことを特徴とする。

【０００５】この構成によれば、熱処理装置それぞれに
ついて、被処理体の温度を測定するための数学モデルを
独自に作成する必要がなく、既存の数学モデルを手直し
するだけで対応できる。従って、数学モデルを新規に作
成する場合に比較して、その作成負担を抑えることがで
きる。

【０００６】上記目的を達成するため、この発明の第２
の観点に係る熱処理装置のモデル生成方法は、複数のヒ
ータと、複数の温度センサとを備え、内部に被処理体を
収容する加熱炉と、前記温度センサの出力から、前記加
熱炉内の被処理体の温度を推定するためのモデルを記憶
するメモリと、前記メモリに記憶されているモデルに基
づいて、前記温度センサの出力から前記被処理体の温度
を推定し、推定した温度に従って、前記複数のヒータを
制御する制御コントローラと、を備える複数の熱処理装
置のモデル生成方法であって、ハードウエア構成が互い
に異なる複数の熱処理装置を、その温度特性が類似する
熱処理装置が１つのグループに属するように複数のグル
ープに分類し、グループ別に基本となる数学モデルを割
り当て、各熱処理装置について、前記温度センサの出力
とその熱処理装置が属するグループに割り当てられた数
学モデルとから、被処理体の温度を推定しつつ熱処理を
実行し、実際に形成された膜の膜厚と目的値とを比較
し、比較結果に従って、所望の熱処理が行われるよう
に、前記数学モデルを修正し又は数学モデルを用いて推
定された温度を修正する、ことを特徴とする。

【０００７】この構成によれば、グループ別に数学モデ
ルを作成すれば、個々の熱処理装置については、数学モ
デルを独自に作成する必要がなく、グループ用の数学モ
デルを手直しするだけで対応できる。従って、数学モデ
ルを新規に作成する場合に比較して、その作成負担を抑
えることができる。

【０００８】上記第１及び第２の観点にかかる数学モデ
ルの生成方法において、例えば、実際に形成された膜の
膜厚が目的値よりも、薄いときは、推定される温度が低
くなるように、数学モデルを修正し、実際に形成された
膜の膜厚が目的値よりも、厚いときは、推定される温度
が高くなるように、数学モデルを修正する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明のバッチ式熱処理装置用の
数学モデルの作成方法の実施の形態について説明する。
熱処理装置は、様々なハードウエア構成を有しており、
ハードウエア構成から、熱特性が類似の熱処理装置を含
む複数のグループに分類することができる。そこで、本
実施の形態においては、既知の熱処理装置をその基本構
成又は熱特性に基づいていくつかのグループに分類す
る。例えば、図１は、あるグループ（以下グループＡ）
に属す縦型熱処理装置の基本構造を示す。この縦型熱処
理装置は、石英で作られた内管２ａ及び外管２ｂよりな
る二重管構造の反応管２を備え、反応管２の下側には金
属製の筒状のマニホールド２１が設けられている。

【００１０】反応管２内には、多数枚、例えば、１５０
枚の被処理体を成すウエハＷ（製品ウエハ）が水平な状
態で、上下に間隔をおいてウエハ保持具であるウエハボ
ート２３に棚状に配置されている。このウエハボート２
３は蓋体２４の上に保温筒（断熱体）２５を介して保持
されている。

【００１１】反応管２の周囲には、ヒータ部３が設けら
れている。ヒータ部３は、５段に配置されたヒータ３１
〜３５から構成される。ヒータ３１〜３５には、電力コ
ントローラ３６〜４０より、それぞれ独立して電力が供
給される。反応管２、マニホールド２１、ヒータ部３に
より加熱炉が構成される。

【００１２】また、マニホールド２１には、内管２ａ内
にガスを供給するように３本のガス供給管４１，４２，
４３が配置されている。各ガス供給管４１，４２，４３
には、ガス流量を調整するためのマスフローコントロー
ラ（ＭＦＣ）などの流量調整部４４，４５，４６を介し
て原料ガス、キャリアガス等が供給される。さらにマニ
ホールド２１には、排気管２７が接続されている。排気
管２７は、図示しない真空ポンプに接続されている。排
気管２７には、反応管２内の圧力を調整するための圧力
調整部２８が設けられている。

【００１３】内管２ａの内面には、垂直方向に一列に５
つの熱電対（温度センサ）Ｓin1〜Ｓin5が配置されてい
る。熱電対Ｓin1〜Ｓin5は、半導体ウエハＷの金属汚染
を防止するため、例えば、石英のパイプ等によりカバー
されており、図３（ａ）に例示する５つのゾーンにそれ
ぞれ配置されている。

【００１４】また、外管２ｂの外面には、垂直方向に一
列に複数の熱電対（温度測定部）Ｓout1〜Ｓout5が配置
されている。熱電対Ｓout1〜Ｓout5も、図３（ａ）に例
示する５つのゾーンにそれぞれ配置されている。

【００１５】この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理
雰囲気の温度、ガス流量、圧力といった処理パラメータ
を制御するための制御部（コントローラ）１００を備え
ている。制御部１００は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1
〜Ｓout5の出力信号を取り込み、ヒータ３１〜３５の電
力コントローラ３６〜４０、圧力調整部２８、流量調整
部４４〜４６に制御信号を出力する。

【００１６】図２は、制御部１００の構成を示す。図示
するように、制御部１００は、モデル記憶部１１１と，
レシピ記憶部１１２と、ＲＯＭ１１３と、ＲＡＭ１１４
と、Ｉ／Ｏポート１１５と、ＣＰＵ１１６と、これらを
相互に接続するバス１１７とから構成される。

【００１７】モデル記憶部１１１は、熱電対Ｓin1〜Ｓi
n5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号（測定温度）及び電力
コントローラの出力からウエハボート２３に載置されて
いるウエハＷの温度を推定（計算）し、さらに、推定し
た温度を目標値まで変化させるためにヒータ３１〜３５
に供給すべき電流（電力）を指示するための数学モデル
（高次・多次元関数）を温度帯域別に記憶している。

【００１８】レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置
で実行される熱処理（例えば、成膜処理）の種類に応じ
て、制御手順を定めるレシピが記憶されている。各レシ
ピは温度レシピ（処理対象たるウエハＷが経るべき温度
変化の目標値；温度目標軌道）を含んでいる。通常のバ
ッチ処理の場合、１種類の熱処理（例えば、成膜処理）
については、全ウエハについて１つの温度レシピが用意
される。これに対し、この実施の形態においては、図３
（ａ）に例示する５つのゾーンについて、図３（ｂ）に
示すように、ゾーン毎に調整された温度レシピ（温度目
標軌道）が用意されている。ゾーン毎に調整された温度
レシピは、ガスの流量や濃度の差等の要因による膜厚の
ばらつきを温度制御で吸収（キャンセル）できるように
調整されている。

【００１９】ＲＯＭ１１３は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシ
ュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ１
１６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。

【００２０】ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエ
リアなどとして機能する。Ｉ／Ｏポート１１５は、熱電
対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の測定信号をＣＰＵ
１１６に供給すると共に、ＣＰＵ１１６が出力する制御
信号を各部へ出力する。また、Ｉ／Ｏポート１１５に
は、操作パネル１１８が接続されている。バス１１７
は、各部の間で情報を伝達する。

【００２１】ＣＰＵ１１６は、ＤＳＰなどから構成され
てもよく、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムに
従って動作し、操作パネル１１８からの指示に応答し、
レシピ記憶部１１２に記憶されているレシピに従って、
熱処理装置の動作を制御する。具体的には、ＣＰＵ１１
６は、モデル記憶部１１１に記憶されているモデルを読
み出し、また、レシピ記憶部１１２に記憶されているレ
シピに従って処理動作を実行する。

【００２２】また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置
の制御と同様に、流量調整部４４〜４６への指示、圧力
調整部２８への指示なども行う。

【００２３】一方、図４に示す縦型熱処理装置は、グル
ープＡに属す熱処理装置とは異なる熱特性を有する熱処
理装置群（以下、グループＢ）に属す熱処理装置の基本
構成を示す。この熱処理装置は、単管構造の反応管２を
備える。反応管２の天井には、ガス供給管４１が接続さ
れている。反応管２の下にはガス排気管２７が接続され
たマニホールド２１が設けられている。反応管２の周囲
には、電力コントローラ３６〜３８に制御されるヒータ
３１〜３３が設けられている。さらに、反応管２の内面
には熱電対Ｓin1〜Ｓin3が、外面には熱電対Ｓout1〜Ｓ
out3が配置されている。

【００２４】この熱処理装置も、図２に示す構成と類似
構成の制御部を備える。ただし、モデル記憶部１１１
は、熱電対Ｓin1〜Ｓin3及びＳout1〜Ｓout3の出力信号
（測定温度）からウエハボート２３に載置されているウ
エハＷの温度を推定（計算）し、さらに、推定した温度
を目標値に設定するためにヒータ３１〜３３に供給すべ
き電流（電力）を指示するために設計された数学モデル
を温度帯域別に記憶している。

【００２５】図１及び図４に示す熱処理装置用の数学モ
デル（基本モデル）を作成する手法は、例えば、米国特
許第５，５１７，５９４号公報等に開示された手法と同
様である。

【００２６】次に、このように予め準備された熱処理装
置と数学モデルとを用いて、任意の熱処理装置の数学モ
デルを設計する手法を、図５の手順フローを参照して説
明する。

【００２７】まず、依頼者の要求に合致するハードウエ
ア仕様の熱処理装置を設計し、試験装置を製造する（ス
テップＳ１）。例えば、依頼者の要求にあわせて、反応
管のサイズ、ウエハボートに搭載するウエハの径や数、
ヒータの数、ガス管の数及び径、などのハードウエアを
適宜設計し試験装置を製造する。

【００２８】次に、その試験装置の熱特性が、数学モデ
ルが作成済みの熱処理装置のいずれに類似しているかを
判別する（ステップＳ２）。

【００２９】次に、試験装置の制御部１００のモデル記
憶部１１１に、類似していると判定された熱処理装置用
の数学モデルを格納する。さらに、予め用意された校正
用のレシピをレシピ記憶部１１２に格納する（ステップ
Ｓ３）。

【００３０】次に、その試験装置について、校正用レシ
ピに沿って実際に熱処理（例えば成膜処理）を行う（ス
テップＳ４）。次に、実際に形成（成膜）された膜の厚
さを測定する（ステップＳ５）。

【００３１】さらに、膜厚の測定値と目的値とを比較し
て（ステップＳ６）、実測値と目的値との差が許容範囲
より大きければ、数学モデルを修正する（ステップＳ
７）。

【００３２】より具体的に説明すると、熱電対Ｓin、Ｓ
out、各ヒータへの供給電力などを用いて処理対象のウ
エハの温度を想定しつつ、校正レシピに従った熱処理を
実行し、形成された膜の厚さを測定する。

【００３３】一般に、形成された膜の厚さが目的値より
も薄い場合には、熱処理時の温度を上げればよく、形成
された膜の厚さが目的値よりも厚い場合には、熱処理時
の温度を下げればよい。すなわち、前者の場合には計算
によるウエハの推定温度が低くなるようにして熱処理時
の温度を上げるようにし、また、後者の場合には計算に
よるウエハの推定温度が高くなるようにして熱処理時の
温度を下げるようにする。

【００３４】そこで、形成された膜の厚さが目的値より
も薄い場合には、数学モデルを用いて計算されるウエハ
温度を下げるように修正する。例えば、数学モデルを使
用して計算された温度ＴcalにΔｔ（Δｔは正の値）を
減算して、Ｔcal−Δｔをウエハの温度とするように数
学モデルを修正する。或いは、Ｔcal・α（αは１より
小さい正の数）をウエハの温度とするように、数学モデ
ルを修正する。

【００３５】同様に、形成された膜の厚さが目的値より
も厚い場合には、計算されるウエハ温度を上げるように
数学モデルを修正する。例えば、数学モデルを使用して
計算された温度ＴcalからΔｔを加算して、Ｔcal＋Δｔ
をウエハの温度とするように数学モデルを修正する。或
いは、Ｔcal・β（βは１より大きい正の数）をウエハ
の温度とするように、数学モデルを修正する。

【００３６】次に、このようにして修正した基本モデル
（修正モデル）を、モデル記憶部１１１に格納し、ステ
ップＳ４に戻り、再度熱処理を実行して、形成された膜
の厚さを測定し（ステップＳ５）、目的値と比較する
（ステップＳ６）。上述の処理を繰り返し、実際に製造
される膜の厚さと膜厚の目的値との差が許容範囲内とな
った段階で、数学モデルの設計を終了する。

【００３７】なお、新たに設計した熱処理装置が図４に
示すような熱処理装置に類似する構成を有すると判定さ
れた場合には、図４に示す熱処理装置用の数学モデルを
校正することにより、新規に製造された熱処理装置用の
数学モデルを作成する。

【００３８】このような数学モデル作成方法によれば、
全ての熱処理装置について、モデルを個々に最初から作
成する必要がなく、同一仕様の熱処理装置については、
予め１つの数学モデルを作成しておけば、これを装置毎
に校正することにより、数学モデルを作成することがで
き、数学モデルの作成とチューニングを効率よく行うこ
とができる。

【００３９】以上の説明では、予め既知で校正が完了し
た数学モデルを備える複数の熱処理装置が予め存在する
場合について説明したが、この発明はこの例に限定され
ない。例えば、複数の熱処理装置を新規に設計・製造す
る場合に、設計予定の熱処理装置を複数グループに分類
し、各グループ内で１台の基本熱処理装置を特定して、
これについて数学モデルをそれぞれ作成し、他の熱処理
装置については、同一グループ内の基本熱処理装置用の
数学モデルを校正して使用するようにしてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、熱処理装置の数学モデルを適切にかつ容易に作成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱処理装置の構造の一例を示す図である。

【図２】制御部の構成例を示す回路図である。

【図３】（ａ）は反応管内のゾーンを示し、（ｂ）はゾ
ーン別の目標温度軌道の例を示す図である。

【図４】熱処理装置の構造の他の例を示す図である。

【図５】数学モデルの設計工程を説明するためのフロー
チャートである。

【符号の説明】

２ 反応管 ３ ヒータ部 ２１ マニホールド ２３ ウエハボート ２４ 蓋体 ２５ 保温筒（断熱体）

フロントページの続き (72)発明者 王 文凌 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内 (72)発明者 安原 もゆる 東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内 Ｆターム(参考） 4K056 AA09 FA04 FA13 5F045 BB01 DP19 EK07 EK25 GB01 GB05 GB13 GB16 GB17 5H004 GB15 HA01 HA06 HB01 JA04 JA12 JA22 JB08 KA71 KC28 LA18

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに構成が異なり、それぞれ、複数のヒ
   ータと、複数の温度センサを有する加熱炉とを備え、前
   記温度センサの出力に基づいて前記加熱炉内の被処理体
   の温度を推定し、推定した温度に従って、前記複数のヒ
   ータを制御する複数の熱処理装置について、前記温度セ
   ンサの出力に基づいて前記加熱炉内の被処理体の温度を
   推定するための数学モデルをそれぞれ用意し、 数学モデルを作成する対象の熱処理装置が、前記予め数
   学モデルが用意された複数の熱処理装置のいずれに類似
   するかを特定し、 特定した熱処理装置用の数学モデルを用いて、被処理体
   の温度を推定しつつ熱処理を実行し、 実際に形成された膜の膜厚と目的値とを比較し、 比較結果に従って、所望の熱処理が行われるように、前
   記数学モデルを修正することにより、その熱処理装置用
   の数学モデルを作成する、 ことを特徴とする熱処理装置のモデル生成方法。
2. 【請求項２】複数のヒータと、複数の温度センサとを備
   え、内部に被処理体を収容する加熱炉と、前記温度セン
   サの出力から、前記加熱炉内の被処理体の温度を推定す
   るためのモデルを記憶するメモリと、前記メモリに記憶
   されているモデルに基づいて、前記温度センサの出力か
   ら前記被処理体の温度を推定し、推定した温度に従っ
   て、前記複数のヒータを制御する制御コントローラと、
   を備える複数の熱処理装置のモデル生成方法であって、 ハードウエア構成が互いに異なる複数の熱処理装置を、
   その温度特性が類似する熱処理装置が１つのグループに
   属するように複数のグループに分類し、 グループ別に基本となる数学モデルを割り当て、 各熱処理装置について、前記温度センサの出力とその熱
   処理装置が属するグループに割り当てられた数学モデル
   とから、被処理体の温度を推定しつつ熱処理を実行し、 実際に形成された膜の膜厚と目的値とを比較し、 比較結果に従って、所望の熱処理が行われるように、前
   記数学モデルを修正し又は数学モデルを用いて推定され
   た温度を修正する、 ことを特徴とする熱処理装置のモデル生成方法。
3. 【請求項３】実際に形成された膜の膜厚が目的値より
   も、薄いときは、推定される温度が低くなるように、数
   学モデルを修正し、 実際に形成された膜の膜厚が目的値よりも、厚いとき
   は、推定される温度が高くなるように、数学モデルを修
   正する、 ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモデル生成方
   法。