JP2004115904A

JP2004115904A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2004115904A
Application number: JP2002285229A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nakano; 中野　稔
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】環境温度を測定し、環境温度の変動に対応した温度制御を行うことにより、反応室の外部温度変動に対する基板の温度変動の影響を小さくし、バッチ間の基板の膜厚均一性を確保し、品質を向上させる。
【解決手段】反応室１０の外部に、この周辺温度を測定可能な環境温度測定用熱電対４２を設け、環境温度測定用熱電対４２の測定温度に基づいて目標温度を補正し、補正した目標温度とプレートヒータ１６の測定温度又は基板保持用サセプタの測定温度との偏差がゼロになるようにフィードバック制御を行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応室外部の温度を用いてヒータへの制御出力値を補正し、この補正値に基づいて反応室内の温度制御を行う基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の基板処理装置は、例えば枚葉装置にあっては、図３に示されるように、反応室１０内に、基板１２を載置する基板保持用サセプタ１４と、反応室１０内を加熱するプレートヒータ１６と、基板１２上に反応ガス３１を供給するシャワーヘッド１８と、プレートヒータ１６の温度を測定する熱電対２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、基板保持用サセプタ１４の温度を測定する放射温度計２２ａ、２２ｂ、２２ｃとが配設されている。熱電対２０ａは、プレートヒータ１６の内、中心ヒータ１６ａの温度を測定するセンター熱電対であり、熱電対２０ｂは、プレートヒータ１６の中間ヒータの温度を測定するミドル熱電対であり、熱電対２０ｃは、プレートヒータ１６の外周ヒータ１６ｃの温度を測定するアウター熱電対である。放射温度計２２ａは基板保持用サセプタ１４の中心部分の温度を測定するセンター放射温度計であり、放射温度計２２ｂは、基板保持用サセプタ１４の中間部分の温度を測定するミドル放射温度計であり、放射温度計２２ｃは、基板保持用サセプタ１４の外周部分の温度を測定するアウター放射温度計である。また、反応室１０には、基板１２の搬入出を行うための基板トランスファポート１０ａと、反応ガスの排気を行うための排気口１０ｂが設けられている。
【０００３】
反応室１０での処理は、プレートヒータ１６によって反応室１０内を所定の温度に加熱しつつシャワーヘッド１８によって反応ガス３１を供給して基板１２上に薄膜を形成することにより行われる。この際、反応室１０内の温度条件がきわめて重要であり、この温度制御の精度が品質に大きく影響する。特に枚葉装置においては、縦型拡散炉のようなバッチ処理炉に比べて、基板１２内の温度均一性がより要求される。
【０００４】
このため、図８及び図９に示されるような温度制御が行われる。
すなわち、図８に示されるサセプタ温度を制御する場合、基板保持用サセプタ１４の温度を放射温度計２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより測定し、この測定値を温度コントローラ制御部２４に入力する。温度コントローラ制御部２４では、入力された測定値と、上位コントローラ又は保守端末２６より指定される目標温度とを比較し、その偏差を求める。次に、偏差と上位コントローラ２６から指定されたＰＩＤ乗数パラメータを用いてＰＩＤ演算を行い、操作量を求め、操作量からパルス幅を算出するＰＩＤ演算制御２８を行う。次に、パルス幅からゲートパルス（出力パルス）を生成するＧＡＴＥパルス生成３０を行い、ゲートパルスをサイリスタ３２に入力する。サイリスタ３２は、ゲートパルスに基づいてヒータ電源の電力を制御し、プレートヒータ１６の発熱を制御する。この制御中、プレートヒータ１６の温度を熱電対２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）により起電力に変換して温度コントローラＡＤ部３４に入力するが、このデータは制御には使用されずモニターのみ行われる。
【０００５】
次に、図９に示されるヒータ温度を制御する場合、プレートヒータ１６の温度を熱電対２０により起電力に変換して温度コントローラＡＤ部３４に入力する。温度コントローラＡＤ部３４では、入力された電気信号をＡＤコンバータでデジタル信号に変換し、温度コントローラ制御部２４に入力する。温度コントローラ制御部２４では、入力されたデジタル信号と、上位コントローラ又は保守端末２６より指定される目標温度とを比較し、その偏差を求め、以降、サセプタ温度を制御する場合と同様の制御を行う。この制御中、基板保持用サセプタ１４の温度を放射温度計２２により測定し、この測定値を温度コントローラ制御部２４に入力するが、このデータは制御には使用されずモニターのみ行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の基板処理装置では、熱電対２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）や放射温度計２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を用いて、プレートヒータ１６や基板保持用サセプタ１４の温度を測定し、これら測定値を利用して温度制御を行うが、基板処理装置が設置されるクリーンルーム内の環境温度の変動（±３℃）により、反応室１０筐体からの放熱（環境からすると吸熱）現象が変動し、同一条件で基板処理を行っているにもかかわらず、バッチ間の基板１２の膜厚にばらつきが生じる。特に、図１０に示されるような複数の反応室１０が隣接する装置では、クリーンルーム内で通常起こりうる環境温度の変動（±３℃）に加えて、他の反応室１０からの熱の流れも外乱となり、±５℃の変動要因となり、基板の膜厚のばらつきが一層顕著になりうる。
【０００７】
本発明は、上記のような従来の課題を解決するためのものであり、環境温度を測定し、環境温度の変動に対応した反応室内の温度制御を行う基板処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明は、反応室と、前記反応室を加熱するヒータと、前記ヒータを加熱制御して前記反応室の温度制御を行う温度制御手段とを備える基板処理装置において、前記反応室外部の周辺温度を測定可能な環境温度測定手段を備え、前記温度制御手段は、前記環境温度測定手段による測定結果に基づいて、前記ヒータへの制御出力値を補正するものである。
【０００９】
この構成によれば、反応室の外部周辺温度を考慮した温度制御を行うことで、反応室の外部周辺の温度変動の影響を受けない安定した制御を行うことができ、例えばバッチ間の基板の膜厚を均一に維持することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は、本発明の実施の形態の基板処理装置の反応室及び周辺の概略構成図、図２は、本発明の実施の形態の基板処理装置の構成図、図３は、反応室の側断面図、図４及び図５は本発明の温度制御システムのブロック図である。
【００１１】
基板処理装置は、ロードポート３６、ロードロック３８、ロボット４０、３つの反応室１０により構成されており、ロードポート３６は、基板１２が収納されたカセット箱をロードロック３８へ運ぶための場所である。ロードロック３８は、真空状態で塵のないクリーンな部屋であり、ロボット４０は、ロードロック３８に運ばれたカセット箱から基板１２を取出して反応室１０に搬送する。反応室１０は、収納された基板１２に温度、ガス、圧力を加えて成膜処理を行う。
【００１２】
反応室１０の筐体外には、環境温度測定用熱電対（環境温度測定手段）４２が、１つの反応室１０に対して数箇所（例えば４箇所：図１参照）設けられており、基板処理装置が設置されているクリーンルーム内の環境温度を測定可能である。
【００１３】
反応室１０内には、基板１２を載置する基板保持用サセプタ（基板保持具）１４と、反応室１０内を加熱するプレートヒータ（ヒータ）１６と、基板１２上に反応ガス３１を供給するシャワーヘッド１８と、プレートヒータ１６の温度を測定する熱電対（温度測定手段）２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）と、基板保持用サセプタ１４の温度を測定する放射温度計（温度測定手段）２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）とが配設されており、反応室１０には、基板１２の搬入出を行うための基板トランスファポート１０ａと、反応ガスの排気を行うための排気口１０ｂが設けられている。
【００１４】
基板保持用サセプタ１４は、基板１２と共に図示してない回転機構によって回転可能である。
【００１５】
プレートヒータ１６は、抵抗加熱、セラミック加熱、サークルランプ等により構成される加熱源であり、中心ヒータ１６ａ、中間ヒータ１６ｂ及び外周ヒータ１６ｃにより構成されている。これらの熱は、主として基板１２、基板保持用サセプタ１４及び反応ガス３１に吸収される。
【００１６】
熱電対は、上述したように中心ヒータ１６ａの温度を測定するセンター熱電対２０ａと、中間ヒータ１６ｂの温度を測定するミドル熱電対２０ｂと、外周ヒータ１６ｃの温度を測定するアウター熱電対２０ｃとを具備している。
【００１７】
また、放射温度計２２は、上述したように基板保持用サセプタ１４の中心部分の温度を測定するセンター放射温度計２２ａと、中間部分の温度を測定するミドル放射温度計２２ｂと、外周部分の温度を測定するアウター放射温度計２２ｃとを具備している。
【００１８】
次に、本実施の形態の温度制御について図４及び図５に示す温度制御システム図に基づいて説明する。本実施の形態の温度制御システムは、プレートヒータ１６、熱電対２０、放射温度計２２、環境温度測定用熱電対４２、温度コントローラＡＤ部３４、温度コントローラ制御部２４、サイリスタ３２、上位コントローラ又は保守端末２６により構成されており、目標温度と温度測定値とが一致するようにフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行うものである。
【００１９】
より詳述すると、温度コントローラＡＤ部３４は、プレートヒータ１６の発熱による温度が熱電対２０により、また環境温度が環境温度測定用熱電対４２によりそれぞれ測定され起電力（電気信号）に変換されて入力される。これらの電気信号をＡＤコンバータでデジタル信号に変換して温度コントローラ制御部２４に入力する。
【００２０】
温度コントローラ制御部２４は、温度コントローラＡＤ部３４からのデジタル信号、放射温度計２２からの温度測定値、上位コントローラ又は保守端末２６から目標温度、制御モード、制御パラメータなどの温度制御項目がそれぞれ入力され、温度制御項目に従って動作する。
【００２１】
詳しくは、温度コントローラＡＤ部３４から入力されたデジタル信号を各環境温度測定値に変換し、これらの値から補正値を算出する補正値演算３６を行う。すなわち、補正値は、各環境温度測定値に対して、
【００２２】
（「あらかじめ設定されている基準値」−「環境温度測定値」）×「予め設定されている影響度の度合いを表すゲイン係数」
【００２３】
の式により算出された各値を全て加えることにより得られる。
この補正値を用いて目標温度を補正し、温度測定値と補正された目標温度とを比較して偏差を求める。次に、偏差と上位コントローラ２６から指定されたＰＩＤ乗数パラメータを用いてＰＩＤ演算を行い、操作量を求め、これからパルス幅を算出するＰＩＤ演算制御２８を行う。次に、パルス幅からゲートパルス（出力パルス）を生成するＧＡＴＥパルス生成３０を行い、ゲートパルスをサイリスタ３２に入力する。これらの制御は、保守端末２６を用いて行うこともできる。
【００２４】
サイリスタ３２は、入力されたゲートパルスに基づいてヒータ電源の電力を制御し、この制御された電力に基づいてプレートヒータ１６の発熱量を制御する。
これらの制御を繰り返すことにより、温度測定値と目標温度とを一致させるようにするものである。
【００２５】
次に、図４に示されるようにサセプタ温度を制御する場合について説明する。基板保持用サセプタ１４の温度を放射温度計２２により測定し、この測定値を温度コントローラ制御部２４に入力する。また、環境温度を環境温度測定用熱電対４２により起電力に変換し、温度コントローラＡＤ部３４に入力してデジタル信号に変換し、温度コントローラ制御部２４に入力する。温度コントローラ制御部２４では入力されたデジタル信号を環境温度測定値に変換して補正値演算３６を行い、この補正値に基づいて上位コントローラ又は保守端末２６より指定される目標温度を補正する。次に、補正された目標温度と、温度測定値とを比較して偏差を求め、ＰＩＤ演算制御２８を行う。次に、ＰＩＤ演算制御２８により求められたパルス幅からＧＡＴＥパルス生成３０を行い、ゲートパルスをサイリスタ３２に入力する。サイリスタ３２はゲートパルスに基づいてヒータ電源の電力を制御し、プレートヒータ１６の発熱量が制御される。
この制御中、プレートヒータ１６の温度を熱電対２０により起電力に変換して温度コントローラＡＤ部３４に入力するが、このデータは制御には使用されずモニターのみ行われる。
【００２６】
次に、図５に示されるヒータ温度を制御する場合、プレートヒータ１６の温度を熱電対２０により起電力に変換し、温度コントローラＡＤ部３４に入力してデジタル信号に変換し、温度コントローラ制御部２４に入力する。また、同時に環境温度を各環境温度測定用熱電対４２により起電力に変換し、温度コントローラＡＤ部３４に入力してデジタル信号に変換し、温度コントローラ制御部２４に入力する。温度コントローラ制御部２４では入力されたデジタル信号を各環境温度測定値に変換して補正値演算３６を行い、この補正値に基づいて上位コントローラ又は保守端末２６より指定される目標温度を補正する。一方、熱電対２０のデジタル信号も温度測定値に変換して、補正された目標温度と比較し、偏差を求める。以降、サセプタ温度を制御する場合と同様の制御を行う。
この制御中、基板保持用サセプタ１４の温度を放射温度計２２により測定し、この測定値を温度コントローラ制御部２４に入力するが、このデータは制御には使用されずモニターのみ行われる。
【００２７】
（実施例）
目標温度を７００℃とし、図６に示す４つの環境温度測定用熱電対４２を設けた場合の補正値演算は以下のようになる。
すなわち、
環境温度測定用熱電対１：（３０−２４）×１＝６
環境温度測定用熱電対２：（３５−２５）×０．５＝５
環境温度測定用熱電対３：（３１−２３）×０．１＝０．８
環境温度測定用熱電対４：（２０−２２）×０．１＝−０．２
補正値：６＋５＋０．８−０．２＝１１．６
補正後の目標温度：７００＋１１．６＝７１１．６
となる。
このように、環境温度により目標温度を補正した場合と、していない場合の比較を図７に示す。環境温度により目標温度を補正していない場合はバッチ間膜厚ばらつきが大きいが、補正した場合はバッチ間膜厚ばらつきが抑えられることがわかる。
【００２８】
以上のようにして、制御手段によるヒータへの制御出力値が補正されることとなる。なお、前記実施の形態においては、反応室１０の数を３つにしたが、これに限定されるものではなく、また、各反応室１０に設ける環境温度測定用熱電対４２も４つに限定されるものではなく、適宜増減することが可能である。
【００２９】
また、前記実施の形態においては、コールドウォールチャンバについて説明したが、これに限定されるものではなく、ホットウォールチャンバや、コールドウォールチャンバとホットウォールチャンバとを組み合わせたものなどでも可能である。但し、ホットウォールチャンバの場合、放射温度計は使用しない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、環境温度を測定し、環境温度の変動に対応した温度制御を行うことにより、反応室の外部温度変動に対する基板の温度変動の影響を小さくすることができるため、バッチ間の基板の膜厚均一性を確保し、品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の装置の構成を示す図本発明の実施の形態の基板処理装置の反応室及び周辺の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の基板処理装置の構成図である。
【図３】反応室の側断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の基板保持用サセプタ温度を制御する場合のシステム図である。
【図５】本発明の実施の形態のプレートヒータ温度を制御する場合のシステム図である。
【図６】４つの環境温度測定用熱電対のデータを示す図である。
【図７】環境温度による補正がある場合とない場合のバッチ回数に対する基板膜厚の状態を比較する図である。
【図８】従来の基板保持用サセプタ温度を制御する場合のシステム図である。
【図９】従来のプレートヒータ温度を制御する場合のシステム図である。
【図１０】３つの反応室を備えた装置における熱の流れを示す図である。
【符号の説明】
１０　反応室、１２　基板、１４　基板保持用サセプタ（基板保持具）、１６プレートヒータ（ヒータ）、１６ａ　中心ヒータ、１６ｂ　中間ヒータ、１６ｃ　外周ヒータ、２０　熱電対（温度測定手段）、２０ａ　センター熱電対、２０ｂ　ミドル熱電対、２０ｃ　アウター熱電対、２２　放射温度計（温度測定手段）、２２ａ　センター放射温度計、２２ｂ　ミドル放射温度計、２２ｃ　アウター放射温度計、４２　環境温度測定用熱電対（環境温度測定手段）。

Claims

反応室と、前記反応室を加熱するヒータと、前記ヒータを加熱制御して前記反応室の温度制御を行う温度制御手段とを備える基板処理装置において、
前記反応室外部の周辺温度を測定する環境温度測定手段を備え、前記温度制御手段は、前記環境温度測定手段による測定結果に基づいて、前記ヒータへの制御出力値を補正することを特徴とする基板処理装置。