JP2002130961A

JP2002130961A - 熱処理装置の校正方法及び熱処理装置の数学モデル生成・校正方法

Info

Publication number: JP2002130961A
Application number: JP2000329717A
Authority: JP
Inventors: Bunryo O; 文凌王; Fujio Suzuki; 富士雄鈴木; Koichi Sakamoto; 浩一坂本; Moyuru Yasuhara; もゆる安原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2002-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理体の温度を推定する数学モデルを作成
・校正する。【解決手段】加熱炉に配置された温度センサの出力
を、温度推定数学モデルに適用して、ウエハの温度を推
定し、推定温度に従って、加熱炉を制御する熱処理装置
用温度推定数学モデルの作成方法であって、ｎ個の温度
センサを、ウエハ中心からの距離が数式１を満たす
Ｒ_１．．．Ｒ_ｎの位置に配置し、ウエハを加熱炉内に収
容し、加熱炉のセンサとウエハのセンサとの出力を取得
して、温度推定数学モデルを生成する。同様の処理で、
実測値と推定値の関係を求め、温度推定数学モデルを校
正する。【数１】Ｋ_１・πＲ_１ ^２＝．．．＝Ｋ_ｎ＋１・π（Ｒ^２
−Ｒ_ｎ ^２）Ｋ_１〜Ｋ_ｎ＋１はウエハ中心からの距離がＲ_１〜Ｒ_ｎの
円で区切られたｎ＋１個の領域から得られる素子の歩留
率。

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
円形の基板からなる被処理体を多数枚一括して熱処理す
るバッチ式熱処理装置と熱処理装置用の温度推定用とそ
の制御方法に関し、特に、収容している被処理体の温度
を適切に測定し、測定結果に基づいて、最適な制御を行
う適応制御型のバッチ式熱処理装置及びその制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５，５１７，５９４号公報等
には、バッチ式の熱処理装置において、数学モデルを使
用して、ウエハの温度を推測し、推定した温度に基づい
て熱処理を実行する技術が開示されている。この技術に
よれば、数学モデルを作成する段階及び数学モデルを調
整する段階で、熱処理装置内にセットされたウエハの実
際の温度を測定する必要がある。ウエハの直径が２００
ｍｍの時代、ウエハの温度の測定は、ウエハの中心と端
部とに温度センサを設置して行われていた。近時、ウエ
ハの直径は３００ｍｍが主流になりつつある。ウエハが
３００ｍｍの場合、ウエハの中心と端部の温度を測定
し、測定値を使用するだけでは、高精度のモデルを作成
及び校正することができない。ひいては、被処理体の温
度を適切に推定して熱処理の制御を行うことができなく
なってしまう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記実状に
鑑みてなされたものであり、被処理体の温度を推定する
ための数学モデルを適切に作成し、さらに、校正可能と
することを目的とする。また、本発明は、被処理体の温
度を適切に推定して、適切な熱処理を施すことを他の目
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校正方法
は、半径がＲの円形の基板を収納し、該基板の温度を測
定しつつ基板に処理を施す熱処理装置の校正方法であっ
て、ｎ個の温度センサを、基板中心からの距離Ｒ_１、Ｒ
_２．．．Ｒ_ｎが数式１を満たす位置に配置し、ｎ個の温
度センサから得られた基板温度に基づいて、前記熱処理
装置の動作を校正する、ことを特徴とする。

【０００５】この手法により、各温度センサの出力を等
しい重みで処理して、前記熱処理装置の動作を校正する
ことが可能となる。

【０００６】上記目的を達成するため、この発明の第２
の観点に係る数学モデルの校正方法は、半径がＲの円形
の基板を収納し、該基板の表面温度を、所定の数学モデ
ルを用いて推定しながら、推定した温度に従って基板に
熱処理を施す熱処理装置の数学モデルを校正する方法で
あって、ｎ個の温度センサを、基板中心からの距離が数
式２を満たすＲ_１、Ｒ_２．．．Ｒ_ｎの位置に配置して基
板温度を測定し、数学モデルを用いて基板温度を推定
し、ｎ個の温度センサにより実測された基板温度と、数
学モデルを用いて推定した基板温度とを比較して、数学
モデルを校正する、ことを特徴とする。

【０００７】この手法により、各温度センサの出力を等
しい重みで処理して、数学モデルを校正することが可能
となる。

【０００８】また、上記目的を達成するため、この発明
の第３の観点に係る熱処理装置の温度推定用の数学モデ
ルを生成する方法は、複数のヒータと,複数の温度セン
サとを備え、内部に円形の基板を収容する加熱炉と、前
記温度センサの出力から、前記加熱炉内の基板の温度を
推定するための温度推定数学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温度推定数学モデルに
基づいて、前記温度センサの出力から前記基板の温度を
推定し、この推定に従って、前記複数のヒータを制御す
る制御手段と、を備えるバッチ式熱処理装置の温度推定
用の数学モデルを生成する方法であって、ｎ個の温度セ
ンサを、基板中心からの距離が数式３を満たすＲ_１、Ｒ
_２．．．Ｒ_ｎの位置に配置し、温度センサが配置された
基板を前記加熱炉内に収容し、前記ヒータに通電して、
前記加熱炉の複数の温度センサと基板上の温度センサと
の出力を取得して、取得したデータから、前記加熱炉の
複数の温度センサの出力から基板の温度を求める前記温
度推定数学モデルを生成する、ことを特徴とする。

【０００９】さらに、このようにして生成された数学モ
デルを、数式３を満たす位置に温度センサを備えるテス
ト用基板の基板温度を測定し、上記方法で生成された数
学モデルを用いて基板温度を推定し、ｎ個の温度センサ
により実測された基板温度と、数学モデルを用いて推定
した基板温度とを比較して、数学モデルを校正してもよ
い。

【００１０】この手法により、各温度センサの出力を等
しい重みで処理して、前記数学モデルを作成し、校正す
ることが可能となる。

【００１１】

【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及び構成方法の実施の形態につい
て説明する。始めに、熱処理装置及び数学モデルについ
て図１〜図４を参照して説明する。この実施の形態の縦
型熱処理装置は、図１に示すように、例えば、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。内管２ａは上端が開口さ
れており、マニホールド２１に支持されている。外管２
ｂは有天井に形成され、下端がマニホールド２１の上端
に気密に接合されている。

【００１２】反応管２内には、多数枚、例えば、１５０
枚の被処理体を成す円形の基板であるウエハ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２３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。

【００１３】反応管２の周囲には、例えば、抵抗体より
成るヒータ部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。ヒー
タ３１〜３５により、反応管内は、図３（ａ）に示すよ
うに５つのゾーンに分けられている。

【００１４】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複数のガス供給管が設けられて
おり、図１では、理解を容易にするため、３本のガス供
給管４１，４２，４３を示している。各ガス供給管４
１，４２，４３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４４，４
５，４６を介してジクロルシラン、アンモニア、窒素が
それぞれ供給される。さらにマニホールド２１には、内
管２ａと外管２ｂとの隙間から排気するように排気管２
７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、コンビネーションバルブ、バタ
フライバルブやバルブ駆動部などを含む圧力調整部２８
が設けられている。

【００１５】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、円形のウエハ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）に示す５つのゾーンにそれぞれ
配置されている。

【００１６】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）に示
す５つのゾーンに対応して、それぞれ配置されている。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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）からウエ
ハボート２３に載置されているウエハＷの中心部と端部
との温度を推定（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３１〜３５に供給すべき電
流（電力）を指示するために設計されたモデル（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。なお、モデルの設計手法については後述する。

【００２０】レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置
で実行される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、個々の熱処理装置の特性に応じて、面間及び
面内で膜厚が均一に成るように、図３（ａ）に例示する
ように、反応管２内を縦方向に複数（５つ）のゾーンに
分け、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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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に記憶されている複
数のレシピの内から該当するものを選択して読み出す。
そして、レシピに従って処理動作を実行する。特に、こ
の実施の形態においては、ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin
1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5からの測定値及び電力コン
トローラ３６〜４０への指示値（電力コントローラ３６
〜４０がヒータ３１〜３５に供給した電力を示す値）を
取り込んで、ウエハＷの温度Ｔwを刻一刻と推定し、推
定した温度Ｔwが温度レシピが指示する値に一致するよ
うに、電力コントローラ３６〜４０に、供給電力を指示
する。

【００２４】また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置
の制御と同様に、流量コントローラ４４〜４６への指
示、圧力調整部２８への指示なども行う。

【００２５】次に、上記構成のバッチ式熱処理装置によ
る一般的な成膜処理について、図４を参照して説明す
る。まず、オペレータは、処理の内容（窒化膜の形成）
を、操作パネル１１８より入力する。ＣＰＵ１１６は、
指示に応答し、窒化膜形成用のレシピをレシピ記憶部１
１２から読み出す。一方、ウエハボート２３に、製品ウ
エハ（処理対象のウエハ）Ｗが必要枚数載置される。次
に、被処理体であるウエハＷが所定枚数、例えば１００
枚搭載されたウエハボート２３を、昇降台２６によって
上昇させてウエハＷを反応管２内にロードし、マニホー
ルド２１の下端のフランジと蓋体２４とを気密状態とす
る。

【００２６】ＣＰＵ１１６は、ウエハボート２３のロー
ドが完了すると、ＲＯＭ１１３から読み出したレシピに
従って、圧力調整部２８を含む排気系を制御して、排気
動作を開始する。

【００２７】一方、ＣＰＵ１１６は、図４に示す昇温制
御動作を開始し、ヒータ部３への電力の供給を開始して
昇温を開始する（ステップＳ１）。さらに、ＣＰＵ１１
６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信
号及びヒータ３１〜３５に供給するパワー（電力）の値
を取り込む（ステップＳ２）。次に、Ｓin1〜Ｓin5及び
Ｓout1〜Ｓout5の出力信号から、ウエハＷの温度が属す
帯域を特定し、その帯域用のモデルに従って、上段（ゾ
ーン１）、中上段（ゾーン２）、中段（ゾーン３）、中
下段（ゾーン４）、下段（ゾーン５）の５つのゾーンに
配置されているウエハＷの温度Ｔw1〜Ｔw5を計算（推
定）する（ステップＳ３）。

【００２８】次に、ウエハＷの温度Ｔw1〜Ｔw5が目標値
に達して、昇温処理が終了したか否かを判別し（ステッ
プＳ４）、目標値に達していれば、昇温処理を終了し、
一定温度を維持するための保温処理に移る。

【００２９】一方、ステップＳ４で、目標値に達してい
ないと判別された場合には、推定した各ゾーンのウエハ
Ｗの温度Ｔw1〜Ｔw5が全体として温度目標軌道（図３
（ｂ））が指示している温度の組み合わせに最も近づく
ように、ヒータ３１〜３５に供給する電力を電力コント
ローラ３６〜４０を介して制御する（ステップＳ７）。
即ち、推定したウエハ温度に基づいて、ウエハＷの温度
を適応（アダプティブ）制御する。

【００３０】例えば、５つのゾーンのウエハの温度がＴ
w1〜Ｔw5であると計算され、温度目標軌道が指示する温
度がＴt1、Ｔt2、Ｔt3、Ｔt4、Ｔt5である場合には、実
際の温度と目標温度との差が全体として最も小さくなる
ように制御を行う。例えば、最小２乗法を用いて、（Ｔ
w1−Ｔt1）^２＋（Ｔw2−Ｔt2）^２＋（Ｔw3−Ｔt3）^２＋
（Ｔw4−Ｔt4）^２＋（Ｔw5−Ｔt5）^２が最小になるよう
に、ヒータ３１〜３５に供給する電力を個々に制御す
る。

【００３１】その後、処理をステップＳ２に移し、熱電
対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号とヒータ
３１〜３５に供給している電力値とを取り込んで、ヒー
タ３１〜３５を制御する動作を繰り返す。

【００３２】その後、処理をステップＳ２に移し、ヒー
タ３１〜３５を制御する動作を繰り返す。

【００３３】昇温が終了すると、ＣＰＵ１１６は、各ゾ
ーンの温度を一定に維持するように適応制御を続ける。

【００３４】昇温終了後、反応管２内の温度が安定する
のに十分な時間が経過すると、反応管２に処理ガスを供
給し、成膜を開始する。成膜処理の間も、上段、中上
段、中段、中下段、下段の各ゾーンのウエハＷの温度が
全体として温度目標軌道が規定する温度に最も近づくよ
うに温度制御を行う。このため、各ゾーンのウエハＷ
は、異なる温度で成膜処理が成される。ただし、モデル
及びレシピが、後述するように、均一な膜が形成できる
ように調整された値（成膜ガスの濃度や、ウエハの枚数
や配置のばらつきの影響などを、熱に換算して調整され
た値）であるので、面間及び面内で比較的均一な厚さの
膜が成長する。

【００３５】成膜が終了すると、ＣＰＵ１１６は、成膜
ガスの供給を停止し、反応管２内にパージガスを供給し
て、成膜ガスをパージすると共に、冷却処理を開始し、
ヒータ部３への電力の供給を停止（または低減）するな
どして、降温動作を開始する。

【００３６】次に、ウエハＷの温度Ｔw1〜Ｔw5が、目標
値（アンロードできる温度）に達したか否かを判別し、
達していれば、降温処理を終了し、ウエハボート２３を
アンロードする。

【００３７】以上説明したように、このバッチ式熱処理
装置は、ウエハボート２３に載置されているウエハＷの
温度Ｔw1〜Ｔw5を数学モデルを用いて非接触で求め、そ
の温度に基づいて、ヒータ部３を適応制御する。従っ
て、適切な温度制御が可能となる。

【００３８】また、温度レシピがゾーン毎に調整されて
いるので、ガスの流れ、ガス密度の分布、温度勾配等に
よる膜厚の差の発生を抑えることができる。

【００３９】次に、モデル記憶部１１１に記憶されるモ
デルの設計手法について、説明する。まず、図５に示す
ように、温度センサＳw1、Ｓw2、Ｓw3を中心からの距離
がＲ _１、Ｒ_２、Ｒ_３の３箇所に配置したテスト用ウエハ
を５枚（ゾーン数分）用意する。Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ
は、次の関係を満たす。Ｋ_１・πＲ_１ ^２＝Ｋ_２・π（Ｒ_２ ^２−Ｒ_１ ^２）＝Ｋ_３・
π（Ｒ_３ ^２−Ｒ_２ ^２）＝Ｋ_４・π（Ｒ^２−Ｒ_３ ^２）

【００４０】Ｒはウエハの半径、Ｋ_１は、ウエハの中心
からの距離（半径）がＲ_１の円で区切られた部分から得
られる半導体素子（チップ）の歩留まり率、Ｋ_２は、ウ
エハの中心からの距離がＲ_１及びＲ_２である２つの同心
円で区切られた部分の半導体素子（チップ）の歩留まり
率、Ｋ_３は、ウエハの中心からの距離がＲ_２及びＲ_３で
ある２つの同心円で区切られた部分の半導体素子（チッ
プ）の歩留まり率、Ｋ _４は、ウエハの中心からの距離が
Ｒ_３及びＲである２つの同心円で区切られた部分の半導
体素子（チップ）の歩留まり率である。なお、歩留まり
率は、過去の経験値、実験値、統計値等から求められ
る。

【００４１】即ち、ウエハの中心から温度センサの位置
までを半径とする同心円で区切られた各エリアから、同
一数の正常なチップが得られるような位置に温度センサ
Ｓw1〜Ｓw3を配置する。

【００４２】より具体的に説明する。図６に模式的に示
すように、加熱時には、ウエハＷの端部が中心部よりも
温度が高く、冷却時には、ウエハＷの端部が中心部より
も温度が低くなる。このため、図７に示すように、ウエ
ハＷの中心部と端部は他のエリアに比べて良品率が低い
（不良品率が高い）。そこで、ウエハＷの中心からの距
離と良品率（歩留率）とを統計的に求め、各同心円で区
画される各領域内の良品チップの数が等しくなるよう
に、温度センサＳw1〜Ｓw3を配置する。

【００４３】次に、これらの５枚のテスト用ウエハが、
図３（ａ）の５つのゾーンに１つずつ位置するように、
テスト用ウエハと通常のウエハとをウエハボート２３に
載置する。次に、このウエハボート２３を反応管２にロ
ードする。次に、ヒータ３１〜３５に高周波帯域の信号
及び低周波帯域の信号を印加し、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及
びＳout1〜Ｓout5の出力、テストウエハ上の熱電対Ｓw1
〜Ｓw3の出力、ヒータ３１〜３５に供給される電流など
のデータを、例えば、１〜５秒のサンプリング周期で取
得する。

【００４４】そして、ゾーン１〜５のテストウエハにつ
いて、それぞれ、３つの熱電対Ｓw1〜Ｓw3の出力が示す
温度の平均値（各ウエハＷ上の３つの同心円上の温度の
平均値）Ｔw1〜Ｔw5を求めて記憶する。

【００４５】次に、一定の温度範囲、例えば４００℃〜
１１００℃の範囲で、１００℃間隔で温度帯域を設定す
る（広温度帯域を１つのモデルでカバーすると温度の推
定などが不正確になってしまうため）。取得したデータ
から、各温度帯域について、数式４に示すＡＲＸ（自動
回帰）モデルを設定する。

【００４６】

【数４】ｙ_ｔ＋ＡＡ_１ｙ_ｔ−１＋ＡＡ_２ｙ_ｔ−２＋...
＋ＡＡ_ｎｙ_ｔ−ｎ＝ＢＢ_１ｕ_ｔ−１＋ＢＢ_２ｕ
_ｔ−２＋...＋ＢＢ_ｎｕ_ｔ−ｎ＋ｅ_ｔｙ_ｔ：時点ｔでの以下の内容を成分とするｐ行１列のベ
クトル内容：熱電対Ｓin1〜Ｓin5の出力の平衡温度ｙ_biasから
の変動量（この例では５成分）、熱電対Ｓout1〜Ｓout5
の出力の平衡温度ｙ_biasからの変動量（この例では５成
分）、ウエハの中心部にセットした熱電対Ｓwcの出力の
平衡温度ｙ _biasからの変動量（この例では５つ）、各テ
ストウエハにセットした熱電対Ｓw1〜Ｓw3の出力の平均
値の平衡温度ｙ_biasからの変動量（この例では５つ）。
従って、この例では、ｙ_ｔは１５行１列のベクトルとな
る。ｕ_ｔ：時点ｔでのヒータ電力平衡値ｕ_biasからの変動量
を成分とするｍ行１列のベクトル（この例では、ヒータ
が５ゾーンのため、５行１列）。ｅ_ｔ：ホワイトノイズを成分とするｍ行１列のベクト
ル。ｎ：遅れ（例えば８）。ＡＡ_１〜ＡＡ_ｎ：ｐ行ｐ列の行列（この例では、１５行
１５列）。ＢＢ_１〜ＢＢ_ｎ：ｐ行ｍ列の行列（この例では、１５行
５列）。

【００４７】ここで、各係数ＡＡ_１〜ＡＡ_ｎとＢＢ_１〜
ＢＢ_ｎを、最小二乗法などを用いて決定する。

【００４８】求められたARXモデルを空間状態方程式で
表現すると、数式５で示すようになる。

【数５】

【００４９】ここから、熱電対（Ｓin1〜Ｓin5、Ｓout1
〜Ｓout5）、温度T_thermo、ヒータ電力ｕ_ｔからウエハ
温度を推測するモデルを求める。数式４の出力ｙ_ｔを測
定可能部分Ｓ_ｔ（Ｐ_１行１列）とウエハ温度Ｗ_ｔ（Ｐ_２
行１列）に分ける。それに応じて、ＣをＣ_ＳとＣ_Ｗに分
割し、ｙ_biasをＳ_biasとＷ_biasに分割する。ウエハ温度
モデルは数式６により計算される。

【００５０】

【数６】Ｘ_ｔ+1＝ＡＸ_ｔ+ＢＵ_ｔ+ｋ_ｆｅ_ｔＳ_ｔ＝Ｃ_ｓＸ_ｔ+［Ｉ_ｐ、0］ｅ_ｔ上式に対して適切なリカッチ方程式を解き、フィードバ
ックゲインLを求めると、ウエハ温度モデルは数式７で
示すようになる。

【００５１】

【数７】Ｘ_ｔ+1＝AＸ_ｔ+B（U_ｔ+U_bias）+Ｌ（Ｔ
_thermo―C_SX_ｔ+Ｓ_bias） T_model、ｔ＝C_ｗX_ｔ+Ｗ_bias ここで、T_model、ｔが予測ウエハ温度である。

【００５２】次に、テスト用ウエハを用いてウエハ温度
を再度測定する。数式７に基づいて推定されたウエハ温
度T_modelと実測値T_waterを比較し、モデルをチューニン
グする。このチューニング動作を必要に応じて複数回繰
り返す。

【００５３】実際の成膜形の処理速度を向上するため、
作成したモデルの次数を１０次程低次元化し、熱処理装
置に実装する。

【００５４】一方、ＣＰＵ１１６の動作プログラムに関
しては、温度の設定値から推測したウエハ温度の変動の
時間平均を最小化するように動作を設定する。

【００５５】次に、この数学モデルを校正するため、テ
スト用ウエハを処理し、数式７に基づいて推定されたウ
エハの温度と実測値（３つの熱伝対Ｓw1〜Ｓw3の出力が
示す温度の平均値）とを比較し、モデルをチューニング
する。このチューニング動作を必要に応じて複数回繰り
返す。

【００５６】一方、ＣＰＵ１１６の動作プログラムに関
しては、温度の設定値から推測したウエハ温度の変動の
時間平均を最小化するように動作を設定する。

【００５７】さらに、成膜処理の種類に応じて、各ゾー
ン内で均一な成膜が可能となるような温度目標軌道Ｔtr
aj（ｔ）、すなわち、温度レシピを設計する。

【００５８】続いて、５つのゾーンが全てこの温度目標
軌道を追従するように制御を行ってテスト的に成膜処理
を実行する。処理後、成膜された膜の厚さを測定し、膜
厚のばらつき等をチェックする。例えば、ゾーン１のウ
エハの膜厚が下段のウエハの膜厚よりも小さい場合、直
接的な原因は不明でも、ゾーン１の温度を相対的に上昇
させることにより、膜厚をほぼ等しくすることができ
る。そこで、最小二乗法等を用いて、ばらつきが最も小
さくなるように、温度目標軌道Ｔtraj（ｔ）を修正す
る。これが、図３（ｂ）に示すようなゾーン毎の温度レ
シピである。この温度レシピをさらにチューニングする
ことも可能である。

【００５９】このようにして、ウエハの温度推定及びウ
エハ温度を目標温度とするための出力を定義するモデル
と、レシピがそれぞれ設定され、モデル記憶部１１１と
レシピ記憶部１１２に記憶される。

【００６０】その後、実際の成膜時に、これらのモデル
及びレシピは適宜選択され、また読み出されて制御に使
用される。

【００６１】熱処理装置を稼働するにつれ、モデルによ
る推定温度と実際のウエハ温度にずれが生ずる場合があ
る。このような場合には、モデル作成時と同様に、加熱
炉内にテスト用ウエハを配置し、モデルを用いた推定温
度Ｔestimateとテスト用ウエハ上に配置された熱伝対Ｓ
w1〜Ｓw3の出力の平均値が示す温度Ｔrealとを比較す
る。そして、例えば、実測温度Ｔrealに基づいて推定温
度Ｔestimateを校正するようにしてもよい。例えば、推
定温度Ｔestimateが実測温度Ｔrealよりも、ΔＴだけ、
高い温度を示す場合には、推定温度をＴestimate−ΔＴ
に補正するようにモデルを校正する。また、推定温度Ｔ
estimateが実測温度Ｔrealのｋ倍の温度を示す場合に
は、推定温度をＴestimate／ｋに補正するようにモデル
を校正する。さらに、Ｔestimate＝ｆ（Ｔreal）、（ｆ
は関数）の関係にある場合には、モデルの最終的な温度
推定値がＴestimate’が、Ｔestimate’＝ｆ−１（Ｔes
timate）となるように、その出力を校正してもよい。

【００６２】以上、この発明の実施の形態に係るバッチ
式の熱処理装置及びその適応制御方法、さらに、制御に
使用するモデルの設計・校正手法を説明したが、この発
明は上記実施の形態に限定されず種々の変形及び応用が
可能である。

【００６３】例えば、モデルとしては、上述の例に限定
されず、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力
（測定値）及びヒータ３１〜３５への供給電力などか
ら、ウエハＷの温度を推測し、さらに、推測した温度の
組を目的とする温度とするために、ヒータ３１〜３５に
供給する電力を特定可能な数学モデルならば任意のモデ
ル（多変数、多次元、多出力関数）を利用可能である。

【００６４】また、テスト用ウエハに３つの熱伝対を配
置する例を示したが、熱伝対の数は、２以上ならば任意
である。例えば、ｎ（複数）の温度センサを使用する場
合に、ウエハの中心を中心とするｎ個の同心円上に温度
センサを配置する。ｎ個の同心円の半径は、ｎ個の同心
円により、ウエハ上に形成されるｎ＋１個の領域から、
同一数の正常な半導体チップが得られるような位置とす
る。

【００６５】上記実施の形態では、窒化膜形成用の熱Ｃ
ＶＤ装置を例にこの発明を説明したが、処理の種類は任
意であり、他種類の膜を形成するＣＶＤ装置、酸化装
置、エッチング装置、等の様々なバッチ式熱処理装置に
適用可能である。ただし、種類毎に、モデルとレシピを
設計する。

【００６６】また、機器構成や動作も上記実施の形態に
限定されない。例えば、上記実施の形態では、ヒータの
数と反応管２内のゾーンを５つとしたが、ヒータの数や
温度ゾーンの数は任意である。また、ヒータは、電気抵
抗型のものに限定されず、ランプなどでもよい。また、
温度を測定するための構成も熱電対に限定されず、任意
の温度センサを適用可能である。

【００６７】また、全ての装置について、モデルを個々
に設計するのは煩雑であり、同一仕様の熱処理装置につ
いて１つのモデルを作成し、これを装置毎に校正するこ
とにより、モデルを共通化してもよい。この方法によれ
ば、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。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、熱処理装置又は数学モデルを適切に校正して、被処
理体に適切に熱処理を施すことができる。また、バッチ
式熱処理装置用の温度推定数学モデルを適切に生成し、
校正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態に係る熱処理装置の構造
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】熱処理の工程を説明するためのフローチャート
である。

【図５】テスト用ウエハ上の熱伝対（温度センサ）の配
置位置を説明するための図である。

【図６】ウエハの温度分布を説明するための図である。

【図７】ウエハ上の半導体チップの歩留まり率を説明す
るための図である。

【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）３１上段ヒータ３２上中断ヒータ３３中段ヒータ３４下中段ヒータ３５下段ヒータ３６〜４０電力コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本浩一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 BB06 CA18 FA04 FA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半径がＲの円形の基板を収納し、該基板の
温度を測定しつつ円形の基板に処理を施す熱処理装置の
校正方法であって、ｎ個の温度センサを、基板中心からの距離Ｒ_１、
Ｒ_２．．．Ｒ_ｎが数式１を満たす位置に配置し、ｎ個の
温度センサから得られた基板温度に基づいて、前記熱処
理装置の動作を校正する、ことを特徴とする熱処理装置
の校正方法。【数１】Ｋ_１・πＲ_１ ^２＝Ｋ_２・π（Ｒ_２ ^２−
Ｒ_１ ^２）．．．＝Ｋ_ｎ＋１・π（Ｒ^２−Ｒ_ｎ ^２）ここで、Ｋ_１は、基板の中心からの距離（半径）がＲ_１
の円で区切られた部分から得られる素子の歩留まり率、
Ｋ_Ｘ（Ｘ＝２，３，．．．．ｎ）は、基板の中心からの
距離がＲ_Ｘ−１及びＲ_Ｘ、である２つの同心円で区切ら
れた部分の素子の歩留まり率、Ｋ_ｎ＋１は、基板の中心
からの距離がＲ_ｎ及びＲである２つの同心円で区切られ
た部分の素子の歩留まり率である。
【請求項２】半径がＲの円形の基板を収納し、該基板の
表面温度を、所定の数学モデルを用いて推定しながら、
推定した温度に従って基板に熱処理を施す熱処理装置の
数学モデルを校正する方法であって、ｎ個の温度センサを、基板中心からの距離が数式２を満
たすＲ_１、Ｒ_２．．．Ｒ_ｎの位置に配置して基板温度を
測定し、数学モデルを用いて基板温度を推定し、ｎ個の温度センサにより実測された基板温度と、数学モ
デルを用いて推定した基板温度とを比較して、数学モデ
ルを校正する、ことを特徴とする熱処理装置の数学モデ
ルを校正する方法。【数２】Ｋ_１・πＲ_１ ^２＝Ｋ_２・π（Ｒ_２ ^２−
Ｒ_１ ^２）．．．＝Ｋ_ｎ＋１・π（Ｒ^２−Ｒ_ｎ ^２）Ｋ_１は、基板の中心からの距離（半径）がＲ_１の円で区
切られた部分から得られる素子の歩留まり率、Ｋ_Ｘ（Ｘ
＝２，３，．．．．ｎ）は、基板の中心からの距離がＲ
_Ｘ−１及びＲ_Ｘ、である２つの同心円で区切られた部分
の素子の歩留まり率、Ｋ_ｎ＋１は、基板の中心からの距
離がＲ_ｎ及びＲである２つの同心円で区切られた部分の
素子の歩留まり率である。
【請求項３】複数のヒータと,複数の温度センサとを備
え、内部に円形の基板を収容する加熱炉と、前記温度センサの出力から、前記加熱炉内の基板の温度
を推定するための温度推定数学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温度推定数学モデルに
基づいて、前記温度センサの出力から前記基板の温度を
推定し、この推定に従って、前記複数のヒータを制御す
る制御手段と、を備えるバッチ式熱処理装置の温度推定
用の数学モデルを生成する方法であって、ｎ個の温度センサを、基板中心からの距離が数式３を満
たすＲ_１、Ｒ_２．．．Ｒ_ｎの位置に配置し、温度センサが配置された基板を前記加熱炉内に収容し、前記ヒータに通電して、前記加熱炉の複数の温度センサ
と基板上の温度センサとの出力を取得して、取得したデータから、前記加熱炉の複数の温度センサの
出力から基板の温度を求める前記温度推定数学モデルを
生成する、ことを特徴とする熱処理装置の温度推定用数
学モデルの生成方法。【数３】Ｋ_１・πＲ_１ ^２＝Ｋ_２・π（Ｒ_２ ^２−
Ｒ_１ ^２）．．．＝Ｋ_ｎ＋１・π（Ｒ^２−Ｒ_ｎ ^２）Ｋ_１は、基板の中心からの距離（半径）がＲ_１の円で区
切られた部分から得られる素子の歩留まり率、Ｋ_Ｘ（Ｘ
＝２，３，．．．．ｎ）は、基板の中心からの距離がＲ
_Ｘ−１及びＲ_Ｘ、である２つの同心円で区切られた部分
の素子の歩留まり率、Ｋ_ｎ＋１は、基板の中心からの距
離がＲｎ及びＲである２つの同心円で区切られた部分の
素子の歩留まり率である。
【請求項４】数式３を満たす位置に温度センサを備える
テスト用基板を用いて基板温度を測定し、請求項３に記載の方法で生成された数学モデルを用いて
基板温度を推定し、ｎ個の温度センサにより実測された基板温度と、数学モ
デルを用いて推定した基板温度とを比較して、数学モデ
ルを校正する、ことを特徴とする数学モデルの校正方
法。