JP2004241302A

JP2004241302A - 半導体製造装置の温度制御方法

Info

Publication number: JP2004241302A
Application number: JP2003030935A
Authority: JP
Inventors: Naoki Uchida; 直喜内田; Shoichi Inami; 昭一稲見; Junya Miyata; 淳也宮田; Kazuhiro Ozaki; 一博尾崎
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP3950068B2

Abstract

【課題】複数の誘導加熱コイルを用いて、半導体製造装置の精密な温度制御を行う半導体製造装置の温度制御方法を提供する。
【解決手段】複数ゾーンからなる加熱コイル１０を使用した半導体製造装置の温度制御方法において、サセプタ１２に対する磁束の干渉度を予め求めておく。前記サセプタ１２の各ゾーンが、必要とする熱量を発生させるために各加熱コイル１０に要求される電流値を算出する。当該電流値に相当する電流を前記各加熱コイル１０に投入する。また、要求される電流を投入された各加熱コイル１０は、当該電流の周波数・電流位相を、同期又は設定範囲内に保持させ、前記投入電力に応じた温度制御を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した電気加熱装置の温度制御方法に係り、特に半導体製造装置の高精度な温度制御を行うのに好適な半導体製造装置の温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
枚葉装置などでは、反応炉にシリコンウェハ等の基板を収容し、ウェハの温度を適切な温度に維持もしくは指定した温度に追従させる。誘導加熱を用いる半導体製造装置は、ゾーンごとに温度センサと誘導加熱コイルヒータと誘導磁場で発熱するサセプタを備えている。誘導加熱コイルで誘導磁場を発生させ、サセプタを加熱して、ウェハを加熱する。ゾーンごとの温度センサにより独立にフィードバック制御（例えばＰＩＤ）を行い温度制御する。制御は独立でもこの構成では、誘導加熱コイルの磁束は当該サセプタの他ゾーンにまで影響を及ぼす。これは各ゾーンの磁束のループが干渉しあっていることを意味する。このため、要求される制御性能が得られないことがある。
【０００３】
このような、被加熱体の温度の干渉を考慮して温度制御を行う、複数ゾーンからなる加熱体を使用した半導体製造装置の温度制御方法には、特許文献１に挙げるもの等がある。特許文献１の温度制御方法は、各被加熱領域の温度の干渉を想定して、制御偏差を補正することにより、安定的に半導体製造装置の温度制御を行う方法である。
【０００４】
すなわち、予め各ゾーン間の温度の干渉を求めておき、各被加熱領域の検出温度と設定温度との偏差を求めるのである。この干渉と偏差値とを基に各加熱体の加熱割合を決定することを特徴としたものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１０８４０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような半導体製造装置の温度制御方法では、各ゾーン間の温度の干渉度は考慮されているが、急速加熱が可能な誘導加熱コイルを用いた場合には、各誘導加熱コイルに相互誘導が起きてしまい、温度制御は困難である。
【０００７】
本発明では、上記課題を解決し、複数の誘導加熱コイルを用いて、半導体製造装置の精密な温度制御を行う半導体製造装置の温度制御方法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】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体製造装置の温度制御方法は、複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した半導体製造装置の温度制御方法において、被加熱体に対する磁束の干渉度を予め求めておき、被加熱体の各ゾーンが必要とする熱量を発生させるために各誘導加熱コイルに要求される電流値を算出し、当該電流値に相当する電流を前記各誘導加熱コイルに投入することを特徴とする。
【０００９】
また、複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した半導体製造装置の温度制御方法において、サセプタの発熱分布を予め求めておき、この発熱分布とサセプタの温度分布と要求される温度分布の設定値に基づいて、前記サセプタの要求発熱量を算出し、当該発熱量に応じた電流値を算出し、当該電流値を前記各誘導加熱コイルに送電するようにしても良い。そうした場合、前記サセプタの温度分布を熱電対により検出し、当該サセプタに要求する温度分布を演算部へフィードバックするようにすると良い。
【００１０】
さらに上記のような場合、要求される電流を投入された各誘導加熱コイルは、当該電流の周波数・電流位相を同期又は設定範囲内に保持させ、前記投入電力に応じた温度制御を行うようにすると良い。
【００１１】
【作用】
上記のような方法によれば、被加熱体に対する磁束の干渉度を予め求めておき、被加熱体の各ゾーンが必要とする熱量を発生させるために各誘導加熱コイルに要求される電流値を算出し、当該電流値を前記各誘導加熱コイルに送電するようにすることにより、複数の加熱コイルが密集している場合であっても、複数の誘導加熱コイルからの目的ゾーンへの磁束の影響を考慮した加熱をすることができるため、精密な温度制御が可能となる。
【００１２】
また、サセプタの発熱分布を予め求めておき、この発熱分布とサセプタの温度分布と要求される温度分布の設定値に基づいて、前記サセプタの要求発熱量を算出し、当該発熱量に応じた電流値を算出し、当該電流値を前記各誘導加熱コイルに送電することにより、サセプタ自体の温度分布を考慮するため、サセプタ端部のような降温し易い箇所であっても精密な温度制御が可能となる。
【００１３】
また、前記サセプタの温度分布を熱電対により検出し、当該サセプタに要求する温度分布を演算部へフィードバックすることにより、前記サセプタに必要とする発熱量を正確に算出することができる。
【００１４】
また、要求される電流を投入された各誘導加熱コイルは、当該電流の周波数・電流位相を同期又は設定範囲内に保持させ、前記投入電力に応じた温度制御を行うことにより、複数の誘導加熱コイルが密接している場合でも、投入電力に応じた電流制御が可能となり、精密な温度制御が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る実施の形態を図面に従って説明する。図１は実施形態の１つであり、円形のサセプタ１２とその下部に同芯配置されたバームクーヘン型の加熱コイル１０を備えた半導体製造装置の場合である。前記加熱コイル１０は、６つのコイルから成り、同数の温度制御ゾーンを有している。また、前記加熱コイル１０は最内のものをマスタ加熱コイル１０ｍとして、他の加熱コイル１０を内側からスレーブ加熱コイル１０ｓ１〜１０ｓ５としている。
【００１６】
この装置におけるサセプタ１２の温度制御方法は、図１、図２に示すようにサセプタ１２を加熱コイル１０と同数のゾーンに分割し、内側からゾーン１、ゾーン２、・・・、ゾーン６とする。
【００１７】
上記のような複数の加熱コイル１０はそのままでは相互誘導作用によって正確に電力制御できなくなるので、次のような構成にすると良い。すなわち、複数の加熱コイル１０周波数・電流位相を同期させ、あるいは設定された位相差となるように個別に電力制御可能とさせるのである。これにより、各加熱コイル１０（１０ｍ、１０ｓ１〜１０ｓ５）へ、相互誘導の影響を回避して投入電力の制御を行うことができる。これには、加熱コイル１０ｍとその制御回路部４２ｍとをマスタユニットとし、加熱コイル１０ｓ１〜１０ｓ５とその制御回路部４２ｓ１〜４２ｓ５をスレーブユニットとして、マスタユニットの負荷コイル部４４ｍの電流を検出し、この電流の周波数と位相が一致するように、あるいは設定された位相差を保持するようにスレーブユニットのインバータ２０ｓ１〜２０ｓ５を運転するようにすると良い。
【００１８】
このような実施形態では、マスタユニット及びスレーブユニットの各々は、共通の電源部５０から整流器４０を介して電力供給を受けて駆動されるようになっており、マスタチョッパ３０ｍ、スレーブチョッパ３０ｓ１〜３０ｓ５を各々に備えて電力調整を可能にする。各々のチョッパ３０の出力側には、ダイオードとトランジスタとを直列接続した辺からなるブリッジ回路によって構成されるインバータ２０（２０ｍ、２０ｓ１〜２０ｓ５）が接続されている。各インバータ２０の出力側には、加熱コイル１０を含む負荷コイル部４４が接続されている。前記負荷コイル部４４には、コンデンサ２２が加熱コイル１０と直列に接続され、直列共振回路を構成している。また、前記負荷コイル部４４には、出力電流を各スレーブユニットに備えられる位相差検出器２８にフィードバックする変流器２４（２４ｍ、２４ｓ１〜２４ｓ５）が備えられる。なお、マスタ変流器２４ｍは、全ての位相差検出器２８に接続され、スレーブ変流器２４ｓ１〜２４ｓ５は、各スレーブユニットに備えられる位相差検出器２８にのみ接続される。各スレーブユニットの負荷コイル部４４ｓには、各々可変リアクタンス２６を備え、マスタユニットの負荷コイル部４４ｍ内での電圧と電流の位相差を同期または一定の範囲内に収まるように調整するようにしている。
【００１９】
また、前記各チョッパ３０には、図１に示すように、磁束の干渉による温度分布と発熱量分布設定と、場合によってはサセプタ１２の測定温度を考慮して各加熱コイルへの電流の設定を行う演算ＣＰＵ１６からの設定電流の指令が伝達される。なお、前記サセプタ１２の測定温度は、サセプタ１２に熱電対１８を備えることにより測定可能とすると良い。
【００２０】
上記構成の実施形態においては、演算ＣＰＵ１６によって、サセプタ１２における各ゾーン１〜６が複数の加熱コイル１０から受ける磁束の影響による発熱量分布を考慮し、設定温度に必要な電流値を求める。
【００２１】
図１、２に示すように、ゾーン６の加熱コイル１０ｓ５の磁束Ｂ６は、最内のゾーンであるゾーン１にまで影響を及ぼす。このように、ゾーン２からゾーン５に与えられる図示しない磁束も当然にゾーン１に影響を及ぼすのである。つまり、各ゾーンは、複数の加熱コイル１０の磁束による影響を受けて加熱される。
【００２２】
前記サセプタ１２の各ゾーンの発熱量分布は以下の式により求めることができる。
【数１】

ここで、Ｑ_Ｚ１からＱ_Ｚ６は、サセプタ１２のゾーン１からゾーン６の各ゾーンの発熱量を示す。また、Ｂは磁束を示し、各加熱コイル１０の各ゾーンへの影響を表す。数式１は、以下の式に変形することができる。
【数２】

βｉは、数式３に示すインダクタンス（誘導係数）βと電流ｉと磁束Ｂと電圧Ｖの関係より導くことができる。
【数３】

数式３を整理すると、
【数４】

とすることができる。また、誘導係数βは磁束ベクトルの電磁場解析により予め求めておくことができる。
【００２３】
ここで、各ゾーンの温度設定値と熱電対１８からのフィードバック値との偏差を求めることにより、前記発熱分布を考慮して各ゾーンの必要発熱量Ｑ（Ｑ_１〜Ｑ_６）を求める。必要発熱量を求めた後、電流ｉについてマトリックス表示すると、数式５のようになる。
【数５】

ここでα_１〜α_６は、磁束に対する各ゾーン毎の発熱量の補正係数であり、解析等により予め求めておくことができる。数式５によって求めたｉ_１からｉ_６が各加熱コイルに要求される電流値である。
【００２４】
上記のようにして演算ＣＰＵ１６で求められた電流値は、前記各チョッパ３０に伝達される。前記電流値を伝達された各チョッパ３０は、入力電流を当該電流値に制御してインバータ２０を介して加熱コイル１０へ送電する。
【００２５】
本実施形態では、複数の加熱コイル１０を作動させることによって生じる相互誘導作用の影響を回避するために、複数の加熱ユニットにおける加熱コイル１０の電流周波数と位相を同期させるか、あるいは一定の位相差になるように制御するようにしている。このため、各スレーブユニットに付帯された位相差検出器２８は、マスタユニットの負荷コイル部４４ｍを流れる電流と、スレーブユニットの負荷コイル部４４ｓを流れる電流を入力し、両者の位相差を求める。また、前記位相差と周波数をゼロまたは一定の範囲内に収束するようにインバータ２０ｓを駆動制御するようにする。これはインバータ２０ｓの駆動パルスの切り替えタイミングを調整することにより実現できる。これにより、マスタユニットとスレーブユニットの各チョッパ３０にて加熱コイル１０への投入電力を調整しても、隣接する誘導加熱コイル１０の間で相互誘導による影響を最小限に抑制することができるので、電力調整を安定して行わせることができる。各誘導加熱コイル１０で加熱されるサセプタ１２の領域の温度を任意に設定することができ、昇温、降温を高速に行わせつつ、ゾーンコントロールが可能となるのである。
【００２６】
上記のような半導体製造装置の温度制御方法において、サセプタ１２の発熱分布を予め求めておき、この発熱分布とサセプタ１２の温度分布と要求される温度分布の設定値に基づいて、前記サセプタ１２の要求発熱量を算出し、当該発熱量に応じた電流値を算出し、当該電流値を前記各加熱コイル１０に送電することにより、サセプタ１２自体の温度分布を考慮するため、サセプタ１２端部のような降温し易い箇所であっても精密な温度制御が可能となる。
【００２７】
また、前記サセプタ１２の温度分布を熱電対１８により検出し、当該サセプタ１２に要求する温度分布を演算ＣＰＵ１６へフィードバックすることにより、前記サセプタ１２に必要とする発熱量を正確に算出することができる。
【００２８】
さらに、投入電力を投入された各加熱コイル１０の周波数・電流位相を同期又は設定範囲内に保持させ、前記投入電力に応じた温度制御を行うようにしたことにより、複数の加熱コイル１０が密接している場合であっても相互誘導による影響を回避することができ、投入電力に応じた電流制御が可能となり、温度斑の無い温度制御が可能となる。
【００２９】
上記実施形態においては、最内の加熱コイル１０をマスタ加熱コイル１０ｍとしたが、複数の加熱コイル１０の内任意の一つとしても良い。また、実施形態では、加熱コイル１０の数を６として加熱ゾーンも６としたが、加熱コイル１０の数の増減により加熱ゾーンの数も変えることができ、前記ゾーン数を増やすことにより、より精密な温度制御も可能となる。さらに、実施形態は円形のサセプタに対して磁束の干渉を考慮することを記載したが、昇華法に使用される坩堝等の加熱に関しても、各加熱コイル１０による被加熱体への磁束の影響を考慮することにより、精密な温度制御を行うことができる。さらにまた、実施形態では、サセプタ１２の温度測定に熱電対１８を使用したが、放射温度計等の他の温度測定器を用いても良い。放射温度計を使用した場合には、サセプタ１２の温度測定を瞬時に行うことができ、効率的である。
【００３０】
【発明の効果】
上記のような複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した半導体製造装置の温度制御方法において、被加熱体に対する磁束の干渉度を予め求めておき、被加熱体の各ゾーンが必要とする熱量を発生させるために各誘導加熱コイルに要求される電流値を算出し、当該電流値に相当する電流を前記各誘導加熱コイルに投入するようにしたことにより、複数の加熱コイルが密集している場合であっても、目的ゾーンへの磁束の影響を考慮した加熱をすることができるため、精密な温度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の１例を示す図である。
【図２】本発明に係る誘導加熱コイルの回路を示す図である。
【符号の説明】
１０………加熱コイル、１２………サセプタ、１６………演算ＣＰＵ、１８………熱電対、２０………インバータ、２２………コンデンサ、２４………変流器、２６………可変リアクタンス、２８………位相差検出器、３０………チョッパ、４０………整流器、４２………制御回路部、４４………負荷コイル部、５０………電源部。

Claims

複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した半導体製造装置の温度制御方法において、被加熱体に対する磁束の干渉度を予め求めておき、被加熱体の各ゾーンが必要とする熱量を発生させるために各誘導加熱コイルに要求される電流値を算出し、当該電流値を前記各誘導加熱コイルに送電することを特徴とする半導体装置の温度制御方法。
複数ゾーンからなる誘導加熱コイルを使用した半導体製造装置の温度制御方法において、サセプタの発熱分布を予め求めておき、この発熱分布とサセプタの温度分布と要求される温度分布の設定値に基づいて、前記サセプタの要求発熱量を算出し、当該発熱量に応じた電流値を算出し、当該電流値を前記各誘導加熱コイルに送電することを特徴とする半導体装置の温度制御方法。
前記サセプタの温度分布を熱電対により検出し、当該サセプタに要求する温度分布を演算部へフィードバックすることを特徴とする請求項２に記載の半導体製造装置の温度制御方法。
要求される電流を送電された各誘導加熱コイルは、当該電流の周波数・電流位相を同期又は設定範囲内に保持させ、前記送電電流に応じた温度制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体製造装置の温度制御方法。